结合Zemax、Matlab Gui编程，提高应用光学的教学质量

赵书涛，李艳梅，王丽萍，武 山，张志国，张开银，吴言宁

(阜阳师范学院，安徽 阜阳 236037)

结合Zemax、Matlab Gui编程，提高应用光学的教学质量

赵书涛，李艳梅，王丽萍，武 山，张志国，张开银，吴言宁

(阜阳师范学院，安徽 阜阳 236037)

应用光学是学院应用物理专业的一门核心课程，具有很强的实用性。为了更好的改进课堂教学效果，结合前期应用光学理论教学中存在的问题，从课程内容安排、课堂组织形式和理论与实践结合度方面进行改革。实施课程内容优化，注重课堂学生自主学习，引入Zemax光学设计、Matlab GUI编程培养学生解决问题的能力。

应用光学；Zemax；Matlab Gui

应用光学是光电类的一门重要的专业核心课程，同时它又是一门实践性很强的学科，需要锻炼同学们的科学素养和动手能力，为后续的光学检测技术及应用、光电子、光电器件及应用等课程教学的开展打下基础[1]。

本文对应用光学课程的教学进行探讨，对课程教学的特点和不足之处进行总结，并针对性的提出建设性的改进措施，使学生对课程学习的认同感有所增强，兴趣有所提高，为后续的光电课程学习打下一个良好的基础。

1 课程教学存在的问题

应用光学是我院应用物理专业和新申报专业光电信息科学与工程的核心课程。应用物理专业的应用光学课程，安排在大三上学期，总学时为51学时。另外，根据学校培养方案和大纲的要求，该课程可以结合具体实验条件开展12学时实践教学。在应光课程的教学实践过程中，遇到以下问题：

1) 跟以前所学课程内容有交叉。应物专业在大二期间开设了光学课程，在课程的讲授过程中有一部分涉及到几何光学的基本原理，如光在单球面上的反射和折射，光连续在多球面上的折射和近轴物点近轴光线成像等。然而，光学课程在这方面安排课时少，讲解不够体系。

2) 课程的公式繁多，推导较为复杂，由于对物理场景的思考较浅，导致学生对概念和公式的理解上不去一个档次，感觉抽象难记，进而对应光的学习兴趣大打折扣，甚至自暴自弃。

3) 课程的理论教学和实践环节结合度不够。大纲对课程的规定为51+(12)学时，由于前期实验条件的不足，实验环节一直没有开展。缺少实验环节，使学生对光学知识的应用面了解较少，导致学生的学习主动性降低和学习兴趣与热情的减少。理论和实践的脱节，使得应用光学的“应用”特色没有得到应有的体现，对学生的专业特长培养不利，导致在后续的工作和学习中会处于不利地位。

2 课程教学改革

针对上述课程教学中遇到的问题，我们从教学内容的整合、现代教学手段的运用和课程实践来入手，着力改变当前的教学现状，具体的解决办法如下。

1) 教学内容上进行优化。针对光学和应用光学的交叉内容，课程任课老师进行集体备课，压缩部分理论知识，删除光学教程中非主体及重复部分，最终使两门课程能够前后有序的衔接到一起。将来，可以借人才培养方案的调整机会，对课程体系进行大的调整，如应用物理和光电信息科学与工程专业可以进行普通物理教学，把应用光学改为工程光学(包括几何光学和波动光学)讲授，以增强两个专业的工科特色，适应我校专业应用化的发展趋势。

2) 多媒体教学和启发式教学相结合。对较复杂的推导过程适当弱化，把这部分内容留给学生课下学习，然后下次课进行师生互动探讨[2]。采用多媒体课件教学，对概念的引入、原理的应用等直观的表达出来，同时辅以生动形象的实物图片和动画，使学生的积极性充分调动起来。适当采取课堂小组讨论的教学模式，发扬教师为主导、学生为主体的风格，采取教师导入问题，引导学生去积极思考、讨论，进行问题的分析、求解，从而极大提高学习的主动性。如，在光度学教学中，针对概念较多的问题，让学生在课堂上对光度学的概念、原理及描述的物理情景进行自发讨论，增强对概念的理解；在目视光学系统教学中，针对人眼、放大镜、显微镜系统和望远镜系统的光学系统特点进行描述和总结，做一个纵向的比较和归纳，加深对此类光学系统的理解。

3) 引入Zemax设计、Matlab编程、实验教学实践。过多的课程理论教学，会使学生感觉索然寡味，对课程的应用感到茫然。因此，将虚拟仿真引入到课堂教学中可以起到很好的效果[3]。本文将国际通用的先进光学设计软件Zemax引入到应用光学教学中，通过其生动的图形界面设计，让学生对光学知识有一定的直观了解，提高了对课程学习的兴趣[4]。同时，把Matlab编程恰当的引入到教学中，让学生把编程的学习和解决物理问题联系在一起，对他们日后的科研有帮助和启发作用[5]。另外，学院采购的5套几何光学和像差教学仪器已到货，实验教学实践也要在今年开展起来，配合课程的理论教学，使学生对应用光学了解有一个动手实践的过程，提高了动手实践能力，为日后参加工作有一定的帮助[6]。

