傅裏葉光學導論（第3版） [Introduction to Fourier Optics, Third Edition] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

適讀人群 ：本書是傅裏葉光學和光信息處理領域的標準教材和參考書，可用做高校相關專業的高年級本科生和研究生的教材，也可供從事模式識彆、圖像處理、顯示、傳感器、通信、數據存儲和成像係統等領域研究的工程人員閱讀。

本書是傅裏葉光學和光信息處理領域的標準教材和參考書，可用做高校相關專業的高年級本科生和研究生的教材，也可供從事模式識彆、圖像處理、顯示、傳感器、通信、數據存儲和成像係統等領域研究的工程人員閱讀。

內容簡介

傅裏葉分析是在物理學與工程學的許多領域得到廣泛應用的一種通用工具。本書討論傅裏葉分析在光學領域的應用，尤其是在衍射、成像、光學數據處理以及全息術方麵的應用，內容涉及二維信號與係統的分析、標量衍射理論基礎、菲涅耳衍射與夫琅禾費衍射、相乾光學係統的波動光學分析、光學成像係統的頻譜分析、波前調製、模擬光學信息處理、全息術、光通信中的傅裏葉光學等。

作者簡介

　　　　秦剋誠，北京大學教授，長期從事物理學領域的教學與實驗工作，著有《郵票上的物理史》等書，譯有《物理學與生活》《光學原理》等書。

　　　　Joseph W. Goodman於1958年來到斯坦福大學讀研究生，並且在斯坦福留下瞭他的全部職業生涯。他曾是49位研究生的博士學位論文導師，他們之中的許多人現在在光學界成就卓著。他曾主持斯坦福的William Ayer電氣工程講座，並擔任過若乾行政職務，包括斯坦福大學電氣工程係主任和工學院負責教學人員事務的資深副院長。他現在是William Ayer榮譽退休教授。　　他的工作曾獲得多種奬勵和榮譽，包括美國工程教育學會的F. E. Terman奬、國際光學工程學會（SPIE）的伽博（Dennis Gabor）奬、玻恩（Max Born）奬、Esther Beller Hoffman奬、美國光學學會的Ives奬章、電氣和電子工程師協會的教育奬章。他是美國國傢工程科學院院士，並擔任過美國光學學會和國際光學學會會長。

　　　　

目錄

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 二維信號與係統的分析…3
2．1 二維傅裏葉分析…3
2．1．1 定義與存在條件 3
2．1．2 傅裏葉變換作為分解式…5
2．1．3 傅裏葉變換定理 6
2．1．4 可分離變量的函數…7
2．1．5 具有圓對稱性的函數：傅裏葉-貝塞爾變換…8
2．1．6 一些常用函數和一些有用的傅裏葉變換對…9
2．2 空間頻率和空間頻率的局域化…12
2．3 綫性係統…14
2．3．1 綫性性質與疊加積分…14
2．3．2 綫性不變係統：傳遞函數…15
2．4 二維抽樣理論…17
2．4．1 Whittaker-Shannon 抽樣定理…17
2．4．2 空間-帶寬積…20

第3章 標量衍射理論基礎…23
3．1 曆史引言…23
3．2 從矢量理論到標量理論…25
3．3 一些數學預備知識…27
3．3．1 亥姆霍茲方程…27
3．3．2 格林定理…28
3．3．3 亥姆霍茲和基爾霍夫的積分定理…28
3．4 平麵屏幕衍射的基爾霍夫公式…30
3．4．1 積分定理的應用…31
3．4．2 基爾霍夫邊界條件…31
3．4．3 菲涅耳-基爾霍夫衍射公式…32
3．5 瑞利-索末菲衍射公式…33
3．5．1 格林函數的彆種選法…34
3．5．2 瑞利-索末菲衍射公式…36
3．6 基爾霍夫理論和瑞利-索末菲理論的比較…36
3．7 惠更斯-菲涅耳原理的進一步討論…37
3．8 推廣到非單色波 38
3．9 邊界上的衍射…39
3．10 平麵波的角譜…40
3．10．1 角譜及其物理解釋…40
3．10．2 角譜的傳播…41
3．10．3 衍射孔徑對角譜的效應…42
3．10．4 傳播現象作為一個綫性的空間濾波器…43

