傅里叶光学解析
2-1衍射和傅里叶光学基础详解
2.1.1 标准形式的一维非初等函数
（1） 矩形函数
又称为门函数，表示为
rect(x)
rect x 或 x
1
1 rect(x) 1/ 2
0
x 1/ 2 x 1/ 2 x 1/ 2
x -1/2 O 1/2
rect( x)dx 1
曲线下面积为1，表示矩形光源、狭缝或矩形孔的透射率
（2）sinc 函数
与某函数相乘使其极性翻转
sgn(x)
1 x
0 -1
（5）阶跃函数
• 定义：
1 step(x) 1/ 2
0
x0 x0 x0
step(x )
1 x
0
表示刀口或直边衍射物体或开关信号等
（6）圆柱函数
1 circ(r) 1/ 2
0
r 1 r 1 r 1
Circ (r)
1
y
x
O
1
circ(
x2 a
y2
22
1、直角坐标系中的二维非初等函数
(1)二维矩形函数，定义式为：
1
rect(x, y) rect(x)rect( y) 1/ 2
0
————可分离变量函数
| x | 1/ 2and | y | 1/ 2 | x || y | 1/ 2
| x | 1/ 2and | y | 1/ 2
rect(x, y)
1
在光学问题中，常用来描述一个均匀 照明方形小孔的振幅透射系数。
二维矩形函数的一般表达式为：
1
1
2
rect( x x0 , y y0 ) rect( x x0 )rect( y y0 )
图11
ab
傅里叶光学的实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 深入理解傅里叶光学的基本原理和概念。
2. 通过实验验证傅里叶变换在光学系统中的应用。
3. 掌握光学信息处理的基本方法，如空间滤波和图像重建。
4. 理解透镜的成像过程及其与傅里叶变换的关系。
二、实验原理傅里叶光学是利用傅里叶变换来描述和分析光学系统的一种方法。
根据傅里叶变换原理，任何光场都可以分解为一系列不同频率的平面波。
透镜可以将这些平面波聚焦成一个点，从而实现成像。
本实验主要涉及以下原理：1. 傅里叶变换：将空间域中的函数转换为频域中的函数。
2. 光学系统：利用透镜实现傅里叶变换。
3. 空间滤波：在频域中去除不需要的频率成分。
4. 图像重建：根据傅里叶变换的结果恢复原始图像。
三、实验仪器1. 光具座2. 氦氖激光器3. 白色像屏4. 一维、二维光栅5. 傅里叶透镜6. 小透镜四、实验内容1. 测量小透镜的焦距实验步骤：（1）打开氦氖激光器，调整光路使激光束成为平行光。
（2）将小透镜放置在光具座上，调节光屏的位置，观察光斑的会聚情况。
（3）当屏上亮斑达到最小时，即屏处于小透镜的焦点位置，测量出此时屏与小透镜的距离，即为小透镜的焦距。
2. 利用夫琅和费衍射测光栅的光栅常数实验步骤：（1）调整光路，使激光束通过光栅后形成衍射图样。
（2）测量衍射图样的间距，根据dsinθ = kλ 的关系式，计算出光栅常数 d。
3. 傅里叶变换光学系统实验实验步骤：（1）将光栅放置在光具座上，调整光路使激光束通过光栅。
（2）在光栅后放置傅里叶透镜，将光栅的频谱图像投影到屏幕上。
（3）在傅里叶透镜后放置小透镜，将频谱图像聚焦成一个点。
（4）观察频谱图像的变化，分析透镜的成像过程。
4. 空间滤波实验实验步骤：（1）将光栅放置在光具座上，调整光路使激光束通过光栅。
（2）在傅里叶透镜后放置空间滤波器，选择不同的滤波器进行实验。
（3）观察滤波后的频谱图像，分析滤波器对图像的影响。
五、实验结果与分析1. 通过测量小透镜的焦距，验证了透镜的成像原理。
傅里叶光学第1章 傅里叶分析
x, y x, ydxdy 0,0
x, y 是检验函数；要求检验函数是连续的、在一个有限区间
外为零，并具有所有阶的连续导数。
1、一些常用函数
✓ 函数的常用性质
a) 筛选性质
x x0, y y0 x, y dxdy x0, y0
b) 对称性
(x) (x)
c) 比例变化性质 d) 与其他函数的乘积
(x
x0 )
1
|
|
(x
x0
)
(
x
x0 b
)
b
(x
x0 )
f (x, y) (x x0, y y0 ) f (x0, y0 ) (x x0, y y0 )
1、一些常用函数
1、一些常用函数
✓二维情况
Байду номын сангаас
(x n, y m) comb xcomb y
n m
n
m
(x
na,
y
mb)
1 ab
comb
x a
comb
y b
应用
常用二维梳状函数表示点 光源阵列或小孔阵列的透 过率函数。
9）梳状函数( Comb function)
✓一维情况 沿x轴间隔为1的无穷个脉冲函数的和 沿x轴间隔为的无穷个脉冲函数的和
Comb(x) (x n)
n
Comb(x
n
)
第十四章傅里叶光学-文档资料
u
x y 1 v 1 d0 d0
