光電賽題導(dǎo)入視角下的信息光學(xué)課程教學(xué)新思路的探索

孟云吉　焦錚

【摘 要】《信息光學(xué)》是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門必修課程。在當(dāng)前的教學(xué)過程中，存在公式推導(dǎo)偏多，理論和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不夠緊密以及學(xué)生參與度較低等諸多問題。針對(duì)這些問題，本文以課程中“點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)”這一核心概念為例，探索結(jié)合光電設(shè)計(jì)賽題來輔助教學(xué)的新思路，以期能加深學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】信息光學(xué);光電競(jìng)賽;點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

中圖分類號(hào)： O438 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0081-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.033

Combining Teaching and Competition-Exploration of New Ideals of Information Optics Course Teaching

MENG Yun-ji JIAO Zheng

（School of Information Engineering， Huangshan University， Huangshan Anhui 245041， China）

【Abstract】“Information Optics” is a compulsory course for Optoelectronic Information Science and Engineering. In the current teaching process， there exist many problems， such as a lot of formulation derivation， weak correction between theory and practical application， low degree of students participation， and so on. In response to these problems， this paper takes the core concept of “point spread function” in information optics as an example and explores new teaching ideals of combing teaching and competition， to deepen students learning interest.

【Key words】Information optics; Photoelectric competition; Point spread function

0 引言

在當(dāng)前應(yīng)用型“新工科”的大背景下，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的課程體系逐漸向?qū)嵺`型轉(zhuǎn)化，而其中理論性很強(qiáng)的基礎(chǔ)性課程（如信息光學(xué)）自然而然面臨教學(xué)模式轉(zhuǎn)換的問題。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的“滿堂灌”教學(xué)模式下，課程本身的應(yīng)用屬性被大量的公式推演所掩蓋[1]。學(xué)生也疲于應(yīng)付各種數(shù)學(xué)計(jì)算（如卷積、傅里葉級(jí)數(shù)、傅里葉變換），而忽略核心概念背后的物理意義，帶來的后果就是：在考試中，大部分同學(xué)只會(huì)那些機(jī)械套用的題目，而對(duì)那些需要建模、靈活處理的題目則束手無策，這在2013-2016級(jí)學(xué)生的課業(yè)試卷分析中有著清晰的體現(xiàn)。造成這一現(xiàn)象的原因除了上述教學(xué)模式的陳舊以外，我們還應(yīng)注意到以下幾點(diǎn)：

（1）課程自身的屬性：信息光學(xué)是一門理論性很強(qiáng)的課程。雖然我們能在保持課程完整性的前提下，通過不斷篩選上課內(nèi)容來課程的難度，但很顯然的是，我們不可能從根本上規(guī)避這一因素。

（2）學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱：這是當(dāng)前我們這類院校切換角色、弱化理論課程帶來的必然結(jié)果。我們可以花費(fèi)4個(gè)課時(shí)來幫學(xué)生補(bǔ)習(xí)和本課程相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，但這必然會(huì)壓縮課程自身的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)。

在當(dāng)前二本院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)化的大趨勢(shì)下，如何在一定程度上改善這一教學(xué)窘境成為一個(gè)亟待解決問題。本文擬探究一種教學(xué)競(jìng)賽相結(jié)合，以賽促教，以賽促學(xué)的理論課程教學(xué)新思路。

1 光電競(jìng)賽賽題分析和授課流程

為了具體闡述上述教學(xué)思路，我們選取信息光學(xué)中的核心概念“點(diǎn)擴(kuò)散”函數(shù)為例，來說明如何通過結(jié)合安徽省光電設(shè)計(jì)大賽“成像組”試題，讓這一生澀的概念鮮活起來。按照授課流程，第一步，我們向?qū)W生展示近兩屆的試題如下：

第一屆：?jiǎn)瓮哥R構(gòu)建的最佳成像系統(tǒng)：使用給定的雙凸透鏡及CMOS圖像傳感器，運(yùn)用光電及圖像處理技術(shù)。

第二屆：穿透毛玻璃的可見光成像系統(tǒng)：使用給定的雙凸透鏡及CMOS相機(jī)，透過毛玻璃對(duì)目標(biāo)物體成像。這一環(huán)節(jié)的作用在于激起學(xué)生的探究興趣：毛玻璃這類高散射介質(zhì)環(huán)境下能否獲得清晰的像？

