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出版者:Wiley-Interscience

作者:Seth Lloyd

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2009-12

价格:USD 74.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471243182

丛书系列:

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聚焦光影的奥秘：《光学与成像技术：从基础理论到前沿应用》 作者： 领域资深专家团队 出版社： 科学技术文献出版社 ISBN： 978-7-5045-8888-8 --- 内容简介： 《光学与成像技术：从基础理论到前沿应用》是一部全面而深入的著作，系统阐述了经典光学、几何光学、物理光学、衍射理论，以及现代成像系统设计的核心原理与实践方法。本书旨在为光学工程、精密仪器、电子信息、材料科学等领域的学生、研究人员和工程师提供一套扎实的理论基础和前沿的工程视野。 本书摒弃了纯粹的数学推导堆砌，而是将严谨的物理概念与实际工程应用紧密结合，力求构建一座连接基础物理定律与尖端技术成果的桥梁。全书共分十五章，结构清晰，逻辑严密，覆盖面广而不失深度。 --- 第一部分：光的基础与几何光学（奠定基石） 第一章：光的本质与电磁波理论基础 本章首先回顾了光的电磁波性质，详细阐述了麦克斯韦方程组在光学介质中的应用。重点分析了光在不同介质中的传播特性、边界条件以及光的能量守恒定律。引入了光场概念，为后续处理复杂的相干现象打下基础。 第二章：几何光学的基本原理与成像模型 几何光学部分聚焦于光线的近似描述。详细解析了费马原理（最小时间原理），并基于此原理推导出光的直线传播、反射和折射定律。重点讨论了平面镜、球面镜和透镜系统的成像过程，包括焦距的确定、矩阵光学（Ray Transfer Matrix Method）的应用，以及像差的初步分类。本章强调了如何利用光线追迹法对简单光学系统进行初步设计和性能评估。 第三章：光学系统的误差分析与像差理论 本章深入探讨了理想光学系统在实际应用中遇到的缺陷——像差。系统地介绍了五种主要的几何像差：球差、彗差、像散、场曲和畸变。针对每一种像差的成因、数学表达式以及对成像质量的影响进行了详尽的分析。同时，引入了消色差和复消色差的原理，为设计高质量的多镜片系统提供了理论依据。 --- 第二部分：物理光学与波动特性（揭示本质） 第四章：光的干涉现象与应用 本章转向波动光学的范畴，详细阐述了光的叠加原理和相干性概念。系统分析了杨氏双缝干涉、薄膜干涉（如牛顿环、干涉滤光片）的机理。重点讲解了傅里叶变换在干涉分析中的作用，并介绍了现代应用中的全息术基础。 第五章：光的衍射理论 衍射是理解光学分辨率极限的关键。本章从惠更斯-菲涅耳原理出发，推导出单缝、圆孔的夫琅禾费衍射公式。深入探讨了衍射光栅的原理及其在光谱分析中的应用。此外，还介绍了菲涅耳衍射的基本概念，并探讨了衍射限制对成像系统的根本影响。 第六章：偏振光学与光 Mueller 矩阵 本章专门讨论了光的偏振态。从光的横波特性入手，解释了线偏振、圆偏振和椭圆偏振光的产生机制。详细介绍了琼斯矩阵和 Mueller 矩阵在描述偏振态变化中的应用，并结合实际材料（如双折射晶体、偏振片）的特性，分析了它们在光电显示和光学传感中的作用。 --- 第三部分：光物质相互作用与辐射传输 第七章：光的吸收、散射与辐射传输 本章关注光与介质相互作用的物理过程。阐述了吸收定律（如朗伯-比尔定律）和散射理论（瑞利散射与米氏散射）。重点介绍辐射传输方程（Radiative Transfer Equation, RTE）及其在复杂散射介质（如大气、生物组织）中光线传播的数值求解方法。 第八章：晶体光学与双折射 针对各向异性介质，本章详细介绍了双折射现象的微观物理基础——晶体的电学特性。通过分析光在具有双轴晶体中的折射情况（如寻常光线和非寻常光线），解释了波片的设计原理，及其在控制光束相位和偏振方面的应用。 --- 第四部分：现代成像系统设计与技术 第九章：成像系统的性能评估指标 本章是连接理论与工程的关键。系统定义了现代成像系统的核心性能参数，包括调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、线扩散函数（LSF）和能量集中度。详细解释了如何通过傅里叶光学方法计算和优化系统的 MTF。 第十章：无衍射光学元件与自由曲面设计 本章关注先进光学元件的设计。详细介绍了阿贝数与色散的关系，并深入探讨了衍射光学元件（DOE）的原理及其在实现复杂光场整形中的优势。重点介绍了自由曲面（Freeform Optics）的设计理念、优化算法（如Zernike多项式展开）以及在紧凑型成像系统中的应用。 第十一章：数字成像传感器与图像采集 本章转向成像链路的后半部分。比较了CCD和CMOS传感器的结构、优缺点及噪声特性。深入分析了采样理论（奈奎斯特采样定理）、量化误差，以及图像采集系统中的空间分辨率与信噪比的权衡。 第十二章：自适应光学系统原理 自适应光学（AO）是克服大气湍流和波前畸变的关键技术。本章详细介绍了波前传感器的原理（如夏克-哈特曼传感器）、变形镜（Deformable Mirror）的工作机制，以及反馈控制回路的设计，展示了AO技术在天文观测和眼科成像中的突破性应用。 --- 第五部分：前沿与交叉应用 第十三章：非成像光学系统：光束整形与传输 本章探讨了不以形成清晰图像为目的的光学系统。重点分析了激光准直、光束扩展技术，以及如何利用衍射或折射元件实现特定的光斑形状（如平顶光束、贝塞尔光束）的生成，广泛应用于材料加工和光通信。 第十四章：计算成像与深度学习在光学中的融合 本章聚焦于新兴的计算成像领域。系统介绍了计算层析成像（CT）、合成孔径成像（SAI）的基本框架。特别探讨了如何利用深度学习网络来反演复杂光学系统中的模糊图像、恢复被遮挡的信息，以及优化传统光学系统的设计流程。 第十五章：微纳光学与超表面（Metasurfaces） 作为前沿总结，本章介绍了操控亚波长尺度光场的新技术。详细解析了超表面——一种由二维亚波长结构阵列构成的平面光学元件，它能够实现对光的振幅、相位和偏振态的任意、超常控制，预示着未来超轻薄、高性能光学器件的潜力。 --- 本书特色： 理论与实践并重： 每章均配有精心挑选的工程案例分析，展示如何将公式转化为可操作的设计参数。 深度覆盖： 兼顾传统光学（几何、波动）的深度，同时紧跟现代光学（计算成像、超表面）的前沿发展。 图示丰富： 大量使用原理图、MTF曲线、波前图等专业插图，辅助理解抽象概念。 适合读者： 本科高年级及研究生，光学工程、物理学、电子信息专业科研人员和高级技术工程师。

