光学设计与CAD.docx
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光学设计与CAD.docx
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光学设计与CAD
光学系统设计
(一)
一、单项选择题(本大题共20小题。
每小题1分,共20分)
在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的,请将其代码填写在题后的括号内。
错选、多选或未选均无分。
1.主光线与光轴所确定的平面叫做(B)。
A.弧矢平面B.子午平面C.焦平面D.像平面
2.共轴球面系统中,轴上点像差有(C)。
A.球差和彗差B.球差和倍率色差C.球差和位置色差D.彗差和倍率色差3•通常情况下观察像差时,除0视场和边缘视场外,还应注意的一个视场为
A.0.707视场B.0.5视场C.0.3视场D.0.85
4.F光边缘光球差与C光边缘光球差之差也等于(A
A.边缘光和近轴光色差之差
C.F光和C光近轴光球差之差
5.望远镜的放大率是指(D)。
A.垂轴放大率B.轴向放大率
C.角放大率D.视觉放大率
6.下面各像差中能在像面上产生彩色弥散斑的像差有
A.球差B.场曲C.畸变D.倍率色差
7.不会影响成像清晰度的像差是(C)。
A.二级光谱B.彗差C.畸变D.像散
&下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是
A.显微物镜B.望远物镜C.目镜D.照相物镜
9.正弦差属于小视场的(
A.球差B.彗差C.畸变D.色差
10.初级子午彗差和初级弧矢彗差之间的比值为
A.3:
1B.4:
1C.5:
1D.2:
1
11.下列光学元件中,任何情况下都不会产生场曲的是
A.厚凸透镜B.平行平板C.球面反射镜D.
12.下面光学元件中不产生色差的是(A
A.球面反射镜B.薄凸透镜C.薄场镜D.
13.薄双胶合物镜置于球面反射镜球心,光阑与球心重合,
(D
A.0.4B.0.25C.0.1
14.场景置于系统中,除产生场曲外,
像散
C
视场
(A)。
B.边缘光和近轴光球差之差
D.F光和C光近轴光色差之差
(
不晕透镜
薄双胶合物镜
则系统彗差最小可以为
A.球差B.彗差C.
15.厚透镜的场曲公式为
A.S|vJ2—(丄
n-1r1
C.Siv心』n「1
D.0
还可产生
D.畸变
(丄)「2丄)r2
B.
D.
S|V
S|V
16.波像差就是实际波面与理想波面之间的
A.光程差B.几何像差C.离焦量
17.在进行目镜光学系统设计时,应(D
J2T丄n「2
J2亠(丄
n-1r2
(A)。
D.距离差
)。
丄)
ri
丄)
ri
A.正追光线B.
C.从中间向两侧进行光线追迹
18.显微镜常采用的一种照明方式是,
A.反射式照明B.透射式照明
19.下列软件中不属于光学设计软件的是
A.ZEMAX软件B.OSLO
20.低倍显微物镜的光阑位置
A.与物镜重合B.
C.与中间像面重合D.
倒追光线
D.从两侧向中间进行光线追迹
将光源通过聚光镜成像在物平面上,称之为(
C.克勒照明D.临界照明
(C)。
软件C.Lensview软件D.CODEV软件
(A)。
与目镜重合
位于物镜后方焦平面处
二、填空题(本大题14小题。
每空1分,共20分)
请在每小题的空格中填上正确答案。
错填、不填均无分。
21.单个折射球面的三对无球差点位置是球心处、
顶点处、齐明点
22.在表示畸变时,通常米用相对畸变,其表达公式为
23.一双胶合薄透镜组,若CI0,则CII
24.七种初级像差中,仅与孔径光阑大小有关的单色像差是球差。
25.一双胶合透镜光焦度为正,在透镜组中的正透镜采用冕牌玻璃
组中的
负透镜采用火石
玻璃。
26.密接薄双胶合系统,为消除色差,两透镜光焦度应分别满足公式
。
27.一同心弯月镜在空气中,其前后节点在其两面的公共球心处、,其前后主点在其两面
的公共球心处
O
28.对于玻璃等折射材料,除折射率的参数外,还有一重要参数为
阿贝常数
其公式为DnD1。
nFnc
29.若光阑与相接触薄透镜系统重合时,可消除的单色像差为
30.球差在像面上的体现形式是圆形的。
31.在球差的级数展开形式中,常数项的值为
32.复消色物镜是指在透镜的0.707hm位置处,将
畸变。
二级光谱
校正为0。
33.对F光和C光校正了色差后,相对于D光的二级光谱公式为_Lfcd0.00052f
EFFL
34.在ZEMA)光学设计软件中,描述焦距的操作数为
三、名词解释(本大题共5小题。
每小题2分,共10分)
35.像差:
实际光学系统所成的像和近轴区所成的像之间的差异称为像差。
评分标准:
主要意思正确得2分。
36.子午场曲:
某一视场的子午像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲,简称子午场曲。
评分标准:
答对主要意思得2分。
37.二级光谱:
如果光学系统已对两种色光校正了位置色差,这两种色光的公共像点相对于第三种色光的像点位置仍有差异,该差异称为二级光谱。
评分标准:
答对主要意思得2分。
38.色球差:
F光的球差和C光的球差之差,称为色球差,该差值也等于边缘光和近轴光色差之差。
评分标准:
答对得2分。
39.渐晕:
轴外点成像光束的宽度较轴上点成像光束的宽度要小,造成像平面边缘部分照度要比像平面中心部分照度低的现象,称为渐晕。
四、简答题(本大题共6小题。
每小题5分,共30分)
40.一物体的峰-谷比(peaktovalley)是0.23,问是否满足Rayleigh条件?
