2020015 工程光学(中英文)(2011)

天津大学《工程光学Ⅰ》课程教学大纲

课程代码：2020015 课程名称：工程光学Ⅰ

学时：48 学分： 3

学时分配：授课：48 上机：实验：实践：实践（周）：

授课学院：精仪学院更新时间：2011年12月

适用专业：生物医学工程

先修课程：高等数学，大学物理

一、课程的性质与目的

本课程是一门基础课，主要讲授几何光学、物理光学和现代光学方面的基本理论、基本方法和典型光学元件、系统实例及应用。通过本课程的学习，学生应能理解光的本质特性，了解各种光学现象及对应的基本原理，熟悉常见光学元件和典型系统，为学习生物光子学、医用光学仪器和从事光学研究打下坚实的基础。

二、教学基本要求

任课教师应尽可能充分利用多媒体课件、课程网站等现有教学资源，根据实际条件开展不同程度的双语教学实践；课堂教学后，要留一定数量的作业题，并坚持批改1/3，以利掌握学生的学习情况；

学生应按要求参加全部的课堂教学活动，按要求完成作业；参加期末考试，获得该课程学分。

通过本课程的学习,要求达到:

1．系统掌握几何光学的基础理论，包括基本定律、成像相关表述、理想光学系统理论。

2．掌握典型的光学系统，包括放大系统、显微系统和望远系统。

3．掌握光的电磁理论及光波叠加的相关知识。

4．掌握光的干涉、衍射、偏振的理论和计算。

5．了解现代光学系统。

三、教学内容

绪论

1．学习《工程光学》的意义和重要性（光学发展的历史，对国民经济发展的重要作用，光学在生物医学工程领域的应用）

2．本课程的性质、任务和内容

3．学习的基本要求、教学环节和学习方法

第1章几何光学基本定律与成像概念

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：

2．完善成像条件的概念和相关表述

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）4．单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式。

5．球面反射镜成像公式

6．共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）

第2章理想光学系统

1．共轴理想光学系统的成像性质

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

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

4．图解法求像的方法

5．解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）

6．理想光学系统的放大率概念及公式

第3章光学系统中的光束限制

1．孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系

2．视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系

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．望远系统的基本结构、成像关系和光束限制

5．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

6．场镜的定义、作用和成像关系

第4章典型光学系统

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

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

3．放大镜的视觉放大率

4．显微镜系统的概念和计算公式

5．望远系统的概念和计算公式

第5章光的电磁理论基础

1．光的电磁性质

2．光在电介质分表面上的反射和折射

3．光在金属表面上的反射和折射

4．光的吸收、色散和散射

5．光波的叠加

第6章光的干涉

1．干涉现象和形成干涉的条件

2．杨氏干涉实验

3．干涉条纹的可见度

4．平板的双光束干涉

5．典型双光束干涉系统及其应用

第7章光的衍射

1．光波的标量衍射理论

2．惠更斯原理和夫琅和费衍射公式

3．矩孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析

4．单缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析

5．圆孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析，成像系统的分辨本领

6．衍射光栅

第8章光的偏振

1．偏振光概述

2．光在晶体中的传播

3．晶体光学性质的几何表示

4．光波在晶体表面上的反射和折射

5．晶体偏振器件

第9章现代光学系统

1．激光光束与普通光束的异同点，在激光聚焦和准直系统中使用之透镜的特点和作用

2．傅立叶变换系统的工作原理，物镜的设计要求和校正像差要求

3．光纤的传光特性及其分类

四、学时分配

五、评价与考核方式

平时20%（出勤、作业、随堂测验等）

考试80%

六、教材与主要参考资料

1.工程光学，郁道银、谈恒英主编，机械工业出版社，2006

2.工程光学，张凤林、孙学珠主编，天津大学出版社，1988

3.Principles of Optics, 7th edition, Born & Wolf, Cambridge University

Press, 1999

4.Optics, 9th edition, Finchan & Freeman, Cambridge University Press,

1980

5.工程光学网站：202. 113. 13. 85

TU Syllabus for Engineering OpticsⅠ

Code: Title:

