空間濾波和光信息處理實驗

試驗十一空間濾波和光信息處理空間濾波指在光學(xué)系統(tǒng)的傅里葉頻譜面上放置適當(dāng)?shù)臑V波器〔包括圖像、光波頻率和振幅〕實施運算或變換，以便對相關(guān)信息進(jìn)展提取、編碼、存儲、1873年，德國人阿貝〔E.Abbe,1840~1905〕在蔡司光學(xué)公司任職期間爭論如何提高顯微鏡的區(qū)分本領(lǐng)時，首次提出了二次衍射成像的理論。阿貝和波特A.B.Porter〕分別于1893年和1906年以一系列試驗證明白這一理論,說明白成像質(zhì)量與系統(tǒng)傳遞的空間頻譜之間的關(guān)系。1935年，澤尼可〔Zernike〕提出了相襯顯微鏡的原理，將物光的位——“傅里葉光學(xué)”形成了一個的光學(xué)分支。目前，光學(xué)信息處理在信息存儲、遙感、醫(yī)療、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等方面得到了廣泛應(yīng)用。一、試驗?zāi)康牧私飧道锶~光學(xué)根本理論的物理意義，加深對光學(xué)空間頻率、空間頻譜和空間頻率濾波等概念的理解。把握方向、低通、高通濾波技術(shù)，觀看濾波效果，加深對光信息處理本質(zhì)的生疏。理解調(diào)制法假彩色編碼原理，把握光柵衍射根本理論。二、試驗儀器He-Ne激光器、激光器架〔或光源二維調(diào)整架、導(dǎo)軌、擴束器、光柵、平面鏡、透鏡150190、225mm〔二維光柵、干版架、頻譜濾波器、濾波器組〔方向、低通、高通、零級、小孔〕網(wǎng)格字、白光源、調(diào)制板、紙板架、白紙板和大頭針。三、試驗原理阿貝成像原理g(x,y)G(,)

g(x,y)expi2(xy)dxdy (1)式中,x,yg(x,y則為G(,)的傅里葉逆變換，即g(x,y)

G(,)expi2(xy)dd (2)〔2〕g(x,y可表示為無窮多個基元函數(shù)expi2(xy)線性迭加，G(,)是相應(yīng)于空間頻率為,的基元函數(shù)的權(quán)重，G(,)g(x,y的空間頻譜。里葉變換性質(zhì)可知，只要在傅里變換透鏡的前焦面上放置一透射率為g(x,y)的圖像，并以相干平行光束垂直照耀，則在透鏡后焦面上的光場分布就是 g(x,y) 的傅里葉變換G,) G(f),y(f)f為透鏡的焦距〔x,y〕為后焦面〔即頻譜面〕上任意一點的位置坐標(biāo)。明顯，后焦面上任意一點〔x,y〕對應(yīng)的空間頻率為x/(f，y/(f。1873年，程可以分成二步。第一步是通過物的衍射光在透鏡的后焦面〔即頻譜面〕上形成空間頻譜，而形成物體的像，這是干預(yù)所引起的“合成”作用，如圖1所示。yxx物面f透鏡 頻譜面 像面1阿貝成像原理成像的這兩個過程，本質(zhì)上就是兩次傅里葉變換。第一個過程把物面光場的空間分布g(x,y)G(,)，其次個過程則是將頻譜面上的空間頻譜分布G(,)作傅里葉逆變換復(fù)原為空間分布〔馬上各頻譜重量復(fù)合成像。因此，成像過程經(jīng)信息沒有損失，則像和物應(yīng)完全相像〔除了放大或縮小。但一般說來，像和物不行能完全相像，這是由于透鏡的孔徑有限，總有一局部衍射角度大的高次成分〔高頻信息不能進(jìn)入〔如很密的光柵〔空間頻率為零〕能通過，則在像平面上雖有光照，卻完全不能形成圖像。空間濾波由以上爭論可知，成像過程本質(zhì)上是兩次傅里葉變換，即從空間復(fù)振幅分布函數(shù)g(x,y)變?yōu)轭l譜函數(shù)G(,)，再由頻譜函數(shù)G(,)g(x,y)〔無視放大率。因此，在頻譜面〔即透鏡后焦面〕上人為地放一些模板〔吸取板或相移板〕以減弱某2所示?！瞐〕 〔b〕 〔c〕 〔d〕2不同類型的空間濾波器圖2中(a)為高通濾波器，它是一個中心局部不透光的光屏，它能濾去低頻成分而允許高頻成分通過，可用于突出像的邊沿局部或者實現(xiàn)像的襯度反轉(zhuǎn)；(b)為低通濾波器，其作照片中的網(wǎng)狀構(gòu)造；(c)為帶通濾波器，它可讓一些需要的頻譜重量通過，其余被濾掉，可(d用于突出圖像確實定特征。調(diào)制法假彩色編碼調(diào)制承受不同取向的光柵對物屏面的各局部進(jìn)展調(diào)制〔編碼，通過特別濾波器把握像平面相關(guān)各局部的灰度〔用單色光照明〕或顏色〔用白光照明〕的一種方法。試驗承受的調(diào)制板附件是一個由三種取向的光柵組成的圖案，相鄰取向的夾角均為120°。在圖3所12示光路中，從鹵鎢燈發(fā)出的光通過凸透鏡L〔190mm〕變成近似平行光束，其中每一種單色光通過圖案的各組成局部，都會在L的后焦面上產(chǎn)生與各局部對應(yīng)的頻譜，其排向的彩色光斑。此時，將夾緊白紙的紙板架放在頻譜面上，先用大頭針扎一個小孔，測定各排頻譜所屬圖案區(qū)域。接著，避開測試孔，按配色需要地扎出一些小孔，在毛玻璃屏上就得到預(yù)期的彩色圖案。121白光源 1

