Программа государственного выпускного экзамена по направлению 551900 ''Оптотехника'' для магистров

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УТВЕРЖДАЮ Ректор ИТМО ____________ Васильев В.Н. «__» ______________ 2002 г.

ПРОГРАММА ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА ДЛЯ МАГИСТРОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ 551900 "ОПТОТЕХНИКА"

Санкт-Петербург 2002 г.

Программа разработана в соответствии с нормативно-методическими документами реализации образовательных профессиональных программ в ИТМО, принятыми решением Учёного Совета от 29 апреля 1997 г. Программа одобрена Учебно-методическим советом университета.

Настоящая программа государственного магистерского экзамена по направлению 551900 "Оптотехника" разработана на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по данному направлению подготовки и включает материал, изучаемый в следующих дисциплинах: "Методы проектирования оптических систем", "Исследование оптических систем", "Методы проектирования оптических приборов", "Методы научных исследований в оптике", "Приборы для научных исследований".

Экзаменующийся по направлению должен продемонстрировать необходимый уровень теоретической подготовки, а также профессиональную компетентность в решении как детерминированных задач, так и задач эвристического характера по направлению 551900. Экзаменующийся должен показать умение сочетать теоретические знания и практические навыки в решении конкретных задач проектирования оптических устройств и приборов, умение использовать для этого современные технологии проектирования и выполнять необходимые расчёты.

1. КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ Основные понятия компьютерной обработки изображений. Модели и алгоритмы, методы и средства обработки оптических изображений. Основные понятия теории сигналов: сигнал, импульсная реакция, спектр, линейные операции, изопланатичность. Математическое описание перехода от непрерывных сигналов и преобразований к дискретным. Дискретизация и квантование изображений. Дискретное представление преобразований сигналов. Цифровые фильтры. Теорема отсчетов и ее применение для анализа процесса дискретизации функций с непрерывным финитным спектром. Дискретное преобразование Фурье – основные понятия, свойства симметрии, четности, перестановок, связь цифровой свертки и ДПФ. Одномерное и двумерное преобразования Фурье. Понятие свертки в дискретной форме. Автокорреляция. Свойства циклической свертки. Переналожение спектров и следствия этого, методы аппроксимации, потери и сохранение информации, принципы использования ДПФ для хранения изображений на компьютерных носителях информации. Понятие быстрых алгоритмов. Алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) – формулировка и матричное представление, свойства симметрии и перестановки данных. Алгоритм быстрой перестановки. Различные алгоритмы БПФ. Методы и средства регистрации и ввода изображений в память компьютера. Принципы кодирования изображений. Методы и форматы для хранения изображений. Принципы сжатия изображений без потерь и с потерями. Кодирование цветных изображений. Теория цвета. Квантование цвета. Цветовые пространства и стандарты цветового кодирования (системы RGB, CMYK, HSB и другие). Компьютерная визуализация изображений. Геометрические преобразования изображений. Масштабирование изображений. Зеркальные отражения изображений. Повороты изображений. Поэлементные преобразования изображений. Препарирование изображений. Понятие lookup-таблицы. Бинаризация. Яркостный срез. Линейное контрастирование. Пилообразное контрастирование. Соляризация. Понятие гистограммы изображения. Эквализация. Восстановление изображений. Модели изображений и их искажений (смаз, расфокусировка, шум и т.п.). Фильтрация изображений. Масочная фильтрация. Нелинейная фильтрация. Алгебраические методы восстановления изображений. Выполнение логических и арифметических операций над изображениями. Проведение измерений на изображениях. Распознавание образов.

2. КОМПЬЮТЕРНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

И

ОЦЕНКА

КАЧЕСТВА

Основные определения и свойства. Математическое описание предметов и изображений. Использование системы канонических координат. Условия линейности и изопланатичности: их смысл и значение в теории формирования оптического изображения. Дифракционная теория формирования оптического изображения. Основные понятия теории формирования изображений: зрачковая функция, функция рассеяния точки (ФРТ), оптическая передаточная функция (ОПФ). Некогерентная модель формирования изображения. Когерентная модель формирования изображения. Формирование изображения в частично-когерентном свете. Моделирование формирования полихроматического изображения. Формирование изображений амплитудных и фазовых объектов. Передача оптическими системами масштаба, энергии и структуры.

