Прикладная оптика. Рабочая программа дисциплины

Прикладная оптика Рабочая программа дисциплины по направлениям подготовки: 551900 «Оптотехника (бакалавр, магистр)», 654000 «Оптотехника (дипломированный специалист)» специальности: 190700 «Оптико-электронные приборы и системы», 191100 «Технология оптических материалов», 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии» факультеты: Оптико-информационных систем и технологий, Инженерно-физический

1. Цели и задачи дисциплины Дисциплина "Прикладная оптика" относится к базисным дисциплинам содержания образовательных программ по направлению подготовки "Оптотехника" и имеет своей целью подготовку обучающихся в области теории и проектирования оптических систем различных классов. Дисциплина базируется на знаниях обучающимися теоретических основ современной оптики, основных законов распространения света и формирования изображений, свойств оптического излучения и его взаимодействия с веществом, приобретенных при изучении дисциплин "Физика" и "Основы оптики". Задачами преподавания дисциплины, связанными с ее содержанием, являются:

• • • • •

сформировать у студентов необходимый объем знаний об элементной базе оптических систем; ознакомить обучающихся c основными характеристиками, типами и моделями оптических систем; обеспечить получение студентами знаний основных принципов построения и функционирования базовых типов оптических систем; ознакомить обучающихся с основами компьютерного расчета и проектирования оптических систем; обеспечить приобретение студентами практических навыков начального синтеза, габаритного расчета, исходного выбора оптических схем и применения типовых методов компьютерного анализа и оптимизации оптических систем различных классов.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины Студент считается освоившим содержание дисциплины, если он:

• • • • • • • • •

знает элементную базу оптических систем, их основные типы, назначение и работу в составе системы; знает теорию и принципы действия базовых типов оптических систем; знает общую методологию и основные этапы компьютерного проектирования оптических систем; умеет оценить влияние каждого элемента оптической системы на формирование изображения и может предложить его оптимальную реализацию; владеет основными методами проведения габаритных, энергетических и предварительных аберрационных расчетов оптических систем; может определить требуемые характеристики оптической системы, исходя из поставленной задачи, и оценить их предельные значения; умеет определять характеристики отдельных компонентов оптических систем и по ним подбирать ближайшие к требуемым компоненты; имеет представление об основных пакетах автоматизированного проектирования оптики; умеет применять отдельные пакеты прикладных программ для анализа и оптимизации оптических систем

3. Объем дисциплины и виды учебной работы Вид учебной работы Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия Лекции Практические занятия (ПЗ) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Курсовой проект (работа)

Всего часов 255 119 68 17 34 136 50

Семестры 122 51 34 17 71

133 68 34 34 65 50

Расчетно-графические работы Другие виды самостоятельной работы Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

25 61

25 46

15

экзамен экзамен

4. Содержание дисциплины 4.1. Разделы дисциплин и виды занятий № Раздел дисциплины п/п 1. Оптические системы Основные характеристики оптических 1.1. систем 1.2. Элементная база оптики 1.3. Глаз как оптическая система 1.4. Оптические системы микроскопа 1.5. Телескопические оптические системы Проекционные и репродукционные 1.6. оптические системы Оптика фотографических, оптико1.7. электронных и телевизионных систем 1.8. Осветительные оптические системы Основы расчета и проектирования 2. оптических систем 2.1. Основы проектирования оптики 2.2. Компьютерное проектирование оптики. 2.3. Типовые пакеты прикладных программ 2.4. проектирования оптики

