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[美] 金明庚 著，郭羽，胡亚萍，刘军宁 译

图书标签:

• 数字全息。全息显微。光学显微。三维成像。生物医学。图像处理。计算成像。干涉成像。显微技术。全息术。

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118111699

版次：1

商品编码：12154720

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-02-01

用纸：胶版纸

页数：195

字数：240000

正文语种：中文

内容简介

　　《数字全息显微》是一部全面介绍数字全息显微理论、相关技术，以及应用成果。
　　在数字全息显微理论中，描述了传统全息和数字全息的历史、标量衍射、傅里叶光学原理、光学衍射的数值计算等理论。在相关技术中，介绍了零阶像、孪生像及消除方法，相位移动等问题。在系统应用中，讲述了显微和低相干成像技术应用、数字全息定量相位显微，以及低相干源数字全息。
　　另外书中还介绍了一些超前思想和前沿技术，比如PZT移相数字全息、非线性光学数字全息、彩色数字全息、荧光显微、螺旋相衬显微、锥光数字全息、差分相衬光学相干层析技术等内容，并匹配了示例图片，使读者耳目一新。
　　相信读者在掌握数字全息显微技术之后，学习其他数字全息技术便可轻易上手，势如破竹。

目录

第1章 概述
1．1 传统（模拟）全息
1．2 数字全息
参考文献

第2章 衍射光学和博里叶光学
2．1 傅里叶变换和数学背景
2．1．1 一维定义
2．1．2 二维定义
2．1．3 笛卡儿几何学
2．1．4 圆柱几何学
2．1．5 傅里叶变换的基本属性
2．1．6 卷积和相关
2．1．7 一些有用的公式
2．2 标量衍射理论
2．3 2D孔径的衍射
2．3．1 旁轴（菲涅尔）近似
2．3．2 夫琅和费衍射
2．4 角谱的传播
2．5 透镜的传输
2．5．1 透镜实现的傅里叶变换
2．5．2 透镜成像
2．5．3 有限口径的透镜
参考文献

第3章 全息原理
3．1 概述
3．2 基本概念
3．2．1 全息公式
3．3 平面波全息
3．4 点源全息
3．4．1 放大倍率
3．4．2 准直参考光束
3．5 全息处理
3．5．1 振幅全息和相位全息
3．5．2 透射全息和反射全息
3．5．3 薄全息和厚全息
3．5．4 全息材料
3．5．5 光折变晶体实现相位共轭
3．5．6 四波混频
3．5．7 光谱烧孔效应
3．5．8 受激光子回波
参考文献

第4章 数值衍射的基本方法
4．1 离散傅里叶变换
4．1．1 编程实现傅里叶变换
4．2 菲涅尔变换方法
4．3 惠更斯卷积方法
4．4 角谱方法
4．5 几种方法的比较
参考文献

第5章 数字全息的光机结构
5．1 数字全息成像的基本操作
5．2 数字Gabor全息
5．3 数字共轴全息
5．4 数字像面全息
5．5 数字傅里叶全息
5．6 数字菲涅耳全息
参考文献

第6章 数字全息的理论研究
6．1 全息图的数字采样
6．2 维格纳分布函数
6．2．1 WDF的基本特性
6．2．2 透镜的傅里叶变换
6．2．3 傅里叶全息
6．2．4 菲涅尔全息
6．2．5 空间一带宽积
6．3 分数阶傅里叶变换
6．4 小波
参考文献

第7章 直流顶和孪生项的抑制
7．1 抑制直流项
7．2 移相方法
7．3 散斑法
7．4 角谱滤波
参考文献

第8章 相移数字全息
8．1 PSDH的基本原理
8．2 减少移相的步数
8．2．1 三步移相法
8．2．2 两步移相法
8．3 未知相位步骤的移相
8．4 相移的具体技术
8．4．1 相移方法
8．4．2 外差数字全息
8．4．3 异步数字全息
8．4．4 同步相移
8．4．5 分数泰伯效应
8．4．6 空间相移
8．5 相移数字全息（PSDH）的误差和噪声
参考文献

