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1、光学空间滤波及光信息处理技术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,18401905 ） 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
2、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
3、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632.8 nm。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）图2光学元件三、实验原理1.阿贝成像原理设有一个
4、空间二维函数）,（y x g，其二维傅里叶变换为（,）C）exp 2（）G g x y i x y dxdy 切肌切88二- + ?-8-8（l） 式中nE分别为x,y方向的空间频率，而）,（y x g则为）,（nEG的傅里 叶逆变换，即(,)C)exp 2()g x y G i x y d d 切肌切切88二+ ?-8-8式（2）表示，任意一空间函数）,（y x g可表示为无穷多个基元 函数exp 2（）i x y nEn +的线性迭加，）,（nEG是相应于空间频率为nE, 的基元函数的权123456重,）,（nEG称为）,（y x g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
5、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 焦面上放置一透射率为）,（y x g的图像，并以相干平行光束垂直照射， 则在透镜后焦面上的光场分布就是）,（y x g的傅里叶变换）,（nEG，即空 间频谱（）,（）G x f y f入入。其中入为光波波长，f为透镜的焦距,（y x ,）为后焦面（即频谱面）上任意一点的位置坐标。显然，后焦面上任 意一点（y x ：）对应的空间频率为/（）x f E入二,/（）y f n入二。傅里叶变换光学在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中 显示出来。1873 年，阿贝提出了相干光照明下显微镜的成像原理。他 认为在相干平行光照明
6、下，显微镜的成像过程可以分成二步。第一步 是通过物的衍射光在透镜的后焦面（即频谱面）上形成空间频谱，这 是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束 在像平面上相干迭加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作 用，如图3所示。透镜频谱血橡血图3阿贝成像原理成像的这两个过程，本质上就是两次傅里叶变换。第一个过程把 物面光场的空间分布）,（y x g变为频谱面上空间频率分布）,（nEG，第二个过程则是将频谱面上的空间频谱分布）,（nEG作傅里叶逆变换还原为 空间分布（即将各频谱分量复合成像）。因此，成像过程经历了从空 间域到频率域，又从频率域到空间域的两次变换过程。如果两次变换
7、是理想的，即信息没有损失，则像和物应完全相似（除了放大或缩 小）。但一般说来，像和物不可能完全相似，这是由于透镜的孔径有 限，总有一部分衍射角度大的高次成分（高频信息）不能进入到 物镜而被丢弃，所以像的信息总是比物的信息要少一些，像和物不可 能完全一样。由于高频信息主要反映物的细节，因此当高频信息受到 孔径的阻挡而不能到达像平面时，无论显微镜有多大放大倍数，也不 可能在像平面上分辨这些细节，这是显微镜分辨率受到限制的本质原 因。当物的结构非常精细（如很密的光栅）或物镜孔径非常小时，有 可能只有零级衍射（空间频率为零）能通过，则在像平面上虽有光照， 却完全不能形成图像。2.空间滤波 由以上讨论可
8、知，成像过程本质上是两次傅里叶变换，即从空间复振幅分布函数）,（y X g变为频谱函数）,（nEG，再由频谱函数）,（nEG变 回到空间函数）,（y x g （忽略放大率）如图4所示。(d。因此，在频谱面（即透镜后焦面）上人为地放一些模板（吸收 板或相移板）以减弱某些空间频率成份或改变某些频率成分的相位， 便可使像面上的图像发生相应的变化，这样的图像处理称为空间滤波。 频谱面上这种模板称为滤波器，常见的滤波器是一些特殊形状的光阑，（a）图4不同类型的空间滤波器图2中为高通滤波器，它是一个中心部分不透光的光屏，它能滤去低频成分而允许高频成分通过，可用于突出像的边沿部分或者实现像的衬度反转；（b）
9、为低通滤波器，其作用是滤掉高频成分，仅让靠 近零频的低频成分通过。它可用来滤掉高频噪声，例如滤去网板照片 中的网状结构；（c）为带通滤波器，它可让一些需要的频谱分量通过， 其余被滤掉，可用于消除噪音；（d）为方向滤波器，可用于去除一些方 向的频谱或仅让给定方向的频谱通过，用于突出图像的一定特征。3.0调制法假彩色编码e调制采用不同取向的光栅对物屏面的各部分进行调制（编码）， 通过特殊预期的彩色图案。b 频谱而 光屏滤波器控制像平面相关各部分的灰度（用单色光照明）或色彩 （用白光照明）的一种方法。实验采用的 调制板附件是一个由三种取 向的光栅组成的图案，相邻取向的夹角均为 120。在图5所示光路
10、中， 从卤钨灯发出的光通过凸透镜L1 （焦距为190mm ）变成近似平行光 束，其中每一种单色光通过图案的各组成部分，都会在L2的后焦面上 产生与各部分对应的频谱，其排列方向垂直于光栅栅线的方向。合成 的结果，中央零级形成白色光斑，其他各级形成三个方向的彩色光斑。 此时，将夹紧白纸的纸板架放在频谱面上，先用大头针扎一个小孔， 测定各排频谱所属图案区域。接着，避开测试孔，按配色需要，在相 关色斑的单色部位尽可能准确地扎出一些小孔，在毛玻璃屏上就得到门光源la円调制板图50调制光路图四、实验内容1. 全息光栅的制作（1）按图 6 的示意图布置光路，调节激光束与各个光学元件中心平行。制作实例如图7
11、所示。激光发射器图6全息光栅制作示意图图7全息光栅制作实例图调节分束镜的角度和两个反射镜的位置，使光路 1 和光路 2 之间的光程大致相等。同时，分了使两个光路的光强也大致相等，光路 1 所在光路的扩束镜 距离全息干版的位置较远，而光路 2 所在光路的扩束镜距离全息干版 较近。另外，光路1和光路2之间的夹角宜小于150。（2）布置好光路后，在黑暗条件下进行曝 光，曝光时间40 秒，曝光3 次。需要注意的是， 每次曝光需要将一个纸片放置于激光和全息干 版之间（只让纸片镂空的部分曝光，纸片编号 为 1，2，3），如图 8 所示。图 8 拼接为圆的纸片（3）三次曝光后，进行暗室操作，主要包括显影（
12、20 秒），定 影（1分钟）和漂白（约15 分钟）。漂白以后进行水洗并用电吹风吹 干。2.0调制法假彩色编码（1）按图 5 调节光路，使得各元件共轴，从卤钨灯发出的光经过 1L 后形成平行光，实例如图9 所示。图 9 阿贝成像仪实例图（2）将0调制片（全息光栅）放置在光路的物面上，在频谱面上 观察到一系列彩色谱斑。这几行不同取向的彩色谱斑即为衍射极大值， 是相对于不同取向的光栅，也就是分别对应于图像的不同部位。这些极大值除了零级没有色散之外，其它级都有色散。（3）对e调制片的频谱进行滤波处理，在像面上得到具有红黄绿 （或其它颜色）三种颜色的像。根据各部分图像所需要的颜色，用针 扎小孔让各谱斑中相应的颜色通过，并在像面上观察假彩色像，记录 滤波过程及现象。五、实验注意事项1. 请勿用手触摸光学镜面。2. 放在光具座上的透镜、物面、频谱面、像面、光源需要同轴等 高，激光器发出的光线要与导轨水平。六、思考题1. 阿贝成像原理与光学空间滤波有什么关系？2. 如果本实验所用光源为单色光源（例如激光） ，将产生什么现 象？3. 阿贝关于“二次衍射成像”的物理思想是什么？
