《工程光學》教學大綱設(shè)計

1、工程光學課程教學大綱課程代碼：0807408002課程名稱：工程光學英文名稱：Engin eeri ng Optics學 分：4 總學時：64講課學時：56實驗學時：8上機學時：0 課外學時：0適用對象：光電信息科學與工程專業(yè)學生先修課程：大學物理、高等數(shù)學學生自主學習時數(shù)建議：128一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)工程光學課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課， 是光學設(shè)計、光電成像技術(shù)、光電檢測和光學測量等 專業(yè)課的先修課程。本課程主要講授幾何光學和物理光學方面的基本理論、基本方法和典型光學系統(tǒng)實例及應(yīng)用。 通過本課程的學習， 學生能對光學的基本概念、 基本原理和典型系統(tǒng) 有較為深刻的認識，為學習光學設(shè)計、光信息理

2、論和從事光學研究打下堅實的基礎(chǔ)。二、教學基本要求1、掌握幾何光學的基本定律與成像理論；2、了解球面光學成像系統(tǒng)的基本知識；3、掌握理想光學系統(tǒng)和平面光學系統(tǒng)的基本理論，了解典型光學系統(tǒng)和現(xiàn)代光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；4、理解光學系統(tǒng)的像質(zhì)評價，光的衍射與傅里葉光學知識；5、掌握光波的特性，了解光的干涉、光的衍射，光扁振和光調(diào)制的內(nèi)容；三、教學內(nèi)容第一章幾何光學基本定律與成像概念1、教學內(nèi)容(1) 幾何光學的基本定律1. 幾何光學的點、線、面；2. 幾何光學的基本定律；3費馬原理；(2) 光學系統(tǒng)的物像概念2、重點和難點(1) 重點：費馬原理(2) 難點：實物、實像、虛物、虛像的概念及分辨第二章理想光學系

3、統(tǒng)1、教學內(nèi)容(1) 理想光學系統(tǒng)的基本理論(2) 理想光學系統(tǒng)的基點與基面1. 無限遠的軸上物點與像方焦點；2. 無限遠的軸上像點與物方焦點；3主平面；4 光學系統(tǒng)的焦距；5.理想光學系統(tǒng)的節(jié)點；(3) 理想光學系統(tǒng)的物像關(guān)系1作圖法求像；2 解析法求像；(4) 理想光學系統(tǒng)的多光組成像1多光組成像的一般過程；2多光組系統(tǒng)的等效系統(tǒng)；3 雙光組組合；4.雙光組組合的應(yīng)用實例；(5) 實際光學系統(tǒng)的基點和基面1實際光學系統(tǒng)的基點和基面；2 實際光學系統(tǒng)的基點和基面；2、重點和難點(1) 重點：圖解法求像的方法、解析法求像方法(牛頓公式、高斯公式)(2) 難點：理想光學系統(tǒng)的放大率概念及公式，理

4、想光學系統(tǒng)兩焦距之間的關(guān)系，理 想光學系統(tǒng)的組合公式和正切計算法第三章平面與系統(tǒng)1、教學內(nèi)容(1) 平面鏡1單平面鏡的成像特性；2. 雙平面鏡的成像特性；(2) 反射棱鏡1. 反射棱鏡的類型；2 棱鏡系統(tǒng)成像的物像坐標變化；3 反射棱鏡的等效作用與展開；(3) 平行平面平板1 平行平板的成像特性；2 平行平板對光纖位移的計算；3 平行平板的等效空氣層；4.共軸球面系統(tǒng)與平面棱鏡系統(tǒng)的組合；(4) 折射棱鏡與光楔1. 折射棱鏡；2. 光楔；2、重點和難點(1) 重點：平面鏡的成像特點和性質(zhì)，平面鏡的旋轉(zhuǎn)特性，光學杠桿原理和應(yīng)用(2) 難點：折射棱鏡的作用，其最小偏向角公式及應(yīng)用，光楔的偏向角公式

