信息光学-期末复习重点提纲-苏显渝 电子工业出版社
信息光学第二版课后答案-苏显渝版可修改全文
4如图所示的等腰直角三角形孔径放在透镜的前焦平面上，以单 位振幅的单色平面波垂直照明，试求透镜后焦面上的夫琅和费衍 射图样的复振幅分布。
y0 y0 x0
U(x, y)
1
jf
exp(
jkf
) e xp
j
k 2f
(x2
y
2
)
45 0 45
x0 a
x0
2
U0( x0 ,
y0 ) exp
0
其它
1.5 计算下列一维卷积
(1) (2 x 3) rect( x 1)
2
(2) rect( x 1) rect( x 1)
2
2
(3) com b( x) rect( x)
解（1）
(1) (2 x 3) rect( x 1) 1 ( x 3 ) rect( x 1)
2 z
2z
I
(0,0,
z
)
4
sin2
a 2
2
z
1 exp( j2x) 2 j exp( jx)sin x
2.1 焦距f=500mm，直径D=50mm的透镜将波长 632.8nm
的激光束聚焦，激光束的截面D1=20mm。试求透镜焦点处 的光强是激光束光强的多少倍？
解：设入射激光束的复振幅A0，强度为 I0 A02 通过透镜后的出
(1)
sinc4( x)
( ) ( )d
( )
1
1
0 (1 )2d 1 (1 )2d 2
1
0
3
(2)
sinc2( x)cos xdx
1 ( ) ( 1 )d 1 ( ) ( 1 )d
2
2
信息光学考试复习提纲
第一章二维线性系统1．空间频率的定义是什么？如何理解空间频率的标量性和矢量性？2．空间频率分量的定义及表达式？3．平面波的表达式和球面波的表达式？4．相干照明下物函数复振幅的表示式及物理意义？5．非相干照明下物光强分布的表示式及物理意义？6．线性系统的定义7．线性系统的脉冲响应的表示式及其作用8．何谓线性平移不变系统9．卷积的物理意义10．线性平移不变系统的传递函数及其意义11．线性平移不变系统的本征函数第二章光的标量衍射理论1．衍射的定义2．惠更斯-菲涅耳原理3．衍射的基尔霍夫公式及其线性表示4．菲涅耳衍射公式及其近似条件5．菲涅耳衍射与傅立叶变换的关系6．会聚球面波照明下的菲涅耳衍射7．夫琅和费衍射公式8．夫琅和费衍射的条件及范围9．夫琅和费衍射与傅立叶变换的关系10．矩形孔的夫琅和费衍射11．圆孔的夫琅和费衍射第三章光学成象系统的衍射特性及频率传递函数1．透镜的位相变换函数2．透镜焦距的判别3．物体位于透镜各个部位的变换作用4．几种典型的傅立叶变换光路5．透镜的脉冲响应6. 透镜的成像性质7．相干传递函数与光瞳函数的关系8．会求几种光瞳的截止频率第四章光学成像系统的光学传递函数1．强度脉冲响应的定义2．非相干照明系统的物象关系3．光学传递函数的公式及求解方法4．会求几种情况的光学传递函数及截止频率第六章光学全息照相1．试列出全息照相与普通照相的区别2．简述全息照相的基本原理3．试画出拍摄三维全息的光路图4．基元全息图的分类5．结合实验谈谈做全息实验应注意什么6．全息照相为什么要防震，有那些防震措施，其依据是什么7．如何检测全息系统是否合格8．全息照相的基本公式9．全息中的物像公式及解题10．光源对全息图再现像的影响11．试述卤化银乳胶记录时的光化学过程12．列出光导热朔料与银盐干版的的性能比较13．简述光导热朔料的光成像原理14．各类型平面全息图的衍射效率如何第八章光学空间滤波1．何谓阿贝成像理论2．如何求解显微镜的分辨率3．空间滤波的实验及结果4．空间滤波的基本系统5．空间滤波器的分类6．空间滤波器的制作方法。
信息光学复习提纲
信息光学复习提纲Ch1. 线性系统分析1.矩形函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数2.sinc函数：①定义②图像③作用④不要求求其傅里叶变换谱函数3.三角函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数4.符号函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数5.阶跃函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数6.圆柱函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数7. 函数：①三种定义②四大性质③作用8.梳状函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数9.高斯函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数10.傅里叶变换（常用傅里叶变换对）11.卷积：四大步骤，两大效应12.互相关、自相关的定义、物理意义13.傅里叶变换的基本性质和有关定理14.线性平移不变系统的传递函数Ch2. 标量衍射理论1. 标量衍射理论成立的两大条件2. 平面波及球面波表达式:)]cos cos (exp[βαy x ik A +)](2exp[]exp[22y x zik ikz z A + 3.惠更斯——菲涅耳原理：()⎰⎰∑=ds rikr K P U cQ U )exp()()(0θ 4.基尔霍夫衍射理论： ⎰⎰∑-=dsrikr r n r n r ikr a j Q U )exp(]2),cos(2),cos([)exp(1)(0000λ令()()θλK rikr j Q P h )exp(1,=所以()⎰⎰∑=ds Q P h P U Q U ,)()(0当光源足够远，且入射光在孔径平面上各点的入射角都不大时，(),1,cos 0≈r n(),1,cos ≈r n ().1≈∴θK故()zikr j Q P h )exp(1,λ=，]})()[(211{20020z y y z x x z r -+-+≈ 5. 菲涅耳衍射——近场衍射：0000202000022)](2exp[)](2exp[),()](2exp[)exp(),(dy dx yy xx zj y x z jk y x U y x zjkz j jkz y x U +-++=⎰⎰∞∞-λπλ6. 夫琅禾费衍射——远场衍射：000000022)](2exp[),()](2exp[)exp(),(dy dx yy xx zj y x U y x zjkz j jkz y x U +-+=⎰⎰∞∞-λπλ 7. 夫琅禾费衍射的条件及与菲涅耳衍射之比较（TBP46）8.衍射的角谱理论：（TBP41） 9.透镜的傅里叶变换性质：①相位变换作用：)](2exp[),(),(22y x f jky x p y x t +-=②透镜的傅里叶变换特性：a. 物在透镜前b.物在透镜后（二次位相因子）Ch.3 光学成像系统的传递函数1. 绪论部分：几何光学：空域成像规律，有星点法和分辨率法（像质评价） 信息光学：频域成像规律，光学传递函数（全面、科学像质评价） 2. 衍射受限系统的点扩散函数：⎰⎰∞∞--+--=--yd x d y y y x x x j y d x d P d K y y x x h i i i i ii i ~~]}~)~(~)~[(2exp{)~,~()~,~(002200πλλλ 光瞳相对于i d λ足够大时，)~,~()~,~(22o i o i i o i o i y y x x d K y y x x h --≅--δλ理想情况：点物成点像3. 相干照明下衍射受限系统的成像规律：),(),(~),(i i g i i i i i y x U y x h y x U *=其中，)]~,~([),(~y d x d P F y x h i i i i λλ=，),(1),(0My M x U M y x U i i i i g = 4.衍射受限系统的相干传递函数：()()ηλξληξi i d d P H ,,=（坐标轴反演）5. 菲涅耳衍射——近场衍射：0000202000022)](2exp[)](2exp[),()](2exp[)exp(),(dy dx yy xx zj y x z jk y x U y x zjkz j jkz y x U +-++=⎰⎰∞∞-λπλ6. 截止频率：圆形光瞳：oc oc i cd DM d D λρρλρ2,2=== 正方形光瞳不同方向的截止频率不同，45度时最大)22max ic d aλρ=Ch.4 光学全息1. 普通照相与全息照相的比较（定义）2. 全息照相的核心：波前记录和再现①方法：干涉法（标准方法，即将空间相位调制→空间强度调制） ②特点：全息图实际上就是一幅干涉图 ③分类：a 物、参位置：同轴全息+离轴全息b 物、图位置：菲涅耳全息图+像面全息图+傅里叶变换全息图c 介质厚度：平面全息图+体积全息图3. 全息基本公式：()()C r O C r O C i i i b ORCe ORCe Ce O t δδδδδδδβ---+-++'+)(2 0级（背景光） -1级（实像） +1级（虚像） 4. 菲涅耳全息图 像位置坐标：112121-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛±=o r p i z z z z λλλλp pir r i o o i i x z z x z z x z z x +±=1212λλλλp pi r r i o o i i y z zy z z y z z y +±=1212λλλλ横向放大率：1120121--====p or o i o i o i z z z z z z dy dy dx dx M λλλλ纵向放大率：221M dz dz M o i z λλ==5. 傅里叶变换全息图①定义②特点③照明与再现的两种方式，相互是独立的6. 位相全息图①定义②两种制作方法③性质7. 平面全息图的衍射效率①定义②振幅全息图的衍射效率：正弦型（6.25%）,矩形（10.13%）③位相全息图的衍射效率：正弦型（33.9%）,矩形（40.4%）结论：无论振幅型还是位相型，矩形波衍射效率均大于正弦波8. 全息干涉计量Ch.5 空间滤波1. 阿贝成像理论第1步：物体(P1)经L在透镜后焦面P2成各级衍射斑第2步：各级衍射斑在P3面相互干涉成像2. 空间滤波的傅里叶分析：透镜作频谱分析器；空间滤波器改变物体光的频谱3. 空间滤波系统：典型的4f系统4. 空间滤波器：位于空间频谱平面上的一种模片，它改变输入信息的空间频谱，从而实现对输入信息的某种变换。
傅里叶你懂得
λ
U ( x, y ) = A exp[ j 2π ( f x x + f y y )]
空间频率的单位 条数/mm ，lp/mm 等 空间频率的单位: cm-1, mm-1, 周/mm, 条数 单位 空间频率的正负 表示传播方向与 轴的夹角小于或大于90° 空间频率的正负:表示传播方向与 或y)轴的夹角小于或大于 °. 正负 表示传播方向与x(或 轴的夹角小于或大于
G(fx,fy) = F (fx,fy) • H (fx,fy)
输出频谱 输入频谱 传递函数
脉冲响应函数的F.T.称为传递函数 称为传递函数 脉冲响应函数的 称为
H ( fx, fy ) =
∫ ∫ h ( x , y ) exp[ − j 2π ( f
−∞
+∞
x
x + f y y )] dxdy
= ℱ{h(x,y)}
F.T.
