近代物理實(shí)驗(yàn)_光信息綜合處理實(shí)驗(yàn)講義

1、近代物理實(shí)驗(yàn)光信息處理綜合實(shí)驗(yàn)系列實(shí)驗(yàn)二十一 AOTF成像光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的成像光譜儀大多采用棱鏡、光柵、干涉儀濾光，進(jìn)行推帚式線光譜掃描成像。這種方式往往需要目標(biāo)和成像系統(tǒng)做相對(duì)移動(dòng)，對(duì)載體運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性要求比較高，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造十分復(fù)雜，需要經(jīng)過相當(dāng)復(fù)雜的校正處理才能得到最后的圖像，因此成像速度慢，且儀器體積大而笨重，移動(dòng)困難。聲光可調(diào)諧濾光器（Acousto-Optic Tunable Filter，簡稱AOTF）是一種聲光調(diào)制器件。其工作原理主要是利用了聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)對(duì)入射到傳播介質(zhì)中的光的布拉格衍射作用。聲光可調(diào)諧濾光器由單軸雙折射晶體（通常采用的材料為TeO2），粘合在單

2、軸晶體一側(cè)的壓電換能器，以及作用于壓電換能器的高頻信號(hào)組成。當(dāng)輸入一定頻率的射頻信號(hào)時(shí)，AOTF會(huì)對(duì)入射的復(fù)色光進(jìn)行衍射，從中選出波長為l的單色光。單色光的波長l與射頻頻率f有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只要通過電信號(hào)的調(diào)諧即可快速、隨機(jī)改變輸出光的波長。采用AOTF進(jìn)行電調(diào)諧濾光，可以實(shí)現(xiàn)凝視式面光譜成像。與推帚式相比，它不需要探測(cè)系統(tǒng)和目標(biāo)之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且能夠獲得很高的圖像分辨率，一般也不需要進(jìn)行幾何校正就可以得到高質(zhì)量的圖像。而且凝視式成像系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)也比較簡單，可靠性高，因此相關(guān)的儀器產(chǎn)品體積可以做得很小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成像光譜儀的便攜化。成像光譜系統(tǒng)既可構(gòu)成便攜式成像光譜儀，用于近距離目標(biāo)探測(cè)；又

3、可構(gòu)成顯微成像光譜儀?！绢A(yù)習(xí)提要】（1）聲光可調(diào)諧濾波器AOTF的分光原理是什么？（2）如何確定AOTF衍射光的波長？（3）成像光譜測(cè)試時(shí)成像位置不同對(duì)測(cè)試結(jié)果有無影響？【實(shí)驗(yàn)要求】（1）了解AOTF的工作原理和成像光譜測(cè)試的特點(diǎn)；（2）掌握成像光譜測(cè)試的基本光路系統(tǒng)；（3）掌握吸收光譜曲線的比較和吸收峰分析。s【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）了解基于AOTF的成像光譜測(cè)試系統(tǒng)光路和設(shè)備構(gòu)成；（2）掌握成像光譜系統(tǒng)的軟件操作；（3）利用成像系統(tǒng)測(cè)量不同樣品的吸收光譜；【實(shí)驗(yàn)器材】聲光可調(diào)諧濾波器一套（含AOTF、驅(qū)動(dòng)器、電源），高亮度光源一套（含光源、電流源），光學(xué)元件若干，成像透鏡一個(gè)，光學(xué)CCD一個(gè)，實(shí)

4、驗(yàn)用微機(jī)一套（含自編控制和數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)一套）?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.1 成像紅外光譜測(cè)量的原理與特點(diǎn)成像紅外光譜是對(duì)待測(cè)樣品使用某譜段的紅外光進(jìn)行成像型記錄，從而可分別研究樣品面上不同區(qū)域的光譜。而一般的光譜測(cè)試儀器，實(shí)際上是測(cè)量獲得樣品在測(cè)試區(qū)域的平均光譜；因此相比說來，具有精確度更高、精細(xì)度更高、可同時(shí)測(cè)量比較大面積樣品上不同區(qū)域紅外光譜等特點(diǎn)。如圖21-1(a, b, c)分別是某溶液中粒子樣品在1250nm、1350nm和1450nm波長的成像，圖中的色彩表示不同的強(qiáng)度。(a) 1250nm (b) 1350nm (c) 1450nm圖21-1 某溶液中粒子樣品在不同波長的成像圖21-2

5、 圖21-1粒子樣品的吸收光譜曲線 在實(shí)際的測(cè)試過程中，在測(cè)試光譜范圍l1l2間每隔Dl（設(shè)為波長系列l(wèi)i），記錄一幅樣品圖像I1i，并以同等條件記錄參照物的系列光譜圖像I0i；然后選定需要分析的樣品位置，分別讀取樣品和參照物的所有l(wèi)i圖像的光強(qiáng)I1i和I0i，則該位置處樣品的光譜曲線的第i點(diǎn)強(qiáng)度為：(21.1)由此即可獲得整個(gè)光譜范圍的吸收光譜曲線。如圖21-2即為圖21-1粒子樣品在1450nm1650nm區(qū)間的吸收光譜曲線，樣品在1560nm附近有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰。 光譜的另一種表達(dá)是透射光譜曲線，采用透射百分比方式：(21.2)樣品的透射光譜曲線凹凸正好與吸收光譜曲線相反。 上述圖像記

6、錄時(shí)，需要先測(cè)量系統(tǒng)的環(huán)境光強(qiáng)，并在后續(xù)的記錄中加以消除，以保證測(cè)試光強(qiáng)的準(zhǔn)確。如可關(guān)閉照明光源，或測(cè)量起始波長處的光強(qiáng)計(jì)為系統(tǒng)的環(huán)境光強(qiáng)，此時(shí)的光強(qiáng)透過率很低，近似為無照明光時(shí)的環(huán)境光強(qiáng)。 在本實(shí)驗(yàn)中，采用的是可見光/近紅外的AOTF，它是兩個(gè)AOTF合并而成，分別針對(duì)400695nm、6951000nm的兩個(gè)波段。1.2 成像紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)的基本構(gòu)成與分析 成像光譜系統(tǒng)主要由紅外照明光源部分、圖像采集部分、照明與成像光路部分和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析軟件四部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖21-3所示。圖21-3 系統(tǒng)的基本構(gòu)成示意圖 1. 紅外照明光源系統(tǒng)： 紅外照明光源系統(tǒng)一般由大功率的點(diǎn)狀白熾燈和分

