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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

3.1l 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

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 小结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

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173

8.2.1 弱导引光纤173

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177

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179

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

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190

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

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r0230

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“lucky imaging”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

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”252

9.6.1 “光子灯笼”252

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

9.9 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

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317