(完整版)光学系统设计(一)答案

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(完整版)光学第一章习题及答案解析

(完整版)光学第一章习题及答案解析

物理与机电工程学院 2011级 应用物理班

姓名:罗勇 学号:20114052016

第一章 习题

一、填空题:

1001.光的相干条件为 两波频率相等 、相位差始终不变和 传播方向不相互垂直。

1015.迈克尔逊干涉仪的反射镜M 2移动0.25mm 时,看到条纹移动的数目为1000个,若光为垂直入射,则所用的光源的波长为_500nm 。

1039,光在媒介中通过一段几何路程相应的光程等于折射率和__路程_的乘积 。

1089. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光同时传播到p 点,两振动的相位差为ΔΦ。则p 点的

光强I =22

12122cos A A A A ϕ++∆

1090. 强度分别为1I 和2I 的两相干光波迭加后的最大光强max I =12+I I 。 1091. 强度分别为I 1和I 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =。12I I -

1092. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最大光强max I =12122A A A A ++。 1093. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =12122A A A A +-。 1094. 两束相干光叠加时,光程差为λ/2时,相位差∆Φ=π。

1095. 两相干光波在考察点产生相消干涉的条件是光程差为半波长的()2j+1倍,相位差为π的()2j+1倍。

1096. 两相干光波在考察点产生相长干涉的条件是光程差为波长的2j 倍,相位差为π的

2j 倍。

1097. 两相干光的振幅分别为A 1和A 2,则干涉条纹的可见度v=1221221A A A A ⎛⎫

光学设计作业答案

光学设计作业答案

现代光学设计作业

学号:**********

姓名:***

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 (9)

2.1 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 (13)

3.1 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

光学系统设计(一)答案

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(r

n

n n L '+=)

22.%

100y y y q z ⨯'

'-'=

'

23.0 24.球差

25.冕牌、火石 26.ϕνννϕ2

111-=

、ϕννν

ϕ2

12

2--=

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 31.0

32.二级光谱 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。 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?

光学系统设计答案

光学系统设计答案

光学系统设计(五)

参考答案及评分标准 20 分)

二、填空题(本大题11小题。每空1分,共20 分)

21.小

22.色差、色差、场曲

球心处、顶点处、齐明点处(r n

n n L '+=) 25.%100y y y q z ⨯'

'-'='

、前、

29.场曲

30.边缘、

31.彗差、畸变、倍率色差

三、名词解释(本大题共5 小题。每小题2 分,共 10 分)

32.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。

33.二级光谱: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。

34.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2

0u n l 2''≤'∆λ

。 评分标准:主要意思正确得2分。

35.正弦差:正弦差是轴外小视场成像的宽光束的不对称性的量度,其表达公式

为y K C S S '

'≈'。 评分标准:主要意思正确得2分。

36.复消色物镜:校正了系统二级光谱的物镜,称为复消色物镜。

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)

37.简述瑞利判断和斯托列尔准则,二者有什么关系?

答:瑞利判断:实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过4/λ时,此波面可看作是无缺陷的。

斯托列尔准则:成像衍射斑中心亮度和不存在像差时衍射斑中心亮度之比8.0..≥D S 时,认为光学系统的成像质量是完善的。

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

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 。

光学设计简答题习题详解

光学设计简答题习题详解
第二透镜应向右移动400-398.328=1.672mm
(2 − β 2 −
1
f1 ' =
h1 = 500, u1 '
f2 ' =
h2 = −400 u2 '−u2
例2

已知二薄光组组合,d=50,β=-5,共轭距 L=150,l1=-35, 求二光组焦距。
u1 = −0.5
有一焦距140mm的薄透镜组,通光直径为40mm,在镜组前50mm处有一直径为30mm的 圆形光孔,问实物处于什么范围时,光孔为入瞳?处于什么范围时,镜组本身为入瞳? 对于无穷远物体,镜组无渐晕成像的视场角为多少?渐晕一半时的视场角又为多少? 若圆形光孔为入瞳,则 40 50 -L 50 40
156
r = −7.8, n = 4 / 3, n' = 1 l ' = −3.6,2 y ' = 4 1 4 / 3 1− 4 / 3 n' n n'− n − = ⇒ − = l' l r l' l − 7.8 ∴ l = −4.16(mm) 1× (−4.16) n' l 2y = • 2 y' = × 4 = 3.47(mm) 4 / 3 × (−3.6) nl '
I1 ρI1 20 0.9 × 20 + 2 = + R12 R2 (2.5 − 0.5) 2 (2.5 + 0.5) 2

光电系统设计题目及答案 (1)

光电系统设计题目及答案 (1)

一、简答题

1、根据系统工作的基本目的,通常光电系统可以分为哪两大类?

