《現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)》ppt課件

1、 第八節(jié) 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng) 激光光學(xué)系統(tǒng) 傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng) 掃描光學(xué)系統(tǒng) 光電光學(xué)系統(tǒng) 一、激光光學(xué)系統(tǒng)1、激光的物理根底-受激輻射受激吸收 ：當(dāng)外來(lái)光子的能量大于或等于原子的兩個(gè)能級(jí)差時(shí)，就會(huì)把原子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。自發(fā)輻射熒光：處于高能態(tài)的原子在沒有遭到外來(lái)光子作用而自發(fā)地前往低能級(jí)，并同時(shí)發(fā)出光輻射的過程。受激輻射 ：在能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的外來(lái)光子作用下，會(huì)誘導(dǎo)處于高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時(shí)發(fā)射出數(shù)量加倍的光子，即光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的根本過成。受激發(fā)射的光子與入射光子頻率、相位一樣，偏振方向和傳播方向也一樣。因此由受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的光子具有很好的相關(guān)性和方向性。按照原

2、子的量子實(shí)際，光和原子的相互作用能夠引起受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種躍遷過程。 在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時(shí)存在的。 假設(shè)想獲得越來(lái)越強(qiáng)的光，也就是說產(chǎn)生越來(lái)越多的光子，就必需求使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。 光子對(duì)于高低能級(jí)的原子是一視同仁的。在光子作用下，高能級(jí)原子產(chǎn)生受激輻射的時(shí)機(jī)和低能級(jí)的原子產(chǎn)生受激吸收的時(shí)機(jī)是一樣的。能否能得到光的放大就取決于高、低能級(jí)的原子數(shù)量之比。 假設(shè)位于高能態(tài)的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能態(tài)的原子，就得到被高度放大的光。 在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律。因此，位于高能級(jí)的原子

3、數(shù)總是少于低能級(jí)的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必需到非熱平衡的體系中去尋覓。受激吸收和受激輻射之間的關(guān)系2、產(chǎn)生激光的先決條件在熱平衡條件下 ，受激吸收能量大于受激發(fā)射能量。要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射能量大于受激吸收能量，必需使高能態(tài)的原子數(shù)目多于低能態(tài)的原子數(shù)目，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。首先是原子能級(jí)起碼要具有三級(jí)，即原子能級(jí)系統(tǒng)中要有亞穩(wěn)態(tài)存在，其次運(yùn)用外界激發(fā)方式實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在激光器中，激光任務(wù)物質(zhì)是產(chǎn)生光輻射和放大的在激光器中，激光任務(wù)物質(zhì)是產(chǎn)生光輻射和放大的物質(zhì)根底，激光躍遷上、下能級(jí)之間的自發(fā)發(fā)射是物質(zhì)根底，激光躍遷上、下能級(jí)之間的自發(fā)發(fā)射是激光器中光輻射信號(hào)的初始來(lái)源，光信號(hào)的放大是激

4、光器中光輻射信號(hào)的初始來(lái)源，光信號(hào)的放大是經(jīng)過該兩能級(jí)間的受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過該兩能級(jí)間的受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光器任務(wù)原理激光器任務(wù)原理 3、激光器的三大要素 任務(wù)物質(zhì)任務(wù)物質(zhì)是指可以產(chǎn)生受激輻射的資料，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體 。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。 最根本的要求是：光學(xué)性質(zhì)均勻、光學(xué)透明性良好且性能穩(wěn)定、量子效率較高、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)等。諧振腔：諧振腔： 也稱共振腔，是指光子可在其中來(lái)回振蕩也稱共振腔，是指光子可在其中來(lái)回振蕩的光學(xué)腔體。的光學(xué)腔體。 方式：平方式：平-平腔，平平腔，平-凹腔凹腔作用：作用： 1、提供光學(xué)正反響，讓光輻射不斷地在、

