劉正君、劉樹田教授：計算光學成像

作者簡介

劉正君，教授/博導，哈爾濱工業大學物理學院光電信息科學與工程系副主任。2007年7月于哈工大物理系獲理學博士學位。入選光學學會全息專委會常務委員、美國光學學會高級會員、黑龍江省物理學會理事、黑龍江省光學學會理事，擔任《Optics Express》《Applied Sciences》《應用光學》《激光與光電子學進展》編委，擔任期刊《紅外與激光工程》和《光學技術》青年編委。主要從事計算光學成像、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，發表SCI論文230篇，被累計他引4472次，H因子為42。入選Elsevier高被引學者、教育部新世紀優秀人才計劃、哈工大青年拔尖人才計劃、哈工大基礎研究杰出人才培育計劃。獲全國優秀博士論文提名和哈工大優秀博士論文。主持國家自然科學基金等科研項目20余項，獲黑龍江省科學技術獎(自然類二等獎)2項。黑龍江省高?？茖W技術成果獎勵(一等獎)3項。申請/授權專利17項、軟件著作權2項。

劉樹田，教授/博導，1990年于哈爾濱工業大學物理系獲博士學位。1993~1994年，在芬蘭約恩蘇大學物理系任訪問研究員。多年來主要從事光學變換與圖像處理、光學物理以及量子光學等方面的研究工作，特別是在光學分數傅里葉變換的基礎理論、光學模式識別以及光學信息安全技術等研究中取得多項突出研究成果。聚焦于光學圖像處理和計算光學成像，提出基于分數傅里葉變換和隨機變換圖像研究、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。發表SCI論文442篇，累計他引8000余次，H因子為50。出版學術著作3部。時任國際著名期刊Optics Express編委（Associate Editor），任美國光學學會高級會員、黑龍江省物理學會常務理事、黑龍江省光學學會常務理事。所指導的博士研究生中有兩名獲得全國百篇優秀博士學位論文提名獎。

近年來，計算技術為光學領域科研工作帶來了極大便利，如計算成像、計算測量學、計算光學、計算攝像學等新概念不斷涌現。隨著高性能圖像探測器的廣泛應用，圖像測量實現了離散化、數字化、自動化，圖像多以離散數據形式記錄（幾乎取代了用于圖案記錄的連續介質）。于是，計算光學成像技術成為人們研究顯微成像的有效途徑。當前，不同成像系統由連續型（如透鏡和棱鏡等）或離散型（如空間光調制器或 數字微鏡器件 等）光學元件構成，隨著更智能、精確的計算技術不斷地對成像系統各環節進行滲透，光學成像系統逐步實現“數字化”。計算光學成像是融合了計算機、光學、數學、控制等多學科的新興研究領域。

計算光學成像系統

計算光學成像技術多用于間接成像系統，使用衍射 斑或者 投影圖像計算目標圖像，通過算法輔助使原本不能成像的系統具備成像功能。相位恢復、強度傳輸方程、快速傅里葉變換等是計算光學成像技術的核心工具。待測目標的成像可視為一個超高維線性反問題，通過 光學逆源問題求解 方法可得到目標 的光場信息 ，如振幅、相位、偏振分布、形貌信息等。由于待測算信息多，很多計算方法在迭代計算中難以快速收斂，這是因為通過光學元件物理參數改變以獲取不同的投影圖像在數學上可視為增加定解條件。因此，為了改善重構圖像質量，發展更快、更精確的計算方法對于計算光學成像尤為重要。

相位恢復算法的應用與發展

相位恢復算法是求解光學衍射模型中 光場信息 的重要數學工具。如圖所示，相位恢復算法已經應用于很多光信息處理系統中，推動了計算成像與計算測量的發展

在計算光學成像領域，新成果不斷涌現，本書僅吸納了目前相對成熟的研究成果，相信未來會有更多精彩的研究成果出現。計算技術在成像領域中起著舉足輕重的作用，它既是銜接光學理論與實驗系統的“黏合劑”，又推動著研究工作向更全面、更深入的方向發展，其高重復性、靈活性、強大算力、低成本等優勢尤為突發。由于計算光學成像具有極強的專業交叉性，很多計算機、光學、信息等專業的科研人員由于學科相近而轉入這一領域開展前沿研究工作。該技術匯集了多領域的學術思想，使其得以全面發展。

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計算光學成像

劉正君, 劉樹田著

北京: 科學出版社, 2025. 11

ISBN 978-7-03-080770- 0

《 計算光學成像 》 介紹光學成像中的計算方法，側重講述計算光學成像方法的原理和數值計算方法。 本書共 15 章，第 1 章簡要介紹光學傅里葉變換、計算光學成像方法、相位恢復算法的發展與分類。第 2 ～ 4 章闡述計算光學的基礎知識，是開展計算光學成像研究的基礎，包括衍射建模與離散計算、相位恢復算法、強度傳輸方程等。第 5 ～ 12 章著重闡述計算光學成像技術，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、結構光照明成像、散射成像、超分辨成像等。第 13 ～ 15 章內容對于提高計算光學成像質量有重要作用，包括數字定位方法、自動聚焦、降噪方法等。本書內容能為從事計算光學成像領域研究的有關專業的研究生和科技工作者提供便利，這也是作者撰寫本書的初衷。

感謝國家自然科學基金（10674038、11104049、11047153、10974039、61377016、61575053、61575055、69577006、11874132、61975044、12074094、12374271、62375065、62405079、62575091）、哈爾濱工業大學基礎研究杰出人才培育計劃（HIT.BRETTIII. 201406）、中國博士后科學基金（2013M540278、2015T80340）、哈爾濱工業大學醫工理交叉基金（IR2021237）、MWorks 軟件項目驗證課題（M202308）、哈爾濱工業大學理學“強盛計劃”項目、哈爾濱工業大學原創前沿探索基金（ HIT.OCEF.2024055 ）、自適應光學全國重點實驗室開放基金（FNLAO-24-MS-O07）、貴州省先進醫學成像與智能計算全省重點實驗室開放課題（AMIIC250204）等科研項目的資助，本書相關研究成果得益于以上項目的長期支持。

本文摘編自《 計算光學成像》（劉正君, 劉樹田著. 北京: 科學出版社, 2025. 11）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-080770-0

責任編輯：姜 紅 崔慧嫻

本書介紹光學成像中的計算方法，包括傅里葉變換、菲涅耳衍射、相位恢復、柯林斯公式、強度傳輸方程、計算成像方法等，并介紹近年來關于計算光學成像技術領域的新成果，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、結構光照明成像、散射成像、超分辨成像等，側重講述計算光學成像方法的原理和數值計算方法。

本書可作為計算光學、計算光學成像原理與技術、計算光學成像等課程的教材，也可供信息光學、計算光 學成像、光學圖像處理等領域的研究人員參考。

（本文編輯：劉四旦）

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