5、及其應(yīng)用第四章光學系統(tǒng)中的光闌和光束限制|1、教學內(nèi)容(1) 概述(2) 孔徑光闌1 孔徑光闌的判斷；2. 入射光瞳和出射光瞳;(3) 視場光闌1. 視場范圍的計算；2. 漸暈及其相關(guān)計算；3. 入射窗和出射窗；(4) 漸暈光闌與場鏡1. 漸暈光闌；2. 場鏡；(5) 景深與焦深1. 景深；2. 焦深；3. 遠心光路；2、重點和難點(1) 重點：漸暈、漸暈光闌、漸暈系數(shù)的定義及漸暈光闌和視場光闌的關(guān)系；孔徑光 闌、入瞳、出瞳、孔徑角的定義及它們的關(guān)系(2) 難點：望遠系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、成像關(guān)系和光束限制第五章光度學和色度學基礎(chǔ)1、教學內(nèi)容(1) 光度學中輻射量和光學量的定義、單位，光度學基本量的

6、定義和單位，輻射量和 光學量的關(guān)系(2) 光傳播過程中光學量的主要變化規(guī)律(3) 顏色的基本概念、性質(zhì)、定律(4) CIE標準色度學系統(tǒng)簡介2、重點和難點(1) 重點：光度學中的定義(2) 難點：光傳播過程中光學量的主要變化規(guī)律第六章光線的光路計算及像差理論1、教學內(nèi)容(1) 相差的定義、種類和消像差的基本原則(2) 單個折射球面的不暈點(齊明點)的概念和性質(zhì)，求解方法(3) 7種幾個像差的定義、影響因素、性質(zhì)和消像差方法(4) 波像差的定義及其與幾何像差的關(guān)系2、重點和難點(1) 重點：像差的定義、種類和消像差的基本原則(2) 難點：7種幾何像差的定義、影響因素、性質(zhì)和消像差方法第七章典型光

7、學系統(tǒng)1、教學內(nèi)容(1) 正常眼、近視眼和遠視眼的定義和特征，校正非正常眼的方法，眼睛調(diào)節(jié)能力的 計算(2) 視覺放大率的概念、表達式及其意義，與光學系統(tǒng)角放大率的異同點（3）放大鏡的視覺放大率（4） 顯微鏡系統(tǒng)的概念和計算公式，包括：1）組成、成像關(guān)系、光束限制 2）視覺放大 率公式3）視場公式4）數(shù)值孔徑和出瞳 D 5）物鏡的分辨率6 ）顯微鏡的有效放大率 7）物 鏡的景深8）視度調(diào)節(jié)：（5）臨界照明和坷拉照明（6） 望遠系統(tǒng)的概念和計算公式，包括：1）組成、成像關(guān)系、光束限制 2）視覺放大 率公式3）分辨率與視覺放大率的關(guān)系 4）有效分辨率和工作分辨率（7） 攝影系統(tǒng)的概念和計算公式，包

8、括：1）組成、成像關(guān)系、光束限制 2）攝影物鏡 的3個主要參數(shù)及其影響作用 3）分辨率公式4）光圈的定義及其與孔徑光闌、 分辨率、像面 照度、景深的關(guān)系 5）景深公式及其影響因素 6）攝影物鏡的種類（8） 投影系統(tǒng)的概念和計算公式，包括：1）系統(tǒng)的基本要求2）主要光學參數(shù)3）其照 明系統(tǒng)的銜接條件2、重點和難點（1）重點：放大鏡、顯微鏡、望遠鏡、照相機、投影儀的結(jié)構(gòu)及成像（2）難點：光學系統(tǒng)外形尺寸計算、分辯率、變焦距光學系統(tǒng)第八章光的電磁理論基礎(chǔ)1、教學內(nèi)容（1）光波的特性1. 麥克斯韋方程組；2 物質(zhì)方程；3. 電磁波動方程；（2）幾種簡單的光波場1. 簡諧平面波；2. 球面波和柱面波；3

