工程光学大纲

1、工程光学课程教学大纲课程代码：2109030070课程名称：工程光学Engineering Optics学 分：5总 学时：80 （其中：理论学时：56 实验（上机）学时：24 ）先修课程：2109040062 普通物理（二）适用对象：本二和本三的光信、光电、测控类各专业学生一、课程地位、作用与任务工程光学课程是所有光电信息、测量控制和光学计量类专业的专业基础课，也是光学设 计、光电成像技术、光电检测和光学测量等专业课的先修课程。通过本课程的学习，学生能 掌握光学系统成像的基本概念、基本原理和光线追迹的基本知识，对各光学元件诸如透镜、 棱镜、光阑的作用和特点有较深刻和全面的理解，熟悉各种光学仪

2、器如放大镜、显微镜、望 远镜、照相机、投影仪、监控仪等的工作原理和成像特点，理解产生像差原因，通过像差分 析利用光学设计软件进行光学设计和像质优化。工程光学课程学习的好坏不仅直接影响后续 光专业课的学习，对毕业后从事光学工程研究和对光产品的设计、应用与开发起着相当大的 关键作用。二、教学内容及组织工程光学课程包括几何光学、典型光学系统、像差理论和计算机辅助设计四大部分，其 后继实践是光学 Zemax课程设计。几何光学部分以高斯光学理论为核心内容，包括了光线光 学的基本概念与成像理论、球面和平面光学系统及其成像原理、理想光学系统原理、光能和 光束限制等基础内容；典型光学系统部分包括了眼睛、显微镜

3、与照明系统、望远镜与转像系 统、摄影光学系统和投影光学系统等成像原理、光束限制、放大倍率及其外形尺寸计算；像 差理论详细叙述了光学系统的轴上点像差、轴外点像差和色差的形成原因、概念、现象、基 本计算、典型结构的像差特征和校正像差的基本方法；计算机辅助设计是利用Zemax光学设计软件对光学系统进行简单设计，为学生进一步学习光学系统课程设计打下基础。1. 几何光学基本定律与成像概念掌握几何光学的基本定律，熟悉成像概念和完善成像条件，掌握近轴球面折反射成像基 本性质。重点和难点：费马原理、符号规则、近轴区成像。1.1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

4、（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1.2完善成像条件的概念和相关表述1.3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）1.4单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率b、轴向放大率a、角放大率丫、拉赫不变量等公式。1.5球面反射镜成像公式1.6共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）2. 理想光学系统掌握共轴理想光学系统的基点、基面和光学系统的物像关系式，理解理想光学系统的组 合和成像计算，掌握透镜成像的计算公式。重点：理想光学系统的基点基面确定，成像公式、放大率难点：理想光学系统的基点基面确定，多光组组合、透镜基点基面确定。

5、2.1共轴理想光学系统的成像性质2.2无限远的轴上（外）物点的共轴像点及光线、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2.3物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质2.4图解法求像的方法 2.5解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）2.6多个光组组成的理想光学系统的成像公式2.7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3. 平面与平面系统掌握平面镜成像、平行平板成像和反射棱镜成像的特点，会分析反射棱镜的等效与展开，理解折射棱镜对光线的偏折，了解光学材料的光学特性。重点：平行平板、反射棱镜、折射棱镜成像

6、特点难点：棱镜展开，棱镜成像方向判断，屋脊棱镜3.1平面光学元件的种类和作用3.2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3.3平行平板的成像特性，近轴区内的轴向位移公式3.4反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、等效作用与展开。3.5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3.6棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念3.7常用的光学材料种类和特点4. 光学系统中的光束限制掌握孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和入瞳、出瞳、入窗、出窗的基本概念，掌握照相、 望远、显微光学系统的光束限制的光路分析，理解景深的含义和计算，了解远心光路特点和 数码相机景深特点。重

7、点：孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑的作用，远心光路，景深。难点：孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑的判断，远心光路，场镜的应用，景深的计算。4.1孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系4.2视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系4.3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4.4照相系统的基本结构、成像关系和光束限制4.5望远系统的基本结构、成像关系和光束限制4.6显微系统的基本结构、成像关系和光束限制，物方远心光路原理4.7光瞳衔接原则及其作用4.8场镜的定义、作用和成像关系4.9景深、远景景深、近景景深的概念，景深公式和影响因素5. 光度学基础掌握光度学中的光强度、

8、光照度、光亮度的定义，理解光传播过程光学量的变化，了解 余弦辐射体特性。重点和难点：光强度、光照度、光强度概念，余弦辐射体5.1光度学中辐射量和光学量的定义、单位，光度学基本量的定义和单位，辐射量和光 学量的关系5.2光传播过程中光学量的主要变化规律5.3成像系统像面的光照度6. 光线的光路计算及像差理论掌握球差、正弦差、慧差、色差、波像差的基本概念，掌握场曲、畸变、像差的特性分 析，会进行简单像差计算，了解像差特性曲线。重点：各种像差定义、对成像质量的影响难点：像差计算6.1像差的定义、种类和消像差的基本原则6.2单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法6.3 7种几何像差的定义

9、、影响因素、性质和消像差方法6.4波像差的定义及其与几何像差的关系7. 典型光学系统掌握眼睛、放大镜、显微镜系统、望远镜系统、摄影系统、投影系统的光学成像特点。理解光学系统的外形尺寸计算。了解变焦距光学系统的工作原理。重点：放大镜、显微镜、望远镜、照相机、投影仪的结构及成像难点：光学系统外形尺寸计算、分辩率、变焦距光学系统7.1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7.2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7.3放大镜的视觉放大率7.4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）视场公式4）

