《工程光学》教学大纲(0807408002)

《工程光学》课程教学大纲
课程代码：0807408002
课程名称：工程光学
英文名称：Engineering Optics
学分：4 总学时：64
讲课学时：56 实验学时：8上机学时：0 课外学时：0
适用对象：光电信息科学与工程专业学生
先修课程：大学物理、高等数学
学生自主学习时数建议：128
一、课程性质、目的和任务
工程光学课程是一门专业基础课，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。

本课程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、教学基本要求
1、掌握几何光学的基本定律与成像理论；
2、了解球面光学成像系统的基本知识；
3、掌握理想光学系统和平面光学系统的基本理论，了解典型光学系统和现代光学系统的结构；
4、理解光学系统的像质评价，光的衍射与傅里叶光学知识；
5、掌握光波的特性，了解光的干涉、光的衍射，光扁振和光调制的内容；
三、教学内容
第一章几何光学基本定律与成像概念
1、教学内容
（1）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；
（2）光学系统的物像概念
2、重点和难点
（1）重点：费马原理
（2）难点：实物、实像、虚物、虚像的概念及分辨
第二章理想光学系统
1、教学内容
（1）理想光学系统的基本理论
（2）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；
（3）理想光学系统的物像关系
1．作图法求像；
2．解析法求像；
（4）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；
（5）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；
2、重点和难点
（1）重点：图解法求像的方法、解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）
（2）难点：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
第三章平面与系统
1、教学内容
（1）平面镜
1．单平面镜的成像特性；
2．双平面镜的成像特性；
（2）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；
（3）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；
（4）折射棱镜与光楔
1．折射棱镜；
2．光楔；
2、重点和难点
（1）重点：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）难点：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
第四章光学系统中的光阑和光束限制
1、教学内容
（1）概述
（2）孔径光阑
1．孔径光阑的判断；
2．入射光瞳和出射光瞳；
（3）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；
（4）渐晕光阑与场镜
1．渐晕光阑；
2．场镜；
（5）景深与焦深
1．景深；
2．焦深；
3．远心光路；
2、重点和难点
（1）重点：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；孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系
（2）难点：望远系统的基本结构、成像关系和光束限制
第五章光度学和色度学基础
1、教学内容
（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
（2）光传播过程中光学量的主要变化规律
（3）颜色的基本概念、性质、定律
（4）CIE标准色度学系统简介
2、重点和难点
（1）重点：光度学中的定义
（2）难点：光传播过程中光学量的主要变化规律
第六章光线的光路计算及像差理论
1、教学内容
（1）相差的定义、种类和消像差的基本原则
（2）单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法
（3）7种几个像差的定义、影响因素、性质和消像差方法
（4）波像差的定义及其与几何像差的关系
2、重点和难点
（1）重点：像差的定义、种类和消像差的基本原则
（2）难点：7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法
第七章典型光学系统
1、教学内容
（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
（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
（3）放大镜的视觉放大率
（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)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：
（5）临界照明和坷拉照明
（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）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
（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
2、重点和难点
（1）重点：放大镜、显微镜、望远镜、照相机、投影仪的结构及成像
（2）难点：光学系统外形尺寸计算、分辩率、变焦距光学系统
第八章光的电磁理论基础
1、教学内容
（1）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；
（2）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；
（3）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；
（4）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；
2、重点和难点
（1）重点：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）难点：波的叠加原理及4种情况下两列波的叠加结果、性质分析
第九章光的干涉
1、教学内容
（1）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；
（2）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；
（3）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；
（4）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；
（5）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；
2、重点和难点
（1）重点：杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用
（2）难点：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
第十章光的衍射
1、教学内容
（1）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；
（2）菲涅耳衍射
1．菲涅耳半波带法；
2．菲涅耳波带片；
（3）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；
（4）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；
（5）衍射光栅
1．衍射光栅概述；
2．几种典型的衍射光栅；
2、重点和难点
（1）重点：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）难点：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
第十一章光的偏振
1、教学内容
（1）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；
（2）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；
（3）偏振器件
1．偏振器；
2．波片；
3．偏振器件的数学描述；
（4）偏振光的干涉
（5）波导光学基础
（6）光的量子性和激光基础
2、重点和难点
（1）重点：菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律
（2）难点：各种起偏器、分束器和波片的结构、作用和工作原理
四、实践环节设计
(一)课内实验
1、透镜焦距的测量实验
2、光的干涉实验
3、光的衍射实验
4、光的偏振实验
5、基于软件模拟设计单透镜、双透镜、牛顿望远镜等实验
五、课外习题及课程讨论
为达到本课程的教学基本要求，课内和课外习题（包括自测题）不应少于20题。

