《應(yīng)用光學(xué)》課程教學(xué)大綱

《應(yīng)用光學(xué)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱應(yīng)用光學(xué)AppliedOptics課程編碼SCC623211030開課院部理學(xué)院課程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用光學(xué)學(xué)分3.0課內(nèi)學(xué)時(shí)52講授40實(shí)驗(yàn)12上機(jī)0實(shí)踐0課外學(xué)時(shí)52適用專業(yè)光電信息科學(xué)與工程授課語言中文先修課程高等數(shù)學(xué)（2-1）、大學(xué)物理（2-1）課程簡(jiǎn)介（必修）《應(yīng)用光學(xué)》是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括幾何光學(xué)、典型光學(xué)系統(tǒng)和像差理論三大部分。幾何光學(xué)部分包括光線光學(xué)的基本概念與成像理論、球面和平面光學(xué)系統(tǒng)及其成像原理、理想光學(xué)系統(tǒng)原理和光束限制等基礎(chǔ)內(nèi)容；典型光學(xué)系統(tǒng)部分包括眼睛、顯微鏡與照明系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡與轉(zhuǎn)像系統(tǒng)等光學(xué)系統(tǒng)的成像原理、光束限制及放大倍率等；像差理論包括光學(xué)系統(tǒng)的軸上點(diǎn)像差、軸外點(diǎn)像差和色差的形成原因、概念、現(xiàn)象和校正像差的基本方法。本課程既講述光學(xué)基本原理又緊密結(jié)合工程實(shí)際中典型光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，使學(xué)生理解掌握光學(xué)基本規(guī)律的同時(shí)對(duì)光學(xué)基本理論的實(shí)際應(yīng)用有較為全面的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而掌握處理幾何光學(xué)問題的基本思路和方法，提高學(xué)生分析問題與解決問題、理論聯(lián)系實(shí)際的能力，開闊思路，激發(fā)探索和創(chuàng)新精神，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、光學(xué)設(shè)計(jì)和從事光學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。課程中結(jié)合國際、國內(nèi)光學(xué)發(fā)展情況將價(jià)值觀、科學(xué)的方法論等思政元素融入教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀及良好的科學(xué)素養(yǎng)?！癆ppliedOptics”isthefundamentalcourseforthemajorofOptoelectronicInformationScienceandEngineering.Thiscourseconsistsofthreeparts:geometricaloptics,typicalopticalsystemsandaberrationtheory.Geometricalopticsincludingthebasicconceptsofrayoptics,imagingtheoryofsphericalandplanaropticalsystems,idealopticalsystemandbeamlimittheory.Thetypicalopticalsystempartincludingtheimagingprincipleandbeamlimitofeyes,microscopeandtelescope.Theaberrationtheoryintroducestheformation,conceptphenomenonandbasicmethodofcorrectionfortheaberrationonaxisandoff-axispointsandchromaticaberration.Combiningthebasicprinciplesofgeometricalopticsandexamplesofthetypicalopticalsysteminengineeringpractice,wehopestudentshaveadeeperunderstandingoffundamentalconceptions、theoriesandtypicalsysteminopticsbystudyingthiscourse.Andtheycanwellcomprehenditsfundamentaltheoriesandpracticalapplications.Moreover,students’abilitytoanalyzeandsolveproblemsandabilityoftheorywithpracticewillbegreatlyimproved,whichcanbroadentheirhorizonsandstimulateexplorationandinnovationabilities.Italsoplaysanimportantroleforthefurtherstudyofopticsdesignandresearch.Inthecourse,combiningtheinternationalanddomesticopticaldevelopment,theideologicalandpoliticalelementssuchasvaluesandscientificmethodologyareintegratedintotheteachingtocultivatestudents'correctvaluesandgoodscientificliteracy.