孟云吉　焦铮

【摘 要】《信息光学》是光电信息科学与工程专业的一门必修课程。在当前的教学过程中，存在公式推导偏多，理论和实际应用结合不够紧密以及学生参与度较低等诸多问题。针对这些问题，本文以课程中“点扩散函数”这一核心概念为例，探索结合光电设计赛题来辅助教学的新思路，以期能加深学生对课程的学习兴趣。

【关键词】信息光学;光电竞赛;点扩散函数

中图分类号： O438 文献标识码： A 文章编号： 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

在当前应用型“新工科”的大背景下，光电信息科学与工程专业的课程体系逐渐向实践型转化，而其中理论性很强的基础性课程（如信息光学）自然而然面临教学模式转换的问题。因为在传统的“满堂灌”教学模式下，课程本身的应用属性被大量的公式推演所掩盖[1]。学生也疲于应付各种数学计算（如卷积、傅里叶级数、傅里叶变换），而忽略核心概念背后的物理意义，带来的后果就是：在考试中，大部分同学只会那些机械套用的题目，而对那些需要建模、灵活处理的题目则束手无策，这在2013-2016级学生的课业试卷分析中有着清晰的体现。造成这一现象的原因除了上述教学模式的陈旧以外，我们还应注意到以下幾点：

（1）课程自身的属性：信息光学是一门理论性很强的课程。虽然我们能在保持课程完整性的前提下，通过不断筛选上课内容来课程的难度，但很显然的是，我们不可能从根本上规避这一因素。

（2）学生数学基础薄弱：这是当前我们这类院校切换角色、弱化理论课程带来的必然结果。我们可以花费4个课时来帮学生补习和本课程相关的数学知识，但这必然会压缩课程自身的教学时长。

在当前二本院校向应用型转化的大趋势下，如何在一定程度上改善这一教学窘境成为一个亟待解决问题。本文拟探究一种教学竞赛相结合，以赛促教，以赛促学的理论课程教学新思路。

1 光电竞赛赛题分析和授课流程

为了具体阐述上述教学思路，我们选取信息光学中的核心概念“点扩散”函数为例，来说明如何通过结合安徽省光电设计大赛“成像组”试题，让这一生涩的概念鲜活起来。按照授课流程，第一步，我们向学生展示近两届的试题如下：

第一届：单透镜构建的最佳成像系统：使用给定的双凸透镜及CMOS图像传感器，运用光电及图像处理技术。

第二届：穿透毛玻璃的可见光成像系统：使用给定的双凸透镜及CMOS相机，透过毛玻璃对目标物体成像。这一环节的作用在于激起学生的探究兴趣：毛玻璃这类高散射介质环境下能否获得清晰的像？

第二步，我们对问题进行初步的分析：这两道试题都是考察光学中经典的“成像”问题。在当前的课程体系中，解决这一问题的途径有两个：（1）空域视角下的几何光学方法，主要的辅助工具是Zemax类的光学设计软件[2];（2）频域视角下的信息光学方法，主要的辅助工具是MATLAB类的科学计算软件[3]，并给学生展示学长们参赛时所获得的图片如下：

从图1，我们不难发现，在单透镜成像系统中，我们得到较清晰的像[图1（a）]，而在高散射环境下，成像效果则很差[图1（b）]。在这我们给学生设置几个开放性的问题：（1）造成两幅图成像质量差别如此之大的原因是什么;（2）有何手段能消弭图1（b）中的雾化效果。这一步的目的在于让学生回忆已修主干课程（工程光学1和光学系统CAD）的同时，也引出教材的第三章：光学成像系统的传递函数（以苏显渝版《信息光学》为例），进而进一步激起学生的兴趣。

第三步，正式导入课程内容

（1）点扩散函数（Point spread function）的引入

我们都知道任意的平面物场分布都可视作是无数小面元的组合，且单个小面元都可以用加权的Delta函数来表征。对于成像系统而言，如果我们能确定单个面源的成像规律，则可依据线性系统的均匀叠加性来获得任意物面光场分布通过系统后所形成的像面光场分布[4]。因此成像问题的核心在于求解单位脉冲输入在像平面上的对应输出h（xo，yo;xi，yi），其中（xo，yo）是物平面，（xi，yi）是像平面。

（2）常见的点扩散函数

首先以第一届试题中的单透镜成像系统为例，我们得到其点扩散函数为

但需要强调的是在讲授过程中，我们更注重向学生细致地介绍模型的构建以及消去相位因子的理论合理性。接下来，我们考虑由更多光学器件组成的衍射受限系统，在不计像差的情况下，与其相对应的点扩散函数为

比较以上两者，我们不难发现，它们的共同点是都是光学系统孔径函数（前者是透镜孔径，而后者是出瞳）的夫琅禾费衍射图样，而不同点是常数系数的差别（映射到CMOS接收端，则是光强的差别）。

（3）成像规律

在解决了点物成像问题后，讨论自然而然延拓到面物成像上来。如果物面上任意两个脉冲是相干的，则我们可以得到像面光场分布为

其中是几何光学预言的理想像。以这两届试题为例，我们可以将图1（a）看作是理想像的光强分布，而图1（b）则是实际观察到的像面光场的强度分布。

到此，我们就完成了光电试题和核心知识点之间的映射关系，能让学生对所学知识有着更明晰、直观、具象化的认识，而不再迷失于大量繁复公式的堆砌中。更重要的是，通过这两例光电试题，我们还让学生在串起自己所学理论知识的同时（从空域视角的几何光学到频域视角的信息光学），还锻炼了软件使用能力（Zeemax和MATLAB）。

2 总结

本文概述了应用型背景下信息光学课程教学所面临的困境，并简要地分析了产生原因和对应的解决方案。最重要的是，我们以信息光学中“点扩散函数”这一核心概念为例，探索光电竞赛试题导入视角下的教学新模式，让学生有的放矢的学习理论知识，且能锻炼学生软件使用能力。

【参考文献】

[1]鄭继红，陈家壁.培养兴趣，引导创新——《信息光学》理论教学改革实践[J].光学技术，2007（33）：317-319.

[2]武旭华，陈宇.ZEMAX软件在光学理论教学中的应用[J].电气电子教学学报，2016，38（5）：134-136.

[3]杨坤，苏玉玲，沈岩，等.LabVIEW与Matlab在信息光学教学中的应用[J].物理与工程，2011，21（2）：39-42.

[4]苏显渝.信息光学[M].北京：科学出版社，2011：42-46.