衍射和傅里葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)

衍射和傅里葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)傅里葉光學，就是采用傅里葉分析（頻譜分析）的方法來分析光學問題。所討論的問題仍然是有關(guān)光波的傳播、分解與疊加（干涉、衍射）、光學系統(tǒng)的成像規(guī)律。傅里葉分析方法的引入，使人們對各種光學現(xiàn)象的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律有了更深入地了解和認識。傅里葉光學已成為光學中的一個分支。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第2頁,共52頁，2024年2月25日，星期天時間分解原子發(fā)光是斷續(xù)，它總是發(fā)出具有一定持續(xù)時間的波列，這樣的光波不是單色光波，波動方程會變的很復雜，它的特性也不能很容易得到。用這樣的光波疊加、分解時，幾乎無法對它進行計算。用傅里葉數(shù)學方法就可以把這樣一個在時間上有限的波列，即一個“多時間頻率”成分的“多色”光波，分解成許多無限長波列的簡諧波，即許多單頻率成分的單色光波的疊加。這是傅里葉方法用于光學中的“時間分解”。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第3頁,共52頁，2024年2月25日，星期天空間頻譜分解在傳播中或與物質(zhì)相互作用中，在空間上受到種種限制的單色光波，其簡諧波在空間范圍內(nèi)的延續(xù)性受到了破壞，也同樣使得光波成為了非單色光。采用傅里葉方法把這些空間受限或空間調(diào)制的波面進行分解，可以得到許多不同方向或不同空間頻率的平面波成分，這個分解稱為空間頻譜分解。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第4頁,共52頁，2024年2月25日，星期天對于諸如光的傳播、疊加(干涉)、衍射及成像等光學現(xiàn)象，傳統(tǒng)的方法是在空間城中直接討論。利用傅里葉方法就可以把對這些現(xiàn)象的分析轉(zhuǎn)化到頻率城中，用頻譜分析方法進行討論，因為有時候，在空間分析這些問題是很困難的?？梢哉f，傅里葉分析方法促進了現(xiàn)代光學的發(fā)展。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第5頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)常用非初等函數(shù)

所謂初等函數(shù)，是指在自變量的定義域內(nèi)，能用單一解析式對五種基本初等函數(shù)進行有限次數(shù)的四則運算和復合所構(gòu)成的函數(shù)。在函數(shù)論中，有五種函數(shù)被稱為基本初等函數(shù)：冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)和反三角函數(shù)。非初等函數(shù)是我們光學中常用的數(shù)學工具。非初等函數(shù)是指在自變量的定義域中，不能用單一解析式表示的函數(shù)。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第6頁,共52頁，2024年2月25日，星期天一、標準形式的一維非初等函數(shù)

sinc函數(shù)嚴格來說并不是非初等函數(shù)，但是。我們在討論衍射問題是會用到。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)1.矩形函數(shù)

矩形函數(shù)又稱為門函數(shù)，記為

第7頁,共52頁，2024年2月25日，星期天矩形函數(shù)曲線下面積為1，即該函數(shù)滿足：

在光學上，常用矩形函數(shù)表示狹縫衍射孔徑和矩形光源等。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)2.sinc函數(shù)

sinc函數(shù)定義為：

第8頁,共52頁，2024年2月25日，星期天它的中央極大被稱為中央主極大，其寬度為2。其余稱為次極大，寬度為1。在光學中，單縫的夫瑯和費衍射后得到的復振幅就是一個sinc函數(shù)。曲線下面積為1：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)sinc函數(shù)的另一個定義：

Sinc函數(shù)的性質(zhì)

此時自變量是一個角度。第9頁,共52頁，2024年2月25日，星期天將sinc函數(shù)平方，就得到：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)3.函數(shù)

