目录 1
前言 1
第一章 理想光学系统及其变换 1
§1-1 系统及其数学算符表示 2
1-1.1 系统的概念 2
1．系统的定义 2
2．系统的结构与功能 2
3．系统的分类 3
1-1.2 用数学算符表示系统 3
1．系统模型 3
2．数学算符 4
1-1.3 线性系统和平移不变系统 5
§1-2 理想光学系统及其共线变换原理 8
1-2.1 理想光学系统的定义 8
1-2.2 共线变换及其数学描述 9
1-3.1 焦点和牛顿公式 10
§1-3 轴对称理想光学系统的物像变换关系 10
1-3.2 主点和高斯公式 12
1-3.3 角放大率和节点 14
1-3.4 轴向放大率 16
1-3.5 傍轴条件下的变换关系式 17
§1-4 理想光学系统的组合 19
1-4.1 理想光学系统的光线光路计算 19
1．角度公式 19
1-4.2 由光路计算研究理想组合系统 20
2．过渡公式 20
1．确定组合系统的基本要素 21
2．确定组合系统的变换关系 21
3．傍轴条件下组合系统的计算公式 23
1-4.3 组合系统等效基本要素的解析式 24
1．等效光焦度公式 24
2．双子系统的等效基本要素 25
3．举例：单透镜的基本要素 27
1．平面反射镜系统 29
§1-5 典型的组合系统及其功能 29
1-5.1 无焦系统 29
2．反射棱镜系统 31
3．双子无焦系统的基本公式 35
4．望远系统 36
5．准直扩（缩）束系统 37
6．4-f图像处理系统 37
1-5.2 定焦系统 38
1．放大镜 38
2．显微镜 40
3．摄影光学系统 44
4．投影光学系统 51
5．照明光学系统 53
1-5.3 变焦系统 59
1．变焦系统的一般原理 59
2．光学补偿变焦距物镜 64
3．机械补偿变焦距物镜 66
4．变倍望远镜 71
§1-6 理想光学系统的相位变换特性 72
1-6.1 光程和几何波前 72
1-6.2 等程原理和波前变换特性 73
1-6.3 理想光学系统的相位变换特性 74
1．一般的相位分布式 74
2．傍轴条件下的相位变换函数 75
1-6.4 满足理想相位变换性质的非球面系统 76
1．轴对称曲面方程 76
2．等光程的反射非球面 76
3．等光程的折射非球面 78
4．非球面透镜 79
§1-7 光学系统对信息的变换特性 79
1-7.1 通信和信息论的基本概念 79
1．通信系统模型 79
2．信息及其度量 80
1-7.2 光学系统的点源响应和卷积成像原理 87
2．光学系统的点源响应 88
1．物函数的点源分解 88
3．光学系统的物象关系 89
1-7.3 光学系统的空间频率响应和空间滤波成像原理 90
1．光学图像的空间频谱 90
2．光学系统的频率响应 91
3．光学系统空间滤波成像 92
1-7.4 光学图像的信息量和取样定理 92
1．空域函数的取样定理 93
2．频域函数的取样定理 96
3．光学图像的信息量和熵 96
1-7.5 光学系统的信息容量和空间带宽积 98
1．光学信号体积 98
2．光学系统的信息容量和空间带宽积 99
3．空间带宽积和拉氏不变量的关系 100
§1-8 光学系统对光能的传输特性 100
1．光辐射（能）通量和光通量 101
1-8.1 表示光能的物理量 101
2．辐射强度和发光强度 103
3．辐照度和光照度 105
4．光能出射度 105
5．亮度 105
1-8.2 光能的自由传播 109
1．点光源的发光辐射特性 109
2．等亮度面光源的辐射特性 111
3．光束能量的传递特性 112
1-8.3 理想光学系统对辐射能的传递规律 114
1．拉氏不变量和斯特劳贝尔定理 114
2．理想系统对亮度的变换 114
3．理想系统的正弦条件 115
4．理想系统的像面照度 116
1-8.4 光学系统对能量的有效利用率 117
1．系统的光能损失和传光效率 117
2．光束能量衰减传递关系式 118
3．光学介质及界面的光能损失 118
4．系统传光效率的估算 120
1．像平面中心处的照度公式 121
1-8.5 像面照度与光学系统参量之间的关系 121
2．轴外视场的像面照度公式 122
习题 124
第二章 实际光学系统的几何成像特性 129
§2-1 概述 129
2-1.1 光学材料 130
1．光学玻璃 130
3．光学塑料 132
2．光学晶体 132
4．反射光学材料 133
5．光学介质膜 133
2-1.2 光学系统的理想参量和像差 134
1．理想参量 134
2．像差 134
3．典型光组应校正的主要像差 135
2-1.3 计算和校正像差的谱线选择 136