为了使Zemax设计更贴近课程的理论教学，笔者以应用光学教材[7](胡玉禧第2版)第二章高斯光学课后习题18(P55)为例来引入软件设计教学[7]，讲解软件的一些基本操作，加深学生对概念、原理的理解。题目中同心透镜的曲率半径分别为50 mm和40 mm，厚度为10 mm，透镜折射率为1.516 3，求透镜系统的光学参数主平面和焦点的位置。根据折射率1.516 3，玻璃选择SCHOTT库中的BK7HT，它对d光(587.6 nm)的折射率为1.516 330，跟题目中的折射率接近。在Zemax软件中，在System菜单下选择General，设置Aperture Value为25 mm，点击Wavelengths选择F，d，C(Visible)三种波长的光，在 Lens Data Editor界面选中STO面，在Radius栏输入同心透镜的左侧曲面半径50，Thickness栏输入透镜厚度10，Glass栏设置为BK7HT，然后在界面窗口Edit下拉菜单中选择Insert Surface，在新添面Radius栏输入同心透镜的右侧曲面半径40，在Thickness处右键在Solve Type栏下选择Marginal Ray Height。

建立好同心透镜模型后，用Zemax设计软件进行分析和显示。点击快捷菜单上的Lay，可以显示同心透镜的二维结构和光学追迹的情况，见图1。点击Reports，选择Prescription Data可以给出光参数Focal Length为-587.348 8 mm，Principal Planes (Object Space)为50 mm，符合题目参考答案-587.4 mm，50 mm。通过这道课后习题，可以让学生们简单了解到Zemax设计软件如何求解光学系统参数，对其有个初步的认识和了解。

图1 同心透镜二维结构图

为了让学生更好的了解多色光在光学系统中的传输情况，本文使用F，d，C(Visible)三种波长的光来对光线进行追迹。在Analysis菜单下选择Spot Diagrams，再选择Standard，我们将得到一个RMS为701 m的标准点列图。为了便于评价像质的情况，把艾利(Airy)衍射斑引入到点列图中，在图中右键选择Show Airy Disk，然后点击OK，给出的点列图见图2。由图2可以看出，平行光在焦平面的光斑比艾利斑大的多，并且不同波长的光聚焦情况不一样，由此引出球差和色差的概念。为了让学生定量地了解多色光的聚焦情况，我们引入多色光漂移参量来进行描述。在Analysis菜单下选择Miscellaneous Chromatic Focal Shift，给出多色光漂移图，见图3。从图中可以看出F光到C光之间的各个波长光相对d光焦点的偏移情况，让学生对多色光的传输有个定量的了解。

为了更好的让课程教学和Matlab编程结合到一起，让学生学会用程序去解决一些应用光学问题，本文以上述习题为例进行了Matlab Gui的可视化程序设计。首先，新建一个空白的Gui文件，在其开发环境下添加4个编辑文本框(Edit text)用以输入同心透镜的四个参量(前后球面半径 、厚度和折射率)，12个静态文本框(Static text)用以文字说明和输出同心透镜的焦距、主面距数值，1个命令按钮(Push button)通过回调函数用以执行求解；然后，对Gui文件编译、执行，输入透镜参数，结果如图4所示。

图2 点列图(μm)

图3 多色光漂移图 (μm)

图4 Matlab Gui设计图

从图4中，我们可以看出Matlab Gui的计算结果和Zemax设计程序的结果一致，说明程序的可靠性。做到此处，部分同学会有疑问，手动计算花费的时间比编程要少，因此，为了一个光学习题设计一个程序有点多余。借此机会，笔者让学生进行了分组讨论，并让每组把讨论结果当场公示。小组讨论的结果是Matlab Gui编程很有必要，因为此程序可以解决透镜这一类问题，并不局限于一道题，如本章习题16，19。基于上述Zemax和Matlab对同心透镜的研究，引导学生对更多种类的透镜(如平凸、平凹、正弯月形、负弯月形)进行研究，加深对各类透镜的理解[8]。

为了更好的促进学生动手能力，结合新采购的5套几何和像差实验仪器开展实验实践教学，提高学生的动手能力，使理论教学部分在实践中得到再现，加深对光学课程知识的了解。

3 结 语

针对学院的光学课程部分内容交叉，公式繁多、推导较为复杂，理论教学和实践环节结合度不够的问题，本文从光学课程结构优化入手，对课程体系进行适当压缩和整理，使学生上课时能够更快的衔接起来；采用多媒体和启发式教学，让学生能够作为主体参与到课程的主动学习中来；引入Zeamx光学设计、Matlab Gui编程，让学生对课程内容有一个更直观、跟深层次的认识，对将来工作和科研有一定帮助。

[1] 牟达,罗春华,李艳红.“光学设计及CAD”课程多媒体教学实践与研究[J].长春理工大学学报,2012(11)：226-227.

[2] 周笑薇.问题式教学法在光学教学中的探索[J].内江科技,2016(2)：149-149.

[3] 刘维慧,孟丽华,于阳,等.工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设实践[J].大学物理实验,2016,29(2)：138-141.

[4] 曾维友.光学设计软件在像差理论教学中的应用与探讨[J].教育教学论坛,2016(21)：221-222.

[5] 赵鑫.基于Matlab的光学等厚干涉实验仿真[J].课程教育研究,2016(2):176-177.

[6] 江旻珊.工程光学实验教学的研究与探讨[J].教育教学论坛,2016(3):219-220.

[7] 胡玉禧.应用光学[M].合肥：中国科学技术大学出版社,2010：73-84.

[8] 郁道银，谈恒英.工程光学基础教程[M]．北京: 机械工业出版社，2007:92-95．

[9] 张占新.大学物理实验教学改革措施与实践[J].大学物理实验，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

安徽省省级质量工程项目(2014zy047)；安徽省教育厅项目(KJ2014A195)；安徽自然科学基金项目(1608085QA19)；阜阳师范学院教研项目(2014JYXM48，2014JYXM18)；阜阳师范学院科研项目(2014FSKJ04ZD)。

1007-2934(2016)06-0134-04

O 435

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.037