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潘定中 著，闫兴鹏 译

图书标签:

• 全息学
• 数字全息
• MATLAB
• 图像处理
• 光学
• 计算成像
• 三维显示
• 信号处理
• 现代光学
• 科学计算

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111586166

版次：1

商品编码：12288209

品牌：机工出版

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-01-01

用纸：胶版纸

页数：158

内容简介

数字全息术是全息术的一个重要分支. 与早期全息术相比. 其采用ＣＣＤ 记录相干条纹. 避免了复杂的化学处理. 且能实现实时记录. 在三维成像、精密测量等领域具有重要应用. 随着电子技术和计算机技术的发展. 数字全息术越来越引起人们的研究兴趣. 本书以标量衍射为基础. 深入浅出地介绍了数字全息术的相关理论与应用. 并给出了许多实例的ＭＡＴＬＡＢ 代码. 这对读者快速掌握数字全息相关技术的基本理论和实现方法大有裨益. 本书可作为光电专业的高年级本科生和相关专业的研究生教材. 也可供相关领域的研究人员或工程师参考.

目录

译者的话
前言
第１ 章　波动光学 １
　１. １　麦克斯韦方程与波动方程 １
　１. ２　平面波和球面波 ２
　１. ３　标量衍射理论 ３
　　１. ３. １　菲涅尔衍射 ７
　　１. ３. ２　夫琅和费衍射 ８
　１. ４　用作光学傅里叶变换器的理想薄透镜 １０
　１. ５　光学图像处理 １１
　习题 ２０
　参考文献 ２１
第２ 章　全息基础 ２２
　２. １　摄影术与全息术 ２２
　２. ２　将全息图看作菲涅尔波带片的集合 ２２
　２. ３　三维全息成像 ２６
　　２. ３. １　全息放大率 ３０
　　２. ３. ２　平移畸变 ３０
　　２. ３. ３　色散畸变 ３１
　２. ４　时间和空间相干性 ３３
　　２. ４. １　时间相干性 ３３
　　２. ４. ２　相干时间和相干长度 ３５
　　２. ４. ３　广义时间相干性的一些讨论 ３６
　　２. ４. ４　傅里叶变换光谱学 ３７
　　２. ４. ５　空间相干性 ３９
　　２. ４. ６　广义空间相干性的一些讨论 ４１
　习题 ４３
　参考文献 ４４
第３ 章　全息图的类型 ４５
　３. １　伽博全息图和同轴全息 ４５
　３. ２　离轴全息 ４６
　３. ３　像全息图 ４８
　３. ４　菲涅尔全息图和傅里叶全息图 ５１
　　３. ４. １　菲涅尔全息图及傅里叶全息图 ５１
　　３. ４. ２　无透镜傅里叶全息图 ５４
　３. ５　彩虹全息图 ５５
　习题 ５９
　参考文献 ６０
第４ 章　传统数字全息 ６１
　４. １　采样信号和离散傅里叶变换 ６２
　４. ２　图像传感器的记录和局限 ６９
　　４. ２. １　成像器件尺寸 ７０
　　４. ２. ２　像素间距 ７０
　　４. ２. ３　调制传递函数 ７１
　４. ３　标量衍射的数字计算 ７２
　　４. ３. １　角谱法(ＡＳＭ) ７２
　　４. ３. ２　角谱法的有效性 ７４
　　４. ３. ３　菲涅尔衍射法 ７６
　　４. ３. ４　菲涅尔衍射法的有效性 ７７
　　４. ３. ５　反向传播 ７９
　４. ４　数字全息图的光学记录 ８０
　　４. ４. １　记录方式 ８０
　　４. ４. ２　孪生像和零级光的消除 ８２
　４. ５　数字全息记录及重构的仿真 ８３
　习题 ８８
　参考文献 ８９
第５ 章　数字全息术: 一些特殊技术 ９０
　５. １　相移数字全息术 ９０
　　５. １. １　四步相移全息术 ９１
　　５. １. ２　三步相移全息术 ９１
　　５. １. ３　两步相移全息术 ９１
　　５. １. ４　相位步长与相位误差 ９３
　　５. １. ５　并行相移全息术 ９４
　５. ２　低相干数字全息术 ９５
　５. ３　衍射断层全息术 １０１
　５. ４　光学扫描全息术 １０４
Ⅵ
　　５. ４. １　基本原理 １０４
　　５. ４. ２　全息图的构造与重构 １０６
　　５. ４. ３　对光学扫描全息术的直观理解 １０９
　习题 １１０
　参考文献 １１１
第６ 章　数字全息的应用 １１４
　６. １　全息显微术 １１４
　　６. １. １　基于显微镜的数字全息显微术 １１４
　　６. １. ２　基于傅里叶的数字全息显微术 １１６
　　６. １. ３　基于球面参考光的数字全息显微术 １１７
　６. ２　全息术中的断层术 １１８
　６. ３　相位提取 １２３
　６. ４　光学轮廓测量及形变测量 １２６
　　６. ４. １　双波长轮廓测量 １２７
　　６. ４. ２　双照明轮廓测量 １３０
　　６. ４. ３　形变测量 １３１
　习题 １３１
　参考文献 １３１
第７ 章　计算机生成全息术 １３５
　７. １　迂回相位全息图 １３５
　７. ２　开诺全息图 １３９
　７. ３　迭代变换算法 １４１
　７. ４　现代快速计算方法及全息信息处理 １４４
　　７. ４. １　现代快速计算方法 １４４
　　７. ４. ２　全息信息处理 １４７
　７. ５　利用空间光调制器的三维全息显示 １４９
　　７. ５. １　分辨率 １４９
　　７. ５. ２　二元掩模可编程全息图 １５０
　　７. ５. ３　实时显示 １５３
　　７. ５. ４　缺少能够显示复函数的空间光调制器 １５４
　习题 １５７
　参考文献 １５８

