天津大学《工程光学》课程教学大纲
工程光学_教学大纲
2
6典 型光 学系 统(3
学
时)
(1)眼睛及英光学系统
1知道正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征:
2知道眼睛的分辨率计算公式;
0.5
教学目
标6
(2)放大镜
①能够计算放大镜的视觉放大率。
0.5
(3)显微镜系统
1能够计算显微镜系统的视觉放大率;
2能够计算显微镜的线视场:
②能够计算显微镜的出瞳直径。
本课程是测控技术与仪器专业的专业基础课,主要由几何光学和物理光学两部分 组成。几何光学部分主要介绍了几何光学的基本宦律与成像概念、理想光学系统 的光学参数与成像特性、平而与平而镜成像系统、光学系统中的成像光朿限制、 光学系统的光路汁算和像差基本理论、典型光学系统等。物理光学部分主要介绍 了光的电磁性质、光在各向同性介质界而上的传播规律和光波的叠加、光波的干 涉与衍射等。
1知道成像系统的衍射现象:
2能够计算成像系统的分辨率。
1
五、考核要求及考核方式
1.考核要求
(1)课程考核应能够切实考核是否达成各项课程LI标;
(2)考核内容至少覆盖本课程知识点的60%;
(3)同一学期试卷中(A、B)试题重复率不超过20%,近三个学年内的试卷试题重复率不 超过20%;
(4)考核难度:基本难度题目约60%,中等难度题□约30%,高等难度题!_!约10%。
2能够il•算单个反射球面的垂轴放大率、轴向 放大率和角放大率。
1
2理 想光 学系 统(6 学时)
(1)理想光学系统与共线成 像理论
①知道共轴理想光学系统的成像性质。
0.5
教学目
标2
(2)理想光学系统的基点与 基而
1知道焦点和焦平而的含义:
工程光学-第一章
根据费马原理,光程应取极值,即
dS x Lx n1 n2 0 2 2 2 2 dx d1 x d 2 ( L x)
如图定义入射角和折射角,则光程取极值必有
即折射定律
dS n1 sin 1 n2 sin 2 0 dx
现通过P点,并以A和B为焦点作一椭圆N。 设Q为M上除P点外的任意一点,则经Q反射的光程
R
B
SQ n( AQ QB)
延长AQ交N于R点,并连接RB。由于椭圆上的点与两 焦点间线段长度之和为定值,即总有AP+PB=AR+RB,
因此有,
S P n( AR RB) n AQ (QR RB) n( AQ QB) SQ
质且入射角 I 增大到某一程度时,折射角 I ' o 达到 90 ,折射光线沿界面掠射出去,这时 的入射角称为临界角,记为I m 。
22
由折射定律公式(1-3)
sin I m n' sin I ' / n n' sin 90 / n n' / n (1-4)
o
23
若入射角继续增大,入射角大于临界角 的那些光线不能折射进入第二种介质,而全 部反射回的一种介质,即发生了全反射现象。 全反射的充要条件: (1)光线从光密介质射向光疏介质; (2)入射角大于临界角。
34
第二节
一、基本概念
成像的基本概念 与完善成像条件
光学元件:表面为平面、球面或非球面(任一曲面),且 具有特定折射率的介质构成的透明元件。 光学系统:由若干光学元件组成的系统。 共轴光学系统:系统中的各个光学元件的表面曲率中心 都处在同一直线上。否则即为非共轴系统。 光轴:共轴系统中光学元件表面曲率中心所决定的直线。 光学系统的作用:对物体成像。
工程光学课程教案模板范文
课程名称:工程光学适用班级:光信息科学与技术专业二年级学生主讲教师:[教师姓名]职称:[教师职称]教学时间:[具体日期]教学地点:[具体教室]一、教学目标1. 知识目标:(1)掌握工程光学的基本概念和基本原理;(2)熟悉光学元件的基本特性及其应用;(3)了解光学系统的设计方法和性能评价。
2. 能力目标:(1)培养学生运用光学原理解决实际问题的能力;(2)提高学生的实验操作技能和实验数据分析能力;(3)培养学生的创新意识和团队合作精神。
3. 素质目标:(1)增强学生的科学素养和人文精神;(2)提高学生的自主学习能力和终身学习能力;(3)培养学生的社会责任感和职业道德。
二、教学内容1. 光学基础知识(1)光的传播规律;(2)光的反射与折射;(3)光的干涉与衍射;(4)光的偏振。
2. 光学元件(1)透镜;(2)棱镜;(3)光栅;(4)光纤。
3. 光学系统(1)光学系统的基本结构;(2)光学系统的成像规律;(3)光学系统的设计方法;(4)光学系统的性能评价。
4. 光学应用(1)光学仪器;(2)光学传感器;(3)光学信息处理。
三、教学方法1. 讲授法:系统讲解工程光学的基本概念、原理和应用;2. 讨论法:引导学生对光学问题进行讨论,培养学生的创新思维;3. 案例分析法:结合实际案例,分析光学原理在工程中的应用;4. 实验法:通过实验验证光学原理,提高学生的实验操作技能;5. 计算机辅助教学:利用多媒体技术,展示光学现象和实验过程。
四、教学过程1. 导入新课:简要介绍工程光学的背景和意义,激发学生的学习兴趣;2. 讲授新知识:讲解光学基础知识、光学元件、光学系统等内容;3. 案例分析:结合实际案例,分析光学原理在工程中的应用;4. 实验演示:演示光学实验,让学生直观感受光学现象;5. 学生讨论:引导学生对光学问题进行讨论,培养学生的创新思维;6. 课堂小结:总结本节课的重点内容,布置课后作业。
五、教学评价1. 课堂表现:观察学生的出勤、课堂纪律、发言积极性等;2. 作业完成情况:检查学生的课后作业,了解学生对知识的掌握程度;3. 实验报告:评估学生的实验操作技能和实验数据分析能力;4. 期末考试:全面考察学生对工程光学知识的掌握程度。
工程光学课程教案设计模板
一、课程基本信息1. 课程名称:工程光学2. 学时安排:共计XX学时,每周XX课时3. 教学对象:XX年级XX专业学生4. 教学目标:(1)使学生掌握工程光学的基本原理和基本概念;(2)培养学生运用光学知识解决实际工程问题的能力;(3)提高学生的创新意识和团队协作能力。
二、教学内容1. 光学基本原理(1)光的传播规律(2)光的反射与折射(3)光的干涉与衍射(4)光的偏振2. 光学仪器(1)光学元件(2)光学系统(3)光学仪器的设计与制造3. 光学在工程中的应用(1)光学成像技术(2)光学检测技术(3)光学传感技术(4)光学信息处理技术4. 课程设计(1)望远镜的组装(2)Zemax:设计一大相对孔径望远镜物镜,像差校正到0三、教学进度安排1. 第一周:光学基本原理2. 第二周:光的传播规律3. 第三周:光的反射与折射4. 第四周:光的干涉与衍射5. 第五周:光的偏振6. 第六周:光学元件7. 第七周:光学系统8. 第八周:光学仪器的设计与制造9. 第九周:光学成像技术10. 第十周:光学检测技术11. 第十一周:光学传感技术12. 第十二周:光学信息处理技术13. 第十三周:课程设计(望远镜的组装)14. 第十四周:课程设计(Zemax:设计一大相对孔径望远镜物镜,像差校正到0)四、教学方法与手段1. 讲授法:系统讲解工程光学的基本原理和基本概念。
2. 案例分析法:结合实际工程案例,引导学生分析光学问题。
3. 实验教学法:通过实验操作,使学生掌握光学仪器的使用方法。
4. 讨论法:组织学生讨论光学在工程中的应用,激发学生的创新意识。
5. 网络教学资源:利用网络资源,拓宽学生的视野。
五、考核方式1. 平时成绩:课堂表现、作业完成情况等,占总成绩的30%。
2. 期中考试:测试学生对工程光学基本原理的掌握程度,占总成绩的30%。
3. 课程设计:评价学生在课程设计中的实际操作能力和创新意识,占总成绩的20%。
天津大学:工程光学教学大纲
教学大纲一、课程性质、目的和任务学时96学分6本课程是一门专业基础课,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,学生应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。
