《應(yīng)用光學(xué)》課程教學(xué)大綱

《應(yīng)用光學(xué)》教學(xué)大綱課程名稱：應(yīng)用光學(xué)英文名稱：AppliedOptics課程編號(hào)：F047091722學(xué)分：3總學(xué)時(shí)/課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)：48/0課程性質(zhì)：選修課程開課單位：數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用物理系基層教學(xué)組織適應(yīng)對(duì)象：應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程簡(jiǎn)介（中英文，一般200-300字左右）《應(yīng)用光學(xué)》是為應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)方向與拓展課，其為光學(xué)儀器、微光夜視、激光紅外等學(xué)科奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，在培養(yǎng)光學(xué)和光電類人才中具有重要地位。本課程以幾何光學(xué)原理為基礎(chǔ)，分析研究典型光學(xué)儀器、光學(xué)系統(tǒng)、光纖光學(xué)系統(tǒng)、激光光學(xué)系統(tǒng)及紅外光學(xué)系統(tǒng)。本課程屬于考查課，以理論授課為主，設(shè)計(jì)和分析一些典型的光學(xué)系統(tǒng)，并通過課上回答問題、課下作業(yè)完成度等進(jìn)行考核。通過本課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力、分析計(jì)算能力、科學(xué)研究能力和科學(xué)歸納能力，樹立學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀點(diǎn)，并為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本課程對(duì)于培養(yǎng)新世紀(jì)高素質(zhì)科技人才具有非常重要的意義。AppliedOpticsisaprofessionalorientationandexpansioncourseforstudentsmajoringinappliedphysics.Itlaysatheoreticalandapplicationfoundationforopticalinstruments,low-lightnightvision,laserinfraredandotherdisciplines,andplaysanimportantroleintrainingopticalandoptoelectronictalents.Basedontheprincipleofgeometricoptics,thiscourseanalyzesandstudiestypicalopticalinstruments,opticalsystems,opticalfibersystems,laseropticalsystemsandinfraredopticalsystems.Thiscourseisanexaminationcourse,whichfocusesontheoreticalteaching,designsandanalyzessometypicalopticalsystems,andassessesthembyansweringquestionsinclassandcompletinghomeworkafterclass.Throughthestudyofthiscourse,students'scientificthinkingability,analysisandcalculationability,scientificresearchabilityandscientificinductionabilityarecultivated,andstudents'seriousscientificstyleandengineeringviewpointofintegratingtheorywithpracticeareestablished,andasolidfoundationislaidforthestudyofsubsequentprofessionalcourses.Thiscoursehasagreatsignificanceforcultivatinghigh-qualityscientificandtechnologicaltalentsinthenewcentury.課程目標(biāo)（中英文，一般150字左右）強(qiáng)化科學(xué)倫理教育，注重科學(xué)思維方法訓(xùn)練和嚴(yán)肅認(rèn)真科學(xué)作風(fēng)培養(yǎng)，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題能力，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。掌握幾何光學(xué)基本定律、光學(xué)系統(tǒng)光路、理想光學(xué)系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)計(jì)算與設(shè)計(jì)、人眼對(duì)目視光學(xué)儀器共同要求、像差基本理論和光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)。熟知應(yīng)用光學(xué)專業(yè)知識(shí)，具備辨識(shí)和表述應(yīng)用光學(xué)基本原理的能力，具備分析解決實(shí)際問題的能力。