光学信息技术原理及应用第二版课后答案

1第一章习题解答11已知不变线性系统的输入为XGCOMB系统的传递函数。若B取（1）（2），求系统的输出。并FBXG画出输出函数及其频谱的图形。答（1）图形从略，XGF（2）图形从略。XSCOFFFXXX12若限带函数的傅里叶变换在长度为宽度的矩形之外恒为零，YX,FLW（1）如果，试证明LAWBYXFFBXA,SINCI证明YX,FBSINCAXIBFARECTYXFYX,FRETFL,YXYX,F,F1（2）如果，还能得LAWB出以上结论吗2答不能。因为这时。YXYXBFARECTFWFLRECTYF,F,F13对一个空间不变线性系统，脉冲响应为YXYXHSINC,试用频域方法对下面每一个输入，求其输出。（必要时，可取合理近FI,YXGI,似）（1）XYXFCOS,答XCOSSFRECTXOSY7INYHFGXFF,（2）YRTTCSYXF,答YRECTXTCOSFRETFSINC75FIXCOS7INYTXTOYHFYXGXYXFFF,（3）RECTYXF,3答XRECTF75SINCFRECTF75SINCFTFIFXFRECTF75SINCCOSYXSIXRETYXGYXXYXXYXXYXFFFF,（4）TRTOMBYXF,答X6COSX2COSFFFFFFRECTFRECTFSIN2FICFCOMBY7XIYRETXTYXGYXYXYXYXYXXYYX,FFF,0514给定一个不变线性系统，输入函数为有限延伸的三角波XRECTXOMBXGI对下述传递函数利用图解方法确定系统的输出。（1）FFHRECT（2）FFFRECTRT答图解方法是在频域里进行的，首先要计算输入函数的频谱，并绘成图形42135050SINSIIXXGFGXCOMBRECTCOBFFFFF方括号内函数频谱图形为F1212354325342350图14（1）图形为FC2SIN5F1320685174图14（2）因为的分辨力太低，上面两个图纵坐标的单位相差50倍。两者相乘时忽略中FC2SIN心五个分量以外的其他分量，因为此时的最大值小于004。故图解频FC2SINFG谱结果为F3215068716图14（3）传递函数（1）形为F11图14（4）因为近似后的输入函数频谱与该传递函数相乘后，保持不变，得到输出函数频谱表达式为321705SIN0316850FFFCFFF其反变换，即输出函数为5032COS4032COS71XRECTX该函数为限制在区间内，平均值为1，周期为3，振幅为137的一个余弦函5,数与周期为15，振幅为0342的另一个余弦函数的叠加。传递函数（2）形为7F1图14（5）此时，输出函数仅剩下在及两个区间内分量，尽管在这两个区间内输入函1,2,数的频谱很小，相对于传递函数（2）在的零值也是不能忽略的，由于02735SIN043SIN2CC可以解得，通过传递函数（2）得到的输出函数为5032COS0734COS0XRECTX该函数依然限制在区间内，但其平均值为零，是振幅为0043，周期为5,075，的一个余弦函数与振幅为0027，周期为06的另一个余弦函数的叠加。15若对二维函数AXYXHSINC,抽样，求允许的最大抽样间隔并对具体抽样方法进行说明。答YXFASINCAYXHF,8YABXX也就是说，在X方向允许的最大抽样间隔小于1/2A，在Y方向抽样间隔无限制。16若只能用表示的有限区域上的脉冲点阵对函数进行抽样，即BABYAXYYXXYXGSRECTTCOMB,试说明，即使采用奈魁斯特间隔抽样，也不能用一个理想低通滤波器精确恢复。YXG,答因为表示的有限区域以外的函数抽样对精确恢复也有贡献，不可省BAYXG,略。17若二维不变线性系统的输入是“线脉冲”，系统对线脉冲的输出响XYF,应称为线响应。如果系统的传递函数为，证明线响应的一维傅里叶变XLYXH换等于系统传递函数沿轴的截面分布。XF0,F证明,YXYXYFFFHXLF18如果一个空间不变线性系统的传递函数在频率域的区间，之外XBFYF恒为零，系统输入为非限带函数，输出为。证明，存在一个由脉冲的YXG,YXG,方形阵列构成的抽样函数，它作为等效输入，可产生相同的输出，并,YXG,请确定。