《光電子學(xué)》課程教學(xué)大綱

《光電子學(xué)》課程教學(xué)大綱課程名稱：光電子學(xué) 課程編號：F098091621英文名稱：Optoelectronics學(xué)時：48學(xué)時 學(xué)分：3學(xué)分開課學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程/應(yīng)用物理學(xué)課程類別：理論課課程性質(zhì)：專業(yè)核心課先修課程：電磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)一、課程的性質(zhì)及任務(wù)光電子技術(shù)是光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門技術(shù)，主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)，以光源激光化、傳輸波導(dǎo)（光纖）化、手段電子化、現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法光學(xué)化為特征，是一門新興的綜合性交叉學(xué)科。學(xué)習(xí)本課程的主要目的是：為學(xué)生今后從事現(xiàn)代信息光學(xué)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、光通信技術(shù)、光信號探測技術(shù)、光信息存儲與處理技術(shù)、顯示技術(shù)及光計算等方面學(xué)習(xí)與工作打下基礎(chǔ)。依據(jù)河北工程大學(xué)光電信息科學(xué)與工程和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：掌握電光調(diào)制原理和方法，能夠?qū)怆娤嚓P(guān)器件或功能實現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計。掌握平面介質(zhì)波導(dǎo)中模式數(shù)計算、單模波導(dǎo)厚度設(shè)計和圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)單模條件及數(shù)值孔徑與最大入射角計算，能夠進(jìn)行單模波導(dǎo)厚度設(shè)計。掌握幾種典型光電探測器結(jié)構(gòu)和工作原理，能夠進(jìn)行光電相關(guān)器件或功能實現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計；掌握電光效應(yīng)和發(fā)光機(jī)制，能夠進(jìn)行原理分析。掌握光纖連接器主要指標(biāo)和影響插損因素；掌握光衰減器工作原理，分析和設(shè)計液晶型光衰減器。掌握光信息存儲新技術(shù)的發(fā)展方向，能夠?qū)﹄娮臃@光存儲技術(shù)原理進(jìn)行分析。二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)理解光電子技術(shù)概念，了解光電子技術(shù)的發(fā)展史，了解光電子器件及光電子技術(shù)的應(yīng)用。強(qiáng)化科學(xué)倫理教育，注重科學(xué)思維方法訓(xùn)練和科學(xué)精神培養(yǎng)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的的能光學(xué)基礎(chǔ)知識；掌握麥克斯韋方程、電介質(zhì)的特性；掌握電介質(zhì)的特性和分類；理解波動方程的推導(dǎo)過程；掌握各種光波的電磁表示和高斯光束的特性。掌握平面介質(zhì)光波導(dǎo)中光場特性；掌握電磁場在三層波導(dǎo)中的分布情況；掌握得出光波導(dǎo)中光導(dǎo)波傳播情況的方法；掌握光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，掌握光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析；掌握光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析；掌握階躍光纖光導(dǎo)波物理分析方法和了解光纖色散與脈沖展寬；掌握平面介質(zhì)波導(dǎo)中模式數(shù)計算、單模波導(dǎo)厚度設(shè)計和圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)單模條件及數(shù)值孔徑與最大入射角計算。了解晶體的基本性質(zhì)；掌握晶體光學(xué)特性的幾何表示；掌握電光調(diào)制原理及方法；掌握電光調(diào)制原理及方法；掌握聲光調(diào)制的原理及方法；理解磁光調(diào)制的原理。掌握光電探測器的性能參數(shù)；理解光電探測方式；掌握光電探測器的物理效應(yīng)；掌握幾種典型光電探測器結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握光探測器性能參數(shù)和部分光電探測器應(yīng)用。了解光電顯示基礎(chǔ)；掌握陰極射線顯示原理、陰極射線管結(jié)構(gòu)及其各部分在顯示中的作用；了解液晶的分類及特性；掌握液晶電光效應(yīng)；了解氣體放電物理基礎(chǔ)、等離子體顯示原理及其顯示器結(jié)構(gòu)與功用；了解場致發(fā)光顯示分類；掌握OLED的發(fā)光機(jī)制。掌握光纖連接器主要指標(biāo)和影響插損的因素；了解連接器類型和改進(jìn)回波損耗的方法；了解光耦合器特性參數(shù)與模式變化；掌握光衰減器工作原理；了解光衰減器性能；了解光耦合器特性參數(shù)與模式變化；了解光波分復(fù)用器特性和工作原理；了解光隔離器特性和工作原理；了解光開關(guān)特性參數(shù)和類型。了解光存儲與光盤特點、只讀存儲光盤存儲原理與光盤制備；了解一次寫入光盤寫入方式、對存儲介質(zhì)的要求和其存儲原理；掌握可擦重寫光盤存儲原理；了解光盤襯盤材料；掌握光信息存儲新技術(shù)的發(fā)展方向；理解光信息存儲新技術(shù)基本原理，但掌握電子俘獲光存儲技術(shù)原理。