1.Strengthentheeducationofscientificethics,payattentiontothetrainingofscientificthinkingmethodsandthecultivationofseriousandseriousscientificstyle,improvestudents'abilitytoanalyzeandsolvepracticalengineeringproblems,andstimulatestudents'nationalfeelingsandmissionofservingthecountrythroughscienceandtechnology.2.Masterthebasiclawsofgeometricoptics,opticalsystemopticalpath,idealopticalsystem,planeandplanesystemcalculationanddesign,commonrequirementsofthehumaneyeforvisualopticalinstruments,basictheoryofaberrationandimagequalityevaluationofopticalsystems.3.Familiarwiththeprofessionalknowledgeofappliedoptics,havetheabilitytoidentifyandexpressthebasicprinciplesofappliedoptics,havetheabilitytoanalyzeandsolvepracticalproblems.三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系本課程的課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況如表1所示：表1課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)畢業(yè)要求1：系統(tǒng)掌握應(yīng)用光學(xué)知識(shí)體系。能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、光學(xué)等專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，分析推導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)光線傳輸過程。能夠利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。1.2掌握無損檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電傳感的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，熟悉相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用前景，掌握分析方法/應(yīng)用技術(shù)；掌握光電信息科學(xué)與工程學(xué)科的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)；1-3課程教學(xué)安排課程共有24項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，具體安排如下。表2：課程教學(xué)安排表序號(hào)教學(xué)內(nèi)容思政元素課堂教學(xué)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)小計(jì)1緒論；第一章幾何光學(xué)基本原理§1-1光波和光線§1-2幾何光學(xué)基本定律；§1-3折射率和光速職業(yè)教育和愛國教育223§1-4光程的概念及相關(guān)定律；§1-5光路可逆和全反射223§1-6基本定律的向量形式；§1-7幾何光學(xué)的誤差和應(yīng)用范圍的討論224§1-8光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念；§1-9理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)科學(xué)精神培養(yǎng)225§1-10發(fā)光點(diǎn)理想成像的條件——等光程條件；§1-11微小線段理想成像的條件——余弦條件226第二章共軸球面系統(tǒng)的物像關(guān)系§2-1共軸球面系統(tǒng)中的光路計(jì)算公式；§2-2符號(hào)規(guī)則227§2-3球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計(jì)算公式；§2-4近軸光學(xué)的基本公式和它的實(shí)際意義；§2-5共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)——主平面和焦點(diǎn)解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)228§2-6單個(gè)折射球面的主平面和焦點(diǎn)；§2-7共軸球面系統(tǒng)主平面和焦點(diǎn)位置的計(jì)算；§2-8用作圖法求光學(xué)系統(tǒng)的理想像229§2-9理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系式；§2-10光學(xué)系統(tǒng)的放大率；§2-11物像空間不變式2210§2-12物方焦距和像方焦距的關(guān)系；§2-13節(jié)平面和節(jié)點(diǎn)；§2-14無限遠(yuǎn)物體理想像高的計(jì)算公式科學(xué)精神培養(yǎng)2211§2-15理想光學(xué)系統(tǒng)的組合；§2-16理想光學(xué)系統(tǒng)中的光路計(jì)算公式§2-17單透鏡的主平面和焦點(diǎn)位置的計(jì)算公式；2212第三章眼睛和目視光學(xué)系統(tǒng)§3-1人眼的光學(xué)特性；§3-2放大鏡和顯微鏡的工作原理科學(xué)精神培養(yǎng)2213§3-3望遠(yuǎn)鏡的工作原理；§3-4眼睛的缺陷和目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)§3-5空間深度感覺和雙眼立體視覺；解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2214第四章平面鏡棱鏡系統(tǒng)§4-1平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用；§4-2平面鏡的成像性質(zhì)；§4-3平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用；解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2215§4-4棱鏡和棱鏡的展開；§4-5屋脊面和屋脊棱鏡2216§4-6平行平板的成像性質(zhì)和棱鏡的外形尺寸計(jì)算；§4-7確定平面鏡棱鏡系統(tǒng)成