频域
cosα cosβ , fy = fx = λ λ
A0(fx, fy)
×Leabharlann HF(fx, fy)≈ exp( jkz ) exp − jπλz ( f x + f y )
2 2
[
=
]
A (fx, fy) ∝ U(x, y)
fx = x y , fy = λz λz
k 2 2 U ( x0 , y0 ) exp j ( x0 + y0 ) F.T.表达 表达 2z
《信息光学》教学大纲
《信息光学》教学大纲课程名称：信息光学教学对象：本课程是物理系、信息科学系学生本科生的必修课一、信息光学课程简介信息光学是近年来发展起来一门新兴学科，它已渗透到科学技术的各个领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越广泛的应用。
其知识范围为线性系统分析，标量衍射理论，光学成像系统的传递函数，相干光理论，光学变换，光全息和信息处理。
教学重点、难点：信息光学的基础理论、基本概念和物理图像, 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。
信息光学是依据信息与电子科学教学指导委员会为光信息科学与技术专业培养目标而开设的。
是专业必修课并且是一门主干课。
学生应预修普通物理、高等数学，傅立叶变换，光学等课程。
二、教材苏显渝等，《信息光学》科学出版社三、课程内容与学时计划：（54学时）第一章：线性系统分析（6学时）常用数学函数，卷积与相关，傅立叶变换性质及定理，线性系统分析，二维光波场分析。
本章教学目的与要求：本章是本课程的基础，要求学生在解决光学问题中能熟练运用其性质和定理，线性系统与光学系统的关联，加深对空间频率、空间频谱概念的理解。
第二章：标量波衍射理论基础（6学时）基尔霍夫积分定理，基尔霍夫衍射公式，菲涅耳衍射，夫朗和费衍射，几种典型衍射。
本章教学目的与要求：本章是教学的重点，是信息光学的基础，要求学生掌握标量波衍射理论，侧重利用菲涅耳衍射与卷积、夫朗和费衍射与傅立叶变换关系解决问题。
第三章：透镜的傅立叶变换特性（4学时）光波通过透镜的相位分布，透镜对点光源的成像，透镜的傅立叶变换特性，透镜孔径对傅立叶变换的影响。
本章教学目的与要求：本章是教学的重点、难点，要求学生清楚并掌握光波通过透镜的相位分布，透镜的傅立叶变换特性及孔径对透镜实现傅立叶变换的影响。
信息光学复习提纲--重点
信息光学复习提纲信息光学的特点Ch1. 线性系统分析1.矩形函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数2.sinc函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数3.三角函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数4.符号函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数5.阶跃函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数6.余弦函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数7. 函数：①三种定义②四大性质③作用8.梳状函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数9.高斯函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数10.傅里叶变换（常用傅里叶变换对）11.卷积：四大步骤，两大效应12.互相关、自相关的定义、物理意义13.傅里叶变换的基本性质和有关定理14.线性系统理论15.线性不变系统的输入输出关系，脉冲响应函数，传递函数16.抽样定理求抽样间隔Ch2. 标量衍射理论1. 标量衍射理论成立的两大条件2.平面波及球面波表达式:exp[(cos cos cos )]A ik x y z αβγ++（求平面波的空间频率）)](2exp[]exp[22y x zik ikz z A + 3.惠更斯——菲涅耳原理：()⎰⎰∑=dsrikr K P U cQ U )exp()()(0θ 4.基尔霍夫衍射理论： ⎰⎰∑-=dsrikr r n r n r ikr a j Q U )exp(]2),cos(2),cos([)exp(1)(0000λ令()()θλK rikr j Q P h )exp(1,=所以()⎰⎰∑=ds Q P hP UQ U ,)()(0当光源足够远，且入射光在孔径平面上各点的入射角都不大时，(),1,cos 0≈r n(),1,cos ≈r n ().1≈∴θK故()z ikr j Q P h )exp(1,λ=，]})()[(211{20020zy y z x x z r -+-+≈ 5. 菲涅耳衍射——近场衍射：0000202000022)](2exp[)](2exp[),()](2exp[)exp(),(dy dx yy xx zj y x z jk y x U y x zjkz j jkz y x U +-++=⎰⎰∞∞-λπλ6. 夫琅禾费衍射——远场衍射：（根据屏函数求衍射光强分布）000000022)](2exp[),()](2exp[)exp(),(dy dx yy xx zj y x U y x zjkz j jkz y x U +-+=⎰⎰∞∞-λπλ 7.衍射的角谱理论：（角谱的传播，求角谱分布）Ch.3 光学成像系统的频率特性1.透镜的傅里叶变换性质： ①相位变换作用：)](2exp[),(),(22y x f jky x p y x t +-=（二次位相因子）②透镜的傅里叶变换特性：（满足条件？什么情况下实现准确傅立叶变换） a. 物在透镜前b.物在透镜后 2. 衍射受限系统的点扩散函数：⎰⎰∞∞--+--=--yd x d y y y x x x j y d x d P d K y y x x h i i i i ii i ~~]}~)~(~)~[(2exp{)~,~()~,~(002200πλλλ 光瞳相对于i d λ足够大时，理想情况：点物成点像)~,~()~,~(22o i o i i o i o i y y x x d K y y x x h --≅--δλ3. 相干照明下衍射受限系统的成像规律：),(),(~),(i i g i i i i i y x U y x h y x U *=其中，)]~,~([),(~y d x d P F y x h i i i i λλ=，),(1),(0My M x U M y x U i i i i g =4.衍射受限系统的相干传递函数（CTF ）：()()ηλξληξi i d d P H ,,=（坐标轴反演）5. 截止频率：圆形光瞳：o c oc i c d DM d D λρρλρ2,2=== 正方形光瞳：不同方向的截止频率不同，45度时最大)22max ic d aλρ= 6. 衍射受限系统的非相干传递函数（OTF ） 7. OTF 与CTF 的关系Ch.4 光学全息1. 普通照相与全息照相的比较2. 全息照相的核心：波前记录和再现①方法：干涉法（标准方法，即将空间相位调制→空间强度调制） ②特点：全息图实际上就是一幅干涉图 ③全息图的分类：a 。
