光學(xué)設(shè)計(jì)探討題

張佳樂(lè)戴德政戴洋毅張?chǎng)?、從軸上點(diǎn)的球差軸向色差曲線分析知道哪幾種像差

兩種色差:球差和軸向色差

2、軸外點(diǎn)的獨(dú)立幾何像差有哪幾種？橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)各表示什么物理量？怎樣從曲線分析像差的大小？軸外點(diǎn)的獨(dú)立幾何像差橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)正弦差光束口徑h正弦差SC’細(xì)光束像散像高y子午和弧矢場(chǎng)曲垂軸色差像高y垂軸色差畸變像高y畸變子午球差子午球差視場(chǎng)ω子午彗差子午彗差視場(chǎng)ω

3、從子午垂軸幾何像差曲線（像差特征曲線）可以確定

哪幾種像差？這些像差的數(shù)量關(guān)系如何？

像差:

細(xì)光束子午場(chǎng)曲，子午球差，子午慧差

數(shù)量關(guān)系:

4.弧矢垂軸像差曲線δy＇和δz＇各代表什么物理含義？

δy'代表弧矢垂軸像差的子午分量;δz'代表弧矢垂軸像差的弧矢分量。5.瑞利判據(jù)的依據(jù)和定義是什么？?jī)?yōu)點(diǎn)和不足是什么？適用于什么樣的光學(xué)系統(tǒng)？

依據(jù):成像波面相對(duì)理想球面波的變形程度來(lái)判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量；

定義:實(shí)際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過(guò)λ/4時(shí)，此波面可看作是”無(wú)缺陷的”；

優(yōu)點(diǎn):便于實(shí)際應(yīng)用；

缺點(diǎn):只考慮波像差的最大允許公差，而沒(méi)有考慮缺陷部分在整個(gè)波面面積中所占的比重。適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)。

6.什么是斯托列爾準(zhǔn)則？適用于什么樣的光學(xué)系統(tǒng)？

中心點(diǎn)亮度是依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)存在像差時(shí)，其成像衍射斑的

中心亮度和不存在像差時(shí)衍射斑的中心亮度之比來(lái)表示光學(xué)系統(tǒng)的

成像質(zhì)量，此比值用S.D來(lái)表示，當(dāng)S.D≥0.8時(shí)，認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)的成

像質(zhì)量是完善的，這就是著名的斯托列爾準(zhǔn)則，適用于小像差光學(xué)系

統(tǒng)。

7、(1)怎樣用鑒別率板和點(diǎn)列圖判斷像差的大?。?/p>

①用照相機(jī)拍攝鑒別率板，得到圖像，圖像中能分辨的最小條紋間距對(duì)應(yīng)照相機(jī)的分辨率，分辨率大，則像差較?。环直媛市?，則像差較大。

②根據(jù)點(diǎn)列圖能量分布的集中或發(fā)散程度來(lái)判斷。能量分布集中，像差相對(duì)較?。荒芰糠植及l(fā)散，像差相對(duì)較大。

(2)怎么根據(jù)點(diǎn)列圖的形狀特征判斷光學(xué)系統(tǒng)含有哪幾種像差,各種像差的大小如何判斷？

???8、如何利用MTF曲線和曲線的積分值來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量？

①M(fèi)TF表現(xiàn)了各種不同頻率的正弦強(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度的衰減程度，當(dāng)某一頻率的對(duì)比度下降為零時(shí)，說(shuō)明該頻率的光強(qiáng)分布已無(wú)亮度變化，即該頻率截止，這是利用MTF曲線來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法，MTF值在0~1之間，值越靠近1，表明其成像質(zhì)量越高，越能真實(shí)反映物體信息；值越靠近0，表明其成像質(zhì)量越低,真實(shí)反映物體信息的能力越弱。

②MTF曲線的積分值即MTF曲線與坐標(biāo)軸所圍的面積,面積越大,表明光學(xué)系統(tǒng)所傳遞的信息量越多,光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量越好，圖像越清晰。因此,在光學(xué)系統(tǒng)接收器截止頻率范圍內(nèi)利用MTF曲線所圍面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量是非常有效的。9、(1)光程差曲線和像差特征曲線各表示什么樣的像差？

光程差曲線：???

像差特征曲線:①不同波長(zhǎng)曲線之間的距離表示了不同顏色光線

軸向的位置差別，即軸向色差；

②將子午垂軸像差曲線的兩端相連,其斜率與寬光

束子午場(chǎng)曲成正比；

③過(guò)原點(diǎn)的切線斜率與細(xì)光束子午場(chǎng)曲相對(duì)應(yīng)。

④端點(diǎn)連線的斜率和切線斜率之差和子午球差成

比例,即連線和切線之間的夾角越大,子午球差就越大。

⑤子午光線端點(diǎn)連線和縱坐標(biāo)交點(diǎn)的高度即子午彗差，所以在子午垂軸像差曲線上某子午光線的連線和縱坐標(biāo)交點(diǎn)的高度就代表它的子午彗差。

(2)如何從點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)來(lái)判斷成像質(zhì)量？

通過(guò)能量的集中或分散程度，可以判斷出系統(tǒng)的成像質(zhì)量。10、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡物鏡像差公差有哪些,這些公差有什么相同和不同之

