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第一章 图像、成像系统和信息 1

1.1 图像的基本性质 1

1.1.1 图像的基本描述 1

1.1.2 图像的统计描述 12

1.2 成像系统的基本性质 21

1.2.1 成像过程和成像方法 21

1.2.2 线性系统和平移不变性 23

1.2.3 点扩散函数 24

1.2.4 线扩散函数和边扩散函数 25

1.2.5 系统的频域分析和传递函数 28

1.2.6 系统的等效带宽、分辨率和空间带宽积 30

1.2.7 串级线性系统 31

1.2.8 系统对随机信号的作用 32

1.2.9 线性滤波 34

1.3 图像的信息 40

1.3.1 信息的量度 41

1.3.2 信息通道容量 43

1.3.3 图像的信息和冗余度 46

1.3.4 图像的编码 47

思考题 49

参考文献 50

第二章 图像的接收和显示 51

2.1 视觉 51

2.1.1 眼睛的光学性质 51

2.1.2 视觉现象 53

2.2 照相乳胶 59

2.2.1 感光特性 59

2.2.2 分辨率 62

2.2.3 颗粒噪音 63

2.3 成像光电接收器 67

2.3.1 单接收器 67

2.3.2 成像管 69

2.3.3 像增强器和光子计数成像 71

2.3.4 安格相机 73

2.4 彩色和立体图像的接收、显示 73

2.4.1 色度学 73

2.4.2 彩色图像的记录和显示 80

2.4.3 立体图像的显示 84

思考题 89

参考文献 89

第三章 几何成像 90

3.1 几何光学的基本定律 90

3.1.1 几何光学定律的适用范围及程函方程 90

3.1.2 光线方程及费马原理 92

3.1.3 马勒斯定理 94

3.1.4 拉格朗日不变量 95

3.2 高斯光学 96

3.2.1 物像空间为均匀媒质的成像公式 96

3.2.2 轴对称梯度“光纤” 98

3.2.3 电子光学 99

3.2.4 几何光学的矩阵方法 100

3.3 光管和光栏 103

3.3.1 光管和光栏 103

3.3.2 拉格朗日不变量与能量、信息量的关系 104

3.4 像差和对称性 105

3.4.1 波像差和赛德耳系数 105

3.4.2 初级像差的几何表示 107

3.4.3 光栏移动引起像差系数变化 109

3.4.4 光栏像差与物面像差的关系 110

3.4.5 物面移动引起像差系数变化 111

3.5 光路计算及初级像差系数 112

3.5.1 球面光路计算和球差 112

3.5.2 光栏在球心时的初级像差及齐明条件 114

3.5.3 非球面光路计算及像差 115

3.6 校正像差的可能性及光学设计方法 118

3.6.1 阿贝正弦条件 118

3.6.2 轴向倍率和赫谢耳条件 119

3.6.3 光学设计方法 121

3.7 实用光学系统简介 122

3.7.1 望远镜系统 122

3.7.2 转像系统 122

3.7.3 双胶合透镜的设计考虑 122

3.7.4 显微物镜 123

3.7.6 聚光系统 124

3.7.5 照相物镜 124

思考题 125

参考文献 126

第四章 几何成像的衍射理论 127

4.1 标量衍射理论 128

4.1.1 惠更斯原理 128

4.1.2 光波的平面波角谱 129

4.1.3 光波的自由空间传播作为线性系统 131

4.1.4 孔径的衍射作用 133

4.1.5 塔耳波特自成像效应 134

4.1.6 焦点附近的场 135

4.1.7 高斯光束的传播 138

4.2 多次衍射 141

4.2.1 多次衍射问题的简化 142

4.2.2 光学谐振腔中的多次衍射 143

4.2.3 扁球函数 147

4.3 光学成像系统的频谱分析 151

4.3.1 点像的衍射和相干传递函数 151

4.3.2 非相干照明成像系统 155

4.3.3 相干照明成像系统 157

4.4 部分相干成像 161

4.4.1 互强度和复相干度 161

4.4.2 范·西特-泽尼克定理 162

4.4.3 互强度的传递 164

4.4.4 互强度传递的双重谱分析 165

4.4.5 部分相干成像的双重谱分析 166

4.4.6 对弱物体的线性近似 169

4.4.7 照明对显微镜分辨率的影响 171

4.4.8 用模糊函数和维格纳分布函数描述部分相干成像 173

4.5 变迹术 180

4.5.1 等效带宽和测不准关系 181

4.5.2 最大区域能量 182

4.5.3 最小等效宽度 183

4.5.4 超衍射极限分辨变迹术 184

4.5.5 焦深的延长 186

4.6 相位物体的成像 188

4.6.1 泽尼克相衬法 189

4.6.2 小孔衍射干涉法 190

4.6.3 刀口法 193

4.7 光学成像系统的评价 195

4.7.1 点扩散函数 196

