刘正君、刘树田教授：计算光学成像

作者简介

刘正君，教授/博导，哈尔滨工业大学物理学院光电信息科学与工程系副主任。2007年7月于哈工大物理系获理学博士学位。入选光学学会全息专委会常务委员、美国光学学会高级会员、黑龙江省物理学会理事、黑龙江省光学学会理事，担任《Optics Express》《Applied Sciences》《应用光学》《激光与光电子学进展》编委，担任期刊《红外与激光工程》和《光学技术》青年编委。主要从事计算光学成像、光信息处理、图像处理等方面的研究工作。出版教材/专著8部，发表SCI论文230篇，被累计他引4472次，H因子为42。入选Elsevier高被引学者、教育部新世纪优秀人才计划、哈工大青年拔尖人才计划、哈工大基础研究杰出人才培育计划。获全国优秀博士论文提名和哈工大优秀博士论文。主持国家自然科学基金等科研项目20余项，获黑龙江省科学技术奖(自然类二等奖)2项。黑龙江省高校科学技术成果奖励(一等奖)3项。申请/授权专利17项、软件著作权2项。

刘树田，教授/博导，1990年于哈尔滨工业大学物理系获博士学位。1993~1994年，在芬兰约恩苏大学物理系任访问研究员。多年来主要从事光学变换与图像处理、光学物理以及量子光学等方面的研究工作，特别是在光学分数傅里叶变换的基础理论、光学模式识别以及光学信息安全技术等研究中取得多项突出研究成果。聚焦于光学图像处理和计算光学成像，提出基于分数傅里叶变换和随机变换图像研究、鬼成像/单像素成像研究等，图像处理的研究涉及图像重建、灰度/彩色图像加密等。发表SCI论文442篇，累计他引8000余次，H因子为50。出版学术著作3部。时任国际著名期刊Optics Express编委（Associate Editor），任美国光学学会高级会员、黑龙江省物理学会常务理事、黑龙江省光学学会常务理事。所指导的博士研究生中有两名获得全国百篇优秀博士学位论文提名奖。

近年来，计算技术为光学领域科研工作带来了极大便利，如计算成像、计算测量学、计算光学、计算摄像学等新概念不断涌现。随着高性能图像探测器的广泛应用，图像测量实现了离散化、数字化、自动化，图像多以离散数据形式记录（几乎取代了用于图案记录的连续介质）。于是，计算光学成像技术成为人们研究显微成像的有效途径。当前，不同成像系统由连续型（如透镜和棱镜等）或离散型（如空间光调制器或 数字微镜器件 等）光学元件构成，随着更智能、精确的计算技术不断地对成像系统各环节进行渗透，光学成像系统逐步实现“数字化”。计算光学成像是融合了计算机、光学、数学、控制等多学科的新兴研究领域。

计算光学成像系统

计算光学成像技术多用于间接成像系统，使用衍射 斑或者 投影图像计算目标图像，通过算法辅助使原本不能成像的系统具备成像功能。相位恢复、强度传输方程、快速傅里叶变换等是计算光学成像技术的核心工具。待测目标的成像可视为一个超高维线性反问题，通过 光学逆源问题求解 方法可得到目标 的光场信息 ，如振幅、相位、偏振分布、形貌信息等。由于待测算信息多，很多计算方法在迭代计算中难以快速收敛，这是因为通过光学元件物理参数改变以获取不同的投影图像在数学上可视为增加定解条件。因此，为了改善重构图像质量，发展更快、更精确的计算方法对于计算光学成像尤为重要。

相位恢复算法的应用与发展

相位恢复算法是求解光学衍射模型中 光场信息 的重要数学工具。如图所示，相位恢复算法已经应用于很多光信息处理系统中，推动了计算成像与计算测量的发展

在计算光学成像领域，新成果不断涌现，本书仅吸纳了目前相对成熟的研究成果，相信未来会有更多精彩的研究成果出现。计算技术在成像领域中起着举足轻重的作用，它既是衔接光学理论与实验系统的“黏合剂”，又推动着研究工作向更全面、更深入的方向发展，其高重复性、灵活性、强大算力、低成本等优势尤为突发。由于计算光学成像具有极强的专业交叉性，很多计算机、光学、信息等专业的科研人员由于学科相近而转入这一领域开展前沿研究工作。该技术汇集了多领域的学术思想，使其得以全面发展。

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计算光学成像

刘正君, 刘树田著

北京: 科学出版社, 2025. 11

ISBN 978-7-03-080770- 0

《 计算光学成像 》 介绍光学成像中的计算方法，侧重讲述计算光学成像方法的原理和数值计算方法。 本书共 15 章，第 1 章简要介绍光学傅里叶变换、计算光学成像方法、相位恢复算法的发展与分类。第 2 ～ 4 章阐述计算光学的基础知识，是开展计算光学成像研究的基础，包括衍射建模与离散计算、相位恢复算法、强度传输方程等。第 5 ～ 12 章着重阐述计算光学成像技术，包括叠层成像、傅里叶叠层成像、单次曝光成像、单像素成像、相干衍射成像、结构光照明成像、散射成像、超分辨成像等。第 13 ～ 15 章内容对于提高计算光学成像质量有重要作用，包括数字定位方法、自动聚焦、降噪方法等。本书内容能为从事计算光学成像领域研究的有关专业的研究生和科技工作者提供便利，这也是作者撰写本书的初衷。

感谢国家自然科学基金（10674038、11104049、11047153、10974039、61377016、61575053、61575055、69577006、11874132、61975044、12074094、12374271、62375065、62405079、62575091）、哈尔滨工业大学基础研究杰出人才培育计划（HIT.BRETTIII. 201406）、中国博士后科学基金（2013M540278、2015T80340）、哈尔滨工业大学医工理交叉基金（IR2021237）、MWorks 软件项目验证课题（M202308）、哈尔滨工业大学理学“强盛计划”项目、哈尔滨工业大学原创前沿探索基金（ HIT.OCEF.2024055 ）、自适应光学全国重点实验室开放基金（FNLAO-24-MS-O07）、贵州省先进医学成像与智能计算全省重点实验室开放课题（AMIIC250204）等科研项目的资助，本书相关研究成果得益于以上项目的长期支持。

本文摘编自《 计算光学成像》（刘正君, 刘树田著. 北京: 科学出版社, 2025. 11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-080770-0

责任编辑：姜 红 崔慧娴

本书介绍光学成像中的计算方法，包括傅里叶变换、菲涅耳衍射、相位恢复、柯林斯公式、强度传输方程、计算成像方法等，并介绍近年来关于计算光学成像技术领域的新成果，如叠层成像、傅里叶叠层成像、单次曝光成像、单像素成像、相干衍射成像、结构光照明成像、散射成像、超分辨成像等，侧重讲述计算光学成像方法的原理和数值计算方法。

本书可作为计算光学、计算光学成像原理与技术、计算光学成像等课程的教材，也可供信息光学、计算光 学成像、光学图像处理等领域的研究人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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