成像光學導論

前言

光學成像技術(shù)是信息化時代的重要內(nèi)容之一。隨著計算機技術(shù)、光電子技術(shù)以及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，光學成像技術(shù)也已獲得巨大的進步，應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣，而且其發(fā)展直接影響到許多行業(yè)的進步。但是目前不足的是，缺少一本較全面介紹成像光學的基本原理及其進展的教材。這本教材能夠使讀者了解成像光學的基本理論，而且通過學習，為今后光學成像技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新工作打下一個良好的基礎(chǔ)。本書較全面地介紹了現(xiàn)代成像光學的基本內(nèi)容——經(jīng)典的和現(xiàn)代的，其中包括：幾何光學成像；光纖成像；衍射成像；掃描成像；遙感成像；高速攝影；軟X射線和極紫外光顯微成像；計算機層析成像技術(shù)；近場光學成像；綜合孔徑成像；編碼孔成像；圖像處理；圖像的接收、記錄和顯示。本書的編寫目的有二：一為教材，二為參考書。作為教材，書中內(nèi)容可按教學大綱有所取舍。其中，幾何光學成像，光纖成像，衍射成像，圖像處理，圖像的接收、記錄和顯示可作為基本內(nèi)容，重點講述；光層析成像等內(nèi)容則作為一般了解內(nèi)容，可僅作簡要介紹；有些內(nèi)容，可根據(jù)學生已有的知識基礎(chǔ)，作為自學內(nèi)容。建議課上教師以講清楚物理概念為主，使學生了解各類光學成像的基本原理，其余可作為自學的閱讀材料，為學生在今后對于光學成像技術(shù)的應(yīng)用打下必要的基礎(chǔ)。作為參考書，本書可作為各領(lǐng)域相關(guān)讀者系統(tǒng)而全面地了解光學成像技術(shù)的參考讀物。?本書較全面地介紹了光學成像的基本原理與技術(shù)，不僅包括傳統(tǒng)的幾何光學成像的基本原理與技術(shù)，還包括光纖光學成像的基本原理與技術(shù)，衍射光學成像的基本原理與技術(shù)，以及近代出現(xiàn)的光層析成像的基本原理與技術(shù)，遙感光學成像的基本原理與技術(shù)，近場光學成像的基本原理與技術(shù)等。?本書著重討論一些重要的光學成像原理，日的是便于讀者在今后工作過程中能根據(jù)實際需要選用合理的成像技術(shù)，或進一步建立有關(guān)成像過程的物理模型，對所得成像結(jié)果能給予正確、合理的解釋。?本書不僅較全面地介紹了光學成像的基本原理，作者還根據(jù)多年科研和教學工作的經(jīng)驗，給讀者介紹了實用中需要了解的光學成像的基本知識，使讀者進一步了解各類光學成像系統(tǒng)的使用目的和環(huán)境。?本書用適當篇幅介紹了光學成像領(lǐng)域的最新成就，其中包括：光纖光學成像，衍射光學成像，光層析成像，遙感光學成像，以及近場光學成像的基本原理與技術(shù)等。本書得以出版，要感謝課題組的同仁賴淑蓉老師和張敏博士，以及家人的大力支持和幫助。最后還要感謝清華大學出版社的編輯，感謝他們?yōu)楸緯某霭嫠龅木唧w指導和付出的辛勤勞動。本書內(nèi)容涉及面廣，作者知識有限，書中缺點和錯誤難免，懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　光學成像技術(shù)是信息化時代的重要內(nèi)容之一，應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣?！冻上窆鈱W導論》基于光學成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對成像光學的基本原理作了較全面的介紹?！冻上窆鈱W導論》的主要內(nèi)容包括：幾何光學成像；光纖成像；衍射成像；掃描成像；遙感成像；高速攝影；軟X射線和極紫外光顯微成像；計算機層析成像；近場光學成像；綜合孔徑成像；編碼孔成像；圖像處理；圖像的接收、記錄和顯示?！冻上窆鈱W導論》是一本較全面地介紹光學成像的書籍。　　《成像光學導論》選材廣泛，既全面反映了現(xiàn)代光學成像的最新發(fā)展，又有一定深度。《成像光學導論》可作為高校物理電子和光電子、光學、光學儀器等專業(yè)的本科生和研究生的教材或參考書，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 光學成像發(fā)展簡史1.1.1 古典光學成像1.1.2 衍射成像1.1.3 近場光學成像1.2 光學成像的基本性質(zhì)1.3 光學成像的應(yīng)用1.3.1 信息技術(shù)和遠距離通信中的光學成像1.3.2 保健、醫(yī)療與牛命科學中的光學成像1.3.3 光學傳感、照明和能源1.3.4 工業(yè)制造中的光學成像技術(shù)1.4 光學成像技術(shù)的發(fā)展第2章 圖像的接收、記錄和顯示2.1 概述2.2 眼睛的結(jié)構(gòu)和光學成像性質(zhì)2.2.1 眼睛的結(jié)構(gòu)2.2.2 眼睛的光學性質(zhì)2.3 眼的視覺物性2.3.1 光覺閾值和光的辨別閥值2.3.2 視覺的空間特性2.3.3 視覺的時間特性2.3.4 