YXG,9答为了便于从频率域分析，分别设物的空间频谱；00,XYAFGXYF像的空间频谱；,IXYIF等效物体的空间频谱；00,XYAFGXYF等效物体的像的空间频谱00,XYF由于成像系统是一个线性的空间不变低通滤波器，传递函数在之,XYFBF外恒为零，故可将其记为、,2YXXYFFHFRECTRTB利用系统的传递函数，表示物像之间在频域中的关系为0,2YXXYXYIFFAFFRECTRTB在频域中我们构造一个连续的、二维周期性分布的频域函数，预期作为等效物的谱，办法是把安置在平面上成矩形格点分布的0,2YXXYFFAFRECTRECTBXYF每一个点周围，选择矩形格点在、方向上的间隔分别为和,以2,XYBNMXFY2XBY免频谱混叠，于是00,2,2YXXYXYXYNMFFAFFRECTRTFNFB01,42YYXXXYXYFFFFFRECTRTCOBCBB（1）10对于同一个成像系统，由于传递函数的通频带有限，只能允许的中央0,XYAF一个周期成份（）通过，所以成像的谱并不发生变化，即0NM0,2YXXYXYFFAFHFRECTRTB,IXYF,IXYAF图18用一维形式表示出系统在频域分别对和的作用，为简单计，系统传递函0A数在图中表示为。2XFRECTB2BXXBXBXBXBXAIF0HXAIF0HXFF11FFX0图题18002XXXFFAFRECTBXFN11既然，成像的频谱相同，从空间域来看，所成的像场分布也是相同的，即,IIUXY因此，只要求出的逆傅立叶变换式，就可得到所需的等效物场，即0,XYAF100,XYXYAFF带入（1）式，并利用卷积定理得到1100,242XYXYXYXYFFFFUXYAFRECTRECTCOMBCBBBFF10,2XYXYFFFTTOBXY（2）上式也可以从抽样定理来解释。0,2XYXYFFAFRECTRECTB是一个限带的频谱函数，它所对应的空间域的函数可以通过抽样，用一个点源的方形阵列来表示，若抽样的矩形格点的间隔，在方向是，在方向是，就得到X12XBY12YB等效物场0,UXY10,2XYXYFFAFRECTRECTBF0,4SINSI2XYXYUXYXBY；（3）0,IINXYXYBCCD122XYCOMBBXCY（4）1,42NMXYXYNMB把（3）、（4）式代入（2）式，得到00,SIN2SIN2,2XYNMXYNMUXYCBXCBYDXYB利用函数性质（18）式，上式可写为0,XY0,SIN2SIN2,2XYNMXYNMUCBCMBDXYB这一点源的方形阵列构成的等效物场可以和真实物体产生完全一样的像0UIU本题利用系统的传递函数，从频率域分析物象关系，先找出等效物的频谱，再通过傅立叶逆变换，求出等效物场的空间分布，这种频域分析方法是傅立叶光学问题的基本分析方法。第二章习题解答21一列波长为的单位振幅平面光波，波矢量与轴的夹角为，与轴夹角KX045Y为，试写出其空间频率及平面上的复振幅表达式。061Z13答,XF2YF0,23EXPJJKZ,11UYZYXU22尺寸为AB的不透明矩形屏被单位振幅的单色平面波垂直照明，求出紧靠屏后的平面上的透射光场的角谱。答，BYRECTAXTYU,COSBINCSAIBCOSA,23波长为的单位振幅平面波垂直入射到一孔径平面上，在孔径平面上有一个足够大的模板，其振幅透过率为，求紧靠孔径透射场的角谱。0XCOSXT答3COSCOSCOSCOSCSCOSA,24参看图213，边长为的正方形孔径内再放置一个边长为的正方形掩模，其中AA心落在点。采用单位振幅的单色平面波垂直照明，求出与它相距为的观察,Z平面上夫琅和费衍射图样的光场分布。画出时，孔径频谱在方向上的X截面图。Y0X0OA2A图24题,14答AYRECTXRECTAYRTXECTYXT,YXYXYXFAJ2EPFSINFI2FSINFIAT,FZYXAJ2EXPZYASINCZXSIAZY2SINCZXASICKJEPJJYU,ZYXJEXZSICZSIZYSICZXSIZYXI2,25图214所示的孔径由两个相同的矩形组成，它们的宽度为，长度为，中心相AB距为。采用单位振幅的单色平面波垂直照明，求与它相距为的观察平面上夫DZ琅和费衍射图样的强度分布。假定及，画出沿和方向上强度ABDXY分布的截面图。