7、光系統(tǒng)組成，最終獲得一個(gè)紅外譜段的可變波長的照明光束。 點(diǎn)狀白熾燈一般使用大功率的鹵素?zé)?，如功?50W、燈絲面積7.0×12.0mm2的鹵素?zé)?，以在?zhǔn)直后獲得足夠光強(qiáng)的近平行照明光。 分光系統(tǒng)的核心是可將入射白光分解為準(zhǔn)單色光的分光器件，一般可使用AOTF（聲光調(diào)諧濾波器）和LCTF（液晶調(diào)諧濾波器）。上述兩種器件均有較好的單色性和足夠的速度，能夠滿足可見光到紅外的光譜分析的需要。其中AOTF驅(qū)動(dòng)速度快、單色性好、重復(fù)性好，但AOTF的面積較小，光束的準(zhǔn)直度等受限，在相同入射光時(shí)輸出的光強(qiáng)有限；而LCTF孔徑大，透射光強(qiáng)比較大，但是波長變化時(shí)，可能出現(xiàn)輸出光強(qiáng)的突然跳動(dòng)，且跳動(dòng)位置

8、有所浮動(dòng)，從而使該波長附近的光譜出現(xiàn)異常，需要用較繁瑣的后期數(shù)據(jù)處理加以解決。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的是AOTF。 對(duì)于AOTF，其驅(qū)動(dòng)器由微波信號(hào)源和功放組成。系統(tǒng)所用功放輸出最大約3.5W，微波信號(hào)源可通過串口接收計(jì)算機(jī)控制信號(hào)，改變輸出微波頻率。計(jì)算機(jī)可通過控制系數(shù)的改變調(diào)節(jié)和設(shè)定某波長對(duì)應(yīng)的微波頻率，輸出信號(hào)頻率由頻率計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。圖21-4為系統(tǒng)使用的AOTF的驅(qū)動(dòng)頻率與輸出波長曲線圖，圖中星號(hào)*為器件出廠的實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值，按照實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值使用多項(xiàng)式擬合獲得其驅(qū)動(dòng)頻率輸出波長公式（5階），如式(21.3)。 (21.3)同理，按照實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值擬合獲得輸出波長驅(qū)動(dòng)頻率公式，擬合階次到4階，如式(21.4

9、)所示，其曲線如圖21-5，根據(jù)器件情況，實(shí)用中將其測(cè)試范圍擴(kuò)展至474nm1040nm。 (21.4)圖21-4 AOTF的驅(qū)動(dòng)頻率輸出波長曲線 圖21-5 AOTF的輸出波長驅(qū)動(dòng)頻率曲線 2. 圖像采集系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)一般由快速的圖像采集卡和紅外CCD相機(jī)構(gòu)成。為達(dá)到對(duì)樣品不同層面的紅外性能透析，需要圖像采集卡能夠改變和控制曝光的起始時(shí)間以及曝光時(shí)間。本系統(tǒng)使用的是USB接口的CCD相機(jī)。 紅外CCD有兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是光強(qiáng)的靈敏度，或者說動(dòng)態(tài)范圍，即CCD的位數(shù)，一般應(yīng)選擇12bit至16bit，8bit的CCD容易飽和，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較大的樣品不易測(cè)試；另一個(gè)指標(biāo)是CCD的像素?cái)?shù)，一般應(yīng)選

10、擇512×512以上，以獲得較好的圖像分辨率。本系統(tǒng)使用的CCD動(dòng)態(tài)范圍為8bit/16bit可選，最大分辨率為1394×1040。 由于圖像采集卡速率和CCD積分時(shí)間的限制，圖像的采集速率與圖像的分辨率一般是有所矛盾的，圖像分辨率越高，其采集速率越低。所以需要根據(jù)系統(tǒng)需求選擇一個(gè)合適的圖像采集速率或CCD積分時(shí)間。 3. 照明與成像光路系統(tǒng) 照明與成像光路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)樣品被照明后獲得良好成像的關(guān)鍵。由于是在實(shí)驗(yàn)室的近距成像，一般的需使用復(fù)合透鏡組的成像鏡頭，以獲得小像差的成像結(jié)果。 從照明的角度，成像光路系統(tǒng)可以分為透射式成像光路和反射式成像光路兩種類型，其光路示意如圖21

11、-6(a, b)；對(duì)于透明樣品應(yīng)用的是透射式成像系統(tǒng)，反射式成像系統(tǒng)針對(duì)不透明樣品。 從成像放大率的角度，則可分為一般成像光路和顯微成像光路兩種類型。在顯微成像中，根據(jù)顯微放大的倍數(shù)不同，可以分為直接使用顯微鏡的成像方式，如圖21-7(a)，或使用雙卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡顯微成像方式，如圖21-7(b)。其中雙卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)可獲得更高的放大倍率。 另外，如果使用光電探測(cè)器，而不是CCD作為光強(qiáng)采集器件，系統(tǒng)直接過渡為常見的光譜儀方式，獲得的是照明區(qū)域樣品的平均光譜。(a) 透射式AOTF成像光路示意圖(b) 反射式AOTF成像光路示意圖圖21-6 兩種照明方式的成像光路系統(tǒng)示意(a) 使用顯微鏡的

12、進(jìn)行顯微成像示意圖(b) 使用雙卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡顯微成像方式示意圖圖21-7 顯微成像的兩種光路示意圖 如圖21-6的光路可以采用分立光學(xué)元件搭建，可以方便地更改光路元件的位置，獲得不同的成像放大率，視場(chǎng)大，系統(tǒng)較靈活；圖21-7的光路，視場(chǎng)較小，出射光基本上就是平行光，可以對(duì)樣品中的氣泡和微粒的光譜進(jìn)行精密測(cè)量。圖21-8 與透射式成像照明光路一致的反射式成像光路 在后面分析照明光路對(duì)樣品的影響時(shí)，我們可以看到不同照明方式對(duì)樣品的溫升不同，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。簡單地說，入射光先經(jīng)過AOTF將使其能量大大削減，樣品僅受到準(zhǔn)單色光照明，從而使樣品表面溫度基本不變，且入射光是近平行光，受到