~ x E 2, y 2
Ex ,y 1 1
~ Ex, y
t x ,y l 2 2
t x ,y 1 1
~ 而 FT E x ,y 1 1 A FT tx ,y A T u , v 1 1
2 f
~ ~ x E ,y 1 1 E x ,y 1 1
~ Ex, y
f
f
表明：透镜后焦面上的光场分布正比于 tl x ,y 衍射物体平面上复振幅的傅里叶变换。 tx 1 1 f ,y 1 1
jk 2 2 exp 2f x y ，后焦面上的位相分布与物体频谱的位相分布不
tx, y
tl x, y f
~ 2）紧靠透镜之后的平面上的复振幅分布E x ,y 1 1
~ 3）后焦面上的复振幅分布 Ex, y
,y 物体的复振幅透过率为tx ，则物体与透镜之间的平面上的 1 1 复振幅分布为 ~ E x , y A t x , y 1 1 1 1
k 2 2 代入上式得到 ~ 将 E x , y A t x , y exp j x y 1 1 1 1 1 1
jk 2 1 2 Ex, y exp x y j f 2f ~ x y FTEx 1, y 1 u 1 v 1
但是这种FT关系不是准确的。由于变换式前存在位相因子
一样，但他对观察平面上的强度分布没有影响，其光强为
A x y I x , y T , f f f f
光学成像的傅里叶光学解析
光学成像的傅里叶光学解析光学成像是一种利用光学原理来获取目标物体的图像或信息的技术。
傅里叶光学解析是与光学成像密切相关的一种数学分析方法，它可以帮助我们理解光学成像的原理和性能。
傅里叶光学解析是基于傅里叶变换的数学理论，该理论指出任何波形都可以分解成一系列不同频率的正弦波或余弦波的叠加。
在光学中，傅里叶光学解析将光波分解成不同的频率组成部分，并分析它们对成像的贡献。
在光学成像中，光线从物体表面反射或透过物体后进入成像系统，然后被透镜或其他光学元件聚焦成像。
而傅里叶光学解析则通过对光场的傅里叶变换，计算光场的频谱分布，进而解析出图像的信息。
傅里叶光学解析在光学成像中的应用广泛。
首先，它可以用于评估成像系统的成像性能。
通过分析光波的频谱分布，我们可以了解光学系统在不同频率上的传输特性，从而评估系统的分辨率和失真程度。
这可以帮助我们设计和优化成像系统，以获得更好的图像质量。
其次，傅里叶光学解析可以用于图像复原和重建。
在实际成像过程中，光波会受到各种因素的影响，如散射、衍射、干涉等，并且会产生噪声和畸变。
通过对光场进行傅里叶变换，我们可以在频域上对图像进行修复和重建，减少噪声和畸变的影响，提高图像的质量和清晰度。
此外，傅里叶光学解析还可以用于图像处理和分析。
光学成像获得的图像往往包含大量的信息，通过傅里叶光学解析，我们可以将不同频率的信息分离出来，进一步分析和处理图像。
例如，可以通过滤波的方法去除图像中的某些频率成分，突出图像中的某些特征或结构。
最后，傅里叶光学解析还可以用于其他光学应用，如光学显微镜、光学干涉仪、光学测量等。
通过应用傅里叶光学解析，我们可以获得更多的图像信息，并进一步深入理解和研究光学现象。
综上所述，傅里叶光学解析作为光学成像的数学分析方法，对于理解光学成像的原理和性能非常重要。
它可以帮助我们评估成像系统的性能，修复和重建图像，进行图像处理和分析，以及应用于其他光学领域。
通过深入研究和应用傅里叶光学解析，我们可以进一步推动光学成像技术的发展和创新。
物理光学-6傅里叶光学
y方向上
v 1 0 dy
( x) A exp i2 ux E
u
cos
为锐角， cos 0
u cos
xy平面 z=z0或z 0平面
为正值
上的位相值沿x正向增加
这一强度分布具有空间周期性， 在x方向和y方向的空间周期分别为： dx
cos 2 cos 1
,
dy
cos 2 cos 1
空间频率为 cos 2 cos 1 u ,
v
cos 2 cos 1
3. 衍射光波的空间频率 (Spatial frequency of diffraction Lightwave )
为钝角， cos 0
u cos
xy平面 z=z0或z 0平面
为负值
上的位相值沿x正向减小
空间频率的正负，仅表示平 面波的传播方向不同
2.平面波传播方向余弦为cos ,cos 的情况
( x, y ) A exp i 2 z cos exp i 2 x cos y cos E 0 2 A exp i x cos y cos
x
2
y
cos
2
1 u dx 1 dy
cos sin y
sin x
平面波矢量在xz平面内时，
u
sin x
0
空间周期的物理意义：（在z=0平面内讨论） 1）平面波沿k方向的空间周期；平面波沿任意方向 r 的空间周期。
光学经典理论傅里叶变换