前言/序言

本书对现代数字全息技术及相关实例做了简明易懂的介绍. 通过这些内容的学习. 读者可快速掌握数字全息技术.以基本光学原理为基础. 本书介绍了数字全息中的关键技术. 如相移全息术、低相干全息术、衍射断层全息术和光学扫描全息术等技术. 讨论了数字全息的相关实际应用实例. 并介绍了用以理解其工作原理的相关必要理论. 同时还在相关章节介绍了生成计算机制全息图的一些先进技术. 本书中包含了大量的ＭＡＴＬＡＢ 代码. 并可从网上下载. 这些代码用来解释一些理论分析和实际应用. 如混叠、补零及采样.本书每章末尾都附有习题. 同时还提供在线的习题解答手册. 这对光学图像处理及数字全息领域的学生、研究者、工程人员来说. 是一种不可或缺的资源.Ｔｉｎｇ￣Ｃｈｕｎｇ Ｐｏｏｎ (潘定中). 美国弗吉尼亚理工大学电子与计算机工程教授. 中国科学院上海光学精密机械研究所客座教授. 美国光学学会(ＯＳＡ) 会士. 国际光学工程学会(ＳＰＩＥ) 会士.Ｊｕｎｇ￣Ｐｉｎｇ Ｌｉｕ (刘荣平). 中国台湾逢甲大学光电学系教授.

