光学课程设2

第一篇：光学课程设2

光电子一班

董君

2006031029 光学课程设计

——开普勒望远镜的设计

姓名：学

号

：年级班级：指导教师姓名：论文完成日期：

张翔

光电子一班

董君

2006031029

目录

总页数：14页 引言..............................................................................................................1 1.1 1.2 2

2.1 2.2 2.3 3

3.1 3.2 3.3 背景介绍............................................................................................1 设计目的............................................................................................1 望远镜的种类....................................................................................1 望远镜的常见参数............................................................................2 望远镜的一般结构............................................................................2 成像原理............................................................................................3 放大率定义........................................................................................3 外形尺寸参数设计与计算：............................................................4 3.3.1 已知参数：.................................................................................4 3.3.2 求解外形尺寸参数:....................................................................5 物镜和目镜结构的选取：..........................................................................6 4.1 物镜....................................................................................................6 4.1.1 物镜的选取.................................................................................6 4.1.2 物镜组的主要参数.....................................................................7 4.2 目镜....................................................................................................8 4.2.1 目镜的选取.................................................................................8 4.2.2 目镜组参数.................................................................................9 6 转向系统的设计:.......................................................................................10 望远镜的初级相差设计（P-W设计）....................................................11 6.1 6.2 6.3 7 像差公式：......................................................................................11 系统光路图......................................................................................11 伽利略望远镜系统简介..................................................................11

望远镜介绍..................................................................................................1

开普勒望远镜..............................................................................................3

设计总结及心得体会................................................................................12

光电子一班

董君

2006031029 1 引言

1.1 背景介绍 望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。

在日常生活中，望远镜主要指光学望远镜。但是在现代天文学中，天文望远镜包括了射电望远镜，红外望远镜，Ｘ射线和伽吗射线望远镜。近年来天文望远镜的概念又进一步地延伸到了引力波，宇宙射线和暗物质的领域。

光学望远镜通常是呈筒状的一种光学仪器，它通过透镜的折射，或者通过凹反射镜的反射使光线聚焦直接成像，或者再经过一个放大目镜进行观察。日常生活中的光学望远镜又称“千里镜”。它主要包括业余天文望远镜，观剧望远镜和军用双筒望远镜。

1.2 设计目的 1.了解望远镜基本结构、工作原理、及其种类。

2.利用应用光学知识，对望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。

3.了解光学设计中的PW法基本原理。望远镜介绍

2.1 望远镜的种类 1.折射望远镜

用透镜作物镜的望远镜。分为两种类型：由凹透镜作目镜的称伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要 地位。它由一个凹透镜(目镜)和一个凸透镜(物镜)构成。其优点是结构简单能直接成正像。一般为民用或儿童玩具用放大倍开普勒望远镜由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个数通常为 3～12倍。实像, 可方便 的安装分划板, 并且各种性能优良 , 所以目前军用小型

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天文等专业级 的望远镜都采用此种结构。2.反射望远镜

用凹面反射镜作物镜的望远镜。可分为牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等几种类型。最早由牛顿发明, 没有色差,，而且将凹面制成旋转抛物面即可消除球差。凹面上镀有反光膜,通常是铝。反射望远镜镜筒较短，而且易于制造更大的口径, 所以现代大 型天文望远镜几乎无一例外都是反射结构。3.折反射望远镜

在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。比较著名的有施密特望远镜。

2.2 望远镜的常见参数 1.放大倍数

一般用目镜视角与物镜入射角之比作为望远镜放大倍数的标示，但通常用物镜焦距与目镜焦距之比计算，表示景物被望远镜拉近的程度，比如一具10倍放大倍数的望远镜表示用此望远镜观察距观察者1000米处的景物的效果，距观察者不使用望远镜而直接在100米处肉眼观察该景物的效果是一样的。2.视场角（视场范围）

