信息光学第三章

第三章光学成像系统的频率特性主讲人：徐世祥本章主要内容：光波通过透镜的位相分布；透镜的傅立叶变换特性；透镜孔径对傅立叶变换的影响；衍射受限系统的点扩散函数、成像规律；相干传递函数、光学传递函数；有像差系统的传递函数；相干与非相干成像系统的比较。本章的教学目的与要求：掌握光波通过透镜的位相分布；掌握透镜傅立叶变换特性及孔径对傅立叶变换的影响；掌握衍射受限系统的点扩散函数、物象规律；掌握传递函数的物理意义及传递函数的计算。§3.0概述

透镜能使人们在较近的距离观察到物体的远场衍射图样。

透镜能够改变光波的空间位相分布，即透镜具有对透射光波进行空间位相调制的能力。

透镜可以用来实现物体的傅立叶变换。透镜的这一性质是光学模拟计算方法的基础，也是相干光学信息处理方法的基础。光学成像系统最基本的元件：透镜一、薄透镜的位相调制作用为研究透镜对入射波前的作用，引入透镜的复振幅透过率：§3.1薄透镜的作用透镜能将一点成像到另一点处。P2平面上复振幅可表示为：o点发出的球面波到达P1平面上某点(x,y)时，其复振幅可表示为(A为紧靠透镜表面的光场振幅)：结合成像关系，假如U1(x,y)经透镜变换后成为

U2(x,y)透镜的复振幅透过率可表示为：略去与x,y无关的常数因子，透镜的复振幅透过率可得：忽略透镜表面的反射损耗，显然与x,y相关的空间位相调制作用按照成像公式有（f为焦距）：考虑到透镜孔径的有限大小对光场分布的影响，透镜透过率更一般的表示式可写为：孔径函数孔径函数（振幅）相位函数考虑光波由P1平面到P2平面：物函数对入射光波的菲涅耳衍射；P2面上的光波场分布为：二透镜的傅立叶变换性质yP4yP1O1O2xxP2P3f(x,y)fl(x,y)f’l(x,y)Lg(x,y)单色平面光波垂直照明光波由P2平面到P3平面：P2平面的光波场乘以透镜的透过率函数；P3面上的光波场分布为：光波由P3平面到P4平面：P3面到P4面的菲涅耳衍射结果；P4面上的光波场分布为：积分形式为若观测屏处于透镜后焦面，且不考虑透镜孔径的影响，有d2=f,P(x,y)=1,于是整理得傅立叶谱位相弯曲物面不同位置讨论（1）物体位于透镜前焦面时，透镜后焦面上得光场分布为：物体位于透镜前焦面时，透镜后焦面上将得到物函数的准确的傅立叶变换。（2）物平面紧靠透镜前表面时透镜后焦面上的光场分布为：后焦面上的光场分布仍然是物函数的傅立叶频谱，但多了一个位相因子。（3）物体位于透镜后时，通过物的光波是会聚波，物面上光强和它离后焦面的距离d有关。物面上光场可表示为物后表面上的光场分布：物面被照明部分的孔径函数物(的透过)函数仍可在后焦面上得到傅立叶功率谱。其光强分布为从物后表面到透镜后焦面可视为菲涅尔衍射过程，则：如果物面全部被照明，且令P(fx/d,fy/d)=1,透镜后焦面上光场分布为：物放在透镜后，在后焦面上仍可以得物的傅立叶谱，仅多一位相因子。强度分布仍然是物的功率谱。而且小结：1）无论物放在透镜前还是后，在透镜的后焦面上都可以得到物的傅立叶变换功率谱。2）物紧贴透镜前或后，在透镜的后焦面上得到相同的场分布。3）值得注意的是，当物放在透镜后时，由于，所以，通过调节d值，可以实现傅立叶谱空间缩放。物体被点光源照明时，谱面就不在透镜的后焦面上，而是在点光源经物镜后的像点所在的横截面上。功率频谱面在哪里?透镜实现傅立叶变换的两种途径：

1采用平行光照明，在透镜的后焦面上观察物的频谱；

2采用点光源照明衍射屏，在点光源的像平面上得到衍射屏函数的傅立叶频谱（无论衍射屏位于透镜前还是透镜后），且频谱的零频位置就在点光源的像点处。dd’三透镜孔径的影响透镜有限孔径：1）影响出射光通量；2）影响空间频谱，进而影响成像质量。