4.7.2 频率传递函数 197

4.7.3 部分相干成像系统的评价 201

4.7.4 模糊函数与离焦 OTF 204

4.7.5 信息容量 205

4.8 惠更斯衍射理论的局限性 206

思考题 208

参考文献 209

第五章 衍射成像 211

5.1 菲涅耳环带片 211

5.2 全息成像 218

5.2.1 全息图是物体的编码记录 218

5.2.2 全息图的记录方式 219

5.2.3 全息图的观察 221

5.2.4 全息图的信息容量 221

5.3 全息术的应用 223

5.3.1 全息干涉计量 223

5.3.2 全息元件 224

5.3.3 白光显示技术 225

5.3.5 X光全息 228

5.3.4 全息显微术 228

5.3.6 电子全息 229

5.3.7 微波全息和超声全息 230

5.4 X射线衍射和晶体结构分析 230

5.4.1 晶体对X射线的衍射 231

5.4.2 晶体的衍射和光学的模拟衍射 233

5.4.3 帕特孙方法 234

思考题 235

参考文献 236

第六章 扫描成像 237

6.1 扫描成像的分辨率和焦深 237

6.2 扫描成像系统和光学传递函数 242

6.2.1 扫描成像系统的等晕条件 242

6.2.2 OTF概念的扩展 247

6.2.3 谱交叠的量度 248

6.3 扫描成像的例子 249

参考文献 252

第七章 综合孔径成像 254

7.1 干涉法孔径综合 255

7.1.1 复相干度和物谱 255

7.1.2 迈克耳孙星体干涉仪 258

7.1.3 强度干涉仪 260

7.1.4 无线电干涉仪 262

7.2 组合孔径法综合 264

7.2.1 组合望远镜 264

7.2.2 无线电天线列阵 267

7.2.3 部分孔径成像 272

7.2.4 相关接收列阵 273

7.3.1 线性调频信号和透镜聚焦 275

7.3 综合孔径雷达 275

7.3.2 线性调频雷达 279

7.3.3 多普勒孔径综合 282

7.3.4 综合孔径雷达 284

7.3.5 旋转物体的综合成像 290

思考题 293

参考文献 293

第八章 层析成像 295

8.1 投影数据和拉冬变换 296

8.2 投影的中心频谱定理 300

8.3 回投影、取和及模糊图像的重现 302

8.4 二维滤波和一维滤波 304

8.5 拉冬逆变换 307

8.6 图像的光学模拟重现 311

8.6.1 投影数据的记录 311

8.6.2 非相干一维滤波处理系统 312

8.6.3 滤波函数的综合 313

8.7 层析成像的代数模型 315

8.8 圆谐波分解法 318

8.9 三维拉冬变换 322

8.9.1 面积分 322

8.9.2 中心频谱定理 323

8.9.3 三维拉冬逆变换 323

8.9.4 回投影取和 324

8.10 其他应用 326

8.10.1 发射型计算机层析成像(ECT) 326

8.10.2 核磁共振成像 331

8.10.3 康普顿散射 335

思考题 337

参考文献 337

9.1 称重设计和多元技术 338

第九章 编码孔成像 338

9.2 阿达玛编码 342

9.3 阿达玛编码在光谱学和成像技术中的应用 344

9.3.1 阿达玛编码光谱仪 344

9.3.2 阿达玛变换成像 345

9.3.3 双重编码的光谱仪 347

9.3.4 用两个接收器实现阿达玛矩阵 351

9.4 编码孔投影成像的一般原理 352

9.5 圆环编码板 356

9.6 菲涅耳环带板 364

9.7 小孔列阵 369

9.7.1 无规及伪随机小孔列阵 369

9.7.2 均匀冗余孔阵 370

9.7.3 非冗余孔阵 373

9.8.1 多针孔成像综合 374

9.8 多编码孔的成像综合 374

9.8.2 多随机孔阵成像 378

9.8.3 旋转狭缝 379

参考文献 382

第十章 图像复原 383

10.1 图像复原问题 383

10.2 傅里叶频谱滤波复原 385

10.3 线性代数复原方法 387

10.3.1 逆矩阵 387

10.3.2 有约束的逆矩阵 387

10.3.3 伪逆矩阵 389

10.3.4 本征分解 390

10.4 非线性优化复原 391

10.4.1 正约束 391

10.4.2 最大事后概率法 392

10.4.3 极大熵复原 393

10.4.4 最大信息复原 395

10.4.5 蒙特卡罗方法 398

10.5 不完全数据的图像复原 399

10.5.1 超分辨问题 399

10.5.2 相位复原问题 403

10.5.3 从有限角度范围的投影数据复原图像 404

参考文献 406

附录A δ函数 408

附录B 傅里叶变换的基本定理 411

附录C 基本傅里叶变换对 413

附录D 基本零阶汉克尔变换对 415

附录E 高斯随机过程 416

附录F 阿达玛和S矩阵 419