第5章 光学成像的波动学原理PPT课件

输入网格
水平方向滤波
竖直方向滤波
45o方向滤波
衍射谱
水平方向滤波像 竖直方向滤波像
45o方向滤波像
图5.1-4 正交网格的阿贝-波特实验仿真结果
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.4 阿贝-波特实验
(3) 一维网格滤波
0级滤波：只让中心0级通过，网格像消失，像平面上出现均匀光照。 0级和±1级滤波：只让0级和±1级衍射亮斑通过，网格像强度呈正弦变化。
相同的光程到达Q0'（Q1'或Q2'）点，从而出现干涉加强。
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
(2) 球面波照明下的二次衍射成像
成像光路：以相干球面光波照明下的光栅（正弦光栅）成像为例
两对共轭平面：光源平面S与其共轭像平面S'，物平面G与其共轭像平面Q'
G
L
S
Q1 S1
S0
Q0
S2
Q2
s ss
S' S2'
S1' S0' ss' s'
Q' Q2'
Q0' Q1'
图5.1-2 相干球面波照明下的二次衍射成像原理
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
第一次衍射：从物平面到照明光源的共轭像平面——频谱分解
透过物体（如Q0、Q1和Q2点）的光波被分解成一系列来自光 源平面上不同点（如S0、S1和S2点）的基元球面波，每个基元 球面波经透镜在光源的共轭像平面上以其几何会聚点（共轭 像点，如S0'、S1'或S2'点）为中心形成一组夫琅禾费衍射。
第二次衍射：从光源的共轭像平面S'到物的共轭像平面Q'——频谱综合
光源共轭像平面上的每一点（如S0'、S1'或S2'点）都可以看作 为子波源，其所发出的球面子波在位于远场的物的共轭像平面
上相干叠加，形成物的共轭像（如Q0'、Q1'和Q2'点）。
说明：光学系统成像的等光程条件保证了所有自Q0（Q1或Q2）点发出的具有 不同方向的光线均能够以相同的光程到达Q0'（Q1'或Q2'）点，从而出 现干涉加强。
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
(1) 平面光波照明下的二次衍射成像
成像光路：以相干平面光波照明下的光栅（正弦光栅）成像为例
两对共轭平面：位于无限远处的光源平面与其共轭像平面——透镜L的像方 焦平面F'，物（光栅）平面G与其共轭像平面Q'。
G
Q1 Q0 Q2
低通滤波：只让中心少数衍射亮斑通过，网格像出现，但边缘较模糊。频谱面上
允许透过的衍射亮斑越多，网格像的边缘越清晰。
高通（反转）滤波：网格像边缘增强（像的亮暗反转）。
5.1.3 空间滤波与光信息处理
基本思想：频谱面上的光场复振幅分布反映了物的结构特征。在频谱面上 通过某种手段使物的频谱作适当改变，将影响到像平面上光波 的叠加结果，即改变成像的特性。阿贝成像原理的真正价值， 就在于它提出了一种新的频率语言来描述光信息，启发人们用 改变频谱的手段来改造光信息。
光学成像系统：二维光信息处理系统 物： 系统的输入
第二次衍射：从透镜的像方焦平面到物的共轭像平面——频谱综合
焦平面F上每一点（如P0、P+q 或P-q 点）都可以看作为子波源， 其所发出的球面子波在位于远场的物的共轭像平面上相干叠加， 形成物的共轭像（如Q0'、Q1'和Q2'点）。
说明：光学系统成像的等光程条件保证了所有自Q0（Q1或Q2）点发出的具有 不同方向的光线（即具有不同空间频率成分的平面波分量）均能够以
物平面：系统的输入平面
输入平面
L
频谱面
输
共轭像：系统的输出
出 平
像平面：系统的输出平面 频谱面：系统的处理平面
面
f'
s
s'
二维光信息处理系统
透 镜：光学傅里叶变换器
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.4 阿贝-波特实验
(1) 网格成像实验装置
网格：朗琴光栅 正交网格的频谱：二维点阵状的夫琅禾费衍射亮斑 一维网格的频谱：一维点阵状的夫琅禾费衍射亮斑
L
F'
P+q
P0
P-q
f'
s
s'
Q' Q2'
Q0' Q1'
图5.1-1 相干平面波照明下的二次衍射成像原理
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
第一次衍射：从物平面到透镜的像方焦平面——频谱分解
透过物体（如Q0、Q1和Q2点）的光波被分解成一系列具有不 同传播方向（空间频率）的基元平面波，每个基元平面波在透 镜的像方焦平面上以其几何会聚点（无限远处点光源的共轭像 点，如P0、P+q 或P-q 点）为中心形成一组夫琅禾费衍射。
y
L
l
x
yf
y'
xf
x'
Q
F
Q' z
sf'
s
s'
图5.1-3 阿贝-波特实验原理
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.4 阿贝-波特实验
(2) 正交网格滤波
竖直方向狭缝滤波：得到沿水平方向排列的一维网格像
水平方向狭缝滤波：得到沿竖直方向排列的一维网格像 倾斜狭缝滤波：得到沿垂直于狭缝方向排列的一维网格像
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.2 阿贝成像原理的傅里叶描述
基本思想：无论是平面波还是球面波照明，二次衍射成像过程实际上就是 光学系统对透过物体的光波的两次傅里叶变换过程。
第一次变换：从物平面到照明光源的共轭像平面——频谱分解
U x f , y f FU xG , yG
第5章
光学成像的波动学原理
5 光学成像的波动学原理
主要内容
§5.1 阿贝成像原理与空间滤波 §5.2 全息成像 §5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 §5.4 光学仪器的分辨本领
5 光学成像的波动学原理
§5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
主要ห้องสมุดไป่ตู้容
1. 阿贝成像原理 2. 阿贝成像原理的傅里叶描述 3. 空间滤波与光信息处理 4. 阿贝-波特实验 5. 空间滤波的应用
第二次变换：从光源的共轭像平面到物的共轭像平面——频谱综合
U xQ , yQ FU x f , y f
按照傅里叶变换的循环性质： FFU xG , yG U xG , yG
负号的意义：像相对物在空间反转（倒立）
照明光源共轭像平面的意义：物的频谱面
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波