第六章透镜的变换性质.ppt

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回顾.正絃型振幅光柵的夫琅禾费衍射 整理 远场的夫琅禾费衍射装置就是图像的空间频谱分析器,这就是现代光学对经典光学中的夫琅禾费衍射的重新认识。夫琅禾费衍射实现了屏函数的付里叶变换。 第六章 透镜的变换性质 主要内容 透镜的位相变换性质 透镜的付里叶变换性质: 点光源,平面波照明, -------------频谱面在共轭面,焦平面上 物体在透镜前或透镜后,对频谱面尺寸的影响,透镜后频谱面尺寸可调节 透镜的孔径对付里叶变换的影响---------截止频率 前言: 第一节:透镜的位相变换性质 3.1 透镜的位相变换作用 3.2.1透镜的傅立叶变换性质 设透镜的焦距为f,孔径为D,物体大小为l 。则有: 对应的截止频率为: 由上式可见,截止频率 ?0 与透镜孔径D有关,透镜孔径D越大 时,截止频率?0越高,能通过透镜的高频分量就越多,频谱面上得到的物体的傅立叶变换就越准确。 三:能得到物体准确傅立叶变换的最大空间频率 透镜孔径的限制作用体现在对物体高频分量的限制,如果物体的 最大空间频率不超过某一数值,则在频谱面上仍然可以得到准确的 傅立叶频谱。如下图: l f f D max 当物体的最大空间频率所对应的平面波以a 角传播时,物体上所有 频率分量都能通过透镜,此时有: 对应的最大空间频率为: ?结论: ? 则该系统能实现对物体的准确傅立叶变换。 ? 则对物体中对应截止频率 的频率分量 将完全不能通过系统,完全被透镜孔径所拦截。 ? 只有一部分光线能通过透镜,即存在 不同程度的渐晕,因而得到的傅立叶变换不是准确的。 四:考虑透镜孔径影响后频率的复振幅表示式 透镜的孔径通常用光瞳函数P(x1,y1)来表示: (光瞳内) (光瞳外) 当考察透镜孔径对频谱面上某一点M(x,y)光场的影响时,应将透镜 孔径的边框沿MO方向在物平面上投影。该投影区的大小近似与透镜 孔径P(x1,y1)相同,只是其中心一般不在坐标原点,而在 处。因此透镜孔径边框在物体平面上的投影可用 表示。对应物体在透镜前,且用平行光垂直照明的情况,当考虑透 镜孔径P(x1,y1)对频谱的影响时,频谱平面上的复振幅分布为: U(x,y)= 五:物面位置对透镜傅立叶变换的影响 频谱面上的光场分布不仅与透镜的焦距和孔径有关,而且与物面 位置d0有关。当物面离透镜愈近时,渐晕效应愈小,即透镜孔径的 影响也愈小。当物体紧贴透镜时,d0=0,透镜孔径的影响最小。 这时如果物体的尺寸小于透镜孔径,则物体图样的边框就决定了通 光孔径,而透镜孔径不起限制作用,在频谱面上能得到物体的傅立 叶变换。 设物体图样边框用P(x0,y0)表示,则由上式U( x, y)可知在频谱面 上的光场分布为: 式中: ?=x/ ? f, ?=y/ ? f 分别表示x,y 方向的空间频率。T(?,?) 表示物体的频谱; P (?,?)表示物体图样边框函数的频谱。 由于物体离焦,式中存在一个附加的二次位相因exp[jk(x2+y2)/2f] 为了消除这个因子,可以在后焦面上放置一个焦距为f的场镜 (凸透镜),如图 f x x0 该场镜引入的位相变换因子为exp[-jk(x2+y2)/2f]将附加因子抵消。 如果物体尺寸大于透镜孔径,则透镜对与处于透镜孔径之外的部 将无法进行傅立叶变换,此时应换用孔径更大的傅立叶镜头。 3.3透镜的一般变换性质 物位置在透镜的后焦面上的光场分布是物函数的 准傅立叶变换,除一相位因子外。 物位置和观察位置满足高斯物象关系式时,在 输出面得到放大的像,回到几何光学的结果。 ? ? ? 当物体放置在前焦面上,在透镜的后焦面上的光场分布是物函数的准确傅立叶变换, 在任意情况,物面(输入而)和观察洲(输出面) 的位置是任意的,将导出此时的输入—输出关系式。 d1和d2是任意的,用振幅为1的币色波 垂直照明物面, 设物而上则场分布为U。(x0,y0), 观察面的场分布为U(x,y), 并假设光场在d1和d2距离上的传播满足菲涅耳近似条件, 则透镜前表面上的场表示为U1(x’,y’) 透镜后表面上的场表示为U1’(x’,y’) * * 光场的夫琅禾费衍射与傅里叶变换的关系 U0 是孔径后的场复振幅分布, U是远场复振幅分布。 复振幅分布反应了入射场的付里叶变换,或直观的看到了入射场的频谱分布,用一种物理手段实现了一种数学变换。 还有其它的方法吗? -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 l 上式忽略交叉项 求Z处+1谱点位置?求衍射角? 输入图像的付里叶谱还可以直观的呈现 在透镜的后焦面上。本节课程内容 还可以有其它的方法吗?实现付里叶分解在物理上的实现, 必须找到相应的物理元件。 本书第三章 光学成像系统的频率特性3.1--

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