用1000米处产品可视景物范围标示，如126M/1000M，表示距观察者1000米处，望远镜可观察到126米范围的视场。3.入瞳直径 4.出瞳直径

光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径。5.分辨率

分辨率就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。6.黄昏系数

由德国蔡司光学公司发表。反映了不同口径和放大倍率的望远镜在暗光条件下的观察效能。计算方法：望远镜的倍率和口径的乘积求开平方。7.视度范围 8.光轴平行度 9.像倾斜

2.3 望远镜的一般结构

简易天文望远镜由物镜、物镜镜筒、目镜、目镜镜筒等组成。最简单 的望远镜由两片镜片组成, 物镜为凸透镜或凹镜, 目镜可以是凸透镜, 也可

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以是凹透镜。中央比边缘薄的是凹透镜, 用来纠正近视;中央比边缘厚的是凸透镜, 用来纠正远视。开普勒望远镜 3.1 成像原理 原理由两个凸透镜构成（如图1）。由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。

正像系统分为两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。透镜正像系统采用一组复杂的透镜来将像倒转。

图1开普勒（Kepler telescope）望远镜光路示意图:

3.2 放大率定义 1..垂轴放大率

代表共轭面像高和物高之比。2.轴向放大率

当物平面沿着光轴移动微小距离dx时，像平面相应地移动距离dx’,比例

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dx/dx’称为光学系统的轴向放大率。3.角放大率

角放大率是共轭面上点A出发的光线通过光学系统后，与光轴的夹角U’的正切和对应的入射光线与光轴所成的夹角U的正切之比。

这三种放大率依次记为

由图1开普勒（Kepler telescope）望远镜光路示意图可求出望远镜系统的三种放大率为：

＝-'f1'f1＝-...............................................................(1)f22f2＝'f1f2式中，f1',f2分别是和目镜的焦距。由式可见，望远镜系统的放大率仅仅取决于望远镜系统的结构参数。4.视放大率：

望远镜系统的视放大率（又称视角放大率）是远处物体经系统所成的像对眼极限分辨角：

tan'睛张角'的正切与该物体直接对眼睛张角的正切之比。以表示公式为：

f1'tan-f2...........................................(2)一定类型的目镜,它的视场角2'是一定的。增大视放大率必须同时减少视场角2。5.视角分辨率

望远镜的正常放大率应使望远镜能分辨的眼睛也能分辨。光学仪器的极限分辨角为，要求60''70''（人的眼睛的极限分辨角为60''）。

tan'tan60''...............................................(3)3.3 外形尺寸参数设计与计算： 3.3.1 已知参数：

1.镜筒长度L315mm 2.放大率Γ20 3.视场角2320

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3.3.2 求解外形尺寸参数:

1.目镜的视场角2'：

由公式（2）得：tan'tan20tan1.667

30.202'3012'……………………………….（4）

2'6024

2.望远镜的分辨率：

由望远镜分辨率与视放大率关系式即公式（3）：

60''6020''3......................................................................（.5）''3.物镜的通光口径D：

物镜的口径取决与分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应，望远镜口径与放大率的关系满足D2.3，为减轻眼睛负担，可取(0.5~1)*D及D(1~2)*，这里系数取1.5，则:

…………………….……………..（6）

D1.530mm4.出瞳直径D'：

DD'D'D30201.5mm.........................................................（7）

5.物镜焦距f1'与目镜焦距f2：

Lf1’f2315‘f120f2f‘300mm1..................................（8）f215mm

6.视场光阑的直径D视：

'视场光阑的直径D视取决于物镜的像高y物

y物＝f1tanD视2y物2f1tan............................................................（9）2300tan1.6717.46mm''''

7.目镜口径D目：

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目镜的视场角2，以及出瞳直径2Rz限制了目镜的口径，据此计算：

tanR目RzlxD目2*R目2*(1.515.75tan3020)...............................................（10）21.334mm8.出瞳距lz：

孔径光阑选在物镜框上，轴外光束的主光线通过物镜中心O，假定在目镜组的投射高为R

tantan()tan()tan()''RL'RlzlzLLL3152015.75mm..............................（..11）''lztan()tan()

