光信息技术1平行光的调节.pdf

光信息技术实 验一 平行光的调节 实验 一 平行光的调节 调整光信息实验光路的基本原则是共轴，即保证整个光路的光轴平行于工作台面且在同一高度上 一、 实验目的 1. 了解光学系统主要部件的设计原理，熟悉其调节方法 2. 学会调节各个光学元件的主光轴位置，使之共轴 3. 学会使用针孔滤波器，观察不同口径针孔的滤波效果 4. 理解 空间滤波的原理，了解 针孔滤波与圆孔衍射的区别 5. 学会扩束、准直系统的调节和使用 二、 实验内容 1．选择合适的光机部件 根据设计好的光路选择合适的光机部件，包括光学元件的孔径、焦距、放大倍率、透过率、表面精度以及光具架调节机构等，以便 把这些光学元件按光路图要求方便、准确地定位到适当的空间位置上 光学元件应安装在具有调节机构 (包括调节维数、调节范围和调节精度等 )的光具架上光具架的调节机构应连续平衡、定位稳定使用前应轻轻晃动光具架的各个接合部，检查是否稳定调整光路前应先将所有的微调螺钉调至中间位置，使之留有足够的调节余量 2．光学元件等高同轴的调整 调整光信息实验光路的基本原则是共轴，即保证整个光路 中各个光学元件的 光轴 重合 。

调整按下列步骤进行： ① 调 整激光器 的俯仰和左右旋钮 ，使输出光束始终平行于工作台面，可用一小孔 光阑在台面上移 动，并保持激光 光 斑 中心 始终与小 孔 重合 ② 调 节 等高， 即 使 各 光学元件的光学面中心距离台面高度相等，此时，激光束或其主光线通过各光学元件的中心，一般可通过俯仰调节装置完成 （可借助光阑，使反射光点高度与入射激光相同） ③ 调 节 同轴， 调整各个光学元件相对入射激光的左右位置，使各光学元件的中心都处于入射激光光路上， 即所有光学器件的光轴重合 按照实验光路图布置好各光学部件的位置，并观察光路系统中由各光学元件表面 (包括球面和平面 )反射和透射产生的一系列自准像点，使它们处于标准高度 （入射激光为准） 的一条直线上，以便使光学系统 成为共轴系统 3．针孔滤波器 3.1 滤波器 简介 分类： 光信息技术实 验一 平行光的调节 振幅型滤波器 ：只改变频谱的振幅分布，不改变位相分布 （ 1）低通滤波器：滤去频谱中的高频部分，只允许低频通过（低通滤波器主要用于消除图像中的高频噪声） （ 2）高通滤波器：滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘，或实现衬度反转 （ 中央光屏的尺寸由物体低频分布的宽度而定，主要用于增强模糊图像的边缘，以提高对图像的识别能力。

由于能量损失较大，所以输出结果一般较暗 ） （ 3）带通滤波器：用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量 （ 4）方向滤波器：实际上也是一种带通 滤波器，只是带有方向性 位相型滤波器： 位相型滤波器只改变傅里叶频谱的位相分布，不改变它的振幅分布，其主要功能是用于观察位相物体 小孔滤波器 也称为 扩束 — 滤波器， 是 振幅型低通 滤波器的一种， 包括扩束镜 （显微 物镜，焦距极短） 和针孔装置 ，通常为扩束 —— 准直系统的一部分 针孔滤波器有组合式 （如图 3 所示） 和分布式两种，均包括扩束、滤波两部分 图 3 小孔滤波器结构图 1、 2：调节小孔左右、上下平移旋 钮； 3：改变物镜与小孔间距的平移旋钮 在光学信息处理系统中，常在扩束镜后焦点上放置针孔，对光束进行空 间 滤波，以改善光束质量，提高处理的效果扩束镜通常是短焦距的凸透镜或显微 物 镜 可以 把激光光束聚于其 焦点上针孔滤波器的空间滤波就在焦点处进行 从空间频谱的概念来看，如果扩束镜无像差且无衍射杂散光影响，则在聚光点处的光斑是 很小 的这相应于光斑的零级频谱成分而光斑中那些不均匀的部分，如各种环状衍射结图 2 高通滤波器 图 1 低 通滤波器 光信息技术实 验一 平行光的调节 构，对应于光束的高频成分。