光学期末考试提纲
光学期末复习提纲1.1几个基本概念E = Aexp[ —i(ωt+φ0)] 振动E = Aexp[ —i(ω（t-Δt) +φ0）］波函数更常用的表达式E = Aexp［-i（wt—k•r +φ0)]时间: T ，f=1/T ，ω=2π/T 周期，频率，圆频率空间: λ, 1/λ，k=2π/λ波长，波数，角波数（波矢）1.2三个光学基本原理（直线传播、反射折射、全反射）光程（L=nl）与费马原理: 由费马原理推导光的反射定律和折射定律费马原理：光总沿着光程最短的路径传播ⅆLⅆx=0证明：反射: 光程L=n√(x1−x)2+y12+n√(x2−x)2+y22由费马原理ⅆLⅆx =0得：12√(x1−x)2+y1−22√(x2−x)2+y2=0又sini1=1√(x1−x)+y12，sini1′=2√(x2−x)2+y2代入得：sini1=sini1′，即i=i′，证毕。
折射:L′=n1√(x1−x)2+y12+n2√(x2−x)2+y22由费马原理：ⅆL′ⅆx =0得:112√(x1−x)2+y1−222√(x2−x)2+y2=0又sin i1=1√(x1−x)+y12，sini2=2√(x2−x)2+y2代入得:n1sini1−n2sini2=0，即sini1sini2=n2n1，证毕.1。
3什么是偏振？偏振光的分类（哪几类，怎么分)错误!完全偏振光：错误!平面偏振光（线偏振光）:偏振面方位恒定的光,可看成振动方向正交、相位相同（或相反)的两个平面偏振光的合成错误!圆偏振光:偏振面相对于传播方向随时间以圆频率ω旋转，其光矢量末端轨迹位于一个圆。
可看成振幅相等、振动方向正交、相位差为±π/2的两个同频率的平面偏振光合成（正号右旋,负号左旋）错误!椭圆偏振光：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率ω旋转,其光矢量末端轨迹位于一个椭圆螺旋线上，在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个椭圆.可以看成振幅不相等、振动方向正交、相位差恒定的两个同频率的平面偏振光的合成。
信息光学复习重要知识点
1.常用的非初等函数：矩形函数、Sinc函数、三角形函数、符号函数、阶跃函数、圆柱函数。
2.δ函数的定义：a.类似普通函数定义b.序列极限形式定义c.广义函数形式定义δ函数的性质：a.筛选性质 b.坐标缩放性质 c.可分离变量性d.与普通函数乘积性质4.卷积，性质：线性性质、交换律、平移不变性、结合律、坐标缩放性质5.互相关，两个函数f(x,y）和g(x,y)的互相关定义为含参变量的无穷积分6.惠更斯-菲涅尔原理：光场中任意给定曲面上的诸面元可以看作是子波源，如果这些子波源是相干的，则在波继续传播的空间上任意一点处的光振动都可看作是子波源各自发出的子波在该点相干叠加的结果。
7.基尔霍夫理论：在空域中光的传播，把孔径平面上的光场看作点源的集合，观察平面上的场分布则等于他们所发出的带有不同权重的因子的球面子波的相干叠加。
8.角谱理论：孔径平面和观察平面上的光场分布都可以分别看成是许多不同方向传播的单色平面波分量的线性组合。
9.点扩散函数：面元的光振动为单位脉冲即δ函数时，这个像场分布函数叫做~。
10.菲涅尔衍射成立的充分条件：传递函数：11.泰伯效应：当用单色平面波垂直照明一个具有周期性透过率函数的图片时，发现在该透明片后的某些距离上出现该周期函数的现象，这种不用透镜就可以对周期物体成像的现象称为~。
12.夫琅禾费衍射：13.衍射受限系统：不考虑系统的几何像差，仅仅考虑系统的衍射限制。
14.单色信号的复表示：去掉实信号的负频成分，加倍实信号的正频成分。
多色信号的复表示：16.如果两点处的光扰动相同，两点间的互相干函数将变成自相干函数。
18.光学全息：利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都储存在记录介质中，做记录的干涉条纹图样被称为“全息图”，当用光波照射全息图时，由于衍射原理能能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个波前记录和重现的过程成为~19.+1级波（虚像），-1级波（实像），±1级波（赝像）20.从物光与参考光的位置是否同轴考虑：同轴全息、离轴全息。
信息光学复习要点
信息光学复习要点1 (5.1&5.2)全息概述&波前记录与再现/所有的感光材料只能记录光强信息，全息记录的关键是必须冻住位相信息，要想实现全息记录必须使 位相信息转化为光强信息，转化途径是光的干涉.2 （波面形状与干涉场分布的关系）平面波与平面波相干，干涉场：平面族；平面波与球面波相干，干涉场：旋转双曲面；球面波与球面波相干，干涉场：双叶旋转双曲面；复杂波面与平（球）面波相干，干涉场：复杂的曲面分布.（对应关系）干涉场曲面的形状、间隔与相干波面一一对应；一种干涉场分布只对应一种干涉特征包括：波面形状和相干“姿态”——全息记录的依据3 全息记录的基本光路4 （全息记录的数学描述）单色光波U (p )=u 0(p )exp [±jϕ(p )],u 0振幅，exp [±jϕ(p )]位相，“+”号表示正向传播，“-”号表示反向传播.5 （全息定义）将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物体波前的全部信息都贮存在记录介质中，故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”.当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个波前记录和重现的过程称为全息术或全息照相.6 （依据全息原理解释全息照片的三大特点：三维立体性，可分割性，白光不能再现）每一个物点的信息覆盖干板表面所有点，干板表面上每一点接收到所有物点的信息.普通照片不可分割的原因是物点与像点是一一对应关系.7 （全息图的分类）物参光主光轴：同轴全息和立轴全息；记录介质相对物体的位置：菲涅耳全息图、夫琅和费全息图和傅里叶变换全息图；记录介质的厚度：平面全息图和体积全息图；记录和再现的光路配置：透射型和反射型；透射率函数的性质：振幅型、位相型和混合型；再现照明条件：激光再现和白光再现（像面全息图、彩虹全息图、360°全彩色全息和真彩色全息）8 其他的全息图只能用激光重现.为什么像全息图和彩虹全息图却能用白光重现呢？普通的全息图是薄全息图，它的记录介质的感光层非常薄，以致全系记录的干涉条纹只分布在表面层，它只能在单色光照射下清晰地再现物光波，如果采用白光即连续非单色光，照射薄全息图，则由于再现物的纵向位置、横向位置和放大率因波长而异，以致各色光的+1级衍射波混杂一起，而模糊一片，不能再现物体形貌，如果，记录介质的感光层足够厚，以致全息记录时的干涉强度沿纵向Z 也被记录下来，便形成一个三维周期分布的光驻波场，经线性冲洗后，就获得一张体全息图.