光学系统设计与工艺(三星高新电机（天津）有限公司) 中国大学mooc慕课答案2024版 m39733

作业第一章 光学系统像质评价-1 作业1

1、 检验实际光学系统成像质量的常用方法有哪几种？
评分规则:  分辨率检验：在检验时将分辨率板作为物平面，通过被检验光学系统成像。假定在像平面上所能分辨的最小间隔为δ，那么它的倒数即为该系统的分辨率，用μ表示。
星点检验：将一个发光点作为物点，通过被检验光学系统，将形成一个弥散斑，根据弥散斑大小和能量分布情况，评定被检系统的成像质量。

2、 在光学系统设计阶段评价成像质量的方法有哪几种？
评分规则:  几何光学方法：包括几何像差、波像差、点列图、几何学传递函数等
物理光学方法：包括点扩散函数、相对中心强度、物理光学传递函数等

3、 什么是色差？光学系统中色差有哪几种？色差如何校正？
评分规则:  光学系统中介质对不同波长光线的折射率是不同的。当对无限远物体成像时，不同颜色光线所成像的位置也就不同，像高也会随之改变。前者形成轴向色差，后者形成垂轴色差。色差的校正可以采用1.不同色散不同折射率玻璃的组合 2.采用折衍混合的技术 3.采用反射镜

4、 共轴光学系统轴上点有哪几种像差？
评分规则:  轴向色差
球差

5、 什么是光学系统的像差？存在像差时对系统成像会有什么影响？
评分规则:  像差是光学系统所成的理想像与实际像之间的差异。像差会影响光学系统的成像质量，影响光学系统的分辨率，影响光学系统的实际使用效果。

6、 请列举出，在光学系统中的曲面方程里，基准二次曲面系数K的值与面型的关系。
评分规则:  K<0 双曲面K=0 抛物面0<K<1 椭球面K=1 球面K>1 扁球面

作业第一章 光学系统像质评价-2 作业2

1、 轴外像点有哪几种像差和色差？
评分规则:  球差，慧差，像散，场曲，畸变，垂轴色差

2、 什么叫共轴光学系统的子午面和弧矢面？
评分规则:  子午面：y 主光线和光轴共同决定的平面弧矢面：x  过主光线和子午面垂直的平面

3、 什么叫波像差？什么情况下可以认为系统质量与理想光学系统没有显著差别?
评分规则:  波像差：实际波面和理想波面之间的光程差1/4波长

4、 什么是理想光学系统的分辨率？什么是衍射分辨率？理想光学系统衍射分辨率的公式是什么?
评分规则:  理想光学系统的分辨率，就是完全没有像差、成像符合理想的光学系统所能分辨的最小间隔。衍射分辨率的判定主要依据两个像点间能够分辨的最短距离来判定，其约等于中央亮斑的半径R。R=0.61λ/n’sinU’max

5、 试说明望远镜、照相物镜、显微镜物镜的分辨率表示方法
评分规则:  望远镜 α=1.22λ/D=140“/D照相物镜 N=1/1.22λF=1500/F显微镜d=0.61λ/NA

6、 光学传递函数的物理意义是什么？还有什么别的像质评价指标？
评分规则:  光学传递函数：反应系统实际成像质量的评价指标点列图：光线直接追迹到像平面包围圆能量：以像面上主光线或中心光线为圆心，以离开此点的距离为半径做圆，以落入此圆的能量和总能量之比来表示。

7、 什么叫空间频率，截止频率和特征频率？
评分规则:  空间频率体现空间分布的特征，μ=1/p（lp/mm），p是空间中的周期截止频率：即便是对于理想光学系统，其光学传递函数超过一定空间频率后也为零。该空间频率成为系统的截止频率。特征频率：为了进一步简化，也可以直接选用若干指定空间频率的传递函数值表示，这些选用的空间频率成为特征频率。

