近代光学信息处理

第1章　光学信息处理简介………………………………………………………… 1

§1.1　图形图像的空间频率与光栅衍射…………………………………… 1

1.1.1　图形图像的低频和高频……………………………………………… 1

1.1.2　光栅衍射…………………………………………………………… 2

1.1.3　透镜的变换效应……………………………………………………… 3

§1.2　透镜聚焦和准直的傅里叶变换功能………………………………… 3

1.2.1　平面波……………………………………………………………… 3

1.2.2　用透镜实现傅里叶变换……………………………………………… 4

1.2.3　平移不变性………………………………………………………… 6

§1.3　低频滤波和栅格消除术……………………………………………… 7

§1.4　远场衍射的傅里叶变换特性………………………………………… 7

1.4.1　远场衍射的近似处理………………………………………………… 7

1.4.2　远场衍射的傅里叶变换解…………………………………………… 8

§1.5　光学图像识别和杨氏干涉实验……………………………………… 9

1.5.1　光学图像识别………………………………………………………… 9

第1章　光学信息处理简介………………………………………………………… 1

§1.1　图形图像的空间频率与光栅衍射…………………………………… 1

1.1.1　图形图像的低频和高频……………………………………………… 1

1.1.2　光栅衍射…………………………………………………………… 2

1.1.3　透镜的变换效应……………………………………………………… 3

§1.2　透镜聚焦和准直的傅里叶变换功能………………………………… 3

1.2.1　平面波……………………………………………………………… 3

1.2.2　用透镜实现傅里叶变换……………………………………………… 4

1.2.3　平移不变性………………………………………………………… 6

§1.3　低频滤波和栅格消除术……………………………………………… 7

§1.4　远场衍射的傅里叶变换特性………………………………………… 7

1.4.1　远场衍射的近似处理………………………………………………… 7

1.4.2　远场衍射的傅里叶变换解…………………………………………… 8

§1.5　光学图像识别和杨氏干涉实验……………………………………… 9

1.5.1　光学图像识别………………………………………………………… 9

1.5.2　杨氏干涉实验………………………………………………………… 9

§1.6　结论…………………………………………………………………… 11

第2章　傅里叶光学基础………………………………………………………… 13

§2.1　二维傅里叶分析……………………………………………………… 13

2.1.1　定义及存在条件…………………………………………………… 13

2.1.2　δ函数的傅里叶变换………………………………………………… 13

2.1.3　傅里叶变换的基本性质……………………………………………… 14

2.1.4　卷积……………………………………………………………… 15

2.1.5　相关、Parseval定理和功率谱………………………………………… 17

2.1.6　特殊函数及其傅里叶变换…………………………………………… 19

2.1.7　傅里叶-贝塞尔变换………………………………………………… 21

2.1.8　二维傅里叶变换表………………………………………………… 22

§2.2　平面波的角谱和标量衍射…………………………………………… 23

2.2.1　角谱……………………………………………………………… 23

2.2.2　角谱的传播………………………………………………………… 25

2.2.3　菲涅耳衍射………………………………………………………… 25

2.2.4　夫琅禾费衍射……………………………………………………… 26

§2.3　透镜系统的傅里叶变换性质………………………………………… 28

2.3.1　光学傅里叶变换器………………………………………………… 28

2.3.2　透镜傅里叶变换的严格推导………………………………………… 29

§2.4　空间带宽积和不确定关系式………………………………………… 33

2.4.1　孔径函数和带限信号……………………………………………… 33

2.4.2　系统的分辨率……………………………………………………… 34

2.4.3　等效带宽和不确定关系……………………………………………… 35

2.4.4　广义不确定关系的严格推导………………………………………… 36

参考文献……………………………………………………………………… 38

第3章　经典光学信息处理……………………………………………………… 39

§3.1　引言…………………………………………………………………… 39

§3.2　光学信息处理的早期发展…………………………………………… 39

§3.3　傅里叶处理器………………………………………………………… 41

§3.4　线性空间不变系统与传递函数……………………………………… 44

3.4.1　线性系统与卷积…………………………………………………… 44

3.4.2　线性空间不变系统………………………………………………… 45