第9章 数字全息的数值技术
9．1 数值聚焦
9．1．1 扩展焦点
9．2 像素分辨率控制
9．2．1 补零方法
9．2．2 两步传输方法
9．3 光学相位解包裹
9．4 倾斜平面间的衍射
9．5 像差补偿
参考文献

第11章 数字全身中的特殊技术
10．1 合成孔径方法
10．2 多平面相位恢复
10．2．1 非迭代方法
10．2．2 迭代方法
10．2．3 相位恢复的其他方法
10．3 动态系统
10．4 降低噪声
10．5 非线性光学
10．5．1 非线性光学材料的成像
10．5．2 非线性光学光束的数字全息
10．6 数字全息的光学参数
10．6．1 彩色数字全息
10．6．2 偏振数字全息
10．6．3 其他波长和粒子
参考文献

第11章 数字全息显微
11．1 光学显微基础
11．1．1光学结构
11．1．2 放大倍率
11．1．3 分辨率
11．1．4 物镜
11．1．5 眼睛光学系统
11．1．6 相机
11．2 光学显微
11．2．1 亮场显微
11．2．2 暗场显微
11．2．3 泽尼克相衬显微
11．2．4 差分干涉对比
11．2．5 干涉显微
11．2．6 偏振显微
11．2．7 荧光显微
11．2．8 共焦激光扫描显微
11．2．9 多光子激发和非线性光学显微
11．3 数字全息显微
11．3．1 光源
11．3．2 干涉仪
11．3．3 相机
11．3．4 计算机
11．3．5 实例
11．3．6 模拟全息显微与数字全息显微的比较
11．4 DHM法进行的定量相位显微
11．5 细胞显微和其他应用
11．6 DHM的特种技术
11．6．1 全反射数字全息显微
11．6．2 单张全息图中的多模式显微技术
11．6．3 暗场DHM
11．6．4 带有分束立方棱镜的数字全息干涉仪
11．6．5 无透镜片基全息显微
11．7 定量相位显微的其他方法
11．7．1 傅里叶相位显微
11．7．2 希尔伯特H1lbert相位显微
11．7．3 衍射相位显微术
11．7．4 定量DIC
11．7．5 螺旋相衬显微
11．7．6 低相干干涉显微
参考文献

第12章 低相干和断层扫描（层析）技术
12．1 低相干数字全息显微技术
12．1．1 低相干光源
12．1．2 旋转毛玻璃片
12．1．3 菲涅耳非相干相关全息
12．1．4 消色差条纹系统
12．1．5 三角干涉仪
l2．1．6 锥光全息
12．2 光学扫描全息
12．2．1 光学扫描全息的基本原理
12．2．2 OSH的成像特性
12．2．3 相关技术和应用
12．3 光学相干层析成像
12．3．1 时域OCT
12．3．2 傅里叶域OCT
12．3．3 多普勒OCT
12．3．4 光学相干显微
12．3．5 相位敏感OCT
12．3．6 微分相衬OCT
12．3．7 相位色散显微
12．3．8 相位参考显微
12．4 全场光学相干层析（FFOCT）
12．4．1 FFOCT的原理
12．4．2 FFOCT的技术和应用
12．4．3 飞光数字全息
12．5 数字干涉全息（DIH）
12．5．1 DIH的原理
12．5．2 DIH的相关技术和应用
12．6 层析
12．6．1 光学投影层析
12．6．2 光学衍射层析
12．6．3 全息光学相干成像
12．6．4 浑浊成像
参考文献

