《信息光学》教学大纲
（理论课程及实验课程适用）
一、课程信息
课程名称（中文）：信息光学
课程名称（英文）：Information Optics
课程类别：专业方向课
课程性质：必修
计划学时：48 （其中课内学时：48 ，课外学时：0 ）
计划学分： 3
先修课程：物理光学、波动光学、高等数学
选用教材：《信息光学》第二版，苏显渝主编，科学出版社，2011；非自编；“十一五”
国家级规划教材
开课院部：理学院
适用专业：光电信息科学与工程专业
课程负责人：郭焱
课程网站：
二、课程简介（中英文）
《信息光学》是光电信息科学与工程专业的一门必修课程。信息光学是近年来发展起来一门新兴学科，它已渗透到科学技术的各个领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越广泛的应用。本课程主要内容有线性系统分析，标量衍射理论，光学成像系统的传递函数，相干光理论，光学变换，光全息和信息处理。本课程要求学生掌握线性系统理论、标量衍射理论和光学成像系统理论，初步掌握全息技术、光信息处理技术，了解光信息存储、光学三维传感等前沿领域的技术原理。通过学习本课程，使学生从频域复习和巩固《应用光学》和《物理光学》的部分内容，掌握傅里叶变换的基本定理及应用，熟练使用空间滤波系统和理论来进行光学信息处理。
Information optics is a required course for the specialty of photoelectric information science and engineering. Information optics is a new subject in recent years, it has penetrated into all fields of science and technology, and become an important branch of information science, and it has been widely used in the field of information science. The main contents of this course are linear system analysis, scalar diffraction theory, optical imaging system transfer function, coherent light theory, optical transformation, optical holography and information processing. This course requires students to master the linear system theory, the scalar diffraction theory and optical imaging system theory, preliminary master holographic technology, optical information processing technology and understanding of optical information storage, optical 3D sensing frontier technology principle. Through the study of this course, to enable students to grasp basic theorem and application of Fourier transform from the frequency domain to review and consolidate "Applied Optics" and "physical optics" part of the contents of, skilled in the use of spatial filtering system and the theory of optical information processing.
三、课程教学要求
序号专业毕业要求课程教学要求关联程度
1 工程知识
2 问题分析能够应用数学和衍射的角谱理论分析复杂信息光学问
题，以获得有效结论。
H
3 设计/开发解决方案
4 研究能够采用图像处理方法对复杂工程问题进行研究，包括
设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理
有效的结论。
H
5 使用现代工具运用matlab等编程语言实现全息图制作H
6 工程与社会
7 环境和可持续发展
8 职业规范
9 个人和团队
10 沟通
11 项目管理
12 终身学习除教材外，应给学生指定相关的参考书，以拓宽学生的
知识面。
M
注：“课程教学要求”栏中内容为针对该课程适用专业的专业毕业要求与相关教学要求的具体描述。“关联程度”栏中字母表示二者关联程度。关联程度按高关联、中关联、低关联三档分别表示为“H”“M”或“L”。“课程教学要求”及“关联程度”中的空白栏表示该课程与所对应的专业毕业要求条目不相关。
四、课程教学内容
章节名称主要内容重难点关键词学时类型
一二维线性
系统分析
1.常用的非初等函数
2.二维Fourier变换及定理
3. 卷积与相关等运算
4. 线性系统分析
1. 相关运算
2. 线性系统分
析概念理解
3. Fourier变换
8
理论
讲授、
习题
二标量衍射
理论
1. 基尔霍夫衍射理论基础
2. 菲涅尔衍射公式
3. 夫琅和费衍射公式
4. 衍射的角谱理论
1. 菲涅尔衍射
公式推导
2. 理解角谱理
论
12
理论
讲授、
习题、
上机
三光学成像
系统的频
率特性
1. 透镜的Fourier变换性质
2. 衍射受限系统在相干照明与非相干
照明下的点扩散函数与传递函数。
3. 非相干照明下的点扩散函数与传递
函数。
1.透镜的傅里叶
变换性质
2. 相干传递函
数
3. 非相干传递
函数
8
理论
讲授、
习题
四光学全息1. 光学全息过程中光波记录与再现的
基本理论
2. 菲涅尔全息
3. 傅里叶变换全息
1.光波的记录和
再现
2.菲涅尔全息
3.傅里叶变换全
息
10
