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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