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第1章 数学预备知识 1

1.1 常用的几种非初等函数 1

1.1.1 矩形函数 1

1.1.2 sinc函数 3

1.1.3 阶跃函数 4

1.1.4 符号函数 5

1.1.5 三角函数 5

1.1.6 高斯函数 6

1.1.7 圆域函数 7

1.1.8 狄拉克δ函数 7

1.1.9 梳状函数 10

1.2 二维傅里叶变换 10

1.2.1 二维傅里叶变换的定义和存在条件 10

1.2.2 傅里叶变换定理 12

1.2.3 二维傅里叶变换在极坐标下的表示 13

1.3 线性系统 14

1.3.1 线性系统的定义 14

1.3.2 脉冲响应和叠加积分 15

1.3.3 二维线性不变系统的定义 16

1.3.4 线性不变系统的传递函数和本征函数 17

1.4 二维抽样定理 18

1.4.1 函数的抽样 18

1.4.2 原函数的复原 20

1.4.3 空间-带宽积 21

习题 21

参考文献 22

第2章 标量衍射理论 23

2.1 光波的复函数表示 23

2.2 空间平面光波场的复振幅 27

2.3 各向同性介质中光波的电磁理论 30

2.3.1 各向同性介质中的麦克斯韦方程组、物质方程及波动方程 30

2.3.2 波动方程的平面简谐波解 31

2.3.3 平面简谐光波的电矢量E、磁矢量B与传播方向的关系 32

2.3.4 光波场的能量传递 33

2.4 经典标量衍射理论 34

2.4.1 基尔霍夫公式及瑞利-索末菲公式 34

2.4.2 衍射的角谱理论 41

2.4.3 衍射问题的傍轴近似——菲涅耳衍射积分 43

2.4.4 夫琅禾费衍射 47

2.5 柯林斯公式 48

2.5.1 傍轴光学系统的ABCD矩阵表示 49

2.5.2 傍轴球面波的ABCD定律及等效傍轴透镜光学系统 54

2.5.3 柯林斯公式与出射光瞳衍射公式 56

习题 62

参考文献 63

第3章 衍射积分的解析解及应用 65

3.1 夫琅禾费衍射的计算 65

3.1.1 矩形孔的夫琅禾费衍射 65

3.1.2 圆形孔的夫琅禾费衍射 66

3.1.3 振幅型正弦光栅的夫琅禾费衍射 68

3.1.4 相位型正弦光栅的夫琅禾费衍射 70

3.2 矩形孔及正弦振幅光栅的菲涅耳衍射 72

3.2.1 矩形孔的菲涅耳衍射 72

3.2.2 直边衍射条纹的间距公式 76

3.2.3 正弦振幅光栅的菲涅耳衍射 77

3.3 矩形孔衍射场半解析公式的应用 80

3.3.1 用菲涅耳函数表示菲涅耳衍射 80

3.3.2 折射棱镜阵列的衍射场 82

3.3.3 空间曲面衍射场的计算 85

习题 90

参考文献 91

第4章 衍射积分的快速傅里叶变换计算 93

4.1 离散傅里叶变换与傅里叶变换的关系 93

4.1.1 空域连续函数的离散及延拓 94

4.1.2 离散傅里叶变换与傅里叶变换的关系 95

4.2 菲涅耳衍射的快速傅里叶变换计算 98

4.2.1 菲涅耳衍射积分的S-FFT算法 98

4.2.2 菲涅耳衍射的S-FFT计算与实际测量的比较 101

4.2.3 菲涅耳衍射的卷积算法 102

4.2.4 菲涅耳衍射变换及其在二元光学设计中的应用 105

4.3 经典衍射积分的数值计算 110

4.3.1 基尔霍夫衍射传递函数及衍射计算 111

4.3.2 瑞利-索末菲衍射传递函数及衍射计算 112

4.3.3 衍射的角谱传递函数及计算 113

4.3.4 不同衍射积分的计算实例 114

4.3.5 不同传递函数之间的关系 117

4.3.6 经典衍射积分的逆运算 118

4.4 菲涅耳衍射的分数傅里叶变换表示及其计算 119

4.4.1 分数傅里叶变换的定义 120

4.4.2 分数傅里叶变换的几个基本性质 120

4.4.3 分数傅里叶变换与菲涅耳积分的比较 121

4.4.4 FRT的D-FFT算法及菲涅耳衍射的计算 123

4.4.5 二维光波场衍射的FRT计算及实验证明 126

