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下一节:光学工程的特点

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大家好

欢迎大家来到

我们光学工程基础的慕课课堂

我们将带领大家

一起进入奇妙的光学世界

今天是第一讲绪论

介绍一下光学工程基础

这门慕课课程的背景

我们先讲光

介绍一下光的两个基本属性

然后讲光学

简要回顾一下

光学发展的几个重要阶段

再讲光学工程

讨论光学工程的主要内容

最后回到我们的光学工程基础课程

介绍一下光学工程基础

慕课课程的大致安排

我们先从光开始谈起

大家知道阳光是人类

赖以生存的最基本元素

太阳给人类的生存

动植物的生长提供了光和热

我们地球上一切生物的能量

都直接或间接的

来自太阳光

所以说光是能量的载体

同时眼睛是人类感官中

最重要的器官

我们大脑中

大约有80%的信息和知识

都是通过眼睛获得的

所以说光是信息的载体

第二我们讲光学

光学是研究光的行为和性质

以及光与物质相互作用的

物理学科

人类在认识世界

和改造世界的过程中

首先就对我们周围的光

产生了浓厚的兴趣

光学的发展标志着人类文明的

发展进程

早在公元前400年

也就是中国的先秦时代

墨经中就记录了关于光的知识

其中有八条光的记载

比如说叙述了影的定义

光的直线传播性

针孔成象等等

它还以严谨的文字

讨论了平面镜

球面镜 凸球面镜

凹球面镜等物象关系

此后经过漫长的发展

逐渐形成了以光的直线传播

光的折射和反射为基础的

几何光学

又叫应用光学

到了19世纪中叶

也就是1864年

英国著名的物理学家麦克斯韦

提出了麦克斯韦方程组

并预言光是一种电磁波

他的这个预言在1888年

被赫兹的光速测量实验所证实

从此以后便形成了

以光的电磁场理论为基础的

波动光学

到了20世纪初

1905年的时候

爱因斯坦

用量子理论解释了光电效应

他认为在光与物质

相互作用的过程中

光是以光子为最小单位进行的

从此以爱因斯坦的

量子理论为基础的量子光学

逐渐建立

几何光学

把光看成是携带了能量的几何线

波动光学

把光看作是电磁场的传播

而量子光学把光看作是

一个一个能量粒子的辐射

他们三者之间的关系

是什么样的呢

量子光学和波动光学

又统称为物理光学

他们专门研究光的本质属性

光的传播规律

光与物质相互作用的关系等等

波动光学和量子光学

分别揭示了光的波动性和量子性

也就是我们所说的波粒二象性

也就是光的本质属性

光在传播的过程中

主要表现为波动性

而在与物质相互作用的过程中

更多的表现出粒子性

几何光学和其他两个

之间的关系是什么呢

几何光学是波动光学

在波长可以忽略

也就是波长趋于零时的一种近似

尽管它是一种近似

但在光学仪器设计中

是非常实用的

人们利用这些已经发现的

光的特性和传播规律

发明了很多光学仪器

如天文望远镜

生物显微镜

高分辨相机

紫外可见近红外光谱议等等

这些仪器在人类探索

和发现世界的过程中

发挥着巨大的作用

并且还将发挥不可替代的作用

人类对光学的研究

还将继续

人类对光学世界的认识

仍在不断超越

并且永无止境

第三我们讲光学工程

光学工程是一门历史悠久而又年轻的学科

在早期呢

光学工程主要是基于

几何光学和波动光学

拓宽人的视觉能力

并且建立了以望远镜

显微镜照相机

光谱议和干涉仪等为典型产品的

光学仪器工业

这些技术和工业到今天为止

仍然发挥着巨大的作用

到了上世纪中叶

产生了以全息术和傅里叶光学

为基础的光学信息处理技术和理论

特别是上世纪60年代初

第一台激光器的问世

实现了高亮度和高时—空相干性的光源

使光子不仅成为信息的相关载体

而且成为了能量的有效载体

我们接下来看一看

光学工程的相关学科

随着激光技术

和光电子技术的崛起

光学工程已经发展成为

以光学为主

并且以信息科学

能源科学、材料科学

生命科学

空间科学

精密机械

计算机科学

及微电子技术等等学科

紧密交叉和相互渗透的科学

光学工程涵盖了

许多重要的新兴学科分支

如激光技术

光通信

光存储与记录

光学信息处理

光电显示

全息和三维成像

薄膜光学集成光学

光子和光电子技术

激光材料处理和加工

红外热成像技术

光电测量 光纤光学

光电子仪器与器件

光学遥感技术等等

这些分支不仅使光学工程产业

得到质的飞跃

而且推动建立了一个

迅速扩大的前所未有的

现代光学

和光电子产业

最后我们回到光学工程基础

这门慕课课程

光学工程基础

慕课课程不可能涵盖

我们上面所说的

光学工程的全部内容

光学工程基础慕课课程

主要涵盖几何光学

和波动光学的基础知识

它的主要目的呢

是为大家进一步学习

光学工程专业其他课程

或者从事光学工程专业研究

或者从事光电子产业产品开发

打基础

光学工程基础是测控技术与仪器专业

光学工程专业

本科生的必修课

也是光电信息科学与技术专业

本科生的专业基础课

是机械电子工程专业的限定选修课

物理和光学等其他专业

本科生或研究生的选修课

光学工程基础

主要包括两大部分内容

第一部分是应用光学

