光學設(shè)計教程課后答案

本文格式為Word版，下載可任意編輯——光學設(shè)計教程課后答案1.2光學系統(tǒng)有哪些特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)？特性參數(shù)：（1）物距L（2）物高y或視場角ω（3）物方孔徑角正弦sinU或光速孔徑角h（4）孔徑光闌或入瞳位置（5）漸暈系數(shù)或系統(tǒng)中每一個的通光半徑結(jié)構(gòu)參數(shù)：每個曲面的面行參數(shù)（r，K，a4，a6，a8，a10）、各面頂點間距（d）、每種介質(zhì)對指定波長的折射率（n）、入射光線的位置和方向1.3軸上像點有哪幾種幾何像差？軸向色差和球差

1.4列舉幾種主要的軸外子午單色像差。子午場曲、子午慧差、軸外子午球差

1.5什么是波像差？什么是點列圖？它們分別適用于評價何種光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量？波像差：實際波面和理想波面之間的光程差作為衡量該像點質(zhì)量的指標。適用單色像點的成像。點列圖：對于實際的光學系統(tǒng)，由于存在像差，一個物點發(fā)出的所有光線通過這個光學系統(tǒng)以后，其像面交點是一彌散的散斑。適用大像差系統(tǒng)

2.1表達光學自動設(shè)計的數(shù)學模型。把函數(shù)表示成自變量的冪級數(shù)，根據(jù)需要和可能，選到一定的冪次，然后通過試驗或數(shù)值計算的方法，求出若干抽樣點的函數(shù)值，列出足夠數(shù)量的方程式，求解出冪級數(shù)的系數(shù)，這樣，函數(shù)的冪級數(shù)形式即可確定。像差自動校正過程，給出一個原始系統(tǒng)，線性近似，逐次漸進。

2.2適應(yīng)法和阻尼最小二乘法光學自動設(shè)計方法各有什么特點，它們之間有什么區(qū)別？

適應(yīng)法：參與校正的像差個數(shù)m必需小于或等于自變量個數(shù)n，參與校正的像差不能相關(guān)，可以控制單個獨立的幾何像差，對設(shè)計者要求較高，需要把握像差理論

阻尼最小二乘法：不直接求解像差線性方程組，把各種像差殘量的平方和構(gòu)成一個評價函數(shù)Φ。通過求評價函數(shù)的微小值解，使像差殘量逐步減小，達到校正像差的目的。它對參與校正的像差數(shù)m沒有限制。區(qū)別：適應(yīng)法求出的解嚴格滿足像差線性方程組的每個方程式；假使m>n或者兩者像差相關(guān)，像差線性方程組就無法求解，校正就要中斷。

3.1序列和非序列光線追跡各有什么特點？序列光線追跡主要用于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)設(shè)計。以面作為對象，光線從物平面開始，依照表面的先后順序進行追跡，對每個面只計算一次。光線追跡速度很快。非序列光線追跡主要用于需考慮散射和雜散光狀況下，非成像系統(tǒng)或繁雜形狀的物體。以物體作為對象，光線依照物理規(guī)則，沿著自然可實現(xiàn)的路徑進行追跡。計算時每一物體的位置由全局坐標確定。非序列光線追跡對光線傳播進行更為細節(jié)的分析，計算速度較慢。3.2表達采用光學自動設(shè)計軟件進行光學系統(tǒng)設(shè)計的基本流程。（1）建立光學系統(tǒng)模型：

系統(tǒng)特性參輸入：孔徑、視場的設(shè)定、波長的設(shè)定

初始結(jié)構(gòu)輸入：表面數(shù)量及序號、面行、表面結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入（2）像質(zhì)評價

（3）優(yōu)化：設(shè)置評價函數(shù)和優(yōu)化操作數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量、進行優(yōu)化（4）公差分析：公差數(shù)據(jù)設(shè)置、執(zhí)行公差分析3.3Zemax軟件采用了什么優(yōu)化算法？構(gòu)造評價函數(shù)：最小二乘法、正交下降法（非序列光學系統(tǒng)）