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號(hào)代號(hào)課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：能夠掌握幾何光學(xué)的基本定律、成像概念、理想光學(xué)系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)、系統(tǒng)中的光闌與光束限制、像差等的基礎(chǔ)理論，并能對(duì)典型光學(xué)系統(tǒng)的成像基本問題進(jìn)行推演與分析。是1.32M2目標(biāo)2：能夠運(yùn)用幾何光學(xué)的基本理論對(duì)放大系統(tǒng)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、照相系統(tǒng)等光學(xué)系統(tǒng)中光束限制、像差等復(fù)雜光學(xué)問題給出合理的分析與解決方案，進(jìn)而獲得有效的結(jié)論。是2.33M3目標(biāo)3：能夠運(yùn)用現(xiàn)代工具Zemax對(duì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的成像、像差及成像質(zhì)量評(píng)價(jià)等問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，并利用基本原理進(jìn)行海洋等應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)元件的設(shè)計(jì)、模擬與分析。是3.24M4目標(biāo)4：能夠利用應(yīng)用光學(xué)的基本理論及相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)光學(xué)元件的基點(diǎn)、基面及典型光學(xué)系統(tǒng)的成像、像差等相關(guān)問題，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，搭建光路開展實(shí)驗(yàn)，并能夠解釋、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。是4.25M5目標(biāo)5：能夠就光學(xué)系統(tǒng)的成像及模擬分析等問題，以口頭、文稿、圖表等方式進(jìn)行交流，準(zhǔn)確表達(dá)自己的觀點(diǎn)。是10.110.1三、課程內(nèi)容序號(hào)章節(jié)號(hào)標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時(shí)教學(xué)方式課外學(xué)時(shí)課外環(huán)節(jié)1第一章第一章幾何光學(xué)基本定律與成像概念本章重點(diǎn)難點(diǎn)：費(fèi)馬原理、完善成像條件、物像的虛實(shí)的判斷、單個(gè)折射（反射）球面以及共軸球面系統(tǒng)的成像公式。M1////21.11.1幾何光學(xué)基本定律教學(xué)大綱簡(jiǎn)介，光波與光線，幾何光學(xué)基本定律，費(fèi)馬原理，馬呂斯定律。M12講授2自學(xué)教學(xué)大綱31.21.2成像的基本概念與完善成像條件光學(xué)系統(tǒng)與成像概念，完善成像條件，物像的虛實(shí)。M12講授2自學(xué)41.31.3光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)基本概念與符號(hào)規(guī)則，實(shí)際光線的光路計(jì)算，近軸光線的光路計(jì)算。M12講授2作業(yè)、自學(xué)51.41.4球面光學(xué)成像系統(tǒng)單個(gè)折射面成像，球面反射鏡成像，共軸球面系統(tǒng)。M12講授、討論2作業(yè)、自學(xué)6第二章第二章理想光學(xué)系統(tǒng)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：理想光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)、圖解法求像、解析法求像（牛頓公式和高斯公式）、多光組組合系統(tǒng)的計(jì)算、理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率概念及公式、兩焦距之間的關(guān)系以及理想光學(xué)系統(tǒng)的組合公式。M1,M3,M4,M5////72.12.1理想光學(xué)系統(tǒng)與共線成像理論理想光學(xué)系統(tǒng)概念，理想光學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)，共線成像理論。M11講授1自學(xué)82.22.2理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面無限遠(yuǎn)軸上物點(diǎn)及對(duì)應(yīng)像點(diǎn)，無限遠(yuǎn)軸上像點(diǎn)及對(duì)應(yīng)物點(diǎn)，物方主平面與像方主平面關(guān)系，實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)位置和焦距計(jì)算。M11講授1自學(xué)9實(shí)驗(yàn)1平行光的調(diào)節(jié)利用光源、透鏡、小孔光闌等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)平行光的調(diào)節(jié)。M4,M52實(shí)驗(yàn)2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告102.32.3理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系圖解法求像，解析法求像，理想光學(xué)系統(tǒng)兩焦距間關(guān)系。