《信息光學》課程教學大綱

《信息光學》課程教學大綱課程編號：04510664課程性質：專業(yè)方向課先修課程：大學物理學，信號與系統(tǒng)適合專業(yè)：電子科學與技術開設學期：第六學期考核方式：閉卷考試總學時數：72學分：4（一）課程性質和教學目標《信息光學》在教學計劃中列為限制性選修課。信息光學是應用光學、計算機和信息科學相結合而發(fā)展起來的一門新的光學學科，是信息科學的重要組成部分，也是現(xiàn)代光學的核心。本課程主要從兩個方面介紹信息光學的基本內容：一是信息光學的基礎理論，包括線性系統(tǒng)理論、標量衍射理論、傳遞函數理論等；二是信息光學的主要應用，包括光學全息、計算全息、空間濾波、光學相干和非相干處理等。通過本課程的學習使學生系統(tǒng)學習信息光學基礎知識，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，結合光學信息處理技術，開拓學生理論用于實踐的方法和創(chuàng)新思路，提高學生解決實際問題的能力。為從事光學信息處理工作和近代光學信息處理技術的學習打下基礎。（二）課程的目的與任務信息光學是近年來發(fā)展起來的一門新興學科，它已滲透到科學技術的各個領域，成為信息科學和現(xiàn)代光學的重要分支，已經在醫(yī)學診斷、工業(yè)檢測、遙感測繪、宇航和軍事偵察等領域得到重要的應用。其知識范圍為線系統(tǒng)分析，衍射理論，相干光理論，光學變換，光全息和信息處理。信息光學是依據信息與電子科學教學指導委員會為電子科學與技術、電子信息工程等專業(yè)的培養(yǎng)目標而開設的。(三)理論教學的基本要求1．在具體教學過程中，根據不同章節(jié)的不同內容，可適當引進現(xiàn)代化教學手段，要因材施教，采用靈活有效的教學方法，既要使學生掌握信息光學的理論精髓，又要使學生體會和領略實驗對信息學科的重要性和必要性，還要使學生學會采用必要的高等數學方法去分析和研究信息問題，培養(yǎng)學生的物理思維能力和解決實際信息光學問題的能力。2．信息光學應致力于對基本概念、基本規(guī)律的正確、嚴格的闡述，對某些難點作較詳細的分析和深入的討論，但也要注意因現(xiàn)代物理學發(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與某些問題的聯(lián)系，尋找與信息光學有關的光學、計算機、激光物理等其他自然科學的新發(fā)展，尋找適合的延伸點，介紹信息光學與工程、技術學科的密切相關的某些重要應用，要適當介紹一些信息光學建立和發(fā)展的的學科基礎及有價值的背景資料，以提高學生科學素養(yǎng)，培養(yǎng)歷史唯物主義和辯證唯物主義的基本觀點。3．通過思考題、習題的習作，使學生加深對理論的認識，有意識地培養(yǎng)和提高嚴謹的分析能力，并使學生學會正確使用數學工具。此外，布置一些自找數據的估算和獨立性較強的習題，對提高學生獨立工作能力并培養(yǎng)物理思維能力也將大有脾益。（四）實踐教學要求無。（五）教學學時分配數章次各章名稱總學時學時分配講課實驗上機課外小計一數學預備知識888二標量衍射理論888三衍射積分的數值計算及應用666四衍射受限成像888五光學信息處理888六部分相干理論888七全息照相888八全息干涉計量444九數字全息666十光波分復用中的基本器件與網絡888總計727272（六）大綱內容第一章數學預備知識一、教學目標熟悉常見的幾種非初等函數，認識線性系統(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．正確理解常用數學函數，卷積與相關。熟悉傅立葉變換性質及定理，并掌握線性系統(tǒng)分析和二維光波場分析的基本方法。2．本章是本課程的基礎，要求學生在解決光學問題中能熟練運用其性質和定理，線性系統(tǒng)與光學系統(tǒng)的關聯(lián)，加深對空間頻率、空間頻譜概念的理解。3.本章主要復習線性系統(tǒng)理論和傅里葉變換相關概念，初步了解線性系統(tǒng)理論研究光學系統(tǒng)相關理論和方法的條件和特點。三、教學內容§1.1．