信息光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用課件

1、 信息光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用信息光學(xué) 1、預(yù)備知識 2、 衍射系統(tǒng)的屏函數(shù) 3、夫瑯和費光柵衍射的傅里葉頻譜分析 4 、阿貝成像原理 5、空間濾波 6、阿貝波特空間濾波實驗 7、相襯顯微鏡 8、相干光學(xué)圖像處理系統(tǒng)（4F系統(tǒng)）光的偏振 信息光學(xué)數(shù)學(xué)工具（級數(shù)、積分）經(jīng)典光學(xué)（光波的傳播、干涉、衍射、成像、光學(xué)信息的記錄與再現(xiàn)、光學(xué)信號的處理） 在信息光學(xué)中，從“空域”“空間坐標系”觀念對圖像的描述過渡到用“頻域”或“頻率坐標系”描述。開辟了新天地。由傳統(tǒng)的波動光學(xué)，在引入傅里葉變換后，形成了新的學(xué)科信息光學(xué)（或傅里葉光學(xué)）。一、信息光學(xué)1、預(yù)備知識 平面波與球面波的復(fù)振幅： 平面波：球面波:復(fù)振幅:

2、復(fù)振幅由兩部分組成，其模量代表振幅在空間的分布，其幅角代表位相在空間的分布波前： 一般泛指波場中任一曲面，更多的是指一個平面。 xozkkzz(x,y)o(x,y)ozz發(fā)散球面波會聚球面波2、 衍射系統(tǒng)的屏函數(shù) 能使波前的復(fù)振幅發(fā)生改變的物，統(tǒng)稱為衍射屏。 衍射屏將波的空間分為前場和后場兩部分。前場為照明空間，后場為衍射空間。 波在衍射屏的前后表面處的復(fù)振幅分別稱為入射場、透射場（或反射場），接收屏上的復(fù)振幅為接收場。入射場 透射或反射場接收場 衍射屏的作用是使入射場轉(zhuǎn)換為透射場（或反射場） 。用函數(shù)表示，就是透過率或反射率函數(shù)，統(tǒng)稱屏函數(shù)。衍射屏函數(shù)屏函數(shù)的模。模為常數(shù)的衍射屏稱為位相型的

3、 ，如透鏡、棱鏡等。屏函數(shù)的幅角即位相。幅角為常數(shù)的衍射屏稱為振幅型的 ，如單縫、圓孔等。透鏡的屏函數(shù)棱鏡的屏函數(shù)波前函數(shù)中每出現(xiàn)一個二次相因子，則可看成是受到某個透鏡的作用波前函數(shù)中每出現(xiàn)一個線性相因子，則可看成是受到某個等效棱鏡的偏折3、夫瑯和費光柵衍射的傅里葉頻譜分析空間頻率的概念 最基本的屏函數(shù)是具有空間周期性的函數(shù)。描述空間周期函數(shù)的重要概念是“空間頻率”。 比如常見的黑白型光柵，光柵常數(shù)為d，也就是其空間周期?？臻g周期d的倒數(shù)就是空間頻率，即有f=1/d。f稱為空間頻率。光柵xoxo(a)黑白型(b)正弦型衍射單元的光瞳函數(shù)正弦光柵的傅立葉變換平行光垂直入射：0級波，方向 +1級波

4、，方向 -1級波，方向 透射波實際上變?yōu)槿胁?黑白光柵的傅里葉變換平行光垂直入射：傅里葉系數(shù)：In08642-8-6-4-2黑白光柵的分立譜高頻低頻零頻xz空間頻率與傳播方向的關(guān)系一個普通光學(xué)圖像可視為由多種空間頻率的光信號組合而成，低頻分量反映圖像的宏觀結(jié)構(gòu)，高頻分量則反映圖像的精細結(jié)構(gòu)，也就是圖像的細節(jié)4 、阿貝成像原理可以從幾何光學(xué)的角度，即光線的折射來說明成像過程也可以從夫瑯禾費衍射的角度，即對波前的變換來說明成像的過程第一步，物光波（屏函數(shù)的平面波）經(jīng)過透鏡在其焦平面上匯聚成衍射斑，即點光源第二步，焦平面上的衍射斑作為相干的點光源，發(fā)出的次波在像平面上相干疊加5、空間濾波 空間頻率

