光学信息课件

1、第二章第二章 标量衍射的角谱理论标量衍射的角谱理论 光波是电磁波，其传播过程满足电磁波波动方程。光波是电磁波，其传播过程满足电磁波波动方程。当遇到障碍物时，光波会发生衍射。当遇到障碍物时，光波会发生衍射。 电磁波是矢量波，严格电磁场衍射理论必须考虑其电磁波是矢量波，严格电磁场衍射理论必须考虑其电场强度和磁场强度的矢量性。电场强度和磁场强度的矢量性。 一定条件下，可以不考虑电磁场矢量各个分量之间一定条件下，可以不考虑电磁场矢量各个分量之间的联系，电磁波矢量方程可以写为分量方程（标量的联系，电磁波矢量方程可以写为分量方程（标量方程）方程） 光波作为标量处理光波作为标量处理 标量衍射理论条件：标量衍

2、射理论条件：（1 1）衍射孔径比光波长大得多）衍射孔径比光波长大得多; ;（2 2）观察点距离衍射孔足够的远。）观察点距离衍射孔足够的远。光波传播理论发展历史光波传播理论发展历史 16781678年惠更斯提出年惠更斯提出“子波子波”概念概念惠更斯原惠更斯原理理 18181818年菲涅尔发展惠更斯原理，指出年菲涅尔发展惠更斯原理，指出“子波子波”是相干的，提出惠更斯是相干的，提出惠更斯- -菲涅尔原理菲涅尔原理 18821882年，基尔霍夫利用年，基尔霍夫利用格林定理格林定理，通过求解电通过求解电磁场波动方程磁场波动方程，导出严格的标量衍射公式导出严格的标量衍射公式基尔霍夫标量衍射理论。基尔霍夫

3、标量衍射理论。 基尔霍夫衍射理论出发点基尔霍夫衍射理论出发点点光源发出的球点光源发出的球面波是光波传播的基元函数面波是光波传播的基元函数 空间任意一点电场或磁场分量在无源区满足的空间任意一点电场或磁场分量在无源区满足的标量波动方程，标量波动方程， , ,式中式中 为拉普拉斯算子。为拉普拉斯算子。 为电磁波传播速度。为电磁波传播速度。 波动方程为线性方程，满足该波动方程的基本波动方程为线性方程，满足该波动方程的基本解的线性组合都是方程的解。解的线性组合都是方程的解。 球面波和平面波都是波动方程的解。球面波和平面波都是波动方程的解。任何复杂任何复杂的光波都可以用球面波和平面波的组合的光波都可以用球

4、面波和平面波的组合表示，它表示，它们的解也都满足波动方程。们的解也都满足波动方程。2.1 2.1 光波的数学描述光波的数学描述22221uu0 vtv1/2222222xyz 2.1.1 2.1.1 光波场的复振幅光波场的复振幅 单色光波场单色光波场： 写为复指数形式：写为复指数形式： 与空间位置有关的部分：与空间位置有关的部分： U( P )U( P )称为光波场中称为光波场中P P 点的复振幅。包涵了点的复振幅。包涵了P P 点光振动的振幅和相位。它与时间无关。点光振动的振幅和相位。它与时间无关。 利用利用复振幅表示的光振动复振幅表示的光振动： P P 点光强度：点光强度： u( P,t

5、)a( P)cos2t( P)u( P,t )Rea( P )expj(2t( P )U(P)a(P)exp j (P)u(P,t )ReU(P)exp(j2t )2*I(P)U(P)UU2.1.2 2.1.2 球面波的复振幅球面波的复振幅 任何复杂光波场都可以看作许多点光源的任何复杂光波场都可以看作许多点光源的集合，它所发出的光波就是球面波的叠加。集合，它所发出的光波就是球面波的叠加。 当光波场为当光波场为非相干场非相干场时，点光源互不相干，时，点光源互不相干，它们发出的光波叠加为它们发出的光波叠加为光强度叠加光强度叠加。当光。当光波场为波场为相干场相干场时，光场的叠加为光波时，光场的叠加为

6、光波复振复振幅的叠加幅的叠加。 点光源发出的光波为球面波，研究球面波点光源发出的光波为球面波，研究球面波的复振幅表示是非常重要的。的复振幅表示是非常重要的。坐标系几何示意图坐标系几何示意图 光学中一般考虑的是某一给定平面的光场分布，光学中一般考虑的是某一给定平面的光场分布，如衍射物平面和观察平面的光场分布。如衍射物平面和观察平面的光场分布。 000( x ,y ,z )x0y0os( x,y,z )xyPzz球面波的复振幅球面波的复振幅 对于对于单色单色发散球面波发散球面波 当点光源位于坐标原点时：当点光源位于坐标原点时： r r为观察点到原点的距离：为观察点到原点的距离： 会聚球面波会聚球面