13、AOTF調(diào)制后單色性較好，樣品可以獲得較大面積的照明；而入射光先照明樣品，再經(jīng)過AOTF分光，將使得樣品表面溫升嚴(yán)重，且AOTF的入射光是經(jīng)樣品散射的漫射光，樣品照明面積較小，方向相對(duì)雜散，其分光后的準(zhǔn)單色性將下降。但是由于被測(cè)結(jié)果為紅外光譜，溫升高的結(jié)果是其紅外光譜強(qiáng)度更大，效果明顯，易于觀測(cè)。 類似的思想可以使用到AOTF光路中，如圖21-8為使用AOTF獲得反射式成像的另一種光路。與圖21-6(b)的透射式光路相比，其對(duì)樣品照明光路可以一致，僅需轉(zhuǎn)動(dòng)成像部分即可獲得不透明樣品的反射式成像。 4. 系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析軟件 在設(shè)置好測(cè)量參數(shù)，如每幅圖的曝光時(shí)間和測(cè)試光譜段、最小間隔波長等后，

14、整個(gè)測(cè)試過程將由控制系統(tǒng)依序改變RF頻率并曝光完成，這就是系統(tǒng)控制軟件的編程框架。測(cè)量的圖片數(shù)據(jù)信息可每幅單獨(dú)存放，也可寫入一個(gè)共同的圖像文件，并可靈活地調(diào)用，對(duì)選定像素點(diǎn)位置的光強(qiáng)按序號(hào)進(jìn)行讀取，獲得對(duì)應(yīng)波長的系列光強(qiáng)，并對(duì)最后結(jié)果進(jìn)行輸出。 軟件的核心是系統(tǒng)控制部分，要求采樣迅速無誤，且需要針對(duì)系統(tǒng)選定的CCD和RF信號(hào)源進(jìn)行單獨(dú)編程。按照前面測(cè)試原理的說明，控制軟件還需要預(yù)先提示測(cè)量環(huán)境光強(qiáng)，并在后續(xù)的圖像光強(qiáng)采集時(shí)自動(dòng)將環(huán)境光強(qiáng)消除。考慮到CCD具有一定的噪聲，環(huán)境光強(qiáng)采集時(shí)需要采集多幅圖像并平均。 由于CCD的位數(shù)一般高于8位，因此軟件要能夠在高于8bit的光強(qiáng)值時(shí)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行彩色顯示

15、，以便于人眼觀察成像圖景，并選擇感興趣的測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）熟悉光學(xué)器件調(diào)節(jié)，設(shè)置適當(dāng)光路，使高亮度白光光束近平行輸出；（2）熟悉AOTF的操作，在可見光波段觀察不同頻率RF輸出時(shí)AOTF衍射光的顏色；（3）調(diào)節(jié)樣品和CCD位置，獲得適當(dāng)成像放大率的精確成像；（4）根據(jù)流程對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，獲得樣品的吸收光譜?！緦?shí)驗(yàn)步驟及操作】（一）系統(tǒng)控制介紹本系統(tǒng)硬件由AOTF，射頻驅(qū)動(dòng)部分，同步信號(hào)解析轉(zhuǎn)發(fā)器，CCD相機(jī)和PC控制端五個(gè)主要部分構(gòu)成。如圖21-9展示了各部分間的通信接口。1). 射頻驅(qū)動(dòng)通過RF通道和AOTF通信，控制AOTF調(diào)制輸出不同波長的光，本系統(tǒng)的AOTF實(shí)際使用了

16、兩塊聲光晶體構(gòu)成500nm1000nm的測(cè)試區(qū)域，其RF通道1對(duì)應(yīng)高頻部分（可見光），RF通道2對(duì)應(yīng)低頻部分（近紅外）。2). PC控制端通過計(jì)算機(jī)的串口與射頻驅(qū)動(dòng)部分通信，發(fā)出修改AOTF輸出射頻頻率與強(qiáng)度的命令，并接收射頻驅(qū)動(dòng)部分發(fā)來的確認(rèn)信號(hào)。3). 同步信號(hào)解析轉(zhuǎn)發(fā)器是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)和解析射頻驅(qū)動(dòng)部分發(fā)出的高低電平同步信號(hào)到計(jì)算機(jī)控制端的串口，CCD相機(jī)通過USB端口與控制端通信。圖21-9 軟件與各硬件之間的通信接口本系統(tǒng)的特別之處就在于增加了同步信號(hào)解析轉(zhuǎn)發(fā)器，這是由射頻驅(qū)動(dòng)部分硬件接口設(shè)計(jì)和系統(tǒng)使用USB接口的CCD沒有兼容造成的。按照射頻驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，當(dāng)射頻部分受

17、到參數(shù)修改命令并修改完畢后，系統(tǒng)發(fā)發(fā)一個(gè)高電平同步信號(hào)給CCD相機(jī)控制相機(jī)拍照，待拍照結(jié)束后，CCD相機(jī)回復(fù)一個(gè)低電平信號(hào)給射頻驅(qū)動(dòng)部分，這時(shí)射頻驅(qū)動(dòng)部分才接受再次修改參數(shù)的命令，進(jìn)入下一次拍照。由于我們使用的USB接口CCD不具備通過高低電平控制拍照的功能，所以就自己開發(fā)了這個(gè)同步信號(hào)解析轉(zhuǎn)發(fā)器的單片機(jī)系統(tǒng)，建立一個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制端的通信鏈路，以保證需求功能的實(shí)現(xiàn)。如圖21-10為系統(tǒng)的通信流程，共使用了兩個(gè)COM串口，分下面幾個(gè)步驟：1). PC控制端通過COM1發(fā)送“更新射頻信號(hào)命令”給“射頻驅(qū)動(dòng)部分”；當(dāng)“射頻驅(qū)動(dòng)部分”更新了射頻信號(hào)后，“同步信號(hào)1”輸出高電平，“同步信號(hào)2”為

18、低高電平，表示更新了參數(shù)，同時(shí)等待同步信號(hào)解析轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)“同步信號(hào)2”；2). 同步信號(hào)解析器收到同步信號(hào)1后，發(fā)送“參數(shù)已更新”命令到控制端COM2，同時(shí)等待CCD相機(jī)工作完畢命令；3). 控制端COM2收到“參數(shù)已更新”命令后，啟動(dòng)CCD相機(jī)工作，CCD相機(jī)工作完畢后，發(fā)送“CCD相機(jī)工作完畢”命令給同步信號(hào)解析器；4). 同步信號(hào)解析器收到“CCD相機(jī)工作完畢”命令后，置“同步信號(hào)2”為高電平；5).“射頻驅(qū)動(dòng)部分”監(jiān)測(cè)“同步信號(hào)2”的上升沿，如沒有上升沿繼續(xù)等待；有上升沿，置“同步信號(hào)1”和“同步信號(hào)2”為低電平，等待下一次參數(shù)更新。圖21-10 通信流程圖 （二）系統(tǒng)光路介紹 系統(tǒng)光路

