信息光学

对相关专业的学生来说，通常已有了“基础光学”等相关课程基础，进入高年级或研究生后，需要更专门地学习光信息处理原理和技术的内容。通过本课程的学习，使学生系统学习信息光学基础知识，培养学生理论联系实际，结合光学信息处理技术，开拓学生理论用于实践的方法和创新思路，提高学生解决实际问题的能力，为从事光学信息处理工作和近代光学信息处理技术的学习打下基础。处理工作和近代光学信息处理技术的学习打下基础。 

本教材内容包括：信息光学的数学基础，空域的傅里叶变换，线性系统和光场傅里叶分析，标量光场衍射理论，光学系统的成像分析，光学成像系统的传递函数，部分相干光的干涉和衍射，光学全息，光学信息处理技术。

余向阳，教授，博士，现在中山大学光电材料与技术国家重点实验室、物理科学与工程技术学院工作，兼任广东省光学学会秘书长。目前主要从事超快过程、量子信息和量子光学、信息光学、激光物理学和非线性光学理论与实验研究。主持国家自然科学基金、973子课题，广东省自然科学基金、863子课题等多个科研项目，主讲研究生和本科生课程?“量子光学”、“光谱学”和“信息光学”等。在国内外刊物、会议上发表学术论文80余篇，其中被SCI收录30余篇，被EI收录50余篇。

目 录

第1章 信息光学的数学基础
1.1 光学中常用的非初等函数
1.2 光学中常用的初等函数
1.3 函数的变换
1.4 δ函数
1.5 周期函数
1.6 复数和复值函数
习题1
第2章 空域的傅里叶变换
2.1 一维函数的傅里叶变换
2.2 二维函数的傅里叶变换
2.3 傅里叶变换的性质
2.4 傅里叶变换的MATLAB实现
2.5 卷积和卷积定理
2.6 相关和相关定理
2.7 傅里叶变换的基本定理
习题2
第3章 线性系统和光场的傅里叶分析
3.1 线性系统的概念
3.2 线性系统的分析方法
3.3 光场解析信号表示
3.4 光场的复振幅空间描述
3.5 光场的空间傅里叶分析
3.6 函数抽样与函数复原
习题3
第4章 标量衍射理论
4.1 从矢量电场到标量电场
4.2 基尔霍夫衍射理论
4.3 衍射在空间频域的描述
4.4 衍射的菲涅耳近似和夫琅禾费近似
4.5 菲涅耳衍射的计算
4.6 夫琅禾费衍射的计算
习题4
第5章 光学系统的成像分析
5.1 成像系统概述
5.2 透镜的结构及变换作用
5.3 透镜的傅里叶变换性质
5.4 透镜的空间滤波特性
5.5 光学系统的一般模型
5.6 衍射受限系统成像的空域分析
习题5
第6章 光学成像系统的传递函数
6.1 光学成像系统的传递函数
6.2 光学传递函数概述
6.3 衍射受限相干成像系统的传递函数
6.4 衍射受限系统非相干成像的传递函数
6.5 线扩散函授和刃边扩散函数
6.6 相干与非相干成像系统的比较
习题6
第7章 部分相干光的干涉和衍射
7.1 概述
7.2 互相干函数和相干度
7.3 空间相干性
7.4 时间相干性
7.5 准单色条件下的干涉和互强度
7.6 互相干函数的传播和广义惠更斯原理
7.7 范西泰特—策尼克定理及其应用
习题7
第8章 光学全息
8.1 全息术概述
8.2 全息照相的基本原理
8.3 基本全息图
8.4 其他几种类型的全息图
8.5 全息记录介质
8.6 计算全息
习题8
第9章 光学信息处理技术
9.1 引言
9.2 相干光信息处理
9.3 相干光信息处理的应用
9.4 非相干光信息处理
9.5 部分相干光信息处理
9.6 非线性光信息处理
习题9
参考文献

