《信息光学》课程教学大纲

《信息光学》课程教学大纲课程编号：04510664课程性质：专业方向课先修课程：大学物理学，信号与系统适合专业：电子科学与技术开设学期：第六学期考核方式：闭卷考试总学时数：72学分：4（一）课程性质和教学目标《信息光学》在教学计划中列为限制性选修课。信息光学是应用光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学学科，是信息科学的重要组成部分，也是现代光学的核心。本课程主要从两个方面介绍信息光学的基本内容：一是信息光学的基础理论，包括线性系统理论、标量衍射理论、传递函数理论等；二是信息光学的主要应用，包括光学全息、计算全息、空间滤波、光学相干和非相干处理等。通过本课程的学习使学生系统学习信息光学基础知识，培养学生理论联系实际，结合光学信息处理技术，开拓学生理论用于实践的方法和创新思路，提高学生解决实际问题的能力。为从事光学信息处理工作和近代光学信息处理技术的学习打下基础。（二）课程的目的与任务信息光学是近年来发展起来的一门新兴学科，它已渗透到科学技术的各个领域，成为信息科学和现代光学的重要分支，已经在医学诊断、工业检测、遥感测绘、宇航和军事侦察等领域得到重要的应用。其知识范围为线系统分析，衍射理论，相干光理论，光学变换，光全息和信息处理。信息光学是依据信息与电子科学教学指导委员会为电子科学与技术、电子信息工程等专业的培养目标而开设的。(三)理论教学的基本要求1．在具体教学过程中，根据不同章节的不同内容，可适当引进现代化教学手段，要因材施教，采用灵活有效的教学方法，既要使学生掌握信息光学的理论精髓，又要使学生体会和领略实验对信息学科的重要性和必要性，还要使学生学会采用必要的高等数学方法去分析和研究信息问题，培养学生的物理思维能力和解决实际信息光学问题的能力。2．信息光学应致力于对基本概念、基本规律的正确、严格的阐述，对某些难点作较详细的分析和深入的讨论，但也要注意因现代物理学发展条件的改变，某些概念可能有拓宽和演变，要充分利用信息光学与某些问题的联系，寻找与信息光学有关的光学、计算机、激光物理等其他自然科学的新发展，寻找适合的延伸点，介绍信息光学与工程、技术学科的密切相关的某些重要应用，要适当介绍一些信息光学建立和发展的的学科基础及有价值的背景资料，以提高学生科学素养，培养历史唯物主义和辩证唯物主义的基本观点。3．通过思考题、习题的习作，使学生加深对理论的认识，有意识地培养和提高严谨的分析能力，并使学生学会正确使用数学工具。此外，布置一些自找数据的估算和独立性较强的习题，对提高学生独立工作能力并培养物理思维能力也将大有脾益。（四）实践教学要求无。（五）教学学时分配数章次各章名称总学时学时分配讲课实验上机课外小计一数学预备知识888二标量衍射理论888三衍射积分的数值计算及应用666四衍射受限成像888五光学信息处理888六部分相干理论888七全息照相888八全息干涉计量444九数字全息666十光波分复用中的基本器件与网络888总计727272（六）大纲内容第一章数学预备知识一、教学目标熟悉常见的几种非初等函数，认识线性系统，二维线性不变系统。了解二维傅里叶变换，抽样定理。二、基本要求1．正确理解常用数学函数，卷积与相关。熟悉傅立叶变换性质及定理，并掌握线性系统分析和二维光波场分析的基本方法。2．本章是本课程的基础，要求学生在解决光学问题中能熟练运用其性质和定理，线性系统与光学系统的关联，加深对空间频率、空间频谱概念的理解。3.本章主要复习线性系统理论和傅里叶变换相关概念，初步了解线性系统理论研究光学系统相关理论和方法的条件和特点。三、教学内容§1.1．常用的几种非初等函数；§1.2．