本课程的主要任务:1.系统掌握几何光学的基础理论,包括基本定律、球面和共轴球面系统理论、理想光学系统理论,平面镜与棱镜系统理论和光学系统中光阑的概念。
2.了解光能与颜色的基本量和相关概念。
3.掌握光学系统像差的基本概念、产生原因、危害和校正方法,了解像差的计算。
4.掌握三种典型的光学系统,即:显微系统、望远系统和摄影系统,并了解一些现代光学系统的相关知识。
5.掌握光的电磁理论及光波叠加的相关知识。
6.掌握光的干涉、衍射、偏振的理论和计算。
7.掌握傅立叶光学的基本概念和主要理论。
8.了解导波光学和激光的基础知识。
二、教学基本要求任课教师应以课程大纲为依据,合理安排教学内容,认真备课;课堂教学中应尽可能充分利用多媒体课件等现有教学资源,根据实际条件开展不同程度的双语教学实践;课堂教学后,要留一定数量的作业题,并坚持批改1/3,以利掌握学生的学习情况;要及时与实验指导人员取得联系,合理安排实验时间,初次任课教师要至少全程参加实验课1次;课程的实验指导人员也应至少全程参加课堂教学1次。
学生应按要求参加全部的课堂教学和实验活动,按要求完成作业和实验报告;参加期末考试,获得该课程学分。
三、教学内容绪论1.学习《工程光学》的意义和重要性(光学对国民经济发展的重要作用、光学领域的分支、进展和应用)2.本课程的性质、任务和内容3.学习的基本要求、教学环节和学习方法第一章几何光学基本定律与成像概念1.几何光学基本定律:1)光的直线传播定律 2)光的独立传播定律 3)反射定律和折射定律(全反射及其应用) 4)光路的可逆性 5)费马原理(最短光程原理) 6)马吕斯定律:2.完善成像条件的概念和相关表述3.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)4.单个折射面的成像公式,包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式。
天津大学工程光学教案
课程名称:工程光学授课对象:本科生课时:2课时教学目标:1. 使学生掌握理想光学系统的基本概念和成像性质。
2. 理解基点、基面及其在光学系统表示中的作用。
3. 学会使用图解法和解析法求解像。
4. 了解高斯成像公式及其应用。
教学重点:1. 理想光学系统的成像性质。
2. 基点、基面的概念及其在光学系统表示中的应用。
3. 高斯成像公式的推导与应用。
教学难点:1. 高斯成像公式的推导。
2. 不同类型光学系统的成像性质分析。
教学过程:第一课时一、导入1. 介绍工程光学在光学工程领域的重要性。
2. 回顾几何光学的基本概念和原理。
二、讲解1. 理想光学系统的概念:通过实际光学系统抽象出的理想模型。
2. 成像性质:光学系统对物体成像的规律。
3. 基点、基面的概念及其在光学系统表示中的应用。
三、实例分析1. 分析几种典型光学系统的成像性质,如凸透镜、凹透镜、平面镜等。
2. 举例说明基点、基面在光学系统表示中的作用。
四、高斯成像公式1. 推导高斯成像公式。
2. 解释公式中各个参数的含义。
3. 应用高斯成像公式进行成像计算。
第二课时一、复习1. 回顾上一节课的重点内容。
2. 提问学生,检查对重点知识的掌握情况。
二、讲解1. 分析不同类型光学系统的成像性质。
2. 讨论光学系统的像差及其产生原因。
三、实例分析1. 分析典型光学系统的成像质量评价。
2. 讨论如何提高光学系统的成像质量。
四、总结1. 总结本节课的主要内容和重点。
2. 强调学生在实际应用中应注意的问题。
教学评价:1. 学生对理想光学系统成像性质的理解程度。
2. 学生运用高斯成像公式进行成像计算的能力。
3. 学生对光学系统像差及其产生原因的认识。
课后作业:1. 查阅资料,了解光学系统的实际应用案例。
2. 完成光学系统成像计算题目,加深对成像公式的理解。
教学反思:1. 关注学生对重点知识的掌握情况,及时调整教学策略。
2. 结合实际案例,提高学生对光学知识的兴趣和应用能力。
天津大学《工程光学》课程教学日历
2011-2012 学年第 2 学期天津大学教师教学日历课程工程光学学院精仪学院专业测控、高层次班年级班1、上课周数162、总学时数643、每周上课学时数44、时间分配:讲课52学时课外64学时实验12学时上机0学时(共2页,第1页)周次讲课内容(教学大纲分章和题目名称)讲课学时课外学时实验名称(实验学时、上机学时)周次讲课内容(教学大纲分章和题目名称)讲课学时课外学时实验名称(实验学时、上机学时)第一周第一章几何光学的基本定律和成像概念(1、2节)第一章(3、4节)2222第六周第四章(3、4节)第五章光学系统的像差(概述)2222第二周第二章理想光学系统(1、2节)第二章(3节、4节)2222第七周第六章典型光学系统(1、2、3节)第六章(4、5、6节)2222第三周第二章(5节、6节)2222实验1:透镜焦距、截距测量第八周第六章(7、8节)第七章光学系统的像质评价2222实验3:望远系统参数测量/照相系统参数测量(选作其一)第四周第三章平面和平面系统(1、2节,3节部分)第三章(3节部分,4、5节)2222第九周第八章光的电磁理论基础(1、2节)第八章(3节)2222第五周第四章光学系统的光束限制(1、2节)2222实验2:最小偏向角法测量玻璃折射率第十周第九章光的干涉和干涉系统(1、2节)第九章(3、4节部分)2222(共2页,第2页)教师填写日期2012年2月28日学生所在院检查日历执行情况开课系主任院长检查时期年月日一、任课教师于开学前将一式三份教学日历填好,并经系主任签字,送交学生所在学院。
二、教学日历经学生所在学院院长签字后,教师保存一份,开课学院保存一份,学生所在学院保存一份。
三、教学日历签字通过后,如有变动,须按有关批准手续执行。
工程光学教案
教
课程名称 课程类型 教学单元 教学章节 专业课 工程光学 教学对象
案
任课教师 测控专业 计划学时 XXX 2 学时
第二章
理想光学系统
第五节第二部分 理想光学系统的组合——多光组组合计算 1、掌握多光组组合计算方法——正切计算法;
教学目标
2、准确运用正切计算法分析实际光学系统中的成像问题; 3、掌握典型光学系统的成像特点。
教学重点 教学方法
正切计算法的运用 讲授法、练习法 教学过程
教学难点 教学用具
正切计算法公式的推导 教鞭、多媒体、板书
教学环节及其 时间安排 1、导入主题
教学内容 一、以课堂互动的方式与学生共同回顾上节课内容
设计意图 激发学生热 情, 并串联课 程的上下节
(共 5 分钟) 并导入新课。 上次课我们学习了第五节的第一部分——两个 光组的组合分析,主要包括焦点、主点的位置,以 及焦距的求解,涉及到很多公式,需要大家牢记。 显然,当光组数目多于两个时,我们再沿用这种合 成方法,就不实用了;不仅过程繁杂,容易出错, 而且计算公式将很复杂,十分不方便。那么这节课 我们将介绍一种基于光线投射高度和角度追迹计算 来求组合系统的方法,这种方法称作正切计算法。 2、展开阐述 二、讲授新课
及 合光组的焦距 f ,组合光组的像方焦点的位置 l F ,并比较筒长 (d lF ) 与 f 的大小。 像方主面位置 lH
利用正切计算法,设 h1 100mm ,有:
tan U 2 tan U1 h1 0.2 f1
3
h2 h1 d1 tan U1 40mm
的比值。具体过程就是给定一个 h1 ,找出与其对应的
,从而得到 f 。 tan U k
工程光学课程教案设计方案
工程光学课程教案设计方案一、课程简介本课程是工程光学专业的基础课程,旨在为学生提供光学原理与应用的基础知识。
通过本课程的学习,学生将了解光学的基本概念、光学元件的性能与特点以及光学系统的设计与应用。
同时,本课程还将介绍光学领域的最新研究进展,培养学生的创新思维和实践能力。
