UA OPTI512R 傅立叶光学导论 衍射例题

例1 Fresnel衍射与Fraunhofer衍射的基本概念:在Fresnel field中可以使用Fraunhofer近似吗?在Fraunhofer field中可以使用Fresnel近似吗?

答案 Fresnel近似是二次波近似,Fraunhofer近似是平面波近似,所以在Fresnel field与Fraunhofer field中都是Fresnel近似更准确。


例2 Fresnel衍射基础
Scalar衍射的传递函数为
Hz(ξ,η)=ejkz1−λ2(ξ2+η2)H_z(\xi,\eta)=e^{jkz\sqrt{1-\lambda^2(\xi^2+\eta^2)}}Hz​(ξ,η)=ejkz1−λ2(ξ2+η2)​

Fresnel衍射的传递函数为
Hz(ξ,η)=ejkze−jπλz(ξ2+η2)H_z(\xi,\eta)=e^{jkz}e^{-j\pi \lambda z(\xi^2+\eta^2)}Hz​(ξ,η)=ejkze−jπλz(ξ2+η2)

假设η=0\eta=0η=0,

  1. 用scalar diffraction,计算入射波最大可能的频率;
  2. 计算Fresnel衍射与scalar衍射的传递函数的相位差;
  3. 给定ξ\xiξ,推导zzz的条件使得Fresnel衍射可以近似scalar衍射

答案
第一问,入射波的频率需要满足
1−λ2(ξ2+η2)=1−λ2ξ2≥0⇒ξ≤1λ1-\lambda^2(\xi^2+\eta^2)=1-\lambda^2 \xi^2 \ge 0 \Rightarrow \xi \le \frac{1}{\lambda}1−λ2(ξ2+η2)=1−λ2ξ2≥0⇒ξ≤λ1​

第二问,scalar衍射传递函数的相位为kz1−λ2(ξ2+η2)kz\sqrt{1-\lambda^2(\xi^2+\eta^2)}kz1−λ2(ξ2+η2)​,Fresnel衍射传递函数的相位为kz−πλz(ξ2+η2)kz-\pi \lambda z(\xi^2+\eta^2)kz−πλz(ξ2+η2),相位差为
kz1−λ2(ξ2+η2)−[kz−πλz(ξ2+η2)]=2πλz1−λ2(ξ2+η2)−[2πzλ−πλz(ξ2+η2)]=2πzλ[1−λ2(ξ2+η2)+λ2(ξ2+η2)−22]=2πzλ(1−λ2ξ2+λ2ξ2−22)\begin{aligned} & kz\sqrt{1-\lambda^2(\xi^2+\eta^2)}-[kz-\pi \lambda z(\xi^2+\eta^2)] \\ = & \frac{2\pi}{\lambda}z\sqrt{1-\lambda^2(\xi^2+\eta^2)}-\left[ \frac{2 \pi z}{\lambda}-\pi \lambda z(\xi^2+\eta^2)\right] \\ = & \frac{2 \pi z}{\lambda } \left[ \sqrt{1-\lambda^2(\xi^2+\eta^2)}+\frac{\lambda^2(\xi^2+\eta^2)-2}{2} \right] \\ = &\frac{2 \pi z}{\lambda } \left( \sqrt{1-\lambda^2\xi^2}+\frac{\lambda^2\xi^2-2}{2} \right) \end{aligned}===​kz1−λ2(ξ2+η2)​−[kz−πλz(ξ2+η2)]λ2π​z1−λ2(ξ2+η2)​−[λ2πz​−πλz(ξ2+η2)]λ2πz​[1−λ2(ξ2+η2)​+2λ2(ξ2+η2)−2​]λ2πz​(1−λ2ξ2​+2λ2ξ2−2​)​

当λ2ξ2<<1\lambda^2\xi^2<<1λ2ξ2<<1时,(1−λ2ξ2+λ2ξ2−22)≈0\left( \sqrt{1-\lambda^2\xi^2}+\frac{\lambda^2\xi^2-2}{2} \right) \approx 0(1−λ2ξ2​+2λ2ξ2−2​)≈0,此时用Fresnel衍射近似的效果最好;

