近代光學信息處理（第二版）

第1章　光學信息處理簡介………………………………………………………… 1
　　§1.1　圖形圖像的空間頻率與光柵衍射…………………………………… 1
　　　　1.1.1　圖形圖像的低頻和高頻……………………………………………… 1
　　　　1.1.2　光柵衍射…………………………………………………………… 2
　　　　1.1.3　透鏡的變換效應……………………………………………………… 3
　　§1.2　透鏡聚焦和準直的傅里葉變換功能………………………………… 3
　　　　1.2.1　平面波……………………………………………………………… 3
　　　　1.2.2　用透鏡實現(xiàn)傅里葉變換……………………………………………… 4
　　　　1.2.3　平移不變性………………………………………………………… 6
　　§1.3　低頻濾波和柵格消除術……………………………………………… 7
　　§1.4　遠場衍射的傅里葉變換特性………………………………………… 7
　　　　1.4.1　遠場衍射的近似處理………………………………………………… 7
　　　　1.4.2　遠場衍射的傅里葉變換解…………………………………………… 8
　　§1.5　光學圖像識別和楊氏干涉實驗……………………………………… 9
　　　　1.5.1　光學圖像識別………………………………………………………… 9
　　　　1.5.2　楊氏干涉實驗………………………………………………………… 9
　　§1.6　結論…………………………………………………………………… 11
第2章　傅里葉光學基礎………………………………………………………… 13
　　§2.1　二維傅里葉分析……………………………………………………… 13
　　　　2.1.1　定義及存在條件…………………………………………………… 13
　　　　2.1.2　δ函數(shù)的傅里葉變換………………………………………………… 13
　　　　2.1.3　傅里葉變換的基本性質……………………………………………… 14
　　　　2.1.4　卷積……………………………………………………………… 15
　　　　2.1.5　相關、Parseval定理和功率譜………………………………………… 17
　　　　2.1.6　特殊函數(shù)及其傅里葉變換…………………………………………… 19
　　　　2.1.7　傅里葉-貝塞爾變換………………………………………………… 21
　　　　2.1.8　二維傅里葉變換表………………………………………………… 22
　　§2.2　平面波的角譜和標量衍射…………………………………………… 23
　　　　2.2.1　角譜……………………………………………………………… 23
　　　　2.2.2　角譜的傳播………………………………………………………… 25
　　　　2.2.3　菲涅耳衍射………………………………………………………… 25
　　　　2.2.4　夫瑯禾費衍射……………………………………………………… 26
　　§2.3　透鏡系統(tǒng)的傅里葉變換性質………………………………………… 28
　　　　2.3.1　光學傅里葉變換器………………………………………………… 28
　　　　2.3.2　透鏡傅里葉變換的嚴格推導………………………………………… 29
　　§2.4　空間帶寬積和不確定關系式………………………………………… 33
　　　　2.4.1　孔徑函數(shù)和帶限信號……………………………………………… 33
　　　　2.4.2　系統(tǒng)的分辨率……………………………………………………… 34
　　　　2.4.3　等效帶寬和不確定關系……………………………………………… 35
　　　　2.4.4　廣義不確定關系的嚴格推導………………………………………… 36
　　參考文獻……………………………………………………………………… 38
第3章　經典光學信息處理……………………………………………………… 39
　　§3.1　引言…………………………………………………………………… 39
　　§3.2　光學信息處理的早期發(fā)展…………………………………………… 39
　　§3.3　傅里葉處理器………………………………………………………… 41
　　§3.4　線性空間不變系統(tǒng)與傳遞函數(shù)……………………………………… 44
　　　　3.4.1　線性系統(tǒng)與卷積…………………………………………………… 44
　　　　3.4.2　線性空間不變系統(tǒng)………………………………………………… 45
　　§3.5　傅里葉變換透鏡……………………………………………………… 46
　　§3.6　空間濾波……………………………………………………………… 50
　　§3.7　照相圖像的恢復……………………………………………………… 52
　　§3.8　全息術………………………………………………………………… 53
　　§3.9　傅里葉變換全息圖…………………………………………………… 54
　　§3.10　光學相關和卷積…………………………………………………… 57
　　§3.11　結論………………………………………………………………… 60
　　參考文獻……………………………………………………………………… 60
第4章　非相干光學信息處理…………………………………………………… 62
