信息光學(xué)理論與應(yīng)用

前言

　　本書第2版和第1版相較，有了很多修改。主要的修改如下：　　1．對原書各章作了全面的校訂，使文字更加流暢、概念敘說更加準(zhǔn)確、數(shù)學(xué)推演更加嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)為便于教師與學(xué)生使用本教材，在各章末增加了“本章重點(diǎn)”和“思考題”，與此相配合，精選了數(shù)十道實(shí)用的例題作解題示范；重新審訂了各章的習(xí)題，并給出了全部習(xí)題的詳細(xì)答案?！　?．在相關(guān)章節(jié)，增寫了信息光學(xué)在工業(yè)和科技領(lǐng)域中的應(yīng)用，以便使理論與應(yīng)用更緊密結(jié)合，同時(shí)開拓學(xué)生視野?！　?．將原書中第9章至第11章共3章壓縮成一章（即現(xiàn)在的第9章），重點(diǎn)介紹信息光學(xué)用于計(jì)量學(xué)領(lǐng)域時(shí)的數(shù)據(jù)處理方法，原書中有關(guān)實(shí)驗(yàn)方面的一些描述，因另有專門的實(shí)驗(yàn)教材出版（見本人主編的《現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》，北京郵電大學(xué)出版社，2004），就從本書中刪去了。　　4．新增了第10章“信息光學(xué)在光通信中的應(yīng)用”。這是因?yàn)榻?0年來，光纖通信和相應(yīng)元器件的發(fā)展極大地促進(jìn)了信息光學(xué)與光通信技術(shù)的結(jié)合。光纖布喇格光柵和陣列波導(dǎo)光柵等的出現(xiàn)使全光網(wǎng)通信成為可能。鑒于空間光調(diào)制器在光學(xué)信息處理和光通信中日益廣泛的應(yīng)用，在第7章還專門增寫了“空間光調(diào)制器”一節(jié)。全部新增和校訂的內(nèi)容約占原書1／3的篇幅?！　≈孕母兄x北京郵電大學(xué)出版社對本書再版和申報(bào)“十一五”國家級規(guī)劃教材給予的支持；衷心感謝采用本書作教材的各兄弟高校的同行們，是你們的支持才使本書得以再版；衷心感謝多年來聽我講授過“信息光學(xué)”課的學(xué)生們，是你們孜孜不倦的求知精神，激發(fā)了我的教學(xué)和寫作熱情；還要衷心感謝電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院劉藝副教授，他為本書電子教案（PPT）的打印和繪圖付出了辛勤勞動(dòng)。

