《應(yīng)用光學》課程教學大綱

《應(yīng)用光學》教學大綱課程名稱：應(yīng)用光學英文名稱：AppliedOptics課程編號：F047091722學分：3總學時/課內(nèi)實踐學時：48/0課程性質(zhì)：選修課程開課單位：數(shù)理科學與工程學院應(yīng)用物理系基層教學組織適應(yīng)對象：應(yīng)用物理學專業(yè)課程簡介（中英文，一般200-300字左右）《應(yīng)用光學》是為應(yīng)用物理學專業(yè)學生開設(shè)的專業(yè)方向與拓展課，其為光學儀器、微光夜視、激光紅外等學科奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，在培養(yǎng)光學和光電類人才中具有重要地位。本課程以幾何光學原理為基礎(chǔ)，分析研究典型光學儀器、光學系統(tǒng)、光纖光學系統(tǒng)、激光光學系統(tǒng)及紅外光學系統(tǒng)。本課程屬于考查課，以理論授課為主，設(shè)計和分析一些典型的光學系統(tǒng)，并通過課上回答問題、課下作業(yè)完成度等進行考核。通過本課程學習，培養(yǎng)學生科學思維能力、分析計算能力、科學研究能力和科學歸納能力，樹立學生嚴肅認真的科學作風和理論聯(lián)系實際的工程觀點，并為后續(xù)專業(yè)課程學習打下堅實基礎(chǔ)。本課程對于培養(yǎng)新世紀高素質(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（中英文，一般150字左右）強化科學倫理教育，注重科學思維方法訓(xùn)練和嚴肅認真科學作風培養(yǎng)，提高學生分析和解決實際工程問題能力，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。掌握幾何光學基本定律、光學系統(tǒng)光路、理想光學系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)計算與設(shè)計、人眼對目視光學儀器共同要求、像差基本理論和光學系統(tǒng)像質(zhì)評價。熟知應(yīng)用光學專業(yè)知識，具備辨識和表述應(yīng)用光學基本原理的能力，具備分析解決實際問題的能力。1.Strengthentheeducationofscientificethics,payattentiontothetrainingofscientificthinkingmethodsandthecultivationofseriousandseriousscientificstyle,improvestudents'abilitytoanalyzeandsolvepracticalengineeringproblems,andstimulatestudents'nationalfeelingsandmissionofservingthecountrythroughscienceandtechnology.2.Masterthebasiclawsofgeometricoptics,opticalsystemopticalpath,idealopticalsystem,planeandplanesystemcalculationanddesign,commonrequirementsofthehumaneyeforvisualopticalinstruments,basictheoryofaberrationandimagequalityevaluationofopticalsystems.3.Familiarwiththeprofessionalknowledgeofappliedoptics,havetheabilitytoidentifyandexpressthebasicprinciplesofappliedoptics,havetheabilitytoanalyzeandsolvepracticalproblems.三、課程目標與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系本課程的課程目標對應(yīng)用物理學專業(yè)畢業(yè)要求指標點的支撐情況如表1所示：表1課程目標與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標畢業(yè)要求1：系統(tǒng)掌握應(yīng)用光學知識體系。能夠運用數(shù)學、光學等專業(yè)知識基礎(chǔ)，分析推導(dǎo)光學系統(tǒng)光線傳輸過程。能夠利用所學知識解決實際問題。1.2掌握無損檢測、光電檢測、光電傳感的基礎(chǔ)知識和理論，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)；掌握光電信息科學與工程學科的基本理論和基礎(chǔ)知識；1-3課程教學安排課程共有24項教學內(nèi)容，具體安排如下。