傅里叶光学实验.docx

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傅里叶光学实验

傅里叶光学实验

实验原理：

我们知道一个复变函数f（x,y）的傅立叶变换为

（1）

F（u,v）叫作f（x,y）的变换函数或频谱函数。

它一般也为复变函数，f（x,y）叫做原函数，也可以通过求F（u,v）逆傅立叶变换得到原函数f（x,y），

（2）

在光学系统中处理的是平面图形，当光波照明图形时从图形反射或透射出来的光波可用空间两维复变函数（简称空间函数）来表示。

在这些情况下一般都可以进行傅里叶变换或广义的傅里叶变换。

逆傅里叶变换公式

（2）说明一个空间函数f（x,y）可以表示成无穷多个基元函数exp[i2（ux+vy）]的线性叠加，

是相应于空间频率u,v的权重，F（u,v）称为f（x,y）的空间频谱。

在光学成像的过程中如果将一个平面图形放在一个理想的透镜（傅立叶变换透镜）的前焦平面上，在透镜的后焦平面就可以得到它的准确的傅立叶变换，即得到它的频谱函数。

反之如果将一个平面图形的频谱放在一个理想的透镜的前焦平面上，在透镜的后焦平面就可以得到此平面图形（不过图形的坐标要反转）。

从电子学的通讯理论我们知道，如果对信号的频谱进行处理（如滤波处理）再将信号还原就可以改变信号的性质，如去除信号的噪声等等。

因此等效地可以在透镜的后焦平面上放置各种形状和大小的光阑改变图形的频谱，再对此图形用第二个透镜成像就可以对图形进行处理，得到经过处理的图形。

这个过程叫作光学信息处理，在透镜的后焦平面上放置的光阑叫做空间滤波器。

.最典型的空间滤波系统—两个透镜（光学信息处理系统或傅立叶光学变换系统）叫作4f系统，如图1所示，

图2.4-14f系统

像平面

透镜2

频谱面

透镜1

物平面

图1

激光经过扩束准直形成平行光照明物平面（其坐标为x1,y1），透过物平面的光的复振幅为物函数f（x1,y1）,这一光波透镜1到达后焦平面（频谱面）就得到物函数的频谱，其坐标为（u,v），再经透镜2在透镜2的象平面上可以得到与物相等大小完全相似但坐标完全反转的象，设其坐标为（x2,y2）。

此时我们将坐标完全反转后可以认为得到原物的完全相同的象。

关于物平面和频谱面的尺寸大小的问题是实验中很重要的。

为了便于问题的讨论，假定物平面和频谱面的坐标单位相同，物函数f（x1,y1）的坐标x1、y1和频谱函数F（u,v）的坐标u、v的关系为

其中为光的波长，f为透镜的焦距。

以矩孔为例，如果矩孔的长为a，宽为b，则频谱面得到的衍射图形即矩孔的频谱为[注1]

