《光电子学》课程教学大纲

《光电子学》课程教学大纲课程名称：光电子学 课程编号：F098091621英文名称：Optoelectronics学时：48学时 学分：3学分开课学期：第6学期适用专业：光电信息科学与工程/应用物理学课程类别：理论课课程性质：专业核心课先修课程：电磁学、光学、量子力学一、课程的性质及任务光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，以光源激光化、传输波导（光纤）化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。学习本课程的主要目的是：为学生今后从事现代信息光学、激光技术、光纤技术、光通信技术、光信号探测技术、光信息存储与处理技术、显示技术及光计算等方面学习与工作打下基础。依据河北工程大学光电信息科学与工程和应用物理学专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：掌握电光调制原理和方法，能够对光电相关器件或功能实现进行设计。掌握平面介质波导中模式数计算、单模波导厚度设计和圆柱形介质波导单模条件及数值孔径与最大入射角计算，能够进行单模波导厚度设计。掌握几种典型光电探测器结构和工作原理，能够进行光电相关器件或功能实现进行设计；掌握电光效应和发光机制，能够进行原理分析。掌握光纤连接器主要指标和影响插损因素；掌握光衰减器工作原理，分析和设计液晶型光衰减器。掌握光信息存储新技术的发展方向，能够对电子俘获光存储技术原理进行分析。二、课程目标与要求2.1课程目标理解光电子技术概念，了解光电子技术的发展史，了解光电子器件及光电子技术的应用。强化科学伦理教育，注重科学思维方法训练和科学精神培养，提高学生分析问题和解决问题的的能光学基础知识；掌握麦克斯韦方程、电介质的特性；掌握电介质的特性和分类；理解波动方程的推导过程；掌握各种光波的电磁表示和高斯光束的特性。掌握平面介质光波导中光场特性；掌握电磁场在三层波导中的分布情况；掌握得出光波导中光导波传播情况的方法；掌握光纤的结构参数，掌握光纤中光波导的线光学分析；掌握光纤中光波导的线光学分析；掌握阶跃光纤光导波物理分析方法和了解光纤色散与脉冲展宽；掌握平面介质波导中模式数计算、单模波导厚度设计和圆柱形介质波导单模条件及数值孔径与最大入射角计算。了解晶体的基本性质；掌握晶体光学特性的几何表示；掌握电光调制原理及方法；掌握电光调制原理及方法；掌握声光调制的原理及方法；理解磁光调制的原理。掌握光电探测器的性能参数；理解光电探测方式；掌握光电探测器的物理效应；掌握几种典型光电探测器结构和工作原理；掌握光探测器性能参数和部分光电探测器应用。了解光电显示基础；掌握阴极射线显示原理、阴极射线管结构及其各部分在显示中的作用；了解液晶的分类及特性；掌握液晶电光效应；了解气体放电物理基础、等离子体显示原理及其显示器结构与功用；了解场致发光显示分类；掌握OLED的发光机制。掌握光纤连接器主要指标和影响插损的因素；了解连接器类型和改进回波损耗的方法；了解光耦合器特性参数与模式变化；掌握光衰减器工作原理；了解光衰减器性能；了解光耦合器特性参数与模式变化；了解光波分复用器特性和工作原理；了解光隔离器特性和工作原理；了解光开关特性参数和类型。了解光存储与光盘特点、只读存储光盘存储原理与光盘制备；了解一次写入光盘写入方式、对存储介质的要求和其存储原理；掌握可擦重写光盘存储原理；了解光盘衬盘材料；掌握光信息存储新技术的发展方向；理解光信息存储新技术基本原理，但掌握电子俘获光存储技术原理。

