信息光学第二版课后答案苏显渝版
信息光学第二版课后答案-苏显渝版可修改全文
4如图所示的等腰直角三角形孔径放在透镜的前焦平面上，以单 位振幅的单色平面波垂直照明，试求透镜后焦面上的夫琅和费衍 射图样的复振幅分布。
y0 y0 x0
U(x, y)
1
jf
exp(
jkf
) e xp
j
k 2f
(x2
y
2
)
45 0 45
x0 a
x0
2
U0( x0 ,
y0 ) exp
0
其它
1.5 计算下列一维卷积
(1) (2 x 3) rect( x 1)
2
(2) rect( x 1) rect( x 1)
2
2
(3) com b( x) rect( x)
解（1）
(1) (2 x 3) rect( x 1) 1 ( x 3 ) rect( x 1)
2 z
2z
I
(0,0,
z
)
4
sin2
a 2
2
z
1 exp( j2x) 2 j exp( jx)sin x
2.1 焦距f=500mm，直径D=50mm的透镜将波长 632.8nm
的激光束聚焦，激光束的截面D1=20mm。试求透镜焦点处 的光强是激光束光强的多少倍？
解：设入射激光束的复振幅A0，强度为 I0 A02 通过透镜后的出
(1)
sinc4( x)
( ) ( )d
( )
1
1
0 (1 )2d 1 (1 )2d 2
1
0
3
(2)
sinc2( x)cos xdx
1 ( ) ( 1 )d 1 ( ) ( 1 )d
2
2
信息光学(第二版)01-引言
光电子
光电子成为现代产业的主角
机械领域： 激光加工： 打孔、切割、焊接、表面处理 激光光刻、激光微细加工、X射线光刻 能源领域： 太阳能电池、激光核聚变 —— 空间卫星的能源，地球能源
光信息科学
光 是最重要的信息载体，人类感官接收 客观世界总信息量的 90%以上通过眼睛 光纤通信： 以低损耗石英光纤和半导体激光器为基础， 成为当今通信的主体和方向 显示技术：液晶大屏幕显示成为下一代电视的主流;
存储 1万 幅二维图像，数据量达到10Gbit 计算机控制，快速存储
全息信息存储
探测器 参考光束 成像透镜 空间光 调制器 记录介质 变换透镜 数据页 信号 光束 激光器 待存储 的信息
中国的光学(光子学)已经对高科技、国民 经济与人民生活产生了影响。可以预期，光学 （光子学）在21世纪将会像20世纪的电子学 （微电子学）那样大发展。让我们一起为迎接 光学（光子学）方面的重大突破而欢呼吧！ --王大珩 你们这一代人 将成为最有希望的力量 是一支强大的生力军
光学领域的扩展 应用功能的扩展 研究内容的扩展 应用范围的扩展
20世纪光学的 主要特点 1、光学领域的扩展
• 波段： 向两端扩展
可见光 X射线 新学科
紫外
近红外 中红外 远红外
紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学
• 波长：单色性、相干性
研究方向
激光器
激光全息
• 光强：单光子
激光光源
星际光源
20世纪光学的 主要特点 1、光学领域的扩展
信息光学 Information Optics
享受光 享受光学
光学科学与技术的成果已深深渗透到我们的生 活中
--王大珩
王大珩先生说：
• 20世纪以前的光学
信息光学习题答案1(word文档良心出品)
第一章 习题解答1.1 已知不变线性系统的输入为 ()()x x g c o mb= 系统的传递函数⎪⎭⎫⎝⎛b f Λ。
若b 取（1）50=.b （2）51=.b ，求系统的输出()x g '。
并画出输出函数及其频谱的图形。
答：（1）()(){}1==x x g δF 图形从略，（2）()()()()()x s co f f δf δx g x x x πδ232+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧1+31+1-31+=F 图形从略。
1.2若限带函数()y x,f 的傅里叶变换在长度L 为宽度W 的矩形之外恒为零， （1）如果L a 1<，Wb 1<，试证明()()y x f y x f b x a x ab ,,sinc sinc =*⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1 证明：(){}(){}(){}()()(){}(){}()y x,f b x sinc a x sinc ab bf af rect y x f y x,f bf af rect y x f Wf L f rect y x f y x,f y x y x yx *⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1==∴=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=,,F F ,,F ,,F F 1-（2）如果L a 1>， Wb 1>，还能得出以上结论吗？ 答：不能。
因为这时(){}(){}()y x yx bf af rect y x f Wf L f rect y x f ,,F ,,F ≠⎪⎪⎭⎫⎝⎛。
1.3 对一个空间不变线性系统，脉冲响应为 ()()()y x y x h δ77=sinc ,试用频域方法对下面每一个输入()y x f i ,，求其输出()y x g i ,。
（必要时，可取合理近似） （1）()x y x f π4=1cos ,答：()(){}(){}{}{}()(){}{}{}{}{}xcos x cos f rect x cos y 7x sin x cos y x h y x f y x g x πππδπ4=4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛74=74==1-1-1-11-1F F F F F F F ,F ,F F ,（2）()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫⎝⎛754=2y rect x rect x cos y x f π,答：()(){}(){}{}()()(){}{}()()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛77575⋅75*4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754==1-1-11-2y rect x rect x cos f rect f sinc 75f sinc x cos y 7x sin y rect x rect x cos y x h y x f y x g x y x ππδπF F F F F ,F ,F F ,（3）()()[]⎪⎭⎫⎝⎛758+1=3x rect x cos y x f π,答： ()()[]()(){}(){}()()()()()()()()()()()(){}⎪⎭⎫ ⎝⎛75=75≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛75*⎪⎭⎫ ⎝⎛4+81+4-81+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775*8+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛758+1=1-1-1-1-1-3x rect f 75f sinc f rect f 75f sinc f rect f δ75f sinc f f x f rect f δ75f sinc x cos y 7x sin x rect x cos y x g y x x y x x y x x x x y x δδδδδπδπF F F F F F F F ,（4）()()()()()y rect x rect x comb y x f 22*=4, 答：()()()()(){}()(){}{}()()()()()()()()()()()()(){}()()x π6cos x π2cos f f f f f f f f f f f rect f f δf f δf f δf f δf rect f sinc 2f sinc f f comb y 7x sin y rect x rect x comb y x g y x y x y x y x y x x yx y x y x y x x y x y x 1060-3180+250=3+0530-3-0530-1+1590+1-1590+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛-3-2120-1+6370+1-6370+41=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2⎪⎭⎫ ⎝⎛41=722*=1-1-1-1-2...,.,.,.,.,F ,.,.,.,F F F F F ,δδδδ0.25δδδ1.4 给定一个不变线性系统，输入函数为有限延伸的三角波 ()()x x rect x comb x g i Λ*⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛50⎪⎭⎫ ⎝⎛331=对下述传递函数利用图解方法确定系统的输出。
信息光学教程全书习题及参考答案
L{} 来表示，当
2
L{ f ( x, y)} = g (ξ ,η ) ， L{ f
1 1
( x, y )} = g 2 (ξ ,η ) ，且 a1 、 a 2 为常数时，
L{a
1 1