现代数字全息导论（MATLAB版）：开启三维世界成像的新纪元 本书是一部深入浅出、理论与实践相结合的专著，旨在为读者提供一个全面理解现代数字全息技术及其应用的基础。 随着数字技术的飞速发展，全息术已不再是科幻电影中的奇观，而是渗透进科学研究、工程制造、医疗诊断、文化艺术等诸多领域的强大工具。本书以MATLAB为主要实现平台，将抽象的物理原理转化为可操作的代码，让读者能够亲手实践、观察和探索全息世界的奥秘。 全息术，顾名思义，“全”是指记录了物体的全部三维信息，包括振幅（亮度）和相位（深度），这是其与传统二维成像方式的根本区别。 传统相机只能记录光强的二维分布，而全息记录则能“冻结”光波在空间中的完整状态，从而在重放时重建物体的真实三维影像。这种能力的突破，为我们观察和理解物质世界提供了前所未有的维度。 本书从基础的光学原理出发，逐步引导读者进入数字全息的复杂领域。 我们首先回顾经典全息术的形成和再现机制，重点阐述光波的衍射理论，这是理解全息过程的核心。通过严谨的数学推导和清晰的图示，读者将掌握夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射等关键概念，并理解它们在全息成像中的作用。 进入数字全息部分，本书的特色得以充分展现。 我们将探讨数字传感器（如CCD或CMOS相机）如何替代感光乳胶，用于记录全息图，以及计算机如何处理和重建物体像。本书将详细介绍两种主要的数字全息记录模式：离轴全息和同轴全息。离轴全息由于其较高的分辨率和抗干扰能力，在许多应用中占据主导地位，本书将着重分析其记录和再现原理，包括参考光和物光的干涉条纹的形成，以及它们如何携带物体的三维信息。同轴全息虽然在某些方面具有优势，如系统结构紧凑，但其分辨率受限，本书也会对其原理进行简要介绍，并分析其适用场景。 理解全息图的结构和特性是掌握数字全息的关键。 本书将深入剖析全息图的本质——一种复杂的干涉衍射图样。读者将学习如何分析全息图的空间频率、条纹密度和条纹方向，这些参数直接关系到最终重建物体的清晰度和分辨率。我们还将探讨不同类型的全息图，例如菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图，以及它们在记录和再现物体不同距离信息时的差异。 MATLAB作为本书的核心实践平台，为读者提供了强大的计算和仿真能力。 本书将提供大量精炼、实用的MATLAB代码示例，涵盖从全息图的生成、模拟到重建物体的计算和显示的全过程。读者将学习如何利用MATLAB编写脚本，模拟不同光源、不同物体形状的全息记录过程。例如，如何模拟一个点光源或一个平面反射镜的全息图，以及如何计算其干涉条纹。 数字重建物体是数字全息技术的核心应用。 本书将详细介绍基于衍射积分的重建物体方法，这是目前最常用也最有效的方式。读者将学习如何利用MATLAB实现菲涅耳衍射积分和夫琅禾费衍射积分，通过对记录的全息图进行计算，模拟光波的传播，从而在计算机中重建物体的三维相位和振幅信息。我们将从理论推导到实际代码实现，一步步引导读者掌握这一复杂但至关重要的技术。 为了让读者更直观地理解重建物体的过程，本书还将介绍各种常用的重建物体算法，并分析它们的优缺点。 其中，卷积积分法和傅里叶变换法是两种重要的计算手段。读者将了解如何利用快速傅里叶变换（FFT）算法加速衍射积分的计算，从而提高重建物体的效率。此外，对于存在噪声或离焦的全息图，本书还将探讨滤波算法和去卷积算法，以提高重建物体的质量和清晰度。 数字全息的应用场景极为广泛，本书将选取具有代表性的领域进行深入探讨。 三维面形测量： 数字全息干涉测量技术是本书重点介绍的应用之一。通过比较待测物体与参考面的全息图，可以精确地测量出物体的微小形变、表面缺陷以及表面粗糙度。本书将详细讲解基于相移（phase shifting）和空间载波（spatial carrier）的数字全息干涉测量方法，以及如何利用MATLAB进行相位的解包裹和形貌的提取。这对于精密制造、材料科学和质量控制具有重要的理论和实践意义。 三维信息存储： 全息技术能够以极高的密度存储三维信息，为未来数据存储开辟了新的道路。本书将讨论全息存储的基本原理，包括体全息（volume holography）和表面全息（surface holography），以及如何利用数字技术实现高效的全息数据编码和解码。 生物医学成像： 数字全息在生物医学领域展现出巨大的潜力。例如，用于细胞、组织的三维显微成像，以及无标记、高分辨率的生物分子检测。本书将介绍数字全息在细胞成像、流体动力学测量（如血流速度测量）以及微流控芯片中的应用案例，并提供相应的MATLAB仿真示例。 光学信息处理： 数字全息技术还可以用于实现各种复杂的光学信息处理功能，例如模式识别、图像复原和光学加密。本书将探讨这些应用的可能性，并介绍相关的数字算法。 虚拟现实与增强现实： 虽然直接的全息显示仍面临挑战，但数字全息技术为未来沉浸式交互提供了基础。本书将简要探讨数字全息在三维场景重建和虚拟物体叠加方面的潜在联系。 为了帮助读者更好地掌握所学知识，本书在每个章节都精心设计了相关的MATLAB实验。 这些实验从简单到复杂，逐步引导读者动手实践，通过运行代码、修改参数、观察结果，加深对理论知识的理解。实验涵盖了全息图的生成、数字模拟、不同重建物体算法的应用、以及一些典型应用场景的仿真。读者将能够通过这些实验，亲身体验全息世界的神奇之处，并获得解决实际问题的能力。 本书的读者对象广泛，包括但不限于： 高校学生： 物理学、光学工程、电子工程、计算机科学等相关专业的本科生和研究生，以及对全息技术感兴趣的跨学科学生。 科研人员： 从事光学、物理、材料科学、生物医学工程、精密测量等领域的研究人员，希望利用数字全息技术解决科研问题。 工程师： 在精密制造、质量控制、光学设计、仪器开发等行业工作的工程师，需要了解和应用数字全息技术。 技术爱好者： 对前沿科技充满好奇，希望深入了解三维成像原理和实践应用的学习者。 本书在编写过程中，力求语言简洁明了，数学推导严谨，MATLAB代码注释详尽，易于理解和移植。 我们希望通过本书，能够激发读者对数字全息技术的浓厚兴趣，为他们打开一扇通往三维世界的新视角，并在相关领域的研究和开发中提供坚实的技术支持。 掌握数字全息技术，就是掌握一种强大的三维信息捕获和重塑能力。 无论您是希望深入理解物理世界的奥秘，还是希望利用前沿技术解决实际问题，亦或是仅仅对未来的科技发展充满好奇，《现代数字全息导论（MATLAB版）》都将是您不可或缺的向导。让我们一同踏上这段探索三维成像奇妙旅程，开启属于您的数字全息新篇章！

