工程光学的教案

教案

院系：电子与信息工程学院

专业：生物医学工程

教师：***

绪论，说在教学之前的话

一、学习通论

⑴大学是做什么的？

孔子云“吾十有五而志于学，三十而立，四十而不惑，五十而知天命，六十而耳顺，七十而从心所欲，不逾矩。”这段话表明了孔子在每个人生阶段的生活状态，也被我们认为是一个人在各阶段较为理想的一种状态。对于我国学生而言，一般在大学以前，学校中所有的学习内容都是国家教育部规定的，是国家要你学的，学生自身没有选择性。学生们第一次可以根据自己的意愿选择学习内容就是高考报志愿，是学生自己志于学，大学生普遍十八岁，与十五相差不多。三十而立指：三十岁的人应该能依靠自己的本领独立承担自己应承受的责任，并已确立自己的人生目标和发展方向；简单说：靠自己的本事在社会上生存；再简单说：独立。

要在社会上生存，做重要的是钱，吃穿住行无不用钱，挣钱的最佳方法就是工作。你毕业后能做什么样的工作，挣多少钱，过什么样的日子，与你大学中的学习情况息息相关。高中大家学的都一样，最后有人做会计，有人做工程师，有人做医生，区别何来？--大学中学了什么。

故而大学生在大学中的主要工作是：明确要实现自己的理想自身还缺乏那些知识，并根据这一认知有计划有目标的充实自身补充不足，为自身将来的社会生活打下基础。

⑵学习规划方法：

⑶学习知识的一般过程：接收→理解→应用，这三个层次是逐步递进的，通常而言上课听讲是接收知识兼具初步理解、真正的理解知识却需要学生课后结合课上所学和教材甚至其它参考资料进行，应用则是需要学生做一些习题。

⑷科学研究与认识方法：发现某一有趣现象→重复该现象分析所有的影响因素→总结各因素对现象的影响规律写成定律→根据定律控制现象使其按照我们的意愿发生→实际应用，造福人类。我们课程讲解知识点时也会按照这个规律进行。

二、本课程的主要内容介绍

本课程主要讲解光学方面的知识，包括光的本质、运行规律、应用中的光学原理等等。

很多物体在宏观和微观角度会体现出不同的特性，以水为例，宏观的水主要表现为流动性，微观的水表现更多的是表面张力。光也一样主要分为两大块：⑴几何光学(也可简单说是宏观光学)，主要讲光在起成像作用时遵循的规则，以及在典型现实应用中总结出的窍门也叫规律；⑵物理光学(也可简单说是微观光学)，要把光放大很多倍，研究其本质和特征，研究如何控制和改变光的本质参数，研究微观尺度下光的行为规律。

重点：⑴几何光学，成像系统分析与设计；⑵物理光学，光的干涉和衍射。

三、本课程的实际应用与就业倾向

本课程的应用情况根据所学内容不同分为两类：

⑴几何光学：主要用于光学系统设计，主要倾向于所有具有镜头的产品(或者说与成像相关的产品)，此外也包括光路设计。比如：相机、DV、显微镜、投影仪、望远镜、激光加工、扫描仪、内窥镜、潜望镜、倒车影像、电影机等等。涉及到的公司有：索尼、三星、联想、惠普、欧姆龙、杭州聚光等等。

⑵物理光学：主要用于检测系统设计。比如：测距仪、尺寸测量仪、故障检测、三维形貌检测等等，这一类产品主要卖给各大生产厂商，比如：米其林轮胎、富士康、华为、一汽大众等等。由于一般不卖给普通个人，因而在人民大众中知名度不高。

第一章几何光学基本定律与成像概念

一、本章的教学目标及基本要求

让学生掌握几何光学基本定律；熟悉完善成像条件的概念和相关表述；掌握光学中的符号规则和单个折射球面的光线光路计算公式；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、拉赫不变量等公式；熟悉球面反射镜成像共识；掌握共轭球面系统公式，包括过度公式、成像放大率公式。