視覺的對比特性2.3.5 視覺的照度適應(yīng)2.3.6 色覺特質(zhì)2.4 照相乳膠2.4.1 底片的感光特性2.4.2 鹵化銀乳膠的特性2.5 成像的光電探測與顯示2.5.1 概述2.5.2 陰極射線管顯示2.5.3 電致發(fā)光顯示2.5.4 液晶顯示2.5.5 激光顯示2.5.6 投影顯示2.6 彩色圖像的接收、顯示2.6.1 色度學2.6.2 混色原理2.6.3 色的表示方法2.7 小結(jié)問題第3章 幾何光學成像3.1 概述3.2 幾何光學基本定律3.2.1 幾何光學適應(yīng)范圍3.2.2 光線傳播定律3.2.3 成像的基本概念3.2.4 共軸球面光學系統(tǒng)的成像性質(zhì)3.3 單折射球面的近軸區(qū)成像3.4 透鏡成像系統(tǒng)3.4.1 理想光學系統(tǒng)的基本特征3.4.2 理想光學系統(tǒng)的物像關(guān)系3.4.3 透鏡3.5 球面反射鏡3.6 平面棱鏡系統(tǒng)3.6.1 平面折射成像3.6.2 反射棱鏡3.6.3 折射棱鏡和光楔3.7 光學系統(tǒng)中的光束限制3.7.1 概述3.7.2 孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳3.7.3 視場光闌、入射窗和出射窗3.8 像差概述3.8.1 軸上點的球差3.8.2 彗差3.8.3 像散和場曲3.8.4 畸變3.8.5 色差3.9 光學儀器的基本原理3.9.1 最微鏡3.9.2 望遠鏡3.10 小結(jié)問題第4章 光纖成像4.1 概述4.2 光纖傳像束4.3 變折射率光纖（棒）的成像理論4.3.1 折射率分布4.3.2 光纖（棒）中光線的軌跡4.3.3 成像特性4.4 折射率光纖（棒）的像差4.5 變折射率光纖（棒）的制造4.6 變折射率光纖（棒）的應(yīng)用4.6.1 光纖（棒）用作準直物鏡4.6.2 光纖棒用作成像物鏡在復(fù)印機中的應(yīng)用4.7 小結(jié)問題第5章 衍射成像5.1 概述5.2 衍射的基本理論5.2.1 惠更斯——菲涅耳原理5.2.2 夫瑯和菲衍射和菲涅耳衍射5.3 夫瑯和菲衍射5.3.1 夫瑯和菲單縫衍射5.3.2 夫瑯和菲圓孔衍射5.4 夫瑯和菲多縫衍射5.4.1 雙縫的干涉和衍射5.4.2 多縫的干涉和衍射5.5 平面衍射光柵5.5.1 光柵簡介5.5.2 光柵方程5.5.3 光柵的主要性能5.6 菲涅耳衍射5.6.1 圓孔衍射5.6.2 波帶片5.7 波前再現(xiàn)成像（全息術(shù)）5.7.1 概述5.7.2 全息原理5.7.3 物像關(guān)系5.7.4 體積全息圖5.7.5 傅里葉變換全息圖5.7.6 全息術(shù)應(yīng)用5.7.7 光纖在全息記錄系統(tǒng)中的應(yīng)用5.8 傅里葉光學5.8.1 概述5.8.2 薄透鏡的傅里葉變換性質(zhì)5.8.3 光學傅里葉變換5.9 二元光學5.9.1 概述5.9.2 二元光學的特點5.9.3 二元光學器件的制作5.9.4 二元光學的應(yīng)用5.9.5 菲涅耳透鏡陣列5.9.6 產(chǎn)生超分辨率的異型菲涅耳透鏡5.10 小結(jié)問題第6章 掃描成像第7章 遙感成像第8章 高速攝影第9章 軟X射線和極紫外光顯微成像第10章 計算機層析成像技術(shù)第11章 近場光學成像第12章 綜合孔徑成像第13章 編碼孔成像第14章 圖像處理參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 光學成像發(fā)展簡史光學成像和光學這門學科具有同樣悠久的歷史。實際上，光學作為一門學科的發(fā)展是起源于光學成像的。光學成像的發(fā)展大致可分為三個階段：古典光學成像（即直接光學成像）、衍射光學成像（即間接光學成像）和近場光學成像（屬掃描光學成像）。下面分別簡要介紹。1.1.1 古典光學成像古典光學成像是基于幾何光學（或稱光線光學）的成像方式，是直接成像的方法。所以，幾何光學成像方式的研究，起源于幾何光學基本規(guī)律——光的反射和折射定律的研究，隨之出現(xiàn)利用凹面反射成像的銅鏡。人類對光的研究，最初主要是試圖回答像“人為什么能看見周圍物體”這一類問題。有些書以古希臘歐幾里德（Euclid，公元前385-前323年）對這一問題的回答作為世界光學知識的最早記錄。但是在比歐幾里德的書早約百年的我國《墨經(jīng)》（先秦時代，約在公元前470前400年）上，對光的幾何性質(zhì)已有了較完全的記載。《墨經(jīng)》中有八條是關(guān)于光學成像的，第一條是敘述影的定義與生成；第二條說明光與影的關(guān)系；第三條則是光的直線行進，并且用針孔成像的實驗來說明它；第四條說明光的反射性能；第五條由光和光源的關(guān)系而定影的大??；其余三條分別敘述了平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。

編輯推薦

《成像光學導論》可作為高校物理電子和光電子、光學、光學儀器等專業(yè)的本科生和研究生的教材或參考書，也可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

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