应用光学课程介绍

《应用光学》课程导学

一、课程构成及学分要求

《应用光学》课程主要由三部分构成：48（64）学时的理论教学（3或4学分）、16学时的实验教学（0.5学分）、为期二周的课程设计（2学分）。

二、学生应具备的前期基本知识

在学习本门课程之前学生应具备前期基本知识：物理光学、大学物理、高等数学、平面几何、立体几何等课程的相关知识。

三、学习方法

1．课前预习、课后复习； 2．独立认真完成课后作业；

3．课堂注意听讲，及时记录课堂笔记； 4．在教材基础上，参看多本辅助教材及习题集。

四、课程学习的主要目标

1．掌握经典的几何光学的理论内容； 2．了解部分像差理论的基本思想；

3．掌握典型的光学系统的基本原理及设计方法。

五、授课对象

课程适用于光电信息工程专业、测控技术与仪器专业、生物医学工程专业、信息对抗技术专业、探测制导与控制技术专业及其相近专业等，课程面向大学本科学生第五学期开设。

六、教学内容及组织形式

1、理论课程教学内容

《应用光学》课程理论教学内容共计48学时，其内容主要由三部分构成：（1）几何光学

应用光学既是一门理论学科又是一门应用性学科，其研究对像是光。从本质上讲光是电磁波，光的传播就是波面的传播。但仅用波面的观点来讨论光经透镜或光学系统时的传播规律和成像问题将会造成计算和处理上的很大困难。但如果把光源或物体看成是由许多点构成，并把这种点发出的光抽象成像几何线一样的光线，则只要按照光线的传播来研究点经光学系统的成像问题就会变得简单而实用。我们将这种撇开光的波动本质，仅以光的粒子性为基础来研究光的传播和成像问题的光学学科分支称为几何光学。几何光学仅仅是一种对真实情况的近似处理方法，尽管如此，按此方法所解决的有关光学系统的成像、计算、设计等方面

几何光学、像差理论、光学系统。

的光学技术问题在大多数场合下与实际情况相符，故几何光学有很大的实用意义。

几何光学共由以下五章构成：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、光学系统中的光束限制、光度学基础理论。

（2）像差理论

几何光学主要研究是理想光学系统的成像问题，但实际上只有平面反射镜是唯一能够成完善像的光学元件，单个透镜或任意组合的光学系统只能对近轴物点以细光束成完善像，随着视场及孔径的增大，成像光束的同心性将遭到破坏，从而产生各种成像缺陷，使像与物不再完全相似，这种成像缺陷可用若干种像差来描述。在此部分中不仅研究单色光成像缺陷也研究复色光成像缺陷。如只考虑单色光成像，则光学系统可产生5种像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变。若考虑复色光成像则在5种单色像差的基础上又可以产生2种像差：位置色差、倍率色差。实际上我们不可能获得对整个空间都能良好成像的光学系统，只能为适应用途而设计专门的光学系统，并且也不可能将各种像差完全校正和消除。但是由于接收器本身具有一定的缺陷，只要将像差校正到某一限度以内，观察时就觉察不出成像缺陷，从而使设计光学系统变的具有实际存在意义。此部分主要研究的是各类像差的特点及校正。

（3）光学系统

光学仪器的基本功能是借助于光学原理通过光学系统来实现，光学系统的优劣直接影响仪器的主要性能和质量，本部分的内容主要是使学生获得光学系统的基本知识基本原理，为光学设计奠定基础。本部分主要涉及典型光学系统（如望远系统、显微系统、照相系统等）、现代光学系统（如激光光学系统、扫描光学系统等）、军用光学系统、像质评价方法。

2、实验教学内容

本课程实验教学环节设计思想是：通过本课程的实验，使学生能够掌握应用光学的基本理论知识和所涉及的装置仪器的使用、测试技能，使学生在将来的科研实践中，具有解决光学理论及分析问题的能力。

应用光学目前共可开设11个实验项目，其中基础型实验5项，综合型实验2项，设计型实验2项，演示型实验2项。

序号 实验一 实验二 实验三 实验项目名称 透镜焦距的测定 望远系统特性参数的测量 显微系统特性参数的测量 实验学时（16学时） 2学时 2学时 2学时 实验性质 综合型 基础型 基础型 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八 实验九 实验十 实验十一 几何像差的现象及其规律 立体判释仪 自组望远镜实验 自组显微镜实验 验证透镜成像及光线传播规律的实验 色度学实验 激光光学系统 傅里叶光学系统 2学时 2学时 2学时 2学时（选作） 2学时 2学时（选作） 2学时（选作） 2学时（选作） 综合型 基础型 设计型 设计型 基础型 基础型 演示型 演示型 3．课程设计内容知识点、课时方面的组织安排

