光学设计教程课后答案

本文格式为Word版，下载可任意编辑——光学设计教程课后答案1.2光学系统有哪些特性参数和结构参数？特性参数：（1）物距L（2）物高y或视场角ω（3）物方孔径角正弦sinU或光速孔径角h（4）孔径光阑或入瞳位置（5）渐晕系数或系统中每一个的通光半径结构参数：每个曲面的面行参数（r，K，a4，a6，a8，a10）、各面顶点间距（d）、每种介质对指定波长的折射率（n）、入射光线的位置和方向1.3轴上像点有哪几种几何像差？轴向色差和球差

1.4列举几种主要的轴外子午单色像差。子午场曲、子午慧差、轴外子午球差

1.5什么是波像差？什么是点列图？它们分别适用于评价何种光学系统的成像质量？波像差：实际波面和理想波面之间的光程差作为衡量该像点质量的指标。适用单色像点的成像。点列图：对于实际的光学系统，由于存在像差，一个物点发出的所有光线通过这个光学系统以后，其像面交点是一弥散的散斑。适用大像差系统

2.1表达光学自动设计的数学模型。把函数表示成自变量的幂级数，根据需要和可能，选到一定的幂次，然后通过试验或数值计算的方法，求出若干抽样点的函数值，列出足够数量的方程式，求解出幂级数的系数，这样，函数的幂级数形式即可确定。像差自动校正过程，给出一个原始系统，线性近似，逐次渐进。

2.2适应法和阻尼最小二乘法光学自动设计方法各有什么特点，它们之间有什么区别？

适应法：参与校正的像差个数m必需小于或等于自变量个数n，参与校正的像差不能相关，可以控制单个独立的几何像差，对设计者要求较高，需要把握像差理论

阻尼最小二乘法：不直接求解像差线性方程组，把各种像差残量的平方和构成一个评价函数Φ。通过求评价函数的微小值解，使像差残量逐步减小，达到校正像差的目的。它对参与校正的像差数m没有限制。区别：适应法求出的解严格满足像差线性方程组的每个方程式；假使m>n或者两者像差相关，像差线性方程组就无法求解，校正就要中断。

3.1序列和非序列光线追迹各有什么特点？序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计。以面作为对象，光线从物平面开始，依照表面的先后顺序进行追迹，对每个面只计算一次。光线追迹速度很快。非序列光线追迹主要用于需考虑散射和杂散光状况下，非成像系统或繁杂形状的物体。以物体作为对象，光线依照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。非序列光线追迹对光线传播进行更为细节的分析，计算速度较慢。3.2表达采用光学自动设计软件进行光学系统设计的基本流程。（1）建立光学系统模型：

系统特性参输入：孔径、视场的设定、波长的设定

初始结构输入：表面数量及序号、面行、表面结构参数输入（2）像质评价

（3）优化：设置评价函数和优化操作数、设置优化变量、进行优化（4）公差分析：公差数据设置、执行公差分析3.3Zemax软件采用了什么优化算法？构造评价函数：最小二乘法、正交下降法（非序列光学系统）

4.1什么叫做第一辅助光线？什么叫做其次辅助光线？第一辅助光线：由轴上物点A发出，经过孔径边缘的光线AQ其次辅助光线：由视场边缘的轴外点B发出经过孔径光阑中心O的光线BP4.2薄透镜组有哪些像差特性？一个薄透镜组只能校正两种出击单色像差。光瞳位置对像差影响：球差与光瞳位置无关；慧差、像散与光瞳位置有关；光瞳与薄透镜组重合时，像散为一个与透镜组结构无关的常数，此时畸变等于零；薄透镜组的Petzval场曲近似为一与结构无关的常量。4.3单透镜的像差特性参数与结构参数有什么关系?与玻璃的折射率n，单透镜的形状Q有关。不能消色差4.4如何进行双胶合透镜组结构参数的求解？

4.5举例说明满足光学系统消除场曲条件（Petzval）的几种结构形式。正、负光焦度远离的薄透镜系统和弯月形厚透镜

5.1望远物镜有什么光学特性和像差特性？相对孔径不大，视场较小。

轴向边缘球差，轴向色差和边缘孔径的正弦差不用校正到零而是等于指定值。

6.1显微物镜有什么光学特性和像差特性？焦距短，视场小。相对孔径大。球差、轴向色差、正弦差，以及孔径高级像差。6.2显微物镜有哪些主要类型？各有什么特点？消色差物镜：只校正轴上点的球差和轴向色差、正弦差，不校正二级光谱色差。复消色差物镜：要求校正二级光谱色差。平像场物镜：要求校正场曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差。平面场复消色差物镜：和平像场物镜相像，还要校正二级光谱色差。

