标量衍射理论.ppt

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1、标量衍射理论本部分是信息光学的物理基础重点:掌握光的传播就是光的衍射这一物理思想,理解角谱概念,从傅里叶光学的角度重新理解透镜这一基本光学元件的成像机理.难点:需要进行大量复杂的数学公式推导,以及透过数学公式看到物理本质需要花费足够的时间和精力 2.1 光波的数学表达式光波的数学表达式 平面波：xzy空间频率方向角(,)的平面波在平面(x1,y1)的复振幅平面(x1,y1)等相位线设球面波 旁轴近似 二次位相因子(球面位相因子）靠近z轴球面波z5m Fraunhofer衍射一般情况 Fresnel衍射 点光源像平面Fraunhofer衍射lxlyFraunhofer衍射1.矩孔振幅透射率光强2

2、.圆孔圆孔直径l 振幅透射率r0 孔径平面坐标 r 观察平面坐标 傅立叶贝赛尔变换平面波入射 U(r0)=t(r0)强度分布光强3余弦振幅光栅振幅透过率f0光栅频率单位长度条纹数1）光栅无限大0级1级1级光强f=-f0=f0=02)光栅有限大 重叠部分忽略0级1级1级光强一级分量位置 f0z 每个分量宽度 z/l 光栅分辨本领 f0z/(z/l)f0l正比于光栅上条纹数目 与观察距离z无关2.4 衍射的角谱理论x0zy0波传播方向设孔径平面x0y0上光场分布为U0(x0,y0)角谱为：观察平面xy上光场分布为U(x,y)角谱为：讨讨 论论1.当真正对应于空间某一确定方向传播的平面波2.当倏逝波

3、，可忽略不计3.当该波的传播方向垂直于Z轴，它在Z轴的净能流为零传递函数其它地方传播可看成一个有限带宽的线性色散空间滤波器其透过率在频率平面上半径-1圆形区域外为0圆形带宽内传递函数模为1 但引入与频率有关相移基尔霍夫理论是描述球面子波相干叠加的理论,它在空域讨论光的传播。角谱理论是衍射的平面波理论,它在频域讨论光的传播。衍射孔径对角谱的效应z=0平面上一无穷大不透明屏 一孔 透射函数紧靠平面后的场设入射光角谱透射光角谱透射光角谱透射光角谱入射光角谱与角谱卷积由单个单位振幅平面波垂直照射时F(t)衍射孔径展宽了角谱 孔径越小 角谱越宽从空域看,孔径的作用限制了入射球面波的大小,从频域看,则是展

4、宽了入射光场的角谱.平面波照明时 透射光角谱F(t)2.5 透镜的Fourier 变换和成像性质 Fraunhofer衍射对应Fourier变换Fraunhofer衍射可由透镜系统获得透镜可以实现任一平面光场复振幅的Fourier变换Fourier光学基础 近代光学模拟计算方法的基础相干光信息处理的基础透镜系统可改变光波位相的空间分布或能对通过透镜的光进行位相的空间调制2.5.1 透镜的相位变换作用振幅透过率:S S S SP1qpSSx-yP2O1O2考虑透镜孔径有限2.5.2 透镜的Fourier 变换特性 d0pq点光源Sx0y0P2xy(x0,y0)物(x,y)(x,y)P1一、物体在

5、透镜前球面波物体输入面光波t(x0,y0)为物体透射系数过物体后光波Fresnel衍射 通过透镜后光场分布为p(x,y)乃透镜光瞳函数:透镜前表面光场在光源S的共轭像面(输出面）光场将U1代入得利用物像关系p-1+q-1=f-1 1、输入面在透镜前焦面d0=f 物体透射系数与衍射场复振幅是准确的F变换关系且与照明光源位置无关光源无限远 即平行光照明 变换面在后焦面光源与透镜为p 变换面在光源共轭像面 q=fp/(p-f)若令=x/f =y/f,表示x,y 方向空间频率T()为t(x0,y0)的傅立叶变换(1)分析物体的空间频谱(2)根据空间频谱研究物体结构近代光学变换 光学空间滤波 光学信息处

6、理 傅立叶变换全息傅立叶光学2、输入面紧靠透镜d0=0 二次位相因子平行光照明 p=q=f 充分利用透镜孔径3、物体在透镜前任意位置 平行光照明 q=f d0 f 放大实像d0 f 放大虚像二、物在透镜后 d0SpqP2xOx物像衍射谱U1O发散球面波会聚球面波(x0,y0)(x,y)(x,y)P1物面光场为(x,y)面上光场分布为过物体后光波代入U1得二次位相因子Fourier变换1、输入面紧靠透镜 d0=0 与输入面在透镜前相同 过透镜后光场均为2、输入面在透镜后任意位置 用平行光照明 q=f 输出面位置坐标与空间频率的比率为d,d=f-d0 3、输入面在透镜后任意位置 用点光源照明 距离为p输出面位置坐标与空间频率的比率为d,d=q-d0二次位相因子物体上任一点衍射的光在频谱面上不为平面波(波面弯曲)