实验五 光学信息处理基本实验

实验五光学信息处理基本实验

【实验目的】

1．初步了解光学信息处理的基本原理及基本方法；

2．初步了解傅里叶光学中的空间频谱、空间滤波等概念；

3．熟悉阿贝成像原理，了解透镜孔径对成像的影响。

【实验器材】

1.5m光具座、氦氖激光器、白炽灯（12V）、扩束器、一维光栅、正交光栅、

θ调制板、薄透镜、像屏等。

【实验原理】

光信息处理是上世纪60年代随着激光器的问世而发展起来的一个新的研究方向，是现代信息处理技术中一个重要组成部分，在现代光学中占有很重要的地位。所谓光学信息，是指光的强度（或振幅）、位相、颜色（波长）和偏振态等。

光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅里叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程，较多用于对二维图像的处理。自从阿贝成像理论提出以后，近代光学信息处理通常是在频域中进行。在图像的频谱面上设置各种滤波器对图像的频谱进行改造，滤掉不

需要信息和噪声，提取或增强我们感兴趣的信息；滤波后的频谱还可再经过一个透镜还原成为空域中经过修改的图像或信号。光学信息处理在信息存储、遥感、医疗、产品质量检查等方面有着重要的应用。

阿贝成像原理

1873年阿贝首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念。该理论认为相干照明下显微镜成像过程可分作两步：首先，物平

面上发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅和费衍射，

得到第一次衍射像；阿贝称这个为物体的“初级像”，我们称它为物体的傅里叶变换频谱。

然后，该衍射像作为新的相干波源，由它发出的次波在像平面上干涉而构成物体的像，称为第二次衍射像。因此该理论也被称为“阿贝两次成像理论”。

一般说来，像和物体不可能完全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高级成分（为高频信息，主要反映物体的细节）不能进入物镜而丢失了，所以像的信息总是比物的信息少，这也是显微镜分辨率受到限制的根本原因。 三、空间滤波

图 3 阿贝的两步成像原理

从阿贝成像理论可以知道，物镜的孔径实际上起着高频滤波的作用。而阿

贝成像理论本身就启示我们可以采用改变频谱的方法来改造图像。因此，我们可以人为地在焦平面（即频谱面）上插入一些滤波器（一定形状

的光栅、移相板、吸收板），根据需要改变平面上的频谱，这就叫做空

间滤波。

六、实验装置 1．实验光路

本实验采用图6的装置，称其为相干光学成像系统。其中：L 1为扩束镜；L 2为准直镜；L 3为傅里叶变换透镜，把物变为它的频谱；L 4为傅里叶变换透镜，使频谱反变成原物的像；P 1为输入平面，放置被处理的物；P 3为频

谱面，该处的光强分布即为物的频谱，滤波元件放在此面上以实现空间滤波；P 3为输出面，在此处得到处理后的图像。各平面与透镜L 3，L 4的距离均为透镜的焦距F ，该系统又称4F 系统。 2．光路调整要点

图 4 空间滤波器

低通 高通 方向

带通

图 6 相干光学成像系统

各光学元件共轴，照到物面上的光束为平行光，滤波元件在物的频谱面上，像屏调节在成像清晰的位置。

（1）调节激光器支架使激光束与光具座导轨平行。进行后面的共轴调节，要以与导轨平行的激光束为基准，这一步的调节要细心、准确。 （2）各光学元件的调节，以调节好的激光束和光靶作为基准调节各元件的位置使之共轴。

（3）平行光的调节，可把一束细的激光变为具有较大截面的平行光，并按图6中L 1，L 2两透镜位置摆放。其中L 1是集中很短的凸透镜，其作用是把激光束聚为一点再发散为球面波。L 2把这束发散波变成平面波，即当L 1与L 2的焦点重合时，L 2出射的是平行光。 【实验内容】：

