2025年光學設(shè)計考試題及答案_第1頁
2025年光學設(shè)計考試題及答案_第2頁
2025年光學設(shè)計考試題及答案_第3頁
2025年光學設(shè)計考試題及答案_第4頁
2025年光學設(shè)計考試題及答案_第5頁
已閱讀5頁,還剩7頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

2025年光學設(shè)計考試題及答案一、單項選擇題(每題3分,共30分)1.以下哪種像差僅出現(xiàn)在非近軸區(qū)域且與孔徑相關(guān)?A.場曲B.畸變C.球差D.彗差答案:C解析:球差是軸上點的像差,由孔徑角引起,僅存在于非近軸區(qū)域;場曲和畸變與視場相關(guān),彗差雖與孔徑有關(guān)但同時受視場影響。2.某光學系統(tǒng)焦距f'=50mm,入瞳直徑D=10mm,則其F數(shù)(光圈數(shù))為?A.2B.5C.0.2D.10答案:B解析:F數(shù)定義為焦距與入瞳直徑的比值,即F=f'/D=50/10=5。3.阿貝數(shù)ν的計算公式為ν=(n_d-1)/(n_F-n_C),其中n_d、n_F、n_C分別對應(yīng)以下哪組譜線?A.鈉黃光(589nm)、氫藍光(486nm)、氫紅光(656nm)B.氫藍光(486nm)、鈉黃光(589nm)、氫紅光(656nm)C.汞綠光(546nm)、鈉黃光(589nm)、氫紅光(656nm)D.鈉黃光(589nm)、汞綠光(546nm)、氫藍光(486nm)答案:A解析:阿貝數(shù)計算中,n_d為鈉D線(589nm)折射率,n_F為氫F線(486nm)折射率,n_C為氫C線(656nm)折射率,用于表征材料的色散特性。4.為校正雙膠合透鏡的色差,通常需選擇兩種玻璃滿足:A.(φ1/ν1)+(φ2/ν2)=0B.φ1ν1+φ2ν2=0C.(ν1/φ1)+(ν2/φ2)=0D.φ1+φ2=0答案:A解析:雙膠合透鏡消色差條件為光焦度與阿貝數(shù)的比值之和為零,即φ1/ν1+φ2/ν2=0,其中φ1、φ2為兩透鏡的光焦度,ν1、ν2為阿貝數(shù)。5.以下哪種光學元件對初級球差的校正能力最強?A.平凸透鏡(凸面朝向物方)B.雙凸透鏡C.非球面透鏡D.彎月形透鏡答案:C解析:非球面通過引入高次項可有效校正球差,而球面透鏡僅能通過彎曲表面或組合校正初級球差,無法消除高級球差。6.在Zemax軟件中,評價函數(shù)(MeritFunction)中“RMSWavefront”操作數(shù)表示?A.均方根波像差B.均方根光斑半徑C.最大波像差D.斯特列爾比答案:A解析:RMSWavefront(RMSWFE)用于計算波前的均方根誤差,是評價光學系統(tǒng)像質(zhì)的重要指標,值越小像質(zhì)越好。7.某系統(tǒng)工作波長為550nm,根據(jù)瑞利判據(jù),其允許的最大波像差為?A.λ/4B.λ/2C.λ/8D.λ/10答案:A解析:瑞利判據(jù)規(guī)定,當波像差的峰谷值不超過λ/4時,系統(tǒng)可視為理想成像。8.光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(MTF)反映了系統(tǒng)對不同空間頻率的?A.能量傳遞能力B.相位畸變程度C.色差校正水平D.雜散光抑制能力答案:A解析:MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))描述系統(tǒng)對不同空間頻率正弦條紋的對比度傳遞能力,是評價像質(zhì)的客觀指標。9.為減小紅外光學系統(tǒng)的熱像差,通常優(yōu)先選擇以下哪種材料?A.熔石英(SiO?)B.鍺(Ge)C.氟化鈣(CaF?)D.光學塑料(PMMA)答案:B解析:鍺的折射率溫度系數(shù)較低(dn/dT≈4×10??/℃),且在中波紅外(3-5μm)和長波紅外(8-12μm)波段透過率高,適合熱穩(wěn)定設(shè)計。10.自由曲面(FreeformSurface)在光學設(shè)計中的主要優(yōu)勢是?A.