ĘŚCIOWO KOHERENTNYM. τ), gdzie Γ(r 1. oznacza centralną częstotliwość promieniowania quasi-monochromatycznego.

Podobne dokumenty
ODWZOROWANIE W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

Rejestracja i rekonstrukcja fal optycznych. Hologram zawiera pełny zapis informacji o fali optycznej jej amplitudzie i fazie.

Rys. 1 Schemat układu obrazującego 2f-2f

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

GWIEZDNE INTERFEROMETRY MICHELSONA I ANDERSONA

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

Mikroskop teoria Abbego

KOHERENCJA ŚWIATŁA PODSTAWY OPTYKI STATYSTYCZNEJ

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła w polu bliskim i dalekim

Wykład VI Dalekie pole

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera

Różne reżimy dyfrakcji

POMIARY OPTYCZNE 1. Proste przyrządy optyczne. Damian Siedlecki

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

PODSTAWY DYFRAKCJI WYBRANE ZAGADNIENIA DYFRAKCJI FRAUNHOFERA Krzysztof

Propagacja w przestrzeni swobodnej (dyfrakcja)

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 3. Częstotliwości przestrzenne struktur okresowych

WYBRANE ZAGADNIENIA DYFRAKCJI FRESNELA

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Ćw.6. Badanie własności soczewek elektronowych

Zjawiska dyfrakcji. Propagacja dowolnych fal w przestrzeni

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 1. Przestrzenna filtracja szumu optycznego

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Ćwiczenie 3. Koherentne korelatory optyczne

ODWZOROWANIE I PRZETWARZANIE SYGNAŁU OPTYCZNEGO W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

Rys. 1 Pole dyfrakcyjne obiektu wejściowego. Rys. 2 Obiekt quasi-periodyczny.

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

DYFRAKCJA ŚWIATŁA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 1. Optyczna filtracja sygnałów informatycznych

Interferencja. Dyfrakcja.

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

Optyka instrumentalna

Laboratorium Optyki Falowej

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Zjawisko interferencji fal

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Wstęp do astrofizyki I

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki. - Dyfrakcja różne reżimy - Obliczanie elementów dyfrakcyjnych

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

1 Płaska fala elektromagnetyczna

2. Całkowita liczba modów podłużnych. Dobroć rezonatora. Związek między szerokością linii emisji wymuszonej a dobrocią rezonatora

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Własności światła laserowego

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki Rafał Kasztelanic Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki Rafał Kasztelanic

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 6. Badanie właściwości hologramów

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

jest rozwiązaniem równania jednorodnego oraz dla pewnego to jest toŝsamościowo równe zeru.

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

= sin. = 2Rsin. R = E m. = sin

Ćwiczenie 4. Część teoretyczna

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Ćwiczenie 53. Soczewki

Równanie przewodnictwa cieplnego (II)

Rys. 1 Geometria układu.

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

BADANIE PROMIENIOWANIA CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

Optyka. Wykład IX Krzysztof Golec-Biernat. Optyka geometryczna. Uniwersytet Rzeszowski, 13 grudnia 2017

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

LABORATORIUM Z FIZYKI

Dyfrakcja światła na otworze kołowym, czyli po co fizykowi całkowanie numeryczne?

DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

Zestaw 12- Macierz odwrotna, układy równań liniowych

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Widmo fal elektromagnetycznych

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Prawo odbicia światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Ćwiczenie nr 71: Dyfrakcja światła na szczelinie pojedynczej i podwójnej

Fizyka elektryczność i magnetyzm

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

Laboratorium Programowanie Obrabiarek CNC. Nr H04

Obrazowanie w świetle quasi-monochromatycznym, niekoherentnym przestrzennie dodają się natężenia.

Transkrypt:

