【導(dǎo)讀】是光學(xué)科技工作者也對其極為關(guān)注。如MATLAB,LABVIEW等，以此掀起了一股光學(xué)實驗仿真的現(xiàn)象。光的干涉實驗仿真，基于光波波前疊加原理和波的干涉與相干條件實現(xiàn)楊氏雙縫干涉實驗，牛頓環(huán)，邁克爾遜干涉儀這三種實驗，其中楊氏雙縫干涉實驗包含了嚴(yán)格單色光時和非單色光時的兩種結(jié)果。本章主要是基于阿貝成像原理，完成光學(xué)。涉，衍射，空間濾波等等，此外，光學(xué)實驗對外界條件的要求也很高，代價也很高。環(huán)節(jié)中的各種實驗環(huán)境等要求都較為苛刻。光學(xué)信息處理和數(shù)字光運算的發(fā)展是現(xiàn)代光學(xué)的最新進展之一。光學(xué)信息處理最大的優(yōu)勢是其高速度、并行性等。子，不帶電荷，不輕易發(fā)生交互作用。因此光束可以在空間傳播而不相互影響，這是實現(xiàn)無干擾互連的極。光學(xué)信息處理由此引起人們的極大關(guān)注。在這方面，美國走在最前面，其中最具代表性的是。勞倫斯利弗莫爾實驗室光傳輸模擬計算運行軟件PROP92,及大型總體優(yōu)化設(shè)計軟件CHAINOP和PROPSUITE。

　　

【正文】 圖 22 低通濾波 輸出的圖像 圖 23 低通濾波 輸出圖像的頻譜 具體的濾波過程如上面分析，先根據(jù)圖像的大小確定濾波器的大小，然后相應(yīng)設(shè)置濾波器的參數(shù)， 高通濾波仿真 它能阻擋低頻分量而允許高頻成分通過，可以實現(xiàn)圖像的襯度反轉(zhuǎn)或邊緣增強，所以圖像輪廓明顯。若把高通濾波器的擋光屏變小，僅濾去零頻成分， 則可除去圖像中的背景，提高圖像質(zhì)量， 濾波器的形狀是一個圓屏，其結(jié)構(gòu)正好與低通濾波相反，使物的細節(jié)及邊緣清晰，而粗輪廓相對變?nèi)酢? 如圖所示即為高通濾波器： 圖 24 高通濾波器 輸入程序如下； clear all。 clc。 M=33。 alpha=(M1)/2。 l=0:M1。 wl=(2*pi/M)*l。 T1=。T2=。 Hrs=[zeros(1,11),T1,T2,ones(1,8),T2,T1,zeros(1,10)]。 Hdr=[0,0,1,1]。 wdl=[0,1]。 k1=0:floor((M1)/2)。 k2=floor((M1)/2)+1:M1。 angH=[alpha*(2*pi)/M*k1,alpha*(2*pi)/M*(Mk2)]。 H=Hrs.*exp(j*angH)。 h=real(ifft(H,M))。 [db,mag,pha,grd,w]=freqz_m(h,1)。 [Hr,ww,a,L]=Hr_Type1(h)。 plot(w/pi,db)。 輸出的圖像如下所示： 圖 25 高通濾波 輸出的圖像 圖 26 高通濾波 輸出圖像的頻譜 菲涅爾波帶片 實驗仿真 如 上圖 所示：兩個透鏡 L1 和 L2 組成共焦組合， L1 的前焦面（ x,y）為物平面 O,圖像由此輸入， L2的后焦面（ 39。39。,yx ）為像平面 I,圖像在此輸出。共焦平面（ ξ ， η ）稱為變換平面 T，在此可以安插各種結(jié)構(gòu)和性能的屏，本次實驗在此安插的即為菲涅爾波帶片。 菲涅爾波帶片 菲涅爾波帶片是一種重要的光學(xué)元件，它能使點光源成一實像，故波帶片具有模擬透鏡成像的功能。此外它又具有普通透鏡無法比擬的 優(yōu)點：長焦距且加工相比一般透鏡較容易實現(xiàn)，由于波帶片可以起到兩個作用即透鏡和分光，如今的菲涅爾波帶片已經(jīng)在遠程光通信、紅外線成像、全息照相等等獲得重要應(yīng)用。