阿贝成像原理实验报告.docx
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阿贝成像原理实验报告
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和空间滤波
专业班级10物师姓名邓新炬学号02仪器组号
指导教师朱星成绩日期2013年月日
一.实验目的
1.了解透镜孔径对成像的影响和简单的空间滤波;
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率、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
GP-78光具座JSQ-250氦氖激光器及电源物(光栅)
透镜×3(f=15mm、f=70mm、f=225mm)光阑片。
三实验原理
1、关于傅里叶光学变换
设有一个空间二维函数
,其二维傅里叶变换为:
式中
、
分别为
、
方向的空间频率,
是
的逆傅里叶变换,即:
该式表示:
任意一个空间函数
可表示为无穷多个基元函数
的线性叠加。
是相应于空间频率为
、
的基元函数的权重,
称为
的空间频谱。
理论上可以证明,对在焦距为
的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为
的图像作为物,并用波长为
的单色平面波垂直照明,则在透镜后焦面
上的复振幅分布就是
的傅里叶变换
,其中空间频率
、
与坐标
、
的关系为:
2、关于阿贝成像原理
成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。
第一步把物面光场的空间分布
变为频谱面上空间频率分布
,第二步则是再作一次变换,又将
还原到空间分布
。
3、空间滤波
空间函数
变为频谱函数
,再变回到空间函数
(忽略放大率)。
显然如果我们在频谱面(即透镜的后焦面)上放一些不同结构的光阑,以提取(或摒弃)某些频段的物信息,则必然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,频谱面上这种光阑称为滤波器。
滤波器使频谱面上一个或一部分频率分量通过,而挡住其它频率分量,从而改变了像面上图像的频率成分。
例如光轴上的圆孔光栏可以作为一个低通滤波器,而圆屏就可以用作为高通滤波器。
四实验步骤
1、实验光路调节
在光具座上将小圆孔光阑靠近激光管的输出端,上下左右调节激光管,使激光束能穿过小孔;然后移远小孔,如光束偏离光阑,调节激光管的仰俯,再使激光能穿过小孔,重新将光阑移近,反复调节,直至小孔光阑在光具座上平移时,激光束能通过小孔光阑。
2、阿贝成像原理实验
如实验光路图在物平面上放上一维光栅,用激光器发出的细锐光束垂直照到光栅上,用一短焦距薄透镜(6~10cm)组装一个放大的成像系统,调节透镜位置,使光栅狭缝清晰地成像在像平面屏上,那么在频谱面上的衍射点如图所示。
在频谱面上放上可调狭缝或滤波模板,使通过的衍射点如下图所示:
(a)全部;(b)零级;(c)零和
1级;分别记录图片信息。
3、阿贝一波特实验(方向滤波)
(1)光路不变,将一维光栅的物换成二维正交光栅,在频谱面上可以观察到二维分立的光点阵(频谱),像面上可以看到放大了的正交光栅像,测出像面上的网格间距。
(2)在频谱面放上可旋转狭缝光阑(方向滤波器),在下述情况:
(a)只让光轴上水平的一行频谱分量通过;(b)只让光轴上垂直的一行频谱分量通过;(c)只让光轴上45°的一行频谱分量通过。
记录像面上的图像变化、像面上条纹间距,并做出适当的解释。
五实验数据和数据处理
1.1解释阿贝成像实验
a全部
b零级
c45°角(0、±1级)
傅氏面上通过的衍射
像面图像记录
分析
a
全部
中间亮且最长、两侧亮度渐低且渐短的竖条纹
光全部通过,光信息无遗失
b
0级
边缘模糊亮斑
只有零级,无法成像
c
0、±1级
竖条纹组成的红色亮斑
干涉成像,只显示大体
2
解释阿贝-波特实验
a全部
c左斜线
d横线
e竖线
a
全部
正交线条纹。
无干涉,不成像
c
横线
竖条纹,中间最亮最长,两侧变暗并且变短
通过横向一维光栅信息
d
竖线
横条纹,中间最亮最长,两侧变暗并且变短
通过竖向一维光栅信息
在频谱面上放上可调狭缝或滤波模板,挡去频谱某些空间的频率成分,则会使像发生变化。
3空间滤波
像屏上出现一放大倒立红色“光”字
六实验结果
实验结果如上。
不同角度的傅叶面通过的衍射成像信息不同。
七实验分析
通过该实验,我收获很大,特别是在调节光路时,要细心,同时还要耐性。
要认真分析成像的原因。