现代光学设计  080300M01009H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科核心课 | 任课教师:陈笑
授课时间: 星期二,第5、6、7 节
授课地点: 学园三244(机房)
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 080300M01009H 课时: 48 学分: 3.00
课程属性: 一级学科核心课 主讲教师:陈笑 助教:
英文名称: Modern Optical Design 召集人:

教学目的、要求

本课程是光电专业的核心课程,它不仅是后续专业课程的重要基础,而且是许多新兴光学成像系统和变换系统的发展基础和生长点。通过本课程的学习,学生了解和掌握近代光学设计的基本原理和基本设计方法,培养学生分析解决实际光学镜头、光学部件和光学系统设计问题的能力,特别强调物理概念的深入融合,同时本课程让学生了解光学设计在科学研究、生产生活、国民经济各领域的应用及研究新进展。这不仅可以开阔学生的思路,激发探索和创新精神,为学生以后从事光电子方向的科研和设计开发工作打下扎实的理论基础。
通过本课程的理论教学和上机设计,使得学生具备以下能力:
目标1、能够将物理基础知识、工程光学理论和现代光学设计相结合,通过建立物理模型,明确不同光学系统的设计条件和局域性,对其正确性进行求解和验证。
目标2、了解近代光学设计流行的理念和设计流程,掌握光学成像系统像质评价的一般理论和典型镜头与典型光学部件的设计方法,包括双胶合消色差准直镜设计、复消色差准直镜设计、柯克物镜设计、双高斯物镜设计、远摄物镜设计、激光耦合镜设计、目镜/显微物镜设计、变焦投影物镜设计、公差分析以及光学图纸和光学镀膜简介。
目标3、能够根据不同的光学系统和不同的技术指标,建立物理模型、设置高效的评价函数,设计满足特定需求的光学成像系统,并能够在设计环节中体现创新意识,兼顾成像质量和成本支出之间的平衡关系。

