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Terman奖、国际光学工程学会（SPIE）的伽博（Dennis Gabor）奖、玻恩（Max Born）奖、Esther Beller Hoffman奖、美国光学学会的Ives奖章、电气和电子工程师协会的教育奖章。他是美国国家工程科学院院士，并担任过美国光学学会和国际光学学会会长。 目錄： 目录 第1章 引言1 1.1 光学、信息和通信 1 1.2 本书内容概述1 第2章 二维信号与系统的分析3 2.1 二维傅里叶分析3 2.1.1 定义与存在条件 3 2.1.2 傅里叶变换作为分解式5 2.1.3 傅里叶变换定理 6 2.1.4 可分离变量的函数7 2.1.5 具有圆对称性的函数：傅里叶-贝塞尔变换8 2.1.6 一些常用函数和一些有用的傅里叶变换对9 2.2 空间频率和空间频率的局域化12 2.3 线性系统14 2.3.1 线性性质与叠加积分14 2.3.2 线性不变系统：传递函数15 2.4 二维抽样理论17 2.4.1 Whittaker-Shannon 抽样定理17 2.4.2 空间-带宽积20 第3章 标量衍射理论基础23 3.1 历史引言23 3.2 从矢量理论到标量理论25 3.3 一些数学预备知识27 3.3.1 亥姆霍兹方程27 3.3.2 格林定理28 3.3.3 亥姆霍兹和基尔霍夫的积分定理28 3.4 平面屏幕衍射的基尔霍夫公式30 3.4.1 积分定理的应用31 3.4.2 基尔霍夫边界条件31 3.4.3 菲涅耳-基尔霍夫衍射公式32 3.5 瑞利-索末菲衍射公式33 3.5.1 格林函数的别种选法34 3.5.2 瑞利-索末菲衍射公式36 3.6 基尔霍夫理论和瑞利-索末菲理论的比较36 3.7 惠更斯-菲涅耳原理的进一步讨论37 3.8 推广到非单色波 38 3.9 边界上的衍射39 3.10 平面波的角谱40 3.10.1 角谱及其物理解释40 3.10.2 角谱的传播41 3.10.3 衍射孔径对角谱的效应42 3.10.4 传播现象作为一个线性的空间滤波器43 第4章 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射46 4.1 背景46 4.1.1 波场的强度 46 4.1.2 直角坐标系中的惠更斯-菲涅耳原理47 4.2 菲涅耳近似48 4.2.1 正相位还是负相位49 4.2.2 菲涅耳近似的精度50 4.2.3 菲涅耳近似和角谱53 4.2.4 两个共焦球面之间的菲涅耳衍射53 4.3 夫琅禾费近似54 4.4 夫琅禾费衍射图样的例子55 4.4.1 矩形孔径55 4.4.2 圆形孔径56 4.4.3 薄正弦振幅光栅57 4.4.4 薄正弦相位光栅59 4.5 计算菲涅耳衍射的例子61 4.5.1 方孔径的菲涅耳衍射61 4.5.2 正弦振幅光栅产生的菲涅耳衍射塔尔博特像63 第5章 相干光学系统的波动光学分析70 5.1 薄透镜作为相位变换器70 5.1.1 厚度函数71 5.1.2 傍轴近似72 5.1.3 相位变换及其物理意义72 5.2 透镜的傅里叶变换性质73 5.2.1 输入紧靠透镜74 5.2.2 输入位于透镜之前75 5.2.3 输入位于透镜之后77 5.2.4 光学傅里叶变换的一个例子78 5.3 成像：单色光照明78 5.3.1 正透镜的脉冲响应78 5.3.2 消去二次位相因子：透镜定律79 5.3.3 物和像之间的关系82 5.4 复杂相干光学系统的分析83 5.4.1 算符记号83 5.4.2 算符方法对一些光学系统的应用85 第6章 光学成像系统的频谱分析91 6.1 成像系统的一般分析91 6.1.1 普遍模型91 6.1.2 衍射对像的影响92 6.1.3 多色光照明：相干情形和非相干情形94 6.2 衍射置限相干成像系统的频率响应97 6.2.1 振幅传递函数97 6.2.2 振幅传递函数的例子98 6.3 衍射置限非相干成像系统的频率响应99 6.3.1 光学传递函数99 6.3.2 OTF 的一般性质100 6.3.3 无像差系统的 OTF101 6.3.4 衍射置限系统的 OTF 的例子103 6.4 像差及其对频率响应的影响104 6.4.1 