信息光学理论与应用（第4版）

　　本书是在普通高等教育“十一五”国家级规划教材《信息光学理论与应用》（第3版）的基础上修订而成的，系统地介绍了信息光学的基础理论及相关的应用。全书共10章，内容涉及二维傅里叶分析、标量衍射理论、光学成像系统的频率特性、部分相干理论、光学全息照相、空间滤波、相干光学处理、非相干光学处理，以及信息光学在计量学中的应用等。 本书内容丰富，选材新颖，既系统地介绍基础理论，又同时兼顾理论和技术的发展，并强调理论与应用的结合。《信息光学理论与应用》的第2版曾被教育部评为“2009年度普通高等教育精品教材”。第3版在保持原书总体特色的基础上，结合作者多年的教学实践，对第2版做了许多修订和补充，并将其中的习题解答部分从原书中剥离出来，做了适当的添加和完善，同时补充了思考题解答，独立成书。 在准备出版本书和英文版时，作者对第3版又做了全面的修订，删去了一些次要的内容，对个别章节做了适当的补充，使其更加精炼、流畅，更适合于课堂教学。同时，为了配合重点大学进行双语教学的需要，作者力图使中文第4版与英文版的全书内容一致，便于学生对照参考。 本书读者对象为光学、光学工程、光电子技术、光信息科学与技术、应用物理、精密仪器等专业的高年级本科生和研究生。本书也可供相关专业的工程技术人员参考。

　　王仕璠，男，1937年生，电子科技大学教授。1961年毕业于四川大学无线电系，毕业后分配到电子科技大学任教至今。1980年4月至1982年6月，公派赴法国作访问研究，回国后一直从事信息光学的研究和教学工作。出版过著作8种，在国内外发表论文100余篇。1993年起享受国务院特殊津贴。先后担任过电子科技大学应用物理系系主任、国家J科技奖励评审委员、四川省物理学会副理事长、四川省政府参事、成都市政协常委、中国光学学会全息与光信息处理专委会副主任等职。

第1章二维傅里叶分析1
1.1光学中常用的几种非初等函数1
1.1.1矩形函数1
1.1.2sinc函数2
1.1.3阶跃函数3
1.1.4符号函数4
1.1.5三角形函数4
1.1.6高斯函数5
1.1.7圆域函数6
1.2δ 函 数6
1.2.1δ函数的定义6
1.2.2δ函数的物理意义8
1.2.3δ函数的性质8
1.2.4梳状函数11
1.3卷积12
1.3.1卷积概念的引入12
1.3.2卷积的定义13
1.3.3卷积的物理意义和几何意义14
1.3.4卷积的运算性质15
1.3.5卷积运算举例16
1.4相关19
1.4.1互相关19
1.4.2自相关20
1.4.3相关运算举例21
1.4.4有限功率函数的相关22
1.5傅里叶变换的基本概念23
1.5.1二维傅里叶变换的定义23
1.5.2存在条件24
1.5.3广义傅里叶变换24
1.5.4虚、实、奇、偶函数傅里叶变换的性质26
1.5.5傅里叶变换作为分解式27
1.6二维傅里叶变换的基本定理28
1.7傅里叶贝塞尔变换31
1.7.1可分离变量函数的变换31
1.7.2具有圆对称的函数：傅里叶贝塞尔变换33
1.8常用傅里叶变换对35
1.9线性系统与线性空间不变系统37
1.9.1系统的算符表示37
1.9.2线性系统的意义38
1.9.3脉冲响应函数与叠加积分38
1.9.4线性空间不变系统传递函数39
1.9.5线性空间不变系统的本征函数40
1.9.6LSI级联系统42
1.10二维采样定理43
1.10.1图像函数的采样表示法44
1.10.2奈奎斯特判据45
1.10.3原始函数的复原45
1.10.4空间带宽积47
思考题48
习题48
本章参考文献51
第2章标量衍射理论52
2.1引言52
2.2基尔霍夫衍射理论53
2.2.1数学预备知识53
2.2.2平面衍射屏的基尔霍夫衍射公式56
2.2.3菲涅耳基尔霍夫衍射公式57
2.2.4衍射公式与叠加积分58
2.3衍射规律的频域表达式59
2.3.1衍射规律的频域描述59
2.3.2传播现象作为一种线性空间滤波器61