光学经典理论｜傅里叶光学基础2018-02-24 17:00今天的光学经典理论为大家带来的是傅里叶光学基础，傅里叶光学是现代光学的一个分支，将电信理论中使用的傅里叶分析方法移植到光学领域而形成的新学科。
光学人们可以看看！在电信理论中，要研究线性网络怎样收集和传输电信号，一般采用线性理论和傅里叶频谱分析方法。
在光学领域里，光学系统是一个线性系统，也可采用线性理论和傅里叶变换理论，研究光怎样在光学系统中的传播。
两者的区别在于，电信理论处理的是电信号，是时间的一维函数，频率是时间频率，只涉及时间的一维函数的傅里叶变换；在光学领域，处理的是光信号，它是空间的三维函数，不同方向传播的光用空间频率来表征，需用空间的三维函数的傅里叶变换。
包含内容60年代发明了激光器，使人们获得了新的相干光源后，傅里叶光学无论在理论和应用领域均得到了迅速发展。
傅里叶光学运用傅里叶频谱分析方法和线性系统理论对广泛的光学现象作了新的诠释。
其主要内容包括标量衍射理论、透镜成像规律以及用频谱分析方法分析光学系统性质等。
推导演示一个光学信息系统和一个电学信息系统有许多相同之处，它们都是收集信息和传递信息，它们都有共同的数学工具──线性系统理论和傅里叶分析。
从信息论角度,关心的是信息在系统中传递过程;同样，对一个光学系统来讲，物和像的关系，也可以根据标量衍射理论由系统中光场的传播来确定，因此光学系统可以看成一个通信信道。
这样，通信理论中已经成熟的线性系统理论可以用来描述大部分光学系统。
当物体用非相干光照射时，在系统像平面上强度分布与物体上强度分布成线性（正比）关系。
而用来描述电学系统的脉冲响应h(t，τ)概念，即系统对一窄脉冲δ(t)（狄喇克δ函数）的响应，也可以用来描述光学系统，即用光学系统对点光源δ(x，y)的响应(点光源的像)h(x,y；ξ，η)来描述系统的性质，两者的区别仅仅在于电学系统的脉冲响应是时间一维函数，光学系统的脉冲函数是空间二维函数，另外两者都具有位移不变性，前者分布不随时间位移而变，后者分布不随空间位移而变（即等晕条件）。
第十四章傅里叶光学
E ( x1 , y1 )
2、点物在距透镜有限远的光轴上 、 设点物S位于距透镜为 l 的光轴上， 设点物 位于距透镜为 的光轴上， 则投射到透镜上的光波就是从S点 则投射到透镜上的光波就是从 点 发出的发散球面波。在傍轴近似下， 发出的发散球面波。在傍轴近似下， 它在透镜前平面上的场分布为
x12 + y12 ~ E ( x1 , y1 ) = A exp ik 2l
由于不考虑透镜的有限孔径大小， 由于不考虑透镜的有限孔径大小，则透镜的复振幅透过率为
2 2 x1 + y1 tl (x1 , y1 ) = exp − ik 2f
则紧靠透镜之后的平面上的复振幅分布为
E ′(x1 , y1 ) = tl ( x1 , y1 ) ⋅ E ( x1 , y1 ) k 2 2 = A ⋅ t (x1 , y1 ) exp− j x1 + y1 2f
(
)
{
}
所以
~ (x , y ) = A exp jk E jλ f 2 f
x y d0 2 2 1 − x + y ⋅ T , λf λf f
(
)
可见后焦面上的复振幅分布仍然正比于物体的傅里叶变换， 可见后焦面上的复振幅分布仍然正比于物体的傅里叶变换，到 有一个位相弯曲。 物体紧靠透镜结论与前面一致， 有一个位相弯曲。当 d 0 = 0 时，物体紧靠透镜结论与前面一致， 当 时 d 0 = f，式子变为 x y
tl ( x1 , y1 ) f
但是这种FT关系不是准确的。 但是这种 关系不是准确的。由于变换式前存在位相因子 关系不是准确的
jk 2 exp x + y2 2 f
光学_郭永康_第六章1.傅里叶变换
2. 空间频谱（spatial frequency spectrum） 简谐振动是最简单的周期性运动，几个简谐运动可合 成一个较复杂的周期性运动。 傅里叶分析：已知一周期性运动，求组成它的各个简 谐运动频率及相应振幅的方法。 所得的频率及相应振幅的集合为该周期性运动的频谱。 注意：频谱取一系列分立的值。
原函数
缝函数
x rect ( ) a 0
1
频谱函数
a 2 a x 2 x
asinc ( af )
absinc (af x )sinc (bf x )
aJ 1 ( 2a f x f y )
2 2
傅 里 叶 变 换 对
二维矩形函数 1 x y rect( )rect( ) a b 0
1 2
1 2
g ( x) exp (ax )
(x)
1
1
2f 2 exp( ) a a
函数
常数
( f )
函数 定义：
( x) 0
x0 x0
( x) dx 1
单缝函数在缝宽趋于零时的极限
函数---点光源
T ( x)
{0
1
md x (2m 1)d / 2, m 0,1,2
其他
展开为傅里叶级数
1 2 2 2 T ( x) sin( 0 x) sin( 3 0 x) sin( 5 0 x) 2 3 5 v0 0 / 2 1 / d 0 2 / d