　　§4.1　引言…………………………………………………………………… 62
　　§4.2　楊氏干涉儀和空間相干性…………………………………………… 62
　　§4.3　非相干像的形成……………………………………………………… 65
　　§4.4　MTF的測量………………………………………………………… 66
　　§4.5　非相干空間濾波……………………………………………………… 68
　　§4.6　投影顯示的消像素技術……………………………………………… 69
2 近代光學信息處理
　　§4.7　邁克耳孫干涉儀和時間相干性……………………………………… 71
　　§4.8　傅里葉變換光譜儀…………………………………………………… 72
　　§4.9　光學相干層析術……………………………………………………… 74
　　§4.10　計算層析術………………………………………………………… 78
　　§4.11　邁克耳孫恒星干涉儀……………………………………………… 80
　　§4.12　結論………………………………………………………………… 82
　　參考文獻……………………………………………………………………… 83
第5章　光電混合處理…………………………………………………………… 84
　　§5.1　引言…………………………………………………………………… 84
　　§5.2　聯(lián)合傅里葉變換……………………………………………………… 84
　　　　5.2.1　經典聯(lián)合傅里葉變換……………………………………………… 84
　　　　5.2.2　實時聯(lián)合傅里葉相關器……………………………………………… 86
　　　　5.2.3　光電混合處理聯(lián)合變換相關器……………………………………… 90
　　　　5.2.4　旋轉不變聯(lián)合相關器……………………………………………… 91
　　§5.3　波前編碼景深擴展技術……………………………………………… 92
　　§5.4　串色處理景深擴展技術……………………………………………… 95
　　§5.5　光場相機數(shù)字再聚焦技術…………………………………………… 97
　　§5.6　運用恒星散斑干涉術分辨雙星…………………………………… 101
　　　　5.6.1　引言……………………………………………………………… 101
　　　　5.6.2　恒星散斑干涉術應用于雙星的分辨………………………………… 102
　　　　5.6.3　恒星散斑圖信息處理……………………………………………… 103
　　　　5.6.4　恒星散斑干涉術的應用…………………………………………… 104
　　參考文獻……………………………………………………………………… 106
第6章　成像系統(tǒng)的傅里葉分析和像質評價…………………………………… 108
　　§6.1　幾何光學基礎(Ⅰ) ………………………………………………… 109
　　　　6.1.1　一般模型………………………………………………………… 109
　　　　6.1.2　薄透鏡成像……………………………………………………… 109
　　　　6.1.3　用雙膠合透鏡校正球差和色差…………………………………… 110
　　　　6.1.4　二級光譜和復消色差……………………………………………… 112
　　　　6.1.5　柯克三片式、天塞和雙高斯物鏡…………………………………… 113
　　　　6.1.6　光闌和光瞳,空間帶寬積…………………………………………… 114
　　§6.2　幾何光學基礎(Ⅱ) ………………………………………………… 116
　　　　6.2.1　主面和焦面……………………………………………………… 116
　　　　6.2.2　系統(tǒng)總長和后工作距,遠攝和反遠攝物鏡…………………………… 116
目　　錄3
　　　　6.2.3　單色光橫向像差和特性曲線……………………………………… 119
　　　　6.2.4　彌散斑…………………………………………………………… 121
　　　　6.2.5　橫向色差………………………………………………………… 121
　　　　6.2.6　畸變……………………………………………………………… 121
　　　　6.2.7　遠心物鏡用于機器視覺…………………………………………… 122
　　　　6.2.8　光學設計和典型成像物鏡………………………………………… 123
　　§6.3　相干光和非相干光成像…………………………………………… 124
　　　　6.3.1　衍射極限條件下的脈沖響應和疊加積分…………………………… 124
　　　　6.3.2　相干光傳遞函數(shù)…………………………………………………… 126
　　　　6.3.3　非相干光點擴散函數(shù)和光學傳遞函數(shù)……………………………… 128
　　　　6.3.4　衍射極限非相干光學系統(tǒng)的點擴散函數(shù)和光學傳遞函數(shù)…………… 129
　　§6.4　光學傳遞函數(shù)……………………………………………………… 131
　　　　6.4.1　圖像的空間頻率概念……………………………………………… 131
　　　　6.4.2　像差對光學傳遞函數(shù)的影響……………………………………… 132
　　　　6.4.3　光學傳遞函數(shù)用于光學設計評價…………………………………… 134
　　　　6.4.4　探測器陣列CCD,CMOS和器件截止頻率………………………… 136