降低加工難度B.減少元件數(shù)量C.簡化裝調(diào)流程D.提高耐溫性能答案:B解析:自由曲面具有更多設(shè)計自由度,可通過單個元件實現(xiàn)傳統(tǒng)多個球面元件的像差校正功能,從而減少系統(tǒng)元件數(shù)量。二、填空題(每空2分,共20分)1.光學系統(tǒng)的分辨率通常用________表示,其單位為lp/mm(線對每毫米)。答案:極限分辨率2.初級球差的表達式為δL'_sph=-(h?)/(8n'u'2)·[A],其中h為入射高度,n'、u'為像方折射率和孔徑角,[A]稱為________。答案:球差系數(shù)3.色差分為________和倍率色差(橫向色差),前者由不同波長的焦距差異引起。答案:位置色差(軸向色差)4.在光學材料手冊中,“nd=1.5168,νd=64.1”表示該玻璃對鈉D線的折射率為1.5168,其阿貝數(shù)為________。答案:64.15.為避免光學表面的反射損失,通常需鍍增透膜,單層增透膜的光學厚度應(yīng)為________(λ為中心波長)。答案:λ/46.光學系統(tǒng)的景深與光圈數(shù)成________比,與焦距成反比。答案:正7.在Zemax中,“Paraxial”模式用于計算系統(tǒng)的________參數(shù)(如焦距、主面位置等)。答案:近軸8.離軸三反系統(tǒng)(TMA)通常由主鏡、次鏡和________組成,可消除中心遮攔。答案:三鏡9.液晶透鏡(LiquidCrystalLens)通過________調(diào)控折射率分布,實現(xiàn)變焦功能。答案:電壓10.光學公差分析中,“面形誤差”常用________(RMS)或峰谷值(PV)表征,單位為波長(λ)。答案:均方根值三、簡答題(每題8分,共40分)1.簡述雙高斯物鏡的結(jié)構(gòu)特點及其校正像差的原理。答案:雙高斯物鏡是經(jīng)典的大孔徑攝影物鏡,結(jié)構(gòu)上由兩個對稱的“彎月形透鏡+雙膠合透鏡”組構(gòu)成,中間為光闌。其校正像差的原理包括:(1)對稱結(jié)構(gòu)消除畸變、倍率色差等對稱像差;(2)雙膠合組校正軸向色差和球差;(3)彎月形透鏡的彎曲優(yōu)化彗差和像散;(4)大孔徑下通過非對稱調(diào)整(如引入非球面)進一步校正高級像差。2.說明光學設(shè)計中“像差平衡”的含義,并舉例說明其應(yīng)用。答案:像差平衡指通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)(如表面曲率、厚度、材料等),使不同像差的影響相互抵消或最小化,而非完全消除單一像差。例如,在設(shè)計雙膠合透鏡時,若僅追求完全校正球差,可能導(dǎo)致彗差增大;通過平衡球差和彗差的殘余量,可使系統(tǒng)整體像質(zhì)更優(yōu)。3.對比球面透鏡與非球面透鏡在加工和設(shè)計中的優(yōu)缺點。答案:球面透鏡加工成本低(可通過傳統(tǒng)車削、拋光實現(xiàn)),但設(shè)計自由度有限,需多片組合校正像差;非球面透鏡設(shè)計自由度高(可引入高次項),能有效減少元件數(shù)量,但加工難度大(需超精密加工或模壓),檢測成本高(需干涉儀或輪廓儀)。4.解釋“斯特列爾比(StrehlRatio)”的定義及其在像質(zhì)評價中的意義。答案:斯特列爾比指實際系統(tǒng)在像點的光強與理想系統(tǒng)(無像差)在像點光強的比值,取值范圍0-1。當斯特列爾比≥0.8時,系統(tǒng)接近衍射極限,是判斷系統(tǒng)是否滿足“良好像質(zhì)”的重要指標,比MTF更直接反映像點能量集中度。5.簡述光學系統(tǒng)公差分析的主要步驟及常用方法。答案:主要步驟:(1)確定關(guān)鍵公差參數(shù)(如表面曲率、厚度、偏心、傾斜等);(2)設(shè)定公差范圍(根據(jù)加工能力);(3)通過蒙特卡洛模擬或靈敏度分析計算公差對像質(zhì)的影響;(4)調(diào)整公差分配,平衡加工成本與像質(zhì)要求。