工程光學實驗項目的拓展與計算機結合的定量分析的研究

鄧榮標 黃峰

【摘要】通過分析目前工程光學實驗項目開設的狀況，提出了工程光學實驗項目設置的拓展與延伸，并對光學測量的數(shù)字化定量分析等方面進行探討。

【關鍵詞】工程光學；實驗項目；項目拓展；定量分析

隨著光電產業(yè)的發(fā)展，光信息、光電技術、光傳輸?shù)仍谏鐣夹g革新中成為技術高點，在推動創(chuàng)新型社會中發(fā)揮著重要的作用，工程光學是光信息技術、光學工程專業(yè)的一門必修基礎課程，除了講授光學的基礎理論、基本方法和典型的光學系統(tǒng)外，亦是培養(yǎng)學生在光學方面工程應用和實踐的一門應用課程。在不同的學校、不同的專業(yè)，相應的工程光學實驗設置各不相同，但普通存在設置偏理論驗證，不能與日新月異的信息化技術結合的問題。

一、工程實驗項目開設的狀況

對光信息技術、光學工程專業(yè)來說，工程光學實驗普遍是支撐幾何光學、物理光學的教學內容。工程光學實驗涉及到的知識點包括平行光管、望遠系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、典型光學系統(tǒng)、分辨率、夫瑯禾費衍射、光學系統(tǒng)球差、慧差、場曲、畸變、星點法、剪切干涉法、則尼克多項式、瑞麗判據(jù)、刀口法、線擴散函數(shù)、光學傳遞函數(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。工程光學實驗圍繞著這些知識點開出的實驗普遍存在著一些問題：一方面是少“工程”多“理論”：以驗證幾何光學與物理光學的配套實驗出現(xiàn)，而忽略了“工程”的理念，項目以幾何成像、干涉、衍射的光路搭建為主而忽略了一些光學工程中的實驗項目的拓展；另一方面，許多學校的工程光學實驗停留在鋼軌、插拔式的實驗現(xiàn)象層面而未能過渡到精密導軌、電腦顯示與分析光學現(xiàn)象的階段，弱化了后續(xù)的實驗的延深與運用，在信息化技術創(chuàng)新中，光信息與光電技術發(fā)揮著重要作用的各領域，顯得滯后。實驗項目的開設難以達到使傳統(tǒng)光學理論延伸到工程光學領域的要求。

二、工程光學實驗項目設置的拓展與延伸

1.實驗的基本內容

對光信息技術、光工程專業(yè)來說，工程光學課程的內容主體上是幾何光學與設計、物理光學2個范疇。根據(jù)實驗的知識點，分成幾何光學部分組群、物理光學部分組群。幾何光學部分主要開出：自準直法測量薄透鏡焦距實驗；二次成像法測量薄透鏡焦距實驗；平行光管使用及透鏡焦距測量實驗；光學系統(tǒng)基點測量實驗；顯微鏡搭建與光學系統(tǒng)分辨率檢測實驗；望遠系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測量實驗；光學系統(tǒng)的孔徑光闌與視場光闌實驗等這些實驗；光學系統(tǒng)景深測量實驗。而物理光學中主要完成：楊氏雙縫干涉實驗；馬赫-曾德干涉實驗；菲涅爾衍射實驗（圓孔、三角形、矩孔、多邊形孔）；衍射光學元件（DOE）設計；馬呂斯定律驗證實驗；夫瑯禾費衍射實驗（矩孔、圓孔、多邊形孔、三角形）；偏振光產生與檢驗（線偏振、圓偏振）等這些實驗。

2.實驗項目的拓展與延伸

多數(shù)高校的工程光學的實驗偏向于驗證理論的實驗為主，缺少實際運用結合的實驗項目，過于傳統(tǒng)少了“工程”的理念及實驗的深度延深。可以考慮增加設計運用的實驗：增加光學設計組群；增加創(chuàng)新運用的延伸實驗。

1.增加光學設計組群

在幾何光學中的光路與成像中，僅僅是驗證理論為目的是不夠的，可以考慮增加光學仿真設計，ZEMAX是現(xiàn)社會中光學設計師的主流軟件平臺，基于這平臺進行光學設計與仿真?？梢赃x取一些光學設計實驗來補充到課程中來。可以開出單、雙透鏡的設計、牛頓望遠鏡的設計、顯微鏡的設計等等，研究光路與成像，培養(yǎng)光學設計工程師方向的人才培養(yǎng)。

