阿贝成像原理和空间滤波

1北京航空航天大学实验报告实验名称：E09阿贝成像原理和空间滤波数据记录及处理和试验现象及解释：（1）阿贝成像原理试验：①求相应空间频率：He-Ne激光器波长λ=632.8nm，透镜F=250mm，xfF,将实验数据带入下表：衍射位置/mm空间频率xf/1mm一级衍射2.012.6二级衍射3.924.7三级衍射6.037.9②在频谱面上放置各种滤波器，成像变化特点及相应解释：通过的衍射点图像情况简要解释（a）全部条纹清晰，排列整齐，条纹间距1.4mm，全部竖直排列。透过了光栅的全部信息，干涉和衍射形成明暗条纹。（b）0级图像很暗，屏上显示一亮斑，无条纹。只通过零级条纹，无干涉和衍射，但集中了大部分光。（c）0，1级条纹清晰，排列整齐，竖直排列，但边缘部分模糊，条纹间距1.5mm，亮度减弱通过一级成分，产生了一级条纹，是（a）中的主要成分，与其相似（d）0，2级图像较为模糊，条纹间距小，方向竖直，亮度变暗，条纹间距0.9mm。通过二级成分，是二倍频，条纹变密。（e）1，2级屏上显示两块亮斑，有条纹，但不如（a）（c）清晰，两亮斑重叠处条纹极为紧密，两侧条纹间距1.4mm，中间条纹间距0.9mm条纹间距竖直，其明暗条纹反转。一级二级共同表现，两套条纹叠加部分密集，故条纹间距比两侧小。挡住零频部分也就是挡住了沿直线传播光，而这部分光强相对于衍射后沿其它方向传播的光要大得多，所以原本亮的地方成为暗的。③测量二维光栅像面上x，y方向光栅条纹间距：像面上沿x方向条纹间距△x=2.0mm，y方向光栅条纹间距△y=2.0mm④在屏谱面图上依次放置不同小孔及不同取向光阑，观察像面变化通过的频谱图像情况简要解释(b）屏上显示一亮斑，图像较暗只有零级通过，没有干涉，故无条纹产生。（c）条纹清晰，排列整齐，方向水平，条纹间距1.036mm。此即一维光栅的衍射图案，通过了此方向上的频谱信息，干涉和衍射形成明暗条纹。（d）条纹清晰，排列整齐，方向竖直，条纹间距1.050mm。此即一维光栅的衍射图案。通过了此方向上的频谱信息，干涉和衍射形成明暗条纹。（e）条纹清晰，倾斜45，与斜缝方向垂直，条纹间距0.750mm。此为零级、一级、二级……干涉，由于各频谱点产生的条纹干涉不变，但条纹方向发生改变，由几何关系知条纹变密。综上所述：从所得到的实验结果可以看出，对像中某一方向结构有贡献的是与该方向垂直的频谱。学号：38270104姓名：王文征日期：4月10日晚同组者：刘思沂指导老师：段亚飞评分：2（2）高低通滤波：①将物面换上3号样品，则在像面上出现带网格的“光”字。②用白屏观察焦面上物的空间频谱。光栅为一周期性函数，其频谱是有规律排列的分立点阵。而字迹不是周期性函数，它的频谱是连续的，一般不易看清。由于光字笔画较粗，空间低频成分较多，因此频谱面的光轴附近只有光字信息而没有网格信息，由于仅保留了离轴较近的低频成份，因而图像细结构消失。③将3号滤波器（φ=1mm的圆孔光阑）放在后焦面的光轴上，出现“光”字，网格信息消失，亮度较暗。换上4号滤波器（φ=0.4mm的圆孔光阑）,光字更暗。④将频谱面上光阑作一平移，使不在光轴上的一衍射点通过光阑，发现越偏离光轴图像越暗。换上4号样品，使之成像。然后在后焦面上放上5号滤波器，发现未放之前出现红色十字，放上5号滤波器后“十”字中间变暗，四周轮廓也较为清晰，它阻挡低频分量而允许高频成份通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强，所以图像轮廓明显。（3）θ调制试验：衍射频上花、叶、背景的光栅走向蓝（背景）红（花）绿（叶）利用阿贝成像实验中的结论，对像中某一方向结构有贡献的是与该方向垂直的频谱。θ调制法是利用不同方位的光栅对图像进行调制的方法。具体操作为：将一个二维图像分成几个部分，不同部分的图案分别用不同方向的光栅进行调制，就完成了编码过程，获得了一块θ调制板，经θ调制的二维图像置于4f系统的输入面上，用准直白光照射物平面，白光由各种不同波长的光组成，不同波长光的非零级谱点与系统光轴夹角不同，所以在频谱面上的频谱就成为彩色的，每个谱点按波长从里到外按紫、蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序排列，每一部分图形对应予一列频谱。按设计的颜色在频谱面上放置滤波器就能得到所需的彩色输出像。思考题：1.空间频率是频率吗？为什么说物的细节部分空间频率“高”，衍射光与光轴之间的夹角大？答：空间频率不是频率。由傅里叶变换可知，高频部分反映物的细节，所含频率越多越高，所呈现出物体的像就越精确。但因透镜孔径有限，根据dsinθ=kλ，高频部分θ大，通不过透镜。2.本实验的同轴等高如何进行？特别是怎样做好激光束的调整，平行光扩束，频谱面和像面位置的确定。答：打开激光器，调节激光管的左右及仰俯，沿导轨前后移动白屏，保证光电在屏的位置不变并记下激光束在白屏上的具体位置。调节L1，将L1放在激光管和白屏之间，调节L1使移动L1时，光斑中心在白屏的位置不变。放上L2，使L1和L2间距为F1+F2在白屏和L2之间放上L3，使白屏与L3间距为L3，调节L1，L2的相对位置，使在白屏上看到聚焦的一点时，L1、L2已调好。调节L3，使在白屏上的焦点位置不变，L3已调好。放上带有样品模板支架并调节支架使平行光均匀照在样品上。沿导轨移动L3直到4m以外的屏幕上得到清晰的图像。固定物及各透镜的位置。用白屏在L3后焦面附近移动，会在白屏某处上出现清晰的一排水平排列的各点，这一平面就是频谱面，将滤波器支架放在此平面上。3.光学中的空间滤波如何进行？本实验中的频谱面和像面各在什么地方？答：光学中的空间滤波就是在频谱面上放一些模版（吸收板或相移板），以减弱某些光的空间频率成分或改变某些频率成分的相位，则必然是使像面上的图像发生相应的变化，这样的光学图像处理称为空间滤波。本实验中，频谱面在的后焦面上，像面在4m以外的屏幕上。4.什么叫θ调制？试验为什么要用白光照射？频谱面和像面各在什么地方？“彩色”图像是如何得到的？答：θ调制是一个利用白光照明而获得彩色图像的实验。频谱面在光源的像面，像面在的后焦面上。在光源S的像面上插入纸板，在适当的地方扎孔，自制一个“空间滤波器”，使透明图片的像面呈现县一副红花、绿叶和蓝色背景的彩色图案。“”为光阑