二维傅里叶变换§1.3．线性系统；§1.4．二维抽象定理。四、教学重、难点重点：二维线性不变系统的定义、传递函数以及本征函数。难点：掌握傅里叶变换性质和常用函数的傅里叶变换。第二章标量的衍射理论一、教学目标理解光波数学描述，复振幅分布的角谱及角谱传播，标量衍射的角谱理论。了解菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。二、基本要求1．掌握平面波空间频率的概念和计算方法；2．掌握标量衍射的角谱理论（基尔霍夫衍射、菲涅耳衍射和夫琅和费衍射）；3．掌握夫琅和费衍射与傅里叶变换关系；4.了解菲涅耳衍射与分数傅里叶变换关系。三、教学内容§2.1．光波的复函数表示；§2.2.标量衍射理论；§2.3．夫琅禾费衍射的计算实例；§2.4．菲涅耳衍射积分的计算及应用实例；§2.5.柯林斯公式。四、教学重、难点重点：平面波空间频率概念和标量衍射角谱理论。难点：基尔霍夫衍射公式的光学物理意义；复振幅分布和标量衍射理论的角谱理论物理意义。第三章衍射积分的数值计算及应用一、教学目标理解离散傅里叶变换，快速傅里叶变换。了解离散傅里叶变换与傅里叶变换的关系和菲涅耳衍射积分的快速傅里叶变换计算。基本要求1．掌握离散傅里叶变换及其与傅里叶变换的关系；2．理解菲涅耳衍射积分的快速傅里叶变换计算。掌握经典衍射公式及其快速傅里叶变换计算；3．了解柯林斯公式的计算。三、教学内容§3.1．离散傅里叶变换与傅里叶变换的关系；§3.2．菲涅耳衍射积分的快速傅里叶变换计算；§3.3．经典衍射公式及其快速傅里叶变换计算；§3.4．柯林斯公式的计算；§3.5．衍射数值计算的应用实例。四、教学重、难点重点：离散傅里叶变换及其与傅里叶变换的关系。难点：经典衍射公式及其快速傅里叶变换计算；柯林斯公式的计算。第四章衍射受限成像一、教学目标理解透镜的相位变换作用，透镜的傅里叶变换性质，透镜的一般变换性质。了解衍射受限系统相干传递函数CTF和光学传递函数OTF，CTF和OTF的关系，相干与非相干成像系统的比较。基本要求1．熟练掌握透镜的傅里叶变换性质，掌握透镜的一般变换特性；2．掌握光学系统相干传递函数CTF和光学传递函数OTF概念；3．典型光瞳CTF和OTF计算方法4.了解相干与非相干成像特性与比较。三、教学内容§4.1．透镜的光学变换性质；§4.2．衍射受限系统的相干光照明成像；§4.3．衍射受限系统的非相干照明成像；§4.4．相干成像与非相干成像的比较。四、教学重、难点重点：透镜的傅里叶变换特性和CTF、OTF概念。难点：相干与非相干成像及其比较。第五章光学信息处理教学目标掌握光学频谱分析系统和空间滤波系统，相干光学信息处理（图像相加减，光学微分，光学图像识别，图像消模糊等，合成孔径雷达），非相干光学处理（图像相加减，图像相关与卷积等）。基本要求1．掌握光学频谱分析系统和空间滤波系统工作原理；2．掌握典型相干光学信息处理方法原理；3.掌握典型非相干光学处理方法原理。三、教学内容§5.1.阿贝二次成像理论和阿贝一波特实验；§5.2.空间频率滤波系统和空间滤波器；§5.3.空间滤波器的应用实例；§5.4.相干光信息处理系统；§5.5.非相干光信息处理系统。四、教学重、难点重点：阿贝-波特实验原理。难点：相干与非相干光学信息处理中各种滤波器制作与信息处理原理。第六章部分相干理论一、教学目标理解光波场的数学描述，相干性的基本概念，互相干函数，时间相干，空间相干。了解互相干的传播，范西特-泽尼克定理。二、基本要求1．