f ( x, y ) + a 2 f 2 ( x, y )} = a1 g1 (ξ ,η ) + a 2 g 2 (ξ ,η )
1 ，y 方 2Bx
向的格点距为
1 。 2B y
由此可见，Whittaker-Shannon 二维抽样定理并不是唯一的抽样定理，只要改变这两个 条件中的任何一个，就可以导出别的二维抽样定理。例如，用一个传递函数为
H ( ρ ) = circ( ) 的滤波器来滤波，可导出新的二维抽样定理，其公式描述为： B
2
2
⎞ ⎡ jk 2 2 ⎟ exp ⎢− 2 f x + y ⎟ ⎣ ⎠
(
x
⎛ x +y 2 P0 exp⎜ 2 ⎜ − w2 πw ⎝
2
2
⎡ jk ⎛ 1 1 ⎞ 2 ⎤ ⎞ ⎛ jk 2 ⎞ ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ − + exp x exp ⎢ ⎥ ⎜− 2 f y ⎟ ⎟ ⎟ ⎜f f ⎟ 2 ⎝ ⎠ ⎠ x ⎠ ⎝ ⎣ ⎦
g ( x, y ) =
ρ
π
2 n = −∞ m = −∞
∑ ∑ g ( 2B , 2B ) ×
∞
∞
n
m
J 1 [2πB ( x −
n 2 m 2 ) + (y − ) ] 2B 2B n 2 m 2 2πB ( x − ) + (y − ) 2B 2B
式中 B 为空间函数 g ( x, y ) 的频谱以极半径的形式描述的频率带限宽。 公式推导中用到的博里叶变换关系为：
光学信息技术原理及应用(第二版)课后答案汇总
第一章 习题解答1.1 已知不变线性系统的输入为()()x x g c o m b =系统的传递函数⎪⎭⎫⎝⎛b f Λ。
若b 取（1）50=.b （2）51=.b ，求系统的输出()x g '。
并画出输出函数及其频谱的图形。
答：（1）()(){}1==x x g δF 图形从略， （2）()()()()()x s co f f δf δx g x x x πδ232+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧1+31+1-31+=F 图形从略。
1.2若限带函数()y x,f 的傅里叶变换在长度L 为宽度W 的矩形之外恒为零，（1） 如果L a 1<，Wb 1<，试证明()()y x f y x f b x a x ab ,,sinc sinc =*⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1 证明：(){}(){}(){}()()(){}(){}()y x,f b x sinc a x sinc ab bf af rect y x f y x,f bf af rect y x f Wf L f rect y x f y x,f y x y x yx *⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1==∴=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=,,F F ,,F ,,F F 1-（2） 如果L a 1>， Wb 1>，还能得出以上结论吗？答：不能。
因为这时(){}(){}()y x yx bf af rect y x f W f L f rect y x f ,,F ,,F ≠⎪⎪⎭⎫⎝⎛。
1.3 对一个空间不变线性系统，脉冲响应为 ()()()y x y x h δ77=sinc ,试用频域方法对下面每一个输入()y x f i ,，求其输出()y x g i ,。
（必要时，可取合理近似） （1）()x y x f π4=1cos ,答：()(){}(){}{}{}()(){}{}{}{}{}xcos x cos f rect x cos y 7x sin x cos y x h y x f y x g x πππδπ4=4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛74=74==1-1-1-11-1F F F F F F F ,F ,F F ,（2）()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫⎝⎛754=2y rect x rect x cos y x f π, 答：()(){}(){}{}()()(){}{}()()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛77575⋅75*4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754==1-1-11-2y rect x rect x cos f rect f sinc 75f sinc x cos y 7x sin y rect x rect x cos y x h y x f y x g x y x ππδπF F F F F ,F ,F F ,（3）()()[]⎪⎭⎫⎝⎛758+1=3x rect x cos y x f π, 答：()()[]()(){}(){}()()()()()()()()()()()(){}⎪⎭⎫ ⎝⎛75=75≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛75*⎪⎭⎫ ⎝⎛4+81+4-81+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775*8+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛758+1=1-1-1-1-1-3x rect f 75f sinc f rect f 75f sinc f rect f δ75f sinc f f x f rect f δ75f sinc x cos y 7x sin x rect x cos y x g y x x y x x y x x x x y x δδδδδπδπF F F F F F F F ,（4）()()()()()y rect x rect x comby x f 22*=4, 答：()()()()(){}()(){}{}()()()()()()()()()()()()(){}()()x π6cos x π2cos f f f f f f f f f f f rect f f δf f δf f δf f δf rect f sinc 2f sinc f f com b y 7x sin y rect x rect x com by x g y x y x y x y x y x x yx y x y x y x x y x y x 1060-3180+250=3+0530-3-0530-1+1590+1-1590+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛-3-2120-1+6370+1-6370+41=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2⎪⎭⎫ ⎝⎛41=722*=1-1-1-1-2...,.,.,.,.,F ,.,.,.,F F F F F ,δδδδ0.25δδδ1.4 给定一个不变线性系统，输入函数为有限延伸的三角波()()x x rect x comb x g i Λ*⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛50⎪⎭⎫ ⎝⎛331= 对下述传递函数利用图解方法确定系统的输出。
信息光学习题答案
信息光学习题答案信息光学习题答案第一章线性系统分析简要说明以下系统是否有线性和平移不变性. g?x??df?x?;g?x???f?x?dx; dx?g?x??f?x?;g?x??????f????h?x????d?;2???f???exp??j2????d? 解：线性、平移不变；线性、平移不变；非线性、平移不变；线性、平移不变；线性、非平移不变。
证明comb(x)exp(j?x)?comb(x) ???comb????x? ?x??1?证明：左边＝comb???????n?????(x?2n)??2??(x?2n) ?2?n????2?n????2?n??????x??2?右边?comb(x)?comb(x)exp(j?x)?? ?n?????(x?n)??exp(j?x)?(x?n)n?????n???? ??(x?n)??exp(jn?)?(x?n)n???? n?????(x?n)??(?1)n???n?(x?n)?当n为奇数时，右边＝0，当n为偶数时，右边＝2所以当n为偶数时，左右两边相等。
n?????(x?2n) (x) 证明??(sin?x)?comb证明：根据复合函数形式的δ函数公式?[h(x)]??i?1n?(x?xi)h?(xi ),h?(xi)?0 式中xi是h(x)=0的根，h?(xi)表示h(x)在x?xi处的导数。
于是??(sin?x)??n?????(x?n)???co mb(x) 1 计算图题所示的两函数的一维卷积。
解：设卷积为g(x)。