二、本章节的主要教学内容及学时分配

第一节几何光学的基本定律，包括：光的直线传播定量、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、光路的可逆性、费马原理、马吕斯定律；第二节成像的基本概念与完善成像条件，包括：光学系统与成像概念、完善成像条件；第三节单一球面成像分析，包括：光路计算中一些变量的基本概念与符号规则、光路计算的过程和方法、近轴光学与公式简化。共4学时。

三、本章教学内容的重点和难点

重点：光学基本定律与光路计算。

难点：光路计算中的符号定义。解决方法：⑴强调符号定义是业内约定俗成的规则，就如喝水不能说吃水；⑵符号定义不可以数学眼光来看待，各自有其物理意义，每个变量的绝对值代表其大小，符号则代表了各变量的空间位置。

四、本章教学方式及应注意的问题

板书与课件相结合，公式推导过程用板书，推导结果用PPT展示。

五、本章的思考题和习题

单球面反射、折射光路计算推导

六、具体知识点

1.1 几何光学的基本定律

主要知识点讲课时的扩展或总结备注

1、一些基本定义

(1)光波是一种电磁波。其基本特征用光速c、波长λ、

频率f描述。

书P1

(2)光的波长范围为1mm~10nm 书P1ppt不完全需要改正。***

(3)可见光：人眼可以感知的光。波长380nm~760nm 书P1

(4)红外光：波长大于760nm的光。书P1

(5)紫外光：波长小于380nm的光。书P1，书有错***

(6)光速：真空光速为2.9979×108m/s 光在介质中跑得慢，

波长不同速度不同。

书P1

(7)单色光：具有单一波长的光。实际中并不存在书P1

(8)复色光：由不同单色光混合而成的光。太阳光就是最典型的复色光书P1

(9)发光点(点光源)：无大小、无体积、有光能辐

射的几何点。

书P1，书中有错，

注意***

(10)发光体(光源)：能辐射光能(包括反射)的物体。发光体可看作是许多发光点

组成的。

书P1

(11)光线：由光源所发光抽象而出的携带光能并带

有方向的几何线。

光线无直径、无体积。

书P1

(12)光的传播方向：光线的方向、波面的法线方向。波面的法线即是光线。书P1

(13)波阵面(波面)：某一时刻振动位相相同各点构成

的等相位面。

波面分为：平面波、球面波和任意曲面波。

光的传播即为光波波阵面的

传播。类似于水面的波面。

书P1

(14)光束：与波面对应的所有光线的集合。

光束分为：平行光束、同心光束和其它光束。

平行光束对应平面波

同心光束对应球面波。

书P1

2、基本六定律

(1)光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，

光是沿着直线方向传播的。

影子、日蚀、月蚀、小孔成像。

提一下衍射。

书P2

(2)光的独立传播定律：不同光源发出的光在空间

某点相遇时，彼此互不影响各光束独立传播。

不同波长光是光强叠加，同波

长干涉现象是矢量求和。

书P2

当一束光投射到两种均匀介质的光滑分界表面上时，一部分光从光滑分界表面“反射”回到原介质中，称为反射光；另一部分光将“透过”光滑表面，进入第二种介质，称为折射光。

(3)光的反射定律：①反射光线位于由入射光线和法线所决定光的平面内；②反射

光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角绝对值相等，符号相反。

(这里与后面的成像光学符号定义有关，预留思考。)

书P3

(4)光的折射定律：①折射光线位于由入射光线和法线所决定光的平面内；②折射

角的正弦与入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。

书P3

折射率：真空中的光速与介质中的光速的比值。通常光在介质中比在真空中

跑的慢。

书P3

(5)全反射：从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角大于某值时，在二种介质

的分界面上光全部返回到原介质中的现象。

书P3

光密介质：两种介质中折射率较大的介质。

光疏介质：两种介质中折射率较小的介质。

光密介质与光疏介质是一种

成对出现的定义。

书P3