常用的幾種非初等函數；§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、教學重、難點重點：二維線性不變系統(tǒng)的定義、傳遞函數以及本征函數。難點：掌握傅里葉變換性質和常用函數的傅里葉變換。第二章標量的衍射理論一、教學目標理解光波數學描述，復振幅分布的角譜及角譜傳播，標量衍射的角譜理論。了解菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射。二、基本要求1．掌握平面波空間頻率的概念和計算方法；2．掌握標量衍射的角譜理論（基爾霍夫衍射、菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射）；3．掌握夫瑯和費衍射與傅里葉變換關系；4.了解菲涅耳衍射與分數傅里葉變換關系。三、教學內容§2.1．光波的復函數表示；§2.2.標量衍射理論；§2.3．夫瑯禾費衍射的計算實例；§2.4．菲涅耳衍射積分的計算及應用實例；§2.5.柯林斯公式。四、教學重、難點重點：平面波空間頻率概念和標量衍射角譜理論。難點：基爾霍夫衍射公式的光學物理意義；復振幅分布和標量衍射理論的角譜理論物理意義。第三章衍射積分的數值計算及應用一、教學目標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系和菲涅耳衍射積分的快速傅里葉變換計算。基本要求1．掌握離散傅里葉變換及其與傅里葉變換的關系；2．理解菲涅耳衍射積分的快速傅里葉變換計算。掌握經典衍射公式及其快速傅里葉變換計算；3．了解柯林斯公式的計算。三、教學內容§3.1．離散傅里葉變換與傅里葉變換的關系；§3.2．菲涅耳衍射積分的快速傅里葉變換計算；§3.3．經典衍射公式及其快速傅里葉變換計算；§3.4．柯林斯公式的計算；§3.5．衍射數值計算的應用實例。四、教學重、難點重點：離散傅里葉變換及其與傅里葉變換的關系。難點：經典衍射公式及其快速傅里葉變換計算；柯林斯公式的計算。第四章衍射受限成像一、教學目標理解透鏡的相位變換作用，透鏡的傅里葉變換性質，透鏡的一般變換性質。了解衍射受限系統(tǒng)相干傳遞函數CTF和光學傳遞函數OTF，CTF和OTF的關系，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，掌握透鏡的一般變換特性；2．掌握光學系統(tǒng)相干傳遞函數CTF和光學傳遞函數OTF概念；3．典型光瞳CTF和OTF計算方法4.了解相干與非相干成像特性與比較。三、教學內容§4.1．透鏡的光學變換性質；§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、教學重、難點重點：透鏡的傅里葉變換特性和CTF、OTF概念。難點：相干與非相干成像及其比較。第五章光學信息處理教學目標掌握光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波系統(tǒng)，相干光學信息處理（圖像相加減，光學微分，光學圖像識別，圖像消模糊等，合成孔徑雷達），非相干光學處理（圖像相加減，圖像相關與卷積等）。基本要求1．掌握光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波系統(tǒng)工作原理；2．掌握典型相干光學信息處理方法原理；3.掌握典型非相干光學處理方法原理。三、教學內容§5.1.阿貝二次成像理論和阿貝一波特實驗；§5.2.空間頻率濾波系統(tǒng)和空間濾波器；§5.3.空間濾波器的應用實例；§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、教學重、難點重點：阿貝-波特實驗原理。難點：相干與非相干光學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、教學目標理解光波場的數學描述，相干性的基本概念，互相干函數，時間相干，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．