当-1≤x≤0时，如图题(a)所示，g(x)??1?x0(1??)(1?x??)d??111?x?x3 326 图题当0 2??2?2??2?2?2?x?2设卷积为g(x)，当x≤0时，如图题(a)所示，g(x)??0d??x?2 当0 2 图题g(x)??d??2?x x2?x?1?2,x?0 g(x)?2?x?1?,x?0?2即g(x)?2??? ?x??2?(x)?rect(x)?1已知exp(??x2)的傅立叶变换为exp(???2)，试求?exp?x2???exp?x2/2?2解：设y??????????? ?x,z??? 即??exp(??y2)??exp(???2) 1????F?,? 得ab?ab?2坐标缩放性质??f(ax,by)???exp?x2???????exp(?y2/??? exp(??z2)??exp(??2?2)2??exp?x/2???2?????exp??y?/2??2 ? ??2??exp(?2??2z2)?2??exp(?2??2?2)计算积分.????sinc?x?dx?? 4??2?x?cos?xdx?? sinc?解：应用广义巴塞伐定理可得? sinc(x)sinc(x)dx?????2222 ?(?)?(?)d??(1?? )d??(1??)d??????103??021???1?1?1?????s inc(x)cos?xdx????(?)?????d????(?)?????d ??2???2?2????????2?1??1??1??1 ??????????? 2??2??2?? 应用卷积定理求f?x??sinc?x?sinc?2x?的傅里叶变换. 3解：??sinc(x)sinc(2x)????sinc(x)????sinc( 2x)??1???rect(?)?rect?? 2?2?当?31????时，如图题(a)所示，2211??3 G(?)??2du??? 2?12当?11???时，如图题(b)所示，2211??2 G(?)??1du?1 2??2当13???时，如图题(c)所示，22113 G(?)??1du??? 2??222G(ξ)的图形如图题(d)所示，图可知G(?)?3???1?????????? 4?3/2?4?1/2? 图题 4 设f?x??exp??x，??0，求??f?x????解：?exp(??x)???????f?x?dx?? ?0?? ?0??exp(?x)exp(?j2??x)dx??exp(??x)exp(? j2??x)dx ?2??2??(2??)2??? exp(??x)dx?2??2?(2??)2???02? 设线性平移不变系统的原点响应为h?x??exp??x?step?x?，试计算系统对阶跃函数step?x?的响应. 解：阶跃函数定义step(x)??线性平移不变系统的原点响应为h?x??exp??x?step?x??exp??x?,所以系统对解阶跃函数step?x?的响应为g(x)?step(x)?h(x)??1,?0,x?0得x?0x?0 ??0exp[?(x??)]d??1?exp(?x), x?0 有两个线性平移不变系统，它们的原点脉冲响应分别为h1?x??sinc?x?和h2?x??sinc?3x?.试计算各自对输入函数f?x??cos2?x的响应g1?x?和g2?x?. 解：已知一平面波的复振幅表达式为U(x,y,z)?Aexp[j(2x?3y?4z)] 试计算其波长λ以及沿x,y,z方向的空间频率。
信息光学习题答案及解析
信息光学习题答案第一章 线性系统分析1.1 简要说明以下系统是否有线性和平移不变性. （1）()();x f dxdx g =（2）()();⎰=dx x f x g （3）()();x f x g = （4）()()()[];2⎰∞∞--=αααd x h f x g（5）()()απξααd j f ⎰∞∞--2exp解：（1）线性、平移不变； （2）线性、平移不变； （3）非线性、平移不变； （4）线性、平移不变； （5）线性、非平移不变。
1.2 证明)()ex p()(2x comb x j x comb x comb +=⎪⎭⎫ ⎝⎛π证明：左边＝∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛n n n n x n x n x x comb )2(2)2(2122δδδ∑∑∑∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=--+-=-+-=-+-=+=n nn n n n n n x n x n x jn n x n x x j n x x j x comb x comb )()1()()()exp()()()exp()()exp()()(δδδπδδπδπ右边当n 为奇数时，右边＝0，当n 为偶数时，右边＝∑∞-∞=-n n x )2(2δ所以当n 为偶数时，左右两边相等。
1.3 证明)()(sin x comb x =ππδ 证明：根据复合函数形式的δ函数公式0)(,)()()]([1≠''-=∑=i ni i i x h x h x x x h δδ式中i x 是h(x)=0的根，)(i x h '表示)(x h 在i x x =处的导数。
于是)()()(sin x comb n x x n =-=∑∞-∞=πδπππδ1.4 计算图题1.1所示的两函数的一维卷积。
解：设卷积为g(x)。
当-1≤x ≤0时，如图题1.1(a)所示， ⎰+-+=-+-=xx x d x x g 103612131)1)(1()(ααα图题1.1当0 < x ≤1时，如图题1.1(b)所示， ⎰+-=-+-=13612131)1)(1()(xx x d x x g ααα 即 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤<+-≤≤--+=其它,010,61213101,612131)(33x x x x x x x g 1.5 计算下列一维卷积。
信息光学原理 参考答案
信息光学原理参考答案信息光学原理光学是研究光的传播和变化规律的学科，而信息光学则是将光学与信息科学相结合，研究如何利用光传递和处理信息。
信息光学的发展为现代通信技术的进步提供了重要支持，同时也在光存储、光计算等领域有着广泛的应用。
光学的基本原理是光的传播和干涉衍射现象。
光的传播是指光在介质中的传递过程，根据光的波动性，光在传播过程中会出现折射、反射等现象。
而光的干涉衍射现象是指光在通过狭缝或物体边缘时产生的干涉和衍射效应。
这些现象是信息光学研究的基础，通过对这些现象的研究和应用，可以实现光的调制、传输和处理。
信息光学的一个重要应用是光通信。
光通信是利用光作为信息的传输媒介，将信息通过光纤传输到目标地点。
相比于传统的电信号传输，光通信具有传输速度快、传输距离远、抗干扰性强等优点。
这得益于光的高频率和大带宽特性，以及光纤的低损耗和低衰减特性。
在光通信中，信息光学原理被应用于光的调制、解调、放大等环节，实现信息的高速传输。
另一个重要的应用是光存储技术。
光存储是利用光对材料的改变来存储信息，它具有存储密度高、读写速度快、可擦写等特点。
信息光学原理在光存储中发挥着重要作用，例如利用光的干涉衍射效应实现数据的编码和解码，利用光的非线性效应实现光存储介质的擦写和重写等。
除了光通信和光存储，信息光学还在光计算、光传感等领域有着广泛的应用。
光计算是利用光的并行性和高速性进行计算的一种方法，它可以实现比传统计算方法更高效的计算。
光传感是利用光对物体的反射、散射等特性进行信息获取的一种方法，它可以实现对环境参数的高精度测量。
信息光学的发展离不开光学器件和光学材料的支持。
光学器件是实现光的调制、传输和处理的关键组成部分，如光纤、光调制器、光解调器等。
光学材料是制备光学器件的基础，如光纤材料、光调制材料、光存储介质等。
随着材料科学和纳米技术的进步，新型的光学器件和光学材料不断涌现，为信息光学的发展提供了更多的可能性。
总之，信息光学原理是将光学和信息科学相结合的学科，研究如何利用光传递和处理信息。
信息光学 第三章 苏显渝版 PPT作者窦柳明概要
jk 1 1 1 2 2 P ( x , y )exp x y 2 d0 di f
1 1 1 d0 di f
x0 x i y0 yi exp jk x y dxdy d0 di d 0 d i
程中的丢失、衰减、相移的变化，即研究成像系统的空间频率 传递特性——传递函数，从而做到对系统全面、定量的评价。
第三章 光学成像系统的传递函数
即可以由传递函数全面定量地对系统进行评价。 系统的传递函数可由两种方法获得： (1)由系统的设计数据（材料参数、结构参数等）计算出来： ——叫做传递函数的计算。 (2) 由检测仪器进行测定: ——叫传递函数的测定。
已知物面分布 成像系统 像面分布（复振幅分布和光强分布) 相干叠加（相干光照明） 非相干叠加，即强度叠加 （非相干光照的） 点扩散函数（脉冲响应）
关键是:求点物的像 场分布——点扩散 函数（脉冲响应）
δ( x x0 , y y0 ) 成像系统
小面元组合 （加权函数）
h( x0 , y0 ; xi , yi )
d0
di
3.1 相干照明衍射受限系统的点扩散函数
U 0 ( x 0 , y0 ) ( x 0 , y0 )
Ul U l
U i ( x i , yi ) ( xi , yi )
( x, y )
0 , y0 ) (x
, y0 ) ( x0 2) 求 dUl ,
d0
di
dU l ( x , y; x 0 , y0 )
2 2 x x 2 y y x x y y exp( jkd0 ) 0 0 0 0 0 , y0 ) exp jk dU l ( x, y; x0 x x , y y exp jk 0 0 0 0 2d 0 j d 0 2d0 0
信息光学课后习题解答-苏显渝主编
comb( x)
n
comb( x) rect( x)
rect( x)
=
1.6 已知 exp( x2 ) 的傅里叶变换为 exp( 2 ) 试求
exp( x2 ) ?
x2
e xp(
2
2
)
?
