本書提供了QPI的全面綜述，涵蓋了從相位顯微鏡的理論基礎(chǔ)、到不同技術(shù)創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)在小外部及空間噪聲影響下以視頻速率精確地提取定量相位信息，到諸如監(jiān)測細(xì)胞生長、研究細(xì)胞動(dòng)力學(xué)以及癌癥組織診斷等不同生物醫(yī)學(xué)的前沿應(yīng)用。這本書利用相位顯微鏡為主線，有效地將光學(xué)顯微鏡成像機(jī)制、全息成像、相干成像、生物物理學(xué)與組織光學(xué)等聯(lián)系起來。不論是對剛剛?cè)腴T的光學(xué)或電子工程，生物醫(yī)學(xué)工程以及生物物理等專業(yè)的學(xué)生，還是想緊跟前沿研究或擴(kuò)寬研究領(lǐng)域的高級讀者而言，這本書都將是研究定量相位成像的有益參考。
本書是對于一門相對新穎并在迅速發(fā)展著的學(xué)科的權(quán)wei闡述，生物學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家、內(nèi)科醫(yī)生以及工程師們可能對這本書會有特別的興趣。本書中討論的技術(shù)在近年來已經(jīng)得到了發(fā)展。并且這些技術(shù)能提供許多信息，例如，從納米級上同時(shí)反映樣本的厚度以及折射率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。本文由此領(lǐng)域中的權(quán)wei專家撰寫，是此學(xué)科第yi本綜合性的闡述或者也是初的幾本之一。本書的論述清晰、插圖優(yōu)美，閱讀并學(xué)習(xí)它將會是一種享受。
序
本書旨在為應(yīng)用于生物醫(yī)藥的新興的領(lǐng)域“定量相位成像（Quantitative phase imaging, QPI）”提供深入的見解。也是一份對于處在不同職業(yè)生涯階段的研究者們的邀請，希望他們?nèi)ヌ剿鬟@個(gè)新興而激動(dòng)人心的領(lǐng)域。我花了很多精力去提供足夠的介紹材料來讓這本書盡可能地完整。因此，這本書的結(jié)構(gòu)使得概念的發(fā)展由淺入深，具體如下。
OPI背后的動(dòng)機(jī)以及基本概念在“導(dǎo)論”中得到呈現(xiàn)，并且特別注意明確了例如“納米級”和“三維”等容易混淆的概念。第2章（基本原理）回顧了光在真空和非均勻介質(zhì)中的傳播（散射），并強(qiáng)調(diào)了傅里葉光學(xué)。光場的相關(guān)特性在第3章中討論。第4章回顧了圖像的基本性質(zhì)（例如，分辨率，對比度，對比噪聲比等）。光學(xué)顯微鏡的概念，從Abbe的圖像描述到Zernike的相襯理論在第5章中討論，而第6章則回顧了全息攝影的主要發(fā)展歷程。其余的章節(jié)，也就是7-15章則專門用于描述QPI的各個(gè)方面。
除了致力于描述點(diǎn)掃描QPI并且包含了全面的低相干干涉法的第7章，所有的章節(jié)都討論的都是全場QPI法。第8章闡述了QPI背后的主要思想并且規(guī)定了QPI中的主要性能系數(shù)：采集率，橫向分辨率，時(shí)間相位穩(wěn)定性以及空間相位均勻性。接下來的四個(gè)章節(jié)，9-12章，描述的是四種在一般情況下擅長某種性能系數(shù)的QPI手段: 軸外（高采集率），移相（高橫向分辨率），共光路（高時(shí)間穩(wěn)定性）以及白光（高空間均勻性）。
第13章闡述的是光散射的傅里葉變換，從本質(zhì)上建立QPI和光散射測量的等價(jià)性。后的兩章，14和15章，則用于討論近來在方法上和應(yīng)用上的進(jìn)展，而這些進(jìn)展在目前看來非常有前景。在本書的后還有三個(gè)附錄：復(fù)解析信號（A），傅里葉變換（B）以及有趣的QPI圖像（C）。
我一直堅(jiān)信QPI將會繼續(xù)以加快的步伐發(fā)展，并且在未來幾年成為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域。希望這本書能夠通過給這個(gè)新領(lǐng)域提供一個(gè)邏輯框架以及對于現(xiàn)有研究的濃縮總結(jié)來為這個(gè)學(xué)科的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