前 言

信息光学，早期也称为傅里叶光学，是现代光学和信息处理的重要组成部分，其核心内容是基于波动方程的光波的传播和重构。信息光学是以傅里叶变换和线性系统分析为工具，以光的传播为处理对象，以提取光学信息为目标，综合数学、光学和信息论的一门学科，在光学、光学工程、光电工程、信息处理、图像处理等领域得到广泛的应用。近年来，信息光学发展很快，理论体系已日趋成熟、完整，成为光学和信息科学的重要分支，在许多领域有着重要的实际应用。
本书是作者在中山大物理科学与工程技术学院多年对高级年本科生讲授“信息光学”课程和对研究生讲授“光信息处理原理与技术”所编写的讲义的基础上经修订完善而成的。全书共分9章：第1章的内容主要为信息光学的数学基础，包括光学中常用非初等函数和初等函数、函数的变换、 函数、周期函数和复数函数；第2章的的内容主要为空域的傅里叶变换，包括一维和二维函数的傅里叶变换、傅里叶变换的性质和MATLAB实现、卷积和卷积定理、相关和相关定理、傅里叶变换的基本定理；第3章的内容主要为线性系统和光场傅里叶分析，包括线性系统的概念和分析分法、光场的解析信号表示及复振幅空间描述、二维光场的傅里叶分析、函数的抽样和复原；第4章的内容主要为标量光场衍射理论，包括标量电场、基尔霍夫衍射理论、衍射在空间频域的描述、衍射的菲涅耳和夫琅禾费近似、菲涅耳和夫琅禾费衍射的计算；第5章的内容主要为光学系统的成像分析，包括成像系统概述、透镜的相位变换及傅里叶变换性质、透镜的空间滤波特性、光学成像系统的一般模型、衍射受限光学系统成像的空域分析；第6章的内容主要为光学成像系统的传递函数，包括光学系统成像的像质评价、光学传递函数的概念、衍射受限的相干及非相干成像系统的传递函数、线扩散函数和刃边扩散函数、有像差的系统的传递函数、相干与非相干成像系统的比较；第7章的内容主要为部分相干光的干涉和衍射，包括互相干函数和相干度、光的时间相干性和空间相干性、在准单色条件下的干涉和互强度、互相干的传播和广义惠更斯原理、范西泰特-策尼克定理；第8章的内容主要为光学全息，包括光学全息概述、全息照相的基本原理、基本全息图及几种典型的全息图、全息记录介质、计算全息；第9章的内容主要为光学信息处理技术，包括相干光学信息处理及应用、非相干光学信息处理、部分相干光学信息处理、非线性光信息处理。
本教材为光信息科学与技术、光电信息科学与工程、电子科学与技术、光电工程、物理学、应用物理学、电子学等专业的高级年本科生及相关专业的研究生而编写。对这些专业的学生来说，通常已有了“基础光学”等相关课程基础，进入高年级或研究生后，需要更专门地学习光信息处理原理和技术的内容。通过本课程的学习，使学生系统学习信息光学基础知识，培养学生理论联系实际，结合光学信息处理技术，开拓学生理论用于实践的方法和创新思路，提高学生解决实际问题的能力，为从事光学信息处理工作和近代光学信息处理技术的学习打下基础。
本教材各章节的编排前后连贯，逻辑性强，章节内容的安排既注重知识之间的有机联系，又考虑各自的独立性，书中图表丰富，推演过程详细，便于理解和掌握，便于读者自学，也便于老师根据不同授课对象、对课程的不同要求以及学时数的多少选取适当的讲授内容。为了加强对学生能力的锻炼，每章都附有相当数量的习题，这些习题的涉及面也比较广。老师在教学过程可以进行适当的选择，完成一定量的习题，有利于加深对概念的理解，提高分析、解决问题的能力。
作者在教学和本书编写过程中，一直得到中山大学物理科学与工程技术学院和教务处的大力支持，中山大学出版社李海东编辑为本书的正式出版付出大量的精力。在此，向他们表示诚挚的感谢。
由于作者水平有限，对一些问题的理解不透彻，因此书中难免有错误和缺点，存在一些疏漏和为妥之处，恳请读者不吝批评指正。
在本书的编写过程中，作者参阅了不少的国内外文献资料，主要的参考文献在书后列出，但书中有些具体的引用没有一一标出。在此，对这些文献的作者致以真挚的谢意。
需要本书配套的授课电子课件和习题解答的老师，可通过电子邮件[email protected]与作者联系。

作 者
2015年8月于中山大学康乐园