傅里叶光学实验报告
傅立叶光学实验报告
傅立叶光学实验报告
一、实验目的
本实验旨在引导学生了解傅立叶光学，并通过实验验证物质特征的光学折射特性，观察、测量及分析物质的光学折射指数分布，验证物质的光学特性，以此加强对光学知识的理解和掌握。
二、原理
傅里叶光学把物质看做是由一些改变其光学折射指数的晶胞组成的，当光线经过这些晶胞时，光线会被折射，从而在物质表面产生折射和反射，折射和反射后光线会发生各种变化，通过观测、记录和分析变化，可以得出物质的光学折射指数分布，从而了解物质的光学特性。
三、实验步骤
1.将实验仪器、光台、准直仪、探测器准备好
2.对光台进行准直
3.将样品放置在准直仪上，调整样品到光路中心
4.调整物质折射指数，调整换算物质折射指数
5.记录、计算光路折射指数变化
6.观察物质的变化和反射现象
四、实验结果
折射率随温度的变化：
温度(℃)：20 30 40 50
折射率(n)：1.6 1.7 1.8 1.9
反射率随温度的变化：
温度(℃)：20 30 40 50
反射率(R/%)：8.1 8.5 9.2 10.1
五、实验结论
1. 通过本次实验，可以得出物质折射指数随温度变化的规律，从而更深刻地了解物质的光学特性。
2. 可以观察到折射率随温度增加而增加，而反射率随温度增加而减少。
傅里叶光学实验·
实验结果分析与讨论：一．测量小透镜的焦距1f （傅里叶透镜的焦距245.0f cm =）1. 实验光路：He-Ne 激光器→反射镜→直角三棱镜→望远镜（倒置）→小透镜→屏2. 测量焦距的方法：首先布置光路，使从望远镜射出的是平行光。
该平行光通过小透镜射到屏上。
我们知道，在透镜的焦点处，应该有光源的像点。
那么便可以通过移动接收屏找这个像点，以此位置作为焦点。
所以在实验中，我缓慢地移动屏，发现到某一个位置时屏上的像是明亮的一点。
在该位置附近左右移动屏，该点是被略微发散的圆形光斑。
选取那个像为亮点的位置为焦点的位置。
（也可以说，是选取屏上圆形光斑半径最小的位置。
）焦点与小透镜间的距离即为焦距。
所测数据如下：表一 小透镜的焦距得到12.413f cm =二．夫琅和费衍射1. 实验光路：He-Ne 激光器→反射镜→直角三棱镜→光栅→墙屏（此光路满足远场近似）2. 利用夫琅和费衍射测一维光栅常数光栅方程：()dsin =k k=0,1, 2, 3...θλ±±±（2）可以看到0级、1±级、2±级、3±级、4±级。
（3）0级、1±级、级光斑的位置：光斑都是等间距的。
如图三所示，间距为。
（4）计算光栅常数：934163310 1.96103.2210d m ---⨯⨯==⨯⨯三．观察并记录傅立叶频谱面上不同滤波条件的图样或特征1．实验光路：He-Ne激光器→反射镜→直角三棱镜→光栅→小透镜→滤波模板（位于空间频谱面上）→墙屏2. 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）一维光栅：①滤波模板只让0级通过：无条纹图像，墙屏上一片红光。
如下图所示（下面两个图均为实验过程中当场拍摄）：②滤波模板只让级、级通过：有竖条纹，明亮，清晰。
如下图所示：③滤波模板只让级、级通过：竖条纹，类似于上图，但是条纹间隔变密，宽度变细，光强变暗。
傅里叶光学的实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 深入理解傅里叶光学的基本原理和概念。
2. 通过实验验证傅里叶变换在光学系统中的应用。
3. 掌握光学信息处理的基本方法，如空间滤波和图像重建。
4. 理解透镜的成像过程及其与傅里叶变换的关系。
二、实验原理傅里叶光学是利用傅里叶变换来描述和分析光学系统的一种方法。
根据傅里叶变换原理，任何光场都可以分解为一系列不同频率的平面波。
透镜可以将这些平面波聚焦成一个点，从而实现成像。
本实验主要涉及以下原理：1. 傅里叶变换：将空间域中的函数转换为频域中的函数。
2. 光学系统：利用透镜实现傅里叶变换。
3. 空间滤波：在频域中去除不需要的频率成分。
4. 图像重建：根据傅里叶变换的结果恢复原始图像。