一物体的峰-谷比(peaktovalley)是0.23,问是否满足Rayleigh条件?
答:
满足Rayleigh条件,因为根据Rayleigh判断,实际波面和参考波面之间的最大波像差(峰谷比)不超过0.25时,此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。
41.在七种几何像差中,仅与孔径有关的像差有哪些?
仅与视场有关的像差有哪些?
与视场
和孔径都有关系的又有哪些?
仅与孔径有关的像差有:
球差、位置色差;仅与视场有关的像差有:
像散、场曲、畸变、倍率色差;与视场和孔径都有关系的有:
彗差
42.一物体置于折射球面的球心处,其像在哪?
放大倍率多少?
若物在球面顶点,其像又在
何位置?
放大倍率多少?
像分别在球心处和顶点处,放大倍率分别为1和1。
n
43.什么是焦深,若像面向前或向后离焦半倍焦深,引起的波像差多大?
(1)实际像点无论在高斯像点之前或之后lo范围内,波像差都不会超过1/4
波长,所以把21。
定义为焦深,即2l0—2
nU
(2)引起的波像差为/4。
44.近视眼应佩戴何种透镜加以矫正?
为什么?
应佩戴凹透镜加以矫正,使光线经过水晶体后发散,重新汇聚到视网膜上。
45.在对称式光学系统中,当
1时,哪几种初级像差可以得到自动校正?
其它初级像
46.设计一齐明透镜,第一面曲率半径r1
95mim,物点位于第一面曲率中心处,第二球
面满足启明条件,若该透镜厚度d5mm,
(1)该透镜第二面的曲率半径;
折射率n1.5,该透镜位于空气中,求
差有何特性?
0。
垂轴像差:
彗差、畸变、倍率色差均为
轴向像差:
球差、像散、场曲、位置色差均为半部系统相应像差的两倍。
五、综合应用题(本大题共2小题。
每小题
10分,共20分)
(2)该启明透镜的垂轴放大率。
(1)根据题意得,物点发出光线经第一面后按直线传播,相对于第二面,其物
距l2
955100mm,
根据齐明条件l2
__r2100mm,可得
n2
「2
60mim
(2)
门2门2
r2
n2
2.5
1
(60)150mm由垂轴放大率公式丛,得
nI
1
11.5
n2l2
2—:
-
n2]?
I.5I2
-100
2.25,则该透镜的垂轴放大率
121.5
47.一个光学系统,已知其只包含初级和二级球差系统的边光球差为Lm0,0.707带光球差为
更高级的球差可忽略不计。
已知该
L0707O.O15,求:
1)分别求出0.5和0.85带光线的球差;
2)写出边缘光的初级和高级球差。
1)
)2A2(_h)4,根据公式将Lm
hm
0及Lo7O70.015代入,得到
0.06,A0.06由此可求得:
L0.5
0.01125及Lo.850.01203
)边缘光的初级球差为-0.06,边缘光的高级球差为0.06。
光学系统设计
(二)
参考答案及评分标准
、单项选择题(本大题共20小题。
每小题1分,共20分)
题号
1-5
6-10
11-15
16-20
答案
ABADB
BADCA
DABCB
ABDAC
二、填空题(本大题12小题。
每空1分,共20分)
21.小
22.色差、色差、场曲
23.95.56
24.彗差、畸变、倍率色差
25.小、大
26.0.707带光
27.相等、相反28.4、6
29.畸变
30.3^
31.畸变、彗差
32.平行平板
三、名词解释(本大题共5小题。
每小题2分,共10分)
33.光程差:
某种介质折射率与光在该介质中通过的几何路程的乘积,称为光在该介质中通过的光程,两束光光程之差称为光程差。
评分标准:
答对主要意思得2分。
34.弧矢场曲:
某一视场的弧矢像点相对于高斯像面的距离称为弧矢像面弯曲,
简称弧矢场曲。
评分标准:
答对主要意思得2分。
35.波像差:
波像差就是实际波面和理想波面之间的光程差。
评分标准:
主要意思正确得2分。
36.