解： 利用傅里叶变换的坐标缩放性质可求得答案
kx 2 k y 3 kz 4
k2 kx2 ky2 kz2 29
k 29 2
2 2 2 3 2 4
2 29
1
3 2
2
第二章习题解答
2.1单位振幅的平面波垂直入射到一半径为a的圆形孔径上，试 求菲涅耳衍射图样在轴上的强度分布。
2
2
2
2
1 rect( x
3 1 2)
1 rect ( x 2.5 )
2
2
2
2
(2) rect( x 1) rect( x 1)
2
2
rect( x 1)
2
rect( 1)
2
2 x
2 x0
0 x2
1 x2 2
2 x
g( x) 0 d x 2
1
2z 1
a2
exp( jkz)
jz
jk
2
e xp(
jk
2z
)
1
exp(
jkz)cos(k
a2 ) 2z
信息光学参考答案
名词解释单色平面波 波函数E 取余弦或正弦形式，对应的光波等相面为平面，且等相面上个点的扰动大小时刻相等的光波称为单色平面波。
光学全息 利用光的干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹形式记录下来，使物光波前的全部信息都贮存在记录介质中形成全息图，当用适当光波照射全息图时，由于光的衍射原理能重现原始物光波，从而形成与原物相同的三维像的过程称为光学全息。
色模糊 由于波长不同而产生的像的扩展的现象叫做像的色模糊。
范西泰特—策尼克定理 指研究一种由准单色（空间）非相干光源照明而产生的光场的互强度，特别指研究干涉条纹可冗度。
11222(,)exp()2(,;,)(,)exp ()()j J x y x y I j x y d d z z ψπαβαβαβλλ+∞-∞⎧⎫=-∆+∆⎨⎬⎩⎭⎰⎰其中222222221121[()()]()x y x y z z ππψρρλλ=+--=-12ρρ分别是点11(,)x y 和点22(,)x y 离光轴的距离基元全息图 指单一物点发出的光波与参考光波干涉所形成的全息图。
彩虹全息 只利用纪录时在光路的适当位置加一个夹缝，使再现的同时再现狭缝像，观察再现像将受到狭缝再现像的调制，当用白光照明再现时，对不同颜色的光波，狭缝和物体的再现像位于不同颜色的像，犹如彩虹一样的全息图。
判断1.衍射受限系统是一个低通滤波器。
2.物000(,)x y μ通过衍射受限系统后的像分布(,)i i i x y μ是000(,)x y μ的理想像和点扩散(,)i ih x y 的卷积。
3.我们把(,)H ξη称为衍射受限系统的想干传递函数。
4.定义：()()f x h x 为一维函数，则无穷积分()()()()()g x f h x d f x h x ααα+∞-∞=-=*⎰5.二维卷积(,)(,)(,)(,)(,)(,)g x y f h x y d d f x y h x y αβαβαβ+∞-∞=--=*⎰⎰6.1,()()(),xx x x x a rect rect a a a a ao ⎧-≤⎪*==Λ⎨⎪⎩其他7.透镜作用 成像；傅里叶变换；相位因子。
信息光学第二章习题答案
自由空间传输只是附加了空间频率相关的相位，相
对振幅分布不变。
当
时， f
2 x
fy2
1 2
H
fx, fy
0 。这说明该系统是一个低
通滤波器。
其截止频率为：0
f
2 x
fy2
1
2.6、光场从入射面经自由空间传输至某一距 离后，在观测面上某点得到零强度分布。现 在入射面上先后放置两互补衍射屏，试问在 观测点处先后所得的强度有什么关系？说明 理由。
x0 z
y0
z
2
解：用单位振幅的单色平面波垂直照明模块，其 透射光场为：
Ut x, y t1 xt2 y
夫琅和费衍射远场光场分布为：
U (x0,
y0 )
1
i z
e e ikz
i
k 2z
[
x02
y02
]
{Ut (x,
y)}
1
i z
e e ikz
1 2
t20t1' 0
e e i2 fxx i2 fxx
1 4
t1'0t2' 0
ei2
f x x 2
fy y
ei2
f x x 2
fy y
ei2
f x x 2
f y y
ei2
f x x 2
f y y
2.4、试阐述傅里叶自成像与一般几何成像 的不同。
x02
y02
)
i z
Xf x
信息光学习题答案
疑息光教习题问案之阳早格格创做第一章 线性系统分解1.1 简要道明以下系统是可有线性战仄移没有变性. （1）()();x f dx dx g =（2）()();⎰=dx x f x g（3）()();x f x g = （4）()()()[];2⎰∞∞--=αααd x h f x g（5）()()απξααd j f ⎰∞∞--2exp解：（1）线性、仄移没有变； （2）线性、仄移没有变； （3）非线性、仄移没有变；（4）线性、仄移没有变； （5）线性、非仄移没有变.1.2 道明)()ex p()(2x comb x j x comb x comb +=⎪⎭⎫⎝⎛π道明：左边＝∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛n n n n x n x n x x comb )2(2)2(2122δδδ当n 为奇数时，左边＝0，当n 为奇数时，左边＝∑∞-∞=-n n x )2(2δ所以当n 为奇数时，安排二边相等.1.3 道明)()(sin x comb x =ππδ道明：根据复合函数形式的δ函数公式式中i x 是h(x)=0的根，)(i x h '表示)(x h 正在i x x =处的导数.于是1.4 预计图题1.1所示的二函数的一维卷积.解：设卷积为g(x).当-1≤x ≤0时，如图题1.1(a)所示，当0 < x ≤1时，如图题1.1(b)所示，即⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤<+-≤≤--+=其它,010,61213101,612131)(33x x x x x x x g1.5 预计下列一维卷积. （1）⎪⎭⎫⎝⎛-*-21)32(x rect x δ （2）⎪⎭⎫⎝⎛-*⎪⎭⎫ ⎝⎛+2121x rect x rect（3）)()(x rect x comb *解：（1）⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-*⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛-*-25.22121232121)32(x rect x rect x x rect x δδ（2）设卷积为g(x)，当x ≤0时，如图题1.2(a)所示， 当0 < x 时，如图题1.2(b)所示即⎪⎭⎫ ⎝⎛∧=22)(x x g （3）1)()(=*x rect x comb1.6 已知)ex p(2x π-的傅坐叶变更为)ex p(2πξ-，试供 （1）(){}?ex p 2=-℘x （2）(){}?2/ex p 22=-℘σx 解：设ξππ==z x y ,即 {})ex p()ex p(22πξπ-=-℘y由坐标缩搁本量{}⎪⎭⎫ ⎝⎛=℘b a F ab by ax f ηξ,1),( 得（1）(){}{})ex p()ex p(/ex p(ex p 22222ξπππππ-=-=-℘=-℘z y x （2）(){}(){}22222/ex p 2/ex p πσσy x -℘=-℘1.7 预计积分.（1）()⎰∞∞-=?sin 4dx x c （2）()⎰∞∞-=?cos sin 2xdx x c π解：应用广义巴塞伐定理可得 （1）32)1()1()()()(sin )(sin 1021222=-++=ΛΛ=⎰⎰⎰⎰-∞∞-∞∞-ξξξξξξξd d d dx x c x c（2）⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛-Λ+⎪⎭⎫ ⎝⎛+Λ=⎰⎰⎰∞∞-∞∞-∞∞-ξξδξξξδξπd d xdx x c 21)(21)(21cos )(sin 21.8 应用卷积定理供()()()x c x c x f 2sin sin =的傅里叶变更. 解：{}{}{}⎪⎭⎫⎝⎛*=℘*℘=℘2)(21)2(sin )(sin )2(sin )(sin ξξrect rect x c x c x c x c当2123-<≤-ξ时，如图题1.3(a)所示，当2121<≤-ξ时，如图题1.3(b)所示，当2321<≤ξ时，如图题1.3(c)所示，2G(ξ)的图形如图题1.3(d)所示，由图可知 1.9 设()()x x f β-=exp ，0>β，供解：{}⎰⎰∞∞---+-=-℘0)2ex p()ex p()2ex p()ex p()ex p(dxx j x dx x j x x πξβπξββ1.10 设线性仄移没有变系统的本面赞同为()()()x step x x h -=ex p ，试预计系统对付阶跃函数()x step 的赞同.