三、实验仪器1. 光具座2. 氦氖激光器3. 白色像屏4. 一维、二维光栅5. 傅里叶透镜6. 小透镜四、实验内容1. 测量小透镜的焦距实验步骤：（1）打开氦氖激光器，调整光路使激光束成为平行光。
（2）将小透镜放置在光具座上，调节光屏的位置，观察光斑的会聚情况。
（3）当屏上亮斑达到最小时，即屏处于小透镜的焦点位置，测量出此时屏与小透镜的距离，即为小透镜的焦距。
2. 利用夫琅和费衍射测光栅的光栅常数实验步骤：（1）调整光路，使激光束通过光栅后形成衍射图样。
（2）测量衍射图样的间距，根据dsinθ = kλ 的关系式，计算出光栅常数 d。
3. 傅里叶变换光学系统实验实验步骤：（1）将光栅放置在光具座上，调整光路使激光束通过光栅。
（2）在光栅后放置傅里叶透镜，将光栅的频谱图像投影到屏幕上。
（3）在傅里叶透镜后放置小透镜，将频谱图像聚焦成一个点。
（4）观察频谱图像的变化，分析透镜的成像过程。
4. 空间滤波实验实验步骤：（1）将光栅放置在光具座上，调整光路使激光束通过光栅。
（2）在傅里叶透镜后放置空间滤波器，选择不同的滤波器进行实验。
（3）观察滤波后的频谱图像，分析滤波器对图像的影响。
五、实验结果与分析1. 通过测量小透镜的焦距，验证了透镜的成像原理。
大学物理仿真实验傅里叶光学
⼤学物理仿真实验傅⾥叶光学⼤学物理仿真实验——傅⾥叶光学实验实验报告姓名：班级：学号：实验名称傅⾥叶光学实验⼀、实验⽬的1．学会利⽤光学元件观察傅⽴叶光学现象。
2．掌握傅⽴叶光学变换的原理，加深对傅⽴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、空间滤波和卷积等。
⼆、实验所⽤仪器及使⽤⽅法防震实验台，He-Ne激光器，扩束系统（包括显微物镜，针孔（30µm），⽔平移动调整器)，全反射镜，透镜及架（f=+150mm，f=+100mm），50线/mm光栅滤波器，⽩屏三、实验原理平⾯波Ee(x,y)⼊射到p平⾯（透过率为）在p平⾯后Z=0处的光场分布为：E(x,y)= Ee(x,y)图根据惠更斯原理（Huygens’ Principle）,在p平⾯后任意⼀个平⾯p’处光场的分布可看成p平⾯上每⼀个点发出的球⾯波的组合，也就是基尔霍夫衍射积分（Kirchhoff’s diffraction integral）。
(1)这⾥：＝球⾯波波长；n＝p平⾯（x,y）的法线⽮量；K＝（波数）是位相和振幅因⼦；cos(n,r)是倾斜因⼦；在⼀般的观察成像系统中，cos(n,r)1。
r=Z+，分母项中r z；（1）式可⽤菲涅尔衍射积分表⽰：（菲涅尔近似 Fresnel approximation）(2)当z更⼤时，即z>>时，公式（2）进⼀步简化为夫琅和费衍射积分：（Fraunhofer Approximation）这⾥：位相弯曲因⼦。
如果⽤空间频率做为新的坐标有：，若傅⽴叶变换为(4)(3)式的傅⽴叶变换表⽰如下：E(x’,y’,z)＝F[E(x,y)]＝c图2 空间频率和光线衍射⾓的关系tg＝＝，tg＝＝＝，＝可见空间频率越⾼对应的衍射⾓也越⼤，当z越⼤时，衍射频谱也展的越宽；由于感光⽚和⼈眼等都只能记录光的强度（也叫做功率谱），所以位相弯曲因⼦(5)理论上可以证明，如果在焦距为f的汇聚透镜的前焦⾯上放⼀振幅透过率为g(x,y)的图象作为物，并⽤波长为的单⾊平⾯波垂直照明图象，则在透镜后焦⾯上的复振幅分布就是g(x,y)的傅⽴叶变换，其中空间频率，与坐标，的关系为：，。
傅里叶光学实验(中国科学技术大学大物实验)
傅里叶光学实验实验目的：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实验原理：我们知道一个复变函数f(x,y)的傅立叶变换为⎰⎰+-=ℑ=dxdy vy ux 2i y x f y x f v u F )](exp[),()},({),(π ( 1 )F (u,v)叫作f(x,y)的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)， ⎰⎰+=ℑ=-dudv vy ux 2i v u F v u F y x f 1)](exp[),()},({),(π （2） 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[i 2π(ux +vy )]的线性叠加，dudv v u F ),(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。
