Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera

Podobne dokumenty
Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 3. Częstotliwości przestrzenne struktur okresowych

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 6. Badanie właściwości hologramów

Laboratorium Optyki Falowej

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła w polu bliskim i dalekim

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 1. Przestrzenna filtracja szumu optycznego

Pomiar ogniskowych soczewek metodą Bessela

Ćwiczenie 3. Koherentne korelatory optyczne

Rejestracja i rekonstrukcja fal optycznych. Hologram zawiera pełny zapis informacji o fali optycznej jej amplitudzie i fazie.

Rys. 1 Schemat układu obrazującego 2f-2f

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 1. Optyczna filtracja sygnałów informatycznych

Mikroskop teoria Abbego

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

ODWZOROWANIE I PRZETWARZANIE SYGNAŁU OPTYCZNEGO W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą ławy optycznej

Ćwiczenie 11. Wprowadzenie teoretyczne

Ćwiczenie 3. Właściwości przekształcenia Fouriera

Rys. 1 Pole dyfrakcyjne obiektu wejściowego. Rys. 2 Obiekt quasi-periodyczny.

Teoria sygnałów Signal Theory. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Spis treści. 1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej UTK. Karty dźwiękowe. 1

LABORATORIUM Z FIZYKI

Ćwiczenie 12/13. Komputerowy hologram Fouriera. Wprowadzenie teoretyczne

ĘŚCIOWO KOHERENTNYM. τ), gdzie Γ(r 1. oznacza centralną częstotliwość promieniowania quasi-monochromatycznego.

Wykład VI Dalekie pole

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

dr inż. Artur Zieliński Katedra Elektrochemii, Korozji i Inżynierii Materiałowej Wydział Chemiczny PG pokój 311

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

DYSKRETNA TRANSFORMACJA FOURIERA

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Ćw.6. Badanie własności soczewek elektronowych

MODULATOR CIEKŁOKRYSTALICZNY

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 2 AiR III

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

BIBLIOTEKA PROGRAMU R - BIOPS. Narzędzia Informatyczne w Badaniach Naukowych Katarzyna Bernat

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Ćwiczenie 4: Próbkowanie sygnałów

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

GRAFIKA KOMPUTEROWA podstawy matematyczne. dr inż. Hojny Marcin pokój 406, pawilon B5 Tel.

Ćwiczenie 4. Część teoretyczna

Ćwiczenie 12. Wprowadzenie teoretyczne

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

FFT i dyskretny splot. Aplikacje w DSP

Rys. 1 Geometria układu.

Przekształcenia widmowe Transformata Fouriera. Adam Wojciechowski

Politechnika Łódzka. Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Transformata Fouriera i analiza spektralna

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

Ć W I C Z E N I E N R O-3

Interferencja i dyfrakcja

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej cienkiej soczewki skupiającej

SZKŁA OPTYCZNE. Zestaw do ćwiczeń

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

8. Analiza widmowa metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT)

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Cyfrowe Przetwarzanie Obrazów i Sygnałów

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

O sygnałach cyfrowych

Ćwiczenie nr 71: Dyfrakcja światła na szczelinie pojedynczej i podwójnej

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Ćwiczenie 4. Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI)

EKSPLOATACJA SYSTEMÓW TECHNICZNYCH - LAB. Wprowadzenie do zajęć

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

Optyka instrumentalna

Różne reżimy dyfrakcji

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Różne sposoby widzenia świata materiał dla ucznia, wersja z instrukcją

Zjawisko interferencji fal

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Przedmowa 11 Ważniejsze oznaczenia 14 Spis skrótów i akronimów 15 Wstęp 21 W.1. Obraz naturalny i cyfrowe przetwarzanie obrazów 21 W.2.

Analizy Ilościowe EEG QEEG

Interferencja i dyfrakcja

Ćwiczenie 9 Y HOLOGRAM. Punkt P(x,y) emituje falę sferyczną o długości, której amplituda zespolona w płaszczyźnie hologramu ma postać U R exp( ikr)

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Soczewki. Ćwiczenie 53. Cel ćwiczenia

Ć W I C Z E N I E N R O-6

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Ćwiczenie 53. Soczewki

AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Elektroniki

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

POLITECHNIKA OPOLSKA

Ćwiczenie 11. Podstawy akwizycji i cyfrowego przetwarzania sygnałów. Program ćwiczenia:

