光学设计作业题

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zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。

像差要求：波像差小于100中心波长。

2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。

像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。

3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。

4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。

成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。

成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。

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。

1、设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。

⑴绘出工作原理图。

⑵绘出原理框图。

⑶说明工作原理。

答：⑴工作原理图⑵原理框图⑶说明工作原理：①在装上被测样品4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。

②当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。

此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。

③光屏的移动由与之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。

④这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。

2、主动红外报警电路如图所示，分析它的工作原理？答：当光信号被阻挡时，光敏三极管处于截止状态，光敏三极管的集电极为高电平，即三极管基极为高电平，三极管饱和导通，三极管的集电极为低电平，驱动继电器J工作，使开关闭合，电路形成回路，晶闸管控制端有效，晶闸管导通，报警器正常工作。

S为复位键。

当有光信号时，光敏三极管处于导通状态，光敏三极管的集电极为低电平，即三极管基极为低电平，三极管截止，三极管的集电极为高电平，驱动继电器不工作，开关保持断开状态，晶闸管控制端无效，报警器不工作。

3、照明灯的光控原理图如图所示，分析工作原理。

答：二极管D和电容C组成半波整流滤波电路，为光电控制电路提供直流电源；电阻R、光敏电阻和继电器绕组组成测光与控制电路；继电器常闭触头构成执行电路，它控制照明灯的开关。

光敏电阻在有强光照时（白天），电阻值降低，通过光敏电阻的电流增大，继电器工作，常闭触头断开，路灯熄灭。

当弱光照时，光敏电阻的电阻值很大，电路中的电流很小，而不足以驱动继电器工作，常闭触头保持，路灯点亮。

4、设计一台有合作目标的光电测距装置。

说明工作原理。

相位式测距半导体激光器作辐射源A ，若在激光器供电电路中外加谐波电压U 0就能得到接近正弦的辐射光波，其初始相位和激励电压U 0相同。

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，请将苴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 ）0A.弧矢平面B.子午平而C.焦平面D.像平而2.共轴球而系统中，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 ）。

A.0.707视场B.0.5视场C. 0.3视场D. 0.85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C.F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.下而各像差中能在像而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.不会影响成像淸晰度的像差是（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 ）。

A.3： 1B.4： 1C.5： 1D.2： 111.下列光学元件中，任何情况下都不会产生场曲的是（B ）0A.厚凸透镜B.平行平板C.球而反射镜D.不晕:透镜12.下而光学元件中不产生色差的是（A ）。

A.球而反射镜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而反射镜球心，光阑与球心重合，则系统彗差最小可以为（D ）。

A. 0.4B. 0.25C. 0.1D. 014.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 ）。

1.人眼的角膜可认为是一曲率半径r=7.8mm的折射球面，其后是n=4/3的液体。

如果看起来瞳孔在角膜后3.6mm处，且直径为4mm，求瞳孔的实际位置和直径。

2.在夹锐角的双平面镜系统前，可看见自己的两个像。

当增大夹角时，二像互相靠拢。

设人站在二平面镜交线前2m处时，正好见到自己脸孔的两个像互相接触，设脸的宽度为156mm，求此时二平面镜的夹角为多少3、夹角为35度的双平面镜系统，当光线以多大的入射角入射于一平面镜时，其反射光线再经另一平面镜反射后，将沿原光路反向射出4、有一双平面镜系统，光线以与其中的一个镜面平行入射，经两次反射后，出射光线与另一镜面平行，问二平面镜的夹角为多少5、一平面朝前的平凸透镜对垂直入射的平行光束会聚于透镜后480mm处。

如此透镜凸面为镀铝的反射面，则使平行光束会聚于透镜前80mm处。

求透镜的折射率和凸面的曲率半径（计算时透镜的厚度忽略不计）。

解题关键：反射后还要经过平面折射6、人眼可简化成一曲率半径为5.6mm的单个折射球面，其像方折射率为4/3，求远处对眼睛张角为1度的物体在视网膜上所成像的大小。

7、一个折反射系统，以任何方向入射并充满透镜的平行光束，经系统后，其出射的光束仍为充满透镜的平行光束，并且当物面与透镜重合时，其像面也与之重合。

试问此折反射系统最简单的结构是怎样的。

8、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。

9、有一望远镜，其物镜由正、负分离的二个薄透镜组成，已知f1’=500mm, f2’=－400mm, d=300mm，求其焦距。

若用此望远镜观察前方200m处的物体时，仅用第二个负透镜来调焦以使像仍位于物镜的原始焦平面位置上，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10、已知二薄光组组合，f’=1000，总长（第一光组到系统像方焦点的距离）L=700，总焦点位置lF’=400, 求组成该系统的二光组焦距及其间隔。