数理科学与工程学院本科课程教学大纲.4目标达成度的评价课程目标1主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有所涉及。主要通过课堂测试、课后作业和期末考试中概念性、原理性题目进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标2、3、4主要通过理论教学环节、课后作业进行培养，在课内上机实验有应用要求。主要通过课堂测试，课后作业和期末考试中数字图像处理原理和方法类题目进行考核，在上机实验中体现为能自己进行数字图像处理。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标5主要通过理论教学环节进行培养，在课内上机实验中有应用要求。主要通过课堂测试彩色图象处理类题目进行考核，在上机实验中体现为能进行简单的彩色图象处理。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标6、7主要通过理论教学环节进行培养。主要通过期末考试中形态学和图象分割、识别类题目进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。三、教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，以上机实验为辅，面向基础知识的准确、扎实掌握，突出对原理的分析、对方法的总结以及理论体系的完整建立，并进行上机实验验证；理论教学强调将各种数字图像处理方法与工程应用紧密联系，面向知识的实际应用；理论教学注重本课程与高等数学，信号与系统、工程光学、光学信息处理、信息光学等先修课程的联系，以图像处理典型需求作为本课程知识的应用背景，结合光学成像解释本课程的有关概念和原理，基于信息光学的基础知识掌握图像处理的分析、计算与设计。理论教学与课内上机实验相结合，进行数字图像处理方法的应用与训练。课程强调学生的自主学习，强调通过自学的方式消化、吸收课程的庞大知识量，并在此基础上举一反三。四、课程的基本内容与教学要求第1章数字图像处理的基本知识[教学目的与要求]：通过本章学习，了解图像处理及相关学科和领域、数字图像处理系统；掌握一些基本概念、数字图像及其表示，像素间的基本关系。[本章主要内容]：图像及图像处理的概念；数字图像的存储与读写；数字图像处理系统；数字图像处理应用；图像技术及相关学科简介[本章重点]：1.相关基本概念、图像处理的应用；2.数字图像处理应用；数字图像处理系统构成。[本章难点]：数字图像及其表示，像素间的基本关系第2章图像处理中的常用数学变换[教学目的与要求]：通过本章学习，掌握空域变换、傅里叶变换和性质，学习快速傅里叶变换的原理和方法，离散Gabor变换，以及PCA变换的原理和方法；熟悉离散余弦变换及其快速算法，了解小波变换以及图像变换的应用。[本章主要内容]：1．空域变换，包括代数运算和几何运算；2．傅里叶变换的概念和性质、快速傅里叶变换；3．离散Gabor变换的原理和方法；4．小波变换的原理和方法；5．PCA变换的原理和应用；6．离散余弦变换等其他几种可分离变换，以及应用[本章重点]：FT变换、其他的几种可分离变换。几种典型变换的的原理和特点。[本章难点]：小波变换及其性质、PCA变换。第3章图像增强[教学目的与要求]：通过本章学习，掌握灰度增强、图像平滑、图像锐化等基本概念、原理和实现的方法；了解伪彩色增强技术。[本章主要内容]：1．点运算，包括直方图均衡化和直方图规定化、灰度的线性和非线性变换；2．邻域运算，包括邻域平均法、Gauss平滑、中值滤波、梯度算子法、拉普拉斯算子等；3．频域增强，包括低通滤波、高通滤波、同态滤波等；4．彩色增强，包括颜色基础、颜色空间、伪彩色增强、真彩色增强等。[本章重点]：了解、识记：灰度的线性和非线性变换，彩色增强技术；掌握：直方图均衡化、图像平滑和锐化；[本章难点]：直方图增强、各种平滑和锐化算子。第4章图像复原[教学目的与要求]：通过本章学习，使掌握图像退化的数学模型、维纳滤波和有约束最小平方滤波；熟悉运动模糊和离焦模糊的复原方法；了解逆滤波、一些扩展知识。[本章主要内容]：1．图像退化的数学模型，包括空域表达和频域表达，重点是运动模糊和离焦模糊退化模型；2．无约束恢复，逆滤波；3．