第二部分是波动光学

应用光学包括理想光学系统

光线追迹和成像质量

典型光学系统

而波动光学包括

光的电磁场理论

光的干涉

光的衍射

傅里叶光学

晶体光学基础

本课程使用的教材

是机械工学出版社

郁道银,谈恒英两位老师主编的

工程光学第三版

还有两本参考书

一本是清华大学出版社

2006年出版的

毛文炜教授主编的

光学工程基础(一)

主要是几何光学部分

还有一本是高等教育出版社

2011年出版的北京大学

赵凯华教授主编的

新概念物理教程

全部视频由四位老师主讲

几何光学部分由

谭峭峰老师和朱钧老师主讲

物理光学部分由

曹良才老师和我主讲

本课程安排

有老师与助教在线答疑

欢迎同学们提出问题

我们会在第一时间

给大家解答

除了视频课程之外

每周还有一些作业练习题

供大家复习和巩固所学的知识

每三周有一次课堂练习

最后有期末考试

如果这些步骤都能如期完成的话

你会得到一张由清华大学

和学堂在线颁发的荣誉证书

当然了获得证书是次要的

重要的是我们通过学习

掌握了光学工程的基础知识

领略了光学世界的无穷魅力

绪论就讲到这儿

光学工程基础课程列表:

绪论——课程内容简介

-1.1.1 课程背景和内容简介

--课程背景和内容简介

-1.1.2 光学工程的特点

--光学工程的特点

-1.1.3 本课程的学习方法

--本课程的学习方法

--外部链接

绪论——预备知识

-1.2.1 微积分基础知识

--微积分基础知识

-1.2.2 光学工程中的常用函数

--光学工程中的常用函数

-1.2.3 常用函数的运算与变换

--常用函数的运算与变换

-扩展阅读

--SPIE课程:Light in Action-Lasers,Cameras&Other Cool Stuff

--SPIE课程:Optics-Light at Work

--SPIE课程:A Day Without Photonics-A Modern Horror Story

--SPIE课程:Advice to Students from Leaders in the Optics&Photonics Community

--版权说明

上篇:应用光学——光波、光线和成像

-2.1.1 基本概念和光线传播基本定律

--基本概念和光线传播基本定律

-2.1.2 成像基本概念

--成像基本概念

-2.1.3 费马原理

--费马原理

-2.1.4 等光程成像

--等光程成像

-2.1.5 常用曲面形状

--常用曲面形状

-第一次作业--作业

上篇:应用光学——近轴光学

-2.2.1 近轴光学基本概念

--近轴光学基本概念

-2.2.2 近轴球面成像

--近轴球面成像

-2.2.3 近轴球面成像放大率

--近轴球面成像放大率

-2.2.4 物像空间及光学不变量

--物像空间及光学不变量

-2.2.5 矩阵光学简介

--矩阵光学简介

-2.2.6 矩阵光学应用

--矩阵光学应用

-第二次作业--作业

上篇:应用光学——理想光学系统

-2.3.1 理想光学系统基本概念

--2.3.1 理想光学系统基本概念

-2.3.2 理想光学系统的基点与基面

--2.3.2 理想光学系统的基点与基面

-2.3.3 图解法求像

--2.3.3 图解法求像

-2.3.4 解析法求像

--2.3.4 解析法求像

-2.3.5 理想光学系统的放大率

--2.3.5 理想光学系统的放大率

-2.3.6 理想光学系统焦距关系

--2.3.6 理想光学系统焦距关系

-2.3.7 理想光学系统组合

--2.3.7 理想光学系统组合

-2.3.8 透镜与薄透镜

--2.3.8 透镜与薄透镜

-2.3.9 远摄型光组和反远距型光组

--2.3.9 远摄型光组和反远距型光组

-第三次作业--作业

上篇:应用光学——平面反射镜与棱镜

-2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜

--2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜

-2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像

--2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像

-2.4.3 反射棱镜成像方向

--2.4.3 反射棱镜成像方向

-2.4.4 棱镜转动定理

--2.4.4 棱镜转动定理

-2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜

--2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜

-2.4.6 光学材料简介

--2.4.6 光学材料简介

-第四次作业--作业

上篇:应用光学——光学系统中的光束限制

-2.5.1 光阑简介与孔径光阑

--2.5.1 光阑简介与孔径光阑

-2.5.2 视场光阑与渐晕

--2.5.2 视场光阑与渐晕

-2.5.3 远心光路

--2.5.3 远心光路

-2.5.4 景深

--2.5.4 景深

-第五次作业--作业

补充材料:光度学与色度学基础(不占学时)

