《光電子學》課程教學大綱

《光電子學》課程教學大綱課程名稱：光電子學 課程編號：F098091621英文名稱：Optoelectronics學時：48學時 學分：3學分開課學期：第6學期適用專業(yè)：光電信息科學與工程/應用物理學課程類別：理論課課程性質：專業(yè)核心課先修課程：電磁學、光學、量子力學一、課程的性質及任務光電子技術是光子技術與電子技術相結合而形成的一門技術，主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的相關技術，以光源激光化、傳輸波導（光纖）化、手段電子化、現代電子學中的理論模式和電子學處理方法光學化為特征，是一門新興的綜合性交叉學科。學習本課程的主要目的是：為學生今后從事現代信息光學、激光技術、光纖技術、光通信技術、光信號探測技術、光信息存儲與處理技術、顯示技術及光計算等方面學習與工作打下基礎。依據河北工程大學光電信息科學與工程和應用物理學專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學生的能力是：掌握電光調制原理和方法，能夠對光電相關器件或功能實現進行設計。掌握平面介質波導中模式數計算、單模波導厚度設計和圓柱形介質波導單模條件及數值孔徑與最大入射角計算，能夠進行單模波導厚度設計。掌握幾種典型光電探測器結構和工作原理，能夠進行光電相關器件或功能實現進行設計；掌握電光效應和發(fā)光機制，能夠進行原理分析。掌握光纖連接器主要指標和影響插損因素；掌握光衰減器工作原理，分析和設計液晶型光衰減器。掌握光信息存儲新技術的發(fā)展方向，能夠對電子俘獲光存儲技術原理進行分析。二、課程目標與要求2.1課程目標理解光電子技術概念，了解光電子技術的發(fā)展史，了解光電子器件及光電子技術的應用。強化科學倫理教育，注重科學思維方法訓練和科學精神培養(yǎng)，提高學生分析問題和解決問題的的能光學基礎知識；掌握麥克斯韋方程、電介質的特性；掌握電介質的特性和分類；理解波動方程的推導過程；掌握各種光波的電磁表示和高斯光束的特性。掌握平面介質光波導中光場特性；掌握電磁場在三層波導中的分布情況；掌握得出光波導中光導波傳播情況的方法；掌握光纖的結構參數，掌握光纖中光波導的線光學分析；掌握光纖中光波導的線光學分析；掌握階躍光纖光導波物理分析方法和了解光纖色散與脈沖展寬；掌握平面介質波導中模式數計算、單模波導厚度設計和圓柱形介質波導單模條件及數值孔徑與最大入射角計算。了解晶體的基本性質；掌握晶體光學特性的幾何表示；掌握電光調制原理及方法；掌握電光調制原理及方法；掌握聲光調制的原理及方法；理解磁光調制的原理。掌握光電探測器的性能參數；理解光電探測方式；掌握光電探測器的物理效應；掌握幾種典型光電探測器結構和工作原理；掌握光探測器性能參數和部分光電探測器應用。了解光電顯示基礎；掌握陰極射線顯示原理、陰極射線管結構及其各部分在顯示中的作用；了解液晶的分類及特性；掌握液晶電光效應；了解氣體放電物理基礎、等離子體顯示原理及其顯示器結構與功用；了解場致發(fā)光顯示分類；掌握OLED的發(fā)光機制。掌握光纖連接器主要指標和影響插損的因素；了解連接器類型和改進回波損耗的方法；了解光耦合器特性參數與模式變化；掌握光衰減器工作原理；了解光衰減器性能；了解光耦合器特性參數與模式變化；了解光波分復用器特性和工作原理；了解光隔離器特性和工作原理；了解光開關特性參數和類型。了解光存儲與光盤特點、只讀存儲光盤存儲原理與光盤制備；了解一次寫入光盤寫入方式、對存儲介質的要求和其存儲原理；掌握可擦重寫光盤存儲原理；了解光盤襯盤材料；掌握光信息存儲新技術的發(fā)展方向；理解光信息存儲新技術基本原理，但掌握電子俘獲光存儲技術原理。

