|
9.2. Схема формирования оптического изображенияСуществует два фактора, которые влияют на структуру и качество изображения в оптической системе: дифракция и аберрации. Эти факторы действуют совместно. Если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются дифракционно-ограниченными. Если аберрации велики, и дифракция теряется на фоне аберраций, то такие системы называются геометрически-ограниченными (формирование изображения вполне корректно описывается с позиций геометрической оптики, без привлечения теории дифракции).
Рассмотрим формирование изображения некоторой точки (рис.9.2.1). Гомоцентрический пучок лучей выходит из точки , и после идеальной оптической системы сходится в точке . Наряду с пучками лучей можно также рассматривать сферические волновые фронты и . Действие реальной оптической системы сводится к следующим факторам:
Рассмотрим поле
на выходной сфере (в области выходного
зрачка). Волновой фронт близок к выходной сфере, но отличается от
нее на величину волновой аберрации.
Поле на волновом фронте .
Оптический путь из центра
предмета до волнового фронта для всех лучей одинаковый, так как волновой
фронт – поверхность равного эйконала.
Поскольку для формирования изображения важна разность фаз между выходной
сферой и волновым фронтом, а не сама фаза, то можно принять, что фаза
волнового фронта равна нулю .
При небольших аберрациях амплитуда
единичая, следовательно поле на волновом фронте .
Набег фазы от выходной сферы до волнового фронта: (9.2.1)
Поле на выходной сфере математически можно представить
в виде: В выражении (9.2.2) учитывается одновременно ограничение пучков и наличие аберраций. Зрачковая
функция (pupil function, PF) показывает влияние оптической
системы на прохождение электромагнитного поля от точки предмета до выходного
зрачка и в общем случае в канонических координатах описывается выражением:
Теперь нужно перейти от поля на выходном зрачке к полю на изображении. Вблизи изображения геометрическая оптика не применима, поэтому для описания поля на изображении следует использовать теорию дифракции.
Для вычисления комплексной
амплитуды поля в плоскости изображения применим принцип Гюйгенса в
форме интеграла Гюйгенса-Френеля. Рассматриваемая область находится вблизи
центра выходной сферы (рис.9.2.2): Используя зрачковую функцию, выражение (9.2.4) можно
записать в виде: Поскольку
и , то множитель
можно представить
в виде .
Множитель ,
следовательно его можно вынести за интеграл, и не учитывать, так как нас
интересует только относительное распределение комплексной амплитуды. Тогда
выражение (9.2.5) преобразуется так: можно выразить через и (рис.9.2.3).
Отрезок ,
причем
– для крайнего луча, а для остальных лучей: ,
. Теперь
интеграл (9.2.6) можно записать так: Введем канонические (приведенные) координаты на предмете и изображении:
Тогда в канонических координатах получим: Так как зрачковая функция вне зрачка равна нулю, интегрирование
происходит внутри зрачка. Комплексная амплитуда в изображении точки в
канонических координатах, как следует из выражения (9.2.9), связана со
зрачковой функцией через обратное преобразование
Фурье:
Функция рассеяния
точки – это распределение не амплитуды поля, а интенсивности,
то есть квадрата модуля комплексной амплитуды .
Тогда для ФРТ можно получить следующее выражение:
Оптическую
передаточную функцию также можно выразить в канонических координатах:
Канонические частоты безразмерные: .
В этих координатах получаем простую связь зрачковой функции с оптической
передаточной функцией: Это выражение в соответствии со
свойством преобразования Фурье можно представить через автокорреляцию
зрачковой функции:
где – площадь зрачка в канонических координатах. |