Simulation of Optical Spatial Filters by Using Fast Fourier Transform

Abstract

Due to wave nature of the light, harmonic analysis (Fourier transform) and superposition are used in analysis and design of optical systems and Fourier optics experiments. This study aims to illustrate use of fast Fourier transform computations in order to simulate optical spatial filter results. In order to design Fourier optics experiments or devices, it is quite useful to perform computer simulation and obtain theoretical results. In this study, fast Fourier transform based simulations for low-pass and high-pass optical spatial filter setups are carried out in Matlab environment and results of these simulations are report. Results indicate that this simulation method can be used for the design and analysis of optical spatial filters in addition to the optics education.

Keywords

• Fourier optics
• optical spatial filter
• fast Fourier transform
• optical system simulation

Simulation of Optical Spatial Filters by Using Fast Fourier Transform

Abstract

Işığın dalga doğası nedeniyle, harmonik analiz (Fourier dönüşümü) ve süperpozisyon, optik sistemlerin ve Fourier optik deneylerinin analiz ve tasarımında kullanılmaktadır. Bu çalışma, optik uzaysal filtrelerin sonuçlarının benzetimini için hızlı Fourier dönüşümü hesaplamalarının kullanımını göstermeyi amaçlamaktadır. Fourier optik deneylerini veya cihazlarını tasarlamak için bilgisayar simülasyonu yapmak ve teorik sonuçlar elde etmek oldukça faydalıdır. Bu çalışmada, alçak geçiren ve yüksek geçiren optik uzaysal filtre düzenekleri için hızlı Fourier dönüşümü tabanlı simülasyonlar Matlab ortamında gerçekleştirilmiş ve çalışmada bu simülasyonların sonuçları rapor edilmiştir. Sonuçlar, simülasyon yönteminin optik eğitimine ek olarak optik uzaysal filtrelerin tasarımı ve analizi için kullanılabileceğini göstermiştir.

Keywords

• Fourier optik
• optik uzaysal filre
• hızlı Fourier döşümü
• Optik sistem simülasyonu

References

1. Brown, B. R., & Lohmann, A. W. (1966). Complex spatial filtering with binary masks. Applied Optics, 5(6): 967-969.
2. Day R., A new FFT code: FOG Fast Fourier Transform Optical Simulation of Gravitational Wave Interferometers, Wave Advanced Detector Workshop (GWADW 2012), 2012.
3. Degallaix, J. (2010). OSCAR a Matlab based optical FFT code. In Journal of Physics: Conference Series, 228(1), p.012021
4. Kedar K. (2015) Fourier optics and computational imaging. John Wiley & Sons.
5. Klein V.M., Furtak and T.E. (1986) Optics, John Wiley and Sons, New York.
6. Macfaden, A. J., Gordon, G. S., & Wilkinson, T. D. (2017). An optical Fourier transform coprocessor with direct phase determination. Scientific reports, 7(1):1-8.
7. O'Neill, E. (1956). Spatial filtering in optics. IRE Transactions on Information Theory, 2(2):56-65.
8. Stark H. (2012) Application of Optical Fourier Transforms. Elsevier, 2012.

9. Steward, E.G. (1987) Fourier Optics: An Introduction, Dover Publications, New York.
10. Tsegaye A.A. (2019) Spatial Filtering and Optical Convolution, International Journal of Scientific Research 8(1): 6-8.