《应用光学》课程教学大纲

《应用光学》教学大纲课程名称：应用光学英文名称：AppliedOptics课程编号：F047091722学分：3总学时/课内实践学时：48/0课程性质：选修课程开课单位：数理科学与工程学院应用物理系基层教学组织适应对象：应用物理学专业课程简介（中英文，一般200-300字左右）《应用光学》是为应用物理学专业学生开设的专业方向与拓展课，其为光学仪器、微光夜视、激光红外等学科奠定了理论和应用基础，在培养光学和光电类人才中具有重要地位。本课程以几何光学原理为基础，分析研究典型光学仪器、光学系统、光纤光学系统、激光光学系统及红外光学系统。本课程属于考查课，以理论授课为主，设计和分析一些典型的光学系统，并通过课上回答问题、课下作业完成度等进行考核。通过本课程学习，培养学生科学思维能力、分析计算能力、科学研究能力和科学归纳能力，树立学生严肃认真的科学作风和理论联系实际的工程观点，并为后续专业课程学习打下坚实基础。本课程对于培养新世纪高素质科技人才具有非常重要的意义。AppliedOpticsisaprofessionalorientationandexpansioncourseforstudentsmajoringinappliedphysics.Itlaysatheoreticalandapplicationfoundationforopticalinstruments,low-lightnightvision,laserinfraredandotherdisciplines,andplaysanimportantroleintrainingopticalandoptoelectronictalents.Basedontheprincipleofgeometricoptics,thiscourseanalyzesandstudiestypicalopticalinstruments,opticalsystems,opticalfibersystems,laseropticalsystemsandinfraredopticalsystems.Thiscourseisanexaminationcourse,whichfocusesontheoreticalteaching,designsandanalyzessometypicalopticalsystems,andassessesthembyansweringquestionsinclassandcompletinghomeworkafterclass.Throughthestudyofthiscourse,students'scientificthinkingability,analysisandcalculationability,scientificresearchabilityandscientificinductionabilityarecultivated,andstudents'seriousscientificstyleandengineeringviewpointofintegratingtheorywithpracticeareestablished,andasolidfoundationislaidforthestudyofsubsequentprofessionalcourses.Thiscoursehasagreatsignificanceforcultivatinghigh-qualityscientificandtechnologicaltalentsinthenewcentury.课程目标（中英文，一般150字左右）强化科学伦理教育，注重科学思维方法训练和严肃认真科学作风培养，提高学生分析和解决实际工程问题能力，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。掌握几何光学基本定律、光学系统光路、理想光学系统、平面与平面系统计算与设计、人眼对目视光学仪器共同要求、像差基本理论和光学系统像质评价。熟知应用光学专业知识，具备辨识和表述应用光学基本原理的能力，具备分析解决实际问题的能力。1.Strengthentheeducationofscientificethics,payattentiontothetrainingofscientificthinkingmethodsandthecultivationofseriousandseriousscientificstyle,improvestudents'abilitytoanalyzeandsolvepracticalengineeringproblems,andstimulatestudents'nationalfeelingsandmissionofservingthecountrythroughscienceandtechnology.2.Masterthebasiclawsofgeometricoptics,opticalsystemopticalpath,idealopticalsystem,planeandplanesystemcalculationanddesign,commonrequirementsofthehumaneyeforvisualopticalinstruments,basictheoryofaberrationandimagequalityevaluationofopticalsystems.3.Familiarwiththeprofessionalknowledgeofappliedoptics,havetheabilitytoidentifyandexpressthebasicprinciplesofappliedoptics,havetheabilitytoanalyzeandsolvepracticalproblems.