像全息图和彩虹全息图是 体全息图，可以用白光重现9 全息图记录到的实际上是一些纵横分布的干涉条纹，这些干涉条纹的形状、疏密、强度分布取决于物光波和参考光波的波前特性,以及两者之间的相互位置关系.干涉条纹是两光位相差为常量的点的轨迹.10 (5.3)同轴全息图和离轴全息图(P117)11 (5.4)基元全息图：由单一物点构成的物光波与点源构成的参考光波所形成的最基本、最简单的全息图.其他复杂的结构则可看成是这些简单结构的组合.（空域：基元波带片；频域：基元光栅）12 (P122例题)13 (5.5)菲涅尔全息图：记录平面位于衍射光场的菲涅尔衍射区，物光由物体直接照在底片上.物体特征：二维或三维漫射体，透射型或反射型；物光波特征：是物体的菲涅耳衍射波，物与干板距离满足菲涅耳近似条件；记录与再现：激光记录，激光再现.14 菲涅耳全息图在什么条件下能再现出原始像来？请用数学描述，并说明其虚、实.P126(1)菲涅耳全息图在什么条件下能再现出共轭像来？请用数学描述，并说明其虚、实，有何特点？P127(2)15 *夫琅和费全息图，近似条件：)(20200y x z +>>λπ （特点）物体特征：二维透射型物体，即平面漫射体；物光波特征： 是物体的夫琅和费衍射波物与干板距离满足夫琅和费近似条件；记录与再现：激光记录，激光再现；参考波特征：平面波16(5.6)傅立叶全息图凸透镜的傅里叶变换功能表述为：当目标物置于透镜前焦面上时，透镜的后焦面上得到物的傅里叶变换.结论：利用凸透镜可以实现光学傅里叶变换.17全息方法既可以在空域中记录物光波，也可以在频域中记录物频谱.物体或图像频谱的全息图，称为傅立叶变换全息图.实现方法：物置于透镜前→在照明光的共轭位置得到物光波的傅立叶频谱+参考光波→傅立叶变换全息图.18准傅立叶变换全息图: 凡是采用带有二次位相因子的傅立叶变换系统记录的关系图.无透镜傅立叶变换全息：参考光是从和物体共面点发出的一个球面波,用这种特殊光路记录的全息图.19傅里叶变换全息技术用于特征识别第一步：制作待识别物的傅里叶变换全息图(匹配滤波器)第二步：将该物的匹配滤波器置于4f 系统的（x2，y2）平面上(频谱平面)第三步：将比对物置于4f 系统的（x1，y1）平面上（输入平面）第四步：在4f 系统的（x3，y3）平面上进行判别（输出平面）指纹识别全息锁** 机器人视觉…20傅里叶变换全息图的特点与应用1）全息图上记录的干涉条纹排列有序→适用于计算全息术2）全息图记录的是目标物的频谱分布集中，面积小→适用于大容量、高密度全息存储3）全息图记录的是干涉条纹,即使用高倍显微镜也看不到内容保密性好→适用于存储高密级资料21(5.7)像面全息定义：物体靠近记录介质，或利用成像系统使物成像在记录介质附近，或者使一个全息图再现的实像靠近记录介质，都可以得到像面全息图特点：可以用扩展的白光光源照明再现.1)物体靠近记录介质，或利用成像系统使物体成像在记录介质附近，就可以拍摄像全息图；2)当物体的像位于记录介质面上时，称为像面全息.这时对于记录介质来讲，物体的像就是被记录的物，物距为零.再现的像距也相应为零；3)这时线模糊与色模糊也为零，可以用宽光源和白光照明再现出清晰的像；4)对于物体靠近记录介质的像全息图，线模糊与色模糊也非常小.显然这个特性对于全息的实际应用有极重要的意义.因此像全息图是一类极重要的全息图；5)像全息图的数学模型和菲涅耳全息相同，只是物、像距为零.221)怎样得到“物光波”——成像光波？2)记录像面全息图的光路有何特殊性？3)像面全息图可否用白光再现？23透镜成像法(一步法)——透射型，采用原光路白光再现，反射型像面全息图如何记录？无透镜法(二部法) 记录：1)记录菲涅耳全息图用平行参考光；2)共轭再现干板记录像面全息图，为什么要用共轭再现？景深反演→赝像两种方法的优缺点：1方法简便；视场角小（受透镜孔径限制）；可用于多重像的多角度存储；噪声小/2 方法较一步法复杂;噪声大；视场角大；可通过增大干板1相对干板2的张角实现241）为什么像面全息图用白光再现时不会出现像模糊?2）要想使再现像处于干板后（或干板前）是否可能？记录光路应怎样改变？25(5.8)彩虹全息定义：彩虹全息是利用记录时在光路的适当位置加狭缝，再现时同时再现狭缝像，观察再现像时将受到狭缝再现像的限制.当用白光照明时，对不同颜色的光，狭缝和物体的再现像位置都不同，在不同位置将看到不向颜色的像，颜色的排列顺序与波长顺序，犹如彩虹一样.彩虹全息图的特点：1）可以用白光再现；2）再现像呈现彩虹状的彩色，但再现像的色彩与原物体的色彩无关，而仅与再现照明光包含的波长组分有关.例如：用白炽灯照明和用日光灯照明，得到的彩虹效果有很大差异.3）彩虹全息属于假彩色全息.26扩大视场角、降低噪声的方法：条形散斑屏法；移动法；零光程差法；像散彩虹全息法；与计算机技术相结合的更先进的方法.27彩虹全息的发明思路1)普通全息图为什么不能用白光再现？/是由于不同波长的再现像错位重叠，发生色模糊和像模糊所致.2)能否设法把再现光波压缩在空间很窄的一个条形区域里，不同的波长占据空间不同的区域.3)当用白光照明时眼睛处在空间某一个位置，只能看到一种波长的再现像.4)移动观察位置，依次看到不同波长的像，不再会出现色模糊，于是达到了白光再现的目的.28一步彩虹全息和二步彩虹全息的比较：1）一步彩虹全息制作简单，噪声小，但视场较小；2）二步彩虹全息制作复杂，噪声较大，但视场大.29记录彩虹全息图需注意的问题：1）狭缝的宽度应选择适当:狭缝过宽，再现时各波长对应的衍射区展宽，引起“混频”，像的单色性差；狭缝过窄，像的单色性好，色彩鲜艳，但光能量损失较大，增加曝光时间，对系统的稳定度要求提高.2）注意狭缝的放置方位:狭缝应垂直于光路平面.3）注意物体的放置方位:为了保证再现像是正立的，记录时，物体应“卧”在光路平面内，即与狭缝相垂直.30 1.记录彩虹全息图时1）为什么狭缝应垂直于光路平面放置？2）为什么物体应“卧”在光路平面内？2.彩虹全息图和像面全息图的区别是什么？3.一步彩虹全息图可以用原光路再现，为什么二步彩虹全息图需要用共轭光再现？31全视场彩虹全息特点:1）可以用白光再现，出现彩虹像；2）可以用二步彩虹全息方法制作；3）满足共轭再现条件时，可在一张全息图的正、反两面分别观察到物体的正面和背面，更加逼真.32记录体视对彩虹全息注意事项1）第一步用普通照相记录时，必须根据与目标的距离以及人眼的平均间距，精确计算两架相机的间距，以及对准角度，包括水平方位和俯仰角度，保证符合人眼观察大景物的视差值；2）两架照相机曝光必须严格同步，尤其是拍摄动态实景时更为重要；3）第二步用全息照相记录时，OL、OR必须精确对准，否则将得不到预期的观察效果.33体视对彩虹全息特点:1）体视对彩虹全息图“牺牲”了再现像的三维特性，立体感的产生，是靠两眼分别接收了左视图和右视图，继而产生了视差；2）观察再现像时，仅当双眼处于双孔像位置时，才能看到三维立体像；离开该位置则看不到预期的效果；3）体视对彩虹全息由于引入了普通照相技术，因而不必要求目标物体完全静止，可用于实时记录动态大场景.34(5.9)相位全息图：衍射效应起因于位相调制，而不是振幅调制相位全息图的特点：相位全息图对光是透明的；光束通过时，相位分布发生变化而导致衍射作用的发生，从而使记录在上面的物信息得以恢复.