數理科學與工程學院本科課程教學大綱.4目標達成度的評價課程目標1主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課堂測試、課后作業(yè)和期末考試中概念性、原理性題目進行考核。目標達成綜合以上內容進行評價。課程目標2、3、4主要通過理論教學環(huán)節(jié)、課后作業(yè)進行培養(yǎng)，在課內上機實驗有應用要求。主要通過課堂測試，課后作業(yè)和期末考試中數字圖像處理原理和方法類題目進行考核，在上機實驗中體現為能自己進行數字圖像處理。目標達成綜合以上內容進行評價。課程目標5主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)，在課內上機實驗中有應用要求。主要通過課堂測試彩色圖象處理類題目進行考核，在上機實驗中體現為能進行簡單的彩色圖象處理。目標達成綜合以上內容進行評價。課程目標6、7主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)。主要通過期末考試中形態(tài)學和圖象分割、識別類題目進行考核。目標達成綜合以上內容進行評價。三、教學方法及手段理論教學以課堂講授為主，以上機實驗為輔，面向基礎知識的準確、扎實掌握，突出對原理的分析、對方法的總結以及理論體系的完整建立，并進行上機實驗驗證；理論教學強調將各種數字圖像處理方法與工程應用緊密聯系，面向知識的實際應用；理論教學注重本課程與高等數學，信號與系統(tǒng)、工程光學、光學信息處理、信息光學等先修課程的聯系，以圖像處理典型需求作為本課程知識的應用背景，結合光學成像解釋本課程的有關概念和原理，基于信息光學的基礎知識掌握圖像處理的分析、計算與設計。理論教學與課內上機實驗相結合，進行數字圖像處理方法的應用與訓練。課程強調學生的自主學習，強調通過自學的方式消化、吸收課程的龐大知識量，并在此基礎上舉一反三。四、課程的基本內容與教學要求第1章數字圖像處理的基本知識[教學目的與要求]：通過本章學習，了解圖像處理及相關學科和領域、數字圖像處理系統(tǒng)；掌握一些基本概念、數字圖像及其表示，像素間的基本關系。[本章主要內容]：圖像及圖像處理的概念；數字圖像的存儲與讀寫；數字圖像處理系統(tǒng)；數字圖像處理應用；圖像技術及相關學科簡介[本章重點]：1.相關基本概念、圖像處理的應用；2.數字圖像處理應用；數字圖像處理系統(tǒng)構成。[本章難點]：數字圖像及其表示，像素間的基本關系第2章圖像處理中的常用數學變換[教學目的與要求]：通過本章學習，掌握空域變換、傅里葉變換和性質，學習快速傅里葉變換的原理和方法，離散Gabor變換，以及PCA變換的原理和方法；熟悉離散余弦變換及其快速算法，了解小波變換以及圖像變換的應用。[本章主要內容]：1．空域變換，包括代數運算和幾何運算；2．傅里葉變換的概念和性質、快速傅里葉變換；3．離散Gabor變換的原理和方法；4．小波變換的原理和方法；5．PCA變換的原理和應用；6．離散余弦變換等其他幾種可分離變換，以及應用[本章重點]：FT變換、其他的幾種可分離變換。幾種典型變換的的原理和特點。[本章難點]：小波變換及其性質、PCA變換。第3章圖像增強[教學目的與要求]：通過本章學習，掌握灰度增強、圖像平滑、圖像銳化等基本概念、原理和實現的方法；了解偽彩色增強技術。[本章主要內容]：1．點運算，包括直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化、灰度的線性和非線性變換；2．鄰域運算，包括鄰域平均法、Gauss平滑、中值濾波、梯度算子法、拉普拉斯算子等；3．頻域增強，包括低通濾波、高通濾波、同態(tài)濾波等；4．彩色增強，包括顏色基礎、顏色空間、偽彩色增強、真彩色增強等。[本章重點]：了解、識記：灰度的線性和非線性變換，彩色增強技術；掌握：直方圖均衡化、圖像平滑和銳化；[本章難點]：直方圖增強、各種平滑和銳化算子。第4章圖像復原[教學目的與要求]：通過本章學習，使掌握圖像退化的數學模型、維納濾波和有約束最小平方濾波；熟悉運動模糊和離焦模糊的復原方法；了解逆濾波、一些擴展知識。[本章主要內容]：1．圖像退化的數學模型，包括空域表達和頻域表達，重點是運動模糊和離焦模糊退化模型；2．無約束恢復，逆濾波；3．有約束恢復，包括維納濾波和有約束最小平方恢復；4．圖像恢復知識拓展[本章重點]：識記：基本概念、退化的原因等掌握：圖像退化的數學模型、維納濾波和有約束最小平方濾波；[本章難點]：利用維納濾波和有約束最小平方恢復離焦和運動模糊圖像。第5章圖像壓縮編碼[教學目的與要求]：通過本章學習，理解編碼實現圖像壓縮的原理；掌握幾種簡單的編碼方法；了解相關的擴展知識以及編碼標準。[本章主要內容]：圖像壓縮的基本原理；幾種典型的編碼方法，包括哈夫曼編碼、算術編碼等；無誤差壓縮編碼；有誤差壓縮編碼；圖像壓縮知識拓展；圖像壓縮的標準化。