5、提供光學(xué)正反響，讓光輻射不斷地在任務(wù)物質(zhì)中往返傳播，受激輻射強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，任務(wù)物質(zhì)中往返傳播，受激輻射強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，最終到達(dá)和維持激光振蕩。最終到達(dá)和維持激光振蕩。 2、對(duì)腔體內(nèi)振蕩光束的方向、頻率、場(chǎng)、對(duì)腔體內(nèi)振蕩光束的方向、頻率、場(chǎng)的空間分布的限制造用的空間分布的限制造用 在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原途徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未到達(dá)一定限制的部分光子按原途徑反射回去，而到達(dá)一定能量限制的光子那么透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需求的、經(jīng)過放大了的激光；而被反射回任

6、務(wù)介質(zhì)的光，那么繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來(lái)回振蕩，呵斥連鎖反響，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生劇烈的激光，直到能量到達(dá)一定的限制，從部分反射鏡片中輸出。泵浦源：鼓勵(lì)源，是指向任務(wù)物質(zhì)供應(yīng)能量泵浦源：鼓勵(lì)源，是指向任務(wù)物質(zhì)供應(yīng)能量的能源，依托它把任務(wù)物質(zhì)中的原子、分子的能源，依托它把任務(wù)物質(zhì)中的原子、分子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這種鼓勵(lì)方式被籠統(tǒng)化地稱為泵浦或抽運(yùn)這種鼓勵(lì)方式被籠統(tǒng)化地稱為泵浦或抽運(yùn) 。常用的泵浦方式有：常用的泵浦方式有：電子注入：二極管激光器電子注入：二極管激光器LD)；光學(xué)泵浦：固體激光器、光纖激

7、光器、染料光學(xué)泵浦：固體激光器、光纖激光器、染料激光器等；激光器等；氣體放電泵浦：離子激光器、原子或分子氣氣體放電泵浦：離子激光器、原子或分子氣體激光器、金屬蒸氣激光器等；體激光器、金屬蒸氣激光器等；粒子束泵浦：高壓氣體激光器；粒子束泵浦：高壓氣體激光器；化學(xué)泵浦：可分為直接泵浦、能量轉(zhuǎn)移泵浦化學(xué)泵浦：可分為直接泵浦、能量轉(zhuǎn)移泵浦和光分解泵浦；和光分解泵浦； 4、激光光束高斯光束的特性 激光作為一種光源，其光束截面內(nèi)的光強(qiáng)分部是不均勻的，即光束波面上各點(diǎn)的振幅是不相等的，其振幅A與光束截面半徑r 的函數(shù)關(guān)系為：.;0名名義義截截面面半半徑徑截截面面半半徑徑作作為為激激光光束束的的時(shí)時(shí)的的光光束

8、束常常以以為為光光束束截截面面半半徑徑有有關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)為為一一個(gè)個(gè)與與光光束束截截面面半半徑徑為為光光束束截截面面中中心心的的振振幅幅 rrA光束波面的振幅A呈高斯函數(shù)分布220 reAA 5、高斯光束的傳播高斯光束傳播中的三個(gè)重要參數(shù)：高斯光束的截面半徑(z)；高斯光束的波面曲率半徑R(z) ；高斯光束的位相因子；結(jié)論：結(jié)論：高斯光束的傳播與同心光束的傳播不同，同心光高斯光束的傳播與同心光束的傳播不同，同心光束的傳播只需一個(gè)曲率半徑參數(shù)，而高斯光束的束的傳播只需一個(gè)曲率半徑參數(shù)，而高斯光束的傳播必需由兩個(gè)參數(shù)傳播必需由兩個(gè)參數(shù)R(z) 和和 (z) 來(lái)表征。來(lái)表征。0212200)0(0

9、)1 )(時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)（zzz高斯光束的束腰半徑高斯光束的束腰半徑0是光束截面最小處的光束是光束截面最小處的光束截面半徑，我們稱其為高截面半徑，我們稱其為高斯光束的束腰。高斯光束斯光束的束腰。高斯光束在均勻的透明介質(zhì)中傳播在均勻的透明介質(zhì)中傳播時(shí)，其光束截面半徑時(shí)，其光束截面半徑(z) 與與z不成線性關(guān)系。不成線性關(guān)系。 結(jié)論：高斯光束在傳播過程中，光束波面的曲率半徑由無(wú)窮大結(jié)論：高斯光束在傳播過程中，光束波面的曲率半徑由無(wú)窮大逐漸變小，到達(dá)最小后又開場(chǎng)變大，直至到達(dá)無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)變成無(wú)逐漸變小，到達(dá)最小后又開場(chǎng)變大，直至到達(dá)無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)變成無(wú)窮大。窮大。高斯光束的波面曲率半徑：高斯光束的波面曲率半徑：