Contents
chapter 6
傅里叶变换 Fourier transformation 衍射理论中的傅里叶方法 the method of Fourier in diffraction theory 理想薄透镜的傅里叶变换作用 Fourier transform in the thin lens 阿贝成像原理 Abbe imaging principle 空间频谱滤波 spatial frequency filtering 光全息术 holography
光学第六篇傅里叶变换光学简介
复杂波场： 分解为一系列平面波或球面波成分
波的类型和特性 波前相因子
波前相因子
方向角的余角
线性相因子
系数（cosx，cosy）或 （sin1，sin2）与平面 波的传播方向一一对应。
U2 U1
ik x2 y2
e 2fBiblioteka 凹透镜和凸透镜的情况相同，
只是焦距一个为负，一个为正。
相位型
例题：求薄透镜傍轴成像公式：
在傍轴条件下：U1 ( x,
y)
ik x2 y2
A1e 2s
ik x2 y2
透镜函数：tL (x, y) e 2 f
s
s’
ik x2 y2
ik x2 y2
U2 (x, y) tL (x, y)U1(x, y) e 2 f
二维 tP ( x, y) eik (n1（) 1x+2 y)
例题：推导棱镜傍轴成像公式：
傍轴条件：
ik x2 y2
s
U1(x, y) A1e 2s
ik x2 y2 ik (n1) x
U2 (x, y) tP (x, y) U1(x, y) A1e 2s
(n1)s 2 x(n1)s 2 y2
第六章 傅里叶变换光学简介
第六章 傅里叶变换光学简介
1、衍射系统 波前变换 2、相位衍射元件 3、波前相因子分析法 4、余弦光栅的衍射场 5、傅里叶变换 6、超精细结构的衍射 隐失波 7、阿贝成像原理与空间滤波 8、光学信息处理列举 9、泽尼克的相衬法
惠更斯-菲涅耳原理 光波衍射
菲涅耳衍射 夫琅禾费衍射
二维波前 决定 三维波场
二维波前 决定 三维波场
Double-helix Point Spread Function (DH-PSF) DH-PSF transfer function obtained from the iterative obtimization procedure, and its GL modal plane decomposition, which forms a cloud around the GL modal plane line. The DH-PSF transfer function does not have any amplitude component, and consequently is not absorptive.
傅立叶光学第一章总结
第一章 傅里叶分析第一章内容为傅里叶光学课程的数学基础。
主要介绍了δ函数的定义及其相关性质，由δ函数引申出梳状函数。
介绍了其他一些常用函数：阶跃函数、符号函数、矩形函数、三角形函数、sinc 函数、高斯函数和圆域函数等，主要用于表述振幅透过率或者光强分布等。
重点讲解了以上常用函数的傅里叶变换以及傅里叶变换的主要性质。
另一个重要内容是卷积与相关性，它们在后续的学习中均有十分重要的应用。
δ函数：常用于描述点质量、点电荷、点光源等在某一坐标系中高度集中的物理量。
○1筛选性：()()()0000,,d d ,x x y y x y x y x y δφφ∞--=⎰⎰ ○2比例变换性：()()1,,ax by x y abδδ= ○3与普通函数乘积：()()()()000000,,,,f x y x x y y f x y x x y y δδ--=--梳状函数：常用于对其他函数作等间距抽样。
○1()()n comb x x n δ∞=-∞=-∑ ○2()1n x comb x n δτττ∞=-∞⎛⎫=- ⎪⎝⎭∑ ○3与普通函数乘积：()()()1n x f x comb f n x n τδτττ∞=-∞⎛⎫=- ⎪⎝⎭∑卷积：()()()(),,,,d d f x y h x y f h x y ξηξηξη∞*=--⎰⎰○1展宽：一般卷积的宽度等于被卷积函数宽度之和； ○2平滑化：被卷积函数经卷积运算，其细微结构在一定程度上被消除。
相关：包括自相关与互相关。
互相关是两个信号之间存在多少相似性的量度；自相关是同一函数自变量相差某一大小时，函数值间相关的量度。
对于周期函数（满足狄里赫利条件），可以将其展开为傅里叶级数形式，包括三角傅里叶级数和指数傅里叶级数；它的傅里叶系数是频率的函数，称为频谱函数，是离散的。
对于非周期函数，可以作傅里叶变换，它的频谱函数是连续的。