19、按照透射式成像光譜測(cè)試要求搭建，原理如圖21-6(a)，結(jié)果如圖21-11；由于AOTF通光面積僅為1cm×1cm，因此入射光束需要有所會(huì)聚，以提高系統(tǒng)光能利用率；AOTF衍射后的準(zhǔn)單色光束再經(jīng)過透鏡獲得近平行光，照明待測(cè)樣品。 (a) 光源與AOTF (b) 整個(gè)光路圖21-11 系統(tǒng)光路 待測(cè)樣品照明后，經(jīng)適當(dāng)距離處的成像透鏡鏡頭以適當(dāng)?shù)某上穹糯舐食上竦紺CD上。如圖21-12為某底片在不同波長光照明后采集的圖像（已假彩色化）。需要注意，由于成像透鏡的折射率隨波長不同變化，樣品最終的成像清晰度會(huì)隨波長的改變有所不同。(a)474nm (b)490nm (c)504nm (d)55

20、0nm (e)574nm (f)580nm (g)692nm (h)702nm圖21-12不同波長下采集的圖像（三）系統(tǒng)操作介紹圖21-13 系統(tǒng)正在采集圖像時(shí)運(yùn)行效果設(shè)置完畢光路后，運(yùn)行軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)運(yùn)行后正在采集圖像的效果如圖21-13所示，系統(tǒng)運(yùn)行前，會(huì)檢測(cè)CCD，AOTF控制器和同步信號(hào)解析轉(zhuǎn)發(fā)器的工作狀態(tài)是否正常。如果正常，CCD預(yù)覽界面、CCD參數(shù)調(diào)節(jié)面板和控制參數(shù)配置面板就可以進(jìn)入等待圖像采集的工作狀態(tài)如圖21-13中的各個(gè)部分，如果硬件工作不正常，將會(huì)提示硬件故障，系統(tǒng)啟動(dòng)后不會(huì)顯示CCD預(yù)覽界面、CCD參數(shù)調(diào)節(jié)面板和控制參數(shù)配置面板。設(shè)置好采集范圍之后，發(fā)出開始指令，系統(tǒng)

21、就進(jìn)入自動(dòng)采集狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)按照控制參數(shù)配置面板配置的頻率和幅度發(fā)送給AOTF控制器，改變照射到被測(cè)樣本上的光線波長，并進(jìn)行逐幀圖像采集，圖21-14為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)頻率輸出波長設(shè)置模板，在模板中可以設(shè)置開始波長與測(cè)試總幀數(shù)等。圖21-14 驅(qū)動(dòng)頻率輸出波長設(shè)置模塊 圖像采集前需要使用圖21-13左上方的CCD參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置CCD的曝光時(shí)間，并需要采集環(huán)境光，從而在測(cè)試時(shí)消除環(huán)境光。環(huán)境光采集圖樣和消除效果如圖21-15所示。 (a) 環(huán)境光采集圖樣 (b) 消除環(huán)境光后的采集圖樣圖21-15 環(huán)境光采集圖樣和消除效果圖像采集結(jié)束后，通過文件管理面板可以保存和打開已采集的圖像系列，圖像系列存儲(chǔ)為我

22、們自設(shè)的DFF文件格式，它可以記錄該文件的相關(guān)參數(shù)和所有圖片，如圖21-16(a, b)所示。單擊如圖21-16(b)的圖像圖標(biāo)即可打開/關(guān)閉該幅圖像，并可以通過圖像色彩模塊設(shè)置的四個(gè)“圖像假彩色”按鈕調(diào)節(jié)觀察效果，如圖21-17所示。 (a) DFF文件記錄的相關(guān)參數(shù) (b) DFF文件記錄的相關(guān)圖像系列圖21-16 圖像文件圖21-17 打開的圖像與假彩色效果示意【數(shù)據(jù)采集與處理】1. 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能簡介為了能夠?qū)Σ杉降膱D像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了初步的對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析的功能，主要有以下部分： 1). 鼠標(biāo)在圖片窗口移動(dòng)時(shí)，在窗口的標(biāo)題欄顯示當(dāng)前的坐標(biāo)位置和給坐標(biāo)在圖上對(duì)

23、應(yīng)得光強(qiáng)。(a) X方向光強(qiáng)曲線 (b) Y方向光強(qiáng)曲線圖21-18 X方向和Y方向光強(qiáng)曲線2). 鼠標(biāo)左鍵雙擊圖片上某點(diǎn)時(shí)，可選擇繪制出該點(diǎn)的X方向和Y方向的光強(qiáng)曲線，以利于觀察圖像的光強(qiáng)分布；如圖21-18(a)是點(diǎn)(51,369)X方向上所有像素的光強(qiáng)曲線，圖21-18(b)是點(diǎn)(51,369)Y方向上所有像素的光強(qiáng)曲線。3). 鼠標(biāo)右鍵雙擊圖片上某點(diǎn)，即可把整個(gè)DFF文件中所有幀圖像在該點(diǎn)的光強(qiáng)依序輸出到一個(gè)TXT文件中，并自動(dòng)打開該文件，后續(xù)可以拷貝文件中光強(qiáng)數(shù)據(jù)到相關(guān)軟件中進(jìn)行后續(xù)的處理，以便于對(duì)數(shù)據(jù)根據(jù)不同的分析需要進(jìn)行多種類型的分析和數(shù)據(jù)提取。如在Excel軟件中，按照公式(2

24、1.1)計(jì)算相應(yīng)值，再使用Excel的繪圖功能獲得曲線。為便于計(jì)算樣品的光譜，需要對(duì)樣品和參考樣品在同一位置處提取測(cè)試光強(qiáng)；軟件系統(tǒng)提供設(shè)置像素x、y坐標(biāo)的功能，操作時(shí)需要注意提取相同位置的光強(qiáng)數(shù)據(jù)。如圖21-19為某樹葉作為樣本的光強(qiáng)和無樣品時(shí)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，在Excel中繪制獲得的曲線；按照式(21.1)即可計(jì)算獲得其吸收光譜，如圖21-20中值較大的曲線所示。圖21-20中另外一條值較小的曲線是另一樹葉的吸收光譜測(cè)試結(jié)果，整個(gè)光譜分布是類同的。圖21-19 樹葉作為樣本的光強(qiáng)和無樣品時(shí)的光強(qiáng)曲線對(duì)比圖圖21-20 兩樹葉作為樣本的吸收光譜曲線對(duì)比圖 為消除噪聲，軟件系統(tǒng)在讀出光強(qiáng)時(shí)，可以設(shè)置