-2.6.1 光度学与色度学基础

--2.6.1 辐射度学

-2.6.2 视见函数和光度学

--2.6.2 视见函数和光度学

-2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律

--2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律

-2.6.4 色度学基本概念

--2.6.4 色度学基本概念

-2.6.5 CIE标准色度学系统

--2.6.5 CIE标准色度学系统

-第六次作业--作业

上篇:应用光学——像差简介

-2.7.1 球差

--2.7.1 球差

-2.7.2 色差

--2.7.2 色差

-2.7.3 子午像差和弧矢像差

--2.7.3 子午像差和弧矢像差

-2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变

--2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变

-2.7.5 垂轴像差、波像差

--2.7.5 垂轴像差、波像差

-2.7.6 光学传递函数

--2.7.6 光学传递函数

-第七次作业(像差)--作业

上篇:应用光学——人眼

-2.8.1 人眼的光学模型

--2.8.1 人眼的光学模型

-2.8.2 人眼的缺陷与校正

--2.8.2 人眼的缺陷与校正

-2.8.3 人眼的景深

--2.8.3 人眼的景深

上篇:应用光学——光学系统的分辨率

-2.9.1 光学系统的分辨率

--2.9.1 光学系统的分辨率

-上篇:应用光学——光学系统的分辨率(光学系统分辨率)

-2.9.2 人眼的分辨率

--2.9.2 人眼的分辨率

-上篇:应用光学——光学系统的分辨率--第八次作业(人眼)

上篇:应用光学——放大镜

-2.10.1 放大镜

--2.10.1 放大镜

-上篇:应用光学——放大镜--第八次作业(放大镜)

-2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜

--2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜

上篇:应用光学——望远系统

-2.11.1 望远系统

--2.11.1 望远系统

-2.11.2 望远镜的放大倍率

--2.11.2 望远镜的放大倍率

-2.11.3 望远镜的视觉放大率

--2.11.3 望远镜的视觉放大率

-2.11.4 望远镜的分辨率

--2.11.4 望远镜的分辨率

-第九次作业(望远镜)--作业

上篇:应用光学——显微系统

-2.12.1 显微镜及其放大率

--2.12.1 显微镜及其放大率

-2.12.2 显微镜的视觉放大率

--2.12.2 显微镜的视觉放大率

-2.12.3 显微镜的孔径光阑

--2.12.3 显微镜的孔径光阑

-2.12.4 显微镜的机械筒长

--2.12.4 显微镜的机械筒长

-2.12.5 显微镜的分辨率及有效放大率

--2.12.5 显微镜的分辨率

-2.12.6 显微镜的景深

--2.12.6 显微镜的景深

-2.12.7 显微镜的照明系统

--2.12.7 显微镜的照明系统

-第九次作业(显微镜)--作业

下篇:物理光学——光的电磁性质

-3.1.1 电磁场的波动性

--3.1.1 电磁场的波动性

-3.1.2 平面电磁波及其性质

--3.1.2 平面电磁波及其性质

-3.1.3 球面波与柱面波,光波辐射与辐射能

--3.1.3 球面波与柱面波,光波辐射与辐射能

下篇:物理光学——在两电介质分界面上的折射和反射

-3.2.1 电磁场的连续条件(边界条件)

--3.2.1 电磁场的连续条件(边界条件)

