光學(xué)信息處理試驗

光學(xué)信息處理實驗光柵自成像實驗馬赫一澤德干涉儀.........................................9阿貝成像與空間濾波實驗光學(xué)傳遞函數(shù)的概念，1960年誕生了強相干光一一激光，這是近代光學(xué)發(fā)展歷史上的三件大事。而光學(xué)信息處理的起源，可以追溯到阿貝的二次成像理論的提出和空間濾波技術(shù)的興起?？臻g濾波的目的是通過有意識地改變像的頻譜，使像產(chǎn)生所希望地變換。光學(xué)信息處理則是一個更為廣闊地領(lǐng)域，它主要是用光學(xué)方法實現(xiàn)對輸入信息的各種變換或處理。阿貝于1893年，波特于1906年為驗證這一理論所作的實驗，說明了成像質(zhì)量與系統(tǒng)傳遞的空間頻譜之間的關(guān)系。實驗?zāi)康念l譜濾波實驗是信息光學(xué)中最典型的實驗，通過對頻譜的觀察和動手完成阿貝一一波特實驗(方向?qū)嶒炘戆⒇愓J(rèn)為在相干的平行光照明下，透鏡的成像可以分為兩步，第一步是平行光透過物體后產(chǎn)生的衍射光，經(jīng)透鏡后在其后焦面上形成衍射圖樣。第二步是這些衍射圖上的每一點可以看作是相干的次波源，質(zhì)上就是兩次傅立葉變換，如果物光的復(fù)振幅分布是g (x°,y。)，可以證明在物鏡后焦面(§,〃)上的復(fù)振幅分布是g(xo.yo)的傅立葉變換G(人，人)(只要令人=厶，人=丄：幾為波長，f為透鏡的焦距)。所以第一步就是將物可4/光場分布變換為空間頻率分布，衍射圖所在的后焦而稱頻譜而(簡稱譜而或者傅氏而)。第二步是將譜而上的空間頻率分布作逆傅氏變換還原成為物的像(空間分布)。按照頻譜分析理論,譜而上的每一點均有以下四點明確的物理意義。頻第三點：光點的方向是指岀物平而上該頻率成分的方向，例如橫向的譜點表示物而有縱向柵縫。則顯示物而上該頻率成分的幅度大小。如果在譜而上人為的插上一些濾波器(吸收板可移相板)以改變譜而上的光場分布，就可以根據(jù)需頻率得到相對加強或者減弱，以達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的。常用的濾波方法有如下這些。低通濾波目的是濾去髙頻成分，保留低頻成分，由于低頻成分集中在譜而的光軸(中心)附近，高頻要由高頻成分。2.髙通濾波。高通濾波目的是濾去低頻成分而讓髙頻成分通過，濾波器形狀是一個圓屏。其結(jié)果正好與3.方向濾波(波特實驗)。只讓某一方向(如橫向)的頻率成分通過，則像而上將突出了物的縱向線條。實驗儀器物而0處可放置透射的一維光柵和正交光柵(網(wǎng)格)，譜面處放各種濾波器(形狀不同的光闌，狹吏像面匕上得到一個放大的實像，并使譜而的衍射圖適于冬種濾波器的大小，以便于濾波處理。例如當(dāng)f=250mm時,則可選光柵常數(shù)d=0.\mm:像面(x,y)可以放得比較遠(yuǎn)一些，能獲得較大的放大倍數(shù)，a,……級衍射點。像而上可以看到黑白相間且界線明顯的光柵像。實驗步驟一.在頻譜面上可以放一個可調(diào)狹縫，逐步縮小狹縫，使只有0級，±1級衍射通過，如圖2(b)0像而上光柵像變?yōu)檎倚?，光柵間距不變。但明暗條紋之間是逐步漸變的。.進(jìn)一步縮小狹縫，僅使0級衍射通過，如圖2(c),這時像而上雖然有亮斑，但不出現(xiàn)光柵像。，±2級通過，如圖2(d),則像而上的光柵像的空間頻率加倍。四.用光闌擋去0級衍射而使其它衍射光通過，如圖2.2(e),則像而上發(fā)生反襯度的半反轉(zhuǎn)，即原間出現(xiàn)細(xì)亮線，而原來的亮條紋仍然是亮的。