光学设计

名词解释：

1.像差：实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异称为像差。

2.球差：轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏离，这种偏离称为球差。

3.齐明点（不晕点）：如果轴上一对共轭点消球差，且满足即阿贝正弦条件,则在该轴上物点垂轴方向上的近轴物点也完善成像(即既无球差，又无彗差)。这样的共轭点称为齐明点或不晕点。

4.正弦差：轴外小视场成像的宽光束的不对称性的量度，其值等于慧差与像高的比值。

5慧差：如果正弦差值太大，则光学系统不满足等晕条件，此时，近轴点成像光束的不对称性将破坏，像方本应对称于主光线的各对子午线的交点将不再位于主光线上。因而引进了一种以其偏移量KT表征的子午不对称像差。同样在弧矢面上的弧矢光束，对称于主光线的各对弧矢光线，其交点也不在主光线上（在因弧矢面对称于子午平面，其交点在子午平面上），相应地用其偏移量KS表针弧矢不对称的像差。子午光束与弧矢光束的这一不对称性像差在数值上是不同的。由于这种不对称性的存在，使得近轴点的成像光束与高斯面相截而成一彗星状的弥散斑（对称与子午面），这种不对称性像差成为彗差。正弦差适用于小视场范围，慧差适用任意系统。

6.象散：失对称的光束中，子午像点和弧矢像点并不重合在一起，这种现象相应的像差称为象散。

7.子午场曲：某一视场的子午像

面相偏离高斯像面的距离称为

子午像面弯曲，简称子午场曲。

8.弧矢场曲：某一视场的弧矢像

面相偏离高斯像面的距离称为

弧矢像面弯曲，简称弧矢场曲。

9.匹兹伐场曲：理想的平面物体

所产生的理想像为有一定弯曲

程度的曲面，称为匹兹伐曲面，

或匹兹伐像面，该像面的场曲值

称为匹兹伐场曲。

10.畸变：一对共轭物象面上的放

大率不为常数时，将是像相对于

物失去了相似性，这种使像变形

的缺陷称为畸变。它只改变轴外

物点在理想像面上的成像位置，

使像失真，不影响清晰度。

11.色差：白光经过光学系统第一

个表面折射后，各种色光被分开，

随后就在光学系统内以各自的

光路传播，造成各种色光之间的

成像位置和大小的差异，这种现

象叫做色差。

12.位置色差（轴向色差）：描述

轴上点用两种色光成像时成像

位置差异的色差称为位置色差

（轴向色差）。

13.色球差：在校正0.707带色差

之后，边缘带色差'

FC

L

∆和近轴

色差'

FC

l∆并不相等，两者之差

称为色球差。

14.二级光谱：如果光学系统以对

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。

15.倍率色差（垂轴色差）：校正

了位置色差的光学系统，只是使

轴上点的两种色光的像重合在

一起，但并不能使两种色光的焦

距相等。因此这两种色光有不同

的放大率，对同一物体所成的像

大小也就不同，这就是倍率色差

（垂轴色差）。

16.消色差双胶合透镜：消色差

双胶合透镜是一种把低分散的

冕牌玻璃正透镜和高分散的火

石玻璃负透镜粘接而成的消色

差透镜。

17.消色差双分离透镜：对于双

分离透镜而言，两片透镜中的间

隙实际上就相当于第三块透镜，

较胶合镜而言，可以更好地消除

色差。

18.光焦度：等于像方光束会聚度

与物方光束会聚度之差，它表征

光学系统偏折光线的能力，一般

光焦度表示为像方焦距的倒数。

19.瑞利判断：实际的波面与参考

波面之间的最大波相差不超过

λ/4时，此波面可以看做是无缺

陷的，此判断称为瑞利判断。

20.斯托列尔准则：中心点亮度是

依据光学系统存在像差时其成

像衍射斑的中心亮度和不存在

像差时衍射斑的中心亮度之比

来表示光学系统的成像质量，其

比值用S.D≥0.8时，认为系统

的成像质量是完善的。

21.点列图：在几何光学的成像过

程中，由一点发出的许多条光线

经光学系统成像后，由于像差的

存在，使其与像面不在集中于一

点，而是形成一个分布在一定范

围内的弥散图形称之为点列图。

22.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，两束光程之差称为光程差。

23.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。

24.焦深：由于实际像点在高斯像

点前后'