二、教学目标通过本课程学习,学生应该掌握以下几个方面的知识和能力:1. 掌握光学的基本概念和原理,理解光的传播规律和光学现象;2. 熟悉光学元件的性能与特点,能够进行光学元件的选择和设计;3. 了解光学系统的设计原理和方法,具备光学系统设计的基本能力;4. 掌握光学领域的最新研究进展,培养科研创新思维和实践能力;5. 培养学生的团队合作和沟通能力,提高实际问题解决能力。
三、教学内容1. 第一章:光学基础知识(1)光的本质和特性(2)光的传播规律(3)光学现象和光学器件2. 第二章:光学元件(1)光学透镜(2)光学棱镜(3)光学波片和偏光器件3. 第三章:光学系统设计(1)光学系统的布局和设计原理(2)光学系统的性能评估和优化方法(3)光学系统的应用4. 第四章:光学材料和技术(1)光学材料的基本特性(2)光学材料的制备和加工技术5. 第五章:光学领域的最新研究进展(1)光学传感技术(2)光学成像技术(3)光学通信技术四、教学方法和手段为了提高教学效果,本课程将采用多种教学方法和手段,主要包括:1. 理论讲授通过课堂教学和讲座形式,向学生介绍光学基础知识和实践技能。
2. 实验教学组织光学实验,让学生亲自操作光学仪器,掌握光学实验技能。
3. 案例分析通过典型案例分析,引导学生学习理论知识的应用和实际问题的解决方法。
4. 论文阅读与讨论指导学生阅读最新的光学领域研究成果,培养学生的科研思维和能力。
5. 课外拓展组织学生进行光学领域的实地考察和调研,增强学生的综合素质和实践能力。
五、教学评价为了全面评价学生的学习情况和能力水平,本课程将采用多种评价方法,主要包括:1. 考试通过期中和期末考试,考察学生对光学基础知识和实践技能的掌握程度。
工程光学大纲
《工程光学》课程教学大纲课程代码:2109030070课程名称:工程光学Engineering Optics学分:5总学时:80 (其中:理论学时:56 实验(上机)学时:24 )先修课程:2109040062普通物理(二)适用对象:本二和本三的光信、光电、测控类各专业学生一、课程地位、作用与任务工程光学课程是所有光电信息、测量控制和光学计量类专业的专业基础课,也是光学设计、光电成像技术、光电检测和光学测量等专业课的先修课程。
通过本课程的学习,学生能掌握光学系统成像的基本概念、基本原理和光线追迹的基本知识,对各光学元件诸如透镜、棱镜、光阑的作用和特点有较深刻和全面的理解,熟悉各种光学仪器如放大镜、显微镜、望远镜、照相机、投影仪、监控仪等的工作原理和成像特点,理解产生像差原因,通过像差分析利用光学设计软件进行光学设计和像质优化。
工程光学课程学习的好坏不仅直接影响后续光专业课的学习,对毕业后从事光学工程研究和对光产品的设计、应用与开发起着相当大的关键作用。
二、教学内容及组织工程光学课程包括几何光学、典型光学系统、像差理论和计算机辅助设计四大部分,其后继实践是光学Zemax课程设计。
几何光学部分以高斯光学理论为核心内容,包括了光线光学的基本概念与成像理论、球面和平面光学系统及其成像原理、理想光学系统原理、光能和光束限制等基础内容;典型光学系统部分包括了眼睛、显微镜与照明系统、望远镜与转像系统、摄影光学系统和投影光学系统等成像原理、光束限制、放大倍率及其外形尺寸计算;像差理论详细叙述了光学系统的轴上点像差、轴外点像差和色差的形成原因、概念、现象、基本计算、典型结构的像差特征和校正像差的基本方法;计算机辅助设计是利用Zemax光学设计软件对光学系统进行简单设计,为学生进一步学习光学系统课程设计打下基础。
1.几何光学基本定律与成像概念掌握几何光学的基本定律,熟悉成像概念和完善成像条件,掌握近轴球面折反射成像基本性质。
天津大学《工程光学》学习指南
第一章几何光学的基本定律和成像概念一.教学要求通过本章4课时的授课,应使学生掌握几何光学的基本定律(光的直线传播定律、独立传播定律、反射定律和折射定律),光的全反射性质,费马原理、马吕斯定律以及二者与几何光学基本定律之间的关系;明确完善成像概念和相关表述;会熟练应用符号规则进行单个折射球面的光线光路计算,掌握单个折射球面和反射球面的成像公式,包括物像位置、垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式及其各量的物理意义,并推广到共轴球面系统的成像计算。
二.重点难点1.几何光学的基本定律光是一种电磁波,它在介质中的传播规律可概括为以下四个基本定律:直线传播定律,独立传播定律、反射定律和折射定律。
4个定律的内容、实例和适用条件。
折射率的概念。
费马原理和马吕斯定律从另外的角度描述了光在介质中的传播规律,它们与几何光学的四个基本定律是完全等价的,可以相互推导证明。
2.成像的基本概念与完善成像条件光学系统的作用之一是对物体成像。
若一个物点对应的一束同心光束,经光学系统后仍为同心光束,该光束的中心即为该物点的完善像点。
物体上每个点经光学系统后所成完善像点的集合就是该物体经光学系统后的完善像。
物所在的空间称为物空间,像所在的空间称为像空间,物像空间的范围均为(-∞,+∞)。
物像有虚实之分,由实际光线相交所形成的物或像为实,由光线的延长线相交所形成的物或像为虚。
【其中物像空间和物像虚实的判断是难点】光学系统成完善像应满足以下三个条件之一:1)入射波面是球面波时,出射波面也是球面波。
2)入射是同心光束时,出射光也是同心光束。
3)物点及其像点之间任意两条光路的光程相等。
3.几何光学中的符号规则和单个折射球面的光线光路计算为保持几何光学公式的一致性和讨论问题的方便,特确定了如下的符号规则:1)光线的传播方向由左向右。
沿轴线段以折射面顶点为原点度量,若与光线的传播方向相同,其值为正,反之为负;2)垂轴线段以光轴为基准,在光轴以上为正,光轴以下为负;3)光线与光轴的夹角用由光轴转向光线形成的锐角度量,顺时针为正,逆时针为负;4)光线与法线的夹角用由光线转向法线形成的锐角度量,顺时针为正,逆时针为负;5)光轴与法线的夹角用由光轴转向法线形成的锐角度量,顺时针为正,逆时针为负;6)折射面间隔从前一面的顶点到后一面的顶点,与光线的传播方向相同,其值为正,反之为负。
工程光学 教学大纲
工程光学教学大纲工程光学是光学科学在工程领域的应用,它涉及到光学原理、光学仪器和光学系统的设计、制造和应用等方面。
工程光学的教学大纲是指在教授工程光学课程时所要涵盖的内容和学习目标。
本文将从不同角度探讨工程光学教学大纲的制定和重要性。
首先,工程光学教学大纲的制定是为了确保教学内容的系统性和连贯性。
在工程光学这门学科中,涉及到的知识点繁多且复杂,因此需要一个合理的教学大纲来组织和安排这些知识点。
教学大纲可以将相关的知识点进行分类和整理,使学生能够有条理地学习和理解工程光学的基本概念和原理。
其次,工程光学教学大纲的制定有助于培养学生的综合能力。
工程光学是一门应用性很强的学科,学生需要掌握光学原理,并能够将其应用于实际工程中。
教学大纲可以明确学生需要达到的学习目标,包括理论知识的掌握、实验技能的培养以及解决实际问题的能力等。
通过按照教学大纲进行教学,学生可以全面提升自己的能力,为将来的工程实践打下坚实的基础。
此外,工程光学教学大纲的制定还有助于教师进行教学计划的安排。
教学大纲可以明确课程的教学内容和教学进度,使教师能够按照一定的顺序和节奏进行教学。
教师可以根据教学大纲的要求,选择合适的教学方法和教学资源,提高教学效果。
同时,教学大纲还可以为教师提供一个评价学生学习成果的标准,使教师能够更加客观地评估学生的学习情况。
最后,工程光学教学大纲的制定需要考虑到学科发展的前沿和应用的需求。
工程光学作为一门新兴的学科,其研究领域和应用领域都在不断扩展和深化。
因此,教学大纲需要不断更新和完善,以适应学科发展的需要。
教学大纲应该涵盖最新的研究成果和应用案例,使学生能够了解到工程光学的最新进展和发展趋势。
综上所述,工程光学教学大纲的制定是非常重要的。
