光學(xué)中的散斑現(xiàn)象

前言

　　寫這本書對(duì)我來講是愛的奉獻(xiàn)！1963年我結(jié)束了在雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域的博士論文研究工作之后，第一個(gè)仔細(xì)研究的光學(xué)課題就是散斑。所以我的光學(xué)履歷以散斑開始，四十余年之后我懷著愉悅的心情重返這個(gè)課題?！　∵@本書針對(duì)那些在這個(gè)領(lǐng)域已有基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的讀者，他們已很好地掌握了傅里葉分析，也接觸過統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過程的廣泛豐富的概念。本書適合作為研究生教材或?qū)I(yè)人員的參考書。第1章是緒論，下面的三章討論散斑的理論，最后五章討論我考慮的應(yīng)用領(lǐng)域。　　散斑領(lǐng)域很寬，從本書涉及的問題之廣足以說明。雖然我想盡可能地介紹在這個(gè)領(lǐng)域中值得稱道的做出貢獻(xiàn)者，然而，不可避免地會(huì)有遺漏，對(duì)此我表示歉意?！　”緯鴮懥撕脦啄?，部分原因是中間有一段時(shí)間我轉(zhuǎn)向《傅里葉光學(xué)導(dǎo)論》第三版的寫作。在本書寫作的過程中，我學(xué)到許多以前不了解的關(guān)于散斑的知識(shí)，我要感謝許多在這方面幫助過我的人。首先，我要深深地感激法國(guó)光學(xué)研究院（Institutd’Optique）的Pierlre chavel，他讀了全書并提出建議和修改意見，使本書有明顯的改進(jìn)。我要感謝。Roberlts&Company出版社的Ben Roberts，他堅(jiān)信關(guān)于這個(gè)課題的書適合在他的小公司出版。我也要感謝Sam Ma，他辛勤工作檢查出許多拼寫和印刷上的錯(cuò)誤。我還要感謝編輯Lee Young，他使本書保持表述清晰，前后一致，文筆通暢。

內(nèi)容概要

散斑效應(yīng)出現(xiàn)在幾乎所有的激光應(yīng)用領(lǐng)域中，包括相干光成像、全息術(shù)、光學(xué)相干層析、激光投影顯示、微光刻、多模纖維通信、光學(xué)雷達(dá)、計(jì)量等。散斑在其他一些領(lǐng)域(比如天文成像)中也有顯著的效應(yīng)。本書系統(tǒng)而全面地描述了散斑現(xiàn)象，分析了其形成的原因及性質(zhì)，討論了抑制散斑的方法及其在多種應(yīng)用領(lǐng)域中的效應(yīng)。    本書針對(duì)有一定理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的讀者，他們已熟練掌握傅里葉分析，并了解隨機(jī)過程的廣泛豐富的概念。本書可用做高校有關(guān)專業(yè)的研究生教材，或有關(guān)領(lǐng)域的研究人員或工程師的參考書。

作者簡(jiǎn)介

Joseph W．Goodman于1958年來到斯坦福大學(xué)上研究生，并且在斯坦福留下了他的全部職業(yè)生涯。他曾是49位研究生的博士學(xué)位論文導(dǎo)師，他們之中的許多人現(xiàn)在在光學(xué)界成就卓著。他曾主持斯坦福的William Ayer電氣工程講座，并擔(dān)任過若干行政職務(wù)，包括斯坦福大學(xué)電氣工程系主任和工學(xué)院負(fù)責(zé)教學(xué)人員事務(wù)的資深副院長(zhǎng)。他現(xiàn)在是William Aver榮譽(yù)退休教授。 
    他的工作曾獲得多種獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)，包括美國(guó)工程教育學(xué)會(huì)的F．E．Terman獎(jiǎng)，國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)(SPIE)的伽博(Dennis Gabor)獎(jiǎng)，玻恩(Max Born)獎(jiǎng)，Esther Beller Hoffman獎(jiǎng)，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的Ives獎(jiǎng)?wù)?，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)的教育獎(jiǎng)?wù)?。美?guó)國(guó)家工程科學(xué)院院士，并擔(dān)任過關(guān)國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)和國(guó)際光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。