（21）

[注1]矩孔的数学表达式为

，根据前面的傅里叶变换的缩放性质和表1可以推得式（21）

图2.4-2矩形透光孔和它的频谱图

由此可以计算出频谱面上中央主极大（图2.4-2右图中央的方斑）的宽度为

，高度为

。

可以知道频谱面尺寸的大小与物平面图形尺寸成反比，与透镜焦距f成正比，所以为了得到较大尺寸的频谱图用于完成实验的透镜的焦距要求较长。

图2.4-2右图所画的不是物函数的频谱，而是其功率谱。

因为任何光的探测器都只能对光强有反映，所以我们观察到的只是频谱的强度分布即模的平方—功率谱。

对方孔来说其频谱与功率谱的尺寸相同。

空间滤波器由于其特性和功能不同可以进行不同的分类，按其功能可以分为：

1．低通滤波：

在频谱面上放如图2.4-3

（1）所示的光阑，只允许位于频谱面中心及附近的低频分量通过，可以滤掉高频噪音。

2．高通滤波：

在频谱面上放如图2.4-3

（2）所示的光阑，它阻挡低频分量而让高频分量通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强。

3．带通滤波：

在频谱面上放如图2.4-3（3）所示的光阑，它只允许特定区域的频谱通过，可以去除随机噪音。

4．方向滤波：

在频谱面上放如图2.4-3（4）或（5）所示的光阑，它阻挡或允许特定方向上的频谱分量通过，可以突出图像的方向特征。

图2.4-3各种形式的空间滤波器

图3

以上滤波光阑因透光部分是完全透光，不透光部分是将光全部挡掉，所以称作“二元振幅滤波器”。

还有各种其它形式的滤波器，如：

“振幅滤波器”、“相位滤波器”和“复数滤波器”等。

5．相幅滤波器：

是将位相转变为振幅的滤波器,它的重要应用就是把”位相物体”显现出来，所谓位相物体是指那些只有空间的位相结构而透明度却一样的透明物体。

如生物切片、油膜、热塑等，它们只改变入射光的位相而不影响其振幅。

所以人眼不能直接看到透明体中的位相分布也就是它们的形状和结构，利用相幅转换技术就能使人眼看到透明体的形状和结构，从而扩展了人眼的视觉功能。

（1）纹影法：

这是一个在空气动力学和燃烧学方面很有用的装置，可以应用于火焰照相和流场显示技术。

它使用的光阑是一个刀口或一个如图4

（2）所示的高通滤波器，也可以是个带通滤波器等等。

经流体被扰动的光的场强（复振幅）为：

s=Aexp{i[（x,y）]}（22）

如果很小复振幅可以近似表示为：

b（x,y）A[1+i（x,y）]（23）

在刀口平面内，复振幅可以写成b（x,y）的傅立叶变换。

（24）式中

（u,v）是刀口平面的坐标。

这里狄拉克（Dirac）函数（u,v）表示光源未被扰动的象。

由于刀口对光的阻挡作用，产生了光强的衰减，刀口后光强的复振幅可以写成：

（25）

这里刀口衰减光的效应是通过透过率来描述的。

在记录平面（即底片）上的复振幅b（x2,y2）又是B（u,v）的傅立叶变换。

假定物和象的放大因子为1，所以x2=-x1，y2=-y1，和：

b（x2,y2）]=A[+i（x2,y2）]（26）

故记录平面上的光强分布为：

I（x,y）=b（x2,y2）2=A2[2+2（x2,y2）]（27）

纹影图上的对比度或相对光强变化为：

（28）

如果=0其灵敏度或对比度将无限大，上式没有考虑衍射效应，因为衍射使光源的象产生畸变，因此不能用狄拉克函数来表示了。

一定数量的扩散光可以到达底片对纹影象的背景光I=0有贡献。

扩散光的贡献可以一附加项表示，纹影象的对比度可以描述成：

（29）

这样最大的对比度就不是无限的，即使在=0时。

（2）相衬法：

它的原理是利用相位滤波器将物体的相位变化转换成光的强弱不同，相衬法的优点是观察到的强度的变化与位相变化成线性关系。

而在纹影法中两者的关系是非线性的。

因此不能作为物体厚度等物理量的直接指示。

滤波器是一块玻璃片上涂一小滴透明的电介质构成，电介质小点位于焦平面的中心，其厚度及折射率使得聚焦的光在通过它后其位相延迟/2或/2的奇数倍。

经滤波器后物的频谱变为：

（34）

这样到达象平面上的复振幅为：

（35）

像平面的光强为：

（36）

当

很小时，

可以忽略不计。

所以像平面的光强为:

（37）

为了提高相衬图的对比度也可以用与纹影法相同的方法即使零频项除了有/2位相延迟还有一定的衰减，与（24）—（28）相同，可以得到相衬图的对比度为：

（38）

为了实验的便利常常利用一个透镜完成空间滤波实验（阿贝成像装置）：

如图5所示，这个装置最早是由阿贝（Abbe）于1893年提出的。

1906年波特（Porter）用实验验证了阿贝的理论，科学地说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。

在这种情况下，由于物面与透镜的前焦平面不重合，根据傅立叶光学的理论可以知道在透镜的后焦平面上得到的不是物函数的严格的傅立叶变换（频谱），不过只有一个位相因子的差别，对于一般情况的滤波处理可以不考虑。

这个光路的优点是光路简单，是显微镜物镜成像的情况—可以得到很大的象以便于观察，这正是阿贝当时要改进显微镜的分辨本领时所用的光路。

实验内容：

1.测小透镜的焦距f1（付里叶透镜f2=45.0CM）.