M1,M32講授2作業(yè)、模擬112.42.4理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率軸向放大率，角放大率，光學(xué)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，平行光測(cè)焦距。M1,M51講授、討論1作業(yè)12實(shí)驗(yàn)2透鏡及球面反射鏡焦距的測(cè)量利用之前的平行光路及基點(diǎn)、基面的定義與特點(diǎn)對(duì)正負(fù)透鏡及球面反射鏡的焦距進(jìn)行測(cè)量M4,M52實(shí)驗(yàn)2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告132.52.5理想光學(xué)系統(tǒng)的組合兩個(gè)光組組合，多光組組合計(jì)算。M1,M34講授3作業(yè)、模擬142.62.6透鏡透鏡參數(shù)的計(jì)算。M51講授、討論1作業(yè)15實(shí)驗(yàn)3透鏡組節(jié)點(diǎn)和焦距的測(cè)定利用平行光路及光具組的知識(shí)測(cè)定透鏡組的節(jié)點(diǎn)和焦距M4,M52實(shí)驗(yàn)2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告16第三章第三章平面與平面系統(tǒng)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：?jiǎn)纹矫骁R和雙平面鏡系統(tǒng)的成像特點(diǎn)和性質(zhì)、反射棱鏡成像方向判斷、折射棱鏡及其最小偏向角公式。M1,M2////173.13.1平面鏡成像單平面鏡成像及旋轉(zhuǎn)特性，雙平面鏡成像。M11講授1自學(xué)183.23.2平行平板平行平板成像特性，平行平板等效光學(xué)系統(tǒng)。M11講授1作業(yè)、自學(xué)193.33.3反射棱鏡反射棱鏡類型，棱鏡成像方向判斷。M22講授2自學(xué)203.43.4折射棱鏡與光楔折射棱鏡的偏向角，光楔及其應(yīng)用。M10.7講授0.7作業(yè)213.53.5光學(xué)材料光學(xué)材料分類及特點(diǎn)M10.3講授0.3自學(xué)22第四章第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制本章重點(diǎn)難點(diǎn)：孔徑光闌、視場(chǎng)光闌的含義及作用，入瞳、出瞳的位置，入射窗、出射窗的位置，主光線的概念，漸暈的含義，孔徑光闌和視場(chǎng)光闌在望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)和顯微鏡中的位置及作用、物方遠(yuǎn)心光路的結(jié)構(gòu)。M1,M2////234.14.1光闌孔徑光闌，入瞳，出瞳，視場(chǎng)光闌，入射窗，出射窗，漸暈光闌M12講授2作業(yè)、自學(xué)244.24.2照相系統(tǒng)中的光闌光闌對(duì)軸上點(diǎn)及軸外點(diǎn)光束的限制。M20.5講授0.5自學(xué)254.34.3望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠(yuǎn)系統(tǒng)中光闌的位置及作用。M1,M20.5講授0.5模擬264.44.4顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析遠(yuǎn)心光路，場(chǎng)鏡作用。M1,M22講授、討論2作業(yè)274.54.5光學(xué)系統(tǒng)的景深景深的概念，影響景深的因素。M1,M21講授、討論1自學(xué)28第五章第五章光度學(xué)基礎(chǔ)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：光通量、光照度、光出射度、光亮度的基本概念，光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律、光能損失及光學(xué)系統(tǒng)像面照度的計(jì)算。M1////295.15.1輻射能通量，光通量輻射能通量、光通量的概念M10.5講授0.5自學(xué)305.25.2光照度與光亮度發(fā)光強(qiáng)度，光照度，光出射度和光亮度的概念M10.5講授0.5自學(xué)315.35.3光傳播過程中光學(xué)量的變化規(guī)律傳播過程中光照度等光學(xué)量的變化規(guī)律M10.5講授0.5自學(xué)325.45.4光學(xué)系統(tǒng)光能損失的計(jì)算及成像系統(tǒng)的像面照度光學(xué)系統(tǒng)光能損失的計(jì)算、成像光學(xué)系統(tǒng)像面的照度M10.5講授0.5作業(yè)33第六章第六章光線的光路計(jì)算及像差理論本章重點(diǎn)難點(diǎn)：像差的概念，五種單色像差以及兩種色差的成因、定義、表現(xiàn)形式及影響。M1,M3,M4,M5////346.16.1概述基本概念，像差計(jì)算的譜線選擇。M10.2講授0.2自學(xué)356.36.3軸上點(diǎn)的球差軸向球差、垂軸球差的定義和表示。M10.5講授0.5自學(xué)366.46.4正弦差和彗差彗差定義及表現(xiàn)形式。M10.4講授0.4自學(xué)376.56.5場(chǎng)曲和像散場(chǎng)曲和子午像散、弧矢像散定義及表現(xiàn)形式。M10.4講授0.4自學(xué)386.66.6畸變畸變定義及表現(xiàn)形式。M10.3講授0.3自學(xué)396.76.7色差位置色差及倍率色差的定義，表現(xiàn)形式。M30.2講授0.2模擬40實(shí)驗(yàn)4光學(xué)系統(tǒng)像差的觀察搭建光路觀察光學(xué)系統(tǒng)的不同像差M4,M52實(shí)驗(yàn)、討論2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告41第七章第七章典型光學(xué)系統(tǒng)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：眼睛生理和光學(xué)系統(tǒng)、顯微鏡系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和放大鏡的工作原理和視覺放大率計(jì)算。