如果对其中一个矩形引入位相差，上述结果有何变化OBDAXY图题25（1）答如图所示，双缝的振幅透射率是两个中心在及的矩形孔径振幅0,2D,透射率之和15（1）0000022,DDXXYYTXRECTTRECTTABAB由于是单位振幅平面波垂直照明，孔径平面上入射光场，0,1UXY透射光场000000022,DDYYXXXYXYTRECTTRECTTABAB（2）由夫琅和费衍射方程，在夫琅和费区中离孔径距离Z的观察平面上得到夫琅和费衍射图样，它正比于孔径上场分布的傅立叶变换式（频率坐标）,UXY,XYFFZ，即（3）20EXP,KJZJXYZYUXYF利用傅立叶变换的相移定理，得到0000022,DDYYXXUXYRECTTRECTTABABFFSINIPPXYYYBFFJFDJFD2ISICOSABCZZ把它带入（3）式，则有2EXP,SINICOSKJZJXYAXBYDYZUYBCZZ强度分布16222,SINSICOSAXBYDYBIXYCZZZZ不难看出，这一强度分布是矩孔径衍射图样和双光束干涉图样相互调制的结果。双缝的振幅透射率也可以写成下述形式（4）11000,22XYDDTXYRECTTXYXYAB它和（1）式本质上是相同的。由（4）式可以利用卷积定理直接求出其傅立叶变换式，导出与上述同样的结果。代入所给条件B4A,D15A2224158,SINSICOSAXAYAYIXYCZZZZ沿X轴，此时0YF2,8SINXYXIFACF中心光强I0,08A2极小值位置为1,2XNFA方向上强度分布的截面图示意如下X图题25（2）17沿Y轴此时，故0XF22,8SIN4COS15XYYYIFAFAF中心光强I0,08A2极小值位置121,243YYNNFFAA及方向上强度分布的截面图示意如下Y18图题25（3）00000000111,EXP,22,2EXPXYDDTXYRECTTXYJXYABTTJDYXXRECTTJRECTABA12DYTB由于是单位振幅平面波垂直照明，孔径平面上入射光场，01,UXY透射光场,B4A,D15A时（2）1011111111,22EXP07507544XYYTDDYXRECTTJRECTTABABXYAATTJTRECT19由夫琅和费衍射方程，在夫琅和费区中离孔径距离Z的观察平面上得到夫琅和费衍射图样，它正比于孔径上场分布的傅立叶变换式（频率坐标）,UXY,XYFFZ，即（3）20EXP,KJZJXYZYUXYF利用傅立叶变换的相移定理，得到000007575,EXP44XYAXYAUXYRECTTJRECTTAAFF228SINI4P18SINIEP1XYYXYYAFFJFJFFJFEX5EXP15YCJ把它带入（3）式，则有2222EXP,8SINI415E15EXP48SINI1515EEXP22XYYYKJZJXZUACFAFJFJJFKZXAYZCJZZJYJJJZ22EXP48SINI15COS2KJZJXAYCZZYJZ强度分布2222224158,SINSICOSIIINAXAYYIXYCZZZZA2026图214所示半无穷不透明屏的复振幅透过率可用阶跃函数表示为。XTSTEP采用单位振幅的单色平面波垂直照明，求相距为的观察平面上夫琅和费衍射图Z样的复振幅分布。画出在方向上的振幅分布曲线。XOY图题26答ZYXJZFJFXSTEPYXTYXXF,ZY2XZJKEPZYXZJKEPJ2JJJU,21振幅分布曲线图从略。27在夫琅和费衍射中，只要孔径上的场没有相位变化，试证明（1）不论孔径的形状如何，夫琅和费衍射图样都有一个对称中心。（2）若孔径对于某一条直线是对称的，则衍射图样将对于通过原点与该直线平行和垂直的两条直线对称。证明（1）在孔径上的场没有相位变化时，衍射孔径上的光分布是一个实函数，YXG,其傅里叶变换是厄米型函数，即YXFG,YXYXFF,因此，所以夫琅和费衍射图样有一个YXYXYXYXFIFFFI,对称中心。（2）孔径对于某一条直线是对称时，以该直线为轴建立坐标系。有YYXG,因此YXYXFGF,同时YXYXFF,所以YXYXYXFGFF,可见衍射图样将对于通过原点与该直线平行和垂直的两条直线对称。