工程光学课程教学大纲.doc

工程光学课程教学大纲一、工程光学课程说明（一）课程代码：08131009（二）课程英文名称：Engineering Optics（三）开课对象：应用物理（光电子方向）（四）课程性质：本课程是一门专业基础课，主要讲授几何光学和物理光学方面的基础理论、基本方法和典型光学系统的实例和应用。（五）教学目的：通过本课程的学习，学生能对光学的基本概念、基本原理和典型系统有较为深刻的认识，为学习光学设计、光信息理论和从事光学研究打下坚实的基础。（六）教学内容：1.系统掌握几何光学的基础理论，包括基本定律、球面和共轴球面系统理论、理想光学系统理论，平面镜与棱镜系统理论和光学系统中光阑的概念。 2. 掌握光学系统像差的基本概念、产生原因、危害和校正方法，了解像差的计算。 3. 掌握三种典型的光学系统，即：显微系统、望远系统和摄影系统，并了解一些现代光学系统的相关知识。 4. 掌握光的电磁理论及光波叠加的相关知识。 5. 掌握光的干涉、衍射、偏振的理论和主要计算。 6. 掌握傅立叶光学的基本概念和主要理论。（七）学时数、学分数及学时数具体分配学时数： 72学时分数： 4学分学时数具体分配：教 学 内 容讲授实验/实践合 计第一章 几何光学的基本定律和成像概念 66第二章 理想光学系统88第三章 平面和平面系统44第四章 光学系统的光束限制44第五章 光学系统的像差88第六章 典型光学系统88第七章 光学系统的像质评价44第八章 光的电磁理论基础66第九章 光的干涉和干涉系统88第十章 光的衍射88第十一章 光的偏振和晶体光学基础88 合 计7070（八）教学方式以多媒体教学手段为主要形式的课堂教学。（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40% ，期末成绩占60% 。二、讲授大纲与各章的基本要求第一章 几何光学的基本定律和成像概念教学要点：1 几何光学基本定律：1）光的直线传播定律 2）光的独立传播定律 3）反射定律和折射定律（全反射及其应用） 4）光路的可逆性 5）费马原理（最短光程原理） 6）马吕斯定律。2 完善成像条件的概念和相关表述3 应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）4 单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率b、轴向放大率a、角放大率、拉赫不变量等公式。5 球面反射镜成像公式6 共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）教学时数：6学时教学内容：第一节 几何光学的基本定律第二节 成像的基本概念和完善成像条件第三节 光路计算与近轴光学系统第四节 球面光学成像系统考核要求：1 几何光学基本定律。（识记）2 完善成像条件的概念和相关表述。（理解）3 应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）。（应用）4 单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率b、轴向放大率a、角放大率、拉赫不变量等公式。（应用）5 球面反射镜成像公式。（应用）6 共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）。（应用）第二章 理想光学系统教学要点：1 共轴理想光学系统的成像性质。2 无限远的轴上（外）物点的共轭像点及光线、无限远的轴上（外）像点的对应物点及光线的性质，物（像）方焦距的计算公式。3 物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质。4 图解法求像的方法。5 解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）。6 由多个光组组成的理想光学系统的成像公式。7 理想光学系统的放大率概念及公式，理想光学系统两焦距之间的关系，理想光学系统的组合公式和正切计算法。教学时数：8学时教学内容：第一节 理想光学系统与共线成像理论第二节 理想光学系统的基点和基面第三节 理想光学系统的物像关系第四节 理想光学系统的放大率第五节 理想光学系统的组合第六节 透镜考核要求：1 共轴理想光学系统的成像性质。（识记）2 物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质。（识记）3 图解法求像的方法。（应用）4 解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）。（应用）5 由多个光组组成的理想光学系统的成像公式。（应用）6 理想光学系统的放大率概念及公式，理想光学系统两焦距之间的关系，理想光学系统的组合公式和正切计算法。（应用）第三章 平面与平面系统教学要点：1 平面光学元件的种类和作用。2 平面镜的成像特点和性质，平面镜的旋转特性，光学杠杆原理和应用。3 平行平板的成像特性，近轴区内的轴向位移公式。4 反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、等效作用与展开。5 折射棱镜的作用，其最小偏向角公式及应用，光楔的偏向角公式及其应用。