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。

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γ、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、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，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

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、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

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 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

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，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深入的理解，加深对光学成像理论的认识。Zemax光学设计训练，通过实训使学生学会使用Zemax光学软件，用Zemax进行简单光学设计。

二、实验项目名称和学时分配

三、实验课基本要求、重点、难点

1.薄透镜成像

通过本实验使学生掌握薄透镜成像的基本原理，掌握测薄透镜焦距的几种方法。组建显微镜光路观察显微镜成像。

重点和难点：确定成像的正确位置

2.棱镜折射率的测定

通过本实验，使学生掌握最小偏向角的含义和测定，学会使用分光计精确测角度，理解棱镜折射的原理。

重点和难点：最小偏向角位置的确定，分光计的调节。

3．透镜基点的测定

通过本实验，使学生进一步掌握透镜基点的定义，学会测量透镜主点位置。

重点和难点：主点的性质和特点。

4．像差分析与测定

通过本实验使学生观察到各种像差现象，并对各种像差进行判别和测定。

重点和难点：对各种像差的分析。

5. 光学设计基础理论，Zemax简介

掌握光学设计的基本方法，认Zemax软件工作界面，理解各个键盘功能和作用。

重点：光学设计的思路

难点：各个键盘功能的记忆。

6. 利用Zemax设计案例1.单透镜、双透镜

熟悉Zemax软件界面,设计单透镜、双透镜成像，判断成像特性。

重点和难点：像差分析

7. 利用Zemax设计案例2.牛顿望远镜、卡赛格林系统

在前面运用Zemax的基础上，加深对光学设计的拓展，进一步学会牛顿望远镜和卡赛格林系光学系统设计。

重点和难点：卡赛格林系光学系统

8. 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

学会使用多重结构配置，坐标断点设置

重点和难点：多重结构配置，坐标断点设置

四、应配备的主要设备名称

光具坐，分光仪，测节器、ZJS型多功能组合光具坐、透镜、棱镜、激光器、光源、光阑等。

五、教材及实验指导书

教材：《工程光学实验教程》，贺顺忠主编，机械工业出版社，2007年9月第1版。

《Zemax光学常用软件》，周朕编，校内讲义。2009年7月

参考书：《Zemax学习秘笈》，讯技光电科技（上海）有限公司，2005年11月

六、实验课考核方式：

1.实验报告：内容要求齐全，包括实验目的、原理、数据和数据处理、结果分析等。

2.考核方式

（1）实验课的考核成绩：平时实验操作50%+实验报告50%

（2）实验成绩点总成绩的20%

执笔人：陆金男

审定：