消激光散斑空间滤波综合实验仪的研制

摘要

空间滤波实验是傅立叶光学中的一个重要实验。如何在传统的实验中添加与现代科技发展相联系的光电信息技术方面的内容,成为课程实验改革的关键之一。用眼睛观察实验现象的传统实验方法只能给出定性的结论。本文主要工作是设计并实现数字化的空间滤波实验系统。该系统采用消激光散斑的光源照明设计、4f光路系统设计、图像采集和分析系统的软件编程设计。使得传统的光学信息处理技术和现代计算机科学相结合,为在综合实验中增加与现代科技发展相联系的新的光电信息技术方面的实验内容,提供了一个良好的信息光学处理实验平台。
　　 本文首先对几何光学和物理光学中与系统设计紧密相关的基本原理进行了简要介绍。分析和提出了设计本实验仪的几点目标,建立了基于传统实验之上的新的系统方案。随后,通过详细的分析和计算确定了系统中的重要参数。在系统设计中充分考虑了空间滤波实验系统的特点与一般规律,及在该系统上进行多个实验的可能性需求,使得该系统可以方便扩展多个实验。最后设计制作了实验仪,并采用VB编程语言和MatrixVB插件开发了图像处理软件。软件在数据预处理方面可实现低噪声图像提取,不同方法进行的数据滤波等。软件针对不同实验分别设置处理功能,比如在滤波实验中可精确判断光栅频率及条纹方向,衍射法测量细丝直径实验中可自动拟合曲线并搜索暗点位置。本文对该系统进行了实验验证,得到了较好的效果。
　　 作为研究的难点和重点,我们对系统整体方案的原理设计部分进行了详细论证。对于系统中实验物空间频率,相邻谱点间距,谱面范围,透镜焦距及口径等重要参数都一一作了计算,特别对所选变换透镜做了实际光线的追踪,得出了谱点位置及像差导致的谱点大小,还对实际透镜与傅立叶透镜的计算结果做了比较,指出所选取的光学透镜在本系统中可以用作傅里叶变换透镜。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图表清单

第一章 绪论

1.1 傅立叶光学概述

1.2 傅立叶光学中的主要实验

1.3 本文研究的背景和主要工作

第二章 基本理论

2.1 几何光学部分

2.1.1 几何光学基本定律

2.1.2 单球面折射系统

2.1.3 理想光学系统

2.1.4 几何像差

2.2 物理光学部分

2.2.1 光波的相干性

2.2.2 夫琅和费衍射与傅立叶变换

2.2.3 透镜的傅立叶变换性质

2.2.4 傅里叶变换透镜的设计要求

2.2.5 傅立叶变换及其性质

2.2.6 光栅在平面光波垂直照射下的衍射

第三章 原理设计

3.1 设计目标

3.2 总体方案

3.3 空间滤波系统的设计

3.3.1 光源的确定

3.3.2 数字相机的确定

3.3.3 实验物尺寸及准直透镜参数的确定

3.3.4 物光栅频率的确定

3.3.5 相邻谱点的间距

3.3.6 仪器长度、有效谱面范围及变换透镜焦距

3.3.7 变换透镜口径的确定

3.3.8 变换透镜的几何像差分析

3.3.9 聚焦透镜的确定

3.3.10成像质量的提高

3.4 系统对其它实验的支持

第四章 硬件及软件

4.1 硬件

4.1.1 仪器硬件系统

4.1.2 硬件设计特点

4.2 软件

4.2.1 编程工具

4.2.2 软件功能

4.3 实验示例

4.3.1 滤波实验

4.3.2 衍射法测量细丝直径的实验.

第五章 总结及展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表文章