它们将出现在扩束镜后焦面上远离焦点的地方 因此如果把直径很小 (一般为 5～ 25μm)的针孔置于焦点附近，只让零频通过而挡掉高频成分，则在针孔后的光场将是非常均匀的 （如图 4 所示） 那些相 当 于高频成分的不均匀和衍射环即会消失由频谱分析知道在激光质量不太差、扩束镜的 污染 又不太严重的情况下，光束的能量绝大部分集中在零级上，而那些相应于不均匀的高频成分所占的能量在总能量中的比例是微不足道的因此，正确地使用针孔滤波器，不但可以改善光束质量，而且不会明显降低光场的光强，即没有明显的能量损失但是，如果扩束镜质量过差，或所用的针孔滤波器孔径过小，以至零级会聚点直径大于针孔直径，那么使用针孔滤波器之 后光强会明显降低 图 4 空间滤波后的基模光斑 3.2 低通滤波理论 空间频率滤波利用透镜的傅里叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪，利用空间滤波的方式改变物的频谱结构，改善图像 空间滤波所使用的光学系统实际上就是一个光学频谱分析系统，这里介绍常见的两种类型 1） 三透镜系统： 图 3 三透镜空间滤波系统结构图 图 3 中 L1、 L2、 L3 分别起着准直、变换和成像的作用；滤波器置于频谱平面。

设物的透过率为 t（ x1， y1） ，滤波器透过率为 F（ fx， fy） ， (注意 F 与 F 的区别）则频谱面后的光场复振幅 为 u 2’= T（ fx， fy） ·F（ fx， fy） F（ fx， fy） 光信息技术实 验一 平行光的调节 其中 T（ fx， fy） = { t(x1， y1)} fx = x2 /λf2 fy = y2/λf2 { }为傅里叶变换算符， fx， fy 为空间频率坐标， λ为单色点光源波长， f2 是变换透镜 L2的焦距 输出平面由于实行了坐标反转，得到的应是 2'u 的傅里叶逆变换，即输出是物的几何像与滤波器逆变换的卷积 3'u = F–1 {u 2'}] = F–1 {T（ fx， fy ） ·F（ fx， fy） } = F–1 {T（ fx， fy） }* F–1{F（ fx， fy） } = t（ x3， y3） * F–1{F（ fx， fy） } 2） 二透镜系统 取消准直透镜 L1，直接用单色点光源照明，可以用两个透镜构成空间滤波系统 图 4 二透镜空间滤波系统结构图 实验中小孔滤波器就属于二透 镜系统。

设物为一维栅状物 — Ronchi 光栅 它是矩形函数 rect （ x1 / a）和梳状函数 comb（ x1 / d）的卷积 t（ x1） =（ 1/d ） ·rect[（ x1 / a ]*comb（ x1 / d） 若栅状物总宽度为 B（如图所示），则 t（ x1） ={（ 1/d ） ·rect(x1/a )*comb(x1/d） }·rect（ x1/ B） 在频谱面上得到它的傅里叶变换 T（ fx） =F[ t（ x1） ] =（ aB/d） {sinc（ Bfx） + sinc（ a/d） ·sinc[B（ fx – 1/d） ] + sinc（ a / d） ·sinc[B（ fx + 1/d） ] + …} 其中 fx = x2 /λf2 式中第一项为零级谱，第二、三项分别为正、负一级谱 …. 在未进行空间滤波前，输出面上得到的是原物的像 3） 几种滤波结果 a、滤波器是一个通光小孔只允许零级通过（ 图 5a、 b、 c） b、滤波器是一个狭缝使零级和正、负一级频谱通过 （ 图 5d、 e、 f） c、滤波器为双狭缝，只允许正、负二级频谱通过（ 图 6a、 b、 c） 光信息技术实 验一 平行光的调节 根据衍射理论，光通过扩束镜后，在其焦点上的光斑直径为 ： 1.22λdfD （ 1） 式中， f 为扩束镜的焦距， D 为扩束镜上的实际通光孔径，  为激光波长。