广义光瞳函数104 6.4.2 像差对振幅传递函数的影响105 6.4.3 像差对 OTF 的影响105 6.4.4 简单像差的例子：聚焦误差106 6.4.5 切趾法及其对频率响应的影响108 6.5 相干成像和非相干成像的比较110 6.5.1 像强度的频谱111 6.5.2 两点分辨率112 6.5.3 其他效应 113 6.6 超越经典衍射极限的分辨率115 6.6.1 数学基础 115 6.6.2 带宽外推的直观解释116 6.6.3 基于抽样定理的一种外推方法116 6.6.4 一种迭代外推方法118 6.6.5 实际限制 118 第7章 波前调制123 7.1 用照相胶片进行波前调制123 7.1.1 曝光、显影和定影的物理过程123 7.1.2 术语的定义125 7.1.3 非相干光学系统中的胶片126 7.1.4 相干光学系统中的胶片127 7.1.5 调制传递函数128 7.1.6 照相乳胶的漂白130 7.2 空间光调制器131 7.2.1 液晶的性质132 7.2.2 基于液晶的空间光调制器138 7.2.3 磁光空间光调制器141 7.2.4 可形变反射镜空间光调制器143 7.2.5 多量子阱空间光调制器144 7.2.6 声光空间光调制器146 7.3 衍射光学元件149 7.3.1 二元光学 150 7.3.2 其他类型的衍射光学元件152 7.3.3 几句提醒的话153 第8章 模拟光学信息处理 155 8.1 历史背景155 8.1.1 阿贝-波特实验155 8.1.2 泽尼克相衬显微镜157 8.1.3 照片质量的改善：Marechal的工作158 8.1.4 通信理论观点的兴起159 8.1.5 相干光学对更普遍的数据处理的应用160 8.2 非相干图像处理系统160 8.2.1 基于几何类光学的系统160 8.2.2 包含衍射效应的系统164 8.3 相干光信息处理系统165 8.3.1 相干系统的结构165 8.3.2 对滤波器实现的限制168 8.4 VanderLugt滤波器169 8.4.1 频率平面掩模的合成169 8.4.2 处理输入数据171 8.4.3 VanderLugt滤波器的优点172 8.5 联合变换相关器173 8.6 对特征识别的应用 175 8.6.1 匹配滤波器175 8.6.2 一个特征识别问题176 8.6.3 特征识别机的光学合成法178 8.6.4 对尺寸大小和旋转的敏感性179 8.7 不变的图样识别179 8.7.1 梅林相关器180 8.7.2 圆谐波相关181 8.7.3 合成判别式函数182 8.8 图像恢复184 8.8.1 逆滤波器 184 8.8.2 维纳滤波器或最小均方误差滤波器185 8.8.3 滤波器的实现186 8.9 合成孔径雷达数据处理188 8.9.1 合成孔径的形成189 8.9.2 采集到的数据和记录样式189 8.9.3 透明胶片的聚焦性质191 8.9.4 二维像的生成194 8.9.5 倾斜平面处理器195 8.10 声光信号处理系统197 8.10.1 布拉格单元频谱分析仪197 8.10.2 空间积分相关器199 8.10.3 时间积分相关器200 8.10.4 其他声光信号处理系统202 8.11 离散模拟光学处理器202 8.11.1 信息和系统的离散表示202 8.11.2 串行矩阵-矢量乘法器203 8.11.3 并行的非相干光矩阵-矢量乘法器204 8.11.4 外积处理器205 8.11.5 其他离散处理系统206 8.11.6 处理双极性数据和复数数据的方法206 第9章 全息术211 9.1 历史引言211 9.2 波前重建问题212 9.2.1 振幅与相位的记录212 9.2.2 记录介质 212 9.2.3 原始波前的重建213 9.2.4 全息过程的线性性质213 9.2.5 全息术成像214 9.3 伽博全息图215 9.3.1 参考波的来源215 9.3.2 孪生像216 9.3.3 伽博全息图的局限性216 9.4 利思-乌帕特尼克斯全息图217 9.4.1 全息图的记录217 9.4.2 获得重建像218 9.4.3 最小参考角219 9.4.4 三维景物全息术220 9.4.5 全息术的实际问题222 9.5 像的位置和放大率 223 9.5.1 