書籍目錄

中文版序序第1章  散斑的起源和表現(xiàn)  1.1  一般背景  1.2  散斑起因的直觀解釋  1.3  一些數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)第2章  隨機(jī)相幅矢量和  2.1  相幅矢量和的實(shí)部和虛部的一階矩和二階矩  2.2  有大量獨(dú)立步數(shù)的隨機(jī)行走  2.3  隨機(jī)相幅矢量和加上一個(gè)已知相幅矢量  2.4  隨機(jī)相幅矢量和之和  2.5  有限個(gè)等長(zhǎng)度分量的隨機(jī)相幅矢量和  2.6  相位非均勻分布的隨機(jī)相幅矢量和第3章  光學(xué)散斑的一階統(tǒng)計(jì)性質(zhì)  3.1  強(qiáng)度的定義  3.2  強(qiáng)度和相位的一階統(tǒng)計(jì)    3.2.1  大量的隨機(jī)相幅矢量    3.2.2  常相幅矢量加上一個(gè)隨機(jī)相幅矢量和    3.2.3  有限數(shù)目的等長(zhǎng)相幅矢量  3.3  散斑圖樣的和    3.3.1  在振幅基礎(chǔ)上求和    3.3.2  兩個(gè)獨(dú)立散斑強(qiáng)度的和    3.3.3  N個(gè)獨(dú)立散斑強(qiáng)度的和    3.3.4  相關(guān)散斑強(qiáng)度的和  3.4  部分偏振散斑  3.5  部分散射散斑  3.6  散斑驅(qū)動(dòng)的散斑或復(fù)合散斑的統(tǒng)計(jì)    3.6.1  負(fù)指數(shù)強(qiáng)度分布驅(qū)動(dòng)的散斑    3.6.2  T強(qiáng)度分布驅(qū)動(dòng)的散斑    3.6.3  T強(qiáng)度分布驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立散斑圖樣之和第4章  散斑的高階統(tǒng)計(jì)性質(zhì)  4.1  多元高斯統(tǒng)計(jì)  4.2  對(duì)散斑場(chǎng)的應(yīng)用  4.3  散斑振幅、相位和強(qiáng)度的多維統(tǒng)計(jì)    4.3.1  振幅的聯(lián)合密度函數(shù)    4.3.2  相位聯(lián)合密度函數(shù)    4.3.3  強(qiáng)度的聯(lián)合密度函數(shù)  4.4  散斑的自相關(guān)函數(shù)和功率譜    4.4.1  自由空間傳播光路    4.4.2  成像光路    4.4.3  深度方向上的散斑尺寸  4.5  散斑對(duì)散射體微結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系    4.5.1  面散射與體散射的對(duì)比    4.5.2  散射波的相關(guān)面積為有限的效應(yīng)    4.5.3  一種散斑大小與散射光斑大小無關(guān)的機(jī)制    4.5.4  散射波的相關(guān)面積和表面高度漲落的關(guān)系——表面散射    4.5.5  散斑對(duì)比度對(duì)表面粗糙度的依賴關(guān)系——面散射    4.5.6  體散射產(chǎn)生的散斑的性質(zhì)  4.6  積分和模糊的散斑的統(tǒng)計(jì)學(xué)    4.6.1  積分散斑的平均值和方差    4.6.2  積分強(qiáng)度概率密度函數(shù)的近似結(jié)果    4.6.3  積分強(qiáng)度的概率密度函數(shù)的“準(zhǔn)確”結(jié)果    4.6.4  部分偏振散斑圖樣的積分  4.7  散斑強(qiáng)度和相位的微商的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)    4.7.1  背景    4.7.2  各種散射光斑形狀下的參數(shù)    4.7.3  散斑相位的微商：散斑圖樣中的光線方向    4.7.4  散斑強(qiáng)度的微商    4.7.5  散斑圖樣的亮階交叉  4.8  散斑圖樣的零點(diǎn)：光學(xué)渦旋    4.8.1  零強(qiáng)度出現(xiàn)所要求的條件    4.8.2  在強(qiáng)度零點(diǎn)附近散斑相位的性質(zhì)    4.8.3  完全散射的散斑中的渦旋密度    4.8.4  完全散射的散斑加上一個(gè)相干背景后的渦旋密度第5章  抑制散斑的光學(xué)方法  5.1  偏振的多樣化  5.2  用運(yùn)動(dòng)漫射體進(jìn)行時(shí)間平均    5.2.1  背景    5.2.2  光滑的物    5.2.3  粗糙的物  5.3  波長(zhǎng)和角度的多樣化    5.3.1  自由空間傳播，反射光路    5.3.2  自由空間傳播，透射光路    5.3.3  成像光路  5.4  減弱時(shí)間和空間相干性    5.4.1  光學(xué)中的相干性概念    5.4.2  運(yùn)動(dòng)的漫射體和相干性的減弱    5.4.3  通過減弱時(shí)間相干性抑制散斑    5.4.4  通過減弱空間相干性抑制散斑  5.5  用時(shí)間相干性破壞空間相干性  5.6  復(fù)合散斑抑制技術(shù)第6章  某些成像應(yīng)用中的散斑  6.1  眼睛中的散斑  6.2  全息術(shù)中的散斑    6.2.1  全息術(shù)的原理    6.2.2  