光信息处理实验报告.docx

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光信息处理实验报告

电子科技大学物理电子学院

第14-15周

标准实验报告

（实验）课程名称信息光学综合平台实验

电子科技大学教务处制表

电子科技大学

实验报告

学生姓名：

学号：

指导教师：

刘艺

实验地点：

主楼东112、115、109B

实验时间：

2011年12月3日、4日、10日、11日

实验一基于空间光调制器输入的联合变换相关图像识别实验

一、实验目的

1.掌握联合变换相关的基本原理；掌握联合变换功率谱重现的相关簇特点；

2.对相同图像、相似图像、不相似图像三种情况分别拍摄并重现其联合变换功率谱，观察用联合变换实现光学图像识别的效果。

3.进一步学习光学图像识别的方法，体会光学图像识别的要素。

二、实验器材

He-Ne激光器一台（含电源），电子快门1个，光学元件若干，透射型电光调制空间光调制器1台，光学CCD一个，实验用微机及配套软件一套。

三、实验步骤及操作

1、使用空间光调制器输出图像

使用大恒的电光调制型透射空间光调制器输出图像。

注意要设置Windows有两块输出显卡和显示器，设置空间光调制器为Windows的第二显示器，将程序的输出图像拖到第二块显示器处并使用。

由于本实验使用的空间光调制器是由像素阵列构成，其结构具有点阵特性，因此平行激光照明后有多级衍射光输出。

同时，实验使用的透射型空间光调制器是由液晶制作的（SLM），因此输入要求为竖直方向的偏振光，输出为水平方向的偏振光，要求在输出后使用偏振片滤除竖直方向的背景光，提高输出图像的对比度。

为了提高空间光调制器输出图像的亮度，可以使用如图23-3的光路。

其中P是水平方向的偏振片；透镜L1的作用是将大角度的衍射光束聚焦到一个小口径，以满足偏振片P的口径的限制要求；透镜L3的作用是将聚焦光束还原为平行光束，且可以通过调节焦距f1和f2的大小，对输出图像按需求进行缩放。

2、布置实验光路

记录联合变换功率谱的实验光路如图23-4；图中L和Lc各是扩束、准直透镜，L1是傅里叶变换透镜，其前焦面P1是输入面，后焦面P2放置全息干板进行联合变换功率谱的记录。

注意在放置输入物像时要对称于光轴。

3.拍摄与图像处理

使用空间光调制器在P1面上分别获得不同的实验图像组，分别记录多组图形的联合变换功率谱；更换过程中注意不要触动其它光学元件，图像更换后需要保持静止半分钟以上，再使用光学CCD进行拍摄。

由于功率谱中心光强很强，记录时间需要注意调节适当至中心光强附近的光强适当。

注意：

随着曝光、显影的时间不同，全息底片的衍射效果将不同，重现的相关峰强度也不同，影响对两物像相关程度的判断。

因此，对多张图像，在数字处理过程中需要进行归一化处理。

4.观察与分析

对于全息干板，将处理好的底片分别放置在如图23-4所示光路中的P1面上对准，观察在P2面上出现的自相关峰和两个互相关峰。

观察不同组图像相应的互相关峰强度。

图23-5是据此记录的一组图像的重现结果，供读者参考。

对于CCD记录的空间光调制器输出图像获得的联合变换相关峰图像，将图像经过傅立叶变换后归一化，再消除零级光，然后显示观察其互相关谱，如图23-6（a,b）所示。

四、实验结果及数据处理

本次MATLAB试验中取Sa=130，Sak=150。

先取三张照片拍摄，观察相应的联合频谱变换结果和将中心亮斑遮光处理后的结果。

图片一：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

图片二：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

图片三：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

然后再将同一张图片通过不同的大小直径的孔后的图像进行对比分析。

中间孔：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

自相关峰强度/互相关峰强度=132600/13270=9.925

左移第一个孔：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

自相关峰强度/互相关峰强度=16070/1240=12.9597

左移第二个孔：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

自相关峰强度/互相关峰强度=10650/958.7=11.1088

左移第三个孔：

CCD拍摄图

联合频谱变换结果将中心亮斑遮光处理后的结果

自相关峰强度/互相关峰强度=2387/351.4=6.792

五、实验结论

从实验结果中可以看出，通过不同直径大小的孔之后的图片成像的互相关峰与自相关峰强度比值不同，且离中间空距离越大，这个比值越小。

六、实验心得

一般互相关峰强度大于自相关峰强度，而本实验中中间空的比值与左移空的比值差距很大，这很可能是试验中左移空没有完全对准光线中心的缘故。

实验二基于数字散斑照相的微米级二维位移测试试验

一、实验目的

1、了解激光散斑干涉测量的特点和常见方法；

2、了解散斑成像光路的成像和调试特点；

3、设置激光散斑成像光路，使用CCD记录，并完成数据处理。

二、实验器材

He-Ne激光器一台（含电源），光学元件若干，显微成像镜筒一个，光学CCD一个，实验用微机及配套软件一套。

三、实验步骤及操作

（一）设置散斑成像光路系统

使用He-Ne激光，将其扩束至近平行光后照明物体，如图22-1搭建透射式散斑成像光路，也可以在教师的指导下搭建反射式散斑成像光路。

注意调节成像镜筒的放大率与CCD的位置，使得待拍摄物体成像在CCD面上后，在计算机屏幕上观察为清晰。

（二）位移前后的记录

选择适当的待测物体，夹紧后放置在精密位移台上；调节CCD的曝光时间，先使用CCD记录一幅物体的亮度适当的散斑像，然后在物体水平方向上施加些微的平动，再使用CCD记录一幅物体的成像散斑像；将二幅图像存储后待处理。