主要讨论傅里叶变换：空间域 ()()(),,exp 2d d x y x y x y g x y G f f j xf yf f f π∞⎡⎤=+⎣⎦⎰⎰ 频域 ()()(),,exp -2d d x y xy G f f g x y j xf yf x y π∞⎡⎤=+⎣⎦⎰⎰ 卷积定理：()(){}()()()(){}()(),,,,,,,,x y x yx y x yg x y h x y G f f H f f g x y h x y G f f H f f *==*常见傅里叶变换对：见课本p39。
傅里叶变换光学课件
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。
• 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。
52
除0级外，全开放 53
振动（电场强度）分布 像平面
4F系统
• 物平面O，变换平面T，像平面I：OTI系统
54
空间频率滤波举例 1. 网格实验
频 谱
像
(a)
(b)
(c)
焦平面 谱面
像面
(d)
55
➢若只让焦平面上的亮点透过在象平面上出现清洁 的光栅图形--其它图形滤掉。 ➢若挡住焦平面上的亮点在象平面上出现消除了光栅 线条的图形。
45
空间滤波
• 空间频率与波的衍射角相关， 可以据此做成低通、高通或带通的滤波装置
衍射屏或物的空间频率
低通
高通
带通
46
低通
高通
带通
47
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
48
像平面 可调光阑
傅氏面
黑白光栅
49
(c)
(d)
61
θ调制
0级
x
1级
光缝
花白 底白 叶白
蓝绿红 蓝绿红 蓝绿红
花
叶
底 红 绿蓝
白
底
蓝绿 红
花 叶
62
相衬显微镜
• 很薄的透明样品，例如生物切片，对光的 吸收很小，因而不同的部分反差较小，在 显微镜下观察，不容易分辨细节。这类样 品，不会引起透射光振幅的改变，所以不 是振幅型的；但由于各处折射率并不相同， 因而透射光的相位会有改变，是相位型的。
傅里叶光学 衍射
傅里叶光学衍射
傅里叶光学是一种基于傅里叶变换的光学分析方法，用于研究和描述光的传播、传输和干涉等现象。
衍射则是傅里叶光学中的一个重要概念，指的是光波在通过绕射物体或在光学衍射装置中遇到不同障碍物或孔径时发生的偏折、干涉和广泛分布的现象。
当光波通过一个物体或孔径时，由于光的波动性，光波在物体边缘处发生弯曲，并产生干涉、衍射效应。
这导致光波的幅度和相位在空间中发生变化，进而在接收屏幕上形成特定的光强和亮度分布。
衍射现象可以通过傅里叶光学的数学表达进行理解和描述。
根据傅里叶光学的原理，复杂的光波可以被分解成一系列具有不同频率的简单正弦波。
衍射可以被看作是这些不同频率的波在空间中互相干涉和综合的结果。
傅里叶光学提供了描述衍射现象的数学工具和方法，例如使用傅里叶变换分析光的传播和干涉，以及通过傅里叶光学的逆变换来重建或模拟复杂的光场。
衍射现象在许多光学应用中发挥着重要作用，例如在光学衍射实验中观察衍射图样，可用于分析和测量光源、物体的结构和特性。
此外，衍射也被广泛应用于光学显微镜、天文望远镜、激光技术等领域，为光学系统的设计和优化提供
重要参考。
物理光学A---第六章 傅里叶光学
频 谱 面
物 面 高频信息
阿贝成像原理的意义在于:它以一种新的 频谱语言来描述信息,它启发人们用改造频谱 的方法来改造信息.
3.空间滤波和光学信息处理
(1)
x
阿贝-波特空间实验
光
x
a / d 1/ 3
光 栅
栅 的
频
谱
频 谱 面
像 面
光栅的像是一 条条直条纹
光栅的夫琅和费衍射图样,记 录下光栅的空间频率信息.
x
光 栅 的 频 谱
I ( x)
傅氏面上的光阑 只让零级通过. 它是一个低通滤 波器.
屏幕上光 强分布
屏上无条纹
控制频谱就控制了像面
x
光 栅 的 频 谱
傅氏面上的光 阑让零级和正 负一级通过.
屏幕上光 强分布,是 基频和直 流成分
屏上有细小 的 亮 条 纹.．
2 cos( 2 5 p0 x) 5
上式表明,图中表示的矩形波可以分解为不同频 率的简谐波,这些简谐波的频率为
1 3 5 p , , , , d d d
这里p称为空间频率. P0是p的基频.
有时称P0=1/d是矩形波函数的频率,但这 不是严格意义上的频率, 只有简谐波(正弦波 和余弦波)的频率才是严格意义上的频率. 透过率函数也可用复数傅里叶级数表示:
失网 格 的 像 灰 尘 消
(3)
调制实验
用白光照明透明物体,物体的不同部分是 由不同取向的透射光栅片组成.频谱面上(除 零级外)干涉主极大呈彩色.物面上不同的部 分的频谱在不同方向上. 将一个方向的频谱, 只保留一种颜色,滤掉其余的颜色,其对应的 象面上,就显示出该频率的颜色来.