§3.5　傅里叶变换透镜……………………………………………………… 46

§3.6　空间滤波……………………………………………………………… 50

§3.7　照相图像的恢复……………………………………………………… 52

§3.8　全息术………………………………………………………………… 53

§3.9　傅里叶变换全息图…………………………………………………… 54

§3.10　光学相关和卷积…………………………………………………… 57

§3.11　结论………………………………………………………………… 60

参考文献……………………………………………………………………… 60

第4章　非相干光学信息处理…………………………………………………… 62

§4.1　引言…………………………………………………………………… 62

§4.2　杨氏干涉仪和空间相干性…………………………………………… 62

§4.3　非相干像的形成……………………………………………………… 65

§4.4　MTF的测量………………………………………………………… 66

§4.5　非相干空间滤波……………………………………………………… 68

§4.6　投影显示的消像素技术……………………………………………… 69

2 近代光学信息处理

§4.7　迈克耳孙干涉仪和时间相干性……………………………………… 71

§4.8　傅里叶变换光谱仪…………………………………………………… 72

§4.9　光学相干层析术……………………………………………………… 74

§4.10　计算层析术………………………………………………………… 78

§4.11　迈克耳孙恒星干涉仪……………………………………………… 80

§4.12　结论………………………………………………………………… 82

参考文献……………………………………………………………………… 83

第5章　光电混合处理…………………………………………………………… 84

§5.1　引言…………………………………………………………………… 84

§5.2　联合傅里叶变换……………………………………………………… 84

5.2.1　经典联合傅里叶变换……………………………………………… 84

5.2.2　实时联合傅里叶相关器……………………………………………… 86

5.2.3　光电混合处理联合变换相关器……………………………………… 90

5.2.4　旋转不变联合相关器……………………………………………… 91

§5.3　波前编码景深扩展技术……………………………………………… 92

§5.4　串色处理景深扩展技术……………………………………………… 95

§5.5　光场相机数字再聚焦技术…………………………………………… 97

§5.6　运用恒星散斑干涉术分辨双星…………………………………… 101

5.6.1　引言……………………………………………………………… 101

5.6.2　恒星散斑干涉术应用于双星的分辨………………………………… 102

5.6.3　恒星散斑图信息处理……………………………………………… 103

5.6.4　恒星散斑干涉术的应用…………………………………………… 104

参考文献……………………………………………………………………… 106

第6章　成像系统的傅里叶分析和像质评价…………………………………… 108

§6.1　几何光学基础(Ⅰ) ………………………………………………… 109

6.1.1　一般模型………………………………………………………… 109

6.1.2　薄透镜成像……………………………………………………… 109

6.1.3　用双胶合透镜校正球差和色差…………………………………… 110

6.1.4　二级光谱和复消色差……………………………………………… 112

6.1.5　柯克三片式、天塞和双高斯物镜…………………………………… 113

6.1.6　光阑和光瞳,空间带宽积…………………………………………… 114

§6.2　几何光学基础(Ⅱ) ………………………………………………… 116

6.2.1　主面和焦面……………………………………………………… 116

6.2.2　系统总长和后工作距,远摄和反远摄物镜…………………………… 116

目　　录3

6.2.3　单色光横向像差和特性曲线……………………………………… 119

6.2.4　弥散斑…………………………………………………………… 121

6.2.5　横向色差………………………………………………………… 121

6.2.6　畸变……………………………………………………………… 121

6.2.7　远心物镜用于机器视觉…………………………………………… 122

6.2.8　光学设计和典型成像物镜………………………………………… 123

§6.3　相干光和非相干光成像…………………………………………… 124

6.3.1　衍射极限条件下的脉冲响应和叠加积分…………………………… 124

6.3.2　相干光传递函数…………………………………………………… 126

6.3.3　非相干光点扩散函数和光学传递函数……………………………… 128

6.3.4　衍射极限非相干光学系统的点扩散函数和光学传递函数…………… 129

§6.4　光学传递函数……………………………………………………… 131

6.4.1　图像的空间频率概念……………………………………………… 131

6.4.2　像差对光学传递函数的影响……………………………………… 132

