光学设计工程师考试试卷及答案

光学设计工程师考试试卷及答案一、填空题（共10题，每题1分）1.高斯光学中，物距\(u\)、像距\(v\)、焦距\(f\)的关系公式为________。2.不同波长光线折射能力差异导致的像差称为________像差。3.空气中数值孔径\(NA\)的计算公式为________（\(n\)为物方折射率，\(\theta\)为半孔径角）。4.透镜\(F\)数等于焦距\(f\)与________的比值。5.波像差的常用单位是________（波长）。6.评价光学系统空间频率传递能力的指标是________。7.消色差双胶合透镜需满足：总光焦度为正，且两透镜________之和为零。8.单透镜无法校正的主要色差是________色差。9.光学材料折射率随波长变化的现象称为________。10.光学系统分辨率常用单位是________（线对/毫米）。二、单项选择题（共10题，每题2分）1.焦距100mm、入瞳直径20mm的透镜，\(F\)数为（）A.5B.10C.20D.502.属于单色像差的是（）A.球差B.轴向色差C.倍率色差D.全部3.消色差双胶合透镜常用材料组合是（）A.冕牌+火石B.冕牌+冕牌C.火石+火石D.塑料+玻璃4.MTF曲线中，极限分辨率对应MTF值为（）A.0.1B.0.3C.0.5D.1.05.放大率\(\beta<0\)表示（）A.物像同方向B.物像反方向C.虚像D.实像6.色散最大的材料是（）A.冕牌玻璃B.火石玻璃C.石英D.塑料7.ZEMAX中分析像差的模块是（）A.SystemExplorerB.AberrationAnalysisC.SurfaceDataEditorD.LensSystemTool8.菲涅尔透镜的核心优势是（）A.无像差B.厚度薄C.焦距固定D.折射率高9.分辨率公式\(N=1/(2a)\)中，\(a\)表示（）A.最小分辨距离B.入瞳直径C.焦距D.波长10.像面照度与\(F\)数的关系是（）A.成正比B.成反比C.与\(F^2\)成正比D.与\(F^2\)成反比三、多项选择题（共10题，每题2分）1.单色像差包括（）A.球差B.彗差C.像散D.场曲E.畸变2.消色差方法有（）A.双胶合透镜B.双分离透镜C.非球面D.衍射光学元件E.滤光片3.光学系统基本组成含（）A.透镜B.反射镜C.光阑D.探测器E.光源4.MTF的应用场景（）A.镜头评价B.系统匹配C.公差分析D.分辨率计算E.像差校正5.光学材料关键参数（）A.折射率B.阿贝数C.色散D.透过率E.密度6.ZEMAX核心模块（）A.序列模式B.非序列模式C.公差分析D.优化E.照明分析7.非球面透镜优势（）A.校正多像差B.减少透镜数C.体积小D.重量轻E.成本低8.衍射光学元件（DOE）特点（）A.色散可控B.厚度薄C.特殊光场D.效率高E.无像差9.手机镜头重点校正像差（）A.球差B.彗差C.场曲D.畸变E.色差10.显微物镜参数（）A.数值孔径B.放大率C.工作距离D.分辨率E.\(F\)数四、判断题（共10题，每题2分）1.高斯光学适用于近轴光线（小角度、近轴物）。（）2.球差与入射光线孔径角无关。（）3.消色差双胶合透镜必须是胶合结构。（）4.MTF=0.1对应系统极限分辨率。（）5.菲涅尔透镜无任何像差。（）6.材料折射率随波长增大而减小。（）7.波像差为0时系统达衍射极限。（）8.ZEMAX仅能设计镜头，不能设计照明系统。（）9.单透镜无法校正轴向和倍率色差。（）10.像面照度与入瞳面积成正比，与\(F^2\)成反比。（）五、简答题（共4题，每题5分）1.简述高斯光学物像关系公式及适用条件答案：高斯公式为\(\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}\)（符号规则：实物\(u>0\)，实像\(v>0\)，凸透镜\(f>0\)）。适用条件：光线与光轴夹角极小（近轴）、物距近轴（物在光轴附近小范围），忽略像差，仅反映理想成像规律。2.像差分哪两类？各含哪些主要像差？答案：像差分单色像差和色差。单色像差（单一波长）：球差、彗差、像散、场曲、畸变；色差（不同波长）：轴向色差（沿轴焦点偏移）、倍率色差（像高差异）。3.消色差双胶合透镜设计原理答案：由冕牌（低色散，高阿贝数\(\nu\)）和火石（高色散，低\(\nu\)）玻璃胶合。需满足：①总光焦度\(\Phi=\Phi_1+\Phi_2\)（正）；②色散和为零\(\frac{\Phi_1}{\nu_1}+\frac{\Phi_2}{\nu_2}=0\)，使不同波长光线焦点重合，消除轴向色差。4.MTF在光学系统评价中的作用答案：MTF描述系统对空间频率的传递能力（0-1）。作用：①定量评价像质（曲线越高、截止频率越高像质越好）；②探测器匹配；③公差分析；④设计优化（指导像差校正）；⑤方案对比。六、讨论题（共2题，每题5分）1.手机镜头需重点考虑的像差及校正方法答案：手机镜头需小型化、高分辨率，重点像差：①球差：用非球面透镜（减少数量，校正大孔径球差）；②彗差：优化曲率和光阑位置；③场曲：非球面/多组元平衡；④畸变：负畸变透镜组校正（如广角桶形畸变）；⑤色差：双胶合/双分离消轴向色差，低色散材料校正倍率色差。此外兼顾边缘MTF和体积，常用塑料非球面降低成本。2.衍射光学元件（DOE）的优势与局限性答案：优势：①色散可控（反常色散，消色差）；②体积薄、重量轻（适合小型系统）；③多功能（聚焦、分束、特殊光场）；④设计灵活（相位调制）。局限性：①效率受波长/入射角影响（多级衍射损失能量）；②宽光谱性能下降；③加工难度大（亚微米结构，成本高）；④大角度入射产生额外像差（限制视场）。答案部分一、填空题答案1.\(\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}\)2.色3.\(NA=n\sin\theta\)4.入瞳直径\(D\)5.波长\(\lambda\)6.MTF（调制传递函数）7.色散（阿贝数倒数）8.轴向9.色散10.线对/毫米（lp/mm）二、单项选择题答案1.A2.A