Geum.ru

Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической работе Е. Г. Елина " " 20 г. Рабочая программа

Вид материалаРабочая программа

Содержание


1. Цели освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»
4. Структура и содержание дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»
Неделя семестра
Формы текущего контроля успеваемости
Содержание дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»
5. Образовательные технологии
Виды самостоятельной работы студента
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»
Подобный материал:
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского


Физический факультет


УТВЕРЖДАЮ

Проректор СГУ по

учебно-методической работе


_____________________Е.Г. Елина

"__" __________________20__ г.


Рабочая программа дисциплины

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

В БИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ


Направление подготовки

011200 Физика


Профиль подготовки

Биофизика


Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр


Форма обучения

очная


Саратов, 2011


1. Цели освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

Целью освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях» является изучение современных оптических систем, использующихся в биофизических исследованиях. В число систем такого рода входят:

1) оптико-электронные системы формирования и регистрации изображений, в том числе высокоскоростные камеры и системы камер для биомеханических исследований; цифровые фотографические камеры общего назначения; системы регистрации микроскопических изображений; усилители оптических изображений; используемые в оптической микроскопии сверхвысокого разрешения;

2) средства автоматизированной цифровой обработки изображений, предназначенные для улучшения, фильтрации и контрастирования оптических изображений, полученных в биофизическом эксперименте; средства и методы автоматизированного анализа изображений;

3) современное оборудование для световой микроскопии, в том числе системы флуоресцентной, многомерной, конфокальной и нелинейной визуализации биологических объектов

4) лазерные системы для микроманипуляции биологическими объектами и измерения силмежмолекулярных взаимодействий.

5) оборудование для исследования микроскопической динамики потоков биологических жидкостей

6) средства трехмерной оптической визуализации биологических объектов и т.д.

В современном мире оптические системы находят широкое применение в самых различных областях науки и техники. В последнее десятилетие появились и получили распространение принципиально новые оптические устройства. В течение нескольких последних лет массовое распространение получила цифровая фотография, как профессиональная, так и любительская. Значительные изменения коснулись практически всех областей прикладной и технической оптики. В микроскопии получает развитие техника ближнего поля, конфокальная и многомерная микроскопия открывают новые возможности для исследователей в изучении структуры, динамики и оптических свойств биологических объектов; интенсивно развивается медицинское оптическое оборудование, в частности, эндоскопические приборы, автоматизированные системы офтальмологической диагностики, аппараты для лазерной хирургии и терапии. Бурное развитие современной оптической техники и технологии обусловлено прогрессом в области нанотехнологии, микроэлектроники микромеханики и оптоэлектроники.

2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

относится к дисциплинам профессионального цикла Б.3. в его вариативной части ДВ.5. Дисциплина «Оптические приборы в биофизических исследованиях» в рамках учебного плана связана с дисциплинами профессионального цикла профиля Биофизика, такими как:
  • Физические методы регистрации физиологических параметров
  • Основы флоуметрии биологических жидкостей
  • Люминесценция биологических тканей
  • Введение в оптическую биофизику
  • Спектроскопия биологических тканей in vivo
  • Нелинейная оптика в биофизических исследованиях
  • Информационные технологии в биофизике
  • Фотобиофизика
  • Современная микроскопия в биофизических исследованиях

Дисциплина «Оптические приборы в биофизических исследованиях» призвана формировать знания в области конструкции и принципов действия современных оптических приборов и комплексных автоматизированных оптико-электронных систем регистрации изображений, световой микроскопии, адаптивной оптики и лазерной техники, применяемых в биофизическом эксперименте.

При изучении курса «Оптические приборы в биофизических исследованиях» оптики студенты должны иметь теоретическую подготовку по следующим разделам и темам общего курса физики: механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика, физика атома, а также математики: математический анализ, аналитическая геометрия, теория поля, теория вероятности и теория случайных процессов.

Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений (для решения оптических задач, важно подчеркнуть, это умение имеет особое значение). Также студентам необходимы навыки работы на персональном компьютере с математическими пакетами программ (MatLab, MathCad), графическим (например, Microcal Origin) и текстовым (например, Microsoft Word) редакторами, иметь навыки работы на физических экспериментальных установках, умение оформления результатов экспериментов с использованием графического материала и с оценкой погрешностей измерений.


