光学信息技术原理及应用

光学信息技术原理及应用第1页，课件共13页，创作于2023年2月衍射惠更斯—菲涅尔—基尔霍夫标量理论

经典的标量衍射理论最初是1678年惠更斯提出的，1818年菲涅耳引入干涉的概念补充了惠更斯原理，1882年基尔霍夫利用格林定理，采用球面波作为求解波动方程的格林函数，导出了严格的标量衍射公式衍射理论要解决的问题是：光场中任意一点为的复振幅能否用光场中其它各点的复振幅表示出来显然，这是一个根据边界条件求解波动方程的问题。惠更斯—菲涅尔提出的子波干涉原理与基尔霍夫求解波动方程所得的结果十分一致，都可以表示成类似的衍射公式第2页，课件共13页，创作于2023年2月衍射公式倾斜因子复常数点光源照明平面屏幕的衍射第3页，课件共13页，创作于2023年2月衍射公式可以适用于更普遍的任意单色光照明的情况，这是因为任意复杂的光波都可以分解为简单球面波的线性组合，把它们的贡献叠加起来根据基尔霍夫对平面屏幕假定的边界条件，孔径以外阴影区内，因此积分限可以扩展到无穷

在傍轴近似下，并利用二项式近似上述近似均代入得到菲涅尔衍射计算公式菲涅尔衍射计算公式

第4页，课件共13页，创作于2023年2月本书的重点是从频域的角度即用平面波角谱方法来讨论衍射问题前面已经讨论过频域的角谱传播问题，在由已知平面上的光场分布可通过傅里叶变换得到其角谱其后，可以求出它传播到平面

上的角谱最后，通过傅里叶反变换可以进而得到用已知的表示的衍射光场分布，从而得到空域中的衍射公式平面波角谱的衍射理论

第5页，课件共13页，创作于2023年2月作傅里叶反变换有代入在衍射平面上的角谱的表达式得到上式的四重积分是类似基尔霍夫公式的一个精确的表达式，尽管它不含三角函数，但是使用起来仍很不方便。下面还是要按照菲涅耳的办法进行化简，首先对不同传播距离衍射的情况做个直观的说明

平面波角谱衍射理论的基本公式第6页，课件共13页，创作于2023年2月按传播距离划分衍射区第7页，课件共13页，创作于2023年2月用角谱衍射理论导菲涅耳公式（1）假定孔径和观察平面之间的距离远远大于孔径的线度，并且只对轴附近的一个小区域内进行观察，则有因而用二项式展开，只保留一次项，略去高次项，则这样四重积分式变为第8页，课件共13页，创作于2023年2月用角谱衍射理论导菲涅耳公式（2）利用高斯函数的傅里叶变换和傅里叶变换的相似性定理有

因而该式与用惠更斯—菲涅尔—基尔霍夫标量理论导出的菲涅耳衍射公式完全一样，更常用的菲涅耳衍射公式如下第9页，课件共13页，创作于2023年2月菲涅耳衍射成立的条件为因而所以观察距离满足其中孔径的最大尺寸和观察区的最大区域分别为这种近似称为菲涅耳近似或近轴近似，此时传递函数可表示为

菲涅耳衍射成立的条件第10页，课件共13页，创作于2023年2月夫琅和费衍射:在菲涅耳衍射公式中，对衍射孔采取更强的限制条件，即取则平方位相因子在整个孔径上近似为1，于是

这就是夫琅和费衍射公式。在夫琅和费近似条件下，观察面上的场分布等于衍射孔径上场分布的傅里叶变换和一个二次位相因子的乘积对于仅响应光强不响应位相的一般光探测器，夫琅和费衍射和光场的傅里叶变换并没有区别

夫琅和费衍射与傅里叶变换

第11页，课件共13页，创作于2023年2月矩孔,单缝,和圆孔的夫琅和费衍射图样