　　　　6.4.5　探測器和光學系統(tǒng)的匹配………………………………………… 136
　　§6.5　光學傳遞函數(shù)的測量……………………………………………… 138
　　　　6.5.1　線擴散函數(shù)……………………………………………………… 138
　　　　6.5.2　光學傳遞函數(shù)的測量……………………………………………… 139
　　參考文獻……………………………………………………………………… 141
第7章　空間光調制器…………………………………………………………… 142
　　§7.1　概論………………………………………………………………… 142
　　　　7.1.1　空間調制器的意義及分類………………………………………… 142
　　　　7.1.2　空間光調制器的分類……………………………………………… 143
　　　　7.1.3　電尋址空間光調制器……………………………………………… 143
　　　　7.1.4　光尋址空間光調制器……………………………………………… 144
　　　　7.1.5　常用的空間光調制器……………………………………………… 145
　　§7.2　液晶的扭曲效應及薄膜晶體管驅動液晶顯示器(TFT-LCD)…… 146
　　　　7.2.1　液晶……………………………………………………………… 146
　　　　7.2.2　偏振光在扭曲介質中的傳播……………………………………… 147
　　　　7.2.3　扭曲向列液晶盒的工作原理……………………………………… 150
　　　　7.2.4　有源矩陣驅動液晶顯示器(TFT-LCD)……………………………… 150
　　　　7.2.5　LCD平板顯示和投影顯示………………………………………… 151
§7.3　液晶光閥(LCLV) ………………………………………………… 153
　　　　7.3.1　LCLV的讀出光路………………………………………………… 153
　　　　7.3.2　液晶光閥的結構和工作原理……………………………………… 154
　　§7.4　硅基液晶(LCOS)空間光調制器…………………………………… 155
　　§7.5　數(shù)字光處理(DLP)和數(shù)字化投影………………………………… 157
　　　　7.5.1　DMD的結構和工作原理…………………………………………… 157
　　　　7.5.2　順序顏色模式單板投影機………………………………………… 158
　　　　7.5.3　空間分色模式三板投影機………………………………………… 159
　　　　7.5.4　DMD制作工藝簡介……………………………………………… 160
　　　　7.5.5　DLP數(shù)字投影技術的特點………………………………………… 160
　　　　7.5.6　DLP的應用……………………………………………………… 162
　　§7.6　DLP在可調諧光纖激光器中的應用……………………………… 162
　　參考文獻……………………………………………………………………… 166
第8章　傅里葉光學在光通信中的應用………………………………………… 168
　　§8.1　光纖通信基礎及發(fā)展史簡介……………………………………… 168
　　　　8.1.1　光纖……………………………………………………………… 168
　　　　8.1.2　光在光纖中的傳播和光纖的數(shù)值孔徑……………………………… 168
　　　　8.1.3　光通信常用波段和傳輸容量……………………………………… 169
　　　　8.1.4　光纖通信的早期創(chuàng)新……………………………………………… 171
　　　　8.1.5　兩次重大技術革命:摻鉺光纖放大和波分復用……………………… 171
　　　　8.1.6　光通信系統(tǒng)的最新進展和2009年諾貝爾物理學獎………………… 173
　　§8.2　光波在光纖中的傳播……………………………………………… 174
　　　　8.2.1　弱導引光纖……………………………………………………… 174
　　　　8.2.2　橫向傳播常數(shù)、衰減系數(shù)和V參數(shù)………………………………… 174
　　　　8.2.3　導模……………………………………………………………… 175
　　　　8.2.4　LP模的特征方程………………………………………………… 176
　　　　8.2.5　LP模的截止頻率………………………………………………… 177
　　　　8.2.6　光強分布………………………………………………………… 178
　　　　8.2.7　基模LP01(HE11)和單模光纖……………………………………… 178
　　　　8.2.8　V 參數(shù)很大時特性曲線的近似解和多模光纖的模數(shù)………………… 180
　　§8.3　縱向分布光學信息的傅里葉光學處理…………………………… 181
　　　　8.3.1　微分形式的折射和反射定律……………………………………… 181
　　　　8.3.2　縱向分布光學信息的遠場衍射…………………………………… 182
　　§8.4　聲光布拉格效應的傅里葉分析…………………………………… 184
目　　錄5
　　　　8.4.1　聲光布拉格效應…………………………………………………… 184
　　　　8.4.2　聲光布拉格效應的傅里葉分析…………………………………… 185