10、)(1 )(220zzzR 計(jì)計(jì)算算公公式式：202240201)()0(0zzdzzdRzRz求導(dǎo)，得：上式對(duì)處，其波面為平面波。，說明高斯光束在束腰時(shí)，當(dāng)成成平平面面波波。，高高斯斯光光束束的的波波面面又又變變時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)半半徑徑最最小小。，高高斯斯光光束束的的波波面面曲曲率率此此時(shí)時(shí))(2)(20zRzzR 0212200)(1 )(lim tgzzzzdzdtg得得微微分分，并并令令對(duì)對(duì)把把式式則則有有：高斯光束的發(fā)散角高斯光束的發(fā)散角20)( zarctgz 相相位位因因子子的的孔孔徑徑角角。，常常又又稱稱為為高高斯斯光光束束的的夾夾角角為為束束對(duì)對(duì)稱稱軸軸令令雙雙曲曲線線的的漸漸近近線

11、線與與光光 1高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦的的透透鏡鏡像像方方焦焦面面上上。光光點(diǎn)點(diǎn)在在聚聚焦焦光光點(diǎn)點(diǎn)，且且聚聚焦焦即即光光束束可可獲獲得得高高質(zhì)質(zhì)量量的的的的束束腰腰遠(yuǎn)遠(yuǎn)離離透透鏡鏡時(shí)時(shí)，出出射射光光束束時(shí)時(shí)，即即入入射射光光束束的的束束腰腰當(dāng)當(dāng)fzz, 00有有關(guān)關(guān)。有有關(guān)關(guān)之之外外，還還與與除除與與時(shí)時(shí)，可可得得當(dāng)當(dāng)fzfzfz00)(結(jié)論：要想獲得良好的聚焦光點(diǎn)，通常應(yīng)盡量采用短結(jié)論：要想獲得良好的聚焦光點(diǎn)，通常應(yīng)盡量采用短焦距透鏡。焦距透鏡。6、高斯光束的聚焦與準(zhǔn)直2高斯光束的準(zhǔn)直高斯光束的準(zhǔn)直，即采用長(zhǎng)焦距透鏡。和加大，必須減小有關(guān)，要想獲得較小的和與說明時(shí)，可得）帶入上式并當(dāng)把

12、式（散角為經(jīng)透鏡變換后其光束發(fā)似為高斯光束的發(fā)散角可近ffffz0000026-8 二、 傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)1. 1. 平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率2. 夫瑯和費(fèi)衍射和傅里葉變換3. 傅里葉變換與光學(xué)信息處置1 平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率空間頻率：把一個(gè)在空間呈正弦或余空間頻率：把一個(gè)在空間呈正弦或余弦分布的物理量在某個(gè)方向上單位長(zhǎng)弦分布的物理量在某個(gè)方向上單位長(zhǎng)度內(nèi)反復(fù)的次數(shù)稱為該方向上的空間度內(nèi)反復(fù)的次數(shù)稱為該方向上的空間頻率。頻率。波矢量為波矢量為k的單色平面波在空間的復(fù)的單色平面波在空間的復(fù)振幅分布可以表示為：振幅分布可以表示為

13、：)coscoscos(exp),(zyxikAzyxExyzkCyxzzyxiAyxiziAyxEzzcoscos:)coscos(2exp)coscos(2exp)cos2exp(),(:,)cos,cos,(cos000為平面上等相位線的方程在平面上的復(fù)振幅分布為波在單色平面的一般情況對(duì)于傳播方向余弦為 空間頻率的意義：空間頻率的意義：由于光波在由于光波在k方向上每走一方向上每走一個(gè)個(gè) l 行程，位相變化行程，位相變化2p，因此，每間隔一個(gè)因此，每間隔一個(gè) l 就出就出現(xiàn)一個(gè)等位相面，在現(xiàn)一個(gè)等位相面，在z=z0平面上一簇垂直于平面上一簇垂直于k的平行的平行直線。直線。yxxTyTkco