60

ПЗ (или С) 17

6

2

24 2 6 8

3 1 2 3

4 4

6

2

4

4

2

2

4

2

2

Лекции

ЛР 16

8

18

1

4

*

*

СРС

14

4.2. Содержание разделов дисциплины Введение. Прикладная оптика как часть знаний оптотехники, связанных с теорией и проектированием оптических систем различных классов. Оптическая система - основной компонент оптического прибора Разновидности оптических приборов и систем. Основные направления развития и проектирования оптических систем. 1.Оптические системы 1.1 Основные характеристики оптических систем 1.1.1. Внешняя модель оптической системы. Масштабные характеристики: увеличение, дисторсия. Энергетические характеристики: светосила, светораспределение. Характеристики качества изображения: функции рассеяния (точки, линии), оптическая передаточная функция, разрешающая способность. Присоединительные характеристики: размер и положение предмета (изображения), зрачковые характеристики, спектральная область. Габаритные характеристики: длина и поперечные размеры оптической системы. 1.1.2. Внутренняя модель оптической системы. Параксиальные характеристики, апертуры, коэффициент светопотерь, аберрации. 1.1.3. Типы оптических систем Системы микроскопа, телескопические, фотообъектива, проекционные, осветительные. Основные соотношения между характеристиками оптических систем. Дифракционноограниченные и аберрационно-ограниченные оптические системы. 1.2. Элементная база оптики Оптические элементы и детали. 1.2.1. Оптические поверхности. Плоские поверхности, плоские зеркала, сферические поверхности, несферические поверхности. Работа поверхностей. Построение изображений. Зеркальность изображения. Апланатические поверхности. Аберрации поверхностей. 1.2.2. Оптические детали. Плоскопараллельная пластина, клинья, плоское зеркало. Оптическое удлинение, поперечное смещение и аберрации изображения. Качающаяся пластина Ахроматизация клиньев. Подвижные клинья. Комбинация зеркал. Отклонение и вращение изображения. Конструктивные и технологические особенности. 1.2.3. Оптические призмы. Отражательные призмы. Виды призм. Одинарные, составные. Кодировка призм. Развертка призм. Комбинации призм. Построение изображений призмами. Оборачиваемость, зеркальность, вращение и аберрации в изображениях, даваемыми призмами. Преломляющие призмы. Конструктивные и технологические особенности. 1.2.4. Линзы. Характеристики и виды линз. Формулы расчета кардинальных точек линз. Аберрации, оптимальные формы линз. Апланатические линзы, их свойства. Комбинации линз с особыми свойствами.

Линзы осветителей, коллективы и др. Линзы с асферическими поверхностями. Конструктивные и технологические особенности. 1.2.5. Особые оптические детали. Аксиконы. Световоды. Линзы Френеля. Растры. Оптическое волокно. Граданы. Дифракционные элементы. 1.3. Глаз как оптическая система 1.3.1. Устройство и строение глаза. Передняя и задняя камеры. Роговица, радужная оболочка со зрачком, хрусталик с кольцевой мышцей, сетчатка и др. 1.3.2. Оптические характеристики и свойства глаза. Фокусные расстояния (переднее, заднее). Размеры входного зрачка. Разрешающая способность. Аккомодация. Адаптация. Спектральная чувствительность. Аберрации глаза. Бинокулярное зрение. Стереоскопия. Специфика зрительного восприятия точечного и протяженного объектов. 1.3.3. Недостатки зрения и их коррекция. Очки. 1.4. Оптические системы микроскопа 1.4.1. Общая теория, характеристики и схемы. Поле зрения и изображения. Положение зрачков. Разрешающая способность. Числовая апертура. Полезное увеличение. Геометрическая теория микроскопа. Теория Аббе формирования изображения в микроскопе. 1.4.2. Оптические системы. Простые и сложные системы. Лупы. Двух и многокомпонентные системы, их свойства и характеристики. Системы микро и фотопроекции. Экранное наблюдение. Фоторегистрация. Системы микроскопа стереоскопического зрения. 1.4.3. Унификация и стандартизация схем оптики микроскопа. Элементная база - микрообъективы, окуляры, их схемные решения, конструктивные и технологические особенности. 1.5. Телескопические оптические системы 1.5.1. Общая теория, характеристики и схемы. Наблюдение точечных и протяженных объектов. Угловое поле в пространстве предметов и изображений. Положение зрачков. Пространственное и энергетическое разрешение. Видимое увеличение. 1.5.2. Оптические системы. Простые зрительные трубы. Сложные зрительные трубы. Требования габаритов. Оборачивающие системы. Многокомпонентные системы. 1.5.3. Телескопические системы со сменой увеличения. Скачкообразная смена увеличения. Панкратические системы. Соотношения постоянства положений предметов (изображений) и зрачков. Габаритные и энергетические расчеты. 1.5.4. Оптика астрономических телескопов. Влияние атмосферы. Проницающая способность. Равнозрачковое увеличение. Базовые схемы телескопов: Кассегрена, Грегори, Мерсена. 1.5.5. Объективы и окуляры телескопических систем. Схемы и особенности конструкций. Главные зеркала телескопов. 1.6. Проекционные и репродукционные оптические системы 1.6.1. Методы и схемы проекции. Основные характеристики и схемы проекционных систем. Диа и эпипроекция. Условия наблюдения. 1.6.2. Проекционные объективы. Экраны. Габаритный и светотехнический расчет проекционных систем. Фотолитографическая оптика. 1.7 Оптика фотографических, оптико-электронных и телевизионных систем 1.7.1. Классификация, характеристики и основные схемы. Классы решаемых задач и особенности оптических систем. Методики определения основных характеристик оптики данного класса. 1.7.2. Фото-кино оптика. Глубина резкости изображения фотооптики. Нормальные, светосильные, широкоугольные и длиннофокусные объективы. Линзовые, зеркально- линзовые и зеркальные объективы. Объективы с переменным фокусным расстоянием. Особенности схем телевизионной оптики. Связь характеристик со сложностью схемных решений оптики. 1.8 Осветительные оптические системы. 1.8.1. Назначение, характеристики и основные схемы. Интенсивность и равномерность освещения. Схемы нормального и критического освещения. 1.8.2. Оптические системы Простые и сложные конденсоры. Коллекторы. Осветители микроскопов. Прожекторные системы. Растровые системы. Системы преобразования лазерных пучков. Особенности расчета и конструкции. 2. Основы расчета и проектирования оптических систем. 2.1. Основы проектирования оптики. Цели, задачи, методы и этапы проектирования оптических систем. Техническое задание на оптическую систему. Результат проектирования. Типовой алгоритм проектирования оптики. Задачи синтеза, анализа и оптимизации. Компьютерное проектирование оптических систем. Пакеты компьютерного проектирования оптики. 2.2. Синтез исходной схемы оптической системы. Методы синтеза. Поиск прототипов и их модификация. Синтез из отдельных элементов Аналитические методы параметрического синтеза. Габаритные расчеты оптики. 2.3. Анализ оптической системы. Уровни анализа. Анализ параксиальных характеристик, Анализ аберраций. Анализ качества изображения геометрически и дифракционно ограниченных оптических систем.