物理世界与信息交织的边界：关于光场重构与物态探测的探讨 （一本聚焦于前沿光学成像技术、信息处理与基础物理交叉领域的深度著作） 本书旨在深入剖析现代光学成像技术，特别是那些超越传统显微镜极限、致力于捕捉和解码光场完整信息的前沿领域。我们聚焦于如何通过先进的计算方法与精密的实验设计，从获取的二维或多维数据中，精确地重构出三维物理客体的完整光场信息，并以此为基础，实现对微观乃至亚微米尺度物体结构、动态过程以及内在物理性质的非侵入式、高分辨率探测。 本书的撰写立足于扎实的物理学基础，同时紧密结合了计算科学的最新进展，尤其是在信号处理、反问题求解和机器学习辅助重建方面的突破。我们探讨的不是单一的成像技术，而是一个涵盖了光与物质相互作用的普适性框架，即如何高效地将物理世界中的光信号转化为可被量化、分析和可视化的数字信息。 第一部分：光场基础与信息采集的瓶颈 本部分首先回顾了经典的几何光学和物理光学理论，为理解现代成像的局限性奠定基础。我们详细阐述了傅里叶光学、角谱理论在描述光传播中的核心地位，并引出传统显微镜（如衍射极限限制下的强度成像）的根本性缺陷：信息的丢失。 核心章节将集中于“光场”的定义与数字化挑战。我们不仅讨论了光的振幅和相位信息的重要性，还深入探讨了光束的空间频率分布、偏振态等参数对物体信息编码的影响。我们将光场视为一个高维数据结构，其维度远超传统二维图像传感器所能直接捕获的范围。 关键内容包括： 1. 相位的不可直接测量性： 详细分析了相位信息对重构精度的决定性作用，以及如何利用干涉原理、相位恢复算法（如迭代求解法）来间接获取这些信息。 2. 多角度采样的必要性： 阐述了如何通过移动光源、物镜或采用特殊的采集装置（如微透镜阵列）来获得多视角信息，这是实现三维重建的第一步。 3. 偏振态的编码与解码： 探讨了斯托克斯参量与穆勒矩阵在描述复杂介质中光传播变化中的作用，及其在表征材料各向异性结构上的应用潜力。 第二部分：计算成像的核心算法与理论框架 如果说第一部分是“数据采集”，那么第二部分则完全聚焦于“数据解析”与“信息重建”。本部分是全书的技术核心，详细介绍了将采集到的原始数据（通常是欠定或病态的）转化为高保真三维模型所依赖的数学工具和计算策略。 我们摒弃了对单一算法的偏爱，而是系统性地比较了不同计算范式在光场重构中的适用性。 重点阐述的算法体系： 1. 基于衍射层析（Diffraction Tomography, DT）的方法： 从线性化的Born近似到更精确的Distorted Born近似，解析了如何通过扫描物体在不同散射角度下的傅里叶空间数据，最终求解散射势函数。这部分深入探讨了迭代算法的收敛性问题及正则化方法的选择。 2. 基于计算采样的技术（如光场显微/Lytro成像原理的深化）： 详细解析了微透镜阵列（MLA）如何将一个大的空间角分辨率映射到焦平面上的强度分布，并讨论了反卷积、点扩散函数（PSF）的精确建模在分离不同焦平面信息中的关键作用。特别关注了如何处理MLA引入的串扰和视场限制问题。 3. 稀疏表示与压缩感知在成像中的应用： 论述了许多物理过程（如在特定基底下）具有固有的稀疏性。如何利用$ell_1$范数最小化等技术，在远少于奈奎斯特频率的采样点上，高保真地恢复出高分辨率的光场结构。 4. 深度学习在反问题求解中的新兴角色： 探讨了如何利用卷积神经网络（CNN）或生成对抗网络（GAN）来学习复杂的光场-数据映射关系，从而加速传统的迭代求解过程，尤其是在处理高噪声或极度欠采样的情境下。我们关注的不是网络结构本身，而是如何将物理约束（如波方程或亥姆霍兹方程）嵌入到网络的损失函数中，形成“物理知情”的深度学习模型。 第三部分：应用拓展与物态的深度探测 本部分将理论和算法的成果应用于实际的科学研究中，展示了计算成像范式如何推动生物医学、材料科学和基础物理学的前沿探索。 重点应用领域分析： 1. 活体细胞与组织的光学解剖： 探讨如何利用高数值孔径（NA）和高采集速度的计算成像方法，对活体样本进行无标记（Label-free）的结构和动态分析。重点介绍光场技术在追踪快速生物过程（如细胞骨架重排、囊泡运输）中的优势，以及如何利用相位对比信息实现细胞干重的无损测量。 2. 复杂散射介质中的成像： 阐述了在浑浊样本（如生物组织或湍流大气）中，光信号被破坏的机制。介绍利用时间分辨技术（如TDCF）结合波传播模型，从大量随机散射光中“提取”出清晰物体信息的方法，这本质上是将时间维度作为重建的额外维度。 3. 动态过程的四维重建（3D+时间）： 讨论如何将高帧率采集与体积成像技术相结合，实现对四维光场的实时监测。这要求采集系统具备极高的同步精度和极快的数据吞吐能力。 4. 量子光学与信息度量： 从更基础的层面，讨论了如何将这种光场重构的概念推广到量子相干态的测量中。虽然本书不侧重于量子信息，但会探讨如何利用经典光场处理方法来指导和简化量子态层析的计算复杂性。 结语：展望未来计算成像的挑战与方向 本书最后将总结当前计算成像领域尚未完全解决的重大挑战，包括：超高维度数据的高效处理架构（Petascale数据挑战）、对非线性散射和强吸收效应的精确建模，以及开发出能够在资源受限设备上实时运行的、具有普适性的重建算法。我们鼓励读者以跨学科的视角，继续探索光与信息物理边界的无限可能。 本书适合光学工程、生物物理学、应用数学及计算机视觉等领域的本科高年级学生、研究生以及专业研究人员作为深入学习和参考的工具书。其目标是提供一个全面、深入且具有前瞻性的计算成像技术蓝图。

