为适应数智化时代“信息光学”教学的需要，本书除包含大学本科信息光学教材的主要内容外，还系统介绍了衍射的数值计算方法及数字全息相关知识。全书内容包括数学预备知识、标量衍射理论、衍射积分的数值计算及应用、衍射受限成像、光学信息处理、部分相干理论、全息照相、全息干涉计量、数字全息、数字全息检测中的相位解包裹算法研究。书中所附二维码提供了与教材内容相对应的辅助资源、MATLAB程序、全书的习题参考答案，读者可扫码下载。
样章试读
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前言
第二版前言
第一版前言
第1章 数学预备知识 1
1.1 常用的几种非初等函数 1
1.1.1 矩形函数 1
1.1.2 sinc函数 3
1.1.3 阶跃函数 4
1.1.4 符号函数 4
1.1.5 三角形函数 5
1.1.6 高斯函数 6
1.1.7 圆域函数 6
1.1.8 狄拉克δ函数 7
1.1.9 梳状函数 9
1.2 二维傅里叶变换 9
1.2.1 二维傅里叶变换的定义和存在条件 10
1.2.2 傅里叶变换定理 11
1.2.3 二维傅里叶变换在极坐标下的表示 12
1.3 线性系统 13
1.3.1 线性系统的定义 13
1.3.2 脉冲响应和叠加积分 14
1.3.3 二维线性空间不变系统的定义 15
1.3.4 线性空间不变系统的传递函数和本征函数 15
1.4 二维抽样定理 16
1.4.1 函数的抽样 17
1.4.2 原函数的复原 18
1.4.3 空间-带宽积 19
习题1 20
参考文献 20
第2章 标量衍射理论 21
2.1 光波的复函数表示 21
2.1.1 单色光的复函数表示 21
2.1.2 三维空间中光波场的表达式 22
2.1.3 空间平面上平面波及球面波的复振幅 23
2.2 标量衍射理论 25
2.2.1 波动方程 25
2.2.2 衍射的角谱理论 26
2.2.3 基尔霍夫公式及瑞利-索末菲公式 29
2.2.4 衍射问题的傍轴近似——菲涅耳衍射积分 30
2.2.5 夫琅禾费衍射 32
2.3 夫琅禾费衍射的计算实例 33
2.3.1 矩形孔在透镜焦平面上的衍射图像 33
2.3.2 圆形孔的夫琅禾费衍射 34
2.3.3 振幅型正弦光栅的夫琅禾费衍射 36
2.4 菲涅耳衍射积分的计算及应用实例 38
2.4.1 正弦振幅光栅的菲涅耳衍射 38
2.4.2 矩形孔的菲涅耳衍射 40
2.4.3 直边衍射条纹的间距公式 43
2.5 柯林斯公式 45
2.5.1 傍轴光学系统的ABCD矩阵表示 45
2.5.2 矩阵元素分别取零值时光学系统的性质 49
2.5.3 柯林斯公式 50
2.5.4 柯林斯公式与菲涅耳衍射积分的比较 50
习题2 52
参考文献 54
第3章 衍射积分的数值计算及应用 56
3.1 离散傅里叶变换与傅里叶变换的关系 56
3.1.1 二维连续函数的离散及周期延拓 56
3.1.2 离散傅里叶变换与傅里叶变换的关系 57
3.2 菲涅耳衍射积分的快速傅里叶变换计算 60
3.2.1 菲涅耳衍射积分的S-FFT算法 60
3.2.2 菲涅耳衍射的S-FFT计算与实际测量的比较 63
3.2.3 菲涅耳衍射的D-FFT算法 64
3.2.4 菲涅耳衍射D-FFT算法的实验证明 65
*3.2.5 基于虚拟光波场的衍射计算 68
*3.2.6 菲涅耳衍射的综合孔径表示及其计算 70
*3.3 经典衍射公式及其快速傅里叶变换计算 73
3.3.1 基尔霍夫公式及瑞利-索末菲公式的卷积形式 73
3.3.2 经典衍射公式的统一表述 74
3.3.3 计算卷积形式的经典衍射公式时取样条件的讨论 75
3.3.4 基于能量守恒原理对实际取样条件的讨论 77
3.3.5 不同衍射积分的计算实例 77