同時也可進一步，將課外與實驗項目的綜合實踐的結合，拓展到課外應用。以牛頓望遠鏡為例，實現(xiàn)在計算機上，從光ZEMAZ設計平臺進行牛頓望遠鏡理論設計，到課內望遠鏡搭建實驗的驗證，到課外望遠鏡的實物制作。實現(xiàn)課內設計（理論參數(shù)、設計圖紙）――課內實驗驗證（實驗現(xiàn)象）――課外作品（實物）完成的全過程。

2.增加創(chuàng)新運用的延伸實驗。

在物理光學部分，有著諸如邁克爾遜實驗這些實驗，現(xiàn)在眾多的精密光學測量儀器都基于這原理上不斷創(chuàng)新而達到非常高的精度測量。這些實踐性強、運用性廣的實驗。我們可以增加開出一些創(chuàng)新實驗讓學生選做，比如空氣折射率的測量、微小量的測量（如厚度測量、表面粗糙度測量）等等。將經(jīng)典的理論引導與延伸的實際的運用，從理論驗證過程到設計與運用，這也符合“工程”的理念。

三、計算機結合的定量分析的研究

與信息化結合，與前沿的技術，這是培養(yǎng)專業(yè)優(yōu)秀人才的一個有效的途徑。光學實驗與計算機結合的數(shù)字化定量分析工程光學實驗包括系統(tǒng)調試、實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)采集和分析。隨著計算機技術和光電技術的發(fā)展，很多傳統(tǒng)的光學實驗已經(jīng)逐步與計算機應用結合，例如：清華大學利用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境以及視頻網(wǎng)絡發(fā)布技術建立了工程光學遠程實驗系統(tǒng)；北京工業(yè)大學在信息光學教學中，也采用了這種理論模擬實驗，實驗數(shù)據(jù)借助計算機采集和分析，使光學測量數(shù)字化和定量分析。這是光學及光學實驗發(fā)展的一種趨勢，有助于學生對理論的學習。由于與計算機結合，工程光學實驗與光電技術的發(fā)展聯(lián)系得更緊密，為學生開展科研活動準備了更好的條件。工程光學的實驗在光路仿真設計，在干涉與衍射各類實驗中：馬赫-曾德干涉儀搭建實驗、邁克爾遜干涉實驗、衍射光學元件（DOE）設計實驗、衍射（干涉）條紋光強分布測定實驗、偏振光產生與檢驗實驗（線偏振、圓偏振）、球差、彗差、像散、場曲的星點法觀測等實驗，結合計算機開展教學，進行數(shù)據(jù)量化與分析。

1.光路仿真設計：基于這ZEMAX軟件平臺作為設計、分析和優(yōu)化的工具。讓學生直觀和形象地感知透鏡光學系統(tǒng)的建立、像質評價指標的物理表述、像差優(yōu)化和系統(tǒng)成像等各個過程，讓學生走進解決問題的設計中來，實驗內容延伸到具體的工程領域，將學生的知識結構拓展到光學工程師的就業(yè)領域。

在zemax設計軟件中，通過點列圖、扇形圖、MTF曲線等實現(xiàn)光路追跡，像質評價，實現(xiàn)數(shù)值的量化。

2.數(shù)據(jù)采集實驗現(xiàn)象：光學的實驗現(xiàn)象通過CCD采集，在實驗結束后方便學生儲存與整理，有助學生的專業(yè)學習，工程光學的實驗大多可借助采集設備來完成采集，如圖2場曲與像散的實驗現(xiàn)象。

3.實驗數(shù)據(jù)的定量分析：通過計算機提取的光學現(xiàn)象，進行數(shù)據(jù)定量分析，如光學傳遞函數(shù)（Optical transfer function， OTF）的實驗中，如下圖3條紋的波形圖，讀出子午方向條紋灰度分布，進行“統(tǒng)計直方圖”，和“歸一化強度統(tǒng)計”，計算子午方向MTF，來定量計算出MTF值（線對數(shù)），如果依次計算不同空間頻率的MTF即可描繪一條MTF變化曲線。圖4讀取衍射圖像，選定要分析的位置，通過主峰左邊第一個波谷到主峰右邊第一個波谷，計算偏移量確定零級亮斑寬度，通過已知λ（nm），透鏡焦距f從而計算出“縫寬”。

從傳統(tǒng)的光學實驗走出來，拓展到光設計這層面來，引導學生從工程實際運用出發(fā)討論光學問題，在實驗項目延伸。借助計算機等前沿的信息化設備與技術手段，對光學現(xiàn)象進行采樣與定量分析，借助培養(yǎng)學生的更強的科研與創(chuàng)新能力，這將對光信息、光電專業(yè)的學生培養(yǎng)有著非常大的作用。

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