4.4.6 不同计算方法中衍射场的空间宽度比较 128

4.5 柯林斯公式及其逆运算 129

4.5.1 柯林斯公式 129

4.5.2 柯林斯公式的S-FFT计算 130

4.5.3 柯林斯公式的D-FFT计算 131

4.5.4 柯林斯公式逆运算满足取样定理的条件 133

4.5.5 数值计算及实验证明 133

习题 137

参考文献 137

第5章 光学成像系统 139

5.1 透镜的光学变换性质 139

5.1.1 物体在透镜前 139

5.1.2 物体在透镜后 143

5.1.3 透镜孔径引起的渐晕效应 145

5.2 衍射受限成像 146

5.2.1 衍射受限成像系统的脉冲响应 147

5.2.2 衍射受限成像系统像光场的计算 150

5.2.3 衍射受限成像实验及理论模拟 151

5.3 衍射受限成像系统的相干传递函数 152

5.3.1 出射光瞳较大时的脉冲响应表达式 152

5.3.2 衍射受限成像系统的相干传递函数 153

5.3.3 像差对系统传递函数的影响 154

5.4 衍射受限系统的非相干传递函数 155

5.4.1 衍射受限系统的光学传递函数 156

5.4.2 衍射受限系统的光学传递函数和相干传递函数的关系 158

5.4.3 光学传递函数的一般性质和意义 159

5.4.4 衍射受限系统的OTF的计算 161

5.4.5 有像差的光学传递函数OTF 164

5.4.6 有离焦像差的光学传递函数及成像计算 165

5.5 相干成像与非相干成像系统的比较 171

5.5.1 两个点物像分辨极限的比较 171

5.5.2 像强度频谱的比较 173

5.5.3 图像阶跃边沿响应的比较与分析 174

5.5.4 相干光照明的散斑效应 178

习题 179

参考文献 180

第6章 部分相干理论 181

6.1 引言 181

6.2 可见度 183

6.3 互相干函数及相干度 186

6.4 时间相干和空间相干 190

6.5 恒星干涉仪 194

习题 196

参考文献 196

第7章 光学信息处理 197

7.1 阿贝二次成像理论和阿贝-波特实验 197

7.1.1 阿贝二次成像理论 197

7.1.2 阿贝-波特实验 198

7.2 空间频率滤波系统和空间滤波器 202

7.2.1 空间频率滤波系统 202

7.2.2 空间滤波器 204

7.2.3 Vanderlugt滤波器 205

7.2.4 Vanderlugt滤波器的使用 207

7.3 空间滤波器的应用实例 209

7.3.1 策尼克相衬显微镜 209

7.3.2 Maréchal的工作和补偿滤波器 210

7.4 相干光信息处理系统 211

7.4.1 多重像的实现 212

7.4.2 图像的相减和相加 213

7.4.3 图像的特征识别 215

7.4.4 逆滤波器和图像的恢复 218

7.5 非相干光信息处理系统 220

7.5.1 两幅图像乘积的积分 221

7.5.2 两幅图像的卷积和相关运算 221

习题 222

参考文献 223

第8章 全息照相 224

8.1 全息照相的基本原理 224

8.1.1 平面波形成的全息图——全息光栅 226

8.1.2 点光源形成的全息图 244

8.1.3 同轴全息图和离轴全息图 252

8.1.4 菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图以及傅里叶变换全息图 267

8.2 几种其他主要类型的全息图 273

8.2.1 体积（厚）全息图 273

8.2.2 白光再现全息图 281

8.2.3 浮雕全息图 285

8.2.4 计算机全息图 290

8.2.5 脉冲全息图 293

8.3 全息记录材料 294

8.3.1 卤化银乳胶全息图 294

8.3.2 光导热塑全息图 294

8.3.3 光折变晶体全息图 296

8.3.4 重铬酸明胶全息图 298

8.3.5 光致抗蚀剂全息图 301

8.3.6 光致聚合物全息图 301