(a)(b)(c)色合成概況阿貝成像理論，成功地提岀了“頻域”概念，以及二次成像過程。&調(diào)制彩色合成(分光濾波)是度的光柵調(diào)編碼，從而得到彩色的輸出像：當(dāng)使用單色光照明，則在像平而上各部分呈現(xiàn)不同的灰度，得到有著明暗變化的輸出像。色合成原理0調(diào)制就是以不同取向的光柵，調(diào)制物平而的不同部位，經(jīng)過空間濾波以后，使像平面上各相應(yīng)部這里物平面上放置的是用全息照相方法制作的一個0調(diào)制圖像(0調(diào)制板)，即由不同取向的光柵組成的圖像，例如圖1所示圖中的大地(草地)、房子、天空分別由三個不同取向的光柵組成，這里三個光柵取向務(wù)相差60°。調(diào)制彩色合成原理圖光柵的彩色衍射圖，如圖?■■■?房子天空譜草地，此時這些衍射極大值除了零級以外都有色散，波長短的藍(lán)光具有較小的衍射角,英次為綠光，而紅草地的彩色圖像，如圖所示：像紅房子綠草地&調(diào)制彩色合成成像3空間濾波典型的三透鏡濾波系統(tǒng)如圖2.7所示:兩次傅立葉變換的任務(wù)0由一個透鏡承擔(dān)。兩透鏡之間的距離是兩透鏡的焦距之和，系統(tǒng)的垂軸放大率等于兩個透鏡焦距之比?有時為了簡單起見，常取兩者焦距相等，于是從輸入平而到輸出平而之間，各個元件相距f,這種系統(tǒng)簡稱為4f系統(tǒng)。若輸入透明片宜于片平而上,英復(fù)振幅透過率為/Sy),用單位振幅的相干平而波垂直照射，則在％平而上得到物體的頻譜〃丿：若在這個平而上放宜濾波器，令苴振幅透過率"吃，)'2)正比兩個函數(shù)乘積的傅立葉變換，在我們采用的反演坐標(biāo)系下，輸出平而光場的復(fù)振幅分布為：g(?‘兒)=嚴(yán){丿5'羽'丿}二/(心‘兒)*/心3，兒)式中：/(心亠)是物體/("」)的幾何像：h是H的逆傅立葉變換，稱為濾波器的脈沖響應(yīng)。從統(tǒng)實驗原理黑白編碼片鎖譜濾波解碼彩色圖像2&調(diào)制彩色合成原理圖驗步驟白光點光源I通過透鏡L準(zhǔn)直后照射弓(物光柵，即0調(diào)制板)，經(jīng)過透鏡厶在1(液晶空間光濾波器)上呈現(xiàn)出彩色頻譜，為實驗中濾波器實現(xiàn)選頻，往往是用一個紙板充當(dāng)，在紙板上呈現(xiàn)顏色的天、綠地、紅房子。光柵自成像實驗實驗?zāi)康恼莆展鈻抛猿上裨?，學(xué)習(xí)觀察光柵自成像方法，了解學(xué)習(xí)光柵自成像應(yīng)用，掌握干涉濾光片特性，學(xué)習(xí)通過觀察光柵自成像確左光源的譜線寬度和測量相干長度。實驗原理光柵自成像也稱泰伯效應(yīng)，它是一種不需透鏡成像的過程。如圖1所示，用單色平而波照射光柵，在光柵前后能多次成像，多次成像是等間距的，成在光柵前的像為虛像，成在光柵后的像是實像。設(shè)光柵的振幅透射系數(shù)為式中d為光柵常數(shù)。如果單位振幅平而波垂直照明光柵，則剛剛透過光柵的光場為.....(2)被光柵調(diào)制的光場￡(x,o')傳播到菲涅耳衍射區(qū)在藹光柵的距離為z的平而上，光場的復(fù)振幅分布為匸(心+05cos(2砂/d))exp憐,(x_"+(y_兒)計如”(3)則(3)式變?yōu)?expii/2z)f/e=(/Nz)'_expxyexpzyzeyizlexp(-/2^x/J)exp[-/XTO/'2]上式中已略去括號前對強度分布沒有影響的常數(shù)相位因子exp(%z)?？