Связь предмета и изображения через ФРТ. Число Штреля. Понятие функции рассеяния линии (ФРЛ) и пограничной кривой. Функция концентрации энергии (ФКЭ). Частотное представление структуры предмета. Связь предмета и изображения через ОПФ. Соотношение фильтрования. Критерий Фуко. Аберрации оптических систем (поперечные и волновые). Визуализация аберраций. Анализ качества оптической системы по графикам аберраций и точечным диаграммам. Математическая модель аберраций. Аппроксимация аберраций полиномами Цернике. Допуска на величину аберраций в оптических системах различного назначения. Критерий Марешаля. Формирование изображения оптическими системами с экранированием и оптическими системами с синтезированной апертурой. Влияние аподизации на формирование изображения. Оптический прибор – как цепочка линейных фильтров. Понятия эквивалентной ФРТ и ОПФ. Искажение изображений (смаз, вибрации, турбулентная атмосфера). Передача оптическим прибором сигналов малой протяженности. Анализ и оценка качества изображения типовых тест-объектов (полуплоскость, шпальные миры, решётки, радиальная мира). Качество изображения зарегистрированного различными приёмниками (фотографическими, матричными электронными и др.)

3. КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИКИ Описание оптических поверхностей. Уравнение плоскости. Уравнение поверхности второго порядка. Уравнение поверхности высшего порядка с радиальной симметрией. Описание технологических погрешностей формы оптических поверхностей. Описание дифракционных решеток и ДОЭ. Описание взаимного расположения поверхностей и параметров сред. Машинный каталог оптических сред. Расчет хода действительного луча и дифференциалов лучей через оптическую поверхность. Нулевые лучи как частный случай дифференциалов действительного луча. Расчет действительных лучей через оптическую систему. Расчет входных координат для систем с радиальной симметрией. Расчет дисторсии в общем случае отсутствия в системе симметрии вращения. Расчет поперечных аберраций. Расчет астигматических отрезков с использованием дифференциалов лучей. Расчет волновой аберрации. Определение габаритов пучков лучей. Аппроксимация аберраций с использованием ортогонального базиса. Анализ структуры изображения. Основные соотношения. Методы численного интегрирования, применяемые при анализе структуры изображения. Вычисление дифракционной ФРТ. Вычисление ОПФ методом автокорреляции. Анализ структуры изображения в геометрическом приближении. Применение БПФ для анализа дифракционной структуры изображения. Оптимизационная модель оптической системы. Постановка задачи оптимизации. Особенности структуры оценочной функции при оптимизации оптических систем. Методы безусловной оптимизации, применяемые в компьютерном проектировании оптики. Контроль нелинейных ограничений-равенств при оптимизации ОС. Процедура «восстановления» ограничений. Контроль нелинейных ограничений – неравенств с использованием модифицированной функции Лагранжа.

4. МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОПТИКЕ Спектральные методы исследования структурно-химического строения вещества. Общие принципы происхождения спектров. Виды энергий движения в частице (атом, молекула). Уровневая схема энергетических уровней. Спектры: частоты переходов, принципы активности переходов с уровня на уровень. Микроволновая спектроскопия. Классификация молекул по форме. Вращательные спектры двухатомных молекул. Дипольный момент и его значение. Момент инерции и вращательная постоянная. Энергия вращательного движения и уравнение Шредингера. Разности энергий и возникновение спектров. Правила отбора для переходов. Интенсивности линий во вращательных спектрах. Больцмановская заселённость уровней. Вырождение уровней. Эффект Штарка и его прикладное значение для исследования строения молекул. Инфракрасная спектроскопия. Колебания и энергия двухатомной системы. Дипольный момент. Гармонический и ангармонический осциллятор. Энергия колебательного движения и уравнение Шредингера. Правила отбора для переходов. Активность переходов и интенсивности спектральных линий. Основные переходы и обертона. Колебательно-вращательные спектры двухатомных молекул. Аддитивность энергии движения. Происхождение спектров. Правила отбора. PR-полоса. Колебания многоатомных молекул. Понятие параллельного и перпендикулярного типов колебания в молекуле и влияние их на правила отбора. Прикладное значение инфракрасной спектроскопии для исследования структурно-химического строения вещества. Спектроскопия комбинационного рассеяния. Поляризуемость молекулы и индуцированный дипольный момент. Происхождение спектров на основе классической теории гармонического осциллятора. Активность переходов и интенсивности спектральных линий. Физические основы атомного эмиссионного спектрального анализа (АЭСА) вещества. Измерительный комплекс для АЭСА. Современные требования к быстродействию, точности и чувствительности АЭСА. Основные оптические характеристики спектрального прибора и связь между ними. Пути увеличения светосилы по потоку и разрешающей способности. Чувствительность АЭСА. Приборные ограничения чувствительности. Спектральный комплекс с повышенной чувствительностью. Абсорбционный и флуоресцентный методы атомного спектрального анализа. Сравнительный анализ методов атомного спектрального анализа вещества. Фазовые объекты в интерферометрии. Чувствительность интерференционного метода. Классификация интерферометров. Предел чувствительности интерферометра. Сравнение чувствительностей визуального и фотоэлектрического способов регистрации изменений в интерференционной картине. Модуляционный метод измерения малых разностей хода. Преимущества голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия прозрачных объектов. Методы формирования опорных полос в голографической интерферометрии. Диффузное освещение объекта. Метод голографической интерферометрии (метод реального времени, динамическая и стробоскопическая голографическая интерферометрия, метод двух экспозиций, двухимпульсный голографический интерферометр). Оптико-акустический метод. Виды оптико-акустического эффекта. Положительный селективный оптико-акустический эффект в газах.