10、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：7.5临界照明和坷拉照明7.6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7.7摄影系统的概念和计算公式，包括：1）组成、成像关系、光束限制2）摄影物镜的3个主要参数及其影响作用3）分辨率公式4）光圈的定义及其与孔径光阑、分辨率、像面照度、景深的关系5）景深公式及其影响因素6）摄影物镜的种类7.8投影系统的概念和计算公式，包括：1）系统的基本要求2）主要光学参数 3）其照明系统的衔接条件8. 光学设计基础

11、，Zemax光学软件基本能使用Zemax光学设计软件进行光学设计和像质优化。重点：正确使用Zemax软件进行光学设计难点：Zemax软件功能拓展8.1光学设计基础理论，Zemax简介8.2利用Zemax设计案例1.单透镜、双透镜8.3利用Zemax设计案例2.牛顿望远镜、卡赛格林系统8.4利用Zemax设计案例3.多重结构配置的激光束扩大器、折叠反射镜面和坐标断点9. 课内实验9.1薄透镜成像9.2棱镜折射率测定9.3透镜基点测定9.4像差分析与测定注：实验教学大纲见工程光学 （实验）教学大纲三、建议学时分配表序号课程内容学时分配讲授习题课实验小计1几何光学基本定律与成像概念5162理想光学系

12、统8193平面与平面系统4154光学系统的光阑与光束限制816155光度学基础336光线的光路计算及像差理论1113157典型光学仪器1113158光学设计基础1212合计5062480四、课程考核闭卷考试五、教学说明需增建工程光学实验仪器，买正版光学设计软件六、推荐教材和教学参考书教材：工程光学，郁道银、谈恒英主编，机械工业出版社，2011年7月第3版。参考书：光学工程基础（一），毛文炜编著，清华大学出版社，2006年5月第1版。执笔人：陆金男审定：-9 -工程光学课程简介课程代码：2109030070课程名称：工程光学Engineering Optics学分： 5先修课程：21090400

13、62 普通物理（二）课程简介：工程光学课程是所有光电信息、测量控制和光学计量类专业的专业基础课，也是 光学设计、光电成像技术、光电检测和光学测量等专业课的先修课程。通过本课程的学习， 学生能掌握光学系统成像的基本概念、基本原理和光线追迹的基本知识，对各光学元件诸如 透镜、棱镜、光阑的作用和特点有较深刻和全面的理解，熟悉各种光学仪器如放大镜、显微 镜、望远镜、照相机、投影仪、监控仪等的工作原理和成像特点，理解产生像差原因，通过 像差分析利用光学设计软件进行光学设计和像质优化。工程光学课程学习的好坏不仅直接影 响后续光专业课的学习，对毕业后从事光学工程研究和对光产品的设计、应用与开发起着相 当大的

14、关键作用。«工程光学（实验）教学大纲课程代码：2109030070课程名称：工程光学Engineering Optics学 分：5总 学时：80（其中：理论学时：56实验学时：24 ）先修课程：2109040062 普通物理（二）适用对象：本二和本三的光信、光电、测控类各专业学生一、实验课性质和任务性质：非独立设课任务：分工程光学课内实验和Zemax光学设计训练两大部分。工程光学实验，根据现有实验条件开设薄透镜成像、折射率测定、光学系统基点基面测定和像差分析与测定实验，目 的是使学生进一步掌握光学成像基本概念的同时，对光学元件和光学光路有更深入的理解， 加深对光学成像理论的认识。Ze

15、max光学设计训练，通过实训使学生学会使用Zemax光学软件，用Zemax进行简单光学设计。二、实验项目名称和学时分配序号实验项目名称实验学时实验要求实验类型每组人数1薄透镜成像3必修验证22棱镜折射率测定3必修设计13透镜基点测定3必修验证54像差分析与测定3必修综合55光学设计基础理论，Zemax简介3必修设计16利用Zemax设计案例1.单透镜、双透镜3必修设计17利用Zemax设计案例2.牛顿望远镜、卡赛格林系统3必修设计18利用Zemax设计案例3.多重结构配置的激光束扩大器、折叠反射镜面和坐标断点3必修综合1三、实验课基本要求、重点、难点1. 薄透镜成像通过本实验使学生掌握薄透镜成

16、像的基本原理，掌握测薄透镜焦距的几种方法。组建显 微镜光路观察显微镜成像。重点和难点：确定成像的正确位置2. 棱镜折射率的测定通过本实验，使学生掌握最小偏向角的含义和测定，学会使用分光计精确测角度，理解 棱镜折射的原理。重点和难点：最小偏向角位置的确定，分光计的调节。3. 透镜基点的测定通过本实验，使学生进一步掌握透镜基点的定义，学会测量透镜主点位置。重点和难点：主点的性质和特点。4. 像差分析与测定通过本实验使学生观察到各种像差现象，并对各种像差进行判别和测定。重点和难点：对各种像差的分析。5. 光学设计基础理论，Zemax简介掌握光学设计的基本方法，认Zemax软件工作界面，理解各个键盘功能和作用。重点：光学设计的思路难点：各个键盘功能的记忆。6. 利用Zemax设计案例1.单透镜、双透镜熟悉Zemax软件界面，设计单透镜、双透镜成像，判断成像特性。重点和难点：像差分析7. 利用Zemax设计案例2.牛顿望远镜、卡赛格林系统在前面运用Zemax的基础上，加深对光学设计的拓展，进一步学会牛顿望远镜和卡赛格 林系光学系统设计。重点和难点：卡赛格林系光学系统8. 利用Zemax设计案例3.多重结构配置的激光束扩大器、折叠反射镜面和坐标断点学会使用多重结构配置，坐标断点设置重点和难点：多重结构配置，坐标断点设置四、应配备的主要设备名称