光學(xué)設(shè)計(jì)教程小知識(shí)點(diǎn)

1、1.2 光學(xué)系統(tǒng)有哪些特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)？特性參數(shù)：（1）物距L （2）物高y或視場(chǎng)角3 （3）物方孔徑角正弦 sinU或光速孔徑 角 h（ 4）孔徑光闌或入瞳位置（ 5）漸暈系數(shù)或系統(tǒng)中每一個(gè)的通光半徑結(jié)構(gòu)參數(shù)：每個(gè)曲面的面行參數(shù)（r，K，a4, a6, a8, a10）、各面頂點(diǎn)間距（d）、每種 介質(zhì)對(duì)指定波長(zhǎng)的折射率（n）、入射光線的位置和方向1.3 軸上像點(diǎn)有哪幾種幾何像差？軸向色差和球差1.4 列舉幾種主要的軸外子午單色像差。子午場(chǎng)曲、子午慧差、軸外子午球差1.5 什么是波像差？什么是點(diǎn)列圖？它們分別適用于評(píng)價(jià)何種光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量？波像差： 實(shí)際波面和理想波面之間的光程差作為衡量該

2、像點(diǎn)質(zhì)量的指標(biāo)。 適用單色像點(diǎn) 的成像。點(diǎn)列圖： 對(duì)于實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)， 由于存在像差， 一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過(guò)這個(gè)光學(xué) 系統(tǒng)以后，其像面交點(diǎn)是一彌散的散斑。 適用大像差系統(tǒng)2.1 敘述光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。把函數(shù)表示成自變量的冪級(jí)數(shù)， 根據(jù)需要和可能， 選到一定的冪次， 然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù) 值計(jì)算的方法，求出若干抽樣點(diǎn)的函數(shù)值，列出足夠數(shù)量的方程式，求解出冪級(jí)數(shù)的系數(shù)， 這樣，函數(shù)的冪級(jí)數(shù)形式即可確定。像差自動(dòng)校正過(guò)程，給出一個(gè)原始系統(tǒng)，線性近似，逐 次漸進(jìn)。2.2 適應(yīng)法和阻尼最小二乘法光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)方法各有什么特點(diǎn)，它們之間有什么區(qū)別？適應(yīng)法：參加校正的像差個(gè)數(shù) m必須小于或等于自變量個(gè)

3、數(shù)n，參加校正的像差不能相關(guān)，可以控制單個(gè)獨(dú)立的幾何像差，對(duì)設(shè)計(jì)者要求較高，需要掌握像差理論阻尼最小二乘法： 不直接求解像差線性方程組， 把各種像差殘量的平方和構(gòu)成一個(gè)評(píng)價(jià) 函數(shù)。通過(guò)求評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值解，使像差殘量逐步減小，達(dá)到校正像差的目的。它對(duì)參 加校正的像差數(shù) m 沒(méi)有限制。區(qū)別 ：適應(yīng)法求出的解嚴(yán)格滿足像差線性方程組的每個(gè)方程式；如果m>n 或者兩者像差相關(guān)，像差線性方程組就無(wú)法求解，校正就要中斷。3.1 序列和非序列光線追跡各有什么特點(diǎn)？序列光線追跡 主要用于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 以面作為對(duì)象， 光線從物平面開(kāi)始， 按照 表面的先后順序進(jìn)行追跡，對(duì)每個(gè)面只計(jì)算一次。光線追跡速

4、度很快。非序列光線追跡 主要用于需考慮散射和雜散光情況下，非成像系統(tǒng)或復(fù)雜形狀的物體。 以物體作為對(duì)象， 光線按照物理規(guī)則， 沿著自然可實(shí)現(xiàn)的路徑進(jìn)行追跡。 計(jì)算時(shí)每一物體的 位置由全局坐標(biāo)確定。非序列光線追跡對(duì)光線傳播進(jìn)行更為細(xì)節(jié)的分析，計(jì)算速度較慢。 3.2敘述采用光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程。（ 1 ）建立光學(xué)系統(tǒng)模型： 系統(tǒng)特性參輸入：孔徑、視場(chǎng)的設(shè)定、波長(zhǎng)的設(shè)定 初始結(jié)構(gòu)輸入：表面數(shù)量及序號(hào)、面行、表面結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入（ 2）像質(zhì)評(píng)價(jià)（ 3）優(yōu)化：設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)和優(yōu)化操作數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量、進(jìn)行優(yōu)化（ 4）公差分析：公差數(shù)據(jù)設(shè)置、執(zhí)行公差分析3.3Zemax 軟件采用了什么優(yōu)化

