空间滤波和光信息处理实验

《空间滤波和光信息处理实验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、实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，以改变光波的频谱结构，使得像达到预期要求。在此基础上，发展了光学信息处理技术，利用光学手段，对输入信息（包括图像、光波频率和振幅）实施运算或变换，以便对相关信息进行提取、编码、存储、增强、识别和恢复。早在1873年，德国人阿贝（E.Abbe,1840~1905）在蔡司光学公司任职期间研究如何提高显微镜的分辨本领时，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年以一系列实验证实了这一理论,说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。1935年

2、，泽尼可（Zernike）提出了相衬显微镜的原理，将物光的位相分布转化为光强分布，并用光学方法实现图像处理。这些早期的理论和实验其本质上都是一种空间滤波技术，是傅里叶光学的萌芽，为近代光学信息处理提供了深刻的启示。但由于它属于相干光学的范畴，在激光出现以前很难将它在实际中推广使用。随着激光器、光电技术和全息技术的发展，它才重新振兴起来，其相应的基础理论——“傅里叶光学”形成了一个新的光学分支。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、实验目的1．了解傅里叶光学基本理论的物理意义，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

3、解。2．掌握方向、低通、高通滤波技术，观察滤波效果，加深对光信息处理本质的认识。3．理解调制法假彩色编码原理，掌握光栅衍射基本理论。二、实验仪器He-Ne激光器、激光器架（或光源二维调节架）、导轨、扩束器、光栅、平面镜、透镜架、二维调节架、凸透镜焦距150、190、225mm各一个、旋臂架、毛玻璃屏、交叉光栅（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、实验原理1.阿贝成像原理设有一个空间二维函数，其二维傅里叶变换为(1)式中分别为x,y方向的空间频率，而则为的傅里叶逆变换，即(2)式（

4、2）表示，任意一个空间函数可表示为无穷多个基元函数的线性迭加，是相应于空间频率为的基元函数的权重，称为的空间频谱。用光学方法可以很方便地实现二维图像的傅里叶变换，获得它的空间频谱。由透镜的傅里叶变换性质可知，只要在傅里变换透镜的前焦面上放置一透射率为的图像，并以相干平行光束垂直照射，则在透镜后焦面上的光场分布就是的傅里叶变换，即空间频谱。其中为光波波长，为透镜的焦距，（）为后焦面（即频谱面）上任意一点的位置坐标。显然，后焦面上任意一点（）对应的空间频率为，。傅里叶变换光学在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中显示出来。1873年，阿贝提出了相干光照明下显微镜的成像

5、原理。他认为在相干平行光照明下，显微镜的成像过程可以分成二步。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，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干迭加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用，如图1所示。图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变为频谱面上空间频率分布，第二个过程则是将频谱面上的空间频谱分布作傅里叶逆变换还原为空间分布（即将各频谱分量复合成像）。因此，成像过程经历了从空间域到频率域，又从频率域到空间域的两次变换过程。如果两次变换是理想的，即信息

6、没有损失，则像和物应完全相似（除了放大或缩小）。但一般说来，像和物不可能完全相似，这是由于透镜的孔径有限，总有一部分衍射角度大的高次成分（高频信息）不能进入到物镜而被丢弃，所以像的信息总是比物的信息要少一些，像和物不可能完全一样。由于高频信息主要反映物的细节，因此当高频信息受到孔径的阻挡而不能到达像平面时，无论显微镜有多大放大倍数，也不可能在像平面上分辨这些细节，这是显微镜分辨率受到限制的本质原因。当物的结构非常精细（如很密的光栅）或物镜孔径非常小时，有可能只有零级衍射（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。2.空间滤波由以上讨论可知，成像过

7、程本质上是两次傅里叶变换，即从空间复振幅分布函数变为频谱函数，再由频谱函数变回到空间函数（忽略放大率）。因此，在频谱面（即透镜后焦面）上人为地放一些模板（吸收板或相移板）以减弱某些空间频率成份或改变某些频率成分的相位，便可使像面上的图像发生相应的变化，这样的图像处理称为空间滤波。频谱面上这种模板称为滤波器，常见的滤波器是一些特殊形状的光阑，如图2所示。图2不同类型的空间滤波器图2中(a)为高通滤波器，它是一个中心部分不透光的光屏，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部分或者实现像的衬度反转；(b)为低通滤波器，其作用是滤掉高频成分，