14、s/dcos/dcos/dzyx , ，空間周期：z0dxdycos1,cos1:yxdvduyx方向相應(yīng)的空間頻率為和在yxyxvuvyuxiAyxEzzsin,sin2,2:,)(2exp),(:0的余角表示空間頻率用表示為平面上的復(fù)振幅分布可則的傅里葉變換求出。由位即基元函數(shù)的幅值和相它代表基元函數(shù)的權(quán)重記作譜的傅里葉變換或空間頻叫做方向的空間頻率是基元函數(shù)在的線性組合，數(shù)為連續(xù)空間頻率基元函上式表明二維函數(shù)后可以表示為積分存在的條件在滿足了普遍的傅里葉二維函數(shù)),(),(,),(),(,),(),(.,),()(2exp),()(2exp),(),()(2exp),(),(:),(yx

15、fvuFyxfvuFyxfvuFyxvuvyuxiyxfdxdyvyuxiyxfvuFdudvvyuxivuFyxfyxf2 夫瑯和費(fèi)衍射和傅里葉變換1)夫瑯和費(fèi)衍射和傅里葉變換的聯(lián)絡(luò)夫瑯和費(fèi)衍射和傅里葉變換的聯(lián)絡(luò)fyvfxudydxvyuxiyxtfyxfikfCyxEyxtyxtyxEyxEyxEdydxyfyxfxiyxEfyxfikfCyxE ,:)(2exp),()2(exp),(:)3911(),(),(),(),(, 1),(,)(2exp),()2(exp),(:1111112211111101111011111122式中可寫成式則入射時(shí)當(dāng)單位振幅平面波垂直夫瑯和費(fèi)衍射公式11

16、-3911-4011-411111112211111122)(2exp),()2(exp)exp()(2exp),()2(exp),(4011(dydxvyuxiyxtfyxikikffCdydxvyuxiyxtfyxfikfCyxE ）式常數(shù)因子，常數(shù)因子，可以忽略可以忽略二次因子，在求二次因子，在求強(qiáng)度分布時(shí)被自強(qiáng)度分布時(shí)被自動(dòng)消去。動(dòng)消去。的傅里葉變換，復(fù)振幅的）為剛透過衍射屏光場(chǎng)的復(fù)振幅因此，夫瑯和費(fèi)衍射場(chǎng)),t(xy(x,E11y的基元函數(shù)。為就是空間頻率為孔徑面上的復(fù)振幅分布這個(gè)平面波在個(gè)平面波的權(quán)重點(diǎn)的復(fù)振幅就代表了這平面波的向余弦為這些子波構(gòu)成了一個(gè)方方向子波復(fù)振幅的疊加上所有

17、點(diǎn)發(fā)出具有相同處光場(chǎng)的復(fù)振幅是孔徑焦面上任一點(diǎn)),(),(2exp,),(,),(11fyvfxuvyuxiPfyfxyxP夫瑯和費(fèi)衍射安裝夫瑯和費(fèi)衍射安裝.,),(,1111的傅里葉變換或衍射屏投射函數(shù)幅分布或者說是孔徑面的復(fù)振數(shù)的權(quán)重布恰恰就是這些基元函夫瑯和費(fèi)衍射復(fù)振幅分因此yxtyxE1xxfxA. 有限光學(xué)孔徑將入射的光衍射到各個(gè)方向，每個(gè)方向都可以看成一個(gè)平面波分量。這些平面波被透鏡會(huì)聚在焦平面的能量大小，可以反映出此分量波在整個(gè)衍射波中所占的比重。2)夫瑯和費(fèi)衍射的物理意義夫瑯和費(fèi)衍射的物理意義1xxfxB. 焦平面上不同的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同平面波的傳播方向，如x, y) 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平面