相位全息图的优点：相位全息图的衍射效率相当高;重铬酸盐明胶、光致聚合物的衍射效率可高达100%在全息技术中占有相当重要的地位.35相位全息图的类型1）折射率型：如全息图的位相分布是由折射率变化引起的，称为折射率型全息图.如将银盐干板漂白，后可得到折射率全息图.再如用重铬酸盐明胶或光致聚合物制成的全息图，也属折射率型.（2）表面浮雕型：若位相分布是由记录介质表面厚度变化而引起的，则称为表面浮雕型.如将银盐干板制成的全息图置于鞣化漂白液中，经干燥便可制得浮雕型全息图；再如用光致抗蚀剂（光刻胶）作记录介质，得到的全息图也是浮雕型.36模压全息图：模压方法复制全息图的一项新技术.与凸版印刷术类似，称为全息印刷术.优点：解决了复制问题，可大规模生产；商品化，走进社会、家庭.制作技术分三个阶段：1)白光再现浮雕全息图的制作；2)电铸金属模板；3)模压复制.需要在白光下再现观察，所以母版的全息图多采用彩虹全息图，为了制作电铸金属板的母版，彩虹全息图还必须记录成相位浮雕型全息图.模压(P147)：也称印压，即在一定压力和温度下，利用专门模压机将镍板上的全息干涉条纹印刷到聚氯乙烯等热塑料薄膜上以制成模压全息图，再将模压全息图表面镀铝，使之成为反射再现全息图，便于观察.37电铸金属模板（P146）38(5.11)体积全息(P147)当用白光照明体积全息图时,会发生什么？1）布喇格条件保证了体积全息图的角度或波长选择性；2)尽管记录过程必须用单色光完成，再现却可以用白光实现；3)白光中只有一个很窄的光谱成分能够满足布喇格条件, 得到有效的衍射，不会产生其它颜色的干扰.这在全息术的许多应用中是明显的优点.按衍射条件：所有波长的光波都可能得到再现，但各自的衍射角不同: 2d sinθ2⁄=kλi 按反射条件：反射角＝入射角＝θ2⁄结果：只可能有一个波长，其出射方向同时满足两个条件如图中的4 ，其它波长的衍射光被抑制，不能得到再现391)“谁”能满足布喇格条件?只有波长等于记录光波长的衍射光才能满足布喇格条件，得到物光的再现,即当的单波长光能得以再现.2)再现像有何特点? 形象与物相同，单色.40透射型体积全息图特点：1)记录/物光和参考光在全息干板同侧；2)再现/照明光与观察者在全息图两侧；3)干涉条纹趋向/垂直于全息图表面；4)敏感点/对角度特别敏感.反射型体积全息图特点：1)记录/物光和参考光在全息干板两侧；2)再现/照明光与观察者在全息图同侧；3)干涉条纹趋向/平行于全息图表面；4)敏感点/对波长特别敏.（比较）透射体全息对角度敏感θC=θR时,有再现像；θC≠θR时，无再现像.（实现多重像的存储）记录时对不同的目标物采用不同角度入射的参考光，白光再现时改变照明光入射的角度，得到多重像的再现反射体全息对波长敏感λC=λ0时，有再现像，λC≠λ0时，无再现像.用白光再现时，得到单色像不会出现色混淆“蓝移”现象：再现单色像的波长通常并不与λ0相同原因是全息图在化学处理过程中发生了乳胶收缩411)体积全息图在化学处理过程中发生了乳胶收缩，再现像为什么会发生“蓝移”现象而不是“红移”呢？满足什么条件有可能发生“红移”现象？2)什么叫体积全息图？它和平面全息图的主要区别是什么？3)什么是布喇格条件？4)透射体全息和反射体全息有何区别？记录光路；干涉条纹趋向；再现特点.42(5.12)平面全息图的衍射效率(P150)43*真彩色全息术一般原理:任何颜色都由三原色按比例合成三原色：红绿蓝（R G B）；人眼辨别颜色靠视网膜上三种感色的锥体细胞，分别对红绿蓝三种颜色敏感；三原色波长的国际标准（由国际照明委员会规定）：1964年CIE—RGB系统的标准.红He-Ne Laser(632.8 nm)；绿Ar+ Laser(514.5 nm)；蓝Ar+ Lase(488.0nm).若用R、G、B 三种波长记录三套全息图，将再现出十二项，相互干扰白光再现时造成严重的，用哪一种类型的全息技术有望消除？色串扰44(5.13)全息干涉计量(P152)§6计算全息1计算全息1)计算全息将计算机技术与光全息术结合起来，可以实现光学全息术无法实现或难以实现的某些特殊功能.2)光全息术是利用光的干涉原理，借助于参考光将物光波的复振幅记录在感光材料上，能够实现这种记录的必要条件是物体的真实存在3)很多实际应用中理想的“物体”是很难制作，例如，用于检测光学元件加工质量的标准件，用于光学信息处理的空间滤波器，用于数据存储系统的相移器4)计算全息发展极其迅速，已成功地应用在三维显示、空间滤波、光学信息存储和激光扫描等诸多方面2计算全息图的制作计算全息图的计算机制作分为五步：对物光信息的采集：对于实际存在的物体，可用扫描仪或数字摄像机进行数据采集.而对于那些实际不存在的物体，可将其函数直接输入计算机抽样：用抽样定理将物函数离散化，得到物体或者波面再离散样点上的值，取抽样单元数不超过物的空间带宽积计算：计算物函数在全息平面上的光场分布编码：（两种途径）干涉的计算机仿真和迂回位相法存储：用计算机绘图仪直接画在纸上，然后用精密照相翻拍在照相底片上，适当放大或缩小到合适的尺寸3物信息的采集物光信息的采集是指确定物光信息的函数形式，一般表现为复振幅透射率函数（或反射率函数）对于实际存在的物体，可利用扫描仪或数字摄像机进行数据采集对于那些实际不存在的物体，可将其函数形式直接从键盘输入计算机物函数需要离散化，一般取抽样单元数不超过物的空间带宽积，即满足关系式M∙N≤∆x∙∆y∙∆f x∙∆f y式中M、N分别为X方向和Y方向的抽样单元数，Δx和Δy为物体的空间宽度，Δfx和Δfy为物的频带宽度4物信息的处理计算傅里叶变换全息图：被记录的复数波面是物波函数的傅立叶变换.必须使用计算机完成物函数的傅里叶变换（借助快速傅立叶变换算法完成），得到全息图平面的光场复振幅函数.计算全息多采用傅里叶变换全息图.计算菲涅耳全息图：被记录的复数波面是物体发出的菲涅耳衍射波.须计算物函数经菲涅耳衍射到达全息图的复振幅分布，再将该复振幅分布编码成全息图的透过率变化.计算像全息：被记录的复数波面是物波函数本身或者其几何像.只需由计算机完成物函数的坐标缩放变换与抽样.全息图平面上函数的抽样数不得少于物函数的抽样数5信息的编码到达全息图的物光波通常呈现为复数形式，包括振幅信息和位相信息；将二维光场复振幅分布变换为全息图的二维透过率函数分布的过程，称为计算全息的编码.计算全息的编码主要为如下两大类：一种途径是对光全息术的计算机仿真，用计算机算出全息图上参考光波与物光波的干涉条纹分布函数，这种编码方式称为干涉型编码方式，用这种方法制作的全息图称为干涉型计算全息图.（缺点：参考光波的加入增加了空间带宽积，因此全息图上的抽样点数必须增加）分别对振幅和相位编码（计算全息所特有的：迂回位相法）6信息的存储计算全息图通常都用光学方法实现波前重现，因而存储手段必须与此相适应信息存储的方法有多种，最普遍的一种是用计算机绘图仪将计算机处理的结果直接画在纸上，然后用精密照相拍制在照相底片上，适当放大或缩小到合适的尺寸，制成实用的全息图还可用图形发生器、光绘仪、显微密度仪、激光光束扫描记录装置等来制作振幅型计算全息图对于浮雕型位相计算全息图（如相息图），由于只记录物的位相信息，因此还必须用光刻机、离子束刻蚀机或电子束刻蚀机等制作7计算全息图的再现计算全息图的再现方法是根据全息图类型来确定的用干涉编码法制作的傅里叶变换全息图，可以用下图所示的光学系统来再现.