表2：課程教學安排表序號教學內(nèi)容思政元素課堂教學學時實驗/實踐教學學時學時小計1緒論；第一章幾何光學基本原理§1-1光波和光線§1-2幾何光學基本定律；§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幾何光學的誤差和應(yīng)用范圍的討論224§1-8光學系統(tǒng)類別和成像的概念；§1-9理想像和理想光學系統(tǒng)科學精神培養(yǎng)225§1-10發(fā)光點理想成像的條件——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)中的光路計算公式；§2-2符號規(guī)則227§2-3球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計算公式；§2-4近軸光學的基本公式和它的實際意義；§2-5共軸理想光學系統(tǒng)的基點——主平面和焦點解決實際問題能力培養(yǎng)228§2-6單個折射球面的主平面和焦點；§2-7共軸球面系統(tǒng)主平面和焦點位置的計算；§2-8用作圖法求光學系統(tǒng)的理想像229§2-9理想光學系統(tǒng)的物像關(guān)系式；§2-10光學系統(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；§2-14無限遠物體理想像高的計算公式科學精神培養(yǎng)2211§2-15理想光學系統(tǒng)的組合；§2-16理想光學系統(tǒng)中的光路計算公式§2-17單透鏡的主平面和焦點位置的計算公式；2212第三章眼睛和目視光學系統(tǒng)§3-1人眼的光學特性；§3-2放大鏡和顯微鏡的工作原理科學精神培養(yǎng)2213§3-3望遠鏡的工作原理；§3-4眼睛的缺陷和目視光學儀器的視度調(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算；§4-7確定平面鏡棱鏡系統(tǒng)成像方向的方法解決實際問題能力培養(yǎng)2217§4-8棱鏡轉(zhuǎn)動定理；§4-9棱鏡做有限轉(zhuǎn)動時，像空間位置和方向的計算；§4-10棱鏡做微量轉(zhuǎn)動時，像空間位置和方向的計算；§4-11共軸球面系統(tǒng)和平面鏡棱鏡系統(tǒng)的組合解決實際問題能力培養(yǎng)2218第五章光學系統(tǒng)中成像光束的選擇§5-1光闌及其作用；§5-2望遠系統(tǒng)中成像光束的選擇解決實際問題能力培養(yǎng)2219§5-3顯微鏡中的光束限制和遠心光路；§5-4場鏡的特性及其應(yīng)用；§5-5空間物體成像的清晰深度——景深科學精神培養(yǎng)2220第六章輻射度學和光度學基礎(chǔ)§6-1立體角的意義和它在光度學中的應(yīng)用；§6-2輻射度學中的基本量；§6-3人眼的視見函數(shù)；§6-4光度學中的基本量科學精神培養(yǎng)2221§6-5光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律；§6-6全擴散表面的光亮度；§6-7光學系統(tǒng)中光束的光亮度；§6-8像平面的光照度解決實際問題能力培養(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通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度；§6-12光學系統(tǒng)中光能損失的計算科學精神培養(yǎng)2223第八章光學系統(tǒng)成像質(zhì)量評價§8-1概述；§8-2介質(zhì)的色散和光學系統(tǒng)的色差；§8-3軸上像點的單色像差——球差2224§8-4軸外像點的單色像差；§8-5幾何像差的曲線表示；§8-6用波像差評價光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量；§8-7理想光學系統(tǒng)的分辨率22合計4848教學安排1.幾何光學基本原理教學要求：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系統(tǒng)；掌握發(fā)光點理想成像的等光程條件，微小線段理想成像的余弦條件。重點難點：幾何光學的基本定律、全反射與光路可逆、理想像和理想光學系統(tǒng)。思政元素：講授幾何光學基本定律及利用費馬原理巧妙證明，培養(yǎng)學生科學精神。教學內(nèi)容：光波和光線、幾何光學的基本定律、折射率與光速、全反射與光路可逆、光學系統(tǒng)和成像的概念、理想像和理想光學系統(tǒng)。2.共軸球面系統(tǒng)的物像關(guān)系教學要求：掌握共軸球面系統(tǒng)中的光路計算公式和符號規(guī)則；掌握球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和光路計算公式及光學系統(tǒng)基點；握單球面折射和共軸球面系統(tǒng)主平面、焦點及作圖求像方法；掌握理想光學系統(tǒng)的組合和光路計算公式。