傅里叶变换光学实验

傅里叶变换光学系统

一、实验目的和内容

1、了解透镜对入射波前的相位调制原理。

2、加深对透镜复振幅、传递函数、透过率等参量的物理意义的认识。

3、观察透镜的傅氏变换（FT ）图像，观察4f 系统的反傅氏变换（IFT ）图像，并进行比较。 4、在4f 系统的变换平面（T ）插入各种空间滤波器，观察各种试件相应的频谱处理图像。

二、实验原理

1、透镜的FT 性质及常用函数与图形的关学频谱分析

力。图1 在该点的厚度。设原复振幅分布为

U L (x , y ) （1） 图1

其复振幅分布受到透镜的位相调制，附加了一个位相因ϕ(x , y ) 后变为U L '(x , y ) ：

U L '(x , y ) =U L x (y , ) e x j ϕp x [y (,

若对于任意一点（x ，y ）透镜的厚度为D (x , y ) ，透镜的中心厚度为透镜时在透镜中的距离为D (x , y ) ，空气空的距离为点的总的位相差为：

D 0。光线由该点通过

D 0－D (x , y ) ，透镜折射率为n ，则该

ϕ(x , y ) =k [D 0-D (x , y )]+knD (x , y ) =kD 0+k (n -1) D (x , y ) （2）

（2）中的k ＝2π/λ，为入射光波波数。 用位相延迟因子t (x , y ) 来表示即为：

t (x , y ) =e x p j (k j k -[n (0D ) e x p

D 1) x ( y , ) ] （3）

由此可见只要知道透镜的厚度函数D (x , y ) 就可得出其相位调制。在球面镜傍轴区域，用抛物面近似球面，可以得到球面透镜的厚度函数为：

111

D (x , y ) =D 0-(x 2+y 2)(-)

2R 1R 2 （4）

其中

R 1、R 2是构成透镜的两个球面的曲率半径。公式（4）对双凹、双凸、或凹凸透镜都

成立。引入焦距f ，其定义为：

111=(n -1)(-) f R 1R 2 （5）

t (x , y ) =exp(jknD 0)exp[-j

代入（3）得：

k

(x 2+y 2)]2f （6）

式（6）即是透镜位相调制的表达式，它表明复振幅发生位相延迟。

从式（6）容易看出第一项位相因子

U L (x , y ) 通过透镜时，透镜各点都

exp(jknD 0) 仅表示入射光波的常量位相延迟，不

影响位相的空间分布，即波面形状，所以在运算过程中可以略去。第二项

exp[-j

k

(x 2+y 2)]2f 是具有调制作用的因子，它表明光波通过透镜的位相延迟与该点到透

镜中心的距离的平方成正比。而且与透镜的焦距有关。当考虑透镜孔径后，有：

t (x , y ) =exp[-j

k

(x 2+y 2)]p (x , y ) 2f （7）

其中的p (x , y ) 为透镜的光瞳函数，表达式为：

⎧1 孔径内p (x , y ) =⎨

⎩0 其 它 （8）

2、透镜的傅里叶变换性质

在单色平面波垂直照射下，夫琅和斐衍射光场的复振幅分布正比于衍射屏透射系数的傅里叶变换。衍射图像的强度分布正比于衍射屏的功率谱分布。一般情况下，我们是将夫朗和斐衍射图像成像到透镜的像方焦平面出，这就是说，作为成像元件的透镜，就相当于傅里叶变换器。

如图2所示，设单位振幅的单色平面光垂直照射一透射系数为t (x , y ) 的衍射屏，与衍射屏相距Z 处放置一焦距为f 的薄透镜L ，先观察其像方平面L 的光场分布。为了讨论方便，这里我们忽略透镜材料的吸收、散射、透镜表面的反射以及透镜孔径大小等因素的影响。

图2 透镜的傅里叶变换性质

设E (x , y ) 、

E(x 1, y 1) 、E '(x 1, y 1) 、E (x f , y f ) 分别表示衍射屏后、透镜输入平面、输出平

面以及像方平面出光波场的复振幅分布。由于透镜的相位调制特性，输出平面与输入平面出光波场之间的关系由下式决定：

E '(x 1, y 1) =E(x 1, y 1)exp[-i

k

(x 2+y 2)]2f （9）

而从透镜输出平面到像方焦平面，光波相当于经历一次菲涅耳衍射。夫朗和斐近似下观

察到平面上的衍射光场复振幅 ：

(x +y ) e ikz 1λz 1(x 0+y 0) λz 111-i 2z (ux 1+vy 1)