像方向的方法解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2217§4-8棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理；§4-9棱鏡做有限轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像空間位置和方向的計(jì)算；§4-10棱鏡做微量轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，像空間位置和方向的計(jì)算；§4-11共軸球面系統(tǒng)和平面鏡棱鏡系統(tǒng)的組合解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2218第五章光學(xué)系統(tǒng)中成像光束的選擇§5-1光闌及其作用；§5-2望遠(yuǎn)系統(tǒng)中成像光束的選擇解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2219§5-3顯微鏡中的光束限制和遠(yuǎn)心光路；§5-4場(chǎng)鏡的特性及其應(yīng)用；§5-5空間物體成像的清晰深度——景深科學(xué)精神培養(yǎng)2220第六章輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)§6-1立體角的意義和它在光度學(xué)中的應(yīng)用；§6-2輻射度學(xué)中的基本量；§6-3人眼的視見函數(shù)；§6-4光度學(xué)中的基本量科學(xué)精神培養(yǎng)2221§6-5光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律；§6-6全擴(kuò)散表面的光亮度；§6-7光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度；§6-8像平面的光照度解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2222§6-9照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)；§6-10人眼的主觀光亮度；§6-11通過望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度；§6-12光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算科學(xué)精神培養(yǎng)2223第八章光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)§8-1概述；§8-2介質(zhì)的色散和光學(xué)系統(tǒng)的色差；§8-3軸上像點(diǎn)的單色像差——球差2224§8-4軸外像點(diǎn)的單色像差；§8-5幾何像差的曲線表示；§8-6用波像差評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量；§8-7理想光學(xué)系統(tǒng)的分辨率22合計(jì)4848教學(xué)安排1.幾何光學(xué)基本原理教學(xué)要求：掌握光波、光線、光程、成像概念和相關(guān)定律；掌握理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)；掌握發(fā)光點(diǎn)理想成像的等光程條件，微小線段理想成像的余弦條件。重點(diǎn)難點(diǎn)：幾何光學(xué)的基本定律、全反射與光路可逆、理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)。思政元素：講授幾何光學(xué)基本定律及利用費(fèi)馬原理巧妙證明，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神。教學(xué)內(nèi)容：光波和光線、幾何光學(xué)的基本定律、折射率與光速、全反射與光路可逆、光學(xué)系統(tǒng)和成像的概念、理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)。2.共軸球面系統(tǒng)的物像關(guān)系教學(xué)要求：掌握共軸球面系統(tǒng)中的光路計(jì)算公式和符號(hào)規(guī)則；掌握球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和光路計(jì)算公式及光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)；握單球面折射和共軸球面系統(tǒng)主平面、焦點(diǎn)及作圖求像方法；掌握理想光學(xué)系統(tǒng)的組合和光路計(jì)算公式。重點(diǎn)難點(diǎn)：球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計(jì)算公式、近軸光學(xué)物像基本公式、共軸球面系統(tǒng)的主平面和焦點(diǎn)、作圖法求像、理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系式、光學(xué)系統(tǒng)的放大率、物方焦距和像方焦距的關(guān)系、理想光學(xué)系統(tǒng)的組合、理想光學(xué)系統(tǒng)中的光路計(jì)算公式、單透鏡的主面和焦點(diǎn)位置的計(jì)算公式。思政元素：根據(jù)球面系統(tǒng)光路計(jì)算結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生思考系統(tǒng)成像質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生勇于發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。教學(xué)內(nèi)容：符號(hào)規(guī)則、球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計(jì)算公式、近軸光學(xué)物像基本公式、共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)——主平面和焦點(diǎn)、共軸球面系統(tǒng)的主平面和焦點(diǎn)、作圖法求像、理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系式、光學(xué)系統(tǒng)的放大率、物像空間不變式、物方焦距和像方焦距的關(guān)系、節(jié)平面和節(jié)點(diǎn)、無限物體理想像高的計(jì)算公式、理想光學(xué)系統(tǒng)的組合、理想光學(xué)系統(tǒng)中的光路計(jì)算公式、單透鏡的主面和焦點(diǎn)位置的計(jì)算公式。