光學(xué)微分和加減法實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上光學(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(duì)圖像進(jìn)行相加和相減實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)空間濾波概念的理解；2 .通過(guò)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)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f0 , 將其置于4 f 系統(tǒng)的濾波平面P2 上, 如圖1 所示, 光柵的復(fù)振幅透過(guò)率為:Hfx,fy=121+cos(2f0x2+0)=12+14ei2f0x2+0+14e-i2f0x2+0式中，f 為傅里葉變換透鏡的焦距；0表示光柵條紋的初位相，它決定了光柵相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。將圖像A 和圖像B 置于輸入平面P1 上，且沿x1 方

2、向相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)放置，圖像中心與光軸的距離均為b。選擇光柵的頻率為f0，使得, 以保證在濾波后兩圖像中A 的+ 1 級(jí)像和B 的- 1 級(jí)像能恰好在光軸處重合。于是, 輸入場(chǎng)分布可寫(xiě)成:在其頻譜面P2 上的頻譜為：由于及，因此。上式可以寫(xiě)成經(jīng)過(guò)光柵濾波后的頻譜為：圖1 光學(xué)圖像加減原理圖通過(guò)透鏡L2 進(jìn)行傅立葉逆變換，在輸出平面P3 上的光場(chǎng)為：-討論：（1）當(dāng)光柵條紋的初相位時(shí)，上式變?yōu)椋航Y(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)光柵條紋的初相位時(shí)，上式變?yōu)椋航Y(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

3、，即滿(mǎn)足：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：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(kāi)電源開(kāi)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

4、、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(guò)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(wú)論怎樣調(diào)整光柵位置，A+ 1 和B- 1 的重合處始終無(wú)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(wú)法剛好相消；光柵的方向沒(méi)有放對(duì)；入射光沒(méi)有調(diào)成水平等等。光學(xué)圖

5、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(duì)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(duì)光學(xué)信息處理實(shí)質(zhì)的理解；3 .通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)傅里葉光學(xué)中相移定理和卷積定理的認(rèn)識(shí)；4 .通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)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4 f 系統(tǒng))，如圖所示的原理。將待微分的圖像置于4 f 系統(tǒng)輸入面P1 的原點(diǎn)位置，微分濾波器（也稱(chēng)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t( x, y) ，其傅里葉變換頻譜為T(mén)( f x ,

6、 f y ) , 則由傅里葉變換定理有：式中如果頻譜面上的濾波函數(shù)為：則可實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)圖像的微分。實(shí)際上，微分濾波器的振幅透過(guò)率只需滿(mǎn)足正比于x2，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 Df 的一維光柵疊加而成。一般采用全息的方法來(lái)制作。復(fù)合光柵包含了兩種空間頻率，為書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，令其初始位置時(shí)的透過(guò)率函數(shù)為：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(jí)衍射像位于x3Oy3 平面的原點(diǎn)，正、負(fù)一級(jí)衍射像則沿x3 軸對(duì)稱(chēng)分布于y3 軸兩側(cè)，距原點(diǎn)的距離為（f 為透鏡

7、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(jí)衍射像仍位于坐標(biāo)原點(diǎn)與前一個(gè)零級(jí)像重合，正、負(fù)一級(jí)衍射像也沿y3 軸對(duì)稱(chēng)分布于原點(diǎn)兩側(cè)，但與原點(diǎn)的距離為。由于很小，故x3與'3x 的差也很小, 從而使兩個(gè)對(duì)應(yīng)的±1 級(jí)衍射像幾乎重疊，沿x3 方向只錯(cuò)開(kāi)很小的距離。由于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(jí)衍射像的相移量為：從而導(dǎo)致兩個(gè)同級(jí)衍射像有一個(gè)附加的相位差當(dāng)這時(shí)兩個(gè)同級(jí)衍射像正好相差相位，相干疊加時(shí)兩者重疊部分相消，只剩下錯(cuò)開(kāi)的圖像邊緣部分，從而實(shí)現(xiàn)了邊緣增強(qiáng)。這時(shí)：三、實(shí)驗(yàn)步驟：圖3 光學(xué)圖像微分

8、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(kāi)電源開(kāi)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(guò)旋轉(zhuǎn)一維位移架上的旋扭，使的微分濾波器（復(fù)合光柵）發(fā)生位移，觀察毛玻璃上的圖像的變