工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展與計(jì)算機(jī)結(jié)合的定量分析的研究

鄧榮標(biāo) 黃峰

【摘要】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)置的拓展與延伸，并對(duì)光學(xué)測(cè)量的數(shù)字化定量分析等方面進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】工程光學(xué)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；項(xiàng)目拓展；定量分析

隨著光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光信息、光電技術(shù)、光傳輸?shù)仍谏鐣?huì)技術(shù)革新中成為技術(shù)高點(diǎn)，在推動(dòng)創(chuàng)新型社會(huì)中發(fā)揮著重要的作用，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。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，但普通存在設(shè)置偏理論驗(yàn)證，不能與日新月異的信息化技術(shù)結(jié)合的問題。

一、工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)的狀況

對(duì)光信息技術(shù)、光學(xué)工程專業(yè)來說，工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍是支撐幾何光學(xué)、物理光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。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。工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)圍繞著這些知識(shí)點(diǎn)開出的實(shí)驗(yàn)普遍存在著一些問題：一方面是少“工程”多“理論”：以驗(yàn)證幾何光學(xué)與物理光學(xué)的配套實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)，而忽略了“工程”的理念，項(xiàng)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(xué)工程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展；另一方面，許多學(xué)校的工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)停留在鋼軌、插拔式的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象層面而未能過渡到精密導(dǎo)軌、電腦顯示與分析光學(xué)現(xiàn)象的階段，弱化了后續(xù)的實(shí)驗(yàn)的延深與運(yùn)用，在信息化技術(shù)創(chuàng)新中，光信息與光電技術(shù)發(fā)揮著重要作用的各領(lǐng)域，顯得滯后。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。

二、工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的拓展與延伸

1.實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容

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。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)，分成幾何光學(xué)部分組群、物理光學(xué)部分組群。幾何光學(xué)部分主要開出：自準(zhǔn)直法測(cè)量薄透鏡焦距實(shí)驗(yàn)；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)；光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)；顯微鏡搭建與光學(xué)系統(tǒng)分辨率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；望遠(yuǎn)系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)；光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌與視場(chǎng)光闌實(shí)驗(yàn)等這些實(shí)驗(yàn)；光學(xué)系統(tǒng)景深測(cè)量實(shí)驗(yàn)。而物理光學(xué)中主要完成：楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)；馬赫-曾德干涉實(shí)驗(yàn)；菲涅爾衍射實(shí)驗(yàn)（圓孔、三角形、矩孔、多邊形孔）；衍射光學(xué)元件（DOE）設(shè)計(jì)；馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)（矩孔、圓孔、多邊形孔、三角形）；偏振光產(chǎn)生與檢驗(yàn)（線偏振、圓偏振）等這些實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展與延伸

多數(shù)高校的工程光學(xué)的實(shí)驗(yàn)偏向于驗(yàn)證理論的實(shí)驗(yàn)為主，缺少實(shí)際運(yùn)用結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，過于傳統(tǒng)少了“工程”的理念及實(shí)驗(yàn)的深度延深?？梢钥紤]增加設(shè)計(jì)運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)：增加光學(xué)設(shè)計(jì)組群；增加創(chuàng)新運(yùn)用的延伸實(shí)驗(yàn)。

1.增加光學(xué)設(shè)計(jì)組群

在幾何光學(xué)中的光路與成像中，僅僅是驗(yàn)證理論為目的是不夠的，可以考慮增加光學(xué)仿真設(shè)計(jì)，ZEMAX是現(xiàn)社會(huì)中光學(xué)設(shè)計(jì)師的主流軟件平臺(tái)，基于這平臺(tái)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真。可以選取一些光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來補(bǔ)充到課程中來。可以開出單、雙透鏡的設(shè)計(jì)、牛頓望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)、顯微鏡的設(shè)計(jì)等等，研究光路與成像，培養(yǎng)光學(xué)設(shè)計(jì)工程師方向的人才培養(yǎng)。