7.1目镜设计有什么特点？焦距短、相对孔径比较小、视场角大、入瞳和出瞳远离透镜组目镜的结构一般比较繁杂；像差校正以轴外像差为主；场曲一般不进行校正；最重要的是校正像散、垂轴色差；在目镜和物镜尽可能独立校正像差的前提下，进一步考虑它们之间的像差补偿关系；采用F光和C光消色差，对D光或e光校正单色像差；按反向光路进行设计。

7.2目镜有哪些常用形式？它们有什么像差特点？

简单目镜；冉斯登目镜（无法校正垂轴色差）和惠更斯目镜（场曲大，不能安装分划镜）凯涅尔目镜；可安装分划镜，能消除像散和慧差，但不能校正垂轴色差对称式目镜；同时校正垂轴色差和轴向色差，能校正像散和慧差，场曲较小无畸变目镜：较大出瞳距离的中等视场的目镜广角目镜；减小场曲

8.1照相物镜设计有哪些特点？表达设计的主要步骤.焦距f，相对孔径D/f和视场角（2ω）这三个光学特性参数变化范围很大。

1.原始系统结构形式的确定：根据要求的光学特性和成像质量从手册、资料或专利文

献中找出一个和设计要求接近的系统作为原始系统。2.像差校正：（1）首先校正“基本像差〞（全视场和全孔径的像差）

（2）校正剩余像差或高级像差；采用逐步收缩公差的方式进行，整个设计的关键

（3）像差平衡

8.2照相物镜有哪些类型？它们各有什么特点？三片型物镜：结构最简单，应用于价格较低的照相机上双高斯物镜：视场较大，大孔径物镜的基础摄远物镜：长焦距物镜，系统长度可小于焦距，相对孔径比较小鲁沙型物镜：视场角大，相对孔径小，用于航空测量照相机松纳型物镜：视场较小，相对孔径较大反摄远物镜：能同时实现大市场和大相对孔径有一个负光焦度的前组，和一个正光焦度的后组

孔径光阑：系统中限制成像光束的孔就叫孔径光阑。孔径光阑可以是一个实际的圆孔，也可以附着在某一个光学表面上。

视场光阑:系统中限制成像范围的孔就叫视场光阑。视场光阑必需和系统中的实像面重合，例如开卜勒望远镜中的分划板就是视场光阑。

渐晕：假使轴外子午光束的宽度比轴上点光束的宽度小，造成光学系统视场边缘的像面照度比轴上点低，这种现象叫做“渐晕〞。

星点检验：一个发光点物通过光学系统后，由于衍射和像差以及其它工艺疵病的影响，不再是一个理想的点像，通过考察光学系统对一个点物的成像质量就可以了解和评定光学系统对任意物分布的成像质量，这就是星点检验。

分辩率：所谓分辩率就是光学系统成像时，所能分辩的最小间隔。子午面：主光线和光轴决定的平面。弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面。

初级像差和高级像差：在像差理论研究中，把像差与视场和孔径的关系用幂级数形式表示，最低次幂对应的像差称为初级像差，而较高次幂对应的像差称为高级像差。

垂轴像差：用不同孔径子午、弧矢光线在理想像平面上的交点和主光线在理想像平面上的交点之间的距离来表示，称为垂轴像差。

波像差：实际波面和理想波面之间的光程差作为衡量该像点质量的指标，称为波像差。光学传递函数：由空间不变线性系统的成像性质，可以用物、像平面上不同频率对应的余弦基元的振幅比和位相差来表示。前者称为振幅传递函数，用MTF(?,?)表示，后者称为位相传递函数，用PTF(?,?)表示。二者统称为光学传递函数，用OTF(?,?)表示。

点列图：对于实际的光学系统，由于存在象差，一个物点发出的所有光线通过这个光学系统以后，其与象面交点不再是一个点，而是一弥散的散斑，称为点列图。

包围圆能量：以像面上主光线或中心光线为中心，以离开此点的距离为半径作圆，以落入此圆的能量和总能量的比值来表示。

（1）初级像差和高级像差：在像差理论的研究中，则把像差和y，h的关系也用幂级数形式表示。把最低次幂对应的像差称为初级像差，而把较高次幂对应的像差称为高级像差。

（2）第一辅助光线：由轴上物点发出，经过孔径边缘的光线称为第一辅助光线。（3）其次辅助光线：由视场边缘的轴外点发出经过孔径光阑中心的光线称为其次辅助光线。

''（4）Petzval场曲：假使系统消除了像散，xts?0，则xts?0,则子午和弧矢场曲相'等xt'?xs，这时的场曲称为Petzval场曲，用符号x'p表示：

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

（5）像差特性参数P，W，C的归化：所谓归化就把对任意物距、焦距、入射高时的像差特性参数，在保持透镜组几何形状相像的条件下，转变成焦距等于1，入射高等于1，物平面位在无限远时的像差特性参数。

（6）二级