用置于R处的点光源通过透镜L1生成平行光，照明透镜L2前焦面上的计算全息图H，在透镜L2后焦面处光轴上观察再现像8迂回位相编码计算全息图的再现对于用迂回编码法制作的全息图，再现时，用衍射角度保证在一个抽样单元内获得从0到2π变化的位相差.因为透镜前后焦面是傅里叶变换关系，前焦面上对中心的偏离在后焦面上表现为波面位相的变化.这就是迂回位相编码的物理基础.9计算全息术的应用（1）三维图象显示：计算全息可对那些能方便地用数字描述但却难以实际制作的物体进行三维显示计算全息元件：用于校正普通全息元件像差用的像差校正器用于激光扫描器，可实现多束光同时高速扫描用于数据存储中进行编码的相移器功能特殊的全息透镜10计算全息术的应用（2）光学检测：计算全息制作标准波面精度很高光学信息处理中的各种空间滤波器：用于图象消模糊的逆滤波器用于像边缘增强或图象加减的微分滤波器图象处理的各种带通滤波器等等11全息记录介质全息记录介质是记录光全息图的载体，因而要求记录材料有较高的分辨率，较强的衍射效率，较大的动态范围和较高的感光灵敏度.目前用于全息记录的材料种类繁多：卤化银乳胶；重铬酸明胶；光致抗蚀剂；光导热塑；光致变色材料；液晶；光致聚合物；光折变晶体；小杆细菌视紫红质（BR）12卤化银乳胶胶片（或干板）的结构如下图示，卤化银乳胶均匀涂布在片基上，构成软片或干板记录的物理过程曝光：卤化银盐在光的作用下先是分解再还原成单个金属银原子，以微粒的形式散布在乳胶内部，形成潜像.这样析出的银粒子密度很小，只是形成了进一步显影的中心显影：还原剂作用下，显影中心周围的卤化银大量地被还原成金属银定影：使未反应的卤化银晶粒溶于定影液中，保持影像的稳定性.漂白：利用漂白剂的氧化作用，使底板上黑色的金属银变成近乎透明的卤化银盐，使全息图由振幅型转化为位相型，以提高衍射效率13卤化银乳胶的特性几个物理量的定义：曝光量E：定义为入射到感光表面上每单位面积的光能量，单位常用毫焦耳/厘米2（mJ/cm2）或微焦耳/厘米2（μJ/cm2）入射光强度I ：定义为单位时间里通过单位面积的光能量，单位常用毫瓦/ 厘米2（mW/cm2）或微瓦/厘米2（μW/cm2）曝光时间T：定义为记录介质受光照射的时间，用分或秒为单位上述三个物理量的关系为：E = I·T透射率：定义为透射光强和入射光强之比，即强度透射率E = I透射/ I入射光密度D也称黑度：定义为透射率倒数的对数：D = lg（1/τ）14卤化银乳胶的感光特性照片的光密度D与曝光量的对数lgE之间的关系曲线，简称H-D曲线可大致分为五段：灰雾区；趾部；线性区；饱和区；过饱和区照相多用线性区.设CD段的斜率为tanα，常用胶片的γ值表示之：γ=tanαγ也常称为反差系数，γ值越高说明反差越大.γ值的大小除与胶片型号有关外，还与曝光量和显影条件有关.选择合适的参数，可获得预期的γ值.15卤化银乳胶的分辨率和信噪比分辨率：乳胶能记录的空间光强度变化的最小周期，单位通常用“线对/mm”.分辨率的高低取决于卤化银颗粒的大小外，还与曝光量和显影条件等有关.用稀释显影法可以提高乳化银乳胶的分辨率信噪比：通常表示为“S/N”，S和N分别表示信号和噪声的光强度形成噪声的因素很多：有光散射；显影液选择不当；显影速度过快；漂白处理不当提高信噪比的途径：尽可能减小颗粒尺寸；选择适当的显影液和显影速度16卤化银乳胶的常规处理方法卤化银乳胶板曝光后的化学处理是很重要的环节，其过程为：显影—水洗—停显—定影—水洗—干燥.（1）显影：D-19是最常用的高反差显影剂，显影时间2-5分钟. D-76是一种低调显影剂，适用于曝光量范围很宽的傅里叶变换全息图.（2）停显：一般用水冲洗即可达停显效果，但用停显液效果更好.（3）定影：常规的定影液是F-5，时间在5分钟以上.（4）水洗：目的是清除底片上的定影液和其他物质，必须充分（5）干燥：可用自然干燥，为缩短时间也可浸入无水乙醇后吹干（6）漂白：有时为了提高衍射效率，可将全息图进行漂白处理，使其转化为位相型.还有一种方法是显影后先漂白后定影，有利于长期保存17重铬酸盐明胶（DCG）重铬酸盐明胶是一种很重要的全息记录材料，它几乎具有相位全息图的理想特性可产生很大的折射率变化，衍射效率最高可达100%，分辨率可高达5000线对/mm以上，噪声低再现像显得很“干净”重铬酸盐明胶的曝光机理十分复杂，处理过程与卤化银明胶不同，DCG的缺点:灵敏度低，稳定度差，在高温高湿度环境下容易消象.在实际应用中需经封胶处理，才能长期保存.18光致抗蚀剂（Photoresist）光致抗蚀剂能形成浮雕型相位全息图，常用于全息压印复制工艺光致抗蚀剂即光刻胶.其曝光机理是：曝光部分比未曝光部分溶解速率快200倍，置于稀碱溶液中显影曝光区便迅速溶解，使表面形成凹凸不平的浮雕状条纹光刻胶对紫外光灵敏度较高，曝光时间可达秒量级，而对于全息照相常用的可见光波段，灵敏度要低得多.常用的显影液是NaOH溶液，浓度0.7-1.2%，显影温度20+10C，显影时间在10秒内为宜.光刻胶板在显影液中若浸泡时间过长，会使表面粗糙而影响表面质量；显影短则衍射效率低光刻胶的分辨率较卤化银乳胶低，一般达1500线对/mm以上.19其它全息记录介质光导热塑(Photothermoplastic) ：加热使塑料软化，在电场作用下变形，然后再冷却使塑料硬化，形成浮雕型位相全息图.光导热塑可擦除后重复使用.光致聚合物(Photopolymer)：感光性高分子材料以其具有高灵敏度、高分辨率、高衍射效率、光谱响应宽、加工简便、宽容度大、存贮稳定等优点脱颖而出，成为一种比较理想的全息记录材料而受人关注，并成为研究和开发的热点.工作机理是光敏剂受光作用引发单体聚合光折变晶体(Phtorefractive Crystal)：光折变晶体是指在光辐射作用下通过光生载流子的空间分布使折射率发生变化的。
信息光学课后习题解答 苏显渝主编63页PPT
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
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60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
信息光学课后习题解答 苏 显渝主编
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
《信息光学》教学大纲
《信息光学》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介信息光学是应用光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学学科，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代光学的核心。
本课程主要介绍信息光学的基础理论及相关的应用，内容涉及二维傅里叶分析、标量衍射理论、光学成像系统的频率特性、部分相干理论、光学全息照相、空间滤波、相干光学处理、非相干光学处理、信息光学在计量学和光通信中的应用等。