六、教学方法与手段
本课程采用板书与多媒体课件结合的方式进行课堂教学。

八、学生自主学习要求
学生自主学习要求时数不少于128学时。

九、考核方式与成绩评定
1、本课程为考试课程，期末考试为闭卷笔试
2、学生的课程总评成绩由平时成绩（占40%）和期末考试成绩（60%）两部分构成，平时成绩包括实验、作业、出勤、课堂测验、学习主动性等。

十、推荐教材和教学参考书
教材：《工程光学基础教程》，郁道银编著，机械工业出版社，2007年。

参考书：《工程光学》，张风林编著，天津大学出版社，1988年。

《物理光学》，梁铨廷编著，电子工业出版社，2012年。

大纲制订人：
大纲审定人：
制订日期：年月日
《工程光学》实验教学大纲
一、教学目标与基本要求
1、通过实验，加深对工程光学基本理论知识的理解，熟练掌握工程光学的基本测试原理、实验方法、实验思想、操作技能，实验结果分析，掌握实际光学系统的设计方法；
2、熟悉并掌握常用光学仪器设备的使用方法；
3、通过实践环节，培养学生运用基础理论知识，分析和解决光学工程中实际问题的能力和创新能力。

二、基本理论与实验技术知识
本实验课程是《工程光学》理论课程的配套课程，需要学生利用理论课涉及的几何光学基本定律与成像概念、理想光学系统、平面与平面系统、光束限制、典型光学系统、光的干涉、衍射及、偏振等知识完成相关的实验项目。

通过实验，使学生初步掌握薄透镜焦距测量、望远镜等典型光学系统、杨氏双缝干涉、夫琅禾费衍射及马吕斯定律有所认识，学会光源的使用、光学系统的搭建，各光学元件间距测量及数据的处理工作。

三、实验方法、特点与基本要求
学生在课前认真阅读实验教材和有关资料，实验中，学生应该根据实验项目的要求选择光学器件、搭建调平光学系统、观察到光学影像。

光学元件轴向测距应首先该元件的中心，横向测距应会使用光学测微仪相对测量。

认真作好实验报告，认真分析实验现象和实验数据，引出正确结论。

四、实验主要仪器设备
分光计、分光镜、光学平台、测节器、ZJS型多功能组合光具坐、透镜、棱镜、迈克尔逊干涉仪、偏振光实验系统、激光器、光源、光阑、反射镜、偏振分光棱镜等。

五、实验项目的设置与内容提要
注：设计实验根据情况选 4个，总实验学时为8 学时。

六、实验报告要求
按照指导教师要求撰写和提交实验报告和实验原始记录。

七、考核方式与成绩评定
1、考核方式：考查
2、成绩评定：（1）预习情况10%。

（2）态度和纪律：10% 。

（3）实验能力、实验结果50% 。

（4）实验报告30% 。

八、推荐教材和教学参考书
教材：《工程光学实验教程》，贺顺忠编著，机械工业出版社，2007年。

参考书：《Zemax学习秘笈》，讯技光电科技（上海）有限公司，2005年。

大纲制订人：覃翠
大纲审定人：张健
制订日期： 2014 年8 月16 日。