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第一部分 多维数字全息技术1
第1章 平行相移数字全息术3
1.1 概述3
1.2 引言3
1.3 数字全息术和相移数字全息术4
1.4 平行相移数字全息术6
1.5 平行相移数字全息术的实验演示8
1.6 高速平行相移数字全息系统11
1.7 单拍飞秒脉冲平行相移数字全息系统15
1.8 便携式平行相移数字全息系统16
1.9 平行相移数字全息术的功能拓展18
1.9.1 使用多波长的平行相移数字全息术18
1.9.2 使用多偏振光的平行相移数字全息术19
1.9.3 平行相移数字全息显微镜19
1.10 展望与小结19
致谢20
参考文献20
第2章 对人体大小场景的长波数字全息成像和显示24
2.1 引言24
2.2 数字全息术原理24
2.2.1 菲涅耳方法27
2.2.2 数字全息术的优点30
2.3 红外数字全息术31
2.4 红外数字全息术的最新进展32
2.4.1 基于合成孔径的超分辨34
2.4.2 对与人等身物体的全息照相36
2.4.3 红外数字全息图的可见光模拟重建38
2.4.4 被烟雾和火焰掩盖的物体的全息图40
2.5 小结44
参考文献44
第3章 同轴全息术中的数字全息图处理47
3.1 引言47
3.2 全息图像形成的模型48
3.3 基于反向传播的数字全息图重建51
3.4 将全息图重建表述为一个逆问题53
3.4.1 参数物体重建(FⅠ)54
3.4.2 对3D透光率分布的重建(FⅡ)57
3.5 精确度的估算59
3.6 快速处理算法61
3.6.1 用于参数物体重建的多尺度算法61
3.6.2 缩小字典维度以实现快速全局检测64
3.7 小结65
参考文献65
第4章 利用压缩数字全息术进行多维成像70
4.1 引言70
4.2 压缩感知的基础知识71
4.2.1 相干性参数73
4.3 压缩数字全息感知的精确重建条件74
4.3.1 平面波照明物体的压缩感知重建性能74
4.3.2 球面波照射物体的压缩感知重建性能76
4.3.3 非正则稀疏算符的重建性能78
4.4 压缩数字全息感知的应用79
4.4.1 基于全息平面欠采样的压缩菲涅耳全息术80
4.4.2 利用压缩数字全息术重建在不透明介质之后的物体83
4.4.3 根据二维全息图重建三维断层扫描图86
4.5 小结91
致谢91
参考文献92
第5章 在采用飞秒激光脉冲重建的全息图中的色散补偿95
5.1 引言95
5.2 色散补偿模块的基本特征96
5.2.1 衍射飞秒脉冲传播理论96
5.2.2 二阶分析98
5.2.3 传统折射透镜系统99
5.2.4 色散补偿模块100
5.2.5 数值仿真对比102
5.2.6 实验结果103
5.3 基于超快光脉冲的色散补偿模块的全息应用109
5.3.1 单次拍摄二次谐波信号109
5.3.2 双光子显微术中的宽场荧光信号110
5.3.3 高速并行微加工113
5.4 小结115
致谢116
参考文献116
第二部分 多维生物医学成像与显微镜学121
第6章 先进数字全息显微术在生命科学领域中的应用123
6.1 引言123
6.2 数字全息显微镜架构123
6.2.1 相位步进数字全息显微镜123
6.2.2 快速离轴数字全息显微镜124
6.2.3 彩色数字全息显微镜126
6.3 自动三维全息分析128
6.3.1 完整干涉测量信息的提取128
6.3.2 生物体的自动三维探测129
6.4 应用134
6.4.1 微生物的全息分类术134
6.4.2 红细胞动力学138
6.5 小结142
致谢142
参考文献142
第7章 可编程显微术146
7.1 引言146
7.2 光学设计中的考虑因素及一些典型装置147
7.3 液晶空间光调制器151
7.4 像差校正153
7.4.1 等晕情况153
7.4.2 场依赖像差154
7.4.3 散焦155
7.5 相位衬度成像156
7.5.1 暗场成像156
7.5.2 泽尔尼克相位衬度方法157
7.5.3 干涉衬度方法158
7.5.4 组合不同的相位衬度图像160
7.6 立体显微术161
7.7 小结162
参考文献163
第8章 光学捕获纳米颗粒的全息三维测量术169
8.1 引言169
8.2 实验装置170
8.2.1 光镊系统170
8.2.2 同轴数字全息显微镜171
8.3 纳米颗粒3D位置测量的实验结果175
8.3.1 固定在玻璃基片上的200nm聚苯乙烯颗粒175
8.3.2 三维亚像素估算中的轴向步长177
8.3.3 光镊中一个直径为200nm聚苯乙烯颗粒的布朗运动178
8.3.4 光镊中一个直径为60nm的金纳米颗粒的布朗运动178
8.4 用于纳米颗粒全息位置探测的微光场技术181
8.4.1 微光场光学显微镜181
8.4.2 带有低频衰减滤波器的低相干同轴数字全息显微镜183
8.4.3 对直径为100nm的聚苯乙烯纳米颗粒干涉条纹的改进183
8.5 小结185
参考文献186
第9章 数字全息显微术:一项以纳米级灵敏度定量探究细胞动力学的新型成像技术191
9.1 概述191
9.2 引言191
9.3 全息技术194
9.3.1 传统全息术194
9.3.2 从传统全息术到数字全息术194
9.3.3 数字全息方法195
9.3.4 数字全息显微术195