E (x 0, y 0) =e E(x 1, y 1) e e dx 1dy 1

⎰⎰i λz 1

-∞

2

2

2

2

iz

+∞

iz

＝

e ikz 1λz 1(x 0+y 0) π

e F {E(x 1, y 1) exp[i (x 12+y 12)]}i λz 1λz 1

2

2

iz

（10）

式中u 和v 分别表示面上的光波场复振幅

x 1和y 1方向的空间频率。于是由（9）和（10）式，透镜像方焦平

分布应具有如下形式：

E (x f , y f )

ikf

ik e

E (x f , y f ) =e

i λf

x f 2+y 2f 2f

x 12+y 12

F {E'(x 1, y 1)exp(ik )}

2f

ik e

e i λf ＝

ikf

x f 2+y 2f 2f

F {E(x 1, y 1)}

（

u =

x f

λf

, v =

y f

λf ） （11）

在单位振幅的平面波垂直照射下，透镜衍射屏的光波场复振幅分布E (x , y ) 即等于衍射屏的透射系数t (x , y ) ，故其频谱分布为：

F {E (x , y )}=F {t (x , y )}=T (u , v ) （12） 该频谱分量从衍射屏传播到透镜的输入平面处，产生一个相位延迟ϕ(u , v , z ) ，即有： E (u , v ) =T (u , v )exp[i ϕ(u , v , z )] （13） 在傍轴条件下ϕ(u , v , z ) 具有如下的形式：

ϕ(u , v , z ) =kz -z λ2(u 2+v 2)

（14）

由此可以得到透镜输入平面处光波场的频谱分布为：

k

2

F {E (x 1, y 1)}=E (u , v ) =T (u , v )exp[ikz -i

k 22

z λ(u +v 2)]2 （15）

代入（11）得透镜像方焦平面处的广场分布为：

E (x f , y f ) =

e

e i λf

ikf

ik

x f 2+y 2f

2f

exp[ikz -i

x f 2+y 2f

2f

(1-

z

) f

k

z λ2(u 2+v 2)]T (u , v ) 2

e

ik (z +f )

λf λf ） （16） ＝i λf （

从上式可以看到，在单色平面波垂直照射下，透镜像方焦平面处的光场除了一个常数因子外和一个二次因子外，其余的反应了衍射屏透射系数得傅里叶变换。经过进一步的分析我们可以得到在用透镜对二维关学图像进行傅里叶变换时，若将图像放置在透镜的物方焦平面上，则在透镜的像方焦平面上得到输入图像准确的傅里叶变换。若将输入图像放置在透镜与其像方焦平面之间，则像方焦平面上频谱图样的大小可随衍射屏到像方焦平面的距离的变化而改变；并且当输入图像紧贴透镜后放置时可获得最大的频谱图样。而对于球面波照射时，傅里叶变换平面将不是在透镜的像方平面。而是光源的共轭像平面上。

3．透镜孔径的衍射与滤波特性 由于孔径的衍射效应，任何具有有限大小通过光孔径的光学成像系统，均不存在如几何光学中所说的理想像点。所谓共轭像点，实际上是由系统孔径引起的，以物点的几何像点为中心的夫琅和斐衍射图样的中央亮斑——艾里斑。其次，透镜有限大小的通光孔径，也限制了衍射屏函数的较高频率成分（具有较大入射倾角的平面波分量）的传播。这可以从图3可以看出：

e

ik

T (u , v )

u =

x f

, v =

y f

图3：透镜孔径引起渐晕效应

透过衍射屏的基频平面波分量1可以全部通过透镜，具有较高（空间）频率的平面波分量2只能部分通过，而高频平面波分量3则完全不能通过。这样，在透镜像方焦平面上的光波场中就缺少了衍射屏透射光场中部分高频成分，因此，所得衍射屏函数的频谱将不完整。这种现象称为衍射的渐晕效应。由此可将，从光信息处理角度来讲，透镜孔径的有限大小，使得系统存在着有限大小的通频宽带和截止频率；从光学成像的角度来讲，则使得系统存在着一个分辨极限。

