光学系统设计-理论、仿真与系统检测 教学大纲

《光学系统设计》教学大纲（54学时）一、课程基本信息课程代码：课程名称：光学系统设计英文名称：Opticalsystemdesign课程性质：☑必修□选修课程类别：□通识教育□学科基础☑专业教育□实践教育学时/学分：54/3适用专业：光电信息科学与工程、应用物理、电子信息开课单位：先修课程：工程光学选用教材：《光学系统设计-理论、仿真与系统检测》清华大学出版社二、课程简介推动学生系统地掌握基本的光学理论和光学系统成像的原理，并熟练使用光学设计软件对常见光学系统进行设计建模和优化；2）培养学生掌三、课程目标（一）课程目标课程目标课程目标课程目标（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑关系毕业要求毕业要求指标点课程目标教学方式问题分析能够对光学领域中的复杂工程问题进行分析、评价，对解决方案合理优化和改进课程目标1(L)多媒体讲授、通过实际光路分析强调光学设计过程涉及的工程问题，尤其是不同种类像差的不同解决方法及其优劣。设计开发解决方案能够对光电信息应用中相关的具体问题进行综合分析和系统整合，设计满足多种因素制约下的解决方案；课程目标2(H)多媒体讲授、课堂仿真实战、设计作业项目管理了解光电信息等领域工程及产品全周期、全流程的成本构成，理解其中涉及的工程管理与经济决策问题课程目标3(M)多媒体讲授、课堂仿真实战、设计作业四、教学进程安排授课周次学时教学主要内容教学环节13一、光学设计目标1.小孔成像的几何光学和波动光学阐述2.光线追迹公式与像差起源课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂23二、像差概述与像质评价1.七大像差的概念回顾2.像质评价方法课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂33三、光学设计软件ZemaxZemax（）ZemaxZemax课堂实践内容：单透镜设计与参数优化课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂43四、Zemax像差矫正基础4.1轴上像差矫正基础：球差课堂实践内容：1.单透镜消球差设计；2.双胶合与双分离透镜消球差设计；3.非球面消球差设计课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂53四、Zemax像差矫正基础4.2轴外像差矫正基础1.彗差Zemax矫正设计2.像散和场曲Zemax矫正设计课堂实践内容：1.单透镜形式对彗差影响进行设计观察总结2.光阑位置与对称结构消彗差设计3.像散和场曲矫正设计课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂63四、Zemax像差矫正基础2.玻璃谱系3.二级光谱与矫正课堂实践内容：1.消色差Zemax设计；2、二级光谱Zemax矫正设计课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂73五、望远系统设计5.折射望远镜总体设计课堂实践内容：1.三片式望远物镜设计2.普罗素目镜设计或阿贝无畸变目镜的设计课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂83五、望远系统设计5.3反射望远镜设计1.反射式望远镜介绍2.反射式望远镜典型结构类型3.反射式望远镜球面主镜与非球面主镜4.折反混合望远镜典型结构类型与设计课堂实践内容：1.放大率10倍，视场4°折射望远镜总体设计2.反射式望远镜球面主镜与非球面主镜的彗差3.施密特-卡塞格林系统设计课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂93六、显微系统设计1．显微系统设计参数要求2.显微物镜的典型结构设计课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂103七、摄影光学系统设计7.1典型摄影物镜设计1．库克三片式物镜设计与Zemax缩放Zemax设计Zemax设计课堂实践内容：1.大视场简易镜头设计尝试（40°视场，F/#=6）课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂113七、摄影光学系统设计Zemax设计3.基于双高斯物镜形式的物方远心设计7.4摄影物镜案例课堂实践内容：1.物方远心与像方远心Zemax设计2.