工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)化研究

鄧榮標(biāo)

(廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,廣東 510006)

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)化研究

鄧榮標(biāo)

(廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,廣東 510006)

通過分析目前工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)的狀況,提出了工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的優(yōu)化對(duì)策、并對(duì)方案中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群組、光學(xué)測(cè)量的數(shù)字化定量分析等方面進(jìn)行了探討。

工程光學(xué);實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;群組

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、細(xì)分與光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,工程光學(xué)越來越受到重視。在高校教育中,工程光學(xué)是光信息技術(shù)、光學(xué)工程專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課程,除了講授光學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本方法和典型的光學(xué)系統(tǒng)外,亦是培養(yǎng)學(xué)生在光學(xué)方面工程應(yīng)用和實(shí)踐的一門應(yīng)用課程[1]。在不同的學(xué)校、不同的專業(yè),相應(yīng)的工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置各不相同。

1 工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)的狀況

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)圍繞工程光學(xué)的教學(xué)展開,一些專業(yè)由于沒有開出光電子技術(shù)、光電檢測(cè)等后續(xù)課程,授課內(nèi)容加入了波動(dòng)光學(xué)、晶體光學(xué)、光譜學(xué)等知識(shí)。對(duì)光信息技術(shù)、光學(xué)工程專業(yè)來說,大多數(shù)學(xué)校主要以幾何光學(xué)、物理光學(xué)為主要內(nèi)容展開。工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及到的知識(shí)點(diǎn)包括平行光管、望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、典型光學(xué)系統(tǒng)、分辨率、夫瑯禾費(fèi)衍射、光學(xué)系統(tǒng)球差、慧差、場(chǎng)曲、畸變、星點(diǎn)法、剪切干涉法、則尼克多項(xiàng)式、瑞麗判據(jù)、刀口法、線擴(kuò)散函數(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)、玻羅板、傅里葉變換、楊氏干涉、馬克增德干涉儀、消光比、晶體偏振、偏振片等[2],然而圍繞這些知識(shí)點(diǎn)開出的實(shí)驗(yàn)存在著一些問題:

(1)一些專業(yè)只是針對(duì)一些傳統(tǒng)的干涉、衍射和光路搭建的實(shí)驗(yàn),例如望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的搭建、菲涅耳與夫瑯禾費(fèi)衍射、邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)的幾個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課時(shí)少且僅是以傳統(tǒng)經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的情況下,思維受限,沒有真正地進(jìn)入工程光學(xué)的學(xué)習(xí)。

(2)隨著技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)儀器越做越精密,已過渡到精密導(dǎo)軌、電腦顯示與分析光學(xué)現(xiàn)象的階段,但一些實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的條件幾十年不變,停留在鋼軌、插拔式的實(shí)驗(yàn)層面,工程光學(xué)開出的實(shí)驗(yàn)與一般的光學(xué)實(shí)驗(yàn)無異,無法更新實(shí)驗(yàn)方法和展開更多新的實(shí)驗(yàn),新的光電技術(shù)沒辦法融入進(jìn)來,例如一些專業(yè)仍用邁克耳孫、雙棱鏡這樣的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來開課,這樣不利于光方面專業(yè)的課程教育。

(3)一些學(xué)校將工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H僅當(dāng)作幾何光學(xué)與物理光學(xué)的配套實(shí)驗(yàn),重在驗(yàn)證而忽略了“工程”的理念。沒有光學(xué)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)難以達(dá)到使傳統(tǒng)光學(xué)理論延伸到工程光學(xué)領(lǐng)域的要求[3]。

2 工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的對(duì)策研究

對(duì)光信息技術(shù)、光工程專業(yè)來說,工程光學(xué)課程的內(nèi)容主體上是幾何光學(xué)與設(shè)計(jì)、物理光學(xué)2個(gè)范疇。傅里葉光學(xué)部分在工程光學(xué)這里講授得比較少,留在后續(xù)的信息光學(xué)來具體展開,晶體光學(xué)部分亦是放在后續(xù)的光電子技術(shù)這門課里進(jìn)行講授,工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)根據(jù)課程來展開。