解：由阶跃函数定义⎩⎨⎧<>=0,00,1)(x x x step 得线性仄移没有变系统的本面赞同为 所以系统对付解阶跃函数()x step 的赞同为1.11 有二个线性仄移没有变系统，它们的本面脉冲赞同分别为()()x c x h sin 1=战()()x c x h 3sin 2=.试预计各自对付输进函数()x x f π2cos =的赞同()x g 1战()x g 2.解：1.12 已知一仄里波的复振幅表白式为试预计其波少λ以及沿z y x ,,目标的空间频次.解：设仄里波的复振幅的表白式不妨表示成以下形式 由题可知，4cos ,3cos ,2cos =-==γβαk k k又果为1cos cos cos 222=++γβα 所以29=k 波少为2922ππλ==k沿z y x ,,目标的空间频次为1.13 单色仄里波的复振幅表白式为供此波正在传播目标的空间频次以及正在z y x ,,目标的空间频次.解：设单色仄里波的复振幅的表白式不妨表示成以下形式由题可知，143cos ,142cos ,141cos ===γβαk k k又果为1cos cos cos 222=++γβα 所以1=k 波少为ππλ22==k沿z y x ,,目标的空间频次为第三章 光教成像系统的传播函数3.1 参瞅图3.1.1，正在推导相搞成像系统面扩集函数(3.1.5)式时，对付于积分号前的相位果子 试问：（1）物仄里上半径多大时，相位果子 相对付于它正在本面之值正佳改变π弧度？（2）设光瞳函数是一个半径为a 的圆，那么正在物仄里上相映h 的第一个整面的半径是几？（3）由那些停止，设瞅察是正在透镜光轴附近举止，那么a , λ战d o 之间存留什么闭系时不妨弃去相位果子解：（1）由于本面的相位为整，于是与本面相位好为π的条件是（2）根据相搞成像系统的面扩集函数是透镜光瞳函数的妇琅禾费衍射图样，其核心位于理念像面)~,~(o o y x式中22y x r +=，而2222~~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+=i o i i o i dy y dx x λληξρ （1）正在面扩集函数的第一个整面处0)2(1=o a J ρπ，此时应有83.32=o a ρπ，即a o 61.0=ρ (2)将(2)式代进(1)式，并注意瞅察面正在本面)0(==i i y x ，于是得ad r oo λ61.0=(3)（3）根据线性系统表里，像里上本面处得场分集，必须是物里上所有面正在像里上的面扩集函数对付于本面的孝敬)0,0;,(o o y x h .依照上头的分解，如果略去h 第一个整面以中的做用，即只思量h 的中央明斑对付本面的孝敬，那么那个孝敬只是去自于物仄里本面附近ad r o o /61.0λ=范畴内的小天区.当那个小天区内各面的相位果子]2/ex p[2o o d jkr 变更没有大，而落它弃去.假设小天区内相位变更没有大于几分之一弧度(比圆π/16)便谦脚以上央供，则16/,162/22o o o o d r d kr λπ≤≤，也即od a λ44.2≥ （4）比圆λ ＝600nm , d o = 600mm ，则光瞳半径a ≥，隐然那一条件是极易谦脚的.3.2 一个余弦型振幅光栅，复振幅透过率为搁正在图3.1.1所示的成像系统的物里上，用单色仄里波倾斜照明，仄里波的传播目标正在z x o 仄里内，与z 轴夹角为θ.透镜焦距为f ,孔径为D.（1） 供物体透射光场的频谱；（2）使像仄里出现条纹的最大θ角等于几？供此时像里强度分集；（3） 若θ采与上述极大值，使像里上出现条纹的最大光栅频次是几？与θ＝0时的停止频次比较，论断怎么样？解：（1）斜进射的单色仄里波正在物仄里上爆收的场为)sin ,ex p(0θjkx A ，为决定起睹设θ> 0，则物仄里上的透射光场为⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛==λθπλθπλθπθsin 2exp 21sin 2exp 21sin 2exp 2),()sin ,exp(),(o o o o o o o o o o o f x j f x j x j A y x t jkx A y x U 其频谱为由此可睹，相对付于笔直进射照明，物频谱沿ξ轴真足仄移了sin θ/λ距离.（2）欲使像里有强度变更，起码要有二个频谱分量通过系统.系统的停止频次fD c λρ4/=，于是央供由此得fDf D f o 4sin 4≤≤-θλ （1）θ角的最大值为⎪⎪⎭⎫⎝⎛=fD4arcsin max θ （2）此时像里上复振幅分集战强度分集为（3）照明光束的倾角与最大值时，由(1)式战(2)式可得 即fD f fD f o o λλ22max =≤或(3)θ＝0时，系统的停止频次为fD c λρ4/=，果此光栅的最大频次fD f c o λρ2max == (4)比较(3)战(4)式可知，当采与倾角的仄里波照明时系统的停止频次普及了一倍，也便普及了系统的极限辨别率，但是系统的通戴宽度没有变.3.3 光教传播函数正在0==ηξ处皆等于1，那是为什么？光教传播函数的值大概大于1吗？如果光教系统果然真止了面物成面像，那时的光教传播函数何如？解：正在⎰⎰⎰⎰∞∞-∞∞--==ℵiiiiIiiiiiiII I dydx y x h dydx y x j y x h H H ),()],(2exp[),()0,0(),(),(ηξπηξηξ （1）式中，令⎰⎰∞∞-=iiiiI i i I i i dydx y x h y x h y x h ),(),(),(为归一化强度面扩集函数，果此(1)式可写成而⎰⎰∞∞-==ℵii i i dy dx y x h ),(1)0,0(即没有思量系统光能益坏时，认定物里上单位强度面源的总光通量将局部弥漫正在像里上，着即是归一化面扩集函数的意思.（2）没有克没有及大于1.（3）对付于理念成像，归一化面扩集函数是δ函数，其频谱为常数1，即系统对付所有频次的传播皆是无益的.3.4 当非相搞成像系统的面扩集函数()i i I y x h ,成面对付称时，则其光教传播函数是真函数.解：由于),(i i I y x h 是真函数而且是核心对付称的，即有),(),(i i I i i I y x h y x h *=，),(),(i i I i i I y x h y x h --=，应用光教传播函数的定义式易于道明),(),(ηξηξ*ℵ=ℵ，即),(ηξℵ为真函数 3.5 非相搞成像系统的出瞳是由洪量随机分集的小圆孔组成.小圆孔的直径皆为2a ，出瞳到像里的距离为d i ，光波少为λ，那种系统可用去真止非相搞矮通滤波.系统的停止频次近似为多大？解：用公式),(),(S S ηξηξ=ℵ去分解.最先，由于出瞳上的小圆孔是随机排列的，果此无论沿哪个目标移动出瞳预计沉叠里积，其停止皆一般，即系统的停止频次正在所有目标上均相共.其次，动做近似预计，只思量每个小孔自己的沉叠情况，而没有计及战其余小孔的沉叠.那时N 个小孔的沉叠里积除以N 个小孔的总里积，其停止与单个小孔的沉叠情况是一般的，即停止频次约为i d a λ/2，由于2a 很小，所以系统真止了矮通滤波.第四章 部分相搞表里4.1 若光波的波少宽度为Δλ，频次宽度为Δν，试道明：λλ∆=∆v v .设光波波少为nm nm 8102,8.632-⨯=∆=λλ，试预计它的频宽Δν = ? 若把光谱分集瞅成是矩形线型，则相搞少度?=cl道明：果为频次与波少的闭系为 λv c =(其中c 为光速) 对付上式二边供导得 0=+=dv vd dc λλ所以 λλλλλλ∆=∆⇒∆-=∆⇒-=v v v v d vdv 果nm nm 8102,8.632-⨯=∆=λλ 所以赫4105.1⨯=∆v 有果为相搞少度 ccct l =4.2 设迈克耳孙搞涉仪所用光源为nm nm 6.589,58921==λλ的钠单线，每一谱线的宽度为0.01nm .（1）试供光场的复相搞度的模；（2）当移动一臂时，可睹到条纹总数约莫是几？ （3）可睹度有几个变更周期？每个周期有几条纹？ 解：假设每一根谱线的线型为矩形，光源的归一化功率谱为（1）光场的复相搞度为式中12v v v -=∆，复相搞度的模为由于，故第一个果子是τ的缓变更非周期函数，第二个果子是τ的快变更周期函数.相搞时间由第一个果子决断，它的第一个整面出当前v cδτ/1=的场合，τc 即为相搞时间，故相搞少度(2) 可睹到的条纹总数 589301.05893===δλλλc l N（3）复相搞度的模中第二个果子的变更周期 v ∆=/1τ，故 可睹度的变更周期601.06==∆=∆==δλλδττv v n c 每个周期内的条纹数9826058930===n N4.3 假定气体激光器以N 个等强度的纵模振荡.