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实验3.5 基于空间光调制器的光学实验 实验3.5 基于空间光调制器的光学实验 实验人：朱思锦合作人：方格 （中山大学理工学院 微电子2013 级 学 实验日期：2015 年6 月12 号 地点：基础物理实验室 室温：22℃ 湿度：65% B 基于空间光调制器的光信息处理基础实验 摘要：采用空间光调制器作为输入物体，完成一维光栅、正交光栅、低通高通滤波等的 空间滤波和方向滤波实验，验证阿贝成像原理，了解傅里叶光学基本原理的物理意义， 学习光学信息处理的基本概念和知识。 关键词：空间光调制器 傅里叶光学 光信息处理 一、 引言 当今信息处理技术的核心是利用以计算机为代表的电子设备处理随时间序列变化的一维信号。 对于重要性日益增长的诸如文字、图像、照相之类具有二维空间分布的图像信息，往往通过扫描和 取样的方式将其转换为一维信号，由计算机处理之后再还原成二维信号。由于这种方法要处理的数 据量十分巨大，加之分辨率、图像还原方法等方面的限制，已很难同时满足图像质量和处理速度两 方面的要求。而光波作为信息载体具有特别显著的优点：其一是具有极大的信息容量；其二是光波 具有并行性，为信息的多路并行传输和处理提供了可能性。因此，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就越来越受到人们的重视。称这种信息处理的方法为光学信 息处理，具有分辨率很高而运算时间极短的优势。本实验首先通过一维光栅、正交光栅的实验验证 阿贝原理，以期了解傅里叶光学的基础知识，后续进行两个以傅里叶光学为基础的光信息处理的滤 波实验，初步掌握光信息处理的原理和简单应用。 二、 实验方法和装置 1. 理论背景 1) 阿贝成像原理 阿贝尔研究显微镜成像问题时，提出了一种不同于几何光学的新观点，他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1 所示。第一步是入射光场经物平面P1 发 生夫琅禾费衍射，在透镜 L 的后焦面P1 （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作为新的次波源发生次波，在像面P3 上互相叠加，形成 物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。第一 步是把物面光场的空间分布g (x,y ) 变为频谱面(P)上的空间频率分布G(x,y ) 。第二步再做一次逆 2 Page 1 / 18 实验3.5 基于空间光调制器的光学实验 变换，将G(x,y ) 还原到空间分布g (x,y ) 。 阿贝尔成像理论不仅用于傅里叶变换阐述了显微镜成像的机理，更重要的是首次引入了频谱的 概念，启发人们用改造频谱的手段来改造信息。如果在频谱面上设置各种空间滤波器，滤去频谱中 的某些空间频率成分，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（或通过）某些空间频率或改变他们的振幅和相位，使二维物体的像按照要求得到改善。 图1 阿贝成像原理 2) 光信息处理基本光路（4f 系统） 由于任何彩色图像都可以看成是三种颜色的单色图像的合成，因此可用单色光来说明光学信息 处理的一些基本概念。图2 为一种经典的三透镜光学信息处理的光路图。由于光线经过透镜之后相 当于进行了一次傅立叶变换，所以如图2 所示，激光光源发出的光线经准直透镜L 之后变成相干的 c 平行光均匀照射P 平面上的待处理图像（透明图片、光栅、或