內(nèi)容概要

　　《信息光學(xué)理論與應(yīng)用》系統(tǒng)地介紹了信息光學(xué)的基礎(chǔ)理論及相關(guān)的應(yīng)用。全書共10章，內(nèi)容涉及二維傅里葉分析、標(biāo)量衍射理論、光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性、部分相干理論、光學(xué)全息照相、空間濾波、相干光學(xué)處理、非相干光學(xué)處理、信息光學(xué)在計(jì)量學(xué)和光通信中的應(yīng)用等。
　　《信息光學(xué)理論與應(yīng)用》內(nèi)容豐富，選材新穎，既系統(tǒng)地介紹基礎(chǔ)理論，又同時(shí)兼顧理論和技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展，并強(qiáng)調(diào)理論與應(yīng)用的結(jié)合。第2版較第1版作了許多修改和補(bǔ)充。書中精選了近200個(gè)例題、思考題和習(xí)題，并給出了全部習(xí)題的詳細(xì)解答，便于讀者加深對正文的理解。
　　《信息光學(xué)理論與應(yīng)用》讀者對象為光學(xué)、光學(xué)工程、光電子技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理、精密儀器等專業(yè)的高年級本科生和研究生，也可供相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 二維傅里葉分析
1.1 光學(xué)中常用的幾種非初等函數(shù)
1.1.1 矩形函數(shù)
1.1.2 sinc函數(shù)
1.1.3 階躍函數(shù)
1.1.4 符號函數(shù)
1.1.5 三角形函數(shù)
1.1.6 高斯函數(shù)
1.1.7 圓域函數(shù)
1.2 δ函數(shù)
1.2.1 δ函數(shù)的定義
1.2.2 δ函數(shù)的物理意義
1.2.3 δ函數(shù)的性質(zhì)
1.2.4 梳狀函數(shù)
1.3 卷積
1.3.1 卷積概念的引入
1.3.2 卷積的定義
1.3.3 卷積的物理意義和幾何意義
1.3.4 卷積的運(yùn)算性質(zhì)
1.3.5 卷積運(yùn)算舉例
1.4 相關(guān)
1.4.1 相關(guān)
1.4.2 自相關(guān)
1.4.3 相關(guān)運(yùn)算舉例
1.4.4 有限功率函數(shù)的相關(guān)
1.5 傅里葉變換的基本概念
1.5.1 二維傅里葉變換的定義
1.5.2 存在條件
1.5.3 廣義傅里葉變換
1.5.4 虛、實(shí)、奇、偶函數(shù)傅里葉變換的性質(zhì)
1.5.5 傅里葉變換作為分解式
1.6 二維傅里葉變換的基本定理
1.7 傅里葉-貝塞爾變換
1.7.1 可分離變量函數(shù)的變換
1.7.2 具有圓對稱的函數(shù)：傅里葉-貝塞爾變換
1.8 常用傅里葉變換對
1.9 線性系統(tǒng)與線性空間不變系統(tǒng)
1.9.1 系統(tǒng)的算符表示
1.9.2 線性系統(tǒng)的意義
1.9.3 脈沖響應(yīng)函數(shù)與疊加積分
1.9.4 線性空間不變系統(tǒng)傳遞函數(shù)
1.9.5 線性空間不變系統(tǒng)的本征函數(shù)
1.9.6 LSI級聯(lián)系統(tǒng)
1.10 二維采樣定理
1.10.1 圖像函數(shù)的采樣表示法
1.10.2 奈奎斯特判據(jù)
1.10.3 原始函數(shù)的復(fù)原
1.10.4 空間-帶寬積
思考題
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第2章 標(biāo)量衍射理論
2.1 引言
2.2 基爾霍夫衍射理論
2.2.1 數(shù)學(xué)預(yù)備知識
2.2.2 平面衍射屏的基爾霍夫衍射公式
2.2.3 菲涅耳一基爾霍夫衍射公式
2.2.4 衍射公式與疊加積分
2.3 衍射規(guī)律的頻域表達(dá)式
2.3.1 衍射規(guī)律的頻域描述
2.3.2 傳播現(xiàn)象作為一種線性空間濾波器
2.3.3 衍射孔徑對角譜的效應(yīng)
2.4 菲涅耳衍射與夫瑯和費(fèi)衍射
2.4.1 初步的近似處理
2.4.2 菲涅耳近似
2.4.3 夫瑯和費(fèi)衍射
2.4.4 夫瑯和費(fèi)衍射與菲涅耳衍射的關(guān)系
2.5 夫瑯和費(fèi)衍射計(jì)算實(shí)例
2.5.1 矩孔和單縫的夫瑯和費(fèi)衍射
2.5.2 多縫的夫瑯和費(fèi)衍射
2.5.3 圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射
2.5.4 圓環(huán)的夫瑯和費(fèi)衍射
2.5.5 正弦型振幅光柵的夫瑯和費(fèi)衍射
2.5.6 正弦型位相光柵的夫瑯和費(fèi)衍射
2.6 菲涅耳衍射計(jì)算實(shí)例
2.6.1 傅里葉成像
2.6.2 衍射屏被會(huì)聚球面波照明時(shí)的衍射
2.6.3 方孔的菲涅耳衍射
2.7 衍射的巴俾涅原理
思考題
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第3章 光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性
3.1 透鏡的傅里葉變換性質(zhì)
3.1.1 薄透鏡的位相調(diào)制作用
3.1.2 透鏡的傅里葉變換性質(zhì)
3.1.3 透鏡孔徑的影響
3.2 光學(xué)成像系統(tǒng)的一般分析
3.2.1 成像系統(tǒng)的普遍模型
3.2.2 衍射受限系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)
3.2.3 準(zhǔn)單色光照明時(shí)物像關(guān)系分析
3.3 衍射受限相干成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
3.3.1 相干傳遞函數(shù)的定義
3.3.2 相干傳遞函數(shù)與系統(tǒng)物理性質(zhì)的聯(lián)系
3.3.3 像差對系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響
3.3.4 相干傳遞函數(shù)計(jì)算舉例
3.4 衍射受限非相干成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
3.4.1 衍射受限系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)
3.4.2 OTF與CTF的關(guān)系
3.4.3 光學(xué)傳遞函數(shù)的一般性質(zhì)和意義
3.4.4 衍射受限系統(tǒng)OTF的計(jì)算
3.4.5 像差對OTF的影響
3.5 相干成像與非相干成像系統(tǒng)的比較
思考題
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第4章 部分相干理論
4.1 光場相干性的一般概念
4.1.1 光源的空間相干性與光源線度
4.1.2 光源的時(shí)間相干性與光波頻譜
4.2 互相干函數(shù)
4.2.1 解析信號——實(shí)多色場的復(fù)值表示
4.2.2 互相干函數(shù)與復(fù)相干度
4.2.3 互相干函數(shù)的譜表示
4.2.4 互相干函數(shù)與互相干度的測量
4.3 準(zhǔn)單色光的干涉
4.3.1 準(zhǔn)單色場的互強(qiáng)度和復(fù)相干度
4.3.2 準(zhǔn)單色光的傳播
4.4 范西特一澤尼克定理
4.4.1 范西特一澤尼克定理
4.4.2 均勻圓形光源的例子
思考題
習(xí)題
參考文獻(xiàn)
第5章 光學(xué)全息照相
5.1 全息照相的基本原理
5.1.1 全息圖的記錄和重現(xiàn)
5.1.2 基本理論
5.1.3 全息照相的基本特點(diǎn)
5.1.4 全息圖的類型
5.2 菲涅耳全息圖
5.2.1 基元全息圖的幾何模型
5.2.2 點(diǎn)源全息圖的記錄和重現(xiàn)
5.2.3 幾種特殊情況
5.3 全息記錄介質(zhì)
5.3.1 基本術(shù)語
5.3.2 全息記錄介質(zhì)的特性
5.3.3 幾種常用的全息記錄介質(zhì)
5.4 全息照相裝置及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
5.4.1 全息照相所需的設(shè)備和元件
5.4.2 全息照相光路的布置
5.5 傅里葉變換全息圖
5.5.1 傅里葉變換全息圖的記錄和重現(xiàn)
5.5.2 準(zhǔn)傅里葉變換全息圖
5.5.3 無透鏡傅里葉變換全息圖
5.6 像全息圖彩虹全息圖
5.6.1 像全息圖
5.6.2 彩虹全息圖
5.7 體積全息圖
5.7.1 透射體積全息圖
……
第6章 空間濾波
第7章 相干光學(xué)處理
第8章 非相干光學(xué)處理
第9章 信息光學(xué)在計(jì)量學(xué)中的應(yīng)用
第10章 信息光學(xué)在光通信中的應(yīng)用
附錄1 貝塞爾函數(shù)關(guān)系式表
附錄2 全部習(xí)題答案