28试证明如下列阵定理假设在衍射屏上有个形状和方位都相同的全等形开孔，N在每一个开孔内取一个相对开孔来讲方位一样的点代表孔的位置，那末该衍射屏生成的夫琅和费衍射场是下列两个因子的乘积（1）置于原点的一个孔径的夫琅和费衍射（该衍射屏的原点处不一22定有开孔）；（2）个处于代表孔位置的点上的点光源在观察面上的干涉。N证明假设置于原点的一个孔径表示为，个处于代表孔位置的点上的点光YXT,N源表示为，则衍射屏的透过率可表示为IINYX,，IINYXYXTT,其傅里叶变换可表示为，IINYXYXTYXT,F,F该式右边第一项对应于置于原点的一个孔径的夫琅和费衍射，第二项对应于个处于N代表孔位置的点上的点光源在观察面上的干涉，因此该衍射屏生成的夫琅和费衍射场是这两个因子的乘积。29一个衍射屏具有下述圆对称振幅透过率函数ARRTCIOS（1）这个屏的作用在什么方面像一个透镜（2）给出此屏的焦距表达式。（3）什么特性会严重的限制这种屏用做成像装置（特别是对于彩色物体）答（1）解衍射屏的复振幅投射率如图所示，也可以把它表示为直角坐标的形式221,COS2XYTXYXYCIRL2322211EXPEXP244XYJYJYCIRL（1）（1）式大括号中第一项仅仅是使直接透射光振幅衰减，其他两项指数项与透镜位相变换因子比较，可见形式相同。当平面波垂直照射时，这两项的2EXPKJYF作用是分别产生会聚球面波和发散球面波。因此在成像性质和傅立叶变换性质上该衍射屏都有些类似与透镜，因子表明该屏具有半径为的圆形孔径。2XYCIRLL（2）解把衍射屏复振幅透射率中的复指数项与透镜位相变换因子相比较，得到相应的焦距，对于项，令，则有21EXP4JY12KF1KF焦距为正，其作用相当于会聚透镜，对于项，令，则有1F21EXP4JY2KF12KF焦距为负，其作用相当于发散透镜，对于“”这一项来说，平行光波直接透过，2F12仅振幅衰减，可看作是3F（3）解由于该衍射屏有三重焦距，用作成像装置时，对同一物体它可以形成三个像，例如对于无穷远的点光源，分别在屏两侧对称位置形成实像和虚像，另一个像在无穷远（直接透射光）（参看图412）。当观察者观察其中一个像时，同时会看到另外的离焦像，24无法分离开。如用接收屏接收，在任何一个像面上都会有其它的离焦像形成的背景干扰。除此以外，对于多色物体来说，严重的色差也是一个重要的限制。因为焦距都与波长成反比。例如取，则有RED690A。BLUE40。4REDBLUEFF057BLUEF这样大的色差是无法用作成像装置的，若采用白光作光源，在像面上可以看到严重的色散现象。这种衍射屏实际就是同轴形式的点源全息图，即伽柏全息图。210用波长为的平面光波垂直照明半径为的衍射孔，若观察范围是A6328M2与衍射孔共轴，半径为的圆域，试求菲涅耳衍射和夫琅和费衍射的范围。M0答由式255及式257有菲涅耳衍射和夫琅和LZ2120YXKZ费衍射分别要求即LZMZYXK211单位振幅的单色平面波垂直入射到一半径为的圆形孔径上，试求菲涅耳衍射图A样在轴上的强度分布。答圆形孔径的透过率可表示为AYXCIRYXUAYXCIRYXT,根据式253有25DYXZJEXPYZKJEXPACIRJJZYU,轴上的振幅分布为AZKJEXPJKZEXRDZKJEXPZJKDYJPAYCIJZUA,轴上的强度分布为AZKSINAZKCOSAZKJEXPJEXU2,212余弦型振幅光栅的复振幅透过率为DXCOSBAXT式中，为光栅周期，。观察平面与光栅相距。当分别取下列DZ各数值（1）；（2）；（3）（式中称ZTZTDTTZ作泰伯距离）时，确定单色平面波垂直照明光栅，在观察平面上产生的强度分布。26答根据式231单色平面波垂直照明下余弦型振幅光栅的复振幅分布为DXCOSBAYXU,强度分布为DXCOSBAYXI,角谱为YXYXYXYXYXFDFDBFAFJEPCOSFA,传播距离后，根据式240得到角谱ZDJKZEXPFDFD2BJKZEXPFAFFJFFFJKZEXPAFYXYXYYXYXYXYXYX,利用二项式近似有DZJEXPJKZJKZEXPJKZEXPDD故DZJEXPFDFD2BFAJKZEXPFAYXYXYXYX,（1）时DZTYXYXYXYXFDFD2BFAJEPZFA,27与仅相差一个常数位相因子，因而观察平面上产生的强度分布与单色平面波YXFA,垂直照明下刚刚透过余弦型振幅光栅产生的强度分布完全相同。