Введение в оптическую информатику. Рабочая программа дисциплины

Введение в оптическую информатику Рабочая программа дисциплины по направлениям подготовки: 551900 «Оптотехника (бакалавр, магистр)», 654000 «Оптотехника (дипломированный специалист)» специальности: 190700 «Оптико-электронные приборы и системы» факультеты: Оптико-информационных систем и технологий

1. Цели и задачи дисциплины Дисциплина "Введение в оптическую информатику" относится к профессионально-ориентированным дисциплинам естественнонаучного цикла и обеспечивает логическую взаимосвязь естественнонаучных дисциплин с общепрофессиональными и специальными дисциплинами. Дисциплина "Введение в оптическую информатику" дается в развитие таких разделов курса "Основы оптики", как "Геометрическая оптика", "Геометрическая теория оптических изображений", и "Дифракционная теория формирования оптического изображения". Данная дисциплина имеет своей целью ознакомить студентов с видами информации, которая преобразуется оптическими системами, а также принципами ее обработки, дать понятие о возможностях и объективных ограничениях на объем преобразуемой информации, неизбежных ее потерях и причинах этих потерь. Эти знания в дальнейшем могут быть использованы при изучении других дисциплин и при разработке оптических систем и приборов различного назначения. Задачи дисциплины:

• • • • • •

освоение студентами основных моделей оптических сигналов и их преобразований; освоение понятий когерентности света в оптических системах; освоение и закрепление студентами основных понятий формирования оптического изображения; понимание студентами преобразований оптических сигналов применительно к таким системам, как оптический микроскоп, прецизионная проекционная система фотолитографии и основные схемы фурье-оптики; обретение навыков анализа и согласования оптических и оптико-электронных трактов с разнообразными устройствами приема и передачи информации; обретение понимания информационных возможностей оптических систем, фундаментальных ограничений и возможностей их преодоления.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины При освоении дисциплины студенты должны:

• • • • • • •

получить знания, описывающие с единых математических позиций процессы формирования и передачи изображения принципиально различными устройствами; освоить понятия финитных сигналов, линейных преобразований, а также проследить связь преобразований финитных сигналов с дискретными преобразованиями; знать основные свойства преобразования Фурье; знать основную теорему информатики - теорему отсчетов и ее следствия; понять фундаментальную связь дискретных преобразований с принципами формирования и передачи оптического изображения; уметь различать оптические системы по способности передавать определенные объемы информации, уметь оценивать информационную емкость по числу Френеля; уметь применить понятия линейных систем и преобразование Фурье для решения задач по анализу работы различных оптических схем. знает элементную базу оптических систем, их основные типы, назначение и работу в составе системы.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы Вид учебной работы Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия

Всего часов 85 34

Семестры 7 85 34

Лекции Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

17 7 51

17 7 51

зачет

зачет

4. Содержание дисциплины 4.1. Разделы дисциплин и виды занятий № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Раздел дисциплины Оценка качества изображения и информационной емкости оптических систем Основы теории сигналов и преобразование Фурье Когерентность света в оптических системах и дифракция светового поля Основные схемы преобразования оптических сигналов Основные модели формирования оптического изображения Понятие об информационных потерях в оптических система

Лекции

ЛР

2

2

4

3

2

2

4

4

2

4

2

2

СРС

4.2. Содержание разделов дисциплины 1. Оценка качества изображения и информационной емкости оптических систем. 1.1. Введение, задачи курса и его место в ряду других дисциплин. 1.2. Характеристики качества изображения оптических систем - функция рассеяния точки, диск Эйри, функция рассеяния линии, оптическая передаточная функция и ее компоненты. 1.3. Понятие канонической единицы, число Френеля. 1.4. Сравнение различных типов оптических систем по информационной емкости. 2. Основы теории сигналов и преобразование Фурье 2.1. Описание одномерных и двумерных сигналов. Примеры стандартных сигналов, применяемых в оптике, -функция и функция Хевисайда, их свойства. 2.2. Линейные преобразования одномерных и двумерных сигналов. Интегралы свертки и автокорреляции. 2.3. Понятие преобразования Фурье - определение и основные свойства. Понятие фурье-спектра. 2.4. Финитные функции и функции с финитным спектром. Фурье-спектры финитных и периодических функций. Понятие выборки функции. Описание периодических функций через интеграл свертки с выборочной функцией. 2.5. Теорема отсчетов - формулировка и доказательство в терминах преобразования Фурье и выборочных функций. Функции отсчетов как универсальный базис аппроксимации финитных функций. 2.6. Модель линейного преобразователя. Аппаратная функция (импульсный отклик) и передаточная функция. 3. Когерентность света в оптических системах и дифракция светового поля. 3.1.Описание пространственно когерентного монохроматического поля - комплексная амплитуда, плоские волны, пространственные частоты. 3.2. Суперпозиция полей, когерентное и некогерентное сложение, 3.3. Поле точечного источника и поле протяженного источника. Понятие самосветящегося и несамосветящегося объекта, понятие частичной когерентности. 3.4. Углы дифракции, описание дифракции света на диафрагме в терминах плоских волн. 3.5. Полихроматическое поле и проблемы математического описания дифракции такого поля. 4. Основные модели формирования оптического изображения. 4.1. Оптическая система как линейный преобразователь и фильтр нижних пространственных частот. 4.2. Модель формирования изображения в когерентном свете. Понятие зрачковой функции оптической системы. 4.3. Модель формирования изображения в некогерентном свете. 4.4. Формирование изображения самосветящегося и несамосветящегося объекта. 4.5. Критерии качества формируемого изображения - разрешающая способность и контраст изображения. 4.6. Фундаментальные ограничения разрешающей способности оптических систем. 5 Основные схемы преобразования оптических сигналов. 5.1. Формирование изображения в оптическом микроскопе. Предел разрешения микроскопа. Формирование частично-когерентного освещения объекта в микроскопе. 5.2. Основные схемы наблюдения в микроскопе - светлое поле, темное поле, метод фазового

