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信息光学 阿贝-波特实验.pdf
(Abbe) (Porter)
(Abbe) (Porter)
实验二 阿贝((AAbbbbee))一波特((PPoorrtteerr))实验
【实验目的】
1 验证和演示阿贝成像原理,理解成像过程中的“分频”和“合成”作用
2 掌握方向滤波 高通滤波 低通滤波等简单的滤波技术,观察各种空间滤波
器所产生的的滤波效果,理解空间滤波的原理,加深对光学信息处理实质的认识。
3 学习应用CCD采集图像和图像数字处理技术。
【实验光路】
在消散斑空间滤波综合实验仪上进行阿贝-波特实验的光路配置如图1所示。
图1 阿贝-波特实验
【实验原理】
空间滤波是光学信息处理的一种重要技术。阿贝-波特实验是空间滤波的典型实验。它
虽然早在1893年和1906年就分别由阿贝和波特首先提出和完成,但因为它极为形象地验证
和演示了阿贝成像原理,是傅立叶光学的最基础的实验,因而很有必要重复这个实验。阿贝
成像原理认为透镜的成像过程可以分为两步:第一步是通过物的衍射光在透镜的后焦面(即
频谱面)上形成空间频谱,这是衍射所引起的“分频”作用;第二步是代表不同空间频率的
各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像,这是干涉所引起的“合成”作用。成像过程的
这两步本质上就是两次傅立叶变换。如果这两次傅立叶变换是完全理想的,即信息没有任何
损失,则像和物应完全相似。如果在频谱面上设置各种空间滤波器,挡去频谱中某一些空间
频率成份,则将会使像发生变化。空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各种空间滤波器,
去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和位相,使二维物体的像按照要求得
到改善。这也是相干光学处理的实质所在。
典型的空间滤波系统是4f系统。如图1所示,这也是相干光学处理的典型光路。L1 ,
L2 是一对焦距为f 的傅立叶变换镜头,二者之间的距离等于2f,L1 的后焦点与L2的前焦
点重合。输入面P1 在L1 的前焦面上,输出面P2 在L2 的后焦面上。输入面P1 与输出面
P2之间的距离为4f,故称4f系统。
设输入面P1上物的复振幅透射系数为t(x,y),根据透镜的傅立叶变换性质,在透镜L1
和L2的公共焦面上(即频谱面)F 上将得到物体的频谱T(ξ,η)。若在频谱面上放置透射系数
为F(ξ,η)的空间滤波器,通过空间滤波器后的复振幅为T(ξ,η)F(ξ,η)。
根据卷积定理,在输出面P2(即像面)上得到的复振幅分布为
−1
t(x,y)= F {T(ξ,η)F(ξ,η)}
−1 −1
= F {T(ξ,η)}∗F {F(ξ,η)}
= t(x,y)∗ f(x,y)
式中已经假定(x,y )相对于(x,y)取反射坐标。上式表明,在输出面上像的复振幅分布是物
体透射系数与滤波器透射系数逆变换的卷积。
本实验中,用一块Ronchi正交光栅作为物,将它置于傅立叶变换镜头L1 的前焦面P1
上,并用准直的激光束垂直照明。这时,在频谱面上可以观察到一个二维的分立光斑阵列,
这就是正交光栅的频谱,也就是物体透射系数的傅里叶变换。该频谱函数经过傅里叶变换镜
头L2 的变换作用。在输出面P2 上得到正交光栅的像。经过两次傅里叶变换后得到一个坐
标反射的原函数。如果在频谱面上采用不同的空间滤波器改变频谱函数,则可以得到不同的
输出函数,从而实现空间滤波。
【实验步骤】
1 调整光路
1 仔细阅读消散斑空间滤波综合实验仪调整方法与软件使用说明。根据实验光路选择合适
的部件,并调整好光路。半导体激光器电压小心从0V微调到3V,不要超过3V。
2 散射器电压从0V调到6V。打开计算机,调出软件界面。
3 散射器从滑动台板面到圆孔高度为105mm 为基准高度(插杆落到底),激光束从显微扩
束镜头L0聚焦出射对准此孔。
4 散射器电压到0V,用白屏在散
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