3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

В результате освоения дисциплины формируется часть компетенций в научно-исследовательской деятельности:

ПК-3: способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование в части, связанной с освоением принципа действия и устройства оптических приборов, в том числе, наблюдательных приборов, систем формирования и регистрации оптических изображений, спектрального оборудования, а также грамотной эксплуатации этого оборудования.

ПК-4: способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин в сфере компонент, связанных с выполнением экспериментальных и учебно-исследовательских работ в области оптической визуализации, обработке изображений, лазерных измерений, интерферометрии и голографии.

Формируется часть компетенций в научно-инновационной деятельности:

ПК-7: способность формировать суждения о значении и последствиях своей профессиональной деятельности с учетом социальных, правовых, этических и природоохранных аспектов;

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

•Знать:
  • физические принципы формирования и преобразования оптического изображения дифракционными, линзовыми, зеркальными, волоконно-оптическими и комбинированными оптическими системами;
  • фундаментальные основы оптико-электронной регистрации оптических изображений;
  • методы цифровой обработки и анализа оптических изображений;
  • принцип действия и устройство основных оптических приборов: фотографических объективов; телескопических систем; микроскопов и луп; проекционных систем;
  • новые физические принципы, лежащие в основе современных оптических систем, используемых в биофизическом эксперименте;
  • основы теории автоматического управления оптическими системами в части автоматической фокусировки, автоматической коррекции аберраций, вносимых динамическими возмущениями атмосферы, автоматического управления системами цифровой регистрации изображений;
  • методы расчета оптических систем с использованием современных систем автоматизированного проектирования.

•Уметь:
  • излагать и критически анализировать основные положения теории оптических систем;
  • пользоваться методами теории оптических систем для анализа принципа действия оптических приборов;
  • оценивать качество изображения, получаемого при помощи оптической системы;
  • ориентироваться в современном рынке оптического оборудования;
  • грамотно оценивать необходимые технические требования к оптическому оборудованию, необходимому для решения научно-исследовательских задач.

•Владеть
  • методами анализа и расчета оптических систем;
  • методами регистрации и цифровой обработки оптических изображений;
  • современными методами оптических измерений;
  • современными методами световой микроскопии;
  • методами экспериментальной работы с современными оптико-электронными приборами и измерительными комплексами.


4. Структура и содержание дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единиц 72 часов.


№

п/п
Раздел дисциплины
Се-местр
Неделя семестра
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)
Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Формы промежуточной аттестации (по семестрам)

Лекц.
Лаб.
Самост.



