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內容簡介

　　本書係統地闡述瞭傅裏葉光學即信息光學的基礎理論和主要應用。全書共10章。第1、2章為傅裏葉分析和二維綫性係統。第3~6章運用綫性係統理論討論光的傳播、衍射、經透鏡的傅裏葉變換、光學成像係統的頻率特性和部分相乾理論。第7~10章是全息術、光學信息處理、散斑測量術以及傅裏葉光學的其他應用。　　本書內容豐富,基本概念和物理圖像清晰,注重基本物理思想及分析方法的討論。內容深入淺齣,循序漸進。各章精選瞭習題,便於教學和自學,有益於培養學生的創新思維。本書在第2版的基礎上修訂而成、保持瞭原書的精華和特色,根據學科發展，重點補充瞭數字全息術、光學信息處理、散斑測量術等內容。　　本書可作為高等學校光電信息科學與工程、物理學類、儀器類等專業本科生和研究生的教材,也可供光電信息技術領域的科技人員參考。

目錄

第3版前言第2版前言第1版前言緒論第1章傅裏葉分析1.1一些常用函數1.2脈衝函數1.2.1δ函數的定義與性質1.2.2梳狀函數1.3捲積1.3.1捲積的定義1.3.2捲積運算定律1.3.3包含脈衝函數的捲積1.4相關1.4.1互相關1.4.2自相關1.4.3有限功率函數的相關1.5正交矢量空間和正交函數係1.5.1正交矢量空間1.5.2正交函數係1.6傅裏葉級數1.6.1三角傅裏葉級數1.6.2指數傅裏葉級數1.7傅裏葉變換1.7.1傅裏葉變換定義及存在條件1.7.2廣義傅裏葉變換1.7.3虛、實、奇、偶函數傅裏葉變換的性質1.7.4傅裏葉變換定理1.7.5可分離變量函數的變換1.7.6傅裏葉�脖慈�爾變換1.7.7周期函數的變換1.7.8一些常用函數的傅裏葉變換式習題第2章二維綫性係統2.1綫性係統2.1.1用數學算符錶示係統2.1.2綫性係統的定義2.1.3脈衝響應2.2綫性不變係統2.2.1綫性不變係統的定義2.2.2綫性不變係統的傳遞函數2.2.3綫性不變係統的本徵函數2.2.4綫性不變係統作為濾波器2.2.5級聯係統2.2.6綫響應和直邊響應2.3抽樣定理2.3.1函數的抽樣2.3.2函數的還原2.3.3空間帶寬積習題第3章標量衍射理論3.1光波的數學描述3.1.1單色光波場的復振幅錶示3.1.2球麵波3.1.3平麵波3.1.4平麵波的空間頻率3.1.5局部空間頻率3.1.6復振幅分布的空間頻譜(角譜)3.2基爾霍夫衍射理論3.2.1惠更斯�蔔頗�耳原理3.2.2亥姆霍茲方程3.2.3亥姆霍茲和基爾霍夫積分定理3.2.4基爾霍夫衍射公式3.2.5光波傳播的綫性性質3.3衍射的角譜理論3.3.1角譜的傳播3.3.2孔徑對角譜的影響3.4菲涅耳衍射3.4.1菲涅耳衍射公式3.4.2菲涅耳衍射的例子——泰伯效應3.5夫琅禾費衍射3.5.1夫琅禾費衍射公式3.5.2一些簡單孔徑的夫琅禾費衍射3.6衍射的巴比涅原理3.7衍射光柵3.7.1列陣定理3.7.2綫光柵3.7.3餘弦型振幅光柵3.7.4正弦型位相光柵3.7.5矩形位相光柵3.8菲涅耳衍射和分數傅裏葉變換3.8.1分數傅裏葉變換的定義和性質3.8.2用菲涅耳衍射實現分數傅裏葉變換習題第4章透鏡的位相調製和傅裏葉變換性質4.1透鏡的位相調製作用4.1.1透鏡對於入射波前的作用4.1.2透鏡的厚度函數4.1.3透鏡的復振幅透過率4.2透鏡的傅裏葉變換性質4.2.1物體緊靠透鏡放置4.2.2物體放置在透鏡前方4.2.3物體放置在透鏡後方4.2.4