波帶片有很多種制作的方法，常用的有電子束直寫法，這種技術(shù)通過鉻版玻璃上除去相間的波帶部分的鉻膜，一次性將波帶直接刻出。還有一種方法就是同步輻射光刻技術(shù)。上述兩種方法雖然精度高但技術(shù)復(fù)雜，成本高。 本節(jié) 利用 MATLAB 的編程實現(xiàn)菲涅爾波帶片。如圖所示： 圖 27 波帶片 波帶 片是有一組半徑為 ： fkpk ?? （ 37） 的同心圓構(gòu)成的明暗相間的環(huán)帶，式中： k 為環(huán)帶序數(shù)， λ 為光波波長， f 為焦距。本文利用 MATLAB可編程快速生成一定參數(shù)下的波帶片圖樣。 狹縫方程的建立 波帶片實質(zhì)上是特殊的環(huán)形衍射光柵，其透明帶就是光柵的狹縫，狹縫具有一定的軌跡，滿足一定的方程，稱之為狹縫方程，對上式的改寫得： nfp 22 ?? （ 38） 上式中： p 為狹縫半徑， n 為波帶片狹縫軌跡，有上式還可以得到： nfp ??2 2 （ 39） （ 3）式為序號分別為 1,2,3，，的狹縫的軌跡表達式，即狹縫 方程。 波帶片參數(shù)的確定 波帶片參數(shù)是通過 波帶片直徑 d 調(diào)節(jié) ，根據(jù)式（ 3）畫出狹縫軌跡，然后把軌跡圖樣限制在波帶片直徑d 以內(nèi)，就能確定波帶片圖樣。 輸入程序： clc。 clear all。 V=imread(39。D:\matlab\work\39。)。 V=rgb2gray(V)。 V=im2double(V)。 subplot(1,2,1)。imshow(V)。 V1=fftshift(fft2(V))。 subplot(1,2,2)。imshow(abs(V1)*16/max(max(abs(V1))))。 r=16。 a=4*sqrt(r)。 b=0。 %生成菲涅爾濾波片 F=ones(256,256)。 for k=1:30 p=6*sqrt(k*r)。 for x=1:256 for y=1:256 r1=sqrt((x128)^2+(y128)^2)。 if r1=aamp。r1=p F(x,y)=b。 end end end a=p。 b=abs(b1)。 end subplot(1,2,1)。imshow(F)。title(39。菲涅爾濾波片 39。)。 figure,subplot(1,3,1)。imshow(F)。title(39。菲涅爾濾波片 39。)。 B2=V1.*F。 % subplot(1,3,2)。imshow(abs(B2)*64/max(max(abs(B2))))。title(39。經(jīng)頻譜面濾波后頻譜圖 39。)。 C2=ifft2(B2)。 subplot(1,3,3)。imshow(abs(C2)/max(max(abs(C2))))。 原圖像如下： 圖 28 輸入圖像 輸出的圖像： 圖 29 菲涅爾濾波片 圖 30 經(jīng)頻譜面濾波后頻譜圖 圖 31 濾波后的圖像 第 五 章 光學(xué)實驗仿真軟件界面 第六章 實驗結(jié)論與小結(jié) 在計算機運算能力能力迅速發(fā)展的 21 世紀(jì)，利用計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)各種實驗?zāi)M已經(jīng)得到充分的運用。不但如此 ， 在科學(xué)研究與工程計算領(lǐng)域也是發(fā)揮重要作用，計算機 仿真技術(shù)正受到 越來越多的科學(xué)工作者的青睞。在光學(xué)領(lǐng)域里，計算機仿真技術(shù)的運用也顯得淋漓盡致。特別是在光學(xué)教育方面，由于光學(xué)內(nèi)容相對其他學(xué)科而言比較抽象，學(xué)生學(xué)起來比較不容易懂 。 