光学系统设计(一)答案
光学系统设计答案
光学系统设计（二） 参考答案及评分标准20 分）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、6 29.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0l 2'∆定义为焦深，即20u n l 2''≤'∆λ。
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='S K ，是否满足等晕成像？若此时0='L δ，是否满足正弦条件？ 为什么？答：1）满足等晕成像，由于0y K C S s=''='，无正弦差，满足等晕条件； 2）满足正弦条件，若此时0='L δ，则U sin y n nysinU '''=，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。
光学设计作业答案Word版
现代光学设计作业学号：2220110114姓名：田训卿一、光学系统像质评价方法 (2)1.1 几何像差 (2)1.1.1 光学系统的色差 (3)1.1.2 轴上像点的单色像差─球差 (4)1.1.3 轴外像点的单色像差 (5)1.1.4 正弦差、像散、畸变 (7)1.2 垂直像差 (7)二、光学自动设计原理92.1 阻尼最小二乘法光学自动设计程序 (9)2.2 适应法光学自动设计程序 (11)三、ZEMAX光学设计.133.1 望远镜物镜设计 (13)3.2 目镜设计 (17)四、照相物镜设计 (22)五、变焦系统设计 (26)一、光学系统像质评价方法所谓像差就是光学系统所成的实际像和理想像之间的差异。
由于一个光学系统不可能理想成像，因此就存在光学系统成像质量优劣的问题，从不同的角度出发会得出不同的像质评价指标。
（1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量✧星点检验✧分辨率检验（2）设计阶段的评价方法✧几何光学方法：几何像差、波像差、点列图、几何光学传递函数✧物理光学方法：点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数下面就几种典型的评价方法进行说明。
1.1 几何像差几何像差的分类如图1-1所示。
图1-1 几何像差的分类1.1.1 光学系统的色差光波实际上是波长为400~760nm 的电磁波。
光学系统中的介质对不同波长光的折射率不同的。
如图1-2，薄透镜的焦距公式为()'121111n f r r ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭(1-1) 因为折射率n 随波长的不同而改变，因此焦距也要随着波长的不同而改变，这样，当对无限远的轴上物体成像时，不同颜色光线所成像的位置也就不同。
我们把不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差，通常用C 和F 两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也成为近轴轴向色差。
若l ′F 和l ′c 分别表示F 与C 两种波长光线的近轴像距，则近轴轴向色差为'''FC F C l l l ∆=- (1-2)图1-2 单透镜对无限远轴上物点白光成像当焦距'f 随波长改变时，像高'y 也随之改变，不同颜色光线所成的像高也不一样。
光学设计笔试题目及答案
光学设计笔试题目及答案一、选择题（每题2分，共10分）1. 光学设计中，透镜的焦距指的是（）。
A. 透镜中心到成像平面的距离B. 透镜中心到焦点的距离C. 透镜边缘到成像平面的距离D. 透镜边缘到焦点的距离答案：B2. 以下哪个参数不是描述透镜性能的主要参数？（）A. 焦距B. 口径C. 重量D. 材料答案：C3. 在光学设计中，色差是指（）。
A. 透镜的重量B. 透镜的厚度C. 不同波长的光经过透镜后成像位置不同D. 透镜的折射率答案：C4. 以下哪个不是光学设计中的像差类型？（）A. 球差B. 色差C. 像散D. 折射率答案：D5. 光学设计软件通常用于（）。
A. 计算透镜的重量B. 模拟光学系统的成像质量C. 测量透镜的折射率D. 制造透镜答案：B二、填空题（每题2分，共10分）1. 光学设计中的像差包括球差、色差、______、______等。
答案：像散、场曲2. 光学设计中，透镜的______是指透镜对光线的聚焦能力。
答案：焦距3. 光学设计软件通常包括______、______、优化算法等功能。
答案：光线追迹、光学系统建模4. 在光学设计中，______是指透镜对不同波长光的折射能力不同，导致成像质量下降。
答案：色差5. 光学设计中，______是指透镜对光线的汇聚或发散作用。
答案：折射三、简答题（每题5分，共20分）1. 简述光学设计中像差产生的原因及其对成像质量的影响。
答案：像差产生的原因主要是由于透镜对不同波长的光折射能力不同，以及透镜形状的非完美性。
像差会导致成像模糊、颜色分离、边缘模糊等问题，从而影响成像质量。
2. 在光学设计中，如何减少色差？答案：减少色差可以通过使用不同折射率的透镜材料、使用非球面透镜、采用复合透镜组等方式来实现。
3. 光学设计软件在设计过程中扮演什么角色？答案：光学设计软件在设计过程中扮演着模拟、分析和优化光学系统的角色，它可以帮助设计师预测和评估光学系统的性能，从而指导实际的光学系统设计。
光学设计考试题及答案
光学设计考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 光学设计中，以下哪个参数不是光学系统的焦距的单位？A. 毫米B. 厘米C. 米D. 千米答案：D2. 透镜的焦距与其曲率半径的关系是什么？A. 成正比B. 成反比C. 无关D. 与曲率半径的倒数成正比答案：D3. 在光学系统中，光阑的作用是什么？A. 改变光束的直径B. 限制光束的发散角C. 改变光束的波长D. 改变光束的偏振态答案：B4. 以下哪种光学元件可以实现光束的聚焦？A. 平面镜B. 凸透镜C. 凹透镜D. 光栅答案：B5. 光学系统中，像差的一种类型是球面像差，它是由于什么原因引起的？A. 透镜材料不均匀B. 透镜形状不完美C. 物体距离透镜太远D. 透镜与成像平面不平行答案：B6. 以下哪种光学元件可以改变光的偏振态？A. 棱镜B. 光栅C. 波片D. 反射镜答案：C7. 在光学设计中，如何减少色差？A. 增加透镜的厚度B. 使用单一材料的透镜C. 使用复合透镜D. 增加透镜的曲率半径答案：C8. 光学系统中，以下哪种像差是由于透镜的中心和边缘部分对光线的折射能力不同引起的？A. 球面像差B. 色差C. 像散D. 场曲答案：B9. 光学系统中，以下哪种像差是由于物体平面与成像平面不平行引起的？A. 球面像差B. 色差C. 像散D. 场曲答案：D10. 在光学设计中，以下哪种方法可以用来校正像差？A. 增加透镜的直径B. 改变透镜的材料C. 使用非球面透镜D. 增加透镜的数量答案：C二、填空题（每题2分，共20分）1. 光学系统中，焦距的倒数称为______，它是衡量光学系统聚光能力的重要参数。