故把2lo定义为焦深,即2丨0
焦深:
由于实际像点在高斯像点前后1。
范围以内,波像差不超过1/4波长,
2
nU
评分标准:
主要意思正确得2分。
37.等晕条件:
轴外点具有与轴上点相同的成像缺陷,称之为等晕成像,欲达到这样的要求,则光学系统必须满足等晕条件。
评分标准:
答对主要意思得2分。
四、
38.
件?
答:
1)满足等晕成像,由于SC
K
0,无正弦差,满足等晕条件;
y
0,贝UnysinUnysinU,满足正弦条件。
1分,理由解释正确得2分;第二问答案正确得1
简答题(本大题共6小题。
每小题5分,共30分)若弧矢彗差Ks0,是否满足等晕成像?
若此时L0,是否满足正弦条为什么?
2)满足正弦条件,若此时L评分标准:
第一问答案正确得分,理由解释正确1分。
39•什么是二级光谱?
对F光和C光校正系统色差后,相对于D光,其二级光谱与焦距有何关系?
答:
1)当在带孔径对F光和C光校正了位置色差,它们和光轴的公共交点并不和D光带孔径光线和光轴的交点重合,其偏差称为二级光谱。
2)Lfcd0.00052f
评分标准:
第一问答出大意得3分;第二问答案正确得2分。
40.场镜可产生哪些初级像差?
简述平面反射镜的像差特性?
答:
场镜可校正场曲和畸变;平面反射镜不产生任何像差。
评分标准:
第一问中每种像差答案正确得2分;第二问答案正确得1分。
41.一同心弯月镜在空气中,其前后节点在那?
其前后主点在哪?
答:
其前后节点及主点均在其两个面的公共球心处。
评分标准:
前后节点答案正确得3分,前后主点答案正确得2分。
42.
答:
其最佳焦点位置在
—L0.707处。
4
5分。
对于只包含初级和二级球差的光学系统,当对边缘孔径校正了球差之后,其最佳焦点位置在何处?
评分标准:
答出公式得
43.试写出五种初级像差的赛得和数的表达公式。
答:
S|
Sill
luni(ii)(iu)
SU
Sii.
i
Si(iz/i)2
S|i
Siv
Si(iz/i)
2
J(nn)/(nnr)
Sv
(Siii
Siv)(iz/i)
评分标准:
每个表达公式1分,共5分。
五、计算题(每题10分,共20分)44.设计一个f'100mm的双胶合物镜。
选用K9
(no
(n01.636,035.36)玻璃制作,使色差为零。
问:
负透镜用何种玻璃?
(2)正负透镜的光焦度各应多少?
大?
(4)若「1「2,求三个面曲率半径。
解:
(1)正透镜用冕牌玻璃,负透镜用火石玻璃。
(2)1——0.023
12
(3)物镜二级光谱为:
0.00052f0.052mm
(4)依据公式(n1)(12),可求得「1
1.5163,064.1)和F7
(1)正透镜用何种玻璃;
(3)物镜二级光谱有多
「2
43.82mm,r3287.3mm
(——),则S"应等于多少?
nu
2)如果一个光学系统的初级球差等于焦深(
解:
由Kt
3
2nu
1
72
2nu
Sii
Si
——可知:
nu
Sii
Si
—2),则Sl应等于多少?
nu
%
评分标准:
第一问中每个答案正确各得1分,第二问中每个公式正确各得1分,结果正确各得1分,第三问答案正确得1分,第四问每半径结果正确各得1分。
45.1)如果一个光学系统的初级子午彗差等于焦宽
评分标准:
第一问与第二问中每个公式正确各得3分,结果正确各得2分。
光学系统设计(三)一、单项选择题(本大题共20小题。
每小题在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的,多选或未选均无分。
1.系统的像散为零,
A.大于零B.
2.双胶合薄透镜组,
A.大于零B.