一、 在频谱面上测一维光栅的各级频谱，验证1k kf f =

1．图7安排光路，一维光栅物经傅氏变换透镜变换，在其后焦面得一维光栅物的频谱。（频谱面用一

白纸屏构成）。

2．移动纸屏找到频谱最清晰的位置，一维光栅的频谱如图7所示。

3．记下透镜和频谱面所在的位置1x 和2x ，通过21x x F -=求出透镜的焦距F ，测三次取平均。

4．用读数显微镜对着纸屏（注意不能直接对着透镜，以免光强太大损

伤眼睛）读出频谱面上0级、±1、±2、±3级频谱的位置，然后算出各级

光点与中央最大的亮点距离k

x '

λ（本实验激光波

图 7 各级频谱的测量

长为632.8nm ），求出各光点相应的空间频率 ,,,321f f f 验证1k kf f =

5．利用公式1

1

f d =求出光栅常数

二、 空间滤波

1．按图6布置光路，取一维光栅为物，在频谱面上安上空间滤波器，先挡住除0级以外的各光点，此时在屏幕上虽有足够的光强，却看不到光栅像，如图8（a ）所示，这是由于此时低频部份通过，而高频成份不能通过，而高频反映物的精细结构，所以，此时只见光斑不见条纹。

2．挡去±2级以上的光点，让0级和±1级光点通过，此时可见光栅的条纹，条纹比较粗，如图8（b ）所示。

3．仅挡住±1级，而让0级及±2级以上的光点通过，此时像屏上的条纹较前精细。这是由于此时通过的高频反映物的精细结构。

4．把一维光栅换为二维光栅，其频谱如图9（a ）所示。按下列情况进行空间滤波，观察并记录各相应的像面情形：

（a ）

（b ） （c ）

图 8 对一维光栅频谱进行滤波

频谱 像面

图 9 对二维光栅频图滤波

（a ）

（b ）

（c ）

（d ）

（e ）

（1）在频谱面上用一小孔光阑仅使0级通过，如图5（b ）所示。 （2）用一垂直狭缝仅使包括0级在内的一排光点通过，如图9（c ）所示。

（3）用一水平狭缝仅使包括0级在内的一排光点通过，如图9（d ）所示。

（4）将狭缝转为45°，如图9（e ）所示。

*三、高频滤波、信息处理 1．

将一个正交光栅与一透明字重迭在一起，成为成像系统的物。正交

光栅是周期性的空间函数，其频谱是分立的点阵，而字符3是一个非周期性的低频信号，它的频谱是连续的。 2．

在频谱面上用适当的小圆孔光阑，只使0级通过，即挡住其他分立

点阵，此时，像而上的像情况如何？

*四、光学图像加减

在物面上放置图片A 和B ，A 代表一种图像，B 代表另一种图像。地频谱面上放置一正弦光栅作为滤波器，调节图片A 与B 的距离F f 2a 0λ=，使像面

上A+1与B-1图像重合。平移正弦光栅，实现两者之间相位差为π、2π、…，观察像面上的图像变化，并用照相胶片把结果记录下来，比较分析结果。

*五、光学微分

在物面上放置一图片C，在频谱面上放置一复合光栅。平移复合光栅，使其位移2

=

?，这时±1级像的相移量为π，在平移复合光栅的同时观?

u/

f

察像面上像的变化，并用照相胶片把结果记录下来，分析光学微分的实验结果，在物面上放置一位相型物，重复上述过程，记录实验结果。

六、黑白图像等密度假彩色编码

1．以白炽灯为光源，采用全息照相方法将某一图象按不同取向的光栅进行调制的θ调制版为物（如图10中的物）。

图10 θ调制版

2．在频谱面上看到彩色衍射图，三个不同取向的衍射极大值是相应于不同取向的光栅，也就分别相应于图象中的天空、房子和草地。除0级没有色散外，一、二级都有色散。

3．用金属针或烟火，在频谱面上相应于房子的频谱上的红色部分打开小孔，让红光透过，此时得到房子为红色；在相应天空的频谱上把蓝色部分打开小孔，让蓝光透过，就得到蓝色的天空；同样，在相应于草地的频谱上

把绿色部分打开小孔，让绿光透过，于是就得到绿色的草地。此时可得到一幅蓝天、绿地、红房子的彩色图像，如要其他颜色，只要使所需的光透过即可。