9.目镜的视度调节量：

xf2x'251510002mm1.125mm.........................(12)4 物镜和目镜结构的选取：

4.1 物镜 4.1.1 物镜的选取

为了克服色差引起的成像模糊和获得较高的分辨率、较强的亮度，常采用双胶合物镜和双分离物镜。1.双胶物镜

双胶物镜（如图2）是一种常用的消色差望远物镜，它结构简单，制造方便，光能损失少采用不同折射率的冕牌玻璃和火石玻璃搭配而成，当合理选配时可同时校正球差，色差及正弦差。但由于热胶合会产生玻璃变形而影响精度，一般口径不宜超过80mm。双胶合物镜不能校正二级光谱，其值与焦距成正比，是个定

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值。又因为这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角不得超过8。～10。

图2：双胶物镜

图3：双分离物镜

2.双分离物镜

双分离物镜（如图3）用于口径较大的望远镜物镜。由于可以利用正负透镜之间的间隙设计，使带球差有所降低，但色球差依然不能校正，二级光谱反而有所增大，其他像差校正与双胶合透镜雷同。但装备稍困难一些，对物镜框的要求高一些。它和双胶合物镜比有如下优缺点：

a)光能损失比双胶能物镜大些；

b)适应于直径加大的情况，双胶合物镜因受胶层应力和脱胶的影响，直径不宜超过100mm,而双分离物镜没有这种限制。

c)双分离物镜装配对困难，使用中也容易尚失共轴性。

4.1.2 物镜组的主要参数

1.等效焦距f1' 2.相对孔径Df' 3.视场角2

物镜选取经计算所得的物镜组参数为： 等效焦距f1'300mm

相对孔径 Df1'30300110 视场角23.33

望远镜物镜的结构型式主要有6种，双胶合透镜适用的光学特性和特点主要有：

视场为210

不同焦距适用的最大相对孔径为：

501;30031;1501;100064110计算所得参数正好满足双胶合物镜的各项指标，故选用双胶合物镜作为此望远镜的物镜.第7页

4.2 目镜 4.2.1 目镜的选取

1.惠更斯目镜（H或HW）

由二片分离的同种牌号玻璃的平凸透镜组成，两凸面皆朝向物镜（如：图4）。较大透镜的焦距近似于较小透镜的三倍。此类目镜消除了彗差，倍率色差，像散也很小，但球差和位置色差还较大。像场非常弯曲，向眼睛这一边突出，因此视场角较小，仅为250～400。由于目镜的第一主焦点在二块透镜之间，故不能安装十字或分划板，不能作为测微目镜。此类目镜容易制造，价格低廉，但眼睛必须很靠近接目镜而不方便，在望远镜中不常用。

将惠更斯目镜的场镜不用平凸透镜而改成弯月形透镜，不仅使场曲有所改善，有效视场可增至50*，这种目镜常用于一般折射望远镜中。

图4惠更斯目镜

图5冉斯登目镜

2.冉斯登目镜（R或SR）

此类系统目镜特别适用于小型望远镜使用。由于它仅由二片同种光学材料制成，且有一面是平面，二凸面相对而置（如：图5），价格则比较便宜，也容易制造。此目镜没有畸变，但有色差。因为球差小，且视场光栏在目镜的场境前，因此可以作为测微目镜和导引目镜。此目镜的场镜平面离视场光栏甚近，场镜平面上的小点及灰尘都能在接目镜上看到。视场的视尺寸约250～400。

两镜片可取完全相同的材料及尺寸，每片的焦距为f'=4/3×f（f为目镜焦距），镜片的一面是平面，另一面的曲率半径R＝(n-1)×f'。此式中n为所选取光学玻璃的折射率，一般采用K9玻璃，可取np＝1.5163（nD是波长为5893A时的折射率）。而二片镜片之间的间隔d＝2/3×f'（d为二球面顶点间的距离）。3.凯涅尔目镜（K）

一种改进型的冉斯登目镜，二片组成的接目镜及双凸透镜作为场镜（如：图6）。它能校正倍率色差，同时也减小了位置色差、像散和畸变。视场角大于400，可达500。此目镜系统在天文望远镜中普遍采用，特别适用于低、中倍率。

