动态滤波彩色成像系统

　　在许多物理实验中,有着非常有趣的物理现象。动态滤波彩色成像系统是根据阿贝二次成像原理而组成的。系统用白光照射,通过取向不同的光栅组成透明物体,得到几组有着不同衍射方向的彩色光带。利用不同取向的滤波器,使各方向光带中有一定波长范围的有色光通过,把其它波长的光滤掉,在输出平面上形成的透明物体的像即呈现出美丽的色彩,从而形成了一个非常有趣的物理现象。光栅、滤波器在本系统中是必不可少的元件。光栅在彩色成像系统中起着“分频”的作用,滤波器主要是“选频”的作用。

　　1　正弦光栅与方向滤波器

　　由于彩色成像系统中应用的是阿贝二次成像原理,而光栅则能有效地在阿贝二次成像原理中起到“分频”的作用。对于一定的入射光,其输出的是三列波,正因为任何光栅都可作傅里叶展开,所以最基本的图像是正弦光栅。阿贝二次成像的基本原理由图1显示。第一步由物ABC的衍射起到“分频”作用,第二步由透镜会聚形成干涉“合成”。物是一系列不同空间频率信息的集合,由于夫郎和费衍射在透镜后焦面上形成的一系列衍射斑和各衍射斑发出的球面次波在象平面上相干迭加而形成干涉场的像。下面以单频信息的物(正弦光栅)为例

　　由此可见,正弦光栅的衍射光谱仅包含零级斑和正负一级衍射斑,而且完全可以在正负一级斑处将不同波长的光波按不同衍射角分开,这使得方向滤波器的设计与制作相对简单。再者,由于其没有更高的衍射,则相对光照比较集中,有利于观察和实验,可以提高光能的利用率,这就是利用正弦光栅的优越性。正弦光栅是如何将白光(复合光)色散开呢?选择不同方向上一定波长的色光,即使用方向滤波器,便可以在输出图象相应位置“涂”上所需要的颜色。举一个简单的例子说明有两种有色光(λ1,λ2)的系统,对其进行“着色”处理,如图2所示。

　　从图中可以得知,包含两种波长λ1,λ2的色光通过光栅后被“分频”,在谱面上得到两个波长的重合零级斑,以及λ1的正负一级斑和λ2的正负一级斑。这五组光斑经过透镜L后重新会合成包含两波长的混合光,并照出相应光栅的像。设想起初是用λ1的单色光照射,现在则用λ1,λ2合成光照射,为使其像的颜色与原来λ1照射相同,可以做以下处理:将包含有λ2光的零级斑和λ2的正负一级斑处在频谱面上用挡光板挡住,则成的像乃是λ1的颜色。如果挡住λ2的正负一级的挡光板在频谱面上挡住λ1的正负一级射斑,则可以看到在正弦光栅的像上的色彩已经由原来的λ1的色彩“涂”上λ2的色彩了。而在其频谱面上对各级光斑的处理,即挡板的设计与制作,就是方向滤波器的基本构思和由来。之所以称为方向滤波器,是因为在白光(复合光)通过正弦光栅后,不同波长的色光的方向不同,从而在复合光的正负一级产生一个彩色的光带。由于色带各部分颜色与波长和衍射角的一一对应关系,再其频谱面上又对应着各自的频谱位置,所以只要应用方向滤波器在频谱面上对衍射频谱进行选择通过即可以决定像面的颜色。实际上当白光照射在用正弦光栅制作的物上,而挡板又是对复合光连续可调,则可以通过对方向滤波器(挡板)的连续调动,像的颜色即将出现五彩缤纷的变化,这就是此实验的核心部分。