工程光学教学大纲(正式)

《工程光学》课程教学大纲
课程中文名称：工程光学
课程英文名称：Engineering Optics
课程编号：08131009
课程性质：专业基础课
学时：（总学时63、理论课学时51、实验课学时12）
学分：4
适用对象：电子科学与技术、信息显示与光电子技术
先修课程：大学物理、高等数学
课程简介：
本课程从光波、光线和成像等几何光学的概念出发讲述了光线在介质中传播的基本规律，描述了近轴光学、理想光学系统和平面镜及棱镜的成像性质和规律，讨论了常用光学仪器的工作原理、成像性能和分辨率。

还介绍了变折射率的光线光学和变焦距镜头的光学系统分析。

通过本课程的学习学生可掌握光学工程领域的专业基础知识。

本课程是信息显示与光电子技术专业及相关专业的重要核心课程，通过本课程的学习，为学生学习后续课程如认知实习、信息光学和光电仪器设计打下必要基础。

一、教学目标及任务
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。

二、学时分配
三、教学内容及教学要求
第一章几何光学的基本定律和成像概念（2学时）
教学要求：
1．了解几何光学的概念；
2．理解几何光学基本定律；
3．理解光学系统的物像概念；
教学重点与难点：
1．费马原理；
2．实物、实像、虚物、虚像的概念及分辨；
教学内容：
第一节几何光学的基本定律
1．几何光学的点、线、面；
2．几何光学的基本定律；
3．费马原理；
第二节光学系统的物像概念
本章习题要点：本章重点掌握几何光学的基本定律，要求熟记并能灵活应用。

第二章共轴球面系统（4学时）
教学要求：
1．理解完善成像条件的概念和相关表述；
2．掌握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）；
3．掌握单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率 、轴向放大率 、角放大率γ、拉赫不变量等公式；
4．掌握球面反射镜成像公式；
5．掌握共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）；
教学重点与难点：
1．应用光学中的符号规则；
2．单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率 、轴向放大率 、角放大率γ、拉赫不变量等公式；
3．球面反射镜成像公式；
4．共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）；
教学内容：
第一节符号法则
1．光路方向；
2．线量的正负号；
3．角量的正负号；
4．符号规则的意义；
5．光路图中的符号标注；
第二节物体经单个折射球面的成像
1．单球面成像的光路计算；
2．近轴区域的物像关系；
3．近轴区域的物像放大率；
第三节单个反射球面的成像
第四节共轴球面系统的成像
本章习题要点：本章重点掌握单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率 、轴向放大率 、角放大率γ、拉赫不变量等公式；要求熟记并能灵活应用。

第三章理想光学系统（8学时）
教学要求：
1．共轴理想光学系统的成像性质；（理解）
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；（掌握）
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；（理解）
4．图解法求像的方法；（掌握）
5．解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）；（掌握）
6．由多个光组组成的理想光学系统的成像公式；（掌握）
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；（掌握）
教学重点与难点：
1．图解法求像的方法；
2．解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）；
3．由多个光组组成的理想光学系统的成像公式；
4．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；
教学内容：
第一节理想光学系统的基本理论
第二节理想光学系统的基点与基面
1．无限远的轴上物点与像方焦点；
2．无限远的轴上像点与物方焦点；
3．主平面；
4．光学系统的焦距；
5．理想光学系统的节点；
第三节理想光学系统的物像关系
1．作图法求像；
2．解析法求像；
第四节理想光学系统的多光组成像
1．多光组成像的一般过程；
2．多光组系统的等效系统；
3．双光组组合；
4．双光组组合的应用实例；
第五节实际光学系统的基点和基面
1．实际光学系统的基点和基面；
2．实际光学系统的基点和基面；
本章习题要点：本章重点掌握理想光学系统的作图法成像和解析法成像。

第四章平面系统（4学时）
教学要求：
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；（理解）
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；（理解）
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；（掌握）
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）
教学重点与难点：
1．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；
2．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；
教学内容：
第一节平面镜
1．单平面镜的成像特性；
2．双平面镜的成像特性；
第二节反射棱镜
1．反射棱镜的类型；
2．棱镜系统成像的物像坐标变化；
3．反射棱镜的等效作用与展开；
第三节平行平面平板
1．平行平板的成像特性；
2．平行平板对光纤位移的计算；
3．平行平板的等效空气层；
4．共轴球面系统与平面棱镜系统的组合；
第四节折射棱镜与光楔
1．折射棱镜；
2．光楔；
本章习题要点：本章重点掌握折射棱镜的作用，其最小偏向角公式及应用，光楔的偏向角公式及其应用。