25、讀出像素的大小，如1×1、3×3、5×5等，讀出數(shù)據(jù)為以設(shè)置像素為中心的相應(yīng)大小區(qū)域的平均光強(qiáng)。 2. 數(shù)據(jù)采集與處理 (1) 拍攝樣品光譜圖樣序列，選擇樣品成像區(qū)域中心附近的某像素位置，采集其光強(qiáng)數(shù)據(jù)； (2) 拍攝無樣品時(shí)的參考光圖樣序列，選擇一致的像素位置，采集其光強(qiáng)數(shù)據(jù)； (3) 將二者光強(qiáng)數(shù)據(jù)和波長數(shù)據(jù)輸入Excel，輸出光強(qiáng)曲線和樣品吸收光譜曲線； (4) 對(duì)不同坐標(biāo)的像素處的光強(qiáng)進(jìn)行提取，并計(jì)算樣品的吸收光譜，比較對(duì)樣品不同坐標(biāo)處提取光譜是否會(huì)造成結(jié)果的較大變化。 (5) 使用不同的像素大小，重新提取樣品光和參考光圖樣的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算吸收光譜，比較不

26、同像素大小對(duì)吸收光譜造成的影響?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】 （1）光源關(guān)閉時(shí)，需要燈泡冷卻風(fēng)扇自然關(guān)停后才能關(guān)閉房間電閘； （2）AOTF驅(qū)動(dòng)器打開前，需要注意輸出RF端口是否已經(jīng)連接到AOTF上；不能空置，否則可能引起放大器燒毀； （3）USB型CCD在工作時(shí)，禁止直接從端口拔除。【思考題】（1）如果已有一個(gè)吸收光譜測(cè)試光路，如何快速將其更改為反射光譜測(cè)試光路？（2）當(dāng)樣品光相對(duì)很弱時(shí)，有哪些方案可以較好地完成光譜的測(cè)試？（3）不同成像放大率對(duì)樣品光譜的測(cè)試結(jié)果可能有哪些影響？【參考文獻(xiàn)】 1、結(jié)構(gòu)化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，姚列明主編，高等教育出版社，2009年 2、徐介平.聲光器件的原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用M.北京：

27、科學(xué)出版社,1982:4.54,73-82。實(shí)驗(yàn)二十二 基于數(shù)字散斑照相的微米級(jí)二維位移測(cè)試實(shí)驗(yàn) 全息無損檢測(cè)一般可以使用全息干涉法和散斑干涉法兩類。全息干涉法產(chǎn)生全息干涉條紋圖樣的方法很多，在實(shí)驗(yàn)上最常用的是二次曝光法，就是用同一張全息干板在不同時(shí)刻對(duì)物體做兩次全息記錄，一次是記錄初始物光波的全息圖，另一次是記錄“運(yùn)動(dòng)”以后的物光波的全息圖。當(dāng)全息圖被重現(xiàn)時(shí)，設(shè)法使在不同時(shí)刻記錄的兩個(gè)波面迭加，發(fā)生干涉。全息干涉不僅可以測(cè)量透明物體，也可以測(cè)量不透明物體，并且表面可以是復(fù)雜形狀的散射體。此外，還可以通過表面的變化來檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷。該方法已廣泛地被應(yīng)用于許多基礎(chǔ)研究和工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中。而散斑

28、干涉法主要利用待測(cè)物體的散斑效應(yīng)，該方法已被廣泛地被應(yīng)用于表面粗糙度研究、光學(xué)圖像處理、光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整和鏡頭成像質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面。 散斑干涉計(jì)量技術(shù)最基本的應(yīng)用是利用二次曝光技術(shù)來測(cè)量物體表面的面內(nèi)位移，由此可引申出空間位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)試，距離及速度的測(cè)量，振動(dòng)分析以及進(jìn)行位相物體研究等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是幾何光路簡單，降低了對(duì)機(jī)械穩(wěn)定性的要求，易于測(cè)試面內(nèi)位移，且測(cè)試靈敏度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 傳統(tǒng)的散斑干涉計(jì)量是使用全息干板完成拍攝。隨著面陣光電接收器件CCD的發(fā)展，CCD像素已經(jīng)小到微米級(jí)，且像素?cái)?shù)超過100萬，從而可以部分替代全息干板完成圖像的采集，逐漸發(fā)展成為可實(shí)時(shí)處理的數(shù)字散斑照相技

29、術(shù)。本實(shí)驗(yàn)即采樣數(shù)字散斑照相方式，對(duì)微米級(jí)的二維位移進(jìn)行測(cè)試?！绢A(yù)習(xí)提要】（1）散斑是如何形成的？（2）位移前后的物體，通過成像如何獲得位移信息的提取？（3）數(shù)字式處理有什么特點(diǎn)？【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）了解激光散斑干涉測(cè)量的特點(diǎn)和常見方法；（2）了解散斑成像光路的成像和調(diào)試特點(diǎn)；（3）設(shè)置激光散斑成像光路，使用CCD記錄，并完成數(shù)據(jù)處理；【實(shí)驗(yàn)器材】He-Ne激光器一臺(tái)（含電源），光學(xué)元件若干，顯微成像鏡筒一個(gè)，光學(xué)CCD一個(gè)，實(shí)驗(yàn)用微機(jī)及配套軟件一套。【實(shí)驗(yàn)原理】 (1) 散斑效果觀察 當(dāng)用激光光束投射到能散射光的粗斑表面（即平均起伏大于光波波長數(shù)量級(jí)的表面）上時(shí)，即呈現(xiàn)出用普通光見不到的斑點(diǎn)狀