理论
讲授、
习题、
上机
五光学信息
处理
1.空间滤波
2.相干光学处理
3.非相干光学处理
1.空间滤波的基
本原理
2.3镜4f系统
3. 图像相减
4.切趾术
10
理论
讲授、
习题
五、考核要求及成绩评定
序号成绩类别考核方式考核要求权重（%）备注
1 期末成绩期末考试闭卷70 百分制，60分为及格
2
平时成绩平时和上
机表现、
作业与出
勤情况
30 3次未参加课程则无法获得学分
3
4
5
注：此表中内容为该课程的全部考核方式及其相关信息。
六、学生学习建议
（一）学习方法建议
1.理论与实验相结合，通过实验加强对基本理论的掌握和理解。
2.在网上观看相关国家级或省级精品资源共享课或视频公开课。
（二）学生课外阅读参考资料
1.《信息光学原理》，苏显渝，吕乃光，陈家壁编著，电子工业出版社，2010年12月
2.《信息光学理论与应用》，王仕璠，北京邮电大学出版社，2009年2月
3.《傅里叶光学》，吕乃光，机械工业出版社，2006.3
4.《光学信息技术原理及应用》，陈家壁，苏显渝等，高等教育出版社，2002
5.《近代光学信息处理》，宋菲君，S.Jutamulia,北京大学出版社，1998
七、课程改革与建设（选填）
制订人签字：郭焱教研室主任
签字：
骆文院部负责人
签字：
戴祖旭
修订时间：2016 年 5 月15 日
《物理光学》课程教学大纲 课程编码：MF 课程名称：物理光学 课程英文名称：Physical Optics 总学时：50 讲课学时：50 实验学时：上机学时：课外辅导学时：学分：3.0 开课单位：航天学院光电子信息科学与技术系 授课对象：电子科学与技术专业本科生 开课学期：2春 先修课程：工科数学分析、大学物理、电动力学 主要教材及参考书： 教材：《物理光学与应用光学》石顺祥等编著，西安电子科技大学出版社，2008。 参考书：1、Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press, 1999；2、《物理光学》（第三版），梁铨廷，电子工业出版社，2008年4月；3、《物理光学学习指导与解题》刘翠红编著，电子工业出版社，2009。 一、课程教学目的 光学是研究光的本性，光的产生、传播、接收，以及光与物质相互作用的科学；同时又是与现代科学技术以及现代工程有紧密联系的一门学科。本课程作为一门重要的专业基础课，以光的电磁理论为理论基础，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，以及光的吸收、色散、散射现象。其教学目的是使学生深入了解并熟练掌握物理光学的重要知识，掌握重要的分析问题的方法，培养学生运用光学知识，解决后续课程以及今后工作中所遇有关问题的能力。
二、教学内容及基本要求 1. 本门课程的教学内容 第一章光在各向同性介质中的传播特性（共10学时） 光波的特性：光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程、物质方程；几种特殊形式的光波；光波场的时域频率谱；相速度和群速度；光波场的空间频率与空间频率谱；光波的横波性、偏振态及其表示。光波在介质界面上的反射和折射：包括反射和折射定律；菲涅耳公式；反射率和透射率；反射和折射的相位特性；反射和折射的偏振特性；全反射。光波在金属表面上的反射和折射等。 第二章光的干涉（共10学时） 双光束干涉；平行平板的多光束干涉；典型干涉仪及其应用；光的相干性理论。 第三章光的衍射（共10学时） 衍射的基本理论：包括光的衍射现象；惠更斯—菲涅耳原理；基尔霍夫衍射公式。夫琅和费衍射：包括夫琅和费衍射装置；矩孔、单缝、多缝以及圆孔的夫琅和费衍射；巴俾涅原理。菲涅耳衍射：包括圆孔和直边菲涅耳衍射。衍射的应用和傅立叶光学基础等。 第四章光波在各向异性介质中的传播特性（共10学时） 晶体的光学各向异性：包括张量的基础知识；晶体的介电张量。单色平面光波在晶体中的传播：包括光波在晶体中传播的解析法和几何法描述。平面光波在晶体界面上反射和折射。晶体光学元件及晶体的偏光干涉等。 第五章晶体的感应双折射（共4学时） 晶体的电光效应（原理及应用）、声光效应和旋光效应（自然旋光现象、菲涅耳的解释、磁致旋光效应、应用）。
信息光学习题答案 第一章 线性系统分析 1、1 简要说明以下系统就是否有线性与平移不变性、 (１) (2) (3） (4） (5） 解：（１）线性、平移不变; (2）线性、平移不变; （3）非线性、平移不变; （4）线性、平移不变； （5）线性、非平移不变。 1、２ 证明 证明:左边＝∑∑∑∞ -∞ =∞-∞=∞-∞=-=??? ???-=??? ??-=??? ??n n n n x n x n x x comb )2(2)2(2122δδδ ∑∑∑∑∑∑∞ -∞ =∞ -∞ =∞ -∞=∞ -∞=∞ -∞ =∞ -∞ =--+-= -+-=-+-= +=n n n n n n n n x n x n x jn n x n x x j n x x j x comb x comb ) () 1()() ()exp()() ()exp()()exp()()(δδδπδδπδπ右边 当n 为奇数时，右边=0,当n 为偶数时,右边＝ 所以当n 为偶数时,左右两边相等。 1、3 证明 证明:根据复合函数形式得δ函数公式 式中就是h （x)=０得根，表示在处得导数.于就是 1、4 计算图题1、1所示得两函数得一维卷积。 解:设卷积为g （x)。当—１≤ｘ≤０时，如图题1、1（a ）所示, 图题１、1 当０ < x ≤１时,如图题1、1(b)所示， 即
1、5 计算下列一维卷积。 （1） （２) (3） 解：(1)?? ? ??-=??? ??-*??? ??-=??? ??-*-25.22121232121)32(x rect x rect x x rect x δδ (2)设卷积为ｇ（x)，当x ≤０时，如图题1、2(a ）所示， 当0 〈 x 时,如图题1、2(b ）所示 图题1、2 即 （３） １、６ 已知得傅立叶变换为,试求 （1） （2) 解:设 即 由坐标缩放性质 得 （1)(){}{} )ex p()ex p(/ex p(ex p 2222 2 ξπππππ-=-=-?=-?z y x （2） 1、7 计算积分、(1） （2) 解：应用广义巴塞伐定理可得 （１)3 2)1()1()()()(sin )(sin 1 2 1 2 2 2 = -++=ΛΛ= ???? -∞ ∞ -∞ ∞-ξξξξξξξd d d dx x c x c (2）????????? ?? -Λ+??? ??+Λ=???∞∞ -∞∞-∞ ∞-ξξδξξξδξπd d xdx x c 21)(21)(21cos )(sin 2 １、8 应用卷积定理求得傅里叶变换、 解:{}{}{}?? ? ??*= ?*?=?2)(21)2(sin )(sin )2(sin )(sin ξξrect rect x c x c x c x c
