實(shí)驗(yàn)2-2-θ調(diào)制技術(shù)用于假彩色編碼

光信息專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料〔試用〕實(shí)驗(yàn)2－2θ調(diào)制技術(shù)用于假彩色編碼[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1、掌握θ調(diào)制假彩色編碼技術(shù)的原理和方法；2、學(xué)習(xí)θ調(diào)制假彩色編碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組裝技巧；3、了解θ調(diào)制物片的制作原理和方法。[實(shí)驗(yàn)原理]1、阿貝二次成像理論1873年，阿貝首次提出一個(gè)與幾何光學(xué)成像理論完全不同的觀念，即“二次成像理論〞，認(rèn)為在相干照明條件下，透鏡成像過(guò)程可以分為兩步：首先，物光波經(jīng)過(guò)透鏡，在透鏡后焦面上形成頻譜，該頻譜稱(chēng)為第一次衍射像；然后，頻譜成為新的次波源，由它發(fā)出的次波在像平面上干預(yù)而形成物體的像，該像稱(chēng)為第二次衍射像。阿貝二次成像理論的主要奉獻(xiàn)在于，證明了像的結(jié)構(gòu)直接依賴(lài)于頻譜的結(jié)構(gòu)，所以可根據(jù)光學(xué)圖像處理的需要，在頻譜面上改變其結(jié)構(gòu)，就可以改變像的特性。阿貝二次成像的理論根底是光學(xué)傅里葉變換。就光學(xué)信息處理手段而言，大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是在輸入面上處理，稱(chēng)為空域調(diào)制，一類(lèi)是在頻譜面上處理，稱(chēng)為頻域調(diào)制。2、θ調(diào)制假彩色編碼原理圖1(a)光柵調(diào)制片的結(jié)構(gòu)示意圖圖1(a)光柵調(diào)制片的結(jié)構(gòu)示意圖圖1(b)頻譜面上的光譜及孔狀濾波器示意圖紅色紅色綠色綠色黃色黃色θ調(diào)制假彩色編碼屬于空域調(diào)制，它是對(duì)一張本無(wú)色彩的圖像，利用空域調(diào)制和空間濾波技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)圖像彩色化。其原理是對(duì)輸入圖像的不同區(qū)域分別用取向〔θ角〕不同的光柵進(jìn)行調(diào)制〔見(jiàn)圖1(a)〕，當(dāng)用白光照明時(shí)，頻譜面上得到色散方向不同的彩色帶狀譜，其中每一條帶狀譜對(duì)應(yīng)被某一個(gè)方向光柵調(diào)制的圖形的信息。頻譜面上彩色帶狀譜的色序是按衍射規(guī)律分布的。如在該平面上加一適當(dāng)?shù)臑V波器，那么可在輸出面上得到所需要的彩色圖像。濾波器的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)被打了孔的光屏，如圖1(b)所示，其中的黑色圓點(diǎn)即為打的孔，它分布在彩色帶狀譜中所需波長(zhǎng)的位置，使其通過(guò)，而其它波長(zhǎng)的光波均被擋住，于是在像平面上便得到預(yù)期的顏色搭配。所謂“假彩色編碼〞，是指輸出面上呈現(xiàn)的色彩并不是物體本身的真實(shí)色彩，而是通過(guò)θ調(diào)制處理手段將白光中所包含的色彩“提取〞出來(lái)，再“賦予〞圖像而形成的，因而稱(chēng)為“假彩色〞?！熬幋a〞是借助信息論的說(shuō)法，表示處理手段。[實(shí)驗(yàn)設(shè)備]實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備包括：導(dǎo)軌，滑塊假設(shè)干，白熾燈〔帶有低壓電源和聚光鏡〕，θ調(diào)制片〔玫瑰花圖樣，分3個(gè)色區(qū)，調(diào)制光柵的空間頻率f0＝200lp/mm〕，透鏡3枚〔φ75，f150；φ50，f100；φ40，f200〕，白屏，毛玻璃屏，濾波器〔黑紙〕及支架，針，樣品夾，數(shù)碼相機(jī)。[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]實(shí)驗(yàn)題目：根據(jù)θ調(diào)制假彩色編碼原理，選擇一套適宜的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇適用的光學(xué)元器件，自行組裝成假彩色編碼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上進(jìn)行θ調(diào)制假彩色編碼實(shí)驗(yàn)。包括以下三項(xiàng)內(nèi)容：1、選擇實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：θ調(diào)制假彩色編碼系統(tǒng)一般采用空間濾波系統(tǒng)。