它可以保证教学内容的系统性和连贯性,培养学生的综合能力,帮助教师进行教学计划的安排,并且与学科发展的前沿和应用需求保持一致。
因此,在教授工程光学课程时,制定一个合理的教学大纲是至关重要的。
工程光学 教学大纲
工程光学一、课程说明课程编号:090154X10课程名称:工程光学/Engineering Optics课程类别:学科基础课学时/学分:32/2先修课程:大学物理、工程数学适用专业:测控技术与仪器、电子科学与技术等教材、教学参考书:1. 郁道银. 工程光学(第三版). 北京:机械工业出版社, 2011年;2. 李湘宁. 工程光学(第二版). 北京:科学出版社. 2010年;3. 蔡怀宇. 工程光学复习指导与习题解答. 北京:机械工业出版社,2009年二、课程设置的目的意义工程光学是测控技术与仪器、电子科学与技术等专业学科的一门公共基础选修课,以应用光学作为主要内容,目的是让学生能够比较全面的了解和掌握几何光学的基本理论,基本知识及像差概念,了解仪器设计和工程研究中的光学问题,构建机、光、电、计算机一体化的现代检测知识体系。
从专业学科的工程要求入手,培养学生分析和解决在工程技术上常见的光学问题的能力,为学生学习近代光学理论、信息光学和光电仪器设计打下必要基础。
培养学生扩展专业领域,为从事测控及相关行业的设计和研究工作奠定相关知识基础,培养和提高学生分析、解决实际问题的能力和创新能力。
三、课程的基本要求知识:掌握几何光学的基本定律与成像理论,了解球面光学成像系统的基本知识,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,理解光学系统的像质评价,光的衍射与傅里叶光学知识,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。
了解仪器设计和工程研究中的光学问题,掌握光学仪器设计及光学系统整体布置的光学知识,建立光学系统设计的基本思维模式。
能力:理解光学系统在现代检测仪器中的重要性,掌握光学系统设计的基本理念,针对具体问题提出有效的解决方案,提高系统分析和设计能力。
从应用角度出发,将所学工程光学理论与传感器与检测技术及相关先修课程知识综合应用于实际工程检测问题,培养学生解决复杂工程问题的能力。
天津大学《工程光学》学习指南
第一章几何光学的基本定律和成像概念一.教学要求通过本章4课时的授课,应使学生掌握几何光学的基本定律(光的直线传播定律、独立传播定律、反射定律和折射定律),光的全反射性质,费马原理、马吕斯定律以及二者与几何光学基本定律之间的关系;明确完善成像概念和相关表述;会熟练应用符号规则进行单个折射球面的光线光路计算,掌握单个折射球面和反射球面的成像公式,包括物像位置、垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式及其各量的物理意义,并推广到共轴球面系统的成像计算。
二.重点难点1.几何光学的基本定律光是一种电磁波,它在介质中的传播规律可概括为以下四个基本定律:直线传播定律,独立传播定律、反射定律和折射定律。
4个定律的内容、实例和适用条件。
折射率的概念。
费马原理和马吕斯定律从另外的角度描述了光在介质中的传播规律,它们与几何光学的四个基本定律是完全等价的,可以相互推导证明。
2.成像的基本概念与完善成像条件光学系统的作用之一是对物体成像。
若一个物点对应的一束同心光束,经光学系统后仍为同心光束,该光束的中心即为该物点的完善像点。
物体上每个点经光学系统后所成完善像点的集合就是该物体经光学系统后的完善像。
物所在的空间称为物空间,像所在的空间称为像空间,物像空间的范围均为(-∞,+∞)。
物像有虚实之分,由实际光线相交所形成的物或像为实,由光线的延长线相交所形成的物或像为虚。
【其中物像空间和物像虚实的判断是难点】光学系统成完善像应满足以下三个条件之一:1)入射波面是球面波时,出射波面也是球面波。
2)入射是同心光束时,出射光也是同心光束。
3)物点及其像点之间任意两条光路的光程相等。
3.几何光学中的符号规则和单个折射球面的光线光路计算为保持几何光学公式的一致性和讨论问题的方便,特确定了如下的符号规则:1)光线的传播方向由左向右。
沿轴线段以折射面顶点为原点度量,若与光线的传播方向相同,其值为正,反之为负;2)垂轴线段以光轴为基准,在光轴以上为正,光轴以下为负;3)光线与光轴的夹角用由光轴转向光线形成的锐角度量,顺时针为正,逆时针为负;4)光线与法线的夹角用由光线转向法线形成的锐角度量,顺时针为正,逆时针为负;5)光轴与法线的夹角用由光轴转向法线形成的锐角度量,顺时针为正,逆时针为负;6)折射面间隔从前一面的顶点到后一面的顶点,与光线的传播方向相同,其值为正,反之为负。
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天津大学《工程光学》课程教学大纲课程代码:2020015/2020016 课程名称:工程光学学时:64 学分: 4学时分配:授课:52 实验:12(内容及要求见实验教学大纲)授课学院:精仪学院更新时间:2011-6-14适用专业:测控技术与仪器、电子科学与技术、信息工程(光电信息工程方向)、光电子技术科学、生物医学工程先修课程:高等数学、大学物理一.课程性质、教学目的与任务本课程是一门专业基础课,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,学生应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.教学基本要求任课教师应以本课程大纲为依据,合理安排教学内容,认真备课;课堂教学中应尽可能充分利用多媒体课件、课程网站等现有教学资源,根据实际条件开展不同程度的双语教学实践;课堂教学后,要留一定数量的作业题,并坚持批改,以利掌握学生的学习情况;习题讲解和分析均不占课内学时;要及时与实验指导人员取得联系,安排相应课程实验,课程主讲教师必须全程参加实验指导1个班次。
学生应按要求参加全部的课堂教学活动,按要求完成作业;参加期中、期末考试,获得该课程学分。
通过本课程的学习,学生应掌握或了解以下基本内容:1.系统掌握几何光学的基础理论,包括基本定律、球面和共轴球面系统理论、理想光学系统理论,平面镜与棱镜系统理论和光学系统中光阑的概念。
2.掌握光学系统像差的基本概念、产生原因、危害和校正方法,了解像差的计算。
3.掌握三种典型的光学系统,即:显微系统、望远系统和摄影系统,并了解一些特殊的光学系统知识。
4.掌握光的电磁理论及光波叠加的相关知识。
5.掌握光的干涉、衍射、偏振的理论、计算和典型应用。
三.教学内容绪论1.学习《工程光学》的意义和重要性(光学对国民经济发展的重要作用、光学领域的分支、进展和应用)2.本课程的性质、任务和内容3.学习的基本要求、教学环节和学习方法第一章几何光学基本定律与成像概念1.几何光学基本定律:1)光的直线传播定律2)光的独立传播定律3)反射定律和折射定律(全反射及其应用)4)光路的可逆性5)费马原理(最短光程原理)6)马吕斯定律:2.完善成像条件的概念和相关表述3.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)4.单个折射面的成像公式,包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式。
5.球面反射镜成像公式6.共轴球面系统公式(包括过渡公式、成像放大率公式)第二章理想光学系统1.共轴理想光学系统的成像性质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4.图解法求像的方法5.解析法求像方法(牛顿公式、高斯公式)6.由多个光组组成的理想光学系统的成像公式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第三章平面与平面系统1.平面光学元件的种类和作用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3.平行平板的成像特性,近轴区内的轴向位移公式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。