答:(1)信息光电系统。例如:光电测绘仪器仪表、光电成像系统、光电搜索与跟踪系统、光电检测系统、光通信系统等。(2)能量光电系统。例如:激光武器、激光加工设备、太阳能光伏发电、“绿色”照明系统等。

2、光电系统的研发过程需要哪些学科理论与技术的相互配合?

答:光电系统的发展需要多种学科相互配合。它是物理学、光学、光谱学、电子学、微电子学、半导体技术、自动控制、精密机械、材料学等学科的相互促进和渗透。应用各学科的最新成果,将使光电系统不断创新和发展。

3、光学系统设计基本要求包括哪些?

答:基本要求包括:性能、构型选择、和可制造性三个方面。

4、光学系统设计技术要求包括哪些?

答:基本结构参数(物距、成像形式、像距、F数或数值孔径、放大率、全视场、透过率、焦距、渐晕);成像质量要求(探测器类型、主波长、光谱范围、光谱权重、调制传递函数、RMS波前衰减、能量中心度、畸变);机械和包装要求;其它具体要求。

5、望远物镜设计中需要校正的像差主要是哪些?

答:球差、慧差和轴向色差。

6、目镜设计中需要校正的像差主要是哪些?

答:像散、垂轴色差和慧差。

7、显微物镜设计中需要校正的像差主要是哪些?

答:球差、轴向色差和正弦差,特别是减小高级像差。

8、几何像差主要有哪些?

答:几何像差主要有七种:球差、慧差、象散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差。

9、用于一般辐射测量的探头有哪些?

答:光电二极管

10、可用于微弱辐射测量的探头有哪些?

答:光电倍增管

11、常用光源中哪些灯的显色性较好?

光学设计基础(一)

光学设计基础(一)

光学设计基础(一)

光学人生,从这里开始!

aperture stop(孔径阑)-限制进入光学系统之光束大小所使用的光阑。

astigmatism(像散)-一个离轴点光源所发出之光线过透镜系统后,子午焦点与弧矢焦点不在同一个位置上。

marginal ray(边缘光束)-由轴上物点发出且通过入射瞳孔边缘的光线。

chief ray(主光束)-由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径阑中心的光线。

chromatic aberration(色像差)-不同波长的光在相同介质中有不的折射率,所以轴上焦点位置不同,因而造成色像差。

coma(慧差)-当一离轴光束斜向入射至透镜系统,经过孔径边缘所成之像高与经过孔径中心所成之像高不同而形成的像差。

distortion(畸变)-像在离轴及轴上的放大率不同而造成,分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。

entrance pupil(入射瞳孔)-由轴上物点发出的光线。经过孔径阑前的组件而形成的孔径阑之像,亦即由轴上物点的位置去看孔径阑所成的像。

exit pupil(出射瞳孔)-由轴上像点发出的光线,经过孔径阑后面的组件而形成的孔径阑之像,亦即由像平面轴上的位置看孔径阑所成的的像。

field curvature(场曲)-所有在物平面上的点经过光学系统后会在像空间形成像点,这些像点所形成的像面若为曲面,则此系统有场曲。

field of view(视场、视角)-物空间中,在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸,此量值以角度为单位。

f-number(焦数)-有效焦距除以入射瞳孔直径的比值,其定义式如下:有时候f-number也称为透镜的速度,4 f 的速度是2 f 速度的两倍。

光学设计教程课后答案

光学设计教程课后答案

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叙述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,然后通过实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:参加校正的像差个数m必须小于或等于自变量个数n,参加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,需要掌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。通过求评价函数的极小值解,使像差残量逐步减小,达到校正像差的目的。它对参加校正的像差数m没有限制。

(整理)光学设计答案

(整理)光学设计答案

2-11

3-2

3-4

3-9 1、 2、

x

x

y y

z

y z

x

z

x

y

z

44777

5-3

7-4

7-6

7-13

................. ................. 8-

1

光学设计实验一单透镜系统设计

光学设计实验一单透镜系统设计

实验一:单透镜系统

一.实验目的

熟悉 ZEMAX软件,学习单透镜的设计方法及原理过程,及透镜的优化方法;