评分☆☆☆☆☆

这本《数字全息显微》的书名，就让我联想到了一系列关于“看见”的哲学思考。我们通常是通过眼睛来观察世界，而眼睛看到的，是物体反射或散射的光线在视网膜上形成的二维图像。但全息术，尤其是数字全息显微，似乎能够超越这种二维的限制，捕捉到物体真实的三维空间信息。我猜想，书中会探讨如何从二维的成像平面上“提取”出隐藏的三维信息，这其中的数学原理和算法逻辑一定相当精妙。我会去寻找那些关于光场重构、相位恢复、以及如何克服衍射极限的讨论。不知道书中会不会提及一些历史上的全息技术，然后说明数字技术是如何革新和推进了全息显微的发展？我也会关注书中对于“数字”的解读，这是否意味着我们不再需要传统的胶片或干涉仪，而是完全依赖于计算机和传感器？我期待书中能用清晰易懂的语言，阐述那些复杂的概念，并用图例和示意图来辅助理解。对于那些对视觉感知、信息获取方式以及技术如何拓展人类感官边界感兴趣的读者来说，这本书无疑提供了一个引人入胜的研究方向。它不仅仅是关于一种显微技术，更可能是一场关于我们如何理解和感知现实世界的深刻探讨。

评分☆☆☆☆☆

《数字全息显微》这个书名，让我对微观世界的探索又多了一份期待。我一直对光学显微镜的成像原理很感兴趣，而“数字全息”这个词汇，更是将传统显微镜的二维成像提升到了一个全新的维度。我猜想，书中会详细讲解全息术的根本原理，即如何捕捉并记录物体散射的光波的振幅和相位信息，然后通过数字化的方式对其进行重建。我特别好奇，在“数字”这个部分，是如何通过算法来处理这些复杂的光学数据，从而呈现出物体真实的三维结构。书中会不会介绍不同的数字全息技术，例如离线全息、在线全息，以及它们各自的优劣势？我希望能够了解，如何通过数字全息显微技术实现对细胞、微生物或者纳米材料进行高分辨率的三维成像，并且能够对其进行定量测量和分析。例如，测量细胞的形状、体积，观察其内部结构的动态变化，或者分析纳米颗粒的三维分布。如果书中还能提供一些关于实际操作的指导，或者对现有技术存在的一些挑战和未来发展方向进行展望，那就更能满足我的求知欲了。这本书带给我一种对探索微观世界无限可能的想象，我相信它会是一次令人兴奋的学习旅程。

