光学设计作业答案

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 (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)

共28页第1页

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

现代光学设计

——结课总结

光学工程一班陈江坤 学号 2120100556

一、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。

像质评价方法

一、

几何像差曲线

1、球差曲线：

球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。

2、轴外细光束像差曲线

这一般是由两个曲线图构成。图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距是放大色差值。

3、横向特性曲线（子午垂轴像差曲线）：

不同视场的子午垂轴像差曲线，纵坐标EY代表像差大小，横坐标PY代表入瞳大小，每一条曲线代表一个视场的子午光束在像面上的聚交情况。理想的成像效果应当是曲线和横轴重合，所有孔径的光线对都在一点成像。纵坐标上对应的区间就是子午光束在理想像面上的最大弥散斑范围。这个数值和点列图中的GEO尺寸一致，GEO尺寸就是横向特性曲线

一． 填空题

1. 如图所示，假设有两个同相的相干点光源S1和S2，发出波长为?的光．A是它们连线的中垂线上的一点．若在S1与A之间插入厚度为e、折射率为n的薄玻璃片，求两光源发出的光在A点的相位差??＝

________．若已知?＝500 nm，n＝1.5，A点恰为第

四级明纹中心，则e＝_____________nm．(1 nm =10-9 m) 2. 如图所示，两缝S1和S2之间的距离为d，媒质的折 射率为n＝1，平行单色光斜入射到双缝上，入射角为?， ??则屏幕上P处，两相干光的光程差为

?? eS1 nAS2

S1 d S2 r1 r2 P O

__________．

3.一双缝干涉装置，在空气中观察时干涉条纹间距为1.0 mm．若整个装置放

在水中，干涉条纹的间距将为____________________mm．(设水的折射率为4/3) 4. 在双缝干涉实验中，双缝间距为d，双缝到屏的距离为D (D>>d)，测得中央 零级明纹与第五级明之间的距离为x，则入射光的波长为_________________．

二．计算题

1、在双缝干涉实验中，单色光源S0到两缝S1和S2的距离分别为l1 和 S1 l1

练习36 双缝干涉

班级 姓名 学号 一、选择题

1．把双缝干涉实验装置放在折射率为n的水中，两缝间距为d，双缝到屏的距离为D（D>>d），所用单色光在真空中波长为λ，则屏上干涉条纹两相邻明纹之间的距离为：（ ）

（A）

?Dnd （B）

n?D?d?D （C） （D） dnD2nd

2．双缝间距为2 mm，双缝与幕相距300 cm。用波长为6000?的光照射时，幕上干涉条纹的相邻两条纹距离（单位为mm）是（ ）

（A）4.5 （B）0.9 （C）3.12 （D）4.15 （E）5.18

3．在双缝干涉实验中，初级单色光源S到两缝s1s2距离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中O处。现将光源S向下移动到示意图中的S′位置，则（ ） （A）中央明条纹也向下移动，且条纹间距不变。 （B）中央明条纹向上移动，且条纹间距不变。 （C）中央明条纹向下移动，且条纹间距增大。 （D）中央明条纹向上移动，且条纹间距增大。 二、填空题

1．在双缝干涉实验中，若使两缝之间的距离增大，则屏幕上干涉条纹间距

光学系统设计（四） 参考答案及评分标准

一、单项选择题（本大题共 20小题。每小题 1 分，共 20 分） 题号 1-5 6-10 11-15 16-20 答案 ABCBC ACCBB DBCBC AABCB 二、填空题（本大题11小题。每空1分，共20 分） 21.彗差、像散、畸变 22.圆、彗星 23. ?L???12n?u?2?S

I24.细光束像散 25.位置色差、倍率色差 26.视场、孔径

27.-20mm、-13.26mm或-13.257mm、-33.36mm或-33.3586mm 28.??(n?1)(1r1?1r2)?(n?1)n2dr1r2

29.齐明透镜、球差 30.边缘、0.707 31.位置色差

三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分）

32．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，称之为调制传递函数。 评分标准：答对主要意思得2分。

33．赛得和数：赛得推导出仅有五种独立的初级像差，即以和数?SI、?SII、

?SIII、?SIV、?SV分别表示初级球差、初级彗差、初级像散、初级场曲、

初级畸变，统称为赛得和数。

评分标

ZEMAX 光学设计 教学档

光學設計基礎

首先是幾何光學基礎

幾何光學是光學設計的基礎。要做光學設計必須懂得各種光學儀器成像原理，外形尺寸計算方法，瞭解各種典型光學系統的設計方法和設計過程。

實際光學系統大多由球面和平面構成。記住共軸球面系統光軸截面內光路計算的三角公式，瞭解公式中各參數的幾何意義是必要的，具體公式可參考有關光學書籍，對於平面零件有平面反射鏡和棱鏡，它們的主要作用多爲改變光路方向，使倒像成爲正像，或把白光分解爲各種波長的單色光或單色光合成白光。