§2-2 光线光路计算 139
2-2.1 几个基本概念和常用术语 140
2-2.2 符号规则 142
2-2.3 子午面内三角描光路公式 143
2-2.4 子午面傍轴光路计算公式 144
2-2.5 初始数据和数据处理 145
§2-3 轴上物点单色光成像的几何像差 146
2-3.1 球差的定义和表示方法 146
1．球差的幂级数表示式 148
2-3.2 球差的分类及特性 148
2．初级球差和高级球差 149
2-3.3 球差的校正及剩余带球差 149
1．初级球差的校正 149
2．初、高级球差的平衡和带球差 150
2-3.4 球差的分布 151
1．初级球差的分布表示式 151
2．不产生球差的条件 152
3．单球面产生球差的大小和正负的分析 152
1．不晕透镜 154
2-3.5 单透镜的球差特性 154
2．具有最小球差（绝对值）的透镜弯曲形式 155
§2-4 近轴物点成像的单色光线像差 157
2-4.1 正弦差和它的计算表示式 157
1．正弦差的定义 157
2．OSC′的计算公式 158
2-4.2 垂轴面元的等晕成像和不晕成像 159
1．等晕成像 159
2．正弦条件和不晕成像 160
2-4.3 正弦差的分类及分布 161
1．正弦差的级数表示式 161
2．初级正弦差的分布 161
§2-5 轴外物点成像的单色光线像差 162
2-5.1 轴外细光束像差 162
1．像散和场曲 162
2．畸变 165
1．彗差 166
2-5.2 轴外宽光束像差 166
2．宽光束场曲和轴外球差 168
§2-6 轴上物点复色光成像的几何像差 169
2-6.1 位置色差的定义及其表示方法 169
2-6.2 初级位置色差和色球差 171
2-6.3 位置色差的校正方案 172
2-6.4 初级位置色差的分布 172
1．分布公式 172
2．简单光学元件的初级位置色差 173
3．双胶合透镜的光焦度分配 174
2-6.5 二级光谱和复消色差 176
§2-7 轴外物点复色细光束成像的光线像差 176
2-7.1 倍率色差的定义及其表示 176
2-7.2 倍率色差的分类及特性 178
2-7.3 初级倍率色差的分布 179
1．分布表达式 179
2．薄透镜系统的倍率色差 179
1．子午垂轴像差的定义及表示方法 180
2-8.1 子午面内垂轴像差曲线 180
§2.8 光线像差的综合表示 180
2．子午垂轴像差与单项几何像差的对应关系 181
2-8.2 弧矢光线垂轴像差曲线 182
2-8.3 对垂轴像差曲线的综合分析 183
1．几何像差的分析和判断 183
2．离焦量的选择 184
3．光阑位置的选择 185
4．拦光和渐晕 185
§2-9 波像差 186
2-9.1 单色波像差 186
1．单色波差的定义 186
2．轴对称波差与轴向球差的关系 187
3．轴外点波差与垂轴像差的关系 188
2-9.2 因参考点移动产生的波像差 189
1．轴向离焦产生的波差 189
3．垂轴离焦产生的波差 190
2-9.3 波色差 190
2．焦深 190
2-9.4 波像差的计算 191
习题 193
第三章 光学系统的衍射映像原理及像质评价方 196
法 196
§3-1 光波场的数学描述 196
3-1.1 单色稳态光波场 196
2．光波场的强度、功率和能量 197
1．波场的复振幅 197
3．光屏函数 198
3-1.2 平面波场的复振幅和空间频率 198
3-1.3 球面波场的复振幅 201
1．一般公式 201
2．菲涅耳近似的球面波场 202
3．菲涅耳球面波的远场近似 202
4．傍轴近似下的球面波场 203
3-1.4 柱面波场的复振幅 203
1．高斯束的复振幅表示式 204
3-1.5 高斯球面波场的复振幅 204
2．高斯束在自由空间的传播特性 205
3．光学系统对高斯光束的变换 207
§3-2 光波场的叠加特性 213
3-2.1 两波场的叠加公式 213
3-2.2 光波场的相干特性 215
1．相关函数 215
2．复相干度 216
3．相干特性分析 216
1．相干场 221
3-2.3 光波场的线性叠加 221
2．非相干场 222
3．部分相干场 222
§3-3 受限单色波场的衍射积分变换 224
3-3.1 受限波场的衍射变换特性 225
3-3.2 波场的一般衍射积分变换 226
1．瑞利-索末菲衍射积分公式 227
3-3.3 菲涅耳变换式 228
2．菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式 228
