傅里葉光學導論（第四版）

目錄
第1章 引言 1
1.1 光學、信息和通信 1
1.2 本書內容概述 1
第2章 二維信號和系統(tǒng)的分析 3
2.1 二維傅里葉分析 3
2.1.1 定義與存在性條件 4
2.1.2 傅里葉變換作為分解式 6
2.1.3 傅里葉變換定理 7
2.1.4 可分離變量的函數(shù) 9
2.1.5 具有圓對稱性的函數(shù)：傅里葉-貝塞爾變換 10
2.1.6 一些常用的函數(shù)和有用的傅里葉變換對 11
2.2 空間頻率和空間頻率局域化 14
2.2.1 局域空間頻率 14
2.2.2 維格納分布函數(shù) 17
2.3 線性系統(tǒng) 21
2.3.1 線性性質與疊加積分 22
2.3.2 線性不變系統(tǒng)：傳遞函數(shù) 23
2.4 二維抽樣理論 24
2.4.1 Whittaker-Shannon抽樣定理 25
2.4.2 過抽樣、欠抽樣和頻譜混淆 28
2.4.3 空間-帶寬積 30
2.5 離散傅里葉變換 30
2.6 片投影定理 32
2.7 從傅里葉變換值的大小恢復相位 34
習題 35
第3章 標量衍射理論基礎 39
3.1 歷史引言 39
3.2 從矢量理論到標量理論 42
3.3 若干數(shù)學預備知識 45
3.3.1 亥姆霍茲方程 45
3.3.2 格林定理 46
3.3.3 亥姆霍茲和基爾霍夫的積分定理 46
3.4 平面屏幕衍射的基爾霍夫公式 49
3.4.1 積分定理的應用 49
3.4.2 基爾霍夫邊界條件 50
3.4.3 菲涅耳-基爾霍夫衍射公式 51
3.5 瑞利-索末菲衍射公式 52
3.5.1 格林函數(shù)的別種選法 53
3.5.2 瑞利-索末菲衍射公式 55
3.5.3 邊界條件的復現(xiàn) 56
3.6 基爾霍夫理論和瑞利-索末菲理論的比較 57
3.7 惠更斯-菲涅耳原理的進一步討論 58
3.8 推廣到非單色波 59
3.9 邊界上的衍射 61
3.10 平面波的角譜 61
3.10.1 角譜及其物理解釋 62
3.10.2 角譜的傳播 63
3.10.3 衍射孔徑對于角譜的作用 65
3.10.4 傳播現(xiàn)象作為一個線性的空間濾波器 65
習題 67
第4章 菲涅耳衍射與夫瑯禾費衍射 68
4.1 背景 68
4.1.1 波場的強度 68
4.1.2 直角坐標系中的惠更斯-菲涅耳原理 70
4.2 菲涅耳近似 70
4.2.1 正相位還是負相位 72
4.2.2 菲涅耳近似的精度 73
4.2.3 二次相位指數(shù)函數(shù)的有限積分 73
4.2.4 菲涅耳近似和角譜 75
4.2.5 兩個共焦球面之間的菲涅耳衍射 76
4.2.6 菲涅耳衍射通過光線傳遞矩陣表示 77
4.3 夫瑯禾費近似 79
4.4 夫瑯禾費衍射圖樣舉例 81
4.4.1 矩形孔 81
4.4.2 圓形孔 82
4.4.3 薄正弦振幅光柵 84
4.4.4 薄正弦相位光柵 86
4.4.5 計算光柵的衍射效率的一般方法 89
4.5 菲涅耳衍射計算舉例 89
4.5.1 方孔的菲涅耳衍射 89
4.5.2 圓孔的菲涅耳衍射 92
4.5.3 正弦振幅光柵產(chǎn)生的菲涅耳衍射——塔爾博特像 93
4.6 波束光學 97
4.6.1 高斯光束 97
4.6.2 厄米-高斯光束 99
4.6.3 拉蓋爾-高斯光束 101
4.6.4 貝塞爾光束 102
習題 103
第5章 計算衍射和計算傳播 109
5.1 計算衍射的幾種方法 109
5.2 對空間置限的二次相位指數(shù)函數(shù)的抽樣 110
5.3 卷積方法 113
5.3.1 帶寬和對抽樣的考慮 113
5.3.2 離散卷積公式 114
5.3.3 模擬結果 115
5.3.4 用傅里葉變換作卷積 117
5.4 菲涅耳變換方法 117
5.4.1 抽樣增量 117
5.4.2 抽樣比Q 118
5.4.3 求所需的 M、Q 和 N 119
5.4.4 離散的衍射公式 119
5.4.5 M和N對NF的依賴關系的例子 120
5.4.6 使用菲涅耳變換方法的步驟小結 121
5.4.7 菲涅耳變換方法的計算復雜性 121
5.5 菲涅耳傳遞函數(shù)方法 122
5.5.1 抽樣考慮 122
5.5.2 對每個NF求 N、M和G 122
5.5.3 離散的衍射公式 123
5.5.4 M、N和Q對NF的依賴關系的例子 124
5.5.5 使用菲涅耳傳遞函數(shù)方法的步驟小結 125
5.5.6 菲涅耳傳遞函數(shù)方法的計算復雜性 125
5.6 精確的傳遞函數(shù)方法 126
5.6.1 在頻域中抽樣 126
5.6.2 在空域中抽樣 127
5.6.3 模擬結果 128
5.6.4 精確傳遞函數(shù)方法的計算復雜性 130
5.7 計算復雜性的比較 130
5.8 推廣到更復雜的孔徑 134
5.8.1 一維情形 134
5.8.2 在 (x， y) 坐標系中可分離變量的二維孔徑 135
5.8.3 圓對稱孔徑 135
5.8.4 更一般的情形 137
5.9 結束語 137
習題 138
