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1、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
2、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
3、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。 重点和难点: 费马原理、符号规则、近轴区成像。1.1 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
4、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 1.2 完善成像条件的概念和相关表述 1.3 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) 1.4 单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率 b 、轴向放大率 a 、角放大率、拉赫不变量等公式。1.5 球面反射镜成像公式 1.6 共轴球面系统公式(包括过渡公式、成像放大率公式) 2. 理想光学系统 掌握共轴理想光学系统的基点、基面和光学系统的物像关系式，理解理想光学系统的组合和成像计算，掌握透镜成像的计算公式。重点：理想光学系统的基点基面确定，成像公式、放大率难点: 理想光学系统的基点基面确定，多光组组合
5、、透镜基点基面确定。2.1 共轴理想光学系统的成像性质 2.2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 2.3 物方主平面与像方主平面的性质，光学系统的节点及性质 2.4 图解法求像的方法2.5 解析法求像方法(牛顿公式、高斯公式) 2.6 多个光组组成的理想光学系统的成像公式2.7 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 3. 平面与平面系统 掌握平面镜成像、平行平板成像和反射棱镜成像的特点，会分析反射棱镜的等效与展开，理解折射棱镜对光线的偏折，了解光学材料的光学特
6、性。重点：平行平板、反射棱镜、折射棱镜成像特点难点：棱镜展开，棱镜成像方向判断，屋脊棱镜3.1 平面光学元件的种类和作用 3.2 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3.3 平行平板的成像特性，近轴区内的轴向位移公式 3.4 反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、等效作用与展开。3.5 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 3.6 棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念3.7 常用的光学材料种类和特点 4. 光学系统中的光束限制 掌握孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和入瞳、出瞳、入窗、出窗的基本概念，掌握照相、望远、显微光学系统的光束限制的光路分析
7、，理解景深的含义和计算，了解远心光路特点和数码相机景深特点。重点：孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑的作用，远心光路，景深。难点：孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑的判断，远心光路，场镜的应用，景深的计算。4.1 孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系 4.2 视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系 4.3 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 4.4 照相系统的基本结构、成像关系和光束限制 4.5 望远系统的基本结构、成像关系和光束限制 4.6 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 4.7 光瞳衔接原则及其作用 4.8 场镜的定义、作用和成像关系
8、4.9 景深、远景景深、近景景深的概念，景深公式和影响因素 5. 光度学基础掌握光度学中的光强度、光照度、光亮度的定义，理解光传播过程光学量的变化，了解余弦辐射体特性。重点和难点：光强度、光照度、光强度概念，余弦辐射体5.1 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 5.2 光传播过程中光学量的主要变化规律 5.3 成像系统像面的光照度6. 光线的光路计算及像差理论 掌握球差、正弦差、慧差、色差、波像差的基本概念，掌握场曲、畸变、像差的特性分析，会进行简单像差计算，了解像差特性曲线。重点：各种像差定义、对成像质量的影响难点：像差计算6.1 像差的定义、
9、种类和消像差的基本原则 6.2 单个折射球面的不晕点(齐明点)的概念和性质，求解方法 6.3 7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法 6.4 波像差的定义及其与几何像差的关系 7. 典型光学系统掌握眼睛、放大镜、显微镜系统、望远镜系统、摄影系统、投影系统的光学成像特点。理解光学系统的外形尺寸计算。了解变焦距光学系统的工作原理。重点: 放大镜、显微镜、望远镜、照相机、投影仪的结构及成像。难点：光学系统外形尺寸计算、分辩率、变焦距光学系统7.1 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 7.2 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
10、7.3 放大镜的视觉放大率 7.4 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： 7.5 临界照明和坷拉照明 7.6 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 7.7 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
11、5)景深公式及其影响因素 6)摄影物镜的种类 7.8 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 8.光学设计基础，Zemax光学软件基本能使用Zemax光学设计软件进行光学设计和像质优化。重点：正确使用Zemax软件进行光学设计难点：Zemax软件功能拓展8.1 光学设计基础理论，Zemax简介8.2 利用Zemax设计案例1.单透镜、双透镜8.3 利用Zemax设计案例2.牛顿望远镜、卡赛格林系统8.4 利用Zemax设计案例3.多重结构配置的激光束扩大器、折叠反射镜面和坐标断点9.课内实验9.1 薄透镜成像9.2 棱镜折射率测定9.3
12、 透镜基点测定9.4 像差分析与测定注：实验教学大纲见 工程光学 （实验）教学大纲三、建议学时分配表 序号课程内容学 时 分 配讲 授习题课实 验小 计1几何光学基本定律与成像概念5162理想光学系统8193平面与平面系统4154光学系统的光阑与光束限制816155光度学基础336光线的光路计算及像差理论1113157典型光学仪器1113158光学设计基础1212合 计5062480四、课程考核闭卷考试五、教学说明 需增建工程光学实验仪器，买正版光学设计软件六、推荐教材和教学参考书教材： 工程光学，郁道银、谈恒英主编，机械工业出版社，2011年7月第3版。参考书：光学工程基础（一），毛文炜编著
13、，清华大学出版社，2006年5月第1版。 执笔人：陆金男审 定：工程光学课程简介课程代码： 2109030070 课程名称：工程光学Engineering Optics学分： 5 先修课程：2109040062 普通物理（二）课程简介：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
14、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。 工程光学 （实验）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、实验课性质和任务性质：非独立设课任务：分工程光学课内实验和Zemax光学设计训练两大部分。工程光学实验，根据现有实验条件开设薄透镜成像、折射率测定、光学系统基点基面测定和像差分析与测定实验，目的是使学生进一步掌握光学成像基本概念的同时，对光学元件和光学光路有更
