傅里叶变换光学课件

第六章傅立叶变换光学主要内容衍射系统的屏函数夫琅和费衍射的傅立叶频谱分析阿贝成像原理第六章傅立叶变换光学主要内容1变换光学处理光的衍射和干涉问题，最基本的方法是研究光的相干叠加。这是传统光学的一般方法。可以从另外一个角度分析这类问题。入射波场，遇到障碍物之后，波场中各种物理量重新分布。衍射障碍物将简单的入射场变换成了复杂的衍射场。所以可以从障碍物对波场的变换作用，来分析衍射。从更广义的角度，不仅仅是相干波场的障碍物，非相干系统中的一切使波场或者波面产生改变的因素，它们的作用都可以应用变换的方法处理。变换光学处理光的衍射和干涉问题，最基本的方法是研究光的相干叠2§5.1衍射系统的屏函数能使波前的复振幅发生改变的物，统称为衍射屏。衍射屏将波的空间分为前场和后场两部分。前场为照明空间，后场为衍射空间。§5.1衍射系统的屏函数能使波前的复振幅发生改变的物，统3波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为入射场、透射场（或反射场），接收屏上的复振幅为接收场。入射场透射或反射场接收场波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为入射场、透射场（或反射4傅里叶变换光学课件5傅里叶变换光学课件6衍射屏的作用是使入射场转换为透射场（或反射场）。用函数表示，就是透过率或反射率函数，统称屏函数。衍射屏函数屏函数的模。模为常数的衍射屏称为位相型的，如透镜、棱镜等。屏函数的幅角即位相。幅角为常数的衍射屏称为振幅型的，如单缝、圆孔等。衍射屏的作用是使入射场转换为透射场（或反射场）。用函数表示7相因子判断法知道了衍射屏的屏函数，就可以确定衍射场，进而完全确定接收场。但由于衍射屏的复杂性以及衍射积分求解的困难，完全确定屏函数几乎是不可能的。只能采取一定的近似方法获取衍射场的主要特征。了解了屏函数的位相，则能通过研究波的位相改变来确定波场的变化。这种方法称为相因子判断法。一般都是在傍轴近似下进行判断。相因子判断法知道了衍射屏的屏函数，就可以确定衍射场，进而完8波前的相因子波前的相因子9傅里叶变换光学课件10以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相11以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相12透镜的位相变换函数（透过率函数透镜的有效口径为D。忽略透镜的吸收透镜的位相变换函数（透过率函数透镜的有效口径为D。13对于薄透镜，采取傍轴近似，认为镜中的光线平行于光轴。从图上可以求得经透镜后的位相差近轴条件下对于薄透镜，采取傍轴近似，认为镜中的光线平行于光轴。从图上可14可得透镜的位相变换函数为其相因子为可得透镜的位相变换函数为其相因子为15棱镜的位相变换函数（透过率函数）薄的楔形棱镜，可以得到棱镜中心处的厚度二维情况下棱镜的位相变换函数（透过率函数）薄的楔形棱镜，可以得到棱16§5.2夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析1．空间频率的概念 在空间上也可以定义周期和频率，空间周期d的倒数就是空间频率，即有f=1/d。f称为空间频率。2．正弦光栅的傅立叶变换平行光正入射