光路：

直角三棱镜→望远镜（倒置）（出射应是平行光）→小透镜→屏

思考：

如何测焦距？

2.夫琅和费衍射：

光路：

直角三棱镜→光栅→墙上布屏（此光路满足远场近似）

（1）利用夫琅和费衍射测一维光栅常数；

光栅方程：

dsinθ=kλ其中,k=0,±1,±2,±3,…

请自己选择待测量的量和求光栅常数的方法。

（卷尺可向老师索要）

记录一维光栅的衍射图样、可看到哪些级？

记录0级、±1级、±2级光斑的位置；

（2）记录二维光栅的衍射图样.

3.观察并记录下述傅立叶频谱面上不同滤波条件的图样或特征；

光路：

直角三棱镜→光栅→小透镜→滤波模板（位于空间频谱面上）→墙上屏

思考：

空间频谱面在距小透镜多远处？

图样应是何样？

（1）一维光栅：

（滤波模板自制，一定要注意戴眼镜保护；可用一张纸，一根针扎空来制作，也可用其他方法）.

a.滤波模板只让0级通过;

b.滤波模板只让0、±1级通过;

c.滤波模板只让0、±1、±2级通过;

（2）二维光栅：

a.滤波模板只让含0级的水平方向一排点阵通过；

b.滤波模板只让含0级的竖直方向一排点阵通过；

c.滤波模板只让含0级的与水平方向成45O一排点阵通过；

d.滤波模板只让含0级的与水平方向成135O一排点阵通过.

4.“光”字屏滤波

物面上是规则的光栅和一个汉字“光”叠加而成，在实验中要求得到如下结果：

a.如何操作在像面上仅能看到像面上是横条纹或竖条纹，写出操作过程；

b.如何操作在像面上仅能看到像面上是空心“光”，写出操作过程.

实验仪器：

光具座，氦氖激光器，针孔滤波器，透镜，作为物的光栅，滤波器，透镜，白色像屏，毫米刻度尺，护目镜。

数据处理：

1、测量小透镜的焦距

在光具座上从左到右依次摆上倒置望远镜，小透镜和光屏。

打开氦氖激光器，调节望远镜小透镜以及光屏的高度使得激光中心和望远镜，小透镜，光屏的中心在同一高度上。

移动光屏使得激光束在光屏上呈现最小最亮的圆点，此时光屏距离透镜大概为一个焦距。

透镜位置/cm

50.01

60.10

70.00

焦平面位置/cm

60.60

70.70

80.45

焦距/cm

10.59

10.60

10.45

因此

2、弗朗禾费衍射法测量光栅常数

从左到右依次为氦氖激光器，倒置望远镜，小透镜和光屏。

同上调整高度是中心一致，光屏须位于距离小透镜大概焦距大小的位置。

选择测量第k级到第零级的距离来计算sinθ，从而计算出光栅常数d。

由公式

，并结合近轴条件得到：

其中，L=130.10-30.10=10.00cm,λ=632.8nm，根据所得数据知：

（1）一维光栅

k=1：

，

k=2：

，

所以，光栅常数为：

（2）二维光栅

k=1：

，

k=2：

，

k=1：

，

k=2：

，

所以，光栅常数为：

由上结果可知，二维光栅所得结果略大于一维光栅所得结果，偏差较大的一组是纵轴的当k=1时对y的测量。

3、不同滤波条件下的图样

光路从左到右依次是氦氖激光发射器，倒置望远镜，光栅，小透镜，滤波模板，屏。

实验过程中，需要按以下条件对滤波模板进行扎孔。

（1）一维光栅

a.滤波模板只让0级通过：

屏上只有一个圆形亮斑，只能看到光栅的大概轮廓，同时，由于光栅和镜片的清洁度不高，所以轮廓中还有许多圆形斑点。

b.滤波模板只让0、±1级通过：

除了一些由于清洁度不高而印出的圆形斑点外，此时还能看到竖直条纹，但该条纹非常细小，恰如指纹一般，再加上由于镜片肮脏，所以观察时应该非常仔细才能从许多圆形斑点中观察出该细小的竖直条纹。