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到惊喜的是，它真的把“导论”这个词做到了实处。我之前对数字全息的概念模糊不清，总觉得它离我有点远，但这本书完全颠覆了我的认知。作者的叙述风格非常平易近人，没有那种高高在上的学术腔调，而是像一个耐心的老师，一步一步地引导着我这个“小白”去探索全息的奥秘。我尤其赞赏作者在处理数学公式和物理原理时，能够将它们与直观的物理现象紧密结合，让我在理解理论的同时，也能感受到它们背后的实际意义。书中对MATLAB的应用介绍，虽然我还没深入去实践，但我能感觉到，它为我打开了一扇通往实际操作的大门。它让我明白，理论学习不仅仅是为了满足好奇心，更是为了能够真正地去实现和创造。这本书给我一种“我可以做到”的感觉，而不是“这太难了，我学不会”，这种积极的引导是我非常看重的。

评分☆☆☆☆☆

我一直对光影的魔术般的力量充满着一种莫名的向往，所以当我在书店看到这本《现代数字全息导论（MATLAB版）》时，仿佛找到了一个通往那个神奇世界的钥匙。这本书并没有像我预期的那样，上来就抛出一堆晦涩难懂的公式和概念，而是从一些非常基础的物理现象讲起，比如光的波动性，然后慢慢地将这些原理与全息技术联系起来。我特别喜欢书中对“全息”这个词的解析，它不仅仅是简单地“看到”三维图像，更是一种对光信息完整记录和再现的哲学思考。作者在讲解过程中，也常常穿插一些历史性的介绍，比如拉比奥最初的设想，这让我觉得这本书不仅仅是一本技术教程，更是一部关于人类探索视觉边界的简史。让我印象深刻的是，书中还对不同类型的全息技术进行了分类比较，比如数字全息术与传统全息术的差异，以及它们各自的优势和局限性，这让我对整个领域有了更宏观的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计真是太有意思了！那种深邃的蓝色背景，加上中央那个若隐若现的3D光影效果，一下子就抓住了我的眼球。我当时就在想，这肯定是一本关于视觉、关于科技，而且可能还有点神秘感的书。我平时就对那些能“变魔术”一样的科技很感兴趣，尤其是那种能把虚无缥缈的东西变成触手可及的体验，所以看到这个封面，就觉得它和我心目中的“酷炫科技”高度契合。书名里的“数字全息”四个字，更是充满了未来的气息，让我联想到科幻电影里那些悬浮的图像，让人不禁好奇，这本书到底是怎么把这种神奇的技术掰开揉碎了讲清楚的？而且，后面跟着的“MATLAB版”，虽然我不是MATLAB的重度用户，但它暗示了这本书可能包含了实际的操作指导，而不是单纯的理论堆砌，这一点让我觉得非常实用，也更有学习的动力。我甚至开始幻想，读完这本书，是不是我也可以在自己的电脑上“造”出属于自己的数字全息世界了。这种期待感，是很少有书能给我的。

评分☆☆☆☆☆

在朋友的推荐下，我入手了这本书，虽然我并不是专业搞光学或者电子工程的，但这本书的标题“现代数字全息导论”依然深深地吸引了我。我一直对那些能够“看到”三维世界的技术充满好奇，总觉得这是一种突破次元壁的体验。读完这本书，我最大的感受是，原来全息技术并没有我想象的那么遥不可及。作者的讲解非常清晰，一步一步地引导着读者去理解那些复杂的概念。我特别喜欢书中对一些基础原理的讲解，比如光的衍射、干涉等等，作者用了很多形象的比喻，让我这个非专业人士也能茅塞顿开。而且，虽然书名里提到了MATLAB，但我发现即便是对MATLAB不熟悉的读者，也能从中获益匪浅，因为作者在讲解原理的时候，并不是直接跳到代码，而是先建立起扎实的理论基础。书中穿插的一些实际案例，也让我对全息技术在现实中的应用有了更深的认识，比如在艺术、医疗、娱乐等领域的潜在可能性，都让我觉得非常震撼。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《现代数字全息导论（MATLAB版）》之后，我最直观的感受就是它的内容编排和逻辑性非常强。从最基本的概念引入，到逐渐深入探讨各种全息成像的原理和技术，再到最后介绍如何利用MATLAB进行仿真和实现，整个过程衔接得非常自然流畅。我最欣赏的是作者在讲解复杂理论时，总能找到恰当的图示和实例来辅助说明，这极大地降低了理解门槛。举个例子，在解释全息图的记录和再现过程时，书中提供的示意图就非常精妙，让我能清晰地看到光波在介质中的传播和叠加。而且，作者并没有回避技术细节，而是深入浅出地探讨了不同类型全息图的特点和优缺点，这对于想要深入研究的读者来说，非常有价值。即使是对MATLAB不熟悉的朋友，在阅读完相关章节后，也会对代码的逻辑和目的有一个初步的了解，从而为后续的学习打下基础。