Gabriel Popescu
厄巴納，伊利諾伊州
Gabriel Popescu，伊利諾伊厄巴納-香檳分校電子與計(jì)算機(jī)工程系副教授，SPIE會士，OSA會士，Optics Express and Biomedical Optics Express雜志副主編。2009年獲美國國家自然科學(xué)基金會杰出青年教授獎(jiǎng)，2012年入選伊利諾伊厄巴納-香檳分校先進(jìn)科研中心專家。近十年的研究興趣為細(xì)胞及組織的定量相位成像，是該領(lǐng)域的開拓者之一。出版著作兩本，發(fā)表了100余篇文章，120余場會議報(bào)告，100余次特邀報(bào)告。
目錄
第1章緒論/1
1.1光學(xué)顯微成像術(shù)/1
1.2定量相位成像/2
1.3QPI和多模式研究/3
1.4納米尺度和三維成像/5
第2章基本原理/10
2.1自由空間中的光傳播/10
2.2波傳播的菲涅爾近似/15
2.3自由空間的傅里葉變換性質(zhì)/16
2.4透鏡組的傅里葉變換性質(zhì)/18
2.5非均勻介質(zhì)中光散射的（一階）玻恩近似/23
2.6單粒子的散射/28
2.7玻恩近似下的粒子/29
2.8玻恩近似下粒子群的散射/33
2.9米氏散射/35
第3章時(shí)間與空間場的相關(guān)性/37
3.1時(shí)空相關(guān)函數(shù)：相干體積/37
3.2單色光源的空間相關(guān)性/40
3.3平面波的時(shí)間相關(guān)性/46
細(xì)胞與組織的定量相位成像
目錄
第4章圖像特征/51
4.1作為線性運(yùn)算的成像/51
4.2分辨率/52
4.3信噪比/53
4.4對比度和對比度噪聲比/55
第5章光學(xué)顯微鏡/61
5.1阿貝成像理論/61
5.2相位型物體成像/67
5.3澤爾尼克相襯顯微成像術(shù)/69
第6章全息術(shù)/75
6.1Gabor（同軸）全息術(shù)/75
6.2Leith和Upatnieks（離軸）全息術(shù)/77
6.3非線性（實(shí)時(shí)）全息術(shù)或相位共軛/80
6.4數(shù)字全息術(shù)/81
第7章點(diǎn)掃描QPI/87
7.1弱相干干涉測量法/87
7.2色散效應(yīng)/91
7.3時(shí)域光學(xué)相干層析成像/94
7.4傅里葉域及掃頻OCT/98
7.5定性的相敏方法/101
7.6定 量 方 法/105
7.7進(jìn)一步發(fā)展/110
第8章全場定量相位成像的原理/121
8.1干涉成像/121
8.2時(shí)域相位調(diào)制：相移干涉測量/122
8.3空間相位調(diào)制：離軸干涉測量/124
8.4相位解纏/125
8.5QPI的性能指標(biāo)/127
8.6QPI方法和性能指標(biāo)的總結(jié)/135
第9章離軸法/139
9.1數(shù)字全息顯微成像術(shù)/139
9.2希爾伯特相位顯微成像術(shù)/148
第10章相移方法/171
10.1自動(dòng)相移數(shù)字記錄干涉顯微鏡(DRIMAPS)/171
10.2光正交顯微成像術(shù)/176
第11章共光路方法/189
11.1傅里葉相位顯微成像術(shù)/189
11.2衍射相位顯微成像術(shù)/201
第12章白光法/230
12.1基于強(qiáng)度傳輸方程的QPI方法/230
12.2空間光干涉顯微成像術(shù)/235
第13章傅里葉變換光散射/255
13.1原理/255
13.2進(jìn)一步的發(fā)展/261
13.3生物應(yīng)用/263
第14章方法的目前趨勢/283
14.1QPI層析成像/283
14.2光譜QPI/289
第15章當(dāng)前應(yīng)用趨勢/300
15.1細(xì)胞動(dòng)力學(xué)/300
15.2細(xì)胞生長/311
15.3組織光學(xué)/314
15.4臨床應(yīng)用/320
附錄A復(fù)解析信號/341
附錄B二維與三維傅里葉變換/345
附錄CQPI作品/356
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