光学空间滤波及光信息处理技术.pdf

光学空间滤波及光信息处理技术 空间滤波指在光学系统的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器，以改变光波的频谱结构， 使得像达到预期要求。在此基础上，发展了光学信息处理技术，利用光学手段，对输入信息 （包括图像、光波频率和振幅）实施运算或变换，以便对相关信息进行提取、编码、存储、 增强、识别和恢复。早在1873年，德国人阿贝 （E.Abbe,1840~1905）在蔡司光学公司任职期 间研究如何提高显微镜的分辨本领时，首次提出了二次衍射成像的理论。阿贝和波特 （A.B. Porter）分别于1893年和1906年以一系列实验证实了这一理论,说明了成像质量与系统传递的 空间频谱之间的关系。1935年，泽尼可 （Zernike）提出了相衬显微镜的原理，将物光的位 相分布转化为光强分布，并用光学方法实现图像处理。这些早期的理论和实验其本质上都是 一种空间滤波技术，是傅里叶光学的萌芽，为近代光学信息处理提供了深刻的启示。但由于 它属于相干光学的范畴，在激光出现以前很难将它在实际中推广使用。随着激光器、光电技 术和全息技术的发展，它才重新振兴起来，其相应的基础理论——“傅里叶光学”形成了一个 新的光学分支。目前，光学信息处理在信息存储、遥感、医疗、产品质量检测等方面得到了 广泛应用。 一、实验目的 1．了解傅里叶光学基本理论的物理意义，加深对光学空间频率、空间频谱和空间频率 滤波等概念的理解。 2．掌握在一张全息干版上按照不同的角度制作全息光栅的方法。  3．理解 调制法假彩色编码原理，并学习利用光栅的色散作用，在频谱面上使相应的 色谱点通过，形成彩色像。 二、实验仪器 光学实验平台，He-Ne激光器，分束镜，反射镜，暗室处理器具及显影、定影、漂白药 剂，电吹风，全息干版、白炽灯、凸透镜、频谱滤波器、大头针 三、实验仪器介绍 1.He-Ne激光发射器 氦-氖激光器由激光电源和激光发射管构成，如图1所示。一般来说，氦氖激光器发出 红色的光线，其波长为632.8nm。 图1 氦-氖激光器 2. 光学元件 1 — 分束镜 2,3 — 反射镜 4,5 — 扩束镜 6 — 白板 （全息干版） 1 2 3 4 5 6 图2 光学元件 三、实验原理 1. 阿贝成像原理 设有一个空间二维函数g (x ,y )，其二维傅里叶变换为 G( ,)   g (x ,y )exp i2( x  y ) dxdy (1)     式中 , 分别为x,y 方向的空间频率，而g (x ,y )则为G( ,) 的傅里叶逆变换，即   g (x ,y ) G( ,)exp i2( x  y ) d d (2)     式（2）表示，任意一个空间函数g (x ,y )可表示为无穷多个基元函数exp i2( x  y ) 的   线性迭加，G( ,)是相应于空间频率为, 的基元函数的权重，G( ,)称为g (x ,y ) 的 空间频谱。 用光学方法可以很方便地实现二维图像的傅里叶变换，获得它的空间频谱。由透镜的傅 里叶变换性质可知，只要在傅里变换透镜的前焦面上放置一透射