6.4.3　光学传递函数用于光学设计评价…………………………………… 134

6.4.4　探测器阵列CCD,CMOS和器件截止频率………………………… 136

6.4.5　探测器和光学系统的匹配………………………………………… 136

§6.5　光学传递函数的测量……………………………………………… 138

6.5.1　线扩散函数……………………………………………………… 138

6.5.2　光学传递函数的测量……………………………………………… 139

参考文献……………………………………………………………………… 141

第7章　空间光调制器…………………………………………………………… 142

§7.1　概论………………………………………………………………… 142

7.1.1　空间调制器的意义及分类………………………………………… 142

7.1.2　空间光调制器的分类……………………………………………… 143

7.1.3　电寻址空间光调制器……………………………………………… 143

7.1.4　光寻址空间光调制器……………………………………………… 144

7.1.5　常用的空间光调制器……………………………………………… 145

§7.2　液晶的扭曲效应及薄膜晶体管驱动液晶显示器(TFT-LCD)…… 146

7.2.1　液晶……………………………………………………………… 146

7.2.2　偏振光在扭曲介质中的传播……………………………………… 147

7.2.3　扭曲向列液晶盒的工作原理……………………………………… 150

7.2.4　有源矩阵驱动液晶显示器(TFT-LCD)……………………………… 150

7.2.5　LCD平板显示和投影显示………………………………………… 151

§7.3　液晶光阀(LCLV) ………………………………………………… 153

7.3.1　LCLV的读出光路………………………………………………… 153

7.3.2　液晶光阀的结构和工作原理……………………………………… 154

§7.4　硅基液晶(LCOS)空间光调制器…………………………………… 155

§7.5　数字光处理(DLP)和数字化投影………………………………… 157

7.5.1　DMD的结构和工作原理…………………………………………… 157

7.5.2　顺序颜色模式单板投影机………………………………………… 158

7.5.3　空间分色模式三板投影机………………………………………… 159

7.5.4　DMD制作工艺简介……………………………………………… 160

7.5.5　DLP数字投影技术的特点………………………………………… 160

7.5.6　DLP的应用……………………………………………………… 162

§7.6　DLP在可调谐光纤激光器中的应用……………………………… 162

参考文献……………………………………………………………………… 166

第8章　傅里叶光学在光通信中的应用………………………………………… 168

§8.1　光纤通信基础及发展史简介……………………………………… 168

8.1.1　光纤……………………………………………………………… 168

8.1.2　光在光纤中的传播和光纤的数值孔径……………………………… 168

8.1.3　光通信常用波段和传输容量……………………………………… 169

8.1.4　光纤通信的早期创新……………………………………………… 171

8.1.5　两次重大技术革命:掺铒光纤放大和波分复用……………………… 171

8.1.6　光通信系统的最新进展和2009年诺贝尔物理学奖………………… 173

§8.2　光波在光纤中的传播……………………………………………… 174

8.2.1　弱导引光纤……………………………………………………… 174

8.2.2　横向传播常数、衰减系数和V参数………………………………… 174

8.2.3　导模……………………………………………………………… 175

8.2.4　LP模的特征方程………………………………………………… 176

8.2.5　LP模的截止频率………………………………………………… 177

8.2.6　光强分布………………………………………………………… 178

8.2.7　基模LP01(HE11)和单模光纤……………………………………… 178

8.2.8　V 参数很大时特性曲线的近似解和多模光纤的模数………………… 180

§8.3　纵向分布光学信息的傅里叶光学处理…………………………… 181

8.3.1　微分形式的折射和反射定律……………………………………… 181

8.3.2　纵向分布光学信息的远场衍射…………………………………… 182

§8.4　声光布拉格效应的傅里叶分析…………………………………… 184

目　　录5

8.4.1　声光布拉格效应…………………………………………………… 184

8.4.2　声光布拉格效应的傅里叶分析…………………………………… 185

8.4.3　各向同性介质中的声光布拉格衍射………………………………… 188

8.4.4　布拉格反射器……………………………………………………… 189

8.4.5　各向异性介质中的布拉格衍射…………………………………… 189

8.4.6　带宽……………………………………………………………… 190

§8.5　声光频移多普勒激光测速仪……………………………………… 191

