傅里叶光学与相因子分析方法.ppt

傅里叶光学与相因子 分析方法 主讲教师：蒋俊贞 绪论 信息光学，是现代光学与信息科学相互交叉的学科，已成为信息科学与信息技术的重要组成部分。 现代光学三大事 1948年全息术的提出； 1955年作为象质评价的光学传递函数的兴起； 1960年新型光源——激光器的诞生。 现代光学的重大进展之一是引入傅里叶变换的概念，由此逐渐发展而形成光学领域中的一个新分支——傅里叶变换光学。 傅里叶光学的基本概念起源于19世纪后期。 20世纪60代激光问世后，迅速发展为一门新的光学学科。 基本思想：用频谱的语言分析物面的信息，用改变频谱的手段来处理信息。 傅里叶光学是信息光学的理论基础。 光波在传递信息过程中，伴随能量的传递。 有效利用光辐射的能量： 照明工程、激光武器、激光加工、太阳能利用 考虑包含光信息的光场分布在传递过程中所发生的变化： 光信息的记录、显示和测量，光信息的处理等 自发光物体或间接发光物体依本身的形状、明暗、色彩改变光波的位相、光强、波长等，对光波产生空间调制。 调制与照明光波的性质有关。 相干光照明，空间振幅和位相调制； 非相干光照明，空间强度调制； 部分相干光照明，物体将改变光波场的互相干函数； 白光照明彩色图像或物体，会使某些波长的光吸收或投射或漫反射，产生空间的波长调制。 物体本身的信息转化为这样一些形式的光信息由光波携带而传递出去。 光学系统可看作收集和传递信息的系统，其作用和通信系统在本质上是相同的。 通信系统信息是时间性：随时间变化的电流和电压信号 光学系统信息是空间性：复振幅或强度的空间分布 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。 50年代，人们把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新学科。 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。 6.1 衍射系统 波前变换 光源：脉冲光源： 连续光源： 什么是衍射 6.2相位衍射元件——透镜与棱镜 透镜的相位变换函数 透镜有两个作用 （1） 限制波前 （2） 变换波前——改变聚散中心。 相位变换函数 近似条件——忽略反射、吸收损耗， 窗函数 分析透镜的相位变换函数，棱镜的相位变换函数时，未计元件孔径影响。 若考虑此影响，可引入一个孔型函数——窗函数。 实际光学元件的屏函数等于窗函数内变换函数与窗函数的乘积 相应的出射波前函数为： 6.3 波前相因子分析法 6.4 余弦光栅的衍射场 6.12 傅里叶变换 δ函数 图像间隔 物面上两幅图像的位置： 像面上两组图像的位置： 图像微分 其空间滤波器为一复合余弦光栅。 突出强度变换比较大的部分，使轮廓本来模糊的图像变得棱角分明，有助于人们确认或鉴别特征图像。 图像微分的数学描写 (1) 设图像函数为 则其微分运算为 从光学眼光看， (2) 选择复合光栅为滤波器，实现上述“两步” 于是，在4F 系统中便输出5 幅“原像”： 这实现了“微移”——位错 其位错量 图片允许的最大尺寸为： 标准测试实验 显色滤波（ θ调制实验） 白光照明，频谱面上同时展现图像的空间频谱与光源的时间频谱。 黑白胶卷显示彩色图像 蓝G ,水平；红G ，垂直；绿G ，斜向。 魔片G ：调制光栅三原色、三个不同取向，“三三制光栅”编码 6.9 泽尼克的相衬法 相衬法Phase contrast method,1935 年提出； 相衬显微镜， 第一台诞生，1941 年； 1953 年， Frits Zernike获Nobel 物理奖. 相位物Phase objects. 高度透明物 其物信息，集中被反映在相位函数 两种基本类型： 自然还有混和型 相位物广泛地存在于生物切片，晶体切片，凝聚态薄膜…… 相衬法原理 (1) 若不添加任何滤波器，则 均匀一片，无强度起伏，丢失相位信息。 (2) 若在后焦点（零级谱斑）添加相移滴， 则像场（干涉场）内部的相位关系发生 了变化。让我们分析其变化及后果： 展开物函数 （3）计及0 级谱斑的相移——须知，点源的相移将波及整