9、. 電磁場的能量和能流；（3）光波的疊加1. 波的疊加原理；2. 同頻率、同振動方向單色光波的疊加；3. 頻率相同、振動方向垂直單色光波的疊加；4. 不同頻率單色光波的疊加；（4）光在兩種介質(zhì)分界面上的反射和折射1. 電磁場的邊界條件；2. 反射定律和折射定律；3. 菲涅爾公式；4. 菲涅爾公式的討論；2、重點和難點（1）重點：電磁波的平面波解，包括：平面波、簡諧波解的形式和意義，物理量的關(guān) 系，電磁波的性質(zhì)等（2） 難點：波的疊加原理及4種情況下兩列波的疊加結(jié)果、性質(zhì)分析第九章光的干涉1、教學內(nèi)容（1）光的干涉條件和楊氏干涉實驗1光波干涉條件；2 楊氏干涉實驗；(2) 干涉條紋的可見度1雙光

10、束干涉時干涉條紋的可見度；2 光源的非單色性對干涉條紋可見度的影響；3 光源的大小對干涉條紋可見度的影響；(3) 平板的雙光束干涉1干涉條紋的分類；2 等傾干涉；3 等厚干涉；(4) 平板干涉的應(yīng)用1邁克爾遜干涉；2 泰曼-格林干涉儀和波面干涉技術(shù)；3. 馬赫一曾德爾干涉儀；(5) 平行平板的多光束干涉及其應(yīng)用1平行平板的多光束干涉原理；2 干涉濾光片；2、重點和難點(1) 重點：楊氏雙縫干涉性質(zhì)、裝置、公式、條紋特點及其現(xiàn)象的應(yīng)用(2) 難點：平行平板的雙光束干涉定域面、干涉裝置、干涉條紋的性質(zhì)和計算公式第十章光的衍射1、教學內(nèi)容(1) 的標量衍射理論1衍射的基本概念；2 惠更斯一菲涅耳原理

11、；3 兩種典型的衍射；(2) 菲涅耳衍射1菲涅耳半波帶法；2 菲涅耳波帶片；(3) 夫瑯禾費衍射1矩孔衍射；2.單縫衍射；3 單縫衍射因子的特點；4 多縫衍射；5. 圓孔衍射；(4) 光學成像系統(tǒng)的衍射和分辨本領(lǐng)1望遠鏡的分辨率；2. 照相物鏡的分辨率；3. 顯微鏡的分辨率；4. 雙光組組合的應(yīng)用實例；(5) 衍射光柵1. 衍射光柵概述；2 幾種典型的衍射光柵；2、重點和難點(1) 重點：矩孔、單縫夫瑯和費衍射的光強分布公式和衍射條紋性質(zhì)分析(2) 難點：圓孔夫瑯和費衍射的光強分布公式和衍射條紋性質(zhì)分析，成像系統(tǒng)的分辨 本領(lǐng)第十一章光的偏振1、教學內(nèi)容(1) 偏振光的描述1. 光波的偏振態(tài)；2

12、. 偏振度；3. 偏振態(tài)的表示法；(2) 各向異性介質(zhì)中光波的傳播特性1晶體的光學各向異性；2. 平面波在晶體中的傳播；3平面波在晶體上的雙反射和雙折射；(3) 偏振器件1 .偏振器；2波片；3偏振器件的數(shù)學描述；(4) 偏振光的干涉(5) 波導光學基礎(chǔ)(6) 光的量子性和激光基礎(chǔ)2、重點和難點(1) 重點：菲涅爾公式、布儒斯特定律和馬呂斯定律(2) 難點：各種起偏器、分束器和波片的結(jié)構(gòu)、作用和工作原理四、實踐環(huán)節(jié)設(shè)計(一)課內(nèi)實驗1、透鏡焦距的測量實驗2、光的干涉實驗3、光的衍射實驗4、光的偏振實驗5、基于軟件模擬設(shè)計單透鏡、雙透鏡、牛頓望遠鏡等實驗五、課外習題及課程討論為達到本課程的教學基

