北京理工大学

应用光学

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课程概述

    “应用光学”是光电信息科学与工程和测控技术与仪器等专业的技术基础课。学习本课程要求学生具备必要的物理和数学基础知识。应用光学以几何光学原理为基础,分析研究典型光学仪器、光度学、色度学、光纤光学系统、激光光学系统及红外光学系统等的基础理论和这些光学领域的计算方法。应用光学为光学仪器、微光夜视、激光红外等学科奠定了理论基础和应用基础,在培养光学和光电类人才中具有不可替代的地位。通过本课程的学习,对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,培养学生的科学思维能力、分析计算能力、实验研究能力和科学归纳能力都有重要的作用。

“应用光学”的教学内容主要分为三部分:第一部分内容包括几何光学的基本理论,理想光学系统的成像性质与计算方法,眼睛和目视光学仪器,平面镜棱镜系统的成像特性分析,光学系统中成像光束的选择方法。第二部分内容包括辐射度学和光度学的基础理论,光学系统中的光能量计算方法。第三部分内容包括光学系统成像质量评价的各种指标和评价方法。

 


 


授课目标
通过学习,学生能够学到几何光学、理想光学系统的成像性质与计算方法、目视光学仪器、平面镜棱镜系统、成像光束的选择、辐射度学和光度学的基础理论、光能量计算方法、光学系统成像质量评价等综合知识,为后续的专业课程学习打下坚实的基础,对于培养新世纪的高素质科技人才具有非常重要的意义。
证书要求

    本课程的学习环节包含:观看讲课视频、完成每周的课后作业、完成单元测验题、参与课程讨论、参加期末考试。

    课程学习成绩由三个部分构成:

1)课后作业:在每一周结束后,需完成课后作业,并参与至少5人的作业互评;占课程成绩的20%

2)单元测验:课程会设置2次单元测验,共占课程成绩的20%

3)课程考试:课程结束后,学生可以参加课程的最后考试,成绩占60%

    完成课程学习并考核合格(>=60)的可获得合格证书,成绩优秀(>=85)的可获得优秀证书。


预备知识

工科数学分析/微积分、大学物理


授课大纲

1章  几何光学基本原理

 第1讲 绪论

 第2讲 光波和光线

 第3讲 几何光学的基本定律、折射率与光速

 第4讲 全反射与光路可逆

 第5讲 光学系统和成像的概念

 第6讲 理想像和理想光学系统 

2章  共轴球面系统的物像关系

第1讲  单个折射球面光路计算公式

第2讲  符号规则

第3讲  球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式

第4讲  近轴光学物像基本公式

第5讲  共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点

第6讲  共轴球面系统的主平面和焦点

第7讲  作图法求像

第8讲  理想光学系统的物像关系式

第9讲  光学系统的放大率

第10讲  物像空间不变式 

第11讲  物方焦距和像方焦距的关系

第12讲  节平面和节点

第13讲  无限物体理想像高的计算公式

第14讲  理想光学系统的组合

第15讲  理想光学系统中的光路计算公式

第16讲  单透镜的主面和焦点位置的计算公式

第17讲  本章总结

3章  眼睛和目视光学系统

第1讲  人眼的光学结构

第2讲  人眼的光学结构

第3讲  对目视光学仪器的共同要求 

第4讲  放大镜和显微镜的工作原理

第5讲  望远镜的工作原理

第6讲  眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节

第7讲  空间深度感觉和双眼立体视觉

第8讲  双眼观察仪器

4章  平面镜棱镜系统

第1讲  平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用

第2讲  平面镜的成像性质

第3讲  平面镜的旋转 

第4讲  棱镜和棱镜的展开

第5讲  典型棱镜的展开方法

第6讲  屋脊棱镜

第7讲  平行平板的成像性质

第8讲  棱镜外形尺寸计算

第9讲  确定平面镜棱镜系统的成像方向 

第10讲  共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合

第11讲  棱镜的偏差

5章  光学系统中成像光束的选择

第1讲  光阑及其作用

第2讲  望远系统中成像光束的选择(I)——双筒望远镜

第3讲  望远系统中成像光束的选择(II)——周视瞄准镜 

第4讲  显微镜中的光束限制 

第5讲  远心光路

第6讲  场镜的特性及其应用

第7讲  空间物体成像的清晰深度——景深 

6章  辐射度学和光度学基础

第1讲  立体角的意义和它在光度学中的应用

第2讲  辐射度学中的基本量

第3讲  人眼的视见函数

第4讲  光度学中的基本量

第5讲  光照度公式和发光强度的余弦定律

第6讲  全扩散表面的光亮度

第7讲  光学系统中光束的光亮度

第8讲  像平面的光照度,照相物镜像平面的光照度和光圈数

第9讲  人眼的主观光亮度,通过望远镜观察时的主观光亮度

第10讲 光学系统中光能损失的计算

第11讲 投影仪的作用及其类别,投影系统中的光能计算

7章  光学系统成像质量评价

第1讲  概述

第2讲 介质的色散和光学系统的色差

第3讲 轴上像点的单色像差——球差,轴外像点的单色像差

第4讲 垂轴像差、几何像差的计算和曲线表示

第5讲 用波像差评价光学系统的成像质量,理想光学系统的分辨率,各类光学系统分辨率的表示方法

第6讲 光学传递函数,用光学传递函数评价系统的像质


参考资料

1. 李林,黄一帆. 应用光学[M]. 北京:北京理工大学出版社,2017

2. 李林,黄一帆,王涌天. 应用光学(英文版)[M]. 北京:北京理工大学出版社,2012

3. 李林,黄一帆.应用光学概念题解与自测[M.北京:北京理工大学出版社,2006.

4. 母国光,战元龄.光学[M]. 北京:人民教育出版社,1998.

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