信息光学技术及其应用课件

1、 信息光学技术及其应用信息光学 1、预备知识 2、 衍射系统的屏函数 3、夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析 4 、阿贝成像原理 5、空间滤波 6、阿贝波特空间滤波实验 7、相衬显微镜 8、相干光学图像处理系统（4F系统）光的偏振 信息光学数学工具（级数、积分）经典光学（光波的传播、干涉、衍射、成像、光学信息的记录与再现、光学信号的处理） 在信息光学中，从“空域”“空间坐标系”观念对图像的描述过渡到用“频域”或“频率坐标系”描述。开辟了新天地。由传统的波动光学，在引入傅里叶变换后，形成了新的学科信息光学（或傅里叶光学）。一、信息光学1、预备知识 平面波与球面波的复振幅： 平面波：球面波:复振幅:

2、复振幅由两部分组成，其模量代表振幅在空间的分布，其幅角代表位相在空间的分布波前： 一般泛指波场中任一曲面，更多的是指一个平面。 xozkkzz(x,y)o(x,y)ozz发散球面波会聚球面波2、 衍射系统的屏函数 能使波前的复振幅发生改变的物，统称为衍射屏。 衍射屏将波的空间分为前场和后场两部分。前场为照明空间，后场为衍射空间。 波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为入射场、透射场（或反射场），接收屏上的复振幅为接收场。入射场 透射或反射场接收场 衍射屏的作用是使入射场转换为透射场（或反射场） 。用函数表示，就是透过率或反射率函数，统称屏函数。衍射屏函数屏函数的模。模为常数的衍射屏称为位相型的

3、 ，如透镜、棱镜等。屏函数的幅角即位相。幅角为常数的衍射屏称为振幅型的 ，如单缝、圆孔等。透镜的屏函数棱镜的屏函数波前函数中每出现一个二次相因子，则可看成是受到某个透镜的作用波前函数中每出现一个线性相因子，则可看成是受到某个等效棱镜的偏折3、夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析空间频率的概念 最基本的屏函数是具有空间周期性的函数。描述空间周期函数的重要概念是“空间频率”。 比如常见的黑白型光栅，光栅常数为d，也就是其空间周期。空间周期d的倒数就是空间频率，即有f=1/d。f称为空间频率。光栅xoxo(a)黑白型(b)正弦型衍射单元的光瞳函数正弦光栅的傅立叶变换平行光垂直入射：0级波，方向 +1级波

4、，方向 -1级波，方向 透射波实际上变为三列波 黑白光栅的傅里叶变换平行光垂直入射：傅里叶系数：In08642-8-6-4-2黑白光栅的分立谱高频低频零频xz空间频率与传播方向的关系一个普通光学图像可视为由多种空间频率的光信号组合而成，低频分量反映图像的宏观结构，高频分量则反映图像的精细结构，也就是图像的细节4 、阿贝成像原理可以从几何光学的角度，即光线的折射来说明成像过程也可以从夫琅禾费衍射的角度，即对波前的变换来说明成像的过程第一步，物光波（屏函数的平面波）经过透镜在其焦平面上汇聚成衍射斑，即点光源第二步，焦平面上的衍射斑作为相干的点光源，发出的次波在像平面上相干叠加5、空间滤波 空间频率

5、与波的衍射角相关，可以据此做成低通、高通或带通的滤波装置衍射屏或物的空间频率 低通高通带通低通高通带通6、阿贝波特空间滤波实验 以黑白光栅为物，单色平行光照射 在傅氏面上加一可调狭缝，观察像的变化像平面傅氏面黑白光栅可调光阑只让0级，即直流成分通过，则像平面被0级斑发出的球面波照明。近轴条件下，被均匀照明让0级和1级通过，则像平面上是0和1三个衍射斑发出的次波的相干叠加 让0级、1和2级通过，则像平面上是5个衍射斑发出的次波的相干叠加 除0级外，全开放7、相衬显微镜对于无色通明的生物切片或晶片，它们的透过率函数是位相型的：当平行光垂直照射时：对零级谱相位调制后：8、相干光学图像处理系统（4F系

6、统）二、光的偏振自然光线偏振光部分线偏振光圆偏振光椭圆偏振光光的偏振态1、光的偏振态 如果一束光的电矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度（即波的圆频率）匀速旋转，换句话说，电矢量的端点描绘的轨迹为一圆，这种光叫圆偏振光。oEyxExEy圆偏振光左旋偏振光右旋偏振光椭圆偏振光 电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。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、偏振器件格兰-汤姆逊棱镜制作时使胶合剂的折射率大于并接近e光的折射率，但小于o光折射率，并选取棱镜斜面与直角面的夹角大于o光在胶合面上的临界角，这样o光在胶合面上将发生