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6.棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念7.常用的光学材料种类和特点第四章光学系统中的光束限制1.孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系2.视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系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4.照相系统的基本结构、成像关系和光束限制5.望远系统的基本结构、成像关系和光束限制6.显微系统的基本结构、成像关系和光束限制,物方远心光路原理7.光瞳衔接原则及其作用8.场镜的定义、作用和成像关系9.景深、远景景深、近景景深的概念,景深公式和影响因素第五章光线的光路计算及像差理论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、性质和消像差方法第六章典型光学系统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.放大镜的视觉放大率和视场3.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:4.临界照明和坷拉照明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6.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7.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第七章光学系统的像质评价1.光学系统像质评价方法和各自的优缺点2.用MTF曲线和其下面积判断光学系统的成像质量的方法和基本原理3.望远物镜、显微物镜、望远目镜、显微目镜和照相物镜的像值评价要求和校像差要求第八章光的电磁理论基础1.麦克斯韦方程组、物质方程、波动方程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3.球面波和柱面波的定义、方程表达式4.光在电介质分界面和金属表面的反射和折射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6.相速度和群速度概念第九章光的干涉和干涉系统1.干涉现象和形成干涉的条件2.杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用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)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6.典型双光束干涉系统及其应用7.平行平板的多光束干涉条件、装置、干涉条纹性质与计算8.法布里-珀罗干涉仪和干涉滤光片第十章光的衍射1.衍射现象、衍射系统和分类,惠更斯原理和夫琅和费衍射公式2.矩孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析3.单缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析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6.衍射光栅的方程、特性和种类第十一章光的偏振和晶体光学基础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2.菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律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)4.各种起偏器、分束器和波片的结构、作用和工作原理5.偏振光的矩阵表示6.偏振光的变换和测定7.偏振光的干涉原理、装置、公式、光强分布特性四.学时分配五.评价与考核方式平时10%(出勤、作业、随堂测验等)实验20% (实验成绩评定内容见“工程光学实验大纲”)期中考试20%,期末考试50%六.教材与参考资料教材:郁道银、谈恒英主编,工程光学(第三版),机械工业出版社,2011 参考文献:1、张以谟主编,应用光学(第三版),电子工业出版社,20082、梁铨廷编著,物理光学(第三版),电子工业出版社,20093、张凤林、孙学珠主编,工程光学,天津大学出版社,19884、M. 波恩、E. 沃尔夫著,光学原理(第七版),电子工业出版社,20065、蔡怀宇编著,工程光学复习指导与习题解答,机械工业出版社,20096、Eugene Hecht, Cunlin Zhang adapt. Optics, 4th edition, Higher education press, 20057、Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press, 19998.Finchan & Freeman, Optics, 9th edition, Cambridge University Press, 19809. Jurgen R. Meyer, Introduction to Classical and Modern Optics, 2th, Prentice-Hall Inc.10.工程光学网站:/gcgx/TU Syllabus for Engineering OpticsCode: 2020015/ 2020016 Title: Engineering Optics Semester Hours: 64 Credits: 4Semester Hour Structure Lecture:52Experiment:12 ( Individual syllabus )Offered by: Precision Instruments &Opto-electronics CollegeDate: 2011-6-14for: Measurement &Control, Information Engineering, Optoelectronics Science, Biomedical Engineering, etcPrerequisite: Advanced Mathematics, College Physics1. ObjectiveThe main objective of the course is to provide students with basic concepts, theories and applied systems of geometric optics and physical (wave) optics. After successful completion of this course, students will be able to:1) Master the basic theory in geometrical optical system, including basic laws, spherical and coaxial spherical systems theory, the