三、课程目标与毕业要求对应关系本课程的课程目标对应用物理学专业毕业要求指标点的支撑情况如表1所示：表1课程目标与毕业要求对应关系毕业要求指标点课程目标毕业要求1：系统掌握应用光学知识体系。能够运用数学、光学等专业知识基础，分析推导光学系统光线传输过程。能够利用所学知识解决实际问题。1.2掌握无损检测、光电检测、光电传感的基础知识和理论，熟悉相关技术的应用前景，掌握分析方法/应用技术；掌握光电信息科学与工程学科的基本理论和基础知识；1-3课程教学安排课程共有24项教学内容，具体安排如下。表2：课程教学安排表序号教学内容思政元素课堂教学学时实验/实践教学学时学时小计1绪论；第一章几何光学基本原理§1-1光波和光线§1-2几何光学基本定律；§1-3折射率和光速职业教育和爱国教育223§1-4光程的概念及相关定律；§1-5光路可逆和全反射223§1-6基本定律的向量形式；§1-7几何光学的误差和应用范围的讨论224§1-8光学系统类别和成像的概念；§1-9理想像和理想光学系统科学精神培养225§1-10发光点理想成像的条件——等光程条件；§1-11微小线段理想成像的条件——余弦条件226第二章共轴球面系统的物像关系§2-1共轴球面系统中的光路计算公式；§2-2符号规则227§2-3球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式；§2-4近轴光学的基本公式和它的实际意义；§2-5共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点解决实际问题能力培养228§2-6单个折射球面的主平面和焦点；§2-7共轴球面系统主平面和焦点位置的计算；§2-8用作图法求光学系统的理想像229§2-9理想光学系统的物像关系式；§2-10光学系统的放大率；§2-11物像空间不变式2210§2-12物方焦距和像方焦距的关系；§2-13节平面和节点；§2-14无限远物体理想像高的计算公式科学精神培养2211§2-15理想光学系统的组合；§2-16理想光学系统中的光路计算公式§2-17单透镜的主平面和焦点位置的计算公式；2212第三章眼睛和目视光学系统§3-1人眼的光学特性；§3-2放大镜和显微镜的工作原理科学精神培养2213§3-3望远镜的工作原理；§3-4眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节§3-5空间深度感觉和双眼立体视觉；解决实际问题能力培养2214第四章平面镜棱镜系统§4-1平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用；§4-2平面镜的成像性质；§4-3平面镜的旋转及其应用；解决实际问题能力培养2215§4-4棱镜和棱镜的展开；§4-5屋脊面和屋脊棱镜2216§4-6平行平板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算；§4-7确定平面镜棱镜系统成像方向的方法解决实际问题能力培养2217§4-8棱镜转动定理；§4-9棱镜做有限转动时，像空间位置和方向的计算；§4-10棱镜做微量转动时，像空间位置和方向的计算；§4-11共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合解决实际问题能力培养2218第五章光学系统中成像光束的选择§5-1光阑及其作用；§5-2望远系统中成像光束的选择解决实际问题能力培养2219§5-3显微镜中的光束限制和远心光路；§5-4场镜的特性及其应用；§5-5空间物体成像的清晰深度——景深科学精神培养2220第六章辐射度学和光度学基础§6-1立体角的意义和它在光度学中的应用；§6-2辐射度学中的基本量；§6-3人眼的视见函数；§6-4光度学中的基本量科学精神培养2221§6-5光照度公式和发光强度的余弦定律；§6-6全扩散表面的光亮度；§6-7光学系统中光束的光亮度；§6-8像平面的光照度解决实际问题能力培养2222§6-9照相物镜像平面的光照度和光圈数；§6-10人眼的主观光亮度；§6-11通过望远镜观察时的主观光亮度；§6-12光学系统中光能损失的计算科学精神培养2223第八章光学系统成像质量评价§8-1概述；§8-2介质的色散和光学系统的色差；§8-3轴上像点的单色像差——球差2224§8-4轴外像点的单色像差；§8-5几何像差的曲线表示；§8-6用波像差评价光学系统的成像质量；§8-7理想光学系统的分辨率22合计4848教学安排1.