6 棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。7 常用的光学材料种类和特点。教学时数：4学时教学内容：第一节 平面镜成像第二节 平行平板第三节 反射棱镜第四节 折射棱镜与光楔第五节 光学材料考核要求：1 平面光学元件的种类和作用。（了解）2 平面镜的成像特点和性质，平面镜的旋转特性，光学杠杆原理和应用。（掌握）3 平行平板的成像特性，近轴区内的轴向位移公式。（掌握）4 反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、等效作用与展开。（了解）5 折射棱镜的作用，其最小偏向角公式及应用，光楔的偏向角公式及其应用。（应用）6 棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。（了解）7 常用的光学材料种类和特点。（了解）第四章 光学系统中的光束限制教学要点：1 孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系。2 视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系。3 渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义及渐晕光阑和视场光阑的关系。4 照相系统的基本结构、成像关系和光束限制。5 望远系统的基本结构、成像关系和光束限制。6 显微系统的基本结构、成像关系和光束限制。 7 景深、远景景深、近景景深的概念，景深公式和影响因素。教学时数：4学时教学内容：第一节 照相系统和光阑第二节 望远镜系统中成像光束的选择第三节 显微镜系统中的光束限制和分析第四节 光学系统的景深考核要求：1 孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系。（掌握）2 视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系。（掌握）3 渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义及渐晕光阑和视场光阑的关系。（掌握）4 照相系统的基本结构、成像关系和光束限制。(了解)5 望远系统的基本结构、成像关系和光束限制。(了解)6 显微系统的基本结构、成像关系和光束限制。 (了解)7 景深、远景景深、近景景深的概念，景深公式和影响因素。（领会）第五章 光线的光路计算及像差理论教学要点：1 像差的定义、种类和消像差的基本原则。2 单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法。3 7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法。4 波像差的定义及其与几何像差的关系。教学时数：8学时教学内容：第一节 概述第二节 光线的光路计算第三节 轴上点球差第四节 正弦差和慧差第五节 像散和场曲第六节 畸变第七节 色差第八节 波像差考核要求：1 像差的定义、种类和消像差的基本原则。（了解）2 单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法。（了解）3 7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法。（掌握）4 波像差的定义及其与几何像差的关系。（了解）第六章 典型光学系统教学要点：1 正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法，眼睛调节能力的计算。2 视觉放大率的概念、表达式及其意义，与光学系统角放大率的异同点。3 放大镜的视觉放大率。4显微镜系统的概念和计算公式，包括：1）组成、成像关系、光束限制 2）视觉放大率公式 3）线视场公式 4）数值孔径和出瞳D 5）物镜的分辨率 6）显微镜的有效放大率 7）物镜的景深 8）视度调节。5望远系统的概念和计算公式，包括： 1）组成、成像关系、光束限制 2）视觉放大率公式 3）分辨率与视觉放大率的关系 4）有效分辨率和工作分辨率。教学时数：8学时教学内容：第一节 眼睛及其光学系统第二节 放大镜第三节 显微镜系统第四节 望远镜系统第五节 目镜考核要求：1 正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法，眼睛调节能力的计算。（应用）2 视觉放大率的概念、表达式及其意义，与光学系统角放大率的异同点。（了解）3 放大镜的视觉放大率。（了解）4显微镜系统的概念和计算公式，包括：1）组成、成像关系、光束限制 2）视觉放大率公式 3）线视场公式 4）数值孔径和出瞳D 5）物镜的分辨率 6）显微镜的有效放大率 7）物镜的景深 8）视度调节。（应用）5望远系统的概念和计算公式，包括： 1）组成、成像关系、光束限制 2）视觉放大率公式 3）分辨率与视觉放大率的关系 4）有效分辨率和工作分辨率。（应用）第七章 光学系统的像质评价和像差公差教学要点：1 光学系统像质评价方法和各自的优缺点。2 用MTF曲线和其下面积判断光学系统的成像质量的方法和基本原理。3 望远物镜、显微物镜、望远目镜、显微目镜和照相物镜的像值评价要求和校像差要求。