1
Введение
4
1
2












2
Оптическое изображение и его представление в цифровой форме

4
2
2
2









3
Цифровая обработка изображений
4
3
2
2









4
Датчики изображения
4
4
2
2









5
Усилители оптического изображения
4
5
2



2






6
Современная цифровая фотография
4
6



4
4






7
Адаптивная оптика
4
7
2



4






8
Современная микроскопия
4
8
2
2
4






9
Оптическая микроманипуляция
4
9
2
2
4






10
Анемометрия по изображениям частиц
4
9
2
2
4






11
Тепловизионное оборудование

4
10
2
2
4






12
Реконструкция трехмерной структуры биологических объектов
4
10



2
4



Экзамен

Содержание дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

    Введение
    1. Современные оптические системы – синтез оптики, электроники и механики.
    2. Цифровые электронно-вычислительные машины – основные понятия и принцип действия
  1. Оптическое изображение и его представление в цифровой форме
    1. Формирование и структура оптического изображения
    2. Работа объектива с датчиком изображения
    3. Представление изображения в цифровой форме
    4. Цвет и его восприятие и измерение
  2. Цифровая обработка изображений
    1. Преобразование яркости изображений
    2. Пространственная фильтрация
    3. Обработка в частотной области
  3. Датчики изображения
    1. История датчиков изображения
    2. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС)
    3. Датчики изображения на основе КМОП технологии
    4. Датчики цветного изображения
  4. Усилители оптического изображения
    1. Усилители изображения на основе электронно-оптических преобразователей и микроканальных пластинок
    2. ФПЗС с умножением электронов
  5. Современная цифровая фотография
    1. Оптические схемы современных компактных и зеркальных фотокамер
    2. Функции автоматики фотокамер. Автоматическая фокусировка
  6. Адаптивная оптика.
    1. Измерение искажений волнового фронта
    2. Деформируемые зеркала и другие корректирующие устройства
    3. Системы управления адаптивной оптикой
    4. Область применения и современные проблемы адаптивной оптики
  7. Современная микроскопия
    1. Методы интерференционного контраста в микроскопии
    2. Флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения
    3. Нелинейная микроскопия
    4. Микроскопия ближнего поля
  8. Оптическая микроманипуляция
    1. Давление светового излучения
    2. Оптические ловушки для захвата микрообъектов
    3. Оптический пинцет
    4. Лазерная диссекция и пробоотбор
  9. Анемометрия по изображениям частиц
    1. Методы визуализации поля скорости макроскопических потоков
    2. Алгоритмы количественной реконструкции поля скорости потока жидкости
    3. Микроанемометрия по изображениям частиц
    4. Наноанемометрия
  10. Тепловизионная техника
    1. Датчики изображения для теплового инфракрасного излучения
    2. Особенности эксплуатации тепловизионных систем
  11. Оптические методы визуализации трехмерной структуры биологических объектов.
    1. Времяпролетные датчики трехмерного изображения
    2. Проекционные и многоракурсные системы трехмерной визуализации.



5. Образовательные технологии

При реализации дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации, практические занятия - лабораторные работы, контрольные работы, самостоятельные работы.

В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение наблюдаемых оптических явлений и эффектов, компьютерные демонстрации с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.

В рамках практических лабораторных занятий предусмотрены: детальный разбор физических основ основных разделов лекционного курса с решением физических задач по основным разделам содержания дисциплины, выполнением лабораторных работ и выполнение контрольных работ по всем разделам.


6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Виды самостоятельной работы студента:

- изучение теоретического материала по конспектам лекций и рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной литературе;

- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины, нерассмотренных на лекциях;

- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по всем разделам дисциплины;

- решение рекомендованных задач из сборника задач по волновой оптике;

- изучение теоретического материала по методическим руководствам к физическому практикуму по оптике.


Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:

- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной дисциплине;

- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины и нерассмотренных на лекциях предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля – экзамена по данной дисциплине;

- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде отчету по этому виду самостоятельной работы;

- решение рекомендованных задач из сборника задач по волновой оптике предполагается еженедельным при подготовке к практическим занятиям и при усвоении теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на практических лабораторных занятиях;

- изучение теоретического материала по методическим руководствам к специальному физическому практикуму по оптике предусмотрен еженедельно с отчетом о проделанной работе на практических лабораторных занятиях.


Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

Какая оптическая система называется идеальной?
  1. Перечислите кардинальные точки и плоскости идеальной оптической системы. Каковы их свойства?
  2. Чем обусловлено снижение яркости изображения по краям поля зрения (виньетирование)?
  3. Какие из монохроматических аберраций (сферическая, кома, астигматизм, дисторсия) не зависят от апертуры оптической системы и почему?
  4. Сколько преломляющих поверхностей имеет оптическая система глаза человека?
  5. Охарактеризуйте основные нарушения аккомодации. Как изменяется с возрастом широта аккомодации?
  6. Оцените максимальное расстояние, на котором бинокулярное зрение позволяет определить расстояние до предмета.
  7. Охарактеризуйте яркостную чувствительность глаза. Почему яркие объекты наиболее заметны на синем фоне, а темные – на желтом?
  8. В чем заключается основное преимущество системы цветовых координат Lab перед системами RGB и CMYK?
  9. Опишите принцип действия ПЗС. Почему чувствительность ПЗС ограничена в синей области спектра?
  10. Почему КМОП датчик изображения обеспечивает произвольный доступ к любому элементу светочувствительной матрицы, а ПЗС - нет?
  11. Как устроен зеркальный видоискатель фотокамеры?
  12. Каковы основные конструктивные особенности объектива с переменным фокусным расстоянием?
  13. Каким образом приведенное фокусное расстояние объектива влияет на результат съемки в биофизическом эксперименте, макросъемка, съемка животных?
  14. В чем заключается основное преимущество использования тубуса «бесконечость» в биомедицинской микроскопии?
  15. Опишите основной принцип адаптивной коррекции аберраций, вносимых объектом исследования.
  16. Перечислите основные метода повышения контраста микроскопических изображений биологических объектов.
  17. Какие методы контрастирования микроскпических изобаржений могут применяться для прижизненной визуализации микроорганизмов?
  18. Как устроен микроболометрический датчик теплового излучения?
  19. Опишите принцип действия времяпролетного датчика трехмерного оптического изображения.