对于零频分量，在透镜的孔径范围内的物点发出的都能通过透镜。对于离轴程度不同的点，透镜孔径作用的截止频率不同。0

物面上点发出的都可以经过透镜的最大空间频率分量为：

物面上点发出的光被透镜完全挡住的最小空间频率（截止频率）：如图，透镜焦距40厘米，d=2厘米,D=5厘米,波长为500纳米，d1=60厘米，求1）物面上点发出的都可以经过透镜的最大空间频率；2）物面上点发出的光被透镜完全挡住的最小空间频率。无论成像系统的具体结构如何，都可以将其归结为如下模型：光波由物平面到像平面可分为三个过程：§3.2光学成像系统的一般分析一成像系统的普遍模型物平面入瞳出瞳像平面312光学系统的孔径光栏：光学系统中对光起实际限制作用的那个光学元件孔径。入瞳：孔径光栏通过它前面的光学系统所成的像。出瞳：孔径光栏通过它后面的光学系统所成的像。孔径光栏、入瞳和出瞳存在互为物像关系。实际光学系统：衍射受限系统、像差系统衍射受限系统：指系统可以不考虑像差影响，仅仅考虑光瞳产生的衍射限制；衍射受限系统：当像差很小，或者系统的孔径和视场都不大，实际光学系统就可以近似看作是衍射受限系统；衍射受限系统的边端性质：物面上一点光源发出的发散球面波入射到入瞳上，被透镜组变换为出瞳上的会聚球面波；像差系统的边端性质：点光源发出的发散球面波入射到入瞳上，出瞳处的波前明显偏离理想球面波。偏离的程度可由波像差描述，它决定于透镜组本身的物理结构。二衍射受限系统的点扩散函数研究光学系统的核心任务就是求系统的点扩散函数。成像系统是线性系统，其像平面上的光场复振幅分布可写为物函数与成像系统脉冲响应函数的叠加积分；只要能够确定成像系统的脉冲响应函数，就能完备的描述该成像系统的性质。即将物函数看成无穷多个(x0-,y0-)函数的集合。对于单透镜光学系统显然对于物面点(,

)(1)(2)(3)物平面透镜前表面像平面312透镜后表面物面上一点函数表示，P(x,y)为出射光瞳函数将单透镜光学系统推广到复合成像系统2物平面入瞳像平面31出瞳等效焦距入瞳对于成像系统，相位项可以忽略，于是应用成像公式：等效焦距傅里叶变换结论：单色光照明时，衍射受限系统的脉冲响应数值上就是系统光瞳函数的傅立叶变换，其中心在几何光学理想像点xi=Mx0，yi=My0

衍射受限成像系统为线性空不变系统。如果光瞳无穷大，则物上一点，成像面上仍是一点。相应的成像面上函数分布

当不考虑出瞳的有限大小时：几何光学的理想像是物体的准确复现，但尺寸进行了缩放。考虑出瞳的有限大小时：像面上光波场的复振幅分布等于几何光学理想像与系统脉冲函数的卷积，物面上一点，像面上一个斑。不是准确成像,部分高空间频率信息丢失（卷积的加宽平滑效应）。三准单色光照明的物像关系分析单色光：光只有一个时间频率，即光谱宽度无限窄。衍射传输f(x0,y0,t)f(xi,yi,t)准单色光：光的时间频率宽度小小与其中心频率值。在频率域，不同频率的光在传输过程中是相互独立的。探测器测到的光强分布为完成从物函数到像函数之间的换算。于是光强分布为同一时间，不同空间点光强的关联程度主要考察两处的相位关联。假定物面上两点（x0,y0）和(x,y)光场为：空间相干与非相干照明衡量物面上两点（x0,y0）和(x,y)光场之间相干程度。时间平均部分显然

相干（空间）照明：物面上任意两点光场之间的相位差随时间变换是恒定的。非相干照明：物面上任意两点光场之间的相位差随时间变换是随机的。

相干光场之间的叠加是电场叠加（相干叠加）；非相干光场之间的叠加是强度叠加。在相干照明方式下，衍射受限光学系统对光场复振幅变换而言是线性空不变系统；对于光强度的变换，则不是线性系统。对于衍射受限光学系统，在相干光照明下有的相位部分为常数，所以可忽略。于是光强分布为在非相干光照明下非相干光的空间相干性很差，只有在非常小的空间范围内的两点光场才有关联。当足够小时有在非相干光照明下，像面上的光强度分布：在非相干照明方式下，衍射受限光学系统对光强度的变化是线性空不变的，而对复振幅的变换则不是线性的。相干成像系统是光场复振幅变换的线性空不变系统:像场复振幅=物场复振幅*系统脉冲响应函数衍射受限相干成像系统的传递函数