18、波在x 方向的空間頻率為： sincosfxux sincosyfyv 因此，在夫朗合費(fèi)衍射 中u，v恰好是平面光波在 x , y 方向的空間頻率。這些平面波各點(diǎn)權(quán)重與它們會(huì)聚在焦面上的光強(qiáng)成正比。 1111112dydx)vyux(iexp)y,x(EC)y, x(E數(shù)學(xué)與物理：方波函數(shù)與方孔衍射數(shù)學(xué)與物理：方波函數(shù)與方孔衍射在數(shù)學(xué)上：在數(shù)學(xué)上：方波函數(shù)可以分解方波函數(shù)可以分解成無(wú)窮基頻的和。成無(wú)窮基頻的和。在光學(xué)上：在光學(xué)上：方孔的夫瑯和費(fèi)衍射，是將一個(gè)有方孔的夫瑯和費(fèi)衍射，是將一個(gè)有限光波衍射成無(wú)窮個(gè)方向傳輸?shù)钠较薰獠ㄑ苌涑蔁o(wú)窮個(gè)方向傳輸?shù)钠矫婀獠?。面光波?),(),cos,(cos)

19、(2exp)(),(),(),()(2exp),(),()(2exp),(),(得到傳播個(gè)圖像信息基本信息的載體而使整面波成分作為光學(xué)圖像的平面波。因此每個(gè)平振幅為余弦為光波分解為一系列方向由于衍射作用而將入射光柵。有不同光柵常數(shù)的衍射周期結(jié)構(gòu)類似于一些具幅分布的基元光學(xué)圖片時(shí)，這些復(fù)振當(dāng)單色平面波垂直照明的線性疊加，或者基元周期結(jié)構(gòu)信息的基元連續(xù)空間頻率為分解為具有不同權(quán)重表示，它可以振幅透射系數(shù)圖片的光學(xué)信息由其復(fù)復(fù)雜的光學(xué)的意義上理解為：一個(gè)在光學(xué)信息分解和傳播vuEvuvyuxivuvuEyxtdudvvyuxiyxtvuEdudvvyuxivuEyxt 經(jīng)過物面產(chǎn)生的衍射平面光波空間

20、頻率來(lái)分析物面構(gòu)造的方法就是傅里葉光學(xué)研討的內(nèi)容。 總結(jié)：總結(jié)：夫瑯和費(fèi)衍射可以用傅里葉變換這個(gè)數(shù)學(xué)工具來(lái)描畫。夫瑯和費(fèi)衍射可以用傅里葉變換這個(gè)數(shù)學(xué)工具來(lái)描畫。由于衍射光波與復(fù)振幅函數(shù) E( x,y ) 是親密相關(guān)的，因此，通常用衍射出的平面光波的空間頻率分布反映物面的構(gòu)造。留意： 平面光波的方向用它在x , y ，z 軸的空間頻率來(lái)描畫。3 3 傅里葉變換與光學(xué)信息處置傅里葉變換與光學(xué)信息處置 光學(xué)信息處置是以二維圖像作為媒介來(lái)進(jìn)展圖像的識(shí)光學(xué)信息處置是以二維圖像作為媒介來(lái)進(jìn)展圖像的識(shí)別、圖像的加強(qiáng)與恢復(fù)、圖像的傳輸與變換、功率譜分析別、圖像的加強(qiáng)與恢復(fù)、圖像的傳輸與變換、功率譜分析等。等。

21、 由光學(xué)透鏡組成那個(gè)的相關(guān)光學(xué)處置系統(tǒng)，可簡(jiǎn)單迅速地完成二維圖像的傅里葉變換運(yùn)算。),(yxELfff0dPFP),(11yxE)y,x(E11),(yxEL),(E)y, x(E1、傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)4f 光學(xué)變換系統(tǒng)P：輸入面物面；F：頻譜面；P 輸出面像面。在相關(guān)光學(xué)信息處置中，此系統(tǒng)稱為 4f 系統(tǒng)。1L2L為傅里葉變換物鏡和21LLf-fxyf-ffyx輸入面頻譜面L2L1輸出面相關(guān)平行光光學(xué)信息處置光學(xué)信息處置4f系統(tǒng)系統(tǒng)從物平面從物平面P到頻譜面到頻譜面F，第一次夫瑯和費(fèi)衍射：，第一次夫瑯和費(fèi)衍射： 當(dāng)物體在透鏡的前焦面上時(shí)，在透鏡的后焦面上當(dāng)物體在透鏡的前焦面上時(shí)，在透鏡的后焦