4.1什么叫做第一輔助光線？什么叫做其次輔助光線？第一輔助光線：由軸上物點A發(fā)出，經(jīng)過孔徑邊緣的光線AQ其次輔助光線：由視場邊緣的軸外點B發(fā)出經(jīng)過孔徑光闌中心O的光線BP4.2薄透鏡組有哪些像差特性？一個薄透鏡組只能校正兩種出擊單色像差。光瞳位置對像差影響：球差與光瞳位置無關(guān)；慧差、像散與光瞳位置有關(guān)；光瞳與薄透鏡組重合時，像散為一個與透鏡組結(jié)構(gòu)無關(guān)的常數(shù)，此時畸變等于零；薄透鏡組的Petzval場曲近似為一與結(jié)構(gòu)無關(guān)的常量。4.3單透鏡的像差特性參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)有什么關(guān)系?與玻璃的折射率n，單透鏡的形狀Q有關(guān)。不能消色差4.4如何進行雙膠合透鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解？

4.5舉例說明滿足光學系統(tǒng)消除場曲條件（Petzval）的幾種結(jié)構(gòu)形式。正、負光焦度遠離的薄透鏡系統(tǒng)和彎月形厚透鏡

5.1望遠物鏡有什么光學特性和像差特性？相對孔徑不大，視場較小。

軸向邊緣球差，軸向色差和邊緣孔徑的正弦差不用校正到零而是等于指定值。

6.1顯微物鏡有什么光學特性和像差特性？焦距短，視場小。相對孔徑大。球差、軸向色差、正弦差，以及孔徑高級像差。6.2顯微物鏡有哪些主要類型？各有什么特點？消色差物鏡：只校正軸上點的球差和軸向色差、正弦差，不校正二級光譜色差。復消色差物鏡：要求校正二級光譜色差。平像場物鏡：要求校正場曲、像散、垂軸色差等各種軸外像差。平面場復消色差物鏡：和平像場物鏡相像，還要校正二級光譜色差。

7.1目鏡設(shè)計有什么特點？焦距短、相對孔徑比較小、視場角大、入瞳和出瞳遠離透鏡組目鏡的結(jié)構(gòu)一般比較繁雜；像差校正以軸外像差為主；場曲一般不進行校正；最重要的是校正像散、垂軸色差；在目鏡和物鏡盡可能獨立校正像差的前提下，進一步考慮它們之間的像差補償關(guān)系；采用F光和C光消色差，對D光或e光校正單色像差；按反向光路進行設(shè)計。

7.2目鏡有哪些常用形式？它們有什么像差特點？

簡單目鏡；冉斯登目鏡（無法校正垂軸色差）和惠更斯目鏡（場曲大，不能安裝分劃鏡）凱涅爾目鏡；可安裝分劃鏡，能消除像散和慧差，但不能校正垂軸色差對稱式目鏡；同時校正垂軸色差和軸向色差，能校正像散和慧差，場曲較小無畸變目鏡：較大出瞳距離的中等視場的目鏡廣角目鏡；減小場曲

8.1照相物鏡設(shè)計有哪些特點？表達設(shè)計的主要步驟.焦距f，相對孔徑D/f和視場角（2ω）這三個光學特性參數(shù)變化范圍很大。

1.原始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定：根據(jù)要求的光學特性和成像質(zhì)量從手冊、資料或?qū)＠?/p>

獻中找出一個和設(shè)計要求接近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。2.像差校正：（1）首先校正“基本像差〞（全視場和全孔徑的像差）

（2）校正剩余像差或高級像差；采用逐步收縮公差的方式進行，整個設(shè)計的關(guān)鍵

（3）像差平衡

8.2照相物鏡有哪些類型？它們各有什么特點？三片型物鏡：結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用于價格較低的照相機上雙高斯物鏡：視場較大，大孔徑物鏡的基礎(chǔ)攝遠物鏡：長焦距物鏡，系統(tǒng)長度可小于焦距，相對孔徑比較小魯沙型物鏡：視場角大，相對孔徑小，用于航空測量照相機松納型物鏡：視場較小，相對孔徑較大反攝遠物鏡：能同時實現(xiàn)大市場和大相對孔徑有一個負光焦度的前組，和一個正光焦度的后組