OBRAZOWANIE W OŚWIETLENIU CZĘŚ ĘŚCIOWO KOHERENTNYM 1. Propagacja światła a częś ęściowo koherentnego prof. dr hab. inŝ. Krzysztof Patorski Krzysztof PoniŜej zajmiemy się propagacją promieniowania quasi-monochromatycznego, częściowo-koherentnego, dla którego funkcję koherencji wzajemnej moŝna zapisać w postaci Γ, τ) Γ,) exp(-i2πν τ), gdzie Γ ) oznacza intensywność wzajemną (wzajemne natęŝenie), a ν oznacza centralną częstotliwość promieniowania quasi-monochromatycznego. Propagacja przez cienkie elementy optyczne Transmitancja amplitudowa cienkiego elementu: t(x,y) Fala po przejściu przez element: U 2 (r) = t(r) U 1 (r), gdzie r = (x,y) oznacza połoŝenie w płaszczyźnie elementu. Stosując definicję intensywności wzajemnej Γ ) = <U* ) U(r 2 )> mamy Γ 2 ) = t* ) t(r 2 ) Γ 1 ), (1) gdzie Γ 1,r 2 ) i Γ 2 ) oznaczają intensywności wzajemne światła padającego i przepuszczonego przez cienki element optyczny. PoniewaŜ intensywność w połoŝeniu r jest równa intensywności wzajemnej dla r 1 = r 2 = r, mamy I 2 (r) = t(r) 2 I 1 (r). (2) Unormowane natęŝenia wzajemne są więc powiązane wzorem γ 2 ) = γ 1 ). (3) Cienki element optyczny moŝe zmienić intensywność światła częściowo koherentnego, ale nie zmienia stopnia koherencji przestrzennej promieniowania. MoŜe mieć to miejsce tylko w przypadku losowej transmitancji elementu.

Transmisja przez dowolny układ optyczny Dowolny układ optyczny moŝe obejmować swobodną propagację w przestrzeni i/lub przejście przez grube elementy optyczne. Poprzednio wykazano, Ŝe w przypadku oświetlenia koherentnego zaleŝność między zespoloną amplitudą U 2 na wyjściu układu a zespoloną amplitudą U 1 na jego wejściu ma postać U 2 (r) = h(r, r ) U 1 (r ) dr, (4) gdzie r = (x, y) i r (x, y ) oznaczają, odpowiednio, współrzędnie w płaszczyźnie wyjściowej i wejściowej układu; h(r, r ) oznacza odpowiedź impulsową układu optycznego. y y x x U 1 (r ) h(r; r ) U 2 (r) Odpowiedź impulsowa h(r, r ) układu optycznego. PowyŜszy związek między losowymi funkcjami U 2 (r) i U 1 (r) przekształca się w zaleŝność między odpowiednimi funkcjami wzajemnych intensywności po wstawieniu ostatniego wzoru do definicji Γ 2, r 2 ) = <U 2 * ) U 2 (r 2 )> i uŝyciu zaleŝności Γ 1 ) = <U 1 * ) U 1 (r 2 )>, tzn. Γ 2 ) = h*, r 1 ) h(r 2 ) Γ 1 ) dr 1 dr 2. (5) PowyŜszy wzór umoŝliwia wyznaczenie wzajemnego natęŝenia na wyjściu układu optycznego znając wzajemne natęŝenie na jego wejściu oraz odpowiedź impulsową układu.

Wartość intensywności na wyjściu, z definicji I 2 (r) = Γ 2 (r, r), ma postać I 2 (r) = h*(r, r 1 ) h(r ) Γ 1 ) dr 1 dr 2. (6) Aby wyznaczyć rozkład intensywności na wyjściu musimy znać intensywność wzajemnąświatła na wejściu. W ogólności, aby wyznaczyć I 2 (r) nie wystarcza znajomość rozkładu intensywności na wejściu I 1 (r). 2. Obrazowanie w oświetleniu niekoherentnym Zakładamy na wejściu układu światło niekoherentne; intensywność wzajemna Γ 1 ) zeruje się juŝ dla małej odległości r 2 r 1. Odległość koherencji jest znacznie mniejsza od, przykładowo, rozdzielczości układu obrazującego. MoŜna teraz zapisać Γ 1 ) = [I 1 ) I 1 (r 2 )] 1/2 γ ), gdzie γ ) jest teraz bardzo wąską funkcją. MoŜemy ją zapisać w postaci funkcji delta γ ) = σδ ), gdzie σ = γ(r) dr oznacza obszar pod γ(r), a więc Γ 1 ) σ [I 1 ) I 1 (r 2 )] 1/2 δ ). (7) Jest to tylko zapis przybliŝony, gdyŝ intensywność wzajemna musi mieć wartość skończoną i δ() ; jest on stosowany przy obliczaniu wzorów typu (6). Podstawiając (7) do (6) (funkcja delta upraszcza całkę podwójną do całki pojedynczej) otrzymujemy gdzie I 2 (r) = I 1 (r ) h i (r; r ) dr, (8) h i (r; r ) = σ h(r; r ) 2 (9) oznacza funkcję odpowiedzi impulsowej dla oświetlenia niekoherentnego, nazywaną równieŝ funkcją rozmycia. Wzór (8) opisuje system liniowy obrazujący rozkład intensywności na wejściu w rozkład intensywności na wyjściu.