预修课程

大学物理、工程光学

教 材

宋菲君、陈笑、刘畅,《近代光学系统设计概论》:科学出版社,2019

主要内容

教学内容	重点与难点	课程目标	教学方式
1. 现代光学设计概论
1.1透镜成像在经典光学和近代光学系统中的功能和价值
1.2光学成像系统的进展趋势
1.3光学设计的主要方法
1.4 课程要求与考试方式	课程介绍	课程介绍	理论教学
第2章  像差理论与准直镜设计
2.1 像差概论
2.2 光学材料
2.3 双胶合消色差准直镜简介
2.4 双胶合消色差准直镜的信息量和定义区间
2.5 典型双胶合消色差准直镜
2.6  F-序列双胶合消色差准直镜
2.7 双胶合消色差准直镜设计
2.8 双分离消色差透镜设计	重点与难点:
像差理论、双胶合消色差准直镜设计、双分离消色差透镜设计	课程目标1
课程目标2	理论教学+上机设计
第3章 二级光谱及复消色差航拍物镜设计 
3. 1 长焦距望远物镜
3.2 探测器
3.3 长焦双胶合消色差物镜
3.4 二级光谱
3.5 光学传递函数的概念
3.6 长焦消色差物镜的光学传递函数
3.7 光学玻璃
3.8 复消色差
3.9 双胶合复消色差物镜设计流程	重点与难点:
长焦距望远物镜、光学传递函数、复消色差、双胶合复消色差物镜设计	课程目标1
课程目标2	理论教学+上机设计
第4章 柯克与天塞物镜设计
4.1 柯克物镜简介
4.2 光阑和光瞳
4.3 主光线和上下光线
4.4 弥散斑
4.5 特性曲线和横向像差
4.6 柯克物镜
4.7 空域评价
4.8 典型柯克物镜
4.9 柯克物镜的定义域:F-?空间
4.10  柯克物镜的设计
4.11  天塞物镜	重点与难点:
光阑和光瞳、主光线和上下光线、特性曲线和横向像差、柯克物镜与天塞物镜的设计	课程目标1
课程目标2	理论教学+上机设计
第5章 双高斯物镜及其变形物镜设计
5.1 双高斯及变形物镜
5.2 单反相机物镜
5.2.1 简介
5.2.2 渐晕
5.2.3 换玻璃操作
5.2.4 单反相机物镜设计	重点与难点:
单反相机物镜设计	课程目标1
课程目标2	理论教学+上机设计
第6章 远摄物镜设计
6.1  远摄比
6.2  光学系统的主面和焦面
6.3  远摄型物镜
6.4  远摄物镜的理想光学模型
6.5  远摄型复消色差航拍物镜设计流程	重点与难点:
光学系统的主面和焦面、远摄物镜的理想光学模型、远摄型复消色差航拍物镜设计	课程目标1
课程目标2
课程目标3	理论教学+上机设计
第7章 激光耦合-聚焦镜
7.1  典型的激光耦合镜
7.2  激光耦合镜的理想光学模型
7.3  激光耦合镜设计流程                                                  	重点与难点:
激光耦合镜设计	课程目标1
课程目标2	理论教学+上机设计
第8章 目镜、显微物镜、折反式望远镜和投影物镜简介
8.1  目镜
8.2  显微物镜
8.3  折反式望远物镜简介
8.4  投影物镜
8.4.1  投影仪简介
8.4.2  定焦投影物镜
8.4.3  变焦投影物镜
8.5  100?显微系统的设计流程	重点与难点:
100?显微系统的设计	课程目标1
课程目标2
课程目标3	理论教学+上机设计
第9章 变焦投影物镜和多重组态操作
9.1  变焦投影物镜简介
9.2  变焦镜头设计
9.2.1  变焦系统的设计
9.2.2  带棱镜(平板)的光学系统
9.3  F-?扫描物镜设计
9.4  马赫-曾德干涉系统	重点与难点:
多重组态操作、变焦镜头设计、F-?扫描物镜设、马赫-曾德干涉系统	课程目标1
课程目标2
课程目标3	理论教学+上机设计
第10章 激光整形和非序列模式
10.1 激光扩束镜设计                         10.2 利用异形棱镜对激光束整形	重点与难点:
非序列模式	课程目标1
课程目标2
课程目标3	理论教学+上机设计
第11章 公差分析
11.1、Zemax公差分析简介
11.2、公差操作数与Zemax公差操作
11.3、Zemax公差操作事例介绍	重点与难点:
公差操作数与Zemax公差操作	课程目标2	理论教学+上机设计
第12章 光学加工和光学制图简介
12.1  光学透镜的加工流程
12.2  常用透镜加工工艺要求
12.3  典型光学镀膜
12.4  美军标图纸与国标图纸的对照	重点与难点:
常用透镜加工工艺要求、光学图纸的设计要求	课程目标2	理论教学

参考文献

1、Geary J M, Introduction to Lens Design with Practical ZEMAX Examples, Willmann-Bell, Inc, 2002.
2、R. Kingslake, Lens design fundamentals, SPIE PRESS, 2010.
3、Laikin M, Lens Design, Marcel Dekker, 1995.
4、W.J. Smith, Modern lens design, a resources manual, McGRaw-Hill, Inc. 1992.
5、袁旭昌,光学设计,科学出版社,1983.
6、李林,黄一帆,王涌天,现代光学设计,北京理工大学出版社.
7、电影镜头设计组,电影摄影物镜光学设计,中国工业出版社,1971.
8、王之江,光学设计理论基础,科学出版社,1965.
9、赵凯华,钟锡华,光学,北京大学出版社,1989(第3次印刷).
10、郁道银,谈恒英,工程光学. 北京:机械工程出版社,2005.
11、张以谟. 应用光学. 北京:机械工业出版社, 1982(第1版) 或电子工业出版社,2008(第3版).
12、李士贤,李林,光学设计手册。北京:北京理工大学出版社,1995.
13、毛文炜,现代光学镜头设计方法与实例. 北京:机械工业出版社,2013.