重點難點：球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計算公式、近軸光學物像基本公式、共軸球面系統(tǒng)的主平面和焦點、作圖法求像、理想光學系統(tǒng)的物像關(guān)系式、光學系統(tǒng)的放大率、物方焦距和像方焦距的關(guān)系、理想光學系統(tǒng)的組合、理想光學系統(tǒng)中的光路計算公式、單透鏡的主面和焦點位置的計算公式。思政元素：根據(jù)球面系統(tǒng)光路計算結(jié)果引導(dǎo)學生思考系統(tǒng)成像質(zhì)量，培養(yǎng)學生勇于發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。教學內(nèi)容：符號規(guī)則、球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計算公式、近軸光學物像基本公式、共軸理想光學系統(tǒng)的基點——主平面和焦點、共軸球面系統(tǒng)的主平面和焦點、作圖法求像、理想光學系統(tǒng)的物像關(guān)系式、光學系統(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、無限物體理想像高的計算公式、理想光學系統(tǒng)的組合、理想光學系統(tǒng)中的光路計算公式、單透鏡的主面和焦點位置的計算公式。3.眼睛和目視光學系統(tǒng)教學要求：掌握放大鏡和顯微鏡的工作原理；掌握望遠鏡的工作原理以及眼睛的缺陷和目視光學儀器的視度調(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理。重點難點：放大鏡和顯微鏡的工作原理、望遠鏡的工作原理、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，引導(dǎo)思考實用的目視光學儀器設(shè)計應(yīng)注意哪些因素，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。教學內(nèi)容：人眼的光學結(jié)構(gòu)、對目視光學儀器的共同要求、放大鏡和顯微鏡的工作原理、望遠鏡的工作原理、眼睛的缺陷和目視光學儀器的視度調(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)、棱鏡外形尺寸計算和平面鏡棱鏡系統(tǒng)成像方向；掌握棱鏡轉(zhuǎn)動定理。重點難點：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際光學系統(tǒng)中巧妙的應(yīng)用，培養(yǎng)學生綜合考慮問題解決問題的能力。教學內(nèi)容：平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學儀器中的應(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.光學系統(tǒng)中成像光束的選擇教學要求：掌握光闌及其作用以及望遠系統(tǒng)中成像光束的選擇；掌握顯微鏡中的光束限制和遠心光路，場鏡的特性，景深。重點難點：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)計光學儀器，如何消除或降低實際誤差帶來的影響，培養(yǎng)學生嚴謹科學態(tài)度。教學內(nèi)容：光闌及其作用、望遠系統(tǒng)中成像光束的選擇(I)——雙筒望遠鏡、望遠系統(tǒng)中成像光束的選擇(II)——周視瞄準鏡、顯微鏡中的光束限制、遠心光路、場鏡的特性及其應(yīng)用、空間物體成像的清晰深度——景深。6.輻射度學和光度學基礎(chǔ)教學要求：掌握光度學中的基本量、光照度公式、發(fā)光強度余弦定律、全擴散表面、光學系統(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，望遠鏡觀察時的主觀光亮度以及光學系統(tǒng)中光能損失的計算；。重點難點：光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律、光學系統(tǒng)中光束的光亮度、照相物鏡像平面的光照度和光圈數(shù)、光學系統(tǒng)中光能損失的計算、投影系統(tǒng)中的光能計算；教學內(nèi)容：立體角的意義和它在光度學中的應(yīng)用、輻射度學中的基本量、人眼的視見函數(shù)、光度學中的基本量、光照度公式和發(fā)光強度的余弦定律、全擴散表面的光亮度、光學系統(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，通過望遠鏡觀察時的主觀光亮度、光學系統(tǒng)中光能損失的計算、投影儀的作用及其類別，投影系統(tǒng)中的光能計算。7.光學系統(tǒng)成像質(zhì)量評價教學要求：掌握介質(zhì)的色散和光學系統(tǒng)的色差，軸上像點的