光学中的散斑现象理论和应用PDF电子书下载

第1章　散斑的起源和表现 1

1.1　一般背景 1

1.2　散斑起因的直观解释 3

1.3　一些数学预备知识 4

第2章　随机相幅矢量和 6

2.1　相幅矢量和的实部和虚部的一阶矩和二阶矩 7

2.2　有大量独立步数的随机行走 8

2.3　随机相幅矢量和加上一个已知相幅矢量 11

2.4　随机相幅矢量和之和 14

2.5　有限个等长度分量的随机相幅矢量和 15

2.6　相位非均匀分布的随机相幅矢量和 18

第3章　光学散斑的一阶统计性质 21

3.1　强度的定义 21

3.2　强度和相位的一阶统计 22

3.2.1　大量的随机相幅矢量 23

3.2.2　常相幅矢量加上一个随机相幅矢量和 25

3.2.3　有限数目的等长相幅矢量 29

3.3　散斑图样的和 31

3.3.1　在振幅基础上求和 31

3.3.2　两个独立散斑强度的和 32

3.3.3　N个独立散斑强度的和 35

3.3.4　相关散斑强度的和 37

3.4　部分偏振散斑 40

3.5　部分散射散斑 42

3.6　散斑驱动的散斑或复合散斑的统计 45

3.6.1　负指数强度分布驱动的散斑 45

3.6.2　Γ强度分布驱动的散斑 47

3.6.3　Γ强度分布驱动的独立散斑图样之和 49

第4章　散斑的高阶统计性质 50

4.1　多元高斯统计 50

4.2　对散斑场的应用 51

4.3　散斑振幅、相位和强度的多维统计 53

4.3.1　振幅的联合密度函数 54

4.3.2　相位联合密度函数 55

4.3.3　强度的联合密度函数 58

4.4　散斑的自相关函数和功率谱 62

4.4.1　自由空间传播光路 62

4.4.2　成像光路 68

4.4.3　深度方向上的散斑尺寸 69

4.5　散斑对散射体微结构的依赖关系 72

4.5.1　面散射与体散射的对比 72

4.5.2　散射波的相关面积为有限的效应 72

4.5.3　一种散斑大小与散射光斑大小无关的机制 76

4.5.4　散射波的相关面积和表面高度涨落的关系——表面散射 78

4.5.5　散斑对比度对表面粗糙度的依赖关系——面散射 83

4.5.6　体散射产生的散斑的性质 86

4.6　积分和模糊的散斑的统计学 89

4.6.1　积分散斑的平均值和方差 89

4.6.2　积分强度概率密度函数的近似结果 93

4.6.3　积分强度的概率密度函数的“准确”结果 95

4.6.4　部分偏振散斑图样的积分 100

4.7　散斑强度和相位的微商的统计性质 102

4.7.1　背景 102

4.7.2　各种散射光斑形状下的参数 104

4.7.3　散斑相位的微商：散斑图样中的光线方向 105

4.7.4　散斑强度的微商 108

4.7.5　散斑图样的亮阶交叉 110

4.8　散斑图样的零点：光学涡旋 112

4.8.1　零强度出现所要求的条件 113

4.8.2　在强度零点附近散斑相位的性质 113

4.8.3　完全散射的散斑中的涡旋密度 116

4.8.4　完全散射的散斑加上一个相干背景后的涡旋密度 117

第5章　抑制散斑的光学方法 119

5.1　偏振的多样化 119

5.2　用运动漫射体进行时间平均 120

5.2.1　背景 120

5.2.2　光滑的物 126

5.2.3　粗糙的物 128

5.3　波长和角度的多样化 130

5.3.1 自由空间传播，反射光路 130

5.3.2 自由空间传播，透射光路 139

5.3.3　成像光路 142

5.4　减弱时间和空间相干性 143

5.4.1　光学中的相干性概念 144

5.4.2　运动的漫射体和相干性的减弱 146

5.4.3　通过减弱时间相干性抑制散斑 148

5.4.4　通过减弱空间相干性抑制散斑 151

5.5　用时间相干性破坏空间相干性 157

5.6　复合散斑抑制技术 158

第6章　某些成像应用中的散斑 159

6.1　眼睛中的散斑 159

6.2　全息术中的散斑 161

6.2.1　全息术的原理 161

6.2.2　全息像中的散斑抑制 163

6.3　光学相干层析术中的散斑 165