ideal optical systems theory, plane mirror and prism system theory and the concept of aperture optical system.2) Grasp the basic concepts of the optical system aberration, causes, risks and calibration methods, and the aberration calculations.3) Master the three typical optical systems, namely: the micro-system, telescope system and camera system, and learn about some special knowledge of the optical systems.4) Explain the electromagnetic theory and results of light superposition.5) Master the basic optical phenomena, the principles and the applications of interference, diffraction and polarization.2. Course DescriptionThis course covers basic principles of geometric optics, physical (wave) optics and their application to engineering systems. It explains the basic theory in geometrical optical system, including basic laws, spherical and coaxial spherical systems theory, the ideal optical systems theory, plane mirror and prism system theory and the concept of aperture optical system, etc. It also introduces the wave nature of light and the consequences of this behavior, which named interference, diffraction and polarization. After learning this course, students could have a profound understanding about the basic concepts, principles and the typical systems on optics, and could obtain a solid background on the optical design, the information theory and the optics research work.3. TopicsIntroduction1)Learning the meaning and importance of "Engineering Optics" (the important role of optics inthe development of national economy, the branches of optics, progress and application)2)The nature of this course, tasks and content3)The basic requirements and methods in teaching and learningChap. 1 The Basic Laws of Geometrical Optics and Imaging Concepts1)Basic laws of geometrical optics: (1) the rectilinear propagation law of light (2)theindependent propagation law of light (3)the law of reflection and refraction (ATR and its application) (4)the reversibility of the optical path (5)Fermat's principle (the shortest optical path principle) (6)Malus law2)The concept of perfect imaging conditions and the related expressions3)The symbol rules in applied optics, the formula of the single optical path on light refractionspherical (paraxial, abaxial )4)The imaging equation of single refractive surface, including the vertical axis ratio β, axialmagnification ratio α, angle magnification ratio γ, and L agrange’s invariants.5)The imaging formula of spherical mirror6)The formula of coaxial spherical system (including the transition formula and the imagingmagnification formula)Chap. 2 Ideal Optical System1)The imaging properties of the coaxial ideal optical system2)The conjugate image point of the infinite far (outer) object point, the object point and thenature of the light corresponding to the infinite imaging point, and the formula of the focal length3)The nature of the object plane and the imaging plane, and the nature of the nodes in theoptical system4)Graphic method for the imaging5)Analytical method for the imaging (Newton's equations, Gauss formula)6)The ideal formula of the multi-level imaging optical systems7)The concept and the formula of the ideal magnification optical system, the relationshipbetween the two focal lengths in the ideal optical system, the combination formula and the tangent calculation formula of the ideal optical systemChap. 