光学信息处理实验报告

实验十 透镜的FT 性质及常用函数与图形的光学频谱分析

一、实验目的:

1. 了解透镜对入射波前的相位调制原理

2. 加深对透镜复振幅传递函数透过率物理意义的认识(参见实验十一实验原理）

3. 应用光学频谱分析系统观察常见图形的傅里叶（FT ）频谱，加深空间频率域的概念

二、实验原理:

理论基础：波动方程、复振幅、光学传递函数

透镜由于本身厚度变化，使得入射光在通过透镜时,各处走过的光程不同，即所受时间延迟不同，因而具有位相调制能力，下图为简化分析，假设任意点入射的光线在透镜中的传播距离等于该点沿光轴方向透镜的厚度，并忽略光强损失，即通过透镜的光

波振幅分布不变，仅产生大小正比于透镜各点厚度的位相变化，透镜传递函数记为： t(x,y)=exp[j Φ（x,y)] （1）

Φ(x,y ）=kL(x ，y)

L （x ，y ）：表示光程MN

L （x,y ）=nD （x,y ）+[D 0-D(x ，y ）] （2）

D 0：透镜中心厚度。

D ：透镜厚度。 n ：透镜折射率。

可见只要知道透镜厚度函数D （x ，y ）可得出其位相调制，在球面透镜傍轴区域，用抛物面近似球面，可得到球面透镜的厚度函数：

()()⎪⎪⎭⎫

⎝⎛-+-

=21

2201121,R R y x D y x D （3) R 1，R 2:构成透镜的两个球面的曲率半径。因此有

()()()()

⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+--•=2122011211R R y x n jk exp jknD exp y ,x t （4） 引入焦距f ，其定义式为()⎪⎪⎭⎫

⎝⎛--=21

1111R R n f 代入（4）得: ()()()

⎥

⎦⎤⎢⎣⎡+-=22

02y x f k j exp jknD exp y ,x t

此即透镜位相调制的表达式.第一项位相因子仅表示透镜对于入射光波的常量位相延迟，不

影响位相的空间分布，即波面形状。第二项起调制作用的因子，它表明光波通过透镜时的位相延迟与该点到透镜中心的距离平方成正比。而且与透镜的焦距有关.其物理意义在于,当入射光波()1

=y ,x u i 时,略去透镜的常量值相位延迟后,紧靠透镜之后的平面上复振幅分布

为()()()(

)⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+-==22

2y x f

k j

exp y ,x t *y ,x u y ,x u '

傍轴近似下，这是一个球面波，对于正透镜f 〉0，这是一个向透镜后方距离f 处的F 会聚的

球面波。对于负透镜f 〈0，这是一个由透镜前方距离｜f |处的虚焦点F 发散的球面波。可见波面的变化正是透镜具有()

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-22

2y x f k j

exp 的位相因子。当然，在非傍轴近似条件下，会有波像差.考虑透镜孔径后，

()(

)()y ,x p y x f

k j exp y ,x t •⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-=2

2

2

p(x ，y)为透镜的光瞳函数

()其它

孔径内01,⎩⎨

⎧=y x p

三、实验光路

四、实验步骤：

1. 扩束

2. 在试件夹19中装入任一件FT 试件

3. 在FT 透镜20的焦面附近移动CMOS23，使成像清晰，锁定CMOS

4. 切换FT 试件，观测频谱，记录频谱图(参数：f=180mm ）

五、实验结果 （1）圆孔频谱图：

（2）士字频谱图

（3）网格频谱图

（4）狭缝频谱图

六、思考题

1．光学FT的特点是什么？

答： 光学FT 的特点是并行处理，大容量，过程简单，所需设备简单，以简单的光学元件代替了采集系统，计算机软件系统等复杂设备等特点. 2．光学FT 有什么应用领域？