第五章 习题解答 5．1两束夹角为 θ = 450的平面波在记录平面上产生干涉，已知光波波长为632.8nm ，求对称情况下（两平面波的入射角相等）该平面上记录的全息光栅的空间频率。 答：已知：θ = 450，λ= 632.8nm ，根据平面波相干原理，干涉条纹的空间分布满足关系式 2 d sin （θ/2）= λ 其中d 是干涉条纹间隔。由于两平面波相对于全息干板是对称入射的，故记录 在干板上的全息光栅空间频率为 f x = （1/d ）= （1/λ）·2 sin （θ/2）= 1209.5 l /mm 故全息光栅的空间频率为1209.5 l /mm 。 5．2 如图5.33所示，点光源A （0，-40，-150）和B （0，30，-100）发出的球面波在记录平面上产生干涉： x z 图5.33 （5.2题图） （1） 写出两个球面波在记录平面上复振幅分布的表达式； 答：设：点源A 、B 发出的球面波在记录平面上的复振幅分布分别为U A 和U B ， 则有 ()[{]}2 2--22 )()()/(e x p e x p A A A A A A y y x x z jk jkz a U += ()[{]}22--22)()()/(exp exp B B B B B B y y x x z jk jkz a U += 其中: x A = x B = 0, y A = -40, z A = -150, y B = 30, z B = -100; a A 、a B 分别是球面波的振幅；k 为波数。 （2） 写出干涉条纹强度分布的表达式； I = |U A +U B |2 = U A ·U A * + U B ·U B * +U A *·U B + U A ·U B *
《光学》教学大纲 课程编号： 课程名称：光学 英文名称：Optics 学分：4 总学时：72 实验（上机）学时： 适用年级专业（学科类）：物理专业及相关专业,二年级第一、二学期 一、课程说明 （一）编写本大纲的指导思想 为适应我校学分制教学计划的要求，体现科学性、思想性和实践性的基本要求，建立严谨的教学体系，特制定本大纲。 （二）课程目的和要求 光学是普通物理中一个重要组成部分.通过本门课程的教学，使学生系统地掌握光的基本性质,基本原理和基本知识。培养学生分析问题和解决问题的能力，本门课程一方面为后继课程的学习和专业训练提供必要的准备，另一方为学生将来从事科学研究,教学和其他工作打下良好的基础。作为物理学的基本课程，应着重要求学生掌握物理学的基本概念和基本规律,使学生建立起鲜明的物理图象。 在教学中，还应通过分析、概括丰富的自然现象,联系科学发展和生产实际中的有关事例,注意采用演示实验、多媒体教学等手段，以及加强习题运算,课堂讨论等多种形式,贯彻理论联系实际的原则. 了解光学的最新发展，体会到综合运用基础物理学知识联系实际、思索问题和解决问题的乐趣。（三）教学的重点、难点： 重点:共轴球面组成像光的干涉、衍射和偏振的基本原理及典型应用。 难点:运用菲涅耳公式解释半波损失问题偏振光的干涉旋光现象解释。 （四）知识范围及与相关课程的关系 本课程研究光的传播规律以及光和物质相互作用问题. 学习本课程，应具备高等数学、力学及电磁学的基本理论。同时本课程又与原子物理、电动力学、量子力学、激光原理、光纤通信、信息光电子学等后继课程有密切关系。 （五）教材及教学参考书的选用 1、《光学》(上、下册), 赵凯华钟锡华,北京大学出版社，1996第五次印刷； 2、《光学》，易明，高等教育出版社，1999年10月第一版； 3、《光学》，章志鸣沈元华等，高等教育出版社，1995年5月第一版； 4、《光学》，王楚汤俊雄，北京大学出版社，2001年7月第一版；
信息光学试题 1. 解释概念 光谱：复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，按波长（或频率）的大小依次排列的图案。 干涉图：在一定光程差下，探测器接收到的信号强度的变化，叫干涉图。 2. 傅里叶光谱学的基本原理是干涉图与光谱图之间的关系，是分别用复数形式 和实数表示之。 复数形式方程： 实数形式方程： 3. 何谓Jacquinot 优点?干涉光谱仪的通量理论上约为光栅光谱仪通量的多少 倍？ Jacquinot 优点是：高通量。 对相同面积、相同准直镜焦距、相同分辨率，干涉仪与光栅光谱仪通量之比 为 对好的光栅光谱仪来说，由于 则 即干涉仪的通量为最好光栅干涉仪的190倍。 4. 何谓Fellgett 优点？证明干涉光谱仪与色散型光谱仪的信噪比之比为 2/1)/()/(M N S N S G I =，M 为光谱元数。 Fellgett 优点：多重性。 设在一扩展的光谱带1σ —2σ间，其光谱分辨率为δσ，则光谱元数为 δσσδσσσ?=-=21M 2()() (0)1[]2i R R B I I e d πσδσδδ∞ --∞=-?()0()(0)1(tan ){[]cos(2)}2R R B cons t I I d σδπσδδ∞=-? '2() M G E f l E π≈'30f l ≥