同時(shí)也可進(jìn)一步，將課外與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合實(shí)踐的結(jié)合，拓展到課外應(yīng)用。以牛頓望遠(yuǎn)鏡為例，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，從光ZEMAZ設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行牛頓望遠(yuǎn)鏡理論設(shè)計(jì)，到課內(nèi)望遠(yuǎn)鏡搭建實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，到課外望遠(yuǎn)鏡的實(shí)物制作。實(shí)現(xiàn)課內(nèi)設(shè)計(jì)（理論參數(shù)、設(shè)計(jì)圖紙）――課內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）――課外作品（實(shí)物）完成的全過程。

2.增加創(chuàng)新運(yùn)用的延伸實(shí)驗(yàn)。

在物理光學(xué)部分，有著諸如邁克爾遜實(shí)驗(yàn)這些實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在眾多的精密光學(xué)測(cè)量?jī)x器都基于這原理上不斷創(chuàng)新而達(dá)到非常高的精度測(cè)量。這些實(shí)踐性強(qiáng)、運(yùn)用性廣的實(shí)驗(yàn)。我們可以增加開出一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生選做，比如空氣折射率的測(cè)量、微小量的測(cè)量（如厚度測(cè)量、表面粗糙度測(cè)量）等等。將經(jīng)典的理論引導(dǎo)與延伸的實(shí)際的運(yùn)用，從理論驗(yàn)證過程到設(shè)計(jì)與運(yùn)用，這也符合“工程”的理念。

三、計(jì)算機(jī)結(jié)合的定量分析的研究

與信息化結(jié)合，與前沿的技術(shù)，這是培養(yǎng)專業(yè)優(yōu)秀人才的一個(gè)有效的途徑。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)；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)，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。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。工程光學(xué)的實(shí)驗(yàn)在光路仿真設(shè)計(jì)，在干涉與衍射各類實(shí)驗(yàn)中：馬赫-曾德干涉儀搭建實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)、衍射光學(xué)元件（DOE）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、衍射（干涉）條紋光強(qiáng)分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)、偏振光產(chǎn)生與檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)（線偏振、圓偏振）、球差、彗差、像散、場(chǎng)曲的星點(diǎn)法觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)開展教學(xué)，進(jìn)行數(shù)據(jù)量化與分析。

1.光路仿真設(shè)計(jì)：基于這ZEMAX軟件平臺(tái)作為設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的工具。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)成像等各個(gè)過程，讓學(xué)生走進(jìn)解決問題的設(shè)計(jì)中來，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容延伸到具體的工程領(lǐng)域，將學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)拓展到光學(xué)工程師的就業(yè)領(lǐng)域。

在zemax設(shè)計(jì)軟件中，通過點(diǎn)列圖、扇形圖、MTF曲線等實(shí)現(xiàn)光路追跡，像質(zhì)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值的量化。

2.數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：光學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過CCD采集，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后方便學(xué)生儲(chǔ)存與整理，有助學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)，工程光學(xué)的實(shí)驗(yàn)大多可借助采集設(shè)備來完成采集，如圖2場(chǎng)曲與像散的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量分析：通過計(jì)算機(jī)提取的光學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)定量分析，如光學(xué)傳遞函數(shù)（Optical transfer function， OTF）的實(shí)驗(yàn)中，如下圖3條紋的波形圖，讀出子午方向條紋灰度分布，進(jìn)行“統(tǒng)計(jì)直方圖”，和“歸一化強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)”，計(jì)算子午方向MTF，來定量計(jì)算出MTF值（線對(duì)數(shù)），如果依次計(jì)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(gè)波谷到主峰右邊第一個(gè)波谷，計(jì)算偏移量確定零級(jí)亮斑寬度，通過已知λ（nm），透鏡焦距f從而計(jì)算出“縫寬”。

從傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)走出來，拓展到光設(shè)計(jì)這層面來，引導(dǎo)學(xué)生從工程實(shí)際運(yùn)用出發(fā)討論光學(xué)問題，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目延伸。借助計(jì)算機(jī)等前沿的信息化設(shè)備與技術(shù)手段，對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行采樣與定量分析，借助培養(yǎng)學(xué)生的更強(qiáng)的科研與創(chuàng)新能力，這將對(duì)光信息、光電專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)有著非常大的作用。

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