第4章 菲涅耳衍射與夫琅禾費衍射…46
4．1 背景…46
4．1．1 波場的強度 46
4．1．2 直角坐標係中的惠更斯-菲涅耳原理…47
4．2 菲涅耳近似…48
4．2．1 正相位還是負相位…49
4．2．2 菲涅耳近似的精度…50
4．2．3 菲涅耳近似和角譜…53
4．2．4 兩個共焦球麵之間的菲涅耳衍射…53
4．3 夫琅禾費近似…54
4．4 夫琅禾費衍射圖樣的例子…55
4．4．1 矩形孔徑…55
4．4．2 圓形孔徑…56
4．4．3 薄正弦振幅光柵…57
4．4．4 薄正弦相位光柵…59
4．5 計算菲涅耳衍射的例子…61
4．5．1 方孔徑的菲涅耳衍射…61
4．5．2 正弦振幅光柵産生的菲涅耳衍射―――塔爾博特像…63

第5章 相乾光學係統的波動光學分析…70
5．1 薄透鏡作為相位變換器…70
5．1．1 厚度函數…71
5．1．2 傍軸近似…72
5．1．3 相位變換及其物理意義…72
5．2 透鏡的傅裏葉變換性質…73
5．2．1 輸入緊靠透鏡…74
5．2．2 輸入位於透鏡之前…75
5．2．3 輸入位於透鏡之後…77
5．2．4 光學傅裏葉變換的一個例子…78
5．3 成像：單色光照明…78
5．3．1 正透鏡的脈衝響應…78
5．3．2 消去二次位相因子：透鏡定律…79
5．3．3 物和像之間的關係…82
5．4 復雜相乾光學係統的分析…83
5．4．1 算符記號…83
5．4．2 算符方法對一些光學係統的應用…85

第6章 光學成像係統的頻譜分析…91
6．1 成像係統的一般分析…91
6．1．1 普遍模型…91
6．1．2 衍射對像的影響…92
6．1．3 多色光照明：相乾情形和非相乾情形…94
6．2 衍射置限相乾成像係統的頻率響應…97
6．2．1 振幅傳遞函數…97
6．2．2 振幅傳遞函數的例子…98
6．3 衍射置限非相乾成像係統的頻率響應…99
6．3．1 光學傳遞函數…99
6．3．2 OTF 的一般性質…100
6．3．3 無像差係統的 OTF…101
6．3．4 衍射置限係統的 OTF 的例子…103
6．4 像差及其對頻率響應的影響…104
6．4．1 廣義光瞳函數…104
6．4．2 像差對振幅傳遞函數的影響…105
6．4．3 像差對 OTF 的影響…105
6．4．4 簡單像差的例子：聚焦誤差…106
6．4．5 切趾法及其對頻率響應的影響…108
6．5 相乾成像和非相乾成像的比較…110
6．5．1 像強度的頻譜…111
6．5．2 兩點分辨率…112
6．5．3 其他效應 113
6．6 超越經典衍射極限的分辨率…115
6．6．1 數學基礎 115
6．6．2 帶寬外推的直觀解釋…116
6．6．3 基於抽樣定理的一種外推方法…116
6．6．4 一種迭代外推方法…118
6．6．5 實際限製 118

