近代物理实验 实验报告及答案 (何元金 马兴坤)

实验报告配套教材：

书名：近代物理实验
作者：何元金 马兴坤
出版社：清华大学出版社

实验报告概述：

光学信息处理 实验报告 姓名： 班级： 指导老师： 实验时间： 【摘要】 光学信息处理就是基于图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律,在频谱面上对光学图像或光波的振幅分布作进一步的处理，通过在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。该实验主要内容有观察空间滤波现象、方向滤波(CCD接受图像)、直观理解卷积定理、光学微分成像、θ调制。 【关键词】 傅里叶光学 光信息处理 空间频谱 空间滤波 前言 实验背景 自从阿贝成像理论提出以后，近代光学信息处理通常是在频域中进行。由于光的衍射,图像的夫琅和费衍射分布,即图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律不同,这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。近代光学信息处理具有容量大，速度快，设备简单，可以处理二维图像信息等许多优点。本次实验通过多种光学信息处理内容和方法使得实验者对光学信息处理有进一步的理解。 实验原理 二维傅里叶变换和空间频谱 在信息光学中常用傅里叶变换来表达和处理光的成像过程，根据傅里叶变换特性，可以将一个空间分布展开成一系列二维基元函数的线性叠加。 透镜的二维傅里叶变换性质 在光学上，透镜是一个傅里叶变换器，它具有二维傅里叶变换的本领。当F和λ一定时，频谱面上远离坐标原点的点对应于物频谱中的高频部分，中心点对应于零频。 阿贝成像原理 物体应该看成是大量空间信息的集合体，光信息处理涉及的空间信息的集合体。频谱不再是一个抽象的数学概念，它是展现在透镜焦平面上的物理实在。 按频谱分析理论，谱面上的每一点均具有以下四点明确的物理意义： 谱面上任一光点对应着物面上的一个空间频率成分。 光点离谱面中心的距离，标志着物面上该频率成分的高低，离中心远的点代表物面上的高频成分，反映物的细节部分。靠近中心的点，代表物面的低频成分，反映物的粗轮廓。中心亮点是0级衍射即零频，反映在像面上呈现均匀背景。 光点的方向，指出物平面上该频率成分的方向，例如横向的谱点表示物面有纵向栅缝。 光点的强弱则显示物面上该频率成分的幅度大小。 空间滤波和光信息处理 光信息处理是通过空间滤波器来实现的。所谓空间滤波器是指在透镜的后焦平面上放置某种光学元件来改造或选取所需要的信息，以实现光信息处理。 卷积 夫朗和费衍射是一次复振幅的傅氏变换，它必然遵从卷积定理，即：两个函数乘积的傅里叶变换，等于它们各自的傅里叶变换的卷积；反之，两个函数卷积的傅里叶变换，等于它们各自傅里叶变换的乘积。 光学微分 利用复合光栅作为空间滤波器，达到突出图像边缘且能见度较高的目的，实现图像微分。 θ调制 将一个物体用不同的光栅来进行编码，制作成θ片。将θ片置于白光照明中，在频谱面上进行适当的空间滤波处理，便可在输出面上得到一个假彩色的像。 实验 实验光路如图2所示，用一氦氖激光器（λ=632.8nm）作光源，物面G处放置透射的物，谱面F处放置各种滤波器（形状不同的光阑、狭缝等）。调节光路时要注意各有关器件的共轴等高。激光束经LB1B扩束、LB2B准直后，形成大截面的平行光照在物面G上，移动傅立叶透镜（f=15cm）LB4B在像面H上得到一个等大的实像，此时物的频谱面在傅立叶透镜L3的后焦面上。 调节平行光是利用平晶来判别的。所谓平晶是一块前后表面平行度很高的厚光学玻璃板，如果平行光束照射在平晶上，经前、后表面反射出来的两束光仍然是平行光，在它们重叠区不产生干涉条纹。反之，如果照射的光束不是平行光束，在重叠区则要产生干涉条纹。条纹的平行度越差，干涉条纹越密。调节光路时，使平晶与光束成一倾角，用接收屏接收平晶的反射光束，一般能观察到干涉条纹，细调扩束镜前后位置，使干涉条纹尽可能稀疏（由于光学玻璃的质料不是绝对均匀或前后表面不严格平行，不可能一点也没有干涉条纹），这样就得到了准直的平行光束。 实验结果及分析 观察空间滤波现象