Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный университет» (НГУ)

Факультет информационных технологий

Кафедра информационно-измерительных систем

ПРОГРАММА

ДИСЦИПЛИНЫ ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЦИКЛ* СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ

НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ БАКАЛАВРОВ 230100.62 «ИНФОРМАТИКА И

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА»

Автор Потатуркин Олег Иосифович, д.т.н. профессор (ФИО, ученая степень, ученое звание) Новосибирск * Наименование цикла дисциплин в соответствии с ГОС ВПО Программа дисциплины «Оптические информационные технологии» составлена в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки бакалавра по циклу «Специальных дисциплин» Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению 230100.62 «Информатика и вычислительная техника».

1. Цели и задачи дисциплины (курса) Основной целью освоения курса «Оптические информационные технологии» является обучение базовым знаниям для работы с гибридными оптико-электронными информационными технологиями.

Для достижения поставленной цели задачами курса являются следующие:

• базовые понятия скалярной теории дифракции;

• принципы распространения излучения в свободном пространстве и в оптических элементах;

• принципы функционирования линейных систем;

• методы фильтрации пространственных частот;

• принципы голографической регистрации информации;

• принципы построения основных компонент информационно-вычислительных систем.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате освоения дисциплины студент должен:

иметь представление о:

o дифракции Френеля и Фраунгофера;

o преломлении света на границе двух сред;

o регистрации и восстановлении волновых фронтов;

o поляризации, временной и пространственной когерентности света;

знать:

o методы расчета и свойства двумерного преобразования Фурье;

o методы фильтрации пространственных частот;

o поточечные, локальные и интегральные преобразования изображений;

уметь:

o рассчитать оптические системы преобразования Фурье;

o рассчитать дифракционно-ограниченные системы проецирования;

o рассчитать голографические системы регистрации и восстановления изображений.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы Вид учебной работы Всего часов Семестры 1 Общая трудоемкость дисциплины 64 Аудиторные занятия, в том числе: 32 Лекции 32 Семинары Лабораторные работы Самостоятельная работа, в том числе: 32 Курсовой проект Реферат Расчетные работы 32 Другие виды самостоятельной работы Вид промежуточного контроля диф. зачет Общая трудоемкость дисциплины составляет 0,89 зачетных единиц.

4. Содержание дисциплины 4.1. Настоящий курс является введением в интенсивно развивающуюся область информационно-измерительных технологий – восприятие и обработку данных, представленных в виде оптических изображений различных спектральных диапазонов.

Особенность курса состоит в синтезе классических и современных знаний по физической оптике, теории линейных систем, теории обработки изображений и физической электронике.

4.2. Тематический план курса (распределение часов по видам учебной работы).

№ Наименование ВСЕГО Аудиторные занятия Самостоятел п/п тем и разделов (часов) (часов), в том числе ьная работа (часов) Лекции Семинары Лаб.

работы преобразование пространственны восстановление 4.3. Содержание разделов и тем курса.

1. Основы скалярной теории дифракции. Волновое уравнение. Функция Грина.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Интеграл Кирхгофа. Распространение поля в свободном пространстве. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера. Оптическое преобразование Фурье в свободном пространстве.

2. Тонкая линза как элемент фазового преобразования. Функция толщины.

Параксиальное приближение. Фазовое преобразование и его физический смысл.

Формирование изображения. Формула линзы. Соотношение между параметрами 3. Тонкая линза как элемент преобразования Фурье. Объект расположен вплотную к линзе. Объект расположен перед линзой. Объект расположен за линзой. Угловой (пространственный) спектр. Функции с разделяющимися переменными. Функции с осевой симметрией. Периодические функции.

4. Линейные системы. Интеграл суперпозиции. Импульсный отклик. Инвариантность линейных систем. Передаточная функция. Импульсный отклик дифракционноограниченной оптической системы. Теорема отсчетов (выборки). Принцип неопределенности. Пропускная способность линейных оптических систем.

5. Преобразование пространственных частот. Низкочастотная и высокочастотная фильтрация. Дифференцирование изображений. Амплитудно-фазовая фильтрация пространственных частот. Свертка и корреляция изображений. Пространственная инвариантность. Согласованная фильтрация.

6. Принципы голографической регистрации изображений. Восстановление волнового фронта. Голограммы Габора, Лейта и Упатниекса, Денисюка. Действительные и мнимые изображения. Голографические фильтры. Когерентный коррелятор Вандер 7. Полихроматическое излучение. Временная когерентность. Пространственная когерентность. Интерференция. Корреляция изображений в частично когерентном свете. Некогерентные системы обработки информации. Импульсный отклик, передаточная функция, пределы применимости.