基于双高斯物镜形式的物方远心设计课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂123八、投影物镜与光刻物镜设计课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂133九、光学系统多重结构设计Zemax1.泰曼格林干涉设计2.菲索干涉仪设计ZEMAX（）课堂实践内容：课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂143十、激光光学系统设计..Zemax设计课堂实践内容：几何准直系统ZEMAX设计与高斯状态对比课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂153十一、非成像光学系统Zemax非序列模式课堂实践内容：1.激光光谱吸收池仿真课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂163十二、实际成像系统质量评价课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂173十三、激光光学系统波前检测课堂讲授小组讨论案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂183十四、 光学面测总复习课堂讲授小组讨论□案例教学□演示实验□实践探究□课堂报告□自主学习翻转课堂五、教学内容及基本要求第1章光学设计目标（1）教学周次：第一周（3学时）（2）教学目标：知识目标：掌握成像的几何光学和物理光学认识掌握光线追迹的基本算法原理了解光学设计的目标技能目标：掌握光线追迹的算法掌握像差的原理性推导方法（3）教学内容：光学成像的本质理想成像小孔成像成像光线追迹的启示光学系统基本概念光线追迹结论：像差（4）课程思政：从光学像差的诞生讲述理想与现实的关系（5）教学重难点：重点：光线追迹公式难点：1）小孔成像的几何光学和波动光学阐述2）光线追迹公式第2章光学像差与光学系统评价（1）教学周次：第2周（3学时）（2）教学目标：知识目标：了解像差的分类方法与基本概念掌握波像差与几何像差的关联与区别掌握设计阶段光学系统的不同评价手段及其内涵Zernike多项式内涵与分类技能目标：能够判定光学系统的相关像差形式能够利用各类指标评价光学系统成像质量Zernike多项式进行波前拟合（3）教学内容：几何像差：球差；彗差；像散；场曲；畸变；复色像差波像差波像差的定义波像差的Zernike多项式描述设计阶段的光学系统评价方法几何光学评价方法物理光学评价方法信息光学评价方法（4）课程思政：新质生产力的思考-光学设计与新质生产力（5）教学重难点：重点：七大像差的定义难点：七大像差的原因及现象 第3章光学设计软件Zemax辅助设计（1）教学周次：第3周（3学时）（2）教学目标：知识目标：Zemax软件基本操作Zemax建模基本流程Zemax坐标定义Zemax中光学系统评价相关曲线和图像Zemax光学优化的原理Zemax实现光学系统设计的一般流程技能目标：Zemax实现光学系统的建模和系统评价能够实现向导式优化函数和自定义优化函数建立Zemax针对简单光学指标进行优化（3）教学内容：准备工作：ZEMAX安装（所有同学必须安装英文版，熟悉光学设计基本英文表达）Zemax界面与参数简介用户界面光学系统基本参数设定Zemax坐标定义与变换Zemax光学系统像质评价Zemax优化设计优化函数定义优化操作流程单透镜优化实操优化变量的solve类型Zemax辅助光学设计总体思路（4）课程思政：讲自主创新-光学设计软件的国产之路：讲述各种光学软件在国际市场的占比，鼓励同学（5）教学重难点：ZEMAX评价函数的理解、设定与步骤第4章Zemax（1）教学周次：第4周~第6周（9学时）（2）教学目标：知识目标：掌握轴上、轴外单色像差的各种矫正方法掌握色差矫正原理与方法掌握二级光谱的原理与矫正方法技能目标：Zemax实现光学系统球差的各种矫正Zemax实现光学系统离轴像差的矫正Zemax实现光学系统色差及二级光谱的矫正（3）教学内容：轴上球差矫正缩小光圈（相对口径）曲率匹配多透镜分裂光焦度非球面齐明透镜轴外视场相关像差校正彗差矫正像散矫正场曲矫正畸变矫正色差矫正玻璃谱系消色差思路（4）课程思政：通过色差控制方式品味“盈虚有数，损益相消”的道理。