3-3.4 夫琅和费变换式 229
§3-4 光学系统的衍射映像 230
3-4.1 利用衍射积分计算系统的变换场 230
1．逐次利用衍射积分法 230
2．几何光学等效一次衍射积分法 231
3-4.2 理想系统的衍射变换和光瞳函数 231
1．薄透镜的傍轴衍射成像特性 232
2．一般理想系统的衍射成像 236
3．实际光学系统的衍射成像和广义光瞳函数 237
§3-5 像质评价标准和测试方法 238
3-5.1 中心亮点法和星点检验 239
3-5.2 瑞利判据和波前变形测量 241
3-5.3 分辨率及其测量方法 242
3-5.4 光学传递函数（OTF） 245
1．基元广延物函数-正弦波光栅 246
2．正弦波光栅的衍射像 247
3．光学传递函数的表示式 248
4．OTF与其它像质评价标准之间的关系 250
3-5.5 保真度、相对结构含量和相关量 252
3-5.6 光线像差的容限 254
1．点列图 254
2．像差容限 255
习题 257
第四章 傅里叶光学映像原理和传递函数 261
§4-1 光信号的傅里叶分析 262
4-1.1 时变光信号的傅里叶分析 262
1．一维傅里叶分解式 262
2．实多色光信号的复解析表示 264
3．准单色光的相幅矢量 266
4-1.2 空变光信号的傅里叶分析 267
1．二维傅里叶分解式 267
2．复振幅傅里叶分解的物理解释 268
3．实空变光信号的二维傅里叶分解式 268
4．实函数傅里叶分解的物理解释 269
5．空变实函数的复解析表示 270
§4-2 利用光学系统实现光信号的傅里叶变换 274
4-2.1 自由空间传播系统的傅氏变换性质 274
4-2.2 透镜的二维傅氏变换性质 274
4-2.3 傅氏变换物镜 278
1．普通物镜傅氏变换功能的局限性 278
2．傅氏变换物镜的特性 280
4-3.1 单透镜的两次傅氏变换成像 281
§4-3 光学系统两次傅里叶变换成像分析 281
4-3.2 双子共焦系统的两次傅氏变换成像 282
§4-4 光学系统的传递函数 284
4-4.1 光学系统对空间频谱的滤波变换——传递函数 284
4-4.2 自由空间传播系统的传递函数 287
1．平面波谱的自由传播规律 287
2．光栅衍射自成像 289
3．受限波场的频谱展宽 290
1．物像关系 291
4-4.3 相干成像系统的传递函数 291
2．相干传递函数、点源响应和光瞳函数的相互关系 292
3．无像差系统的相干传递函数 293
4．像差及照明方式对相干传递函数的影响 294
4-4.4 非相干成像系统的传递函数 295
1．物像变换关系 295
2．光学传递函数、点扩散函数和光瞳函数的关系 296
3．归一化传递函数及其特性 297
4．无像差系统的光学传递函数 299
5．像差对光学传递函数的影响 301
§4-5 相干和非相干成像的比较 303
4-5.1 相干和非相干传递函数的关系 304
4-5.2 像强度的频谱 305
4-5.3 系统的分辨率 307
4-5.4 直边衍射像 308
§4-6 光学传递函数的计算和测量 310
4-6.1 光学传递函数计算简介 310
1．几何光学传递函数的计算 311
2．计算举例 313
3．波动光学传递函数的计算 315
4．多色光学传递函数的计算 317
4-6.2 光学传递函数的测量方法 319
§4-7 级联系统的传递函数 322
4-7.1 级联系统的传递函数公式 323
1．双子系统的级联 323
2．大气扰动系统 324
1．平移模糊系统 324
4-7.2 不同类型子系统的传递函数 324
2．多子级联系统 324
3．光电探测器 325
4．电子网络系统 325
5．摄影胶片 325
6．人眼的传递函数和可辨阈曲线 327
习题 328
第五章 光全息映像术 331
1．光信号携带信息的参量 332
§5-1 光全息映像的基本原理 332
5-1.1 波场的空间编码记录——全息图 332
2．光信号编码的数学描述 333
3．全息编码图的记录——全息底片 334
5-1.2 全息图的解码——重现全息像 336
5-1.3 全息映像的体视效应 338
1．光学全息系统的互连网络 338
2．漫射和非漫射全息术的特点 339
3．全息映像的体视效应 341
4．用细光束解码时重现像的特性 342
5-1.4 全息图的空间频谱 343
1．全息图的傅里叶？ 343
2．记录离轴全息图的最小参考角 344
5-1.5 全息图的信息存储容量 344
1．全息胶片的信息存储容量 344
2．全息图的二维空间带宽积 344