контраста. Особенности информационной емкости микроскопа при различных схемах наблюдения. 5.3. Конфокальный микроскоп и его информационная емкость. 5.4. Работа прецизионной проекционной системы фотолитографии. Формирование частичнокогерентного освещения объекта в фотолитографии. 5.5. Особенности оценки разрешения и качества изображения в фотолитографических системах. 5.6. Преобразования пространственно-частотных спектров в оптических системах фурье-оптики. Ширина полосы пропускания фурье-спектроанализатора. 5.7. Возможности получения оптического изображения сверхвысокого разрешения: математическая обработка и сканирование объектов в ближнем поле. 6. Понятие об информационных потерях в оптических системах. 6.1. Влияние аберраций на разрешение оптических систем. Число Штреля. Критерий Марешаля. Оценка качества изображения при больших аберрациях. 6.2. Влияние структуры приемника изображения на процесс передачи изображения. Описание работы матричных приемников изображения совместно с оптическими системами на основе теоремы отсчетов. 6.3. Информационные потери в сканирующих системах ближнепольной оптики. Проблемы неоднозначности информации.

5. Лабораторный практикум, практические занятия и курсовые проекты 5.1. Лабораторный практикум № п/п

№ раздела дисциплины

1.

1.

2.

2.

3.

2.

4.

3.

5.

4.

6.

4.

7. 8. 9.

5. 5. 6.

Наименование лабораторных работ Оценка качества изображения и информационной емкости оптических систем - 2 Линейные преобразования двумерных сигналов - 1 Теоремы преобразования Фурье и преобразования Фурье стандартных сигналов - 2 Определение параметров объекта и степени когерентности света -2 Формирование изображения в когерентном свете: вычисление аппаратной функции когерентной системы - 2 Формирование изображения в некогерентном свете: вычисление аппаратной и передаточной функции некогерентной системы - 2 Вычисление разрешающей способности микроскопа - 2 Оценка разрешения фотолитографической системы - 2 Расчет параметров матричного приемника изображения - 2

5.2. Практические занятия в дисциплине не предусмотрены

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 6.1. Рекомендуемая литература а) основная литература 1. 2. 3. 4.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение. 1982. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970. Оптическая голография. /Под ред. Г.Колфилда. М.: Мир, 1982, Т.1.

б) дополнительная литература 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

А.Джерард, Дж.М.Берч Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978. Применение методов фурье-оптики. /Под ред. Г.Старка. М.: Радио и связь, 1988. Оптическая обработка информации. Применения. /Под ред. Д.Кейсасента. М.: Мир, 1980. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988. Компьютеры в оптических исследованиях. /Под ред. Б.Фридена. М.: Мир, 1983. Бейтс Р., Мак-Доннелл М. Восстановление и реконструкция изображений. -М.: Мир, 1989, c.336. Dekker den A.J., Bos van den A. Resolution: a survey. J. Opt. Soc. Am., 1997, Vol.14, No.3, p.547-557.

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины а) Накопленный в течение ряда лет на кафедре ПиКО банк задач по теории сигналов, свойствам преобразования Фурье, теории образования изображения, по оценке качества изображения и информационной емкости оптических систем, по согласованию оптических систем с различными

устройствами приема и передачи изображения. б) Компьютерные программы моделирования оптических сигналов и частично-когерентного изображения, разработанные на кафедре ПиКО - MathOPTIX, IM Tools.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс кафедры ПиКО, оборудованный компьютерами типа Pentium Ш, включенными в сеть Internet.

Программу составил: д.т.н., проф. Вознесенский Н.Б., кафедра Прикладной и компьютерной оптики