掌握光波場的數學描述、相干性的基本概念，互相干函數，時間相干，空間相干。2．了解互相干的傳播和范西特-澤尼克定理。三、教學內容§6.1．引言；§6.2．可見度；§6.3．互相干函數及相干度；§6.5．時間相干和空間相干；§5.6．恒星干涉儀。四、教學重、難點重點：光波場的數學描述。相干性的基本概念，互相干函數，時間相干，空間相干。難點：互相干的傳播和范西特-澤尼克定理。第七章全息照相一、教學目標理解光學全息術基本原理。掌握同軸全息和離軸全息。二、基本要求1．掌握光學全息術基本原理。2．掌握同軸全息和離軸全息。3．了解各種全息圖。三、教學內容§7.1．全息照相的基本原理；§7.2．幾種其他主要類型的全息圖；§7.3．全息照相的應用概況。教學重、難點重點：光學全息術基本原理。難點：同軸全息和離軸全息。第八章全息干涉計量一、教學目標正確理解實時全息法和雙曝光法。了解時間平均法原理及其應用。磁感應強度?；疽?．掌握實時全息法和雙曝光法。2．了解時間平均法原理及其應用。三、教學內容§8.1．單曝光法或實時全息法；§8.2．二次曝光全息干涉計量或雙曝光法；§8.3．時間平均法原理及其應用；§8.4．全息系統(tǒng)的智能化、小型化、多功能化。四、教學重、難點重點：單曝光法和二次曝光全息干涉計量。難點：時間平均法原理。第九章數字全息一、教學目標理解離軸數字全息及波前的1—FFT。了解數字全息在光學檢測中的應用?；疽?．理解離軸數字全息及波前的1—FFT。2．了解彩色數字全息。3．了解數字全息在光學檢測中的應用。三、教學內容§9.1．離軸數字全息及波前的1—FFT重建；§9.2．1—FFT方法重建波前的噪聲研究及消除；§9.3．基于虛擬數字全息圖的波前重建；§9.4．彩色數字全息；§9.5．數字全息在光學檢測中的應用。教學重、難點重點：離軸數字全息及波前的1—FFT重建和1—FFT方法重建波前的噪聲研究及消除。難點：基于虛擬數字全息圖的波前重建。第十章光波分復用中的基本器件與網絡一、教學目標理解光波分復用中的基本原理，熟悉光波在光柵中的傳播?；疽?．本章的教學應注意以總結歸納的方式進行。2．了解光波在光柵中的傳播和光纖布拉格光柵。3．了解光信號的發(fā)送、接收和放大。三、教學內容§10.1．光波在光纖中的傳播；§10.2．光纖布拉格光柵；§10.3．光波在波導中的傳播；§10.4．平面陣列波導光柵；§10.5．光信號的發(fā)送、接收和放大；§10.6．光波分復用網絡。教學重、難點重點：光波分復用中的基本原理和光纖布拉格光柵。難點：光波在波導中的傳播和光波分復用網絡。（七）課程有關說明本大綱依據教科書編排和學生實際接受能力，選取教科書中與學生以前所學知識有關以及對后續(xù)學習起到關鍵作用的知識進行編排。本課程主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面：1．知識理論系統(tǒng)性較強——是指學習本課程需要有一定的基礎理論、知識做鋪墊，且又是學習后續(xù)專業(yè)課程的基礎。2．基礎理論比較成熟——雖然光信息器件應用發(fā)展很快，但基本的光學理論已經形成了相對穩(wěn)定的體系。有限的學校教學，要把學習重點放在掌握“三基”及科學思維方式和分析方法上。3．實驗是基礎，高等數學是工具——信息光學是一門實驗科學，要切實理解信息光學所遵循的基本規(guī)律是以實驗為基礎。掌握科學實驗方法和技能，有效運用高等數學知識解決問題。(八）主要教學方法與考核本課程以課堂教學為主。在課程的教學過程中，運用啟發(fā)式、討論式、多媒體等教學方法，通過各個教學環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)學生具有抽象思維能力、邏輯推理能力和自學能力，并注意培養(yǎng)學生具有靈活運用所學知識去綜合分析問題和解決問題的能力。本課程根據培養(yǎng)方案的要求，閉卷方式統(tǒng)一考試，重點考核本課程的基本概念，基本知識和基本技能及方法，該成績占總成績的70％，平時作業(yè)及課堂討論占30%。(九）使用教材及主要參考書使用教材：《信息光學教程》李俊昌等編，科學出版社，2014年。主要參考書