8. Фильтрация направлений. Визуализация фазовых объектов. Повышение разрешения изображений. Устранение смаза, десвертка. Распознавание образов. Инвариантность к сдвигу, масштабу, ориентации, ракурсу. Обработка сигналов антенн синтезированной апертуры.

9. Поляризация света. Двулучепреломление. Жидкие кристаллы. Электрооптические эффекты в нематических кристаллах. Электрооптические эффекты в смектиках.

Пространственные жидкокристаллические модуляторы света.

10. Дифракция света на ультразвуке. Акустооптические дефлекторы. Акустооптические модуляторы. Акустооптические согласованные фильтры. Корреляционная обработка сигналов с интегрированием во времени. Спектральный анализ сигналов.

Акустооптические процессоры.

11. Структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Принцип работы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Структуры ПЗС. Применение ПЗС в приемниках изображений. Применение ПЗС в запоминающих устройствах. Применение ПЗС для обработки сигналов (линии задержки, трансверсальные фильтры, мультиплексоры, рекурсивные фильтры, корреляторы).

4.4. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.

1. Определить влияние геометрических параметров оптической системы на спектр Фурье входных изображений.

2. Определить влияние физических параметров оптической системы на спектр Фурье входных изображений.

3. Вычислить спектры пространственных частот тестовых изображений.

4. Определить передаточную функцию, вычислить импульсный отклик и оценить пропускную способность дифракционно-ограниченных систем.

5. Вычислить интегралы свертки и корреляционные функции тестовых изображений.

5. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.

5.1. Примерный перечень вопросов к диф. зачету по всему курсу совпадает с расшифровкой Основная литература*.

5.2.

1. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970.

2. А. Папулис. Теория систем и преобразований в оптике. М.: Мир, 1971.

3. А. Розенфельд. Распознавание и обработка изображений. М.: Мир, 1972.

4. Приборы с зарядовой связью. Под ред. М. Хоувза, Д. Моргана. М.: Энергоиздат, 1981.

5. Г.И. Василенко, Л.М. Цибулькин. Голографические распознающие устройства.

6. А.А. Акаев, С.А. Майоров. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая 7. Ю.В. Егоров, К.П. Наумов, В.Н. Ушаков. Акустооптические процессоры. М.: Радио и 8. Н.Н. Евтихиев, О.А. Евтихиева, И.Н. Компанец и др. Информационная оптика.

9. О.И. Потатуркин, Оптические информационные технологии: Учебное пособие, НГУ, Новосибирск, 2007г., 120 стр.

5.3. Дополнительная литература.

1. Л.М. Сороко. Основы голографии и когерентной оптики. М.: Наука, 1971.

2. Ф.Т.С. Юу. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию. М.:

Советское радио, 1979.

3. А. Козанне, Ж.Флере, Г.Мэтр, М.Руссо. Оптика и связь. М.: Мир, 1984.

6. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины Лекционный курс разбит на 11 тем, освещающих принципы преобразования волновых полей в процессе их распространения и вытекающих отсюда оптических методов параллельных преобразований двумерных массивов данных в свободном пространстве и при наличии базовых оптических компонент. В нем изложены теоретические основы Фурье-оптики и голографии применительно к построению линейных по амплитуде оптико-информационных систем обработки изображений. Показана возможность комплексной фильтрации пространственных частот для осуществления спектрального и корреляционного анализа оптических сигналов. Для понимания этого материала достаточно знаний основ электродинамики, а также аппарата математического анализа и уравнений матфизики.

При изучении теоретического материала рекомендуется строго придерживаться календарного плана. В ходе слушания лекции студенту рекомендуется самостоятельно воспроизводить ее содержание в виде конспекта, содержащего основные определения и пояснения. После каждой лекции студенту целесообразно самостоятельно изучить литературу по теме, рекомендуемую в программе курса.

В ходе освоения курса каждым студентом выполняется практическое задание, заключающееся в решении задач по соответствующим темам. В течение семестра предусмотрено 32 часа самостоятельной работы, в том числе коллоквиум по теме «Линейная по амплитуде и интенсивности света корреляция изображений» и контрольная работа «Дифференцирование и оконтуривание изображений в оптических системах фильтрации пространственных частот». Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели.

Не более 10 источников.