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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

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