对光栅或棱镜色散型光谱仪，设T 为从1σ —2σ的扫描总时间，则每一小节观测时间为T/M ，如果噪音是随机的、不依赖于信号水平，则信噪比正比于 21)(M T 即21 )()(M T N S G ∝。 对干涉仪，它在所有时间内探测在 1σ —2σ间所有分辨率为δσ的小带，所 以探测每一个小带的时间正比于T ，即21 )()(T N S I ∝ 因此21)()(M N S N S G I = 5. 单色光的干涉图和光谱表达式是什么？在实际仪器使用中，若最大光程差为 L ，试写出其光谱表达式——仪器线性函数（ILS ）。 单色光干涉图表达式： )2cos(2)]0(2 1)([1δπσδ=-R R I I 其中1σ为单色光的波数，δ为 光程差。 光谱的表达式： })(2])(2sin[)(2])(2sin[{2)(1111L L L L L B σσπσσπσσπσσπσ--+++= 仪器线性函数：])(2[sin 2)(1L c L B σσπσ-= 6. 何谓切趾？试对上题ILS 进行三角切趾，并说明其结果的重要意义。 切趾： 函数])(2[sin 1L c σσπ-是我们对单色光源所得到得一个近似，其次级极大或者说“脚“是伸到零值以下的22％处，它稍稍有点大。我们可以把一个有限宽度的中央峰值认为一个无限窄带宽的一个近似，但是这个”脚“会使在这些波长附近出现一个错误的来源。为了减小这个误差，我们通过截趾的方法来减小这个”脚“的大小，这就叫切趾。 三角切趾后的仪器函数： 21])([sin )(L c L B σσπσ-= 重要意义：
《大学物理实验》教学大纲 课程编号: 72201008/72201009 课程名称：大学物理实验 英文名称： College Physics Experiments 课程性质：学科基础课 总学时： 72学时 学分： 2分 适用专业：测控技术与仪器专业 先修课程：大学物理 一、实验目的与任务 物理实验课是对学生进行实验教育的入门课程，其教学目的在于使学生学习物理实验基础知识 的同时,受到严格训练,掌握初步的实验能力,养成良好的实验习惯和严谨的科学作风。 二、教学基本要求 通过实验教学，加深对基础理论知识的理解，培养学生实验动手能力,并掌握一些基本仪器的使 用方法。 三、实验项目与类型 力学部分
热学部分 电磁学学部分
光学部分 四、实验教学内容及学时分配 基础知识 测量与误差，主要讲述误差理论及数据处理 力学部分 实验一长度的综合测量 1．目的要求 练习使用测长度的几种常用仪器，练习做好记录和计算不确定度。 2．方法原理 用米尺、游标卡尺、螺旋测微仪测滚珠的直径和圆柱管的内外半径和高度。 3．主要实验仪器及材料 米尺、游标卡尺、螺旋测微仪、滚珠、圆柱管。 4．掌握要点 米尺、游标卡尺、螺旋测微仪的使用方法及不确定度的计算方法。 5．实验项目： （1）用游标卡尺测圆柱管的内外半径及高度，并计算其体积。 （2）用螺旋测微仪测滚珠的直径。 （3）不确定度的计算。 实验二单摆 1．目的要求 用停表和米尺，测单摆的周期和摆长，并求出当地的重力加速度值。 2．方法原理
g l T π2= ()()2 22)(?? ? ??+??? ??=t t u l l u g g u 。 3．主要实验仪器及材料 单摆、停表、钢尺。 4．掌握要点 测量单摆周期的注意事项、重力加速度的不确定度的计算。 5．实验项目： （1）用游标卡尺测小球的直径。 （2）用钢尺测悬线的长度。 （3）用停表测单摆的周期（不改变摆长，测5次，每次30个周期的时间） （4）计算重力加速度和它的不确定度。 （4）改变摆长，测单摆的周期，用作图法算出重力加速度。 实验三 测重力加速度 1．目的要求 掌握几种测重力加速度的方法。 2．方法原理 自己 3．主要实验仪器及材料 自由落体装置、数字毫秒计、光电计时装置 ，单摆 气垫导轨。 4．掌握要点 掌握测量重力加速度的方法。 5．实验项目： （1）根据原理设计实验方案。 （2）记录实验数据 （3）数据处理及不确定度的计算。 实验四 密度的测定 1．目的要求 熟练掌握物理天平的调节和使用方法，掌握静力称衡法和比重瓶法。 2．方法原理 v m = ρ，质量用天平称量，体积用阿基米德定律求出。 3．主要实验仪器及材料 物理天平，游标卡尺、比重瓶，小烧杯、温度计、酒精、不规则玻璃块。 4．掌握要点 物理天平的调节和方法、测量密度的两种方法：静力称衡法和比重瓶法。 5．实验项目： （1）学习调整和使用物理天平。 （2）用流体静力称衡法测固体的密度。 （3）用比重瓶法测酒精的密度。 实验五 拉伸法测杨氏弹性模量 1．目的要求 用伸长法测定金属丝的杨氏模量，学习光杠杆原理并掌握使用方法。
信息光学试题经典浓缩版~~ 一、选择题（每题2分） 1、《信息光学》即《付里叶光学》课程采用的主要数学分析手段是________________。 A 、光线的光路计算 B 、光的电磁场理论 C 、空间函数的付里叶变换 2、高斯函数)](exp[22y x +-π的付里叶变换为________________。 A 、1 B 、),(y x f f δ C 、)](exp[22y x f f +-π 3、1的付里叶变换为_________________。 A 、),(y x f f δ B 、)sgn()sgn(y x C 、)()(y x f Comb f Comb 4、余弦函数x f 02cos π的付里叶变换为_________________。 A 、)]()([21 00f f f f x x ++-δδ B 、)sin()sin(y x f f C 、1 5、圆函数Circ(r)的付里叶变换为_________________ A 、ρπρ) 2(1J B 、1 C 、),(y x f f δ 6、在付里叶光学中，通常是以_________________理论为基础去分析各种光学问题的。 A 、非线性系统 B 、线性系统 7、_________________是从空间域内描述相干光学系统传递特性的重要光学参量。 A 、脉冲响应 B 、相干传递函数 8、_________________是从空间频域内描述相干光学系统传递特性的重要光学参量。 A 、脉冲响应 B 、相干传递函数 9、_________________是从空间域内描述非相干光学系统传递特性的重要光学参量。 A 、点扩散函数 B 、非相干传递函数（光学传递函数） 10、_______________是从空间频域内描述非相干光学系统传递特性的重要光