三、课程目标本课程是光电信息科学与工程专业的主要专业课程之一，设置本课程的目的是让学生掌握信息光学的基本概念、基础理论及光信息处理的基本方法，了解光信息处理的发展近况和运用前景。
为今后从事光信息方面的生产，科研和教学工作打下基础。
四、教学内容及要求第一章信息光学概述（2学时）1.信息光学的基本内容和发展方向2.光波的数学描述和基本概念3.相干光和非相干光4.从信息论看光波的衍射要求：1.了解信息光学的内容和发展方向2.掌握相干光和非相干光的特点3.掌握从信息论的观点看光波的衍射。
重点：空间频率，等相位面。
从信息光学看衍射的基本观点。
难点：空间频率，光波的数学描述。
第二章二维傅里叶分析（8+2学时）1．光学常用的几种非初等函数2．卷积与相关3．傅里叶变换的基本概念4．线性系统分析5．二维采样定理要求：1．了解光学中常用非初等函数的定义、性质，熟悉它们的图像及在光学中的作用2．了解卷积与相关的定义及基本性质3．熟悉傅里叶变换的基本原理，性质和几何意义4．熟悉系统的基本概念及线性系统分析的基本理论5．了解二维采样定理及其应用6．本章强调概念的物理意义理解，以定性和应用为主。
避免与《信号与系统》课程重复。
重点：δ函数的意义和运算特性，傅里叶变换性质、定理，相关和卷积的意义及运算，线性空间不变系统的特性。
难点：卷积，傅里叶变换、系统分析。
第三章标量衍射理论（6+2学时）1．基尔霍夫衍射理论2．菲涅耳衍射和夫琅和费衍射3．夫琅和费衍射计算实例4．菲涅尔衍射计算实例5．衍射的巴俾涅原理要求：1．了解基尔霍夫衍射理论2．熟悉菲涅耳- 基尔霍夫衍射公式及其物理意义3．熟悉菲涅耳衍射与夫琅和费衍射4．掌握常见夫琅和费衍射光场的分析与计算5．了解菲涅耳衍射光场的分析和计算6．了解巴俾涅原理及其应用重点：如何用二维傅里叶变换来分析和计算夫琅和费衍射。
《信息光学》课程教学大纲(2016版)
《信息光学》课程教学大纲二、课程简介本课程是光电信息科学与工程专业的必修课程，并且是一门主干课。
它的教学目的和任务是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。
三、课程教学目标（精炼概括3-5条目标，本课程教学目标须与授课对象的专业培养目标有一定的对应关系）1、知识与技能目标：通过本课程的学习，使学生掌握线性系统理论、标量衍射理论和光学成像系统理论，理解光全息技术、光信息处理技术，了解图像的全息显示等前沿领域的技术原理。
2、过程与方法目标：信息光学近年已经得到发展，应用领域不断扩大，课程将以课堂教学、实验教学和计算机模拟相结合的方式，巩固理论知识，提高实践能力和创新能力。
通过计算机模拟，直观理解光学现象，通过一些经典实验，激发学生对课程的学习兴趣，培养学生的动手能力，精选教材，补充参考资料，提高数学分析能力，综合目标是在理论、实践和创新方面得到提高。
3、情感、态度与价值观发展目标：改变课程过于注重知识传授的倾向，培养学生积极主动的学习态度，在获得基础知识与基本技能的过程中提高主观能动性，形成正确的价值观，课堂教学以激发学生的学习兴趣来展开，理论与实践相结合，注重能力和学习态度，让学生不仅要学会生存，更要学会爱，学会关心，学会感恩，学会尊重自然和生命，培养起求真，求实，求善的科学精神，逐步完善健全的人格，树立起正确的人生观和价值观。
本课程需具有《线性代数》、《复变函数》和《积分变换》等数学基础，在学习《光学》课程后开设，后续通过毕业设计（论文）深入理解并与实际应用结合。
四、课程进度表理论教学进程表实践教学进程表。
信息光学原理第2章
2.1 光波的数学描述
2.1.5 复振幅分布的空间频谱（角谱）
利用傅里叶变换对位于单色光场中的xy平面上的复振幅分布进
行傅里叶分析，有
U x, y A fx, fy exp j2 fxx fy y dfxdfy
A fx, fy U x, yexp j2 fxx fy y dxdy
几何光学 (光与宏观物质的作用)
信息光学原理（电子工业出版社） 苏显渝 吕乃光 陈家壁
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、信息的交换和处 理、信息的传递和传输，是信息科学的一个分支。 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。
第二章
标量衍射理论
cos2 cos2 cos2 1
2.1 光波的数学描述
对于如右图所示 的沿某一确定方向传播的平面波，在xy 平面上的复振幅为：
U x, y, z a exp jkz cos exp jk x cos y cos
a
exp
jkz
1
cos2
cos2
exp
jk
x
cos
y
cos
u x, y, z,t a x, y, zcos 2t x, y, z
其中，v是光波的时间频率；a(x,y,z)和(x,y,z)分别是P点光振动
的振幅和初相位。根据欧拉公式，可将该波函数表示为复指数函数 取实部的形式：
u x, y, z, t Re a x, y, z e j2tx,y,z
参考文献：
(1) W. Lauterborn, T.Kurz, M.Wiesenfeldt, Coherent optics, 北京：世界图书出版社，1998。
信息光学第五章苏显渝版作者窦柳明
R( x, y) O( x, y)
A
O
B
D
C
R
记录介质表面的光强分布：
I(x, y) O(x, y) R(x, y) O(x, y) R(x, y)
5.2 波前记录与再现
I(x, y) O(x, y) R(x, y) O(x, y) R(x, y)
全息：全部信息，振幅和相位。 以上这种记录和再现物光波的技术叫全息照相术（全息术）。
全息的波前记录和再现过程就是调制与解调的过程。其中参考 光波是载波，物光波是调制光波，干涉记录过程就是调制，衍 射再现就是解调。
5.1 光学全息概述
5.1.2 光全息发展历史概述
一、全息术的提出：
是由丹尼斯·盖伯（Dennis Gabor）发明的。1947年，他从事电 子显微镜研究工作，当时由于电子透镜的像差，使电子显微镜分辨 率的提高碰到了很大的困难，（理论分辨极限是0.4nm，而实际只能 达到1.2nm）。盖伯从布喇格（Bragg）的X射线衍射显微镜中受到 启发，设想不用任何透镜，用经物体衍射的电子波与相干的背景波 重叠，将物体衍射波的振幅和相位以干涉条纹的形式记录在照相底 片上（他首次称之为全息图），然后用波长比电子波波长大105倍的
tH ( x, y) tb ( O 2 RO RO )
用一束相干光波作为再现光波照射全息图，它在全息图平面 前的光场分布为C(x,y)，则透过全息图的光场分布为：
U ( x, y) C( x, y)tH ( x, y) tbC OOC RCO RCO U1 U2 U3 U4
U1 ：系数的作用仅仅改变照明光波C的振幅，并不改变C的特性。
信息光学课后习题解答-苏显渝主编
comb( x)
n
comb( x) rect( x)
rect( x)
=
1.6 已知 exp( x2 ) 的傅里叶变换为 exp( 2 ) 试求
exp( x2 ) ?
x2
e xp(
2
2
)
?