U 1 (r ) h(r; r ) U 2 (r) I 1 (r ) h i (r; r ) I 2 (r) Układ optyczny jako układ liniowy w oświetleniu koherentnym (a) i niekoherentnym (b). W pewnych układach optycznych funkcja odpowiedzi impulsowej h(r; r ) jest funkcją r - r, czyli h(r - r ). W tym przypadku układ jest nazywany układem przestrzennie niezmienniczym lub izoplanatycznym i mamy h i (r; r ) = h i (r - r ). Całki opisane wzorami (4) i (8) reprezentują dwuwymiarowe sploty. Układy moŝna teraz opisać za pomocą funkcji przenoszenia H(ν x ) i H i (ν x ), które są transformatami Fouriera, odpowiednio, funkcji h(r) = h(x, y) i h i (r) = h i (x,y). Przypomnijmy, Ŝe dla oświetlenia koherentnego odpowiedź impulsowa układu optycznego wynosiła h(r) P(x/λd 2, y/λd 2 ), (1) gdzie P(ν x ) jest transformatą Fouriera funkcji źrenicy p(x, y), a d 2 jest odległością płaszczyzny obrazu od układu optycznego. Dla układu bezaberracyjnego funkcja źrenicy jest równa jedności w źrenicy i zero poza nią. Natomiast w przypadku oświetlenia quasi-monochromatycznego i przestrzennie niekoherentnego rozkłady intensywności w płaszczyźnie przedmiotu i obrazu są powiązane liniowo funkcją odpowiedzi impulsowej gdzie λ jest długością fali odpowiadającąśredniej częstotliwości ν. h i (r) = σ h(r) 2 P(x/λd 2, y/λd 2 ) 2, (11)

Dla koherentnie oświetlonego układu optycznego ze źrenicą kołową funkcja odpowiedzi impulsowej wynosi (patrz część wykładu Odwzorowanie w oświetleniu koherentnym ) h(x, y) [J 1 (2πν s ρ) / πν s ρ]; ρ = (x 2 + y 2 ) 1/2, (12) gdzie ν s = θ/2λ, θ = 2a/d 2, a oznacza promieńźrenicy kołowej. Dla oświetlenia niekoherentnego funkcja odpowiedzi impulsowej dana jest więc wzorem Na rysunku poniŝej pokazano obydwie funkcje h(x, y) i h i (x, y). h i (x, y ) [J 1 (2πν s ρ) / πν s ρ] 2. (13) 1 h(ρ) a) 1 h i (ρ) b) ρ ρ s ρ s ρ 1 H(ν ρ ) 1 H i (ν ρ ) ν s ν ρ 2ν s ν ρ Funkcje odpowiedzi impulsowej i funkcje przenoszenia dla bezaberracyjnego układu optycznego ze źrenicą kołową i liczbą otworu F # w przypadku: a) oświetlenia koherentnego i b) niekoherentnego. Obydwie funkcje odpowiedzi impulsowej osiągają pierwszą wartość zerową gdy 2πν s ρ = 3.832 lub ρ = ρ s 3.832 / 2πν s = 3.832 λ/πθ, skąd otrzymujemy ρ s 1.22 λ/θ. (14) Obrazem punktu jest plamka o intensywności h i (x, y) i promieniu ρ s. Jednocześnie ρ s jest miarą rozdzielczości układu optycznego.