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图6凯涅尔目镜

(a)

(b)

图7对称目镜

4.对称目镜

由两个双胶合组构成的物镜（如图：7）。随着两透镜组相对位置的不同，可以分为如（a）和(b)所表示的两类。图（a）形式的物镜可以增大相对孔径达到1：2.5~1：3;图（b）形式的物镜可以增加视场。例如，相对孔径为1：5时视场可以达到300

图8无畸变目镜

图9爱勒弗广角目镜

5.无畸变目镜

采用四片组结构，由一块三胶合透镜和一块平凸透镜组成，其中三胶合透镜中间的一块为负透镜（如图：8）。阿贝无畸变目镜能够很好地消除球差、色差，还消除了畸变，视场约为40-45度，特别适用于高倍率的观测，如观察行星的表面。这种目镜是由德国物理学家恩斯特·阿贝于1880年发明的。6.爱勒弗广角目镜

1917年研制成功，是专门为需要大视场的军用望远镜设计，是其后所有广角目镜的鼻祖，结构为5片三组，视场高达60-75度（如图：9）。非常适合观测深空天体，由于边缘存在像散，所以不太适合高倍设计，其在低倍时的表现是非常出色的。

4.2.2 目镜组参数

经计算所得的目镜组参数

15mm 1.等效焦距f‘目2.相对孔径 D'f1'1.515110

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3.视场角2‘6024'

''4.相对出瞳距离：lZf115.75151.05

以上参数基本满足爱勒弗广角目镜。故这里选用爱勒弗广角目镜作为望远镜目镜。转向系统的设计: 对于开普勒望远镜，放大率为负值，系统成倒立的像，所以，要成正立的像，就必须在系统中加一个转向系统，由一组棱镜构成，实现转像有两种结构的棱镜，porro棱镜和roof棱镜。porro棱镜的优点是结构简单，透光率高，成像质量好，但望远镜体积偏大。为了克服这个缺点，可以采用反向porro棱镜转像，不过又带来了新的问题，物镜的口径偏小，不适合低照度环境下使用。roof棱镜的最大优点是采用它之后望远镜的体积可以做得最小，望远镜的重量也随之下降，但是这种棱镜结构复杂，而且透光率比porro棱镜低5%，需要镀相位膜，所以要做个优质roof棱镜望远镜，要付出很大代价。

第10页 望远镜的初级相差设计（P-W设计）

6.1 像差公式： 球差和数SIhP(1)彗差和数ShzJW(2)2hzhz2像散和数SP2JhhWJ(3)2 像弯和数SIVJ(4)32hzhzh畸变和数SV2P3J2WJ2z(3)(5)hhh2位置色差和数SIChC(6)倍率色差和数SChhzC(7)由初级像差直接求解薄透系统的结构参数，大体步骤如下：

已知的外部参数,h,hz,J代入，列出只剩下各个透镜像差特性参数P,W,C的初级像差方程组并求解。由P,W,C求各个透镜组的结构参数。

6.2 系统光路图 6.3 伽利略望远镜系统简介 伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。其优点是镜筒短而能成正像，但它的视野比较小。但自从开普勒望远镜发明后此种结

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构已不被专业级的望远镜采用，而多被玩具级的望远镜采用，所以又被称作观剧镜。

伽利略望远镜结构图和成像图： 设计总结及心得体会 设计性实验的关键是方案的选择 ,核心是设计 ,目的是将已掌握的知识应用于具体实践中 ,通过对光学望远镜实验装置的设计 ,使我们在这几方面都得到初步训练。设计过程中，重新学习了光学的有关内容，加深了对知识的理解。3 学到了基本的光学工程设计的流程，从外形尺寸的计算到光学零件结构的选择，及相差的设计等。对望远镜等光学系统有了整体的认识，熟悉了光学系统设计的基本的指标参数，如分辨率，相对孔径及相差等。