（上机）课程名称：《物理光学》 实验教学大纲 （一）本课程实验总体介绍 1、本课程上机实验的任务： 1）学会利用计算机数值计算的方法处理物理光学相关问题的基本方法。 2）提高应用计算机的能力。 2、本课程上机实验的简介： 对等厚干涉和夫朗和费多缝衍射的物理过程建立数学模型，利用MA TLAB 软件对其过程进行编程和模拟仿真，从而加深对光的干涉和衍射基本原理的理解。 3、本课程适用专业：电子科学与技术（光电工程与光通信）、光信息科学与技术 4、本课程上机实验涉及核心知识点： 1）光的干涉和衍射理论； 2）matlab程序设计基础。 5、本课程上机实验重点与难点： 重点：建立物理问题的数学模型。 难点：相应计算机程序的设计及调试。 6、本课程上机实验运用软件名称：MATLAB 7、总学时：4 8、教材名称及教材性质（自编、统编、临时）： 《光学教程》，叶玉堂等，清华大学出版社，2005年 统编。 9、参考资料： 1）《物理光学教程》，谢敬辉等，北京理工大学出版社，2005年 2）《光学原理与应用》，廖延彪编著，电子工业出版社，2006年 3）《物理光学与应用光学》，石顺祥等，西安电子科技大学出版社，2000年4）MATLAB教程罗建军电子工业出版社，2005年
（二）包含实验项目基本信息 实验项目1 1、实验项目名称： 等厚干涉条纹分布的模拟 2、实验目的和任务： 目的：通过对等厚干涉光强分布的模拟仿真，加深对光的干涉基本原理的认识。 任务：以一个曲率半径R = 5 m的柱透镜的凸面紧贴在一个平板玻璃上，其凸面与平面相切于O点（如图所示），在它们之间形成一空气薄层，用波长 nm的单色光垂直照射，从反射光中可观察该空气薄层所形成的等厚干涉条纹，模拟此等厚干涉条纹的一维光强分布曲线图和二维光强分布的灰度图。 柱透镜置于平板玻璃上的截面图 3、上机实验内容： 1）编写模拟仿真程序，上机调试并运行； 2）改变柱透镜曲率半径，观察条纹分布的变化； 3）改变入射光波长，观察条纹分布的变化； 4) 改变柱透镜凸面和平板玻璃间的介质的折射率，观察条纹分布的变化。 4、学时数：2 实验项目2 1、实验项目名称：多缝夫朗和费衍射的模拟
信息光学习题答案 信息光学习题答案第一章线性系统分析简要说明以下系统是否有线性和平移不变性. g?x??df?x?;g?x???f?x?dx; dx?g?x??f?x?; g?x??????f????h?x????d?; 2???f???exp??j2????d? 解：线性、平移不变；线性、平移不变；非线性、平移不变；线性、平移不变；线性、非平移不变。证明comb(x)exp(j?x)?comb(x) ???comb????x? ?x??1?证明：左边＝comb???????n?????(x?2n)??2??(x?2n) ?2?n????2?n????2?n??????x??2?右边?comb(x)?comb(x)exp(j?x)?? ?n?????(x?n)??exp(j?x)?(x?n)n?????n???? ??(x?n)??exp(jn?)?(x?n)n???? n?????(x?n)??(?1)n???n?(x?n)?当n为奇数时，右边＝0，当n为偶数时，右边＝
2所以当n为偶数时，左右两边相等。n?????(x?2n) (x) 证明??(sin?x)?comb证明：根据复合函数形式的δ函数公式?[h(x)]??i?1n?(x?xi)h?(xi ),h?(xi)?0 式中xi是h(x)=0的根，h?(xi)表示h(x)在x?xi处的导数。于是??(sin?x)??n?????(x?n)???co mb(x) 1 计算图题所示的两函数的一维卷积。解：设卷积为g(x)。当-1≤x≤0时，如图题(a)所示，g(x)??1?x0(1??)(1?x??)d??111?x?x3 326 图题当0 2??2?2??2?2?2?x?2设卷积为g(x)，当x≤0时，如图题(a)所示，g(x)??0d??x?2 当0 2 图题g(x)??d??2?x x2?x?1?2,x?0 g(x)?2?x?1?,x?0?2即g(x)?2??? ?x??2?(x)?rect(x)?1已知exp(??x2)的傅立叶变换为exp(???2)，试求?exp?x2???exp?x2/2?2
《光学》课程教学大纲（54学时） （理论课程） 一课程说明 （一）课程概况 课程中文名称：《光学》 课程英文名称：Optics 课程编码：3910252108 开课学院：理学院 适用专业/开课学期：物理学/第三学期 学分/周学时：3/3 《光学》是物理学本科专业的一门重要的专业必修基础课程，是普通物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播及光和物质的相互作用的基础学科，它和《原子物理学》、《电动力学》和《量子物理学》等后继课程有着密切联系。激光的出现和发展使光学的研究进入了一个崭新的阶段，更加扩大了光学在高科技领域、生产和国防上的应用。 先修课程：高等数学、电磁学 （二）课程目标 1. 牢固掌握有关光的传播及其本性，包括干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律，为后继课程奠定必要的基础。并了解它们在科研、生产和实践上的应用。 2. 牢固掌握几何光学的基本概念、成像规律和作图方法。熟悉典型助视光学仪器的基本结构及原理。 3. 了解现代光学的发展概况以及现代光学的基本概念、原理，研究的方法、手段，培养学生学习的兴趣。 4. 培养学生的学习能力、科学探究能力和分析解决问题的能力，培养学生实事求是、勇于探究的科学精神和辩证唯物主义世界观。 （三）学时分配
二教学方法和手段 以启发式教学为主，利用多媒体辅助教学，同时开展课堂讨论、课外自学、学生课外查阅文献了解学科前沿，结合课程内容完成课程论文等多种形式教学。 三教学内容 第一章（含绪论）光的干涉（10学时） 一、教学目标 1.了解光学研究的内容和研究方法；知道光学发展历程； 2.理解相干叠加和非相干叠加的区别联系； 3.理解光的相干条件和光的干涉定义； 4.了解干涉条纹的可见度以及空间相干性和时间相干性对可见度的影响； 5.掌握光程差和相位差之间的关系； 6.掌握分波面干涉装置的干涉强度分布的基本规律，即干涉条纹的间距和干涉条纹 的形状； 7.掌握分振幅法等倾干涉条纹的条纹特征和光强分布及其应用； 8.掌握分振幅等厚干涉的条纹特征和光强分布及其应用； 9.掌握迈克尔孙干涉仪和法布里干涉仪的基本原理及其应用。 二、教学重、难点 重点：相干条件，以及分振幅和分波面干涉装置及干涉光强分布。 难点：薄膜干涉和多光束干涉。 三、主要内容 1.光学的研究内容和方法，光学发展史； 2.波动的独立性、叠加性和相干性； 3.光程和光程差，实现相干光束的方法； 4.半波损失； 5.等倾干涉和等厚干涉； 6.迈克耳孙干涉仪； 7.多光束干涉,法布里-珀罗干涉仪。 第二章光的衍射（8学时） 一、教学目标 1.了解光的衍射现象，并注意区分菲涅尔衍射和夫琅和费衍射； 2.理解衍射现象的理论基础-----惠更斯-菲涅尔原理；