《傅立叶变换光学》课件
光学设计：傅立叶光学在光学设计 领域也有着广泛的应用，如光学系 统设计、光学器件设计等。
傅立叶变换光学的发展历程
1807年，傅立叶提出傅立 叶变换理论
19世纪末，傅立叶变换在 光学领域得到应用
20世纪初，傅立叶光学理 论逐渐成熟
20世纪中叶，傅立叶光学 在成像、通信等领域得到 广泛应用
21世纪初，傅立叶光学在 生物医学、遥感等领域得 到进一步发展
傅立叶变换光学的应用领域
光学成像：傅立叶光学在光学成像 领域有着广泛的应用，如光学显微 镜、光学望远镜等。
光学测量：傅立叶光学在光学测量 领域也有着广泛的应用，如光学干 涉测量、光学衍射测量等。
添加标题
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添加标题
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光学通信：傅立叶光学在光学通信 领域也有着广泛的应用，如光纤通 信、光波导通信等。
傅立叶变换在调制和解调中的应用
傅立叶变换在调制中的应用：将信 号从时域转换为频域，便于传输和 处理
傅立叶变换在信号处理中的应用： 通过傅立叶变换，可以对信号进行 滤波、压缩、加密等处理
添加标题
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添加标题
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傅立叶变换在解调中的应用：将接 收到的信号从频域转换回时域，恢 复原始信号
傅立叶变换在通信系统中的应用： 傅立叶变换在通信系统中广泛应用， 如数字通信、无线通信、卫星通信 等
频谱分析：分析信 号的频率成分和能 量分布
滤波处理：通过傅 立叶变换进行滤波 处理，去除噪声或 提取特定频率成分
信号重构：将处理 后的频谱通过傅立 叶逆变换重构为时 域信号
图像的频谱分析和处理
傅立叶变换：将 图像从空间域转 换到频域
频谱分析：分析 图像的频率成分 和分布
频谱处理：对图 像的频率成分进 行修改和调整
现代光学第3章 傅里叶光学基础
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第3章 傅里叶光学基础
1) 索末菲辐射条件和SR上的积分 对于SR面上的积分，由于基尔霍夫积分定理中积分面 的选择的任意性，可以假定R→∞， 则SR为趋于无限大的 半球壳。考虑到U和G在SR面上都按1/R随R的增大而减小， 所以，R→∞时，在SR面上被积函数趋于零，但同时积分面 的面积SR按R2增大，故不能直接认为SR面上的积分为零。 下面具体讨论SR面上的积分。当R很大时，在SR面上有
(3.1-22)
相应光强分布为
(3.1-23)
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第3章 傅里叶光学基础
3.1.3 瑞利-索末菲衍射公式
索末菲通过巧妙地选择格林函数G，排除了边界条件
中对U和
同时规定为零的要求，从而克服了基
尔霍夫理论的不自恰性。在解决了SR上的积分之后，式 (3.1-12)简化为
(3.1-24)
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第3章 傅里叶光学基础
(3.1-3)
5
第3章 傅里叶光学基础
式中: c为光在真空中的速度;
为拉普
拉斯算符。把式(3.1-2)代入式(3.1-3)，得到自由空间单色
光场满足的波动方程为
(3.1-4)
式中: k=2πν/c=2π/λ为波矢量的大小。该式称为亥姆霍兹方 程。这表明自由空间传播的任何单色光波的复振幅必然满 足亥姆霍兹方程。
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第3章 傅里叶光学基础
于是式(3.1-7)简化为 或
12
(3.1 -8)
第3章 傅里叶光学基础
在Sε面上，n与r处处反向，有 故
(3.1-9)
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第3章 傅里叶光学基础
令ε→0，则有
(3.1-10)
14
第3章 傅里叶光学基础
5-第五章傅里叶光学
平面波的复振幅分布与空间频率
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2π 2π E ( x) A exp i z0 cos γ exp i x cos α λ λ 2π A 'exp i x cos α λ
~
λ x方向空间周期： d x cos α
参考书
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Introduction to Fourier Optics_Third edition, Dec. 2004.