（2）时DZTYXYXYXYXFDFD2BFAJEPZFA,对应复振幅分布为DXCOS2BADXCOSBAYXU,因而观察平面上产生的强度分布为平移半个周期的单色平面波垂直照明下刚刚透过余弦型振幅光栅产生的强度分布。（3）DZTJEXPFDFD2BFAJKZEXPFAYXYXYXYX,对应复振幅分布为DXCOSJBAJKZEXPYU,强度分布为DXCOSBAYXI2,28213图216所示为透射式锯齿型位相光栅。其折射率为，齿宽为，齿形角为，NA光栅整体孔径为边长的正方形。采用单位振幅的单色平面波垂直照明，求距离L光栅为的观察平面上夫琅和费衍射图样的强度分布。若让衍射图样中的某个一Z级谱幅值最大，应如何选择AAL图216（题213）答在如图的透射式锯齿型位相光栅中，单位振幅的单色平面波由光栅的背后平面入射垂直照明，则在齿顶平面形成的光波复振幅分布可表示为LYRECTXTACOMBXRET1NJKXTGEPYXU,其角谱为29YXYXXYXYXXYXYXXXYX0YXSINCLFIFFMAFNTGFASINCIFIFLFCOBTFISINCLFIFFAFASINTGFDFJEP,UFA,若让衍射图样中的M级谱幅值最大，应选择使得A1NTG因而有AMTGN214设为矩形函数，试编写程序求，时，其分数阶傅里叶变XU41P23换，并绘制出相应的曲线。PU答根据分数阶傅里叶变换定义式262DXGJXJJXGGASINTG2EPSIN2EP21F以及式279P即可编程计算，时的分数阶傅里叶变换（此处略）。412330第三章习题解答31参看图35，在推导相干成像系统点扩散函数（335）式时，对于积分号前的相位因子20200EXPEXPMYDKJYDKJII试问（1）物平面上半径多大时，相位因子2EXP200YDKJ相对于它在原点之值正好改变弧度（2）设光瞳函数是一个半径为A的圆，那么在物平面上相应H的第一个零点的半径是多少（3）由这些结果，设观察是在透镜光轴附近进行，那么A，和DO之间存在什么关系时可以弃去相位因子2EXP200YDKJ解（1）由于原点的相位为零，于是与原点位相位差为的条件是，2200KRKXYDD00D31（2）根据（315）式，相干成像系统的点扩散函数是透镜光瞳函数的夫琅禾费衍射图样，其中心位于理想像点0,XY22000201,EPIIIIHXYPJXYDXYDD12200IIAJRCAB式中，而2RXY（1）22200IIXYD在点扩散函数的第一个零点处，此时应有，即1JA38A（2）06将（2）式代入（1）式，并注意观察点在原点，于是得0IIXY（3）0061DRA（3）根据线性系统理论，像面上原点处的场分布，必须是物面上所有点在像面上的点扩散函数对于原点的贡献。按照上面的分析，如果略去H第一0,HXY个零点以外的影响，即只考虑H的中央亮斑对原点的贡献，那么这个贡献仅仅来自于物平面原点附近范围内的小区域。当这个小区域内各点的相0061/RDA位因子变化不大，就可认为（313）式的近似成立，而将它弃去，2EXP/JK假设小区域内相位变化不大于几分之一弧度（例如）就满足以上要求，则/16，也即20/16KRD20/16RD32（4）024AD例如，则光瞳半径，显然这一条件是极易60NM06DN16AM满足的。32一个余弦型振幅光栅，复振幅透过率为002COS1,XFYXT放在图35所示的成像系统的物面上，用单色平面波倾斜照明，平面波的传播方向在X0Z平面内，与Z轴夹角为。透镜焦距为F，孔径为D。（1）求物体透射光场的频谱；（2）使像平面出现条纹的最大角等于多少求此时像面强度分布；3若采用上述极大值，使像面上出现条纹的最大光栅频率是多少与0时的截止频率比较，结论如何解（1）斜入射的单色平面波在物平面上产生的场为，为确定0EXPSINAJK起见设，则物平面上的透射光场为0000,EXPSIN,UYAJKTXY000SIN1SIN1SINEXP2EXP2EXP2JJFJF其频谱为0,AUXYF3300SIN1SIN1SIN222AFF由此可见，相对于垂直入射照明，物频谱沿轴整体平移了距离。