作者簡介

劉正君，教授/博導(dǎo)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系副主任。2007年7月于哈工大物理系獲理學(xué)博士學(xué)位。入選光學(xué)學(xué)會全息專委會常務(wù)委員、美國光學(xué)學(xué)會高級會員、黑龍江省物理學(xué)會理事、黑龍江省光學(xué)學(xué)會理事，擔(dān)任《Optics Express》《Applied Sciences》《應(yīng)用光學(xué)》《激光與光電子學(xué)進展》編委，擔(dān)任期刊《紅外與激光工程》和《光學(xué)技術(shù)》青年編委。主要從事計算光學(xué)成像、光信息處理、圖像處理等方面的研究工作。出版教材/專著8部，發(fā)表SCI論文230篇，被累計他引4472次，H因子為42。入選Elsevier高被引學(xué)者、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃、哈工大青年拔尖人才計劃、哈工大基礎(chǔ)研究杰出人才培育計劃。獲全國優(yōu)秀博士論文提名和哈工大優(yōu)秀博士論文。主持國家自然科學(xué)基金等科研項目20余項，獲黑龍江省科學(xué)技術(shù)獎(自然類二等獎)2項。黑龍江省高?？茖W(xué)技術(shù)成果獎勵(一等獎)3項。申請/授權(quán)專利17項、軟件著作權(quán)2項。

劉樹田，教授/博導(dǎo)，1990年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系獲博士學(xué)位。1993~1994年，在芬蘭約恩蘇大學(xué)物理系任訪問研究員。多年來主要從事光學(xué)變換與圖像處理、光學(xué)物理以及量子光學(xué)等方面的研究工作，特別是在光學(xué)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的基礎(chǔ)理論、光學(xué)模式識別以及光學(xué)信息安全技術(shù)等研究中取得多項突出研究成果。聚焦于光學(xué)圖像處理和計算光學(xué)成像，提出基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換和隨機變換圖像研究、鬼成像/單像素成像研究等，圖像處理的研究涉及圖像重建、灰度/彩色圖像加密等。發(fā)表SCI論文442篇，累計他引8000余次，H因子為50。出版學(xué)術(shù)著作3部。時任國際著名期刊Optics Express編委（Associate Editor），任美國光學(xué)學(xué)會高級會員、黑龍江省物理學(xué)會常務(wù)理事、黑龍江省光學(xué)學(xué)會常務(wù)理事。所指導(dǎo)的博士研究生中有兩名獲得全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名獎。

近年來，計算技術(shù)為光學(xué)領(lǐng)域科研工作帶來了極大便利，如計算成像、計算測量學(xué)、計算光學(xué)、計算攝像學(xué)等新概念不斷涌現(xiàn)。隨著高性能圖像探測器的廣泛應(yīng)用，圖像測量實現(xiàn)了離散化、數(shù)字化、自動化，圖像多以離散數(shù)據(jù)形式記錄（幾乎取代了用于圖案記錄的連續(xù)介質(zhì)）。于是，計算光學(xué)成像技術(shù)成為人們研究顯微成像的有效途徑。當(dāng)前，不同成像系統(tǒng)由連續(xù)型（如透鏡和棱鏡等）或離散型（如空間光調(diào)制器或 數(shù)字微鏡器件 等）光學(xué)元件構(gòu)成，隨著更智能、精確的計算技術(shù)不斷地對成像系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進行滲透，光學(xué)成像系統(tǒng)逐步實現(xiàn)“數(shù)字化”。計算光學(xué)成像是融合了計算機、光學(xué)、數(shù)學(xué)、控制等多學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

計算光學(xué)成像系統(tǒng)

計算光學(xué)成像技術(shù)多用于間接成像系統(tǒng)，使用衍射 斑或者 投影圖像計算目標(biāo)圖像，通過算法輔助使原本不能成像的系統(tǒng)具備成像功能。相位恢復(fù)、強度傳輸方程、快速傅里葉變換等是計算光學(xué)成像技術(shù)的核心工具。待測目標(biāo)的成像可視為一個超高維線性反問題，通過 光學(xué)逆源問題求解 方法可得到目標(biāo) 的光場信息 ，如振幅、相位、偏振分布、形貌信息等。由于待測算信息多，很多計算方法在迭代計算中難以快速收斂，這是因為通過光學(xué)元件物理參數(shù)改變以獲取不同的投影圖像在數(shù)學(xué)上可視為增加定解條件。因此，為了改善重構(gòu)圖像質(zhì)量，發(fā)展更快、更精確的計算方法對于計算光學(xué)成像尤為重要。