对胶片型物体，可在纵向上轻微施加压力，使用CCD记录形变前后的散斑像，存储待处理，以获得对物体的形变分析。

位移和形变的大小需要注意精确控制，不能过大；如千分表的1－5格（即10－50m位移）。

四、实验数据及处理

本实验所用CCD放大倍率为2.5，实验所拍摄的树叶照片如下。

第一组实验，记录螺旋测微计的刻度，拍下一张树叶的照片，然后将螺旋测微计旋转0.006mm，拍下第二张照片，第二张与第一张对比，用matlab处理如下：

位移前后叠合像傅氏变换后的杨氏条纹

衍射主极大的一维曲对中心零级遮光处理后的衍射图像

第二组实验，在第一次位移的基础上再位移0.006mm（此时总共位移了0.012mm），拍下第三张照片，将第三张与第一张用matlab处理：

位移前后叠合像傅氏变换后的杨氏条纹

衍射主极大的一维曲对中心零级遮光处理后的衍射图像

第三组实验，在第一次位移的基础上再位移0.006mm（此时总共位移了0.018mm），拍下第四张照片，将第四张与第一张用matlab处理：

位移前后叠合像傅氏变换后的杨氏条纹

衍射主极大的一维曲对中心零级遮光处理后的衍射图像

第四组实验，在第一次位移的基础上再位移0.006mm（此时总共位移了0.024mm），拍下第三张照片，将第五张与第一张用matlab处理：

位移前后叠合像傅氏变换后的杨氏条纹

衍射主极大的一维曲对中心零级遮光处理后的衍射图像

第五组实验，在第一次位移的基础上再位移0.006mm（此时总共位移了0.027mm），拍下第三张照片，将第六张与第一张用matlab处理：

位移前后叠合像傅氏变换后的杨氏条纹

衍射主极大的一维曲对中心零级遮光处理后的衍射图像

第六组~第九组同上。

将九组实验数据录入excel表格，并制成散点图如何：

五、实验结论

当所调节距离较小时，所测结果并不理想，这应该是实验器材精度的问题。

将物体位移前后的散斑图重合进行傅里叶变换，对比分析各处的条纹间距和方向。

若物体是刚性的，且是平移，这物体各处的条纹间距和方向应相同或相似。

如上图表，前后的条纹之间相干明显，说明两者之间的条纹间距和方向相似，即证明物体是刚性的且是平移。

六、实验心得

本次试验中，基本掌握了光路调节和实验测量的方法，这种测试方法光路较为简单，降低了对机械稳定性的要求，易于测试面内位移，且测试灵敏度可以在一定范围内调节。

实验三AOTF成像光谱测试实验

一、实验目的

1、了解基于AOTF的成像光谱测试系统光路和设备构成；

2、掌握成像光谱系统的软件操作；

3、利用成像系统测量不同样品的吸收光谱；

二、实验器材

声光可调谐滤波器一套（含AOTF、驱动器、电源），高亮度光源一套（含光源、电流源），光学元件若干，成像透镜一个，光学CCD一个，实验用微机一套（含自编控制和数据采集软件系统一套）。

三、实验步骤及操作

设置完毕光路后，运行软件系统。

软件系统运行后正在采集图像的效果如图21-13所示，系统运行前，会检测CCD，AOTF控制器和同步信号解析转发器的工作状态是否正常。

如果正常，CCD预览界面、CCD参数调节面板和控制参数配置面板就可以进入等待图像采集的工作状态如图21-13中的各个部分，如果硬件工作不正常，将会提示硬件故障，系统启动后不会显示CCD预览界面、CCD参数调节面板和控制参数配置面板。

设置好采集范围之后，发出开始指令，系统就进入自动采集状态，系统会按照控制参数配置面板配置的频率和幅度发送给AOTF控制器，改变照射到被测样本上的光线波长，并进行逐帧图像采集，图21-14为系统的驱动频率――输出波长设置模板，在模板中可以设置开始波长与测试总帧数等。

图像采集前需要使用图21-13左上方的CCD参数设置模块设置CCD的曝光时间，并需要采集环境光，从而在测试时消除环境光。

图像采集结束后，通过文件管理面板可以保存和打开已采集的图像系列，图像系列存储为我们自设的DFF文件格式，它可以记录该文件的相关参数和所有图片，如图21-16（a,b）所示。

单击如图21-16（b）的图像图标即可打开/关闭该幅图像，并可以通过图像色彩模块设置的四个“图像假彩色”按钮调节观察效果。

四、实验数据机处理

无叶情况：

曝光时间为0.52ms，实验拍摄图像如下：

测试取的三个测试点坐标（X,Y）为（350，250），（750，350），（350，550）。

有叶情况：

曝光时间：

160.00ms，实验拍摄图像如下：

测试取的三个测试点坐标（X,Y）为（350，250），（750，350），（350，550）。

根据实验数据绘制的散点图如下：

五、实验结论

同点的吸收强度有所不同，但二者对光波长的吸收能力却是相同的。

叶肉吸收光强度高于叶脉，叶肉透明性比叶脉好。

采用不同像素对光的吸收曲线几乎无影响。

同一片树叶上不同位置会有不同的吸收光谱，表现在其透光率也不同，我们可以通过测量不同位置的透光特性来推导不同样品对光的吸收谱。

六、实验心得

为了减小噪声，可设置软件系统在读出强光时读出像素的大小为3x3和1x1，使读出数据为已设置像素为中心的相应大小区域的平均光强；试验中在同一片树叶上取了叶脉和叶肉部分，这两部分透光性能相差较大，实验结果较为明显。