答案：焦度2. 光学系统中，光线通过透镜后，光线的______会发生变化。
答案：方向3. 光学系统中，光阑的作用是限制______，以控制成像质量。
答案：光束的发散角4. 在光学设计中，为了减少色差，通常会使用______透镜。
答案：复合5. 光学系统中，像差的一种类型是______，它是由于透镜的中心和边缘部分对光线的折射能力不同引起的。
光学设计期末考试题及答案
光学设计期末考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 光学设计中，用于描述光束聚焦能力的参数是（）。
A. 焦距B. 光斑直径C. 光束质量D. 光束发散角2. 以下哪个不是光学系统的基本特性？（）A. 分辨率B. 放大倍数C. 色差D. 重量3. 在光学系统中，色差的类型不包括（）。
A. 球面色差B. 色差C. 色差D. 色差4. 光学系统中，为了校正色差，通常采用的光学元件是（）。
A. 透镜B. 反射镜C. 棱镜D. 滤光片5. 光学系统中，用于校正球面像差的常用方法是（）。
A. 使用非球面透镜C. 使用滤光片D. 使用棱镜6. 在光学设计中，用于描述成像质量的参数是（）。
A. 分辨率B. 放大倍数C. 色差D. 焦距7. 光学设计中，用于计算光学系统的像差的方法是（）。
A. 几何光学法B. 波动光学法C. 干涉光学法D. 衍射光学法8. 以下哪个不是光学设计软件的名称？（）A. ZemaxB. Code VC. MATLABD. Photoshop9. 光学设计中，用于描述光学系统成像能力的参数是（）。
A. 分辨率B. 放大倍数C. 色差D. 焦距10. 光学系统中，用于校正畸变的常用方法是（）。
A. 使用非球面透镜B. 使用反射镜D. 使用棱镜二、填空题（每空2分，共20分）11. 光学设计中，焦距是指从____到____的距离。
12. 光学系统中，色差的类型包括____和____。
13. 光学设计中，分辨率是指光学系统能够分辨的____。
14. 光学设计软件Zemax主要用于____。
15. 光学系统中，畸变是指成像时____和____的不一致。
16. 光学设计中，放大倍数是指成像系统成像的____与____的比值。
17. 光学设计中，非球面透镜主要用于校正____。
18. 光学设计软件Code V主要用于____。
19. 光学设计中，干涉光学法用于计算光学系统的____。
20. 光学系统中，衍射光学法用于研究光的____。
光学系统与像差全套答案
8.有一等边折射三棱镜，其折射率为1.65，求1)光线经该棱镜的二个折射面折射后产生最小偏角时的入射角；2)最小偏角值。
解：
（1）如上图，因为仅当 时，才产生最小偏向角，由公式 ，可得I1=55.6度
（2）如上图，根据折射定律，可得最小偏向角与 ， 的关系 ，把 ， 带入上式，可解得最小偏向角δm=51.2度。
9.一正薄透镜将物体成像于屏幕上时，测得其放大率β=－3×， 而当透镜向物体移近180mm时，屏上像的放大率为－4×，问该透镜的焦距为多少？
解：由 ，其中 为物体移动的距离，所以该透镜的焦距 mm， mm
该系统的焦距为2160mm
11.一焦距为10cm的正薄透镜在某一共轭距时，二个成清晰像的透镜位置相距15cm； 现若将共轭距加倍，问此时能成清晰像的二个透镜位置相距多少？
解：
2.一块厚度为15mm的平凸透镜放在报纸上，当平面朝上时， 报纸上的文字的虚像在平面下10mm处；当凸面朝上时，像的放大率为β=3，求透镜的折射率和凸面的曲率半径。
解：
26.某望远镜物镜由正、负分离的二个薄透镜组组成，已知 ，求其焦距。若用此望远镜来观察前方200m处的物体时，仅用第二个负透镜组来调焦以使其像仍位于物镜的原始焦平面上，问该镜组应向什么方向移动多少距离？此时物镜的焦距为多少？
解: 由薄透镜的物象位置关系
（1）l’=-250代入 得l=-60.607mm
4.有一实物被成一实像于薄透镜后300mm处时，其放大率正好为1倍。问放大率为50倍时，实像应位于透镜后什么位置？
解：由薄透镜的物象位置关系 和 。
由 和 ，解得焦距 mm;
光学系统设计(一)答案
光学系统设计（一） 参考答案及评分标准20 分）二、填空题（本大题14小题。
每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（rnn n L '+=）22.%100y y y q z ⨯''-'='23.0 24.球差25.冕牌、火石 26.ϕνννϕ2111-=、ϕνννϕ2122--=27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、CF D D n n 1n --=ν29.畸变 30.圆 31.032.二级光谱 33.f 00052.0L FCD '='∆34.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。
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）40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，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0.25λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。
评分标准：答对主要意思得5分。
光学设计实验(一)望远镜系统设计实验
光学设计实验（一）望远镜系统设计实验1 实验目的（1）通过设计实验，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用；（2）介绍光学设计ZEMAX 的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX 来实现 2 设计要求(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f’=25mm ，出瞳直径D ’=4mm ，出瞳距>22mm ，视场角2ω’=25︒；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。