5、與波的衍射角相關(guān)，可以據(jù)此做成低通、高通或帶通的濾波裝置衍射屏或物的空間頻率 低通高通帶通低通高通帶通6、阿貝波特空間濾波實驗 以黑白光柵為物，單色平行光照射 在傅氏面上加一可調(diào)狹縫，觀察像的變化像平面傅氏面黑白光柵可調(diào)光闌只讓0級，即直流成分通過，則像平面被0級斑發(fā)出的球面波照明。近軸條件下，被均勻照明讓0級和1級通過，則像平面上是0和1三個衍射斑發(fā)出的次波的相干疊加 讓0級、1和2級通過，則像平面上是5個衍射斑發(fā)出的次波的相干疊加 除0級外，全開放7、相襯顯微鏡對于無色通明的生物切片或晶片，它們的透過率函數(shù)是位相型的：當平行光垂直照射時：對零級譜相位調(diào)制后：8、相干光學(xué)圖像處理系統(tǒng)（4F系

6、統(tǒng)）二、光的偏振自然光線偏振光部分線偏振光圓偏振光橢圓偏振光光的偏振態(tài)1、光的偏振態(tài) 如果一束光的電矢量在波面內(nèi)運動的特點是其瞬時值的大小不變，方向以角速度（即波的圓頻率）勻速旋轉(zhuǎn)，換句話說，電矢量的端點描繪的軌跡為一圓，這種光叫圓偏振光。oEyxExEy圓偏振光左旋偏振光右旋偏振光橢圓偏振光 電矢量的端點在波面內(nèi)描繪的軌跡為一橢圓的光，叫橢圓偏振光。xoEyAyAx0第一象限/2第二象限- 第三象限-/2第四象限0右旋左旋2、偏振器件格蘭-湯姆遜棱鏡制作時使膠合劑的折射率大于并接近e光的折射率，但小于o光折射率，并選取棱鏡斜面與直角面的夾角大于o光在膠合面上的臨界角，這樣o光在膠合面上將發(fā)生

7、全反射，并被棱鏡直角面上的涂層吸收，而e光由于折射率幾乎不變而無偏折地從棱鏡出射。光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠oe吸收涂層i偏振棱鏡當上偏角大于某一值時，o光在膠層上的入射角小于臨界角，不發(fā)生全反射而部分地透過棱鏡；當下偏角大于某一值時，e光折射率增大與o光同時發(fā)生全反射，沒有光從棱鏡射出。當入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱鏡時，棱鏡的全偏振角或孔徑角受到限制。孔徑角約為14 波片 也稱相位延遲器，能使兩個互相垂直的線偏振光之間產(chǎn)生一個相對的相位延遲，從而改變光的偏振態(tài)。波片是透明晶體制成的平行平面薄片，其光軸與表面平行。對某個波長而言，當o、e光在晶片中的光程差為的某個特定倍數(shù)時，

8、這樣的晶片叫波晶片，簡稱波片。ydxAAoAe線偏振光光軸當一束線偏振光垂直入射到由單軸晶體制成的波片時，在波片中分解成沿原方向傳播但振動方向互相垂直的o光和e光，相應(yīng)的折射率n0 、 ne。兩光在晶片中的速度不同，當通過厚度d的晶片后產(chǎn)生相應(yīng)的相位差為時為圓偏振光 振幅關(guān)系兩束振動方向互相垂直且有一定相位差的線偏振光疊加，一般得到橢圓偏振光。波片制造時通常標出快（或慢）軸，稱晶體中波速快的光矢量的方向為快軸，與之垂直的光矢量方向即為慢軸。負單軸晶體時，e光比o光速度快，快軸在e光光矢量方向即光軸方向，o光光矢量方向為慢軸，正晶體正好相反。波片產(chǎn)生的相位差是慢軸方向光矢量相對于快軸方向光矢量的