信息光学是现代光学前沿阵地的一个重要组成部分。 信息光学采用信息学的研究方法来处理光学问题，采用信息传递的观点来研究光学系统，这之所以成为可能，是由于下述两方面的原因。 首先，物理上可以把一幅光学图象理解为一幅光学信息图。一幅光学图象，是一个两维的光场分布，它可以被看作是两维空间分布序列，信息寓于其中。而信息学处理的电信号可以看作是一个携带着信息的一维时间序列，因此，有可能采用信息学的观点和方法来处理光学系统。 然而，仅仅由于上述原因就把信息学的方法引入光学还是远远不够的。在光学中可以引入信息学方法的另一个重要原因是光学信号通过光学系统的行为及其数学描述与电信号通过信息网络的行为及其数学描述有着极高的相似性。在信息学中，给网络输入一个正弦信号，所得到的输出信号仍是一个正弦波，其频率与输入信号相同，只不过输出波形的幅度和位相（相对于输入信号而言）发生了变化，这个变化与、且仅与输入信号的性质以及网络特点有关。在光学中，一个非相干的光强按正弦分布的物场通过线性光学系统时，所得到的像的光强仍是同一频率的正弦分布，只不过相对于物光而言，像的可见度降低且位相发生了变化，而且这种变化亦由、且仅由物光的特性和光学系统的特点来决定。很显然，光学系统和网络系统有着极强的相似性，其数学描述亦有共同点。正因为如此，信息学的观点和方法才有可能被借鉴到光学中来。 信息学的方法被引入光学以后，在光学领域引起了一场革命，诞生了一些崭新的光学信息的处理方法，如模糊图象的改善，特征的识别，信息的抽取、编码、存贮及含有加、减、乘、除、微分等数学运算作用的数据处理，光学信息的全息记录和重现，用频谱改变的观点来处理相干成像系统中的光信息的评价像的质量等。这些方法给沉寂一时的光学注入了新的活力。 信息光学和网络系统理论的相似是以正弦信息为基础的，而实际的物光分布不一定是正弦分布，因此，在信息光学中自然必须引入傅里叶分析方法。用傅里叶分析法可以把一般光学信息分解成正弦信息，或者把一些正弦信息进行傅里叶叠加。把傅里叶分析法引入光学乃是信息光学的一大特征。在此基础上引入了空间频谱思想来分析光信息，构成了信息光学的基本特色。 信息光学的基本规律仍然没有超出经典波动理论的范围，它仍然以波动光学原理为基础。信息光学主要是在方法上有了进一步的发展，用新的方法来处理原来的光学问题，加深对光学的理解。当然如果这些发展只具有理论的意义，它就不会像现在这样受到人们的重视，它除了可以使人们从更新的高度来分析和综合光现象并获得新的概念之外，还由此产生了许多应用。例如，引入光学传递函数来进行像质评价，全息术的应用等。
《大学物理实验》课程教学大纲 1. 课程名称（中文）：物理实验英文名称：Physics Experiments 2.课程编码： 01000102 3.课程类别：基础独立设课 4.课程要求：必修基础实验 5.课程属性：独立设课 6.课程总学时：总学分： 7.实验学时： 51 学时总学分： 1.5学分 8.应开实验学期：第 2 学期至第 3 学期 9.适用专业：土木工程、化学工程与工艺、应用化学、材料科学与工程、生物工程、信息 与计算科学。 10.先修课程：大学物理 11. 编写人：徐子湘俸永格编写日前：2005年9月1日 一、实验课程简介 物理学是实验科学，物理规律的研究都是以严格的实验为基础，实验与数学分析相结合是 物理学研究中的一个特点。物理实验是大学生进行科学实验训练的一门基础课程，在实验过程中，通过理论的运用与现象的观测分析，充分提高学生分析问题与解决问题的能力；充分提高学生综 合运用理论知识解决实际问题的动手能力。本实验课程需学生应达到下列要求： 1、进一步巩固和加深对大学物理理论知识的理解，提高学生的综合素质。 2、能根据需要选学参考书，查阅手册，通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己 独立分析问题、解决问题，具有一定的创新能力。 二、实验教学目标与基本要求 1、本课程的主要目的是： （1）学生通过实验学习物理实验的基本理论、典型的实验方法及其物理思想。 （2）获得必要的实验知识和操作技能训练，培养学生的动手能力、工作能力、创造能力，提高学生分析问题、归纳问题、解决问题的能力。 （3）树立实事求是、一丝不苟、严格认真的科学态度。 2、本实验课程应达到下列要求： （1）进一步巩固和加深对大学物理理论知识的理解，提高学生的综合素质。 （2）能根据需要选学参考书，查阅手册，通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己独立分析问题、解决问题，具有一定的创新能力。
物理光学实验 华中科技大学光电子科学与工程学院 2011.9
前言 本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。 本实验教材共选入8个实验。内容涉及光的干涉、衍射、偏振等方面。 本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验》，适用于光电子信息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。