常用方法包括:(1)局部靈敏度分析(計算單個公差變化對像質(zhì)的影響);(2)蒙特卡洛法(隨機生成公差偏差,統(tǒng)計像質(zhì)分布);(3)均方根(RMS)合成法(基于誤差獨立假設(shè),計算總誤差)。四、設(shè)計題(20分)設(shè)計一個工作在可見光波段(486nm-656nm)的雙膠合消色差透鏡,要求:(1)系統(tǒng)焦距f'=100mm;(2)校正位置色差(軸向色差);(3)選擇常用光學玻璃(參考玻璃目錄:BK7,nd=1.5168,νd=64.1;SF2,nd=1.6475,νd=33.8;K9,nd=1.5163,νd=64.0;ZF1,nd=1.6475,νd=33.8)。請完成以下計算:(1)確定兩透鏡的光焦度φ1、φ2(單位:mm?1);(2)驗證所選玻璃組合是否滿足消色差條件;(3)若第一透鏡為正透鏡,第二透鏡為負透鏡,推導(dǎo)其光焦度分配公式。答案:(1)雙膠合透鏡總光焦度φ=1/f'=1/100=0.01mm?1。消色差條件為φ1/ν1+φ2/ν2=0,且φ1+φ2=φ=0.01mm?1。設(shè)第一透鏡為正透鏡(φ1>0),第二透鏡為負透鏡(φ2<0),選擇BK7(ν1=64.1)和SF2(ν2=33.8)組合。聯(lián)立方程:φ1/64.1+φ2/33.8=0φ1+φ2=0.01解得:φ2=-(33.8/64.1)φ1代入總光焦度方程:φ1-(33.8/64.1)φ1=0.01→φ1=0.01×(64.1)/(64.1-33.8)=0.01×64.1/30.3≈0.02115mm?1φ2=0.01-0.02115≈-0.01115mm?1(2)驗證消色差條件:φ1/ν1+φ2/ν2=0.02115/64.1+(-0.01115)/33.8≈0.000330+(-0.000330)=0,滿足條件。(3)光焦度分配公式推導(dǎo):總光焦度φ=φ1+φ2消色差條件φ1/ν1+φ2/ν2=0→φ2=-(ν2/ν1)φ1代入總光焦度得:φ=φ1-(ν2/ν1)φ1=φ1(1-ν2/ν1)因此,φ1=φ×ν1/(ν1-ν2)φ2=-φ×ν2/(ν1-ν2)五、綜合分析題(30分)某手機鏡頭(5片式,包含1片非球面塑料透鏡)在高溫(60℃)環(huán)境下出現(xiàn)像質(zhì)下降,表現(xiàn)為中心視場光斑變大、邊緣視場畸變增加。請結(jié)合光學設(shè)計知識,分析可能的原因及改進措施。答案:可能原因分析:1.材料熱膨脹引起的面形變化:塑料透鏡(如PMMA)的熱膨脹系數(shù)(CTE≈70×10??/℃)遠高于玻璃(≈8×10??/℃),高溫下鏡片厚度、曲率半徑變化,導(dǎo)致光焦度偏移,中心視場球差增大,光斑變大。2.折射率溫度系數(shù)(dn/dT)的影響:塑料的dn/dT(≈-1×10??/℃)為負且絕對值大,高溫下折射率降低,等效光焦度減小,系統(tǒng)總焦距變化,引發(fā)離焦;同時,不同波長的dn/dT差異可能加劇色差,進一步惡化像質(zhì)。3.機械結(jié)構(gòu)熱變形:鏡筒(通常為鋁合金,CTE≈23×10??/℃)與透鏡的熱膨脹不匹配,導(dǎo)致鏡片偏心或傾斜,邊緣視場因離軸像差(如畸變、像散)敏感,表現(xiàn)為畸變增加。4.膠合層失效(若有):高溫可能導(dǎo)致膠層軟化,膠合面曲率變化或出現(xiàn)脫膠,影響光線偏折。改進措施:1.材料選擇優(yōu)化:替換部分塑料透鏡為低CTE、低dn/dT的光學塑料(如COC,CTE≈50×10??/℃,dn/dT≈-5×10??/℃)或混合玻璃-塑料結(jié)構(gòu),減少熱敏感元件數(shù)量。2.熱補償設(shè)計:通過光學-機械協(xié)同設(shè)計(Opto-MechanicalDesign),利用鏡筒材料與透鏡的CTE差異,設(shè)計被動熱補償結(jié)構(gòu)(如雙金屬片),抵消鏡片膨脹引起的光焦度變化。3.公差加強:在公差分析中增加溫度敏感參數(shù)(如鏡片厚度、曲率半徑的溫

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評論

0/150

提交評論