阿贝成像原理实验报告

佛山科学技术学院实验报告课程名称近代物理实验实验项目阿贝成像原理和空间滤波专业班级10物师姓名邓新炬学号2010284102仪器组号指导教师朱星成绩日期2013年月日一.实验目的1.了解透镜孔径对成像的影响和简单的空间滤波；2.掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴；3.验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频率、空间频谱和空间滤波概念的理解；4.初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用.二.实验仪器GP-78光具座JSQ-250氦氖激光器及电源物（光栅）透镜×3（f=15mm、f=70mm、f=225mm）光阑片。三实验原理1、关于傅里叶光学变换设有一个空间二维函数yxg,，其二维傅里叶变换为：dxdyyfxfiyxgyxgFffGyxyx2exp,,,式中xf、yf分别为x、y方向的空间频率，yxg,是yxffG,的逆傅里叶变换，即：yxyxyxyxdfdfyfxfiffGffGFyxg2exp,,),(1该式表示：任意一个空间函数yxg,可表示为无穷多个基元函数yfxfiyx2exp的线性叠加。yxyxdfdfffG,是相应于空间频率为xf、yf的基元函数的权重，yxffG,称为yxg,的空间频谱。理论上可以证明，对在焦距为f的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为yxg,的图像作为物，并用波长为的单色平面波垂直照明，则在透镜后焦面yx,上的复振幅分布就是yxg,的傅里叶变换yxffG,，其中空间频率xf、yf与坐标x、y的关系为：fyffxfyx2、关于阿贝成像原理成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。第一步把物面光场的空间分布yxg,变为频谱面上空间频率分布yxffG,，第二步则是再作一次变换，又将yxffG,还原到空间分布yxg,。3、空间滤波空间函数yxg,变为频谱函数yxffG,，再变回到空间函数yxg,（忽略放大率）。显然如果我们在频谱面（即透镜的后焦面）上放一些不同结构的光阑，以提取（或摒弃）某些频段的物信息，则必然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，频谱面上这种光阑称为滤波器。滤波器使频谱面上一个或一部分频率分量通过，而挡住其它频率分量，从而改变了像面上图像的频率成分。例如光轴上的圆孔光栏可以作为一个低通滤波器，而圆屏就可以用作为高通滤波器。四实验步骤1、实验光路调节在光具座上将小圆孔光阑靠近激光管的输出端，上下左右调节激光管，使激光束能穿过小孔；然后移远小孔，如光束偏离光阑，调节激光管的仰俯，再使激光能穿过小孔，重新将光阑移近，反复调节，直至小孔光阑在光具座上平移时，激光束能通过小孔光阑。2、阿贝成像原理实验如实验光路图在物平面上放上一维光栅，用激光器发出的细锐光束垂直照到光栅上，用一短焦距薄透镜（6~10cm）组装一个放大的成像系统，调节透镜位置，使光栅狭缝清晰地成像在像平面屏上，那么在频谱面上的衍射点如图所示。在频谱面上放上可调狭缝或滤波模板，使通过的衍射点如下图所示：（a）全部；（b）零级；（c）零和1级；分别记录图片信息。3、阿贝一波特实验（方向滤波）（1）光路不变，将一维光栅的物换成二维正交光栅，在频谱面上可以观察到二维分立的光点阵（频谱），像面上可以看到放大了的正交光栅像，测出像面上的网格间距。（2）在频谱面放上可旋转狭缝光阑（方向滤波器），在下述情况：（a）只让光轴上水平的一行频谱分量通过；（b）只让光轴上垂直的一行频谱分量通过；（c）只让光轴上45°的一行频谱分量通过。记录像面上的图像变化、像面上条纹间距，并做出适当的解释。五实验数据和数据处理1.1解释阿贝成像实验a全部b零级c45°角（0、±1级）傅氏面上通过的衍射像面图像记录分析a全部中间亮且最长、两侧亮度渐低且渐短的竖条纹光全部通过，光信息无遗失b0级边缘模糊亮斑只有零级，无法成像c0、±1级竖条纹组成的红色亮斑干涉成像，只显示大体2解释阿贝-波特实验a全部c左斜线d横线e竖线a全部正交线条纹。无干涉，不成像c横线竖条纹，中间最亮最长，两侧变暗并且变短通过横向一维光栅信息d竖线横条纹，中间最亮最长，两侧变暗并且变短通过竖向一维光栅信息在频谱面上放上可调狭缝或滤波模板，挡去频谱某些空间的频率成分，则会使像发生变化。3空间滤波像屏上出现一放大倒立红色“光”字六实验结果实验结果如上。不同角度的傅叶面通过的衍射成像信息不同。七实验分析通过该实验，我收获很大，特别是在调节光路时，要细心，同时还要耐性。要认真分析成像的原因。