3.3.6 不同经典衍射公式的FFT计算研究小结 80
3.3.7 经典衍射积分的逆运算 80
*3.4 柯林斯公式的计算 82
3.4.1 柯林斯公式及其逆运算式 82
3.4.2 柯林斯公式的S-FFT计算 84
3.4.3 柯林斯公式逆运算的S-IFFT计算 85
3.4.4 柯林斯公式的D-FFT计算 87
3.4.5 柯林斯公式逆运算的 D-FFT计算 88
3.4.6 数值计算及实验证明 89
*3.5 衍射数值计算的应用实例 92
3.5.1 二元光学元件的设计 92
3.5.2 观测面为曲面的衍射计算及应用实例 96
3.5.3 全息3D成像及空间曲面光源衍射场的快速计算 100
习题3 111
参考文献 111
第4章 衍射受限成像 113
4.1 透镜的光学变换性质 113
4.1.1 物体在透镜前 113
4.1.2 物体在透镜后 117
4.1.3 透镜孔径引起的渐晕效应 119
4.2 衍射受限系统的相干光照明成像 120
4.2.1 阿贝及瑞利成像理论的等价性 121
4.2.2 衍射受限成像系统的脉冲响应 123
4.2.3 衍射受限成像系统像光场的计算 125
4.2.4 相干传递函数的物理意义 127
4.2.5 相干光成像系统的实验研究 129
4.2.6 球面波照明对物平面观测区完整成像的讨论 132
4.2.7 相干光成像系统像光场频谱的理论分析 134
4.2.8 有像差系统的成像计算 138
4.3 衍射受限系统的非相干照明成像 140
4.3.1 衍射受限系统的光学传递函数 140
4.3.2 衍射受限系统的光学传递函数和相干传递函数的关系 143
4.3.3 光学传递函数的一般性质和意义 143
4.3.4 衍射受限系统的光学传递函数的计算 145
4.3.5 有像差的光学传递函数 148
4.3.6 有离焦像差的光学传递函数及成像计算 149
4.4 相干成像与非相干成像的比较 155
4.4.1 两个点物像分辨极限的比较 155
4.4.2 像强度频谱的比较 159
4.4.3 图像阶跃边沿响应的比较与分析 160
4.4.4 相干光照明的散斑效应 164
4.5 本章结束语 166
习题4 166
参考文献 168
第5章 光学信息处理 169
5.1 阿贝二次成像理论和阿贝-波特实验 169
5.1.1 阿贝二次成像理论 169
5.1.2 阿贝-波特实验 172
5.2 空间频率滤波系统和空间滤波器 178
5.2.1 空间频率滤波系统 178
5.2.2 滤波器的种类 179
5.2.3 Vanderlugt滤波器 180
5.3 空间滤波器的应用实例 184
5.3.1 泽尼克相衬显微镜 184
5.3.2 马雷夏尔的工作和补偿滤波器 185
5.4 相干光信息处理系统 187
5.4.1 多重像的实现 188
5.4.2 图像的相减和相加 188
5.4.3 图像的特征识别 190
5.4.4 逆滤波器和图像的恢复 194
5.5 非相干光信息处理系统 196
5.5.1 两幅图像乘积的积分 197
5.5.2 两幅图像的卷积和相关运算 197
习题5 199
参考文献 199
第6章 部分相干理论 200
6.1 引言 200
6.2 可见度 202
6.3 互相干函数及相干度 208
6.4 时间相干和空间相干 211
6.5 恒星干涉仪 214
习题6 216
参考文献 216
第7章 全息照相 217
7.1 全息照相的基本原理 217
7.1.1 全息图的记录与再现 219
7.1.2 夫朗禾费全息图以及傅里叶变换全息图 224
7.2 几种其他主要类型的全息图 232
7.2.1 体积全息图 232
7.2.2 白光再现全息图 239
7.2.3 浮雕全息图 242
7.2.4 脉冲全息图 246
7.3 全息照相的应用概况 246
7.3.1 全息显示 246
