光学空间滤波演示实验仪.pdf

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1、第八届辛国高等学校物理演示实验教学研讨会光学空间滤波演示实验仪赵亚军，郝忠秀，丁振瑞(河北大学物理科学与技术学院河北保定071002)摘要：本文介绍了一种自行制作的演示实验装置，可用于演示几种有趣的空问滤波实验．本实验装置结构紧凑，操作简便，现象明显．有助于加深学生对阿贝成像原理及光学信息处理方法的理解和认识．关键词：光学信息处理：阿贝成像原理：空间滤波1引言光学信息处理起源于19世纪70年代德国科学家阿贝提出的成像原理和阿贝一波特实验。阿贝在研究显微镜分辨本领的问题时，提出了不同于几何光学成像的相干成像的新观点。他将物体看作是由不同

2、方位、不同空间频率的光栅组成．并提出成像过程分为两步。首先，平面光波照在物体上时发生夫琅采费衍射，产生不同衍射角的光束，经过透镜聚焦在其焦平面(即衍射面)上形成一系列衍射斑，称为物体的初级像：然后，将各衍射斑作为新的波源。其发山的球面次波在像平面上叠加后干涉，形成一定的光强分布即为物体的像。图l阿贝成像原理光学信息处理是在阿贝成像系统的后焦面、即衍射频谱面上设置各种滤波器，从而可对信号频谱进行改造，滤掉不需要的信息或噪声，提取或增强我们感兴趣的信息。典型的光学信息处理实验是几种空间滤波实验．我们对传统实验装置进行了改造和整合．制作了光

3、学信息处理演示实验仪．该实验仪器通过简单的操作，可在短时间内出现明显的现象．符合演示实验的特点和要求。2实验原理实验采用的是4F系统，其中有两个透镜L1年

4、fL2组成共焦组合，Ll的前焦面O为物平面，图像由此输入。L2的后焦平面I为像平面，图像在此输出。共焦平面T为变换平面，在此可以安插各种形状和结构的光阑作为空间滤波器。按照阿贝成像原理，整个光学系统的成像过科可看作两步：第一步，光信息从O面到T面，是第一次大琅禾费衍射，它起到分频的作川。第二步，从T面到I面．义是一次大琅禾费衍射，它起刨合成频谱的作用．得到输出图像。在交换平面T处设

5、置光学滤波器(可调方向和大小的狭缝或光阑)，可以起到选频作州。一些有趣的空间滤波的实验，比如网格实验和。调制实验都可以很好的验证阿贝成像原理，演示利用选频的方法处理光学信息的过程。-76．第八届_牟=圉高等学校物理演示实验教学研讨会3实验装置传统的实验装置是将各种光学的分立元件放置在光具座上进行实验。这种实验方法的优点是比较灵活．可以让学生白由安排和调整光路，提高他”J的实验操作能力。但是_}l』上述实验装萱做演示实验时有其不利的一方面，由于光信息处理实验对丁光学元件、光路调整手¨环境要求很高，实验中必须1F常细心的安排光学元什和调整

6、光路．这样就会把大部分时间_}}J丁调试用I操作上．而不利丁在短时间内演示多种实验现象。冈此，我们在传统实验装置的基础上设计和制作了一套等fJ川丁演示实验的装置。图3实验装置结构和光路整套实验装置被整合到一个实验箱中，透镜被牢固的安置在适当的位置上与其它光学元什组成4F系统。光源部分被设计成白光源和激光光源两个模块．根据实验需要将某种光源模块插在相应的位置即可工作。物屏部分设计和制作了多种模块．根据实验需要可以方便地更换。光阑部分在实验中起到空间滤波的关键作用，我们将其设计成为可操作性较强的结构，我们不仅可以在变换平面的位置上更换不同

7、形状和特性的滤波器，还可以通过旋钮调节狭缝滤波器或圆孔滤波器的方向、宽度和大小，以适麻不同的选频要求。在进行某项实验之前，先将所需的光源和物屏安置好，在选用相应的空间滤波器并进行适当的调节后，即可在实验箱一端的毛玻璃屏幕上观察到经过某种光学信息处理的成像。这套实验装置通过整合光路结构，和部件的模块化设计，在很大程度上减少了实验操作的难度，订约了实验操作的时间，使学生将主要注意力集中在对实验现象的观察和实验原理的理解上。4实验内容(1)网格的空间滤波实验：由正交的网格状物体作为物屏(输入图像)，采用二#导体激光器模块作为光源，选择不同形

8、状的光阑(下图中深色是挡光部分)作为滤波器，并调节光阑的人小和l方向，进行空间滤波后可观察到不同的输出图像(例如下图所示)。这些现象可以用阿贝成像原理进行解释。输入口豳口固口黼图像空间o01圈■r9■I—一①滤波器飞秒输出埘E爿衄囫IoI■■lI翻■■■t妻矗图像E=dI．．．．．．．一■■叠蕾墨■E===j图4空间滤波实验示意幽．77．第八届伞国高等学校物理演示实验教学研讨会(2)o调制实验：物屏(输入图像)采用几块不同形状和方向的透明光栅拼成．选H{白光光源模块。当光源照射到透明物时，在变换平面处将出现沿不同方向展开的彩虹色谱带，

9、此时将滤波器的合适位置开一些小孔．将所需的颜色提取出来．在输出平面上就会得到彩色图像(如F图所示)。如果转动滤波器还会发现输出图像的各部分颜色产生交替的变化。输入光栅调制图像彩色频谱带滤波器(光阑)滤波后的频潜输jI；彩