向大师致敬-中国光学玻璃工业奠基人-龚祖同（5）教学重难点：重点：轴上像差控制方法双胶合透镜设计非球面设计消色差公式推导难点：非球面理解与设计离轴像差矫正二级光谱的理解第5章望远系统设计（1）教学周次：第7周~第8周（6学时）（2）教学目标：知识目标：掌握望远镜原理与相关概念了解望折射式望远镜物镜的结构类型掌握反射式望远镜物镜结构类型掌握不同类型的目镜参数特征技能目标：Zemax实现望远镜典型物镜设计与不同要求的目镜设计Zemax实现折射式望远镜物镜和目镜组合像差补偿Zemax实现反射式望远结构设计（3）教学内容：望远镜基本原理望远镜典型组成望远镜为什么可以“望远”望远镜的分辨率与放大率要求望远镜窗瞳关系折射望远镜设计折射式物镜设计目镜设计折射望远镜总体设计反射式望远镜色差与分辨率矛盾的解决反射式望远镜设计折反混合式望远镜设计（4）课程思政：科技发展的辩证-我国大口径光学天文望远镜：国际合作与自主研发（5）教学重难点：重点：望远镜相关参数计算反射式望远镜结构与折反混合式结构类型难点：望远镜设计理念与色差控制物镜与目镜的配合设计反射式与折反混合式结构设计第6章显微系统设计（1）教学周次：第9周（3学时）（2）教学目标：知识目标：熟悉显微镜系统基本原理与概念掌握显微物镜的分类与参数标识掌握显微镜相关参数计算方法技能目标：能够根据系统要求进行显微物镜参数选型Zemax实现不同参数要求的显微物镜设计（3）教学内容：放大镜与目镜显微系统视觉放大率视场数值孔径与分辨率、有效放大率出瞳直径焦深工作距离、共轭距与机械筒长显微物镜的分类显微物镜分类物镜参数标识显微物镜的典型结构设计Zemax（4）课程思政：讲述我国科研工作者对于显微技术的贡献，激发同学们用于争先的勇气：科研思维养成-超分辨创新故事（5）教学重难点：重点：显微镜系统设计方法大视场典型物镜结构的设计方法难点第7章摄影物镜设计（1）教学周次：第10周~第11周（6学时）（2）教学目标：知识目标：熟悉不同摄影物镜的形式与视场特点掌握标准摄影物镜、摄远物镜与广角物镜以及远心物镜的结构形式与设计要点技能目标：能够根据应用场景和要求进行摄影物镜初始选型Zemax实现标准摄影物镜、摄远物镜与广角物镜以及远心物镜的设计优化Zemax实现物镜优化设计（3）教学内容：标准摄影物镜设计库克三片式物镜天塞物镜双高斯物镜摄远镜头与广角镜头设计摄远镜头反摄远镜头结构广角物镜鱼眼镜头与全景成像镜头远心镜头远心镜头基本结构远心镜头设计案例镜头应用设计案例相机镜头选型工业相机镜头应用交通监控镜头设计案例线上会议镜头设计案例（4）课程思政：学史明理，学史力行-从水下摄影到海洋强国（5）教学重难点：重点：Zemax标准摄影物镜的经典结构形式；摄远镜头与广角镜头的基本形式；Zemax摄影镜头与相机的参数匹配计算；根据给定参数设计满足要求的摄影物镜并进行像差分析难点：Zemax摄远镜头与广角镜头的结构选取与设计Zemax根据给定参数设计满足要求的摄影物镜并进行像差分析第8章投影物镜与光刻物镜设计（1）教学周次：第12周（3学时）（2）教学目标：知识目标：了解投影物镜的原理与设计特点了解光刻投影原理与光刻机基本结构掌握光刻物镜的指标参数掌握光刻物镜设计要求技能目标：Zemax实现一般投影物镜的设计优化Zemax实现光刻投影物镜的优化（3）教学内容： 半导体制造工艺与光刻机简介 光刻投影物镜基本性质 深紫外光刻投影物镜案例（4）课程思政：结合国内外形式，讲述光刻机的光学投影物镜设计难在哪里？（5）教学重难点：教学重点:投影物镜的设计参数及其工作原理。光刻物镜的设计原理及其在半导体制造中的应用。光刻机的关键参数对光刻效果的影响。教学难点:光刻物镜的设计要求及优化方法。光刻机系统的复杂结构及其对光刻精度的影响。第9章光学系统多重结构设计（1）教学周次：第13周（3学时）（2）教学目标：知识目标：Zemax多重结构的使用范围与方法Zemax多重结构的编辑方法、常用操作符与优化方法掌握变焦系统原理与设计方法、流程掌握常见干涉仪及其关键部件的设计方法技能目标：Zemax实现多重结构设计可以根据变倍比要求合理构建和计算变焦系统初始参数Zemax实现变焦系统设计Zemax实现常见干涉仪设计，包括平面检测和球面检测干涉仪设计（3）教学内容：Zemax 多重结构概念与用途多重结构编辑器变焦系统设计 变焦系统原理 变焦系统的参数计算 变焦系统设计示例分析干涉仪仿真设计 干涉仪基础结构 Zemax（4）课程思政：人类的神圣坚持：世界上最大的干涉仪（5）教学重难点：重点：多重结构设计和优化方法；多重结构操作数的使用与设置。难点第10章高斯(激光)光学设计（1）14（3）（2）教学目标：知识目标：掌握高斯光束传输基本特性与自由传输公式了解激光准直需求与概念，掌握激光准直方法和常用结构Zemax高斯光束设计方法F-Theta扫描物镜原理与设计方法技能目标：Zemax实现多种激光准直结构设计，并完成高斯传播属性查看Zemax实现扫描物镜设计（3）教学内容：高斯光束传播特性仿真 高斯光束自由空间传播特性 高斯光束透镜变换特性 Zemax高斯光束聚焦与准直 高斯光束准直扩束 星地激光通讯地面传输模拟验证系统设计F-Theta（4）课程思政：家国情怀-我国全球卫星激光通信（5）教学重难点：教学重点:高斯光束的自由空间传播特性及其透镜变换特性。高斯光束的准直与扩束设计方法。