5.ПРИБОРЫ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Часть первая Перспективы использования для научных исследований микроскопии, телескопии, фотографии. Понятие спектрозональной фотографии.

Приборы для усиления слабых оптических сигналов на основе ЭОП. Спектральный диапазон применения, пороговые энергетические ограничения их применения. Приборы для усиления и преобразования оптических сигналов на основе ЭОП, спектральный диапазон применения, энергетические пороговые ограничения их применения. Понятие приборов "лупы времени", их временные параметры и ограничения. Принципиальная схема передачи оптического изображения по радиоканалу. Достоинства, недостатки, спектр передаваемых частот. Принципиальная схема передачи оптического изображения по оптическим линиям связи (по волоконным и лазерным). Достоинства, недостатки. Измерение слабых лучистых потоков средствами инфракрасной радиометрии. Спектральный диапазон работы радтометров, пороговые параметры проблемы. Принципы построения тепловизионной аппаратуры (сканирующие приборы, приборы без сканирования), основные параметры тепловизоров. Полихроматорные системы для дистанционной регистрации спектров слабоизлучающих объектов. Лазерные системы построения изображения, достоинства, недостатки. Приборы для научных исследований - понятие, их особенность. Часть вторая Приборы и методы для научных исследований. Измерения оптических параметров. История создания, современное развитие, пути и методы совершенствования методов и аппаратуры. Теоретические основы, схемные и конструктивные решения, возможности и ограничения. Области и способы применения методов и приборов научных исследований. Основы синтеза методов и аппаратуры научных исследований в соответствии с конкретными задачами. Работа с аппаратурой и установками; Оценка качества и ошибок результатов. Современные научно-технические достижения в совершенствовании методов и средств исследований. Классификация методов исследования. Основные схемы, их достоинства и недостатки. Методы и аппаратура исследования структуры волнового фронта. Исследования в плоскости изображения. Внефокальные исследования. Исследование в плоскости зрачка. Методы повышения объективности, точности и оперативности методов и аппаратуры научных исследований. Понятие и критерии качества изображения применительно к оптическим системам различного типа и назначения. Объекты научных исследований, подобные основным тест-объектам. Передача изображения через оптическую систему при научных исследованиях. Критерий Рэлея. ОПФ, ЧКХ. Концентрация энергии в пятне рассеяния. Волновые аберрации. Оптимизация передаточных функций в соответствии с задачами научного исследования. Задача исследования структуры изображения при научных исследованиях. Оптические исследования параметров движения (траектории, колебания, вибрации, профили несущих поверхностей для движущегося тела). Исследование и оптимизация качества изображения. Методы измерительной оптической регистрации и их применение при научных исследованиях; применение средств видео-, кино- и фоторегистрации. Области применения оптической регистрации параметров движения тел. Методы исследования малочастотных колебаний с большими амплитудами, оценка погрешностей и чувствительности метода. Запись профилей несущих поверхностей. Оптические методы исследования вибраций Оптические исследования и измерения для компьютерной графики и моделирования виртуальной реальности. Задачи компьютерного моделирования и компьютерной графики. Сфера необходимых исследований в связи с задачами моделирования виртуальной