光学实验室的一般规则 光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、周围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。因此，在做实验之前，除必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、步骤和要求外，进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特殊要求。现将实验室的一般规则叙述如下： 1.光学仪器多是精密贵重仪器。取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意接通电源。 2.大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫落地面导致损坏。 3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影响其透光性和其它光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。 4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成污痕。 5.光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。 6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。 7.光学仪器中有很多经过精密加工的部件。如光谱仪和单色仪的狭缝、迈克耳逊干涉仪的蜗轮蜗杆、分光计的读数度盘等，都要小心使用，按规则操作，切忌拆御仪器，乱拧旋钮。 8.要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。 9.实验完毕，要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况。整理好仪器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。
第一章 习题解答 1.1 已知不变线性系统的输入为 ()()x x g com b = 系统的传递函数? ? ? ??b f Λ。若b 取（1） 50=.b （2）51=.b ，求系统的输出()x g '。并画出输出函数及其频谱的图形。 答：（1）()(){}1==x x g δF 图形从略， （2）()()()()()x s co f f δf δx g x x x πδ23 2+1=? ??? ?? 1+3 1+1-31+=F 图形从略。 1.2若限带函数()y x,f 的傅里叶变换在长度L 为宽度W 的矩形之外恒为零， （1） 如果L a 1< ，W b 1<，试证明 ()()y x f y x f b x a x ab ,,sinc sinc =*?? ? ????? ??1 证明： (){}(){}(){}()()(){}(){}()y x,f b x sinc a x sinc ab bf af rect y x f y x,f bf af rect y x f W f L f rect y x f y x,f y x y x y x *?? ? ????? ??1==∴=???? ??=,,F F ,,F ,,F F 1- （2） 如果L a 1> ， W b 1 >，还能得出以上结论吗？ 答：不能。因为这时(){}(){}()y x y x bf af rect y x f W f L f rect y x f ,,F ,,F ≠??? ? ??。 1.3 对一个空间不变线性系统，脉冲响应为 ()()()y x y x h δ77=sinc , 试用频域方法对下面每一个输入()y x f i ,，求其输出()y x g i ,。（必要时，可取合理近似） （1）()x y x f π4=1cos , 答： ()(){}(){}{}{}()(){}{} {}{}{}x cos x cos f rect x cos y 7x sin x cos y x h y x f y x g x πππδπ4=4=??? ? ????? ??74=74==1-1 -1-11-1F F F F F F F ,F ,F F ,
光学实验教学大纲 一、课程目的和要求 在一学期内通过完成一定数量的光学基本实验和选做实验, 使学生学习和掌握光学实验的基本知识和基本方法, 培养学生的基本实验技能; 通过研究一些基本的光学现象, 加强对经典光学理论的理解, 提高对实验方法和技术的认识. 1. 由浅入深逐渐训练学生正确使用和调节基本光学实验仪器和装置(包括组合装置), 使学生了解仪器的构造原理及正常使用状态、操作要求、注意事项等, 使学生具有较好的光学实验操作技能. 2. 通过实验事实分析, 研究一些基本光学现象和规律, 使抽象的理论成为生动的现象. 理论联系实际, 既提高学生学习的主观能动性, 又为将来的工作打好基础. 3. 学会光学中基本物理量的一些测量方法. 在学习实验测量方法时, 使学生掌握它的设计思想、特点及其适用条件. 在实验测量过程中, 使学生注意观察和分析所发生的各种光学现象, 注意其规律性, 以加深和巩固对所学理论知识的理解, 并善于运用理论指导自己的实践, 提高解决实际问题的能力. 4. 学会分析光学实验中的基本光路, 了解光路组成元件的参量对实验产生的影响以及对各基本光路之间衔接配合的要求, 以锻炼学生的实践能力. 5. 继续学习误差分析的方法, 提高实验数据的处理能力, 能正确地表达和评价实验结果; 分析误差产生的原因以及减小实验误差的有效途径, 以加深对实验理论的认识和对所用测量方法和仪器的理解. 6. 在整个实验教学过程中要有意识地提高学生的实验素质, 培养学生正确的实验习惯和科学作风. 二、课程基本内容与学时安排 光学实验内容分为基本实验和选做实验, 其中基本实验8个题目, 选做实验3个题目, 每个实验安排3小时. 全学期每个学生必须做够6个以上的实验. 考试考核采用实验操作、笔试或写实验论文等形式进行. 学生的总成绩由考试成绩和平时成绩(实验预习、实验记录、实验报告等)按一定比例计算, 一般考试成绩占60%, 平时成绩占40%. 以下列出基本实验和选做实验的实验题目: (一) 基本实验 1.薄透镜焦距的测定 2.测定透镜组的基点 3.分光计的调节及棱镜折射率的测定 4.用双棱镜测定光波波长 5.用牛顿环测定透镜曲率半径 6.迈克尔逊干涉仪的调节和使用 7.衍射光栅测定光波波长 8.偏振现象的观察与分析 (二) 选做实验 1、单缝衍射的光强分布 2、液体折射率的测定 3、白光干涉 三、实验题目与基本要求 (一) 基本实验 1.薄透镜焦距的测定 [目的和要求] (1)学习光学系统的共轴条件; (2)透镜焦距的测定用一次成象法、二次成象法、自准法, 对凹透镜用辅助透镜成象法; (3)计算透镜焦距的平均误差及标准差.
