工程光学实验项目的优化研究

邓荣标

(广州大学物理与电子工程学院,广东 510006)

工程光学实验项目的优化研究

邓荣标

(广州大学物理与电子工程学院,广东 510006)

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优化对策、并对方案中的实验项目群组、光学测量的数字化定量分析等方面进行了探讨。

工程光学;实验项目;群组

随着科学技术的发展、细分与光电产业的发展,工程光学越来越受到重视。在高校教育中,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[1]。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。

1 工程实验项目开设的状况

工程光学实验围绕工程光学的教学展开,一些专业由于没有开出光电子技术、光电检测等后续课程,授课内容加入了波动光学、晶体光学、光谱学等知识。对光信息技术、光学工程专业来说,大多数学校主要以几何光学、物理光学为主要内容展开。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[2],然而围绕这些知识点开出的实验存在着一些问题:

(1)一些专业只是针对一些传统的干涉、衍射和光路搭建的实验,例如望远镜系统的搭建、菲涅耳与夫琅禾费衍射、迈克耳孙干涉实验等传统的几个课内实验,学生在实验课时少且仅是以传统经典的验证性实验为主的情况下,思维受限,没有真正地进入工程光学的学习。

(2)随着技术的发展,光学仪器越做越精密,已过渡到精密导轨、电脑显示与分析光学现象的阶段,但一些实验室实验的条件几十年不变,停留在钢轨、插拔式的实验层面,工程光学开出的实验与一般的光学实验无异,无法更新实验方法和展开更多新的实验,新的光电技术没办法融入进来,例如一些专业仍用迈克耳孙、双棱镜这样的大学物理实验来开课,这样不利于光方面专业的课程教育。

(3)一些学校将工程光学实验项目仅仅当作几何光学与物理光学的配套实验,重在验证而忽略了“工程”的理念。没有光学设计,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[3]。

2 工程光学实验项目设置的对策研究

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。傅里叶光学部分在工程光学这里讲授得比较少,留在后续的信息光学来具体展开,晶体光学部分亦是放在后续的光电子技术这门课里进行讲授,工程光学实验根据课程来展开。

过去工程光学实验依附在“应用光学”和“物理光学”这2门课程的教学,实验教学课时少,只有几个学时,实验项目内容多采用验证型实验,一些实验项目易与大学物理中的光学部分重叠,采用的实验方法甚至仪器都相同,这对培养光学专业的学生不利。为了改变这种状况,需将工程光学实验独立设课,制定相应的独立实验大纲,相应的实验学时应在36学时左右:

(1)几何光学与像差部分。实验项目的设置减少典型传统的光学系统的学时数,例如将显微镜系统、望远镜系统、照相系统设置在大概3学时,多功能的平行光管,设置为3学时,增加3学时焦距测量(完全不同于大学物理的薄透镜的测量方式,而是用应用光学书里面自准直仪,分划板的方法)。对于传递函数测量MTF,这些新实验和像差,开出3～6学时的实验,这样几何光学与像差实验大约可开出12～15个学时。

(2)物理光学部分。可以开出马赫-曾德干涉仪搭建实验、衍射条纹光强分布测定实验、干涉条纹光强分布测定实验、衍射光学元件(DOE)设计实验、偏振光生产与检验实验、马吕斯定律验证实验、空间光调制器实验。物理光学的知识是光电子、激光原理等专业课的基础,相应的实验也应升级。考虑到后续的课程,可以以空间光调制器为线索,从二年级开到毕业设计。物理光学部分用SLM开,这个关键器件,将来还可以用于信息光学课程。物理光学部分开出也在12～15个学时左右,与后续的课程接轨,形成实验的关联[4-5]。

(3)选取一些光学设计实验予以补充,例如基于ZEMAX的透镜的优化设计,将实验延伸到具体的工程领域,在这方面可以开出4～6个学时。

3 实验项目设置的思路

3.1 合理设置基础、综合、设计实验内容比例

引导学生从工程实际问题出发讨论光学问题,设计可用于实际测量的实验光路系统。增加综合设计的实验项目,按照基础、综合、设计4∶3∶3比例配置实验内容[6-7],利用现有实验条件,建立平台式的模式,让学生完成光路的设计、光学元件的选配、光路系统的搭建、实验数据的测量,并与理论实验结果进行比较分析。通过这种新的实验教学模式,培养学生具有坚实的理论基础和扎实的实验技能,同时培养学生解决问题的能力和探究的科学态度。

