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第一章图像、成像系统和信息1

1.1 图像的基本性质1

1.1.1 图像的基本描述1

1.1.2 图像的统计描述12

1.2 成像系统的基本性质21

1.2.1 成像过程和成像方法21

1.2.2 线性系统和平移不变性23

1.2.3 点扩散函数24

1.2.4 线扩散函数和边扩散函数25

1.2.5 系统的频域分析和传递函数28

1.2.6 系统的等效带宽、分辨率和空间带宽积30

1.2.7 串级线性系统31

1.2.8 系统对随机信号的作用32

1.2.9 线性滤波34

1.3 图像的信息40

1.3.1 信息的量度41

1.3.2 信息通道容量43

1.3.3 图像的信息和冗余度46

1.3.4 图像的编码47

思考题49

参考文献50

第二章图像的接收和显示51

2.1 视觉51

2.1.1 眼睛的光学性质51

2.1.2 视觉现象53

2.2 照相乳胶59

2.2.1 感光特性59

2.2.2 分辨率62

2.2.3 颗粒噪音63

2.3 成像光电接收器67

2.3.1 单接收器67

2.3.2 成像管69

2.3.3 像增强器和光子计数成像71

2.3.4 安格相机73

2.4 彩色和立体图像的接收、显示73

2.4.1 色度学73

2.4.2 彩色图像的记录和显示80

2.4.3 立体图像的显示84

思考题89

参考文献89

第三章几何成像90

3.1 几何光学的基本定律90

3.1.1 几何光学定律的适用范围及程函方程90

3.1.2 光线方程及费马原理92

3.1.3 马勒斯定理94

3.1.4 拉格朗日不变量95

3.2 高斯光学96

3.2.1 物像空间为均匀媒质的成像公式96

3.2.2 轴对称梯度“光纤”98

3.2.3 电子光学99

3.2.4 几何光学的矩阵方法100

3.3 光管和光栏103

3.3.1 光管和光栏103

3.3.2 拉格朗日不变量与能量、信息量的关系104

3.4 像差和对称性105

3.4.1 波像差和赛德耳系数105

3.4.2 初级像差的几何表示107

3.4.3 光栏移动引起像差系数变化109

3.4.4 光栏像差与物面像差的关系110

3.4.5 物面移动引起像差系数变化111

3.5 光路计算及初级像差系数112

3.5.1 球面光路计算和球差112

3.5.2 光栏在球心时的初级像差及齐明条件114

3.5.3 非球面光路计算及像差115

3.6 校正像差的可能性及光学设计方法118

3.6.1 阿贝正弦条件118

3.6.2 轴向倍率和赫谢耳条件119

3.6.3 光学设计方法121

3.7 实用光学系统简介122

3.7.1 望远镜系统122

3.7.2 转像系统122

3.7.3 双胶合透镜的设计考虑122

3.7.4 显微物镜123

3.7.6 聚光系统124

3.7.5 照相物镜124

思考题125

参考文献126

第四章几何成像的衍射理论127

4.1 标量衍射理论128

4.1.1 惠更斯原理128

4.1.2 光波的平面波角谱129

4.1.3 光波的自由空间传播作为线性系统131

4.1.4 孔径的衍射作用133

4.1.5 塔耳波特自成像效应134

4.1.6 焦点附近的场135

4.1.7 高斯光束的传播138

4.2 多次衍射141

4.2.1 多次衍射问题的简化142

4.2.2 光学谐振腔中的多次衍射143

4.2.3 扁球函数147

4.3 光学成像系统的频谱分析151

4.3.1 点像的衍射和相干传递函数151

4.3.2 非相干照明成像系统155

4.3.3 相干照明成像系统157

4.4 部分相干成像161

4.4.1 互强度和复相干度161

4.4.2 范·西特-泽尼克定理162

4.4.3 互强度的传递164

4.4.4 互强度传递的双重谱分析165

4.4.5 部分相干成像的双重谱分析166

4.4.6 对弱物体的线性近似169

4.4.7 照明对显微镜分辨率的影响171

4.4.8 用模糊函数和维格纳分布函数描述部分相干成像173

4.5 变迹术180

4.5.1 等效带宽和测不准关系181

4.5.2 最大区域能量182

4.5.3 最小等效宽度183

4.5.4 超衍射极限分辨变迹术184

4.5.5 焦深的延长186

4.6 相位物体的成像188

4.6.1 泽尼克相衬法189

4.6.2 小孔衍射干涉法190

4.6.3 刀口法193

4.7 光学成像系统的评价195

4.7.1 点扩散函数196