8、 某口径为1m的天文望远镜，能分辨的最小角度为0.14。如果雷达使用的无线电波波长为5mm，要得到0.14的分辨率，雷达天线尺寸需要多大？
评分规则:  

9、 有一架显微镜，视放大率为45x ，出瞳直径为2mm，问显微镜物镜的理想分辨率多大？(假定波长为555nm)
评分规则:  

第一章 光学系统像质评价-2 单元测验1

1、 检验实际光学系统成像质量的常用方法有

A:优选法择优选择光学元件
B:牛顿法看光学元件干涉圆环数量
C:在平行光管上检验分辨率
D:用显微镜看光学系统的像
答案: 在平行光管上检验分辨率

2、 在光学系统设计阶段评价成像质量的方法有

A:分辨率检验
B: 干涉条纹检验
C:光学传递函数
D:星点检验
答案: 光学传递函数

3、 渐晕的定义是

A:轴外光束口径比轴向光束口小，造成轴外像点比轴上像点暗的现象
B:轴向光束口径比轴外光束口小，造成轴向像点比轴外像点暗的现象
C:光学系统前端口径小，后端口径大的现象
D:孔径光阑位在中间，造成轴外像点比轴上像点暗的现象
答案: 轴外光束口径比轴向光束口小，造成轴外像点比轴上像点暗的现象

4、 共轴光学系统轴上点有哪几种像差？

A:宽光束子午场曲
B:宽光束弧矢慧差
C:细光束像散
D:球差，轴向色差
答案: 球差，轴向色差

5、 什么叫共轴光学系统的子午面？

A:由主光线和光轴决定的平面
B:由边缘光线和光轴决定的平面
C:由主光线和细光束决定的平面
D:和像平面垂直的平面
答案: 由主光线和光轴决定的平面

6、 提高望远镜的衍射分辨率的方法有

A:增大物镜焦距
B:将孔径光阑前移，增大物镜口径
C:减小物镜和目镜之间的距离
D:增大入瞳直径
答案: 增大入瞳直径

7、 提高照相物镜的衍射分辨率的方法有

A:增大照相物镜口径
B:增大照相物镜相对孔径
C:增大照相物镜物方视场角
D:减小像面直径
答案: 增大照相物镜相对孔径

8、 什么叫孔径光阑？什么叫视场光阑？

A:限制成像光束口径的光阑叫做孔径光阑，限制成像范围的光阑叫做视场光阑
B:望远镜物镜框称为孔径光阑，照相物镜后面的可变光阑称为视场光阑
C:孔径光阑就是系统中口径最大的那个元件的口径，视场光阑就是分划板口径
D:孔径光阑就是入射口径最大的孔，视场光阑就是物方视场角最大的那个元件
答案: 限制成像光束口径的光阑叫做孔径光阑，限制成像范围的光阑叫做视场光阑

9、 如果一个光学系统由两个分系统构成，两个分系统的MTF分别为0.5和0.6，则组合系统的MTF为

A:0.3
B:0.4
C:0.5
D:0.6
答案: 0.3

10、 如果要求照相物镜的目视分辨率为每毫米1500线对，则该照相物镜的F数应为

A:2
B:3
C:4
D:1
答案: 1

11、 畸变这种像差的特性有

A:畸变只影响像的清晰度，不影响像的变形
B:畸变不影响像的清晰度，只影响像的变形
C:畸变不影响像的清晰度，只影响像的变形
D:畸变不会影响像的清晰度，只会使像变小
答案: 畸变不影响像的清晰度，只影响像的变形

12、 已知一周视瞄准镜出瞳直径为4mm，视放大率3.7x，则此周视瞄准镜的衍射分辨率为

A:9.46″
B:11.33″
C:8.54″
D:20.62″
答案: 9.46″

13、 出瞳距离的定义是

A:系统最后一个面顶点到出瞳的距离
B:系统第1个面顶点到出瞳的距离
C:系统入瞳到出瞳的距离
D:系统第1个面顶点到最后一个面顶点的距离
答案: 系统最后一个面顶点到出瞳的距离

