1、书 书 书电子信息与电气学科规划教材光电信息科学与工程专业信息光学原理苏显渝 吕乃光 陈家璧 编著内容简介信息光学是光学和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学学科。本书介绍信息光学的基本理论及最新进展。全书共8章。第1 3章介绍信息光学的基础理论，第4 6章介绍光学全息、计算全息、光学信息处理，第7 8章介绍最近发展起来的光信息存储与三维全息显示，光通信中的信息光学。本书可作为高等院校光学、光学工程、光信息科学与技术、电子科学与技术等专业本科生教材，也可供相应专业的教师和科技工作者参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（C I P）数据
2、信息光学原理/苏显渝，吕乃光，陈家璧编著.北京：电子工业出版社，2010.12（电子信息与电气学科规划教材光电信息科学与工程专业）I SB N978-7-121-12057-2.信.苏 吕 陈.信息光学-高等学校-教材.0438中国版本图书馆C I P数据核字（2010）第204263号责任编辑：韩同平 特约编辑：李佩乾印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路173信箱 邮编：100036开 本：787 1092 1/16 印张：16 字数：415千字印 次：2010年12月第1次印刷印 数：4 000册 定价：35.00元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店
3、调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至z l t s phe i.c o m.c n，盗版侵权举报请发邮件至dbqqphe i.c o m.c n。服务热线：（010）88258888。序信息光学是光学和信息科学相结合的新的学科分支。它研究以光为载体的信息的获取、信息的变换和处理、信息的传递和传输，因而，信息光学也可以看做信息科学的一个分支。自20世纪后半叶以来，由于激光、全息术、光学信息处理、C C D实时成像技术、光纤通信等技术的迅猛发展，使光学这个古老的学科焕发了青春。光信息技术成为信息技术中最为活跃的领域之一，成果频出，推动
4、社会产生了巨大进步。目前全国许多高等学校纷纷设立光信息科学与技术等专业，反映出科技发展对于光信息技术人才的旺盛需求。在这些专业的培养方案中，信息光学通常被列为专业基础课程。信息光学采用线性系统理论、傅里叶分析方法分析各种光学现象，例如，光的传播、衍射、成像等。它的原理不仅可以用来分析光学系统或各种光学现象，而且其应用领域，如光学传递函数、光学全息和光学信息处理、光计算、激光散斑计量、三维传感等呈现出百花争艳、勃勃生机的繁荣景象。本书的内容包括信息光学的基本原理和应用。全书理论体系完整，物理概念清晰，内容丰富，很好地反映了光信息技术的最新发展成就，是一本面向21世纪的，反映科技进展先进性的教材。
5、内容由浅入深，便于自学。注意密切联系实际，对学生运用理论分析解决光信息技术实际问题能力的培养尤为注重。我欣喜地看到，本教材的三位作者曾是清华大学光学仪器专业光八班（19621968年）的同班同学，都曾是我的学生。他们有幸经历了信息光学在我国学习推广、发展繁荣的完整过程。他们虽然任职于不同的高校，但多年来，密切合作，致力于光信息技术的教学和科学研究。在信息光学领域有许多心得和著述。他们主编的教材包括光学信息技术原理及应用（高等教育出版社）、信息光学（科学出版社）、傅里叶光学（机械工业出版社），都是国内有影响的优秀教材，同被列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材。这次他们携手合作，推出这本扛鼎之
