光电综合实验（2） 实 验 报 告

姓名 学号 学 院: 专 业: 类型 大型综合实验

指导教师： 年 月 日 实验一 阿贝成像原理和空间滤波实验 1.引言 阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早

期发展历史上具有重要的地位。这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。 人眼对灰度图像的分辨率是不高的，最多有15~20个层次。但是人眼对色度的识别能力却很高，可以分辨数十种乃至上百种色彩。若能将图像的灰度分布转换为彩色分布，势必大大提高人们对图像的分辨能力，这种技术称为图像的假彩色编码。黑白图像的假彩色化已经在遥感、生物医学、信息处理中得到了广泛的应用。 1．1 实验目的和意义 1、通过实验来重新认识夫琅禾费衍射的傅里叶变换性质，加深对空间频率、空

间频谱和空间滤波等概念的理解； 2、熟悉阿贝成像原理，从信息量的角度理解透镜孔径对分辨率的影响； 3、完成一维空间滤波、二维空间滤波及高通空间滤波； 4、掌握θ调制假彩色编码的原理； 5、巩固和加深对光栅衍射基本理论的理解； 6、通过实验，利用一张二维黑白图像获得假彩色编码图像； 7、巩固光学实验中有关光路调整和仪器使用的基本技能。 2.系统概述 2．1 系统原理 1、共轴光路调节

调节激光束平行于光具座，并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。 图1 共轴光路调节 在做以下几个实验时，都要用透镜，在加入透镜L后，如激光束正好射在L的光心上，则在屏Q上的光斑以0为中心，如果光斑不以O为中心，则需调节L的高低及左右，直到经过L的光束不改变方向(即仍打在0上)为止；此时在Ls处再设带有圆孔P的光屏，从L前后两个表面反射回去的光束回到此P上，如二个光斑套准并正好以P为中心，则说明L的光轴正好就在P、O连线上．不然就要调整L的取向．如光路中有几个透镜，先调离Ls最远的透镜，再逐个由远及近加入其他透镜，每次都保持两个反射光斑套准在P上，透射光斑以O为中心，则光路就一直保持共轴。 2、阿贝二次成像过程 阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。成像过程的这两步本质上就是两次傅里叶变换。如果这两次傅里叶变换是完全理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似。如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱某一些空间频率成份，则将会使像发生变化。空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各空间滤波器，去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和相位，使二维物体像按照要求得到改善。这也是相干光学处理的实质所在。 图2 阿贝二次成像过程 按照上图所示阿贝成像原理搭建光路，仪器可按照实验设备表单自选，数量不限，以二维光栅作为物体，激光器作为光源，实现二维光栅的频谱输出，观察二维光栅频谱特点，并测量二维光栅物体的频率。 设计实验内容： 1、二维光栅物空间滤波 学生自行从实验设备表单中选取合适仪器实现二维光栅物频谱的滤波。分别实现空间频谱的低通滤波，高通滤波，方向滤波。通过各种滤波过程观察屏上条纹的变化情况并加以解释。 2、θ调制假彩色编码 依据设计实验1的基本结论，总结出空间频谱与物体像之间的关系。以三维光栅（天安门光栅）作为物体，以光纤白光源为光源，设计合理的滤波实验方案实现蓝天、红楼和绿地的θ调制假彩色编码图像输出。 2．2仪器说明 1）氦氖内腔激光器，功率5mw，波长632.8nm，激光发散角度0.002mrad。

2）空间滤波器，40X物镜，D0.1mm针孔。 3）直径可调光阑。 4）二维正交光栅。 5）二维傅里叶变换透镜，100mm，150fmm 6）宽度可调狭缝。 7）镜架，激光夹持器，磁性吸座，干板夹，支杆若干。 8）光纤白光源，功率25W,光纤耦合输出端，纤芯直径1mm。 9）三维光栅。 10）准直镜，50,500mmfmm。 11）白屏 3.实验步骤 1)共轴光路调节

2)阿贝二次成像过程 3)二维光栅物空间滤波 4)θ调制假彩色编码 4实验要求：

1. 实验前查阅资料，了解掌握以下内容： （1）物体空间频谱的概念和意义 （2）傅里叶变换光学的基本原理 （3）空间滤波的基本原理及常见空间滤波器组成 2. 依据所提供各光学元件的基本参数，合理设计实验系统。 光学元件的使用依据光学精密仪器使用规则。 4.实验数据与处理 1.像面 2.平面光栅频谱图 撤去频谱面，找到像面，在像面上所成的像是致密的网格。 3．狭缝遮挡后的平面光栅的成像情况

将狭缝放在频谱面上遮挡住垂直方向上的光线，在像面出现竖直的亮条纹，而遮挡水平方向上的光线，在像面出现横向的亮条纹。 5.三维光栅的频谱图 6.狭缝遮挡三维光栅实验位置图 狭缝遮挡后的红楼绿地蓝天图像

