結合Zemax、Matlab Gui編程，提高應用光學的教學質量

趙書濤，李艷梅，王麗萍，武 山，張志國，張開銀，吳言寧

(阜陽師范學院，安徽 阜陽 236037)

結合Zemax、Matlab Gui編程，提高應用光學的教學質量

趙書濤，李艷梅，王麗萍，武 山，張志國，張開銀，吳言寧

(阜陽師范學院，安徽 阜陽 236037)

應用光學是學院應用物理專業(yè)的一門核心課程，具有很強的實用性。為了更好的改進課堂教學效果，結合前期應用光學理論教學中存在的問題，從課程內容安排、課堂組織形式和理論與實踐結合度方面進行改革。實施課程內容優(yōu)化，注重課堂學生自主學習，引入Zemax光學設計、Matlab GUI編程培養(yǎng)學生解決問題的能力。

應用光學；Zemax；Matlab Gui

應用光學是光電類的一門重要的專業(yè)核心課程，同時它又是一門實踐性很強的學科，需要鍛煉同學們的科學素養(yǎng)和動手能力，為后續(xù)的光學檢測技術及應用、光電子、光電器件及應用等課程教學的開展打下基礎[1]。

本文對應用光學課程的教學進行探討，對課程教學的特點和不足之處進行總結，并針對性的提出建設性的改進措施，使學生對課程學習的認同感有所增強，興趣有所提高，為后續(xù)的光電課程學習打下一個良好的基礎。

1 課程教學存在的問題

應用光學是我院應用物理專業(yè)和新申報專業(yè)光電信息科學與工程的核心課程。應用物理專業(yè)的應用光學課程，安排在大三上學期，總學時為51學時。另外，根據(jù)學校培養(yǎng)方案和大綱的要求，該課程可以結合具體實驗條件開展12學時實踐教學。在應光課程的教學實踐過程中，遇到以下問題：

1) 跟以前所學課程內容有交叉。應物專業(yè)在大二期間開設了光學課程，在課程的講授過程中有一部分涉及到幾何光學的基本原理，如光在單球面上的反射和折射，光連續(xù)在多球面上的折射和近軸物點近軸光線成像等。然而，光學課程在這方面安排課時少，講解不夠體系。

2) 課程的公式繁多，推導較為復雜，由于對物理場景的思考較淺，導致學生對概念和公式的理解上不去一個檔次，感覺抽象難記，進而對應光的學習興趣大打折扣，甚至自暴自棄。

3) 課程的理論教學和實踐環(huán)節(jié)結合度不夠。大綱對課程的規(guī)定為51+(12)學時，由于前期實驗條件的不足，實驗環(huán)節(jié)一直沒有開展。缺少實驗環(huán)節(jié)，使學生對光學知識的應用面了解較少，導致學生的學習主動性降低和學習興趣與熱情的減少。理論和實踐的脫節(jié)，使得應用光學的“應用”特色沒有得到應有的體現(xiàn)，對學生的專業(yè)特長培養(yǎng)不利，導致在后續(xù)的工作和學習中會處于不利地位。

2 課程教學改革

針對上述課程教學中遇到的問題，我們從教學內容的整合、現(xiàn)代教學手段的運用和課程實踐來入手，著力改變當前的教學現(xiàn)狀，具體的解決辦法如下。

1) 教學內容上進行優(yōu)化。針對光學和應用光學的交叉內容，課程任課老師進行集體備課，壓縮部分理論知識，刪除光學教程中非主體及重復部分，最終使兩門課程能夠前后有序的銜接到一起。將來，可以借人才培養(yǎng)方案的調整機會，對課程體系進行大的調整，如應用物理和光電信息科學與工程專業(yè)可以進行普通物理教學，把應用光學改為工程光學(包括幾何光學和波動光學)講授，以增強兩個專業(yè)的工科特色，適應我校專業(yè)應用化的發(fā)展趨勢。

2) 多媒體教學和啟發(fā)式教學相結合。對較復雜的推導過程適當弱化，把這部分內容留給學生課下學習，然后下次課進行師生互動探討[2]。采用多媒體課件教學，對概念的引入、原理的應用等直觀的表達出來，同時輔以生動形象的實物圖片和動畫，使學生的積極性充分調動起來。適當采取課堂小組討論的教學模式，發(fā)揚教師為主導、學生為主體的風格，采取教師導入問題，引導學生去積極思考、討論，進行問題的分析、求解，從而極大提高學習的主動性。如，在光度學教學中，針對概念較多的問題，讓學生在課堂上對光度學的概念、原理及描述的物理情景進行自發(fā)討論，增強對概念的理解；在目視光學系統(tǒng)教學中，針對人眼、放大鏡、顯微鏡系統(tǒng)和望遠鏡系統(tǒng)的光學系統(tǒng)特點進行描述和總結，做一個縱向的比較和歸納，加深對此類光學系統(tǒng)的理解。

