天津大学：工程光学教学大纲

教学大纲一、课程性质、目的和任务 学时96学分6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本理论、基本方法和典型光学系统实例及应用。通过本课程的学习，学生应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。本课程的主要任务：.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。.了解光能与颜色的基本量和相关概念。.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。.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。.掌握光的电磁理论及光波叠加的相关知识。.掌握光的干涉、衍射、偏振的理论和计算。.掌握傅立叶光学的基本概念和主要理论。.了解导波光学和激光的基础知识。二、教学基本要求任课教师应以课程大纲为依据，合理安排教学内容，认真备课；课堂教学中应尽可能充分利用多媒体课件等现有教学资源，根据实际条件开展不同程度的双语教学实践；课堂教学后，要留一定数量的作业题，并坚持批改1/3,以利掌握学生的学习情况；要及时与实验指导人员取得联系，合理安排实验时间，初次任课教师要至少全程参加实验课1次；课程的实验指导人员也应至少全程参加课堂教学1次。学生应按要求参加全部的课堂教学和实验活动，按要求完成作业和实验报告；参加期末考试，获得该课程学分。三、教学内容.学习《工程光学》的意义和重要性（光学对国民经济发展的重要作用、光学领域的分支、进展和应用）.本课程的性质、任务和内容.学习的基本要求、教学环节和学习方法第一章 几何光学基本定律与成像概念.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：.完善成像条件的概念和相关表述.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）.单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率0、轴向放大率。、角放大率Y、拉赫不变量等公式。.球面反射镜成像公式.共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）第二章 理想光学系统.共轴理想光学系统的成像性质.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.物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质.图解法求像的方法.解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）.由多个光组组成的理想光学系统的成像公式.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

第三章平面与平面系统第三章平面与平面系统.平面光学元件的种类和作用.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.平行平板的成像特性，近轴区内的轴向位移公式.反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、等效作用与展开。.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.棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念.常用的光学材料种类和特点第四章 光学系统中的光束限制.孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系.视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系.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.照相系统的基本结构、成像关系和光束限制.望远系统的基本结构、成像关系和光束限制.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.光瞳衔接原则及其作用.场镜的定义、作用和成像关系.景深、远景景深、近景景深的概念，景深公式和影响因素第五章 光度学和色度学基础.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.光传播过程中光学量的主要变化规律.颜色的基本概念、性质、定律和相关实验.CIE标准色度学系统简介

第六章光线的光路计算及像差理论第六章光线的光路计算及像差理论.像差的定义、种类和消像差的基本原则.单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法.7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法.波像差的定义及其与几何像差的关系第七章 典型光学系统.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.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.放大镜的视觉放大率.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：.临界照明和坷拉照明.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.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.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第八章 现代光学系统.激光光束与普通光束的异同点，在激光聚焦和准直系统中使用之透镜的特点和作用.傅立叶变换系统的工作原理，物镜的设计要求和校正像差要求.光纤的传光特性及其分类第九章 光学系统的像质评价.光学系统像质评价方法和各自的优缺点.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.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第十章 光的电磁理论基础.麦克斯韦方程组、物质方程、波动方程.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.球面波和柱面波的定义、方程表达式.光在电介质分界面和金属表面的反射和折射.波的叠加原理及4种情况下两列波的叠加结果、性质分析.相速度和群速度概念第十一章 光的干涉和干涉系统.干涉现象和形成干涉的条件.杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用.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）.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.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.典型双光束干涉系统及其应用.平行平板的多光束干涉条件、装置、干涉条纹性质与计算.法布里-珀罗干涉仪和干涉滤光片

第十二章 光的衍射.衍射现象、衍射系统和分类.惠更斯原理和夫琅和费衍射公式.矩孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析.单缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析.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.多缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析.衍射光栅的方程、特性和种类第十三章 傅立叶光学.傅立叶光学的基本概念、发展、与传统光学的联系和区别.平面波的复振幅分布，空间频率概念、物理意义，两者关系.透镜的傅立叶变换性质和成象性质.阿贝成象理论和波特实验.光学信息处理事例：相干光、非相干光和白光信息图像处理第十四章 光的偏振和晶体光学基础.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.菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律.晶体光学的基本概念（光轴、主平面、主截