14、 波像差就是

A:从出瞳出射的波面与理想波面之间的光程差
B:从入瞳入射的波面与理想波面之间的光程差
C:入瞳入射的波面与出瞳出射的波面之间的光程差
D:从物面入射的波面与理想波面之间的光程差
答案: 从出瞳出射的波面与理想波面之间的光程差

15、 理想光学系统的衍射分辨率的定义为

A:两衍射像所能分辨的最小间隔叫理想光学系统的衍射分辨率
B:子午面两条子午光线对的交点到理想像平面的距离
C:弧矢面两条弧矢光线对的交点到理想像平面的距离

D:两个衍射像对人眼的张角为人眼的视角分辨率二分之一时的距离
答案: 两衍射像所能分辨的最小间隔叫理想光学系统的衍射分辨率

16、 提高显微镜的衍射分辨率的方法有

A:采用更短的工作波长
B:增大物方的孔径角
C:增大物空间的折射率
D:增大物镜和目镜的距离
答案: 采用更短的工作波长;
增大物方的孔径角;
增大物空间的折射率

17、 校正色差的方法有

A:采用不同折射率不同阿贝数不同色散的玻璃配对来消除色差
B:采用反射镜来消除色差
C:采用非球面来消除色差
D:采用移动孔径光阑来消除色差
答案: 采用不同折射率不同阿贝数不同色散的玻璃配对来消除色差;
采用反射镜来消除色差

18、 对同一个透镜，红光的波长长，紫光的波长短，因此

A:红光的焦距长，而紫光的焦距短
B:红光的焦距短，而紫光的焦距长
C:红光的折射率大，而紫光的折射率小
D:红光的折射率小，而紫光的折射率大
答案: 红光的焦距长，而紫光的焦距短;
红光的折射率小，而紫光的折射率大

19、 在设计一个光学系统时，有时候人为给定一定的渐晕的原因是（不记得了）

A:为了保证轴外点的成像质量，把轴外光束的宽度适当减小
B:从系统外形尺寸上考虑，减小某些元件的尺寸
C:为了提高系统的相对孔径
D:为了提高系统的衍射分辨率
答案: 为了保证轴外点的成像质量，把轴外光束的宽度适当减小;
从系统外形尺寸上考虑，减小某些元件的尺寸

20、 对于理想系统衍射分辨率，瑞利判据认为

A:两像点间最短距离等于中央亮斑半径时刚好能够分辨
B:两像点间最短距离小于中央亮斑半径时能够分辨
C:两像点间最短距离大于中央亮斑半径时能够分辨
D:两像点间最短距离等于中央亮斑直径时刚好能够分辨
答案: 两像点间最短距离等于中央亮斑半径时刚好能够分辨;
两像点间最短距离大于中央亮斑半径时能够分辨

作业第二章 光学自动设计原理和程序 作业3

1、 原则上对光学系统有哪两方面的要求？
评分规则:  对光学系统两方面的要求:光学特性和成像质量光学特性：不随系统结构参数改变的常数。如：物距L，孔径高H或孔径角正弦sinU，视场角ω或物高y，入瞳或孔径光阑的位置，以及轴外光束的渐晕系数K+，K-…等等。在计算和校正光学系统像差的过程中这些参数永远保持不变，它们是和自变量（结构参数）无关的常量。像质评价指标：随结构参数改变的参数。它们包括代表系统成像质量的各种几何像差或波像差。同时也包括某些近轴光学特性参数，例如焦距
，放大率β，像距，出瞳距…等等。

2、 试解释说明光学自动设计优化算法中的适用法原理？
评分规则:  略

3、 试解释说明光学自动设计优化算法中的阻尼最小二乘法原理？有什么特点?
评分规则:  略

4、 举例说明自动优化设计中需要控制的常见的边界条件有哪些？
评分规则:  正透镜的最小边缘厚度、负透镜的最小中心厚度和透镜间的最小空气间隔dmin。每个面上光线的最大投射高Hmax。玻璃光学常数的限制。…