8.5.1　多普勒效应……………………………………………………… 191

8.5.2　声光频移激光多普勒测速仪……………………………………… 192

8.5.3　声光频移多普勒测速仪输出光场的傅里叶分析…………………… 193

8.5.4　声光频移组件……………………………………………………… 194

§8.6　声光偏振转换滤波和可调路由器………………………………… 195

8.6.1　声光偏振转换可调谐滤波器……………………………………… 195

8.6.2　声光偏振分束器和声光可调路由器………………………………… 197

§8.7　光纤光栅工作原理的傅里叶分析………………………………… 199

8.7.1　导言———光纤光栅的制作………………………………………… 199

8.7.2　切趾术…………………………………………………………… 200

§8.8　光纤布拉格光栅在光通信中的应用……………………………… 202

8.8.1　光纤滤波器……………………………………………………… 203

8.8.2　光纤激光器……………………………………………………… 204

8.8.3　色散补偿器……………………………………………………… 205

8.8.4　EDFA的增益平坦………………………………………………… 206

8.8.5　光上下路复用器…………………………………………………… 207

§8.9　阵列波导光栅……………………………………………………… 208

8.9.1　阵列波导光栅工作原理…………………………………………… 208

8.9.2　色散……………………………………………………………… 209

8.9.3　AWG对于WDM 信号的响应和线性滤波………………………… 210

8.9.4　光谱线宽和分辨率………………………………………………… 210

8.9.5　自由光谱范围和精细度…………………………………………… 211

§8.10　AWG在光通信中的应用………………………………………… 212

8.10.1　AWG复用/解复用器…………………………………………… 212

8.10.2　光滤波器………………………………………………………… 213

8.10.3　波导光栅路由器………………………………………………… 214

8.10.4　光分插复用器…………………………………………………… 214

6 近代光学信息处理

8.10.5　AWG光谱分析仪………………………………………………… 215

8.10.6　色散补偿………………………………………………………… 216

8.10.7　多波长光源……………………………………………………… 216

参考文献……………………………………………………………………… 217

第9章　天文观测中的光信息处理和天文光子学……………………………… 222

§9.1　引言………………………………………………………………… 222

9.1.1　天文学和天文观测………………………………………………… 222

9.1.2　天文观测波段和观测系统构成…………………………………… 222

9.1.3　大型和巨型光学/红外望远镜……………………………………… 223

9.1.4　成像质量评价指标………………………………………………… 224

9.1.5　成像质量的改善,主动光学和自适应光学…………………………… 225

9.1.6　近代天文图像信息处理和天文光子学……………………………… 227

§9.2　大气湍动成像信息处理…………………………………………… 228

9.2.1　大气湍动模型……………………………………………………… 228

9.2.2　点光源(恒星)、扩展光源(行星)和空间相干范围的横向线度………… 229

9.2.3　长曝光成像传递函数和Fried参数r0 ……………………………… 230

9.2.4　等效带宽、分辨率和大气视宁度…………………………………… 233

9.2.5　短曝光成像和“luckyimaging”……………………………………… 234

9.2.6　等晕区域………………………………………………………… 235

§9.3　运用自适应光学校正波面畸变…………………………………… 236

9.3.1　相位补偿基本原理………………………………………………… 236

9.3.2　波前畸变的分阶…………………………………………………… 237

9.3.3　单共轭自适应光学相位探测和校正系统…………………………… 237

9.3.4　抽样间隔………………………………………………………… 240

9.3.5　斯特列尔比和AO校正像的评价…………………………………… 241

9.3.6　自适应光学应用于天文观测的早期成果…………………………… 241

9.3.7　激光引导星……………………………………………………… 242

9.3.8　自适应天文学的科学成果………………………………………… 244

§9.4　多模光纤与望远镜输出图像的耦合……………………………… 245

9.4.1　用光纤传输天体的像……………………………………………… 246

9.4.2　etendue分析……………………………………………………… 247

9.4.3　多模光纤的模数M 与etendue的关系……………………………… 248

§9.5　用复合光纤光栅实现红外OH 发射谱线的滤波………………… 248

9.5.1　近红外夜空的OH 背景辐射……………………………………… 248

