光学成像系统设计基础

课程编码：180208082703P3013H 英文名称：Fundamentals of the Optical Imaging System Design 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：张小威等

本课程为核科学与技术学院（工科）研究生的学科基础课。课程的开设主要基于以下两点工程技术需求：
1. 从基础应用的角度来说，核科学与技术中光学应用是非常重要的一个重要方向。装置的建设、发展与运行，需要有足够的基础光学知识。对于非光学专业的学生，该课程可为其开展工作奠定基础。
2. 从工程应用角度来说，大科学装置的建设和运行需要高顶尖的检测技术。光学技术与相关设备是非常重要的组成部分。光学检测技术的优势包括检测精度高，可以在复杂工况下开展实验测量等。了解掌握各类光学检测方法的工作原理，对于发挥光机设备的性能、解决工程技术问题必备的专业知识。

考虑到核科学与技术学院学生本科专业背景多样性的特点，本课程陈述与光学前沿技术密切相关的基本理论、实现方式方法。主要分成三个部分：（1）重新组织的光学基础知识，突出与工程应用密切相关的基本光学原理，包括几何光学与波动光学；（2）光学成像系统的理论与方法，光学成像系统具有独特的设计方法与评价体系，这些对于同步辐射束线光学、天文光学等大型系统的设计具有指导意义；（3）常用光学测量技术与方法，介绍基本的测量理论、测量方法，并给出各类常见的光学测量仪器。
作为工程技术类的课程，结合授课者的科研经历，本课程还安排一系列的演示实验，加深学生对技术应用的印象。同时结合当前工程上的应用，开放一些短小的研究性课题，形成研究兴趣小组，为下一阶段的研究工作做基本准备。

大学物理

第一章 光学系统设计概论
第1节 光学发展史 1学时 张小威
第2节 几何光学的基本定律和原理 0.5学时 张小威
第3节 成像的基本概念与完善成像条件 0.5学时 张小威
第4节 python编程初识（安装、画图、函数） 1学时 张小威
第二章 子午光线追迹理论
第1节 单表面折射与近轴近似 0.5学时 杨福桂
第2节 光线追迹方法 1学时 杨福桂
第3节 成像评价指标 0.5学时 杨福桂
第4节 仿真实验：胶合透镜的追迹 1学时 杨福桂
第三章 一阶光学设计理论
第1节 高斯光学（基点、基面） 1学时 杨福桂
第2节 矩阵光学 0.5学时 杨福桂
第3节 不变量与系统放大率 0.5学时 杨福桂
第4节 仿真实验：矩阵光学的实现 1学时 杨福桂
第四章 一阶光学系统
第1节 单透镜成像系统 0.5学时 杨福桂
第2节 双透镜成像系统1 1.5学时 杨福桂
第3节 仿真实验：系统成像 1学时 杨福桂
第4节 双透镜成像系统2 0.5学时 杨福桂
第5节 zoom成像系统 1.5学时 杨福桂
第6节 仿真实验：交互式编程 1学时 杨福桂
第五章 像差与色差
第1节 像差总论 1学时 杨福桂
第2节 色差 1学时 杨福桂
第3节 仿真实验：胶合透镜的色差 1学时 杨福桂
第六章 色差与材料
第1节 反射、吸收、色散 0.5学时 张小威
第2节 光学玻璃 1学时 张小威
第3节 光学塑料 0.5学时 张小威
第4节 仿真实验：材料库的使用 1学时 张小威
第七章 光阑与口径
第1节 口径与光瞳 1学时 杨福桂
第2节 视场光阑 0.5学时 杨福桂
第3节 景深 0.5学时 杨福桂
第4节 仿真实验：交互式变口径 1学时 杨福桂
第八章 球差
第1节 表面贡献方程 1学时 杨福桂
第2节 带球差 0.5学时 杨福桂
第3节 主球差 0.5学时 杨福桂
第4节 仿真实验：胶合透镜球差评估 1学时 杨福桂
第九章 球差校正的消色差镜头
第1节 四光线方法 1学时 杨福桂
第2节 一阶光学设计 1学时 杨福桂
第3节 带球差的校正 1学时 杨福桂
第十章 斜光束与斜像差
第1节 斜光束的追迹 1学时 杨福桂
第2节 慧差 1学时 杨福桂
第3节 仿真实验：胶合透镜的慧差评估 1学时 杨福桂
第4节 像散 1学时 杨福桂
第5节 场曲 0.5学时 杨福桂
第6节 畸变 0.5学时 杨福桂
第7节 仿真实验：胶合透镜的斜像差评估 1学时 杨福桂
第十一章 球差和慧差校正的镜头设计
第1节 非密贴型 1学时 杨福桂
第2节 平行空气间隙型 0.5学时 杨福桂
第3节 三胶合透镜 0.5学时 杨福桂
第4节 仿真实验：非密贴型透镜设计 1学时 杨福桂
第十二章 光阑变化的镜头设计
第1节 H'-L制图 0.5学时 杨福桂
第2节 简单风景物镜 0.5学时 杨福桂
第3节 消色差风景物镜 1学时 杨福桂
第4节 风景物镜的发展 1学时 杨福桂
第十三章 光的电磁场理论
第1节 光的电磁性质 0.5学时 张小威
第2节 光在界面上的反射和折射 0.5学时 张小威
第3节 光波的叠加 1学时 张小威
第4节 光波的傅里叶分析 1学时 张小威
第十四章 光的衍射
第1节 光波衍射的基本理论 0.5学时 张小威
第2节 菲涅耳衍射与菲涅耳波带片 1学时 张小威
第3节 典型孔径（矩孔，单缝和圆孔）的夫琅和费衍射 0.5学时 张小威
第4节 光学成像系统的衍射和分辨本领 1学时 张小威
第十五章 光的干涉
第1节 光波干涉的条件 1学时 张小威
第2节 杨氏干涉实验 0.5学时 张小威
第3节 干涉条纹的可见度 0.5学时 张小威
第4节 平板的双光束干涉 0.5学时 张小威
第5节 平行平板的多光束干涉 0.5学时 张小威

张小威，中国科学院高能物理研究所返聘研究员。
杨福桂，中国科学院高能物理研究所研究员。