該系統(tǒng)常見(jiàn)的有三透鏡和二透鏡兩類(lèi)，如圖2、3、4所示。LL1L2L3點(diǎn)光源x1y1一y3x3x2y2ff1圖2三透鏡空間濾波系統(tǒng)點(diǎn)光源點(diǎn)光源調(diào)制片譜面像面圖3二透鏡系統(tǒng)示意圖(一)L1L2點(diǎn)光源點(diǎn)光源L1調(diào)制片譜面L2像面圖4二透鏡系統(tǒng)示意圖(二)faia0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇原那么是：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的空間總長(zhǎng)度不宜超出實(shí)驗(yàn)室提供的導(dǎo)軌長(zhǎng)度。2、選擇光學(xué)元件1〕在實(shí)驗(yàn)室提供的光學(xué)元件中選擇所需的元件，包括透鏡、用具、各種支架等；2〕光學(xué)元件的參數(shù)和間隔要選擇恰當(dāng)，便于實(shí)際操作，便于觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3、組裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定圖像的θ調(diào)制假彩色編碼1〕按照所選擇的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及所選光學(xué)元件，組裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；2〕在組裝好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)“玫瑰花〞調(diào)制片的空間濾波操作，獲得假彩色編碼輸出圖像。實(shí)驗(yàn)要求1、本實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵的要求是建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，光學(xué)元件參數(shù)選擇合理，各元件的間隔合理，光譜展寬的線度要便于濾波操作，使得該系統(tǒng)得到的輸出圖像清晰、完整、大小和亮度適當(dāng)、單色性好；2、要求采用不同的濾波方案，使輸出圖像的色彩組合至少達(dá)兩種以上；3、注意觀察從頻譜面到達(dá)像平面光的成像行為，記錄并試分析現(xiàn)象；4、詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)，例如各元件的間隔、光譜的線度、像的放大倍數(shù)、假彩色編碼彩色輸出圖像的描述等等你認(rèn)為有價(jià)值的數(shù)據(jù)；4、將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用數(shù)碼相機(jī)記錄下來(lái)，存入指定電腦，文件名要求用中文實(shí)名；5、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行必要的分析和討論。[必做設(shè)計(jì)題]1、由于濾波平面上的頻譜形狀與所開(kāi)濾波孔的形狀很難匹配，因此同一濾波孔中難免有多個(gè)波長(zhǎng)的光通過(guò)而出現(xiàn)“混頻〞現(xiàn)象，致使輸出圖像的色彩不純，影響假彩色編碼效果。有人主張將濾波孔開(kāi)得盡可能小，以防止上述“混頻〞現(xiàn)象的發(fā)生。但這樣做的結(jié)果是光能量損失過(guò)大，輸出圖像亮度過(guò)低，效果不理想。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種解決上述矛盾的方法，既能提高輸出圖像色彩的純度，又能提高光能量的利用率，使彩色圖像明亮。2、θ調(diào)制片是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件，請(qǐng)至少設(shè)計(jì)兩種制作θ調(diào)制片的實(shí)驗(yàn)方法，寫(xiě)出具體操作步驟。3、調(diào)制光柵空間頻率的選擇依賴(lài)于哪些因素？選擇過(guò)大或過(guò)小會(huì)帶來(lái)哪些弊?。考僭O(shè)調(diào)制光柵的空間頻率改為300lp/mm，那么在你選定的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，傅里葉變換透鏡的孔徑至少應(yīng)多大，才能使實(shí)驗(yàn)得以成功？如小于該值，會(huì)出現(xiàn)怎樣的后果？參考文獻(xiàn)：1、《信息光學(xué)根底》，朱偉利、盛嘉茂著，中央民族大學(xué)出版社，1997年；2、《傅里葉光學(xué)》，呂乃光，機(jī)械工業(yè)出版社