c.滤波模板只让0、±1、±2级通过：

此时也看到的是竖直条纹，但亮度更高了。

由于透光的孔变多了，所以光屏上聚集的光强也更多了，因此亮度自然更高了。

（2）二维光栅

a.滤波模板只让含0级的水平方向一排点阵通过:

除了一些由于清洁度不高而印出的圆形斑点外，此时可以观察到明显的竖直条纹；

b.滤波模板只让含0级的竖直方向一排点阵通过：

除了一些由于清洁度不高而印出的圆形斑点外，此时可以观察道明显的横向条纹；

c.滤波模板只让含0级的与水平方向成45O一排点阵通过：

除了一些由于清洁度不高而印出的圆形斑点外，可以观察到与水平方向成135O角的斜向条纹；

d.滤波模板只让含0级的与水平方向成135O一排点阵通过：

除了一些由于清洁度不高而印出的圆形斑点外，可以观察到与水平方向成45O角的斜向条纹。

4、光字屏成像实验

从左到右依次为氦氖激光发射器，倒置望远镜，光字屏，大透镜，滤波模板，屏。

a.如何操作在像面上仅能看到像面上是横条纹或竖条纹，写出操作过程：

依据第3步骤实验的经验推断，要得到横条纹，就得在滤波模板上扎纵向排列的孔，或者纵向扎一条细缝。

反之，要得到纵条纹，就得扎横向排列的孔，或者横纵向扎一条细缝。

实验证明了该推断是对的。

扎纵向缝时光字上出现了横向条纹；扎横缝时光字上出现了纵向条纹。

b.如何操作在像面上仅能看到像面上是空心“光”，写出操作过程.

在滤波模板上扎以很小的缝，使得该缝大小如滤波模板上的其中一个小“光”字那么小，得到的屏上的光字就是空心“光”。

实验误差分析及心得体会：

1、在扎孔的时候，孔的大小不易掌握，尤其是在k级小孔那么小的情况下，对于纸质屏进行扎孔有一定难度，需要两个人配合，一人控制纸制屏（即滤波模板），另一人小心扎孔，并时刻观察屏上的条纹情况，从而调整滤波模板的位置。

2、在衍射法测量光栅常数实验中，由于对k级亮纹到零级亮纹距离的测量是用直尺结合肉眼测量的，再加上激光强度高，比较刺目，而且本组桌上并未发现有护目镜，导致测量上存在一定的误差；

3、在不同滤波条件下观察图样以及光字实验中，需要注意调节好滤波模板和透镜的位置，需要将滤波模板放在距离透镜一倍焦距处，由于两次透镜不同，所以焦距不同（第一次是约10.50cm，第二次是45.00cm），所以予以注意。

思考题:

1、透镜前焦面上是50条/mm的一维光栅，其频谱面上的空间频率各是多少？

相邻两衍射点的距离是多少（f=5.00cm,λ=632.8nm）?

答：

光栅常数d=1/50mm=0.02mm，频谱上的空间频率

=50n。

（n=1,2,3…）

根据傅立叶变换有

=

=

。

2、若一只鸡关在笼中，且笼子为竖栅笼，用什么办法可以去掉栅笼，把鸡释放出来？

答：

由不同滤波条件下的光栅图样可知，一排衍射光点在滤波模板开了几个孔让多级光点穿过时，屏上会出现纵向条纹，当仅开一个孔让零级点通过时，只能看到光栅的大致轮廓。

因此，只需在透镜和屏之间加上一滤波模板，该模板中穿一个小孔使得零级点能够通过即可“释放”笼中鸡。