4．相干光学图像处理系统（4f 系统） 用夫琅和斐衍射来实现图像的频谱分解，最重要的意义是为空间滤波创造了条件，由于衍射场就是屏函数的傅里叶频谱面，空间频率（u ，v ）与衍射场点位置（ξ, η）一一对应，使

得人们可见从改变频谱入手来改造图像，进行信息处理。为此，设计了图4所示的图像处理系统。

图4 4f 图像处理系统 在此系统中，两个透镜入，

L 1、L 2成共焦组合，L 1的前焦面（x ，y ）为物平面O ，图像由此输

L 2的后焦面(x ', y ') 为像平面I ，图像在此输出。共焦平面（ξ, η）称为变换平面T ，

在此可以安插各种结构和性能的屏（即空间滤波器）。

当平行光照射在物平面上时，整个OTI 系统成为相干成像系统。由于变换平面上空间滤波器的作用，使输出图像得以改造，所以OTI 系统又是一个相干光学信息处理系统。这里先研究它的成像问题。

我们将相干光学系统的成像过程看作两步：第一步，从O 面到T 面，使第一次夫琅和斐衍射，它起分频作用。第二步，从T 面到I 面，再次夫琅和斐衍射，起合成作用，即综合频谱输出图像。在这样的两步中，变换平面T 处于关键地位，若在此处设置光学滤波器，就能起到选频作用。要想作到图像的严格复原，T 面必须完全畅通无阻。此处的4f 系统每次衍射都是从焦面到焦面，这就保证了复振幅的变换是纯粹的傅里叶变换。如果光波能够自由通过变换平面，即连续两次的傅里叶变换，函数的形式基本复原，只是自变量变号,

U 1(x ', y ') ∝U 0(-x , -y ) 即图像倒置。U =U 0t T ≠U 0这里为滤波

在有源滤波器的情况下, 1

器的透过率函数，这也是我们进行滤波实验的依据。 5. 空间滤波实验

要从输入图像中提取或排除某种信息，就要事先研究这类信息的频谱特征，然后针对它制备相应的空间滤波器置于变换平面，经过第二次衍射合成后，就可以达到预期的效果，光信息处理的原理也就是基于如此。

三．实验用具和装置

实验用具：激光器、准直透镜、傅里叶透镜、傅里叶变换试件、频谱处理器、反射镜、衰减器、CMOS 光电接收器。

（1）傅里叶变换装置：

图5. 傅里叶变换实验装置

（2）反傅里叶变换装置：

图6. 反傅里叶变换实验装置

四．实验操作和实验现象 1. 开启电脑，运行csylaser 软件。

2. 将各个光学元件按照光路图固定在实验平台上。

3. 打开激光器，用激光束作为参考，调整好光路，并调整好各个元件距离。

4. 在未插入FT 插件的情况下，前后移动CCD ，使csylaser 窗口的光斑最小, 调节衰减器使

光强大小适中。 5. 插入FT 插件。

（一）观察到样品的FT 图像如下图：

由上图知，“小飞机”的傅里叶变换图是米字形的图形。当移动样品时，频谱图像就会发生变化，当样品大概放在透镜的物方焦平面上时，得到最清晰的频谱图（上图）。移动CCD ，频谱图也会发生变化。当样品贴近透镜时，频谱图像最大。

从图形可以看出，激光在光路中发生了较为严重的散斑干涉等散射现象，导致了对比度下降的问题。散斑干涉并无法消除。

（二）反傅里叶变换：

由上图可以看出，图像经过两次傅立叶变换就是图像本身，这是因为经过第二次傅立叶变换后由空间频域又变换回了空间强度的分布图像。图像中存在散斑干涉现象，且图像中有投影与图像重叠，这是由于镜片的反射造成的。

