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)。A.0.707视场B.0.5视场C.0.3视场D.0.85视场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B.边缘光和近轴光球差之差C.F光和C光近轴光球差之差D.F光和C光近轴光色差之差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(D)。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8．下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是(C)。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(B)。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)。A.3：1B.4：1C.5：1D.2：111．下列光学元件中，任何情况下都不会产生场曲的是(B)。A.厚凸透镜B.平行平板C.球面反射镜D.不晕透镜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.薄双胶合物镜13．薄双胶合物镜置于球面反射镜球心，光阑与球心重合，则系统彗差最小可以为(D)。A.0.4B.0.25C.0.1D.014．场景置于系统中，除产生场曲外，还可产生(D)。A.球差B.彗差C.像散D.畸变15．厚透镜的场曲公式为(C)。A.)r1r1(1-nnJS212IVB.)r1r1(n1nJS122IVC.)r1r1(n1nJS212IVD.)r1r1(1-nnJS122IV16．波像差就是实际波面与理想波面之间的(A)。A.光程差B.几何像差C.离焦量D.距离差17．在进行目镜光学系统设计时，应(D)。A.正追光线B.倒追光线C.从中间向两侧进行光线追迹D.从两侧向中间进行光线追迹18．显微镜常采用的一种照明方式是，将光源通过聚光镜成像在物平面上，称之为(D)。A.反射式照明B.透射式照明C.克勒照明D.临界照明19．下列软件中不属于光学设计软件的是(C)。A.ZEMAX软件B.OSLO软件C.Lensview软件D.CODEV软件20．低倍显微物镜的光阑位置(A)。A.与物镜重合B.与目镜重合C.与中间像面重合D.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，通常采用相对畸变，其表达公式为%100yyyqz23.一双胶合薄透镜组，若0CI，则IIC0。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，透镜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2111、2122。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。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CFDDnn1n。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畸变。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0。32.复消色物镜是指在透镜的m707h.0位置处，将二级光谱校正为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f00052.0LFCD34.在ZEMAX光学设计软件中，描述焦距的操作数为EFFL。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23.0，问是否满足Rayleigh条件？一物体的峰-谷比（peaktovalley）是23.0，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n1和1。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0l范围内，波像差都不会超过1/4波长，所以把02l定义为焦深，即20unl2（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？其它初级像差有何特性？垂轴像差：彗差、畸变、倍率色差均为0。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）46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95mmr1，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5mmd，折射率5.1n，该透镜位于空气中，求（1）该透镜第二面的曲率半径；（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100mm595l2，根据齐明条件100mmrnnnl22222，可得60mmr2（2）150mm)60(15.2rnnnl22222由垂轴放大率公式lnln，得1.511，25.2100-l5.1lnln222222，则该透镜的垂轴放大率5.12147．一个光学系统，已知其只包含初级和二级球差,更高级的球差可忽略不计。已知该系统的边光球差为0mL，0.707带光球差为015.00707L，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)4221)()(mmhhAhhAL，根据公式将0mL及015.00707L代入，得到06.01A，06.02A由此可求得：01125.05.0L及01203.085.0L2）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一、单项选择题（本大题共20小题。每小题1分，共20分）题号1-56-1011-1516-20答案ABADBBADCADABCBABDAC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23.95.5624.彗差、畸变、倍率色差25.小、大26.0.707带光27.相等、相反28.4、629.畸变30.3：131.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．焦深：由于实际像点在高斯像点前后0l范围以内，波像差不超过1/4波长，故把0l2定义为焦深，即20unl2。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、简答题（本大题共6小题。每小题5分，共30分）38．若弧矢彗差0SK，是否满足等晕成像？若此时0L，是否满足正弦条件？为什么？答：1）满足等晕成像，由于0yKCSs，无正弦差，满足等晕条件；2）满足正弦条件，若此时0L，则UsinynnysinU，满足正弦条件。评分标准：第一问答案正确得1分，理由解释正确得2分；第二问答案正确得1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）fLFCD00052.0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.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？答：其最佳焦点位置在707.043L处。评分标准：答出公式得5分。43.试写出五种初级像差的赛得和数的表达公式。答：))((uiiiluniSI)/(iiSSzIII2)/(iiSiiSSzIzIIIII)/()(2rnnnnJSIV)/()(iiSSSzIVIIIV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mmf100'的双胶合物镜。选用9K（1.64,5163.100n）和7F（36.35,636.100n）玻璃制作，使色差为零。问：（1）正透镜用何种玻璃；负透镜用何种玻璃？（2）正负透镜的光焦度各应多少？（3）物镜二级光谱有多大？（4）若21rr，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）023.021110123.02122（3）物镜二级光谱为：mmf052.000052.0（4）依据公式))(1(21n，可求得mmrr82.4321，mmr3.2873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