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现代光学成像技术与应用 内容简介 本书系统深入地探讨了现代光学成像领域的前沿理论、关键技术及其在多个行业中的广泛应用。全书结构严谨，内容涵盖了从基础的光学原理到复杂的成像系统设计、图像处理与分析的完整链条。旨在为光学工程、生物医学工程、物理学、材料科学以及相关领域的科研人员、工程师和高年级学生提供一本全面且具有实践指导意义的参考著作。 第一部分：光学成像基础与理论 本部分奠定理解现代成像系统的理论基石。首先，详细阐述了光的波动性与粒子性，重点剖析了光的传播、衍射与干涉现象在成像过程中的核心作用。接着，深入讨论了成像系统的基本元件，如透镜组、反射镜、光阑和滤光片的设计原理与优化策略。 核心内容聚焦于成像质量的量化评价。我们详细介绍了点扩散函数（PSF）、调制传递函数（MTF）的数学模型及其在评估系统分辨率和对比度中的应用。此外，对成像系统中的噪声源进行了分类和分析，包括散粒噪声、散逸噪声以及探测器引入的电子噪声，并探讨了提高信噪比（SNR）的常用方法，如积分时间优化和降噪算法。 第二部分：关键光学成像系统原理 本部分是本书的重点和难点，系统性地介绍了当前主流和新兴的光学成像技术。 传统光学显微镜的突破： 不仅回顾了明场、暗场、相差显微镜的基础，更深入讲解了衍射极限的突破技术。这包括受激发射调控显微镜（STED）、结构光照明显微镜（SIM）以及随机光学重建显微镜（STORM）等超分辨率成像技术的工作机制、仪器搭建的难点和数据处理流程。 计算成像（Computational Imaging）： 强调了现代成像已不再仅仅依赖于光学元件，而是深度依赖于算法。详细解析了计算层析成像（CT）的基本重建算法（如滤波反投影、迭代重建），并介绍了光场（Plenoptic）成像技术，讨论了如何通过采集光的角度信息实现对焦点的深度扫描和多角度视图的重构。 非线性光学成像技术： 聚焦于生物医学领域的核心技术。深入剖析了双光子激发荧光显微镜（Two-Photon Microscopy）的原理，解释了近红外光穿透深层组织的优势及其在活体成像中的重要性。同时，详细介绍了拉曼散射成像和谐波产生（SHG/THG）成像在组织分子特异性检测中的应用。 干涉测量与波前整形： 讨论了如何利用光的干涉特性进行高精度测量，例如数字全息显微术（DHM）如何实现对微小物体形状和折射率分布的非接触式三维测量。 第三部分：先进探测器与图像处理 有效的成像依赖于高质量的探测器和智能化的图像后处理。 数字成像传感器： 对CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）探测器的物理工作原理、性能参数（如量子效率QE、满阱容量FWC、读出噪声）进行了详细对比和分析。同时，介绍了新兴的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列在时间分辨成像中的潜力。 图像增强与重建算法： 讨论了从基础的滤波（如高斯滤波、中值滤波）到复杂的基于梯度的优化算法。重点讲解了如何利用逆问题理论解决成像过程中的退化问题，包括去模糊（Deblurring）技术（如维纳滤波、Lucy-Richardson算法）和图像去噪技术（如小波变换降噪、非局部均值NLD）。 三维重建与可视化： 针对三维数据（如共聚焦扫描显微镜数据、断层扫描数据），介绍了体渲染（Volume Rendering）、表面重建（Surface Rendering）的关键技术，以及如何利用先进的图形处理技术实现高保真度的三维可视化。 第四部分：行业应用与前沿展望 本部分将理论和技术应用于实际工程和科学研究。 生物医学成像： 详细分析了光学成像在疾病诊断、药物筛选和神经科学研究中的角色，包括内窥镜成像、光学相干断层扫描（OCT）在眼科和皮肤科的应用。 工业检测与遥感： 探讨了机器视觉系统中的光学组件设计，以及高光谱成像技术在材料缺陷检测、环境污染监测中的应用案例。 前沿展望： 对深度学习在光学成像中的应用进行了前瞻性讨论，例如利用生成对抗网络（GANs）进行低光照条件下的图像复原、利用卷积神经网络（CNNs）进行快速模式识别和成像参数的实时优化。 全书配有大量系统结构图、MTF曲线示例和实际案例分析，确保读者能够将抽象的理论知识转化为实际的工程能力。
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