相位恢復(fù)算法的應(yīng)用與發(fā)展

相位恢復(fù)算法是求解光學(xué)衍射模型中 光場信息 的重要數(shù)學(xué)工具。如圖所示，相位恢復(fù)算法已經(jīng)應(yīng)用于很多光信息處理系統(tǒng)中，推動了計算成像與計算測量的發(fā)展

在計算光學(xué)成像領(lǐng)域，新成果不斷涌現(xiàn)，本書僅吸納了目前相對成熟的研究成果，相信未來會有更多精彩的研究成果出現(xiàn)。計算技術(shù)在成像領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它既是銜接光學(xué)理論與實驗系統(tǒng)的“黏合劑”，又推動著研究工作向更全面、更深入的方向發(fā)展，其高重復(fù)性、靈活性、強大算力、低成本等優(yōu)勢尤為突發(fā)。由于計算光學(xué)成像具有極強的專業(yè)交叉性，很多計算機、光學(xué)、信息等專業(yè)的科研人員由于學(xué)科相近而轉(zhuǎn)入這一領(lǐng)域開展前沿研究工作。該技術(shù)匯集了多領(lǐng)域的學(xué)術(shù)思想，使其得以全面發(fā)展。

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計算光學(xué)成像

劉正君, 劉樹田著

北京: 科學(xué)出版社, 2025. 11

ISBN 978-7-03-080770- 0

《 計算光學(xué)成像 》 介紹光學(xué)成像中的計算方法，側(cè)重講述計算光學(xué)成像方法的原理和數(shù)值計算方法。 本書共 15 章，第 1 章簡要介紹光學(xué)傅里葉變換、計算光學(xué)成像方法、相位恢復(fù)算法的發(fā)展與分類。第 2 ～ 4 章闡述計算光學(xué)的基礎(chǔ)知識，是開展計算光學(xué)成像研究的基礎(chǔ)，包括衍射建模與離散計算、相位恢復(fù)算法、強度傳輸方程等。第 5 ～ 12 章著重闡述計算光學(xué)成像技術(shù)，包括疊層成像、傅里葉疊層成像、單次曝光成像、單像素成像、相干衍射成像、結(jié)構(gòu)光照明成像、散射成像、超分辨成像等。第 13 ～ 15 章內(nèi)容對于提高計算光學(xué)成像質(zhì)量有重要作用，包括數(shù)字定位方法、自動聚焦、降噪方法等。本書內(nèi)容能為從事計算光學(xué)成像領(lǐng)域研究的有關(guān)專業(yè)的研究生和科技工作者提供便利，這也是作者撰寫本書的初衷。

感謝國家自然科學(xué)基金（10674038、11104049、11047153、10974039、61377016、61575053、61575055、69577006、11874132、61975044、12074094、12374271、62375065、62405079、62575091）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究杰出人才培育計劃（HIT.BRETTIII. 201406）、中國博士后科學(xué)基金（2013M540278、2015T80340）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)醫(yī)工理交叉基金（IR2021237）、MWorks 軟件項目驗證課題（M202308）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)“強盛計劃”項目、哈爾濱工業(yè)大學(xué)原創(chuàng)前沿探索基金（ HIT.OCEF.2024055 ）、自適應(yīng)光學(xué)全國重點實驗室開放基金（FNLAO-24-MS-O07）、貴州省先進醫(yī)學(xué)成像與智能計算全省重點實驗室開放課題（AMIIC250204）等科研項目的資助，本書相關(guān)研究成果得益于以上項目的長期支持。

本文摘編自《 計算光學(xué)成像》（劉正君, 劉樹田著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025. 11）一書“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-080770-0

責(zé)任編輯：姜 紅 崔慧嫻

本書介紹光學(xué)成像中的計算方法，包括傅里葉變換、菲涅耳衍射、相位恢復(fù)、柯林斯公式、強度傳輸方程、計算成像方法等，并介紹近年來關(guān)于計算光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域的新成果，如疊層成像、傅里葉疊層成像、單次曝光成像、單像素成像、相干衍射成像、結(jié)構(gòu)光照明成像、散射成像、超分辨成像等，側(cè)重講述計算光學(xué)成像方法的原理和數(shù)值計算方法。

本書可作為計算光學(xué)、計算光學(xué)成像原理與技術(shù)、計算光學(xué)成像等課程的教材，也可供信息光學(xué)、計算光 學(xué)成像、光學(xué)圖像處理等領(lǐng)域的研究人員參考。

（本文編輯：劉四旦）

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