2.3.3衍射孔径对角谱的效应61
2.4菲涅耳衍射与夫琅和费衍射62
2.4.1初步的近似处理62
2.4.2菲涅耳近似63
2.4.3夫琅和费衍射64
2.4.4菲涅耳衍射与夫琅和费衍射的关系65
2.5夫琅和费衍射计算实例65
2.5.1矩孔和单缝的夫琅和费衍射66
2.5.2双缝的夫琅和费衍射67
2.5.3多缝的夫琅和费衍射68
2.5.4圆孔的夫琅和费衍射70
2.5.5圆环的夫琅和费衍射72
2.5.6正弦型振幅光栅的夫琅和费衍射73
2.5.7正弦型位相光栅的夫琅和费衍射75
2.6菲涅耳衍射计算实例77
2.6.1傅里叶成像77
2.6.2衍射屏被会聚球面波照明时的衍射79
2.7衍射的巴俾涅原理80
思考题82
习题82
本章参考文献86
第3章光学成像系统的频率特性87
3.1透镜的傅里叶变换性质88
3.1.1薄透镜的位相调制作用88
3.1.2透镜的傅里叶变换性质90
3.1.3透镜孔径的影响92
3.2光学成像系统的一般分析95
3.2.1成像系统的普遍模型95
3.2.2衍射受限系统的点扩展函数96
3.2.3准单色光照明时物像关系分析98
3.3衍射受限相干成像系统的传递函数100
3.3.1相干传递函数的定义100
3.3.2相干传递函数与系统物理性质的联系101
3.3.3像差对系统传递函数的影响102
3.3.4相干传递函数计算举例102
3.4衍射受限非相干成像系统的传递函数104
3.4.1衍射受限系统的光学传递函数105
3.4.2OTF与CTF的关系106
3.4.3光学传递函数的一般性质和意义107
3.4.4衍射受限系统OTF的计算109
3.4.5像差对OTF的影响111
3.5相干成像与非相干成像系统的比较114
思考题117
习题117
本章参考文献119
第4章部分相干理论120
4.1光场相干性的一般概念120
4.1.1光源的空间相干性与光源线度120
4.1.2光源的时间相干性与光波频谱123
4.2互相干函数127
4.2.1解析信号——实多色场的复值表示127
4.2.2互相干函数与复相干度128
4.2.3互相干函数的谱表示130
4.2.4互相干函数与复相干度的测量131
4.3准单色光的干涉132
4.3.1准单色场的互强度和复相干度132
4.3.2准单色光的传播134
思考题139
习题139
本章参考文献140
第5章光学全息照相141
5.1全息照相的基本原理141
5.1.1全息图的记录和重现141
5.1.2基本理论142
5.1.3全息照相的基本特点144
5.1.4全息图的类型144
5.2菲涅耳全息图145
5.2.1基元全息图的几何模型146
5.2.2点源全息图的记录和重现147
5.2.3几种特殊情况149
5.3全息记录介质151
5.3.1基本术语151
5.3.2全息记录介质的特性151
5.3.3几种常用的全息记录介质156
5.4全息照相装置及实验注意事项159
5.4.1全息照相所需的设备和元件159
5.4.2全息照相光路的布置162
5.5傅里叶变换全息图162
5.5.1傅里叶变换全息图的记录和重现162
5.5.2准傅里叶变换全息图164
5.5.3无透镜傅里叶变换全息图164
5.6像全息图彩虹全息图166
5.6.1像全息图166
5.6.2彩虹全息图167
5.7体积全息图170
5.7.1透射体积全息图170
5.7.2反射体积全息图172
5.8模压全息图173
5.8.1全息图的模压复制173
5.8.2全息烫印箔174
5.8.3动态点阵全息图175
5.9全息照相的应用176
5.9.1全息显示177
5.9.2全息光学元件178
5.9.3全息信息存储181
思考题185
习题185
本章参考文献187
第6章空间滤波188
6.1空间滤波的基本原理189
6.1.1阿贝成像理论189
6.1.2空间频谱分析系统190