13、本要求，課內(nèi)和課外習題(包括自測題)不應(yīng)少于20題。六、教學方法與手段本課程采用板書與多媒體課件結(jié)合的方式進行課堂教學。七、各教學環(huán)節(jié)學時分配章節(jié)(或內(nèi)容)講課實驗上機習題課討論課自主學習合計幾何光學基本定律與成像概念424理想光學系統(tǒng)68平面與系統(tǒng)44光學系統(tǒng)中的光闌和光束限制44光度學和色度學基礎(chǔ)22光線的光路計算及像差理論426典型光學系統(tǒng)68光的電磁理論基礎(chǔ)66光的干涉628光的衍射626光的偏振4228合計528464丿八、學生自主學習要求學生自主學習要求時數(shù)不少于128學時。九、考核方式與成績評定1、本課程為考試課程，期末考試為閉卷筆試2、學生的課程總評成績由平時成績（占 40%和

14、期末考試成績（60%兩部分構(gòu)成，平 時成績包括實驗、作業(yè)、出勤、課堂測驗、學習主動性等。十、推薦教材和教學參考書教 材：工程光學基礎(chǔ)教程，郁道銀編著，機械工業(yè)出版社，2007年。參考書：工程光學，張風林編著，天津大學出版社，1988年。物理光學，梁銓廷編著，電子工業(yè)出版社，2012年。大綱制訂人：大綱審定人：制訂日期：年 月曰工程光學實驗教學大綱一、教學目標與基本要求1、通過實驗，加深對工程光學基本理論知識的理解，熟練掌握工程光學的基本測試原 理、實驗方法、實驗思想、操作技能，實驗結(jié)果分析，掌握實際光學系統(tǒng)的設(shè)計方法；2、熟悉并掌握常用光學儀器設(shè)備的使用方法；3、通過實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生運用基礎(chǔ)

15、理論知識，分析和解決光學工程中實際問題的能 力和創(chuàng)新能力。二、基本理論與實驗技術(shù)知識本實驗課程是工程光學理論課程的配套課程，需要學生利用理論課涉及的幾何光 學基本定律與成像概念、理想光學系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)、光束限制、典型光學系統(tǒng)、光的 干涉、衍射及、偏振等知識完成相關(guān)的實驗項目。通過實驗，使學生初步掌握薄透鏡焦距測 量、望遠鏡等典型光學系統(tǒng)、楊氏雙縫干涉、夫瑯禾費衍射及馬呂斯定律有所認識，學會光 源的使用、光學系統(tǒng)的搭建，各光學元件間距測量及數(shù)據(jù)的處理工作。三、實驗方法、特點與基本要求學生在課前認真閱讀實驗教材和有關(guān)資料，實驗中，學生應(yīng)該根據(jù)實驗項目的要求選擇光學器件、搭建調(diào)平光學系統(tǒng)、觀察

16、到光學影像。光學元件軸向測距應(yīng)首先該元件的中心， 橫向測距應(yīng)會使用光學測微儀相對測量。認真作好實驗報告，認真分析實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù),引出正確結(jié)論。四、實驗主要儀器設(shè)備分光計、分光鏡、光學平臺、測節(jié)器、ZJS型多功能組合光具坐、透鏡、棱鏡、邁克爾遜干涉儀、偏振光實驗系統(tǒng)、激光器、光源、光闌、反射鏡、偏振分光棱鏡等。五、實驗項目的設(shè)置與內(nèi)容提要序 號實驗項目內(nèi)容提要實驗學時實驗類型每組 人數(shù)實驗 要求1透鏡焦距的測量了解光具坐結(jié)構(gòu)，學會調(diào)整和使用方法，掌握焦距測量原理和測量要點2設(shè)計性2-3必做2光的干涉測量干涉儀調(diào)整，觀察牛頓環(huán)、等厚、等傾干涉條紋2驗證性2-3必做3光的衍射測量觀察單縫、雙縫、小孔衍射現(xiàn)2驗證性2-3必做象4光的偏振測量搭建光學實驗系統(tǒng)觀察線偏振光、馬呂斯定律、橢圓偏振光、旋光現(xiàn)象2驗證性2-3必做5仿真模擬基于軟件模擬設(shè)計單透鏡、雙透鏡、牛頓望遠鏡等2驗證性2