透鏡孔徑的影響4.3光學頻譜分析係統4.3.1係統4.3.2應用習題第5章光學成像係統的頻率特性5.1透鏡的成像性質5.2成像係統的一般分析5.2.1成像係統的普遍模型5.2.2阿貝成像理論5.2.3單色光照明的衍射受限係統5.2.4非單色光照明5.3衍射受限的相乾成像係統的頻率響應5.3.1相乾傳遞函數5.3.2相乾傳遞函數計算和運用實例5.3.3相乾傳遞函數的角譜解釋5.3.4相乾綫響應函數和直邊響應函數5.4衍射受限的非相乾成像係統的頻率響應5.4.1非相乾照明時的物像關係式5.4.2光強的空間頻譜5.4.3光學傳遞函數的定義及物理意義5.4.4OTF與CTF的聯係5.4.5衍射受限係統的OTF5.4.6衍射受限係統的OTF計算和運用實例5.4.7非相乾綫響應和直邊響應函數5.5像差對成像係統傳遞函數的影響5.5.1廣義光瞳函數5.5.2像差對CTF的影響5.5.3像差對OTF的影響5.5.4離焦係統的OTF分析5.6光學傳遞函數的測量5.7相乾與非相乾成像係統的比較5.7.1截止頻率5.7.2兩點的分辨率5.7.3相乾噪聲5.7.4空間帶寬積和自由度5.8光學鏈5.8.1光學鏈及其頻率響應5.8.2一些典型環節和器件的傳遞函數習題第6章部分相乾理論6.1實多色場的復值錶示6.2光場相乾性的一般概念6.2.1時間相乾性6.2.2空間相乾性6.3互相乾函數6.3.1互相乾函數和復相乾度6.3.2互相乾函數的譜錶示6.4相乾度的測量6.4.1乾涉條紋對比度與復相乾度的關係6.4.2時間相乾性測量6.4.3空間相乾性測量6.5傅裏葉變換光譜學6.5.1傅裏葉變換光譜學原理6.5.2相乾時間與有效譜寬6.6準單色光的乾涉6.7準單色光的傳播和衍射6.7.1互強度的傳播6.7.2薄透明物體對互強度的影響6.7.3部分相乾光的衍射6.7.4傳播現象的空間頻率域分析6.8範西特�蒼竽崢碩ɡ�6.8.1範西特�蒼竽崢�(Van Cittert�瞆ernike)定理的推導6.8.2均勻圓形光源的例子6.8.3邁剋爾遜測星乾涉儀6.9部分相乾場中透鏡的傅裏葉變換性質6.10部分相乾光成像6.10.1物像平麵互強度的關係6.10.2相乾成像與非相乾成像的極端情況6.10.3係統的頻率響應習題第7章全息術7.1引言7.2波前記錄與重建7.2.1波前記錄7.2.2波前重建7.3同軸全息圖和離軸全息圖7.3.1同軸全息圖7.3.2離軸全息圖7.4基元全息圖分析7.4.1基元光柵7.4.2基元波帶片點源全息圖7.5幾種不同類型的全息圖7.5.1菲涅耳全息圖和夫琅禾費全息圖像全息圖7.5.2傅裏葉變換全息圖7.5.3彩虹全息圖7.5.4位相全息圖7.5.5模壓全息圖7.5.6閤成全息圖7.5.7彩色全息圖7.6平麵全息圖的衍射效率7.6.1振幅全息圖的衍射效率7.6.2位相全息圖的衍射效率7.7體積全息圖7.7.1體全息光柵7.7.2透射體積全息圖7.7.3反射體積全息圖7.7.4耦閤波理論7.7.5相位型體光柵的衍射效率7.8計算全息圖7.8.1概述7.8.2抽樣、計算和編碼7.8.3迂迴位相全息圖7.8.4改進的離軸計算全息圖7.8.5計算全息乾涉圖7.8.6相息圖7.9二元光學7.9.1衍射光學元件7.9.2二元光學元件7.9.3二元光學元件的製作7.10記錄介質7.10.1鹵化銀乳膠7.10.2重鉻酸鹽明膠(DCG)7.10.3光緻抗蝕劑7.10.4光緻聚閤物7.10.5光摺變材料7.10.6光導熱塑料7.11全息術的應用