6.1.3空间频率滤波系统192
6.1.4空间滤波的傅里叶分析194
6.2空间滤波器的结构类型和应用举例197
6.2.1空间滤波器结构类型197
6.2.2空间滤波器应用举例198
思考题203
习题203
本章参考文献205
第7章相干光学处理206
7.1图像相减206
7.1.1正弦光栅法207
7.1.2全息照相法208
7.2匹配滤波与光学图像识别209
7.2.1空间匹配滤波器的意义209
7.2.2匹配滤波器的制作209
7.2.3利用匹配滤波器进行图像识别210
7.3用梅林变换作光学相关211
7.4用圆谐变换实现光学相关213
7.5半色调网屏技术215
7.5.1半色调图片的制作215
7.5.2半色调网屏对图像的非线性处理216
7.5.3几种图像处理实例217
7.6其他相干光学处理218
7.6.1用逆滤波器消模糊218
7.6.2光学微分219
7.7空间光调制器221
7.7.1空间光调制器的意义和类型221
7.7.2液晶光阀223
思考题226
习题227
本章参考文献228
第8章非相干光学处理229
8.1相干与非相干光学处理的比较229
8.2基于几何光学的非相干处理系统230
8.2.1图像乘积的积分运算230
8.2.2图像的相关和卷积231
8.2.3双极性信号的处理技术232
8.2.4利用散焦系统的非相干叠加积分233
8.3基于衍射的非相干处理——非相干频域综合234
8.3.1切趾术234
8.3.2沃耳特(Wolter)最小强度检出滤波器235
8.4白光信息处理236
8.4.1白光信息处理原理236
8.4.2实时假彩色编码技术238
8.4.3θ调制技术241
8.5位相调制假彩色编码242
8.5.1光栅调制242
8.5.2漂白处理243
8.5.3滤波解调243
思考题245
习题245
本章参考文献246
第9章信息光学在计量学中的应用247
9.1全息干涉计量的原理和基本方法247
9.1.1全息干涉计量的特点247
9.1.2二次曝光全息干涉术248
9.1.3实时全息干涉术249
9.1.4时间平均全息干涉术250
9.1.5动态全息干涉术252
9.2全息干涉图的数据处理方法253
9.2.1用二次曝光法测定三维位移场254
9.2.2测定刚体的微小转角与平动256
9.2.3测定物体的均匀应变258
9.2.4测定物体的微小振动261
9.3散斑效应及其基本统计特征262
9.3.1散斑的光强分布函数263
9.3.2散斑图的衬度267
9.3.3散斑的特征尺寸267
9.4二次曝光散斑图的记录和处理269
9.4.1二次曝光散斑图的记录269
9.4.2散斑图的处理方法269
9.4.3用双散斑图系统测量空间位移271
9.4.4用散斑摄影研究位相物体273
9.4.5用时间平均散斑图分析振动275
9.5散斑干涉计量277
9.6面内云纹法的基本概念280
9.6.1云纹的由来280
9.6.2均匀线位移引起的云纹效应280
9.6.3纯转动产生的云纹效应282
9.6.4均匀线位移和纯转动并存时引起的云纹效应282
9.6.5云纹移动效应和线应变符号的判别284
9.6.6云纹图的记录光路285
9.6.7投影云纹法285
思考题286
习题287
本章参考文献287
第10章信息光学在光通信中的应用289
10.1布拉格光纤光栅289
10.1.1光纤的基本结构289
10.1.2光纤中的色散292
10.1.3布拉格光纤光栅的记录方法293
10.1.4FBG的应用295
10.2超短脉冲的整形297
10.2.1时间频率到空间频率的变换297
10.2.2脉冲整形系统298
10.2.3超短脉冲整形的应用299
10.3阵列波导光栅300
10.3.1阵列波导光栅的基本结构300
10.3.2阵列波导光栅的工作原理301
思考题302
习题302
本章参考文献303
附录贝塞尔函数关系式表304