考虑到激光束的发散角的影响，针 孔 直径可按下式计算： 2 fd D (2) 对于一般的实验光路 ， D=1.5 mm， 16mmf  , 0.6mm , 15 md  ，针孔通常选用 10~30μm 由于针孔很小，针孔滤波器的调整要耐心、仔细、缓慢 图 7 针孔滤波器的调整 SF—针孔； L0—扩束器； P1， P2—光屏 注意： • 不可以用手去碰針孔，也不可以对针孔吹气或做任何的不当接触，更不要去戳它 • 不要让眼睛 直视激光 • 此组件的螺丝非常精细，操作时请仔细转动，以免用力伤害螺纹 3.3 组合式针孔滤波器 (图 3)的调整步骤： 1） 首先在激光的前面一定距离放一光屏，在激光打在屏上的一点做记号，并且固定光屏； 2） 然后把针孔滤波器的针孔拿出，使针孔面朝上，不要接触桌面或工作台； 图 5 只允许零级通过或只允许零级和正、负一级谱通过时的情况 图 6 只允许正、负 二级谱通过时的情况 光信息技术实 验一 平行光的调节 3） 将针孔滤波器至于激光和光屏之间，调整针孔滤波器的高度使之与激光同高，这时就会在光屏上出现一个亮度均匀的圆光斑，并且光斑的中心与 我们光屏上做的记号重合。

4） 然后把针孔放到滤波器上，先稍许移动垂直和左右方向的调节手轮，直接观察针孔小眼，使针孔处小亮点最亮；再调节前后方向的手轮，使得物镜不断靠近针孔； 5） 待有光斑出现后，不断重复第 4 步，使光斑的亮度逐渐增加，在光屏上观察到同心的亮暗衍射环 6） 最后再沿三个方向微调，使中央亮斑半径不断扩大，亮度逐渐增加，直至最亮最均匀为止 4．准直光束的获得与检验 在光信息实验中，经常要用到准直性良好的平行光束，这可以通过在针孔滤波器之后加入准直透镜来获得理论上说，只要准直透镜的前焦点与扩束镜的后焦点重合， 且两者同光轴，透过准直透镜的光即为平行光一般准直透镜使用口径较大、焦点较长的胶合透镜，这样可以获得截面较大、像差较小的光束 调整时可置准直透镜于扩束的光路中，透镜的中心高度与光束的标准高度一致，曲率半径较大的一面对向扩束镜 (如果准直透镜是胶合透镜，则应使负透镜对向扩束镜 )，以使其球差最小移动准直透镜的前后位置，使其前焦点大致与扩束镜的后焦点 (即针孔位置 )重合出射光应是准直光 检验光束平行性的常用方法有两种 （ 1） 自准直法沿光束传播方向，前后轴向移动准直透镜，直到从自准直反射镜反射回来的自准直像 落在针孔表面，并与针孔重合。

或者在准直镜后放一观察屏，前后移动，观察准直后光斑的变化，若在一个较大范围内（如 5 米以上）光斑直径几乎无变化，可视为准直成功 图 8 剪切法获得平行光 SF—针孔； L0—扩束镜； OP—平行平晶 （ 2） 剪切干涉法这是一种在光信息实验中对光束平行性要求高时普遍使用的方法在光路中插入准直透镜，透镜到针孔的距离大致等于透镜的名义焦距如图 8 所示，在准直镜后，倾斜放置一平行平晶，观察平晶两表面反射光束重叠部分产生的剪切干涉条纹，沿光轴前后移动准直透镜，使条纹渐渐由密变疏，直到条纹最 宽或成均匀光，这时准直透镜处于光信息技术实 验一 平行光的调节 最佳位置，出射光为平行光 剪切干涉法只能用于相干光束的调整非相干照明时，可用自准直法调整 5．焦平面位置的确定 在光信息实验中，经常需要将某些元件精确调整到光束会聚点即焦平面或傅里叶变换平面位置，通常的方法是在透镜后放置一毛玻璃或纸屏，用人眼观察会聚光斑的大小，当会聚光斑最小时即认为毛玻。