3 Plane and the Plane system1)The types of the planes and the role of optical components2)The characteristics and nature of the plane mirror imaging, the rotation characteristics of planemirror, the principle and the application of the optical lever3)The imaging characteristics of parallel plate, the axial displacement formula in the paraxialregion4)The type of the reflectors, the basic purpose, the discrimination of the imaging orientation, theequivalence and the expansion.5)Prism effect, the minimum deviation angle formula and its applications, the angle deviationformula of the optical wedge and its application6)Prism dispersion, the dispersion curve, the concept of white light spectrum7)The types and the characteristics of common optical materialsChap. 4 Beam Limits in Optical Systems1)The definition of aperture stop, entrance pupil, exit pupil, aperture angle, and theirrelationships2)The definition of field stop, entrance window, exit window, field angle of view, and theirrelationships3)The definition of vignetting, vignetting aperture, vignetting factor, and the relationshipbetween field diaphragm and aperture diaphragm4)The basic structure, the imaging relationships and the beam limit in camera system5)The basic structure, the imaging relationships and the beam limit in telescope system6)The basic structure, the imaging relationships and the beam limits in micro-systems, theprinciple of the object side optical path7)The principle and the role of the pupil convergence8)The definition, the role and the imaging relationship in field lens9)Depth of field, the concepts of the close-range field depth and the far field depth, theequations for depth of field and the influence factorsChap. 5 The Calculation of the Optical Path of Light and the Aberration Theory1)The definition, the types and the basic principles of aberration2)The definition, the factors, the nature and compensation methods of seven geometricaberrationsChap. 6 The Typical Optical Systems1)The definitions and characteristics of normal eye, myopia and hyperopia, the correctionmethod of non-normal eye, the calculation of the eyes ability2)The concept, the expression and the significance of visual magnification ration, thesimilarities and differences with the angular magnification optical system3)Visual magnification for magnifying glass4)The concepts and the formulas of microscope system, including: (1) the composition, theimaging relations, the beam limit (2) visual magnification ratio equation (3) line field equation(4) numerical aperture and exit pupil D' (5) resolution of the objective lens (6) microscopeeffective magnification (7) depth of field in objective lens (8) visual adjustment5)Critical illumination and Kohler illumination6)The concepts and the formulas for telescope system, including: (1) the composition, theimaging relations, the beam limit (2) visual magnification equation (3) the relationship between resolution and visual magnification (4) the effective resolution and the resolution of work7)The concepts and the formulas of camera system, including: (1) the composition, the imagingrelationship, the beam limit (2) the three main parameters and their influence in photographic lens (3) the formula of resolution (4) the definition of aperture, and the relationship between aperture and the resolution, the surface illumination and the depth of field (5) the equations and factors for depth of field (6) the types of photographic lens8)The concept of projection systems and formulas, including: (1) the basic requirements of thesystem (2) of the main optical parameters (3) the conditions of its lighting system interfaceChap. 