l∆范围以内，波像差不

超过1/4λ，故把2'

l∆定义为焦

深。

25.复消色物镜：校正了系统的二

级光谱的物镜。

26.调制传递函数：由于光学系统像差及衍射等原因，会造成像的对比度低于物的对比度。将像的对比度与物的对比度的比值称为调制传递函数。

27.赛的和数：塞得推导出仅有五中独立的初级像差，即以和数

I

S

∑ 、

II

S

∑ 、

III

S

∑ 、

IV S ∑ 、V

S ∑

分别表示初级球差、初级慧差、初级象散、初级场曲、初级畸变，统称为赛的和数。

28.出瞳距：光学系统最后一个面定点到系统出瞳之间的距离。 29.像差容限（像差允限）：根据瑞利判断，当系统的最大波像差小于1/4λ时，认为系统像质是完善的，当系统满足这一要求时，各像差的最大允许值称为像差容限（像差允限）。

30.离焦：为了获得最佳像面，将实际像沿理想像面向前或向后移动一定距离的过程。 简答

1.将分辨率作为光学系统成像的评价方法并不是一种完善的方法，为什么？

答：（1）它只适用于大像差系统。（2）它与实际存在差异（3）它存在伪分辨率现象。

2.近视眼应佩戴何种眼镜加以矫正，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。

3.在对称式光学系统中，当β=-1时，哪几种初级像差可以得到校正？其初级像差有何特性？ 答：垂轴像差：慧差、畸变、倍率色差均为0；轴向色差：球差、象散、场曲、位置色差均为半系统相应像差的两倍。

4.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的又有哪些? 答：仅与孔径有关的像差：球差、位置色差；仅与视场有关的像差有：象散、场曲、畸变、倍率色差；与视场和孔径都有关系的有：慧差。

5.简述瑞利判据和斯托列尔准则，二者有什么关系？

答：瑞利判断：实际的波面与参考波面之间的最大波相差不超过λ/4时，此波面可以看做是无缺陷的；斯托列尔准则：成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比S.D ≥ 0.8时，认为系统的成像质量是完善的。这两个准则是相互一致的，当最大波相差为λ/4时，S.D 刚好约等于0.8。

6.完全对称式系统，当β=1×−时，垂轴像差与沿轴像差有何特性？

答：垂轴像差可以得到自动校正，即慧差、畸变和倍率色差均为0；而沿轴像差为系统半部像差的2倍，如球差、象散、场曲和位置色差。

7.当光学系统仅存在初级慧差时，其成像光束形状如何？有何特点？

答：慧差形状类似彗星状，故名慧差。当系统仅存在初级慧差时，有如下特点：（1）子午慧差是弧矢慧差的3倍；（2）慧差轮廓相切于两条夹角60度的直线；（3）慧差顶点处能量较为集中，越往外能量越涣散。

8.消像差谱线的选择有何原则？ 答：应对接收器最敏感的的谱线消单色像差，对接收器能接受的波段范围两边缘附近的谱线校正色差。

9.孔径光阑的直径对畸变是否有影响？为什么？

答：没有影响，其位置对畸变有影响，因为畸变是主光线像差，而主光线仅与入瞳中心有关，与入瞳大小无关。

10.在系统中加入场镜，是否对像的大小和方向产生影响？为什么？

答：因为物点和像点重合在场镜平面，所以β=1，像的大小和方向均不发生改变。像差方面除场曲和畸变外，其余像差为0。 11. 在光学系统近轴区是否存在位置色差，为什么？

答：存在，因为即使在光学系统近轴区，F 光和C 光的理想像点在光轴上也并不重合，其差值称为初级位置色差。

12.光学传递函数如何反应光学系统对物体不同频率的传递能力？

答：一般来说，高频部分反应物体的细节传递情况；中频部分反应物体的层次传递情况；而低频部分反应物体的轮廓传递情况。 13.ＭＴＦ曲线

所谓ＭＴＦ曲线是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度（振幅）的衰减程度。当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无量度变化，即该频率被截止。这是利用光学传递函数来评价光学成像质量的主要方法。 像点的中心亮度值等于ＭＴＦ曲线所围的面积，ＭＴＦ曲线所围的面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，光学系统的成像质量越好，图像越清晰。因此，在光学系统的接收器截止频率范围内，利用ＭＴＦ曲线所围的面积大小来评价光学系统的成像质量非常有效。