答：光学FT 主要应用于高通、低通滤波器，卷积及解卷积,图象识别和处理、信息存储等

领域。

实验十一 4f 光学系统FT 及IFT 系统实验

一、实验目的：

1． 进一步掌握透镜的FT 性质,学习FT 光路的原理

2． 应用4f 光学FT 系统观察常见图样的反傅氏变换(IFT ）图像，并与FT 频谱和试件

图样比较 3． 观察渐晕效应

二、实验原理：

理论基础：衍射理论，角谱理论

透镜之所以能够做FT ，根本原因在于透镜的二次位相因子对入射波前起到位相调制作用。若以透镜后焦面为观察平面,物体相对于会聚透镜

0d 发生变化时，可以研究透镜的FT 性质。

图1表示物体紧靠透镜放置FT 光路，物体指透射型薄平面试片.采用振幅A 的单色平面波照明，为求出透镜后焦面上的光强分布U f ，须逐面求出透镜前后平面光场分布U l 、U l '（l 指lens)设物体的复振幅透过率t （x ，y ），则有

),(),(y x t A y x U l •= (1)

不计透镜孔径作用，透镜的复振幅透过率

(

)⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-=2

2

2exp ),(y x f

k j y x t l (2)

那么),(),(),(y x t y x U y x U l l l •='

(3）

光波从透镜传播f 距离后，根据菲涅尔衍射公式

()

()

⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+'ℑ•⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+=

22222exp ),(2exp 1

),(y x f k j y x U y x f k j f j y x U l f f f f f π (4）

图1

频率取值与后焦面坐标关系为：xf

y f xf

x f f y f x =

=

,，不计常量相位因子

将1，2,4式代入3式，得

()

),(2exp ),(22y x f f f f f f f T y x f k j f j A

y x u •⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+=

λ （5） 式中{}),(),(y x f f f T y x ℑ=

式5表明，透镜后焦面上的光场分布正比于物体的FT,其频率取值与后焦面坐标，其值是

xf

y f xf

x f f y f x =

=

,.

当然，由于变换式前存在位相因子(

)⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

+22

2exp f

f y x f

k j ，后焦面上的位相分布与物体

频谱的位相分布并不等同。但对光强响应型光电转换显示器件及目视效果来说,这一位相弯曲并无影响，所以

),(),(22

y x f f f f f T f

A

y x I ⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛=λ的物理意义在于其后焦面上光强分布,恰恰是物体的

功率谱。

图2表示物体放置在透镜前方d 0距离， 可推得

()),(12exp ),(2

20y x f f f f f f f T y x f d f k j f j A y x U •⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=λ

（6）

可见后焦面上的复振幅分布仍然正比于物体的FT 。而变换式前面的二次位相因子使物

体频谱产生一个位相弯曲。

当d 0=0时，公式(6）与图1情况完全一致, 当d 0=f 时,公式（6)变为),(),(y x f f f f f T f

j A

y x U λ=

此时，位相弯曲效应消失，后焦面上光场分布是物体准确的FT.这正是我们所用的FT 运算光路。

物体放置在透镜后方，后焦面上仍然得到物体的FT （相差一个二次位相因子）。当d=f 时，即物体紧靠透镜后表面时，与紧靠透镜前方放置效果一样。

若需要对所得的物体频谱),(y x f f T 利用透镜再作一次变换,例如物体频谱位于透镜前

焦面，观察平面选在透镜后焦面，即x ’y'平面.透镜的焦距不变.略去常系数，可以得到

⎰⎰--=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+-⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=)','()''(2exp ,)','(y x Ct dy dx y y x x f j f y f x T y x U f f f f f f λπλλ (7) 式中，C 为常数。于是连续两次变换的结果是在空间域还原一个物体,它是原物体的一个倒像。如果采用反射坐标系，即令x ”=—x,y ”=-y ，则

)","()","(y x Ct y x U =

（8）

此时，透镜的作用可看作是实现了对物体频谱的傅里叶反变换（IFT ）。

必须指出的是，当点光源位于有限距离，即采用球面波照明方式,透镜仍然可起FT 作用，频谱面位于光源的像面位置，而不再是后焦面上。另外,透镜孔径对FT 变换有影响。实质原因是对参与变换的频率成分有滤波作用，通低频，阻高频,产生渐晕效应。，孔径越大，越靠近物体，渐晕效应越小。