7、全反射，并被棱镜直角面上的涂层吸收，而e光由于折射率几乎不变而无偏折地从棱镜出射。光轴光轴方解石方解石加拿大树胶oe吸收涂层i偏振棱镜当上偏角大于某一值时，o光在胶层上的入射角小于临界角，不发生全反射而部分地透过棱镜；当下偏角大于某一值时，e光折射率增大与o光同时发生全反射，没有光从棱镜射出。当入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱镜时，棱镜的全偏振角或孔径角受到限制。孔径角约为14 波片 也称相位延迟器，能使两个互相垂直的线偏振光之间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态。波片是透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。对某个波长而言，当o、e光在晶片中的光程差为的某个特定倍数时，

8、这样的晶片叫波晶片，简称波片。ydxAAoAe线偏振光光轴当一束线偏振光垂直入射到由单轴晶体制成的波片时，在波片中分解成沿原方向传播但振动方向互相垂直的o光和e光，相应的折射率n0 、 ne。两光在晶片中的速度不同，当通过厚度d的晶片后产生相应的相位差为时为圆偏振光 振幅关系两束振动方向互相垂直且有一定相位差的线偏振光叠加，一般得到椭圆偏振光。波片制造时通常标出快（或慢）轴，称晶体中波速快的光矢量的方向为快轴，与之垂直的光矢量方向即为慢轴。负单轴晶体时，e光比o光速度快，快轴在e光光矢量方向即光轴方向，o光光矢量方向为慢轴，正晶体正好相反。波片产生的相位差是慢轴方向光矢量相对于快轴方向光矢量的

9、相位延迟量。 a. 全波片厚度全波片产生 整数倍的相位延迟，不改变入射光的偏振态。用于应力仪中，以增大应力引起的光程差值，使干涉随内应力变化变得敏感。对波长为的光没有影响（相位延迟2）。但是对别的波长的光来说是有影响的。b.半波片半波片产生 奇数倍的相位延迟，线偏振光通过半波片后仍然是线偏振光。若入射线偏振光的振动方向与波片快轴（或慢轴）夹角为 ，出射线偏振光的振动方向向着快轴（或慢轴）方向转过 。当作用：可使线偏振光的振动面转过一个角度。若入射点处线偏振光分解的o、e光同相则出射点处仍是线偏振光: o、e光反相A0入A0出A入A出Ae入= Ae出入光轴若入射的是椭圆偏振光,经 1/2 波片,

10、出来仍是椭圆偏振光,但是旋转的方向改变,而且椭圆的长轴转过 2 角.圆偏振光入射时，出射光是旋向相反的圆偏振光。若入射的是圆偏振光(已有/2),经1/2波片(又有 ),出来仍是圆偏振光,但是左旋右旋c.四分之一波片线偏振光经1/4波片可以获得椭圆或圆偏振光椭圆或圆偏振光,经1/4波片可以获得线偏振光因为椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差/2, 经1/4波片以后,又有/2的相位差,所以出来的就是相位差为0或的线偏振光了.圆(o光,e光分量的振幅相等)椭圆线偏振光(只有平行于光轴的分量)线偏振光(只有垂直于光轴的分量) 波片都只是对某一特定波长的入射光产生某一确定的位相变化。 同时，入射在

11、波片上的光必须是偏振光，自然光经波片后的出射光仍是自然光。 为了达到改变偏振态的目的，应该使波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的位相延迟。3、偏振光的鉴别直线偏振光的鉴别转动检偏镜，光强随之改变。如果最弱时完全看不到光，再转过90度，光强就最大，可确定为直线偏振光。分辨圆偏振光与自然光 转动检偏镜，若透射光强度始终不变，入射光就是自然光或圆偏振光，或由自然光与圆偏振光混合而成的部分圆偏振光。 a.圆偏振光那么通过四分之一波片后，便成为直线偏振光。要分辨这两种光，就应在光射达检偏镜前，使它先通过四分之一波片。b.自然光 则经过四分之一波片后，就不会变成直

12、线偏振光，也不会变成部分偏振光，仍为自然光。 即转动检偏镜时，所见的光强度始终不变。 分辨椭圆偏振光与部分直线偏振光 在转动检偏镜时，均可发现光线有时亮、有时暗，即使在最暗时，透过光强也都不完全减弱到零。 为区别这两种光，可将一个四分之一波片插入待检验的偏振光与检偏镜之间，并先使四分之一波片的光轴取向跟单独用检偏镜时看到最亮时的光振动方向一致。a.椭圆偏振光 在通过四分之一波片后，它便将变成直线偏振光，因此可用检偏镜直接检验出来（有两个消光位置）。b.部分线偏振光 经过四分之一波片后，检偏器转动时没有消光现象。5 种偏振态的检验把检偏器对着被检光旋转一周，若得到有消光 光强不变 强度有变化，但无消光线偏振光在光路中插入1/4波片，再旋转检偏器，若得在光路中插入1/