日调制和颜色合成实验 实验150调制和颜色合成实验 调制和颜色合成属于光学信息处理中的一个实验。它通过调制空间滤波器，把光栅衍射出 来的频谱进行调制，使物体的不同部位“着上”颜色，从而把一张黑白图片变成彩色图片。 一张黑白图像有相应的灰度分布，人眼对灰度的识别能力是不高的，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 化为彩色分布，势必大大提高人们分辨图像的能力，这项技术称之为光学图像的假彩色编码。假 彩色编码方法有若干种，按其性质可分为等空间领率假彩色编码和等密度假彩色编码两类：按其 处理方法则可分为相干光处理和白光处理两类。等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频 率赋予不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩：等密度假彩色编码则是对图 像的不同灰度赋子不同的颜色。.前者用以突出图像的结构差异，后者则用来突出图像的灰度差异， 以提高对黑白图像的视判读能力。黑白图片的假彩色化已在遥感、生物医学和气象等领域的图像 处理中得到了广泛的应用。 【实验目的】 1、掌握调制假彩色编码的原理 2,巩周和加深对光册衍射基本理论的理解： 3、通过实验，利用一张二维黑白图像获得假彩色编码图像。 【实验原理】 调制也属于空间滤波的一种形式，它只是用不同取向的光栅对物平面的各个部分调制（编 码)，通过特殊滤波被器控制像平面相应部位的灰度（用单色光照明）或彩色（用白光照明）的一种 方法 对于一幅图像的不同区域分别用取向不同（方位角不同）的光栅预先进行调制，经多次曝光和 显影、定影等处理后制成透明胶片，并将其放人光学信息处理4少系统中的输入面，用白光照明， 则在其频谱面上，不同方位的频谱均呈彩虹颜色。如果在频谱面上开一些小孔，则在不同的方位 角上，小孔可选取不同颜色的谱，最后在信息处理系统的输出面上便得到所需的彩色图像。由于 这种编码方法是利用不同方位的光栅对图像不同空间部位进行调制来实现的，故称为调制空间 假彩色编码。具体编码过程如下： 0调制所用的物是一个空间频率为100/mm的正弦光栅，并把它剪裁拼接成一定图案，如图 15.1a)中的天安门图案。其中天安门用条纹竖直的光栅制作，天空用条纹左倾60度的光栅，地面 用条纹右倾60度的光栅制作。因此，当用平行光照射物体时，天空、天安门和草地在焦平面上的 衍射图案将是三个不同取向的衍射光斑，如图15.1(b)所示。由于用白光照明和光栅的色散作用， 除0级保持为白色外，正负1级衍射斑展开为彩色带，蓝色靠近中心，红色在外。在焦平面上装 上一个滤波器，挡去0级斑点，通过3个正负1级衍射带就可以分别控制这3部分的颜色，选择 %
θ 调制和颜色合成实验 101 实验 15 θ 调制和颜色合成实验 θ调制和颜色合成属于光学信息处理中的一个实验。它通过θ调制空间滤波器，把光栅衍射出 来的频谱进行调制，使物体的不同部位“着上”颜色，从而把一张黑白图片变成彩色图片。 一张黑白图像有相应的灰度分布，人眼对灰度的识别能力是不高的，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 化为彩色分布，势必大大提高人们分辨图像的能力，这项技术称之为光学图像的假彩色编码。假 彩色编码方法有若干种，按其性质可分为等空间频率假彩色编码和等密度假彩色编码两类；按其 处理方法则可分为相干光处理和白光处理两类。等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频 率赋予不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩；等密度假彩色编码则是对图 像的不同灰度赋予不同的颜色。前者用以突出图像的结构差异，后者则用来突出图像的灰度差异， 以提高对黑白图像的视判读能力。黑白图片的假彩色化已在遥感、生物医学和气象等领域的图像 处理中得到了广泛的应用。 【实验目的】 1、掌握θ调制假彩色编码的原理； 2、巩固和加深对光栅衍射基本理论的理解； 3、通过实验，利用一张二维黑白图像获得假彩色编码图像。 【实验原理】 θ调制也属于空间滤波的一种形式，它只是用不同取向的光栅对物平面的各个部分调制（编 码），通过特殊滤波器控制像平面相应部位的灰度（用单色光照明）或彩色（用白光照明）的一种 方法。 对于一幅图像的不同区域分别用取向不同(方位角θ不同)的光栅预先进行调制，经多次曝光和 显影、定影等处理后制成透明胶片，并将其放人光学信息处理 4f，系统中的输入面，用白光照明， 则在其频谱面上，不同方位的频谱均呈彩虹颜色。