空间滤波和频谱分析

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时间:2018-05-17

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1、实验十二空间滤波和频谱分析[实验目的]了解付里叶光学基本原理的物理意义,加深对光学中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。[实验原理]本实验的内容为单透镜成像系统的频谱分析和空间滤波。实验原理如下图所示。空间滤波是在光学系统的空间频率平面上放置适当的滤波器,去掉或选择通过的某些空间频率,或改变它们的振幅和相位,使物体的像按照要求得到改变。按照阿贝成像理论,可以将光栅成像过程解释为:相干光照明光栅时,光栅对光波进行第一次衍射,衍射光通过透镜在透镜的后焦面上形成光栅的傅里叶频谱,即照明光源的各级衍射像(光斑阵列)。这一过程也可以解释为对物进行了一次傅里叶变换,也就是将物函数分

2、解为一系列分立的频谱分量,后焦面即是物体的频谱面。至于第二次衍射,则是在焦平面和像面之间进行的,照明光源的各级衍射像在像面上叠加形成干涉条纹,且频谱面和像面上的光波场分布满足傅里叶变换的关系。两次衍射(两次傅里叶变换)的结果得到了光栅的像。实验过程中,当把各种不同形状的光阑(如圆环、狭缝和圆形光阑等)放置在透镜的后焦平面上时,像平面上就会出现不同形式的像结构。其原因在于不同形状的光阑允许通过的物体的空间频谱成分不同,起到了二元空间滤波器的作用。[实验系统]1、He-Ne激光器L;2、光源二维调节架:SZ-19;3、扩束镜L1:f=5mm;4、X轴旋转座:SZ-06;5

3、、准直镜L2:f=200mm;6、二维调整架:SZ-07;7、物:20条/nm;8、干版架:SZ-12;9、付里叶透镜L3:f=200mm;10、二维调整架:SZ-07;11、白屏:SZ-13;12、二维底座:SZ-02;13、三维底座:SZ-01;14、二维底座:SZ-02;15、三维底座:SZ-01;16、一维底座:SZ-03;17、一维底座:SZ-03;[实验步骤]1、He-Ne激光器L;2、光源二维调节架:SZ-19;3、扩束镜L1:f,=5mm;4、X轴旋转座:SZ-06;5、准直镜L2:f,=200mm;6、二维调整架:SZ-07;7、一维光栅:20条/n

4、m;8、干版架:SZ-12;9、付里叶变换透镜L3:f,=200mm;10、二维调整架:SZ-07;11、白屏:SZ-13;12、二维底座:SZ-02;13、三维底座:SZ-01;14、二维底座:SZ-02;15、三维底座:SZ-01;16、一维底座:SZ-03;17、一维底座:SZ-03;[实验步骤]一、1、用L1、L2组成扩束系统,使其出射的平行激光光束垂直的照射在其狭缝沿铅直方向放置的物(一维光栅)上。把屏P放在离物两米以外的地方,前后移动变化透镜L3,使光栅(物)清晰的成像于屏P(或墙壁)上。2、透镜的后焦面就为其付氏面,该面上光强的分布即为物的空间频谱。用屏

5、P在透镜的后焦面附近慢慢移动,在透镜后焦面上可以观察到水平排列的一些清晰光点。这些光点相应于光栅的0,±1,±2级衍射极大值,用米尺大约测出各光点与中央最亮点的距离x。从x以及透镜的焦距F和光波波长λ,试求出这些光点相应的空间频率。X(mm)空间频率(l/mm)1级2级3级3、在L3后焦面(付氏面)放置一可调狭缝光阑,挡去0级以外的各点,观察像面上有无光栅条纹。4、在L3后焦面(付氏面)放置一可调圆孔光阑,调节光阑,使0级和±1级通过,观察像面上的光栅条纹像,再把光栅拿去,让更高层次的衍射都能通过,再观察像面上的光栅条纹像,试看在这两种情况下的光栅条纹像的宽度有无变化

6、。5、在付氏面上用一光阑挡去1级,观察像面上的条纹宽度的变化。6、在付氏面上用一光阑挡去其它级,只让你感兴趣的某些级通过,再观察像面上的光栅条纹像的变化。二、1、把一维光栅换成二维正交光栅。在付氏面处加一铅直狭缝光栏,使通过光轴的一系列光点通过,观察像平面上一维条纹像的方向。2、把光阑转90度,让包含0级的水平的一排光点通过,观察像平面上一维条纹像的方向。3、再把光阑转45度,再观察像面上条纹像的方向。三、1、用网格字替换二维光栅,观察网格字的像的构成。2、再将一个可变圆孔光阑放在付氏面上,逐步缩小光阑,直到只让光轴上一个光点通过为止,再观察网格字的像的构成,试与没滤

7、波之前的字比较。四、可用4f系统重复以上实验。[实验记录和数据处理]1、记录在实验过程中观察到的现象,并且加以解释。2、记录必要的实验数据,并且对实验结果与理论计算进行对比分析。

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