第7章 波前調製…123
7．1 用照相膠片進行波前調製…123
7．1．1 曝光、顯影和定影的物理過程…123
7．1．2 術語的定義…125
7．1．3 非相乾光學係統中的膠片…126
7．1．4 相乾光學係統中的膠片…127
7．1．5 調製傳遞函數…128
7．1．6 照相乳膠的漂白…130
7．2 空間光調製器…131
7．2．1 液晶的性質…132
7．2．2 基於液晶的空間光調製器…138
7．2．3 磁光空間光調製器…141
7．2．4 可形變反射鏡空間光調製器…143
7．2．5 多量子阱空間光調製器…144
7．2．6 聲光空間光調製器…146
7．3 衍射光學元件…149
7．3．1 二元光學 150
7．3．2 其他類型的衍射光學元件…152
7．3．3 幾句提醒的話…153

第8章 模擬光學信息處理 155
8．1 曆史背景…155
8．1．1 阿貝-波特實驗…155
8．1．2 澤尼剋相襯顯微鏡…157
8．1．3 照片質量的改善：Marechal的工作…158
8．1．4 通信理論觀點的興起…159
8．1．5 相乾光學對更普遍的數據處理的應用…160
8．2 非相乾圖像處理係統…160
8．2．1 基於幾何類光學的係統…160
8．2．2 包含衍射效應的係統…164
8．3 相乾光信息處理係統…165
8．3．1 相乾係統的結構…165
8．3．2 對濾波器實現的限製…168
8．4 VanderLugt濾波器…169
8．4．1 頻率平麵掩模的閤成…169
8．4．2 處理輸入數據…171
8．4．3 VanderLugt濾波器的優點…172
8．5 聯閤變換相關器…173
8．6 對特徵識彆的應用 175
8．6．1 匹配濾波器…175
8．6．2 一個特徵識彆問題…176
8．6．3 特徵識彆機的光學閤成法…178
8．6．4 對尺寸大小和鏇轉的敏感性…179
8．7 不變的圖樣識彆…179
8．7．1 梅林相關器…180
8．7．2 圓諧波相關…181
8．7．3 閤成判彆式函數…182
8．8 圖像恢復…184
8．8．1 逆濾波器 184
8．8．2 維納濾波器或最小均方誤差濾波器…185
8．8．3 濾波器的實現…186
8．9 閤成孔徑雷達數據處理…188
8．9．1 閤成孔徑的形成…189
8．9．2 采集到的數據和記錄樣式…189
8．9．3 透明膠片的聚焦性質…191
8．9．4 二維像的生成…194
8．9．5 傾斜平麵處理器…195
8．10 聲光信號處理係統…197
8．10．1 布拉格單元頻譜分析儀…197
8．10．2 空間積分相關器…199
8．10．3 時間積分相關器…200
8．10．4 其他聲光信號處理係統…202
8．11 離散模擬光學處理器…202
8．11．1 信息和係統的離散錶示…202
8．11．2 串行矩陣-矢量乘法器…203
8．11．3 並行的非相乾光矩陣-矢量乘法器…204
8．11．4 外積處理器…205
8．11．5 其他離散處理係統…206
8．11．6 處理雙極性數據和復數數據的方法…206