7.11.1全息乾涉計量7.11.2全息光學元件7.11.3全息顯微術7.11.4全息信息存儲7.12數字全息術7.12.1引言7.12.2數字全息術的基本原理7.12.3各種數字全息術7.12.4數字全息乾涉術習題第8章光學信息處理8.1引言8.1.1什麼是光學信息處理8.1.2簡要曆史8.1.3光學處理與數字處理的比較8.2相乾濾波的基本原理8.2.1阿貝�膊ㄌ厥笛�8.2.2空間濾波的傅裏葉分析8.2.3相乾濾波的基本原理和運算8.2.4係統和濾波器8.3簡單振幅濾波的例子8.3.1低通濾波——消除圖像上周期性網格8.3.2高通濾波——用於邊緣增強8.3.3帶通或方嚮濾波——用於信號或缺陷檢測8.4位相濾波——澤尼剋相襯法8.5光柵濾波器的應用——圖像加減和微分8.5.1光柵濾波器——用於圖像加減8.5.2復閤光柵濾波器——用於圖像微分8.6光學圖像識彆8.6.1全息濾波器的製作和工作原理8.6.2匹配濾波器(Matched Filter)8.6.3體全息相關識彆8.6.4聯閤變換相關器(Joint Transform Correlator)8.6.5光電混閤圖像識彆係統8.6.6實現空間不變的圖像識彆的方法8.7圖像復原8.7.1補償濾波器8.7.2逆濾波器(Inverse Filter)8.7.3維納濾波器(Wiener Filter)8.8非相乾光處理8.8.1相乾與非相乾光處理的比較8.8.2基於衍射的非相乾空間濾波——OTF或PSF綜閤8.8.3基於幾何光學的非相乾處理8.9白光信息處理8.9.1白光處理係統及其工作原理8.9.2假彩色編碼8.9.3θ調製8.10光學小波變換8.10.1小波變換的定義8.10.2幾種常用的小波函數8.10.3光學小波變換的實現8.10.4小波變換在光學圖像識彆中的應用8.11光學矩陣運算8.11.1非相乾矩陣�彩噶砍朔ㄆ�8.11.2矩陣�簿卣蟪朔ㄆ�8.11.3處理雙極性信號和復數數據習題第9章散斑測量術9.1散斑現象及其分類9.2散斑照相術9.2.1散斑照相術原理9.2.2數字散斑照相術9.2.3數字散斑相關術9.2.4白光散斑照相術9.3散斑乾涉術9.3.1雙照明散斑乾涉成像係統9.3.2電子散斑乾涉術數字散斑乾涉術9.3.3剪切散斑乾涉術9.3.4相移散斑乾涉術9.3.5散斑測量振動習題第10章傅裏葉光學的其他應用10.1結構光三維測量技術10.1.1相位測量輪廓術10.1.2傅裏葉變換輪廓術10.2布拉格光縴光柵附錄貝塞爾函數參考文獻

前言/序言

　　第3版前言　　傅裏葉光學也稱為信息光學，它采用信息和通信理論中的方法，即傅裏葉分析和綫性係統理論分析光波攜帶信息的傳播、衍射、成像和變換等，是研究光信息調製、存儲、傳輸和處理的光信息技術的理論基礎。　　本書是在第2版的基礎上修訂而成的。本書曾被評為普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材和北京高等教育精品教材，被幾十所大學相關學科專業選作教材或參考書。自本書第1版發行以來，二十多年的教學實踐錶明,本書理論體係嚴謹,物理圖像清晰;內容深入淺齣,循序漸進，便於教學和學生自學;注重物理思想和分析方法的討論,有助於培養學生的創造性思維。　　為適應學科的發展，本書第3版增補的內容主要包括：光學傳遞函數的測量、耦閤波理論、相位型體光柵的衍射效率、數字全息術，擴充瞭計算全息圖、體全息相關識彆、光電混閤圖像識彆等內容。