過去工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)依附在“應(yīng)用光學(xué)”和“物理光學(xué)”這2門課程的教學(xué),實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少,只有幾個(gè)學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容多采用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目易與大學(xué)物理中的光學(xué)部分重疊,采用的實(shí)驗(yàn)方法甚至儀器都相同,這對(duì)培養(yǎng)光學(xué)專業(yè)的學(xué)生不利。為了改變這種狀況,需將工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課,制定相應(yīng)的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)大綱,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)應(yīng)在36學(xué)時(shí)左右:

(1)幾何光學(xué)與像差部分。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置減少典型傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)的學(xué)時(shí)數(shù),例如將顯微鏡系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、照相系統(tǒng)設(shè)置在大概3學(xué)時(shí),多功能的平行光管,設(shè)置為3學(xué)時(shí),增加3學(xué)時(shí)焦距測(cè)量(完全不同于大學(xué)物理的薄透鏡的測(cè)量方式,而是用應(yīng)用光學(xué)書里面自準(zhǔn)直儀,分劃板的方法)。對(duì)于傳遞函數(shù)測(cè)量MTF,這些新實(shí)驗(yàn)和像差,開出3～6學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn),這樣幾何光學(xué)與像差實(shí)驗(yàn)大約可開出12～15個(gè)學(xué)時(shí)。

(2)物理光學(xué)部分?？梢蚤_出馬赫-曾德干涉儀搭建實(shí)驗(yàn)、衍射條紋光強(qiáng)分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)、干涉條紋光強(qiáng)分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)、衍射光學(xué)元件(DOE)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、偏振光生產(chǎn)與檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、空間光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)。物理光學(xué)的知識(shí)是光電子、激光原理等專業(yè)課的基礎(chǔ),相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)也應(yīng)升級(jí)?？紤]到后續(xù)的課程,可以以空間光調(diào)制器為線索,從二年級(jí)開到畢業(yè)設(shè)計(jì)。物理光學(xué)部分用SLM開,這個(gè)關(guān)鍵器件,將來還可以用于信息光學(xué)課程。物理光學(xué)部分開出也在12～15個(gè)學(xué)時(shí)左右,與后續(xù)的課程接軌,形成實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)[4-5]。

(3)選取一些光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)予以補(bǔ)充,例如基于ZEMAX的透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì),將實(shí)驗(yàn)延伸到具體的工程領(lǐng)域,在這方面可以開出4～6個(gè)學(xué)時(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的思路

3.1 合理設(shè)置基礎(chǔ)、綜合、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比例

引導(dǎo)學(xué)生從工程實(shí)際問題出發(fā)討論光學(xué)問題,設(shè)計(jì)可用于實(shí)際測(cè)量的實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)。增加綜合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,按照基礎(chǔ)、綜合、設(shè)計(jì)4∶3∶3比例配置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[6-7],利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件,建立平臺(tái)式的模式,讓學(xué)生完成光路的設(shè)計(jì)、光學(xué)元件的選配、光路系統(tǒng)的搭建、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量,并與理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。通過這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技能,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和探究的科學(xué)態(tài)度。

3.2 擺脫純演示、插拔式的實(shí)驗(yàn)方法

選用科研與工業(yè)級(jí)的光機(jī)部件,形成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)式的項(xiàng)目群組,搭建選做實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)[7]。

利用共用的平行光管、激光器或空間光調(diào)制器,選取不同的光器件來展開實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn),分成不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群組,例如幾何光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)為透鏡成像、放大倍率、顯微鏡系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)、孔徑光闌、光學(xué)系統(tǒng)景深、焦距測(cè)量、光學(xué)系統(tǒng)分辨等,建立的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組群為自準(zhǔn)直法測(cè)量薄透鏡焦距實(shí)驗(yàn)、光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)測(cè)量、二次成像法測(cè)量薄透鏡焦距實(shí)驗(yàn)、平行光管使用及透鏡焦距測(cè)量實(shí)驗(yàn)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、顯微鏡與光學(xué)系統(tǒng)分辨率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、光學(xué)系統(tǒng)景深測(cè)量實(shí)驗(yàn)、光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌實(shí)驗(yàn)。