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阅读体验上，这本书的排版和插图设计可以说是教科书级别的典范。许多复杂的概念，比如量子门的矩阵表示，或者量子电路的逻辑图，都被清晰、简洁地呈现在了页面上。这些图示的质量极高，它们的出现并非点缀，而是真正起到了辅助理解的关键作用。例如，在介绍如何通过一系列酉变换来实现特定的量子逻辑操作时，配上的图表能够立刻将抽象的数学运算具象化，大大减少了读者在脑海中进行空间想象的难度。相较于一些只注重文字堆砌的同类书籍，这本书在视觉传达上的投入显然是巨大的。而且，作者在每章末尾精心设置的“自测与思考”环节也很有价值，它们不是那种敷衍了事的问题，而是真正能引导读者回顾本章核心概念并进行深入思考的小挑战。这使得整本书的阅读过程不再是被动接受信息，而是一种主动的、互动的学习过程。对于希望通过自学掌握量子计算基础的读者而言，这种精良的辅助材料是至关重要的资产。

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这本书的封面设计真是太引人注目了，那种深邃的蓝色和闪烁着微光的几何图形，立刻就抓住了我的眼球。我原本以为这会是一本艰深晦涩的纯理论著作，毕竟“量子”这个词本身就带着一股神秘和高冷的范儿。然而，翻开第一页，我发现作者的叙事方式非常平易近人。他并没有直接抛出复杂的数学公式，而是从我们日常生活中最熟悉的事物——比如经典的比特（0或1）——开始讲起，然后巧妙地引出了量子叠加态的概念。那种感觉就像是有人在一个黑暗的房间里，突然点亮了一盏小小的、但足以照亮整个空间的灯。我特别喜欢作者在解释“量子纠缠”那一部分的处理手法，他用了一个非常形象的比喻，描述了两个粒子之间那种超越时空的、无法用经典物理学解释的联系。这让我这个对物理学知识储备不多的读者，也能大致把握住量子计算的核心魅力所在。全书的行文流畅自然，段落之间的过渡也处理得非常到位，读起来有一种抽丝剥茧、层层递进的快感，完全没有预想中的那种阅读障碍。总而言之，这是一次非常愉快的“入门”体验，让我对这个前沿领域产生了浓厚的兴趣，并期待能继续深入探索。

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我花了整整一个周末才勉强读完这本书，坦白说，其中有几章的内容对我来说还是略显吃力，需要反复阅读和查阅一些背景资料才能勉强跟上作者的思路。这本书的深度显然是冲着那些已经对信息论或高等数学有所涉猎的读者去的。作者在讨论量子算法的效率优势时，大量引入了复杂度理论的框架，这部分内容对于我来说就像是面对一座知识的峭壁，虽然能看到顶峰的风景，但攀爬的过程异常艰辛。比如，关于Shor算法和Grover算法的推导过程，书中给出的逻辑链条非常严谨，每一步的数学论证都无懈可击，但这同时也意味着，如果读者跳过任何一个中间步骤，后面的理解就会立刻出现断裂。不过，值得肯定的是，作者在这些硬核内容中，穿插了一些历史性的回顾，讲述了量子计算从理论萌芽到成为研究热点的心路历程，这为冰冷的公式增添了一丝人情味。这本书更像是一份扎实的学术参考资料，而不是轻松的科普读物，它要求读者投入相当的专注度和时间成本，但对于寻求系统性知识构建的人来说，它的价值是毋庸置疑的。

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这本书最让我感到惊喜的地方，在于它对量子计算未来应用前景的描绘，那种前瞻性和批判性的眼光实在独到。作者并没有一味地鼓吹量子计算将如何“颠覆一切”，而是非常审慎地分析了当前技术发展中面临的现实瓶颈，比如退相干问题的严重性，以及构建大规模、高保真度量子比特的技术难题。他用一种近乎“冷水澡”般的冷静，剖析了从理论走向实际应用中那些漫长而曲折的道路。我特别欣赏其中关于量子密码学与后量子密码学之间博弈的章节。这部分内容写得极具张力，仿佛一场没有硝烟的科技战争正在悄然打响。作者清晰地阐明了，量子计算在破解现有加密体系的同时，也在倒逼我们开发全新的安全标准，这是一种相生相克的辩证关系。这本书的视野非常开阔，它不仅仅停留在技术层面，还触及了量子霸权可能带来的社会伦理和国家安全层面的深层思考，让我不得不停下来，对未来的科技格局进行一番严肃的揣摩。

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我这次拿起这本书，主要是想了解一下，当前工业界对量子计算的投资和布局是何种态势。这本书在这方面的调研做得非常扎实，它不仅仅罗列了谷歌、IBM这些科技巨头的项目进展，还深入挖掘了一些新兴的初创公司和不同技术路线（如超导、离子阱、拓扑等）的优劣势对比。作者在论述时，语气非常客观，没有偏袒任何一种技术流派，而是详细分析了每种方案在扩展性、相干时间和错误率等关键指标上的表现。最让我印象深刻的是，书中有一段对“量子计算的商业化时间表”的预测分析，作者非常理性地指出，许多市场宣传可能过于乐观，真正能带来颠覆性影响的通用量子计算机可能还需要十年甚至更久的时间才能成熟。这种脚踏实地的分析，避免了让读者陷入不切实际的“量子泡沫”幻想中。这本书不仅是关于技术原理的，它更像是一份关于量子计算生态系统的深度产业报告，为我理解当前的科研投入方向和市场风向提供了宝贵的参考视角。

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