由于对专业的设计软件不熟悉，作图是用的word的基本作图工具所作，不是很专业。

由于设计性实验的灵活性 ,学生的自由空间大 ,课堂气氛活跃 ,又充分调动了学生学习的热情和主动性 ,更激发了作实验的兴趣 ,学 生普遍反映这样的实验选题好 ,对以后的毕业论文设计和科研能力一定会有帮助 ,希望今后多开设些此类实验。

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第二篇：《工程光学课程设计》课程简介

《工程光学课程设计》课程简介

一、课程基本信息

课程代码：0807908007

课程名称：工程光学课程设计

英文名称：Course Project of Engineering Optics

学分：1总 学 时：1周讲课学时：实验学时： 1周上机学时： 0课外学时： 0

适用对象：光电信息科学与工程专业学生

先修课程：大学物理、高等数学、工程光学

开课单位：通信工程学院

二、课程内容与教学目标

本课程是学完《工程光学》课程之后，让学生综合运用工程光学知识，进行光学系统的设计，以加深对工程光学基本知识的理解，对教材内容有一个系统的全面的认识。在课程实验的基础上，进一步提高综合应用知识、分析解决问题的能力，达到将理论知识和实践初步结合的目的。

三、对教学方式、实践环节、学生自主学习的基本要求

1、学习对基本的光学元件的特性和功能进行测试；

2、初步掌握简单组合光学系统的设计；

3、撰写规范的设计总结报告，培养严谨的作风和科学的态度。

四、考核方式与学习成绩评定（请注明平时成绩、考试成绩、实验成绩等各部分占比）

1、考核方式：根据考勤、设计、答辩验收、报告撰写情况综合评分

2、成绩评定：书面设计和设计总结报告的综合成绩25%；完成设计、完整的结果数据60%；创新能力 5%；态度和纪律10%

最终成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五档。

第三篇：c++课程设心得

C++课程设计心得体会

短学期的课程设计是一次非常珍贵的机会，这是一次可以让我们所学的理论 与实际相结合的机会。我们选择了成绩统计系统这一题目。通过这次比较完整的一个程序的设计，我走出了纯理论的学习，从一种全新的角度去学习。并且在小团队实现的过程中，除去知识的大量更新，我学到了很多东西。

其实个人而言，我体会较深的一点是团队互相帮助学习的过程，自己看书学习的经验，以及从网上以及其他各种途径获得信息和知识的经验。理论与实际相结合的设计，锻炼了我综合运用所学的基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、对程序整体的把握等其他能力水平。而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，我的各方面经验都得到了极大的丰富。同组的同学有着很强的C++实力，在进行编程的过程中，我向她学到了c++的很多知识，交流中也总结出比书本上更精髓生动的语言。在自己琢磨c++各种陌生知识的时候，队友的耐心与任性，对于知识的渴求，对于工作的专注，极大程度上鼓舞了我。我们在交流中，迸发出了很多设计灵感，互相建议改进的过程中，我们分别从各个方面共同改进着，这个已经不能仅仅称作课程设计的作品。从知识获得方面来说，各种已经学习到的C++知识以及各种从网上搜索来的案例，我们都是随着设计的不断深入而不断熟悉的。和老师以及同学的沟通交流更使我对程序整体的规划与设计有了新的认识，也对自己提出了新的要求。

提高是有限的但提高也是全面的。正是这一次设计让我积累了许多实际经验。也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的耐力、理解力、实践力。顺利如期的完成本次课程设计给了我很大的信心，但是也为我指出很多不足的地方。学习其实就是一个不断完善的过程，正视自己的不足之处。在以后的工作和学习中不断的弥补这些不足之处，在以后的生活中也要保持同样的态度，不断地完善自己。

为期一周不到的MFC课程设计就要这样画上一个句号了。从这不长不短的四周中，我获得了知识，学到了研究的坚持与韧性，这一周不仅仅是交出了一份作业，还对自己有了新的认识。

C++课程设计心得体会

“课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。”在这次课程设计的过程中，我深深地体会到了理论与实践结合的过程，当实践成功时的成就感，从整个过程中我受益匪浅。