吕乃光，傅里叶光学，第二版，机械工业出版社，2007 吕乃光，周哲海，傅里叶光学 概念.题解，机械工业出版社， 2008 Ronald N. Bracewell, The Fourier transform and its application, Third edition, McGrawHill, 2000
本章内容和组织结构
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5.6 相干成像系统分析及相干传递函数 成像系统的普遍模型，成像系统的线性和空间不变性，点扩展函数概 念，扩展物体成像，相干传递函数（CTF）概念。 5.7 非相干成像系统分析及光学传递函数 非相干成像系统的光学传递函数（OTF）概念，CTF与OTF的关系， 典型孔径的OTF。 5.8 阿贝成像理论和阿贝-波特实验 阿贝二次衍射成像理论，阿贝-波特实验及空间滤波概念。 5.9 相干光学信息处理 相干光学信息处理的应用：泽尼克相衬显微镜、激光束去噪、集成电 路瑕疵检查、图像加减、图像识别。 5.10 非相干光学信息处理 非相干光学处理的应用：孔径光阑的高斯切趾及变迹。
二维傅里叶变换
二维傅里叶变换：
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E ( x, y) ε(u, v) exp i 2π ux vy dudv
§8.2 傅里叶(Fourier)变换光学系统
§8.2 傅里叶（Fourier）变换光学系统光学信息处理的任务是研究以二维图像作为媒介来进行图像的识别、图像的增强与恢复、图像的传输与变换、功率谱分析和全息术中的傅里叶全息存储等。
而担任上述任务的数学运算是傅里叶变换，光学成像透镜就具备这种二维图像的傅里叶变换特性。
当然傅里叶变换运算可通过电子计算机来实现，但由于二维图像的信息容量大，需使用复杂而昂贵的电子计算机，且需一定的计算时间，由光学透镜组成的相干光学处理系统，可简单而迅速地完成二维图像的傅里叶变换运算，因此讨论光学透镜的傅里叶变换特性及其设计问题是非常必要的。
一、光学透镜的傅里叶变换特性由标量衍射理论可知，振幅分布为f(x,y)的物体，其夫琅和费衍射场的振幅分布为式中, (x,y)为物面坐标，(xf,yf)为衍射场坐标。
令因此夫琅和费衍射过程实际上就是一个傅里叶变换过程，衍射场即为频谱面。
若把频谱面再进行一次傅里叶变换，可得令x'=-x,y'=-y，则有f(x',y')=f(x,y)。
因此物函数f(x,y)经二次傅里叶变换后，仍可得到原函数f(x',y')，只不过函数的坐标发生了倒置。
若在第一次变换后的频谱面上插入各种不同用途的空间滤波器或掩膜板来改变输入物体的频谱状态，就可以达到各种光学图像的处理目的。
当傅里叶变换物镜满足某些特定的成像要求时，上述4f系统可获得严格的傅里叶变换关系，这是因为当平行光垂直照射输入物面(x,y)时，在输入面上要发生衍射，不同角度的衍射光经透镜L1后，在后焦面（频谱面）上形成夫琅和费衍射图像。
为了获得清晰而位置正确的夫琅和费衍射图像，也就是说为了获得严格的物面傅里叶频谱，傅里叶变换物镜应满足以下成像要求，即具有相同衍射角的光线经透镜变换后，应聚焦于焦平面上的一点，而不同衍射角的光线经透镜变换后，应聚焦于焦面上的不同点处，形成各级频谱。
对傅里叶变换物镜L来说，其成像关系为，若把其像方焦面作为像面，其物面应位于物方无限远，孔径光阑应位于透镜L的前焦面上，构成像方远心光路。
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20世纪上半叶
20世纪40年代至 60年代 20世纪60年代以来
1、傅里叶光学的发展历史
5）现代光学发展的三件大事
✓ 1948年，全息术的诞生，物理学家第一次精确地拍摄下一张立体的物体 像，它几乎记录了光波所携带的全部信息 (这正是“全息”名称的来历)！ ✓ 1955年，科学家第一次提出“光学传递函数”的新概念，并用它来评价 光学镜头的质量。 ✓ 1960年，一种全新的光源-激光器诞生了，它的出现极大地推动了相关学 科的发展。
2、傅里叶光学的研究内容和研究方法
1）傅里叶光学基于傅里叶变换的方法研究光学信息在线性系统中的 传递、处理、变换与存储等。 2）傅里叶光学主要的研究内容包括： ✓光在空间的传播（衍射和干涉问题） ✓光学成像（相干与非相干成像系统） ✓全息术（包括计算全息） ✓光学信息处理（相干滤波、相关识别等） ✓光学变换、光计算、光学传感等 3）傅里叶光学主要的研究方法：
傅里叶光学 Fourier Optics
薛常喜 光电工程学院
1、傅里叶光学的发展历史
1）光学是一门古老的学科，主要研究光波的本性、光 波
的传播以及光与物质的相互作用。 2）光学的发展历史可以追溯到公元前5世纪，到目前 已经
有2000多年的历史，并逐渐在物理学中形成了一门 独立