几何光学基本原理教学要求：掌握光波、光线、光程、成像概念和相关定律；掌握理想像和理想光学系统；掌握发光点理想成像的等光程条件，微小线段理想成像的余弦条件。重点难点：几何光学的基本定律、全反射与光路可逆、理想像和理想光学系统。思政元素：讲授几何光学基本定律及利用费马原理巧妙证明，培养学生科学精神。教学内容：光波和光线、几何光学的基本定律、折射率与光速、全反射与光路可逆、光学系统和成像的概念、理想像和理想光学系统。2.共轴球面系统的物像关系教学要求：掌握共轴球面系统中的光路计算公式和符号规则；掌握球面近轴范围内的成像性质和光路计算公式及光学系统基点；握单球面折射和共轴球面系统主平面、焦点及作图求像方法；掌握理想光学系统的组合和光路计算公式。重点难点：球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式、近轴光学物像基本公式、共轴球面系统的主平面和焦点、作图法求像、理想光学系统的物像关系式、光学系统的放大率、物方焦距和像方焦距的关系、理想光学系统的组合、理想光学系统中的光路计算公式、单透镜的主面和焦点位置的计算公式。思政元素：根据球面系统光路计算结果引导学生思考系统成像质量，培养学生勇于发现问题解决问题的能力。教学内容：符号规则、球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式、近轴光学物像基本公式、共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点、共轴球面系统的主平面和焦点、作图法求像、理想光学系统的物像关系式、光学系统的放大率、物像空间不变式、物方焦距和像方焦距的关系、节平面和节点、无限物体理想像高的计算公式、理想光学系统的组合、理想光学系统中的光路计算公式、单透镜的主面和焦点位置的计算公式。3.眼睛和目视光学系统教学要求：掌握放大镜和显微镜的工作原理；掌握望远镜的工作原理以及眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节；了解空间深度感觉和双眼立体视觉以及双眼观察仪器机理。重点难点：放大镜和显微镜的工作原理、望远镜的工作原理、空间深度感觉和双眼立体视觉。思政元素：讲授眼睛视觉及特点，引导思考实用的目视光学仪器设计应注意哪些因素，培养学生解决实际问题的能力。教学内容：人眼的光学结构、对目视光学仪器的共同要求、放大镜和显微镜的工作原理、望远镜的工作原理、眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节、空间深度感觉和双眼立体视觉、双眼观察仪器。4.平面镜棱镜系统教学要求：掌握平面镜的成像性质和平面镜的旋转；掌握棱镜和棱镜的展开以及屋脊面和屋脊棱镜；掌握平行平板成像性质、棱镜外形尺寸计算和平面镜棱镜系统成像方向；掌握棱镜转动定理。重点难点：平面镜的成像性质、平面镜的旋转、棱镜和棱镜的展开、屋脊棱镜、棱镜外形尺寸计算、共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合、棱镜的偏差；思政元素：讲授平面镜棱镜在实际光学系统中巧妙的应用，培养学生综合考虑问题解决问题的能力。教学内容：平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用、平面镜的成像性质、平面镜的旋转、棱镜和棱镜的展开、典型棱镜的展开方法、屋脊棱镜、平行平板的成像性质、棱镜外形尺寸计算、确定平面镜棱镜系统的成像方向、共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合、棱镜的偏差。5.光学系统中成像光束的选择教学要求：掌握光阑及其作用以及望远系统中成像光束的选择；掌握显微镜中的光束限制和远心光路，场镜的特性，景深。重点难点：光阑及其作用、显微镜中的光束限制、空间物体成像的清晰深度——景深。思政元素：讲授如何根据要求设计光学仪器，如何消除或降低实际误差带来的影响，培养学生严谨科学态度。教学内容：光阑及其作用、望远系统中成像光束的选择(I)——双筒望远镜、望远系统中成像光束的选择(II)——周视瞄准镜、显微镜中的光束限制、远心光路、场镜的特性及其应用、空间物体成像的清晰深度——景深。6.辐射度学和光度学基础教学要求：掌握光度学中的基本量、光照度公式、发光强度余弦定律、全扩散表面、光学系统中光束的光亮度、像平面的光照度；掌握照相物镜像平面参数，人眼的主观光亮度，望远镜观察时的主观光亮度以及光学系统中光能损失的计算；。重点难点：光照度公式和发光强度的余弦定律、光学系统中光束的光亮度、照相物镜像平面的光照度和光圈数、光学系统中光能损失的计算、投影系统中的光能计算；教学内容：立体角的意义和它在光度学中的应用、辐射度学中的基本量、人眼的视见函数、光度学中的基本量、光照度公式和发光强度的余弦定律、全扩散表面的光亮度、光学系统中光束的光亮度、像平面的光照度，照相物镜像平面的光照度和光圈数、人眼的主观光亮度，通过望远镜观察时的主观光亮度、光学系统中光能损失的计算、投影仪的作用及其类别，投影系统中的光能计算。7.光学系统成像质量评价教学要求：掌握介质的色散和光学系统的色差，轴上像点的