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1、阿贝-波特实验 阿贝-波特实验 阿贝于 1874 年提出的二次衍射成像理论，以及阿贝本人于 1893 年然后是波特于 1960 后发布了验证这一 理论所做的实验，称为阿贝波特实验，科学地说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系，为空间滤 波奠定了基础。本实验就是要学习和实践他们的理论和实验。 一实验目的 1 熟悉阿贝成像原理 2 学会阿贝-波特实验 3 了解空间滤波的物理意义，并学会空间滤波实验。 二阿贝成像理论 众所周知，只要物平面、透镜和像平面的位置合适，透镜就能成像，这个过程称为一次成像过程。这属于 几何光学的物理观念。阿贝研究显微镜成像问题时，提出了一种不同于几何光学的新观点：两步
2、成像过程。他 将物看成是不同空间频率信息的集合，相干成像过程分两步完成，如图 8-1 所示。第一步是入射光场经物平面 1 发生夫琅和费衍射，在透镜后焦面2 上形成一系列衍射斑。第二步是各衍射斑作为新的次波源发出球面 次波， 在像面上互相叠加， 形成物体的像。 将显微镜成像过程看成是上述两步成像的过程， 是波动光学的观点， 图 1 后来人们称其为阿贝成像理论。 阿贝成像理论不仅用傅里叶变换阐述了显微镜成像的机理， 更重要的是首次引 入频谱的概念，启发人们用改造频谱的手段来改造图像信息。 阿贝-波特实验是对阿贝成像原理最好的验证和演示。这项实验的一般做法如图 8-2 所示， （a） （b） (c)
3、 (d) (e) 图 2 用平行相干光束照明一张细丝网格， 在成像透镜的后焦面上出现周期性网格的傅立叶频谱， 由于这些傅立 叶频谱分量的再组合，从而在像平面上复现网格的像。若把各种遮挡物（例如：光圈、狭缝或小光栏）放在频 谱平面上， 就能以不同方式改变像的频谱， 从而在像平面上得到由改变后的频谱分量重新组合得到的对应的像。 图中 2（a）表示网格（正交光栅）所对应的频谱分布；2（b）是使用一条水平狭缝时透过的频谱，对应的像 只包括网格的垂直结构。如果将狭缝旋转 90，则透过的频谱和对应的像如 2（c）所示。若在透镜的焦面上 放一个可变光圈，开始时光圈缩小，使得只通过轴上的傅里叶分量，然后逐渐加
4、大，就可以看到网格的像是怎 样由傅立叶分量一步步地综合出来。如果去掉光圈换上一个小光栏（高通滤波器黑点）挡住零级频谱直流 分量，则可以看到网格像的对比度发生变化，甚至发生对比度反转，如图 2（d） 。如果将一个小孔光阑置于频 谱面上，则图像发生如图 2（e）所示的变化。这些实验以其简单的装置十分明确的演示了阿贝成像原理，对 空间滤波的作用给出了直观的说明，为光学信息处理的概念奠定了基础。阿贝-波特实验中更重要的一点是表 明了像的结构是直接依靠频谱的结构，如果改变频谱结构，就能改变项的结构。 三实验仪器 JCX-4D 型激光全息与光信息处理综合测试仪，网格，小孔光阑，黑点光阑 四实验内容 1 布
5、置调节光路 按如图 3 所示实验光路所示的各个光学元件的位置，布置光路。 图 3 光学系统 2 调节光路系统，使扩束镜、准直镜和成像透镜同轴等高，具体方法如下， a 调节激光器输出的激光束平行于全息工作台面：用一直尺量出激光器输出光束在其出口和较远距 离的另一处两个位置的高度，并通过调节激光器的支架，使两个高度相等，则可视为激光束已平 行于全息工作台面。 b 插入扩束镜，通过调节扩束镜支架的调节机构，使激光束通过扩束镜，并量出扩束镜出射光束的 高度，使出射高度与入射光束的高度相等。 c 插入准直透镜，使扩束镜的出射光束透过准直镜，调节准直透镜调节架的调节机构，使其出射光 束的高度等于入射光束的
6、高度。 d 调节准直透镜调节架与扩束镜的距离，使扩束镜处于准直透镜的焦平面内。则准直透镜出射的光 为平行光。具体方法：可用直尺量出相距较远的两个光斑的直径，若相等，则光束已处于平行光 状态；若不相等，则可调节准直透镜与扩束镜的距离，使两者相等，则光束已处于平行光束状态。 e 将成像透镜插入光路， 使其与准直镜的距离小于两个透镜的焦距之和。 调节成像透镜架调节机构， 使其出射的光束与入射光束的高度相等。 f 将网格屏置于成像透镜前的位置，观察白屏置于成像透镜的后焦平面处，并两个屏垂直于光束， 如图 3 所示。 至此，光路已调节完毕。 3 阿贝-波特成像实验 在完成了上述光路的调节后，即可进行阿贝
7、-波特成像实验，以验证阿贝成像原理。 a 移动插入成像透镜后焦平面内的观察屏，使其处于焦平面上，则可在观察屏上看到周期性网格的 傅立叶频谱，即一些衍射斑。 b 继续移动观察屏，使之抵达成像透镜的像平面，则可在屏上看到网格屏的像。并注意观察屏移动 过程中图像的变化情况。 c 通过上述实验体会阿贝成像原理的两步成像法的意义。 4 空间滤波实验 a. 将一可转动狭缝置于成像透镜的后焦平面内，转动狭缝，使之处于水平状态，观察白屏上像结构 的变化，直到可看见网格的像变为一些平行的垂直线为止。 b. 转动处于成像透镜后焦面内的可转动狭缝，使狭缝处于垂直状态，这时可在观察屏上看到网格的 像已变为一些平行的水
8、平线。 c. 将一小孔光阑低通滤波器置于成像透镜的后焦面内，通过调节，使其中心处于光学系统的光轴 上，观察白屏上像结构的变化，可看到网格的像消失。 d将一黑点光阑高通滤波器置于成像透镜的后焦面内，通过调节，使其中心处于光学系统的光 轴上，观察白屏上像结构和对比度的变化，最后可看到网格的像反转，网格像会变成一些白色的 网格线。 实验记录 实验记录 阿贝-波特实验 光路部位 物理现象 物平面 傅氏镜后焦平面 傅氏镜象平面 放置物或观 察到的图像 空间滤波结果 物平面 后焦平面 像平面 光路部位 滤波器 放 置 物 或 图 像 水平狭缝 垂直狭缝 低通滤波器 高通滤波器 思考题思考题： 1 两次成像过程与一次成像过程之间有何差别？各属于什么光学分支？ 2 成像透镜形成的像的结构能否改变？通过什么方法改变图像结构？ 3 空间滤波的实质是什么？如何提高空间滤波的效果？ 4 谈谈调节光路的体会，你有调节光路的其它好方法吗？