[本章重點]：基本概念、壓縮標準；圖像壓縮的原理、典型的壓縮編碼方法；[本章難點]：哈夫曼編碼、變換編碼、預測編碼等幾種編碼方法第6章圖像分割[教學目的與要求]：通過本章學習，掌握灰度閾值分割法、邊緣檢測分割法、哈夫變換的原理和應用、熟悉區(qū)域生長法；了解分裂合并、模板匹配等方法。[本章主要內容]：灰度閾值分割法原理以及幾種典型的選取閾值的方法；邊緣檢測分割法思想以及幾種常用的檢測算子，如Log算子，Sobel算子，拉氏算子等；基于區(qū)域的分割方法，如分裂合并、區(qū)域生長等；Hough變換的原理和應用；基于形態(tài)學的分割。[本章重點]：模板匹配、分裂合并、區(qū)域生長等幾種分割方法，形態(tài)學分割方法；灰度閾值分割法原理、邊緣檢測分割法思想以及哈夫變換的原理和[本章難點]：雙峰閾值分割、最大方差閾值分割；用Log、Sobel等幾種邊緣檢測算子檢測邊緣實現分割第6章圖像描述[教學目的與要求]：通過本章學習，掌握鏈碼、骨架等幾種表達方法，掌握傅里葉描述子、矩的描述方法；熟悉簡單描述符、拓撲描述方法；了解形態(tài)學方法。[本章主要內容]：邊界描述，包括曲線擬合、傅里葉描述子、鏈碼等；區(qū)域描述，包括骨架、矩紋理等；形態(tài)學描述。[本章重點]：形態(tài)學方法，簡單描述符、拓撲描述方法；掌握：鏈碼、傅里葉描述子、矩的描述方法等；[本章難點]：鏈碼、骨架等幾種表達方法；傅里葉描述子、矩的描述方法五、課程學時分配講課內容理論課學時上機學時1數字圖像處理的基本知識422圖像處理中的常用數學變換623圖像增強624圖像復原625圖像壓縮編碼426圖像分割227圖像描述228數字圖像技術應用系統(tǒng)設計22總計3216六、課程考核與成績評定6.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學習過程考核和期末考試，其中課程過程考核占總成績的20%，分別由課堂表現、課后作業(yè)、上機實驗情況進行評定；期末考試成績占總成績的80%。各環(huán)節(jié)的比重如下。考核環(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現10%20%作業(yè)5%實驗5%期末成績期末測試80%80%總計100%100%6.2成績評定1.課堂表現課堂表現總分10分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分5分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學期隨堂測試15~20次，每次測試1~2道題目，每答錯一道題目扣0.5分（直到扣滿5分為止）；課堂出勤滿分5分，缺勤一次扣1分，遲到或請假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分5分，由作業(yè)完成情況評定。每學期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占1分。3.實驗成績實驗成績占所學課程的5%，即5分。根據學生的實驗表現及實驗報告結果，進行綜合評定。4.期末考試采用閉卷考試形式進行，期末成績?yōu)榘俜种疲嬋肟偝煽儠r乘以80%，由教務處安排考試流程，考試內容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標的授課內容，考試完成后在綜合教務系統(tǒng)中按照設定的占比系數錄入成績。七、課程評價與持續(xù)改進7.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設置達成情況目標值，采用成績分析法進行評價。課程達成評價根據光電信息科學與工程專業(yè)課程達成評價方法進行計算，評價結果用于持續(xù)改進。物理系負責人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進措施，監(jiān)督持續(xù)改進過程。課程負責人負責撰寫課程考核總結報告，實施課程評價持續(xù)改進。7.2持續(xù)改進1）日常教學：根據學生學習情況，教師采取座談會、與學生單獨交流，及時調整教學方法、進度，做出教學改進。2）機房上機實驗：根據學生上機編程情況，對學生理解圖像處