《傅里叶光学导论》历年考题.

《傅里叶光学导论》历年考题
2002/2003(开卷)
1.(24分) 一个衍射屏的振幅透射率函数为)()cos 2121()(2l
r circ r r t β+=。

(1)这个屏的作用在什么方面像透镜？
(2)给出此屏焦距的表达式。

(3)当用波长为m μλ6.0=的单色平面波垂直照明时，若23.0mm =β，mm l 20=，在其中的会聚焦点处的艾里斑半径0r 为多大（略去其他两项光束背景影响）？
2.(20分) 某周期性物体的振幅透过率)()(nd x x t n -∑=∞
-∞=δ，假定用均匀的平面波垂直照明，试证明这个物体是“自成像”的，意即物体后面周期性距离上能成自身的理想像，而不需要透镜。

3.(24分) 一成像系统光瞳函数为)2
/()2/()()(),(l y rect l x rect l y rect l x rect y x P -=，mm l 20=，成像透镜焦距mm f 200'=，物像距mm d d o i 400==，照明波长m μλ5.0=。

(1)用非相干光照明时，求
)2(2000i
x d l f f f f λ=≤≤，这一区间的光学传递函数)0,(x f ℘，画出截面图（请注明标度尺）。

(2)用非相干光照明强度透射率)2cos 1(2
1)(02x f m x I π+=的物体，其中mm f 周252=，试求出其像的强度分布。

(3)用相干光照明时，求其频率传递函数)0,(x f H ，画出)0,(x f H 的截面图（请注明横纵坐标的标度尺）。

(4)用相干平面波垂直照明振幅透射率为)2cos 1(2
1)(01x f m x t π+=的物体，其中mm f 周5.371=，试求出其像的强度分布。

4.(20分) (1)波长m μλ
5.0=的单色平面波。

（cm x 1043⨯=，cm y 104
1⨯=，cm z 1023⨯=）。

试求光场x 轴和y 轴的空间频率。

(2)已知一个相干成像系统的截止频率cm c f 5000=，像面大小为cm cm 11⨯，最少可用多少个抽样点取值来表示。

5.(12分) 在相干处理的4F 系统中，1P 面输入函数为)2cos 1(21),(111d
x y x s π+=，2P 面频谱函数x y x f j f f H π2),(=，试求3P 面上的输出函数),(33y x f 。

2005/2006(开卷)
1.(16分) (a)为直径d 的圆形孔径，(b)为直径d 的不透明圆盘。

在垂直入射的单位振幅的单色平面波照明下，求透射场的角谱，并比较两种情况下，夫琅禾费衍射图样的分布有何异同。

2.(16分) 用相干成像系统对一振幅透射率函数为)~2cos 1(2
1),(0x f m y x t π+=的物体成像。

设其频率f ~足够低，可以通过此系统，并且忽略放大和系统的总体的衰减。

(1)若系统无像差，求像平面上的强度；
(2)证明：同样的强度也出现在无穷多个未聚焦好的像平面上。

3.(18分) 一个衍射屏的振幅透射率函数为)()cos 2121()(2l
r circ r r t β+=。

(1)这个屏的作用在什么方面像透镜？
(2)给出此屏焦距的表达式。

(3)当用波长为m μλ6.0=的单色平面波垂直照明时，若23.0mm =β，mm l 20=，在其中的会聚焦点处的艾里斑半径0r 为多大（略去其他两项光束背景影响）？
4.(14分) 一个具有圆形出射光瞳的聚焦严重失调的光学系统，其圆形出射光瞳的直径为l ，最大的光程偏差为ω，理想像距为i d ，求该系统的光学传递函数OTF 。

当最大光程差为λω2=时系统的有效截止频率是多少？
5.(36分) 一成像系统光瞳函数为)2
/()2/()()(),(l y rect l x rect l y rect l x rect y x P -=，mm l 20=，成像透镜焦距mm f 200'=，物像距mm d d o i 400==，照明波长m μλ5.0=。

(1)用非相干光照明时，求
)2(2000i
x d l f f f f λ=≤≤，这一区间的光学传递函数)0,(x f ℘，画出截面图（请注明标度尺）。

(2)用非相干光照明强度透射率)2cos 1(2
1)(02x f m x I π+=的物体，其中mm f 周252=，试求出
其像的强度分布。

(3)用相干光照明时，求其频率传递函数)0,(x f H ，画出)0,(x f H 的截面图（请注明横纵坐标的标度尺）。

(4)用相干平面波垂直照明振幅透射率为)2cos 1(2
1)(01x f m x t π+=的物体，其中mm f 周5.371=，试求出其像的强度分布。

2012/2013(开卷)
1.(30分) 一沿Z 方向传播的单色光源在0z 处),(00y x 平面上光场为),(00y x U ，在1z 处),(11y x 平面上光场为),(11y x U ，给出该自由传播过程的脉冲响应，相干传递函数，并说明其意义，在考虑菲涅耳近似、夫琅禾费近似的条件下，分别给出响应的脉冲响应。

