现代应用光学教学大纲

现代应用光学教学大纲

《现代应用光学》课程教学大纲

课程代码：090631006

课程英文名称：Modern Applied Optics

课程总学时：56 讲课：56 实验：0 上机：0

适用专业：光电信息科学与工程

大纲编写（修订）时间：2017.10

一、大纲使用说明

（一）课程的地位及教学目标

本课程是为光电信息科学与工程专业开设的一门培养学生的几何光学基本能力的必修专业基础课。应用光学作为光学领域重要的技术基础，使学生了解和掌握光学系统成像的基本理论和成像关系；掌握典型光学系统的成像原理及设计方法，并可以对光学系统进行成像质量评价，为学生今后进行光学系统的设计工作奠定基础。在光电专业培养计划中，它起到基础理论课程的作用。本课程在教学内容方面更加入了光学系统设计及成像质量评价等方面，在完成基本知识及基本理论的教学同时，通过简单设计训练，着重培养学生光学系统设计的基本思维和设计能力。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：

1．掌握通用光学零件的基本光学原理、方法和成像质量评价基础，具有设计一般光学系统设计的初步能力；

2．树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；

3．具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术的能力；

4．了解光学系统设计的新发展。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求

1、知识方面的基本要求：

通过本课程的学习，使学生掌握：实际光学系统与理想光学系统的概念、作用、二者的关系，以及它们的成像原理与计算方法；掌握平面光学元件的成像性质与在光学系统中的作用；掌握光阑的作用与对系统光束的限制；了解光度学的基本概念及掌握光学系统光能的传递与计算方法；掌握典型系统的成像原理及各性能参数之间的关系。

2、能力方面的基本要求：

通过本科程的学习，培养学生：用几何光学的观点、理论和方法分析光学系统或光学仪器的成像性质，掌握光学系统的设计思想和方法，了解常用光学仪器的性能和应用。

3、技能方面的基本要求：

通过本课程的学习，使学生达到能根据光学系统的设计指标要求，确定光学系统的外形尺寸、位置等参数，并能对所设计的光学系统进行成像质量评价。

（三）实施说明

这个教学大纲是根据光信息科学与技术专业的特点和学科内容要求而编写的,在执行本大纲时应注意以下几点：

1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准及手册等技术资料的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中主要采用课堂板书授课，并适当采用电子教案、PPT课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

3．计算机辅助设计：在后续的教学环节与光学设计软件ZEMAX的教学进行结合，提高学生

光学设计能力。

（四）对先修课的要求

本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程有高等数学、普通物理等。本课程将为物理光学、非线性光学等其它光学性质专业课、课程设计以及毕业设计的学习打下良好基础。

（五）对习题课、实践环节的要求 各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，对重点、难点章节（如：理想光学系统物像关系、平面镜棱镜系统等）适当多安排习题，习题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题。

课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及设计计算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，熟悉标准、规范等的作用，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评作业。学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。

期末总复习对所学概念、原理及重点、难点知识进行全面系统讲解。

（六）课程考核方式

1．考核方式：考试

2．考核目标：在考核学生应用光学基础理论和方法的基础上，重点考核解决实际问题能力。 3．成绩构成：本课程的总成绩主要由两部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况、课堂表现情况等）占20%，期末考试成绩占80%。

平时成绩由任课教师视具体情况按百分制给出，三次及以上课堂不出勤则总成绩直接以不及格计。

（七）参考书目

1、《应用光学》，安连生编，北京理工大学出版社，2002年

2、《应用光学》，张以谟编，电子工业出版社，2008年

3、《工程光学》，郁道银编，机械工业出版社，2005年

二、中文摘要

该课程是光电信息科学与工程专业本科生的必修专业基础课。应用光学是光学工程领域的重要技术基础。它有助于学生理解和掌握光学成像系统的理论基础和光学系统的设计方法。为学生将来在光学工程和光学系统的设计方面打下良好的基础。

