光学信息处理实验
光学信息处理实验
阿贝成像与空间滤波实验 (2)
调制 (5)
光栅自成像实验 (8)
马赫—泽德干涉仪 (10)
阿贝成像与空间滤波实验
光学信息处理是在上世纪中叶发展起来的一门新兴学科， 1948年首次提出全息术，1955年建立光学传递函数的概念，1960年诞生了强相干光——激光，这是近代光学发展历史上的三件大事。而光学信息处理的起源，可以追溯到阿贝的二次成像理论的提出和空间滤波技术的兴起。空间滤波的目的是通过有意识地改变像的频谱，使像产生所希望地变换。光学信息处理则是一个更为广阔地领域，它主要是用光学方法实现对输入信息的各种变换或处理。阿贝于1893年，波特于1906年为验证这一理论所作的实验，说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。
实验目的
频谱滤波实验是信息光学中最典型的实验，通过对频谱的观察和动手完成阿贝——波特实验（方向滤波），高通滤波、低通滤波实验，可加深对傅立叶信息光学中的空间频率、空间频谱、空间滤波和阿贝成像原理的理解和认识。首先，叙述一下实验原理。
实验原理
阿贝认为在相干的平行光照明下，透镜的成像可以分为两步，第一步是平行光透过物体后产生的衍射光，经透镜后在其后焦面上形成衍射图样。第二步是这
些衍射图上的每一点可以看作是相干的次波源，这些次波源发出的光在像平面上相干叠加，形成物体的几何像。
成像的这两步，从频谱分析的观点来看，本质上就是两次傅立叶变换，如果物光的复振幅分布是g(x 0,y 0),可以证明在物镜后焦面),(ηξ上的复振幅分布是g(x 0,y 0)的傅立叶变换G ),(y x f f （只要令f
f f f y x ληλξ==,；λ为波长，ƒ为透镜的焦距）。所以第一步就是将物光场分布变换为空间频率分布，衍射图所在的后焦面称频谱面（简称谱面或者傅氏面）。第二步是将谱面上的空间频率分布作逆傅氏变换还原成为物的像（空间分布）。按照频谱分析理论，谱面上的每一点均有以下四点明确的物理意义。
第一点：谱面上任一光点对应着物面上的一个空间频率分布。
第二点：光点离谱面中心的距离标志着物面上该频率成分的高低，离中心远的点代表物面上的高频成分，反映物的细节部分。靠近中心的点，代表物面的低频成分，反映物的粗轮廓，中心亮点是0级衍射即零频，她不包含任何物的信息，所以反映在像面上呈现均匀的光斑而不能成像。
第三点：光点的方向是指出物平面上该频率成分的方向，例如横向的谱点表示物面有纵向栅缝。
第四点：光点的强弱则显示物面上该频率成分的幅度大小。
如果在谱面上人为的插上一些滤波器（吸收板可移相板）以改变谱面上的光场分布，就可以根据需要改变像面上的光场分布，这就叫空间滤波。最简单的滤波器就是一些特种形状的光阑。把这种光阑放在谱面上，使一部分频率分量能通过而挡住其它的频率分量，从而使像平面上的图像中某部分频率得到相对加强或者减弱，以达到改善图像质量的目的。常用的滤波方法有如下这些。
1．低通滤波
低通滤波目的是滤去高频成分，保留低频成分，由于低频成分集中在谱面的光轴（中心）附近，高频成分落在远离中心的地方，所以，低通滤波器就是一个圆孔。图像的精细结构及突变部分主要由高频成分起作用，所以经过低通滤波器滤波后图像的精细结构将消失，黑白突变处也变的模糊。
2．高通滤波。高通滤波目的是滤去低频成分而让高频成分通过，滤波器形状是一个圆屏。其结果正好与前面的低通滤波相反，是使物的细节及边缘清晰。3．方向滤波（波特实验）。只让某一方向(如横向)的频率成分通过，则像面上将突出了物的纵向线条。这种滤波器呈狭缝状。
实验仪器
激光器
L：准直透镜 O：物（光栅） L2、L1：付里叶变换透镜 P1：频谱面
P2：像平面 M：全反射镜 C：扩束镜 E：光栅
图1 实验装置光路图
物面O处可放置透射的一维光栅和正交光栅（网格），谱面处放各种滤波器（形状不同的光阑，狭缝等）。按图1调节光路，使激光束经过C、L扩束后准直后，形成大截面的平行光照在物面上，移动L1使像面P2上得到一个放大的实像，并使谱面的衍射图适于各种滤波器的大小，以便于滤波处理。例如当=时，则可选光栅常数mm
mm
f250
=；像面（x，y）可以放得比较远一
d1.0
些，能获得较大的放大倍数，以便看到光栅清晰放大的像。
首先，观察空间滤波的现象。物面上放置一维光栅，光栅条纹沿铅直方向，频谱面上可以看到水平排列的等间距衍射光点如图2（a）所示，中间最亮的点为
0级衍射，两侧分别为2
±，……级衍射点。像面上可以看到黑白相间且界线明
,1±
显的光栅像。
实验步骤
一．在频谱面上可以放一个可调狭缝，逐步缩小狭缝，使只有0级，1
±级衍射通过，如图2（b）。像面上光栅像变为正弦形，光栅间距不变。但明暗条纹之间是逐步渐变的。
二．进一步缩小狭缝，仅使0级衍射通过，如图2（c），这时像面上虽然有亮斑，但不出现光栅像。
三．在谱面上加上光阑，使0级，2
±级通过，如图2（d），则像面上的光栅像的空间频率加倍。
四．用光阑挡去0级衍射而使其它衍射光通过，如图2.2（e），则像面上发生反衬度的半反转，即原来的暗条纹的中间出现细亮线，而原来的亮条纹仍然是亮的。
（a）（b）（c）
（d）（e）
图2空间滤波
θ调制
θ调制彩色合成概况
阿贝成像理论，成功地提出了“频域”概念，以及二次成像过程。θ调制彩色合成（分光滤波）是阿贝成像基本原理的应用，是基于改变频谱，从而获得需要的像，即将原始像变换成按一定角度的光栅调制像，将该调制像置于光路中，当用白光照明后进行适当的空间滤波处理，实现假彩色编码，从而得到彩色的输出像；当使用单色光照明，则在像平面上各部分呈现不同的灰度，得到有着明暗变化的输出像。
θ调制彩色合成原理
θ调制就是以不同取向的光栅，调制物平面的不同部位，经过空间滤波以后，使像平面上各相应部位呈现不同的色彩。
这里物平面上放置的是用全息照相方法制作的一个θ调制图像（θ
调制板），即由不同取向的光栅组成的图像，例如图1所示图中的大地（草地）、房子、天空分别由三个不同取向的光栅组成，这里三个光栅取向各相差0
60。