2.(40分) 一薄正透镜的中心厚度为0∆，折射率为n ，焦距为f ，有效口径为D ，由费马原理给出傍轴条件下该透镜的屏函数。

设一透过率函数为),(0y x t 的物体紧贴该透镜放置，且物体尺寸小于透镜的口径D ，用一单位振幅的单色平面波垂直照射物体，给出透镜后焦面上的场分布，并说明该场分布与物函数的关系；在满足相干成像条件下给出该薄正透镜这一简单光学成像系统的脉冲响应（波长λ，焦距f ，物距o d ，像距i d ）。

3.(30分) 一个具有圆形出射光瞳的光学系统，其圆形出射光瞳的直径为l ，求其理想成像的相
干传递函数（理想像距为i d ）；若该系统出射光瞳直径cm l 6=，光瞳与像面的距离cm d i 20=，用nm 600=λ的单色平行光照明一余弦光栅，要在像平面上得到该光栅的精准像，问余弦光栅的空间频率不能超过多少？若该系统聚焦严重失调，最大光程偏差为ω，求该系统的光学传递函数OTF 。

当最大光程差为λω2=时系统的有效截止频率是多少？
？/？(开卷)
1.(20分) 一束波长为m μλ75.0=的单位振幅的平面波，垂直入射照明一个透镜，透镜的直径为cm 5，焦距为cm 2，在透镜后方m 5.0处，以透镜轴为中心，放着一个物体，其振幅透过率
)()()2cos 1(21),(000000l
y rect l x rect x f y x t π+=，假定cm l 10=，cm c f 1000=。

(1)求出焦平面光强度),(f f f y x I 的表达式。

(2)画出),(f f f y x I 沿f x 的分布图，指出各衍射分量的高度、位置及宽度数值。

2.(20分) 用相干成像系统对一振幅透射率函数为)~2cos 1(2
1),(0x f m y x t π+=的物体成像。

设其频率f ~足够低，可以通过此系统，并且忽略放大和系统的总体的衰减。

(1)若系统无像差，求像平面上的强度；
(2)证明：同样的强度也出现在无穷多个未聚焦好的像平面上。

3.(30分) 一个非相干成像系统，其光瞳函数是宽度为l 的正方形，在出射光瞳中心放一个宽度为4
3l 的正方形光阑。

(1)画出没有光阑时OTF 的截面图。

(2)在没有光阑时，假定cm l 2=，m μλ5.0=，像距cm d i 20=，求出强度场)2cos 1(21
),(01000x f m y x I π+=所成像的强度分布，其中cm c f 30001=。

(3)求出有光阑时的OTF ，并画出其截面图。

(4)若存在较严重的系统误差，求有光阑时几何光学所预言的OTF 。

4.(30分) 填空题（无）
？/？(开卷)
1.(20分) 某物体具有如下性质：它的振幅透过率中全部频率分量都在频率平面内的一个圆圈上，圆的半径为⋅⋅⋅==,3,2,1,0,2m ma m ρ，假定用均匀的平面波照明，并忽略物体的大小有限引起的衍射效应，试证明这个物体是自成像的，即物后周期性距离上成像，而不需要透镜。

2.(24分) 一个衍射屏的振幅透射函数)()cos 2121()(2l
r circ r r t α+=。

(1)这个屏的作用在什么方面像一个透镜？
(2)给出此屏焦距的表达式。

(3)什么特性将会严重地限制这种屏作为成像装置？
(4)用m μλ5.0=，空间频率cm c f x 1000=，cm c f y 0=的平面波倾斜照明此屏，写出紧贴屏后的光场分布，若2510m μπα-⨯=时，求出它的会聚焦点的坐标),,(z y x 。

3.(1)(10分) 用)sin 2exp(2y j R λθ
π-=和)}({11a
x rect F f O λ=的干涉条纹制成Lugt 滤波器，将它放置在4f 系统的谱面上，4f 系统的输入面用函数)(),(111a
x rect y x g =输入，平面波（m μλ6.0=），沿光轴入射，各透镜焦距均为cm f 10=，当mm a 5=，︒=30θ时，卷积项中心到光轴距离为多大？卷积项范围有多大？
(2)(6分) 推导出圆孔光瞳)2
/(),(2
2l y x circ y x P +=的非相干成像系统有严重聚焦误差时的几何光学所预言的OTF 。

(3)(4分) 写出基尔霍夫理论所给出的惠更斯-菲涅耳原理中的子波的特性。

(4)(6分) 一个空间有界物只在cm y cm x 2,1≤≤之内有不为零的值，在其频域的cm c f cm c f y x 2000,1000≤≤之内至少要多少个抽样点上的值才能近似表示该范围的频谱。

4.(30分) 一个非相干成像系统的光瞳函数)()()()(),(b
y rect b x rect a y rect a x rect y x P -=，其中3
,l b l a ==。

(1)推导出)0,(x f ℘的表达式。

(2)画出)0,(x f ℘的截面图，应标明x f 频标值。

(3)若成像系统的透镜焦距cm f 10=，物距cm d o 20=，cm l 1=，照明波长m μλ5.0=。

①用非相干照明和强度正弦试样物)2cos 1(2
1),(x f m y x t π+=来成像，当cm c f 600=时，求像的强度分布。

②用相干光照明和振幅正弦试样物)~2cos 1(2
1),(0x f m y x t π+=来成像，当cm c f 125~=时，求像的强度分布。

(4)当b 增大趋近a 时，求该极限情况的a b x f →℘)0,(的表达式，并画出截面图。