《應(yīng)用光學(xué)》課程介紹

1、<p>　　《應(yīng)用光學(xué)》課程導(dǎo)學(xué)</p><p>　　一、課程構(gòu)成及學(xué)分要求</p><p>　　《應(yīng)用光學(xué)》課程主要由三部分構(gòu)成：48（64）學(xué)時(shí)的理論教學(xué)（3或4學(xué)分）、16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)（0.5學(xué)分）、為期二周的課程設(shè)計(jì)（2學(xué)分）。</p><p>　　二、學(xué)生應(yīng)具備的前期基本知識(shí)</p><p>　　在學(xué)習(xí)本門課程之前學(xué)生應(yīng)

2、具備前期基本知識(shí)：物理光學(xué)、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、平面幾何、立體幾何等課程的相關(guān)知識(shí)。</p><p><b>　　三、學(xué)習(xí)方法</b></p><p>　　1．課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)；</p><p>　　2．獨(dú)立認(rèn)真完成課后作業(yè)；</p><p>　　3．課堂注意聽講，及時(shí)記錄課堂筆記；</p><p&

3、gt;　　4．在教材基礎(chǔ)上，參看多本輔助教材及習(xí)題集。</p><p>　　四、課程學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)</p><p>　　1．掌握經(jīng)典的幾何光學(xué)的理論內(nèi)容；</p><p>　　2．了解部分像差理論的基本思想；</p><p>　　3．掌握典型的光學(xué)系統(tǒng)的基本原理及設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　五、授

4、課對(duì)象</b></p><p>　　課程適用于光電信息工程專業(yè)、測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)、信息對(duì)抗技術(shù)專業(yè)、探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)專業(yè)及其相近專業(yè)等，課程面向大學(xué)本科學(xué)生第五學(xué)期開設(shè)。</p><p>　　六、教學(xué)內(nèi)容及組織形式</p><p>　　1、理論課程教學(xué)內(nèi)容</p><p>　　《應(yīng)用光學(xué)》課程理論教學(xué)內(nèi)容共計(jì)

5、48學(xué)時(shí)，其內(nèi)容主要由三部分構(gòu)成：幾何光學(xué)、像差理論、光學(xué)系統(tǒng)。</p><p><b>　?。?）幾何光學(xué)</b></p><p>　　應(yīng)用光學(xué)既是一門理論學(xué)科又是一門應(yīng)用性學(xué)科，其研究對(duì)像是光。從本質(zhì)上講光是電磁波，光的傳播就是波面的傳播。但僅用波面的觀點(diǎn)來討論光經(jīng)透鏡或光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的傳播規(guī)律和成像問題將會(huì)造成計(jì)算和處理上的很大困難。但如果把光源或物體看成是由許多點(diǎn)

6、構(gòu)成，并把這種點(diǎn)發(fā)出的光抽象成像幾何線一樣的光線，則只要按照光線的傳播來研究點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的成像問題就會(huì)變得簡(jiǎn)單而實(shí)用。我們將這種撇開光的波動(dòng)本質(zhì)，僅以光的粒子性為基礎(chǔ)來研究光的傳播和成像問題的光學(xué)學(xué)科分支稱為幾何光學(xué)。幾何光學(xué)僅僅是一種對(duì)真實(shí)情況的近似處理方法，盡管如此，按此方法所解決的有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的成像、計(jì)算、設(shè)計(jì)等方面的光學(xué)技術(shù)問題在大多數(shù)場(chǎng)合下與實(shí)際情況相符，故幾何光學(xué)有很大的實(shí)用意義。</p><p>　

7、　幾何光學(xué)共由以下五章構(gòu)成：幾何光學(xué)基本定律與成像概念 、理想光學(xué)系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制、光度學(xué)基礎(chǔ)理論。</p><p><b>　?。?）像差理論</b></p><p>　　幾何光學(xué)主要研究是理想光學(xué)系統(tǒng)的成像問題，但實(shí)際上只有平面反射鏡是唯一能夠成完善像的光學(xué)元件，單個(gè)透鏡或任意組合的光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)近軸物點(diǎn)以細(xì)光束成完善像，隨著視場(chǎng)及孔徑的

8、增大，成像光束的同心性將遭到破壞，從而產(chǎn)生各種成像缺陷，使像與物不再完全相似，這種成像缺陷可用若干種像差來描述。在此部分中不僅研究單色光成像缺陷也研究復(fù)色光成像缺陷。如只考慮單色光成像，則光學(xué)系統(tǒng)可產(chǎn)生5種像差：球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變。若考慮復(fù)色光成像則在5種單色像差的基礎(chǔ)上又可以產(chǎn)生2種像差：位置色差、倍率色差。實(shí)際上我們不可能獲得對(duì)整個(gè)空間都能良好成像的光學(xué)系統(tǒng)，只能為適應(yīng)用途而設(shè)計(jì)專門的光學(xué)系統(tǒng)，并且也不可能將各種像差完全校