3.2 摆脱纯演示、插拔式的实验方法

选用科研与工业级的光机部件,形成实验平台式的项目群组,搭建选做实验的平台[7]。

利用共用的平行光管、激光器或空间光调制器,选取不同的光器件来展开实验,根据实验的知识点,分成不同的实验项目群组,例如几何光学基础实验涉及的知识点为透镜成像、放大倍率、显微镜系统、望远镜系统、光路计算与近轴光学系统、孔径光阑、光学系统景深、焦距测量、光学系统分辨等,建立的相应实验项目组群为自准直法测量薄透镜焦距实验、光学系统基点测量、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、望远系统的搭建和参数测量实验、显微镜与光学系统分辨率检测实验、光学系统景深测量实验、光学系统的孔径光阑实验。

光学系统像差传函焦距测量综合实验项目组包括光学系统像差计算及结果仿真实验、轴向位置色差的测量实验、刀口仪阴影法观测光学系统像差实验,以及彗差、球差、像散、场曲的星点法观测实验等。

物理光学部分实验组群包括马赫-曾德干涉仪搭建实验、衍射条纹光强分布测定实验(圆孔、多边形孔、矩孔、各种光栅等)、干涉条纹光强分布测定实验、衍射光学元件(DOE)设计实验、马吕斯定律验证实验、空间光调制器实验、偏振光生产与检验实验(圆偏振、线偏振)。

建立项目群组的实验模式,一定程度上增加了实验项目数,为学生提供了更多的实验选择,为开展开放实验室工作、进行综合设计实验的教学准备了良好的条件。

3.3 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[8];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[9-10],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,如图1的实验图像。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。

图1 实验图像

3.4 增加设计类的实验

作为工程光学实验,应该让学生参与更多的工程类的实践,例如增加课内课程设计实验或者开设基于ZEMAX的优化设计实验,通过使用ZEMAX软件作为分析和优化工具。ZEMAX软件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、像差优化和系统成形等各个过程,让学生走进解决问题的设计中[11-12]。

4 结束语

工程光学对光信息技术、光学工程等专业来说,是一门重要的基础课,应该摆脱传统的实验模式,让更多的新的技术走进来,让实验与产业发展接轨。

References)

[1]张建寰,颜黄苹,黄元庆.突出“实践”特色建设工程光学精品课程[J].高等理科教育,2009(2):108-111.

[2]贺顺忠.工程光学实验教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3]柏俊杰,张小云,吴英.面向工程应用的工程光学改革与实践[J].重庆:重庆科技学院学报,2012(13):186-188.

[4]郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2007.

[5]张毓英.光学实验[M].北京:电子工业出版社,1989.

[6]樊军辉,皮飞鹏,马颖,等.广州大学物理实验教学模式改革的研究与实践[J].湖南文理学院学报:自然科学版,2012(6):78-81.

[7]王瑞松.Real Light光电教学实验整合设计方案[EB/OL].http:// www.doc88.com/p-5095899464159.html.

[8]周亚辉,朱昊.基于Lab VIEW的工程光学远程实验系统设计[J].实验技术与管理,2006,23(10):63-66.

[9]吕且妮,崔宇明,蔡怀宇.＂工程光学实验＂教学平台的设计与建立[J].光学技术,2010(36):105-106.

[10]万玉红,宋伟,陶师荃,等.巧用Matlab辅助信息光学教学[G].哈尔滨:2008年中国光学学会全息与光信息处理专委会学术年会,2008.

[11]陈颖,王春芳,童凯.工程光学多元化教学模式研究[J].教学研究, 2014(37)89-92.

[12]李丽,刘晓波.工程光学教学改革探索[J].实验技术与管理,2009, 26(8):129-131.

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

邓荣标(1972—),男,广东廉江,本科,讲师,主要从事光学工程领域的研究.

E-mail:dengrb＠gzhu.edu.cn