挖掘課程實(shí)驗(yàn)潛力 提高信息光學(xué)課程教學(xué)效果

胡正良+馬麗娜+徐攀+吳艷群+趙學(xué)謙+胡永明

摘要：信息光學(xué)課程是光學(xué)工程專業(yè)的一門核心課程，課程實(shí)驗(yàn)是提高該課程教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生深入掌握信息光學(xué)物理本質(zhì)的重要途徑。選擇具有拓展性和典型性的信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)，覆蓋信息光學(xué)課程大部分知識(shí)點(diǎn)；進(jìn)一步采用啟發(fā)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，深入拓展試驗(yàn)內(nèi)容，剖析課程內(nèi)涵，使實(shí)驗(yàn)從書本理論到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再到復(fù)雜的物理本質(zhì)，知識(shí)由點(diǎn)到面，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)關(guān)系的理解和課程內(nèi)涵的掌握。

關(guān)鍵詞：信息光學(xué)；光學(xué)工程；課堂實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）51-0258-02

一、前言

信息光學(xué)是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，單純地依靠課程教學(xué)，學(xué)生難以領(lǐng)會(huì)掌握其理論和應(yīng)用的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)物理理論的標(biāo)準(zhǔn)，是物理推導(dǎo)過程的可視化和具體化。在學(xué)生建立完整的物理概念和導(dǎo)出正確物理規(guī)律的課堂教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)芑橄鬄榫唧w，能引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，激發(fā)他們求知和探索物理規(guī)律的欲望。信息光學(xué)課程理論推導(dǎo)較多，物理過程比較復(fù)雜，同時(shí)可操作的物理實(shí)驗(yàn)相對(duì)較多，因此從眾多的實(shí)驗(yàn)中挑選合適的實(shí)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，合理拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是信息光學(xué)課程實(shí)驗(yàn)需要重點(diǎn)思考的一個(gè)方面。它對(duì)課程教學(xué)具有積極的促進(jìn)作用，能夠更為有效地提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)生對(duì)信息光學(xué)課程學(xué)習(xí)的興趣。

二、結(jié)合課程教學(xué)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

信息光學(xué)課程內(nèi)容比較多，從光的衍射傳播、光的相干干涉、光的空間濾波到光的相干處理和非相干處理，但是課程實(shí)驗(yàn)開設(shè)數(shù)目非常有限，因此合理設(shè)計(jì)信息光學(xué)課程實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)涵蓋信息光學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容是非常有必要的。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了全息光柵、彩虹全息、空間濾波和白光光學(xué)處理四個(gè)實(shí)驗(yàn)，它們涵蓋了信息光學(xué)課程的基本知識(shí)點(diǎn)，且相互關(guān)聯(lián)。（1）全息光柵。全息光柵實(shí)驗(yàn)利用兩路平面波相干疊加獲得全息光柵干涉條紋和干板的記錄，并對(duì)記錄的全息干板進(jìn)行再現(xiàn)和光柵參數(shù)測(cè)試?？臻g頻率是學(xué)生難以掌握的一個(gè)基本概念，通過實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，結(jié)合數(shù)學(xué)表達(dá)式和幾何圖形，使學(xué)生理解一定空間頻率的平面波所代表的物理內(nèi)涵。同時(shí)利用兩路平面波相交產(chǎn)生干涉條紋和全息光柵的再現(xiàn)，使學(xué)生掌握光的干涉和光的衍射。如果把二維的平面全息擴(kuò)展到三維，可以進(jìn)一步了解到體全息圖，分析透射全息圖和反射全息圖的內(nèi)涵和區(qū)別。（2）彩虹全息。彩虹全息是激光記錄白光再現(xiàn)的全息圖，它突破了激光記錄激光再現(xiàn)全息圖的局限性，采用自然光就可以觀察到三維圖像。該實(shí)驗(yàn)在制作全息圖時(shí)增加狹縫，再現(xiàn)時(shí)由于色散效應(yīng)，不同波長(zhǎng)下狹縫的位置不同，從而在不同的觀察角度就可以透過狹縫看到不同顏色的全息像。該實(shí)驗(yàn)可以完成一步彩虹全息和二步彩虹全息的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅涵蓋了全息制作的原理和彩虹全息圖的基本原理，同時(shí)深入了解了全息圖的色模糊。（3）空間濾波?？臻g濾波實(shí)驗(yàn)利用4f系統(tǒng)，把物體放置在物平面，在頻譜面插入不同類型的濾波器，在輸出面可以觀察到經(jīng)過濾波后的輸出圖像，是光信息處理的典型光路和典型應(yīng)用。通過該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在空間頻率、光的衍射基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握阿貝二次成像的基本理論、物體空間頻譜和空間濾波等基本原理。（4）θ調(diào)制假彩色編碼。θ調(diào)制假彩色編碼是白光光學(xué)處理的典型應(yīng)用，它是在相干光處理和非相干光處理的基礎(chǔ)上，通過采用點(diǎn)光源降低白光的空間相干性，引入光柵提高白光的時(shí)間相干性的一種處理方法。θ調(diào)制假彩色編碼實(shí)驗(yàn)表明4f空間濾波系統(tǒng)同樣能靈活進(jìn)行非相干處理，同時(shí)抑制了相干光處理的一些弊端，能清晰地體現(xiàn)光的空間相干性和時(shí)間相干性在相干處理的重要性。θ調(diào)制圖像頻譜的觀察，能更淺顯地理解空間頻率的概念。

