劉正君、劉樹(shù)田教授：計(jì)算光學(xué)成像

作者簡(jiǎn)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(huì)全息專委會(huì)常務(wù)委員、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、黑龍江省物理學(xué)會(huì)理事、黑龍江省光學(xué)學(xué)會(huì)理事，擔(dān)任《Optics Express》《Applied Sciences》《應(yīng)用光學(xué)》《激光與光電子學(xué)進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)劃、哈工大青年拔尖人才計(jì)劃、哈工大基礎(chǔ)研究杰出人才培育計(jì)劃。獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文提名和哈工大優(yōu)秀博士論文。主持國(guó)家自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，獲黑龍江省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)(自然類二等獎(jiǎng))2項(xiàng)。黑龍江省高校科學(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)勵(lì)(一等獎(jiǎng))3項(xiàng)。申請(qǐng)/授權(quán)專利17項(xiàng)、軟件著作權(quán)2項(xiàng)。

劉樹(shù)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(wèn)研究員。多年來(lái)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(shí)別以及光學(xué)信息安全技術(shù)等研究中取得多項(xiàng)突出研究成果。聚焦于光學(xué)圖像處理和計(jì)算光學(xué)成像，提出基于分?jǐn)?shù)傅里葉變換和隨機(jī)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(jì)他引8000余次，H因子為50。出版學(xué)術(shù)著作3部。時(shí)任國(guó)際著名期刊Optics Express編委（Associate Editor），任美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、黑龍江省物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事、黑龍江省光學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事。所指導(dǎo)的博士研究生中有兩名獲得全國(guó)百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名獎(jiǎng)。

近年來(lái)，計(jì)算技術(shù)為光學(xué)領(lǐng)域科研工作帶來(lái)了極大便利，如計(jì)算成像、計(jì)算測(cè)量學(xué)、計(jì)算光學(xué)、計(jì)算攝像學(xué)等新概念不斷涌現(xiàn)。隨著高性能圖像探測(cè)器的廣泛應(yīng)用，圖像測(cè)量實(shí)現(xiàn)了離散化、數(shù)字化、自動(dòng)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(jì)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(jì)算技術(shù)不斷地對(duì)成像系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行滲透，光學(xué)成像系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化”。計(jì)算光學(xué)成像是融合了計(jì)算機(jī)、光學(xué)、數(shù)學(xué)、控制等多學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

計(jì)算光學(xué)成像系統(tǒng)

計(jì)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(jì)算目標(biāo)圖像，通過(guò)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(qiáng)度傳輸方程、快速傅里葉變換等是計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)的核心工具。待測(cè)目標(biāo)的成像可視為一個(gè)超高維線性反問(wèn)題，通過(guò) 光學(xué)逆源問(wèn)題求解 方法可得到目標(biāo) 的光場(chǎng)信息 ，如振幅、相位、偏振分布、形貌信息等。由于待測(cè)算信息多，很多計(jì)算方法在迭代計(jì)算中難以快速收斂，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(jì)算方法對(duì)于計(jì)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(chǎng)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(dòng)了計(jì)算成像與計(jì)算測(cè)量的發(fā)展

在計(jì)算光學(xué)成像領(lǐng)域，新成果不斷涌現(xiàn)，本書(shū)僅吸納了目前相對(duì)成熟的研究成果，相信未來(lái)會(huì)有更多精彩的研究成果出現(xiàn)。計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“黏合劑”，又推動(dòng)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(qiáng)大算力、低成本等優(yōu)勢(shì)尤為突發(fā)。由于計(jì)算光學(xué)成像具有極強(qiáng)的專業(yè)交叉性，很多計(jì)算機(jī)、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(kāi)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(jì)算光學(xué)成像

劉正君, 劉樹(shù)田著

北京: 科學(xué)出版社, 2025. 11

ISBN 978-7-03-080770- 0

《 計(jì)算光學(xué)成像 》 介紹光學(xué)成像中的計(jì)算方法，側(cè)重講述計(jì)算光學(xué)成像方法的原理和數(shù)值計(jì)算方法。 本書(shū)共 15 章，第 1 章簡(jiǎn)要介紹光學(xué)傅里葉變換、計(jì)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(jì)算光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，是開(kāi)展計(jì)算光學(xué)成像研究的基礎(chǔ)，包括衍射建模與離散計(jì)算、相位恢復(fù)算法、強(qiáng)度傳輸方程等。第 5 ～ 12 章著重闡述計(jì)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(duì)于提高計(jì)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(dòng)聚焦、降噪方法等。本書(shū)內(nèi)容能為從事計(jì)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(xiě)本書(shū)的初衷。

感謝國(guó)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(jì)劃（HIT.BRETTIII. 201406）、中國(guó)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(xiàng)目驗(yàn)證課題（M202308）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)“強(qiáng)盛計(jì)劃”項(xiàng)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（FNLAO-24-MS-O07）、貴州省先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像與智能計(jì)算全省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（AMIIC250204）等科研項(xiàng)目的資助，本書(shū)相關(guān)研究成果得益于以上項(xiàng)目的長(zhǎng)期支持。

本文摘編自《 計(jì)算光學(xué)成像》（劉正君, 劉樹(shù)田著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025. 11）一書(shū)“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(shū)介紹光學(xué)成像中的計(jì)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(qiáng)度傳輸方程、計(jì)算成像方法等，并介紹近年來(lái)關(guān)于計(jì)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(jì)算光學(xué)成像方法的原理和數(shù)值計(jì)算方法。

本書(shū)可作為計(jì)算光學(xué)、計(jì)算光學(xué)成像原理與技術(shù)、計(jì)算光學(xué)成像等課程的教材，也可供信息光學(xué)、計(jì)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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