重寫瞭第9章散斑測量術，重點補充瞭數字散斑照相、數字散斑相關和數字散斑乾涉技術等內容。增加的第10章為傅裏葉光學的其他應用，其中包括結構光三維測量技術和布拉格光縴光柵在光通信中的應用。　　本書可作為光電信息科學與工程、物理學類、儀器類等專業高年級本科生和研究生的教材。對於本科教學,第1~5章是基礎內容(其中第1章對於熟悉傅裏葉分析的學生可以從簡),第6章部分相乾理論可以不列入教學，也可以選講部分內容，略去準單色光傳播和衍射、部分相乾場中透鏡的傅裏葉變換性質和部分相乾光成像等內容，第7~10章各章節可根據情況選講。　　《傅裏葉光學—概念題解》(呂乃光,周哲海編著，機械工業齣版社齣版）對各章的習題做瞭分析解答，可作為本書的配套參考教材。　　迴到20世紀80年代的華中理工大學，即現在的華中科技大學，作為一名青年教師，懷揣對傅裏葉光學新的學科知識的濃厚興趣，和陳傢璧共同學習J�盬�盙oodman的《Introduction to Fourier Optics》，討論切磋，閤作齣版瞭第1本書：《傅裏葉光學（基本概念和習題）》（科學齣版社,1985年)，並以極大的熱情投入本書第1版的撰寫，期望有一本凝聚自己體驗的教育思想和教學方法的書，本書經投標獲得齣版機會。書的主審是蘇顯渝，這是我們清華同班3個同學早期閤作的經曆。記得當年天津大學張以謨教授精心審閱瞭全書，並主持瞭審稿會。每念及此，內心充滿感激。生活在華中科技大學的往事漸遠，但與許多同事共同創辦新專業結成的友誼卻日久彌新。　　感謝使用本書的教師，是你們和作者共同賦予瞭本書生命。一本教材的齣版僅僅是生命的開端，你們的教學研究實踐纔使本書的生命得以延續。每每遇到兄弟院校使用本書的教師，交流中不僅有相遇知音的快樂，還有發自內心深處的感謝。　　本書由清華大學金國藩院士、四川大學蘇顯渝教授主審，就此錶示由衷的謝意。　　特彆感謝機械工業齣版社自本書第1版（1988年）以來一以貫之給與的鼎力支持。吉玲編輯以及王康、劉麗敏編輯熱情和精心的工作，纔使本書第3版得以高質量地呈現在廣大讀者麵前，在此深錶感謝。　　編著者傅裏葉光學第3版目錄第2版前言傅裏葉光學是近代光學新的學科分支。它采用傅裏葉分析和綫性係統理論分析研究光學問題，包括光的傳播、衍射、成像和變換等。光學係統本質上是傳輸和采集信息的係統，傅裏葉光學采用通信和信息理論中的方法，在二維空間域及其空間頻率域討論光學係統特性，即空間脈衝響應和傳遞函數。通常認為它是信息光學的理論基礎。　　本書是在第1版的基礎上修訂而成的。自本書第1版齣版以來，已曆經16年，期間多次重印，被許多高等學校相關學科專業選作教材或參考書，曆久不衰。本書曾獲得第二屆全國高等學校優秀教材二等奬。多年的教學實踐錶明，本書確有如下特色：理論體係嚴謹，物理圖像清晰；內容深入淺齣，循序漸進；理論討論和圖解方法結閤，便於教學，也便於學生自學；注重物理思想和分析方法的討論，有助於培養學生的創造性思維。書中多處注入瞭作者科研和教學研究的成果。　　全書共9章。第1、2章是傅裏葉分析和綫性係統理論，為在光學中藉鑒通信理論中常用的分析方法建立瞭必要的數學基礎。第3～5章運用空間域和頻率域方法討論瞭光波攜帶信息在自由空間或經過光學係統的傳播問題，以及透鏡的傅裏葉變換性質。第6章為部分相乾理論，目的是使讀者瞭解光場相乾性質對乾涉、衍射、成像的影響。上述四章可看作是傅裏葉光學的物理基礎。第7～9章介紹瞭全息、光學信息處理、激光散斑技術，這些屬於傅裏葉光學的應用。各章編選瞭較多習題，解答這些問題不但有助於掌握基本理論和概念，而且能培養分析和解決問題的能力。　　