振幅的平方是光的強度，所以，

函數(shù)表示的是單縫衍射得到的光強。

第10頁,共52頁，2024年2月25日，星期天二、一維非初等函數(shù)的一般形式

在實際使用中，當然不可能總是只用到標準的函數(shù)，更經(jīng)常用的應(yīng)該是它們的一般形式。

1.比例縮放、平移和反射一個一維矩形函數(shù)經(jīng)過比例縮放、平移和反射后，得到一個一般形式的矩形函數(shù)：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第11頁,共52頁，2024年2月25日，星期天各參數(shù)的意義

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)a——縱向縮放因子。它確定了函數(shù)的縱向縮放比例及反射（以為軸反射）。b——縱向平移因子。——橫向平移因子。

L——橫向縮放因子。它確定了函數(shù)的橫向縮放比例及反射（以x=x0為軸反射）

第12頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.非初等函數(shù)的四則運算和復合

將非初等函數(shù)進行四則運算和復合后就可以表示較為復雜的物理過程。矩形調(diào)制波。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)該矩形調(diào)制波可表示為：

第13頁,共52頁，2024年2月25日，星期天三、常用二維非初等函數(shù)

二維非初等函數(shù)的形式和描述它時選用的坐標系有關(guān)。坐標系的選取原則是有利于函數(shù)的簡化運算。所以，非對稱物理量通常選擇在直角坐標系中來描述，而具有圓對稱分布的物理量就選擇在極坐標中描述。如果一個二維函數(shù)可以表示為：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)則稱這個二維函數(shù)為可分離變量函數(shù)。第14頁,共52頁，2024年2月25日，星期天可分離變量函數(shù)我們可以將它當作兩個一維函數(shù)的乘積，即可以分別對一維函數(shù)進行處理，再把它們乘起來即可。二維函數(shù)的可分離性與描述它時選取的坐標系有關(guān)。

1.直角坐標系中的二維非初等函數(shù)

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)二維矩形函數(shù)第15頁,共52頁，2024年2月25日，星期天二維矩形函數(shù)

二維矩形函數(shù)在直角坐標系中是可分離變量函數(shù)，它的定義為：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)在光學中，這樣的一個二維矩形函數(shù)常用來描述一個均勻照明方形小孔的振幅透射系數(shù)。第16頁,共52頁，2024年2月25日，星期天二維矩形函數(shù)的一般形式可表示為：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)它表示的是中心位于

邊長為的均勻照明矩形孔徑的振幅透射系數(shù)。

第17頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.極坐標系中的二維非初等函數(shù)

圓域函數(shù)又稱為圓柱函數(shù)，記為：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)或

它在極坐標系中定義為：

它在直角坐標系中的定義為：

第18頁,共52頁，2024年2月25日，星期天在光學中，圓域函數(shù)常用來描述均勻照明圓形孔徑的透射系數(shù)。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第19頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)光學中常用的特殊函數(shù)

一、δ函數(shù)和梳狀函數(shù)

狄拉克函數(shù)，也稱為脈沖函數(shù)。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)

我們用δ函數(shù)來表示任何在某種坐標系下高度集中的量，如點電荷、點光源、質(zhì)點以及又窄又強的電脈沖等。

對一個線性系統(tǒng)的復雜的輸入，只需把復雜的輸入分解成大量的δ函數(shù)的疊加，并對每個δ函數(shù)適當加權(quán)定位。我們只要知道系統(tǒng)對單個脈沖輸入（即δ函數(shù)）的響應(yīng)，則輸出就可由系統(tǒng)對所有δ函數(shù)的響應(yīng)的疊加來獲得，簡化計算。正因為如此，在現(xiàn)代光學中δ函數(shù)的應(yīng)用很廣泛。

第20頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

δ函數(shù)又稱為“奇異函數(shù)”或“廣義函數(shù)”，有兩個原因：一是δ函數(shù)沒有確定的函數(shù)值，它只是一種極限狀態(tài)，并且它的極限狀態(tài)與其余函數(shù)也不同，它不收斂到一個定值，而是收斂到無窮大。二是δ函數(shù)不能像普通函數(shù)那樣進行四則運算和乘冪運算，它對別的函數(shù)的作用只能通過積分來確定。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第21頁,共52頁，2024年2月25日，星期天1.一維δ函數(shù)的定義

