光學(xué)微分和加減法實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光學(xué)圖像微分與加減實(shí)驗(yàn)光學(xué)圖像加減實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求：1 .采用正弦光柵作濾波器，對圖像進(jìn)行相加和相減實(shí)驗(yàn)，加深對空間濾波概念的理解；2 .通過實(shí)驗(yàn)，加深對傅里葉光學(xué)相移定理和卷積定理的認(rèn)知。二、實(shí)驗(yàn)原理：設(shè)正弦光柵的空間頻率為忿，將其置于4f系統(tǒng)的濾波平面尸2上，如圖1所示，光柵的復(fù)振幅透過率為：H（,）=；1+cos（202+?。）=：+：（2。L-（2o卡0）4式中=電/，力=f為傅里葉變換透鏡的焦距;表示光柵條紋的初位相，它決定了光柵相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。將圖像A和圖像B置于輸入平面以上，且沿山方向相對于坐標(biāo)原點(diǎn)對稱放置，圖像中心與光軸的距離均為兒選擇光柵的頻率為加，使得3=2

2、人，以保證在濾波后兩圖像中A的+1級像和B的-1級像能恰好在光軸處重合。于是，輸入場分布可寫成：/5，%）=ZA-b,乂）+力（*i+b,九）在其頻譜面P2上的頻譜為：“4/）=E（）產(chǎn)+由于b=及三=4,因此/=加。上式可以寫成網(wǎng)工/）=FA5、f）產(chǎn)機(jī)+戶加經(jīng)過光柵濾波后的頻譜為：F5/汨5/）=?用（/）*+=，/.+口巳+/（/）/3+7（4.為）+/（ffY通過透鏡2進(jìn)行傅立葉逆變換，在輸出平面P3上的光場為：8（-）=力（/,力）+力（，3）。-*+：力（看-入，3）+力（0+4乃）卜4249討論：（1）當(dāng)光柵條紋的初相位由=。時(shí)，上式變?yōu)椋?（*3）=：力（08）+/（/，）3）

3、+其余項(xiàng)結(jié)果表面在輸出平面P3的光軸附近，實(shí)現(xiàn)了圖像相加。（2）當(dāng)光柵條紋的初相位外=2時(shí)，上式變?yōu)椋篻（占，為）=（,0，%）-/（看，埼）+大余項(xiàng)，結(jié)果表面在輸出平面P3的光軸附近，實(shí)現(xiàn)了圖像相減。從相加狀態(tài)轉(zhuǎn)換到相減狀態(tài)，光柵的橫向位移量應(yīng)等于1/4周期，即滿足:A=J也4兒4b因此，小心緩慢的橫向水平移動(dòng)光柵時(shí)，將在輸出平面的光軸附近觀察到圖像A、B交替的相加相減的效果。三、實(shí)驗(yàn)步驟:擴(kuò)束鏡待加減圖像半導(dǎo)體激光器港直鏡傅里葉透鏡傅里葉透錯(cuò)毛玻璃圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖1、將半導(dǎo)體激光器放在光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌的一端，打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)二維調(diào)整架的兩個(gè)旋扭,使的從半導(dǎo)體激光潛出射的激光光束平行于光學(xué)實(shí)驗(yàn)

4、導(dǎo)軌。2、在半導(dǎo)體激光器的前面放入擴(kuò)束鏡，調(diào)整擴(kuò)束鏡的高度和其上面的二維調(diào)節(jié)旋扭，使的擴(kuò)束鏡與激光光束同軸等高。3、在擴(kuò)束鏡的前面放入準(zhǔn)直鏡，調(diào)整準(zhǔn)直鏡的高度，使的準(zhǔn)直鏡與激光光束同軸等高。再調(diào)整準(zhǔn)直鏡的位置，使的從準(zhǔn)直鏡出射的光束成近似平行光。4、在準(zhǔn)直鏡的前面搭建4f系統(tǒng)。保持兩傅里葉透鏡與激光光束同軸等高。如實(shí)驗(yàn)圖所示。5、在4f系統(tǒng)的輸入面上放入待加減圖像且待加減圖像裝在一維位移架上，頻譜面上放入加減濾波器（一維光柵）且加減濾波器（一維光柵）裝在二維位移架上，輸出面上放入觀察屏（毛玻璃）。6、通過旋轉(zhuǎn)一維位移架上的旋扭，使的加減濾波器（一維光柵）發(fā)生位移，觀察毛玻璃上的圖像的變化，直到

5、在毛玻璃上出加減圖像為止。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中得到光學(xué)相加圖像如下：得到光學(xué)相減圖像如下：五、實(shí)驗(yàn)思考題1、實(shí)驗(yàn)中如果出現(xiàn)無論怎樣調(diào)整光柵位置，A+1和B-1的重合處始終無法得到全黑，這可能是由哪些原因引起的答：可能的原因有：兩個(gè)像的光強(qiáng)不均勻，造成相減是無法剛好相消；光柵的方向沒有放對；入射光沒有調(diào)成水平等等。光學(xué)圖象微分處理實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求：1.掌握用復(fù)合光柵對光學(xué)圖像進(jìn)行微分處理的原理和方法;2 .領(lǐng)會(huì)空間濾波的意義，加深對光學(xué)信息處理實(shí)質(zhì)的理解；3 .通過實(shí)驗(yàn)加深對傅里葉光學(xué)中相移定理和卷積定理的認(rèn)識；4 .通過實(shí)驗(yàn)觀察對圖像微分后突出其邊緣輪廓的效果。二、實(shí)驗(yàn)原理：1.光學(xué)微