在频域：衍射受限相干成像系统的光学传递函数，相干传递函数相干传递函数的定义相干传递函数与系统物理性质的联系单色光照明时，衍射受限系统的脉冲响应数值上等于系统光瞳函数的傅立叶变换，其中心在几何光学理想像点xi=Mx0，yi=My0，而相干传递函数是脉冲响应函数的傅立叶变换，故相干传递函数在数值上等于系统的光瞳函数。衍射受限系统的脉冲响应相干传递函数：频域坐标（fx,fy）与空域坐标(x,y)的关系：注意与以前的区别！系统截止频率为：光学系统输出像的频谱为：衍射受限系统对输入的各种频率分量的作用就相当于一个低通滤波器。对低于截止频率的频率分量，无衰减通过；对于高于截止频率的频率分量，则完全截止。截止频率fCx和fCy是衡量光学系统质量的重要参数之一（分辨率）。像差对系统传递函数的影响光学系统的像差：入射的球面波经光学系统后，从出瞳射出波的位相分布与球面波的位相分布的偏差。像差存在的影响：不影响相干传递函数的通频带宽度，仅在通频带内引入了相位畸变，使像失真。相干传递函数计算举例例1有一出射光瞳为正方形的衍射受限成像系统，正方形的边长为l，试计算该系统的相干传递函数。正方形光瞳相干传递函数先求光瞳函数：相干传递函数数值上等于系统的光瞳函数，即（用空间频率表示）X方向截止频率：Y方向截止频率：最大截止频率：衍射受限非相干成像系统的传递函数对上式做傅立叶变换，并运用卷积定理，得：

在非相干照明方式下，衍射受限光学系统对光强度的变化是线性空不变的：一衍射受限非相干系统的光学传递函数与前面功率谱比较功率谱实函数傅立叶变换函数的实部为偶函数，虚部为奇函数，即研究的对象是光强：实数，非负数！归一化频谱对零频分量归一化如果将光学传递函数写成OTF，光学传递函数MTF，调制传递函数PTF，位相传递函数归一化传递函数（非相干传递函数，光学传递函数）光学系统对零频信息百分之百的传递，即H0(0,0)＝1;任意空间频率的MTF低于零频下的值，即非相干成像系统是一个低通的空间滤波器:H0(fx,fy)H0(0,0)＝1;光学传递函数的实部为偶函数，虚部为奇函数。

调制传递函数为偶函数，相位传递函数为奇函数。

三光学传递函数的一般性质二OTF与CTF的关系光学传递函数等于相干传递函数的归一化自相关。调制传递函数（MTF）描述系统对各频率分量对比度的传递；而位相传递函数（PTF）描述系统对各频率分量施加的相移。将物像频谱描述为：从而有于是像对比度物对比度PTFMTF光学系统中像的对比度小于物的对比度。四衍射受限系统的OTF计算光学传递函数是光瞳函数的归一化自相关光瞳函数的值非零即1，即衍射受限系统OTF的计算光学传递函数步骤：1）确定系统出瞳的形状和大小，计算出瞳总面积0

。2）计算出瞳面至像平面之间的距离di。3）任意给定一组(fx,fy)值，算出(difx,dify)值；将出瞳平移，使其中心落在(-difx,-dify)处，计算移动前后两出瞳的重叠面积。4）相继再给定一组(fx,fy)值，再算出重叠面积。依次类推，就可算出

(fx,fy)值。5）计算

(fx,fy)/0,从而算出HO

(fx,fy)自相关意味着两出瞳分别朝相反方向平移，直至重叠面积刚好为零时，它们已经平移开了2xmax和2ymax距离。非相干成像系统的截止频率是相干成像系统的两倍。衍射受限非相干成像系统的截止频率计算：像差对OTF的影响将像差和光学传递函数联系起来了。1）像差的存在会使光学系统的调制传递函数下降，像面光强度分布的各个频率分量的对比度降低。2）只要是同样大小和形状的出射光瞳，则对于有像差系统和无像差系统，其截止空间频率都是相同的。截止频率：OTF的截止频率是CTF截止频率的两倍。但不能说使用非相干照明比使用相干照明具有更好的成像质量，因为1