光學(xué)系統(tǒng)像差傳函焦距測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組包括光學(xué)系統(tǒng)像差計(jì)算及結(jié)果仿真實(shí)驗(yàn)、軸向位置色差的測(cè)量實(shí)驗(yàn)、刀口儀陰影法觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)像差實(shí)驗(yàn),以及彗差、球差、像散、場(chǎng)曲的星點(diǎn)法觀測(cè)實(shí)驗(yàn)等。

物理光學(xué)部分實(shí)驗(yàn)組群包括馬赫-曾德干涉儀搭建實(shí)驗(yàn)、衍射條紋光強(qiáng)分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)(圓孔、多邊形孔、矩孔、各種光柵等)、干涉條紋光強(qiáng)分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)、衍射光學(xué)元件(DOE)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、空間光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)、偏振光生產(chǎn)與檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(圓偏振、線偏振)。

建立項(xiàng)目群組的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù),為學(xué)生提供了更多的實(shí)驗(yàn)選擇,為開展開放實(shí)驗(yàn)室工作、進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)準(zhǔn)備了良好的條件。

3.3 光學(xué)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的數(shù)字化定量分析

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)包括系統(tǒng)調(diào)試、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)采集和分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展,很多傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)逐步與計(jì)算機(jī)應(yīng)用結(jié)合,例如:清華大學(xué)利用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境以及視頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)布技術(shù)建立了工程光學(xué)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[8];北京工業(yè)大學(xué)在信息光學(xué)教學(xué)中,也采用了這種理論模擬實(shí)驗(yàn)[9-10],實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)借助計(jì)算機(jī)采集和分析,使光學(xué)測(cè)量數(shù)字化和定量分析,如圖1的實(shí)驗(yàn)圖像。這是光學(xué)及光學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的一種趨勢(shì),有助于學(xué)生對(duì)理論的學(xué)習(xí)。由于與計(jì)算機(jī)結(jié)合,工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)與光電技術(shù)的發(fā)展聯(lián)系得更緊密,為學(xué)生開展科研活動(dòng)準(zhǔn)備了更好的條件。

圖1 實(shí)驗(yàn)圖像

3.4 增加設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)

作為工程光學(xué)實(shí)驗(yàn),應(yīng)該讓學(xué)生參與更多的工程類的實(shí)踐,例如增加課內(nèi)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或者開設(shè)基于ZEMAX的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),通過使用ZEMAX軟件作為分析和優(yōu)化工具。ZEMAX軟件讓學(xué)生直觀和形象地感知透鏡光學(xué)系統(tǒng)的建立、像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理表述、像差優(yōu)化和系統(tǒng)成形等各個(gè)過程,讓學(xué)生走進(jìn)解決問題的設(shè)計(jì)中[11-12]。

4 結(jié)束語

工程光學(xué)對(duì)光信息技術(shù)、光學(xué)工程等專業(yè)來說,是一門重要的基礎(chǔ)課,應(yīng)該擺脫傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?讓更多的新的技術(shù)走進(jìn)來,讓實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展接軌。

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Research on optimization of engineering optics experimental program

Deng Rongbiao
(School of Physics and Electronic Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 501006,China)

By analyzing the engineering optics experimental programs,the certain optimization strategy of program setting of engineering optics experiments is put forward.This article discusses the method to improve the setting of the experiment group,digital quantitative analysis of optical measurement as well as some related aspects.

engineering optics;experimental programs;group

G423.07

A

1002-4956(2015)4-0220-03

2014-09-25

鄧榮標(biāo)(1972—),男,廣東廉江,本科,講師,主要從事光學(xué)工程領(lǐng)域的研究.

E-mail:dengrb＠gzhu.edu.cn