9、正和消除。但是由于接收器本身具有一定的缺陷，只要將像差校正到某一限度以內(nèi)，觀察時(shí)就覺察不出成像缺陷，從而使設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)變的具有實(shí)際存在意義。此部分主要研究的是各類像差的特點(diǎn)及校正。</p><p><b>　　（3）光學(xué)系統(tǒng)</b></p><p>　　光學(xué)儀器的基本功能是借助于光學(xué)原理通過光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響儀器的主要性能和質(zhì)量，本部分的內(nèi)容主要是

10、使學(xué)生獲得光學(xué)系統(tǒng)的基本知識(shí)基本原理，為光學(xué)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本部分主要涉及典型光學(xué)系統(tǒng)（如望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、照相系統(tǒng)等）、現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)（如激光光學(xué)系統(tǒng)、掃描光學(xué)系統(tǒng)等）、軍用光學(xué)系統(tǒng)、像質(zhì)評(píng)價(jià)方法。</p><p><b>　　2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容</b></p><p>　　本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)思想是：通過本課程的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠掌握應(yīng)用光學(xué)的基本理論知識(shí)和所涉及的裝

11、置儀器的使用、測(cè)試技能，使學(xué)生在將來的科研實(shí)踐中，具有解決光學(xué)理論及分析問題的能力。</p><p>　　應(yīng)用光學(xué)目前共可開設(shè)11個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)5項(xiàng)，綜合型實(shí)驗(yàn)2項(xiàng)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)2項(xiàng)，演示型實(shí)驗(yàn)2項(xiàng)。</p><p>　　3．課程設(shè)計(jì)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)、課時(shí)方面的組織安排</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想是：光學(xué)設(shè)計(jì)著眼于《應(yīng)用光學(xué)》的基本理論知識(shí)、光學(xué)設(shè)計(jì)

12、的基本理論和方法，側(cè)重于典型系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)的思路和過程，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的切身領(lǐng)會(huì)和理解，將理論與實(shí)際融合、統(tǒng)一，以提高學(xué)生綜合分析及解決問題能力的培養(yǎng)。</p><p>　　應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)數(shù)為24學(xué)時(shí)，為期2周時(shí)間。主要采用學(xué)生自主計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)，指導(dǎo)老師現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)、進(jìn)行答疑解惑的教學(xué)方式。另外，課程設(shè)計(jì)的選題主要是結(jié)合兵器的需求，側(cè)重于軍用典型觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和方法，使理論聯(lián)系實(shí)際，教學(xué)與軍事需求相結(jié)

13、合，例如：炮對(duì)鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，潛望鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)要完成以下任務(wù)：</p><p>　?。?）光學(xué)總體設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?）由像差理論求解光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；</p><p><b>　?。?）像差校正；</b></p><p><b>　

14、?。?）像質(zhì)評(píng)價(jià)。</b></p><p>　　七、課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決辦法</p><p>　　本課程系統(tǒng)地介紹了幾何光學(xué)的基本定律與成像理論、理想光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)與成像特性、平面與平面鏡成像系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)中的成像光束限制、光度學(xué)相關(guān)概念及應(yīng)用、像差理論以及典型光學(xué)系統(tǒng)等內(nèi)容，注重論述光學(xué)原理的同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際，給出了大量實(shí)例。各章的重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決辦法如下：</

15、p><p>　　第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念</p><p>　　重點(diǎn)：光程概念、馬呂斯定律、費(fèi)馬原理、完善成像概念及條件、物像虛實(shí)判斷、光的全反射條件、折射定律及反射定律的證明方法、光學(xué)計(jì)算中的符號(hào)規(guī)則、單個(gè)折射面及反射面的成像放大率及物像位置關(guān)系、過渡公式（轉(zhuǎn)面公式）以及拉赫不變量的物理意義等。</p><p>　　難點(diǎn)：以積分的方式理解費(fèi)馬原理、掌握應(yīng)用光學(xué)

16、中馬呂斯定律與物理光學(xué)中馬呂斯定律的區(qū)別、單個(gè)折射面及反射面的成像公式、放大率公式、過渡公式。</p><p>　　解決辦法：理解好費(fèi)馬原理表達(dá)的物理意義，掌握應(yīng)用光學(xué)與物理光學(xué)研究?jī)?nèi)容的區(qū)別，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)書本中的重點(diǎn)公式在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行自我推導(dǎo)，以加強(qiáng)理解和記憶。</p><p>　　第二章 理想光學(xué)系統(tǒng)</p><p>　　重點(diǎn)：理想光學(xué)系統(tǒng)的共線成像理論、