第三问,Fresnel衍射近似scalar衍射的条件为
∣2πzλ(1−λ2ξ2+λ2ξ2−22)∣≤2π⇒z≤λ∣1−λ2ξ2+λ2ξ2−22∣\begin{aligned} & \left| \frac{2 \pi z}{\lambda } \left( \sqrt{1-\lambda^2\xi^2}+\frac{\lambda^2\xi^2-2}{2} \right) \right| \le 2 \pi \\ \Rightarrow & z \le \frac{\lambda}{|\sqrt{1-\lambda^2\xi^2}+\frac{\lambda^2\xi^2-2}{2}|}\end{aligned}⇒​∣∣∣∣​λ2πz​(1−λ2ξ2​+2λ2ξ2−2​)∣∣∣∣​≤2πz≤∣1−λ2ξ2​+2λ2ξ2−2​∣λ​​


例3 三缝Fraunhofer衍射,考虑入射光ejkbxe^{jkbx}ejkbx,代表三缝的pupil函数为
P(x,y)=rect(x−dLx,yLy)+rect(xLx,yLy)+rect(x+dLx,yLy)P(x,y)=rect \left( \frac{x-d}{L_x},\frac{y}{L_y} \right)+rect \left( \frac{x}{L_x},\frac{y}{L_y} \right)+rect \left( \frac{x+d}{L_x},\frac{y}{L_y} \right)P(x,y)=rect(Lx​x−d​,Ly​y​)+rect(Lx​x​,Ly​y​)+rect(Lx​x+d​,Ly​y​)

计算衍射条纹分布;

答案 Fraunhofer衍射公式为
uz(xz,yz)=ejkzjλzejπλz(xz2+yz2)F[uin(xi,yi)]ξ=xzλz,η=yzλzu_z(x_z,y_z)=\frac{e^{jkz}}{j \lambda z}e^{j \frac{\pi}{\lambda z}(x_z^2+y_z^2)}\mathcal{F}[u_{in}(x_i,y_i)]_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z},\eta=\frac{y_z}{\lambda z}}uz​(xz​,yz​)=jλzejkz​ejλzπ​(xz2​+yz2​)F[uin​(xi​,yi​)]ξ=λzxz​​,η=λzyz​​​

所以光强公式为
Iz(xz,yz)=1λ2z2∣F[uin(xi,yi)]ξ=xzλz,η=yzλz∣2I_z(x_z,y_z)=\frac{1}{\lambda^2z^2}\left| \mathcal{F}[u_{in}(x_i,y_i)]_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z},\eta=\frac{y_z}{\lambda z}}\right|^2Iz​(xz​,yz​)=λ2z21​∣∣∣​F[uin​(xi​,yi​)]ξ=λzxz​​,η=λzyz​​​∣∣∣​2

入射光为
uin(xi,yi)=ejkbxiP(xi,yi)u_{in}(x_i,y_i)=e^{jkbx_i}P(x_i,y_i)uin​(xi​,yi​)=ejkbxi​P(xi​,yi​)

计算它的Fourier变换,
F[uin(xi,yi)]ξ=xzλz,η=yzλz=F[ejkb0xiP(xi,yi)]ξ=xzλz,η=yzλz=F[P(xi,yi)]ξ=xzλz−b0λ,η=yzλz=LxLysinc(Lx(xzλz−b0λ,Lyy))[1+2cos⁡2πdλz(x−b0z)]\begin{aligned} & \mathcal{F}[u_{in}(x_i,y_i)]_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z},\eta=\frac{y_z}{\lambda z}} \\ = & \mathcal{F}[e^{jkb_0x_i}P(x_i,y_i)]_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z},\eta=\frac{y_z}{\lambda z}} \\ = & \mathcal{F}[P(x_i,y_i)]_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z}-\frac{b_0}{ \lambda},\eta=\frac{y_z}{\lambda z}} \\ = & L_xL_ysinc \left( L_x \left( \frac{x_z}{\lambda z}-\frac{b_0}{ \lambda},L_yy \right) \right) \left[ 1+ 2\cos \frac{2 \pi d}{\lambda z} \left( x- b_0z\right) \right] \end{aligned}===​F[uin​(xi​,yi​)]ξ=λzxz​​,η=λzyz​​​F[ejkb0​xi​P(xi​,yi​)]ξ=λzxz​​,η=λzyz​​​F[P(xi​,yi​)]ξ=λzxz​​−λb0​​,η=λzyz​​​Lx​Ly​sinc(Lx​(λzxz​​−λb0​​,Ly​y))[1+2cosλz2πd​(x−b0​z)]​

