空间滤波和光信息处理实验

试验十一空间滤波和光信息处理空间滤波指在光学系统的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器〔包括图像、光波频率和振幅〕实施运算或变换，以便对相关信息进展提取、编码、存储、1873年，德国人阿贝〔E.Abbe,1840~1905〕在蔡司光学公司任职期间争论如何提高显微镜的区分本领时，首次提出了二次衍射成像的理论。阿贝和波特A.B.Porter〕分别于1893年和1906年以一系列试验证明白这一理论,说明白成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。1935年，泽尼可〔Zernike〕提出了相衬显微镜的原理，将物光的位——“傅里叶光学”形成了一个的光学分支。目前，光学信息处理在信息存储、遥感、医疗、产品质量检测等方面得到了广泛应用。一、试验目的了解傅里叶光学根本理论的物理意义，加深对光学空间频率、空间频谱和空间频率滤波等概念的理解。把握方向、低通、高通滤波技术，观看滤波效果，加深对光信息处理本质的生疏。理解调制法假彩色编码原理，把握光栅衍射根本理论。二、试验仪器He-Ne激光器、激光器架〔或光源二维调整架、导轨、扩束器、光栅、平面镜、透镜150190、225mm〔二维光栅、干版架、频谱滤波器、滤波器组〔方向、低通、高通、零级、小孔〕网格字、白光源、调制板、纸板架、白纸板和大头针。三、试验原理阿贝成像原理g(x,y)G(,)

g(x,y)expi2(xy)dxdy (1)式中,x,yg(x,y则为G(,)的傅里叶逆变换，即g(x,y)

G(,)expi2(xy)dd (2)〔2〕g(x,y可表示为无穷多个基元函数expi2(xy)线性迭加，G(,)是相应于空间频率为,的基元函数的权重，G(,)g(x,y的空间频谱。里叶变换性质可知，只要在傅里变换透镜的前焦面上放置一透射率为g(x,y)的图像，并以相干平行光束垂直照耀，则在透镜后焦面上的光场分布就是 g(x,y) 的傅里叶变换G,) G(f),y(f)f为透镜的焦距〔x,y〕为后焦面〔即频谱面〕上任意一点的位置坐标。明显，后焦面上任意一点〔x,y〕对应的空间频率为x/(f，y/(f。1873年，程可以分成二步。第一步是通过物的衍射光在透镜的后焦面〔即频谱面〕上形成空间频谱，而形成物体的像，这是干预所引起的“合成”作用，如图1所示。yxx物面f透镜 频谱面 像面1阿贝成像原理成像的这两个过程，本质上就是两次傅里叶变换。第一个过程把物面光场的空间分布g(x,y)G(,)，其次个过程则是将频谱面上的空间频谱分布G(,)作傅里叶逆变换复原为空间分布〔马上各频谱重量复合成像。因此，成像过程经信息没有损失，则像和物应完全相像〔除了放大或缩小。但一般说来，像和物不行能完全相像，这是由于透镜的孔径有限，总有一局部衍射角度大的高次成分〔高频信息不能进入〔如很密的光栅〔空间频率为零〕能通过，则在像平面上虽有光照，却完全不能形成图像。空间滤波由以上争论可知，成像过程本质上是两次傅里叶变换，即从空间复振幅分布函数g(x,y)变为频谱函数G(,)，再由频谱函数G(,)g(x,y)〔无视放大率。因此，在频谱面〔即透镜后焦面〕上人为地放一些模板〔吸取板或相移板〕以减弱某2所示。〔a〕 〔b〕 〔c〕 〔d〕2不同类型的空间滤波器图2中(a)为高通滤波器，它是一个中心局部不透光的光屏，它能滤去低频成分而允许高频成分通过，可用于突出像的边沿局部或者实现像的衬度反转；(b)为低通滤波器，其作照片中的网状构造；(c)为带通滤波器，它可让一些需要的频谱重量通过，其余被滤掉，可(d用于突出图像确实定特征。调制法假彩色编码调制承受不同取向的光栅对物屏面的各局部进展调制〔编码，通过特别滤波器把握像平面相关各局部的灰度〔用单色光照明〕或颜色〔用白光照明〕的一种方法。试验承受的调制板附件是一个由三种取向的光栅组成的图案，相邻取向的夹角均为120°。在图3所12示光路中，从卤钨灯发出的光通过凸透镜L〔190mm〕变成近似平行光束，其中每一种单色光通过图案的各组成局部，都会在L的后焦面上产生与各局部对应的频谱，其排向的彩色光斑。此时，将夹紧白纸的纸板架放在频谱面上，先用大头针扎一个小孔，测定各排频谱所属图案区域。接着，避开测试孔，按配色需要地扎出一些小孔，在毛玻璃屏上就得到预期的彩色图案。121白光源 1

调制板

频谱面 光屏2四、试验内容2观测一维光栅的频谱

3θ调制光路图按图4布置光路，调整激光束与导轨平行。调整时，可在导轨上放置一个与导轨垂直的小孔光阑，当光阑在导轨上前后移动时，激光束始终能通过小孔即可。激光器L1L3激光器L1L3

频谱面 像面4试验光路图LLLL

之间的距离使之等于它1 2 1 2们的焦距之和以获得截面较大的平行光。将光栅和成像透镜L3

放入光路，调整L3

与光栅之间的距离，用毛玻璃屏在L的3激光器物面L激光器物面L3频谱面平面镜光屏5加了反射镜的光路图用大头针扎透零级和1、2„级衍射光点的中心，按下表要求选择通过不同频率成分，分别观看并记录像面上成像的特点及条纹间距，并作简要解释。1一维光栅频谱分析序号频谱成分成像状况及解释1全部通过2零级通过30、140、25除零级以外通过用卡尺测出各衍射级至中心零级的距离，依据 x/(f)和 y/(f)求出x y各衍射级对应的空间频率，并确定光栅常数。观测二维光栅的频谱将一维光栅换成二维光栅，在频谱面上观看该光栅的频谱。从像面上观看它的放大像，并测出栅格间距。在频谱面上放置光阑，依次只让含零级的垂直、水平和与光轴成45角的一排光点通过，观看并记录像面上图像的变化，测量像中栅格间距，并作简要解释。空间滤波低通滤波：把一个带正交网格的透亮字模板〔透亮的“光”字内有叠加的网格〕置于成像光路的物平面，体会此物信号的空间频率特征〔字对应非周期函数，有连续频谱，笔划较粗，其频率成分集中在光轴四周；网格对应周期函数，有分立谱，试验滤除像的网止，字形照旧存在，试给出合理解释。高通滤波：将一个透光字模板放在物平面上，从像平面观看放大像。然后在频谱面上置一圆屏光阑，挡住频谱面的中部，再观看和记录像面变化。θ调制法假彩色编码3调整光路，使得各元件共轴，从卤钨灯发出的光经过L

后形成平行光。1将调制片放置在光路的物面上，在频谱面上观看到一系列彩色谱斑。这几行不同部位。这些极大值除了零级没有色散之外，其它级都有色散。对调制片的频谱进展滤波处理，在像面上得到具有红黄绿〔或其它颜色〕三种面上观看假彩色像，记录滤波过程及现象。五、试验提示请勿用手触摸光学镜面。放在光具座上的透镜、物面、频谱面、像面、光源需要同轴等高，激光器发出的光线要与