3.眼睛和目視光學(xué)系統(tǒng)教學(xué)要求：掌握放大鏡和顯微鏡的工作原理；掌握望遠(yuǎn)鏡的工作原理以及眼睛的缺陷和目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)；了解空間深度感覺和雙眼立體視覺以及雙眼觀察儀器機(jī)理。重點(diǎn)難點(diǎn)：放大鏡和顯微鏡的工作原理、望遠(yuǎn)鏡的工作原理、空間深度感覺和雙眼立體視覺。思政元素：講授眼睛視覺及特點(diǎn)，引導(dǎo)思考實(shí)用的目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些因素，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)內(nèi)容：人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)、對(duì)目視光學(xué)儀器的共同要求、放大鏡和顯微鏡的工作原理、望遠(yuǎn)鏡的工作原理、眼睛的缺陷和目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)、空間深度感覺和雙眼立體視覺、雙眼觀察儀器。4.平面鏡棱鏡系統(tǒng)教學(xué)要求：掌握平面鏡的成像性質(zhì)和平面鏡的旋轉(zhuǎn)；掌握棱鏡和棱鏡的展開以及屋脊面和屋脊棱鏡；掌握平行平板成像性質(zhì)、棱鏡外形尺寸計(jì)算和平面鏡棱鏡系統(tǒng)成像方向；掌握棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)定理。重點(diǎn)難點(diǎn)：平面鏡的成像性質(zhì)、平面鏡的旋轉(zhuǎn)、棱鏡和棱鏡的展開、屋脊棱鏡、棱鏡外形尺寸計(jì)算、共軸球面系統(tǒng)和平面鏡棱鏡系統(tǒng)的組合、棱鏡的偏差；思政元素：講授平面鏡棱鏡在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中巧妙的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮問題解決問題的能力。教學(xué)內(nèi)容：平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用、平面鏡的成像性質(zhì)、平面鏡的旋轉(zhuǎn)、棱鏡和棱鏡的展開、典型棱鏡的展開方法、屋脊棱鏡、平行平板的成像性質(zhì)、棱鏡外形尺寸計(jì)算、確定平面鏡棱鏡系統(tǒng)的成像方向、共軸球面系統(tǒng)和平面鏡棱鏡系統(tǒng)的組合、棱鏡的偏差。5.光學(xué)系統(tǒng)中成像光束的選擇教學(xué)要求：掌握光闌及其作用以及望遠(yuǎn)系統(tǒng)中成像光束的選擇；掌握顯微鏡中的光束限制和遠(yuǎn)心光路，場(chǎng)鏡的特性，景深。重點(diǎn)難點(diǎn)：光闌及其作用、顯微鏡中的光束限制、空間物體成像的清晰深度——景深。思政元素：講授如何根據(jù)要求設(shè)計(jì)光學(xué)儀器，如何消除或降低實(shí)際誤差帶來的影響，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。教學(xué)內(nèi)容：光闌及其作用、望遠(yuǎn)系統(tǒng)中成像光束的選擇(I)——雙筒望遠(yuǎn)鏡、望遠(yuǎn)系統(tǒng)中成像光束的選擇(II)——周視瞄準(zhǔn)鏡、顯微鏡中的光束限制、遠(yuǎn)心光路、場(chǎng)鏡的特性及其應(yīng)用、空間物體成像的清晰深度——景深。6.輻射度學(xué)和光度學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)要求：掌握光度學(xué)中的基本量、光照度公式、發(fā)光強(qiáng)度余弦定律、全擴(kuò)散表面、光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度、像平面的光照度；掌握照相物鏡像平面參數(shù)，人眼的主觀光亮度，望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度以及光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算；。重點(diǎn)難點(diǎn)：光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律、光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度、照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)、光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算、投影系統(tǒng)中的光能計(jì)算；教學(xué)內(nèi)容：立體角的意義和它在光度學(xué)中的應(yīng)用、輻射度學(xué)中的基本量、人眼的視見函數(shù)、光度學(xué)中的基本量、光照度公式和發(fā)光強(qiáng)度的余弦定律、全擴(kuò)散表面的光亮度、光學(xué)系統(tǒng)中光束的光亮度、像平面的光照度，照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)、人眼的主觀光亮度，通過望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的主觀光亮度、光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計(jì)算、投影儀的作用及其類別，投影系統(tǒng)中的光能計(jì)算。7.光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)教學(xué)要求：掌握介質(zhì)的色散和光學(xué)系統(tǒng)的色差，軸上像點(diǎn)的