工程光学实验项目的拓展与计算机结合的定量分析的研究
【摘要】通过分析目前工程光学实验项目开设的状况，提出了工程光学实验项目设置的拓展与延伸，并对光学测量的数字化定量分析等方面进行探讨。
【关键词】工程光学；实验项目；项目拓展；定量分析
随着光电产业的发展，光信息、光电技术、光传输等在社会技术革新中成为技术高点，在推动创新型社会中发挥着重要的作用，工程光学是光信息技术、光学工程专业的一门必修基础课程，除了讲授光学的基础理论、基本方法和典型的光学系统外，亦是培养学生在光学方面工程应用和实践的一门应用课程。在不同的学校、不同的专业，相应的工程光学实验设置各不相同，但普通存在设置偏理论验证，不能与日新月异的信息化技术结合的问题。
一、工程实验项目开设的状况
对光信息技术、光学工程专业来说，工程光学实验普遍是支撑几何光学、物理光学的教学内容。工程光学实验涉及到的知识点包括平行光管、望远系统、显微系统、典型光学系统、分辨率、夫琅禾费衍射、光学系统球差、慧差、场曲、畸变、星点法、剪切干涉法、则尼克多项式、瑞丽判据、刀口法、线扩散函数、光学传递函数、玻罗板、傅里叶变换、杨氏干涉、马克增德干涉仪、消光比、晶体偏振、偏振片等。工程光学实验围绕着这些知识点开出的实验普遍存在着一些问题：一方面是少“工程”多“理论”：以验证几何光学与物理光学的配套实验出现，而忽略了“工程”的理念，项目以几何成像、干涉、衍射的光路搭建为主而忽略了一些光学工程中的实验项目的拓展；另一方面，许多学校的工程光学实验停留在钢轨、插拔式的实验现象层面而未能过渡到精密导轨、电脑显示与分析光学现象的阶段，弱化了后续的实验的延深与运用，在信息化技术创新中，光信息与光电技术发挥着重要作用的各领域，显得滞后。实验项目的开设难以达到使传统光学理论延伸到工程光学领域的要求。
二、工程光学实验项目设置的拓展与延伸
1.实验的基本内容
对光信息技术、光工程专业来说，工程光学课程的内容主体上是几何光学与设计、物理光学2个范畴。根据实验的知识点，分成几何光学部分组群、物理光学部分组群。几何光学部分主要开出：自准直法测量薄透镜焦距实验；二次成像法测量薄透镜焦距实验；平行光管使用及透镜焦距测量实验；光学系统基点测量实验；显微镜搭建与光学系统分辨率检测实验；望远系统的搭建和参数测量实验；光学系统的孔径光阑与视场光阑实验等这些实验；光学系统景深测量实验。而物理光学中主要完成：杨氏双缝干涉实验；马赫-曾德干涉实验；菲涅尔衍射实验（圆孔、三角形、矩孔、多边形孔）；衍射光学元件（DOE）设计；马吕斯定律验证实验；夫琅禾费衍射实验（矩孔、圆孔、多边形孔、三角形）；偏振光产生与检验（线偏振、圆偏振）等这些实验。
2.实验项目的拓展与延伸
多数高校的工程光学的实验偏向于验证理论的实验为主，缺少实际运用结合的实验项目，过于传统少了“工程”的理念及实验的深度延深。可以考虑增加设计运用的实验：增加光学设计组群；增加创新运用的延伸实验。
1.增加光学设计组群
在几何光学中的光路与成像中，仅仅是验证理论为目的是不够的，可以考虑增加光学仿真设计，ZEMAX是现社会中光学设计师的主流软件平台，基于这平台进行光学设计与仿真。可以选取一些光学设计实验来补充到课程中来。可以开出单、双透镜的设计、牛顿望远镜的设计、显微镜的设计等等，研究光路与成像，培养光学设计工程师方向的人才培养。
同时也可进一步，将课外与实验项目的综合实践的结合，拓展到课外应用。以牛顿望远镜为例，实现在计算机上，从光ZEMAZ设计平台进行牛顿望远镜理论设计，到课内望远镜搭建实验的验证，到课外望远镜的实物制作。实现课内设计（理论参数、设计图纸）――课内实验验证（实验现象）――课外作品（实物）完成的全过程。
2.增加创新运用的延伸实验。
在物理光学部分，有着诸如迈克尔逊实验这些实验，现在众多的精密光学测量仪器都基于这原理上不断创新而达到非常高的精度测量。这些实践性强、运用性广的实验。我们可以增加开出一些创新实验让学生选做，比如空气折射率的测量、微小量的测量（如厚度测量、表面粗糙度测量）等等。将经典的理论引导与延伸的实际的运用，从理论验证过程到设计与运用，这也符合“工程”的理念。
三、计算机结合的定量分析的研究
与信息化结合，與前沿的技术，这是培养专业优秀人才的一个有效的途径。光学实验与计算机结合的数字化定量分析工程光学实验包括系统调试、实验现象、数据采集和分析。随着计算机技术和光电技术的发展，很多传统的光学实验已经逐步与计算机应用结合，例如：清华大学利用虚拟仪器开发环境以及视频网络发布技术建立了工程光学远程实验系统；北京工业大学在信息光学教学中，也采用了这种理论模拟实验，实验数据借助计算机采集和分析，使光学测量数字化和定量分析。这是光学及光学实验发展的一种趋势，有助于学生对理论的学习。由于与计算机结合，工程光学实验与光电技术的发展联系得更紧密，为学生开展科研活动准备了更好的条件。工程光学的实验在光路仿真设计，在干涉与衍射各类实验中：马赫-曾德干涉仪搭建实验、迈克尔逊干涉实验、衍射光学元件（DOE）设计实验、衍射（干涉）条纹光强分布测定实验、偏振光产生与检验实验（线偏振、圆偏振）、球差、彗差、像散、场曲的星点法观测等实验，结合计算机开展教学，进行数据量化与分析。
1.光路仿真设计：基于这ZEMAX软件平台作为设计、分析和优化的工具。让学生直观和形象地感知透镜光学系统的建立、像质评价指标的物理表述、像差优化和系统成像等各个过程，让学生走进解决问题的设计中来，实验内容延伸到具体的工程领域，将学生的知识结构拓展到光学工程师的就业领域。
在zemax设计软件中，通过点列图、扇形图、MTF曲线等实现光路追迹，像质评价，实现数值的量化。
2.数据采集实验现象：光学的实验现象通过CCD采集，在实验结束后方便学生储存与整理，有助学生的专业学习，工程光学的实验大多可借助采集设备来完成采集，如图2场曲与像散的实验现象。
3.实验数据的定量分析：通过计算机提取的光学现象，进行数据定量分析，如光学传递函数（Optical transfer function， OTF）的实验中，如下图3条纹的波形图，读出子午方向条纹灰度分布，进行“统计直方图”，和“归一化强度统计”，计算子午方向MTF，来定量计算出MTF值（线对数），如果依次计算不同空间频率的MTF即可描绘一条MTF变化曲线。图4读取衍射图像，选定要分析的位置，通过主峰左边第一个波谷到主峰右边第一个波谷，计算偏移量确定零级亮斑宽度，通过已知λ（nm），透镜焦距f从而计算出“缝宽”。
从传统的光学实验走出来，拓展到光设计这层面来，引导学生从工程实际运用出发讨论光学问题，在实验项目延伸。借助计算机等前沿的信息化设备与技术手段，对光学现象进行采样与定量分析，借助培养学生的更强的科研与创新能力，这将对光信息、光电专业的学生培养有着非常大的作用。
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