.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，激光经过扩束准直形成平行光照明物平面(其坐标为x 1,y 1)，透过物平面的光的复振幅为物函数f(x 1,y 1),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物平面 透镜1 频谱面 透镜2 像平面图2.4-1 4f 系统等大小完全相似但坐标完全反转的象，设其坐标为(x 2,y 2)。
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象。
2021年傅里叶变换光学系统实验报告
试验10 傅里叶变换光学系统试验时间: 3月20日 星期四一、 试验目1. 了解透镜对入射波前相位调制原理。
2. 加深对透镜复振幅、 传输函数、 透过率等参量物理意义认识。
3. 观察透镜傅氏变换力图像, 观察4f 系统反傅氏变换图像, 并进行比较。
4. 在4f 系统变换平面插入多种空间滤波器, 观察多种试件对应频谱处理图像。
二、 试验原理1. 透镜FT 性质及常见函数与图形关学频谱分析透镜因为本身厚度不一样, 使得入射光在经过透镜时, 各处走过光程差不一样, 即所受时间延迟不一样, 所以含有相位调制能力。
假设任意点入射光线在透镜中传输距离等于改点沿光轴方向透镜厚度, 并忽略光强损失, 即经过透镜光波振幅分布不变, 仅产生位相改变, 且其大小正比于透镜在该点厚度。
设原复振幅分布为(,)L U x y 光经过透镜后, 其复振幅分布受到透镜位相调制后变为(,)L U x y ':(,)(,)exp[(,)]L L U x y U x y j x y ϕ'= (1)若对于任意一点（x, y ）透镜厚度为(,)D x y , 透镜中心厚度为0D 。
光线由该点经过透镜时在透镜中距离为(,)D x y , 空气空距离为0(,)D D x y - , 透镜折射率为n, 则该点位相延迟因子(,)t x y 为:0(,)exp()exp[(1)(,)]t x y jkD jk n D x y =- (2)由此可见只要知道透镜厚度函数(,)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, 并引入焦距f, 有:22012111(,)()()2D x y D x y R R =-+- (3)12111(1)()n f R R =-- (4) 220(,)exp()exp[()]2k t x y jknD jx y f=-+ (5) 第一项位相因子0exp()jknD 仅表示入射光波常量位相延迟, 不影响位相空间分布, 即波面形状, 所以在运算过程中能够略去。
光学傅立叶变换实验报告
一、实验目的1. 理解光学傅立叶变换的基本原理和过程。
2. 掌握光学傅立叶变换的实验方法及步骤。
3. 分析实验结果，验证光学傅立叶变换的基本规律。
二、实验原理光学傅立叶变换是利用光学系统对光场进行傅立叶变换的一种方法。
当一束光通过一个具有傅立叶变换功能的系统时，其光场分布将发生相应的傅立叶变换。
本实验采用4f系统进行光学傅立叶变换，其中f为透镜的焦距。
实验原理如下：1. 光场分布：设物平面上的光场分布为f(x, y)，则其在傅立叶变换透镜L1的后焦面（频谱面）上的光场分布为F(u, v)。
2. 傅立叶变换：根据傅立叶变换公式，有F(u, v) = ∬f(x, y)e^(-j2πux/v)e^(-j2πuy/v)dxdy。
3. 反傅立叶变换：当光场分布F(u, v)通过另一个焦距为f的傅立叶变换透镜L2时，其在像平面上的光场分布为f'(x', y')，满足f'(x', y') = F(u, v)。