三、課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展

在實(shí)驗(yàn)講義中，實(shí)驗(yàn)過程比較明確，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)有限，學(xué)生往往僅僅參照實(shí)驗(yàn)講義，按照實(shí)驗(yàn)步驟完成試驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面的局限性可以通過正確引導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)過程中不斷拓展試驗(yàn)內(nèi)容，從不同角度、不同層次理解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并掌握各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。在全息光柵實(shí)驗(yàn)中，通過在光路中增加簡(jiǎn)單的透鏡，使一路或者兩路都變成球面波，從而讓學(xué)生掌握球面波、基元全息圖、菲涅耳全息圖等的基本概念。進(jìn)一步拓展到全息照相，把物體看成是無窮多個(gè)平面波的線性組合，因而全息照相干板上記錄的是無窮多個(gè)不同角度、不同條紋間隔的干涉條紋的集合。讓學(xué)生了解全息光柵與全息照相的聯(lián)系?；蛘甙盐矬w看成是無窮多個(gè)點(diǎn)源的集合，記錄的是無窮多個(gè)菲涅耳全息圖的集合，讓學(xué)生了解菲涅耳全息圖與全息照相的聯(lián)系。在彩虹全息試驗(yàn)中，在掌握依靠增加狹縫使得全息圖能白光再現(xiàn)的基礎(chǔ)上，拓展到像全息圖，利用菲涅爾全息圖的表達(dá)式上，從理論上明確只需物距趨近于零的條件下，同樣可以獲得白光再現(xiàn)全息圖。利用本實(shí)驗(yàn)光路，還可以進(jìn)行傅立葉變換全息圖實(shí)驗(yàn)，分析菲涅耳全息圖與傅立葉變換全息圖的區(qū)別和特點(diǎn)。空間濾波試驗(yàn)可以在4f雙透鏡濾波光路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單透鏡空間濾波實(shí)驗(yàn)，分析物平面距離透鏡距離不同導(dǎo)致的頻譜面放大和縮小的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象，同時(shí)分析單透鏡空間濾波系統(tǒng)的特點(diǎn)。在4f空間濾波光路中，可進(jìn)一步進(jìn)行圖像相減和聯(lián)合變換相關(guān)識(shí)別兩種相干光處理的實(shí)驗(yàn)，利用全息光柵實(shí)驗(yàn)保留下來的全息光柵或者制作特定圖片的復(fù)數(shù)濾波器，實(shí)現(xiàn)圖像的相減或識(shí)別，理論分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)圖像相減和聯(lián)合變換相關(guān)識(shí)別的物理過程。θ調(diào)制假彩色編碼利用已經(jīng)制作好的天安門θ調(diào)制光柵進(jìn)行假彩色編碼，同樣可以結(jié)合全面全息光柵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行其他θ調(diào)制光柵的制作，拓展全息光柵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，掌握了θ調(diào)制光柵的特點(diǎn)。利用4f空間濾波系統(tǒng)，還可以進(jìn)行相位調(diào)制假彩色編碼，將具有透過率函數(shù)的圖像進(jìn)行光柵抽樣、漂白處理和空間濾波，獲得等密度或者等空間頻率假彩色編碼，加深了對(duì)白光光學(xué)處理的理解。通過以上實(shí)驗(yàn)的拓展，從基礎(chǔ)到前沿、從經(jīng)典到普通，四個(gè)實(shí)驗(yàn)可以涵蓋信息光學(xué)的大部分知識(shí)點(diǎn)。作為拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，老師提要求，學(xué)生自己獨(dú)立完成，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出合理的分析和解釋。拓展內(nèi)容的安排，不僅加深了對(duì)信息光學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)鍛煉了自主學(xué)習(xí)、分析問題、解決問題的能力。