并且光學(xué)儀器比較昂貴，在實際教學(xué)中采用的機會很小。若 采用計算機仿真技術(shù)對其進行仿真， 則可以 得到滿足各種條件的光學(xué)實驗結(jié)果圖像，有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中建立清晰正確的觀念。 本文在大量仿真實驗的基礎(chǔ)上詳細的探討了利用 MATLAB 進行光學(xué)實驗仿真的理論及方法，并對基礎(chǔ)光學(xué)與近代光學(xué)中的若干經(jīng)典實驗進行了計算機仿真。本文完成了以下內(nèi)容： 光的干涉實驗仿真，基于光波波前疊加原理和波的干涉與相干條件實現(xiàn)楊氏雙縫干涉實驗，牛頓環(huán)，邁克爾遜干涉儀這三種實驗，其中楊氏雙縫干涉實驗包含了嚴(yán)格單色光時和非單色光時的兩種結(jié)果。光的衍射實驗仿真，主要基于惠更斯原理和惠更斯 菲涅爾原理，主要探究了夫瑯禾費衍射，菲涅爾衍射其中菲涅爾衍射包含有單縫衍射和多縫衍射。光的空間濾波實驗仿真。 本章主要是基于阿貝成像原理，完成光學(xué)信息的高通濾波和低通濾波兩種實驗。 光學(xué) 4F 系統(tǒng)仿真?；?光學(xué) 4F 相干光學(xué)信息的處理原理 和 菲涅爾波帶片設(shè)計原理。仿真了基于光學(xué) 4F 系統(tǒng)的菲涅 爾波帶片的實驗。 （ 1） 在光的干涉理論的基礎(chǔ)上， 詳細討論了仿真光的干涉實驗的算法及程序?qū)崿F(xiàn)。本論文的 光的干涉實驗仿真是基于光波波前疊加原理和波的干涉與相干條件實現(xiàn)楊氏雙縫干涉實驗，牛頓環(huán)，邁克爾遜干涉儀這三種實驗，其中楊氏雙縫干涉實驗包含了嚴(yán)格單色光時和非單色光時的兩種結(jié)果。 這部分內(nèi)容都是以成熟的理論為依據(jù)，仿真結(jié)果與理論的符合正驗證了仿真方法的正確性。 （ 2） 在惠更斯一菲涅耳原理的基礎(chǔ)上，詳細介紹了如何仿真光的衍射實驗。 主要探究了夫瑯禾費衍射，菲涅爾衍射其中菲涅爾衍射包含有單 縫衍射和多縫衍射。 增強了對菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射的了解認識。 （ 3） 在基于阿貝成像原理和光學(xué) 4F系統(tǒng)的理論體系的基礎(chǔ)上，完成光學(xué)信息的高通濾波和低通濾波兩種實驗， 仿真結(jié)果與理論的符合正驗證了仿真方法的正確性。 （ 4） 在基于光學(xué) 4F系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上， 討論完成了菲涅耳波帶片的實驗仿真，增強了菲涅耳波帶片 的了解認識。 （ 5） 展現(xiàn)了在 MATLAB 2020 軟件運行下的種界面， 可以實現(xiàn)參數(shù)的改變及從不同角度以不同方法顯示實驗結(jié)果，但其無論在結(jié)構(gòu)和內(nèi)容等方面部有許多不足之處。 論文工作基本實現(xiàn)了從光學(xué) 中光波波前傳播的角度實現(xiàn)各種光學(xué)實驗的仿真，并由理論驗證結(jié)果正確。但由于光學(xué)實驗仿真工作涉及的范圍太廣，加上時間倉促和水平有限，論文中難免有不盡人意之處，有待在后面的工作中加以改進。 參考文獻： [1] 劉兵 ， 夫瑯和費衍射的計算機模擬 [J].青島大學(xué)學(xué)報， 1994,14（ 4）： 63— 65. 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