§5.2夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析1．空间频率的概17透射波实际上变为三列波透射波实际上变为三列波180级波，方向+1级波，方向-1级波，方向0级波，方向+1级波，方向-1级波，方向19§6.3阿贝成像原理对于衍射屏，可以用Fourier变换将其展开为Fourier级数或Fourier积分d：衍射屏的（空间）周期f：衍射屏的（空间）频率基频§6.3阿贝成像原理对于衍射屏，可以用Fourier变换20以简单的平面波入射，透射波为n级平面波n级平面波的振幅Fourier频谱可以用屏函数表示衍射波（透射波）的方向以简单的平面波入射，透射波为n级平面波n级平面波的振幅Fou21阿贝对成像过程的理解一、可以从几何光学的角度，即光线的折射来说明成像过程二、也可以从Fraunhofer衍射的角度，即对波前的变换来说明成像的过程以正弦光栅的成像说明阿贝成像原理阿贝对成像过程的理解一、可以从几何光学的角度，即光线的折射来22第一步，物光波（屏函数的平面波）经过透镜在其焦平面上汇聚成衍射斑，即点光源第二步，焦平面上的衍射斑作为相干的点光源，发出的次波在像平面上相干叠加第一步，物光波（屏函数的平面波）经过透镜在其焦平面上汇聚成衍23像平面的光波是三个衍射斑发出光波的相干叠加近轴条件下三个衍射斑（点光源）发出的光波在像平面上的复振幅像平面的光波是三个衍射斑发出光波的相干叠加近轴条件下三个衍射24阿贝正弦条件阿贝正弦条件25衍射斑设物平面B点的位相为0物光波是正弦光栅的屏函数衍射斑设物平面B点的位相为0物光波是正弦光栅的屏函数26傅里叶变换光学课件27物像间等光程物像间等光程28像平面光波与物平面光波是相似的，即两者是物像关系空间频率：f→f/V，表示像的几何放大或缩小。像质的反衬度：交流部分与直流部分的比值。反衬度不变像光波物光波像平面光波与物平面光波是相似的，即两者是物像关系空间频率：f29空间滤波空间频率与波的衍射角相关，衍射屏或物的空间频率

低通高通带通可以据此做成低通、高通或带通的滤波装置空间滤波空间频率与波的衍射角相关，衍射屏或物的空间频率低通30低通高通带通低通高通带通31阿贝（1874）—波特（1906）空间滤波实验

以黑白光栅为物，单色平行光照射在傅氏面上加一可调狭缝，观察像的变化像平面傅氏面黑白光栅可调光阑阿贝（1874）—波特（1906）空间滤波实验以黑白光栅为32傅里叶变换光学课件33只让0级，即直流成分通过，则像平面被0级斑发出的球面波照明。近轴条件下，被均匀照明只让0级，即直流成分通过，则像平面被0级斑发出的球面波照明。34让0级和±1级通过，则像平面上是0和±1三个衍射斑发出的次波的相干叠加

让0级和±1级通过，则像平面上是0和±1三个衍射斑发出的次波35让0级、±1和±2级通过，则像平面上是5个衍射斑发出的次波的相干叠加

让0级、±1和±2级通过，则像平面上是5个衍射斑发出的次波的36除0级外，全开放除0级外，全开放37第六章傅立叶变换光学主要内容衍射系统的屏函数夫琅和费衍射的傅立叶频谱分析阿贝成像原理第六章傅立叶变换光学主要内容38变换光学处理光的衍射和干涉问题，最基本的方法是研究光的相干叠加。这是传统光学的一般方法。可以从另外一个角度分析这类问题。入射波场，遇到障碍物之后，波场中各种物理量重新分布。衍射障碍物将简单的入射场变换成了复杂的衍射场。所以可以从障碍物对波场的变换作用，来分析衍射。从更广义的角度，不仅仅是相干波场的障碍物，非相干系统中的一切使波场或者波面产生改变的因素，它们的作用都可以应用变换的方法处理。变换光学处理光的衍射和干涉问题，最基本的方法是研究光的相干叠39§5.1衍射系统的屏函数能使波前的复振幅发生改变的物，统称为衍射屏。衍射屏将波的空间分为前场和后场两部分。前场为照明空间，后场为衍射空间。§5.1衍射系统的屏函数能使波前的复振幅发生改变的物，统40波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为入射场、透射场（或反射场），接收屏上的复振幅为接收场。入射场透射或反射场接收场波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为入射场、透射场（或反射41傅里叶变换光学课件42傅里叶变换光学课件43衍射屏的作用是使入射场转换为透射场（或反射场）。用函数表示，就是透过率或反射率函数，统称屏函数。衍射屏函数屏函数的模。模为常数的衍射屏称为位相型的，如透镜、棱镜等。屏函数的幅角即位相。幅角为常数的衍射屏称为振幅型的，如单缝、圆孔等。衍射屏的作用是使入射场转换为透射场（或反射场）。用函数表示44相因子判断法知道了衍射屏的屏函数，就可以确定衍射场，进而完全确定接收场。但由于衍射屏的复杂性以及衍射积分求解的困难，完全确定屏函数几乎是不可能的。只能采取一定的近似方法获取衍射场的主要特征。了解了屏函数的位相，则能通过研究波的位相改变来确定波场的变化。这种方法称为相因子判断法。一般都是在傍轴近似下进行判断。相因子判断法知道了衍射屏的屏函数，就可以确定衍射场，进而完45波前的相因子波前的相因子46傅里叶变换光学课件47以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相48以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以原点位相为0，xoy平面上点（x，y）的位相因子以物点位相49透镜的位相变换函数（透过率函数透镜的有效口径为D。忽略透镜的吸收透镜的位相变换函数（透过率函数透镜的有效口径为D。50对于薄透镜，采取傍轴近似，认为镜中的光线平行于光轴。从图上可以求得经透镜后的位相差近轴条件下对于薄透镜，采取傍轴近似，认为镜中的光线平行于光轴。从图上可51可得透镜的位相变换函数为其相因子为可得透镜的位相变换函数为其相因子为52棱镜的位相变换函数（透过率函数）薄的楔形棱镜，可以得到棱镜中心处的厚度二维情况下棱镜的位相变换函数（透过率函数）薄的楔形棱镜，可以得到棱53§5.2夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析1．空间频率的概念 在空间上也可以定义周期和频率，空间周期d的倒数就是空间频率，即有f=1/d。f称为空间频率。2．正弦光栅的傅立叶变换平行光正入射