δ函數(shù)可以有兩種不同的定義（1）分段函數(shù)形式的定義：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第22頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

在光學中，常用來表示位于坐標原點的具有單位光功率的點光源，這樣的一個點光源，由于它所占的面積趨于零，所以在點光功率密度趨于無窮大。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)即為

也可以被形象地比喻成如右圖所示的正在不斷向上拉伸的面團，這時無論將面團拉得多高，面團的體積、(這時不是面積而是體積)總是一定的，而且，隨著高度的增高，寬度愈來愈窄。

中心在

第23頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（2）普通函數(shù)序列極限形式的定義

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)設(shè)是一個普通函數(shù)序列，

在時具有無窮大極值，且對于任意，均有曲線下面積等于1。于是函數(shù)可定義為：

第24頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

只要滿足條件，所有的序列函數(shù)都可以用來定義δ函數(shù)。我們用矩形函數(shù)序列來說明δ函數(shù)的定義。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)

設(shè)矩形函數(shù)寬度a

，高度為1/a，其總面積為1，隨著寬度的減小，高度逐漸增大，當a→0時，高度1/a→∞，此時，矩形函數(shù)就演變成只在x=0點有值的脈沖函數(shù)。

-2-1-1/201/212第25頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

從數(shù)學的觀點來看，我們并不關(guān)心δ函數(shù)本身的嚴格形式，而只關(guān)心它在積分號下的性態(tài)；從物理的角度來看，我們只須把它看作足夠窄，以至當使它進一步變窄時不再影響我們所關(guān)心的結(jié)果。第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)2.一維δ函數(shù)的性質(zhì)

（1）積分性質(zhì)：δ函數(shù)的積分可以直接從定義推導出來：

這一積分有時又稱為δ函數(shù)的強度。第26頁,共52頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)δ函數(shù)的定義，還可以得到：

δ函數(shù)的篩選性：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)如果一個函數(shù)與δ函數(shù)相乘并積分，則這一積分有明確值：

δ函數(shù)的這一個性質(zhì)的作用，是通過與連續(xù)函數(shù)相乘的積分，篩選出連續(xù)函數(shù)在脈沖所在位置的一個函數(shù)值。

第27頁,共52頁，2024年2月25日，星期天推論1:

推論2：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)若定義在區(qū)間，則有：

（2）δ函數(shù)的乘積性質(zhì)

設(shè)在x=x0點連續(xù)，則有：

第28頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

δ函數(shù)的乘積性質(zhì)又稱抽樣性質(zhì)。它表示任一連續(xù)函數(shù)與δ函數(shù)相乘，其結(jié)果只能抽取該函數(shù)在δ函數(shù)所在點處的函數(shù)值，這個離散點為第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)由這一性質(zhì)，我們還可以得到這樣的一個推論：

第29頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（3）坐標縮放性質(zhì)

設(shè)a為實常數(shù)，則有：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)推論1：

推論2：

這就是δ函數(shù)縮放性的含意。函數(shù)的面積現(xiàn)在是a而不是1。第30頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3.一維梳狀函數(shù)comb(x)

（1）梳狀函數(shù)的定義：呈周期排列的δ函數(shù)所組成的函數(shù)稱為梳狀函數(shù)，如圖所示，記為comb(x)，數(shù)學表達式為：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第31頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（2）梳狀函數(shù)的性質(zhì)

這其實就是間隔為1，強度為1的δ函數(shù)無窮序列，所以又稱為單位脈沖序列或單位脈沖梳。在光學上，常用它來表示光柵常數(shù)為1的一維細縫光柵的振幅透射系數(shù)。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)梳狀函數(shù)的性質(zhì)可由δ函數(shù)的定義和性質(zhì)直接求出。

