光學(xué)成像基礎(chǔ)知識點(diǎn)自測題及解析一、單選題（共10題，每題2分）1.光學(xué)成像系統(tǒng)的基本要求不包括以下哪項？A.像差最小化B.分辨率最高C.光譜響應(yīng)范圍最廣D.聚焦清晰度2.在薄透鏡成像中，物距u大于2f時，成像特點(diǎn)是？A.放大倒立實像B.縮小倒立實像C.放大正立虛像D.縮小正立虛像3.光學(xué)系統(tǒng)的相對照度與哪些因素有關(guān)？（多選）A.光圈孔徑B.物距C.像距D.透鏡材料折射率4.理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率表達(dá)式為？A.m=v/uB.m=-v/uC.m=u/vD.m=-u/v5.光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生球差的主要原因是？A.孔徑光闌尺寸過大B.透鏡曲率半徑不匹配C.光線入射角度偏差D.玻璃材料色散6.光學(xué)系統(tǒng)的畸變屬于？A.軸上像差B.軸外像差C.球差類型D.色差類型7.數(shù)值孔徑NA的定義是？A.NA=n·sinθB.NA=n·cosθC.NA=n2·sinθD.NA=n·θ8.衍射極限分辨率公式λ/2NA表示？A.光學(xué)系統(tǒng)最大放大倍數(shù)B.最小可分辨距離C.光學(xué)系統(tǒng)光闌直徑d.像差校正程度9.色差中阿貝數(shù)（V值）越大表示？A.色散越嚴(yán)重B.色散越輕微C.分辨率越低D.成像質(zhì)量越差10.光學(xué)系統(tǒng)放大率的類型不包括？A.視角放大率B.數(shù)值放大率C.物距放大率D.像距放大率二、多選題（共5題，每題3分）1.光學(xué)系統(tǒng)的基本特性包括？A.放大率B.分辨率C.色差校正D.光譜響應(yīng)范圍E.相對照度2.透鏡成像中的高斯公式F=(u+v)/uv適用于？A.薄透鏡B.厚透鏡C.光學(xué)系統(tǒng)D.反射系統(tǒng)E.折射系統(tǒng)3.光學(xué)系統(tǒng)的像差類型可分為？A.軸上像差B.軸外像差C.單色像差D.色差E.球差4.影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素包括？A.光圈數(shù)B.物鏡焦距C.數(shù)值孔徑D.透鏡材料E.環(huán)境溫度5.光學(xué)顯微鏡的分辨率取決于？A.光波長B.數(shù)值孔徑C.物鏡放大倍數(shù)D.載玻片質(zhì)量E.視場光闌三、判斷題（共10題，每題1分）1.光學(xué)成像系統(tǒng)必須完全消除所有像差才能達(dá)到理想成像。（×）2.放大率大于1的成像系統(tǒng)稱為放大系統(tǒng)。（√）3.數(shù)值孔徑NA越大，顯微鏡的景深越大。（×）4.光學(xué)系統(tǒng)的相對照度隨光圈數(shù)增大而提高。（×）5.色差是由于不同波長光折射率不同造成的。（√）6.薄透鏡成像時，物距u等于焦距f時無成像。（√）7.光學(xué)系統(tǒng)的畸變會改變圖像的幾何形狀。（√）8.光學(xué)顯微鏡的數(shù)值孔徑NA不能大于1.0。（×）9.光學(xué)系統(tǒng)的阿貝數(shù)V值與色散能力成正比。（×）10.光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率與觀察距離成正比。（×）四、簡答題（共5題，每題5分）1.簡述光學(xué)成像系統(tǒng)的基本要求。2.解釋什么是球差，并說明其產(chǎn)生原因。3.說明光學(xué)顯微鏡的分辨率限制因素。4.簡述光學(xué)系統(tǒng)的相對照度計算公式。5.解釋什么是色差，并說明其校正方法。五、計算題（共5題，每題10分）1.一薄透鏡焦距為50mm，物距為100mm，求成像位置和放大率。2.光學(xué)顯微鏡物鏡NA=0.95，工作波長λ=550nm，求其理論分辨率。3.光學(xué)系統(tǒng)相對照度T=0.8，光圈數(shù)為f/5，求有效通光面積比。4.光學(xué)顯微鏡物鏡放大倍數(shù)為40×，目鏡放大倍數(shù)為10×，求總放大倍數(shù)。5.