6、作，在原理的阐释、内容的精选等许多方面有新的特色，提高了教材的科学性和适用性，使其更适合光信息科学与技术专业大学生和科技人员的需要。希望本教材的出版，对于我国光信息科学与技术领域的科技人才培养将发挥积极作用！中国工程院院士 清华大学教授2010年7月7日 前 言光学是一门较早发展的学科，它在科学与技术的发展史上占有重要地位。但是光学发展最快的时期还是20世纪，尤其是20世纪下半叶，包括信息光学在内的近代光学对信息时代的到来起了十分重要的作用。信息光学是将信息科学中的线性系统理论引入光学而逐步形成的。1947年作为像质评价的光学传递函数的建立，1948年全息术的提出，以及1960年激光的诞生，是
7、信息光学发展中的几件大事。激光的应用使全息术获得了新的生命，全息术和光学传递函数的进一步发展，加上将数学中的傅里叶变换和通信中的线性系统理论引入光学，使光学和通信这两个不同的领域在信息学范畴内统一起来，光学研究也从“空域”走向“频域”。光学工程师不再仅仅限于用光强、振幅或透过率的空间分布来描述光学图像，也能像电气工程师那样用空间频率的分布和变化来描述光学图像，为光学信息处理开辟了广阔的应用前景。与其他形态的信号处理相比，光学信息处理具有高度并行、大容量的特点。近年来，这一学科发展很快，理论体系已日趋成熟，信息光学已渗透到科学技术的诸多领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越广泛的应用。本书的前
8、三章是理论基础部分。第1章的主要内容是二维线性系统分析，包括信息光学中一些必要的数学知识，以及线性系统的分析方法、二维傅里叶变换和信息科学的另一基础 抽样定理。第2、3章运用空间域和频率域方法讨论了光波携带信息在自由空间或经过光学系统的传播问题，以及透镜系统的傅里叶变换性质。第2章介绍标量衍射理论，分别讨论了基尔霍夫衍射理论和衍射的角谱理论，两种理论分别从空间域和频率域讨论衍射现象，分别以球面波和平面波作为基元函数描述光波的传播现象。第3章关于光学系统的频谱分析与以往多数教材不同，对透镜的傅里叶变换性质给出一个统一的表达方式，并得出不同情况下的结果。由此出发进一步分析相干与非相干成像系统，给出
9、成像系统的相干传递函数与光学传递函数。第4章侧重讨论光学全息的基本原理，介绍一些重要的全息图以及光学全息术的主要应用。第5章重点讨论计算全息的理论基础、基本原理及制作方法，介绍一些典型的计算全息图及其主要应用。通过计算全息发展的历史过程和不同学科专家对计算全息方法的看法，使学生加深对科学理论的普遍性和多学科交叉融合的必要性的认识。第6章为光学信息处理，介绍了应用信息光学基本原理处理光学信息的主要方法，重点讨论了空间滤波、相干光学处理、非相干光学处理。第7章讨论信息光学的两个重要应用方面 光信息存储与三维全息显示。第8章讨论了信息光学技术在现代光通信技术中的一些特别的应用，包括能够用于密集波分复
10、用技术的光分插复用器和光纤系统的色散补偿的布拉格光纤光栅，超短脉冲的整形和处理，光谱全息术，阵列波导光栅等。第7、8两章的内容反映了信息光学领域的最新进展。本书特点：一是把光学看做信息科学技术的一个重要组成部分进行研究；二是密切联系实际，启发学生用信息光学的基础理论解决光学信息技术的各种应用问题；三是配有许多独具匠心的习题，以及有关参考文献，可以引导读者自学，启发读者思维，培养创新能力。本书第1 6章是本科生必读的部分，其他两章可根据具体情况选读。本书第1 3章由吕乃光编写，第4 6章由苏显渝编写，第7 8章由陈家璧编写。本书3位作者长期从事与信息光学有关的教学和科研工作，对所撰写章节有关的内
11、容和最新发展十分熟悉，其中凝结了他们自己的教学心得和研究成果。3位作者是清华大学光学仪器专业光八班毕业的同班同学，从19621968年，曾在美丽的清华园同窗六载。值此清华大学百年校庆即将到来之际，仅以本教材献给亲爱的母校。本书在编写过程中得到了中国工程院院士、清华大学金国藩教授的悉心指导。金先生对信息光学的教育和学科发展非常重视，对本书的内容和结构提出了指导性的意见，仔细审阅了全部书稿，并欣然为本书作序，使作者得益匪浅，并倍受鼓舞。在此对金先生表示衷心感谢。编 者目 录第1章 二维线性系统分析（1）1.1 二维傅里叶变换（1）1.1.1 函数和其他常用函数（1）1.1.2 卷积和相关（5）1.