三、课程学时分配表

四、教学内容及基本要求

第1部分几何光学的基本原理

总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0

1.1 几何光学的基本原理（2学时）

了解光线和光波；理解几何光学的研究方法；掌握几何光学的基本定律。

1.2 费马原理和马吕斯定律（1学时）

了解基本定律、费马原理和马吕斯定律之间的关系；掌握费马原理和马吕斯定律

1.3 光学系统成像的概念，光学材料（1学时）

了解和理解光学材料的特性；掌握成像的基本概念。

重点: 几何光学的基本原理

难点: 基本定律、费马原理和马吕斯定律之间的关系

习题: 几何光学的基本原理等

第2部分共轴球面系统的成像关系

总学时(单位：学时):12 讲课:12 实验:0 上机:0

2.1 符号规则（1学时）

了解和理解规定符号规则的意义；掌握符号规则。

2.2 单个球面的光路计算公式（1学时）

了解单个折射球面光路计算方法；理解球面反射镜的成像关系；掌握理想成像条件

2.3 近轴光学的基本公式和意义（1学时）

了解和理解近轴光学成像的意义；掌握近轴光学基本公式

2.4 理想光学系统的基点（1学时）

了解和理解理想光学系统基点的作用；掌握三个基点的定义和之间关系

2.5 理想光学系统的物像关系（4学时）

了解和理解理想光学系统的物像关系求解方法；掌握图解法和解析法求像

2.6 光学系统的放大率（1学时）

了解和理解三个放大率之间的关系；掌握三个放大率的定义，公式和物像不变式

2.7 光学系统的组合（2学时）

了解和理解解析法求光学系统组合基点的方法，矩阵方法等；掌握利用图解法求光学系统组合基点方法

2.8 单透镜基点的计算公式（1学时）

掌握单透镜基点的计算公式

重点: 理想光学系统的基点

难点: 理想光学系统物像关系

习题: 理想光学系统物像关系计算及作图

第3部分眼睛和目视光学仪器

总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0

3.1 人眼的光学特性（2学时）

了解人眼的构造；理解人眼的调节；掌握人眼的光学特性，缺陷和矫正。

3.2 目视光学仪器的工作原理（1学时）

了解目视光学仪器的视度调节；掌握目视光学仪器的工作原理、视角放大率。

3.3 空间深度感觉和双眼立体感觉（1学时）

了解人眼产生空间深度感觉的原因；理解双眼立体感觉；掌握双目光学仪器的光学特性。重点: 人眼的光学特性

难点: 空间深度感觉和双眼立体感觉

习题: 人眼成像光路

第4部分平面镜棱镜系统

总学时(单位：学时):7 讲课:7 实验:0 上机:0

4.1 平面反射镜（2学时）

了解平面反射镜在光学系统中的应用；理解平面反射镜在光路中的作用；掌握平面反射镜的成像特性。 4.2 棱镜和棱镜展开（2学时）

了解棱镜在光学系统中的应用；理解棱镜在光路中的作用；掌握棱镜的成像特性和棱镜的展开的意义和方法。

4.3 屋脊棱镜（1学时）

了解屋脊棱镜在光学系统中的应用；理解屋脊棱镜在光路中的作用；掌握屋脊棱镜的成像特性和棱镜的成像方向的判断。

4.4 平行平板的成像性质（1学时）

了解和理解平行平板对光学系统成像的影响；掌握平行平板的成像性质，等效空气层等。

4.5 折射棱镜和光楔（1学时）

了解折射棱镜的作用；掌握折射棱镜和光楔的光学特性和应用。

重点: 平行平板的成像特性

难点: 棱镜的展开及成像方向的判断

习题: 棱镜成像光路等

第5部分光学系统中成像光束的选择

总学时(单位：学时):5 讲课:5 实验:0 上机:0

5.1 光阑及其应用（2学时）

了解光阑在光学系统中的作用；理解光阑的分类；掌握孔径光阑、视场光阑的特点、作用以及渐晕的概念。

5.2 远心光路（1学时）

了解和理解望远系统中成像光束的选择；掌握物方和像方远心光路的作用，光路结构和应用。

5.3 景深、场镜（2学时）

了解和理解景深的概念和标准；掌握景深的计算方法、场镜在光路中的作用

重点: 孔径光阑、视场光阑的特点、作用以及渐晕的概念，景深

难点: 远心光路

习题: 景深的计算

第6部分辐射度学和光度学基础

总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 6.1 辐射度学的基本量（2学时）

了解立体角的意义和它在光度学中的应用；理解人眼的视见函数；掌握辐射度学基本量的定义，表达式和单位。

6.2 光度学中的基本量（1学时）

了解和理解辐射度学和光度学的关系；掌握光度学基本量的定义，表达式和单位。

6.3 光学系统中光束的光亮度（1学时）

了解和理解光照度公式和发光强度的余弦辐射定律以及全扩散表面；掌握光学系统中成像光束光亮度的变化规律。

6.4 像平面照度（1学时）

了解和理解照相物镜像平面的光照度和光圈数；掌握轴上和轴外物点的像平面照度表达式

6.5 人眼的主观亮度（1学时）

了解和理解人眼的主观亮度的概念、决定因素等；掌握通过望远镜观察物体时主观亮度的变化情况。

重点: 光度学中的基本量

难点: 光学系统中成像光束光亮度的变化规律，像平面照度的变化

习题: 光学系统中成像亮度的变化

第7部分光学系统中成像质量的评价方法

总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0

7.1 光学系统中的像差（2学时）

了解光学系统的设计过程，光学系统成完善像的条件；理解成像质量的评价方法；掌握光学系统产生各种像差的原因、度量方法。

7.2 理想光学系统的分辨率（2学时）

了解和理解理想光学系统衍射分辨率的表达式；掌握各种光学系统分辨率的表示方式。重点: 光学系统产生各种像差的原因、度量方法，各种光学系统分辨率的表示方式

难点: 光学系统产生各种像差的原因、度量方法

习题: 各种像差的特点，光学系统分辨率

第8部分典型光学系统