30、的圖樣。其中的每個(gè)斑點(diǎn)稱為散斑，整個(gè)圖樣稱為散斑圖樣。這種散斑現(xiàn)象是使用高相干光時(shí)所固有的。 散斑的物理起因可簡單說明如下：當(dāng)激光照射到物體表面時(shí)，物體表面上的每一個(gè)點(diǎn)（或面元）都可視為子波源，它們都要散射光，由于激光的高相干性，則由一個(gè)物點(diǎn)散射的光將和每一個(gè)其他物點(diǎn)散射的光干涉。又因?yàn)槲矬w表面元是隨機(jī)分布的（這種隨機(jī)特性由表面粗糙度引起），則由它們散射的各子波相干疊加的結(jié)果，形成的反射光場(chǎng)具有隨機(jī)的空間光強(qiáng)分布。當(dāng)把探測(cè)器或眼睛置于光場(chǎng)中時(shí)，將記錄或觀察到一種雜亂無章的干涉圖樣，呈現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)，此即“散斑”。 圖22-1是拍攝成像散斑圖的光路布置之一，其中S是具有光學(xué)粗糙表面的平面物體，用擴(kuò)

31、束后的激光光束照射，L是成像透鏡，H是全息干板，置于像平面上，成像透鏡L將S面成像于H上，形成成像散斑，如果對(duì)測(cè)試物體在運(yùn)動(dòng)前后應(yīng)用二次曝光法拍攝散斑圖樣，并假定位移的量值大于散斑特征尺寸，那么，在同一底片上就記錄了兩個(gè)同樣的但位置稍微錯(cuò)開的散斑圖。這樣，其中的各散斑點(diǎn)都是成對(duì)出現(xiàn)的，這相當(dāng)于在底片上布滿了無數(shù)的“楊氏雙孔”，各“雙孔”的孔距和連線反映了“雙孔”所在處像點(diǎn)的位移的量值和方位，當(dāng)用相干光束照射此散斑底片時(shí)，將發(fā)生楊氏雙孔干涉現(xiàn)象。 圖22-1 記錄成像散斑的光路 圖22-2 逐點(diǎn)分析法光路(2) 散斑圖底片的處理方法對(duì)于散斑圖底片的處理，通常采用兩種方法，一種是全場(chǎng)分析法，采用平

32、行光束垂直照明二次曝光散斑圖底片，應(yīng)用傅里葉變換透鏡，在其后焦面上觀察散斑圖底片的頻譜分布；另一種是逐點(diǎn)分析法，使用細(xì)激光束垂直照明二次曝光散斑圖底片，在其后面距離z0處平行放置觀察屏，每次考察底片上一個(gè)小區(qū)域的頻譜。圖22-2表示用逐點(diǎn)分析法的光路布置，這時(shí)在觀察屏上將會(huì)看到由散斑底片被照明小區(qū)域的“散斑對(duì)”所產(chǎn)生的楊氏雙孔干涉條紋，它們是一系列的平行直線，相鄰亮條紋的間隔和相鄰暗條紋的間隔t均滿足下列關(guān)系： (22.1)式中l(wèi)為“雙孔”間距（即位移量值），為激光波長，且條紋取向與“雙孔”連線（即位移的方位）垂直。由此便可求出待測(cè)物體表面各點(diǎn)的位移的大小和方位。注意，上述位移量是經(jīng)過透鏡放大

33、了的值，若成像散斑的放大率為M，則待測(cè)物體表面各點(diǎn)發(fā)生的實(shí)際位移量值應(yīng)為： (22.2)u、v各代表圖22-1中的物距和像距，M則表示放大率。上式就是測(cè)定面內(nèi)位移的公式。當(dāng)位移的方向和大小不同時(shí)，條紋的取向和疏密也不同。 (3) 對(duì)CCD記錄的成像散斑圖進(jìn)行數(shù)字分析 從圖22-2可以看到，使用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)二次曝光的成像散斑圖進(jìn)行逐點(diǎn)分析能夠獲得各點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的位移方向和大小。但是其干板處理和逐點(diǎn)分析的過程較為冗長，不利于進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。 若在系統(tǒng)中利用CCD對(duì)成像散斑圖進(jìn)行記錄，然后利用數(shù)字方式對(duì)記錄獲得的圖像進(jìn)行分析，則可以大大節(jié)省處理時(shí)間，提高處理效率。 實(shí)際上，楊氏雙孔的光路實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于其夫瑯和費(fèi)

34、衍射圖景，這對(duì)應(yīng)于圖像處理中的傅立葉變換。因此可以使用傅立葉變換特別是快速傅立葉變換來完成對(duì)CCD采集圖像的逐點(diǎn)分析。 采用傅立葉變換方式的楊氏雙孔光路，對(duì)應(yīng)如圖22-3，此時(shí)楊氏條紋光程差計(jì)算不變，均為lsinq，但式(22.1)和(22.2)中的距離z0換為傅立葉透鏡的焦距f，即： (22.3) (22.4)圖22-3 采用傅立葉變換方式的楊氏雙孔光路示意圖 以一片銀杏葉為物體，在一維豎直方向進(jìn)行位移測(cè)試，位移前后使用CCD采集圖像并疊合，如圖22-4(a)，再進(jìn)行傅立葉變換，其顯示的楊氏條紋如圖22-4(b)，正中的亮斑是衍射零級(jí)點(diǎn)；為了定量獲得其楊氏條紋圖樣間距，可將圖樣視為等距的光柵

35、，再次進(jìn)行一次傅立葉變換，從而獲得條紋的衍射亮斑，如圖22-4(c)；對(duì)其進(jìn)一步分析可以獲得衍射亮斑的精確位置，如圖22-4(d)。(a) 位移前后物體疊合像 (b) 傅立葉變換后的楊氏條紋圖樣(c) 對(duì)楊氏條紋圖樣再次傅立葉變換結(jié)果 (d) 衍射主極大的一維曲線圖22-4 數(shù)字化散斑處理微米級(jí)位移 如果在兩次傅立葉變換過程中使用相同的參數(shù)，則如圖22-4(d)中兩個(gè)±1級(jí)主極大的間距，即對(duì)應(yīng)于物像的位移。故可以使用數(shù)字化的方式對(duì)物像圖樣進(jìn)行良好的處理。 上述方案中位移的處理精度為1個(gè)像素的大小。如果需要提高處理精度，可以使用亞像素的方案。 如果物體的位移各處不等，則可以將物像分割為

36、若干小部分，分別重復(fù)上述流程即可。由于從散斑圖像中提取位移需要充分的散斑數(shù)量，在實(shí)際操作中各部分的像素陣列大小建議不小于50×50。 需要說明的是，由于圖像亮度是從0255，而數(shù)字圖像處理中的傅立葉變換，其值的大小僅具有相對(duì)意義，因此需要選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵适沟脠D像具有適宜的亮度?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）熟悉光學(xué)器件調(diào)節(jié)，著重完成顯微成像光路的清晰成像調(diào)節(jié)；（2）設(shè)置適當(dāng)?shù)纳叱上窆饴?，使用CCD記錄物體位移/形變前后的散斑像；（3）對(duì)記錄的散斑進(jìn)行數(shù)字分析，計(jì)算物體各處的位移/形變；（4）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比對(duì)，確認(rèn)結(jié)果的有效。【實(shí)驗(yàn)步驟及操作】（一）設(shè)置散斑成像光路系統(tǒng) 使用He-Ne

