空间滤波实验
![空间滤波实验](https://img.360docs.net/img07/07qa9w62uz2md2v0ws4-71.webp)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
空间滤波实验
实验目的
1、加深傅立叶光学基本概念和理论的理解
2、了解空间滤波实验系统
3、验证阿贝二次成像理论 实验原理
空间滤波实验也称阿贝—波特实验,属于采用滤波方法来处理光学信息的技术,其理论基础是阿贝二次成像原理。阿贝(Ernst Abbe,1840-1905),德国科学家,曾在蔡司公司任职,1873年在研究如何提高显微镜的分辨本领时,他首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念。后来,阿贝本人1893年和波特于1906年用实验验证了阿贝成像理论。阿贝理论和上述两次实验可以看作是傅立越光学的开端。阿贝成像理论的核心是:相干照明下成像过程可分做两步,首先是物面上发出的光波在物镜后焦面上发生夫琅和费衍射,得到第一次衍射像;然后,该衍射像作为新的相干波源,由它发出的次波在像面上干涉而构成物体的像,称为第二次衍射像。因此,该理论也常被称为“阿贝二次衍射成像理论”。后人称其为阿贝成像原理(Abbe’ Principle of image of formation )。
图1是上述成像过程的示意图。其中物面()11,y x ,用相干平行光照明,在透镜后焦面即频谱面()22,y x 得到物的频谱,这是第一次成像过程,实际上是经过了一次傅立叶变换;由频谱()22,y x 而到像面()33,y x ,也是完成了一次夫琅和费衍射过程,等于又经过一次傅立叶变换。当像面取反射坐标时,后—次变换可视为傅立叶逆变换。经上述两次变换,像面上形成的是物体的像。
A B C
P P 'A '
B '
C (x 2,y 2)
(x 3,y 3)
图1 阿贝二次成像理论示意图
用频谱语言表达阿贝成像原理,那就是,第一步发生夫琅和费衍射,起“分频”作用,第二步发生干涉,起“合成”作用。这两个步骤本质上就是两次傅立叶变换。第一步“分频”是把物面光场的空间分布()y x g ,变为频谱面上的空间频率分布),(y x f f G 。第二步“合成”则是再作一次变换,又将),(y x f f G 还原到光场的空间()y x g ,。
图2有限口径丢失高频信息
如果这两次变换完全是理想的,即信息没有任何损失,则像与物完全相似,但一般来说像与物不可能完全相似,这是由于透镜的孔径是有限的,总有一部分衍射角较大的高频成分不能进入到物镜,所以像的信息总是比物的信息要少些。因此,相干成像系统中的物镜或光瞳,就是一个低通滤波器,高频信息成分的丢失,使像无法再现物的相应细节,像变的模糊了一些。因此,为了使像场更加准确的再现物场,应当尽量扩大物镜的口径,以吸纳更多的高频率信息进入成像系统。
空间滤波实验是对阿贝成像原理的最好验证和演示,完整的空间滤波实验系统如图3所示,它包括输入的物平面、频谱面、和输出的像平面。
图3空间滤波实验原理
为了便于说明频谱对成像的影响,以一个光栅作为物分析成像的两个步骤。当平行光照在光栅上,衍射为不同方向传播的平行光。经过物镜分别在后焦面聚焦,后焦面上这些光点代表不同空间频率(透镜前不同方向的平面波)的光,然后这些光又重新在像平面上复合而成像。
如果这两次傅氏变换完全是理想的,信息在变换过程中没有损失,则像和物完全相似。但由于透镜的孔径是有限的,总有一部分衍射角度较大的高频成分(高频信息)不能进入物
镜,所以像不包含物的超过一定空间频率的成分。
实验仪器与操作
本实验中使用的是He —Ne 激光器作光源,其输出为波长nm 8.632红色光。物为mm line 20的透射光栅。
光栅
单色图4空间滤波实验装置
1、先把激光束调到合适的高度,并使光束与工作台面平行。物光栅条纹沿铅垂方向。调解物镜使像面获得清晰的光栅像。在频谱面(焦平面)放一块毛玻璃,看到毛玻璃上出现
水平排列的衍射光点。中间最亮点为0级衍射斑,两侧分别为 21±±,
级衍射斑点。 2、频谱面毛玻璃换为可调狭缝,仅使0级衍射通过,这时像面为均匀一片。 3、进一步扩大狭缝,使0级,1±级衍射光通过。这时像面出现条纹——即光栅像。但条纹之间不再有明显界限,而是渐变的。
4、进一步扩大狭缝,使0级、1±、2±级衍射通过、光栅像条纹界限逐步清晰。继续加宽狭缝,光栅像像条纹更加清晰。
5、用狭缝挡住2±级以上级次,则像面上的光栅像的条纹密度加倍。
实验后所得实验效果如图5所示。可见利用空间滤波技术可以成功地改变像的结构,从而验证了经典的阿贝成像原理。
(1)0级通过(4)±1级通过
(3
)仅挡住0级(2)0,±1级通过所有级通过
图5频谱面上不同衍射级次通过时的成像效果图
思考题
1、本实验对光源、对物镜口径有什么要求。
2、有的相机镜头很大,从信息光学角度看这有什么好处。