-3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射

--3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射

-3.2.3 菲涅耳公式

--3.2.3 菲涅耳公式

-3.2.4 全反射与倏逝波

--3.2.4 全反射与倏逝波

-3.2.5 金属表面的反射

--3.2.5 金属表面的反射

-3.2节课后习题--作业

下篇:物理光学——光的吸收、色散和散射

-3.3.1 光的吸收、色散和散射

--3.3.1 光的吸收、色散和散射

下篇:物理光学——光波的叠加

-3.4.1 光波的叠加

--3.4.1光波的叠加

下篇:物理光学——干涉原理及相干条件

-3.5.1 干涉原理及相干条件

--3.5.1 干涉现象与干涉条件

-3.5节课后习题--作业

下篇:物理光学——杨氏干涉实验

-3.6.1 干涉图样计算

--3.6.1 干涉图样计算

-3.6.2 分波阵面干涉装置的特点

--3.6.2 分波阵面干涉装置的特点

-3.6节课后习题--作业

下篇:物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素

-3.7.1 时间相干性

--3.7.1 时间相干性

-3.7.2 空间相干性

--3.7.2 空间相干性

-下篇:物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素

下篇:物理光学——平板的双光束干涉

-3.8.1 干涉条纹的定域

--3.8.1 干涉条纹的定域

-3.8.2 平行平板产生的等倾干涉

--3.8.2 平行平板产生的等倾干涉

-3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉

--3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉

-下篇:物理光学——平板的双光束干涉--3.8节课后习题

下篇:物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用

-3.9.1 斐索干涉仪

--3.9.1 斐索干涉仪

-3.9.2 迈克尔逊干涉仪

--3.9.2 迈克尔逊干涉仪

-下篇:物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用

下篇:物理光学—— 平行平板的多光束干涉及其应用

-3.10.1 平行平板的多光束干涉

--3.10.1 平行平板的多光束干涉

-3.10.2 F-P 干涉仪

--3.10.2 F-P 干涉仪

-3.10.3 光学薄膜基础

--3.10.3 光学薄膜基础

-3.10.4 单层膜与多层膜

--3.10.4 单层膜与多层膜

-3.10课后习题--作业

下篇:物理光学—— 光波的标量衍射理论

-3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理

--3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理

-3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类

--3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类

-3.11节习题--作业

下篇:物理光学—— 典型孔径的夫朗和费衍射

-3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义

--3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义

-3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射

--3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射

-3.12.3 圆孔衍射

--3.12.3 圆孔衍射

-3.12节习题--作业

下篇:物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领

-3.13.1 成像系统的分辨本领

--3.13.1 成像系统的分辨本领

-下篇:物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领

下篇:物理光学—— 多缝的夫朗和费衍射

-3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射

--3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射

-3.14.2 光栅的分光性能

--3.14.2 光栅的分光性能

-3.14.3 几种典型光栅

--3.14.3 几种典型光栅

-3.14节习题--作业

下篇:物理光学—— 菲涅耳衍射

-3.15.1 圆孔和圆屏(盘)的菲涅耳衍射

--3.15.1 圆孔和圆屏(盘)的菲涅耳衍射

-3.15.2 菲涅耳透镜

--3.15.2 菲涅耳透镜

-下篇:物理光学—— 菲涅耳衍射(菲涅耳衍射)

下篇:物理光学—— 傅立叶光学

-3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解

--3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解

-3.16.2 光波衍射的傅里叶分析方法

--光波衍射的傅里叶分析方法

-3.16.3 透镜的傅立叶变换性质

--3.16.3 透镜的傅立叶变换性质

-3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数

--3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数

-3.16节习题--作业

下篇:物理光学—— 光学信息处理

-3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数

--3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数

-3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理

--3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理

-3.17.3 全息术

--3.17.3全息术

-3.17节习题--作业

下篇:物理光学——光在晶体中传播

-3.18.1 偏振光概述

--3.18.1 偏振光概述

-3.18.2 光在晶体中的传播

--3.18.2 光在晶体中的传播

-3.18.3 单色平面波在晶体中的传播

--3.18.3 单色平面波在晶体中的传播

-3.18.4 单轴晶体中光的传播

--3.18.4 单轴晶体中光的传播

-3.18节习题--作业

下篇:物理光学——光在晶体表面的折射和反射

-3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射

--3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射

下篇:物理光学—— 晶体偏振器件

-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)

--3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)

-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)

--3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)

-3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示

--3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示

-3.20节课后作业--作业

下篇:物理光学——偏振光的变换和测定

-3.21.1 偏振光的变换

--3.21.1 偏振光的变换

-3.21.2 偏振光的测定

--3.21.2 偏振光的测定

-3.21节课后习题--作业

下篇:物理光学——偏振光的干涉

-3.22.1 平面偏振光的干涉

--3.22.1 平面偏振光的干涉

-3.22.2 会聚偏振光的干涉

--3.22.2 会聚偏振光的干涉

-3.22节课后习题--作业

下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应

-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(一)

--3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(一)

-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(二)

--3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(二)

-3.23.2 电光效应(一)

--3.23.2 电光效应(一)

-3.23.2 电光效应(二)

--3.23.2 电光效应(二)

-3.23.3 声光效应

--3.23.3 声光效应

-下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应--3.23节课后习题

期末考试

-期末考试--作业

课程背景和内容简介笔记与讨论

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