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【精品課程展示】現代光學設計方法

編輯: 研究生院 發布日期: 2019-12-02 瀏覽量:

  研究生精品課程簡介

  課程名稱:現代光學設計方法

  課程代碼:0400013

  開課學院:光電學院

  授課教師:李林

  

 

  教師風範

  李林,男,光電學院教授,博士生導師。主持並參與了863支持先進裝備模擬訓練的輕量級飛行模擬器、863航空圖像一次承影技術研究、863特征捆綁和不變性知覺的腦認知功能成像、863LED舞台照明研究、973航天甚高分辨率空間遙感器、973全天時動目標識別與精確相對測量機理及敏感器研究、02國家重大專項光刻機設計、嫦娥三號月球巡視器雜散光分析研究、飛行模擬器頭位跟蹤視景顯示係統、航天星載光學遙感器告警與防護等數十個科研項目,獲6次部級科研獎勵。

  李林教授堅持立德樹人、教書育人,將最新科研成果融入課堂教學。主編出版了10本教材和專著,其中包括國家和省部級規劃教材以及國家出版基金,獲多項省部級以上教學成果獎勵,主講的課程獲北京市精品課程、獲國家級視頻公開課、國家精品在線課程,並獲北京市優秀教學團隊帶頭人。

  課程思政

  在課程教學中,將社會主義核心價值觀等相關的德育元素列入教學大綱的重要條目和課堂教學的重要內容,將課程教學和思政教育緊密結合起來。在授課過程中,適時介紹我國光學界王大珩、袁旭滄、陳晃明等老一輩革命家科學家的豐功偉績,傳承新時代科學家精神;突出介紹新中國成立以來我國在空間光學、機載光學、陸海軍光學領域所取得的成果,闡明黨的領導是這些重大成果取得的保證;具體介紹在袁旭滄教授帶領下,研製的我國第1套自主知識產權光學設計軟件SOD88;介紹我國的LAMOST望遠鏡;介紹在我校俞信教授領導下,參與空間自適應光學所取得的成就等,激發學生的愛國主義情懷,鼓勵學生畢業後為國家和人民投身到科研事業中去,為人民做出貢獻。

  前沿知識

  本課程根據人才培養目標來設計教學內容,除像差理論外,還包括經典望遠鏡物鏡、顯微鏡物鏡、目鏡、照相物鏡、變焦距係統、空間光學係統、光刻機係統、非球麵係統、自由曲麵係統、衍射元件、自聚焦透鏡、照明光學係統、液晶投影儀和背投電視鏡頭等新型光電儀器或光學係統的設計理論和設計方法。

  注重科教融合,如在講解望遠鏡時,介紹了我國最新研製成功處於國際先進水平的LAMOST望遠鏡和500米口徑球麵射電望遠鏡,介紹我校在主鏡分塊鏡以及主動光學或自適應光學方麵取得的成就;在講解目鏡時介紹我校在VR和AR方麵的成就以及在自由曲麵目鏡方麵的成果;在講解顯微鏡物鏡時介紹我國02重大專項光刻機的特點以及我校在光刻機鏡頭設計、仿真和測試方麵的成果;在照相物鏡時,介紹我國在航空航天相機方麵所取得的突破,同時介紹變焦距係統非球麵係統自由曲麵係統衍射元件等在航空航天領域的應用;穿插在整個教學過程中,適時介紹了自聚焦透鏡、照明光學係統、液晶投影儀和背投電視鏡頭在安防、監控、智能汽車輔助駕駛、計算機直接製版等領域的實際應用。同時緊密結合當前光電技術研究各應用領域的最新的科研成果,介紹了雜散光分析、環境溫度分析、公差分析、計算機輔助裝調技術、光學自動設計等熱點內容,既有理論又有實際應用例子。

  同時也注重產學融合,與北京高普樂公司、北京泰克儀器公司、航天科技集團五院、航天科技集團二院、航天科技集團三院等校外企業結合,根據企業實際需求,有針對性地安排學生設計研究所和企業的實際光電儀器。

  創新思維

  本課程的教學設計是訓練學生掌握現代光電儀器和現代光學係統的正確的設計理論和方法,成為一個基本合格的能夠獨立完成航空航天及民用等實際光電儀器光學係統的設計者,能夠在今後的實際工作中清晰有效表達出自己的觀點,並能客觀評估他人觀點的能力,具備理性思維和書麵表達能力。

  本課程采用以國際上最為先進的軟件Zemax作為牽引貫穿全課程,以具體實例帶動說明每個知識點。為此,除了介紹現代光學設計理論、概念和特點外,重點介紹了Zemax軟件中相應功能的使用方法,課程除了教學大綱所規定的內容外,還介紹了在本研究領域的前沿和熱點課題,例如空間光學係統、紅外光學係統、自由曲麵、非球麵光學係統、計算機輔助裝調、雜散光分析與計算、環境溫度對成像光學係統影響的分析計算等現代典型光學係統的特點和設計方法,提升對現代光電儀器的設計和研製能力。

  本課程注重研究型教學,將課堂講授、材料自學與課堂討論相結合,穿插設計實例分析。課程重視教學方法建設,能靈活運用多種恰當的教學方法,在望遠鏡物鏡、顯微鏡物鏡、目鏡、照相物鏡以及研究型課題的設計中,采用研討式或案例式進行討論,加強研究生創新性、批判性、顛覆性思維的培養。

  為了使研究型課程教學改革取得良好的效果,對學生進行分組,要求學生分別設計以下航空航天及民用領域實際的研究型課題:(1).星載離軸三反光學係統設計;(2).星載星敏感器設計;(3).智慧城市半球型超大視場廣角監控鏡頭設計;(4).直升機艦載助降光學係統設計;(5).防電磁泄漏投影鏡頭設計。課程旨在訓練學生就一個實際的課題正確地提出初始設計時所遇到的問題,找到強有力的結構型式論據,清晰有效表達出自己的設計策略和設計思路以及設計觀點,並能客觀評估同組中其他同學觀點的能力,最終培養的是學生的理性思維和書麵表達能力。為此,學生拿到課題以後,首先由老師介紹課題的背景和特點,然後學生們各組進行分析研究和討論,分別設計,定期開研究討論會,交流設計經驗,最後選擇最好的一個設計結果,由組長當著全體同學進行設計彙報答辯,最後由老師進行設計點評,以共性課題和研究性結果作為成績評定主要依據,評分標準緊扣思維能力、創新素質。

  學習效果擷取

  學生通過本研究型課程的學習,可以掌握學習的方法、課題研究的一般過程、課題研究的思路,學會團隊的合作精神。學生可以在設計企業的實際光電儀器過程中,接觸社會,熟悉實際企業的工作特點,為今後的科研工作打下堅實的基礎。

  例如,研究型課題要求學生根據航天五院的實際需求,設計一個衛星上使用的相機光學係統《星載離軸三反光學係統設計》。學生根據要求,首先上網查詢資料,查閱到院士潘君樺先生著有一本反射式非球麵的專業著作,為此,第1小組的曹晨樂、程岩、丁吉鵬、段瓔哲、郭倩玉、郭雨桐、郝建華、郝倩、黃晨、蔣睿等同學認真研讀這本著作,將書中的反射式非球麵公式應用到本研究型課題中,並編製程序對初始結構進行求解,然後輸入到光學設計軟件中,進行優化設計,如下圖所示:

  

 

  所設計的係統的點列圖為:

  

 

  所設計的係統的MTF如圖所示:

  

 

  可以看出,所設計的係統成像質量非常好,完全滿足使用要求,取得了非常好的學習效果。