§5.2夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析1．空间频率的概54透射波实际上变为三列波透射波实际上变为三列波550级波，方向+1级波，方向-1级波，方向0级波，方向+1级波，方向-1级波，方向56§6.3阿贝成像原理对于衍射屏，可以用Fourier变换将其展开为Fourier级数或Fourier积分d：衍射屏的（空间）周期f：衍射屏的（空间）频率基频§6.3阿贝成像原理对于衍射屏，可以用Fourier变换57以简单的平面波入射，透射波为n级平面波n级平面波的振幅Fourier频谱可以用屏函数表示衍射波（透射波）的方向以简单的平面波入射，透射波为n级平面波n级平面波的振幅Fou58阿贝对成像过程的理解一、可以从几何光学的角度，即光线的折射来说明成像过程二、也可以从Fraunhofer衍射的角度，即对波前的变换来说明成像的过程以正弦光栅的成像说明阿贝成像原理阿贝对成像过程的理解一、可以从几何光学的角度，即光线的折射来59第一步，物光波（屏函数的平面波）经过透镜在其焦平面上汇聚成衍射斑，即点光源第二步，焦平面上的衍射斑作为相干的点光源，发出的次波在像平面上相干叠加第一步，物光波（屏函数的平面波）经过透镜在其焦平面上汇聚成衍60像平面的光波是三个衍射斑发出光波的相干叠加近轴条件下三个衍射斑（点光源）发出的光波在像平面上的复振幅像平面的光波是三个衍射斑发出光波的相干叠加近轴条件下三个衍射61阿贝正弦条件阿贝正弦条件62衍射斑设物平面B点的位相为0物光波是正弦光栅的屏函数衍射斑设物平面B点的位相为0物光波是正弦光栅的屏函数63傅里叶变换光学课件64物像间等光程物像间等光程65像平面光波与物平面光波是相似的，即两者是物像关系空间频率：f→f/V，表示像的几何放大或缩小。像质的反衬度：交流部分与直流部分的比值。反衬度不变像光波物光波像平面光波与物平面光波是相似的，即两者是物像关系空间频率：f66空间滤波空间频率与波的衍射角相关，衍射屏或物的空间频率

低通高通带通可以据此做成低通、高通或带通的滤波装置空间滤波空间频率与波的衍射角相关，衍射屏或物的空间频率低通67低通高通带通低通高通带通68阿贝（1874）—波特（1906）空间滤波实验

以黑白光栅为物，单色平行光照射在傅氏面上加一可调狭缝，观察像的变化像平面傅氏面黑白光栅可调光阑阿贝（18