5、 说明有哪些国内外常用的光学自动设计软件，它们有什么功能和特点？
评分规则:  略

作业第三章 ZEMAX光学设计软件的应用 作业4

1、 光学设计的任务是什么？
评分规则:  在满足光学特性的前提下，改变可以改变的结构参数，如半径、玻璃厚度、空气间隔、玻璃材料等，使成像质量满足要求。

2、 目前国内外常用的光学设计软件有哪些？
评分规则:  略

3、 常用光学设计软件中有哪些主要功能？
评分规则:  略

4、 ZEMAX软件中有哪几种光线追迹模式？
评分规则:  有三种，序列模式（Sequential），非序列模式（Non-sequential），混合模式（Mixed
sequential/Non-sequential)。

5、 ZEMAX软件中序列模式有什么特点？
评分规则:  以surface光学面为对象来构建光学系统模型,每一表面的位置由它相对于前一表面的座标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序（Surface 0，1，2…）进行追迹,对每个面只计算一次。计算速度快,花费时间短主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等

6、 ZEMAX软件中非序列模式有什么特点？
评分规则:  以object(物体)为对象构建光学系统模型。光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可以按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。需模拟计算大量光线,计算量大，花费时间长。结果更接近实际情况。

7、 ZEMAX软件自动优化模块中采用的什么优化算法？
评分规则:  采用的是阻尼最小二乘法。

作业第四章 薄透镜系统的初级像差理论 作业5

1、 什么叫像差理论？
评分规则:  人们对像差的性质，像差和光学系统结构参数的关系，进行了长期的研究，取得的有价值的成果，称为像差理论。

2、 什么叫初级像差？什么叫高级像差？
评分规则:  像差理论中，把像差和视场，口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，较高次幂对应的像差称为高级像差。

3、 什么叫薄透镜组？
评分规则:  一个透镜组的厚度和它的焦距比较可以忽略，则称为薄透镜组。

4、 什么叫薄透镜系统？
评分规则:  由若干个薄透镜组构成的系统，称为薄透镜系统（透镜组之间的间隔可以是任意的）。

5、 解释什么叫第一辅助光线和第二辅助光线
评分规则:  由轴上物点发出，经过孔径边缘的光线称为第一辅助光线，由视场边缘轴外点发出经过孔径光阑中心的光线称为第二辅助光线。

6、 为什么一个薄透镜组只能校正两种初级单色像差？
评分规则:  在五个单色像差方程中，每个薄透镜组只出现两个像差特性参数P，W。不同结构的薄透镜组对应不同的P，W 值，它们是方程组中的两个独立的自变量。利用这两个自变量，最多只能满足两个方程式，因此一个薄透镜组最多只能校正两种初级像差。

7、 为什么一个薄透镜组消除了轴向色差必然同时消除垂轴色差？
评分规则:  薄透镜组的两种色差，由唯一的色差参数C 确定，当轴向色差等于零，则C =0, 垂轴色差也同时等于零。

8、 为什么说单透镜有可能不能满足任意的的要求？
评分规则:  对于单透镜来说，其P0值的变化范围较小，大约在1.1～2.5之间，因此不能满足任意的的要求，使它的应用受到限制。

9、 能够校正场曲的光学系统的结构有哪两种？
评分规则:  第一种，正、负光焦度绝对值相等符号相反且远离的薄透镜系统；第二种，一个弯月形厚透镜，相当于一个平凸透镜和一个平凹透镜再加一块平行玻璃板，它等效于两个分离薄透镜，平行玻璃板场曲为0，因此也能校正场曲。