7 The Evaluation of Image Quality in Optical Systems1)The image quality evaluation methods for optical systems, and their respective advantagesand disadvantages2)The methods and the basic principles of quality determination in the imaging optical systemby evaluating the area under the MTF curve3)The requirements of quality evaluation and the aberration correction in the telephoto objectivelens, the microscope objective lens, the camera lens and the eye lens.Chap. 8 Basic Properties of electromagnetic field1)Maxwell s equation, material equation and the wave equation2)Plane waves, simple harmonic waves and its characters.3)Spherical waves and cylinder waves.4)Reflection and refraction on the surfaces of dielectric5)The superposition of waves6)The phase velocity and the group velocityChap. 9 Interference and Interferometers1)Interference and conditions2)Young’s interference experiment (Characters, equipments, equations, phenomena andapplications )3)The visibility of interference fringes4)Interference with a plane-parallel plate5)Interference with a wedge6)Classical two-beam interferometers and their applications7)Multiple-beam interference8)The Febry-Perot interferometer and interference filtersChap. 10 Diffraction1)Diffraction and its realization; The Huygens' principle and Fraunhofer diffraction2)The Fraunhofer diffraction by a rectangular aperture3)The Fraunhofer diffraction by a slit4)The Fraunhofer diffraction by a circular aperture5)The Fraunhofer diffraction by multiple slits6)GratingsChap. 11 Polarization and foundations of crystal optics1)Natural light and polarized light, Production of polarized light2)Fresnel's formulae, Brewster's Law and Malus' law3)Optical properties of uniaxial and biaxial crystals4)Polarizer, wave plates and compensators5)Polarized light matrix6)Transform and measurement of polarized light7)Interference of polarized lights4. Semester Hour Structure5. GradingThe assessment will be in the form of tests, assignments (10%),experiments (20%), mid-term exam (20%) and a final written exam (50%).6. Text-Book & Additional ReadingsText-Book:Daoyin Yu, Henying Tan. Engineering Optics (3rd in Chinese), China machine press, 2011 Additional Readings:1) Yimo Zhang, Applied Optics (3rd in Chinese), Publishing House of Electronics Industry, 20082) Quantin Liang. Physical Optics (3rd in Chinese), Publishing House of Electronics Industry, 20093) Fenglin Zhang, Xuezhu Sun, Engineering Optics (in Chinese), Tianjin university press, 19884) Born & Wolf, Principles of Optics (7th in Chinese), Publishing House of Electronics Industry, 20065) Huaiyu Cai. Guide and exercises of engineering Optics (in Chinese), China mechanical Industry press, 20096) Eugene Hecht, Cunlin Zhang adapt. Optics, 4th edition, Higher education press, 20057) Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press, 19998) Finchan & Freeman, Optics, 9th edition, Cambridge University Press, 19809) Jurgen R. Meyer, Introduction to Classical and Modern Optics, 2th, Prentice-Hall Inc.10) Website: /gcgx/。