第6章 相干光學系統(tǒng)的波動光學分析 140
6.1 薄透鏡作為相位變換器 140
6.1.1 厚度函數(shù) 141
6.1.2 傍軸近似 142
6.1.3 相位變換及其物理意義 142
6.2 透鏡的傅里葉變換性質 145
6.2.1 輸入緊貼透鏡 146
6.2.2 輸入在透鏡之前 148
6.2.3 輸入位于透鏡之后 150
6.2.4 光學傅里葉變換的一個例子 151
6.3 成像：單色光照明 151
6.3.1 正透鏡的脈沖響應 151
6.3.2 消去二次相位因子：透鏡定律 153
6.3.3 物和像之間的關系 156
6.4 復雜相干光學系統(tǒng)的分析 157
6.4.1 光線矩陣方法 157
6.4.2 用光線矩陣分析兩個光學系統(tǒng) 158
習題 160
第7章 光學成像系統(tǒng)的頻譜分析 166
7.1 成像系統(tǒng)的一般分析 166
7.1.1 普遍模型 166
7.1.2 衍射對像的影響 168
7.1.3 多色光照明：相干情形和非相干情形 170
7.2 衍射置限相干成像系統(tǒng)的頻率響應 174
7.2.1 振幅傳遞函數(shù) 174
7.2.2 振幅傳遞函數(shù)的例子 175
7.3 衍射置限非相干成像系統(tǒng)的頻率響應 176
7.3.1 光學傳遞函數(shù) 176
7.3.2 OTF的一般性質 178
7.3.3 無像差系統(tǒng)的OTF 179
7.3.4 衍射置限系統(tǒng)的OTF的舉例 181
7.4 像差及其對頻率響應的影響 183
7.4.1 廣義光瞳函數(shù) 183
7.4.2 像差對振幅傳遞函數(shù)的影響 184
7.4.3 像差對OTF的影響 184
7.4.4 簡單像差的例子：聚焦誤差 186
7.4.5 切趾法及其對頻率響應的影響 189
7.5 相干成像和非相干成像的比較 191
7.5.1 像強度的頻譜 192
7.5.2 兩點分辨率 194
7.5.3 其他效應 195
7.6 共焦顯微鏡 197
7.6.1 相干情況 198
7.6.2 非相干情況 199
7.6.3 光學分割 200
習題 201
第8章 點擴展函數(shù)和傳遞函數(shù)工程 206
8.1 增加景深的立方相位掩模 206
8.1.1 調焦深度 206
8.1.2 景深 207
8.1.3 立方相位掩模 208
8.2 提高深度分辨率的旋轉點擴展函數(shù) 211
8.3 發(fā)現(xiàn)系外行星的點擴展函數(shù)工程 215
8.3.1 Lyot日冕觀測儀 215
8.3.2 抑制星光的切趾術 218
8.4 超越經(jīng)典衍射極限的分辨率 221
8.4.1 解析延拓 222
8.4.2 綜合孔徑傅里葉全息術 223
8.4.3 傅里葉疊層算法 224
8.4.4 相干譜復用 226
8.4.5 非相干結構光照明成像 230
8.4.6 超分辨熒光顯微鏡 232
8.5 光場照相機 235
習題 238
第9章 波前調制 239
9.1 用照相膠片進行波前調制 239
9.1.1 曝光、顯影和定影的物理過程 240
9.1.2 術語的定義 241
9.1.3 相干光學系統(tǒng)中的感光膠片或干板 243
9.1.4 調制傳遞函數(shù) 245
9.1.5 照相乳膠的漂白 247
9.2 用衍射光學元件進行波前調制 248
9.2.1 單步光刻術 249
9.2.2 多步光刻工藝 251
9.2.3 其他類型的衍射光學元件 254
9.2.4 幾句提醒的話 254
9.3 液晶空間光調制器 255
9.3.1 液晶的性質 255
9.3.2 基于液晶的空間光調制器 263
9.4 可形變反射鏡空間光調制器 267
9.5 聲光空間光調制器 269
9.6 波前調制的其他方法 273
習題 273
第10章 模擬光學信息處理 275
10.1 歷史背景 276
10.1.1 阿貝-波特實驗 276
10.1.2 策尼克相襯顯微鏡 278
10.1.3 照片質量的改善：Mar.echal的工作 279
10.1.4 相干光學在更加普遍的數(shù)據(jù)處理中的應用 280
10.2 相干光學信息處理系統(tǒng) 281
10.2.1 相干系統(tǒng)的結構 281
10.2.2 對濾波器實現(xiàn)的限制 284
10.3 VanderLugt濾波器 285
10.3.1 頻率平面掩模的合成 285
10.3.2 處理輸入數(shù)據(jù) 288
10.3.3 VanderLugt濾波器的優(yōu)點 290
10.4 聯(lián)合變換相關器 290
10.5 對特征識別的應用 293
10.5.1 匹配濾波器 293
10.5.2 一個特征識別問題 294
10.5.3 特征識別機的光學合成法 296
10.5.4 對尺寸大小和旋轉的敏感性 298
10.6 圖像恢復 298
10.6.1 逆濾波器 298
10.6.2 維納濾波器或最小均方差濾波器 299
10.6.3 濾波器的實現(xiàn) 301
10.7 聲光信號處理系統(tǒng) 304
10.7.1 布拉格聲光轉換