实验3.5 空间滤波和光信息处理.pdf

实验人：刘颖，合作人：彭梦然 （中山医学院，临床八年2012 级物理班，学 2014 年3 月22 日 摘要：按照实验要求搭建光路，分别使用一维、正交光栅进行空间滤波实验，观察光屏上 的成像，了解傅立叶光学的基本原理。再使用不同滤波片，观察并记录网格字和十 字成像质量的改变，了解空间滤波片对图像质量的影响。使用合适的光学部件，进 行光学图像加减实验，了解光学信息处理的基本概念。 关键词：傅里叶变换、阿贝成像、光信息处理 1.引言 由于现有计算机图像处理技术已很难同时满足图像质量和处理速度两方面的要求，利用 光的透射、干涉、衍射等光学现象对二维图像直接进行运算的方法——光学信息处理就越来 越受到人们的重视。由于信息处理过程中许多信息并行处理，且输入和输出都是直接以图像 形式进行的，不需要进行图像复原，所以其分辨率可以很高而运算时间可以极短。特别是激 光的运用，极大地促进了光学信息处理技术的发展。通过此次实验验证阿贝成像理论,理解 透镜成像的物理过程,进而掌握光学信息处理的实质；加深对傅立叶光学空间频谱和空间滤 波(高通、低通和带通滤波器的物理意义)等概念的理解；初步了解简单的空间滤波技术在光 信息处理中的应用。 2.实验方法和装置 [实验原理] （1）傅立叶变换在光学成像系统中的应用 xy g (x, y ) 设一个 平面上的光场的振幅分布为 ，可以将这样一个空间分布展开为一系列 基函数exp i2 xf  yf  的线性叠加，即   x y   g(x, y ) G ( f , f )exp[i 2(x f yf )]df df （1）  x x x y x y  f y 1 g (x, y ) 其中 和 分别为 和 方向的空间频率，量纲为 。 和 互为傅立 x f x L G( f , f ) y x y 叶变换，有 1 / 14  G( f , f ) g( x, y)exp[2i( x f  yf )]dxdy （2 ） x y  x y  G( f , f ) 和g (x, y ) 实际上是对同一光场的两种等效描述。 x y （2 ）阿贝成像理论 将被观测物看成是不同空间频率信息的集合，相干成像过程分两步完成，如图3.5.1 所 示，第一步是入射光场经物平面 发生夫琅禾费衍射，在透镜L 后焦面 （即频谱面）上 P P 1 2 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作为 新的次波源发生次波，在像面 上互相叠加，形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作