8.4 全息照相实验 302

8.4.1 基本设备和器件 302

8.4.2 光路布置注意事项 309

8.4.3 激光安全 313

8.5 全息照相的应用概况 314

8.5.1 全息显示 314

8.5.2 全息光学元件 316

8.5.3 全息信息存储 317

习题 318

参考文献 320

第9章 全息干涉计量 323

9.1 全息干涉计量的基本原理和方法 323

9.1.1 单曝光法或实时全息法 324

9.1.2 双曝光法或二次曝光法 337

9.1.3 连续曝光法或时间平均法 354

9.2 全息干涉计量中的一些特殊技术 358

9.2.1 提高相位测量灵敏度的一些方法 358

9.2.2 外差全息干涉计量术 374

9.2.3 全息等值线法 376

9.2.4 比较全息干涉计量术 381

9.2.5 全息剪切干涉计量方法 387

9.2.6 实时全息的一些特殊方法 390

9.2.7 大型结构的全息检测——大景深全息技术 416

9.3 全息干涉计量技术的应用 428

9.3.1 全息干涉计量技术的应用近况 428

9.3.2 记录材料的进展 457

9.3.3 全息系统的智能化、小型化、多功能化 463

9.3.4 脉冲全息与高功率激光的实时全息研究高速瞬变物理现象 469

习题 486

参考文献 489

第10章 数字全息 502

10.1 平滑波面数字全息的基本理论 502

10.1.1 基于菲涅耳衍射积分及其逆运算的数字全息 503

10.1.2 菲涅耳数字全息波面重建系统的脉冲响应 506

10.1.3 消除波面重建噪声的讨论 516

10.1.4 傍轴光学系统的数字全息 525

10.2 数字全息的统计光学表述 533

10.2.1 散射光的统计光学理论 533

10.2.2 散射光波场的傅里叶变换重建 535

10.2.3 散射光波场的卷积重建 537

10.2.4 消零级衍射干扰的物平面光波场高保真卷积重建 545

10.3 相位型数字全息图及波面重建 551

10.3.1 相位型数字全息图的形成及波面重建 552

10.3.2 理论模拟及实验证明 554

10.4 散射光的真彩色数字全息 557

10.4.1 三基色光波重建计算涉及的主要问题 557

10.4.2 真彩色图像重建实验 559

10.5 数字微镜及在全息显示中的应用 563

10.5.1 数字微镜工作原理 563

10.5.2 全息图的数字微镜显示 565

10.5.3 数字微镜重建图像系统的瞬时脉冲响应 567

10.5.4 DMD重建图像的近似计算及实验证明 570

10.5.5 基于DMD的数字合成全息技术 572

10.6 数字全息在无损检测中的应用 574

10.6.1 实时数字全息检测透明物应力分布 574

10.6.2 物体三维形貌的数字全息检测 581

10.6.3 三维粒子场检测 585

习题 591

参考文献 592

第11章 光波分复用通信技术中的基本器件与网络系统 595

11.1 光波在光纤中的传播 595

11.1.1 光纤中光传播的几何光学近似 596

11.1.2 光纤中光传播的波动光学理论 601

11.2 光纤Bragg光栅 609

11.2.1 光纤光栅的写入 609

11.2.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论 611

11.2.3 光纤Bragg光栅的应用 618

11.3 光子晶体光纤 621

11.4 光波在波导中的传播 623

11.4.1 波导中光传播的几何光学近似 624

11.4.2 波导中光传播的波动光学理论 626

11.5 平面阵列波导光栅 639

11.6 光信号的发送、接收和放大 640

11.6.1 半导体激光器 640

11.6.2 半导体光探测器 644

11.6.3 光纤放大器 646

11.7 光纤网络 650

11.7.1 光波分复用网络 650

11.7.2 光纤网络的测试 652

习题 663

参考文献 663