第9章 全息術…211
9．1 曆史引言…211
9．2 波前重建問題…212
9．2．1 振幅與相位的記錄…212
9．2．2 記錄介質 212
9．2．3 原始波前的重建…213
9．2．4 全息過程的綫性性質…213
9．2．5 全息術成像…214
9．3 伽博全息圖…215
9．3．1 參考波的來源…215
9．3．2 孿生像…216
9．3．3 伽博全息圖的局限性…216
9．4 利思-烏帕特尼剋斯全息圖…217
9．4．1 全息圖的記錄…217
9．4．2 獲得重建像…218
9．4．3 最小參考角…219
9．4．4 三維景物全息術…220
9．4．5 全息術的實際問題…222
9．5 像的位置和放大率 223
9．5．1 像的位置 223
9．5．2 軸嚮放大率和橫嚮放大率…225
9．5．3 一個例子 226
9．6 不同類型的全息圖簡介…227
9．6．1 菲涅耳全息圖和夫琅禾費全息圖，像全息圖和傅裏葉全息圖…227
9．6．2 透射全息圖和反射全息圖…228
9．6．3 全息立體照片…229
9．6．4 彩虹全息圖…230
9．6．5 閤成全息圖…231
9．6．6 模壓全息圖…233
9．7 厚全息圖…233
9．7．1 記錄體全息光柵…234
9．7．2 從體光柵重建波前…235
9．7．3 更復雜的記錄光路的條紋方嚮…236
9．7．4 有限大小的光柵…236
9．7．5 衍射效率―――耦閤波理論…238
9．8 記錄材料…245
9．8．1 鹵化銀感光乳劑…245
9．8．2 光聚閤物膠片…246
9．8．3 重鉻酸鹽明膠…246
9．8．4 光摺變晶體材料…247
9．9 計算全息圖…248
9．9．1 抽樣問題249
9．9．2 計算問題 251
9．9．3 錶示問題 252
9．10 全息像像質的劣化…257
9．10．1 膠片MTF的影響…258
9．10．2 膠片非綫性的影響…260
9．10．3 膠片顆粒噪聲的效應…261
9．10．4 散斑噪聲 261
9．11 使用空間非相乾光的全息術…262
9．12 全息術的應用 264
9．12．1 顯微術和高分辨率體成像…264
9．12．2 乾涉測量術…264
9．12．3 通過緻畸變介質成像…268
9．12．4 全息數據存儲…270
9．12．5 用於人工神經網絡的全息加權…272
9．12．6 其他應用 274

第10章 光通信中的傅裏葉光學…278
10．1 引言…278
10．2 布拉格光縴光柵…278
10．2．1 光縴簡介 279
10．2．2 在光縴中記錄光柵…280
10．2．3 FBG對光縴中光傳播的影響…281
10．2．4 FBG的應用…284
10．2．5 工作在透射方式的光柵…285
10．3 超短脈衝的整形和處理…286
10．3．1 時間頻率到空間頻率的變換…286
10．3．2 脈衝整形係統…287
10．3．3 譜脈衝整形的應用…288
10．4 光譜全息術…290
10．4．1 全息圖的記錄…290
10．4．2 信號的重建…292
10．4．3 參考脈衝和信號波形之間延遲的影響…293
10．5 陣列波導光柵 294
10．5．1 陣列波導光柵的基本部件…294
10．5．2 陣列波導光柵的應用…299

附錄A 函數和傅裏葉變換定理…303
附錄B 傍軸幾何光學簡介 309
附錄C 偏振和瓊斯矩陣…318
附錄D 光柵方程…322
參考文獻…323
漢英對照術語錶…336
譯後記…348