5、算法？構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)：最小二乘法、正交下降法（非序列光學(xué)系統(tǒng)）4.1 什么叫做第一輔助光線？什么叫做第二輔助光線？ 第一輔助光線：由軸上物點(diǎn) A 發(fā)出，經(jīng)過(guò)孔徑邊緣的光線 AQ 第二輔助光線：由視場(chǎng)邊緣的軸外點(diǎn) B 發(fā)出經(jīng)過(guò)孔徑光闌中心 O 的光線 BP4.2 薄透鏡組有哪些像差特性？ 一個(gè) 薄透鏡組只能校正兩種出擊單色像差。 光瞳位置對(duì)像差影響： 球差與光瞳位置無(wú)關(guān)； 慧差、像散與光瞳位置有關(guān)； 光瞳與薄透鏡組重合時(shí)， 像散為一個(gè)與透鏡組結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的常數(shù)， 此時(shí)畸變等于零；薄透鏡組的 Petzval 場(chǎng)曲 近似為一與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的常量。4.3 單透鏡的像差特性參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)有什么關(guān)系 ?與玻璃的折射

6、率n單透鏡的形狀q有關(guān)。不能消色差4.4 如何進(jìn)行雙膠合透鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解？4.5舉例說(shuō)明滿足光學(xué)系統(tǒng)消除場(chǎng)曲條件（Petzval）的幾種結(jié)構(gòu)形式。正、負(fù)光焦度遠(yuǎn)離的薄透鏡系統(tǒng)和彎月形厚透鏡5.1 望遠(yuǎn)物鏡有什么光學(xué)特性和像差特性？相對(duì)孔徑不大，視場(chǎng)較小。 軸向邊緣 球差 ，軸向色差 和邊緣孔徑的 正弦差 不用校正到零而是等于指定值。6.1 顯微物鏡有什么光學(xué)特性和像差特性？焦距短，視場(chǎng)小。相對(duì)孔徑大。 球差、軸向色差、正弦差，以及孔徑高級(jí)像差。6.2 顯微物鏡有哪些主要類型？各有什么特點(diǎn)？消色差物鏡 ：只校正軸上點(diǎn)的球差和軸向色差、正弦差，不校正二級(jí)光譜色差。 復(fù)消色差物鏡 ：要求校正二級(jí)

7、光譜色差。平像場(chǎng)物鏡： 要求校正場(chǎng)曲、像散、垂軸色差等各種軸外像差。 平面場(chǎng)復(fù)消色差物鏡 ：和平像場(chǎng)物鏡相似，還要校正二級(jí)光譜色差。7.1 目鏡設(shè)計(jì)有什么特點(diǎn)？焦距短、相對(duì)孔徑比較小、視場(chǎng)角大、入瞳和出瞳遠(yuǎn)離透鏡組 目鏡的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜； 像差校正以軸外像差為主； 場(chǎng)曲一般不進(jìn)行校正； 最重要的 是校正像散、 垂軸色差； 在目鏡和物鏡盡可能獨(dú)立校正像差的前提下， 進(jìn)一步考慮它們之間 的像差補(bǔ)償關(guān)系；采用 F光和C光消色差，對(duì) D光或e光校正單色像差；按反向光路進(jìn)行 設(shè)計(jì)。7.2 目鏡有哪些常用形式？它們有什么像差特點(diǎn)？簡(jiǎn)單目鏡； 冉斯登目鏡 （無(wú)法校正垂軸色差） 和惠更斯目鏡 （場(chǎng)曲大， 不

8、能安裝分劃鏡） 凱涅爾目鏡；可安裝分劃鏡，能消除像散和慧差，但不能校正垂軸色差 對(duì)稱式目鏡；同時(shí)校正垂軸色差和軸向色差，能校正像散和慧差，場(chǎng)曲較小 無(wú)畸變目鏡：較大出瞳距離的中等視場(chǎng)的目鏡 廣角目鏡；減小場(chǎng)曲8.1照相物鏡設(shè)計(jì)有哪些特點(diǎn)？敘述設(shè)計(jì)的主要步驟焦距f,相對(duì)孔徑D/f和視場(chǎng)角（2 3）這三個(gè)光學(xué)特性參數(shù)變化范圍很大。1. 原始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定：根據(jù)要求的光學(xué)特性和成像質(zhì)量從手冊(cè)、資料或?qū)＠?獻(xiàn)中找出一個(gè)和設(shè)計(jì)要求接近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。2. 像差校正：（1）首先校正“基本像差”（全視場(chǎng)和全孔徑的像差）（2）校正剩余像差或高級(jí)像差；采用逐步收縮公差的方式進(jìn)行，整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵（3 ）