　　　　8.4.3　各向同性介質中的聲光布拉格衍射………………………………… 188
　　　　8.4.4　布拉格反射器……………………………………………………… 189
　　　　8.4.5　各向異性介質中的布拉格衍射…………………………………… 189
　　　　8.4.6　帶寬……………………………………………………………… 190
　　§8.5　聲光頻移多普勒激光測速儀……………………………………… 191
　　　　8.5.1　多普勒效應……………………………………………………… 191
　　　　8.5.2　聲光頻移激光多普勒測速儀……………………………………… 192
　　　　8.5.3　聲光頻移多普勒測速儀輸出光場的傅里葉分析…………………… 193
　　　　8.5.4　聲光頻移組件……………………………………………………… 194
　　§8.6　聲光偏振轉換濾波和可調路由器………………………………… 195
　　　　8.6.1　聲光偏振轉換可調諧濾波器……………………………………… 195
　　　　8.6.2　聲光偏振分束器和聲光可調路由器………………………………… 197
　　§8.7　光纖光柵工作原理的傅里葉分析………………………………… 199
　　　　8.7.1　導言———光纖光柵的制作………………………………………… 199
　　　　8.7.2　切趾術…………………………………………………………… 200
　　§8.8　光纖布拉格光柵在光通信中的應用……………………………… 202
　　　　8.8.1　光纖濾波器……………………………………………………… 203
　　　　8.8.2　光纖激光器……………………………………………………… 204
　　　　8.8.3　色散補償器……………………………………………………… 205
　　　　8.8.4　EDFA的增益平坦………………………………………………… 206
　　　　8.8.5　光上下路復用器…………………………………………………… 207
　　§8.9　陣列波導光柵……………………………………………………… 208
　　　　8.9.1　陣列波導光柵工作原理…………………………………………… 208
　　　　8.9.2　色散……………………………………………………………… 209
　　　　8.9.3　AWG對于WDM 信號的響應和線性濾波………………………… 210
　　　　8.9.4　光譜線寬和分辨率………………………………………………… 210
　　　　8.9.5　自由光譜范圍和精細度…………………………………………… 211
　　§8.10　AWG在光通信中的應用………………………………………… 212
　　　　8.10.1　AWG復用/解復用器…………………………………………… 212
　　　　8.10.2　光濾波器………………………………………………………… 213
　　　　8.10.3　波導光柵路由器………………………………………………… 214
　　　　8.10.4　光分插復用器…………………………………………………… 214
6 近代光學信息處理
　　　　8.10.5　AWG光譜分析儀………………………………………………… 215
　　　　8.10.6　色散補償………………………………………………………… 216
　　　　8.10.7　多波長光源……………………………………………………… 216
　　參考文獻……………………………………………………………………… 217
第9章　天文觀測中的光信息處理和天文光子學……………………………… 222
　　§9.1　引言………………………………………………………………… 222
　　　　9.1.1　天文學和天文觀測………………………………………………… 222
　　　　9.1.2　天文觀測波段和觀測系統(tǒng)構成…………………………………… 222
　　　　9.1.3　大型和巨型光學/紅外望遠鏡……………………………………… 223
　　　　9.1.4　成像質量評價指標………………………………………………… 224
　　　　9.1.5　成像質量的改善,主動光學和自適應光學…………………………… 225
　　　　9.1.6　近代天文圖像信息處理和天文光子學……………………………… 227
　　§9.2　大氣湍動成像信息處理…………………………………………… 228
　　　　9.2.1　大氣湍動模型……………………………………………………… 228
　　　　9.2.2　點光源(恒星)、擴展光源(行星)和空間相干范圍的橫向線度………… 229
　　　　9.2.3　長曝光成像傳遞函數(shù)和Fried參數(shù)r0 ……………………………… 230
　　　　9.2.4　等效帶寬、分辨率和大氣視寧度…………………………………… 233
　　　　9.2.5　短曝光成像和“l(fā)uckyimaging”……………………………………… 234
　　　　9.2.6　等暈區(qū)域………………………………………………………… 235
　　§9.3　運用自適應光學校正波面畸變…………………………………… 236
　　　　9.3.1　相位補償基本原理………………………………………………… 236
　　　　9.3.2　波前畸變的分階…………………………………………………… 237
　　　　9.3.3　單共軛自適應光學相位探測和校正系統(tǒng)…………………………… 237
　　　　9.3.4　抽樣間隔………………………………………………………… 240