从确定了题目，一直到完成整个大作业，在整整一周的日子里，我学到很多的东西。不仅可以巩固了以前所学过的知识，并且发掘了很多在已有的书本上所没有的知识。在设计的过程中遇到问题很平常，从没见过的、没有任何头绪解决的、第一次做的、问题都肯定是难免。而解决这些问题的过程，给我带来了极大的收获。除去知识上的自我完善，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，完善自身的不足，也是这次课程设计给我带来的很大的收获。短学期课程设计我们小组选择了成绩统计系统的题目。在已有的C++知识基础上，大量的MFC新知识只能从书籍和网络中获得，这个过程中，我的自学能力和研究能力得到了极大地提高。通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，把知识变成自己的，这样才能提高自己的能力。独立思考的能力，学习的能力，动手实践的能力等等。至今我感慨颇多的应当是一些难以查出的错误，编译时查不出的错误，其被发现时很可能只是位置的错误，仅隔数行，这些微小的信息却极大地影响了整体的效果。这不仅存在于一个程序之中，因而我对于生活中的细节也有了改观，对于整体和局部的观念也有了更多的见解。在课程设计过程中，我还感受到了来自于同学小组间交流“头脑风暴”给作品带来的极大改变，向老师及时咨询也为我们的作品带来了极大的帮助。转眼已经是周末，我们的课程设计结束了，但是它留给我的东西恒久有效。不论是已经属于我的知识，还是它带给我的能力，都使我在各个方面得到了自我完善。我们学习的目的就在于实践，这次实践的过程给我带来了极大的收获，将成为我学习生涯中一次独特的经历。

第四篇：2012《统计光学》研究生课程考试试题

一、简答题

（1）维纳-辛钦定理及其重要作用；

（2）平稳随机过程与各态历经随机过程；

（3）单模激光光强的一阶统计特性及不同工作阈值对激光统计特性的影响；

（4）给出光波相干时间、相干长度和复相干度的定义。

（5）范西特-泽尼克定理。

1

二、已知随机变量 Ucos，Vsin, 且P()0证明：U与V互不相关。2其它2

三、试证明：偏振热光瞬时光强的标准偏差等于瞬时光强的均值，也等于偏振热光振幅方差的二倍。

四、叙述交叉谱纯及其成立的条件，并证明其成立的条件。

五、窄带光时变相位复矢的场解析信号为uip,tAip,te光波的时间延迟为x,y21j2t，其穿过薄透明物体x,y处nx,yndx,y，设由物体产生的时间延迟差比光的相干时c间小得多。请导出入射互强度与透射互强度的关系。

六、推导有随机相位屏系统的平均光学传递函数，并说明其物理意义。

第五篇：几何光学课程教学改革与实践

几何光学课程教学改革与实践

摘 要：针对学生实际和课程的发展，在几何光学教学中，根据教学内容的取舍、数学处理的详略、科学素质的培养和多媒体的使用等进行了研究和实践探索，取得了较好的教学效果。

关键词：几何光学；教学；改革

Educational reform and practice in geometrical optics

Yue Baowang，Gao Yan

Xinzhou Teachers University，Xinzhou，034000，China

Abstract： Against the circumstance of the students and the development of the course，study the choice of the teaching content，the treatment of mathematics，the training of scientific literacy and the usage of multimedia.And get better results in teaching.Key words： geometrical optics； teaching； reform

几何光学是光学中以光线概念为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要分支。几何光学发展历史长，理论完善，其结论在许多情况下符合实际，在日常生活和生产实际中有着广泛的应用。几何光学作为师范类物理专业的一门必修课，对未来中学物理教师的培养有着重要的作用。但由于该课程内容理论性较强，概念比较抽象，数学处理方法较难，再加上课时紧任务重，因而要深入学习比较困难。近几年，我们针对该课程教学中存在的问题，主动适应基础教育新课改的需要，为培养合格的中学物理教师，不断进行教学方法的改革与实践，总结出一套较适合几何光学课程的教学方法。几何光学课程教学内容的改革与实践