9、像差平衡8.2照相物鏡有哪些類型？它們各有什么特點(diǎn)？三片型物鏡：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用于價(jià)格較低的照相機(jī)上雙高斯物鏡：視場(chǎng)較大，大孔徑物鏡的基礎(chǔ)攝遠(yuǎn)物鏡：長(zhǎng)焦距物鏡，系統(tǒng)長(zhǎng)度可小于焦距，相對(duì)孔徑比較小魯沙型物鏡：視場(chǎng)角大，相對(duì)孔徑小，用于航空測(cè)量照相機(jī)松納型物鏡：視場(chǎng)較小，相對(duì)孔徑較大反攝遠(yuǎn)物鏡：能同時(shí)實(shí)現(xiàn)大市場(chǎng)和大相對(duì)孔徑有一個(gè)負(fù)光焦度的前組，和一個(gè)正光焦度的后組 名詞解釋初級(jí)像差和高級(jí)像差：在像差理論研究中，把像差與視場(chǎng)和孔徑的關(guān)系用幕級(jí)數(shù)形式表 示，最低次冪對(duì)應(yīng)的像差稱為初級(jí)像差，而較咼次冪對(duì)應(yīng)的像差稱為咼級(jí)像差。漸暈：如果軸外子午光束的寬度比軸上點(diǎn)光束的寬度小，造成光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)邊緣的像面照度

10、比軸上點(diǎn)低，這種現(xiàn)象叫做“漸暈”。點(diǎn)列圖：對(duì)于實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)， 由于存在象差，一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過(guò)這個(gè)光學(xué) 系統(tǒng)以后，其與象面交點(diǎn)不再是一個(gè)點(diǎn)，而是一彌散的散斑，稱為點(diǎn)列圖。波像差：實(shí)際波面和理想波面之間的光程差作為衡量該像點(diǎn)質(zhì)量的指標(biāo)，稱為波像差。光學(xué)傳遞函數(shù)：由空間不變線性系統(tǒng)的成像性質(zhì)，可以用物、像平面上不同頻率對(duì)應(yīng)的余弦基元的振幅比和位相差來(lái)表示。前者稱為振幅傳遞函數(shù)，用MTF（）表示，后者稱為位相傳遞函數(shù)，用第一輔助光線：PTF（）表示。二者統(tǒng)稱為光學(xué)傳遞函數(shù)，用OTF（）表示。由軸上物點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)孔徑邊緣的光線稱為第一輔助光線。第二輔助光線：由視場(chǎng)邊緣的軸外點(diǎn)發(fā)出經(jīng)過(guò)孔徑光闌

11、中心的光線稱為第二輔助光線?？讖焦怅@：系統(tǒng)中限制成像光束的孔就叫孔徑光闌。孔徑光闌可以是一個(gè)實(shí)際的圓孔， 也可以附著在某一個(gè)光學(xué)表面上。視場(chǎng)光闌：系統(tǒng)中限制成像范圍的孔就叫視場(chǎng)光闌。視場(chǎng)光闌必須和系統(tǒng)中的實(shí)像面重 合，例如開(kāi)卜勒望遠(yuǎn)鏡中的分劃板就是視場(chǎng)光闌。星點(diǎn)檢驗(yàn)：一個(gè)發(fā)光點(diǎn)物通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，由于衍射和像差以及其它工藝疵病的影響， 不再是一個(gè)理想的點(diǎn)像，通過(guò)考察光學(xué)系統(tǒng)對(duì)一個(gè)點(diǎn)物的成像質(zhì)量就可以了解和評(píng)定光學(xué)系 統(tǒng)對(duì)任意物分布的成像質(zhì)量，這就是星點(diǎn)檢驗(yàn)。分辨率：所謂分辨率就是光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，所能分辨的最小間隔。子午面：主光線和光軸決定的平面?；∈该妫哼^(guò)主光線和子午面垂直的平面。垂軸像差：用不

12、同孔徑子午、弧矢光線在理想像平面上的交點(diǎn)和主光線在理想像平面上 的交點(diǎn)之間的距離來(lái)表示，稱為垂軸像差。包圍圓能量：以像面上主光線或中心光線為中心，以離開(kāi)此點(diǎn)的距離為半徑作圓，以落入此圓的能量和總能量的比值來(lái)表示。初級(jí)像差和高級(jí)像差：在像差理論的研究中，則把像差和y, h的關(guān)系也用幕級(jí)數(shù)形式表示。把最低次幕對(duì)應(yīng)的像差稱為初級(jí)像差，而把較高次幕對(duì)應(yīng)的像差稱為高級(jí)像差。Petzval場(chǎng)曲：如果系統(tǒng)消除了像散，x；s =0，則x = 0 ,則子午和弧矢場(chǎng)曲相等x； =Xs，這時(shí)的場(chǎng)曲稱為 Petzval場(chǎng)曲，用符號(hào)x'p表示：x'p 二 J"(-2n'u2)像差特性參數(shù)P，W，C的歸化：所謂歸化就把對(duì)任意物距、焦距、入射高時(shí)的像差特性參數(shù)，在保持透鏡組幾何形狀相似的條件下，轉(zhuǎn)變成焦距等