7.3.2 全息光学元件 248
7.3.3 全息信息存储 250
习题7 250
参考文献 252
第8章 全息干涉计量 253
8.1 单曝光法或实时全息法 253
8.1.1 基本原理 253
8.1.2 实验方法和装置 256
8.2 二次曝光全息干涉计量或双曝光法 261
8.2.1 基本原理 261
8.2.2 应用实例 263
8.3 时间平均法原理及其应用 276
8.4 全息系统的智能化、小型化、多功能化 280
习题8 284
参考文献 285
第9章 数字全息 287
9.1 离轴数字全息 287
9.1.1 离轴数字全息记录系统 287
9.1.2 数字全息图的记录及重建过程中透射光的传播特性 288
9.1.3 离轴数字全息系统的设计 292
9.1.4 数字全息系统的优化模拟及实验研究 293
9.2 数字全息波前重建的S-FFT算法研究 295
9.2.1 数字全息图的衍射效率 295
9.2.2 零级衍射干扰的消除方法 296
9.3 基于虚拟数字全息图的波前重建 298
9.3.1 VDH4FFT波前重建算法简介 298
9.3.2 VDH4FFT重建算法的实验证明 299
9.4 像面数字全息 301
9.4.1 像面数字全息系统的脉冲响应 301
9.4.2 照明物光的优化设计 306
9.4.3 消除重建像相位干扰的研究 308
9.4.4 像面数字全息实验 309
9.4.5 光学移频超分辨成像 313
9.4.6 暗场显微数字全息 319
9.5 彩色数字全息 325
9.5.1 三基色原理及图像的数字表示 326
9.5.2 基于数字全息变焦系统的彩色数字全息 328
9.5.3 物光穿过傍轴光学系统的彩色数字全息 332
*9.6 数字全息在光学检测中的应用 337
9.6.1 实时数字全息检测透明物应力分布 338
9.6.2 物体三维形貌的数字全息检测 341
9.6.3 三维粒子场检测 342
9.6.4 时间平均法数字全息振动分析 344
9.6.5 飞秒级瞬态过程的数字全息检测技术 346
9.6.6 物体微形变的数字全息检测 349
9.6.7 二维气体流场的数字实时全息检测 351
9.6.8 不同形式的数字全息检测系统 354
习题9 356
参考文献 358
第10章 数字全息检测中的相位解包裹算法研究 360
10.1 相位解包裹基础 360
10.2 经典的相位解包裹算法 361
10.2.1 Goldstein枝切算法 361
10.2.2 质量图导引路径积分算法 363
10.2.3 Flynn最小不连续算法 364
10.2.4 最小Lp范数算法 364
10.3 针对高散斑噪声相位图的解包裹算法研究 366
10.3.1 改进的最小二乘和迭代相位解包裹算法(PULSI) 366
10.3.2 基于最小二乘、迭代和相位梯度校正的解包裹算法(CPULSI) 368
10.3.3 所提算法的数值模拟验证 370
10.3.4 所提算法在数字全息实验数据处理中的应用 380
10.4 对高噪声相位图同时进行解包裹与降噪处理 382
10.4.1 结合降噪与相位解包裹算法的相位处理方法 382
10.4.2 所提方法的数值模拟评价 383
10.4.3 两种方法在数字全息实验数据处理中的应用 388
10.5 本章小结 389
习题10 390
参考文献 390
附录A 散射光全息干涉图像的理论模型 392
A.1 散射光的统计光学解释 392
A.2 散射光全息干涉图像的理论模型 393
A.3 物体微形变二次曝光干涉图模拟研究实例 395
附录B 本书提供的MATLAB程序目录 397
附录C 本书所附数字资源的下载方法及下载文件内容简介 399
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