SI/（2）欲使像面有强度变化，至少要有两个频谱分量通过系统，系统的截止频率，于是要求/4CDF，SIN4DF0SIN4DFF由此得（1）0SIN4FF角的最大值为（2）MAXRCSIN4DF此时像面上的复振幅分布和强度分布为01,EXP2EXP24IIIIAUYJJFF205,COS4IIIXYFX（3）照明光束的倾角取最大值时，由（1）式和（2）式可得3404DFF即或（3）02FF0MAX2DFF时，系统的截止频率为，因此光栅的最大频率/4CF（4）0MAXCDFF比较（3）和（4）式可知，当采用倾角的平面波照明时系统的截止频率提MAX高了一倍，也就提高了系统的极限分辨率，但系统的通带宽度不变。33光学传递函数在FXFY0处都等于1，这是为什么光学传递函数的值可能大于1吗如果光学系统真的实现了点物成点像，这时的光学传递函数怎样（1）在（345）式中，令1,IIIIHXYHXYD为归一化强度点扩散函数，因此（345）式可写成,EXP2IIIIHYJYDXH而0,1,IIHXYD35即不考虑系统光能损失时，认定物面上单位强度点源的总光通量将全部弥漫在像面上，这便是归一化点扩散函数的意义（2）不能大于1（3）对于理想成像，归一化点扩散函数是函数，其频谱为常数1，即系统对任何频率的传递都是无损的。34当非相干成像系统的点扩散函数HI（XI，YI）成点对称时，则其光学传递函数是实函数。解由于是实函数并且是中心对称的，即有，,IIHXY,IIIIXYH，应用光学传递函数的定义式（345）易于证明,IIIII，即为实函数。,H,H35非相干成像系统的出瞳是由大量随机分布的小圆孔组成。小圆孔的直径都为2A，出瞳到像面的距离为DI，光波长为，这种系统可用来实现非相干低通滤波。系统的截止频率近似为多大解用公式（3415）来分析。首先，由于出瞳上的小圆孔是随机排列的，因此无论沿哪个方向移动出瞳计算重叠面积，其结果都一样，即系统的截止频率在任何方向上均相同。其次，作为近似估计，只考虑每个小孔自身的重叠情况，而不计及和其它小孔的重叠，这时N个小孔的重叠面积除以N个小孔的总面积，其结果与单个小孔的重叠情况是一样的，即截止频率约为，由于很小，所以系统实现了低通2/IAD2A滤波。36试用场的观点证明在物的共轭面上得到物体的像36解如图图36题设是透过率函数为的物平面，是与共轭的像平面，即有1,0YXT21FDI0式中F为透镜的焦距，设透镜无像差，成像过程分两步进行（1）射到物面上的平面波在物体上发生衍射，结果形成入射到透镜上的光场；LU（2）这个入射到透镜上的光场经透镜作位相变换后，在透镜的后表面上形成衍射场，这个场传到像面上形成物体的像。LU为了计算光场，我们用菲涅耳近似，透镜前表面的场为0002002DYXJKDYXJKYXTDJYXKUILEPEP,EP这里假定只在物体孔径之内不为零，所以积分限变为，此积分可以,0YXT看成是函数的傅立叶变换，记为，其中EP,020DYXJKT,YXFF,0YXT,IYX0DI,X3700DYFXF,在紧靠透镜后表面处EXP,EXPFYJKFFDJYKUYL220这个被透镜孔径所限制的场，在孔径上发生衍射，在用菲涅耳近似，便可得到像面上的光场2DXYJKFYXJKUDJYXKYXUILIIIIIEPEPEP,22DXYJKDYXJKFYXJKJYXFFDJYXKIIYXIIIEPEPEP,EP22220DXYJKFDYXJKFFDYXJKIIYXIIIEXPEP,EP12200由题设知，并且假定透镜孔径外的场等于零，且忽略透镜010FDI孔径的限制，所以将上式中的积分限写成无穷，于是上述积分为DXYJKFFDYXJKYXUIYXIIIIIEP,EP,02238DXYXJFDYXFDYXJKIIYXIIIEP,EP2200注意于是得,000FFXYIYXYXYXIIIIDFFJFFDXJKYXUEP,/EP,22002020DYXJKYXTDXJKDIIEP,EP,EXPEXP00220YXTDJKDYJKDII再考虑到和之间的关系得到0I,IIIIDYXTDU000即得到像平面上倒立的，放大倍的像。0I37试写出平移模糊系统，大气扰动系统的传递函数。