處?望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡目鏡像差公差有哪些,這些公差有什么相同和不同

之處?怎樣確定照相物鏡的像差公差？望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡物鏡

校正球差、位置色差和正弦差（視場(chǎng)小、孔徑角較大，應(yīng)保證其軸上物點(diǎn)和近軸物點(diǎn)有很好的成像質(zhì)量）相同:以最大波差作為評(píng)價(jià)依據(jù)的瑞利判據(jù)，適用于小像差系統(tǒng)。不同:對(duì)于球差可直接應(yīng)用波像差理論中推導(dǎo)的最大波像差公式導(dǎo)出球差公差計(jì)算公式。僅有初級(jí)球差時(shí)，最大波像差不超過(guò)4倍焦深。大多數(shù)系統(tǒng)有初級(jí)和二級(jí)球差，當(dāng)邊緣孔徑球差校正后，0.707帶有最大剩余球差，最大波像差不超過(guò)6倍焦深。實(shí)際上邊緣孔徑處的球差未必正好校正到零，可控制在焦深以內(nèi)，即邊緣孔徑處的球差公差不超過(guò)焦深。小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的彗差通常用相對(duì)彗差SC′(正弦差)來(lái)表示，其公差值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取SC′<=0.0025。位置色差通常取不超過(guò)焦深，即波色差不超過(guò)1/4~1/2的波長(zhǎng)。望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡目鏡校正球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、位置色差和倍率色差（視場(chǎng)角較大,還需校正好軸外點(diǎn)像差)相同:以最大波差作為評(píng)價(jià)依據(jù)的瑞利判據(jù)，適用于小像差系統(tǒng)。不同:軸上點(diǎn)像差公差可參考望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡物鏡像差公差。彗差分為子午彗差和弧矢彗差兩種，像散不超過(guò)焦深，畸變公差一般不超過(guò)5%。因?yàn)橄裆⒑蛨?chǎng)曲都應(yīng)在眼睛的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，故子午和弧矢場(chǎng)曲都可允許有2~4D(屈光度)。目鏡的倍率色差常用目鏡焦平面上的倍率色差與目鏡的焦距之比來(lái)表示，即用角像差表示，其大小不超過(guò)2’~4’。照相物鏡

校正全部像差（屬于大孔徑、大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)）

照相物鏡所允許的彌散斑大小應(yīng)與光能接收器的分辨率相匹配。不同的接收器有不同的分辨率，照相物鏡應(yīng)根據(jù)使用的接收器來(lái)確定其像差公差。

此外，照相物鏡的分辨率應(yīng)大于接收器的分辨率，即NL≥Nd，所以照相物鏡所允許的彌散斑直徑應(yīng)為2Δy’=2*(1.5~1.2)/NL，系數(shù)(1.5~1.2)是考慮到彌散圓的能量分布，即把彌散斑直徑的60%~65%作為影響分辨率的亮核。一般情況，彌散斑直徑在0.03~0.05mm以內(nèi)；需放大的高質(zhì)量物鏡,彌散斑直徑要小于0.01~0.03mm。倍率色差最好不超過(guò)0.01mm，畸變要小于2%~3%。11、如何用ZEMAX對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，順序是什么，有哪些優(yōu)化技巧？

優(yōu)化順序

1.看Analysis—Aberrationcoefficients—Seidelcoefficients/SeidelDiagram，

找出對(duì)賽得和數(shù)影響大的面，將這些面的曲率半徑設(shè)為變量，優(yōu)先優(yōu)化。

2.將剩余面的曲率半徑設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化。

3.將STOP光闌面的位置設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化。

4.將透鏡間距設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化。

5.將玻璃厚度設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化后，如果像質(zhì)還達(dá)不到要求：

1.嘗試將特殊位置的薄透鏡換成彎月透鏡，鼓形透鏡等厚透鏡。

2.換玻璃。如果單透鏡的彎曲過(guò)于強(qiáng)烈，則換成折射率高的玻璃。如果膠合透鏡膠合面的彎曲過(guò)大，則增加兩個(gè)玻璃的阿貝數(shù)之差。（應(yīng)注意，設(shè)計(jì)雙膠合透

鏡時(shí)，透鏡要有相近的熱膨脹系數(shù)）

3.將系統(tǒng)復(fù)雜化。分裂玻璃，或者在特殊位置加入場(chǎng)鏡。優(yōu)化技巧

1.光學(xué)系統(tǒng)某個(gè)視場(chǎng)MTFT、MTFS不好，則在Field中增大這個(gè)視場(chǎng)的權(quán)重（缺點(diǎn)是優(yōu)化時(shí)會(huì)同時(shí)提高子午和弧矢方向的像質(zhì)）。2.光學(xué)系統(tǒng)某個(gè)視場(chǎng)的MTFT、MTFS不好，則在優(yōu)化函數(shù)中用MTFT、MTFS進(jìn)行優(yōu)化。（優(yōu)點(diǎn)是可以單獨(dú)提高某個(gè)視場(chǎng)子午或者弧矢方向的像