engineering optics

Ⅰ

Semester Hours: 48 Credits: 3

Semester Hour Structure Lecture：48 Computer Lab：Experiment：Practice：

Practice (Week)：

Offered by: School of Precision

Instrument and

Optoelectronics

Engineering

Date: 2011. 12

for: Biomedical Engineering Major

Prerequisite: 《Advanced Mathematics》、《College Physics》

1. Objective

All of students should be able to understand the essential characteristics of light and various optical phenomena, master the basic principles of common optical elements and typical systems, and establish the professional foundation for bio-Photonics and medical optics. They should also get ability to apply their knowledge of optics to biomedical engineering problems.

2. Course Description

Engineering OpticsⅠis an elementary course for biomedical engineering major who want to acquire the basic principles of optics. This course covers geometric optics, physical optics, and modern optics with typical optical components, systems and applications examples. This course deals with the engineering aspects of optics and its main emphasis is on applying the knowledge of optics to solve the engineering problem.

3. Topics

Introduction

1)History and importance of Engineering Optics;

2)Teaching aims and demands;

3)Basic requirements and learning methods for students.

Chapter One Basic law and imaging concept of geometrical optics

1）Basic laws of geometrical optics;

2）Concepts and conditions of perfect imaging;

3）Rules of symbols;

4）Single spherical surface;

5）Single spherical mirror;

6）Spherical system.

Chapter Two Perfect optical system

1)The original definition of the ideal optical system;

2)Focus and focal plane of the ideal optical system；

3)Principal point、principal plane and node of the ideal optical system;

4)Ideal optical system's plotting;

5)Ideal optical system's calculation，Newton's formula and Gaussian formula;

6)Magnification of the ideal optical system.

Chapter Three Light beam restrictions in optical system

1)Concept of entrance, exit pupil and the conjugate relation with aperture stop；

2)Concept, location, entrance window and exit window of field diaphragm;

3)Masking ray and vignetting stop;

4)Light beam restrictions in telescope system;

5)Light beam restrictions in microscope system;

6)Field lens.

Chapter Four Typical optical systems

1)Human eye；

2)Visual magnification;

3)Magnifer;

4)Telescope;

5)Microscope.

Chapter Five Electromagnetic theory of light

1)Electromagnetic nature of light；

2)Reflection and refraction of light in the dielectric surface;

3)Reflection and refraction of light in metal surface;

4)Light absorption, dispersion and scattering;

5)Superposition of waves.

Chapter Six The interference of light

1)Conditions for interference；

2)Young's interference experiment;

3)The visibility of interference fringes;

4)two-beam interference;

5)Typical two-beam interference system and its application.

Chapter Seven The diffraction of light

1)Scaling of diffraction；

2)Huygens' principle and the Fraunhofer diffraction;

3)Fraunhofer diffraction of rectangle aperture;

4)Single-slit Fraunhofer diffraction;

5)Fraunhofer diffraction of circular hole;

6)Diffraction grating.

Chapter Eight The polarization of light

1)Introduction of polarized light；

2)Propagation of light in crystals;

3)Geometric representation of the optical properties of crystals;

4)Reflection and refraction of light in crystal surface;

5)Crystal devices for polarization-control.

Chapter Nine Modern optical systems

1)Laser system；

2)Fourier transfer optical system ;

3)Fiber;

4. Semester Hour Structure

5. Grading

Final Exam (80%) + Usual performance (20%)

6. Text-Book & Additional Readings

1.Daoyin Yu & Hengying Tan, Engineering Optics，China Machine Press，2006

2.Fenglin Zhang & Xuezhu Sun, Engineering Optics, Tianjin University Press，

1988

3.Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press,

1999

4.Finchan & Freeman, Optics, 9th edition, Cambridge University Press, 1980

5.Engineering Optics Webpage：202. 113. 13. 85

6.