　　　　9.3.5　斯特列爾比和AO校正像的評價…………………………………… 241
　　　　9.3.6　自適應光學應用于天文觀測的早期成果…………………………… 241
　　　　9.3.7　激光引導星……………………………………………………… 242
　　　　9.3.8　自適應天文學的科學成果………………………………………… 244
　　§9.4　多模光纖與望遠鏡輸出圖像的耦合……………………………… 245
　　　　9.4.1　用光纖傳輸天體的像……………………………………………… 246
　　　　9.4.2　etendue分析……………………………………………………… 247
　　　　9.4.3　多模光纖的模數(shù)M 與etendue的關系……………………………… 248
　　§9.5　用復合光纖光柵實現(xiàn)紅外OH 發(fā)射譜線的濾波………………… 248
　　　　9.5.1　近紅外夜空的OH 背景輻射……………………………………… 248
目　　錄7
　　　　9.5.2　布拉格光纖光柵的逆命題………………………………………… 249
　　　　9.5.3　運用非周期布拉格光纖光柵濾波器抑制OH 發(fā)射譜線……………… 250
　　§9.6　多模光纖和單模光纖束的耦合———“光子燈籠” ………………… 251
　　　　9.6.1　“光子燈籠” ……………………………………………………… 251
　　　　9.6.2　“光子燈籠”傳輸過程的熵………………………………………… 253
　　§9.7　光子集成多模光譜儀和陣列波導光柵…………………………… 255
　　　　9.7.1　引言……………………………………………………………… 255
　　　　9.7.2　光子集成多模光譜儀……………………………………………… 255
　　　　9.7.3　陣列波導光柵簡介………………………………………………… 256
　　　　9.7.4　集成光子光譜儀…………………………………………………… 258
　　　　9.7.5　集成光子光譜儀的初步結論和展望………………………………… 260
　　§9.8　集成駐波傅里葉變換光譜儀……………………………………… 261
　　　　9.8.1　引言……………………………………………………………… 261
　　　　9.8.2　集成駐波傅里葉變換光譜分析…………………………………… 261
　　　　9.8.3　討論……………………………………………………………… 263
　　　　9.8.4　天文光子學小結…………………………………………………… 264
　　參考文獻……………………………………………………………………… 264
附錄A　偏振光在線性扭曲介質中的傳播……………………………………… 267
附錄B　光纖光柵耦合模理論簡介……………………………………………… 271
　　§B.1　光纖光柵耦合模理論……………………………………………… 271
　　§B.2　均勻光纖布拉格光柵的解析解…………………………………… 274
　　§B.3　非均勻光纖光柵的傳輸矩陣解析法……………………………… 276
附錄C　光子晶體………………………………………………………………… 278
　　§C.1　光子晶體的基本概念……………………………………………… 278
　　　　C.1.1　光波在晶體中的布拉格衍射……………………………………… 278
　　　　C.1.2　光子晶體的分類…………………………………………………… 281
　　　　C.1.3　光子晶體的原理和研究方法……………………………………… 283
　　　　C.1.4　光子晶體的性質…………………………………………………… 284
　　§C.2　光子晶體的制備方法……………………………………………… 286
　　　　C.2.1　自組織生長三維光子晶體………………………………………… 286
　　　　C.2.2　利用微加工技術制備平板光子晶體………………………………… 289
　　§C.3　光子晶體光波導…………………………………………………… 291
　　　　C.3.1　光子晶體光波導原理……………………………………………… 291
8 近代光學信息處理
　　　　C.3.2　光子晶體光波導的構造…………………………………………… 292
　　　　C.3.3　光子晶體光波導的測量…………………………………………… 293
　　§C.4　光子晶體微腔激光器……………………………………………… 295
　　　　C.4.1　微腔激光器的特點與發(fā)展………………………………………… 295
　　　　C.4.2　光子晶體微腔激光器設計………………………………………… 296
　　　　C.4.3　電驅動單個缺陷微腔光子晶體激光器……………………………… 298
　　　　C.4.4　特殊結構光子晶體激光器………………………………………… 299
　　§C.5　光子晶體光纖……………………………………………………… 301
　　　　C.5.1　光子晶體光纖的傳輸性質………………………………………… 301
　　　　C.5.2　基于PCF的光器件……………………………………………… 303
　　參考文獻……………………………………………………………………… 306
名詞索引…………………………………………………………………………… 311
作者后記…………………………………………………………………………… 316