的基础学科。 3）光学的发展历史可以看成是人们对光本性认识的历
史，以及人们利用光学技术推动社会不断进步的历 史。 4）在整个发展历史中，光学也从经典光学发展到现代
光学的发展历程
第一阶段：17世纪 中叶之前
经典光学的早期发 展阶段
【几何光学】
第二阶段：17世纪中 叶至19世纪
经典光学的快速发展 阶段【波动光学】
✓触觉论、发射论 ✓直线传播、小孔成像、光 的反射和凹凸面镜反射成像 ✓Snell折射定律、费马原理
✓波动学说和粒子学说之争 ✓Maxwell电磁波理论 ✓迈克尔逊-莫雷以太实验
第三阶段：20世纪
现代光学的诞生及 发展阶段
✓量子力学、相对论、波粒 二像性、物质波理论
✓全息术、光学传递函数 及激光器的诞生
✓量子光学、傅里叶光学、 薄膜光学、集成光学、非线 性光学、光纤光学等现代光 学分支的诞生
公元前5世纪
6）20世纪50年代
✓数学、电子技术、通信理论与光学相结合，给光学引入了频谱、空间 滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，从而形成了一门新的光学学 科—傅里叶光学！
✓傅里叶变换和通信中的线性系统理论使光学与通信在信息学领域统一起来，从 “空域” 走向“频域”。 ✓ 光学不再仅限于用光强、振幅和透过率的空间分布描述光学图像，也用空间频 率的分布变化描述光学图像。
傅里叶变换+线性系统理论
3、本课程的主要内容
课程内容安排
第一章 傅里叶变换 第二章 二维线性系统 第三章 标量衍射理论 第四章 透镜的位相调制和傅里叶变换性质 第五章 光学成像系统的频率特性 第六章 部分相干理论 第七章 光学全息 第八章 光学信息处理 第九章 激光散斑及其应用
从信息光学角度进一步阐述傅里叶光学
兴科学的发展，与应用光学相互渗透，相互交叉，产生了 一系列光学学科中新的生长点。
现代应用光学与光学工程就其范围来说，分为： ①光能量技术 ②光信息技术 1.光能量技术主要包括：照明工程；激光武器；激光加工； 太阳能利用等
2.光信息技术主要包括： A.光学量测试技术
它以光强、位相、波长、频率、旋光度等光信息的空间 分布和随时间的变化作为测试对象，或者将非光量信息转 换为光信息加以测量，如光谱分析、光度测量干涉计量、 莫尔条纹测量等等 B.光信息处理
它以信息光学为基础，用付里叶分析的方法研究光学成 像和光学变换的理论和技术；实现图像的改善和增强，图 像识别，图像的几何畸变与光度的规整和纠正，光信息的 编码、存储和成图技术，三维图象显示和记录，仿生视觉 系统，以及电、声等非光信号的光信息处理等等。 C.光纤通信
1、傅里叶光学的发展历史
6）20世纪60年代以来
✓ 由于激光器的应用，全息术获得了新的生命； ✓ 全息术和光学传递函数的概念结合，光学研究的内容和方法发生了改变
传统上，用光强、振幅的 空间分布来描述光学图像
现在，则把图像看作是由缓慢变化的背景、粗 的轮廓等比较低的“空间频率”成分和急剧 变化的细节等比较高的“空间频率”成分构成 的，用频率的分布和变化来描述光学图像。
信息分为两种类型：
1.能量传递和转换为特征
18世纪60年代的工业革命，以纺纱机和蒸汽机的发明为 先导。
2.信息科学的形成
20世纪中叶以来，随着自动控制，通讯，电子计算机的 迅猛发展。
从而认识到信息运动是物质运动总体的一个方面，它与 能量运动存在于统一的物质运动中。
信息的表现形式多种多样 例如：①人的语言是社会信息
②遗传密码是生物信息 ③计算机程序是技术信息 信息借助一定的物质作为载体才能存在、传递或变换， 同时必须伴有一定的能量。 信息的变换过程包括信息的接受，存、光的产生、传输、接收及光与物
质相互作用规律和特性的一门科学。 人们主要是从光的能量和信息两个侧面加以研究。 随着电子技术、半导体技术、计算机技术、信息论等新
“空域”
“频域”
✓ 傅里叶光学（又称信息光学）最终形成一个重要的学科分支。
7）随着计算机技术的发展，信息光学也获得了巨大发展，信息光学逐 渐发展成为集光学、计算机和信息科学相结合的一门技术，成为信息科 学的一个重要组成部分和现代光学的核心之一。
3、本课程的主要内容
1）课程将从三个方面介绍傅里叶光学的基本内容 一、信息光学的基础理论，包括傅里叶变换、线性系统 理论、标量衍射理论、传递函数理论等； 二、信息光学的主要应用，包括光学全息、计算全息、 空间滤波、光学相干和非相干处理等； 三、信息光学的最新发展动态，如激光散斑、分数傅里 叶变换等。 2）具体安排见下页
主要内容
1.引言——信息 2.光学信息光信息处理的优势 3.光信息处理发现的历史 4.光信息处理作为一个新的技术科学分支还远远没有达到成 熟和广泛实用阶段。 5.具体体现： 6.课程学习要求达到目的
一．引言——信息
科学技术是组成社会生产力的一个重要因素，社会生产 水平最终决定人类改造自然的能力和范围，也就决定了科 学技术工作的任务，性质和规模。