Diffraction-Limited Imaging with Large and Moderate Telescopes pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Saha, Swapan Kumar

出品人:

页数:604

译者:

出版时间:

价格:$ 120.91

装帧:

isbn号码:9789812707772

丛书系列:

图书标签:

• 天文学
• 光学
• 衍射
• 望远镜
• 图像处理
• 自适应光学
• 大气湍流
• 高分辨率成像
• 观测技术
• 空间望远镜

光学与成像领域的前沿探索：一部聚焦于分辨率极限与仪器设计的专著 本书深入探讨了现代光学成像，特别是高分辨率成像领域的核心挑战与突破性进展。它将目光聚焦于一个贯穿物理学、工程学和天文学应用的关键限制——衍射极限，以及如何通过创新的仪器设计、先进的信号处理技术和对光学系统特性的深刻理解，来突破或有效管理这一物理定律的约束。 全书的结构围绕着从基础理论到尖端应用的逻辑链条展开，旨在为从事光学系统设计、图像重建和高精度测量的研究人员和工程师提供一个全面且深入的参考框架。 第一部分：衍射理论基础与成像系统的基本限制 本部分构建了理解所有后续高级主题的理论基石。内容首先从经典的波动光学和傅里叶光学原理出发，详细阐述了光波在孔径受限系统中的传播特性。重点分析了点扩散函数（PSF）的数学形式，特别是艾里斑（Airy Pattern）的形成机制及其在不同口径比和采样条件下的表现。 傅里叶光学与角谱法： 详细解析了成像系统作为一种线性、空间不变（LSI）系统如何通过傅里叶变换连接物面与像面。内容涵盖了光学传递函数（OTF）和调制传递函数（MTF）的精确推导，解释了它们如何量化系统对不同空间频率信号的响应能力。 噪声与信噪比（SNR）： 讨论了在实际成像过程中，量子噪声（散粒噪声）、散光噪声、探测器读取噪声等因素如何与衍射效应叠加，共同决定了最终图像的质量。引入了信息论的视角，探讨了在有限光子预算下，如何最大化有效分辨率。 采样理论与走样（Aliasing）： 深入探讨了奈奎斯特采样定理在数字成像中的应用。内容区分了理想采样与实际探测器（如CCD或CMOS）的有限像素尺寸效应，强调了欠采样和混叠现象对高频信息恢复的严重影响。 第二部分：主动与被动光学系统中的分辨率增强策略 本部分是全书的核心，聚焦于工程手段如何绕过或补偿衍射限制。它不再将衍射视为不可逾越的障碍，而是将其视为需要精确建模和优化的物理过程。 自适应光学（Adaptive Optics, AO）系统： 详细剖析了AO系统的基本架构，包括波前传感器（如夏克-哈特曼传感器）、变形镜（Deformable Mirrors）和高增益反馈控制算法。内容特别关注了大气湍流模型（如科尔莫戈洛夫模型）在实时校正中的应用，以及系统带宽、延迟对残余像差的影响。对于大型望远镜，本节详述了使用人工导星（Laser Guide Stars, LGS）技术的复杂性与优势。 超分辨率成像技术： 侧重于计算成像方法，而非纯粹的硬件限制。内容涵盖了利用多个低分辨率图像恢复高分辨率细节的经典算法（如Lucy-Richardson反卷积）以及更先进的亚像素插值和图像融合技术。同时，深入探讨了点扩展函数工程（PSF Engineering），即通过精心设计的相位屏或照明模式来重塑PSF，以优化特定任务下的成像性能。 复振幅恢复与相位恢复： 讨论了当成像系统无法直接测量相位信息时（如单幅强度图像），如何利用先验知识或迭代算法（如Gerchberg-Saxton算法的变体）来恢复物体的完整复振幅信息。 第三部分：大口径系统中的挑战与特殊设计考量 本部分专门针对具有巨大集光能力和极高分辨率潜力的仪器，如巨型地面望远镜或空间合成孔径系统，所面临的独特工程难题。 望远镜的像差控制： 详尽分析了大型主镜制造误差、安装应力和热形变对系统MTF的灾难性影响。内容深入到误差预算（Error Budgeting）的建立过程，以及如何将光学设计指标（如RMS波前误差）转化为可制造和可校正的工程参数。 弥补视场（Field-of-View）限制： 对于需要大视场高分辨率的仪器（如巡天望远镜），本部分探讨了如何使用视场畸变校正元件，如离轴三反镜系统（Off-Axis Three-Mirror Anastigmat, TMA）和复杂的场曲校正镜组。内容侧重于如何平衡视场内不同位置的像质一致性。 合成孔径成像（Interferometry）： 虽然不同于传统单口径成像，但干涉测量是实现理论上超越单个物理孔径衍射极限的终极途径。本节概述了干涉仪的原理，包括基线长度、 fringe 周期与分辨率的关系，以及复杂数据处理（如相干合成和CLEAN算法）在重建最终图像中的作用。 第四部分：先进探测器与数据流管理 本部分关注了如何有效地捕捉和处理衍射极限成像系统产生的大量数据。 新型探测器技术： 评估了基于电子倍增（EMCCD/sCMOS）的高速、低噪声探测器在时间分辨成像中的优势。内容涵盖了增益可调性、帧率限制以及量子效率（QE）对最终成像性能的决定性作用。 实时数据处理管线： 针对自适应光学系统和高速天文观测，本部分探讨了高性能计算（HPC）架构，特别是FPGA和GPU在实现亚毫秒级波前计算和图像重建中的应用。重点讨论了并行化策略和数据流的优化，以确保系统在面对快速变化的光学条件时能保持实时响应。 本书的特点在于其严谨的数学基础与高度的工程实用性相结合。它不仅解释了为什么分辨率受到限制，更重要的是，它提供了一套系统的工具集，用以分析、设计和优化那些旨在挑战或超越这些物理极限的光学系统。读者将获得对现代高精度成像系统设计哲学和技术前沿的全面认知。

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