37、激光，將其擴(kuò)束至近平行光后照明物體，如圖22-1搭建透射式散斑成像光路，也可以在教師的指導(dǎo)下搭建反射式散斑成像光路。注意調(diào)節(jié)成像鏡筒的放大率與CCD的位置，使得待拍攝物體成像在CCD面上后，在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察為清晰。（二）位移前后的記錄 選擇適當(dāng)?shù)拇郎y(cè)物體，夾緊后放置在精密位移臺(tái)上；調(diào)節(jié)CCD的曝光時(shí)間，先使用CCD記錄一幅物體的亮度適當(dāng)?shù)纳呦瘢缓笤谖矬w水平方向上施加些微的平動(dòng)，再使用CCD記錄一幅物體的成像散斑像；將二幅圖像存儲(chǔ)后待處理。 對(duì)膠片型物體，可在縱向上輕微施加壓力，使用CCD記錄形變前后的散斑像，存儲(chǔ)待處理，以獲得對(duì)物體的形變分析。 位移和形變的大小需要注意精確控制，不能過大

38、；如千分表的15格（即1050mm位移）?！緮?shù)據(jù)采集與處理】 將CCD采集的物體位移/形變前后散斑圖在程序中疊合，然后避開圖像邊緣，選取適當(dāng)?shù)奈恢茫∵m當(dāng)大?。ㄐ枰趯?shí)驗(yàn)報(bào)告中給出取值理由）后進(jìn)行傅立葉變換，對(duì)比分析各處的條紋間距和方向。若物體是剛性的，且是平移，則物體各處的條紋間距和方向應(yīng)該相同或近似。 如圖22-7(a, b)為物體位移為4像素的再現(xiàn)像傅立葉變換結(jié)果，圖22-8(a, b)為物體位移為12像素時(shí)再現(xiàn)像的傅立葉變換結(jié)果。圖22-7條紋有所稀疏，而圖22-8則比較適當(dāng)。如果使用CCD像素大小為6.45mm，系統(tǒng)成像放大率為b=10，則意味著平移時(shí)的實(shí)際距離應(yīng)約為8mm比較適宜；

39、如果系統(tǒng)成像放大率提高到b=50，則實(shí)際平移距離約為1.5mm比較適宜。 最后，比較物體各處的位移/形變狀態(tài)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)情況給出分析。如分別將千分表旋轉(zhuǎn)1格、2格、5格、8格，分別對(duì)圖像兩兩疊加分析，分析其位移測(cè)試結(jié)果是否呈現(xiàn)線性。 （a）三維強(qiáng)度分布圖 （b）二維強(qiáng)度分布圖圖22-7 位移4像素的再現(xiàn)像傅立葉變換結(jié)果 （a）三維強(qiáng)度分布圖 （b）二維強(qiáng)度分布圖圖22-8 位移12像素的再現(xiàn)像傅立葉變換結(jié)果【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】 （1）設(shè)置成像系統(tǒng)時(shí)，注意成像范圍、放大率與位移大小的關(guān)系，范圍越大，位移越大，反之亦然； （2）CCD的記錄參數(shù)需要注意選擇，使得記錄圖像灰度適中； （3）USB型CCD在

40、工作時(shí)，禁止直接從端口拔除?！舅伎碱}】（1）在成像系統(tǒng)中使用相干光照明和非相干光照明有何差別？（2）如何確定一個(gè)適當(dāng)?shù)膱D片采樣大小，以對(duì)比逐點(diǎn)分析的情況？（3）系統(tǒng)的測(cè)試精度主要由哪些因素決定？【參考文獻(xiàn)】1 現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)講義，王仕璠、劉藝、余學(xué)才編，北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004年8月2 全息干涉度量學(xué)理論與實(shí)踐，王仕璠主編，北京：科學(xué)出版社，1989年2月3 信息光學(xué)理論與應(yīng)用，王仕璠主編，北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2008實(shí)驗(yàn)二十三 基于空間光調(diào)制器輸入的聯(lián)合變換相關(guān)圖像識(shí)別實(shí)驗(yàn)光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)識(shí)別（JTC）也是利用透鏡的兩次傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)的1，但在原理和方法上它又與匹配濾波相關(guān)

41、識(shí)別存在明顯的差異。它把待識(shí)別的目標(biāo)圖像和一個(gè)參考圖像一起并列放置在傅里葉變換透鏡的前焦面上，然后用準(zhǔn)直相干光照明，在透鏡的后焦面上得到兩圖像的聯(lián)合變換傅里葉頻譜，再用感光膠片記錄下這個(gè)聯(lián)合變換功率譜。經(jīng)顯影定影處理后，膠片在線性工作條件下，其透過率正比于聯(lián)合功率譜；然后再把它經(jīng)過一次逆傅立葉變換，在輸出平面上產(chǎn)生兩個(gè)圖像的自相關(guān)峰和互相關(guān)峰。通過對(duì)互相關(guān)峰的觀察來判斷輸入的待識(shí)別圖像和參考圖像是否相關(guān)。因此，它在識(shí)別目標(biāo)時(shí)，不用制作匹配濾波器，且其參考圖像與匹配濾波相關(guān)識(shí)別中的全息匹配濾波器相比要簡單得多。并且參考圖像可以用液晶電視(簡稱LCTV)顯示，對(duì)聯(lián)合功率譜也可以使用CCD等光電器件

42、探測(cè)，易于引入計(jì)算機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電的實(shí)時(shí)光學(xué)圖像識(shí)別。空間光調(diào)制器可以使用電光調(diào)制的方式，將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像輸出，便于對(duì)大量圖像實(shí)現(xiàn)掃描性輸出，在光學(xué)識(shí)別等方面具有很好的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)主要介紹聯(lián)合變換相關(guān)的基本實(shí)驗(yàn)原理、聯(lián)合變換功率譜探測(cè)及相應(yīng)的光路設(shè)置和重現(xiàn)結(jié)果。【預(yù)習(xí)提要】（1）光學(xué)圖像識(shí)別的原理是什么？（2）相關(guān)峰寬度和圖像寬度有什么關(guān)系？（3）空間光調(diào)制器的輸出有什么特點(diǎn)？【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1. 掌握聯(lián)合變換相關(guān)的基本原理；掌握聯(lián)合變換功率譜重現(xiàn)的相關(guān)簇特點(diǎn)； 2. 對(duì)相同圖像、相似圖像、不相似圖像三種情況分別拍攝并重現(xiàn)其聯(lián)合變換功率譜，觀察三種情況下的相關(guān)峰，觀察用聯(lián)