（总分：30分）（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f ’、视场角、像差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。
（总分：30分）（3）将上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小约3’左右。
如不符合要求，可结合ZEMAX 中paraxial 理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f ’>100000）等手段。
（总分：30分）（4）回答和分析设计中的相关问题（总分：10分）所有设计中采用可见光（F ，d ，C ）波段。
问题1：望远光学系统和开普勒望远镜的特点问题2：目镜的光学特性和像差特点问题3：常用的目镜有哪些？常用的折射式望远物镜有哪些？ 问题4：望远镜系统所需要校正的主要像差有那些？提示：目镜采用反向光路设计，目镜包括视场光阑，注意目镜孔径光阑的设置。
判定出射光束角像差小约3’左右的方法：在像面前插入一个paraxial 类型的面，若该面焦距（即与像面之间的距离）为1000mm ，则Spot diagram 的Geo Radius 则应小1mm 。
m 91512.5COS 343831000COS 3438322'μω=⨯⨯=⨯⨯≤f R 3 设计流程所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。
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光学系统设计（一）
参考答案及评分标准 20 分）
二、填空题（本大题14小题。
每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（r n
n n L '+=） 22.%100y y y q z ⨯'
'-'='
24.球差
25.冕牌、火石 26.ϕνννϕ2111-=、ϕνννϕ2
122--= 27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、C F D D n n 1n --=
ν 29.畸变
30.圆
32.二级光谱
33.f 00052.0L FCD '='∆
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。
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）
40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，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λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。
评分标准：答对主要意思得5分。
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
答：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
评分标准：第一问中每个答案正确得1分，第二问中每个答案正确得分，第三问中每个答案正确得1分。
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 答：像分别在球心处和顶点处，放大倍率分别为n
1和1。
评分标准：两位置答对各得1分，第一个放大倍率答对得2分，第二个得1分。
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
答：（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20u n l 2''='λ
（2）引起的波像差为4/λ。
评分标准：第一问答对大意得3分，第二问答案正确得2分。
44. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正为什么
答：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。
评分标准：答对大意得5分。
45. 在对称式光学系统中，当1-=β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
答：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。
评分标准：第一问每个答案正确得1分，共3分；第二问每个答案正确得分，共2分。
五、计算题（每题10分，共20分）
46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，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5mm d =，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。
解：
（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100m m 595l 2-=--=，根据齐明条件100mm r n n n l 22
222-='+=，可得60m m r 2-=
（2）150mm )60(15.2r n n n l 22222-=-⨯=''+='由垂轴放大率公式l n l n ''=β，得1.5
11=β，25.2100-l 5.1l n l n 222222='=''=β，则该透镜的垂轴放大率5.121==βββ 评分标准：每问5分，其中第一问中列对2l 方程得3分，结果正确得2分；第二问中，列对2l '、2β方程各得2分，结果正确得1分。
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='m
L δ，带光球差为015.00707-='L δ，求： 1)分别求出和带光线的球差；
2)写出边缘光的初级和高级球差。
解：1) 4221)()(m
m h h A h h A L +='δ，根据公式将0='m L δ及015.00707-='L δ代入，得到06.01-=A ，06.02=A 由此可求得：01125.05.0
-='L δ及01203.085.0-='L δ 2）边缘光的初级球差为，边缘光的高级球差为。
评分标准：第一问6分，第二问4分，共10分，其中列L 'δ方程得2分，两结果正确分别得2分；第二问中答对每问分别得2分。