7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

а) основная литература:
  1. Г. Шрёдер, Х. Трайбер, Техническая оптика. – М.: Техносфера, 2006. – 424 с.
  2. Ландсберг Г.С. Оптика. Издание 6-е. – М.: Физматлит, 2003. - 848 с.
  3. Когерентно оптические методы в измерительной технике и биофотонике, под.ред. В.П.Рябухо и В.В.Тучина. – Саратов: Сателлит, 2009.–127 c.
  4. Оуэн, Д., Копии за секунды, М.: Техносфера, 2008 ­– 215
  5. Заказнов, Н. П. Кирюшин, С. И., Кузичев, В. И. Теория оптических систем : учеб. пособие . -4-е изд., стер. СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2008 – 446 с.
  6. Мураховский, В.И., Симонович, С.В. Большая книга цифровой фотографии, М.; СПб. [и др.]: Питер, 2010. – 317 с.
  7. ссылка скрыта, Техническая микроскопия. Практика работы с микроскопами для технических целей - М.: Техносфера, 2007. - 357 с.


б) дополнительная литература:
  1. Пантелеев, В. Г. Егорова, О. В. Клыкова, Е. И. Компьютерная микроскопия, М. : Техносфера, 2005. – 303 с.
  2. ссылка скрыта. Геометрическая оптика [Текст] : [учеб. пособие] / И. В. Федосов. - Саратов : Сателлит, 2008. – 90 с.
  3. Ермаков О.Н., Прикладная оптоэлектроника, М.:Техносфера, 2004. – 416 с.
  4. Теребиж В. Ю. Современные оптические телескопы, ФИЗМАТЛИТ. 2005. – 79 с.
  5. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи, М:Техносфера. 2006. – 495 с.
  6. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. Техносфера. 2006. – 350 c.
  7. Кирилловский В. К. Современные оптические исследования и измерения, М: Краснодар. Лань.2010.
  8. Прикладная оптика. Под. ред. Заказного Н. П. СПб, М:Краснодар-Лань 2007. – 311 c.
  9. Раннев, Г. Г., Тарасенко, А. П. Методы и средства измерений ­– М: Изд.центр “АКАДЕМИЯ”. 2010. – 330 с.
  10.   ссылка скрыта, Лазерные доплеровские измерительные технологии [Текст]: Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2002. - 414 с.
  11. Оптическая биомедицинская диагностика, в 2 т., T.2, пер. с. англ. под ред. В.В. Тучина. – М.:Физматлит, 2007. – 368 с.
  12. Оптическая биомедицинская диагностика, в 2 т., T.1, пер. с. англ. под ред. В.В. Тучина. – М.:Физматлит, 2007. – 560 с.


в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:


Программное обеспечение National Instruments LabVIEW 8.5 Professional Development system.

Учебные и учебно-методические материалы, размещенные на сайте кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского ссылка скрыта


8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Оптические приборы в биофизических исследованиях»

Доска, мел/маркеры, компьютер, мультимедийный проектор, ПЗС-камера.

Оборудование для лабораторных работ:
  1. Компьютер персональный – 10 шт.
  2. Микроскоп МБС-2
  3. Цифровая компактная фотокамера Nikon Сoolpix 4300
  4. Цифровая зеркальная фотокамера Nikon D100
  5. Зеркальная фотокамера Зенит-9-Е
  6. Штатив, светофильтры.
  7. Мультимедийный цифровой проектор Acer
  8. Принтер лазерный ч/б Hewlett Packard LJ2200n
  9. Принтер лазерный полноцветный HP CLJ2600n


Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки _ Биофизика


Автор к.ф.-м.н., доцент Федосов И.В.


Программа одобрена на заседании кафедры Оптики и биофотоники

от ___________года, протокол № _________________.


Подписи:

Зав. кафедрой


Декан факультета/Директор Института (факультет/Институт, где разрабатывалась программа)


Декан факультета/Директор Института (факультет/Институт, где реализуется программа)