其归一化功率谱稀度可表示为式中，Δν是纵模隔断，v 为核心频次.为简朴起睹，假定N 为奇数.（1）道明复相搞度的模为（2）若N ＝3，且0≤τ≤1/Δv ，绘出()τγ与Δντ的闭系直线.（1）道明：复相搞度函数为⎰∞ℑ=0)2exp()(ˆ)(dv v j v τπτγ 得所以复相搞度得模为 )sin()sin()(τπτπτγv N v N ∆∆=（2）当N=3时，复相搞度的模为4.4 正在例4.7.1所示的杨氏搞涉真验中，若缝光源用二个相距为a ，强度相等的准单色面光源代替，试预计此时的复相搞系数.解：应用范西泰特－策僧克定理得4.5 利用傍轴条件预计被一准单色面光源照明，距离光源为z 的仄里上任性二面P 1战P 2之间的复相搞系数μ(P 1 ,P 2) .解：设光源天圆仄里的坐标为α ，β；孔仄里的坐标为x ,y.面P 1战P 2的坐标为(x 1 ,y 1)战(x 2 ,y 2).对付于准单色面光源，其强度可表为正在傍轴近似下，由范西泰特－策僧克定理得 果为1),(21=P P μ,由面光源收出的准单色光是真足相搞的，大概者道x,y 里上的相搞里积趋于无限大.第六章 预计齐息6.1 一个二维物函数 f ( x, y)，正在空域尺寸为10×10mm ，最下空间频次为5线/mm ，为了创制一弛傅里叶变更齐息图：(1) 决定物里抽样面总数.(2) 若采与罗曼型迂回相位编码要领，预计齐息图上抽样单元总数是几？(3) 若采与建正离轴参照光编码要领，预计齐息图上抽样单元总数是几？(4) 二种编码要领正在齐息图上抽样单元总数有何分歧？本果是什么？解：(1)假定物的空间尺寸战频宽均是有限的.设物里的空间尺寸为Δx,Δy；频宽为2B x,2B y.根据抽样定理，抽样间距δx,δy必须谦脚δx≤1/2B x, δy≤1/2B y才搞使物复本.故抽样面总N(即空间戴宽积SW)为(2)罗曼预计齐息图的编码要领是正在每一个抽样单元里用启孔的大小战启孔的位子去编码物光波正在该面的振幅战相位.根据抽样定理，正在物里上的抽样单元数应为物里的空间戴宽积，即410N.要创制傅里叶变更齐息==SW图，为了没有拾得疑息，空间戴宽积应脆持没有变，故正在谱里上的抽样面数仍应为410N.=(3)对付于建正离轴参照光的编码要领，为谦脚离轴的央供，载频α应谦脚α≥B x为谦脚创制齐息图的央供，其抽样隔断必须谦脚δx≤1/2B x, δy≤1/2B y.果此其抽样面数为(4)二种编码要领的抽样面总数为2倍闭系，那是果为，正在罗曼型编码中，每一抽样单元编码一复数；正在建正离轴型编码中，每一抽样单元编码一真数.建正离轴加偏偏置量的手段是使齐息函数形成真值非背函数，每个抽样单元皆是真的非背值，果此没有存留位子编码问题，比共时对付振幅战相位举止编码的要领烦琐.但是由于加了偏偏置分量，减少了记录齐息图的空间戴宽积，果而减少了抽样面数.预防了相位编码是以减少抽样面数为代价的.6.2 对付比光教离轴齐息函数战建正型离轴齐息函数，道明怎么样采用载频战创制预计齐息图的抽样频次. 解：设物的频宽为)2,2(y x B B(1)对付于频宽α的采用 光教离轴，由图6.2.5(b)可知，x B 3≥α建正离轴，由图6.2.5(d)可知，x B ≥α载频的采用是为了包管齐息函数正在频域中各结构分量没有混叠.(2)对付于创制预计齐息图时抽样频次的采用光教离轴齐息，由图6.2.5(c)可知：正在x 目标的抽样频次应x B 8≥，即x 目标的抽样间距x B x 8/1≤δ.正在y 目标的抽样频次应y B 4≥，即x 目标的抽样间距y B y 4/1≤δ.建正离轴齐息，由图6.2.5(e)可知：正在x 目标的抽样频次应x B 4≥，即x 目标的抽样间距正在y 目标的抽样频次应y B 2≥，即x 目标的抽样间距y B y 2/1≤δ.6.3 一种类似傅奇型预计齐息图的要领，称为黄氏(Huang)法，那种要领正在偏偏置项中加进物函数自己，所形成的齐息函数为(1) 绘出该齐息函数的空间频次结构，道明怎么样采用载频.(2) 绘出黄氏预计齐息图的空间频次结构，道明怎么样采用抽样载频.解：把齐息函数沉写为物函数为 )],(exp[),(),(y x j y x A y x f φ= 而且归一化的，即1),(max =y x A ，参照光波R ＝1.通过处理后的振幅透过率为其频谱为(1)设物的戴宽为y x B B 2,2，如图题6.3(a)所示.齐息函数的空间频谱结构如图题6.3(b)所示，载频x B 2≥α.(2)黄氏齐息图的空间频次结构如图题 6.3(c)所示，由此可得出：正在x 目标的抽样频次应x B 6≥，即x 目标的抽样间距x B x 6/1≤δ.正在y 目标的抽样频次应y B 2≥，即x 目标的抽样间距抽样面数即空间戴宽积为y x B xyB y y x x SW N 12===δδ. 黄氏预计齐息图的特性：(1)占用了更大的空间戴宽积(专奇齐息图的空间戴宽积y x B xyB SW 8=)，没有具备落矮空间戴宽积的便宜.(2)黄氏齐息图具备更下的对付比度，不妨搁紧对付隐现器战胶片曝光隐影粗度的央供.6.4 罗曼迂回相位编码要领有三种衍射孔径形式，如图题6.1所示.利用复仄里上矢量合成的要领阐明，正在那三种孔径形式中，是怎么样对付振幅战相位举止编码的.解：对付于Ⅰ型战Ⅲ型，是用x A δ去编码振幅A(x,y)，用x d δ去编码相位),(y x φ，正在复仄里上用一个相幅矢量去表示，如图题6.4(a).对付于罗曼Ⅱ型是用二个相共宽度的矩孔去代替Ⅰ，Ⅲ型中的一个矩孔.二矩孔之间的距离x A δ是变更的，用那个变更去编码振幅A(x,y).正在复仄里上反映为二个矢量夹角的变更.二个矩孔核心距离抽样单元核心的位移量x d δ用做相位),(y x φ的编码.正在复仄里上二矢量的合成目标即表示了),(y x φ的大小，如图题6.4(b)所示.第八章 空间滤波8.1 利用阿贝成像本理导出相搞照明条件下隐微镜的最小辨别距离公式，并共非相搞照明下的最小辨别距离公式比较.解：隐微镜是用于瞅察微笑物体的，可近似瞅做一个面，物近似位于物镜的前核心上.设物镜直径为D ，焦距为f ，如图8.1所示.对付于相搞照明，系统的停止频次由物镜孔径的最大孔径角θo 决断，停止频次为λθ/sin o .从几许上瞅，近似有f D o 2/sin ≈θ.停止频次的倒数的倒数即 为辨别距，即 D f o c λθλδ2sin == 对付于非相搞照明，由几许光教可知其辨别距为 oθλδsin 61.0=非相搞照明时隐微镜的辨别率约莫为相搞照明时的二倍.8.2 正在4f 系统输进仄里搁置40mm -1的光栅，进射光波少632.8nm.为了使频谱里上起码不妨赢得±5级衍射斑，而且相邻衍射斑间距没有小于2mm ，供透镜的焦距战直径.解：设光栅宽度比较大，可近似瞅成无贫，设周期为d ，透光部分为a ，则其透过率函数可表为()⎪⎭⎫ ⎝⎛*⎪⎭⎫ ⎝⎛=-*⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∑∑d x comb d a x rect md x a x rect a md x rect x f m m 1)(111δ其频谱为{}∑∑⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-==⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛℘⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛℘=℘=m m d m d ma c d a d m a c d a d comb a c a d x comb d a x rect x f F ξδξδξξξξ)(sin )(sin )()(sin 1)()(`111即谱面的位子由d m f x //2==λξ决断，即m 级衍射正在后焦里上的位子由下式决定： d f m x /λ=相邻衍射斑之间的间距 d f x /λ=∆由此得焦距f 为 )(7910632840/27mm xd f =⨯=∆=-λ物透明片位于透镜的前焦里，谱里为后焦里，谱里上的±5级衍射斑对付应于能通过透镜的最大空间频次应谦脚d D 52/1sin ===λλλθξ 于是供得透镜直径 )(201010mm x d fD =∆==λ8.3瞅察相位型物体的所谓核心暗场要领，是正在成像透镜的后焦里上搁一个细小的没有透明光阑以阻挡非衍射的光.假定通过物体的相位延缓<<1弧度，供所瞅察到的像强度(用物体的相位延缓表示出去).