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

Ważne rozkłady i twierdzenia

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 53: Soczewki

analogowego regulatora PID doboru jego nastaw i przetransformowanie go na cyfrowy regulator PID, postępując według następujących podpunktów:

Transkrypt:

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska Gdańsk 2006

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami optycznej transformaty Fouriera, sprawdzenie twierdzeń dotyczących przekształcenia Fouriera a zwłaszcza twierdzenia o próbkowaniu funkcji dwuwymiarowej. 2. Optyczna transformata Fouriera z rys. 1. Optyczną transformatę Fouriera realizuje soczewka S F w układzie optycznym Rys. 1. Realizacja optycznej transformaty Fouriera. Obiekt przed soczewką S F. Aby w płaszczyźnie tylnej ogniskowej powstała optyczna transformata Fouriera muszą być spełnione następujące warunki: obiekt musi być oświetlony monochromatyczną falą płaską, obiekt musi być umieszczony w przedniej płaszczyźnie ogniskowej soczewki S F realizującej transformatę Fouriera, ekran, na którym obserwujemy transformatę musi być umieszczony w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki S F. Przy spełnieniu powyŝszych warunków mamy pewność, Ŝe obraz dyfrakcyjny obiektu obserwowany na ekranie w układzie z rys. 1. jest kwadratem optycznej transformaty Fouriera, uśrednionym w czasie. Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona 2

Konfiguracja układu optycznego z rys. 1 nie jest jedyną konfiguracją, w której w płaszczyźnie tylnej ogniskowej soczewki S F otrzymujemy transformatę Fouriera obiektu. Optyczna transformata Fouriera powstanie w płaszczyźnie tylnej ogniskowej soczewki S F równieŝ wtedy, gdy obiekt umieścimy za soczewką S F, jak na rys. 2. Rys. 2. Realizacja optycznej transformaty Fouriera. Obiekt za soczewką S F. RóŜnica między optyczną transformatą Fouriera obiektu uzyskaną w układzie za soczewką (rys. 2) a w układzie przed soczewką (rys. 1) polega tylko na zmianie skali transformaty. Częstotliwości przestrzenne w płaszczyźnie transformaty w układzie przed soczewką rys. 1, określone są następująco: Natomiast dla układu za soczewką rys. 2, mamy x y ν x =, ν y = (1) λf λf F d 1 F x y ν x =, ν y = (2) λ λ d 1 gdzie x i y są współrzędnymi częstotliwości w płaszczyźnie transformaty. Tak więc układ optyczny z rys. 2 jest układem realizującym transformatę Fouriera o zmiennej skali transformaty. Zmianę skali uzyskuje się poprzez zmianę odległości d 1. W układzie optycznym realizującym transformatę Fouriera łatwo sprawdzić twierdzenia dotyczące przekształcenia Fouriera, takie jak twierdzenie o przesunięciu funkcji, sumie funkcji, Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona 3

iloczynie funkcji, itd. Na szczególną uwagę zasługuje twierdzenie o próbkowaniu funkcji, gdyŝ ma ono znaczenie podczas zamiany funkcji analogowej na postać cyfrową tej funkcji. Twierdzenie o próbkowaniu funkcji analogowej o ograniczonym widmie mówi, Ŝe moŝliwe jest dokładne odtworzenie funkcji z jej próbek pod warunkiem, Ŝe częstotliwość próbkowania jest nie mniejsza niŝ dwukrotna najwyŝsza częstotliwość zawarta w widmie częstotliwościowym funkcji próbkowanej. PoniewaŜ podczas procesu próbkowania funkcji następuje powielenie widma funkcji na osi częstotliwości, to spełnienie warunku częstości próbkowania zapewnia nie nakładanie się na siebie poszczególnych widm składowych. JeŜeli widma funkcji nie nakładają się na siebie, to łatwo jest ze wszystkich widm wydzielić pojedyncze widmo funkcji i na tej podstawie odtworzyć dokładnie funkcję próbkowaną. Twierdzenie o próbkowaniu funkcji łatwo sprawdzić w optycznym układzie realizującym transformatę Fouriera. PoniewaŜ optyczna transformata Fouriera jest dwuwymiarowa więc funkcję czyli nasz obiekt, moŝemy próbkować w jednym kierunku osi współrzędnych, np. za pomocą przeźrocza układu równoległych linii, lub teŝ w obu kierunkach osi współrzędnych za pomocą układu skrzyŝowanych siatek. Odtworzenie oryginalnej funkcji obiektu będzie polegało na zablokowaniu wszystkich powielonych widm obiektu w płaszczyźnie transformaty Fouriera i przepuszczeniu tylko pojedynczego widma obiektu, inaczej będziemy obserwowali na ekranie nie funkcję obiektu lecz próbki funkcji obiektu. Optyczny układ realizujący transformatę Fouriera daje znacznie większe moŝliwości eksperymentowania niŝ układy elektroniczne. MoŜemy stwierdzić, Ŝe wszystkie twierdzenia dotyczące przekształcenia Fouriera są odwracalne, w tym równieŝ twierdzenie o próbkowaniu funkcji. Skoro podczas próbkowania funkcji następuje powielenie jej widma, to powinno być słuszne twierdzenie odwrotne, Ŝe przy próbkowaniu widma funkcji następuje powielenie funkcji. W laboratorium będzie moŝna przekonać się doświadczalnie o słuszności tego rozumowania. 3. Zadania do wykonania 3.1. Elementy potrzebne do wykonania ćwiczenia. przeźrocza nr 2, 3, 5, 6, 8, 11, 12, 14, 15, 16, 26. Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona 4