所以光强分布为
Iz(xz,yz)=Lx2Ly2λ2z2sinc2(Lx(xzλz−b0λ,Lyy))[1+2cos⁡2πdλz(x−b0z)]2I_z(x_z,y_z)=\frac{L_x^2L_y^2}{\lambda^2z^2}sinc^2 \left( L_x \left( \frac{x_z}{\lambda z}-\frac{b_0}{ \lambda},L_yy \right) \right) \left[ 1+ 2\cos \frac{2 \pi d}{\lambda z} \left( x- b_0z\right) \right]^2 Iz​(xz​,yz​)=λ2z2Lx2​Ly2​​sinc2(Lx​(λzxz​​−λb0​​,Ly​y))[1+2cosλz2πd​(x−b0​z)]2


例4 有黑点的方孔Fraunhofer衍射,考虑均匀入射光,方孔的中心有一个圆形黑斑,所以pupil函数为
P(x,y)=rect(xL1,yL1)−circ(ρL2),L2<<L1P(x,y)=rect \left( \frac{x}{L_1},\frac{y}{L_1} \right)-circ\left( \frac{\rho}{L_2} \right),L_2<<L_1P(x,y)=rect(L1​x​,L1​y​)−circ(L2​ρ​),L2​<<L1​

计算far field;

答案
经过方孔后,入射光为
uin(xi,yi)=rect(xL1,yL1)−circ(ρL2)u_{in}(x_i,y_i)=rect \left( \frac{x}{L_1},\frac{y}{L_1} \right)-circ\left( \frac{\rho}{L_2} \right)uin​(xi​,yi​)=rect(L1​x​,L1​y​)−circ(L2​ρ​)

计算Fourier变换,
F[uin(xi,yi)]ξ=xzλz,η=yzλz=L12sinc(L1ξ,L1η)−L22J1(πL2ξ2+η2)2L2ξ2+η2∣ξ=xzλz,η=yzλz=L12sinc(L1xzλz,L1yzλz)−L22J1(πL2(xzλz)2+(yzλz)2)2L2(xzλz)2+(yzλz)2\begin{aligned} & \mathcal{F}[u_{in}(x_i,y_i)]_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z},\eta =\frac{y_z}{\lambda z}} \\ = & \left.L_1^2 sinc(L_1\xi,L_1\eta)-L_2^2 \frac{J_1(\pi L_2 \sqrt{\xi^2 +\eta^2})}{2L_2\sqrt{\xi^2+\eta^2}} \right|_{\xi=\frac{x_z}{\lambda z},\eta =\frac{y_z}{\lambda z}} \\ = & L_1^2 sinc\left(\frac{L_1x_z}{\lambda z},\frac{L_1 y_z}{\lambda z}\right)-L_2^2 \frac{J_1(\pi L_2 \sqrt{(\frac{x_z}{\lambda z})^2 +(\frac{y_z}{\lambda z})^2})}{2L_2\sqrt{(\frac{x_z}{\lambda z})^2 +(\frac{y_z}{\lambda z})^2}} \end{aligned}==​F[uin​(xi​,yi​)]ξ=λzxz​​,η=λzyz​​​L12​sinc(L1​ξ,L1​η)−L22​2L2​ξ2+η2​J1​(πL2​ξ2+η2​)​∣∣∣∣∣​ξ=λzxz​​,η=λzyz​​​L12​sinc(λzL1​xz​​,λzL1​yz​​)−L22​2L2​(λzxz​​)2+(λzyz​​)2​J1​(πL2​(λzxz​​)2+(λzyz​​)2​)​​

UA OPTI512R 傅立叶光学导论 衍射例题相关推荐

  1. UA OPTI512R 傅立叶光学导论 透镜成像系统例题

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论 透镜成像系统例题 讨论下图所示的透镜成像系统: 例1 如果aperture的形状未知,如何用点光源与点光源的像推导OTF: 答案 点光源为uo(xo,yo)=δ ...