9、相位延遲量。 a. 全波片厚度全波片產(chǎn)生 整數(shù)倍的相位延遲，不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。用于應(yīng)力儀中，以增大應(yīng)力引起的光程差值，使干涉隨內(nèi)應(yīng)力變化變得敏感。對波長為的光沒有影響（相位延遲2）。但是對別的波長的光來說是有影響的。b.半波片半波片產(chǎn)生 奇數(shù)倍的相位延遲，線偏振光通過半波片后仍然是線偏振光。若入射線偏振光的振動方向與波片快軸（或慢軸）夾角為 ，出射線偏振光的振動方向向著快軸（或慢軸）方向轉(zhuǎn)過 。當作用：可使線偏振光的振動面轉(zhuǎn)過一個角度。若入射點處線偏振光分解的o、e光同相則出射點處仍是線偏振光: o、e光反相A0入A0出A入A出Ae入= Ae出入光軸若入射的是橢圓偏振光,經(jīng) 1/2 波片,

10、出來仍是橢圓偏振光,但是旋轉(zhuǎn)的方向改變,而且橢圓的長軸轉(zhuǎn)過 2 角.圓偏振光入射時，出射光是旋向相反的圓偏振光。若入射的是圓偏振光(已有/2),經(jīng)1/2波片(又有 ),出來仍是圓偏振光,但是左旋右旋c.四分之一波片線偏振光經(jīng)1/4波片可以獲得橢圓或圓偏振光橢圓或圓偏振光,經(jīng)1/4波片可以獲得線偏振光因為橢圓或圓偏振光的兩個垂直分量已經(jīng)有了相位差/2, 經(jīng)1/4波片以后,又有/2的相位差,所以出來的就是相位差為0或的線偏振光了.圓(o光,e光分量的振幅相等)橢圓線偏振光(只有平行于光軸的分量)線偏振光(只有垂直于光軸的分量) 波片都只是對某一特定波長的入射光產(chǎn)生某一確定的位相變化。 同時，入射在

11、波片上的光必須是偏振光，自然光經(jīng)波片后的出射光仍是自然光。 為了達到改變偏振態(tài)的目的，應(yīng)該使波片的快（慢）軸與入射光矢量有一定夾角，以便在兩個互相垂直的光矢量間引入一定的位相延遲。3、偏振光的鑒別直線偏振光的鑒別轉(zhuǎn)動檢偏鏡，光強隨之改變。如果最弱時完全看不到光，再轉(zhuǎn)過90度，光強就最大，可確定為直線偏振光。分辨圓偏振光與自然光 轉(zhuǎn)動檢偏鏡，若透射光強度始終不變，入射光就是自然光或圓偏振光，或由自然光與圓偏振光混合而成的部分圓偏振光。 a.圓偏振光那么通過四分之一波片后，便成為直線偏振光。要分辨這兩種光，就應(yīng)在光射達檢偏鏡前，使它先通過四分之一波片。b.自然光 則經(jīng)過四分之一波片后，就不會變成直

12、線偏振光，也不會變成部分偏振光，仍為自然光。 即轉(zhuǎn)動檢偏鏡時，所見的光強度始終不變。 分辨橢圓偏振光與部分直線偏振光 在轉(zhuǎn)動檢偏鏡時，均可發(fā)現(xiàn)光線有時亮、有時暗，即使在最暗時，透過光強也都不完全減弱到零。 為區(qū)別這兩種光，可將一個四分之一波片插入待檢驗的偏振光與檢偏鏡之間，并先使四分之一波片的光軸取向跟單獨用檢偏鏡時看到最亮?xí)r的光振動方向一致。a.橢圓偏振光 在通過四分之一波片后，它便將變成直線偏振光，因此可用檢偏鏡直接檢驗出來（有兩個消光位置）。b.部分線偏振光 經(jīng)過四分之一波片后，檢偏器轉(zhuǎn)動時沒有消光現(xiàn)象。5 種偏振態(tài)的檢驗把檢偏器對著被檢光旋轉(zhuǎn)一周，若得到有消光 光強不變 強度有變化，但無消光線偏振光在光路中插入1/4波片，再旋轉(zhuǎn)檢偏器，若得在光路中插入1/