1分,共20分)
请将其代码填写在题后的括号内。
错选、
则系统的子午场曲值小于零C.等于零
如果位置色差校正为零,小于零C.等于零
D)。
D.无法判断
则倍率色差值为
D.无法判断
(B
3.下列像差中,对孔径光阑的大小和位置均有影响的是
A.球差B.彗差C.像散和场曲D.畸变
4.除球心和顶点外,第三对无球差点的物方截距为
A,nn,nn
A.LrB.LrC.
nn
5•下列像差中,属于轴外点细光束像差的是I
A.球差B.
6.瑞利判据表明,
(C)。
A.1
2
7•对于目视光学系统,介质材料的阿贝常数定义为
B.
(A)
nn
r
n
D.
O
畸变
(
子午彗差C.子午场曲
焦深是实际像点在高斯像点前后一定范围内时,波像差不会超过
彗差
)
D.
C.
D.
A.DB.
nFnC
nD丄C.
nc
nF
D.
nD1
nFnc
8K9玻璃和ZF6玻璃属于
A.冕牌玻璃和火石玻璃
C.均属火石玻璃D.
9•在ZEMAM件中进行显微物镜镜设计,输入视场数据时,应选择
B.
火石玻璃和冕牌玻璃
均属冕牌玻璃
A.Angle(Deg)B.ObjectHeightC.Paraxial
Height
10•在ZEMA漱件中表示传递函数的是下列的哪个缩写图标
A.FieB.OptC.SptD.Mtf
11•下列各镜头中,在进行设计时,应采用正追光线的是
A.惠更斯目镜B.望远物镜C.显微物镜
12.一般的负透镜产生的场曲值为(B)。
A.正值B.负值C.零D.
13.一激光扩束器应主要校正的像差是
A.色差B.彗差C.
14•所有的反射镜均不需校正
A.场曲B.畸变C.
15•对于一轴外物点,一般光学系统在像面上的各种像差综合的结果是
A.圆形的弥散斑B.不规则形状的单色弥散斑
C.彩色的弥散斑D.不规则形状的彩色弥散斑
16.与弧矢平面相互垂直的平面叫作(A)。
A.子午平面B.高斯像面C.离焦平面D.主平面
ImageHeightD.
RealImage
(
D.
B)。
冉斯登目镜
球差
(
球差
(
无法判断
(C
畸变
)O
色差
D.
D
D.
17.下列软件中,如今较为常用的光学设计软件是(
A.abr软件B.OPD88软件C.ZEMAX软件
18.光学传递函数的横坐标是(B)。
A.波长数B.线对数/毫米C.传递函数值
19.星点法检验光学系统成像质量的缺陷是(B)
A.不方便进行,步骤复杂B.属主观检验方法,
C)。
D.AutoCAD软件
D.长度单位
O
不能量化
C.属客观检测方法,但精度低D.计算复杂,应用不便
20.按照道威判断,
0.5
A.
显微镜的分辨率公式为(A)。
0.61
B.
NA
140
D
二、填空题(本大题
C.
D.
NA
120
D
11小题。
每空1分,共20分)
请在每小题的空格中填上正确答案。
错填、不填均无分。
21.一齐明透镜,第一面曲率半径r,-95mm,物点位于第一面曲率中心处,第二面满足
齐明条件。
若该透镜厚度d=5mn;i折射率n=1.5,位于空气中,则第二面半径为-60mm该齐明透镜的垂轴放大倍率为1.5
22.一个完全对称式光学系统,若垂轴放大率倍。
1,则轴向像差为系统半部像差的
23.若一个光学系统的畸变可以写做△y=Ey3,AZ=0,则其相对畸变qEy2。
24.消场曲的方法主要有使用弯月形厚透镜、系统中正负透镜分离、正负透镜分别选用较高和较低折射率的材料、将像面做成曲面补偿场曲
25.反射棱镜用于平行光路中,相当于平行平板,各像差值均等于零。
等。
26.在七种几何像差中,不影响成像的清晰度的是畸变,仅与孔径有关的像差
是球差、位置色差。
27.在轴外像差y'tgU特性曲线中,若一圆滑曲线关于y轴完全对称,则系统的细光
束子午场曲xt0。
28.只含初级和二级球差的望远物镜,校正球差后,使边缘光球差Lm0,其边缘带高级
球差为0.5mm则L0707-0.125,为使波像差最小,离焦后其最佳像面应位于
理想像点前侧0.09375毫米处。
29.反射棱镜处于会聚光路中,除,其它像差均存在。
30.波像差的参考波面是理想球面波,波像差的大小在
量。
31.相对孔径是F数的倒数。
三、名词解释(本大题共5小题。
每小题2分,共10分)
出瞳处度
倒数
32.齐明点:
对于单个折射球面,当物距满足L丄」
r时,像距为L-一r,nn
此时不产生球差值,称该对共轭点为不晕点或齐明点。
33.正弦差:
正弦差是轴外小视场成像的宽光束的不对称性的量度,其表达公式
为SC—。
y
34.匹兹伐尔场曲:
理想的平面物体所产生的理想像为有一定弯曲程度的曲面,
称为匹兹伐尔像面,或匹兹万像面,该像面的场曲值称为匹兹伐尔场曲或匹兹万
场曲。
35.离焦:
为了获得最佳像面,将实际像面沿理想像面向前或向后移动一定距离的过程称为离焦。
36.余弦定律:
光学系统对无限接近的两点成完善像的条件称为余弦条件,其表
达公式为ncosncosC。
四、简答题(本大题共6小题。
每小题5分,共30分)
37.孔径光阑的直径对畸变是否有影响?