3) 引入Zemax設計、Matlab編程、實驗教學實踐。過多的課程理論教學，會使學生感覺索然寡味，對課程的應用感到茫然。因此，將虛擬仿真引入到課堂教學中可以起到很好的效果[3]。本文將國際通用的先進光學設計軟件Zemax引入到應用光學教學中，通過其生動的圖形界面設計，讓學生對光學知識有一定的直觀了解，提高了對課程學習的興趣[4]。同時，把Matlab編程恰當?shù)囊氲浇虒W中，讓學生把編程的學習和解決物理問題聯(lián)系在一起，對他們日后的科研有幫助和啟發(fā)作用[5]。另外，學院采購的5套幾何光學和像差教學儀器已到貨，實驗教學實踐也要在今年開展起來，配合課程的理論教學，使學生對應用光學了解有一個動手實踐的過程，提高了動手實踐能力，為日后參加工作有一定的幫助[6]。

為了使Zemax設計更貼近課程的理論教學，筆者以應用光學教材[7](胡玉禧第2版)第二章高斯光學課后習題18(P55)為例來引入軟件設計教學[7]，講解軟件的一些基本操作，加深學生對概念、原理的理解。題目中同心透鏡的曲率半徑分別為50 mm和40 mm，厚度為10 mm，透鏡折射率為1.516 3，求透鏡系統(tǒng)的光學參數(shù)主平面和焦點的位置。根據(jù)折射率1.516 3，玻璃選擇SCHOTT庫中的BK7HT，它對d光(587.6 nm)的折射率為1.516 330，跟題目中的折射率接近。在Zemax軟件中，在System菜單下選擇General，設置Aperture Value為25 mm，點擊Wavelengths選擇F，d，C(Visible)三種波長的光，在 Lens Data Editor界面選中STO面，在Radius欄輸入同心透鏡的左側曲面半徑50，Thickness欄輸入透鏡厚度10，Glass欄設置為BK7HT，然后在界面窗口Edit下拉菜單中選擇Insert Surface，在新添面Radius欄輸入同心透鏡的右側曲面半徑40，在Thickness處右鍵在Solve Type欄下選擇Marginal Ray Height。

建立好同心透鏡模型后，用Zemax設計軟件進行分析和顯示。點擊快捷菜單上的Lay，可以顯示同心透鏡的二維結構和光學追跡的情況，見圖1。點擊Reports，選擇Prescription Data可以給出光參數(shù)Focal Length為-587.348 8 mm，Principal Planes (Object Space)為50 mm，符合題目參考答案-587.4 mm，50 mm。通過這道課后習題，可以讓學生們簡單了解到Zemax設計軟件如何求解光學系統(tǒng)參數(shù)，對其有個初步的認識和了解。

圖1 同心透鏡二維結構圖

為了讓學生更好的了解多色光在光學系統(tǒng)中的傳輸情況，本文使用F，d，C(Visible)三種波長的光來對光線進行追跡。在Analysis菜單下選擇Spot Diagrams，再選擇Standard，我們將得到一個RMS為701 m的標準點列圖。為了便于評價像質的情況，把艾利(Airy)衍射斑引入到點列圖中，在圖中右鍵選擇Show Airy Disk，然后點擊OK，給出的點列圖見圖2。由圖2可以看出，平行光在焦平面的光斑比艾利斑大的多，并且不同波長的光聚焦情況不一樣，由此引出球差和色差的概念。為了讓學生定量地了解多色光的聚焦情況，我們引入多色光漂移參量來進行描述。在Analysis菜單下選擇Miscellaneous Chromatic Focal Shift，給出多色光漂移圖，見圖3。從圖中可以看出F光到C光之間的各個波長光相對d光焦點的偏移情況，讓學生對多色光的傳輸有個定量的了解。