有约束恢复，包括维纳滤波和有约束最小平方恢复；4．图像恢复知识拓展[本章重点]：识记：基本概念、退化的原因等掌握：图像退化的数学模型、维纳滤波和有约束最小平方滤波；[本章难点]：利用维纳滤波和有约束最小平方恢复离焦和运动模糊图像。第5章图像压缩编码[教学目的与要求]：通过本章学习，理解编码实现图像压缩的原理；掌握几种简单的编码方法；了解相关的扩展知识以及编码标准。[本章主要内容]：图像压缩的基本原理；几种典型的编码方法，包括哈夫曼编码、算术编码等；无误差压缩编码；有误差压缩编码；图像压缩知识拓展；图像压缩的标准化。[本章重点]：基本概念、压缩标准；图像压缩的原理、典型的压缩编码方法；[本章难点]：哈夫曼编码、变换编码、预测编码等几种编码方法第6章图像分割[教学目的与要求]：通过本章学习，掌握灰度阈值分割法、边缘检测分割法、哈夫变换的原理和应用、熟悉区域生长法；了解分裂合并、模板匹配等方法。[本章主要内容]：灰度阈值分割法原理以及几种典型的选取阈值的方法；边缘检测分割法思想以及几种常用的检测算子，如Log算子，Sobel算子，拉氏算子等；基于区域的分割方法，如分裂合并、区域生长等；Hough变换的原理和应用；基于形态学的分割。[本章重点]：模板匹配、分裂合并、区域生长等几种分割方法，形态学分割方法；灰度阈值分割法原理、边缘检测分割法思想以及哈夫变换的原理和[本章难点]：双峰阈值分割、最大方差阈值分割；用Log、Sobel等几种边缘检测算子检测边缘实现分割第6章图像描述[教学目的与要求]：通过本章学习，掌握链码、骨架等几种表达方法，掌握傅里叶描述子、矩的描述方法；熟悉简单描述符、拓扑描述方法；了解形态学方法。[本章主要内容]：边界描述，包括曲线拟合、傅里叶描述子、链码等；区域描述，包括骨架、矩纹理等；形态学描述。[本章重点]：形态学方法，简单描述符、拓扑描述方法；掌握：链码、傅里叶描述子、矩的描述方法等；[本章难点]：链码、骨架等几种表达方法；傅里叶描述子、矩的描述方法五、课程学时分配讲课内容理论课学时上机学时1数字图像处理的基本知识422图像处理中的常用数学变换623图像增强624图像复原625图像压缩编码426图像分割227图像描述228数字图像技术应用系统设计22总计3216六、课程考核与成绩评定6.1考核方式考核环节包括课程学习过程考核和期末考试，其中课程过程考核占总成绩的20%，分别由课堂表现、课后作业、上机实验情况进行评定；期末考试成绩占总成绩的80%。各环节的比重如下。考核环节比重合计过程考核（平时成绩）课堂表现10%20%作业5%实验5%期末成绩期末测试80%80%总计100%100%6.2成绩评定1.课堂表现课堂表现总分10分，由课堂测试与课堂出勤情况评定。其中，课堂测试满分5分，以客观题（填空、选择、判断）为主，每学期随堂测试15~20次，每次测试1~2道题目，每答错一道题目扣0.5分（直到扣满5分为止）；课堂出勤满分5分，缺勤一次扣1分，迟到或请假扣0.5分。2.课后作业课后作业总分5分，由作业完成情况评定。每学期布置作业5次，每次作业占1分。3.实验成绩实验成绩占所学课程的5%，即5分。根据学生的实验表现及实验报告结果，进行综合评定。4.期末考试采用闭卷考试形式进行，期末成绩为百分制，计入总成绩时乘以80%，由教务处安排考试流程，考试内容须覆盖支撑全部毕业要求指标的授课内容，考试完成后在综合教务系统中按照设定的占比系数录入成绩。七、课程评价与持续改进7.1课程评价课程评价周期定为每1年评价一次。设置达成情况目标值，采用成绩分析法进行评价。课程达成评价根据光电信息科学与工程专业课程达成评价方法进行计算，评价结果用于持续改进。物理系负责人组织教师实施课程评价，制定持续改进措施，监督持续改进过程。课程负责人负责撰写课程考核总结报告，实施课程评价持续改进。7.2持续改进1）日常教学：根据学生学习情况，教师采取座谈会、与学生单独交流，及时调整教学方法、进度，做出教学改进。2）机房上机实验：根据学生上机编程情况，对学生理解图像处