  2. UA OPTI512R 傅立叶光学导论 采样定理例题

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论 采样定理例题 例1 计算下列函数的带宽 sinc(ax)sinc(ax)sinc(ax) sinc2(ax)sinc^2(ax)sinc2(ax) cos⁡(2 ...

  3. UA OPTI512R 傅立叶光学导论24 相干传递函数

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论24 相干传递函数 Aberrated PSF 相干传递函数 上一讲介绍了透镜成像的物理光学公式: ui=ug∗h~u_i=u_g*\tilde hui​=ug​ ...

  4. UA OPTI512R 傅立叶光学导论23 透镜成像系统的物理光学模型

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论23 透镜成像系统的物理光学模型 Point Spread Function(PSF) 成像条件与理想成像系统的PSF 上一讲我们介绍了透镜的物理光学模型,但关于 ...

  5. UA OPTI512R 傅立叶光学导论22 透镜成像与傅立叶变换

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论22 透镜成像与傅立叶变换 透镜的物理光学模型 透镜成像原理 透镜(lens)应该是大家接触最多应用最广泛的光学元件了,在几何光学中,研究透镜成像时遵循一些基础假 ...

  6. UA OPTI512R 傅立叶光学导论12 傅立叶级数基础

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论12 傅立叶级数基础 Fourier Series 这一讲的目的是简单介绍一下Fourier分析的基础,后续会介绍Fourier变换的数值计算方法.用Fourie ...

  7. UA OPTI512R 傅立叶光学导论9 卷积基础

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论9 卷积基础 卷积的图示 卷积的解析计算 之前介绍LSI时,我们提到过如果输入为δ(x)\delta(x)δ(x)时,输出为脉冲响应函数h(x)=L[δ(x)]h ...

  8. UA OPTI512R 傅立叶光学导论25 透镜成像中光源与像的光强关系

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论25 透镜成像中光源与像的光强关系 光强关系 光学传递函数 前两讲介绍了用物理光学的思路分析了透镜系统中输入波形与输出波形之间的关系,这一讲讨论输入波形的光强与输 ...

  9. UA OPTI512R 傅立叶光学导论17 离散傅立叶变换简介

    UA OPTI512R 傅立叶光学导论17 离散傅立叶变换简介 DFT及其矩阵形式 DFT的性质 上一讲提到对连续波形f(x)f(x)f(x)做周期性采样时可以用采样函数来表示采样结果: fS(x)= ...

最新文章

  1. debian linux修改语言,Debian Linux系统下英文系统切换为中文
  2. 中继技术助威 Wi-Fi网路涵盖范围三级跳
  3. 谭浩强课后题之----求和,其中a是一个数字,n表示a的位数
  4. 利用pyhton爬虫(案例4)--你想要的图片都在这
  5. xcode8 快捷键失效
  6. (Deep learning)深度卷积网络实战——第四部分
  7. 不续签合同,凭什么要求别人紧急加班
  8. 三、python解释器下载及安装手册
  9. 医学编码与计算机,医学编码培训课件.ppt
  10. 专为前端开发者准备的 15 款优秀的 Sublime Text 插件
  11. SEM医械研发:常见医用塑料种类、特性与选用知识汇总
  12. 24 - 面向对象1
  13. 认证计费系统是什么?不妨看看这篇文章
  14. 各种浏览器兼容性报告大全
  15. 夏雨老师:告诉你初学习平面设计需要什么条件
  16. Ubuntu挂载iso文件和配置apt本地源
  17. pixhawk固定翼起飞逻辑分析
  18. 利用C语言写一个U盘小偷程序
  19. hash表(学习笔记)
  20. 找到个eclipse旧版下载地址有jdk1.8最后一版2020-06

热门文章

  1. Java数据结构Map遍历和排序
  2. (转载)四种常见的 POST 提交数据方式
  3. Leetcode 95. 不同的二叉搜索树 II 解题思路及C++实现
  4. 关于图像语义分割的总结和感悟
  5. stm32F105的can2问题
  6. 7.2 matlab符号微积分(符号函数的极限、导数和积分)
  7. 4.5 matlab三维曲面(mesh、fmesh、meshc、meshz、surf、fsurf、surfc、surfl)
  8. C++中的c_str()函数用法
  9. tf.placehoder使用
  10. linux必会命令 - 后台运行程序 - nohup、