M1,M2,M4,M5////427.17.1眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)眼睛的構(gòu)造，眼睛的調(diào)節(jié)，視度，近點(diǎn)，遠(yuǎn)點(diǎn)，非正常眼(近視、遠(yuǎn)視、散光)，眼睛的適應(yīng)，眼睛的分辨率，眼睛的立體視覺M12講授1作業(yè)437.27.2放大鏡放大鏡的成像原理，放大鏡的放大倍率，放大鏡的光束限制。M10.7講授0.7自學(xué)447.37.3顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡的成像原理、視覺放大倍率，顯微鏡的分辨率，數(shù)值孔徑，有效放大率。M1,M21.3講授1.3作業(yè)457.47.4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)與角分辨率。M1,M21講授1作業(yè)46實(shí)驗(yàn)5典型光學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)搭建望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)等典型光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)像、光路加長等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與搭建。M2,M4,M54實(shí)驗(yàn)4撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告47第八章第八章現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)本章重點(diǎn)、難點(diǎn)：不同光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用。M2////488.18.1激光光學(xué)系統(tǒng)與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用M20/1線上自學(xué)498.28.3微透鏡陣列、特殊面型及特殊結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)微透鏡陣列、特殊面型、特殊結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用。M20/1線上自學(xué)50第九章第九章光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)及像差公差本章重點(diǎn)難點(diǎn)：瑞利（Reyleigh）判斷及中心點(diǎn)亮度、分辨率、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)等幾種像質(zhì)評(píng)價(jià)方法的理解與應(yīng)用。M1,M3////519.19.1光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法瑞利（Reyleigh）判斷、中心點(diǎn)亮度、分辨率、點(diǎn)列圖及光學(xué)傳遞函數(shù)幾種光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)方法的理解與應(yīng)用。M1,M31.7講授、討論1.7模擬529.29.2光學(xué)系統(tǒng)的像差公差光學(xué)系統(tǒng)像差公差的概念及意義。M10.3講授0.3自學(xué)四、考核方式序號(hào)考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評(píng)占比1平時(shí)作業(yè)1.每周布置1~2次作業(yè)，平均每次課2道題以上。2.成績(jī)采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時(shí)上交、是否獨(dú)立完成評(píng)分。3.考核學(xué)生對(duì)應(yīng)用光學(xué)基本知識(shí)的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決光學(xué)問題的能力，題型主要有作圖、分析和計(jì)算題。10%2實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)1.本課程12個(gè)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，共5次實(shí)驗(yàn)。2.成績(jī)采用百分制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)情況、以及完成情況和數(shù)據(jù)處理情況綜合評(píng)分。3.考核學(xué)生對(duì)應(yīng)用光學(xué)基本理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力。15%3模擬與討論1.本課程要求利用Zemax現(xiàn)代仿真工具建立光學(xué)系統(tǒng)的研究模型，進(jìn)行模擬、分析與討論，進(jìn)而嘗試海洋等應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與分析。2.根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與模擬、分析以及報(bào)告交流等情況綜合評(píng)分。10%4線上互動(dòng)與專題研討1.