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 )。 视场 B. 视场 C. 视场 D. 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 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 )。 ：1 ：1 C.5：1 ：1 11．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. 0.4 B. 0.25 C. D. 0 14．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 软件 C. Lensview软件 V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IIC 0 。 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211

1

、

212

2



。 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（peak to valley）是23.0，问是否满足Rayleigh条件 一物体的峰-谷比（peak to valley）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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20un

l2

（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，带光球差为015.00707L，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。

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，边缘光的高级球差为。 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 1-5 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 彗差、畸变、倍率色差 25.小、大 带光 27.相等、相反 、6 29.畸变 ：1 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．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。