课程编号： C014403/D014403

课程名称：应用光学， 英文名称： Applied Optics

学分：4    学时： 56 （其中理论学时： 48 实验学时： 8 ）

 

一、目的与任务

应用光学是光学工程、测控技术与仪器和电子科学与技术等专业的技术基础课。它主要是要让学生学会解决几何光学、典型光学仪器原理、光度学等的基础理论和方法。

本课程的主要任务是：

•  学习几何光学的基本理论及其应用；

•  学习近轴光学、光度学、平面镜棱镜系统的理论与计算方法；

•  学习典型光学仪器的基本原理；

•  培养学生设计光电仪器的初步设计能力。

 

二、教学内容及学时分配

共 56 学时,其中实验学时 8,理论学时 48

第一章:几何光学基本原理 ( 理论学时： 4 学时 )

1. 光波和光线

2. 几何光学基本定律

3. 折射率和光速

4. 光路可逆和全反射

5. 光学系统类别和成像的概念

6. 理想像和理想光学系统

第二章 : 共轴球面系统的物像关系 ( 理论学时： 10 学时，实验学时： 2 学时 )

1. 共轴球面系统中的光路计算公式

2. 符号规则

3. 球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式

4. 近轴光学的基本公式和它的实际意义

5. 共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点

6. 单个折射球面的主平面和焦点

7. 共轴球面系统主平面和焦点位置的计算

8. 用作图法求光学系统的理想像

9. 理想光学系统的物像关系式

10. 光学系统的放大率

11. 物像空间不变式

12. 物方焦距和像方焦距的关系

13. 节平面和节点

14. 无限物体理想像高的计算公式

15. 理想光学系统的组合

16. 理想光学系统中的光路计算公式

17. 单透镜的主面和焦点位置的计算公式

18 ．光线成像实验（ 2 学时）

第三章 : 眼睛的目视光学系统 ( 理论学时： 6 学时，实验学时： 2 学时 )

1. 人眼的光学特性

2. 放大镜和显微镜的工作原理

3. 望远镜的工作原理

4. 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节

5. 空间深度感觉和双眼立体视觉

6. 双眼观察仪器

7 ．目视光学仪器原理实验（ 2 学时）

第四章 : 平面镜棱镜系统 ( 理论学时： 8 学时 )

1. 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用

2. 平面镜的成像性质

3. 平面镜的旋转及其应用

4. 棱镜和棱镜的展开

5. 屋脊面和屋脊棱镜

6. 平行玻璃板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算

7. 确定平面镜棱镜系统成像方向的方法

8. 共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合

第五章 : 光学系统中成像光束的选择 ( 理论学时： 5 学时 )

1. 光阑及其作用

2. 望远系统中成像光束的选择

3. 显微镜中的光束限制和远心光路

4. 场镜的特性及其应用

5. 空间物体成像的清晰深度——景深

第六章 : 辐射度学和光度学基础 ( 理论学时： 8 学时 )

1. 立体角的意义和它在光度学中的应用

2. 辐射度学中的基本量

3. 人眼的视见函数

4. 光度学中的基本量

5. 光照度公式和发光强度的余弦定律

6. 全扩散表面的光亮度

7. 光学系统中光束的光亮度

8. 像平面的光照度

9. 照相物镜像平面的光照度和光圈数

10. 人眼的主观光亮度

11. 通过望远镜观察时的主观光亮度

12. 光学系统中光能损失的计算

13. 投影仪的作用及其类别

15. 投影系统中的光能计算

第七章 : 光学系统成像质量评价 ( 理论学时： 7 学时，实验学时： 4 学时 )

1. 介质的色散和光学系统的色差

2. 轴上像点的单色像差——球差

3. 轴外像点的单色像差

4. 几何像点的曲线表示

5. 用波像差评价光学系统的成像质量

6. 理想光学系统的分辨率

7. 各类光学系统分辨率的表示方法

8. 光学传递函数

9. 用光学传递函数评价系统的像质

10. 光具座及计算机演示像差实验（ 4 学时）

三、教学计划

周次

上课

方式

时数

授课

内容

1

课堂讲授

2

第一章 : 几何光学基本原理

1. 光波和光线； 2. 几何光学基本定律； 3. 折射率和光速

1

课堂讲授

2

4. 光路可逆和全反射； 5. 光学系统类别和成像的概念； 6. 理想像和理想光学系统

2

课堂讲授

2

第二章 : 共轴球面系统的物像关系

1. 共轴球面系统中的光路计算公式； 2. 符号规则； 3. 球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式

2

课堂讲授

2

4. 近轴光学的基本公式和它的实际意义； 5. 共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点； 6. 单个折射球面的主平面和焦点； 7. 共轴球面系统主平面和焦点位置的计算

