阿贝成像原理与空间滤波

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与空间滤波专业班级10物师姓名李福潘学号2010284113仪器组号指导教师李斌老师成绩日期2013年4月8日星期一一.实验目的1．了解透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波。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。二实验仪器光具座，

氦氖激光器，

溴钨灯(12V，

50W)及直流电源，

薄透镜若干，

可变狭缝光阑，

可变圆孔光阑，

θ调制用光阑，

光栅(一维、

正交及θ调制各一)，

光学物屏，

游标卡尺，

白屏，

平面镜．三.实验原理1阿贝成像原理傅立叶变换在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中显示出来。E.阿贝在1873显微镜的成像可分为两个步骤，第一个步骤是通过物的衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。g(x,y)物镜后面面'x，y上的光强分布正好是的傅立叶变换()xyGff。（只要令'xxfF，'yyfF，为波长，F为物镜焦距）变成为：空间频率分布；而第二步骤则是又一次傅氏变换将()xyGff又还原到空间分布。下图显示了成像的这两个步骤，为了方便起见，我们假设物是一个一维光栅，在光栅上，经衍射分解成为向不同方向的很多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间率）。经过物镜分别聚集在后焦面上形成点阵，然后代表不同空间频率的光束又从新在像平面上复合而成像。但一般说来，像和物不可能完全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入到物镜而被丢弃了，所以像的信息总是比物的信息要少一些，高频信息主要是反映物的细节的，如果高频信息受到了孔径的阻挡而不能到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可能在像平面上分辨出这些细节，这是显微镜分辨率受到限制的根本原因，特别当物的结构是非常精细（例如很密的光栅），或物镜孔径非常小时，有可能只有0级衍射（空间频率为0）能通过，则在像平面上就完全不能形成图像。实验报告内容：一.实验目的二.实验仪器（仪器名称,型号，参数，编号）三.实验原理（原理文字叙述和公式，原理图）四.实验步骤五，实验数据和数据处理六，实验结果七，分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法，实验现象的分析，问题的讨论）八，思考题2、光学空间滤波上面我们看到在显微镜中物镜的孔径实际上起了一个高频滤波的作用，这就启示我们，如果在焦平面上人为的插上一些滤波器（吸收板或移相板）以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变像平面上的频谱，这就叫做空间滤波。最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他频率分量，从而使像平面上的图像只包括一种或几种频率分量，对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更明晰的概念。阿贝成像原理和空间滤波预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这是无法用几何光学来解释的。前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子。除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及θ调制等较简单的滤波特例外，还可以进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛。实验内容1．阿贝成像原理实验（1）如实验光路图在物平面上放上一维光栅，并用激光器发出的细锐光束垂直照在光栅上，频谱面上出现一排清晰的衍射光点，如图2-a所示。在频谱面上放上可调狭缝及各种滤波器，使通过的衍射点如下图所示，分别记录成像特点及条纹间距，并做简要解释。（2）将物面上的一维光栅换成二维正交光栅，调节光栅，使像上条纹分别处于垂直和水平的位置。这时在透镜后焦面上观察到二维的分立光点阵，这就是正交光栅的夫琅和费衍射(即正交光栅的傅里叶频谱)，而在像平面上则看到正交光栅的放大像(如图3(a))。(3)如在F面上设小孔光阑，只让一个光点通过，则输出面上仅有一片光亮而无条纹(如图3(b))。换句话说，零级相应于直流分量，也可理解为δ函数的傅里叶变换为1。(4)换用方向滤波器作空间滤波器放在F面上，狭缝处于竖直方位时，S屏上竖条纹全被滤去，只剩横条纹；当然横条纹也可看作几个竖直方向上点源发出光波的干涉条纹(如图3(c,d))。把狭缝转到水平方向观察S屏上条纹取向。(5)再将方向滤波器转45°角(如图3(e))。2．空间滤波实验：（1）布置好光路，以扩展后的平行激光束照明物体，以透镜将此物成像于较远处的屏上，物使用带有网格的网格字（中央透光的“光”字和细网格的叠加），则在屏上出现清晰的放大像