掌握光波场的数学描述、相干性的基本概念，互相干函数，时间相干，空间相干。2．了解互相干的传播和范西特-泽尼克定理。三、教学内容§6.1．引言；§6.2．可见度；§6.3．互相干函数及相干度；§6.5．时间相干和空间相干；§5.6．恒星干涉仪。四、教学重、难点重点：光波场的数学描述。相干性的基本概念，互相干函数，时间相干，空间相干。难点：互相干的传播和范西特-泽尼克定理。第七章全息照相一、教学目标理解光学全息术基本原理。掌握同轴全息和离轴全息。二、基本要求1．掌握光学全息术基本原理。2．掌握同轴全息和离轴全息。3．了解各种全息图。三、教学内容§7.1．全息照相的基本原理；§7.2．几种其他主要类型的全息图；§7.3．全息照相的应用概况。教学重、难点重点：光学全息术基本原理。难点：同轴全息和离轴全息。第八章全息干涉计量一、教学目标正确理解实时全息法和双曝光法。了解时间平均法原理及其应用。磁感应强度。基本要求1．掌握实时全息法和双曝光法。2．了解时间平均法原理及其应用。三、教学内容§8.1．单曝光法或实时全息法；§8.2．二次曝光全息干涉计量或双曝光法；§8.3．时间平均法原理及其应用；§8.4．全息系统的智能化、小型化、多功能化。四、教学重、难点重点：单曝光法和二次曝光全息干涉计量。难点：时间平均法原理。第九章数字全息一、教学目标理解离轴数字全息及波前的1—FFT。了解数字全息在光学检测中的应用。基本要求1．理解离轴数字全息及波前的1—FFT。2．了解彩色数字全息。3．了解数字全息在光学检测中的应用。三、教学内容§9.1．离轴数字全息及波前的1—FFT重建；§9.2．1—FFT方法重建波前的噪声研究及消除；§9.3．基于虚拟数字全息图的波前重建；§9.4．彩色数字全息；§9.5．数字全息在光学检测中的应用。教学重、难点重点：离轴数字全息及波前的1—FFT重建和1—FFT方法重建波前的噪声研究及消除。难点：基于虚拟数字全息图的波前重建。第十章光波分复用中的基本器件与网络一、教学目标理解光波分复用中的基本原理，熟悉光波在光栅中的传播。基本要求1．本章的教学应注意以总结归纳的方式进行。2．了解光波在光栅中的传播和光纤布拉格光栅。3．了解光信号的发送、接收和放大。三、教学内容§10.1．光波在光纤中的传播；§10.2．光纤布拉格光栅；§10.3．光波在波导中的传播；§10.4．平面阵列波导光栅；§10.5．光信号的发送、接收和放大；§10.6．光波分复用网络。教学重、难点重点：光波分复用中的基本原理和光纤布拉格光栅。难点：光波在波导中的传播和光波分复用网络。（七）课程有关说明本大纲依据教科书编排和学生实际接受能力，选取教科书中与学生以前所学知识有关以及对后续学习起到关键作用的知识进行编排。本课程主要特点表现在以下几个方面：1．知识理论系统性较强——是指学习本课程需要有一定的基础理论、知识做铺垫，且又是学习后续专业课程的基础。2．基础理论比较成熟——虽然光信息器件应用发展很快，但基本的光学理论已经形成了相对稳定的体系。有限的学校教学，要把学习重点放在掌握“三基”及科学思维方式和分析方法上。3．实验是基础，高等数学是工具——信息光学是一门实验科学，要切实理解信息光学所遵循的基本规律是以实验为基础。掌握科学实验方法和技能，有效运用高等数学知识解决问题。(八）主要教学方法与考核本课程以课堂教学为主。在课程的教学过程中，运用启发式、讨论式、多媒体等教学方法，通过各个教学环节逐步培养学生具有抽象思维能力、逻辑推理能力和自学能力，并注意培养学生具有灵活运用所学知识去综合分析问题和解决问题的能力。本课程根据培养方案的要求，闭卷方式统一考试，重点考核本课程的基本概念，基本知识和基本技能及方法，该成绩占总成绩的70％，平时作业及课堂讨论占30%。(九）使用教材及主要参考书使用教材：《信息光学教程》李俊昌等编，科学出版社，2014年。主要参考书