1阿貝波特實(shí)驗(yàn)

阿貝-波特實(shí)驗(yàn)阿貝于1874年提出的二次衍射成像理論，以及阿貝本人于1893年然后是波特于1960年后發(fā)布了驗(yàn)證這一理論所做的實(shí)驗(yàn)，稱為阿貝—波特實(shí)驗(yàn)，科學(xué)地說(shuō)明了成像質(zhì)量與系統(tǒng)傳遞的空間頻譜之間的關(guān)系，為空間濾波奠定了基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)就是要學(xué)習(xí)和實(shí)踐他們的理論和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．熟悉阿貝成像原理及其與幾何成像的差異2．學(xué)會(huì)做阿貝-波特實(shí)驗(yàn)3．了解空間濾波的物理意義，并學(xué)會(huì)空間濾波實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理阿貝成像理論cpL眾所周知，只要物平面、透鏡和像平面的位置合適，透鏡就能成像，這個(gè)過(guò)程稱為一次成像過(guò)程。這屬于幾何光學(xué)的物理觀念。阿貝研究顯微鏡成像問(wèn)題時(shí)，提出了一種不同于幾何光學(xué)的新觀點(diǎn)：兩步成像過(guò)程。他將物體看成是不同空間頻率信息的集合，相干成像過(guò)程分兩步完成，如圖cpL眾所周知，只要物平面、透鏡和像平面的位置合適，透鏡就能成像，這個(gè)過(guò)程稱為一次成像過(guò)程。這屬于幾何光學(xué)的物理觀念。阿貝研究顯微鏡成像問(wèn)題時(shí)，提出了一種不同于幾何光學(xué)的新觀點(diǎn)：兩步成像過(guò)程。他將物體看成是不同空間頻率信息的集合，相干成像過(guò)程分兩步完成，如圖1所示。第一步是入射光場(chǎng)經(jīng)物平面Pl發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射，在透鏡后的焦平面P2圖1阿貝成像原理上形成一系列衍射斑。第二步是各衍射斑作為新的次波源，其發(fā)出球面次波，在像面上互相疊加，形成物體的像。將顯微鏡成像過(guò)程看成是上述兩步成像的過(guò)程，是波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)，后來(lái)人們稱其為阿貝成像理論。阿貝成像理論不僅用傅里葉變換闡述了顯微鏡成像的機(jī)理，更重要的是首次引入頻譜的概念，啟發(fā)人們用改造頻譜的手段來(lái)改造圖像信息。阿貝-波特實(shí)驗(yàn)是對(duì)阿貝成像原理最好的驗(yàn)證和演示。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的一般做法如圖2所示。下面作具體分析。平行光網(wǎng)格（物平面｝傅氏鏡頻譜面網(wǎng)格像（像平面）a）平行光網(wǎng)格（物平面｝傅氏鏡頻譜面網(wǎng)格像（像平面）a）網(wǎng)格傅氏鏡頻譜面像平面（物平面）（b）平行光FV網(wǎng)格傅氏鏡｛物平面）頻譜面像平面(c)放置高通

濾披器網(wǎng)格傅氏鏡頻譜面（物平面）像平面（d）網(wǎng)格傅氏鏡頻譜面像平面（物平面）（b）平行光FV網(wǎng)格傅氏鏡｛物平面）頻譜面像平面(c)放置高通

濾披器網(wǎng)格傅氏鏡頻譜面（物平面）像平面放置低通

濾波器像平面網(wǎng)格傅氏鏡頻譜而（物平面）像平面（e）圖2阿貝-波特實(shí)驗(yàn)