§5-2 理想全息映像规律的几何分析 345
1．两点源的干涉场强分布 346
5-2.1 点源波场的编码记录——基元全息图 346
2．基元全息图的编码光栅结构 347
5-2.2 点源照明基元全息图的重现像 350
1．点源全息像的复振幅 350
2．点源理想全息成像公式 351
5-2.3 全息图的物像共轭映射规律 353
1．全息成像系统的傍轴条件 354
2．一般全息图的物像变换关系 355
3．全息透镜的傍轴成像 356
5-2.4 全息透镜与普通光学元件的比较 358
1．普通光学元件的相位变换作用 358
2．全息透镜映像的等效模型 359
§5-3 全息成像的几何波前像差 362
5-3.1 点源全息成像的单色波差 362
1．球面波前相位差分布函数的（1/1）幂级数展开式 362
2．初级波像差 363
3．二级波像差 364
4．波差的（1/x）幂级数展开式 365
5-3.2 全息成像不产生单色像差的条件 366
5-3.3 点源全息成像的色差 368
§5-4 全息映像的主要类型及特性分析 370
5-4.1 全息映像术的分类方法 370
5-4.2 面全息映像术 374
1．线性记录全息图 374
2．衍射效率 375
3．全息像的分辨率 377
4．像面全息术 378
5．傅里叶变换全息术 380
6．夫琅和费全息术和菲涅耳全息术 385
5-4.3 体全息映像术 387
1．两平面波在传播矢量平面内的干涉场强分布 387
2．体全息图的记录 389
3．厚光瞳函数的衍射和体全息图再现 390
4．光栅衍射方程和布喇格条件 392
5．体全息的再现波长灵敏度 395
6．体全息再现角度的选择性 397
5-4.4 彩色全息映像术 398
1．多色全息术的理论分析 399
2．克服彩色面全息术中假像的方法 400
3．彩色体全息映像术 402
5-4.5 计算全息术 403
2．计算全息图的主要类型 404
1．计算全息术的过程和特点 404
3．傅里叶变换计算全息术 406
4．修正离轴参考光的计算全息术 409
§5-5 全息术的应用 410
5-5.1 全息术的实验条件和技术 410
1．光源 410
2．记录材料 414
3．全息干涉条纹对比度的优化条件 420
2．利用全息重现像再记录全息图法 422
1．接触印相法 422
5-5.2 全息图的复制 422
3．模压复制法 423
5-5.3 全息光学元件 424
1．多焦点全息透镜 425
2．色散聚焦元件 425
3．飞机平视显示器 426
4．组合全息光学元件 427
5-5.4 全息存储 428
1．全息信息存储的特点 428
2．全息存储的方法和实验装置 429
5-5.5 全息显微术 430
1．全息放大原理 430
2．借助显微镜的全息术 430
5-5.6 全息显示技术 431
1．反射全息和像面全息显示 431
2．彩虹全息术 432
3．合成双目体视全息术 435
4．双目立体彩虹全息术 436
5-5.7 全息干涉计量 437
1．单次曝光法 438
2．双次曝光法 440
3．时间平均法 440
习题 442
第六章 光子互连、光计算和光信息处理 447
6-1.1 开关的意义及类型 449
§6-1 光子开关和光学双稳态器件 449
6-1.2 光子开关器件 450
1．机-光开关 450
2．电-光开关 451
3．声-光开关 451
4．磁-光开关 452
5．光-光开关 452
6-1.3 光学双稳态系统 453
1．双稳态系统的定义 453
2．形成光学双稳态的基本原理 454
1．光学触发器和记忆元件 455
6-1.4 光学双稳态的主要用途 455
2．光放大和光取阈 456
3．二进制光逻辑操作 456
6-1.5 光学双稳态器件 457
1．主要类型 457
2．耗散型光学双稳器件 458
3．本征色散型光学双稳器件 459
§6-2 光子互连网络 460
4．混合型光学双稳器件 460
6-2.1 互连的基本概念 461
1．互连和自连 461
2．互连网络和系统 461
6-2.2 光子互连的特点 462
1．电子互连的局限性 462
2．光子互连的优越性 464
1．一对一互连网络 465
6-2.3 基本的光子互连网络 465
2．一对多互连网络 467
3．多对多互连网络 467
4．纵横互连网络 467
6-2.4 多级光子互连网络模型 468
1．Clos网络 468
2．Crossover网络 469
3．蝶式（Butterfly）互连网络 469
4．多级PS互连网络 469