Funkcje przenoszenia układów liniowych o funkcjach odpowiedzi impulsowej h(x, y) i h i (x, y) są ich transformatami Fouriera i wynoszą (15) (16) gdzie ν ρ = (ν x2 + ν y2 ) 1/2. Na rysunku zostały one unormowane tak, aby ich wartości dla ν ρ = były równe 1. Dla oświetlenia koherentnego funkcja przenoszenia, o stałej wartości w źrenicy, ma częstość odcięcia równą ν s = θ/2λ linii/mm. Natomiast dla oświetlenia niekoherentnego wartość funkcji przenoszenia obniŝa się w przybliŝeniu liniowo i spada do zera dla częstości przestrzennej 2ν s = θ/λ linii/mm. Dla przedmiotu znajdującego się w nieskończoności, d 2 = f. Kąt θ = 2a/f stanowi odwrotność liczby otworu obiektywu, F # = f /2a. Częstości odcięcia ν s i 2ν s moŝna teraz powiązać z liczbą otworu: dla oświetlenia koherentnego wynosi ona 1/2λF #, a dla niekoherentnego 1/λF #. Uwaga: Nie naleŝy bezpośrednio porównywać funkcji przenoszenia H(ν x ) i H i (ν x ), gdyŝ dotyczą one róŝnych wielkości fizycznych. 3. Propagacja koherencji przestrzennej w swobodnej przestrzeni Jeśli na wejściu mamy oświetlenie niekoherentne, to we wzorze (5) moŝemy zastąpić wzajemne natęŝenie Γ 1 ) funkcją σ[i 1 ) I 1 (r 2 )] 1/2 δ ) i podstawić do wzoru (5). Otrzymujemy wtedy zamiast całki podwójnej całkę pojedynczą Γ 2 ) = σ h*, r) h(r 2, r) I 1 (r) dr. (17) Z wzoru (17) wynika, Ŝe światło w płaszczyźnie obrazu nie jest juŝ niekoherentne. W ogólności, stopień koherencji światła zwiększa się z odległością propagacji. Jest to oczywiste z uwagi na kątowe rozprzestrzenianie sięświatła w przestrzeni ze źródła niekoherentnego. ZauwaŜmy równieŝ, Ŝe do dwóch róŝnych punktów leŝących w płaszczyźnie odległej od źródła moŝe dochodzić promieniowanie ze wspólnego obszaru źródła. W ten sposób zaburzenia w płaszczyźnie oddalonej od źródła stają się częściowo koherentne.

Twierdzenie Van Citterta-Zernike RozwaŜmy propagację światła w wolnej przestrzeni na odległości d. W płaszczyźnie wejściowej mamy rozkład intensywności I(x, y), promieniowanie quasi-monochromatyczne, przestrzennie niekoherentne. Między płaszczyznami odległymi o d moŝna przyjąć przybliŝenie Fraunhofera. Wtedy odpowiedź impulsową opisuje wzór znany z dyfrakcji Fraunhofera h(r, r ) = h exp{iπ(x 2 + y 2 ) / λd} exp{-i2π(xx + yy ) / λd}, (18) gdzie r = (x, y, d) i r = (x, y, d) stanowią współrzędne w płaszczyznach wyjściowej i wejściowej, odpowiednio, a h = (iλ/d) exp(i2πd/λ) jest stałą. Wstawiając (18) do (17) w celu wyznaczenia Γ(x 1, y 1, x 2, y 2 ), tzn. intensywności wzajemnej w punktach (x 1, y 1 ) i (x 2, y 2 ), otrzymujemy gdzie σ 1 = σ h 2 = σ / λ 2 d 2 oznacza stałą. Mając I(x, y) moŝna łatwo wyznaczyć Γ(x 1, y 1, x 2, y 2 ) jako dwuwymiarową transformatę Fouriera I(x,y) obliczoną dla ν x = (x 2 x 1 )/λd i ν y = (y 2 y 1 )/λd. Unormowana wartość intensywności wzajemnej jest równa (19) (2) Jest to związek między rozkładem intensywności w źródle niekoherentnym a stopniem koherencji przestrzennej w jego dalekim polu dyfrakcyjnym. MoŜna go równieŝ wyrazić poprzez analogię do dyfrakcji Fraunhofera na otworku, którego zespolona transmitancja odpowiada rozkładowi intensywności w źródle. (21)

Przykładowo, załóŝmy źródło kołowe o promieniu a i jednorodnym rozkładzie intensywności I(x,y) = I. Ze wzoru (21) mamy γ(x 1, y 1, x 2, y 2 ) = 2J 1 (πρθ s /λ) / πρθ s /λ, gdzie ρ = [(x 2 x 1 ) 2 + (y 2 y 1 ) 2 ] 1/2 jest odległością między rozpatrywanymi punktami, θ s = 2a/d. Funkcja Bessela J 1 (...) osiąga pierwsze zero dla argumentu równego 3.832. Promień obszaru koherencji jest równy ρ c = 3.832(λ/πθ s ), a więc ρ c = 1.22 λ/θ s. Gwiezdny interferometr Michelsona (pomiar wymiaru kątowego gwiazd) Otrzymana zaleŝność na promień obszaru koherencji ρ c = 1.22 λ/θ s moŝe słuŝyć jako podstawa do pomiaru wymiaru kątowego gwiazd. Jeśli przyjmiemy, Ŝe rozkład intensywności gwiazdy moŝna traktować jako kołowe źródło o średnicy 2a leŝące w odległości d od płaszczyzny obserwacji, to stopień koherencji spada do zera gdy między punktami w płaszczyźnie obserwacji mamy odległość ρ c. Mierząc ρ c dla danej długości fali λ moŝemy wyznaczyć θ s (patrz ćwiczenie laboratoryjne). ρ f ekran