三、实验仪器与材料1. 光源：He-Ne激光器2. 物镜：焦距为f的傅立叶变换透镜3. 成像系统：焦距为f的傅立叶变换透镜4. 物平面：光栅或透明薄膜5. 频谱面：光栅或透明薄膜6. 像平面：光栅或透明薄膜7. 照相机：用于记录实验结果8. 实验台：用于固定实验装置四、实验步骤1. 将光源发出的光束经过扩束镜和半透半反镜后，分成两束光，一束作为参考光，另一束作为实验光。
2. 将实验光束经过物镜L1，投射到物平面上，物平面上的光栅或透明薄膜作为待处理的图像。
3. 实验光束经过物镜L1后，在频谱面上形成待处理图像的傅立叶变换频谱。
4. 将参考光束经过成像系统，成像在频谱面上，与实验光束的傅立叶变换频谱进行叠加。
5. 将叠加后的光束经过物镜L2，投射到像平面上，像平面上的光栅或透明薄膜作为处理后的图像。
6. 使用照相机记录实验结果，比较处理前后的图像差异。
五、实验结果与分析1. 实验结果：通过实验，观察并记录了处理前后的图像差异。
傅里叶光学实验
傅里叶光学实验
傅里叶光学实验是一种经典的实验，被广泛应用于光学研究和应用领域。
该实验利用
傅里叶变换原理，将一个复杂的光学场分解成一系列简单的光学场。
傅里叶变换是一种重要的数学方法，它可以将非周期信号分解成一系列正弦和余弦波，这些正弦和余弦波又被称为“频谱”。
在光学中，傅里叶变换可以将一个复杂的光学场分
解成一系列简单的光学场，如平面波、球面波和高斯光束等。
傅里叶光学实验通常使用一束激光作为光源，这束激光经过一个干涉仪，被分解成一
系列平行的光束。
这些光束经过一个透镜组，被聚焦成一组直径相等，强度相等的高斯光束。
接下来，这些高斯光束进入一个透镜组，被聚焦成一组空间频率不同，方向相同的平
面波。
这些平面波通过一个透镜组，被聚焦成一组直径相等，方向相同的球面波。
傅里叶光学实验在光学研究和应用领域具有广泛的应用。
例如，在成像领域，傅里叶
变换被广泛应用于光学全息成像和自适应光学成像等技术中。
此外，傅里叶光学实验还可
用于测量光学元件的传递函数，以及对光学信号进行滤波和处理。
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实验原理：（略） 实验仪器：
光具座、氦氖激光器、白色像屏、作为物的一维、二维光栅、白色像屏、傅立叶透镜、 小透镜
实验内容与数据分析
1测小透镜的焦距f i （付里叶透镜f 2=45.0CM ）
光路：激光器T 望远镜（倒置） （出射应是平行光）7小透镜T 屏
操作及测量方法：打开氦氖激光器，
在光具座上依次放上扩束镜，
小透镜和光屏，调节
各光学元件的相对位置是激光沿其主轴方向射入， 将小透镜固定，调节光屏的前后位置， 观
察光斑的会聚情况，当屏上亮斑达到最小时，即屏处于小透镜的焦点位置，
测量出此时屏与
小透镜的距离，即为小透镜的焦距。
1 2 3 x 1 / cm 87.41 89.21 86.50 x 2 / cm 75.22
76.01
74.83
f 1 /cm
什1 =% -X2)
12.19 13.20 11.67
(f j _f )2/(3 _1)=0.7780cm
t p ^A =tp -1.32 . - 0.5929 cm P = 0.68
t p’B 二 k p B =1 应二 0.0067cm P =0.68 p p C 3
"二.(t p%)2
(t p%)2
=0.59cm P =0.68
t =(12.35 _0.59)cm P = 0.68
2 •利用弗朗和费衍射测光栅的的光栅常数 光路：激光器T 光栅T 屏（此光路满足远场近似）
12.19 13.20 11.67
3
=12.353cm
在屏上会观察到间距相等的 k 级衍射图样，用锥子扎孔或用笔描点，测出衍射图样的间距,
再根据dsin v
测出光栅常数d
（1 ）利用夫琅和费衍射测一维光栅常数；
衍射图样见原始数据;
, k & Lk 丸 d =
sin 0 | x I
取第一组数据进行分析:
4
.°° 乜
87 3
・95 4・19 10冷=4.0025 10订
-d
=1.36 10“m
忽略b 类不确定度:
4 =tp %
二 t p H =1.20 1.36 10 "八3 =9.4 10^m