6.3.1　OCT成像技术简介 165

6.3.2　OCT的分析 166

6.3.3　OCT中的散斑和散斑抑制 169

6.4　光学投影显示中的散斑 172

6.4.1　投影显示的剖析 173

6.4.2　投影显示中的散斑抑制 176

6.4.3　偏振多样性 177

6.4.4　运动屏幕 178

6.4.5　波长多样性 179

6.4.6　角度多样性 179

6.4.7　投影光学系统的留有余量的设计 181

6.4.8　将变化的漫射体投影到屏幕上 182

6.4.9　专门设计的屏幕 191

6.5　投影微光刻中的散斑 193

6.5.1　准分子激光的相干性质 193

6.5.2　时域散斑 194

6.5.3　从曝光涨落到线位置的涨落 196

第7章　某些非成像应用中的散斑 198

7.1　多模光纤中的散斑 198

7.1.1　光纤中的模式噪声 200

7.1.2　限定散斑的统计性质 201

7.1.3　模式噪声对频率的依赖关系 205

7.2　散斑对光学雷达性能的影响 209

7.2.1　从远程目标返回的散斑场的空间相关性 210

7.2.2　低光照水平下的散斑 213

7.2.3　探测统计分布——直接探测 216

7.2.4　探测统计分布——外差探测 220

7.2.5　直接探测与外差探测的比较 228

7.2.6　降低光学雷达探测系统中散斑的影响 230

第8章　散斑与计量学 232

8.1　散斑照相术 232

8.1.1　面内位移 233

8.1.2　仿真 235

8.1.3　谱Ik（vX,vY）的性质 237

8.1.4　对移动量（x0,y0）的限制 239

8.1.5　多散斑图窗口分析 240

8.1.6　物体转动 241

8.2　散斑干涉术 242

8.2.1　使用照相探测的系统 242

8.2.2　电子散斑干涉术（ESPI） 245

8.2.3　剪切散斑干涉术 248

8.3　从条纹图样到相位分布图 250

8.3.1　傅里叶变换法 250

8.3.2　相移散斑干涉术 252

8.3.3　相位展开 253

8.4　用散斑测量振动 254

8.5　散斑与表面粗糙度的测量 257

8.5.1 由散斑对比度得到表面高度的均方差值和表面协方差面积 258

8.5.2 由两个波长的退相关得到表面高度的均方差 259

8.5.3 由两个角度的退相关得到表面高度的均方差 259

8.5.4　由测量角功率谱得到表面高度标准偏差和协方差函数 260

第9章　通过大气成像中的散斑 262

9.1　背景 262

9.1.1　大气中折射率的涨落 262

9.2　短曝光和长曝光的点扩展函数 263

9.3 长曝光和短曝光的平均光学传递函数 265

9.4　短曝光OTF和MTF的统计性质 267

9.5　天文散斑干涉测量术 271

9.5.1　可恢复的物信息 271

9.5.2　对散斑传递函数形式的更完整的分析结果 275

9.6 交叉谱或Knox-Thompson技术 275

9.6.1　交叉频谱传递函数 275

9.6.2　从交叉谱恢复全部物信息 277

9.7　双频频谱（Bispectrum）技术 278

9.7.1　双频频谱传递函数 279

9.7.2　从双频频谱恢复完全的物信息 280

9.8　散斑相关成像术 281

附录A　散斑场的线性变换 283

附录B　部分散射散斑的对比度 286

附录C　得出强度和相位微商的统计性质的计算 290

C.1　相关矩阵 290

C.2　相位微商的联合密度函数 293

C.3　强度微商的联合密度函数 293

附录D　散斑对波长及角度依赖关系的分析 295

D.1 自由空间光路 295

D.2　成像光路 298

附录E　当动态漫射体投影到随机屏上时的散斑对比度 303

E.1　随机相位漫射体 303

E.2　漫射体刚好充满投影光学系统 305

E.3　漫射体充溢投影光学系统 306

附录F　限定散斑的统计 307

附录G　模拟散斑的Mathematica程序范例 309

G.1 自由空间传播中的散斑模拟 309

G.2　成像光路中的散斑模拟 309

参考文献 313