解在照相系统的曝光期间，因线性平移使点变成小线段而造成图像模糊，这种系统称为平移模糊系统，它的线扩散函数为一矩形函数39其传递函数为AXRECTXL1XXAFFHSIN对于大气扰动系统，设目标物为一细线，若没有大气扰动，则理想成像为一条细线。由于大气扰动，使在爆光期间内细线的像作随机晃动，按照概率理论，可以把晃动的线像用高斯函数描述。设晃动摆幅的均方根值为A，细线的线扩散函数为EXP221AXL对上式作傅立叶变换，就得到大气扰动系统的传递函数EXP2XFAFH38有一光楔（即薄楔形棱镜），其折射率为N，顶角很小，当一束傍轴平行光入射其上时，出射光仍为平行光，只是光束方向向底边偏转了一角度（N1），试根据这一事实，导出光束的位相变换函数T。解如图所示，设入射平行光与Z轴成角入射，按傍轴条件，角很小，入射到光楔上的光场为X,YN140EXPSINEXPJKAJKAU1通过光楔后的出射光场为NJKXNJKX112EPSIEP其中N1表示偏转是顺时针方向，即向底边偏转，又根据出射光场，入射光场和光楔变换函数三者的关系有12TUEXPEXJKTANJKA1于是有。EXPNJKT第四章习题解答41若光波的波长宽度为，频率宽度为，试证明。设光波波长为，试计算它的频宽。若把光谱分布看成是矩NMNM形线型，那么相干长度CL证明赫，421503201CLTM42设迈克尔逊干涉仪所用的光源为，的钠双线，每一谱NN2线的宽度为。（1）试求光场的复自相干度的模。（2）当移动一臂时，可见到NM的条纹总数大约为多少（3）可见度有几个变化周期每个周期有多少条纹答假设每一根谱线的线型为矩形，光源的归一化功率谱为1212RECTRECTG1光场的复相干度为4101EXP21SINEXP22RJDCJG式中，复相干度的模为12COSSINR由于，故第一个因子是的慢变化非周期函数，第二个因子是的快变化周期函数。相干时间由第一个因子决定，它的第一个零点出现在的地方，为1CC相干时间，故相干长度。2CLC（2）可见到的条纹总数589301CLN（3）复相干度的模中第二个因子的变化周期，故可见度的变化周期数601CN每个周期内的条纹数9826053N43假定气体激光器以个等强度的纵模振荡，其归一化功率谱密度可表示为NNNG式中，是纵模间隔，为中心频率并假定为奇数。（1）证明复自相干度的模为SINN422若，且，画出与的关系曲线。N10证明（1），复相干度与归一化功率谱密度即光源的光谱特性间具有下列关系）（20JEDG将（431）式带入得到122012212122001NJNJJNNNJJJNNEDEEEN其中2102/1NJNNJEE2/1210JNNNNJEE因而2EXP2EXP/12EXP2/12EXP/1/11JJNJNJNNJCOS/COSJSIN12EJ复相干度的包络则为43SINN（2），当N3时，SIN3其曲线如图1所示。图1多模激光复相干度包络曲线（N3）44在衍射实验中采用一个均匀非相干光源，波长，紧靠光源之前放置一50NM个直径1MM的小圆孔，若希望对远处直径为1MM的圆孔产生近似相干的照明，求衍射孔径到光源的最小距离。答用做衍射实验的相干度应当用上题中提到的沃尔夫用的阈值，由理想值1下降到088为最大容许偏离值，因而相干面积直径与光源半径之间满足下列关系016ZDA44则31056860DAZM即光源小孔与衍射小孔之间最小相距568M才能在衍射实验中较好地满足相干照明的要求。45用迈克尔逊测星干涉仪测量距离地面1光年约1016M的一颗星的直径当反射镜与之间距离调到6M时,干涉条纹消失若平均波长，求这颗星的直M50NM径。答。KKMDD46在杨氏双孔干涉实验中图417,用缝宽为的准单色非相干缝光源照明,其均匀A分布的辐射光强为，中心波长1写出距照明狭缝处的间距为的双INMZD孔和（不考虑孔的大小）之间的复相干因子表达式。（2）若1Q，求观察屏上的杨氏干涉条纹的对比度。（3）若和DMZA,Z仍然取上述值，要求观察屏上干涉条纹的对比度为041,缝光源的宽度应为多少4若D缝光源用两个相距为的准单色点光源代替,如何表达和两点之间的复相干因A1Q子45SAQ12DZ图题46答根据范西特泽尼克定理，当光源本身线度以及观察区域线度都比二者距离小得Z多时，观察区域上复相干因子正比于光源强度分布的归一化傅里叶变换。本题的条件能够满足这个要求。