像的位置 223 9.5.2 轴向放大率和横向放大率225 9.5.3 一个例子 226 9.6 不同类型的全息图简介227 9.6.1 菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图,像全息图和傅里叶全息图227 9.6.2 透射全息图和反射全息图228 9.6.3 全息立体照片229 9.6.4 彩虹全息图230 9.6.5 合成全息图231 9.6.6 模压全息图233 9.7 厚全息图233 9.7.1 记录体全息光栅234 9.7.2 从体光栅重建波前235 9.7.3 更复杂的记录光路的条纹方向236 9.7.4 有限大小的光栅236 9.7.5 衍射效率耦合波理论238 9.8 记录材料245 9.8.1 卤化银感光乳剂245 9.8.2 光聚合物胶片246 9.8.3 重铬酸盐明胶246 9.8.4 光折变晶体材料247 9.9 计算全息图248 9.9.1 抽样问题249 9.9.2 计算问题 251 9.9.3 表示问题 252 9.10 全息像像质的劣化257 9.10.1 胶片MTF的影响258 9.10.2 胶片非线性的影响260 9.10.3 胶片颗粒噪声的效应261 9.10.4 散斑噪声 261 9.11 使用空间非相干光的全息术262 9.12 全息术的应用 264 9.12.1 显微术和高分辨率体成像264 9.12.2 干涉测量术264 9.12.3 通过致畸变介质成像268 9.12.4 全息数据存储270 9.12.5 用于人工神经网络的全息加权272 9.12.6 其他应用 274 第10章 光通信中的傅里叶光学278 10.1 引言278 10.2 布拉格光纤光栅278 10.2.1 光纤简介 279 10.2.2 在光纤中记录光栅280 10.2.3 FBG对光纤中光传播的影响281 10.2.4 FBG的应用284 10.2.5 工作在透射方式的光栅285 10.3 超短脉冲的整形和处理286 10.3.1 时间频率到空间频率的变换286 10.3.2 脉冲整形系统287 10.3.3 谱脉冲整形的应用288 10.4 光谱全息术290 10.4.1 全息图的记录290 10.4.2 信号的重建292 10.4.3 参考脉冲和信号波形之间延迟的影响293 10.5 阵列波导光栅 294 10.5.1 阵列波导光栅的基本部件294 10.5.2 阵列波导光栅的应用299 附录A 函数和傅里叶变换定理303 附录B 傍轴几何光学简介 309 附录C 偏振和琼斯矩阵318 附录D 光栅方程322 参考文献323 汉英对照术语表336 译后记348 內容試閱： 第3 版中文版序 本书英文版初版由McGraw-Hill 图书公司于1968年出版。1976年，中文译本也问世了。很可能，本书中文版的读者要比英文版更多，因为中国有庞大的人口，而且她的光学界的规模巨大。 本书第2版的篇幅增加了很多，它出版于1996年，仍由McGraw-Hill出版。就我所知，这一版没有中文译本。 现在这个译本译自Roberts出版公司于2005年出版的第3版。这个版本包含了对迄至出版时所发现的第2 版中的全部错误的改正，此外，还包括全新的一章光通信中的傅里叶光学冶。第3 版出版后所发现的错误及改正则可在勘误表网页上找到，网页地址为http：public. me.comjwgood。 我想对这个中译本的译者们表示我诚挚的谢意，他们是秦克诚、刘培森、陈家璧和曹其智。译者们发现了书中内容和排印的一些错误，我把所有这些错误及其改正都收入了上述勘误表，它们也已反映在中译本中。我感谢他们对本书的这些改进。 我总是觉得，我所从事的教育工作是最有回报、最值得从事的职业之一。我希望这个中译本有助于对中国未来几代光学物理学家和光学工程师的教育，并间接为中国和全世界的进步和繁荣做出贡献。 Joseph W. Goodman于美国加州Los Altos 序言 傅里叶分析是在物理学与工程学的许多领域得到广泛应用的一种通用工具。本书讨论它在光学领域的应用，尤其是在衍射、成像、光学数据处理以及全息术方面的应用。 既然本书的主题是傅里叶光学，傅里叶分析方法自然起着关键作用，它是我们处理问题的基本分析框架。傅里叶分析是大多数物理学家和工程师都具有的基础知识。