信息光学复习提纲 信息光学的特点 Ch1. 线性系统分析 1.矩形函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 2.sinc函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 3.三角函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 4.符号函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 5.阶跃函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 6.余弦函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 7. 函数：①三种定义②四大性质③作用 8.； ②图像③作用④傅里叶变换谱函数 9.梳状函数：①定义 10.高斯函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数 11.傅里叶变换（常用傅里叶变换对） 12.卷积：四大步骤，两大效应 13.互相关、自相关的定义、物理意义 14.傅里叶变换的基本性质和有关定理 15.线性系统理论 16.线性不变系统的输入输出关系，脉冲响应函数，传递函数 17.抽样定理求抽样间隔 ~
Ch2. 标量衍射理论 1. 标量衍射理论成立的两大条件 2.平面波及球面波表达式: exp[(cos cos cos )]A ik x y z αβγ++ （求平面波的空间频率） )](2exp[]exp[22y x z ik ikz z A + 3.惠更斯——菲涅耳原理： ()?? ∑ =ds r ikr K P U c Q U )exp()()(0θ ? 4.基尔霍夫衍射理论： ?? ∑ -= ds r ikr r n r n r ikr a j Q U ) exp(]2),cos(2),cos([)exp(1 )(0000 λ 令()()θλK r ikr j Q P h ) exp(1,= 所以()??∑ = ds Q P h P U Q U ,)()(0 当光源足够远，且入射光在孔径平面上各点的入射角都不大时， (),1,cos 0≈r n (),1,cos ≈r n ().1≈∴θK 故()z ikr j Q P h ) exp(1,λ=，]})()[(211{20020z y y z x x z r -+-+≈ 5. 菲涅耳衍射——近场衍射： 0000202000022)](2exp[)](2exp[ ),()](2exp[)exp(),(dy dx yy xx z j y x z jk y x U y x z jk z j jkz y x U +-++= ?? ∞ ∞ -λπ λ6. 夫琅禾费衍射——远场衍射：（根据屏函数求衍射光强分布）
教学大纲 一、课程基本信息 课程名称：光学（Optics） 课程号：20201640 课程类别：基础课 学时：72 学分：4 二、教学内容及要求 绪论共1 学时 要求： 1．了解光学研究的内容。 2．了解光学发展简史。 3．了解现代光学的发展简况及其前景。 第一章几何光学的基本原理共8学时 要求： 1．了解几何光学是波动光学在光波长趋于零的情况下的近似。2．掌握费马原理。 3．掌握光在平面上反射和折射的规律，掌握棱镜的特性及其应用。4．掌握光导纤维原理并了解其在现代高新技术中的应用。 5．掌握薄透镜及其组合的成像特性。 6．掌握共轴球面系统成像的矩阵方法。 主要内容： 1.1 几何光学的基本定律 1.2 费马原理 1.3 成像的基本概念 1.4 光在平面上的反射和折射 1.5 光导纤维 1.6 棱镜 1.7 光在单球面上的折射和反射 1.8 薄透镜 1.9 共轴球面系统的逐次成像法 1.10 共轴球面系统傍轴成像的矩阵方法 第二章光阑、像差和成像光学仪器共5 学时 要求： 1．掌握孔径光阑和视场光阑的重要作用。 2．了解各种像差及其成因，熟悉复合物镜及目镜的消色差条件。3．掌握成像光学仪器的原理、结构及其特性。 主要内容： 2.1 光阑 2.2 像差
2.3 人眼的光学系统 2.4 放大镜和目镜 2.5 显微镜 2.6 望远镜 第三章光波及其在各向同性介质界面的反射和折射共6学时 要求： 1．掌握光波场的数学描述及其时空特性。 2．掌握光波的各种偏振态、偏振梯度场。 3．掌握光波在各向同性介质界面上的反射、折射的各种规律。 4．了解负折射率介质的光学特性。 主要内容： 3.1 光波 3.2 光波场的数学描述 3.3 波函数的复数表示复振幅 3.4 光波的偏振态 3.5 光在各向同性介质界面的反射和折射 *3.6 负折射率介质 第四章光的干涉共11 学时 要求： 1．掌握波的叠加原理。 2.掌握光波相干的条件。 3．掌握分波前干涉和分振幅干涉装置及其光程差计算方法、干涉现象的规律及其应用。4．掌握光场的时间相干性和空间相干性。 5．掌握迈克耳孙干涉仪的原理及应用。 6. 了解傅里叶变换光谱仪和光学相干层析术。 7．掌握多光束干涉的光强分布规律及其应用，了解法布里-珀罗干涉仪。 主要内容： 4.1 波的叠加和干涉 4.2 光波相干的条件和产生方法 4.3 杨氏实验 4.4 其它几种两光束分波前干涉装置 4.5 两束平行光的干涉 4.6 光源的光谱展宽对干涉条纹可见度的影响光场的时间相干性 4.7 光源的空间展宽对干涉条纹可见度的影响光场的空间相干性部分相干性 4.8 薄膜干涉（一）：等倾干涉 4.9 薄膜干涉（二）：等厚干涉 4.10 薄膜干涉（三）：应用举例 4.11 迈克耳孙干涉仪 *4.12 傅里叶变换光谱仪光学相干层析术 4.13 多光束干涉 4.14 法布里—珀罗干涉仪
信息光学习题解答 问答题 1. 傅里叶变换透镜和普通成像透镜的区别。 答： 普通透镜 要求共轭面无像差，为此要消除各种像差。由几何关系可计算平行光入射在透镜后焦面得到的像高u f h cos /ηλ=，因为 λ =ηλη==?=u u f u u f tgu f h sin ,cos cos sin 。 傅里叶变换透镜 频谱面上能够获得有线性特征的位置与空间频率关系ηλ=f h 。 普通透镜和傅里叶透镜对平行光输入在后焦面上光点的位置差 3 2 1sin 'fu u f ftgu y ≈ -=?称频谱畸变。 普通透镜只有在u 很小时才符合傅里叶变换透镜的要求。要专门设计消除球差和慧差，适当保留畸变以抵消频谱畸变。 2. 相干光光学处理和非相干光光学处理的优缺点。 答：非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。 相干光信息处理满足复振幅叠加原理。因为复振幅是复数，因此有可能完成加、减、乘、除、微分、积分等多种运算和傅里叶变换等。 在非相干光学系统中，光强只能取正值。信息处理手段要少。 相干光学信息处理的缺点： （1）相干噪声和散斑噪声。 相干噪声：来源于灰尘、气泡、擦痕、指印、霉斑的衍射。产生杂
乱条纹，对图像叠加噪声。 散斑噪声：激光照射漫反射物体时（生物样品，或表面粗糙样品），物体表面各点反射光在空间相遇发生干涉，由于表面的无规则性，这种干涉也是无规则的，物体表面显出麻麻点点。 （2）输入输出问题 相干光信息处理要求信息以复振幅形式在系统内传输，要制作透明片和激光照明。而现代电光转换设备中CRT ，液晶显示，LED 输出均为非相干信号。 （3）激光为单色光，原则上只能处理单色光，不能处理彩色图像。 非相干光处理最大优越性是能够抑制噪声。 3. 光学傅里叶变换可看成是函数到其频谱的变换，试回答 （1）这个系统是线性的吗？ （2）这个系统具有线性不变性质吗？为什么？ 答 傅里叶变换有线性性质。设 a ， b 为常数，则 函数有空间位移时其频谱有相移，并不会产生频谱移动。因此傅里叶变换没有线性平移不变性。 {}(){} ),(η,ξ,),()η,ξ(y x g G y x f F F F =={}()() η,ξη,ξ),(),(gG aF y x bg y x af +=+F