F-Theta教学难点:高斯光束的传播特性及其数学分析。F-Theta第11章非成像光学系统与Zemax非序列模式（1）教学周次：第15周（3学时）（2）教学目标：知识目标：Zemax序列模式与非序列模式的区别和使用场景Zemax序列模式下相关非成像光学系统设计方法Zemax非序列模式下光源和探测器使用方法Zemax非序列模式下相关非成像光学系统设计方法技能目标：Zemax序列模式实现照明系统设计(如显微照明、光谱仪等)Zemax非序列模式实现光学系统建模和照明(辐射)特性查看（3）教学内容：序列模式中的非成像光学案例 显微照明设计 光谱仪设计非序列模式中的照明光源与探测器 非序列模式简介 非序列模式光源 非序列模式探测器与光线追迹非序列模式中非成像光学案例 非序列模式干涉仪设计 微透镜阵列匀光设计 气体光谱吸收池设计（4）课程思政：科技的小小落脚点：自由曲面照明整形技术——点亮生活，塑形光影（5）教学重难点：重点：显微照明形式与仿真；非序列模式下光源与探测器组成的简单系统仿真。难点：非序列模式下光源探测器以及其他元件的参数的理解与设置第12章实际成像系统质量评价（1）教学周次：第16周（3学时）（2）教学目标：知识目标：了解实际成像光学系统的评价原理掌握实际成像光学系统的评价方法掌握成像模型的坐标变换方法了解相机成像系统标定的原理与方法技能目标：能够利用相关指标评价实际光学系统的成像质量可以依托相关软件实现相机标定（3）教学内容：星点检验 MTF 分辨率检验相机成像模型与畸变测试相机成像模型相机标定方法（4）（5）教学重难点：重点：星点检验的原理及其应用。MTF实际成像系统的质量评价方法，包括分辨率检验和畸变测试。难点相机成像模型的非线性畸变分析。相机标定的基本原理及其应用。第13章激光光学系统波前检测（1）教学周次：第17周（3学时）（2）教学目标：知识目标：了解波前直接检测和间接检测的原理掌握波前传感中波前斜率计算与波前重构方法掌握干涉检测相位恢复算法，包括相位解调与解包裹算法掌握单幅干涉图解调算法掌握载波去除方法技能目标：能够利用波前传感器结果参数进行波前恢复能够根据干涉图分布解算实际相位能够自主选择手段实现激光光学系统的定量评价（3）教学内容：波前直接检测法 基于波前传感器的波前斜率检测 基于焦面强度的波前像差反演 参考光干涉方法 干涉检测原理与结构 干涉图相位解调方法：移相法 干涉图相位解调方法：傅里叶变换法 相位解包裹载波和离焦相位处理自参考干涉法：剪切干涉仪（4）课程思政：大国重器：神光系统（5）教学重难点：重点：相位检测方法分类与理解；波前传感器工作原理；干涉检测原理；相位解调算法，包括移相法和傅里叶变换法；相位包裹与解包裹概念难点相位解调算法；相位包裹与解包裹概念第14章光学表面检测（1）教学周次：第18周（2学时）（2）教学目标：知识目标：了解常见光学表面加工方法掌握光学表面误差概念与分类了解光学表面检测常用方法与设备掌握非球面检测与球面检测相比的难点及解决方案技能目标：能够构建干涉仪实现平面和球面干涉检测能够根据干涉图分布分析被测表面面形能够处理干涉仪参考路误差能够设计非球面干涉检测光路（3）教学内容：平面与球面光学元件检测 传统检测方法 干涉测量法非球面光学元件表面检测（4）课程思政：怀念优秀共产党员-潘君骅院士：夜空中的中国之光（5）教学重难点：重点：非球面检测方法，非零位检测回程误差难点：回程误差校正方法六、课程考核及成绩评定方法课后设计成绩：25%，考核经典光学系统设计掌握程度。期末考核成绩：50%，考核整个学期的课程学习效果，考试形式为综合性光学系统现场设计。支撑毕业要求课程目标支撑毕业要求课程目标考核与评价方式及成绩比例（%）课程目标权重课堂设计课后设计期末设计考核指标点2-3课程目标110101535指标点3-3课程目标21052035指标点4-2课程目标35101530合计252550100七、课程质量评价和持续改进（一）课程目标评价值计算方法针对学生个体和整体的课程目标评价方法如下：（1）课程单项教学目标达成情况评价方法：nmi个课程目标的达成评价值计算公式为：i达成评价（2）课程总体教学目标达成情况评价方法（二）课程目标评价标准基于各课程目标值依据下表评价标准进行课程目标达成情况分析。课程目标达成的期望值设定为0.65-0.70（建议值（注：如果课程目标值超过期望值，说明课程目标达成。否则未达成）课评价标准程目90-10080-9065-80<65标能够针对复杂工程中的已有光学系统进行学设计方案的合理计方案进行合理优光电信息科学与工程领域问题分析的能力。够基本练针对复杂不能针对复杂工程中的已有光学系统确光学设计方案的方案进行合理优化与改进，不具备光电信息科学与工程领域问题分析的能力。能够熟练针对复杂工程中的已有光学工程中的已有光学系统进行分析、评