9.4 使用数字全息定量相位显微术进行细胞成像199
9.4.1 细胞计数、识别、分类和分析201
9.4.2 细胞干质量、细胞生长和细胞周期201
9.4.3 细胞膜波动和生物力学特性201
9.4.4 绝对细胞体积和跨膜水分运动202
9.4.5 神经元细胞动力学研究204
9.5 今后的问题206
致谢207
参考文献208
第10章 超分辨全息方案222
10.1 引言222
10.2 数字全息术222
10.3 金属纳米粒子224
10.4 数字全息术中的分辨率增强226
10.5 数字全息术的视场扩大229
10.6 消除直流项和孪生像230
10.7 其他应用232
参考文献234
第三部分 多维成像与显示237
第11章 三维积分成像与显示239
11.1 引言239
11.2 基本理论241
11.3 全光函数242
11.4 全光场的获取方法245
11.4.1 积分照相术245
11.4.2 全光照相机247
11.5 在全光空间中漫步250
11.6 在不同深度平面上的强度分布重建252
11.7 积分成像显示装置的实现254
11.8 小结256
致谢256
参考文献257
第12章 各种三维显示器的图像格式261
12.1 概述261
12.2 引言261
12.3 复用方案263
12.4 三维成像的图像格式265
12.4.1 多视图3D成像的图像格式266
12.4.2 容积成像的图像格式283
12.4.3 全息成像的图像格式284
参考文献291
第13章 用于全息显示器的分别基于光线和波前的三维表示296
13.1 引言296
13.2 基于光线和基于波前的3D显示器296
13.3 基于光线和基于波前的3D表示之间的相互转化299
13.4 基于全视差全息立体图的全息打印机301
13.4.1 全息3D打印机301
13.4.2 全视差全息立体图301
13.5 基于光线采样平面的计算全息术302
13.5.1 用于电子全息3D显示器的计算技术302
13.5.2 使用光线采样平面的CGH计算算法303
13.5.3 与基于光线的技术相比较304
13.5.4 光学重建305
13.6 用光线采样平面为计算全息术进行遮挡剔除306
13.6.1 利用光线采样平面进行遮挡剔除的算法306
13.6.2 利用光线采样平面的遮挡剔除实验307
13.7 计算全息术的扫描垂直相机阵列307
13.7.1 高密度光场的获取307
13.7.2 扫描垂直相机阵列308
13.7.3 垂直插值309
13.7.4 光线图像的合成310
13.7.5 全视差图像生成实验311
13.8 小结和未来要解决的问题314
致谢315
参考文献315
第14章 360°计算全息图的严格衍射理论318
14.1 引言318
14.2 三维物体及其衍射波前319
14.2.1 具有全视角的衍射波322
14.3 用于球面全息术的点扩散函数法323
14.3.1 球面物体和球面全息图323
14.3.2 近似误差325
14.3.3 球面全息术的计算机模拟326
14.4 严格的点扩散函数法326
14.4.1 数值计算331
14.4.2 基于严格理论的模拟结果333
14.4.3 通过比较进行验证333
14.4.4 全息图的生成334
14.5 小结336
参考文献336
第四部分 光谱和偏振成像339
第15章 基于受激拉曼散射的高速3D光谱成像341
15.1 引言341
15.2 SRS显微镜的原理和优势342
15.2.1 工作原理342
15.2.2 与先前拉曼显微术的比较343
15.2.3 SRS显微镜中的伪像346
15.2.4 物理背景346
15.3 用SRS进行光谱成像348
15.4 高速光谱成像350
15.4.1 高速波长可调谐激光器350
15.4.2 实验设置351
15.4.3 聚合物微球的观察353
15.4.4 光谱分析353
15.4.5 组织成像355
15.5 小结358
致谢358
参考文献358
第16章 基于压缩感知的光谱偏振成像技术363
16.1 概述363
16.2 单像素成像和压缩感知364
16.3 单像素偏振成像365
16.4 单像素多光谱成像369
16.5 单像素光谱偏振成像374
16.5.1 多光谱线性偏振相机375
16.5.2 多光谱完整斯托克斯成像偏振计377
16.6 结论379
致谢380
参考文献380
第17章 被动偏振成像384
17.1 引言384
17.2 偏振光的表达式385
17.2.1 光学电磁领域385
17.2.2 斯托克斯参数和穆勒矩阵386
17.2.3 庞加莱球389
17.3 偏振反射和辐射390
17.3.1 反射390
17.3.2 辐射394
17.4 大气对偏振属性的影响397
17.4.1 反射带398
17.4.2 辐射带401
17.5 调制偏振计的数据归约矩阵分析403
17.5.1 重要等式403
17.5.2 斯托克斯偏振计实例404
17.6 调制偏振计的傅里叶域分析409
17.6.1 旋转分析仪409
17.6.2 微网格偏振计411
17.6.3 带宽受限的斯托克斯重建412
17.7 辐射校准和偏振校准414
17.7.1 辐射测量非均匀性校正414
17.7.2 偏振校准415
17.8 偏振目标检测416
参考文献418