7、波： 若点光源位于空间任意一点若点光源位于空间任意一点 ， 其球面波复振幅形式不变，此时有其球面波复振幅形式不变，此时有jkr0aU(P)er222rxyzjkr0aU(P)er000S( x ,y ,z )222000r( xx )( yy )( zz ) 设光源位于设光源位于 平面，平面， 观察面位于观察面位于 其中其中 ，r r 可以写为：可以写为：当当x-y x-y 平面上只考虑一个对平面上只考虑一个对S S点张角不大的区域，有：点张角不大的区域，有：点光源光波场近似点光源光波场近似2220002200121r( xx )( yy )( zz )( xx )( yy ) =z1z0z0

8、1z01zz220021( xx )( yy )1z点光源光波场近似点光源光波场近似 利用二项式展开，并略去高阶项，有利用二项式展开，并略去高阶项，有 称为傍轴近似称为傍轴近似 将上面将上面 r r 的表达式代入球面波复振幅表达式，则的表达式代入球面波复振幅表达式，则发散的球面波在发散的球面波在x-y x-y 平面上的复振幅平面上的复振幅 说明：分母中说明：分母中 r r 直接用直接用z z1 1替代，而指数项中替代，而指数项中 r r 由由于波长于波长极小，极小， 很大，上式中第二项不能很大，上式中第二项不能省略省略220011( xx )( yy )rz2zjkr0aU(P)er2k220

9、10011akU( x,y)exp( jkz )exp j( xx )( yy ) z2z点光源光波场相位因子和复振幅点光源光波场相位因子和复振幅 X-y X-y 平面上相位平面上相位 称为球面波的二次相位因子称为球面波的二次相位因子 其相位轨迹方程：其相位轨迹方程：为同心圆环簇。为同心圆环簇。 光源位于原点，且傍轴近似条件下的发散球面光源位于原点，且傍轴近似条件下的发散球面波复振幅为波复振幅为22001kexp j( xx )( yy ) 2z2200( xx )( yy )C220111akU( x,y)exp( jkz )exp jxy z2z2.1.3 2.1.3 平面波的复振幅平面波

10、的复振幅平面波也是光源最简单的一种形式。平面波平面波也是光源最简单的一种形式。平面波的特点是等相位面是平面。的特点是等相位面是平面。在各向同性介质中，等相面与传播方向垂直，在各向同性介质中，等相面与传播方向垂直，各点的振幅为常数。各点的振幅为常数。点光源发出的光波经透镜准直，或者把点光点光源发出的光波经透镜准直，或者把点光源移到无穷远，可以近似获得平面波。源移到无穷远，可以近似获得平面波。 在确定的直角坐标系中，若平面波传播方向在确定的直角坐标系中，若平面波传播方向 的方向余弦为的方向余弦为 则沿则沿 方向传播的单色平面波，方向传播的单色平面波， 点处产生的复振幅可以表示为点处产生的复振幅可以

11、表示为 式中式中a a0 0 表示常数振幅，方向余弦之间存在着下表示常数振幅，方向余弦之间存在着下述关系：述关系：平面波的复振幅平面波的复振幅k(cos,cos,cos)kP( x,y,z )00( , , )exp() exp( coscoscos )U x y zajk rajk xyz 222coscoscos1平面波的复振幅平面波的复振幅 平面波复振幅表达式可以写为：平面波复振幅表达式可以写为： 令令 x-yx-y平面上的复振幅分布可以表示为：平面上的复振幅分布可以表示为：012201( , , )exp(cos )exp( coscos) exp(1cos)exp( coscos)U

12、 x y zajkzjk xyajkzcoxjk xy220exp(1coscos)Aajkz( , )exp( coscos )coscos exp 2 ()U x yAjk xyAjxy平面波等相线平面波等相位线方程平面波等相位线方程 直线方程。直线方程。 coscosxyckx0y0zxyo2.1.4 2.1.4 平面波空间频率平面波空间频率 平面波的空间频率是信息光学中常用的基本物理量，深入平面波的空间频率是信息光学中常用的基本物理量，深入理解这个概念的物理含义是很重要的理解这个概念的物理含义是很重要的 首先研究波矢量位于首先研究波矢量位于xzxz平面内的简单情况，考虑平面内的简单情况

