光電賽題導入視角下的信息光學課程教學新思路的探索

孟云吉　焦錚

【摘 要】《信息光學》是光電信息科學與工程專業的一門必修課程。在當前的教學過程中，存在公式推導偏多，理論和實際應用結合不夠緊密以及學生參與度較低等諸多問題。針對這些問題，本文以課程中“點擴散函數”這一核心概念為例，探索結合光電設計賽題來輔助教學的新思路，以期能加深學生對課程的學習興趣。

【關鍵詞】信息光學;光電競賽;點擴散函數

中圖分類號： O438 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在當前應用型“新工科”的大背景下，光電信息科學與工程專業的課程體系逐漸向實踐型轉化，而其中理論性很強的基礎性課程（如信息光學）自然而然面臨教學模式轉換的問題。因為在傳統的“滿堂灌”教學模式下，課程本身的應用屬性被大量的公式推演所掩蓋[1]。學生也疲于應付各種數學計算（如卷積、傅里葉級數、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，大部分同學只會那些機械套用的題目，而對那些需要建模、靈活處理的題目則束手無策，這在2013-2016級學生的課業試卷分析中有著清晰的體現。造成這一現象的原因除了上述教學模式的陳舊以外，我們還應注意到以下幾點：

（1）課程自身的屬性：信息光學是一門理論性很強的課程。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容來課程的難度，但很顯然的是，我們不可能從根本上規避這一因素。

（2）學生數學基礎薄弱：這是當前我們這類院校切換角色、弱化理論課程帶來的必然結果。我們可以花費4個課時來幫學生補習和本課程相關的數學知識，但這必然會壓縮課程自身的教學時長。

在當前二本院校向應用型轉化的大趨勢下，如何在一定程度上改善這一教學窘境成為一個亟待解決問題。本文擬探究一種教學競賽相結合，以賽促教，以賽促學的理論課程教學新思路。

1 光電競賽賽題分析和授課流程

為了具體闡述上述教學思路，我們選取信息光學中的核心概念“點擴散”函數為例，來說明如何通過結合安徽省光電設計大賽“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，我們向學生展示近兩屆的試題如下：

第一屆：單透鏡構建的最佳成像系統：使用給定的雙凸透鏡及CMOS圖像傳感器，運用光電及圖像處理技術。

第二屆：穿透毛玻璃的可見光成像系統：使用給定的雙凸透鏡及CMOS相機，透過毛玻璃對目標物體成像。這一環節的作用在于激起學生的探究興趣：毛玻璃這類高散射介質環境下能否獲得清晰的像？

第二步，我們對問題進行初步的分析：這兩道試題都是考察光學中經典的“成像”問題。在當前的課程體系中，解決這一問題的途徑有兩個：（1）空域視角下的幾何光學方法，主要的輔助工具是Zemax類的光學設計軟件[2];（2）頻域視角下的信息光學方法，主要的輔助工具是MATLAB類的科學計算軟件[3]，并給學生展示學長們參賽時所獲得的圖片如下：

從圖1，我們不難發現，在單透鏡成像系統中，我們得到較清晰的像[圖1（a）]，而在高散射環境下，成像效果則很差[圖1（b）]。在這我們給學生設置幾個開放性的問題：（1）造成兩幅圖成像質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生回憶已修主干課程（工程光學1和光學系統CAD）的同時，也引出教材的第三章：光學成像系統的傳遞函數（以蘇顯渝版《信息光學》為例），進而進一步激起學生的興趣。

第三步，正式導入課程內容

（1）點擴散函數（Point spread function）的引入

我們都知道任意的平面物場分布都可視作是無數小面元的組合，且單個小面元都可以用加權的Delta函數來表征。對于成像系統而言，如果我們能確定單個面源的成像規律，則可依據線性系統的均勻疊加性來獲得任意物面光場分布通過系統后所形成的像面光場分布[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應輸出h（xo，yo;xi，yi），其中（xo，yo）是物平面，（xi，yi）是像平面。

（2）常見的點擴散函數

首先以第一屆試題中的單透鏡成像系統為例，我們得到其點擴散函數為

但需要強調的是在講授過程中，我們更注重向學生細致地介紹模型的構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器件組成的衍射受限系統，在不計像差的情況下，與其相對應的點擴散函數為

比較以上兩者，我們不難發現，它們的共同點是都是光學系統孔徑函數（前者是透鏡孔徑，而后者是出瞳）的夫瑯禾費衍射圖樣，而不同點是常數系數的差別（映射到CMOS接收端，則是光強的差別）。

（3）成像規律

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

其中是幾何光學預言的理想像。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分布，而圖1（b）則是實際觀察到的像面光場的強度分布。

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

2 總結

本文概述了應用型背景下信息光學課程教學所面臨的困境，并簡要地分析了產生原因和對應的解決方案。最重要的是，我們以信息光學中“點擴散函數”這一核心概念為例，探索光電競賽試題導入視角下的教學新模式，讓學生有的放矢的學習理論知識，且能鍛煉學生軟件使用能力。

【參考文獻】

[1]鄭繼紅，陳家壁.培養興趣，引導創新——《信息光學》理論教學改革實踐[J].光學技術，2007（33）：317-319.

[2]武旭華，陳宇.ZEMAX軟件在光學理論教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2016，38（5）：134-136.

[3]楊坤，蘇玉玲，沈巖，等.LabVIEW與Matlab在信息光學教學中的應用[J].物理與工程，2011，21（2）：39-42.

[4]蘇顯渝.信息光學[M].北京：科學出版社，2011：42-46.