教学时数：4学时教学内容：第一节 瑞利判断和中心点亮度第二节 分辨率第三节 点列图第四节 光学传递函数评价成像质量第五节 光学系统的像差公差考核要求：1 光学系统像质评价方法和各自的优缺点。（掌握）2 用MTF曲线和其下面积判断光学系统的成像质量的方法和基本原理。（了解）3 望远物镜、显微物镜、望远目镜、显微目镜和照相物镜的像值评价要求和校像差要求。（了解）第八章 光的电磁理论基础教学要点：1 麦克斯韦方程组、物质方程、波动方程。2 电磁波的平面波解，包括：平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质等。3 球面波和柱面波的定义、方程表达式。4 光在电介质分界面的反射和折射。5 波的叠加原理及4种情况下两列波的叠加结果、性质分析。6 相速度和群速度概念。教学时数：6学时教学内容：第一节 光的电磁性质第二节 光在电介质分界面上的反射和折射第三节 光波的叠加第四节 光波的傅立叶分析考核要求：1 麦克斯韦方程组、物质方程、波动方程。（了解）2 电磁波的平面波解，包括：平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质等。（掌握）3 球面波和柱面波的定义、方程表达式。（了解）4 光在电介质分界面的反射和折射。（了解）5 波的叠加原理及4种情况下两列波的叠加结果、性质分析。（掌握）7 相速度和群速度概念。（了解）第九章 光的干涉和干涉系统教学要点：1 干涉现象和形成干涉的条件。2 杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用。3 条纹可见度的定义、影响因素及其相关概念（包括临界宽度和允许宽度、空间相干性和时间相干性、相干长度和相干时间等）。4 平行平板的双光束干涉定域面、干涉装置、干涉条纹的性质和计算公式。5 楔形平板的双光束干涉定域面、干涉装置、干涉条纹的性质和计算公式。6 典型双光束干涉系统及其应用。教学时数：8学时教学内容：第一节 光波的干涉条件第二节 杨氏双缝干涉第三节 干涉条纹的可见度第四节 平板的双光束干涉第五节 典型的双光束干涉系统及其应用考核要求：1 干涉现象和形成干涉的条件。（识记）2 杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用。（掌握）3 条纹可见度的定义、影响因素及其相关概念（包括临界宽度和允许宽度、空间相干性和时间相干性、相干长度和相干时间等）。（了解）4 平行平板的双光束干涉定域面、干涉装置、干涉条纹的性质和计算公式。（掌握）5 楔形平板的双光束干涉定域面、干涉装置、干涉条纹的性质和计算公式。（掌握）6 典型双光束干涉系统及其应用。（了解）第十章 光的衍射教学要点：1 衍射现象、衍射系统和分类。2 惠更斯原理和夫琅和费衍射公式。3 矩孔、单缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析。4 圆孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析，成像系统的分辨本领。5 多缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析。6 衍射光栅的方程、特性和种类。教学时数：8学时教学内容：第一节 光波的标量衍射理论第二节 典型孔径的夫琅和费衍射第三节 夫琅和费衍射和傅立叶变换的关系第四节 光学成像系统的衍射和分辨本领第五节 多缝的夫琅和费衍射第六节 衍射光栅考核要求：1 衍射现象、衍射系统和分类。（识记）2 惠更斯原理和夫琅和费衍射公式。（了解）3 矩孔、单缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析。（掌握）4 圆孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析，成像系统的分辨本领。（掌握）5 多缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析。（了解）6 衍射光栅的方程、特性和种类。（了解）第十一章 光的偏振和晶体光学基础教学要点：1 自然光、偏振光和部分偏振光的定义、特点，偏振度的定义和计算，能够产生偏振光的方法。2 菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律。3 晶体光学的基本概念（光轴、主平面、主截面、单轴多轴晶体、正负晶体）。4 各种起偏器、分束器和波片的结构、作用和工作原理。5 偏振光的矩阵表示。6 偏振光的变换和测定。7 偏振光的干涉原理、装置、公式、光强分布特性。教学时数：8学时教学内容：第一节 偏振光概述第二节 光在晶体中的传播第三节 晶体光学性质的几何表示第四节 光波在晶体表面的反射和折射第五节 晶体偏振器件第六节 偏振光的矩阵表示第七节 偏振光的变换和测定第八节 偏振光的干涉考核要求：1 自然光、偏振光和部分偏振光的定义、特点，偏振度的定义和计算，能够产生偏振光的方法。（识记）2 菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律。（应用）3 晶体光学的基本概念（光轴、主平面、主截面、单轴多轴晶体、正负晶体）。（了解）4 各种起偏器、分束器和波片的结构