數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院本科課程教學(xué)大綱.4目標(biāo)達(dá)成度的評價課程目標(biāo)1主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課堂測試、課后作業(yè)和期末考試中概念性、原理性題目進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。課程目標(biāo)2、3、4主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)、課后作業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)，在課內(nèi)上機(jī)實驗有應(yīng)用要求。主要通過課堂測試，課后作業(yè)和期末考試中數(shù)字圖像處理原理和方法類題目進(jìn)行考核，在上機(jī)實驗中體現(xiàn)為能自己進(jìn)行數(shù)字圖像處理。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。課程目標(biāo)5主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課內(nèi)上機(jī)實驗中有應(yīng)用要求。主要通過課堂測試彩色圖象處理類題目進(jìn)行考核，在上機(jī)實驗中體現(xiàn)為能進(jìn)行簡單的彩色圖象處理。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。課程目標(biāo)6、7主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)。主要通過期末考試中形態(tài)學(xué)和圖象分割、識別類題目進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，以上機(jī)實驗為輔，面向基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)確、扎實掌握，突出對原理的分析、對方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立，并進(jìn)行上機(jī)實驗驗證；理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)將各種數(shù)字圖像處理方法與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系，面向知識的實際應(yīng)用；理論教學(xué)注重本課程與高等數(shù)學(xué)，信號與系統(tǒng)、工程光學(xué)、光學(xué)信息處理、信息光學(xué)等先修課程的聯(lián)系，以圖像處理典型需求作為本課程知識的應(yīng)用背景，結(jié)合光學(xué)成像解釋本課程的有關(guān)概念和原理，基于信息光學(xué)的基礎(chǔ)知識掌握圖像處理的分析、計算與設(shè)計。理論教學(xué)與課內(nèi)上機(jī)實驗相結(jié)合，進(jìn)行數(shù)字圖像處理方法的應(yīng)用與訓(xùn)練。課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)通過自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第1章數(shù)字圖像處理的基本知識[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，了解圖像處理及相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)；掌握一些基本概念、數(shù)字圖像及其表示，像素間的基本關(guān)系。[本章主要內(nèi)容]：圖像及圖像處理的概念；數(shù)字圖像的存儲與讀寫；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)；數(shù)字圖像處理應(yīng)用；圖像技術(shù)及相關(guān)學(xué)科簡介[本章重點]：1.相關(guān)基本概念、圖像處理的應(yīng)用；2.數(shù)字圖像處理應(yīng)用；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成。[本章難點]：數(shù)字圖像及其表示，像素間的基本關(guān)系第2章圖像處理中的常用數(shù)學(xué)變換[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，掌握空域變換、傅里葉變換和性質(zhì)，學(xué)習(xí)快速傅里葉變換的原理和方法，離散Gabor變換，以及PCA變換的原理和方法；熟悉離散余弦變換及其快速算法，了解小波變換以及圖像變換的應(yīng)用。[本章主要內(nèi)容]：1．空域變換，包括代數(shù)運(yùn)算和幾何運(yùn)算；2．傅里葉變換的概念和性質(zhì)、快速傅里葉變換；3．離散Gabor變換的原理和方法；4．小波變換的原理和方法；5．PCA變換的原理和應(yīng)用；6．離散余弦變換等其他幾種可分離變換，以及應(yīng)用[本章重點]：FT變換、其他的幾種可分離變換。幾種典型變換的的原理和特點。[本章難點]：小波變換及其性質(zhì)、PCA變換。第3章圖像增強(qiáng)[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，掌握灰度增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化等基本概念、原理和實現(xiàn)的方法；了解偽彩色增強(qiáng)技術(shù)。[本章主要內(nèi)容]：1．點運(yùn)算，包括直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化、灰度的線性和非線性變換；2．鄰域運(yùn)算，包括鄰域平均法、Gauss平滑、中值濾波、梯度算子法、拉普拉斯算子等；3．頻域增強(qiáng)，包括低通濾波、高通濾波、同態(tài)濾波等；4．彩色增強(qiáng)，包括顏色基礎(chǔ)、顏色空間、偽彩色增強(qiáng)、真彩色增強(qiáng)等。[本章重點]：了解、識記：灰度的線性和非線性變換，彩色增強(qiáng)技術(shù)；掌握：直方圖均衡化、圖像平滑和銳化；[本章難點]：直方圖增強(qiáng)、各種平滑和銳化算子。第4章圖像復(fù)原[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，使掌握圖像退化的數(shù)學(xué)模型、維納濾波和有約束最小平方濾波；熟悉運(yùn)動模糊和離焦模糊的復(fù)原方法；了解逆濾波、一些擴(kuò)展知識。