梢娬夜鈻欧颇苌涞膹?fù)振幅實驗裝置測測微目垃干涉濾光片(將光源發(fā)岀的光變成収色光)透鏡光柵測微目鏡實驗步驟(1)調(diào)節(jié)光路，經(jīng)過濾光片后出射一朿紅光照射在透鏡上，光束經(jīng)透鏡后變?yōu)槠叫泄馊肷涞焦鈻?2)調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的位苣，觀察到淸晰的條紋。(3)逐漸移動讀數(shù)顯微鏡，逐漸拉遠(yuǎn)顯微鏡，條紋邊的模糊，到了一左距離又岀現(xiàn)淸晰條紋。記錄兩次出現(xiàn)條紋時顯微鏡變化距離(4)逐漸移動讀數(shù)顯微鏡，逐漸拉遠(yuǎn)顯微鏡，到了一左距離以后再不出現(xiàn)條紋了。圖3光柵像圖4光柵像強度變化曲線光柵到毛玻璃屏的軸向距藹z=148〃“"°正弦光柵菲涅耳衍射的復(fù)振幅分布￡(x,y)與光柵的振幅透dA布與光柵的振幅透射系數(shù)完全相同，為光柵的自成像,滿足式的自成像的距離z稱為泰伯效應(yīng)。條紋的光強度沿x軸方向作余弦平方變化，變化曲線如圖4所示。思考題馬赫一澤德干涉儀一實驗?zāi)康膹愿缮嬖砼c調(diào)整2學(xué)會調(diào)整馬赫-澤徳干涉平行光的方法二實驗原理%擴(kuò)朿鏡C和準(zhǔn)直鏡L共焦以后產(chǎn)生平行光。平行光射到BS1上分成兩束，這兩束光經(jīng)過H2,M3反射在BS2上相遇產(chǎn)生干涉，在BS2后的白屏(或毛玻璃屏)P上可觀察到下涉條紋。如條紋太細(xì)可用顯微鏡接改變其中一朿光的光程時，條紋對LZ及“俯仰”旋鈕)，使激光束垂直入射在L的光心上，實現(xiàn)共軸調(diào)整，此時可在L前后看到一系列光點和激光朿主光線在同一直線上，無一光點發(fā)生偏離。在L和H1之間放入擴(kuò)束鏡C,使C和L之間的距離大L長距離(幾米)內(nèi)不發(fā)生變化，即得到平行光。四實驗步驟：全光路調(diào)整五實驗內(nèi)容1在白屏上觀察平行，等距的宜條紋的間距，微調(diào)M2和M3的旋轉(zhuǎn)旋鈕改變兩朿光的夾角觀察干涉條2改變M3的位巻實現(xiàn)改變干涉儀一臂的臂長，觀察干涉條紋的對比度有什么變化，析光遠(yuǎn)的相干長度干涉花樣有什么變化，記錄條紋恢復(fù)穩(wěn)左所需的時間，可判斷防箴臺的消震性能(一般應(yīng)在5秒內(nèi)恢復(fù))。4在防震臺周圍疋動，跳躍，或用手在馬赫一澤徳干涉光路的一臂中擾動空氣，觀察干涉花樣淸晰度的變化并測泄條紋淸晰度恢復(fù)所需的時間，可了解防喪臺的隔喪性能(一般應(yīng)在3秒內(nèi)恢復(fù))。才合格。馬赫一澤德干涉儀測定空氣的折射率學(xué)會用馬赫-澤徳干涉儀測左空氣的折射率。二實驗原理干涉的方法測左空氣的折射澤徳干涉儀條紋移動的數(shù)目7將比邁克爾遜「涉儀千涉條紋移動的數(shù)目N少一半，雖然理論上馬赫-澤徳干涉儀測量空氣折射率的精度是邁克爾遜干涉儀精度一半，但馬赫-澤徳干涉儀光路長，實際充氣管都很長，所以測量精度依然很高。三實驗儀器：泄氣體折射率實驗時，實驗時，按其光路，調(diào)節(jié)各元件，使在屏上出現(xiàn)間距較寬(便于觀察)的穩(wěn)左氣室長度)，再通過針閥使待測氣體緩慢進(jìn)入氣室,宜到與抽空前大氣壓相同,這時氣室這段光程由變?yōu)閚L(n為空氣的折射率)，相應(yīng)的條紋移動數(shù)目為N,由光的干涉原理可知，移動一條下涉條紋，相當(dāng)與光程差改變一個波NnL—n^L=入五實驗結(jié)果實驗要重復(fù)多次,每次對氣室抽空應(yīng)達(dá)10-2mmHg,真空度用真空計測量(或用火花放電器根拯氣體放電顏色判斷)，實驗過程中室