则
d = (400.2 -9.4) 10 m
d i
43
.09 10‘ 1 6328 10」° =4.00 10 讣
6.8 10"
d 2
4
3.09 宀 6严 10
」。
“87 10冷
14.1 10
d 3
43.09
10
「6328 10」0= 3.95 10讣
6.9 10’
d 4
4
3.09 E
2 6328 E 0
r.19 10 冷
13.0 10*
(2 )记录二维光栅的衍射图样并测量其光栅常数
二维衍射图样如原始数据中所示
取一组数据分析：
L =114.00 —86.80 =27.2cm
x 1 二(4.6 4.6) / 2 二
4.6mm
27.2 10' 6328 10~*°
4.6 10" = 3.74 10占m
3.利用空间频谱测量一维、二维光栅常数
光路：激光器T光栅T透镜T屏(位于空间频谱面上)
(1)利用空间频谱的方法测量一维光栅常数
取k=1
-x」x 彳6.8 6.9
x mm 二
6.85mm
2 2 6328 10」° 45.0 10 上
6.85 10：
= 4.16 10 ^m
(2)利用空间频谱的方法测量二维光栅常数
取k=1
」0 -2
6328 10 45.0 10
4.6 勺0’
=6.18 10°m
比较两种方法计算的结果后发现，二维光栅常数的计算结果相差较大，分析误差产生的原因可能为：
1•衍射光斑是用笔描点记录的，需要依靠试验者的判断，会出现较大误差；
2•光斑的间距是由钢尺测纸上的点而得，由于测量时会产生误差；
3•利用公式计算式用了近似，也会带来一定的误差；
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；
光路：激光器T光栅T小透镜T滤波模板(位于空间频谱面上)T墙上屏
空间频谱面经过小透镜的焦点，此时图样为清晰的一排点列
(1) 一维光栅：(滤波模板自制，一定要注意戴眼镜保护；可用一张纸，一根针扎空来制作, 也可用其他方法)•
a. 滤波模板只让0级通过;
现象：屏上只出现一个0级光斑的轮廓，无条纹
b. 滤波模板只让0、土1级通过；
现象：屏上出现平行且竖直的条纹
c. 滤波模板只让0、十1、土2级通过；
现象：屏上出现更为清晰并分布面较大的平行且竖直的条纹
（2）二维光栅：
a. 滤波模板只让含0级的水平方向一排点阵通过；
现象：屏上只出现竖直条纹
b. 滤波模板只让含0级的竖直方向一排点阵通过；
现象：屏上只出现水平条纹
c. 滤波模板只让含0级的与水平方向成45°—排点阵通过;
现象：屏上只出现与水平方向成135°方向的条纹
d. 滤波模板只让含0级的与水平方向成135°一排点阵通过
现象：屏上只出现与水平方向成45°方向的条纹
5.“光”字屏滤波
物面上是规则的光栅和一个汉字“光”叠加而成，在实验中要求得到如下结果：
a. 如何操作在像面上仅能看到像面上是“光”，写出操作过程.
操作过程：在大透镜的后焦面上加一个只让0级中间点通过的滤波模板
b. 如何操作在像面上仅能看到像面上是横条纹，写出操作过程；
操作过程：在大透镜的后焦面上加一个只让含0级的竖直方向一排点阵通过的滤波模板
c. 如何操作在像面上仅能看到像面上是竖条纹，写出操作过程；
操作过程：在大透镜的后焦面上加一个只让含0级的水平方向一排点阵通过的滤波模板
由实验4.5可得，对像的垂直结构起作用的是沿水平方向的频谱分量，反之亦然。
由阿贝成像原理可得，当用空间滤波器提取某些频谱分量时，若已知能产生这些相应的弗朗和费
衍射斑的光栅的形状，便可推知其像的图样。
思考题
1. 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？相邻两衍射点间距离是多
少？已知f=50cm,波长为632.8nm。
d = 0.02mm
k
由d 得f xk二50k
f
xk
由f xk二匹：x “ f 50 =1. 582 tm
人f
2. 用怎样的滤波器能去掉栅笼，把鸡“释放出来”？
答：该题原理与实验内容5相同。
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。