本課程采用線上、線下混合式教學(xué)，利用線上平臺(tái)進(jìn)行部分基本內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)與測(cè)試以及前沿和應(yīng)用問題的研討與交流。2.根據(jù)平臺(tái)的自主學(xué)習(xí)監(jiān)測(cè)、互動(dòng)情況及題目測(cè)試情況進(jìn)行評(píng)分。15%5期末考試1.閉卷考試，成績(jī)采用百分制，卷面成績(jī)總分100分。2.主要考核學(xué)生對(duì)應(yīng)用光學(xué)中基本知識(shí)的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力，題型主要有簡(jiǎn)答題、作圖題、分析題、計(jì)算題等。50%五、評(píng)分細(xì)則序號(hào)課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評(píng)分等級(jí)1M1平時(shí)作業(yè)10%A-按時(shí)提交作業(yè)，光學(xué)系統(tǒng)及成像基本概念理解及光學(xué)系統(tǒng)成像計(jì)算與分析正確無誤。B-按時(shí)提交作業(yè)，光學(xué)系統(tǒng)及成像基本概念理解及光學(xué)系統(tǒng)成像計(jì)算與分析存在少量錯(cuò)誤。2M1期末考試80%（見試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)）3M1線上互動(dòng)與專題研討10%A-完成線上自主學(xué)習(xí)、測(cè)試題目基本正確、積極互動(dòng)。B-完成線上自主學(xué)習(xí)、測(cè)試題目存在少量錯(cuò)誤、互動(dòng)討論不積極。4M2實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)20%A-按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)方法有創(chuàng)新，實(shí)數(shù)據(jù)分析符合規(guī)范，結(jié)論無誤。B-按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方法正確，數(shù)據(jù)分析基本規(guī)范，結(jié)論基本正確。C-按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方法正確，數(shù)據(jù)分析過程存在問題。D-未按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。5M2模擬與討論20%A-按時(shí)提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告，系統(tǒng)模擬與分析正確，完成簡(jiǎn)單光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。B-按時(shí)提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告，系統(tǒng)模擬與分析正確，未完成簡(jiǎn)單光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。C-未按時(shí)提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告，系統(tǒng)模擬與分析不夠全面，未完成簡(jiǎn)單光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。D-未提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告與光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。6M2期末考試60%（見試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)）7M3模擬與討論100%A-按時(shí)提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告，系統(tǒng)模擬與分析正確，完成簡(jiǎn)單光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。B-按時(shí)提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告，系統(tǒng)模擬與分析正確，未完成簡(jiǎn)單光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。C-未按時(shí)提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告，系統(tǒng)模擬與分析不夠全面，未完成簡(jiǎn)單光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。D-未提交光學(xué)系統(tǒng)模擬報(bào)告與光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。8M4實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)100%A-按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)方法有創(chuàng)新，實(shí)數(shù)據(jù)分析符合規(guī)范，結(jié)論無誤。B-按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方法正確，數(shù)據(jù)分析基本規(guī)范，結(jié)論基本正確。C-按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方法正確，數(shù)