12、1.3 二维傅里叶变换定义及存在条件（8）1.1.4 广义傅里叶变换（9）1.1.5 虚、实、奇、偶函数傅里叶变换的性质（9）1.1.6 傅里叶变换定理（10）1.1.7 可分离变量函数的变换（11）1.1.8 傅里叶-贝塞尔变换（11）1.1.9 周期函数的傅里叶变换（12）1.1.10 一些常用函数的傅里叶变换式（13）1.2 线性系统（16）1.2.1 线性系统（16）1.2.2 线性不变系统（18）1.3 抽样定理（21）1.3.1 函数的抽样（21）1.3.2 函数的还原（23）1.3.3 空间带宽积（24）习题一（24）第2章 标量衍射理论（27）2.1 光波的数学描述（27）2.
13、1.1 单色光波场的复振幅表示（27）2.1.2 球面波（28）2.1.3 平面波（29）2.1.4 平面波的空间频率（30）2.1.5 复振幅分布的空间频谱（角谱）（31）2.2 基尔霍夫衍射理论（32）2.2.1 惠更斯-菲涅耳原理和基尔霍夫衍射公式（32）2.2.2 光波传播的线性性质（34）2.3 衍射的角谱理论（35）2.3.1 角谱的传播（35）2.3.2 孔径对角谱的影响（37）2.4 菲涅耳衍射（38）2.5 夫琅禾费衍射（40）2.5.1 夫琅禾费衍射公式（40）2.5.2 一些简单孔径的夫琅禾费衍射（41）2.6 衍射光栅（43）2.6.1 线光栅（43）2.6.2 余弦型
14、振幅光栅（46）习题二（47）第3章 光学成像系统的频率特性（50）3.1 透镜的位相调制作用（50）3.2 透镜的傅里叶变换性质（52）3.2.1 物体紧靠透镜放置（52）3.2.2 物体放置在透镜前方（53）3.2.3 透镜孔径的影响（54）3.2.4 透镜傅里叶变换的应用（54）3.3 透镜的成像性质（55）3.4 成像系统的一般分析（57）3.4.1 成像系统的一般模型（57）3.4.2 阿贝成像理论（58）3.4.3 单色光照明的衍射受限系统（59）3.4.4 非单色照明（60）3.5 衍射受限的相干成像系统的频率响应（61）3.5.1 相干传递函数（61）3.5.2 相干传递函数计
15、算和应用举例（62）3.6 衍射受限的非相干成像系统的频率响应（64）3.6.1 非相干照明时的物像关系式（64）3.6.2 光强的空间频谱（64）3.6.3 光学传递函数的定义及物理意义（65）3.6.4 O T F与C T F的联系（66）3.6.5 衍射受限系统的O T F（67）3.6.6 衍射受限系统O T F计算和应用举例（68）3.7 像差对于成像系统传递函数的影响（70）3.7.1 广义光瞳函数（70）3.7.2 像差对C T F的影响（71）3.7.3 像差对O T F的影响（71）3.8 相干与非相干成像系统的比较（72）习题三（74）第4章 光学全息（77）4.1 概述（
16、77）4.2 波前记录与再现（78）4.2.1 波前记录（78）4.2.2 波前再现（79）4.2.3 全息图的基本类型（81）4.3 同轴全息图和离轴全息图（82）4.3.1 同轴全息图（82）4.3.2 离轴全息图（83）4.4 基元全息图（84）4.5 菲涅耳全息图（86）4.5.1 点源全息图的记录和再现（87）4.5.2 几种特殊情况的讨论（89）4.6 傅里叶变换全息图（91）4.6.1 傅里叶变换全息图的记录与再现（91）4.6.2 准傅里叶变换全息图（94）4.6.3 无透镜傅里叶变换全息图（94）4.7 像全息图（95）4.7.1 再现光源宽度的影响（95）4.7.2 再现光源光谱宽度的影响（96）4.7.3 色模糊（97）4.7.4 像全息的制作（98）4.8 彩虹全息（99）4.8.1 二步彩虹全息（99）4.8.2 一步彩虹全息（100）4.8.3 彩虹全息的色模糊（100）4.9 相位全息图（102）4.10 模压全息图（103）4.11 体积全息（104）4.11.1 透射体积全息图（104）4.11.2 反射全息图（106）4.12 平面全息图的衍射效率（