3

课堂讲授

2

8. 用作图法求光学系统的理想像； 9. 理想光学系统的物像关系式； 10. 光学系统的放大率

3

课堂讲授

2

11. 物像空间不变式； 12. 物方焦距和像方焦距的关系； 13. 节平面和节点

4

课堂讲授

2

14. 无限物体理想像高的计算公式； 15. 理想光学系统的组合； 16. 理想光学系统中的光路计算公式； 17. 单透镜的主面和焦点位置的计算公式

4

实验 1

2

光线传播规律的演示

5

实验 2

2

透镜成像性质实验，用焦距仪测量透镜的焦距和顶焦距

5

课堂讲授

2

第三章 : 眼睛的目视光学系统

1. 人眼的光学特性； 2. 放大镜和显微镜的工作原理

6

课堂讲授

2

3. 望远镜的工作原理； 4. 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节

6

课堂讲授

2

5. 空间深度感觉和双眼立体视觉； 6. 双眼观察仪器

7

实验

3

望远镜和显微镜成像原理

7

课堂讲授

2

第四章 : 平面镜棱镜系统

1. 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用； 2. 平面镜的成像性质

8

课堂讲授

2

3. 平面镜的旋转及其应用； 4. 棱镜和棱镜的展开

8

课堂讲授

2

5. 屋脊面和屋脊棱镜； 6. 平行玻璃板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算

9

课堂讲授

2

7. 确定平面镜棱镜系统成像方向的方法； 8. 共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合

9

课堂讲授

2

第五章 : 光学系统中成像光束的选择

1. 光阑及其作用； 2. 望远系统中成像光束的选择

10

课堂讲授

2

3. 显微镜中的光束限制和远心光路； 4. 场镜的特性及其应用

10

课堂讲授

2

5. 空间物体成像的清晰深度——景深

第六章 : 辐射度学和光度学基础

1. 立体角的意义和它在光度学中的应用； 2. 辐射度学中的基本量

11

课堂讲授

2

3. 人眼的视见函数； 4. 光度学中的基本量； 5. 光照度公式和发光强度的余弦定律

11

课堂讲授

2

6. 全扩散表面的光亮度； 7. 光学系统中光束的光亮度； 8. 像平面的光照度； 9. 照相物镜像平面的光照度和光圈数

12

课堂讲授

2

10. 人眼的主观光亮度； 11. 通过望远镜观察时的主观光亮度； 12. 光学系统中光能损失的计算；

12

课堂讲授

2

13. 投影仪的作用及其类别； 15. 投影系统中的光能计算

第七章 : 光学系统成像质量评价

1. 介质的色散和光学系统的色差

13

课堂讲授

2

2. 轴上像点的单色像差——球差； 3. 轴外像点的单色像差

13

课堂讲授

2

4. 几何像点的曲线表示； 5. 用波像差评价光学系统的成像质量； 6. 理想光学系统的分辨率

14

课堂讲授

2

7. 各类光学系统分辨率的表示方法； 8. 光学传递函数； 9. 用光学传递函数评价系统的像质

14

实验

4

几何像差特性演示，光学设计软件包演示

 

 

四、考核及成绩评定

本课程实行闭卷考试，满分 100 分。 60 分以上成绩合格。

 

五、大纲说明

本课程的教学内容主要分为三部分：

第一部分内容包括：学习几何光学的基本理论与应用，学习理想光学系统的成像性质，学习共轴球面光学系统的物象关系，重点掌握近轴光学的理论与计算方法。学习眼睛和目视光学仪器的基本原理与计算方法，学习平面镜棱镜系统的成像特性分析、应用及计算方法，掌握光学系统中成像光束的选择方法。

第二部分内容包括：学习辐射度学和光度学的基础理论，掌握各种情况下光学系统中的光能量计算方法；

第三部分内容包括：学习光学系统成像质量评价的各种指标和评价方法；

教师在教授的过程中要注重理论联系实际，特别是要加强在实际设计与计算中分析问题和解决问题的能力。

 

六、教科书、参考书：

教科书：安连生，李林，李全臣 . 应用光学 [M]. 北京：北京理工大学出版社 ,2002

参考书：

[1] 李士贤 , 安连生 , 崔桂华 . 应用光学—理论概要 , 例题祥解 , 习题汇编 , 考研试题 [M]. 北京：北京理工大学出版社 ,1994

[2] 母国光 , 战元龄 . 光学 [M]. 北京：人民教育出版社 ,1998

[3] 胡玉禧 , 安连生 . 应用光学 [M]. 安徽：中国科技大学出版社 ,1996