第四章 薄透镜系统的初级像差理论 单元测验2

1、 初级球差

A:和光束投射高的平方成正比。
B:和物高的平方成正比。
C:和系统的焦距的平方成正比。
D:和系统的像距的平方成正比。
答案: 和光束投射高的平方成正比。

2、 初级慧差

A:和光束投射高成正比。
B:和光束投射高的平方成正比，同时和物高成正比。
C:和物高的平方成正比，同时和光束投射高成正比。
D:和光束投射高的平方成正比，同时和物高的平方成正比。
答案: 和光束投射高的平方成正比，同时和物高成正比。

3、 第二辅助光线

A:由轴上物点发出，经过孔径边缘的光线。
B:就是由轴外物点发出，经过孔径边缘的光线。
C:由轴上物点发出，经过孔径光阑中心的光线。
D:就是由视场边缘轴外点发出经过孔径光阑中心的光线。
答案: 就是由视场边缘轴外点发出经过孔径光阑中心的光线。

4、 薄透镜组的外部参数

A:就是每个薄透镜组对应的光焦度、第一辅助光线和第二辅助光线的投射高等已知的参数。
B:就是每个薄透镜组对应的半径、厚度和玻璃材料等已知的参数。
C:就是每个薄透镜组对应的相对孔径、视场角和波段范围等已知的参数。
D:就是每个薄透镜组玻璃对应的色散、阿贝数和折射率等已知的参数。
答案: 就是每个薄透镜组对应的光焦度、第一辅助光线和第二辅助光线的投射高等已知的参数。

5、 下列说法正确的是

A:薄透镜组的petzval场曲近似为一与结构无关的常量
B:薄透镜组的petzval场曲近似为一与相对孔径无关的常量
C:薄透镜组的petzval场曲近似为一与视场角无关的常量
D:薄透镜组的petzval场曲近似为一与工作波段无关的常量
答案: 薄透镜组的petzval场曲近似为一与结构无关的常量

6、 下列说法正确的是

A:欲薄透镜组消色差必须使用两种相同阿贝数的玻璃。
B:薄透镜组的消色差条件与物体位置有关。
C:一个薄透镜组消除了轴向色差就不能同时消除垂轴色差。
D:一个薄透镜组消除了轴向色差必然同时消除垂轴色差。
答案: 一个薄透镜组消除了轴向色差必然同时消除垂轴色差。

7、 像差特性参数P，W，C 的归化

A:就是把像差特性参数取整。
B:就是把对任意物距、焦距、入射高时的像差特性参数，在相对孔径和视场角较小的情况下，转变成焦距等于入射高，物平面位在无限远时的像差特性参数。
C:就是把对任意物距、焦距、入射高时的像差特性参数，在保持透镜组几何形状相似的条件下，转变成焦距等于-1，入射高等于1，物平面位在2倍焦距时的像差特性参数。
D:就是把对任意物距、焦距、入射高时的像差特性参数，在保持透镜组几何形状相似的条件下，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。
答案: 就是把对任意物距、焦距、入射高时的像差特性参数，在保持透镜组几何形状相似的条件下，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。

8、 物平面位在无限远时，有

A:单个正透镜的球差永远为负值。
B:单个正透镜的球差永远为正值。
C:单个正透镜的慧差永远为负值。
D:单个正透镜的慧差永远为负值。
答案: 单个正透镜的球差永远为负值。

9、 平行玻璃板的初级场曲

A:大于0
B:小于0
C:大于1小于10
D:等于0
答案: 等于0

10、 当光瞳与薄透镜组重合时

A:初级畸变为0。
B:初级畸变大于0。
C:初级畸变小于0。
D:初级畸变等于-1。
答案: 初级畸变为0。

11、 一个薄透镜组能够校正的初级单色像差数量为

A:1种
B:2种
C:3种
D:4种
答案: 2种

12、 球差和光瞳位置

A:无关
B:有关
C:在相对孔径大的情况下有关
D:在视场角大的情况下有关
答案: 无关

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