13、，考虑 cos0( , )exp(cos)U x yAjkxoyXADCBxx0BxzXAoCDk平面波空间频率平面波空间频率 等相位线方程为等相位线方程为 复振幅在复振幅在xyxy平面上周期分布的空间周期，可以用相位差平面上周期分布的空间周期，可以用相位差的两相邻等相位线的间距的两相邻等相位线的间距X X表示表示 则有则有 x x方向的空间频率用方向的空间频率用 表示表示 单位单位 ： 1/mm1/mm 等相位线平行于等相位线平行于y y轴，可以认为沿轴，可以认为沿y y方向的空间周期方向的空间周期 因此因此y y方向的空间频率方向的空间频率cosxckX cos=2X =cos1c o s

14、XxfY 10yfYxf平面波空间频率平面波空间频率 传播方向余弦为传播方向余弦为(cos(cos,0),0)的单色平面波在的单色平面波在x-yx-y平平面上的复振幅分布可用面上的复振幅分布可用x x，y y方向的空间频率方向的空间频率 来表示：来表示： 由空间频率与传播方向余弦之间的对应关系，我由空间频率与传播方向余弦之间的对应关系，我们可将上式看成传播方向余弦为们可将上式看成传播方向余弦为的单色平面波。的单色平面波。 ( , )exp( 2)xU x yAjf x(cos/, 0)xyffcos, cos0 xf任一传播方向的平面波任一传播方向的平面波 在传播方向余弦为在传播方向余弦为 的

15、一般情况下，的一般情况下，x-yx-y平面上的等平面上的等相位线是一些平行斜线。相位线是一些平行斜线。 X-yX-y平面上沿平面上沿x x方向和方向和y y方向的复振方向的复振幅分布都是周期变化的，其周期空幅分布都是周期变化的，其周期空间间X X和和Y Y分别为分别为 相应的空间频率分别为相应的空间频率分别为(cos , cos )X=cosYcos1cosXxf1cosYyfxyXYo( , )exp2 ()xyU x yAjf xf y任一传播方向的平面波 空间频率空间频率 表示表示x-y平面上的复振幅分布平面上的复振幅分布 代表了一个传播方向余弦为代表了一个传播方向余弦为 的单色平面波。

16、的单色平面波。 我们观察的不是某一个平面上而是整个空间光场分我们观察的不是某一个平面上而是整个空间光场分 布，可以类似地定义沿布，可以类似地定义沿z z方向的空间频率方向的空间频率有有 由由 有有xy( f , f )(cos , cos )coszf( , , )exp2 ()xyzU x y zajf xf yf z222coscoscos122221xyzfff 注注 意意空间频率的概念同样可以描述其它物空间频率的概念同样可以描述其它物理量如光强度的空间周期分布，但它们有理量如光强度的空间周期分布，但它们有不同的物理含义。不同的物理含义。对于非相干照明的平面上的光强分布，对于非相干照明的

17、平面上的光强分布，也可以通过傅里叶分析利用空间频率来描也可以通过傅里叶分析利用空间频率来描述。但空间频率述。但空间频率 不再和单色平面波不再和单色平面波有关，有关， 也就不再对应沿某一也就不再对应沿某一方向传播的平面波。方向传播的平面波。 (,)xyffexp j2 (xy)xyff 表示在表示在x-yx-y平面上光场分布，在相干照明下，平面上光场分布，在相干照明下，利用傅里叶变换，复振幅分布利用傅里叶变换，复振幅分布 可表示成可表示成式中式中 是是 的频谱。上式表明，的频谱。上式表明， 可以看做无数指数基元可以看做无数指数基元 叠加而成的，叠加时任一确定频率的指数基元权重叠加而成的，叠加时任

18、一确定频率的指数基元权重是是 ，这些指数基元在物平面上的取向和，这些指数基元在物平面上的取向和周期随周期随 不同而各不相同，也就是说，物函数不同而各不相同，也就是说，物函数 可以分解为无穷多个不同频率可以分解为无穷多个不同频率 、不同权重、不同权重 的指数基元。的指数基元。复振幅分布的空间频谱复振幅分布的空间频谱 g( x,y)g( x,y)( ,)(,)exp2()xyxyxyg x yG ffjf xf ydf df (,)xyG ff( , )g x y( , )g x yexp j2 (xy)xyff(,)d dxyxyG ffff(,)xyff( , )g x y(,)xyff(,)d dxyxyG ffff复振幅分布的空间频谱复振幅分布的空间频谱 指数基元指数基元 代表一个传播方向余弦为代表一个传播方向余弦为 的单位振幅的单色平面波的单位振幅的单色平面波 表示物函数表示物函数 可以看做不同方向传播的单色平可以看做不同方向传播的单色平面波分量的