水平方向是绿地，二四象限方向是红楼，一三象限方向边是蓝天 6.总结和结论

1)像的结构直接依赖于频谱的结构，只要改变频谱的结构，就可以改变像的结构。 2）频谱面上的横向分布是物的纵像结构信息，频谱面上的纵向分布是物的横像结构信息。 3）零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底。 4）挡住零频分量可是像发生衬度反转。 5）仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低，仅允许高频分量通过时，像的边缘效应增强。 实验二：线阵CCD原理与物体外形测量 一.实验目的 1.掌握彩色线阵CCD 开发应用实验仪的基本操作和功能。 2.掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD 驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等测量方法。 3.通过对典型线阵 CCD 驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相线阵CCD 的基本工作原理，尤其要掌握RS 复位脉冲与CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，分析它对CCD输出信号有何影响？ 4.通过对典型彩色线阵 CCD 器件在不同驱动频率和积分时间下输出信号波形的测量，进一步掌握彩色线阵CCD 的基本特性，加深积分时间对CCD 输出信号影响的认识，掌握驱动频率和积分时间设置的意义。正确理解彩色线阵CCD 器件的光照灵敏度参数、饱和曝光量与饱和“溢出”的等特性。 5.掌握利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例探讨影响测量范围、测量精度的主要因素 掌握用软件提取线阵CCD 输出信号UO 中所含物体边界信息的两种方法。（软件提取边缘信号的二值化） 二．实验仪器 1.LCCDAD-Ⅱ-A(或-B)型线阵CCD 应用开发实验仪一台； 2.装有VC++软件及相关实验软件的PC 计算机一台，或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一台； 3.双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在50MHz 以上）一台； 4.50mm 焦距的成像物镜1 只； 5.被测物夹持器1 只； 6.模拟被测杆件3mm、5mm、8mm 各1只； 7.远心照明光源1 只； 8.磁性表座3只； 三.实验内容 1.学习TCD2252D 线阵CCD 基本工作原理； 2.根据线阵 CCD 的基本工作原理，观测转移脉冲SH 与CR1、CR2 的相位关系，理解 3.线阵CCD 并行转移过程中信号电荷从光积分区转移到移位寄存器的过程； 4.测量驱动频率变化对CCD输出波形影响； 5.测量积分时间与输出信号的关系； 6.利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理； 7.研究二值化处理方法。 四.实验要求 1.根据实验目的查找线阵CCD器件的基本原理，撰写文献综述； 2.根据测量需求及已有设备设计实验系统； 3.编写图像处理程序； 4.搭建实验系统，完成实验目标，获得测试对象的图像； 5.处理实验数据，撰写设计、实验报告； 五.实验结果 1.长度测量： （1）.标定——3mm 固定阈值：80 放大倍率：0.907 (2).实际测量 5mm 8mm 实际尺寸：5.812mm 实际尺寸：7.576mm 2.角度测量 （1）.标定 （2）.偏移一定角度

3，振动测量 调整阈值：128 放大倍率：0.642 振幅：10.177mm 频率：0.340Hz 周期：2750ms 六．实验心得 实验三：高斯光束的变换与测量 实验目的： 1. 掌握激光传播特性的主要参数的测量方法。 2. 理解激光光束特性,学会对高斯光束进行测量与变换。

实验设备  激光光源：波长632.8nm He-Ne激光器 TEM00单模输出，功率2mW

 激光功率计：三波长532 nm ;632.8nm;650 nm最大测量功率50mW  光学导轨组件：长1200mm宽100mm含滑台和精密平移台  可变光阑组件：2-29mm可调  高斯光束变换透镜组件：焦距为+50,+150,+100的镜片  偏振片  激光衰减器组件：实现1-0.1%光强变化  CCD:靶面尺寸：1/2”；工作电压：12V；灵敏度：0.5lux；分辨率：600线  图像采集卡  BeamView激光光束参数测量软件（可实现激光光束光斑图样的采集，并对光斑尺寸进行计算，可现实激光束的二维和三维分布）

基础实验内容： 1.He-Ne激光器输出的光束测定及模式分析 （1） 调光路：将He-Ne激光器开启，调整高低和俯仰，使其输出光束与导轨平行。可通过前后移动一个带小孔的支杆实现。 （2）启动计算机，运行BeamView激光光束参数测量软件。 （3）He-Ne激光器输出的光束测定及模式分析。 使激光束垂直入射到CCD靶面上，在软件上看到形成的光斑图案，在CCD前的CCD光阑中加入适当的衰减片，使使软件显示激光光斑的最强位置大于其饱和值的2/3但不饱和。可利用激光光束参数测量软件分析激光束的模式，判定其输出