реальности. Методы исследования пространственного распределения световых потоков и запись гониодиаграмм источников излучения. Задача регистрации двунаправленных функций распределения отражения (BRDF) и пропускания (BTDF), методы и аппаратура исследований. Элементы теории и технологии оптической регистрации (фото-, кино-, видео- и т.д.). Аппаратура и получение изображений. Обеспечение контрастов в регистрируемом изображении: освещение, фон, спектральные параметры освещения и регистрации. Управление разрешением. Макро-, микро- и стереорегистрация для научных исследований. Регистрация цвета и отображение в цвете. Специфика регистрации научных объектов. Получение изображений для отчётов, публикаций, презентаций, дальнейшей обработки и расшифровки. Растровые приборы в научных исследованиях. Возможности растровых оптических систем. Типы растров. Анализирующие и синтезирующие свойства растров, формирование изображений, мультиплицирующие и фокусирующие растровые системы, формирование изображений, автотипия, растровые цветоанализаторы в полиграфии и телевидении (цветоделение и цветосинтез). Растровая стереоскопия: регистрация параметров движения, измерительные устройства. Растровая микроскопия. Растровые экраны. Методы извлечения и обработки информации, содержащейся в оптическом изображении. Развитый аппарат функций преобразования систем оптических исследований. Чувствительность и точность оптических исследований и измерений. Функции преобразования интерферометрии и изометрии, расширение диапазона измерений, чувствительности и точности.

ЛИТЕРАТУРА 1. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Высшая школа. 1981. 2. Бабак Э.В., Иванов П.Д., Котлецов Б.Н., Родионов С.А. Подводная фотография. Л.: Машиностроение. 1969. 1. Бейтс Р. Мак-Доннелл М. Восстановление и реконструкция изображений. -М: Мир, 1989. 2. Блейкер А. Применение научной фотографии. М.: Мир. 1980. 3. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдений. М.: Недра. 1983. 4. Борн Г. Форматы данных. -К. Торгово-издательское бюро BHV, 1995. 5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М. Наука, 1970. -856 с. 6. Вальс Н.А. Растровые оптические приборы. М.: Машиностроение. 1966. 7. Вычислительная оптика. Справочник. Под общей редакцией М. М. Русинова. -Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. -423 с. 8. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1970. -364 с. 9. Гудмен Дж. Статистическая оптика. -М. Мир, 1988. с. 267-306. 10. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. -М. Мир, 1988. с. 15-141. 11. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Исследование и контроль объективов микроскопов. ЛИТМО. 1983. 12. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение. 1984. 13. Кирилловский В.К. Количественные теневые методы при контроле оптических систем ЛИТМО. 1989. 14. Кирилловский В.К. Контроль качества объективов. ЛИТМО. 1984. 14.Кирилловский В.К., Петрученко И.Р. Контроль оптических систем с применением лазеров. ЛИТМО. 1986. 15. Кирилловский В.К. Методы контроля качества изображения оптических систем. ЛИТМО. 1980.

16. Кирилловский В.К. Применение телевидения при контроле и аттестации оптических систем. ЛИТМО.1983. 17. Кирилловский В.К. Фоторегистрация колебаний транспортных машин и их элементов. ЦНИИ информации. М. 1980. 18. Кирилловский В.К., Петрученко И.Р. Дифракционные интерферометры. ЛИТМО. 1990. 19. Климов А. С. Форматы графических файлов. -К: НИПФ “ДиаСофт Лтд.”, 1995. 20. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение.1976. 21. Компьютеры в оптических исследованиях. Под ред. Б. Фридена. -М. Мир, 1983. –448 с. 22. Кононов В. И., Федоровский А. Д., Дубинский Г. П.Оптические системы построения изображений. –К.: Техника, 1981. 23. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 24. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. М.: Наука.1984. 25. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М.: Мир.1964. 26. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. Л.: Машиностроение. 1985. 27. Нагибина И.М., Михайловский Ю.К. Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии. Л.: Машиностроение.1981. 28. Оппенгейм А. В., Шафер Р. В. Цифровая обработка сигналов. -М. Связь, 1979. -416 с. 29. Оптическая обработка информации. Под ред. Д. Кейсесента. М.: Мир.1980. 30. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. -М. Мир, 1971. -496 с. 31. Прикладная физическая оптика. Под общей ред. В.А. Москалёва. СПб.: Политехника.1995. 32. Проектирование оптических систем. Под редакцией Р. Шеннона, Дж. Вайанта. -М. Мир, 1983. с. 178-332. 33. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. -М: Мир, 1979. 34. Рабинер Л. Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М. Мир, 1978. с. 62-72, 394-421. 35. Родионов С. А. Автоматизация проектирования оптических систем. -Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. -270 с. 36. Русинов М.М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение. 1984, 25.Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. Л.: Машиностроение.1968. 37. Стюард И. Г. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1988. -182 с. 38. Ярославский Л. П. Введение в цифровую обработку изображений. -М. Сов. радио, 1979. 312 с. 39. Ярославский Л. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику. -М. Радио и связь, 1987. -296 с.