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   第8章非相干光學(xué)處理 8.1 相干與非相干光學(xué)處理的比較 利用非相干光照明的信息處理系統(tǒng)稱為非相干光學(xué)處理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)傳遞和處理的基本物理量是光場的強(qiáng)度分布。早在20世紀(jì)20年代就有人提出這類系統(tǒng)，但由于在非相干光照明情況下，輸入函數(shù)和脈沖響應(yīng)都只能是強(qiáng)度分布，亦即只能是非負(fù)的實(shí)函數(shù)，這樣就嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的處理對象，例如，對大量雙極性質(zhì)的輸入和脈沖響應(yīng)，處理起來就比較困難。尤其是到20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了相干性優(yōu)良的激光器后，由于相干光學(xué)系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，系統(tǒng)對復(fù)振幅的處理能力很強(qiáng)，可以方便地在空間頻率域中實(shí)現(xiàn)空間濾波，進(jìn)行頻域綜合，從而大大增加了處理的靈活性。這樣人們把注意力逐漸集中到了相干光學(xué)處理系統(tǒng)的研究上。又由于當(dāng)時(shí)全息照相技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，使相干光學(xué)處理技術(shù)的研究極為活躍，一度曾使非相干光學(xué)處理技術(shù)相形失色。 多年來的實(shí)踐表明，相干光學(xué)處理中存在一些突出問題：首先是相干噪聲比較嚴(yán)重，對系統(tǒng)裝置的定位要求較高，因而對相干光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)元件也提出了較高的要求，因?yàn)槿魏伪砻鎿p傷（劃痕、缺陷等）和塵埃都會(huì)引起衍射現(xiàn)象，從而在輸出面上疊加上許多衍射斑，以致增大圖像上的噪聲。其次，正如在7.8節(jié)已指出的，相干光學(xué)系統(tǒng)在輸入和輸出上也存在問題，由于信息是以光場復(fù)振幅分布的形式在系統(tǒng)中傳遞和處理，這就要求把輸入圖像制成透明片，然后用激光照明。這樣就排除了直接使用陰極射線管（CRT）和發(fā)光二極管（LED）陣列作為輸入信號的可能性，而在許多實(shí)際應(yīng)用中的信號是以這種方式提供的。雖然可以用照相膠片作為輸入透明片，但為了消除乳膠和片基厚度變化引入的附加位相起伏，應(yīng)采用專門的裝置——液門。所以，如果采用空間光調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)非相干光一相干光轉(zhuǎn)換，則對其光學(xué)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)范圍的要求十分苛刻。此外，在探測相干系統(tǒng)的輸出時(shí)，由于只能作強(qiáng)度記錄，丟失了輸出的位相信息。這一損失有時(shí)也會(huì)限制相干系統(tǒng)的應(yīng)用。 非相干光學(xué)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是沒有相干噪聲，同時(shí)對塵埃和元件表面的劃痕、缺陷也不那么敏感，采用擴(kuò)展光源還可獲得更多的信息傳輸通道，大大削弱了塵埃、劃痕等對信息傳遞的影響，同時(shí)也不需要液門裝置。

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