22、面上得到準(zhǔn)確的傅里葉變換，衍射場(chǎng)即為頻譜面。得到準(zhǔn)確的傅里葉變換，衍射場(chǎng)即為頻譜面。 )(2exp),()(1111110dydxvyuxiyxECu,vE 2expi10fikfCC0 是光束走過 2f 間隔產(chǎn)生的位相延遲。ffu, , yxfyvfxu )()(2exp)(),(11011dudvvyuxiu,vECyxE 從頻譜面從頻譜面F到像面到像面P輸出面輸出面 ，第二，第二次夫瑯和費(fèi)衍射：次夫瑯和費(fèi)衍射：),(),(yxfyxfFF),(),(yxfFF1定理：同樣，從 F 面P到也是準(zhǔn)確的傅里葉變換，但坐標(biāo)方向相反，在像面上得到原物體得像，只是物像倒置。p 任何一個(gè)光波例如經(jīng)過透

23、明圖片的光波都可以看成是一系列平行光的疊加。并且在普通情況下，這些平行光的振幅、相位和傳播方向各不一樣。但是這些平行光和原光波之間滿足傅里葉變換，這些不同方向的平行光，那么稱為原光波的空間譜。p 平行光經(jīng)過理想透鏡后，將在透鏡的后焦面上會(huì)聚成一平行光經(jīng)過理想透鏡后，將在透鏡的后焦面上會(huì)聚成一點(diǎn)，它在焦平面上的位置與入射方向構(gòu)成對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同點(diǎn)，它在焦平面上的位置與入射方向構(gòu)成對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同方向的平行光落在后焦平面的不同位置上。后焦平面上的方向的平行光落在后焦平面的不同位置上。后焦平面上的光波，恰好是前焦平面上光波的傅里葉變換。光波，恰好是前焦平面上光波的傅里葉變換。p 在一定條件下，妨礙物處的

24、光場(chǎng)分布和經(jīng)過妨礙物后的在一定條件下，妨礙物處的光場(chǎng)分布和經(jīng)過妨礙物后的光場(chǎng)分布之間，滿足傅里葉變換的關(guān)系。光場(chǎng)分布之間，滿足傅里葉變換的關(guān)系。2、 阿貝成像實(shí)際與波特實(shí)驗(yàn) 1、阿貝成像實(shí)際、阿貝成像實(shí)際物平面物平面頻譜面頻譜面像面像面 采用相關(guān)光波垂直照明物體，可以把物體看成一個(gè)復(fù)雜采用相關(guān)光波垂直照明物體，可以把物體看成一個(gè)復(fù)雜的衍射光柵，衍射光波在透鏡的后焦面構(gòu)成物體的夫瑯和費(fèi)的衍射光柵，衍射光波在透鏡的后焦面構(gòu)成物體的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。衍射圖樣。 現(xiàn)實(shí)上光波在傳播中還要物鏡孔徑的限制，經(jīng)過第二次衍射才干傳播到像面。把后焦面上的點(diǎn)看作相關(guān)的次級(jí)波源，發(fā)出惠更斯子波，在像面相關(guān)疊加產(chǎn)生物體

25、的像。 由于物鏡大小的限制，物體的頻率分量只需一部分參與成像，其中一些高頻成分被喪失，因此產(chǎn)生像的失真，即影響像的明晰度或分辨率。 因此光學(xué)系統(tǒng)的作用類似于一個(gè)低通濾波器，濾掉了物體的高頻成分，這正是任何光學(xué)系統(tǒng)不能傳送全部細(xì)節(jié)的根本緣由。結(jié)論：結(jié)論： 第一次夫瑯和費(fèi)衍射是物體的復(fù)振幅分布被分解而得到其第一次夫瑯和費(fèi)衍射是物體的復(fù)振幅分布被分解而得到其空間頻譜，第二次夫瑯和費(fèi)衍射是頻譜中一切的傅里葉頻譜空間頻譜，第二次夫瑯和費(fèi)衍射是頻譜中一切的傅里葉頻譜分量在像面疊加而綜合成像的復(fù)振幅分布。分量在像面疊加而綜合成像的復(fù)振幅分布。 2、波特實(shí)驗(yàn)、波特實(shí)驗(yàn)頻譜面頻譜面物面物面像面像面在頻譜面放置狹

