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信息光学课件第二章
第二章 标量衍射理论; 实践证明:用这种近似的处理方法在我们所涉及的光学系统中,当衍射 孔径比照明波长大得多,而且观察点离衍射孔径不太近时,所得结果是很精确的。;2.1 基尔霍夫衍射理论;其复振幅的数学表达式为;;采用书上的符号,基尔霍夫衍射公式和惠更斯——菲涅耳原理的;2.1.2 惠更斯---菲涅耳原理与叠加积分;由上式叠加积分可得,观察点Q的复振幅是?上所有面元的光振动在Q点引起的复振幅的相干叠加。;;此时;即无论孔径平面上子波源的位置如何,所产生的球面子波的形式都是一样的。上式叠加式可以写为;2.2 衍射的角谱理论;如果我们知道了;z=0;讨论:(1)当方向余弦满足下面关系式时;(2);(4)系统的传递函数;其它;其它; 基尔霍夫衍射理论与角谱理论完全是统一的。它们都证明了光的传播现象可看作线性不变系统。
基尔霍夫理论是在空域讨论光的传播,是把孔径平面光场看作是点源的集合,观察平面上的场分布则等于它们所发出的带有不同权重因子的球面子波的相干迭加。球面子波在观察平面上的复振幅分布就是系统的脉冲响应。
角谱理论是在频率域讨论光的传播,是把孔径平面场分布看作许多不同方向传播的平面波分量的的线性组合。观察平面上的场分布仍旧是这些平面波分量的相干迭加,但每个平面波分量引入相移。相移的大小决定于系统的传递函数,它是系统的脉冲响应的傅里叶变换。;01;2.2.3孔径对角谱的影响;如图;采用单位振幅平面波垂直照明孔径,入射场为;显然;2.3 菲涅耳衍射和夫琅和费衍射;由前面知道;由上式可知,菲涅耳近似的实质是用二次曲面来代替球面的惠更斯子波。上式代入基尔霍夫衍射公式就得菲涅耳衍射公式。;上面是从空域对h作出近似,导出了菲涅耳衍射公式,这是传统的物理光学教材中采用的方法。下面我们从衍射的角谱理论出发,即从频域考虑,对描述光波传播的传递函数作出近似,来导出菲涅耳衍射公式,并给出菲涅耳衍射公式成立的条件。;假定展开式中第三项所贡献的相位变化远小于1rad,则上式中二次方以上的项都可以忽略,即z应满足下式;满足上述条件时,观察平面所在的区域称为菲涅耳衍射区,这是一个充分条件。;上式第一项相位因子表示各角谱分量在距离为z的两个平面之间传播时都要受到的一个均匀的相位延迟。第二项相位因子表示各角谱分量将产生与频率有关的相移。;;上式我们可以看作是傅里叶变换形式的菲涅耳衍射公式;它表明菲涅耳衍射区观察平面上的场分布,除了与(x0,y0)无关的振幅和相位因子以外,恰好是函数;2.3.2 菲涅耳衍射例子——泰伯效应;光栅;;;数据:;2.3.3 夫琅和费衍射;这时,观察平面所在的区域称为夫琅和费衍射区。例如,对于直径为d的圆孔;F;F;是孔径平面上透射光场复振幅的频谱。略去常系数;比如,;2.3.4 夫琅和费衍射应用举例-----一些简单孔径的衍射; 孔径的概念可以推广到一般透明或半透明的平面型物体。其透过率函数一般是复函数,光波通过物体时,其振幅和相位都有要受到物体调制,使透射光波携带物体信息向前传播。在特殊情况下,例如,物体是一幅仅有光密度变化 的透明片,它只改变入射光波的振幅,而不改变其相位分布,我们称它为振幅型物体。; 显然,物体的透过率直接反映了物体的结构特点。为了能够从衍射图样直接了解物体透过率的性质,或者对不同物体的衍射图样作出比较,有必要排除复杂照明光波的影响,一致采用单色平面波垂直照明物体。设平面的振幅为A,则;——称为物体的频谱,这是透过率的傅里叶变换。;一、圆孔衍射;强度分布为;当r=0时,有;中央亮斑的半径取决于强度分布的第一个零点的位置;关于光学仪器的分辨率问题,设一个较远的点对透镜成像,则其像成在后焦平面上,从波动的角度看,可以认为是一束平行光照到孔径上,发生衍射的结果。由下面将要讨论的结果可知,在后焦平面上的衍射正是孔径的夫琅和费衍射,由此知道,一个点经过透镜后的像不是一个理想的点,而是一个爱里斑。这是光的波动的反映。这种现象对光学仪器的分辨率有影响。; 点光源经过光学仪器的小圆孔后,由于衍射的影响,所成的象不是一个点而是一个明暗相间的圆形光斑。中央最亮的亮斑称为爱里斑。;如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合,认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。;s;例题:在通常情况下人眼瞳孔直径约为3mm,问人眼的最小分辨角是多大?远处两根细丝之间的距离为2.0mm,问细丝离开多远时人眼恰能分辨?;二、矩孔衍射与单缝衍射;其中央亮斑的宽度为;当矩孔在x0方向宽度a减小,则观察平面上x 方向上所有斑的宽度都将增大,即该方向衍射光的弥散斑范围增大。这一现象很容易用傅里叶变换的相似性定理解释
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