解： 利用傅里叶变换的坐标缩放性质可求得答案
kx 2 k y 3 kz 4
k2 kx2 ky2 kz2 29
k 29 2
2 2 2 3 2 4
2 29
1
3 2
2
第二章习题解答
2.1单位振幅的平面波垂直入射到一半径为a的圆形孔径上，试 求菲涅耳衍射图样在轴上的强度分布。
2
2
2
2
1 rect( x
3 1 2)
1 rect ( x 2.5 )
2
2
2
2
(2) rect( x 1) rect( x 1)
2
2
rect( x 1)
2
rect( 1)
2
2 x
2 x0
0 x2
1 x2 2
2 x
g( x) 0 d x 2
1
2z 1
a2
exp( jkz)
jz
jk
2
e xp(
jk
2z
)
1
exp(
jkz)cos(k
a2 ) 2z
信息光学教学大纲
《信息光学》教学大纲（理论课程及实验课程适用）一、课程信息课程名称（中文）：信息光学课程名称（英文）：In formation Optics课程类别：专业方向课课程性质：必修计划学时：48 （其中课内学时：48 ，课外学时：0 ）计划学分：3先修课程：物理光学、波动光学、高等数学选用教材：《信息光学》第二版，苏显渝主编，科学出版社，2011；非自编；“ ^一五”国家级规划教材开课院部：理学院适用专业：光电信息科学与工程专业课程负责人：郭焱课程网站：二、课程简介（中英文）《信息光学》是光电信息科学与工程专业的一门必修课程。
信息光学是近年来发展起来一门新兴学科，它已渗透到科学技术的各个领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越广泛的应用。
本课程主要内容有线性系统分析，标量衍射理论，光学成像系统的传递函数，相干光理论，光学变换，光全息和信息处理。
本课程要求学生掌握线性系统理论、标量衍射理论和光学成像系统理论，初步掌握全息技术、光信息处理技术，了解光信息存储、光学三维传感等前沿领域的技术原理。
通过学习本课程，使学生从频域复习和巩固《应用光学》和《物理光学》的部分内容，掌握傅里叶变换的基本定理及应用，熟练使用空间滤波系统和理论来进行光学信息处理。
In formati on optics is a required course for the specialty of photoelectric in formati on scie nee and engineering. Information optics is a new subject in recent years, it has penetrated into all fields of scie nce and tech no logy, and become an importa nt branch of in formati on scie nee, and it has been widely used in the field of information science. The main contents of this course are lin ear system an alysis, scalar diffractio n theory, optical imagi ng system tran sfer fun cti on, cohere nt light theory, optical transformation, optical holography and information processing. This course requires students to master the linear system theory, the scalar diffraction theory and optical imagi ng system theory, prelimi nary master holographic tech no logy, optical in formatio n process ing tech no logy and un dersta nding of optical in formati on storage, optical 3D sensing fron tier tech no logy prin ciple. Through the study of this course, to en able stude nts to grasp basic theorem and application of Fourier transform from the frequency domain to review and consolidate "Applied Optics" and "physical optics" part of the contents of, skilled in the use of spatial filteri ng system and the theory of optical in formati on process ing.三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1 工程知识2 问题分析能够应用数学和衍射的角谱理论分析复杂信息光学问H题，以获得有效结论。
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8. 引入角谱的概念的物理意义：有助于进一步理解复振幅分解 (1)单色光波场中某一平面上的场分布可看作不同方向传播的单色平面波的叠加; (2)在叠加时各平面波成分有自己的振幅和常量相位，它们的值分别取决于角谱的模和幅角 9. 基尔霍夫衍射理论 10. 角谱理论 11. 透镜主要功能包括：成像和傅里叶变换 12. 利用透镜实现夫琅和费衍射，可以在透镜的焦平面上得到入射场的空间频谱，即实现傅 里叶变换的运算。 透镜为什么具有这种功能呢？*** 根本原因在于它具有能对入射波前 施加位相调制的功能，或者说是透镜的二次位相因子在起作用。 13. 在单色平面波照明下，无论物体位于透镜前方、后方还是紧靠透镜，在透镜的后焦面上 都可以得到物体的功率谱；对于这样的照明方式，透镜后焦面常称为傅里叶变换平面或 （空间）频谱面 14. 透镜孔径的影响： （1）有限大小的透镜孔径可能会造成物体频谱的失真，原因就在于透镜实际上是一个低通 滤波器：低频成分可以通过，稍高频率成分可以部分通过，高频部分则完全被滤除。 （2）因此由于透镜有限孔径的影响，后焦面上不能得到准确的物体频谱，给傅里叶变换结 果带来误差，频率越高，误差越大。我们把这种现象称为渐晕效应。 （3）采用尽可能大的透镜孔径，或物体尽可能靠近透镜，可以减小渐晕的影响。 15. 任意的成像系统都可以分成三个部分，即从物面到入瞳的第一部分，从入瞳到出瞳的第 二部分和从出瞳到像面的第三部分
30. 1）抽样：得到物体或波面再离散点上的值 2）计算：计算物光波在全息平面上的光场分布 3）编码：把全息平面上段沟振幅分布编码成全息图的透过率函数 4 ）成图：在计算机控制下，将全息图的透过率函数在成图设备上成图，如果分辨率 不够，在经光学缩版得到实用全息图 5）再现：与光学全息再现一样 31. 计算全息的两个必要条件： （1）物函数经过抽样，其抽样间隔应满足抽样定理，以避免 频率混叠现象。 （2）计算全息的再现应选择适当的空间滤波器，才能恢复出所需物光波 前。 32. 信息量的概念： （1）信息量与物体的空间尺寸有关； （2） 信息量与物体的频率成分有关； （3）用空间带宽乘积来表征信息量的大小。即： 信息量 频率宽度 空间宽度 33. 信号的调制与解调。调制：采用一定手段将一连续信号经抽样离散后按某一规则进行数 值化编码的过程,称为调制。调制的目的：便于存储、便于记忆、便于计算、便于传输。 解调：从调制信号中提取原被调制信号的过程。 34. 常用调制方法： （1） 调幅 Pulse Amplitude Modulation； （2） 调宽 Pulse Width Modulation； （3）调频（位置调制）Pulse Position Modulation。 35. 计算全息的几种物理解释： （1）光谱学家的解释 光栅是一种重要的色散元件，由于光栅制造误差，它会出现假线（鬼线） ，鬼线是不完善光 栅所产生的。在计算全息中，要解决的问题正好与上述相反，这种不完善光栅引起的鬼线 叫做像点。因此光谱学家认为，计算全息只不过是产生预期鬼线的光栅。 （2）物理学家的解释 从物理学家的角度看，计算全息实现一种复数波面变换。一张计算全息图就是一个复 数波面变换器，可以使一个平面波前变换成其振幅和相位都受到调制的复数波前。在计算 全息中，采用迂回相位等编码方法，实现了波面的变换。计算全息技术为复杂的波面变换 提供了一种手段。 （3）天线工程师的解释 天线工程师将计算全息图看成是一种天线阵列。一个口径很大的天线往往不容易随意 改变接收或发射波阵面的方向。而由小天线构成的天线阵列则比较容易控制波阵面的方向。 当其中的一些小天线发射的子波的相位延迟或提前时，则合成天线的波阵面发生变化。计 算全息图上的抽样单元，如同天线阵列上的小天线 （4）通讯工程师的解释 通讯工程师是应用通讯中的调制理论来解释计算全息图的。通讯中对时间信号波形进 行调制，计算全息中对空间信号（光波复振幅的二维分布）进行调制，从数学上看，两者 并无本质的差别。 36. 光信息存储的优点：光学存储密度高；复制材料便宜；工艺简单；信息存储价位低。 37. 二维光存储
（1）
（2） （3） 19. 波前记录的方法——干涉法 通过已知参考光与物光波在探测区域进行干涉,使原物光波的位相信息转换成干涉场 的光强变化信息，从而可用探测器或记录介质探测或记录下来。干涉的充要条件：参考光 与物光波的①波长相同； ②有固定的初始位相； ③振动方向相同。干涉的必要条件：参 考光与物光波①必须相遇； ②振幅要相近。 20. 波前的再现方法——相干光波的衍射 21. 几种常用的全息图： 22. 例题：在傅里叶变换全息图中透镜焦距为 100mm，如果要用λ=0.6um 的激光正确记录 一个 6012 大小的物体的傅里叶全息图，1）点参考光源应如何放置？2）此时要求纪录 的分辨率为多少？3）如果用 600 线/mm 的全息干板能否准确记录？ 23. 解：由于物体的长宽不一样，因此点光源放置有两种情况：一种是放置在 y 方向；一种 是放置在 x 方向。 3 b 12 18mm 24. 1）当点光源放置在 y 方向。 2 3 25. 当点光源放置在 x 方向。 b 60 90mm 2 26. 27. 28. 29. 计算全息的制作与再现步骤：
16. 对于实际的透镜组，边端性质差别很大，但总可以分为两类：衍射受限系统和有像差系 统。衍射受限系统是指系统可以不考虑像差的影响，仅仅考虑光瞳产生的衍射限制。它 的边端性质是：物面上任一点光源发出的发散球面波投射到入瞳上，被透镜组变换为出 瞳上的会聚球面波。 有像差系统的边端性质是：物面上任一点光源发出的发散球面波 投射到入瞳上，通过透镜组后，出瞳处的波前明显偏离理想球面波。 17. 18. 光波传播分析方法
g x
G f e
Hale Waihona Puke j 2 fxdf
5. 系统输入和输出满足上述叠加积分关系，该系统必然是线性系统
g x, y
f , h x, y; , d d
F ag x, y bh x, y aG f x , f y bH f x , f y
1. 十个常用函数 2. 卷积的定义及卷积运算的两个效应：展宽、平滑化 3. 函数的卷积性质： （1）任意函数与 函数的卷积是其本身；
f ( x , y ) * ( x , y ) f ( x, y )
（2）任意函数与发生某一平移的 函数的卷积，则是该函数平移到脉冲函数所在的空 间位置。 f ( x, y ) * ( x x0 , y y0 ) f ( x x0 , y y0 ) 4. 傅里叶变换定义
38. 超衍射极限技术 39. 近场光学存储
6. 傅里叶变换定理: 线性定理 相似性定理
F g ax, by
1 fx f y G , ab a b
傅里叶积分定理
FF -1 g x, y F -1 F g x, y g x, y
7. xy 平面上复振幅分布的角谱: