《信息光學(xué)》課程教學(xué)大綱

《信息光學(xué)》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：04510664課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)方向課先修課程：大學(xué)物理學(xué)，信號(hào)與系統(tǒng)適合專(zhuān)業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)開(kāi)設(shè)學(xué)期：第六學(xué)期考核方式：閉卷考試總學(xué)時(shí)數(shù)：72學(xué)分：4（一）課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)《信息光學(xué)》在教學(xué)計(jì)劃中列為限制性選修課。信息光學(xué)是應(yīng)用光學(xué)、計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的光學(xué)學(xué)科，是信息科學(xué)的重要組成部分，也是現(xiàn)代光學(xué)的核心。本課程主要從兩個(gè)方面介紹信息光學(xué)的基本內(nèi)容：一是信息光學(xué)的基礎(chǔ)理論，包括線性系統(tǒng)理論、標(biāo)量衍射理論、傳遞函數(shù)理論等；二是信息光學(xué)的主要應(yīng)用，包括光學(xué)全息、計(jì)算全息、空間濾波、光學(xué)相干和非相干處理等。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)信息光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合光學(xué)信息處理技術(shù)，開(kāi)拓學(xué)生理論用于實(shí)踐的方法和創(chuàng)新思路，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為從事光學(xué)信息處理工作和近代光學(xué)信息處理技術(shù)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。（二）課程的目的與任務(wù)信息光學(xué)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，它已滲透到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，成為信息科學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)的重要分支，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)檢測(cè)、遙感測(cè)繪、宇航和軍事偵察等領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用。其知識(shí)范圍為線系統(tǒng)分析，衍射理論，相干光理論，光學(xué)變換，光全息和信息處理。信息光學(xué)是依據(jù)信息與電子科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)為電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)而開(kāi)設(shè)的。(三)理論教學(xué)的基本要求1．在具體教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)不同章節(jié)的不同內(nèi)容，可適當(dāng)引進(jìn)現(xiàn)代化教學(xué)手段，要因材施教，采用靈活有效的教學(xué)方法，既要使學(xué)生掌握信息光學(xué)的理論精髓，又要使學(xué)生體會(huì)和領(lǐng)略實(shí)驗(yàn)對(duì)信息學(xué)科的重要性和必要性，還要使學(xué)生學(xué)會(huì)采用必要的高等數(shù)學(xué)方法去分析和研究信息問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力和解決實(shí)際信息光學(xué)問(wèn)題的能力。2．信息光學(xué)應(yīng)致力于對(duì)基本概念、基本規(guī)律的正確、嚴(yán)格的闡述，對(duì)某些難點(diǎn)作較詳細(xì)的分析和深入的討論，但也要注意因現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展條件的改變，某些概念可能有拓寬和演變，要充分利用信息光學(xué)與某些問(wèn)題的聯(lián)系，尋找與信息光學(xué)有關(guān)的光學(xué)、計(jì)算機(jī)、激光物理等其他自然科學(xué)的新發(fā)展，尋找適合的延伸點(diǎn)，介紹信息光學(xué)與工程、技術(shù)學(xué)科的密切相關(guān)的某些重要應(yīng)用，要適當(dāng)介紹一些信息光學(xué)建立和發(fā)展的的學(xué)科基礎(chǔ)及有價(jià)值的背景資料，以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)歷史唯物主義和辯證唯物主義的基本觀點(diǎn)。3．通過(guò)思考題、習(xí)題的習(xí)作，使學(xué)生加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，有意識(shí)地培養(yǎng)和提高嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治瞿芰?，并使學(xué)生學(xué)會(huì)正確使用數(shù)學(xué)工具。此外，布置一些自找數(shù)據(jù)的估算和獨(dú)立性較強(qiáng)的習(xí)題，對(duì)提高學(xué)生獨(dú)立工作能力并培養(yǎng)物理思維能力也將大有脾益。（四）實(shí)踐教學(xué)要求無(wú)。（五）教學(xué)學(xué)時(shí)分配數(shù)章次各章名稱總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)課外小計(jì)一數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)888二標(biāo)量衍射理論888三衍射積分的數(shù)值計(jì)算及應(yīng)用666四衍射受限成像888五光學(xué)信息處理888六部分相干理論888七全息照相888八全息干涉計(jì)量444九數(shù)字全息666十光波分復(fù)用中的基本器件與網(wǎng)絡(luò)888總計(jì)727272（六）大綱內(nèi)容第一章數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)一、教學(xué)目標(biāo)熟悉常見(jiàn)的幾種非初等函數(shù)，認(rèn)識(shí)線性系統(tǒng)，二維線性不變系統(tǒng)。了解二維傅里葉變換，抽樣定理。二、基本要求1．正確理解常用數(shù)學(xué)函數(shù)，卷積與相關(guān)。熟悉傅立葉變換性質(zhì)及定理，并掌握線性系統(tǒng)分析和二維光波場(chǎng)分析的基本方法。2．本章是本課程的基礎(chǔ)，要求學(xué)生在解決光學(xué)問(wèn)題中能熟練運(yùn)用其性質(zhì)和定理，線性系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，加深對(duì)空間頻率、空間頻譜概念的理解。3.本章主要復(fù)習(xí)線性系統(tǒng)理論和傅里葉變換相關(guān)概念，初步了解線性系統(tǒng)理論研究光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)理論和方法的條件和特點(diǎn)。三、教學(xué)內(nèi)容§1.1．常用的幾種非初等函數(shù)；§1.2．二維傅里葉變換§1.3．線性系統(tǒng)；§1.4．二維抽象定理。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：二維線性不變系統(tǒng)的定義、傳遞函數(shù)以及本征函數(shù)。難點(diǎn)：掌握傅里葉變換性質(zhì)和常用函數(shù)的傅里葉變換。第二章標(biāo)量的衍射理論一、教學(xué)目標(biāo)理解光波數(shù)學(xué)描述，復(fù)振幅分布的角譜及角譜傳播，標(biāo)量衍射的角譜理論。了解菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。二、基本要求1．掌握平面波空間頻率的概念和計(jì)算方法；2．掌握標(biāo)量衍射的角譜理論（基爾霍夫衍射、菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射）；3．掌握夫瑯和費(fèi)衍射與傅里葉變換關(guān)系；4.了解菲涅耳衍射與分?jǐn)?shù)傅里葉變換關(guān)系。三、教學(xué)內(nèi)容§2.1．光波的復(fù)函數(shù)表示；§2.2.標(biāo)量衍射理論；§2.3．夫瑯禾費(fèi)衍射的計(jì)算實(shí)例；§2.4．菲涅耳衍射積分的計(jì)算及應(yīng)用實(shí)例；§2.5.柯林斯公式。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：平面波空間頻率概念和標(biāo)量衍射角譜理論。難點(diǎn)：基爾霍夫衍射公式的光學(xué)物理意義；復(fù)振幅分布和標(biāo)量衍射理論的角譜理論物理意義。第三章衍射積分的數(shù)值計(jì)算及應(yīng)用一、教學(xué)目標(biāo)理解離散傅里葉變換，快速傅里葉變換。了解離散傅里葉變換與傅里葉變換的關(guān)系和菲涅耳衍射積分的快速傅里葉變換計(jì)算?；疽?．掌握離散傅里葉變換及其與傅里葉變換的關(guān)系；2．理解菲涅耳衍射積分的快速傅里葉變換計(jì)算。掌握經(jīng)典衍射公式及其快速傅里葉變換計(jì)算；3．了解柯林斯公式的計(jì)算。三、教學(xué)內(nèi)容§3.1．離散傅里葉變換與傅里葉變換的關(guān)系；§3.2．菲涅耳衍射積分的快速傅里葉變換計(jì)算；§3.3．經(jīng)典衍射公式及其快速傅里葉變換計(jì)算；§3.4．柯林斯公式的計(jì)算；§3.5．衍射數(shù)值計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：離散傅里葉變換及其與傅里葉變換的關(guān)系。難點(diǎn)：經(jīng)典衍射公式及其快速傅里葉變換計(jì)算；柯林斯公式的計(jì)算。第四章衍射受限成像一、教學(xué)目標(biāo)理解透鏡的相位變換作用，透鏡的傅里葉變換性質(zhì)，透鏡的一般變換性質(zhì)。了解衍射受限系統(tǒng)相干傳遞函數(shù)CTF和光學(xué)傳遞函數(shù)OTF，CTF和OTF的關(guān)系，相干與非相干成像系統(tǒng)的比較?；疽?．熟練掌握透鏡的傅里葉變換性質(zhì)，掌握透鏡的一般變換特性；2．掌握光學(xué)系統(tǒng)相干傳遞函數(shù)CTF和光學(xué)傳遞函數(shù)OTF概念；3．典型光瞳CTF和OTF計(jì)算方法4.了解相干與非相干成像特性與比較。三、教學(xué)內(nèi)容§4.1．透鏡的光學(xué)變換性質(zhì)；§4.2．衍射受限系統(tǒng)的相干光照明成像；§4.3．衍射受限系統(tǒng)的非相干照明成像；§4.4．相干成像與非相干成像的比較。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：透鏡的傅里葉變換特性和CTF、OTF概念。難點(diǎn)：相干與非相干成像及其比較。第五章光學(xué)信息處理教學(xué)目標(biāo)掌握光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波系統(tǒng)，相干光學(xué)信息處理（圖像相加減，光學(xué)微分，光學(xué)圖像識(shí)別，圖像消模糊等，合成孔徑雷達(dá)），非相干光學(xué)處理（圖像相加減，圖像相關(guān)與卷積等）?；疽?．掌握光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波系統(tǒng)工作原理；2．掌握典型相干光學(xué)信息處理方法原理；3.掌握典型非相干光學(xué)處理方法原理。三、教學(xué)內(nèi)容§5.1.阿貝二次成像理論和阿貝一波特實(shí)驗(yàn)；§5.2.空間頻率濾波系統(tǒng)和空間濾波器；§5.3.空間濾波器的應(yīng)用實(shí)例；§5.4.相干光信息處理系統(tǒng)；§5.5.非相干光信息處理系統(tǒng)。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：阿貝-波特實(shí)驗(yàn)原理。難點(diǎn)：相干與非相干光學(xué)信息處理中各種濾波器制作與信息處理原理。第六章部分相干理論一、教學(xué)目標(biāo)理解光波場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述，相干性的基本概念，互相干函數(shù)，時(shí)間相干，空間相干。了解互相干的傳播，范西特-澤尼克定理。二、基本要求1．

掌握光波場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述、相干性的基本概念，互相干函數(shù)，時(shí)間相干，空間相干。2．了解互相干的傳播和范西特-澤尼克定理。三、教學(xué)內(nèi)容§6.1．引言；§6.2．可見(jiàn)度；§6.3．互相干函數(shù)及相干度；§6.5．時(shí)間相干和空間相干；§5.6．恒星干涉儀。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：光波場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述。相干性的基本概念，互相干函數(shù)，時(shí)間相干，空間相干。難點(diǎn)：互相干的傳播和范西特-澤尼克定理。第七章全息照相一、教學(xué)目標(biāo)理解光學(xué)全息術(shù)基本原理。掌握同軸全息和離軸全息。二、基本要求1．掌握光學(xué)全息術(shù)基本原理。2．掌握同軸全息和離軸全息。3．了解各種全息圖。三、教學(xué)內(nèi)容§7.1．全息照相的基本原理；§7.2．幾種其他主要類(lèi)型的全息圖；§7.3．全息照相的應(yīng)用概況。教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：光學(xué)全息術(shù)基本原理。難點(diǎn)：同軸全息和離軸全息。第八章全息干涉計(jì)量一、教學(xué)目標(biāo)正確理解實(shí)時(shí)全息法和雙曝光法。了解時(shí)間平均法原理及其應(yīng)用。磁感應(yīng)強(qiáng)度。基本要求1．掌握實(shí)時(shí)全息法和雙曝光法。2．了解時(shí)間平均法原理及其應(yīng)用。三、教學(xué)內(nèi)容§8.1．單曝光法或?qū)崟r(shí)全息法；§8.2．二次曝光全息干涉計(jì)量或雙曝光法；§8.3．時(shí)間平均法原理及其應(yīng)用；§8.4．全息系統(tǒng)的智能化、小型化、多功能化。四、教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：?jiǎn)纹毓夥ê投纹毓馊⒏缮嬗?jì)量。難點(diǎn)：時(shí)間平均法原理。第九章數(shù)字全息一、教學(xué)目標(biāo)理解離軸數(shù)字全息及波前的1—FFT。了解數(shù)字全息在光學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用?；疽?．理解離軸數(shù)字全息及波前的1—FFT。2．了解彩色數(shù)字全息。3．了解數(shù)字全息在光學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用。三、教學(xué)內(nèi)容§9.1．離軸數(shù)字全息及波前的1—FFT重建；§9.2．1—FFT方法重建波前的噪聲研究及消除；§9.3．基于虛擬數(shù)字全息圖的波前重建；§9.4．彩色數(shù)字全息；§9.5．?dāng)?shù)字全息在光學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用。教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：離軸數(shù)字全息及波前的1—FFT重建和1—FFT方法重建波前的噪聲研究及消除。難點(diǎn)：基于虛擬數(shù)字全息圖的波前重建。第十章光波分復(fù)用中的基本器件與網(wǎng)絡(luò)一、教學(xué)目標(biāo)理解光波分復(fù)用中的基本原理，熟悉光波在光柵中的傳播。基本要求1．本章的教學(xué)應(yīng)注意以總結(jié)歸納的方式進(jìn)行。2．了解光波在光柵中的傳播和光纖布拉格光柵。3．了解光信號(hào)的發(fā)送、接收和放大。三、教學(xué)內(nèi)容§10.1．光波在光纖中的傳播；§10.2．光纖布拉格光柵；§10.3．光波在波導(dǎo)中的傳播；§10.4．平面陣列波導(dǎo)光柵；§10.5．光信號(hào)的發(fā)送、接收和放大；§10.6．光波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)。教學(xué)重、難點(diǎn)重點(diǎn)：光波分復(fù)用中的基本原理和光纖布拉格光柵。難點(diǎn)：光波在波導(dǎo)中的傳播和光波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)。（七）課程有關(guān)說(shuō)明本大綱依據(jù)教科書(shū)編排和學(xué)生實(shí)際接受能力，選取教科書(shū)中與學(xué)生以前所學(xué)知識(shí)有關(guān)以及對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)起到關(guān)鍵作用的知識(shí)進(jìn)行編排。本課程主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．知識(shí)理論系統(tǒng)性較強(qiáng)——是指學(xué)習(xí)本課程需要有一定的基礎(chǔ)理論、知識(shí)做鋪墊，且又是學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)。2．基礎(chǔ)理論比較成熟——雖然光信息器件應(yīng)用發(fā)展很快，但基本的光學(xué)理論已經(jīng)形成了相對(duì)穩(wěn)定的體系。有限的學(xué)校教學(xué)，要把學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在掌握“三基”及科學(xué)思維方式和分析方法上。3．實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)，高等數(shù)學(xué)是工具——信息光學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，要切實(shí)理解信息光學(xué)所遵循的基本規(guī)律是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和技能，有效運(yùn)用高等數(shù)學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。(八）主要教學(xué)方法與考核本課程以課堂教學(xué)為主。在課程的教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用啟發(fā)式、討論式、多媒體等教學(xué)方法，通過(guò)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)學(xué)生具有抽象思維能力、邏輯推理能力和自學(xué)能力，并注意培養(yǎng)學(xué)生具有靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。本課程根據(jù)培養(yǎng)方案的要求，閉卷方式統(tǒng)一考試，重點(diǎn)考核本課程的基本概念，基本知識(shí)和基本技能及方法，該成績(jī)占總成績(jī)的70％，平時(shí)作業(yè)及課堂討論占30%。(九）使用教材及主要參考書(shū)使用教材：《信息光學(xué)教程》李俊昌等編，科學(xué)出版社，2014年。主要參考書(shū)