全息像中的散斑抑制  6.3  光學(xué)相干層析術(shù)中的散斑    6.3.1  OCT成像技術(shù)簡(jiǎn)介    6.3.2  OCT的分析    6.3.3  0CT中的散斑和散斑抑制  6.4  光學(xué)投影顯示中的散斑    6.4.1  投影顯示的剖析    6.4.2  投影顯示中的散斑抑制    6.4.3  偏振多樣性    6.4.4  運(yùn)動(dòng)屏幕    6.4.5  波長(zhǎng)多樣性    6.4.6  角度多樣性    6.4.7  投影光學(xué)系統(tǒng)的留有余量的設(shè)計(jì)    6.4.8  將變化的漫射體投影到屏幕上    6.4.9  專門設(shè)計(jì)的屏幕  6.5  投影微光刻中的散斑    6.5.1  準(zhǔn)分子激光的相干性質(zhì)    6.5.2  時(shí)域散斑    6.5.3  從曝光漲落到線位置的漲落第7章  某些非成像應(yīng)用中的散斑  7.1  多模光纖中的散斑    7.1.1  光纖中的模式噪聲    7.1.2  限定散斑的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)    7.1.3  模式噪聲對(duì)頻率的依賴關(guān)系  7.2  散斑對(duì)光學(xué)雷達(dá)性能的影響    7.2.1  從遠(yuǎn)程目標(biāo)返回的散斑場(chǎng)的空間相關(guān)性    7.2.2  低光照水平下的散斑    7.2.3  探測(cè)統(tǒng)計(jì)分布——直接探測(cè)    7.2.4  探測(cè)統(tǒng)計(jì)分布——外差探測(cè)    7.2.5  直接探測(cè)與外差探測(cè)的比較    7.2.6  降低光學(xué)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中散斑的影響第8章  散斑與計(jì)量學(xué)  8.1  散斑照相術(shù)    8.1.1  面內(nèi)位移    8.1.2  仿真    8.1.3  譜五(vx，vy)的性質(zhì)    8.1.4  對(duì)移動(dòng)量(x0，y0)的限制    8.1.5  多散斑圖窗口分析    8.1.6  物體轉(zhuǎn)動(dòng)  8.2  散斑干涉術(shù)    8.2.1  使用照相探測(cè)的系統(tǒng)    8.2.2  電子散斑干涉術(shù)(ESPI)    8.2.3  剪切散斑干涉術(shù)  8.3  從條紋圖樣到相位分布圖    8.3.1  傅里葉變換法    8.3.2  相移散斑干涉術(shù)    8.3.3  相位展開  8.4  用散斑測(cè)量振動(dòng)  8.5  散斑與表面粗糙度的測(cè)量    8.5.1  由散斑對(duì)比度得到表面高度的均方差值和表面協(xié)方差面積    8.5.2  由兩個(gè)波長(zhǎng)的退相關(guān)得到表面高度的均方差    8.5.3  由兩個(gè)角度的退相關(guān)得到表面高度的均方差    8.5.4  由測(cè)量角功率譜得到表面高度標(biāo)準(zhǔn)偏差和協(xié)方差函數(shù)第9章  通過大氣成像中的散斑  9.1  背景    9.1.1  大氣中折射率的漲落  9.2  短曝光和長(zhǎng)曝光的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)  9.3  長(zhǎng)曝光和短曝光的平均光學(xué)傳遞函數(shù)  9.4  短曝光OTF和MTF的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)  9.5  天文散斑干涉測(cè)量術(shù)    9.5.1  可恢復(fù)的物信息    9.5.2  對(duì)散斑傳遞函數(shù)形式的更完整的分析結(jié)果  9.6  交叉譜或Knox-Thompson技術(shù)    9.6.1  交叉頻譜傳遞函數(shù)    9.6.2  從交叉譜恢復(fù)全部物信息  9.7  雙頻頻譜(Bispectrum)技術(shù)    9.7.1  雙頻頻譜傳遞函數(shù)    9.7.2  從雙頻頻譜恢復(fù)完全的物信息  9.8  散斑相關(guān)成像術(shù)附錄A  散斑場(chǎng)的線性變換附錄B  部分散射散斑的對(duì)比度附錄C  得出強(qiáng)度和相位微商的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的計(jì)算  C.1  相關(guān)矩陣  C.2  相位微商的聯(lián)合密度函數(shù)  C.3  強(qiáng)度微商的聯(lián)合密度函數(shù)附錄D  散斑對(duì)波長(zhǎng)及角度依賴關(guān)系的分析  D.1  自由空間光路  D.2  成像光路附錄E  當(dāng)動(dòng)態(tài)漫射體投影到隨機(jī)屏上時(shí)的散斑對(duì)比度  E.1  隨機(jī)相位漫射體  E.2  漫射體剛好充滿投影光學(xué)系統(tǒng)  E.3  漫射體充溢投影光學(xué)系統(tǒng)附錄F  限定散斑的統(tǒng)計(jì)附錄G  模擬散斑的Mathe瑚tica程序范例  G.1  自由空間傳播中的散斑模擬  G.2  成像光路中的散斑模擬參考文獻(xiàn)漢英對(duì)照索引