43、合變換實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像識(shí)別的效果。 3. 進(jìn)一步學(xué)習(xí)光學(xué)圖像識(shí)別的方法，體會(huì)光學(xué)圖像識(shí)別的要素?！緦?shí)驗(yàn)器材】He-Ne激光器一臺(tái)（含電源），電子快門1個(gè)，光學(xué)元件若干，透射型電光調(diào)制空間光調(diào)制器1臺(tái)，光學(xué)CCD一個(gè)，實(shí)驗(yàn)用微機(jī)及配套軟件一套。【實(shí)驗(yàn)原理】 1. 聯(lián)合變換相關(guān)原理 如圖23-1所示，圖中L為傅里葉變換透鏡，待識(shí)別圖像t(x1, y1)置于輸入平面的一側(cè)，其中心位于(-a, 0)，參考圖像r(x1, y1)置于輸入平面的另一側(cè)，其中心位于(a, 0)。用準(zhǔn)直的激光束照明，并通過透鏡進(jìn)行傅里葉變換。則在透鏡后焦面上的振幅分布為：(23.1)稱為待識(shí)別圖像和參考圖像的聯(lián)合傅里葉譜。式(23

44、.1)可以寫成為下列的形式：(23.2)圖23-1 聯(lián)合變換功率譜的記錄式中和分別是待識(shí)別圖像t(x1, y1)和參考圖像r(x1, y1)的傅里葉變換譜。透鏡后焦面的光強(qiáng)分布為：(23.3) 式中的和分別是和的位相。式(23.3)就是待識(shí)別圖像和參考圖像的聯(lián)合傅里葉變換的功率譜。對(duì)上述聯(lián)合變換功率譜再進(jìn)行一次逆傅里葉變換。如圖23-2所示，在傅里葉透鏡L的圖23-2 聯(lián)合功率譜的逆傅里葉變換前焦面上放置圖23-1中記錄的聯(lián)合變換功率譜，然后用準(zhǔn)直激光束照明，這樣在線性記錄和反演坐標(biāo)條件下，就在透鏡的后焦面上得到原輸入物面上兩個(gè)圖像的零級(jí)自相關(guān)峰和±1級(jí)互相關(guān)峰：(23.4)式中表示

45、相關(guān)運(yùn)算，表示卷積運(yùn)算，式中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別是輸入待識(shí)別圖像和參考圖像的自相關(guān)項(xiàng)，均位于輸出平面的中心附近，可以稱為零級(jí)項(xiàng)，它們不是所需要的輸出信號(hào)。第三、四項(xiàng)是待識(shí)別圖像和參考圖像的互相關(guān)項(xiàng)，在反演坐標(biāo)下，它們分別位于(-2a, 0)和(2a, 0)處，在輸出平面上沿x3軸分別平移2a和2a，稱為一級(jí)項(xiàng)，這兩項(xiàng)正是所需要的相關(guān)輸出信號(hào)。適當(dāng)選取2a值，就能使相關(guān)輸出信號(hào)從其他項(xiàng)中分離出來。對(duì)一級(jí)互相關(guān)峰的光強(qiáng)的測(cè)量可判斷待識(shí)別圖像和參考圖像之間的相關(guān)程度相關(guān)峰越強(qiáng)，則表明待識(shí)別圖像和參考圖像越相關(guān)。因此，它在識(shí)別目標(biāo)時(shí)，不用制作匹配濾波器?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）熟悉空間光調(diào)制器的操作，利用軟

46、件調(diào)用適當(dāng)圖片輸出；（2）設(shè)置適當(dāng)?shù)膱D像輸出光路，使用CCD記錄圖像的傅立葉功率譜；（3）對(duì)記錄的傅立葉功率譜進(jìn)行數(shù)字分析，計(jì)算不同圖片的互相關(guān)峰強(qiáng)度；（4）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比對(duì)，確認(rèn)結(jié)果的有效?！緦?shí)驗(yàn)步驟及操作】1. 使用空間光調(diào)制器輸出圖像 使用大恒的電光調(diào)制型透射空間光調(diào)制器輸出圖像。注意要設(shè)置Windows有兩塊輸出顯卡和顯示器，設(shè)置空間光調(diào)制器為Windows的第二顯示器，將程序的輸出圖像拖到第二塊顯示器處并使用。 由于本實(shí)驗(yàn)使用的空間光調(diào)制器是由像素陣列構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)具有點(diǎn)陣特性，因此平行激光照明后有多級(jí)衍射光輸出。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)使用的透射型空間光調(diào)制器是由液晶制作的(SLM)，因此

47、輸入要求為豎直方向的偏振光，輸出為水平方向的偏振光，要求在輸出后使用偏振片濾除豎直方向的背景光，提高輸出圖像的對(duì)比度。 為了提高空間光調(diào)制器輸出圖像的亮度，可以使用如圖23-3的光路。其中P是水平方向的偏振片；透鏡L1的作用是將大角度的衍射光束聚焦到一個(gè)小口徑，以滿足偏振片P的口徑的限制要求；透鏡L3的作用是將聚焦光束還原為平行光束，且可以通過調(diào)節(jié)焦距f1和f2的大小，對(duì)輸出圖像按需求進(jìn)行縮放。圖23-3 透射型空間光調(diào)制器光路示意圖 由于輸入圖像中心間距為2a，最后重現(xiàn)的相關(guān)峰距中心的間距為2a，而各個(gè)字母都有一定寬度，因此要注意使字母寬度小于a，否則將導(dǎo)致重現(xiàn)的相關(guān)峰產(chǎn)生疊合。 另外，此光路相當(dāng)于將SLM處輸出的圖像經(jīng)過透鏡組L1和L2成像，因此只有在成像面處才能獲得清晰的像，其他位置處像會(huì)產(chǎn)生模糊和各光束的交疊。2. 布置實(shí)驗(yàn)光路記錄聯(lián)合變換功率譜的實(shí)驗(yàn)光路如