17、理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面概念及特點(diǎn)、利用光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)和基面特點(diǎn)作圖法求解物像位置與大小、牛頓公式及高斯公式、解析法求解物像位置與大小、理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率公式（軸向放大率、角放大率以及垂軸放大率）及其相互關(guān)系、多個(gè)理想光學(xué)系統(tǒng)組合分析與計(jì)算、厚透鏡的光焦度公式與焦距公式。</p><p>　　難點(diǎn)：圖解法求解理想光學(xué)系統(tǒng)中物像關(guān)系、解析法求解理想光學(xué)系統(tǒng)中物像關(guān)系、高斯公式和牛頓公式的準(zhǔn)確應(yīng)用、多光組組合成像公式

18、、光焦度概念、薄透鏡與厚透鏡的光焦度公式。</p><p>　　解決辦法：充分理解理想光學(xué)系統(tǒng)中基點(diǎn)和基面特性，并學(xué)會(huì)用多種作圖方法嘗試解題；理解高斯公式和牛頓公式的推導(dǎo)過程，掌握兩公式中物像距的表示形式及物理量的正負(fù)取值；掌握組合光學(xué)系統(tǒng)成像公式以及薄、厚透鏡光焦度公式的推導(dǎo)，并通過解題深入理解。</p><p>　　第三章 平面與平面系統(tǒng)</p><p>　　重

19、點(diǎn)：奇數(shù)及偶數(shù)個(gè)平面鏡的成像特點(diǎn)、對(duì)鏡像的理解、單個(gè)平面鏡的旋轉(zhuǎn)特性、入射光線與出射光線形成的夾角與雙平面鏡夾角間的關(guān)系，平行平板的成像特性、平行平板等效光學(xué)系統(tǒng)、反射棱鏡的種類及成像方向判斷、反射棱鏡的展開、折射棱鏡的應(yīng)用、最小偏向角原理、光楔的原理及應(yīng)用、光學(xué)材料分類及特性。</p><p>　　難點(diǎn)：平行平板成像特性及相應(yīng)公式、反射棱鏡成像方向判斷、反射棱鏡的展開、利用最小偏向角原理的材料折射率測(cè)定、光楔的

20、應(yīng)用。</p><p>　　解決辦法：使學(xué)生自行推導(dǎo)平行平板的成像公式（近軸和遠(yuǎn)軸區(qū)），加深公式內(nèi)涵理解；利用三維動(dòng)畫形式講述不同棱鏡的結(jié)構(gòu)，采用實(shí)物教學(xué)，使學(xué)生反復(fù)觀察，理解不同反射棱鏡的成像特性；闡述清楚棱鏡的展開原則；掌握最小偏向角原理及公式；掌握光楔的偏向角公式，通過實(shí)例講解光楔在實(shí)際中的應(yīng)用。</p><p>　　第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制</p><

21、p>　　重點(diǎn)：光闌的分類與作用、孔徑光闌的概念、入瞳和出瞳的概念及其與孔徑光闌的共軛關(guān)系、視場(chǎng)光闌的概念、入射窗、出射窗的概念及其與視場(chǎng)光闌的共軛關(guān)系、主光線、邊緣光線概念、漸暈概念、對(duì)于漸暈系數(shù)的理解、物方、像方及雙遠(yuǎn)心光路的原理與應(yīng)用、景深的概念、景深的影響因素、場(chǎng)鏡的作用及位置。</p><p>　　難點(diǎn)：對(duì)孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的理解、對(duì)入瞳、出瞳概念的理解、怎樣確定系統(tǒng)中的孔徑光闌和視場(chǎng)光闌、漸暈系數(shù)

22、為某一固定值時(shí)，透鏡口徑的確定或者物像方視場(chǎng)角的確定、遠(yuǎn)心光路的應(yīng)用、對(duì)景深影響因素的理解。</p><p>　　解決辦法：對(duì)于孔徑光闌、入瞳、出瞳以及視場(chǎng)光闌、入射窗、出射窗的理解，可結(jié)合實(shí)物（如常見的雙筒望遠(yuǎn)鏡）講解，使復(fù)雜抽象的原理和概念深入淺出、通俗易懂；通過習(xí)題講解孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的確定原則及漸暈的相關(guān)理論；通過實(shí)例講述遠(yuǎn)心系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用；結(jié)合攝影系統(tǒng)，闡述景深的控制。</p>