为什么?
答:
孔径光阑的直径对畸变没有影响,其位置对畸变有影响,因为畸变是主光线像差,而主光线仅与入瞳中心有关,与入瞳大小无关。
38.在系统中加入场镜,是否会对像的大小和方向产生影响?
为什么?
答:
因为物点与像点重合在场镜平面,所以1,像的大小和方向均不发生改
变。
像差方面除场曲和畸变外,其余像差为零。
39.在光学系统的近轴区是否存在位置色差,为什么?
答:
在光学系统近轴区仍存在初级位置色差。
因为即使在光学系统的近轴区,光与C光的理想像点在光轴上并不重合,其差值称为初级位置色差。
40.什么是正弦条件和赫歇尔条件?
它们有什么关系?
说明了什么?
答:
正弦条件是垂轴小线段能够完善成像的条件,其表达公式为nysinUnysinU;而赫歇尔条件是沿轴小线段能够完善成像的条件,其表达公式为nysinUnysinU。
它们的表达公式相互矛盾,说明不能够同时满足,即
22
不存在一个光学系统能够对整个空间完善成像。
41.当光学系统仅存在初级彗差时,其成像光束形状如何?
有何特点?
答:
彗差形状类似于彗星状,故名彗差。
当系统仅存在初级彗差时,有如下特点:
(1)
彗差
子午彗差是弧矢彗差的3倍,即Kt3Ks;
(2)彗差轮廓相切于两条夹角为60度的直线;
(3)彗差顶点处能量较为集中,越往外能量越涣散。
42.消像差谱线的选择有何原则?
答:
应对接收器最敏感的谱线消单色像差,对接收器能接受的波段范围两边缘附近的谱线校正色差。
五、综合应用题(本大题共2小题。
每小题10分,共20分)
43.一双胶合望远物镜,f100mm,—1:
5,若只含初级球差和二级像差,边缘带球f
差为零
1
Si:
1)
)
)
:
0。
707带三个面的球差分布系数分别为:
23
0.0100104-0.03385270.0256263
求:
2
3
解:
1)
该物镜的初级球差有多大?
若最大球差允许不大于6倍焦深,物镜的球差是否超差?
物镜的二级光谱有多大?
0.0892;
Si0.001784;utanuD/2f0.1;
初级球差为一S|
2nu2
2)光学系统0.707带的球差为:
0.5A10.25A0.25A
ImAi(I)2A(A)4
hmhm
初级球差为0.0892=0.5A,,所以可求得
6倍焦深_L_=546nnm60.3276mm,lmnu0.1
3)二级光谱为:
0.00052f
44.
0.00052100mm
其两半径相等,
在球面反射镜的球心处放一弯月薄透镜,限远物体成像,试分析该光学系统的像差特性。
答:
1)对于弯月镜,「1「2Siv
A=0.1784,
0.04460.3276,故未超差。
0.052mm
光阑与薄透镜重合,系统对无
剩余S|、Sii
光阑与薄透镜重合SvCii0
J2
h2/
Cii
Siii
Ci
Ci
(n1)(12)(n吩r2)
2)对于球面反射镜,本身无色差,即
光阑处于球心SiiSiiiSv0,剩余Si、Siv
3)系统像差情况:
可使弯月镜和球面反射镜的球差相互补偿,保证系统的
S0,同时SiiiSvCiCii0,仅剩余SiiJW,Siv2J2/r
光学系统设计(四)一、单项选择题(本大题共20小题。
每小题1分,共20分)在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的,请将其代码填写在题后的括号内。
错选、多选或未选均无分。
1•假定物体AB在有限距离处,且AB=-y,当孔径光阑在单个薄正透镜的右侧时,产生倍率色差的符号为(A)。
A.大于零B.小于零C.等于零D.无法
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