章節(jié)摘錄

　　6.1 眼睛中的散斑　　用連續(xù)激光器可以在房間中的一群人中進(jìn)行一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)（哪怕用一支激光筆就可以做，只要把光束展寬些，把光調(diào)暗些）。把激光器發(fā)的光照到墻上或者任何其他平的粗糙散射表面上，請(qǐng)這群人取下他們也許戴著的眼鏡（對(duì)戴隱形眼鏡的人這可能有困難，這時(shí)他們可以繼續(xù)戴眼鏡）。請(qǐng)所有的人觀看散射光斑，并將他們的頭橫向從左到右和從右到左移動(dòng)幾次?，F(xiàn)在問這個(gè)散射光斑中的散斑的運(yùn)動(dòng)方向是和他們頭動(dòng)的方向相同還是相反。結(jié)果如下：　　具有完好的視覺或帶著視覺矯正眼鏡的人會(huì)報(bào)告說他們難以看出散斑有什么運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，散斑結(jié)構(gòu)看來好像固定在散射光斑的表面上，不相對(duì)于散射光斑運(yùn)動(dòng)，但是它們的確發(fā)生了某種不是運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部變化?！　∵h(yuǎn)視而未經(jīng)矯正的人會(huì)報(bào)告說散斑移動(dòng)的方向與他們的頭運(yùn)動(dòng)的方向相同，在這個(gè)方向上平移穿過散射斑?！　〗暤娜藭?huì)報(bào)告說散斑平移穿過散射斑的方向與他們的頭運(yùn)動(dòng)的方向相反?！　”竟?jié)我們的目的是對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋。解釋這些現(xiàn)象的一個(gè)不同但是等價(jià)的方式，請(qǐng)閱文獻(xiàn)[11]，[113]或[49]（P。140）。　　設(shè)物是平的粗糙表面上的一個(gè)散射光斑，如圖6.1所示。設(shè)照明方向和觀察方向與表面接近于垂直。注意：當(dāng)光源和散射表面固定時(shí)眼睛往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，等效于當(dāng)眼睛固定時(shí)光源和散射表面向相反方向運(yùn)動(dòng)。

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