解：相位物体的透过率为),(1)],(ex p[),(111111y x j y x j y x t φφ+≈=其频谱为 {}),(),(),(1),(11ηξηξδφηξΦ+=+℘=j y x j T 若正在谱仄里上搁置细小的没有透明光阑动做空间滤波器，滤掉整频背景分量，则透过的频谱为),(),(ηξηξΦ=j T M 再通过一次傅里叶变更(正在反演坐标系)得 ),(),(3333y x j y x t M φ=强度分集为果此正在像里上得到了正比于物体相位仄圆分集的光强分集，真止了将相位变更为强度分集的手段.没有过光强没有是相位的线性函数，那给分解戴去艰易.8.4 当策僧克相衬隐微镜的相移面另有部分吸支，其强度透射率等于α (0< α <1)时，供瞅察到的像强度表示式.解：相位物体的频谱为当前用一个滤波器使整频减强，共时使下频爆收一个±π/2的相移，即滤波器的透过率表白式为⎩⎨⎧==±=其它的小范围内在,10,),(ηξαηξj H于是),(),(),(),(),(ηξηξαδηξηξηξΦ+±==j j T H T M 像的复振幅分集为),(),(3333y x j j y x t M φα+±= 像强度分集为 ),(2),(),(2),(),(),(33233233223323333y x y x y x y x y x j j y x I αφαφαφαφαφα±≈+±=+=+±=像强度分集与相位分集成线性闭系，易于分解.8.5用CRT(阳极射线管)记录一帧图像透明片，设扫描面之间的隔断为0.2mm ，图像最下空间频次为10mm -1.如欲真足去掉得集扫描面，得到一帧连绝灰阶图像，空间滤波器的形状战尺寸应当怎么样安排？输出图像的辨别率怎么样(设傅坐叶变更物镜的焦距f ＝1000mm ,λ=632.8nm).解：扫描面的表白式为()∑∑--=m n ny y mx x y x f 010111,),(δ其频谱为∑∑∑∑∑∑--=--=+-=m n m n m ny n f y x m f x y x y n x m y x ny mx j F ),(1)/,/(1)](2exp[),(020*********λλδηξδηξπηξ正在上式的化简中应用了公式∑∑∞-∞=∞-∞=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=±n n a n x a nax j δπ1)2ex p( 由此可睹，面状结构的频谱仍旧是面状结构，但是面与面之间的距离分歧.扫描面频谱出现的位子为 0202,y n f y x m f x ==λλ面状结构是下频，所以采与矮通滤波将其滤掉.矮通滤波器圆孔半径为)(164.32.01000106328702mm x fx r =⨯⨯===-λ 能传播的最下空间频次为mm x x f f f r /1511sin 00==•===λλλλθξ即下于5 1/mm 的空间频次将被滤掉，故输出图像的辨别率为5 1/mm.8.6 某一相搞处理系统的输进孔径为30m m ×30mm 的圆形，头一个变更透镜的焦距为100mm ，波少是632.8nm.假定频次仄里模片结构的粗细程度可与输进频谱相比较，问此模片正在焦仄里上的定位必须透彻到何种程度？解：思量到系统孔径有限，普遍用几许光教近似，引进光瞳函数P(x,y),根据题意其表白式为⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=3030),(y rect x rect y x P设系统的输进里位于透镜的前焦里，物透明片的复振幅分集为),(11y x f ，它的频谱分集为),(ηξF ，透镜后焦里上的场分集)](2exp[)30(sin )30(sin ),(9003030),(),(221111y x j c c F C y rect x rect y x f C U f ηξπηξηξηξ+*'=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛℘'=式中f y f x ληλξ/,/22==.由f U 的表白式可睹，频谱里上能辨别的细节由)30(sin ξc )30(sin ηc 决断.与一个目标去瞅，将sinc 函数由最大落为整的宽度与为最小辨别单元，即央供谦脚1/301302=∆=∆f x λξ或，于是有m mm fx μλ1.2)(101.23010010632830372=⨯=⨯⨯==∆-- 果为频谱仄里模片也有共样细节，所以对付准缺面最大也没有允许超出它的一半，约1μm.第九章 相搞光教处理9.1参瞅图9.1.1，正在那种图像相减要领的编码历程中，如果使用的光栅透光部分战没有透光部分间距分别为a 战b ，而且a ≠b.试道明图像战的疑息与图像好的疑息分别受到光栅奇数倍频与光栅奇数倍频的调制.解：如图题9.3所示，先将t (x)展启成傅坐叶级数∑∞=++++=102sin 2cos 2)(n n n b a x n b b a x n a a x t ππ式中,2cos )(2)(sin 2,)(2)(cos 2sin 22200=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+-=+-==+=n n b n n b a b a n n n b a b a n n n a R ba aa 偶奇ππππππ所以2100)(2cos )(2)(sin 2cos2)(2cos )(2)(cos 2sin 2)(R R R b a xn b a b a n n n b a xn b a b a n n n R x t ++=++-+++-+=∑∑ππππππππ第一次曝光得210)(R I R I R I x t I A A A A ++=对付于)(x t '是将光栅背x 的背目标移动半个周期即(a+b) /2，将它展启成傅坐叶级数得第二次曝光得120210)())(()(R I I R R I I R I R I R I x t I B A B A B B B B -++++-=总曝光量＝即图像战的疑息受到光栅奇数倍频的调制，图像好的疑息受到光栅奇数疑频的调制.9.2 用Vander Lugt 要领去概括一个仄年元仄里滤波器，如图9.1(左)所示，一个振幅透射率为s(x,y)的“旗号”底片紧揭着搁正在一个会散透镜的前里，用照相底片记录后焦里上的强度，并使隐影后底片的振幅透射率正比于曝光量.那样制得的透明片搁正在图题9.1(左)的系统中，假定正在下述每种情况下考查输出仄里的适合部位，问输进仄里战第一个透镜之间的距离d 应为几，才搞概括出：（1）脉冲赞同为s(x,y)的滤波器？（2）脉冲赞同为s * (x,y)的“匹配”滤波器？解：（1）参瞅图题9.1左，设物里坐标为x 1,y 1；胶片坐标为x 2,y 2.则参照光波正在记录胶片上制成的场分集为)2ex p(),(222y j A y x U r πα-= （1）式中A 为常数，α ＝sin θ/λ为空间频次.物透明片正在记录胶片上制成的场分集为),()(exp ),(2222221ηξλπS y x f j C y x U ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=式中S(ξ,η)为s(x 1, y 1)的频谱，且ξ＝x 2/λf ，η=y 2/λf.胶片上的光强分集为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-++=+=*22222222222222221222222exp ),(22exp ),(),(),(),(),(y f y x j CAS y fy x j CAS S C A y x U y x U y x I r αλπηξαλπηξηξ (2)将曝过光的胶片隐影后制成透明片，使它的复振幅透过率正比于映照光的强度，即),(),(2222y x I y x t ∝ （3）将制得的透明片动做频次仄里模片，搁正在图题9.1左所示的滤波系统中.要概括出脉冲赞同s(x , y)大概s *(-x , -y)，只消观察当输进旗号为单位脉冲δ (x , y) 时，正在什么条件下系统的脉冲赞同为s(x , y)大概s *(-x , -y).