在光學系統中造成光能損失的原因有三點：透射面的反射損失、反射面的吸收損失和光學材料內部的吸收損失。

其次是象差理論

光學系統有七種初級象差：

球差

慧差

象散

場曲

畸變

位置色差

垂軸色差

然後是材料的選擇和公差的分配

玻璃按下列各項質量指標分類和分級：

折射率和色散係數

同一批玻璃中，折射率及色散係數的一致性

光學均勻性

應力雙折射

條紋度

氣泡度

光吸收係數

最後要瞭解光學工藝

光學工藝大致分爲切割，粗磨，精磨，抛光和磨邊，最後還有鍍膜和膠合。

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光學名詞中英文對照

光圈(Iris)：位於攝像機鏡頭內部的、可以調節的光學機械性闌孔，可用來控制通過鏡頭的光線的多少。 隔離放大器(Isolation am

南京理工大学理学院

非线性光学思考题

1、什么叫非线性光学，它与线性光学有何异同？

非线性光学是研究强光（激光）与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应。

极化响应过程 辐射过程

我们考察的是光与物质相互作用的过程，光进入物质中与物质相互作用，这就是上图中的极化响应过程，使得介质极化，之后光从物质中辐射出来，对应上图的辐射过程。

普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系

其中，

ε为真空介电常数，χ为线性极化率

0

强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数形式表示

其中，?? 为线性极化率，? 和 ? 是二阶，三阶非线性极化率。对于各

(1)

(2)

(3)

向异性介质 ，??

(n)

为（n+1）阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的

折射率，虚部对应介质的吸收。

(1)(2)(3)

由非线性光学理论可以证明

(n?1)

(n)

at

原子内的平均电场强度的大小（～10-11 V/m）

??P ?P?P?P?P??P???E~?E

在强光作用下，E~E

原子

或E>>E

原子

，产生非线性效应，要满足这一条件就要

求较高的光强，所以非线性光学在激光诞生后才得到快速的发展。 此外，线性光学与非线性光学的区别： 在与物质相互作用中，物

光学作业习题及解答

12-9. 在干涉实验中，两缝为0.6nm，照亮狭缝S的光源是汞弧灯加上绿色滤光片。在2.5m远处的屏幕上出现干涉条纹，测得相邻两明条纹中心距离为2.27mm。试计算入射光的波长。如果所用仪器只能测量△x≥5mm的距离，则对此双缝的间距d有何要求？

解：根据双缝实验相邻条纹中心距离间距：?x??x2.27?10?3??d??0.6?10?3m?545nm

D2.5?Dd，可知，入射光波长：

如果所用仪器只能测量△x≥5mm的距离，则对此双缝的间距d应进一步减小，

D?2.5?545?10??9?m?0.2725mm 由?x?≥5mm，可得：d?d?x5?10?3?D

12-11. 用很薄的云母片（n＝1.58）覆盖在双缝实验中的一条缝上，这时屏幕上的零级明条纹移到原来的第七级条纹的位置上。如果入射光波长为550nm，试问此云母片的厚度为什么?（假设光通过云母片时不考虑折射引起的光线偏折。）

解：由于插入的云母片，使到屏幕上点的两光线的光程差发生变化，这附加产生的光程差使零级明条纹移到原来第七级条纹的位置。 如图，覆盖云母片前， O点处是零级明纹位置， 有：?o?r2?r1?0 由于覆盖云母片很薄，忽略 光线在其中的偏折，设

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非线性光学思考题

1、什么叫非线性光学，它与线性光学有何异同？

非线性光学是研究强光（激光）与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应。

极化响应过程 辐射过程

我们考察的是光与物质相互作用的过程，光进入物质中与物质相互作用，这就是上图中的极化响应过程，使得介质极化，之后光从物质中辐射出来，对应上图的辐射过程。

普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系

其中，

ε为真空介电常数，χ为线性极化率

0

强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数形式表示

其中，?? 为线性极化率，? 和 ? 是二阶，三阶非线性极化率。对于各

(1)

(2)

(3)

向异性介质 ，??

(n)

为（n+1）阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的

折射率，虚部对应介质的吸收。

(1)(2)(3)

由非线性光学理论可以证明

(n?1)

(n)

at

原子内的平均电场强度的大小（～10-11 V/m）

??P ?P?P?P?P??P???E~?E

在强光作用下，E~E

原子

或E>>E

原子

，产生非线性效应，要满足这一条件就要

求较高的光强，所以非线性光学在激光诞生后才得到快速的发展。 此外，线性光学与非线性光学的区别： 在与物质相互作用中，物

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