[本章主要內(nèi)容]：1．圖像退化的數(shù)學(xué)模型，包括空域表達(dá)和頻域表達(dá)，重點是運(yùn)動模糊和離焦模糊退化模型；2．無約束恢復(fù)，逆濾波；3．有約束恢復(fù)，包括維納濾波和有約束最小平方恢復(fù)；4．圖像恢復(fù)知識拓展[本章重點]：識記：基本概念、退化的原因等掌握：圖像退化的數(shù)學(xué)模型、維納濾波和有約束最小平方濾波；[本章難點]：利用維納濾波和有約束最小平方恢復(fù)離焦和運(yùn)動模糊圖像。第5章圖像壓縮編碼[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，理解編碼實現(xiàn)圖像壓縮的原理；掌握幾種簡單的編碼方法；了解相關(guān)的擴(kuò)展知識以及編碼標(biāo)準(zhǔn)。[本章主要內(nèi)容]：圖像壓縮的基本原理；幾種典型的編碼方法，包括哈夫曼編碼、算術(shù)編碼等；無誤差壓縮編碼；有誤差壓縮編碼；圖像壓縮知識拓展；圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)化。[本章重點]：基本概念、壓縮標(biāo)準(zhǔn)；圖像壓縮的原理、典型的壓縮編碼方法；[本章難點]：哈夫曼編碼、變換編碼、預(yù)測編碼等幾種編碼方法第6章圖像分割[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，掌握灰度閾值分割法、邊緣檢測分割法、哈夫變換的原理和應(yīng)用、熟悉區(qū)域生長法；了解分裂合并、模板匹配等方法。[本章主要內(nèi)容]：灰度閾值分割法原理以及幾種典型的選取閾值的方法；邊緣檢測分割法思想以及幾種常用的檢測算子，如Log算子，Sobel算子，拉氏算子等；基于區(qū)域的分割方法，如分裂合并、區(qū)域生長等；Hough變換的原理和應(yīng)用；基于形態(tài)學(xué)的分割。[本章重點]：模板匹配、分裂合并、區(qū)域生長等幾種分割方法，形態(tài)學(xué)分割方法；灰度閾值分割法原理、邊緣檢測分割法思想以及哈夫變換的原理和[本章難點]：雙峰閾值分割、最大方差閾值分割；用Log、Sobel等幾種邊緣檢測算子檢測邊緣實現(xiàn)分割第6章圖像描述[教學(xué)目的與要求]：通過本章學(xué)習(xí)，掌握鏈碼、骨架等幾種表達(dá)方法，掌握傅里葉描述子、矩的描述方法；熟悉簡單描述符、拓?fù)涿枋龇椒?；了解形態(tài)學(xué)方法。[本章主要內(nèi)容]：邊界描述，包括曲線擬合、傅里葉描述子、鏈碼等；區(qū)域描述，包括骨架、矩紋理等；形態(tài)學(xué)描述。[本章重點]：形態(tài)學(xué)方法，簡單描述符、拓?fù)涿枋龇椒ǎ徽莆眨烘湸a、傅里葉描述子、矩的描述方法等；[本章難點]：鏈碼、骨架等幾種表達(dá)方法；傅里葉描述子、矩的描述方法五、課程學(xué)時分配講課內(nèi)容理論課學(xué)時上機(jī)學(xué)時1數(shù)字圖像處理的基本知識422圖像處理中的常用數(shù)學(xué)變換623圖像增強(qiáng)624圖像復(fù)原625圖像壓縮編碼426圖像分割227圖像描述228數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計22總計3216六、課程考核與成績評定6.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學(xué)習(xí)過程考核和期末考試，其中課程過程考核占總成績的20%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、上機(jī)實驗情況進(jìn)行評定；期末考試成績占總成績的80%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現(xiàn)10%20%作業(yè)5%實驗5%期末成績期末測試80%80%總計100%100%6.2成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分10分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分5分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學(xué)期隨堂測試15~20次，每次測試1~2道題目，每答錯一道題目扣0.5分（直到扣滿5分為止）；課堂出勤滿分5分，缺勤一次扣1分，遲到或請假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分5分，由作業(yè)完成情況評定。每學(xué)期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占1分。3.實驗成績實驗成績占所學(xué)課程的5%，即5分。根據(jù)學(xué)生的實驗表現(xiàn)及實驗報告結(jié)果，進(jìn)行綜合評定。4.期末考試采用閉卷考試形式進(jìn)行，期末成績?yōu)榘俜种?，計入總成績時乘以80%，由教務(wù)處安排考試流程，考試內(nèi)容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標(biāo)的授課內(nèi)容，考試完成后在綜合教務(wù)系統(tǒng)中按照設(shè)定的占比系數(shù)錄入成績。七、課程評價與持續(xù)改進(jìn)7.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績分析法進(jìn)行評價。課程達(dá)成評價根據(jù)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)課程達(dá)成評價方法進(jìn)行計算，評價結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。物理系負(fù)責(zé)人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報告，實施課程評價持續(xù)改進(jìn)。7.2持續(xù)改進(jìn)1）日常教學(xué)：根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師采取座談會、與學(xué)生單獨交流，及時調(diào)整教學(xué)方法、進(jìn)度，做出教學(xué)改進(jìn)。2）機(jī)房上機(jī)實驗：根據(jù)學(xué)生上機(jī)編程情況，對學(xué)生理解圖像處