26、縫、圓屏等掩模版來(lái)改動(dòng)物面的頻譜，從而察看像面發(fā)生的變化，這一過程成為空間濾波。這些掩模版稱為空間濾波器。圖象濾波圖象濾波1),(yxELfff0dPFP),(11yxE)y,x(E11),(yxEL),(E)y, x(E4、光學(xué)信息處置、光學(xué)信息處置fff0dPFP),(11yxE),(11yxE),(),(EyxE圖象濾波圖象濾波2程度狹縫光欄程度狹縫光欄圖象濾波圖象濾波3垂直狹縫光欄垂直狹縫光欄fff0dPFP),(11yxE),(11yxE),(),(EyxE圖象濾波圖象濾波4低通濾波低通濾波fff0dPFP),(11yxE),(11yxE),(),(EyxE圖象濾波圖象濾波5基頻濾波

27、基頻濾波fff0dPFP),(11yxE),(11yxE),(),(EyxE 3、傅里葉變換物鏡為了獲得明晰的夫瑯和費(fèi)衍射圖像和正確的傅里葉變換關(guān)系，傅里葉變換物鏡應(yīng)對(duì)光瞳位置校正球差和慧差，對(duì)物面位置校正球差、彗差、像散和場(chǎng)曲，其像差公差應(yīng)到達(dá)衍射極限，即波像差不大于/4。采用雙膠合或雙分別方式，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于軸外像差的存在，其視場(chǎng)角和相對(duì)孔徑普通較小。采用兩組對(duì)稱的反遠(yuǎn)距透鏡組，使得物鏡的主面位置外采用兩組對(duì)稱的反遠(yuǎn)距透鏡組，使得物鏡的主面位置外移，使得物像方焦點(diǎn)間隔小于焦距；相應(yīng)能處置的物面移，使得物像方焦點(diǎn)間隔小于焦距；相應(yīng)能處置的物面和頻譜面尺寸變大；有利于校

28、正物鏡的像面彎曲和其它和頻譜面尺寸變大；有利于校正物鏡的像面彎曲和其它軸外像差，但構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)高。軸外像差，但構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)高。采用雙膠合或雙分別方式，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于軸外像差的存在，其視場(chǎng)角和相對(duì)孔徑普通較小。采用兩組對(duì)稱的反遠(yuǎn)距透鏡組，使得物鏡的主面位置外移，使得物像方焦點(diǎn)間隔小于焦距；相應(yīng)能處置的物面和頻譜面尺寸變大；有利于校正物鏡的像面彎曲和其它軸外像差，但構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)高。 三、 掃描光學(xué)系統(tǒng) 光束傳播方向隨時(shí)間 變化而改動(dòng)的光學(xué)系統(tǒng)稱其為掃描光學(xué)系統(tǒng)。1、掃描方程式表征掃描特性的參數(shù)：掃描系統(tǒng)的孔徑大小D、孔徑的外形因子a和最大掃描角。掃描系統(tǒng)的極限分辨角：

29、aDNNDa:,)(sin為系統(tǒng)的掃描點(diǎn)數(shù)則掃描為掃描范圍角若掃描系統(tǒng)的最大掃描 2、光學(xué)掃描系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：物鏡口徑相對(duì)較小，且掃描物鏡只需求校正軸上點(diǎn)像差。優(yōu)點(diǎn)：物鏡口徑相對(duì)較小，且掃描物鏡只需求校正軸上點(diǎn)像差。缺陷：掃描像面為一曲面，不利于圖像的接納與轉(zhuǎn)換。缺陷：掃描像面為一曲面，不利于圖像的接納與轉(zhuǎn)換。 3、掃描物鏡-f物鏡對(duì)等角速度掃描的光束，假設(shè)要經(jīng)過掃描物鏡在垂直于光軸的像平面上等速掃描成像，其掃描物鏡所得到的像高變?yōu)閒 ，即與光束入射角呈線性關(guān)系。f物鏡的成像關(guān)系與普通光學(xué)系統(tǒng)的成像關(guān)系不一樣，普通物鏡的理想像高為y=ftg，與角呈非線性關(guān)系。大多數(shù)f物鏡屬大視場(chǎng)小相對(duì)孔徑的像方遠(yuǎn)心