4.7.2 频率传递函数197

4.7.3 部分相干成像系统的评价201

4.7.4 模糊函数与离焦 OTF204

4.7.5 信息容量205

4.8 惠更斯衍射理论的局限性206

思考题208

参考文献209

第五章衍射成像211

5.1 菲涅耳环带片211

5.2 全息成像218

5.2.1 全息图是物体的编码记录218

5.2.2 全息图的记录方式219

5.2.3 全息图的观察221

5.2.4 全息图的信息容量221

5.3 全息术的应用223

5.3.1 全息干涉计量223

5.3.2 全息元件224

5.3.3 白光显示技术225

5.3.5 X光全息228

5.3.4 全息显微术228

5.3.6 电子全息229

5.3.7 微波全息和超声全息230

5.4 X射线衍射和晶体结构分析230

5.4.1 晶体对X射线的衍射231

5.4.2 晶体的衍射和光学的模拟衍射233

5.4.3 帕特孙方法234

思考题235

参考文献236

第六章扫描成像237

6.1 扫描成像的分辨率和焦深237

6.2 扫描成像系统和光学传递函数242

6.2.1 扫描成像系统的等晕条件242

6.2.2 OTF概念的扩展247

6.2.3 谱交叠的量度248

6.3 扫描成像的例子249

参考文献252

第七章综合孔径成像254

7.1 干涉法孔径综合255

7.1.1 复相干度和物谱255

7.1.2 迈克耳孙星体干涉仪258

7.1.3 强度干涉仪260

7.1.4 无线电干涉仪262

7.2 组合孔径法综合264

7.2.1 组合望远镜264

7.2.2 无线电天线列阵267

7.2.3 部分孔径成像272

7.2.4 相关接收列阵273

7.3.1 线性调频信号和透镜聚焦275

7.3 综合孔径雷达275

7.3.2 线性调频雷达279

7.3.3 多普勒孔径综合282

7.3.4 综合孔径雷达284

7.3.5 旋转物体的综合成像290

思考题293

参考文献293

第八章层析成像295

8.1 投影数据和拉冬变换296

8.2 投影的中心频谱定理300

8.3 回投影、取和及模糊图像的重现302

8.4 二维滤波和一维滤波304

8.5 拉冬逆变换307

8.6 图像的光学模拟重现311

8.6.1 投影数据的记录311

8.6.2 非相干一维滤波处理系统312

8.6.3 滤波函数的综合313

8.7 层析成像的代数模型315

8.8 圆谐波分解法318

8.9 三维拉冬变换322

8.9.1 面积分322

8.9.2 中心频谱定理323

8.9.3 三维拉冬逆变换323

8.9.4 回投影取和324

8.10 其他应用326

8.10.1 发射型计算机层析成像(ECT)326

8.10.2 核磁共振成像331

8.10.3 康普顿散射335

思考题337

参考文献337

9.1 称重设计和多元技术338

第九章编码孔成像338

9.2 阿达玛编码342

9.3 阿达玛编码在光谱学和成像技术中的应用344

9.3.1 阿达玛编码光谱仪344

9.3.2 阿达玛变换成像345

9.3.3 双重编码的光谱仪347

9.3.4 用两个接收器实现阿达玛矩阵351

9.4 编码孔投影成像的一般原理352

9.5 圆环编码板356

9.6 菲涅耳环带板364

9.7 小孔列阵369

9.7.1 无规及伪随机小孔列阵369

9.7.2 均匀冗余孔阵370

9.7.3 非冗余孔阵373

9.8.1 多针孔成像综合374

9.8 多编码孔的成像综合374

9.8.2 多随机孔阵成像378

9.8.3 旋转狭缝379

参考文献382

第十章图像复原383

10.1 图像复原问题383

10.2 傅里叶频谱滤波复原385

10.3 线性代数复原方法387

10.3.1 逆矩阵387

10.3.2 有约束的逆矩阵387

10.3.3 伪逆矩阵389

10.3.4 本征分解390

10.4 非线性优化复原391

10.4.1 正约束391

10.4.2 最大事后概率法392

10.4.3 极大熵复原393

10.4.4 最大信息复原395

10.4.5 蒙特卡罗方法398

10.5 不完全数据的图像复原399

10.5.1 超分辨问题399

10.5.2 相位复原问题403

10.5.3 从有限角度范围的投影数据复原图像404

参考文献406

附录A δ函数408

附录B 傅里叶变换的基本定理411

附录C 基本傅里叶变换对413

附录D 基本零阶汉克尔变换对415

附录E 高斯随机过程416

附录F 阿达玛和S矩阵419