光学课程教学电子教案阿贝成像原理与空间滤波.pptVIP

§5.1 阿贝成像原理与空间滤波 主要内容 5.1.1 阿贝成像原理 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 光学成像的波动学原理 1. 阿贝成像原理 4. 阿贝-波特实验 2. 阿贝成像原理的傅里叶描述 3. 空间滤波与光信息处理 5. 空间滤波的应用 (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 图5.1-1 相干平面波照明下的二次衍射成像原理 L f P+q Q0 Q0 F G P-q s s Q1 Q2 P0 Q1 Q2 Q 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理 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。 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）均能够以相同的光程到达Q0（Q1或Q2）点，从而出现干涉加强。 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。 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理 5.1.1 阿贝成像原理 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 图5.1-2 相干球面波照明下的二次衍射成像原理 S L ss S1 Q0 G S2 s s Q1 Q2 Q1 Q2 S0 ss S2 S1 S Q S0 Q0 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理 5.1.1 阿贝成像原理 (2) 球面波照明下的二次衍射成像 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 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。 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。 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理 5.1.1 阿贝成像原理 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 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 按照傅里叶变换的循环性质： 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 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理 5.1.2 阿贝成像原理的傅里叶描述 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 像平面：系统的输出平面 频谱面：系统的处理平面 透 镜：光学傅里叶变换器 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理 5.1.3 空间滤波与光信息处理 二维光信息处理系统 L f 频谱面 输入平面 s s 输出平面 物平面：系统的输入平面 共轭像：系统的输出 (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 图5.1-3 阿贝-波特实验原理 x y L z l xf yf x y s sf s Q F Q 5.1 阿贝成像原理与空间滤波 5 光学成像的波动学原理