如果在频谱面上开一些小孔，则在不同的方位 角上，小孔可选取不同颜色的谱，最后在信息处理系统的输出面上便得到所需的彩色图像。由于 这种编码方法是利用不同方位的光栅对图像不同空间部位进行调制来实现的，故称为θ调制空间 假彩色编码。具体编码过程如下： θ调制所用的物是一个空间频率为 100/mm 的正弦光栅，并把它剪裁拼接成一定图案，如图 15.1(a)中的天安门图案。其中天安门用条纹竖直的光栅制作，天空用条纹左倾 60 度的光栅，地面 用条纹右倾 60 度的光栅制作。因此,当用平行光照射物体时，天空、天安门和草地在焦平面上的 衍射图案将是三个不同取向的衍射光斑，如图 15.1(b)所示。由于用白光照明和光栅的色散作用， 除 0 级保持为白色外，正负 1 级衍射斑展开为彩色带，蓝色靠近中心，红色在外。在焦平面上装 上一个滤波器，挡去 0 级斑点，通过 3 个正负 1 级衍射带就可以分别控制这 3 部分的颜色，选择
近代物理实验讲义 透过竖直光栅衍射带的红色，左倾光栅衍射带的蓝色以及右倾光栅衍射带的绿色，其余的颜色均 被挡住，就可以在像平面上将得到蓝色天空下，绿色草地上的红色天安门图案，如图15.1(。实 验所用的光路图如图15.2所示 图15.1被调制物示意图 浅波器 白光源 蛇入面 傅里叶 频谱面 停里叶 观察百 透镜1 门干板架1 mm 清块左右调滑块滑块 左右微调滑块滑块 导轨 滑 图15.20调制空间假彩色编码光路及实物图 【实验步臻】 1、把全部器件按顺序摆放在导轨上，靠拢后目测调至共轴。然后保留光源、准直镜和白屏，撤 下其它器件。 2、固定光源位置，调节准直镜与光源的距离，使透过准直镜的白光平行出射到白屏上，前后移 动白屏以判断出射光是否为平行光。 3、在导轨上放上傅立叶透镜1、2，使傅立叶透镜2出射的仍然是平行光。 4、在准直镜和傅立叶透镜1之间放入0调制板（输入面，天安门倒立放置在干板架上），微调傅 立叶透镜2，使白屏上成清晰、正立的天安门图像。拍照保存白屏上的天安门图像 5、在两傅立叶透镜之间加入日调制烦谱滤波面，前后移动频谱滤波面，使频谱滤波器上看到光 梧衍射图样尽量清晰，是三行不同取向的衍射极大值（如图15.1b所示），分别对应于不同取 向的光栅，也就是分别对应于®调制板的天空、房子和草地，这些衍极大值除了0级波没有 色散以外，一级、二级…都有色散，由于波长短的光具有较小的衍射角，一级衍射中蓝光 102
近代物理实验讲义 102 透过竖直光栅衍射带的红色，左倾光栅衍射带的蓝色以及右倾光栅衍射带的绿色，其余的颜色均 被挡住，就可以在像平面上将得到蓝色天空下，绿色草地上的红色天安门图案，如图 15.1(c)。实 验所用的光路图如图 15.2 所示。 图 15.1 被调制物示意图 图 15.2 θ调制空间假彩色编码光路及实物图 【实验步骤】 1、 把全部器件按顺序摆放在导轨上，靠拢后目测调至共轴。然后保留光源、准直镜和白屏，撤 下其它器件。 2、 固定光源位置，调节准直镜与光源的距离，使透过准直镜的白光平行出射到白屏上，前后移 动白屏以判断出射光是否为平行光。 3、 在导轨上放上傅立叶透镜 1、2，使傅立叶透镜 2 出射的仍然是平行光。 4、 在准直镜和傅立叶透镜 1 之间放入θ调制板（输入面，天安门倒立放置在干板架上），微调傅 立叶透镜 2，使白屏上成清晰、正立的天安门图像。拍照保存白屏上的天安门图像。 5、 在两傅立叶透镜之间加入θ调制频谱滤波面，前后移动频谱滤波面，使频谱滤波器上看到光 栅衍射图样尽量清晰，是三行不同取向的衍射极大值（如图 15.1b 所示），分别对应于不同取 向的光栅，也就是分别对应于θ调制板的天空、房子和草地，这些衍极大值除了 0 级波没有 色散以外，一级、二级……都有色散，由于波长短的光具有较小的衍射角，一级衍射中蓝光
6调制和颜色合成实验 最靠近0级极大，其次为绿光，而红光衍射角最大。 6、去掉领谱滤波面上的可调小孔，白屏上的图像与没有滤波面时基本一样。在滤波面上对应于 草地的一级衍射图样位置安装小孔，使绿光通过而刚好挡住共它色光。同样，使对应于房子 级衍射的红光和相应于天空部分的一级衍射的蓝光能透过，这时候在屏幕上的像就会出现 蓝色的天空，红色的房子和绿色的草地。 7、拍照保存频谱面上的滤波情况祝和白屏上的天安门图像
θ 调制和颜色合成实验 103 最靠近 0 级极大，其次为绿光，而红光衍射角最大。 6、 去掉频谱滤波面上的可调小孔，白屏上的图像与没有滤波面时基本一样。在滤波面上对应于 草地的一级衍射图样位置安装小孔，使绿光通过而刚好挡住其它色光。同样，使对应于房子 一级衍射的红光和相应于天空部分的一级衍射的蓝光能透过，这时候在屏幕上的像就会出现 蓝色的天空，红色的房子和绿色的草地。 7、 拍照保存频谱面上的滤波情况和白屏上的天安门图像