参瞅左图，当输进旗号为δ (x 1 , y 1)时，正在L 2的后焦里上产死的光场复振幅分集，根据公式[]⎰⎰∞∞-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+-⎭⎬⎫⎩⎨⎧+-+-'=oo o o o o o o o o o dy dx fd d f q y y x x f jk y x t fd d f q y x d f jk c y x U )()(exp ),()(2))((exp ),(22得)4(212exp )(2exp ),(212exp ),(2222111212112222222⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎰⎰∞∞-f y x f d j dy dx y y x x f j y x f y x f d j y x U λπλπδλπ透过频次仄里模片得光场分集，由(2)，(3)战(4)式得)5(222exp ),(22exp ),(212exp ]),([),(),(),(2222222222*22222222222222⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∝='y f y x f d j CAS y f y x f d j CAS f y x f d j S C A y x t y x U y x U αλπηξαλπηξλπηξ如果要使系统是脉冲赞同为s(x ,y)的滤波器，应当利用(5)式中含有S(ξ,η)的第三项，应央供该项的二次相位果子为整，即有 d =2f (6)那时的输出为（正在反演坐标系中）),(),(33333f y x S y x U αλ+= （7）（2）若要使系统的脉冲赞同为s *(-x , -y)的匹配滤波器，应当利用(5)式中的第二项，央供d=0，则正在输出头上产死的光场复振幅分集为（正在反演坐标系中）)](,[),(33333f y x s y x U αλ---=* （8）9.3振幅透射率为h(x,y)战g(x,y)的二弛输进透明片搁正在一个会散透镜之前，其核心位于坐标（x = 0, y=Y/2）战(x =0, y = -Y/2)上，如图题9.2所示，把透镜后焦里上的强度分集记录下去，由此制得一弛γ为2的正透明片.把隐影后的透明片搁正在共一透镜之前，再次举止变更.试道明透镜的后焦里上的光场振幅含有h 战g 的互相闭，并道明正在什么条件下，互相闭不妨从其余的输出分量中分散出去.解：拜睹图题9.2，设用单位振幅的仄里波笔直照明二弛振幅透过率为),(11y x h 战),(11y x g 的输进透明片，则透过二弛透明片的光场的复振幅分集正在透镜L 2的后焦里上产死的强度分集为(略去了二次相位果子))2ex p(),(),()2ex p(),(),(),(),()2,()2,(),(222111122ηπηξηξηπηξηξηξηξY j G H Y j G H G H Y y x g Y y x h y x I -+++=⎭⎬⎫⎩⎨⎧++-℘=** （1）式中f y f x ληλξ/,/22==.用照相胶片记录(1)式所表白的强度分集，进而可制得γ＝2的正透明片，它的复振幅透过率为),(),(2222y x I y x t β= （2）将制得的正透明片置于透镜前再次举止傅里叶变更，若共样用单位振幅的单色仄里波笔直照明，则透过透明片光场的复振幅分集正在透镜后焦里产死的光场的复振幅分集，略去二次相位果子后，正在反演坐标系中可表示为(3)第三项战第四项是h 战g 的互相闭，不过核心分别正在(0, -Y)战(0, Y).设函数h 正在y 3目标的宽度为W h ，函数g 正在y 3目标的宽度为W g ，而且假定gh W W ≥，则由(3)式所表白的U 中各项正在x 3y 3仄里上所处的位子，要使自相闭战互相闭分启，隐然应谦脚gh W W Y 2123+≥9.4正在照相时，若相片的朦胧不过由于物体正在曝光历程中的匀速直线疏通，疏通的停止使像面正在底片上的位移为0.5mm.试写出制成朦胧的面扩展函数h(x,y)；如果要对付该相片举止消朦胧处理，写出顺滤波器的透过率函数.解：由于匀速疏通，一个面便朦胧成了一条线段，并思量到归一化，具备朦胧缺陷的面扩集函数为⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=5.05.011x rect a x rect a h I戴有朦胧缺陷的传播函数为)5.0(sin )(sin 1)(ξξξc a c a x rect a H c ==⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛℘=滤波函数的透过率为)5.0(sin /1)(/1)(ξξξc H H c ==。
信息光学第二章习题
第二章 习题解答2.1 一列波长为λ的单位振幅平面光波，波矢量k 与x 轴的夹角为045，与y 轴夹角为060，试写出其空间频率及1z z =平面上的复振幅表达式。
答：λ23=x f , λ22=y f , ()()()0,0,0λ222λ3πe x p j 2j k z e x p ,,11U y x z y x U ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2.2 尺寸为a ×b 的不透明矩形屏被单位振幅的单色平面波垂直照明，求出紧靠屏后的平面上的透射光场的角谱。
答：()⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=b y rect a x rect y x U , ，⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛λβλλcos b sinc αcos a sinc ab βcos λαcos A , ，2.3 波长为λ的单位振幅平面波垂直入射到一孔径平面上，在孔径平面上有一个足够大的模板，其振幅透过率为()⎪⎭⎫ ⎝⎛32+150=0λπ0x cos x t .，求紧靠孔径透射场的角谱。
答:：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛31++⎪⎭⎫ ⎝⎛31-250+⎪⎭⎫ ⎝⎛50=⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1+33+⎪⎭⎫ ⎝⎛1-3250+⎪⎭⎫ ⎝⎛50=⎪⎭⎫ ⎝⎛λβδλλαδλλαδλβλαδλβδλαλλδλαλ3λλβλαδλβλαcos cos cos cos cos cos cos cos δcos cos cos cos A .,..,.,2.5 图2-14所示的孔径由两个相同的矩形组成，它们的宽度为a ，长度为b ，中心相距为d 。
采用单位振幅的单色平面波垂直照明，求与它相距为z 的观察平面上夫琅和费衍射图样的强度分布。
假定a b 4=及a d 51=.，画出沿x 和y 方向上强度分布的截面图。
如果对其中一个矩形引入位相差π，上述结果有何变化？图 题2.5 （1）答：如图所示，双缝的振幅透射率是两个中心在(0,)2d 及(0,)2d-的矩形孔径振幅透射率之和：00000022(,)()()()()d dx x y y t x y rect rect rect rect ab a b-+=+ （1） 由于是单位振幅平面波垂直照明，孔径平面上入射光场000(,)1U x y = ，透射光场0000000000022(,)(,)(,)()()()()d dy y x x U x y U x y t x y rect rect rect rect ab a b-+==+ （2） 由夫琅和费衍射方程，在夫琅和费区中离孔径距离z 的观察平面上得到夫琅和费衍射图样(,)U x y ，它正比于孔径上场分布的傅立叶变换式（频率坐标,x y xyf f zzλλ==），即{}2200exp()exp ()2(,)(,)k jkz j x y z U x y U x y j zλ⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=⨯F （3）利用傅立叶变换的相移定理，得到{}00000022(,)()()()()d d y y x x U x y rect rect rect rect a b a b ⎧⎫⎧⎫-+⎪⎪⎪⎪=+⎨⎬⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭⎩⎭F F Fsin ()sin ()[exp()exp()]x y y y ab c af c bf j f d j f d ππ=⨯-+2sin ()sin ()cos()ax by dy ab c c z z zπλλλ=⨯ 把它带入（3）式，则有22exp()exp ()2(,)2sin ()sin ()cos()k jkz j x y ax by dy z U x y ab c c j z z z zπλλλλ⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=⨯⨯强度分布22222(,)sin sin cos ax by dy ab I x y c c z zz z πλλλλ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭不难看出，这一强度分布是矩孔径衍射图样和双光束干涉图样相互调制的结果。