评分☆☆☆☆☆

读到《数字全息显微》这个书名，我脑海中立刻浮现出许多科幻电影中的场景，那些能够瞬间“复原”物体三维形态的技术，似乎已经离我们不远了。我猜测这本书会深入浅出地介绍数字全息显微术的核心技术，从基础的光学原理出发，逐步过渡到数字处理和图像重建的环节。我特别好奇，书中会如何解释“数字”在全息术中的作用，是仅仅用于记录和显示，还是在整个成像过程中就扮演着关键角色？我希望能够学到关于如何设计一个数字全息显微系统，可能包括光源的选择、传感器的类型、以及数据采集和处理的流程。当然，我也期待书中能够提供一些关于提高成像质量的实用技巧，例如如何减少环境干扰、如何优化算法以获得更清晰、更准确的三维图像。对于我这样对新兴技术充满好奇的读者来说，了解数字全息显微术在不同领域的应用前景，也是我非常感兴趣的部分。比如，它在生物医学成像、无损检测、以及虚拟现实等领域的潜在突破，都让我充满了期待。如果书中还能涉及一些最新的研究进展和未来发展趋势，那就更完美了。

评分☆☆☆☆☆

我拿到《数字全息显微》这本书，第一感觉就是它的“硬核”程度。从书名就可以看出，这绝对不是一本轻松读物，而是需要一定的科学基础和专业知识才能深入理解。我个人并非光学领域的专家，但凭借着对科学探索的热情，我还是想尝试挑战一下。我猜测书中会深入讲解全息成像的基本原理，可能还会涉及傅里叶光学、衍射理论等一些我可能需要重新温习的知识点。我尤其好奇，在“数字”这个环节，到底是如何实现的？是基于什么样的算法和计算方法，能够将捕获到的光场信息转化为可操作的数字模型？我设想书中可能会介绍几种不同的数字全息成像技术，比如数字全息干涉显微术、数字全息体层成像等，并且会详细阐述它们各自的优缺点和适用范围。同时，我也期待书中能够解释，如何利用这些数字化的三维图像进行定量分析，比如测量细胞的体积、观察颗粒的运动轨迹，或者检测材料表面的微小形变。如果书中还能提供一些实验设计方面的建议，或者对现有技术的局限性进行讨论，那就更能满足我这种“想知道为什么”的读者了。总而言之，这本书对我来说，是一次挑战自我的机会，也希望能从中获得宝贵的知识和启发。

评分☆☆☆☆☆

这本《数字全息显微》的书名本身就充满了未来感和科技感，让人忍不住想一探究竟。我一直对成像技术和微观世界的探索抱有浓厚的兴趣，而“数字全息”这个词汇更是将两者巧妙地结合在一起。想象一下，不仅仅是二维的平面图像，而是能够完全复原物体在三维空间中的光场信息，这简直是打开了一个全新的视角。我猜想，书中会详细介绍全息术的原理，是如何捕捉光波的相位和振幅信息，然后又是如何通过数字化的手段进行重建，最终呈现出栩栩如生的三维影像。不知道书中会不会涉及一些前沿的算法，例如如何优化重建过程，提高图像的清晰度和分辨率，或者如何处理散斑噪声，让微观世界的细节一览无余。我特别期待书中能够提供一些实际的应用案例，比如在生物医学领域，如何利用数字全息显微技术观察细胞的动态行为，研究病毒的结构，或者在材料科学中，如何分析纳米材料的三维形貌。如果书中还能涉及到一些硬件设备的设计和实现，那更是锦上添花了。毕竟，理论与实践相结合才能更好地理解一门技术。这本书给我带来了一种对未知的好奇和对科技进步的期待，我相信它能够引领我进入一个更加精彩的微观世界。