绪论 1
第1章 傅里叶分析 4
1.1 一些常用函数 4
1.2 脉冲函数 7
1.2.1 δ函数的定义与性质 7
1.2.2 梳状函数 10
1.3 卷积 11
1.3.1 卷积的定义 11
1.3.2 卷积运算定律 14
1.3.3 包含脉冲函数的卷积 14
1.4 相关 16
1.4.1 互相关 16
1.4.2 自相关 17
1.4.3 有限功率函数的相关 19
1.5 正交矢量空间和正交函数系 20
1.5.1 正交矢量空间 20
1.5.2 正交函数系 21
1.6 傅里叶级数 23
1.6.1 三角傅里叶级数 23
1.6.2 指数傅里叶级数 27
1.7 傅里叶变换 29
1.7.1 傅里叶变换定义及存在条件 29
1.7.2 广义傅里叶变换 31
1.7.3 虚、实、奇、偶函数傅里叶变换的性质 31
1.7.4 傅里叶变换定理 32
1.7.5 可分离变量函数的变换 33
1.7.6 傅里叶-贝塞尔变换 34
1.7.7 周期函数的变换 35
1.7.8 一些常用函数的傅里叶变换式 36
习题 39
第2章 二维线性系统 44
2.1 线性系统 44
2.1.1 用数学算符表示系统 44
2.1.2 线性系统的定义 45
2.1.3 脉冲响应 45
2.2 线性不变系统 47
2.2.1 线性不变系统的定义 47
2.2.2 线性不变系统的传递函数 48
2.2.3 线性不变系统的本征函数 50
2.2.4 线性不变系统作为滤波器 52
2.2.5 级联系统 54
2.2.6 线响应和直边响应 56
2.3 抽样定理 57
2.3.1 函数的抽样 59
2.3.2 函数的还原 60
2.3.3 空间带宽积 61
习题 62
第3章 标量衍射理论 65
3.1 光波的数学描述 65
3.1.1 单色光波场的复振幅表示 66
3.1.2 球面波 66
3.1.3 平面波 69
3.1.4 平面波的空间频率 70
3.1.5 局部空间频率 73
3.1.6 复振幅分布的空间频谱（角谱） 74
3.2 基尔霍夫衍射理论 75
3.2.1 惠更斯-菲涅耳原理 75
3.2.2 亥姆霍兹方程 75
3.2.3 亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理 76
3.2.4 基尔霍夫衍射公式 77
3.2.5 光波传播的线性性质 80
3.3 衍射的角谱理论 82
3.3.1 角谱的传播 82
3.3.2 孔径对角谱的影响 85
3.4 菲涅耳衍射 87
3.4.1 菲涅耳衍射公式 87
3.4.2 菲涅耳衍射的例子——泰伯效应 90
3.5 夫琅禾费衍射 93
3.5.1 夫琅禾费衍射公式 93
3.5.2 一些简单孔径的夫琅禾费衍射 94
3.6 衍射的巴比涅原理 101
3.7 衍射光栅 102
3.7.1 列阵定理 102
3.7.2 线光栅 103
3.7.3 余弦型振幅光栅 107
3.7.4 正弦型位相光栅 109
3.7.5 矩形位相光栅 111
3.8 菲涅耳衍射和分数傅里叶变换 113
3.8.1 分数傅里叶变换的定义和性质 113
3.8.2 用菲涅耳衍射实现分数傅里叶变换 114
习题 117
第4章 透镜的位相调制和傅里叶变换性质 120
4.1 透镜的位相调制作用 120
4.1.1 透镜对于入射波前的作用 120
4.1.2 透镜的厚度函数 121
4.1.3 透镜的复振幅透过率 123
4.2 透镜的傅里叶变换性质 125
4.2.1 物体紧靠透镜放置 126
4.2.2 物体放置在透镜前方 127
4.2.3 物体放置在透镜后方 129
4.2.4 透镜孔径的影响 131
4.3 光学频谱分析系统 135
4.3.1 系统 135
4.3.2 应用 136
习题 137
第5章 光学成像系统的频率特性 139
5.1 透镜的成像性质 140
5.2 成像系统的一般分析 144
5.2.1 成像系统的普遍模型 144
5.2.2 阿贝成像理论 145
5.2.3 单色光照明的衍射受限系统 146
5.2.4 非单色光照明 147
5.3 衍射受限的相干成像系统的频率响应 148
5.3.1 相干传递函数 148
5.3.2 相干传递函数计算和运用实例 150
5.3.3 相干传递函数的角谱解释 153
5.3.4 相干线响应函数和直边响应函数 154
5.4 衍射受限的非相干成像系统的频率响应 155
5.4.1 非相干照明时的物像关系式 155
5.4.2 光强的空间频谱 156
5.4.3 光学传递函数的定义及物理意义 157
5.4.4 OTF与CTF的联系 159
5.4.5 衍射受限系统的OTF 160
5.4.6 衍射受限系统的OTF计算和运用实例 161
5.4.7 非相干线响应和直边响应函数 163
5.5 像差对成像系统传递函数的影响 165
5.5.1 广义光瞳函数 165
5.5.2 像差对CTF的影响 166
5.5.3 像差对OTF的影响 166
5.5.4 离焦系统的OTF分析 168
5.6 光学传递函数的测量 171
5.7 相干与非相干成像系统的比较 172
5.7.1 截止频率 172
5.7.2 两点的分辨率 173
5.7.3 相干噪声 174
5.7.4 空间带宽积和自由度 175
5.8 光学链 176
5.8.1 光学链及其频率响应 176
5.8.2 一些典型环节和器件的传递函数 178
习题 179
第6章 部分相干理论 183
6.1 实多色场的复值表示 184
6.2 光场相干性的一般概念 185
6.2.1 时间相干性 185
6.2.2 空间相干性 187
6.3 互相干函数 188
6.3.1 互相干函数和复相干度 188
6.3.2 互相干函数的谱表示 191
6.4 相干度的测量 192
6.4.1 干涉条纹对比度与复相干度的关系 192
6.4.2 时间相干性测量 193
6.4.3 空间相干性测量 194
6.5 傅里叶变换光谱学 194
6.5.1 傅里叶变换光谱学原理 194
6.5.2 相干时间与有效谱宽 196
6.6 准单色光的干涉 197
6.7 准单色光的传播和衍射 200
6.7.1 互强度的传播 200
6.7.2 薄透明物体对互强度的影响 204
6.7.3 部分相干光的衍射 205
6.7.4 传播现象的空间频率域分析 209
6.8 范西特-泽尼克定理 210
6.8.1 范西特-泽尼克（Van Cittert-Zernike）定理的推导 210
6.8.2 均匀圆形光源的例子 213
6.8.3 迈克尔逊测星干涉仪 216
6.9 部分相干场中透镜的傅里叶变换性质 217
6.10 部分相干光成像 221
6.10.1 物像平面互强度的关系 221
6.10.2 相干成像与非相干成像的极端情况 222
6.10.3 系统的频率响应 224
习题 226
第7章 全息术 228
7.1 引言 228
7.2 波前记录与重建 229
7.2.1 波前记录 230
7.2.2 波前重建 231
7.3 同轴全息图和离轴全息图 232
7.3.1 同轴全息图 232
7.3.2 离轴全息图 234
7.4 基元全息图分析 237
7.4.1 基元光栅 237
7.4.2 基元波带片 点源全息图 239
7.5 几种不同类型的全息图 243
7.5.1 菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图 像全息图 243
7.5.2 傅里叶变换全息图 245
7.5.3 彩虹全息图 249
7.5.4 位相全息图 251
7.5.5 模压全息图 252
7.5.6 合成全息图 253
7.5.7 彩色全息图 254
7.6 平面全息图的衍射效率 255
7.6.1 振幅全息图的衍射效率 255
7.6.2 位相全息图的衍射效率 256
7.7 体积全息图 257
7.7.1 体全息光栅 257
7.7.2 透射体积全息图 259
7.7.3 反射体积全息图 260
7.7.4 耦合波理论 261
7.7.5 相位型体光栅的衍射效率 263
7.8 计算全息图 265
7.8.1 概述 265
7.8.2 抽样、计算和编码 266
7.8.3 迂回位相全息图 269
7.8.4 改进的离轴计算全息图 272
7.8.5 计算全息干涉图 273
7.8.6 相息图 275
7.9 二元光学 276
7.9.1 衍射光学元件 276
7.9.2 二元光学元件 276
7.9.3 二元光学元件的制作 279
7.10 记录介质 281
7.10.1 卤化银乳胶 281
7.10.2 重铬酸盐明胶（DCC） 284
7.10.3 光致抗蚀剂 285
7.10.4 光致聚合物 285
7.10.5 光折变材料 286
7.10.6 光导热塑料 287
7.11 全息术的应用 288
7.11.1 全息干涉计量 289
7.11.2 全息光学元件 295
7.11.3 全息显微术 299
7.11.4 全息信息存储 300
7.12 数字全息术 302
7.12.1 引言 302
7.12.2 数字全息术的基本原理 303
7.12.3 各种数字全息术 306
7.12.4 数字全息干涉术 311
习题 311
第8章 光学信息处理 314
8.1 引言 314
8.1.1 什么是光学信息处理 314
8.1.2 简要历史 315
8.1.3 光学处理与数字处理的比较 315
8.2 相干滤波的基本原理 316
8.2.1 阿贝-波特实验 316
8.2.2 空间滤波的傅里叶分析 317
8.2.3 相干滤波的基本原理和运算 323
8.2.4 系统和滤波器 324
8.3 简单振幅滤波的例子 327
8.3.1 低通滤波——消除图像上周期性网格 327
8.3.2 高通滤波——用于边缘增强 327
8.3.3 带通或方向滤波——用于信号或缺陷检测 328
8.4 位相滤波——泽尼克相衬法 328
8.5 光栅滤波器的应用——图像加减和微分 330
8.5.1 光栅滤波器——用于图像加减 330
8.5.2 复合光栅滤波器——用于图像微分 332
8.6 光学图像识别 334
8.6.1 全息滤波器的制作和工作原理 334
8.6.2 匹配滤波器（Matched Filter） 336
8.6.3 体全息相关识别 338
8.6.4 联合变换相关器（Joint Transform Correlator） 339
8.6.5 光电混合图像识别系统 340
8.6.6 实现空间不变的图像识别的方法 342
8.7 图像复原 344
8.7.1 补偿滤波器 345
8.7.2 逆滤波器（Inverse Filter） 345
8.7.3 维纳滤波器（Wiener Filter） 347
8.8 非相干光处理 348
8.8.1 相干与非相干光处理的比较 348
8.8.2 基于衍射的非相干空间滤波——OTF或PSF综合 349
8.8.3 基于几何光学的非相干处理 353
8.9 白光信息处理 355
8.9.1 白光处理系统及其工作原理 355
8.9.2 假彩色编码 357
8.9.3 θ调制 361
8.10 光学小波变换 363
8.10.1 小波变换的定义 363
8.10.2 几种常用的小波函数 366
8.10.3 光学小波变换的实现 368
8.10.4 小波变换在光学图像识别中的应用 369
8.11 光学矩阵运算 370
8.11.1 非相干矩阵-矢量乘法器 370
8.11.2 矩阵-矩阵乘法器 372
8.11.3 处理双极性信号和复数数据 373
习题 373
第9章 散斑测量术 376
9.1 散斑现象及其分类 376
9.2 散斑照相术 379
9.2.1 散斑照相术原理 379
9.2.2 数字散斑照相术 381
9.2.3 数字散斑相关术 382
9.2.4 白光散斑照相术 383
9.3 散斑干涉术 383
9.3.1 双照明散斑干涉成像系统 383
9.3.2 电子散斑干涉术 数字散斑干涉术 384
9.3.3 剪切散斑干涉术 386
9.3.4 相移散斑干涉术 388
9.3.5 散斑测量振动 389
习题 390
第10章 傅里叶光学的其他应用 392
10.1 结构光三维测量技术 392
10.1.1 相位测量轮廓术 392
10.1.2 傅里叶变换轮廓术 394
10.2 布拉格光纤光栅 394
附录 贝塞尔函数 399
参考文献 402