6、分光路及其工作原理本實(shí)驗(yàn)的光路系統(tǒng)是一個(gè)典型的相干光學(xué)處理系統(tǒng)（即4f系統(tǒng)），如圖所示的原理。將待微分的圖像置于4f系統(tǒng)輸入面P1的原點(diǎn)位置，微分濾波器（也稱復(fù)合光柵）置于頻譜面P2上，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整位置即可在輸出面P3上得到微分圖形。設(shè)輸入圖像為Mx,力，其傅里葉變換頻譜為T（fxtfy）,則由傅里葉變換定理有：式中/=*/4，fy=y2f如果頻譜面上的濾波函數(shù)為：則可實(shí)現(xiàn)對光學(xué)圖像的微分。實(shí)際上，微分濾波器的振幅透過率只需滿足正比于即可達(dá)到光學(xué)微分的目的。2、微分濾波器（復(fù)合光柵）復(fù)合光柵相當(dāng)于兩套空間取向完全相同，空間頻率相差0?f的一維光柵疊加而成。一般采用全息的方法來制作。復(fù)合光柵包含了

7、兩種空間頻率，為書寫簡潔起見，令其初始位置時(shí)的透過率函數(shù)為:H（七七）=2+4cos（2i、/2）+f2cos（2/T/；x2）“AfNfW）H（M）=T（旦，&o十人?。?,&）（產(chǎn)外+產(chǎn)勺vV2AfAf十k7（旦旦）（/，丫森十小2rH）23V顯然物頻譜會(huì)受到兩個(gè)一維余弦光柵的調(diào)制。當(dāng)其受第一次記錄的光柵調(diào)制后，在輸出面P3上可得到3個(gè)衍射像，其中零級衍射像位于X32/3平面的原點(diǎn)，正、負(fù)一級衍射像則沿x3軸對稱分布于y3軸兩側(cè)，距原點(diǎn)的距離為著4%（f為透鏡焦距）。同樣，受第二次記錄的光柵調(diào)制后，在輸出面上將得到另一組衍射像，其中零級衍射像仍位于坐標(biāo)原點(diǎn)與前一個(gè)零級像重合，正、負(fù)一級衍射

8、像也沿y3軸對稱分布于原點(diǎn)兩側(cè)，但與原點(diǎn)的距離為“士將：。由于乂“很小,故x3與3x的差斗=鵬也很小，從而使兩個(gè)對應(yīng)的1級衍射像幾乎重疊，沿x3方向只錯(cuò)開很小的距離乂。由于必比起圖形本身的尺寸要小很多，當(dāng)復(fù)合光柵平移一適當(dāng)?shù)木嚯x時(shí)，由此引起兩個(gè)同級衍射像的相移量為：=2/fo、l,A。）=2/rfQAl從而導(dǎo)致兩個(gè)同級衍射像有一個(gè)附加的相位差0=A。、A。1=2gz0A/當(dāng)這時(shí)兩個(gè)同級衍射像正好相差兀相位，相干希加時(shí)兩者重登部分相消，只剩下錯(cuò)開的圖像邊緣部分，從而實(shí)現(xiàn)了邊緣增強(qiáng)。這時(shí):A7=三、實(shí)驗(yàn)步驟:擴(kuò)束鏡待微分圖像雙八田仕里微分濾波器kf*fff4半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直鏡傅里葉透鏡傅里葉透鏡毛

9、玻璃圖3光學(xué)圖像微分處理實(shí)驗(yàn)裝置圖1：將半導(dǎo)體激光器放在光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌的一端，打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)二維調(diào)整架的兩個(gè)旋扭，使的從半導(dǎo)體激光器出射的激光光束平行于光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌。2：在半導(dǎo)體激光器的前面放入擴(kuò)束鏡，調(diào)整擴(kuò)束鏡的高度和其上面的二維調(diào)節(jié)旋扭，使的擴(kuò)束鏡與激光光束同軸等高。3：在擴(kuò)束鏡的前面放入準(zhǔn)直鏡，調(diào)整準(zhǔn)直鏡的高度，使的準(zhǔn)直鏡與激光光束同軸等高。再調(diào)整準(zhǔn)直鏡的位置，使的從準(zhǔn)直鏡出射的光束成近似平行光。4：在準(zhǔn)直鏡的前面搭建4f系統(tǒng)。保持兩傅里葉透鏡與激光光束同軸等高。如實(shí)驗(yàn)圖所示。5：在4f系統(tǒng)的輸入面上放入待微分圖像，頻譜面上放入微分濾波器（復(fù)合光柵）且微分濾波器（復(fù)合光柵）裝在一維位移架上，輸出面上放入觀察屏（毛玻璃）。6：通過旋轉(zhuǎn)一維位移架上的旋扭，使的微分濾