為適應學科的發展，本書第2版增補的內容主要包括：分數傅裏葉變換和菲涅耳衍射，幾種不同類型的全息圖(彩虹全息圖、模壓全息圖、閤成全息圖、彩色全息圖)和二元光學，擴充瞭計算全息圖和記錄介質兩節的內容，以及聯閤變換相關器，實現空間不變的圖像識彆方法，維納濾波器，光學小波變換，光學矩陣運算和散斑剪切乾涉等。補充內容主要集中在介紹傅裏葉光學應用的後麵三章。　　本書可作為光信息科學與技術、光電信息工程、光學、光電子技術、測控技術與儀器、光學工程等專業高年級本科生和研究生的教材。對於本科教學，第1～5章是基礎內容(其中第1章對於熟悉傅裏葉分析的學生可以從簡)，第6～9章各章節可根據情況選講。　　從《傅裏葉光學(基本概念和習題)》一書(呂乃光，陳傢璧，毛信強編著。科學齣版社，1985)齣版算起，筆者從事信息光學領域教學和研究工作已有二十多年。在本書即將完稿時，我不禁衷心感激母校清華大學金國藩院士、夏學江教授。當年正是聆聽他們精彩的講課，從中汲取瞭豐富的知識，使我加深瞭對傅裏葉光學和現代光學信息處理的理解和認識。我也要錶達對上海理工大學顧去吾教授的緬懷之情，他的勉勵曾使我堅定瞭修訂本書的想法。　　本書由清華大學金國藩院士、四川大學蘇顯渝教授主審，使作者受益匪淺。謹嚮他們錶示衷心的謝意。感謝我曾工作過二十年的華中科技大學對本書給予的支持；感謝本書第2版得到北京信息科技大學北京市重點建設學科基金的資助。感謝周哲海同誌協助編寫本書電子教案，感謝郎曉萍同誌打印部分手稿。　　呂乃光第1版前言本書是根據高等學校光學儀器專業和光學專業《傅裏葉光學》教學大綱編寫的。全書共九章。第一、二章是傅裏葉分析和綫性係統理論，為在光學中藉鑒通信理論中常用的分析方法建立瞭必要的數學基礎。第三、四、五章運用空間域和頻率域方法討論瞭光波攜帶信息在自由空間或經過光學係統的傳播問題，以及透鏡的傅裏葉變換性質。第六章為部分相乾理論，目的是使讀者瞭解光場相乾性質對乾涉、衍射、成像的影響。安排教學時，這一章可作為選講內容。上述四章可看作傅裏葉光學的物理基礎。第七、八、九章介紹瞭全息、光學信息處理、激光散斑技術，這些屬於傅裏葉光學的應用。　　本書既注意瞭和經典物理光學的區彆和聯係，又注意引用通信理論中一些普遍的概念和思想來解釋光學現象，以便突齣傅裏葉光學是光學和通信理論相結閤的這一學科特點。尤其強調基本的物理思想以及分析方法，希望使讀者能建立清晰的物理圖像。在闡述方式上注意內容深入淺齣，循序漸進，理論討論與圖解方法結閤，以便於自學。各章習題與正文密切配閤，解答這些習題不但有助於掌握基本理論和概念，而且能培養分析和解決問題的能力。　　本書可作為高等學校光學儀器和光學專業“傅裏葉光學”課程的教材，也可供從事現代光學研究的科研人員、光學儀器工作的工程技術人員參考。　　本書由四川大學蘇顯渝副教授主審，他的熱忱幫助無疑使本書增色不少。天津大學張以謨教授審閱瞭全書。參加審稿會的還有：武漢測繪科技大學硃光世、北京工業學院劉培森、清華大學嚴瑛白、上海機械學院顧堅保、浙江大學項秉琳等同誌。他們為本書提齣瞭富有建設性的意見，在此一並緻謝。　　同時還要感謝華中理工大學光學工程係教師和研究生所給予的多方麵的支持和幫助；感謝雷動天同誌衝洗瞭全書的照片。　　限於編者水平，書中會有一些缺點和錯誤，懇請讀者不吝指正。　　編者1987年2月於華中理工大學
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