（三）插入频谱处理器后图像如下：

激光通过非透明最宽(a)，中等(b）， 最窄（c) 狭缝图像；激光通过透明最宽(d)，中等(e)，

最窄(f）狭缝图像。从图像上可知，非透明狭缝图像中央信息保留较为完全，而边缘部分随着狭缝宽度变窄其信息损失越为严重。而透明狭缝图像中央的信息基本丢失，而边缘的区域边界较为明显。

在看见“小飞机”的情况下，插入频谱处理器，结果在电脑上可以看到“小飞机”的图像一些地方变得模糊，一些地方变得更亮。这说明插入的频谱处理器起到了选频的作用，使得一部分输出被抑制了，一部分得到加强。非透明部分狭缝为低通滤波，所以空间频率较低的图像中央其信息保存较为完整，而图像边缘部分由于空间频率较大而无法通过，所以图像边界比较模糊，随着狭缝宽度的变小其模糊程度变得愈加严重。

实验总结：

本实验操作相对简单，但对仪器调节精确度高。要获得较好的图样，必须准确把握光路的共轴和4f 系统的距离要求。由实验图像可以看出，散斑干涉现象一直存在，图像因为镜片反射的投影对实验现象的观察也有影响。造成原因有： （1）准直系统没有调精确，使得入射光不是平行光。

（2）光路是否共轴，还有就是在通过透镜时，是否通过透镜的中心，因为光通过透镜不同的地方，因为透镜的厚度不同，从而使得位相调制函数不同，而影响成像效果。 （3）反射镜的影响，经过反射镜反射后的光不是平行光，且没有穿过透镜中心。

五．思考题

1. 为什么透镜对通过的光波具有相位调制能力？

答：透镜由于本身厚度的不同，使得入射光在通过透镜时，各处走过的光程差不同，即所受时间延迟不同，因而具有相位调制能力。若对于任意一点（x ，y ）透镜的厚度为D (x , y ) ，透镜的中心厚度为D 0。光线由该点通过透镜时在透镜中的距离为D (x , y ) ，空气空的距离为D 0－D (x , y ) ，透镜折射率为n ，则该点的总的位相差为：

ϕ(x , y ) =k [D 0-D (x , y )]+knD (x , y ) =kD 0+k (n -1) D (x , y )

2. 什么较渐晕效应，怎样消除渐晕？

答：渐晕效应是指由于透镜的孔径大小有限，从而造成空间频率高频分量的丢失的现象。理论上来说，只有透镜的孔径无限大才能完全消除渐晕效应。所以实际系统总是存在渐晕效应的。从光信息处理角度来说，系统存在有限大小的通频带宽和截至频率；从光学成像上说，系统存在一个极限分辨率。

3. 什么叫光学4f 系统？如何使用这一系统作光学信息处理？ 答：相干光学图像处理系统即4f 系统。

相干光学系统的成像过程看作两步在图四中：第一步，从O 面到T 面，使第一次夫琅

和斐衍射，它起分频作用。第二步，从T 面到I 面，再次夫琅和斐衍射，起合成作用，即综合频谱输出图像。在这样的两步中，变换平面T 处于关键地位，若在此处设置光学滤波器，就能起到选频作用。要想作到图像的严格复原，T 面必须完全畅通无阻。此处的4f 系统每次衍射都是从焦面到焦面，这就保证了复振幅的变换是纯粹的傅里叶变换。如果光波能够自由通过变换平面，即连续两次的傅里叶变换，函数的形式基本复原，只是自变量变号,

~

U 1(x ', y ') ∝U 0(-x , -y ) 即图像倒置。在有源滤波器的情况下：

~

~

~~

U 1=U 0t T ≠U 0

. 这里为滤波器的透过率函数，这也是我们进行滤波实验的依据。

【参考文献】

1 杨国光主编《近代光学测试技术》 浙江：浙江大学出版社，1997 2 赵建林编《高等光学》 北京：国防工业出版社，2002 3 赵凯华，钟锡华《光学》 北京：北京大学出版社，1984

4 黄婉云编《傅里叶光学教程》 北京：北京师范大学出版社，1984

5 程佩青编《数字滤波与快速傅里叶变换》 北京：清华大学出版社，1990

6 吴瑾光编《近代傅里叶变换红外光谱技术及应用》 北京：科学技术文献出版社，1994