第二步，我們對(duì)問題進(jìn)行初步的分析：這兩道試題都是考察光學(xué)中經(jīng)典的“成像”問題。在當(dāng)前的課程體系中，解決這一問題的途徑有兩個(gè)：（1）空域視角下的幾何光學(xué)方法，主要的輔助工具是Zemax類的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件[2];（2）頻域視角下的信息光學(xué)方法，主要的輔助工具是MATLAB類的科學(xué)計(jì)算軟件[3]，并給學(xué)生展示學(xué)長(zhǎng)們參賽時(shí)所獲得的圖片如下：

從圖1，我們不難發(fā)現(xiàn)，在單透鏡成像系統(tǒng)中，我們得到較清晰的像[圖1（a）]，而在高散射環(huán)境下，成像效果則很差[圖1（b）]。在這我們給學(xué)生設(shè)置幾個(gè)開放性的問題：（1）造成兩幅圖成像質(zhì)量差別如此之大的原因是什么;（2）有何手段能消弭圖1（b）中的霧化效果。這一步的目的在于讓學(xué)生回憶已修主干課程（工程光學(xué)1和光學(xué)系統(tǒng)CAD）的同時(shí)，也引出教材的第三章：光學(xué)成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（以蘇顯渝版《信息光學(xué)》為例），進(jìn)而進(jìn)一步激起學(xué)生的興趣。

第三步，正式導(dǎo)入課程內(nèi)容

（1）點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point spread function）的引入

我們都知道任意的平面物場(chǎng)分布都可視作是無數(shù)小面元的組合，且單個(gè)小面元都可以用加權(quán)的Delta函數(shù)來表征。對(duì)于成像系統(tǒng)而言，如果我們能確定單個(gè)面源的成像規(guī)律，則可依據(jù)線性系統(tǒng)的均勻疊加性來獲得任意物面光場(chǎng)分布通過系統(tǒng)后所形成的像面光場(chǎng)分布[4]。因此成像問題的核心在于求解單位脈沖輸入在像平面上的對(duì)應(yīng)輸出h（xo，yo;xi，yi），其中（xo，yo）是物平面，（xi，yi）是像平面。

（2）常見的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

首先以第一屆試題中的單透鏡成像系統(tǒng)為例，我們得到其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為

但需要強(qiáng)調(diào)的是在講授過程中，我們更注重向?qū)W生細(xì)致地介紹模型的構(gòu)建以及消去相位因子的理論合理性。接下來，我們考慮由更多光學(xué)器件組成的衍射受限系統(tǒng)，在不計(jì)像差的情況下，與其相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為

比較以上兩者，我們不難發(fā)現(xiàn)，它們的共同點(diǎn)是都是光學(xué)系統(tǒng)孔徑函數(shù)（前者是透鏡孔徑，而后者是出瞳）的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣，而不同點(diǎn)是常數(shù)系數(shù)的差別（映射到CMOS接收端，則是光強(qiáng)的差別）。

（3）成像規(guī)律

在解決了點(diǎn)物成像問題后，討論自然而然延拓到面物成像上來。如果物面上任意兩個(gè)脈沖是相干的，則我們可以得到像面光場(chǎng)分布為

其中是幾何光學(xué)預(yù)言的理想像。以這兩屆試題為例，我們可以將圖1（a）看作是理想像的光強(qiáng)分布，而圖1（b）則是實(shí)際觀察到的像面光場(chǎng)的強(qiáng)度分布。

到此，我們就完成了光電試題和核心知識(shí)點(diǎn)之間的映射關(guān)系，能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有著更明晰、直觀、具象化的認(rèn)識(shí)，而不再迷失于大量繁復(fù)公式的堆砌中。更重要的是，通過這兩例光電試題，我們還讓學(xué)生在串起自己所學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)（從空域視角的幾何光學(xué)到頻域視角的信息光學(xué)），還鍛煉了軟件使用能力（Zeemax和MATLAB）。

2 總結(jié)

本文概述了應(yīng)用型背景下信息光學(xué)課程教學(xué)所面臨的困境，并簡(jiǎn)要地分析了產(chǎn)生原因和對(duì)應(yīng)的解決方案。最重要的是，我們以信息光學(xué)中“點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)”這一核心概念為例，探索光電競(jìng)賽試題導(dǎo)入視角下的教學(xué)新模式，讓學(xué)生有的放矢的學(xué)習(xí)理論知識(shí)，且能鍛煉學(xué)生軟件使用能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭繼紅，陳家壁.培養(yǎng)興趣，引導(dǎo)創(chuàng)新——《信息光學(xué)》理論教學(xué)改革實(shí)踐[J].光學(xué)技術(shù)，2007（33）：317-319.

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[4]蘇顯渝.信息光學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011：42-46.