用平行相干光束照明一張細(xì)絲網(wǎng)格，在成像透鏡的后焦面上出現(xiàn)周期性網(wǎng)格的傅立葉頻譜，由于這些傅立葉頻譜分量的再組合，從而在像平面上復(fù)現(xiàn)網(wǎng)格的像。若把各種遮擋物（例如：光圈、狹縫或小光欄）放在頻譜平面上，就能以不同方式改變像的頻譜，從而在像平面上得到由改變后的頻譜分量重新組合得到的對(duì)應(yīng)的像。圖中2（a）表示網(wǎng)格（正交光柵）所對(duì)應(yīng)的頻譜分布；2（b）是使用一條水平狹縫時(shí)透過(guò)的頻譜，對(duì)應(yīng)的像只包括網(wǎng)格的垂直結(jié)構(gòu)。如果將狹縫旋轉(zhuǎn)9°,則透過(guò)的頻譜和對(duì)應(yīng)的像如2（c）所示。若在透鏡的焦面上放一個(gè)可變光圈，開(kāi)始時(shí)光圈縮小，使得只通過(guò)軸上的傅里葉分量，然后逐漸加大，就可以看到網(wǎng)格的像是怎樣由傅立葉分量一步步地綜合出來(lái)。如果去掉光圈換上一個(gè)小光欄（高通濾波器—黑點(diǎn)）擋住零級(jí)頻譜一直流分量，貝9可以看到網(wǎng)格像的對(duì)比度發(fā)生變化，甚至發(fā)生對(duì)比度反轉(zhuǎn)，如圖2（d）。如果將一個(gè)小孔光闌置于頻譜面上，則圖像發(fā)生如圖2（e）所示的變化。這些實(shí)驗(yàn)以其簡(jiǎn)單的裝置十分明確的演示了阿貝成像原理，對(duì)空間濾波的作用給出了直觀的說(shuō)明，為光學(xué)信息處理的概念奠定了基礎(chǔ)。阿貝-波特實(shí)驗(yàn)中更重要的一點(diǎn)是表明了像的結(jié)構(gòu)是直接依靠頻譜的結(jié)構(gòu)，如果改變頻譜結(jié)構(gòu)，就能改變像的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)儀器XGC-2激光現(xiàn)代光電測(cè)試儀：氦氖激光器1個(gè)，五維傅氏透鏡調(diào)節(jié)器1個(gè)，準(zhǔn)直透鏡調(diào)節(jié)器1個(gè)，可變可轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫1個(gè)，正交光柵及其支架1個(gè)，，觀察屏1個(gè)，低通濾波器（小孔光闌）1個(gè)，，高通濾波器（黑點(diǎn)光闌）1個(gè)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．布置和調(diào)節(jié)光路1.1按如圖3所示實(shí)驗(yàn)光路的各個(gè)光學(xué)元件的位置，布置光路。氮氛激光器擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直鏡網(wǎng)格傅氏鏡（物詢頻譜面像平面氮氛激光器擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直鏡網(wǎng)格傅氏鏡（物詢頻譜面像平面圖3光學(xué)系統(tǒng)1.2調(diào)節(jié)光路系統(tǒng)，使擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡和成像透鏡同軸等高，具體方法如下，調(diào)節(jié)激光器輸出的激光束平行于全息工作臺(tái)面：用一直尺量出激光器輸出光束在其出口和較遠(yuǎn)距離的另一處兩個(gè)位置的高度，并通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的支架，使兩個(gè)高度相等，則可視為激光束已平行于全息工作臺(tái)面。插入擴(kuò)束鏡，通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡支架的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使激光束通過(guò)擴(kuò)束鏡，并量出擴(kuò)束鏡出射光束的高度，使出射高度與入射光束的高度相等。插入準(zhǔn)直透鏡，使擴(kuò)束鏡的出射光束透過(guò)準(zhǔn)直鏡，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡調(diào)節(jié)架的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使其出射光束的高度等于入射光束的高度。調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡調(diào)節(jié)架與擴(kuò)束鏡的距離，使擴(kuò)束鏡處于準(zhǔn)直透鏡的焦平面內(nèi)。則準(zhǔn)直透鏡出射的光為平行光。具體方法：可用直尺量出相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)光斑的直徑若相等，則光束已處于平行光狀態(tài)；若不相等，則可調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡與擴(kuò)束鏡的距離，使兩者相等，則光束已處于平行光束狀態(tài)。將成像透鏡插入光路，使其與準(zhǔn)直鏡的距離小于或等于兩個(gè)透鏡的焦距之和。調(diào)節(jié)成像透鏡架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使其出射的光束與入射光束的高度相等。將網(wǎng)格屏置于成像透鏡前焦平面的位置（正交線處于垂直和水平位置），觀察白屏置于成像透鏡的后焦平面處，并且使兩個(gè)屏垂直于光束，如圖3所示。至此，光路已調(diào)節(jié)完畢。2．阿貝-波特成像實(shí)驗(yàn)在完成了上述光路的調(diào)節(jié)后，即可進(jìn)行阿貝-波特成像實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證阿貝成像原理。移動(dòng)插入成像透鏡（傅氏鏡）后焦平面內(nèi)的觀察屏，使其處于焦平面上，則可在觀察屏上看到周期性網(wǎng)格的傅立葉頻譜，即一些衍射斑。繼續(xù)移動(dòng)觀察屏，使之抵達(dá)成像透鏡的像平面，則可在屏上看到網(wǎng)格屏的像。并注意觀察屏移動(dòng)過(guò)程中圖像的變化情況。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)體會(huì)阿貝成像原理的兩步成像法的意義。注：因網(wǎng)格較密，可將成像透鏡成的網(wǎng)格的像投影到較遠(yuǎn)的白墻色墻上進(jìn)行觀察。3.空間濾波實(shí)驗(yàn)將一可轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫置于成像透鏡的后焦平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫，使之處于水平狀態(tài)，觀察白屏上像結(jié)構(gòu)的變化，直到可看見(jiàn)網(wǎng)格的像變?yōu)橐恍┢叫械拇怪本€為止。轉(zhuǎn)動(dòng)處于成像透鏡后焦面內(nèi)的可轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫，使狹縫處于垂直狀態(tài)，這時(shí)可在觀察屏上看到網(wǎng)格的像已變?yōu)橐恍┢叫械乃骄€。將一小孔光闌一低通濾波器置于成像透鏡的后焦面內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)，使其中心處于光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，觀察白屏上像結(jié)構(gòu)的變化，可看到網(wǎng)格的像消失。將一黑點(diǎn)光闌一一高通濾波器置于成像透鏡的后焦面內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)，使其中心處于光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，觀察白屏上像結(jié)構(gòu)和對(duì)比度的變化，最后可看到網(wǎng)格的像反轉(zhuǎn)，網(wǎng)格像會(huì)變成一些白色的網(wǎng)格線。實(shí)驗(yàn)記錄阿貝-波特實(shí)驗(yàn)光路部位物理現(xiàn)象、物平面傅氏鏡后焦平面傅氏鏡象平面放置物或觀察到的圖像空間濾波結(jié)果\光路部位物平面后