孔徑光闌：系統(tǒng)中限制成像光束的孔就叫孔徑光闌?？讖焦怅@可以是一個實際的圓孔，也可以附著在某一個光學表面上。

視場光闌:系統(tǒng)中限制成像范圍的孔就叫視場光闌。視場光闌必需和系統(tǒng)中的實像面重合，例如開卜勒望遠鏡中的分劃板就是視場光闌。

漸暈：假使軸外子午光束的寬度比軸上點光束的寬度小，造成光學系統(tǒng)視場邊緣的像面照度比軸上點低，這種現(xiàn)象叫做“漸暈〞。

星點檢驗：一個發(fā)光點物通過光學系統(tǒng)后，由于衍射和像差以及其它工藝疵病的影響，不再是一個理想的點像，通過考察光學系統(tǒng)對一個點物的成像質(zhì)量就可以了解和評定光學系統(tǒng)對任意物分布的成像質(zhì)量，這就是星點檢驗。

分辯率：所謂分辯率就是光學系統(tǒng)成像時，所能分辯的最小間隔。子午面：主光線和光軸決定的平面?；∈该妫哼^主光線和子午面垂直的平面。

初級像差和高級像差：在像差理論研究中，把像差與視場和孔徑的關(guān)系用冪級數(shù)形式表示，最低次冪對應(yīng)的像差稱為初級像差，而較高次冪對應(yīng)的像差稱為高級像差。

垂軸像差：用不同孔徑子午、弧矢光線在理想像平面上的交點和主光線在理想像平面上的交點之間的距離來表示，稱為垂軸像差。

波像差：實際波面和理想波面之間的光程差作為衡量該像點質(zhì)量的指標，稱為波像差。光學傳遞函數(shù)：由空間不變線性系統(tǒng)的成像性質(zhì)，可以用物、像平面上不同頻率對應(yīng)的余弦基元的振幅比和位相差來表示。前者稱為振幅傳遞函數(shù)，用MTF(?,?)表示，后者稱為位相傳遞函數(shù)，用PTF(?,?)表示。二者統(tǒng)稱為光學傳遞函數(shù)，用OTF(?,?)表示。

點列圖：對于實際的光學系統(tǒng)，由于存在象差，一個物點發(fā)出的所有光線通過這個光學系統(tǒng)以后，其與象面交點不再是一個點，而是一彌散的散斑，稱為點列圖。

包圍圓能量：以像面上主光線或中心光線為中心，以離開此點的距離為半徑作圓，以落入此圓的能量和總能量的比值來表示。

（1）初級像差和高級像差：在像差理論的研究中，則把像差和y，h的關(guān)系也用冪級數(shù)形式表示。把最低次冪對應(yīng)的像差稱為初級像差，而把較高次冪對應(yīng)的像差稱為高級像差。

（2）第一輔助光線：由軸上物點發(fā)出，經(jīng)過孔徑邊緣的光線稱為第一輔助光線。（3）其次輔助光線：由視場邊緣的軸外點發(fā)出經(jīng)過孔徑光闌中心的光線稱為其次輔助光線。

''（4）Petzval場曲：假使系統(tǒng)消除了像散，xts?0，則xts?0,則子午和弧矢場曲相'等xt'?xs，這時的場曲稱為Petzval場曲，用符號x'p表示：

x'p?J2???(?2n'u'2)

（5）像差特性參數(shù)P，W，C的歸化：所謂歸化就把對任意物距、焦距、入射高時的像差特性參數(shù)，在保持透鏡組幾何形狀相像的條件下，轉(zhuǎn)變成焦距等于1，入射高等于1，物平面位在無限遠時的像差特性參數(shù)。

（6）二級