6-2.5 光子互连网络的实现方法 470
1．自由空间光互连 470
2．光纤和集成光波导光互连 471
3．光电混合互连 472
§6-3 光计算 473
6-3.1 数字光计算 473
6-3.2 模拟光计算 475
1．算术运算 476
2．代数和积分运算 478
1．傅里叶变换 481
6-3.3 一些典型的光学变换 481
2．傅里叶—贝塞尔变换 482
3．菲涅耳变换 483
4．梅林（Mellin）变换 484
5．哈夫（Hough）变换 484
6．拉冬（Radon）变换和层析术 485
7．子波（Wavelet）变换 488
1．空间信号频谱分析仪 495
§6-4 光学频谱分析和空间滤波处理 495
6-4.1 光学频谱分析系统 495
2．时间信号频谱分析仪 496
6-4.2 空间滤波和信息综合 498
1．阿贝—波特空间滤波实验 499
2．相衬显微镜 503
3．瞳面滤波变迹术 504
1．具有周期结构像的恢复 505
§6-5 光学图像的加工处理 505
6-5.1 利用空间滤波提高图像对比度 505
2．衰减零频滤波提高图像对比度 506
6-5.2 利用空间滤波提高信噪比 507
1．维纳（Wiener）滤波 507
2．消除相乘噪音 508
6-5.3 光学图像的边缘增强 510
1．图像微分运算 510
2．光学差分运算 511
3．利用偏振滤波实现图像边缘增强 512
6-5.4 模糊图像的改善 514
1．用逆滤波消除模糊 515
2．逆滤波器的制作 515
§6-6 光学图像相减和目标识别 516
6-6.1 光学图像相减 517
1．复振幅相减 517
2．强度相减 518
3．彩色图像相减 520
6-6.2 相关运算和特征识别 523
1．像面相关器 523
2．光学投影相关器 523
3．时间积分相关器 524
6-6.3 匹配滤波和相关检测 525
1．匹配滤波的概念 525
2．用全息方法制作匹配滤波器 527
3．相关识别 527
6-6.4 联合变换相关器 528
§6-7 多色光信号处理 529
6-7.1 光信号的空间编码方法 530
6-7.2 用θ调制实现图形彩色显示 532
6-7.3 黑白底片的密度假彩色显示 533
1．正负底片密度假彩色编码 533
2．利用调制摄影术实现密度假彩色编码 535
6-7.4 黑白图像的空间频率假彩色编码 537
3．实时密度假彩色编码 537
1．功率谱密度的假彩色显示 538
2．空间频率实时假彩色编码 538
6-7.5 相位编码假彩色技术 539
1．相位光栅编码片的制作 539
2．相位调制光栅形成过程的物理分析 540
3．相位光栅编码片的衍射特性 541
4．不同衍射级输出彩色像的色度计算 542
2．实时色彩增强 544
6-7.7 利用黑白胶片进行彩色摄影 544
6-7.6 褪色片的彩色增强 544
1．三次曝光编码法 544
1．三色光栅的制备 545
2．利用三色光栅实现彩色编码摄影 545
3．彩色像的解码重现 546
§6-8 综合孔径信号处理 546
6-8.1 综合孔径的概念和实现方法 546
1．侧视雷达扫描的几何关系 548
6-8.2 侧视雷达射频信号的发射和回收 548
2．雷达发射信号和回波信号 549
6-8.3 解调回波信号的空间编码记录 550
6-8.4 编码透明片的光学再现特性 551
6-8.5 综合孔径雷达光学数据处理 552
§6-9 光学人工神经网络 553
6-9.1 神经网络和计算机 554
1．神经计算机的优势 554
2．神经元及其数学模型 554
3．神经网络及其特点 556
6-9.2 人工神经网络模型 558
1．Hopfield神经网络模型 559
2．简化的非线性神经网络模型 560
6-9.3 Hopfield神经网络模型的算法 561
1．外积法 561
2．内积法 562
1．外积算法光学神经网络 563
6-9.4 人工神经网络的光学模拟 563
2．内积算法光学神经网络 564
3．具有动态互连的光学神经网络 567
4．可编程的光学神经网络 569
习题 571
附录Ⅰ 对（1-2.1）式的数学推导 577
2．卷积的性质 579
3．互相关的定义 579
1．卷积的定义 579
附录Ⅱ 卷积和相关 579
4．互相关的性质 580
5．自相关的定义 580
6．自相关的性质 580
附录Ⅲ 傅里叶变换 581
1．周期函数的傅里叶分解 581
2．非周期函数的傅氏分解——傅里叶变换式 582
3．傅里叶变换的基本性质 583
4．常用函数的傅里叶变换 587
参考文献 594