课程的内容体系，是提高课程教学质量和实现教学目标的核心和基础。因而我们首先对几何光学课程内容从以下几个方面进行了改革与实践。

（1）在保证几何光学基础内容和自身体系基本完整的前提下，删除与初、高中重复的内容和对后续课程关联不紧密的内容以及与培养目标相去甚远的内容[1-2]，例如：在几何光学的基本原理一章中删除光的直线传播定律、光的反射定律、平面反射成像、理想光具组中共轴球面系统的组合、厚透镜、薄透镜组合和近轴光学中的矩阵方法等；在光学仪器的基本原理一章中删除人眼的结构、幻灯机和投影机的原理、像差等内容；压缩和简化了平面折射成像、全反射、三棱镜、薄透镜作图求像（利用主光轴和过焦点的光线）、光学仪器的分辨本领等内容。以上做法为增加几何光学研究新成果和热点内容的介绍赢得了时间，创造了有利条件。

（2）用有关几何光学的应用研究成果，充实几何光学部分应用内容，同时重视内容的科学组织，增强几何光学自身的逻辑性和系统性，侧重理论联系实际。如讲授光学纤维时介绍其历史和典型的应用；讲到棱镜时，对棱镜光谱仪分光的定量测量的成果做适当介绍；讲授薄透镜时，介绍薄透镜在光学仪器中的应用，尤其是进行最新研究成果的介绍；在理想光具组的基点基面中讲授节点时，增加照相机中转机的介绍，增强学生对节点概念的认识和对理想光具组理论的理解；讲授显微镜时，结合实际介绍电子扫描显微镜；介绍近视眼矫正时，理论联系实际应用，简要说明如何配眼镜。使学生感受到课程与日常生活实际的联系，提高学生的学习兴趣。

（3）教学过程中结合教学内容，适时介绍几何光学研究的热点、重大发现和进展，激发学生对几何光学的学习兴趣。如讲授光导纤维时，特意说明：现有传输总容量达到17.32 Tb/s，相当于2.1亿对人在一根光纤上同时通话。如讲授望远镜时，讲明最先进的望远镜早已经不是哈勃望远镜了，夏威夷的凯克天文台是目前最好的望远镜（拥有两座世界上口径第二大的光学近红外线望远镜―凯克望远镜，口径10米，仅次于西班牙口径10.4米的加那利大型望远镜）。讲到显微镜时，介绍目前最好的显微镜的放大倍数和最高的分辨本领，即最先进的扫描隧道显微镜放大倍数为3亿倍，分辨率可达0.1埃。同时介绍我国1979年研制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜，中科院北京电镜实验室和大连理工大学研制的中国第一台光子扫描隧道显微镜，增加学生的民族自豪感，激发学生的学习积极性和主动性。恰当处理教材中数学推导繁和难的问题

数学对于物理专业的学生来讲，是不可或缺的工具，但由于一些学生数学基础较差，部分学生对数学推导兴趣不高，因此，如何在有限的学时内，使学生较好地掌握用数学处理几何光学问题的方法，是教师在几何光学教学中面临的重要问题，这直接关系到光学课程的教学质量。对此我们将几何光学中的不同内容，从物理教学实用的角度出发，加以深刻研究，开展数学与几何光学教学内容的优化整合。

如讲授由费马原理导出几何光学的实验定律（反射定律和折射定律）时，我们用简单明了的取极小值定性说明而非用严格数学推导，抛开相对烦琐的数学推导，用理性的理解取极值的含义，通过实例来证明费马原理取极大值、极小值和常数3种情形下的正确性而非严密推导。在导出单球面反射和折射成像公式中，只需用费马原理光程取极值再加近轴条件导出其单球面反射物像公式即可，而单球面折射成像公式也不必进行数学推导。在讲授光源在较近或较远时的聚光本领时，不进行数学推导过程，而只对结论进行必要的阐明和理性分析。棱镜光谱仪和光栅光谱仪的角色散率和色分辨本领也不做严格的数学推导，仅简述导出过程且对结论进行基本的探讨和说明。这样处理使大多数学生能正确理解光学知识，从而避免枯燥的数学推导，提高了学生的学习兴趣。注重培养学生的科学素质