课程设计的设计思想是：光学设计着眼于《应用光学》的基本理论知识、光学设计的基本理论和方法，侧重于典型系统具体设计的思路和过程，加强学生对光学设计的切身领会和理解，将理论与实际融合、统一，以提高学生综合分析及解决问题能力的培养。

应用光学课程设计学时数为24学时，为期2周时间。主要采用学生自主计算、分析、设计，指导老师现场引导、进行答疑解惑的教学方式。另外，课程设计的选题主要是结合兵器的需求，侧重于军用典型观测系统设计的思想和方法，使理论联系实际，教学与军事需求相结合，例如：炮对镜的光学系统设计，潜望镜光学系统的设计等。

课程设计要完成以下任务： （1）光学总体设计；

（2）由像差理论求解光学系统的结构参数； （3）像差校正； （4）像质评价。

七、课程的重点、难点及解决办法

本课程系统地介绍了几何光学的基本定律与成像理论、理想光学系统的光学参数与成像特性、平面与平面镜成像系统、光学系统中的成像光束限制、光度学相关概念及应用、像差理论以及典型光学系统等内容，注重论述光学原理的同时，结合工程实际，给出了大量实例。各章的重点、难点及解决办法如下：

第一章 几何光学基本定律与成像概念

重点：光程概念、马吕斯定律、费马原理、完善成像概念及条件、物像虚实判断、光的全反射条件、折射定律及反射定律的证明方法、光学计算中的符号规则、单个折射面及反射面的成像放大率及物像位置关系、过渡公式（转面公式）以及拉赫不变量的物理意义等。

难点：以积分的方式理解费马原理、掌握应用光学中马吕斯定律与物理光学中马吕斯定律的区别、单个折射面及反射面的成像公式、放大率公式、过渡公式。

解决办法：理解好费马原理表达的物理意义，掌握应用光学与物理光学研究内容的区别，同时鼓励学生对书本中的重点公式在理解的基础上进行自我推导，以加强理解和记忆。

第二章 理想光学系统

重点：理想光学系统的共线成像理论、理想光学系统的基点和基面概念及特点、利用光学系统基点和基面特点作图法求解物像位置与大小、牛顿公式及高斯公式、解析法求解物像位置与大小、理想光学系统的放大率公式（轴向放大率、角放大率以及垂轴放大率）及其相互关系、多个理想光学系统组合分析与计算、厚透镜的光焦度公式与焦距公式。

难点：图解法求解理想光学系统中物像关系、解析法求解理想光学系统中物像关系、高斯公式和牛顿公式的准确应用、多光组组合成像公式、光焦度概念、薄透镜与厚透镜的光焦度公式。

解决办法：充分理解理想光学系统中基点和基面特性，并学会用多种作图方法尝试解题；理解高斯公式和牛顿公式的推导过程，掌握两公式中物像距的表示形式及物理量的正负取值；掌握组合光学系统成像公式以及薄、厚透镜光焦度公式的推导，并通过解题深入理解。

第三章 平面与平面系统

重点：奇数及偶数个平面镜的成像特点、对镜像的理解、单个平面镜的旋转特性、入射光线与出射光线形成的夹角与双平面镜夹角间的关系，平行平板的成像特性、平行平板等效光学系统、反射棱镜的种类及成像方向判断、反射棱镜的展开、折射棱镜的应用、最小偏向角原理、光楔的原理及应用、光学材料分类及特性。

难点：平行平板成像特性及相应公式、反射棱镜成像方向判断、反射棱镜的展开、利用最小偏向角原理的材料折射率测定、光楔的应用。

解决办法：使学生自行推导平行平板的成像公式（近轴和远轴区），加深公式内涵理解；利用三维动画形式讲述不同棱镜的结构，采用实物教学，使学生反复观察，理解不同反射棱镜的成像特性；阐述清楚棱镜的展开原则；掌握最小偏向角原理及公式；掌握光楔的偏向角公式，通过实例讲解光楔在实际中的应用。

