光学课程教学电子教案菲涅耳波带片与全息透镜.pptVIP

§5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 主要内容 5 光学成像的波动学原理 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 1. 菲涅耳波带片及其成像特性 2. 全息透镜及其成像特性 3. 针孔、针头反射镜及圆盘的成像特性 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 (1) 菲涅耳波带与菲涅耳波带片 （5.3-1） 图5.3-1 菲涅耳波带片衍射 P0 Q0 O C r R b 在傍轴条件下，对于给定的照射光波长l、圆孔半径r、圆孔屏到光源点距离R和到场点距离b，被圆孔限制的波面相对于给定场点可分割出的波带数目： 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 设想：将所分割出的k个波带中的所有奇数（或偶数）级波带挡住，只允许所有偶数（或奇数）级波带透过，则透射的各波带在相应观察场点P0引起的光振动的相位依次相差2p，因而合振动的振幅变为： （5.3-2） 结论：场点P0处形成强度极大值亮点，且该极大值集中了衍射光波的主要能量，远远大于照明光波在自由空间传播情况下，在该点的光强度（A12/4）。 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 菲涅耳波带片：同心环状衍射屏，其透光和不透光环带分别相当于所有奇数或偶数级透光和不透光波带在圆孔屏平面上的投影。 特点：任何情况下，与该波带片对应的轴上特定观察点处的光振动的振幅等于波带片上所有透光环带在该点引起的光振动的振幅之和，因而形成入射光束的一个会聚点。 种类：振幅型（阶跃型、正弦型）、相位型（阶跃型、正弦型）。 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 图5.3-2 菲涅耳波带片 O （5.3-3） 光学系统理想成像条件：能够使入射球面光波在出射时仍保持为球面光波 菲涅耳波带片的成像特性：由轴上物点Q0发出的球面光波经菲涅耳波带片衍射后，能够在轴上点P0处形成衍射极大，相当于在出射光波中形成了一束以P0点为中心的会聚球面波，此时的菲涅耳波带片像一个正透镜，具有成像特性，P0点实际上就是Q0点的共轭像点。 成像公式： 物方和像方焦距： 高斯物像公式： （R：物距，b：像距） （5.3-4） （5.3-5） 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 (2) 菲涅耳波带片的成像特性 （5.3-6） ① 焦点与焦距 普通透镜：焦距、焦点位置唯一确定，并且除物位于物方焦平面上以外，其成像是唯一的。 菲涅耳波带片：焦距、焦点及成像不是唯一的。对于给定的照射光波长、透光孔径、最大半波带级数及所处介质折射率，可能存在多个焦点和焦距。 主焦距： 副焦距： （5.3-7a） （5.3-7b） （5.3-7c） 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 (3) 菲涅耳波带片与普通成像透镜之比较 说明：多重焦点起因于波带的可再分割性，它导致一个物经菲涅耳波带片可以成多个共轭像，这些像分别位于不同垂轴平面，且大小不同。除一组实焦点外，波带片还同时存在一组与之对称的虚焦点。当用一束平面光波照射波带片时，透射光不仅出现会聚，而且同时出现发散。此外还存在一束既不发散也不会聚的直透分量——0级衍射光波。 图5.3-3 菲涅耳波带片的多重焦点 Fb2 Fb1 Fa2 Fa1 C 图5.3-4 菲涅耳波带片的多重成像 P10 Q0 O C r R b b/7 b/5 b/3 P30 P20 结论：菲涅耳波带片同时兼有正透镜、负透镜和平板玻璃的特性。 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 ② 色差 普通玻璃透镜：单透镜存在较大色差。 菲涅耳波带片：焦点位置与照射光波长有关，因而存在着比普通玻璃透镜更大的色差，故通常只能用于单色光成像。但菲涅耳波带片的色差与普通透镜的色差正负号相反，故可在普通透镜表面复制一菲涅耳波带片，通过两者组合达到色差补偿。 ③ 制作工艺 玻璃透镜：加工工艺复杂，对材料的光学性质要求极为苛刻，且难以获得大块的优质材料，故很难制成较大孔径的玻璃透镜。 菲涅耳波带片：制作工艺相对简单，对材料的要求较低，面积也可以制作得很大，并且可以用很薄的软片制成，便于折叠存放和携带，特别适合于自由空间光通信、测距及航空、航天等技术领域的应用。 5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 5 光学成像的波动学原理 5.3.1 菲涅耳波带片及其成像特性 ④ 成像的波长范围 普通玻璃：仅仅对近紫外到近红外波段透明，因此所制作的透镜仅适用于近紫外到近红外波段的光学成像。 菲涅耳波带片：不仅