第五章光学系统的光束限制（4学时）
教学要求：
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；（理解）
教学重点与难点：
1．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；
2．望远系统的基本结构、成像关系和光束限制；
3．孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系；
教学内容：
第一节概述
第二节孔径光阑
1．孔径光阑的判断；
2．入射光瞳和出射光瞳；
第三节视场光阑
1．视场范围的计算；
2．渐晕及其相关计算；
3．入射窗和出射窗；
第四节渐晕光阑与场镜
1．渐晕光阑；
2．场镜；
第五节景深与焦深
1．景深；
2．焦深；
3．远心光路；
第六章像差概论（2学时）
教学要求：
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）
教学重点与难点：
1．像差的定义、种类和消像差的基本原则；
2．7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法；
教学内容：
第一节轴上点像差
1．球差的概念和形成；
2．单个折射球面的齐明点；
3．单透镜的球差；
第二节慧差
1．慧差的概念和形成；
2．孔径光阑对慧差的影响；
第三节细光束像散
第四节细光束场曲
第五节畸变
第五节色差
1．位置色差；
2．倍率色差；
第八章实用光学系统（6学时）
教学要求：
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；（掌握）
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；（掌握）
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；（掌握）
教学重点与难点：
1．显微镜系统的工作原理及相关计算公式；
2．望远系统的工作原理及相关计算公式；
3．放大镜的视觉放大率；
教学内容：
第一节人眼光学系统
1．眼睛的结构；
2．眼睛的调节与适应；
3．眼睛的视力缺陷与矫正；
4．人眼的分辨力与对准精度；
5．双眼立体视觉；
第二节放大镜
1．视觉放大率；
2．光束限制和线视场；
3．放大镜用作目镜；
第三节显微镜系统
1．显微镜的工作原理和视觉放大率；
2．显微镜的光束限制；
3．显微镜的分辨力和有效放大率；
4．显微镜的应用举例；
第四节望远镜系统
1．望远系统的视觉放大率；
2．望远系统的分辨力和有效放大率；
3．望远镜的光束限制；
4．望远镜的转向系统；
本章习题要点：本章重点掌握放大镜、显微镜、望远镜的工作原理及视觉放大率的相关计算公式。

第十章光的电磁理论基础（4学时）
教学要求：
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）
6．相速度和群速度概念；（了解）
教学重点与难点：
1．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；
2．波的叠加原理及4种情况下两列波的叠加结果、性质分析；
教学内容：
第一节光波的特性
1．麦克斯韦方程组；
2．物质方程；
3．电磁波动方程；
第二节几种简单的光波场
1．简谐平面波；
2．球面波和柱面波；
3．电磁场的能量和能流；
第三节光波的叠加
1．波的叠加原理；
2．同频率、同振动方向单色光波的叠加；
3．频率相同、振动方向垂直单色光波的叠加；
4．不同频率单色光波的叠加；
第四节光在两种介质分界面上的反射和折射
1．电磁场的边界条件；
2．反射定律和折射定律；
3．菲涅尔公式；
4．菲涅尔公式的讨论；
本章习题要点：本章重点掌握平面简谐波的波动方程。

第十一章光的干涉（5学时）
教学要求：
1．干涉现象和形成干涉的条件；（了解）
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）；（理解）
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）
教学重点与难点：
1．杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用；
2．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；
3．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；
教学内容：
第一节光的干涉条件和杨氏干涉实验
1．光波干涉条件；
2．杨氏干涉实验；
第二节干涉条纹的可见度
1．双光束干涉时干涉条纹的可见度；
2．光源的非单色性对干涉条纹可见度的影响；
3．光源的大小对干涉条纹可见度的影响；
第三节平板的双光束干涉
1．干涉条纹的分类；
2．等倾干涉；
3．等厚干涉；
第四节平板干涉的应用
1．迈克尔逊干涉；
2．泰曼-格林干涉仪和波面干涉技术；
3．马赫—曾德尔干涉仪；
第五节平行平板的多光束干涉及其应用
1．平行平板的多光束干涉原理；
2．干涉滤光片；
本章习题要点：本章重点掌握各种干涉情况下光程差的计算。

第十二章光的衍射（4学时）
教学要求：
1．衍射现象、衍射系统和分类；（了解）
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；（掌握）
教学重点与难点：
1．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；
2．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；
3．光栅衍射及其衍射条纹的特征；
教学内容：
第一节光的标量衍射理论
1．衍射的基本概念；
2．惠更斯—菲涅耳原理；
3．两种典型的衍射；
第二节菲涅耳衍射
1．菲涅耳半波带法；
2．菲涅耳波带片；
第三节夫琅禾费衍射
1．矩孔衍射；
2．单缝衍射；
3．单缝衍射因子的特点；
4．多缝衍射；
5．圆孔衍射；
第四节光学成像系统的衍射和分辨本领
1．望远镜的分辨率；
2．照相物镜的分辨率；
3．显微镜的分辨率；
4．双光组组合的应用实例；
第五节衍射光栅
1．衍射光栅概述；
2．几种典型的衍射光栅；
本章习题要点：本章重点掌握单缝夫琅禾费衍射现象的分析和讨论以及衍射光栅衍射条纹的特点。

第十三章光的偏振（4学时）
教学要求：
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；（了解）
2．菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律；（掌握）
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、作用和工作原理；（理解）
5．偏振光的矩阵表示；（了解）
6．偏振光的变换和测定；（了解）
7．偏振光的干涉原理、装置、公式、光强分布特性；（掌握）
教学重点与难点：
1．菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律；
2．各种起偏器、分束器和波片的结构、作用和工作原理；
教学内容：
第一节偏振光的描述
1．光波的偏振态；
2．偏振度；
3．偏振态的表示法；
第二节各向异性介质中光波的传播特性
1．晶体的光学各向异性；
2．平面波在晶体中的传播；
3．平面波在晶体上的双反射和双折射；
第三节偏振器件
1．偏振器；
2．波片；
3．偏振器件的数学描述；
第四节偏振光的干涉
本章习题要点：本章重点掌握光的几种偏振状态及马吕斯定律。

四、考核方式及要求
按照相关教学计划，本课程为考试课程，采用闭卷考核方式。

平时作业、考勤、实验20%；期末考试80%。

五、教材及教学主要参考书
1．张凤林孙学珠主编.工程光学.第二版.天津大学出版社，1988年
2．张以谟主编.应用光学.第二版.机械工业出版社，1988年
3．迟泽英陈文建主编.应用光学与光学设计基础.第一版.东南大学出版社，2008年
4．廖延彪主编.光学原理与应用.第二版.电子工业出版社，2006年
大纲制定人：官邦贵
大纲审定人：
制定时间：。