二.单透镜结构性能要求

1)相对孔径为1/4(F/#为4),焦距为100mm;

2)视场角为0︒;

3)厚度为3mm;

4)相对波长为可见光波长;

5)玻璃材料为BK7 ;

三.实验步骤

1.打开ZEMAX软件,在 LDE 中显示的有三个面:物平面以 OBJ 表示,光阑面以STO 表示,像平面以 IMA 表示;

2.对于我们的单透镜来说,我们共需要四个面:物平面(OBJ),前镜面(同时也是光阑面)(STO),后镜面(2),和像平面(IMA);

3.系统参数设置:相对孔径:F/#是相对孔径的倒数,即为4(system一general);

视场角为0︒(system一field);

相对波长为可见光波长(system一wavelength);

4.结构参数设置:曲率半径为100mm;

材料为 BK7;

厚度为3mm;

如下图所示:

单透镜系统如下图所示:

如下图所示点列图:

四.透镜优化过程

1.将曲率半径设为变量,权重为1,厚度设为Marginal Ray Heigh,在评价函数在“TYPE”列下,输入“EFFL”然后Tools一最佳化Optimization。

如下图所示:

2.单击菜单栏Tools一最佳化Optimization,如下图所示:

五.优化后的光学系统分析

1.观察光线特性曲线图。从光线特性曲线窗口菜单,单击“更新(Update)”(窗口任何地方双击也可更新),其光线特性曲线图。现在,离焦已消失,主要的像差是球差,单透镜校正不了色差,如下图所示:

光学设计cad答案(三)

光学设计cad答案(三)

光学系统设计(三)

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.系统的像散为零,则系统的子午场曲值( )。

A.大于零 B .小于零 C.等于零 D.无法判断

2.双胶合薄透镜组,如果位置色差校正为零,则倍率色差值为 ( )。

A.大于零 B .小于零 C.等于零 D.无法判断

3.下列像差中,对孔径光阑的大小和位置均有影响的是( )。

A.球差

B. 彗差

C. 像散和场曲

D.畸变

4.除球心和顶点外,第三对无球差点的物方截距为 ( ) 。 A.r n n n L '+= B. r n n n L ''+= C. r n n n L '-= D. r n n n L '

'-= 5.下列像差中,属于轴外点细光束像差的是( )。

A.球差

B.子午彗差

C.子午场曲

D.畸变

6.瑞利判据表明,焦深是实际像点在高斯像点前后一定范围内时,波像差不会超过 ( )。 A.λ21 B. λ31 C. λ41 D. λ5

1 7.对于目视光学系统,介质材料的阿贝常数定义为 ( )。

A.C F D D n n 1n --=ν

B. C F D D n n 1n ++=ν

C. C F D D n n 1n -+=ν

D. C

F D D n n 1n +-=ν 8.9K 玻璃和6ZF 玻璃属于 ( )。

A.冕牌玻璃和火石玻璃

B.火石玻璃和冕牌玻璃

C.均属火石玻璃

D.均属冕牌玻璃

9.在ZEMAX 软件中进行显微物镜镜设计,输入视场数据时,应选择 ( )。

光学设计考试题及答案

光学设计考试题及答案

光学设计考试题及答案

1. 光学设计中的基本概念

- 什么是光学系统的焦距?

- 简述光学系统的视场和视场角。

2. 光学系统的基本类型

- 列举三种常见的光学系统类型,并简要说明其特点。

3. 光学设计中的参数

- 解释什么是光学系统的光圈数和相对孔径。

- 描述焦距与视场角之间的关系。

4. 光学系统的成像质量评价

- 什么是光学系统的分辨率?

