《工程光學(xué)》教學(xué)大綱(0807408002)

1、工程光學(xué)課程教學(xué)大綱課程代碼：0807408002課程名稱：工程光學(xué) 英文名稱：Engineering Optics學(xué) 分：4 總 學(xué) 時：64 講課學(xué)時：56 實驗學(xué)時：8 上機學(xué)時：0 課外學(xué)時：0 適用對象：光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生先修課程：大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)學(xué)生自主學(xué)習(xí)時數(shù)建議：128一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù) 工程光學(xué)課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是光學(xué)設(shè)計、光電成像技術(shù)、光電檢測和光學(xué)測量等專業(yè)課的先修課程。本課程主要講授幾何光學(xué)和物理光學(xué)方面的基本理論、基本方法和典型光學(xué)系統(tǒng)實例及應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能對光學(xué)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(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計、光信息理

2、論和從事光學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求 1、掌握幾何光學(xué)的基本定律與成像理論；2、了解球面光學(xué)成像系統(tǒng)的基本知識；3、掌握理想光學(xué)系統(tǒng)和平面光學(xué)系統(tǒng)的基本理論，了解典型光學(xué)系統(tǒng)和現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；4、理解光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價，光的衍射與傅里葉光學(xué)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(xué)內(nèi)容 第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念1、教學(xué)內(nèi)容（1）幾何光學(xué)的基本定律1幾何光學(xué)的點、線、面；2幾何光學(xué)的基本定律；3費馬原理；（2） 光學(xué)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(xué)系統(tǒng)1、

3、教學(xué)內(nèi)容（1）理想光學(xué)系統(tǒng)的基本理論（2）理想光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的焦距；5理想光學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點；（3）理想光學(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)的基點和基面1實際光學(xué)系統(tǒng)的基點和基面；2實際光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的放大率概念及公式，理想光學(xué)系統(tǒng)兩焦距之間的關(guān)系，理想光學(xué)系統(tǒng)

4、的組合公式和正切計算法第三章 平面與系統(tǒng)1、教學(xué)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(xué)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，光楔的偏向角公式及其應(yīng)用第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制1、教學(xué)內(nèi)容（1）概述（2）孔徑光闌1孔

5、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(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)1、教學(xué)內(nèi)容（1）光度學(xué)中輻射量和光學(xué)量的定義、單位，光度學(xué)基本量的定義和單位，輻射量和光學(xué)量的關(guān)系（2）光傳播過程中光學(xué)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(xué)系統(tǒng)簡介2、重

6、點和難點（1）重點：光度學(xué)中的定義（2）難點：光傳播過程中光學(xué)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(xué)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學(xué)系統(tǒng)1、教學(xué)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(xué)系統(tǒng)角放大率的異

7、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

8、)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(xué)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(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算、分辯率、變焦距光學(xué)系統(tǒng)第八章光的電磁理論基礎(chǔ)1、教學(xué)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

9、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(xué)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

10、林干涉儀和波面干涉技術(shù)；3馬赫曾德爾干涉儀；（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(xué)內(nèi)容（1）的標量衍射理論1衍射的基本概念；2惠更斯菲涅耳原理；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(xué)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

11、；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(xué)內(nèi)容（1）偏振光的描述1光波的偏振態(tài)；2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(xué)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(xué)描述；（4）偏振光的干涉（5）波導(dǎo)光學(xué)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

12、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(xí)題及課程討論 為達到本課程的教學(xué)基本要求，課內(nèi)和課外習(xí)題（包括自測題）不應(yīng)少于20題。六、教學(xué)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(xué)。七、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時分配 章節(jié)（或內(nèi)容）講課實驗上機習(xí)題課討論課自主學(xué)習(xí)合計幾何光學(xué)基本定律與成像概念424理想光學(xué)系統(tǒng)68平面與系統(tǒng)44光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制44光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)22光線的光路計算

13、及像差理論426典型光學(xué)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528464八、學(xué)生自主學(xué)習(xí)要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)要求時數(shù)不少于128學(xué)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(xué)生的課程總評成績由平時成績（占40%）和期末考試成績（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(xué)習(xí)主動性等。十、推薦教材和教學(xué)參考書 教 材：工程光學(xué)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(xué)，張風(fēng)林編著，天津大學(xué)出版社，1988年。物理光學(xué)，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

14、：年 月 日工程光學(xué)實驗教學(xué)大綱一、教學(xué)目標與基本要求1、通過實驗，加深對工程光學(xué)基本理論知識的理解，熟練掌握工程光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法；2、熟悉并掌握常用光學(xué)儀器設(shè)備的使用方法；3、通過實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生運用基礎(chǔ)理論知識，分析和解決光學(xué)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(xué)理論課程的配套課程，需要學(xué)生利用理論課涉及的幾何光學(xué)基本定律與成像概念、理想光學(xué)系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)、光束限制、典型光學(xué)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(xué)生初步掌握薄透鏡焦距測量、望

15、遠鏡等典型光學(xué)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(xué)會光源的使用、光學(xué)系統(tǒng)的搭建，各光學(xué)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(xué)生在課前認真閱讀實驗教材和有關(guān)資料，實驗中，學(xué)生應(yīng)該根據(jù)實驗項目的要求選擇光學(xué)器件、搭建調(diào)平光學(xué)系統(tǒng)、觀察到光學(xué)影像。光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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)象2驗證性2-3必做4光的偏振測量搭建光學(xué)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2-3選做注：設(shè)計實驗