目　　录7

9.5.2　布拉格光纤光栅的逆命题………………………………………… 249

9.5.3　运用非周期布拉格光纤光栅滤波器抑制OH 发射谱线……………… 250

§9.6　多模光纤和单模光纤束的耦合———“光子灯笼” ………………… 251

9.6.1　“光子灯笼” ……………………………………………………… 251

9.6.2　“光子灯笼”传输过程的熵………………………………………… 253

§9.7　光子集成多模光谱仪和阵列波导光栅…………………………… 255

9.7.1　引言……………………………………………………………… 255

9.7.2　光子集成多模光谱仪……………………………………………… 255

9.7.3　阵列波导光栅简介………………………………………………… 256

9.7.4　集成光子光谱仪…………………………………………………… 258

9.7.5　集成光子光谱仪的初步结论和展望………………………………… 260

§9.8　集成驻波傅里叶变换光谱仪……………………………………… 261

9.8.1　引言……………………………………………………………… 261

9.8.2　集成驻波傅里叶变换光谱分析…………………………………… 261

9.8.3　讨论……………………………………………………………… 263

9.8.4　天文光子学小结…………………………………………………… 264

参考文献……………………………………………………………………… 264

附录A　偏振光在线性扭曲介质中的传播……………………………………… 267

附录B　光纤光栅耦合模理论简介……………………………………………… 271

§B.1　光纤光栅耦合模理论……………………………………………… 271

§B.2　均匀光纤布拉格光栅的解析解…………………………………… 274

§B.3　非均匀光纤光栅的传输矩阵解析法……………………………… 276

附录C　光子晶体………………………………………………………………… 278

§C.1　光子晶体的基本概念……………………………………………… 278

C.1.1　光波在晶体中的布拉格衍射……………………………………… 278

C.1.2　光子晶体的分类…………………………………………………… 281

C.1.3　光子晶体的原理和研究方法……………………………………… 283

C.1.4　光子晶体的性质…………………………………………………… 284

§C.2　光子晶体的制备方法……………………………………………… 286

C.2.1　自组织生长三维光子晶体………………………………………… 286

C.2.2　利用微加工技术制备平板光子晶体………………………………… 289

§C.3　光子晶体光波导…………………………………………………… 291

C.3.1　光子晶体光波导原理……………………………………………… 291

8 近代光学信息处理

C.3.2　光子晶体光波导的构造…………………………………………… 292

C.3.3　光子晶体光波导的测量…………………………………………… 293

§C.4　光子晶体微腔激光器……………………………………………… 295

C.4.1　微腔激光器的特点与发展………………………………………… 295

C.4.2　光子晶体微腔激光器设计………………………………………… 296

C.4.3　电驱动单个缺陷微腔光子晶体激光器……………………………… 298

C.4.4　特殊结构光子晶体激光器………………………………………… 299

§C.5　光子晶体光纤……………………………………………………… 301

C.5.1　光子晶体光纤的传输性质………………………………………… 301

C.5.2　基于PCF的光器件……………………………………………… 303

参考文献……………………………………………………………………… 306

名词索引…………………………………………………………………………… 311

作者后记…………………………………………………………………………… 316

《近代光学信息处理（第二版）》论述光学信息处理的基本理论及重要应用，并介绍这一学科前沿的研究成果和发展动向。
　　全书共分九章，在基础部分论述了傅里叶光学原理，经典光学信息处理，非相干光学信息处理，光电混合处理，成像光学系统的傅里叶分析和像质评价，空间光调制器等；在应用部分介绍了傅里叶光学在光通信和天文观察等领域中的应用；在有关章节介绍了傅里叶变换光谱仪，光学断层扫描成像（OCT），迈克尔孙恒星干涉仪，"光学编码-数字电子解码"物镜景深扩展，光通信器件--声光滤波器、可调路由器、光纤布拉格光栅、阵列波导光栅，讨论了声光频移多普勒激光测速仪，恒星散斑图信息处理在天文学双星分辨中应用，大气湍动成像的自适应光学信息处理。本书还简要讨论了近年发展起来的交叉学科--天文光子学，并在附录中介绍了光子晶体学。
　　《近代光学信息处理（第二版）》可作为大学光电信息科学与工程、物理、应用物理、测控技术与仪器等专业高年级学生和研究生的教材或教学参考书，也可供有关专业从事研究开发的科技人员参考。

光学信息处理发展到今天，已经深入到人类工作和生活的方方面面。从天文观测上的大项目，到日常生活中的宽带网络，光学信息处理都起着无可替代的作用。本书内容博大、讲解细致，是讲解相关领域不可多得的优秀专著。本书的第一版已经产生了广泛影响。第二版又对该领域的巨大的新发展做了详细介绍。相信本书一定会成为光学信息处理领域的经典著作。