23、<p><b>　　第五章 光度學(xué)基礎(chǔ)</b></p><p>　　重點(diǎn)：輻射量與光學(xué)量的概念、光學(xué)量與輻射量之間的關(guān)系、光譜光視效率及光源的發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光照度、光亮度、光出射度的概念及公式、立體角概念、光學(xué)系統(tǒng)中孔徑角對(duì)應(yīng)的立體角公式、余弦輻射體的概念、特點(diǎn)及相應(yīng)公式、平方反比定律、軸上點(diǎn)與軸外點(diǎn)光照度公式以及關(guān)系、光學(xué)系統(tǒng)光能損失構(gòu)成及光學(xué)系統(tǒng)透過率計(jì)算。</

24、p><p>　　難點(diǎn)：不同光學(xué)量的概念及相互關(guān)系、面光源的立體角、平方反比定律、余弦輻射體的概念、特點(diǎn)及相應(yīng)公式、軸上點(diǎn)與軸外點(diǎn)光照度公式以及關(guān)系、光學(xué)系統(tǒng)光能損失構(gòu)成及光學(xué)系統(tǒng)透過率計(jì)算。</p><p>　　解決辦法：深入講述不同光學(xué)量的物理內(nèi)涵及相互聯(lián)系；給出關(guān)鍵公式的詳細(xì)推導(dǎo)過程，并通過習(xí)題加深理解；布置綜合性作業(yè)考察學(xué)生對(duì)于概念和公式的理解。</p><p>

25、　　第六章 光線的光路計(jì)算及像差理論</p><p>　　重點(diǎn)：幾何像差的概念及產(chǎn)生原因、各像差對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)的影響、波像差的概念、軸上點(diǎn)球差、球差的校正、單個(gè)折射面和反射面的齊明點(diǎn)坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的放大倍率、塞得和系數(shù)、初級(jí)像差、高級(jí)像差、波像差的適用范圍、瑞利判據(jù)、像質(zhì)評(píng)價(jià)。</p><p>　　難點(diǎn)：幾何像差產(chǎn)生的原因、各像差對(duì)像質(zhì)的影響、波像差與幾何像差的聯(lián)系和區(qū)別、像質(zhì)評(píng)價(jià)。</p&

26、gt;<p>　　解決辦法：通過光學(xué)原理圖講解各種像差的產(chǎn)生，并結(jié)合ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件講解各種像差的幾何形狀、各種像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)以及如何校正像差；根據(jù)實(shí)例，講授波像差的應(yīng)用與限制。</p><p>　　第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)</p><p>　　重點(diǎn)：眼睛的構(gòu)造、近視眼、遠(yuǎn)視眼、散光眼等非正常眼的形成與校正、眼睛的分辨率、眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng)、眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度、雙目立體視覺、放大鏡

27、原理、視覺放大率公式、放大鏡中的光束限制和線視場(chǎng)、顯微鏡成像原理及特性、顯微鏡的視覺放大率、線視場(chǎng)、景深、分辨率及有效放大率、顯微鏡的照明方式、望遠(yuǎn)鏡成像原理及特性、望遠(yuǎn)鏡分辨率及工作放大率、望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)、目鏡、攝影系統(tǒng)、投影系統(tǒng)等。</p><p>　　難點(diǎn)：近視眼、遠(yuǎn)視眼的校正、屈光度的概念、雙面立體視覺、掌握臨界照明和柯勒照明原理及特點(diǎn)并注意區(qū)分、放大鏡、顯微鏡以及望遠(yuǎn)鏡工作原理及相應(yīng)公式、與前面章節(jié)相結(jié)合的

28、綜合習(xí)題的求解。</p><p>　　解決辦法：通過多個(gè)原理圖動(dòng)畫、典型光學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、外形尺寸計(jì)算實(shí)例與多種類型計(jì)算習(xí)題強(qiáng)化對(duì)典型光學(xué)系統(tǒng)成像原理的理解，將放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等實(shí)物帶入課堂，通過觀察，理解放大率、光瞳匹配等概念。</p><p><b>　　八、教材</b></p><p>　　1．《工程光學(xué)》第三版，郁道銀、王文生

29、等，機(jī)械工業(yè)出版社，2011年；</p><p>　　2．《應(yīng)用光學(xué)》第一版，王文生、劉冬梅等，華中科技大學(xué)出版社，2010年；</p><p><b>　　九、參考資料</b></p><p>　　1．《光學(xué)工程原理》第一版，王志堅(jiān)、劉智影等，國(guó)防工業(yè)出版社，2010年；</p><p>　　2．《應(yīng)用光學(xué)》，張以漠，