3.2. Optyczna transformata Fouriera W układzie optycznym z rys. 3 zaobserwować i naszkicować transformaty Fouriera następujących funkcji: Apertury kwadratowej przeźrocze nr 2, Apertury kołowej przeźrocze nr 3, Szczeliny przeźrocze nr 15, Siatki równoległych linii przeźrocze nr 5, Siatki kwadratowej przeźrocze nr 11, Siatki linii koncentrycznych przeźrocze nr 8, Siatki linii radialnych przeźrocze nr 14. Odpowiedzieć na pytanie: Które z obserwowanych transformat są funkcją ciągłą, a które dyskretną? Określić wzorem częstotliwości przestrzenne, charakterystyczne dla danej struktury. 3.3. Przebadać transformatę Fouriera i obraz obiektu z przeźrocza nr 26. Zidentyfikować części transformaty Fouriera naleŝące do odpowiednich części obiektu. Rys. 3. Układ optyczny 4f. 3.4. Transformata Fouriera w układzie za soczewką. Uzyskać transformatę Fouriera w układzie za soczewką jak z rys. 2. Jako obiekt wykorzystać przeźrocze nr 11 i nr 26. Określić kierunek zmian skali transformaty w zaleŝności od wielkości Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona 5

3.5. Twierdzenie o próbkowaniu funkcji. W układzie z rys. 3. zrealizować próbkowanie i odtworzenie funkcji z próbek, Jako obiekt funkcję próbkowaną wykorzystać przeźrocza nr 2, 3 lub 15, Jako próbki wykorzystać: próbkowanie w jednym kierunku: przeźrocza nr 5 i 6, próbkowanie w dwu kierunkach: przeźrocze nr 11, 12. Zaobserwować powielone widmo funkcji próbkowanej, Odtworzyć oryginalną funkcję wybierając w płaszczyźnie transformaty tylko jedno widmo, blokując pozostałe widma, Odpowiedzieć na pytanie: które z przeźroczy nr 5, 6, 11 i 12 realizują prawidłowo próbkowanie funkcji? 3.5. Twierdzenie o próbkowaniu widma funkcji. W układzie z rys. 3. zrealizować twierdzenie o próbkowaniu widma funkcji. Jako obiekt wykorzystać przeźrocza nr 2, 3 lub 15. Jako próbki wykorzystać przeźrocza nr 5, 6 i 11, 12. Odpowiedzieć na pytanie: dlaczego podczas próbkowania transformaty Fouriera niektórymi z przeźroczy nr 5, 6, 11, 12, obrazy obiektu nakładają się na siebie? Spróbować próbkowanie widma innych przeźroczy, np. 26. Czy próba powielenia obrazu obiektu nr 26 jest udana czy nie? JeŜeli nie jest udana, jaka jest tego przyczyna? 3.6. Właściwości transformaty Fouriera. Sprawdzić doświadczalnie twierdzenia dotyczące przekształcenia Fouriera. Oznaczenia elementów optycznych na rysunkach: FP filtr przestrzenny, Sk soczewka kolimująca, E ekran, O obiekt (przeźrocze), SF soczewka realizująca transformatę Fouriera, So soczewka realizująca obraz obiektu, Sp soczewka powiększająca obserwowany obraz. Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona 6