他们对线性系统理论也很熟悉，尤其是电气工程师。第2章复习了必要的数学基础知识。对于那些不太熟悉傅里叶分析和线性系统理论的读者，这一章可以作为用其他专门教科书进行更深入学习时的大纲。本书为这方面的更详尽的讨论提供了丰富的参考文献。那些对傅里叶分析和线性系统理论已经入门的读者，通常打过交道的是单一自变量（时间）的函数。第2章中讨论的是二维空间的数学方法（大多数光学问题必须用二维方法处理），它的内容远比一维理论的标准讨论丰富。 本书用做教科书可以满足几种不同类型课程的需求。它直接面向物理学家和工程师，在课程中使用书中哪些章节因不同听课对象而不同。只要经过适当的选择，就可以满足大量不同读者的需要。我们在这里对不同类型的课程提出一些明确的建议。 第一类是一学季或一学期的讲述衍射与成像的课程，这种课程的内容可由本书第2章到第6章及全部4 个附录构成。如果时间不够，这几章里的3.8节、3.9节、5.4节和6.6节可以省略或留给程度较高的学生自己阅读。 第二类是用一学季或一学期的课程来讲授傅里叶光学的基本内容，但重点放在光学模拟信号处理的应用上。对这样的课程，我建议把第2章留给学生阅读，第3章从3.7节开始，接着是3.10节，其余部分留给那些对惠更斯-菲涅耳原理的由来感兴趣的学生阅读。第4章中的4.2.2节和4.5.1节可以跳过去。第5章可从薄透镜的振幅透射比函数（5.10）式开始，5.4节可留给程度高的学生阅读，讲述其余所有内容。如果时间不够，第6章可以全部跳过去。在这样的课程中，第7章全部和第8章的大部分都是很重要的内容。如果确有必要减少一些内容，我建议8.2节、8.8节和8.9节可以略去。在这样的课程中，常常想要包括第9章中关于全息术中的一些内容。我建议把9.4节、9.6.1节、9.6.2节、9.7.1节、9.7.2节、9.8节、9.9节和9.12.5节包括进来。4个附录应作为阅读内容而不必课堂讲述。 第三类也是用一学季或一学期的课程讲授傅里叶光学的基本内容，但重点放在作为其一种应用的全息术上。这样的课程同样可以从3.7节开始，继之以3.10节。第5章中应包括进来的内容与上面对重点放在光学信号处理的课程所指出的相同。在这类课程中，可把6.1节、6.2节、6.3节和6.5节的内容包括进来。第7章中只需讲7.1节，不过有时间的话，把7.3节加进来也是很有用的。第8章这时可以跳过去，而第9章全息术是重点内容。在讲了全息术基础之后，第10章提供了进一步丰富课程内容的几种可能。如果时间有限，9.10节和9.11节可以省略。全部附录留给学生自己阅读。 在某些大学中，讲授本课程的时间超过一学季或一学期。若有两学季或两学期，本书的大部分内容都可以讲到。 以上建议当然可以因施教的对象不同或因教师对本书内容所持的侧重点不同而加以修改。我希望这些建议至少可以列出一些可能性。 我感谢许多为本书以前各版提供帮助的朋友。本书手稿的早期版本曾在多所大学中使用。尤其感谢A. A. Sawchuk，J. F. Walkup，J. Leger，P. Pichon和D. Mehrl 等教授和他们的许多学生，他们找出了很多打字错误和一些实质性错误。I. Erteza和M. Bashaw 对第二版做出了有益的评论，我感谢他们。出版商安排的匿名审稿人也提出了好几条有用的建议。我特别感谢利思（Emmett Leith）教授，他提出了许多有益的建议。我也感谢在我1995年傅里叶光学班上的同学，他们争着看谁能发现错误最多。 第三版与第二版的不同之处是改正了以前的排印和内容错误，增加了全新的第10章，同时增加了一个关于光栅方程的新附录。对于第10章，我感谢Andrew Weiner教授、Gregory Brady先生、Dmitry Starodubov博士、Jane Lam博士和James Fienup教授有益的意见和建议。我还要感谢本书第三版的出版者Roberts ＆ Company Publishers的Ben Roberts 在第三版成书间始终如一的鼓励和支持。无疑，还有许多应该感谢的人，我为在这里没能明确提到他们表示歉意。 最后，我要感谢我的夫人Hon Mai，没有她的理解、鼓励和支持，本书是不可能完成的。 Joseph W. Goodman

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