第四章 光学系统中的光阑与光束限制

重点：光阑的分类与作用、孔径光阑的概念、入瞳和出瞳的概念及其与孔径光阑的共轭关系、视场光阑的概念、入射窗、出射窗的概念及其与视场光阑的共轭关系、主光线、边缘光线概念、渐晕概念、对于渐晕系数的理解、物方、像方及双远心光路的原理与应用、景深的概念、景深的影响因素、场镜的作用及位置。

难点：对孔径光阑和视场光阑的理解、对入瞳、出瞳概念的理解、怎样确定

系统中的孔径光阑和视场光阑、渐晕系数为某一固定值时，透镜口径的确定或者物像方视场角的确定、远心光路的应用、对景深影响因素的理解。

解决办法：对于孔径光阑、入瞳、出瞳以及视场光阑、入射窗、出射窗的理解，可结合实物（如常见的双筒望远镜）讲解，使复杂抽象的原理和概念深入浅出、通俗易懂；通过习题讲解孔径光阑和视场光阑的确定原则及渐晕的相关理论；通过实例讲述远心系统在实际测量系统中的应用；结合摄影系统，阐述景深的控制。

第五章 光度学基础

重点：辐射量与光学量的概念、光学量与辐射量之间的关系、光谱光视效率及光源的发光效率、发光强度、光照度、光亮度、光出射度的概念及公式、立体角概念、光学系统中孔径角对应的立体角公式、余弦辐射体的概念、特点及相应公式、平方反比定律、轴上点与轴外点光照度公式以及关系、光学系统光能损失构成及光学系统透过率计算。

难点：不同光学量的概念及相互关系、面光源的立体角、平方反比定律、余弦辐射体的概念、特点及相应公式、轴上点与轴外点光照度公式以及关系、光学系统光能损失构成及光学系统透过率计算。

解决办法：深入讲述不同光学量的物理内涵及相互联系；给出关键公式的详细推导过程，并通过习题加深理解；布置综合性作业考察学生对于概念和公式的理解。

第六章 光线的光路计算及像差理论

重点：几何像差的概念及产生原因、各像差对系统像质的影响、波像差的概念、轴上点球差、球差的校正、单个折射面和反射面的齐明点坐标及对应的放大倍率、塞得和系数、初级像差、高级像差、波像差的适用范围、瑞利判据、像质评价。

难点：几何像差产生的原因、各像差对像质的影响、波像差与几何像差的联系和区别、像质评价。

解决办法：通过光学原理图讲解各种像差的产生，并结合ZEMAX光学设计软件讲解各种像差的几何形状、各种像质评价指标以及如何校正像差；根据实例，讲授波像差的应用与限制。

第七章 典型光学系统

重点：眼睛的构造、近视眼、远视眼、散光眼等非正常眼的形成与校正、眼睛的分辨率、眼睛的调节和适应、眼睛的对准精度、双目立体视觉、放大镜原理、视觉放大率公式、放大镜中的光束限制和线视场、显微镜成像原理及特性、显微镜的视觉放大率、线视场、景深、分辨率及有效放大率、显微镜的照明方式、望

远镜成像原理及特性、望远镜分辨率及工作放大率、望远镜视场、目镜、摄影系统、投影系统等。

难点：近视眼、远视眼的校正、屈光度的概念、双面立体视觉、掌握临界照明和柯勒照明原理及特点并注意区分、放大镜、显微镜以及望远镜工作原理及相应公式、与前面章节相结合的综合习题的求解。

解决办法：通过多个原理图动画、典型光学系统实验、外形尺寸计算实例与多种类型计算习题强化对典型光学系统成像原理的理解，将放大镜、显微镜、望远镜、照相机等实物带入课堂，通过观察，理解放大率、光瞳匹配等概念。

八、教材

1．《工程光学》第三版，郁道银、王文生等，机械工业出版社，2011年； 2．《应用光学》第一版，王文生、刘冬梅等，华中科技大学出版社，2010年；

九、参考资料

1．《光学工程原理》第一版，王志坚、刘智影等，国防工业出版社，2010年；

2．《应用光学》，张以漠，电子工业出版社，2008年；

3．《应用光学例题与习题集》，顾培森，机械工业出版社，1985年； 4．《应用光学》，胡玉禧，中国科学技术大学出版社，2002年。

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