在光学课程教学改革中，我们把以知识学习为主转变为以科学素质教育为主，着眼于培养敢于创新、善于思索的21世纪未来中学物理教师，着重培养学生的创新精神和自主学习的能力，从强调依靠教师“教会”，转变为注意引导学生“学会”，并使学生“会学”[3]。为此，在改革中还要注意吸收利用近年来教学研究新成果，反映光学研究最新动态，通过这些知识的传授提高学生的科学素质和能力，为学生知识、能力、素质协调发展创造条件。

如在几何光学作图求像中，学生对薄透镜作图求像中熟悉的一条特殊光线是过透镜中心的光线不改变传播方向这一规律，而在单球面反射和折射作图求像中引导学生找到过哪点的光线符合类似的规律，进一步在薄透镜利用副光轴和焦平面作图求像中，如何用过透镜中心光线（副光轴而非主轴）实现作图求像。又如通过单球面反射的横向放大率，分析成像的性质，包括像的大小、正倒立和虚实。分析中强调根据横向放大率的基本定义式β=―y'/y[4]可方便判定像的大小、正倒立，根据单球面反射的横向放大率公式β=―s'/s可方便判定像的大小、虚实，而在单球面折射成像中利用根据横向放大率的基本定义式和单球面折射的横向放大率具体公式，再考虑到折射的实际光线是区别于反射，不难根据横向放大率表达式确定成像的性质，进一步根据薄透镜横向放大率表达式也能判断其成像性质。在几何光学中若要近似成像，必然要用到近轴光线条件，即光线与主轴的夹角很小，满足u≈sinu≈tgu，在单球面反射成像中要用到，同样单球面折射中也要用到，并且在导出助视仪器的放大本领、分辨本领时用到，应该引导学生注意到这一条件的变化情况，在直角三角形中直角边长近似等于斜边长，且在有关的公式推导中会自己使用。发挥多媒体教学的优势

应用多媒体教学可使课堂教学内容更加形象化，增强生动性[5]。由于几何光学中光路图特别多，尤其是在讲授光学元件的多次成像、目镜原理、显微镜工作原理时光路图较为繁杂，若教师采用板书画图或者挂图进行讲解，必然会消耗时间太多，教学效率低且形式单一缺乏生动性。因此，我们注重使用多媒体教学，将需要讲解的光路图以动态（声音、图形、动画等）形式展示给学生，让学生看到类似于真实光线的行进，将较为抽象的理论概念，以直观形象的形式展现给学生，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的主动性，使学生理解并掌握光的传播规律。同时在使用多媒体教学中，教师还要多关注学生的学习表情，随时根据学生对知识的接受情况，调整授课速度，尤其是调整多媒体课件的播放速度。当部分学生有不理解的情况时，应适当放慢多媒体播放的速度并配合板书以求学生听得懂看得清能理解。另外，我们将多媒体教学与适当的板书讲解有机结合，如针对讲授的重点或者难点内容，辅以板书，特别是光学有关公式的推导演绎。板书的形式能让学生看得更直观明了。结束语

在几何光学的教学中，我们进行了一些改革探索，取得了一定成绩，但几何光学课程的教学改革和实践还处于初级阶段，有待进一步深入研究和实践。

参考文献

[1] 吴现成.光学课程教学改革初探[J].高等理科教育，2001（4）：35-38.[2] 钟金钢.21世纪普通物理光学教学改革思路研究[J].中山大学学报论丛，2002，22（1）：120-122.[3] 王秀琳.光学教学改革的探索与实践[J].集美大学学报：教育科学版，2006，7（2）：75-77.[4] 姚启均.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2009.[5] 李辛毅.光学课程教学中多媒体应用的实效性研究[J].滁州学院学报，2009，11（3）：74-75.