①梳狀函數(shù)的篩選性

設(shè)是定義在區(qū)間的連續(xù)函數(shù)，則有：

第32頁,共52頁，2024年2月25日，星期天②縮放性質(zhì)：

③平移性質(zhì)：設(shè)a和x0皆為實常數(shù)，則有：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)設(shè)a為實常數(shù)，則有：

這是強度為，脈沖間隔為的函數(shù)無窮序列。其中，當時，脈沖間隔壓縮，當時，脈沖間隔放大。

第33頁,共52頁，2024年2月25日，星期天④乘法性質(zhì)：

除了常數(shù)a的縮放作用外，系統(tǒng)的坐標原點同時向右平移了x0/a

。

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)這一性質(zhì)又稱為函數(shù)的抽樣性質(zhì)。

第34頁,共52頁，2024年2月25日，星期天4.二維δ函數(shù)和梳狀函數(shù)

二維δ函數(shù)是可分離變量函數(shù)，即有：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)二維δ函數(shù)表示為，它是位于坐標平面上坐標原點處的一個單位脈沖，當然，它的原點也可以在任意一點。

第35頁,共52頁，2024年2月25日，星期天二維梳狀函數(shù)是可分離變量函數(shù)，即有：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)二維梳狀函數(shù)表示為它是分布在平面上的矩形網(wǎng)格上，間隔為的二維單位脈沖序列，

第36頁,共52頁，2024年2月25日，星期天二、貝塞爾函數(shù)1.n階第一類貝塞爾函數(shù)的定義

第一類貝塞爾函數(shù)的定義為：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)其中

函數(shù)具有以下性質(zhì)：

所以，當p為正整數(shù)時，又稱為階乘函數(shù)。

第37頁,共52頁，2024年2月25日，星期天當n為偶數(shù)時，有

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)

為偶函數(shù)；當為n奇數(shù)時，有

為奇函數(shù)。第38頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)第39頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)傅立葉變換的基本概念及運算

一、傅立葉級數(shù)及頻譜的概念

1.傅立葉級數(shù)的定義

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)設(shè)周期為的函數(shù)滿足狄里赫利條件：

（2）只存在有限個極值點；（3）只存在有限個第一類間斷點；（4）絕對可積，即

（1）在區(qū)間分段連續(xù)；第40頁,共52頁，2024年2月25日，星期天則此函數(shù)可以被展開成傅立葉級數(shù)的形式：

其中:

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)以復指數(shù)函數(shù)表示的博里葉級數(shù)

第41頁,共52頁，2024年2月25日，星期天由此可見：第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)的基頻

稱為稱為的諧頻，或簡稱為頻率。

周期函數(shù)可以被分解為一系列頻率為，復振幅為的諧波。

第42頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.頻譜的概念

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)按頻率的分布圖形稱為的頻譜。而通常是復數(shù)，所以又將它的模的值隨的分布圖稱為的振幅頻譜，而的幅角隨的變化圖就叫做的位相頻譜。

第43頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

將一個給定的周期函數(shù)展開成傅里葉級數(shù)，然后對它的各次諧波的頻率和振幅進行分析，這就是頻譜分析。

二、一維傅里葉變換的定義

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)傅里葉變換可以表示為：

傅里葉逆變換表示為：

復指數(shù)函數(shù)稱為傅里葉“核”，它表示一個頻率為的諧波成分。

第44頁,共52頁，2024年2月25日，星期天用運算符號表示：

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)傅里葉變換可以表示為：

傅里葉逆變換表示為：

第45頁,共52頁，2024年2月25日，星期天三、廣義傅里葉變換

1.廣義傅里葉變換的定義

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)是一個存在狹義傅里葉變換的普通序列函數(shù)，即有：

（N為整數(shù)）

如果可以表示為的極限，即：

第46頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.幾種特殊函數(shù)的一維傅里葉變換

第二章衍射和傅立葉光學的數(shù)理基礎(chǔ)并且，當時，的極限存在，于是可