三、实验光路

四、实验步骤：

1. 扩束

2. 在试件夹19中装入任一件FT 试件

3. 在FT 透镜20的焦面附近移动CMOS23,使成像清晰，锁定23，同时锁定20

4. 使直角棱镜25（镀膜）转向虚线所示位置，微调直角棱镜28，60º方向，锁定，在试件

夹27上装上图像处理试片(IFT 不需装试片），微调FT 透镜20，观测计算机上IFT 图像和图像处理效果

5. 切换图像处理试件，观测计算机上不同的图像处理效果

6. 记录IFT 图像，结合实验结果,整理出试件图样、FT 图、IFT 图、滤波等处理效果图

五、实验记录

（1）圆孔FT变换及IFT变换

(2)士字FT变换及IFT变换

（3)网格FT变换及IFT变换

(4）狭缝FT变换及IFT变换

六、思考题

1.试画出4f的光学原理图.

2.指出4f系统中FT,IFT及滤波的原理。

答:来自光源的光经过透镜1L 变成平行光，经透明片1P 后携带物信息经透镜2L 完成傅里叶变换经过2P ，相当于空间滤波器的作用后，对物信息的频谱进行相应处理，经过透镜3L 进行IFT 变换，成像在焦平面上。 3. 说出4f 有几种可能的应用场合.

答：空间滤波器，图象处理，相衬显微镜。

实验十二 图像信息处理的光学实现

一、实验目的：

利用4f 光学系统进行频谱分析和滤波

二、实验原理：

大多数光学系统都是线性系统，即系统传递函数具有线性。利用这一性质，可以对透镜焦平面上形成的光分布进行简单操作，取舍分离，而

实现滤波和选择性滤波.

选择性滤波原理：

对于2维频谱面，较小的f x ，f y 值域对应低

频,较大的对应高频。常见的高通滤波,低通滤波

就是在低频区或高频区加屏蔽光阑。如果事先获得某试片的频谱照相负片，而预先把它从噪声中提取出来，就可以用该负片作滤波器实现图像提取。

三、实验光路

同实验十一

一、 实验步骤

1． 扩束

2． 在试件夹19中装入待处理图像试件

3． 在FT 透镜21的焦面附近移动CMOS23，使成像清晰，锁定23，同时锁定21 4． 使直角棱镜25转向虚线所示位置，调整直角棱镜28，并锁定，然后微调FT 透镜

26，观测计算机上IFT 图像

5． 依次在频谱面(试件夹27）上装上不同的滤波片（低通，高通，带状薄波片，光栅

等），依次观察不同的滤波效果图

6． 记录IFT 图像,结合实验结果,整理出试件图样、FT 图、IFT 图、滤波等处理效果图

五、实验记录

士字频谱图及高通滤波后的效果图

士字频谱图及低通滤波后的效果图

六、思考题

1。图像照片中怎样区分低频噪声及高频噪声(即视频差异）？

答：低频噪声相当于背景，对应于图像中变化平缓的部分。而高频噪声相当于细节，相对于图像中变化剧烈的部分.图像经过光学傅里叶变换处理，在频谱面上,低频部分分布在中间区域,而高频部分分布在边缘部分,可以通过滤波器进行区分。

2。用小孔滤波有什么优缺点，受什么限制？

答:小孔滤波简单方便，成本低，设备简单，可以在改善光束质量的同时，不会明显降低光场的光强，即没有明显的能量损失，能方便快速实现低通滤波。滤波孔的尺寸容易对光束质量产生影响。

3. 试比较光学图像处理与数字图像处理（计算机处理）的原理差别及优缺点。

答:光学图像处理是基于透镜的傅里叶变换的原理，通过控制滤波片的传递函数对图像的频谱进行处理，以实现各种功能的滤波和变换。而数字图像处理则是通过取样和量化将一个以自然形式存在的图像转换为适合计算机处理的数字形式，图像在计算机内部被表示为一个数字矩阵，矩阵中每一个元素称为像素，之后经过编码、增强、恢复等处理最终保存成数字或者图像的形式.

数字图像处理其优点是处理精度高,处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以处理内容。缺点主要表现在处理速度上，特别是进行复杂的处理。光学图像处理并行处理,信息量大,处理速度非常快,整体变换结构和处理过程都很简单。但是光学图像处理灵活性不够,因为每种处理方式对应一种滤波片。