為了更好的讓課程教學和Matlab編程結合到一起，讓學生學會用程序去解決一些應用光學問題，本文以上述習題為例進行了Matlab Gui的可視化程序設計。首先，新建一個空白的Gui文件，在其開發(fā)環(huán)境下添加4個編輯文本框(Edit text)用以輸入同心透鏡的四個參量(前后球面半徑 、厚度和折射率)，12個靜態(tài)文本框(Static text)用以文字說明和輸出同心透鏡的焦距、主面距數(shù)值，1個命令按鈕(Push button)通過回調函數(shù)用以執(zhí)行求解；然后，對Gui文件編譯、執(zhí)行，輸入透鏡參數(shù)，結果如圖4所示。

圖2 點列圖(μm)

圖3 多色光漂移圖 (μm)

圖4 Matlab Gui設計圖

從圖4中，我們可以看出Matlab Gui的計算結果和Zemax設計程序的結果一致，說明程序的可靠性。做到此處，部分同學會有疑問，手動計算花費的時間比編程要少，因此，為了一個光學習題設計一個程序有點多余。借此機會，筆者讓學生進行了分組討論，并讓每組把討論結果當場公示。小組討論的結果是Matlab Gui編程很有必要，因為此程序可以解決透鏡這一類問題，并不局限于一道題，如本章習題16，19?；谏鲜鯶emax和Matlab對同心透鏡的研究，引導學生對更多種類的透鏡(如平凸、平凹、正彎月形、負彎月形)進行研究，加深對各類透鏡的理解[8]。

為了更好的促進學生動手能力，結合新采購的5套幾何和像差實驗儀器開展實驗實踐教學，提高學生的動手能力，使理論教學部分在實踐中得到再現(xiàn)，加深對光學課程知識的了解。

3 結 語

針對學院的光學課程部分內容交叉，公式繁多、推導較為復雜，理論教學和實踐環(huán)節(jié)結合度不夠的問題，本文從光學課程結構優(yōu)化入手，對課程體系進行適當壓縮和整理，使學生上課時能夠更快的銜接起來；采用多媒體和啟發(fā)式教學，讓學生能夠作為主體參與到課程的主動學習中來；引入Zeamx光學設計、Matlab Gui編程，讓學生對課程內容有一個更直觀、跟深層次的認識，對將來工作和科研有一定幫助。

[1] 牟達,羅春華,李艷紅.“光學設計及CAD”課程多媒體教學實踐與研究[J].長春理工大學學報,2012(11)：226-227.

[2] 周笑薇.問題式教學法在光學教學中的探索[J].內江科技,2016(2)：149-149.

[3] 劉維慧,孟麗華,于陽,等.工科物理虛擬仿真實驗教學平臺的建設實踐[J].大學物理實驗,2016,29(2)：138-141.

[4] 曾維友.光學設計軟件在像差理論教學中的應用與探討[J].教育教學論壇,2016(21)：221-222.

[5] 趙鑫.基于Matlab的光學等厚干涉實驗仿真[J].課程教育研究,2016(2):176-177.

[6] 江旻珊.工程光學實驗教學的研究與探討[J].教育教學論壇,2016(3):219-220.

[7] 胡玉禧.應用光學[M].合肥：中國科學技術大學出版社,2010：73-84.

[8] 郁道銀，談恒英.工程光學基礎教程[M]．北京: 機械工業(yè)出版社，2007:92-95．

[9] 張占新.大學物理實驗教學改革措施與實踐[J].大學物理實驗，2013(6)：55-57.

Improving the Teaching of Applied Optics by Using Zemax and Matlab Gui Programming

ZHAO Shu-tao，LI Yan-mei，WANG Li-ping，WU Shan，ZHANG Zhi-guo，ZHANG Kai-yin，WU Yan-ning

(Fuyang Normal University,Anhui Fuyang 236037)

Applied Optics is one of the core courses for the specialty of applied physics,which has strong practicability.In order to improve the effects of teaching activities,for the previous problems in the theory teaching of applied optics,the reforms are carried out for the curricular content's arrangement,the organization of the class and the combination of theory and practice.The teaching idea of the course is to bring up the refinement of the curriculum contents and independent study ability of the student.In order to cultivate the students' ability to solve problems,the Zemax optical design and Matlab Gui programming are introduced.

applied optics；Zemax；Matlab Gui

2016-06-19

安徽省省級質量工程項目(2014zy047)；安徽省教育廳項目(KJ2014A195)；安徽自然科學基金項目(1608085QA19)；阜陽師范學院教研項目(2014JYXM48，2014JYXM18)；阜陽師范學院科研項目(2014FSKJ04ZD)。

1007-2934(2016)06-0134-04

O 435

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.037