透鏡材料折射率n=1.5，工作角θ=30°，求其數(shù)值孔徑NA。答案及解析一、單選題答案及解析1.C（光學(xué)系統(tǒng)基本要求是成像質(zhì)量、放大率、視場等，光譜響應(yīng)范圍非基本要求）2.B（根據(jù)高斯公式，u>2f時像距v>2f，成縮小倒立實像）3.ACD（相對照度T=Tr=π(NA/2)2，與光圈孔徑、數(shù)值孔徑、物距相關(guān)）4.B（理想系統(tǒng)放大率m=-v/u，負(fù)號表示倒立）5.B（球差是透鏡曲率半徑不匹配導(dǎo)致不同焦距光線聚焦不同位置）6.B（畸變屬于軸外像差，包括枕形和桶形畸變）7.A（數(shù)值孔徑NA=n·sinθ，n為介質(zhì)折射率，θ為半工作角）8.B（λ/2NA為瑞利判據(jù)，表示最小可分辨距離）9.B（阿貝數(shù)V=(n-1)/(nf-nc)，V值越大色散越輕微）10.D（光學(xué)系統(tǒng)放大率包括視角放大率、數(shù)值放大率、物距放大率，無像距放大率）二、多選題答案及解析1.ABDE（光學(xué)系統(tǒng)基本特性包括放大率、分辨率、相對照度、光譜響應(yīng)范圍等）2.ABCE（高斯公式適用于薄透鏡、光學(xué)系統(tǒng)、折射系統(tǒng)，不適用于反射系統(tǒng)）3.ABCD（像差分為軸上像差、軸外像差、單色像差、色差）4.ABCD（成像質(zhì)量受光圈數(shù)、物鏡焦距、數(shù)值孔徑、透鏡材料影響）5.AB（顯微鏡分辨率受光波長和數(shù)值孔徑限制，公式Rs=0.61λ/NA）三、判斷題答案及解析1.×（理想成像指高斯像面理想成像，無需完全消除所有像差）2.√（放大率大于1的系統(tǒng)稱為放大系統(tǒng)）3.×（NA越大景深越小）4.×（相對照度T=Tr=π(NA/2)2，光圈數(shù)增大照度減?。?.√（色差是不同波長光折射率不同導(dǎo)致）6.√（高斯公式u=v=f時無成像）7.√（畸變改變圖像幾何形狀）8.×（NA可達(dá)1.5以上，油鏡NA=1.25）9.×（V值越大色散越輕）10.×（分辨率與觀察距離無關(guān)）四、簡答題答案及解析1.光學(xué)成像系統(tǒng)基本要求：-像質(zhì)優(yōu)良：最小化球差、彗差、像散、畸變等像差-放大率準(zhǔn)確：滿足測量或觀察需求-視場足夠：覆蓋觀察范圍-相對照度合理：保證成像亮度-光譜響應(yīng)匹配：覆蓋工作波段-工作穩(wěn)定：環(huán)境變化影響小2.球差：球差是透鏡使不同孔徑光線聚焦不同位置導(dǎo)致成像模糊的像差。產(chǎn)生原因是透鏡不同半徑光線折射率不同，導(dǎo)致近軸光線和遠(yuǎn)軸光線焦距不同。校正方法包括雙膠合透鏡、非球面鏡設(shè)計等。3.顯微鏡分辨率限制因素：-物鏡數(shù)值孔徑NA（NA=NA物×NA介，油鏡NA可達(dá)1.5）-工作波長λ（λ越短分辨率越高）-瑞利判據(jù)限制（Rs=0.61λ/NA）-物鏡質(zhì)量（球差、色差校正程度）-載玻片質(zhì)量（灰塵、缺陷影響）4.相對照度計算公式：相對照度T=Tr=π(NA/2)2=π(NA2/4)。光圈數(shù)f/NA時，T與NA2成正比。實際照度E=Et=Tr·i=(NA2/4)·i，i為光通量比。5.色差：色差是不同波長光折射率不同導(dǎo)致成像位置和顏色偏差。分為軸向色差（不同波長焦點(diǎn)不同）和垂軸色差（不同波長焦點(diǎn)高度不同）。校正方法包括：-雙膠合透鏡（不同玻璃折射率抵消）-消色差設(shè)計（校正兩個波長）-復(fù)消色差設(shè)計（校正三個波長）五、計算題答案及解析1.薄透鏡成像計算：已知f=50mm，u=100mm-高斯公式：1/f=1/u+1/v→1/50=1/100+1/v→v=100mm-放大率：m=-v/u=-1結(jié)果：像距v=100mm，放大率m=-1（等大倒立實像）2.顯微鏡分辨率計算：NA=0.95，λ=550nm=0.55μm-分辨率：Rs=0.61λ/NA=0.61×0.55/0.95≈0.35μm結(jié)果：理論分辨率0.35μm3.相對照度計算：T=0.8，光圈數(shù)F=5-NA=2F=2×5=10-T=π(NA/2)2=π(10/2)