科大奥瑞物理实验——傅里叶光学

实验名称：傅里叶光学

1. 实验目的：

加深对傅里叶光学中的一些基本概念和基本理论的理解，如空间频率空间频谱和空间滤波和卷积等。通过实验验证阿贝成像理论，理解透镜成像的物理过程，进而掌握光学信息处理实质。通过阿贝成像原理，进一步了解透镜孔径对分辨率的影响。

2. 实验器材：

激光器
扩束镜
准直镜
傅里叶透镜
物屏
光屏
滤波器

3. 实验原理

我们知道一个复变函数f(x，y)的傅立叶变换为：

F(u，v)叫做f(x，y)的傅立叶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)：

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[i2p(ux+vy)]的线性迭加，F(u,v)dudv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。

为了下面的说明更方便，介绍几个常用的非初等函数和它们的性质：
1.矩形函数：

它以x0为中心，宽度为a（a>0），高度为1，两维矩形函数可以表示为两个一维矩形函数的乘积：rect[(x-x0)/a]rect[(y-y0)/b]。
2.sinc函数：

3.圆域函数：

4.d函数：
d函数用来表示物理上的点光源，它是一个广义函数。它的定义式为：

其中f(x，y)叫做检验函数，要求为连续、可微函数。
d函数的性质：
(1)筛选性质：设函数f(x，y)在（x0，y0）连续，则有
(2)坐标缩放性质：设a、b为实常数，则有

(3)可分离变数性：

(4)与普通函数乘积的性质：设函数f(x，y)在（x0，y0）连续，则有

5.梳状函数：
一维梳状函数定义为：

其中n为整数。
两维梳状函数定义：

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。这个过程叫做光学信息处理，在透镜的后焦平面上放置的光阑叫做空间滤波器。
表1常用的几种函数的傅里叶变换式

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，
物平面 透镜1 频谱面 透镜2 像平面

图1 4f系统光路图
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像，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像。
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u=x1/λf，v=y1/λf， 其中l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：

由此可以计算出频谱面上中央主极大（图2 右图中央的方斑）的宽度为λf/a，高度为λf/b。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。

图2 矩形透光孔和它的频谱图
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3各种形式的空间滤波器
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”。还有各种其他形式的滤波器，如：“振幅滤波器”、“相位滤波器”和“复数滤波器”等。
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。
显现位相的技术有许多种，这里只介绍纹影法和相衬法。
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：

(u，v)是刀口平面的坐标。这里狄拉克（Dirac）函数d(u，v)表示光源未被扰动的像。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：


如果h=0其灵敏度或对比度将无限大，上式没有考虑衍射效应，因为衍射使光源的像产生畸变，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像的背景光Ij=0有贡献。扩散光的贡献可以一附加项b表示，纹影像的对比度可以描述成：

这样最大的对比度就不是无限的，即使在h=0时。
相衬法：1935年由泽尼克（Zernike）提出，用于生物显微镜。因为大多数细菌为透明的位相物体，要观察细菌往往要染色，这样细菌将被杀死。在显微镜物镜的焦平面上加一个位相滤波器就可以将位相的变化转化为强度变化，从而可以利用显微镜直接看到活的细菌。这个发明使泽尼克获得1935年的诺贝尔奖。
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。
为了阐述相衬显微镜的原理，将相位物体的透射系数写成：

在一般情况下，用显微镜只能观察物体的亮暗，而物体的亮暗正比于|f(x,y)|2，由公式(23)可以知道它与x,y无关的。如果把这种物体置于图5的光学系统（相当于显微镜的物镜部分的情况）中，在物镜的后焦平面上的频谱分布为：

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p/2或p/2的奇数倍，经滤波器后物的频谱变为：

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p/2位相延迟还有一定的衰减，与(17)—(21)相同，可以得到相衬图的对比度为：

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4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—可以得到很大的像以便于观察，这正是阿贝当时要改进显微镜的分辨本领时所用的光路。

4. 实验内容与步骤

1.熟悉各个仪器的工作原理和使用方法；
2.调节平行光，测傅里叶透镜的焦距f；
3.利用夫琅和费衍射测一维光栅常数；
(1)光路：激光器→扩束镜→准直镜→光栅→傅里叶透镜→屏(此光路满足远场近似)；
(2)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。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。
4.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。
(1)光路：激光器→扩束镜→准直镜→光栅→傅里叶透镜→滤波范本(位于空间频谱面上)→傅里叶透镜→光屏；
(2)一维光栅
①滤波范本只让0级通过;
②滤波范本只让0、±1级通过;
③滤波范本只让0、±2级通过
(3)二维光栅：
①滤波范本只让含0级的水平方向一排点阵通过；
②滤波范本只让含0级的竖直方向一排点阵通过；
③滤波范本只让含0级的与水平方向成45O一排点阵通过；
④滤波范本只让含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组成迭加，观察实验结果。
①在像面上仅看到一个汉字“光”；
②如何操作可看到像面上是“光”字中仅有横条纹，或“光”字中仅有竖条纹。

5. 实验记录

6. 数据处理及误差分析

7. 思考题及实验小结

1.在实验中如果挡掉零级光斑，让所有高级衍射光斑透过，在像平面得到的像是什么样的？
答：分三种情况：
（1）a(光栅透光缝)=d（光栅周期）/2，即栅状物的缝宽等于缝间隙时，像的振幅具有周期性，其周期与物周期相同，但强度是均匀的。
（2）a>d/2 ，强度分布出现衬度反转，原来的亮区变为暗区，原来的暗区变为亮区。
（3）a

2.如果正交光栅的周期为0.01mm，透镜的焦距为300mm，照明光的波长为633nm，求低通滤波器的直径最大为多少？
答:d=0.01mm,f=300mm,λ=633nm.K=0时，衍射光点为低频，故由公式得，所求低通滤波器的最大直径实际就是18.99nm。

3.为什么实验中使用的傅里叶透镜的口径一般较大，焦距较长？
答：因为图像频谱的尺寸为：x’/lf ，所以对于同一图像，焦距越长其衍 射频谱的尺寸也越大，这样对频谱处理起来较方便，如要滤掉某个频谱分量等。

4.一般的透镜系统可以看成高通滤波器还是低通滤波器，为什么？
答：一般的透镜系统可以看成低通滤波器。因为透镜的口径有限，一般只能让与光轴倾角不大的光束—即低频分量通过。与光轴倾角较大的光束不能进入光学系统成像。

5.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：d=1/50 ; 因为fx=x’/λf ; 所以fx=50000
所以x’=fxλf=500000.050.0000006328=1.582mm

6.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：在透镜后焦面上加一个自制的只含水平方向一排点阵的滤 波模板,放在合适的位置便可使栅笼 (竖条纹)去掉。

7.显微物镜的成像分辨率决定于其什么指标？
答：数值孔径。

8.实验中一维矩形振幅光栅(透光缝宽为a，宽度为L)的周期为d ，如果要在像方焦平面上挡掉零级光斑，圆孔的直径最大和最小值为多少？
答：圆孔直径最大为λf/d,最小为λf/D。

9.除所示原理图的傅里叶变换系统外，常用的空间滤波光学系统还有几种形式？请画出其结构图并标明成像面和频谱面位置。
答：（1）4f系统（平行光照明）

实验小结
本实验的实验难点：
1.根据光学实验原理，利用所给仪器在导轨上摆放出正确的光路。
2.能够根据透镜成像原理，测量傅里叶透镜的焦距。
3.利用夫琅和费衍射测一维光栅常数
4.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。