四、啟發(fā)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

信息光學(xué)的四個(gè)課程實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的知識(shí)非常豐富，只要去挖掘，通過不斷的提問和引導(dǎo)，可以使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和觀察的現(xiàn)象啟發(fā)學(xué)生掌握更多的知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)信息光學(xué)的興趣，啟發(fā)學(xué)生對(duì)信息光學(xué)更為廣泛應(yīng)用的思考。通過提問和思考全息干涉板上如何觀察到干涉條紋，獲得肉眼能觀察到的干涉條紋需要的條件，實(shí)驗(yàn)中如何實(shí)現(xiàn)這一條件等問題，可進(jìn)一步加深干涉的理解和全息光柵的認(rèn)識(shí)，從而保證實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。全息光柵再現(xiàn)時(shí)，思考近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)觀察的圖像的區(qū)別，分析產(chǎn)生這兩種圖像的原因，理解菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射的基本特征和差別。分光鏡透射反射比、狹縫的位置、狹縫的大小和拍照物體的選擇的思考能幫助更好地理解彩虹全息的原理。分析像全息圖時(shí)，思考如何實(shí)現(xiàn)全息照相的物距為零，結(jié)合透鏡成實(shí)像，理解全息再現(xiàn)成實(shí)像的基本原理。正交光柵空間濾波在不加濾波器條件下獲得明暗相間的條紋，但由于人眼分辨率不夠難以觀察。引導(dǎo)學(xué)生思考利用透鏡放大和夫瑯禾費(fèi)衍射放大獲得條紋間距更大的明暗相間條紋的方法，可理解透鏡的傅里葉變換和夫朗禾費(fèi)衍射的相同作用。或者在4f系統(tǒng)中，去掉傅立葉逆變換透鏡，在遠(yuǎn)處觀察圖像，提問為什么能在該條件下觀察到條紋，同樣能起到理解夫瑯禾費(fèi)衍射的作用。在單透鏡空間濾波系統(tǒng)中，通過物體離透鏡的距離，可以觀察到物體頻譜的圖像得到放大或者縮小，提問產(chǎn)生這種想象的原因、特點(diǎn)和應(yīng)用，充分認(rèn)識(shí)透鏡的準(zhǔn)傅里葉變換特性。θ調(diào)制假彩色編碼實(shí)驗(yàn)提問光柵衍射的方向，顏色分布特點(diǎn)，可以引伸出衍射的一些基本特性。從光的相干性出發(fā)，思考如何提高白光的空間相干性和時(shí)間相干性、同種顏色和不同顏色光在信號(hào)處理方法上的差異，透徹理解光的相干性問題和相干非相干光處理的本質(zhì)區(qū)別。通過θ調(diào)制假彩色編碼，啟發(fā)采用其他原理的假彩色編碼以及應(yīng)用，有利于拓展學(xué)生知識(shí)面。

五、總結(jié)

課程實(shí)驗(yàn)是信息光學(xué)的重要組成部分，利用有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，充分挖掘課程實(shí)驗(yàn)的潛力，在實(shí)驗(yàn)講義的基礎(chǔ)上，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以點(diǎn)帶面，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，即使不能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也能通過完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行推斷和理解。采用啟發(fā)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同樣能幫助學(xué)生加強(qiáng)思考，分析各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，系統(tǒng)理解課程的脈路，從而根本上掌握信息光學(xué)課程，提高信息光學(xué)課程教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]光纖技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)化探索[J].教育教學(xué)論壇，2012，（2）：235-236.

Promotion of Teaching Effectiveness of Information Optics by Developing the Potential of Experiments

HU Zheng-liang，MA Li-na，XU Pan，WU Yan-qun，ZHAO Xue-qian，HU Yong-ming

（Academy of Ocean Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：Information Optics is a core curriculum of Optical Engineering. The course-related experiments are the key approach to improve the teaching effectiveness and make the students gasp the physical essence of the light better. The experiments of Information Optics should be expandable and typical，and include most of the based knowledge of the course. The heuristic education model will be applied and the content of the experiments will be fatherly expanded and analyzed. The experiments should be designed to convert the theory to experimental phenomenon，which helps the students understand the complex physical essence better and grasp the knowledge more comprehensively.

Key words：information optics，optical engineering，course-related experiment