因而有475Z当当ASINCJEXPIJDYZJEXPDARECTDYZJEXPJXTJEXPDYARECTIDYXXZJPXTIJEXP11010,46式中，而和分别为和两点到光ZKZK1Q2轴的距离。（2）当，有MDZA,3106SINCSICJEXP观察屏上的杨氏干涉条纹的对比度为0637。（1）若和仍然取上述值，观察屏上干涉条纹的对比度为041,缝光源的宽度ZD应为M31067A（2）若缝光源用两个相距为的准单色点光源代替,和两点之间的复相干因A1Q子可以表达为两个复指数函数之和，因而随着和两点之间的距离按照余弦函数方式变化。47一准单色光源照明与其相距为的平面上任意两点和，试问在傍轴条件下这ZP两点之间的复相干因子幅值为多大答47P1X,Y2,YXZS图题47解首先建立如上图的坐标系，光源位于坐标原点，与XY两平面间距为Z，P1与P2两点坐标分别为X1,Y1与X2,Y2，并满足如下近轴条件2,XY做为准单色点光源，其光源可表示为0,II其中为狄拉克函数。直接利用范西特泽尼克定理计算复相干系数如下1200221,2,EXP,EXPJJPAEIJYDZIJYXZ因为，由点光源发出的准单色是完全相干的，或者说XY面上的相干面12,P积趋于无限大4848在图418所示的记录全息图的光路中,非相干光源的强度在直径为的圆孔内是均B匀的。为使物体漫反射光与反射镜的参考光在面上的复相干因子不H12小于088,光源前所加的小孔的最大允许直径是多少（）60NM答小孔的最大允许直径。BSHM图题48第五章习题解答51两束夹角为450的平面波在记录平面上产生干涉，已知光波波长为6328NM，求对称情况下（两平面波的入射角相等）该平面上记录的全息光栅的空间频率。49答已知450，6328NM，根据平面波相干原理，干涉条纹的空间分布满足关系式2DSIN（/2）其中D是干涉条纹间隔。由于两平面波相对于全息干板是对称入射的，故记录在干板上的全息光栅空间频率为FX（1/D）（1/）2SIN（/2）12095L/MM故全息光栅的空间频率为12095L/MM。52如图533所示，点光源A（0，40，150）和B（0，30，100）发出的球面波在记录平面上产生干涉XAOZYB图533（52题图）（1）写出两个球面波在记录平面上复振幅分布的表达式；答设点源A、B发出的球面波在记录平面上的复振幅分布分别为UA和UB，则有222/EXPAAYXZJKJZAU50222/EXPBBBBYXZJKJZAU其中XAXB0,YA40,ZA150,YB30,ZB100AA、AB分别是球面波的振幅；K为波数。（2）写出干涉条纹强度分布的表达式；I|UAUB|2UAUAUBUBUAUBUAUB224222222/EXPEXP/BBAAABABBAAYZJKYXZJKJAZJZJJKA（3）设全息干板的尺寸为100100MM2，6328NM，求全息图上最高和最低空间频率；说明这对记录介质的分辨率有何要求解答设全息干板对于坐标轴是对称的，设点源A与点源B到达干板的光线的最大和最小夹角分别为MAX和MIN，A、B发出的到达干板两个边缘的光线与干板的夹角分别为A、B、A和B，如图所示，它们的关系为AAMAXB0ZBABMINYATG1ZA/（YA50），BTG1ZB/（YB50）51ATG1ZA/（YA50），BTG1ZB/（YB50）MAXAB，MINBA根据全息光栅记录原理，全息图上所记录的最高空间频率FMAX（2/）SIN（MAX/2）COS1最低空间频率FMIN（2/）SIN（MIN/2）COS2其中角表示全息干板相对于对称记录情况的偏离角，由几何关系可知COS1SIN（AB）/2，COS2SIN（AB）/2将数据代入公式得FMAX882L/MM，FMIN503L/MM故全息图的空间频率最高为882L/MM，最低为503L/MM，要求记录介质的分辨率不得低于900L/MM。53请依据全息照相原理说明一个漫反射物体的菲涅耳全息图。（1）为什么不能用白光再现试证明如图57所记录和再现的菲涅耳全息图的线模糊和色模糊的表达式（526）和（528）；（2）为什么全息图的碎片仍能再现出物体完整的像碎片尺寸的大小对再现像质量有哪些影响（3）由全息图再现的三维立体像与普通立体电影看到的立体像有何本质区别答（1）首先证明（5