2.4. Оптимизация оптической системы. Задачи и принципы оптимизации в типовых системах автоматизированного проектирования оптики.. Задание на оптимизацию: параметры и функции оптимизации, ограничения, критерий оптимизации. Выбор метода оптимизации. Типовые пакеты прикладных программ автоматизированного проектирования оптики.

5. Лабораторный практикум, практические занятия и курсовые проекты 5.1. Лабораторный практикум № п/п

№ раздела дисциплины

1.

1.1, 1.2

2. 3.

1.2 1.4

4.

1.5

5.

1.6

6.

1.4, 2.2

7.

2.2, 2.3

8.

2.2, 2.3

9.

1.8, 2.2

Наименование лабораторных работ Определение характеристик оптической системы и отдельных компонентов Изучение и коррекция аберраций линз и объектива Синтез и исследование оптической схемы микроскопа Синтез и исследование оптической схемы телескопической системы Синтез и исследование оптической схемы проекционной системы Синтез и исследование оптической схемы микропроекционной установки Синтез оптической системы зеркального апланатического объектива Исследование качества изображения оптической системы с асферическими поверхностями и определение технологических параметров асферических поверхностей Синтез оптической системы для преобразования лазерных пучков

5.2. Практические занятия № п/п

№ раздела дисциплины

1.

1.2

2. 3. 4. 5. 6. 7.

1.2 1.3 1.4 1.5 1.5 1.6

8.

1.7

9.

1.8

Темы практических занятий Плоскопараллельные пластинки, отражательные зеркала, системы зеркал Отражательные призмы. Расчет призм Глаз. Разрешающая способность. Коррекция недостатков зрения Габаритный расчет микроскопа Простые зрительные трубы Габаритный расчет сложной зрительной трубы Габаритный и энергетический расчет проекционных систем Фотографические и др. объективы. Основные характеристики. Разрешающая способность Габаритный, энергетический и аберрационный расчеты осветительных систем

5.3. Примерная тематика курсовых работ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Эндоскопы Проекционные установки Сложные зрительные трубы (перископы, прицелы и др.) Микроскопы различного назначения с системами освещения Микропроекционные установки с системами освещения Оптические системы с волоконными элементами Оптические системы для преобразования лазерных пучков.

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 6.1. Рекомендуемая литература а) основная литература 1. 2. 3.

Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. М.: Машиностроение,1992 Бебчук Л.Г. и др. Прикладная оптика . М. : Машиностроение, 1988. Прикладная оптика / Дубовик А.С., Апенко М.И. , Дурейко Г.В. и др. М.: Недра, 1982.

4. 5.

Апенко М.И. .Заапрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике, М.: Недра, 1987. Вычислительная оптика / Русинов М.М. и др. Справочник . Л.: Машиностроение, 1984

б) дополнительная литература 1. 2. 3.

Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем., Л.: Машиностроение, 1982. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. М.: Логос. 2000. Сборник задач по теории оптических систем. / Андреев Л.Н., Грамматин А.П. и др. М.: Машиностроение, 1987.

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины 1. Пакеты автоматизированного проектирования оптики. 2. Комплект тестов для обучения и аттестации в системе дистанционного обучения.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс для моделирования и расчета оптических систем

Программу составили: к.т.н., проф. Шехонин А.А., кафедра Прикладной и компьютерной оптики к.т.н., доц. Цуканова Г.И., кафедра Прикладной и компьютерной оптики