前言/序言

　　傅裏葉分析是在物理學與工程學的許多領域得到廣泛應用的一種通用工具。本書討論它在光學領域的應用，尤其是在衍射、成像、光學數據處理以及全息術方麵的應用。
　　既然本書的主題是傅裏葉光學，傅裏葉分析方法自然起著關鍵作用，它是我們處理問題的基本分析框架。傅裏葉分析是大多數物理學傢和工程師都具有的基礎知識。他們對綫性係統理論也很熟悉，尤其是電氣工程師。第2章復習瞭必要的數學基礎知識。對於那些不太熟悉傅裏葉分析和綫性係統理論的讀者，這一章可以作為用其他專門教科書進行更深入學習時的大綱。本書為這方麵的更詳盡的討論提供瞭豐富的參考文獻。那些對傅裏葉分析和綫性係統理論已經入門的讀者，通常打過交道的是單一自變量（時間）的函數。第2章中討論的是二維空間的數學方法（大多數光學問題必須用二維方法處理），它的內容遠比一維理論的標準討論豐富。
　　本書用做教科書可以滿足幾種不同類型課程的需求。它直接麵嚮物理學傢和工程師，在課程中使用書中哪些章節因不同聽課對象而不同。隻要經過適當的選擇，就可以滿足大量不同讀者的需要。我們在這裏對不同類型的課程提齣一些明確的建議。
　　第一類是一學季或一學期的講述衍射與成像的課程，這種課程的內容可由本書第2章到第6章及全部4 個附錄構成。如果時間不夠，這幾章裏的3.8節、3.9節、5.4節和6.6節可以省略或留給程度較高的學生自己閱讀。
　　第二類是用一學季或一學期的課程來講授傅裏葉光學的基本內容，但重點放在光學模擬信號處理的應用上。對這樣的課程，我建議把第2章留給學生閱讀，第3章從3.7節開始，接著是3.10節，其餘部分留給那些對惠更斯-菲涅耳原理的由來感興趣的學生閱讀。第4章中的4.2.2節和4.5.1節可以跳過去。第5章可從薄透鏡的振幅透射比函數（5.10）式開始，5.4節可留給程度高的學生閱讀，講述其餘所有內容。如果時間不夠，第6章可以全部跳過去。在這樣的課程中，第7章全部和第8章的大部分都是很重要的內容。如果確有必要減少一些內容，我建議8.2節、8.8節和8.9節可以略去。在這樣的課程中，常常想要包括第9章中關於全息術中的一些內容。我建議把9.4節、9.6.1節、9.6.2節、9.7.1節、9.7.2節、9.8節、9.9節和9.12.5節包括進來。4個附錄應作為閱讀內容而不必課堂講述。
　　第三類也是用一學季或一學期的課程講授傅裏葉光學的基本內容，但重點放在作為其一種應用的全息術上。這樣的課程同樣可以從3.7節開始，繼之以3.10節。第5章中應包括進來的內容與上麵對重點放在光學信號處理的課程所指齣的相同。在這類課程中，可把6.1節、6.2節、6.3節和6.5節的內容包括進來。第7章中隻需講7.1節，不過有時間的話，把7.3節加進來也是很有用的。第8章這時可以跳過去，而第9章全息術是重點內容。在講瞭全息術基礎之後，第10章提供瞭進一步豐富課程內容的幾種可能。如果時間有限，9.10節和9.11節可以省略。全部附錄留給學生自己閱讀。
　　在某些大學中，講授本課程的時間超過一學季或一學期。若有兩學季或兩學期，本書的大部分內容都可以講到。
　　以上建議當然可以因施教的對象不同或因教師對本書內容所持的側重點不同而加以修改。我希望這些建議至少可以列齣一些可能性。
　　我感謝許多為本書以前各版提供幫助的朋友。本書手稿的早期版本曾在多所大學中使用。尤其感謝A. A. Sawchuk，J. F. Walkup，J. Leger，P. Pichon和D. Mehrl 等教授和他們的許多學生，他們找齣瞭很多打字錯誤和一些實質性錯誤。I. Erteza和M. Bashaw 對第二版做齣瞭有益的評論，我感謝他們。齣版商安排的匿名審稿人也提齣瞭好幾條有用的建議。我特彆感謝利思（Emmett Leith）教授，他提齣瞭許多有益的建議。我也感謝在我1995年傅裏葉光學班上的同學，他們爭著看誰能發現錯誤最多。
　　第三版與第二版的不同之處是改正瞭以前的排印和內容錯誤，增加瞭全新的第10章，同時增加瞭一個關於光柵方程的新附錄。對於第10章，我感謝Andrew Weiner教授、Gregory Brady先生、Dmitry Starodubov博士、Jane Lam博士和James Fienup教授有益的意見和建議。我還要感謝本書第三版的齣版者Roberts ＆ Company Publishers的Ben Roberts 在第三版成書間始終如一的鼓勵和支持。無疑，還有許多應該感謝的人，我為在這裏沒能明確提到他們錶示歉意。
　　最後，我要感謝我的夫人Hon Mai，沒有她的理解、鼓勵和支持，本書是不可能完成的。
　　Joseph W. Goodman

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