第一部分 多维数字全息技术 3
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 123
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 239
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 341
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