調(diào)制板

頻譜面 光屏2四、試驗內(nèi)容2觀測一維光柵的頻譜

3θ調(diào)制光路圖按圖4布置光路，調(diào)整激光束與導(dǎo)軌平行。調(diào)整時，可在導(dǎo)軌上放置一個與導(dǎo)軌垂直的小孔光闌，當(dāng)光闌在導(dǎo)軌上前后移動時，激光束始終能通過小孔即可。激光器L1L3激光器L1L3

頻譜面 像面4試驗光路圖LLLL

之間的距離使之等于它1 2 1 2們的焦距之和以獲得截面較大的平行光。將光柵和成像透鏡L3

放入光路，調(diào)整L3

與光柵之間的距離，用毛玻璃屏在L的3激光器物面L激光器物面L3頻譜面平面鏡光屏5加了反射鏡的光路圖用大頭針扎透零級和1、2?級衍射光點的中心，按下表要求選擇通過不同頻率成分，分別觀看并記錄像面上成像的特點及條紋間距，并作簡要解釋。1一維光柵頻譜分析序號頻譜成分成像狀況及解釋1全部通過2零級通過30、140、25除零級以外通過用卡尺測出各衍射級至中心零級的距離，依據(jù) x/(f)和 y/(f)求出x y各衍射級對應(yīng)的空間頻率，并確定光柵常數(shù)。觀測二維光柵的頻譜將一維光柵換成二維光柵，在頻譜面上觀看該光柵的頻譜。從像面上觀看它的放大像，并測出柵格間距。在頻譜面上放置光闌，依次只讓含零級的垂直、水平和與光軸成45角的一排光點通過，觀看并記錄像面上圖像的變化，測量像中柵格間距，并作簡要解釋。空間濾波低通濾波：把一個帶正交網(wǎng)格的透亮字模板〔透亮的“光”字內(nèi)有疊加的網(wǎng)格〕置于成像光路的物平面，體會此物信號的空間頻率特征〔字對應(yīng)非周期函數(shù)，有連續(xù)頻譜，筆劃較粗，其頻率成分集中在光軸四周；網(wǎng)格對應(yīng)周期函數(shù)，有分立譜，試驗濾除像的網(wǎng)止，字形照舊存在，試給出合理解釋。高通濾波：將一個透光字模板放在物平面上，從像平面觀看放大像。然后在頻譜面上置一圓屏光闌，擋住頻譜面的中部，再觀看和記錄像面變化。θ調(diào)制法假彩色編碼3調(diào)整光路，使得各元件共軸，從鹵鎢燈發(fā)出的光經(jīng)過L

后形成平行光。1將調(diào)制片放置在光路的物面上，在頻譜面上觀看到一系列彩色譜斑。這幾行不同部位。這些極大值除了零級沒有色散之外，其它級都有色散。對調(diào)制片的頻譜進(jìn)展濾波處理，在像面上得到具有紅黃綠〔或其它顏色〕三種面上觀看假彩色像，記錄濾波過程及現(xiàn)象。五、試驗提示請勿用手觸摸光學(xué)鏡面。放在光具座上的透鏡、物面、頻譜面、像面、光源需要同軸等高，激光器發(fā)出的光線要與