- 简述光学系统的色差和如何减少色差。

5. 光学设计中的像差分析

- 列举并解释五种主要的像差类型。

- 描述如何通过光学设计减少像差。

6. 光学设计中的光学元件

- 简述透镜和反射镜在光学设计中的作用。

- 解释什么是光学滤波器及其作用。

7. 光学系统的设计与优化

- 描述光学系统设计的基本步骤。

- 简述如何使用计算机辅助设计(CAD)软件进行光学系统优化。

8. 现代光学设计技术

- 简述衍射光学元件(DOE)的概念及其在光学设计中的应用。

- 描述自由曲面光学元件的优势和设计挑战。

答案

1. 光学设计中的基本概念

- 焦距是光学系统成像点到焦点的距离。

- 视场是光学系统能够观察到的区域,视场角是该区域的夹角。

2. 光学系统的基本类型

- 望远镜、显微镜和相机镜头是三种常见的光学系统类型。望远镜用于观察远距离物体,显微镜用于观察微小物体,相机镜头用于捕捉图像。

3. 光学设计中的参数

- 光圈数是光学系统光圈直径与焦距的比值,相对孔径是光圈直径与焦距的比值。

- 焦距越短,视场角越大。

4. 光学系统的成像质量评价

- 光学系统的分辨率是指系统能够区分两个相邻物体的最小距离。 - 色差是由于不同波长的光在光学系统中的折射率不同而产生的,可以通过使用消色差透镜来减少。

光学第一章习题解答 - 副本概要

光学第一章习题解答 - 副本概要

2
(3)
I 4 A cos
2 1
0

2

2
1
2
2 1
I 4A
I
p 2

2 1

4
4 cos cos 0.854 I 2 8
2 0


1 cos
4 2 2 2 4

1.3 把折射率n为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一 束光路中,光屏上原来第5级亮纹所在的位置。变 为中央亮条纹,求插入玻璃片的厚度。(已知光的 波长为600nm)。

Or:
而厚度 h 所对应的斜面上包含的条纹数为:
h h 0.05 N 100 条 7 h 5000 10
故玻璃片上单位长度的条纹数为:
N 100 N 10 条/厘米 l 10
1.10 在上题装置中,沿垂直于玻璃片表面的方向看 去,看到相邻两条暗纹间距为1.4mm。已知玻璃片L 长17.9cm,纸厚H为0.036mm,求光波的波长?
解:
r 50 y 5000 10 0.125 cm d 0.02
0 8
2
2 1
A Q I 2I \ A I I A Q I 2I \ A 2 A
1
2
2
1
1
2A
2

光学系统设计-习题

光学系统设计-习题

nr1r2 f' ( n 1 ) n( r2 r1 ) ( n 1 )d 149.27mm
n 1 l'H f ' d 13.99mm nr1 n 1 lH f ' d 5.25mm nr2
l l lH 5005.25mm
6、设计照相物镜的焦距等于75mm,底片尺寸正方形, 边长为55mm,求该照相物镜的最大视场角等于多数? 解:
并画出对无限远成像的光路图。
n 1 1 1 n r1 r2

同心透镜的特点:球心 由透镜主面公式:
C1 , C2 重合在一起, d r1 r2
dr (r1 r2 )r1 1 lH r1 n(r2 r1 ) n 1d n(r2 r1 ) n 1(r1 r2 ) dr2 (r1 r2 )r2 r2 n(r2 r1 ) n 1d n(r2 r1 ) n 1(r1 r2 )
f ' 587.37 f 587.37
主面位置: r1 d 50 10 lH 50 n(r1 r2 ) (n 1)d 1.5163 (40 50) _(1.5163 1) 10
l' H r2 d 40 n( r1 r2 ) (n 1)d
0, 若能成实像,则 l2 则成实像的条件是 2 x1 又 x2 所以, 2 x1 f 2

光学系统设计(Zemax初学手册)

光学系统设计(Zemax初学手册)

光学系统设计(Zemax初学手册)

蔡长青

ISUAL 计画团队

国立成功大学物理系

(第一版,1999年7月29日)

前言

整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画,其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。

这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习,整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译,由蔡长青同学完成,并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画,所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验,整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册(共有七个习作)与后续更多的习作与文件,使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。(陈志隆注)

习作一:单镜片(Singlet)

你将学到:启用Zemax,如何键入wavelength,lens data,产生ray fan,OPD,spot diagrams,定义thickness solve以及variables,执行简单光学设计最佳化。

设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用,其focal length 为100mm,在可见光谱下,用BK7镜片来作。

首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE),什么是LDE呢?它是你要的工作场所,譬如你决定要用何种镜片,几个镜片,镜片的radius,thickness,大小,位置……等。

然后选取你要的光,在主选单system下,圈出wavelengths,依喜好键入你要的波长,同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486,以microns为单位,此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656,然后在primary wavelength上点在0.486的位置,primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics,即first-order optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes等。

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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 ⨯''-'=' 23.0 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

31.0

32.二级光谱

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。

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0.5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0.5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,0.707带光球差为015.00707-='L δ,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。

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-0.06,边缘光的高级球差为0.06。

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。

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