30、光學(xué)系統(tǒng)，因此必需校正軸外點(diǎn)像差。軸上點(diǎn)軸上點(diǎn)軸外點(diǎn)軸外點(diǎn)多片分別式的負(fù)彎月形物鏡多片分別式的負(fù)彎月形物鏡光焦度的分配為負(fù)-正-負(fù)方式，前兩組正負(fù)焦距和間隔滿足總的光焦度要求，第三組為負(fù)組，位于像面附近，有利于滿足像方遠(yuǎn)心光路的要求。 四、光電檢測(cè)系統(tǒng)光源照明系統(tǒng)被測(cè)物體成像系統(tǒng)CCD器件放大電路二值化處置微機(jī)控制顯示與打印1、光電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖、光電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖在在CCD光電檢測(cè)系統(tǒng)中，光電檢測(cè)系統(tǒng)中，CCD傳感器的參數(shù)選擇與被檢傳感器的參數(shù)選擇與被檢測(cè)物體的成像放大率和丈量精度有關(guān)。測(cè)物體的成像放大率和丈量精度有關(guān)。yNyNyyCCDNNyCCDyyy ),(,:,則則有有大大小小像

31、像素素為為像像素素元元的的分分辨辨率率的的像像素素元元個(gè)個(gè)數(shù)數(shù)為為即即的的有有效效光光敏敏元元最最大大長(zhǎng)長(zhǎng)度度不不能能大大于于幾幾何何光光學(xué)學(xué)成成像像理理論論則則有有設(shè)設(shè)成成像像系系統(tǒng)統(tǒng)的的放放大大率率為為 :,為為上上測(cè)測(cè)量量精精度度可可得得精精度度為為設(shè)設(shè)光光電電檢檢測(cè)測(cè)系系統(tǒng)統(tǒng)的的測(cè)測(cè)量量CCD 2, 即即像像素素大大小小至至少少應(yīng)應(yīng)為為兩兩個(gè)個(gè)傳傳感感器器上上的的精精度度為為要要想想保保證證CCDCCD 2精精度度為為：則則光光電電檢檢測(cè)測(cè)系系統(tǒng)統(tǒng)的的測(cè)測(cè)量量例 某一光電檢測(cè)系統(tǒng)采用2048線陣CCD作為光電檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器，每個(gè)像素大上為14m，假設(shè)成像系統(tǒng)放大率為0.5，求被檢測(cè)物

32、的最大尺寸以及光電檢測(cè)系統(tǒng)的丈量精度。CCD器件的有效光敏元長(zhǎng)度為：mmmNy672.28142048 mmNy344.575 . 0672.28 mmm056. 0565 . 01422 被檢測(cè)物的最大尺寸：被檢測(cè)物的最大尺寸：光電檢測(cè)系統(tǒng)的丈量精度：光電檢測(cè)系統(tǒng)的丈量精度：解：解：表征照明系統(tǒng)傳送光能量大小的拉赫不變量J1為：J1=n1u1y1表征成像物鏡傳送光能量大小的拉赫不變量J2為：J2=n2u2y2為使照明系統(tǒng)均勻地照射物鏡L3的整個(gè)視場(chǎng)，且使光線能充溢物鏡L3的數(shù)值孔徑角，照明系統(tǒng)的拉赫不變量變大于成像系統(tǒng)的拉赫不變量，即有：J1 J2 1、光在光導(dǎo)纖維中的傳播1、光纖的構(gòu)造和類型光纖是光導(dǎo)纖維光學(xué)纖維的簡(jiǎn)稱，它是一種用透明的光學(xué)資料如石英、玻璃、塑料等拉制而成的用于傳輸光的圓柱型光波導(dǎo)。纖芯的粗細(xì)、纖芯資料和包層資料的折射率，對(duì)光纖的特性起決議作用