大口径折反射式变焦距物镜的设计
Zemax光学设计：一个大口径折反式星敏感器光学系统的设计实例
Zemax光学设计：一个大口径折反式星敏感器光学系统的设计实例引言：星敏感器是空间飞行器中广泛使用的一种高精密空间姿态测量仪器，通过探测空间不同位置的恒星来获取空间飞行器的姿态信息。
光学系统是星敏感器的核心部件，其成像质量直接影响着星敏感器的探测能力。
为了提高星敏感器的探测能力，要求其光学系统在具有更宽的谱段范围、更大的入瞳直径的基础上能够尽量减小畸变和色差。
目前星敏感器所使用的光学系统有透射式结构、反射式结构、折反式结构等。
透射式光学系统是最常见的结构形式，但是存在光学系统口径小、较多的光学透镜数量导致二级光谱难以校正、整体质量大幅增加的缺点；反射式光学系统具有系统口径大、光学透镜数量少、无色差的优点，但是其结构中存在光遮拦会造成空间光的能量利用率低、边缘视场的像差校正能力较弱、结构设计难度大等问题。
折反系统采用反射镜和透镜相结合的方式，反射镜不会引起色差，透镜组能够对整个系统的像差进行校正并增大整个光学系统的视场，在整个折反光学系统中，像面的位移不会受到反射镜的影响，当反射镜和支架选择的材料膨胀系数相近时，可以降低整个系统对环境温度的敏感度。
主要设计指标：实例参考：《大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计---李建林》设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“250”；在视场设定对话框中设置5个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，设定0.45～0.95um共6个波长，如下图：查看LDE：R-C系统的主镜和次镜的通光面均为双曲面,可有效校正初级球差和慧差。
在次镜前加入光阑校正球面透镜组可校正系统残余的像散、场曲和畸变。
同时，在次镜与像面之间加入的视场校正球面透镜组用以增大整个光学系统的视场，从而提高光学系统的探测精度和星敏感器的成像质量。
2D Layout：查看点列图：查看畸变：相对畸变越小,越有利于提高星敏感器的测量精度.通过优化设计，全视场范围内的最大相对畸变为 0. 080%,完全满足相对畸变小于0.1%的设计指标。
天文望远镜原理和制作方法
天文望远镜原理和制作方法天文望远镜是一种用于观测天体的仪器，它可以放大天体的图像，使观测者能够更清晰地观察天体。
天文望远镜的原理和制作方法是天文学研究中的重要内容，本文将对此进行详细探讨。
一、天文望远镜的原理天文望远镜的原理是利用透镜或反射镜将光线聚焦到一个点上，形成一个放大的图像。
根据镜头类型的不同，天文望远镜可分为折射式望远镜和反射式望远镜两种。
1. 折射式望远镜折射式望远镜是利用透镜将光线聚焦到一个点上的一种望远镜。
它包括物镜和目镜两个部分，物镜是用于聚集光线的透镜，目镜是用于观察的透镜。
物镜通常是一个大型的凸透镜，目镜是一个小型的凸透镜。
物镜聚焦光线形成实像，目镜再放大这个实像，使其变得更清晰。
2. 反射式望远镜反射式望远镜是利用反射镜将光线聚焦到一个点上的一种望远镜。
它包括主镜和次镜两个部分，主镜是一个大型的凹面镜，用于聚集光线，次镜是一个小型的凸面镜，用于观察。
主镜将光线聚焦在焦点上，次镜再将光线反射到目镜中，形成一个放大的图像。
二、天文望远镜的制作方法天文望远镜的制作方法主要包括以下几个步骤：1. 设计天文望远镜的设计是非常重要的，它需要考虑到望远镜的焦距、口径、放大倍数等因素。
设计完成后，需要进行计算和模拟，确认望远镜的性能。
2. 制作主镜制作主镜是制作反射式望远镜的关键步骤。
主镜需要使用高质量的玻璃和金属，制作过程需要精密的加工和抛光。
主镜的曲率和表面质量对望远镜的性能有重要影响，因此制作主镜需要非常谨慎。
3. 制作次镜和目镜制作次镜和目镜相对来说比较简单，需要使用高质量的透镜材料，通过加工和抛光制作出准确的曲面。
次镜和目镜的质量对望远镜的性能也有重要影响，因此需要严格控制制作过程。
4. 装配将主镜、次镜和目镜装配在一起，需要使用精密的夹具和调节器材，调整各个透镜之间的距离和角度，使其达到最佳的性能状态。
5. 调试制作完成后，需要进行调试，检查望远镜的性能是否符合要求。
需要进行调整和校准，使其能够达到最佳的观测效果。
0.5×～2.5×长工作距离变焦距显微物镜设计
0.5×～2.5×长工作距离变焦距显微物镜设计冯浩男;梅启升;梁秀玲【摘要】根据变焦距理论和显微物镜的特点,利用Zemax设计了一款可连续变倍的显微物镜.该物镜由4组双胶合透镜组构成,结构简单,成像质量良好,变倍范围在0.5×～2.5×之间,最大数值孔径达到0.1,共轭距346 mm,物距76 mm,空间频率65 lp/mm处,全视场内的调制传递函数均大于0.3,适用于可见光光谱,可以与1/2 inch CCD相匹配.通过对所设计的变倍显微物镜进行公差分析,得到一套比较宽松的公差,适合批量生产.设计结果表明,该变倍显微物镜可以满足工业视频检测的要求.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】7页(P40-46)【关键词】光学设计;变焦距显微物镜;机械补偿;公差分析【作者】冯浩男;梅启升;梁秀玲【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室暨福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室暨福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室暨福建省光子技术重点实验室,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN202引言随着现代工业、化工业的发展,新型变倍显微系统在各方面展现出巨大的需求。
变倍显微系统是指焦距在一定范围内连续或者间隔改变而像面保持不动的光学系统,在固定像面上可以获得放大倍率不同的像,从而起到代替多个固定倍率镜头的作用。
变倍显微系统通过变倍物镜把观测物成像在CMOS或CCD靶面上,并将图像显示在显示器中,因不易产生疲劳,适合不间断观察。
由于其放大倍数可变,无需更换镜头就可以满足不同视场的观测要求。
该系统具有直观、真实、方便记录以及观察不同视场不需更换镜头的特点,故其广泛应用于印刷线路板、集成电路、液晶屏的检验,以及其他一些行业,如食品、药物的检验,植物、生物的观察等。
折反式微光夜视物镜的光学设计
对孔 径 １ １ ４ 视 场 １ 。 ／． ， Ｏ 。为增 大视距 ， 小物镜 尺 寸和质 量 ， 减 并且 满足在 宽光谱 范 围消 色差 的要 求， 选择 均 为球 面的折反 式 物镜 结构 ， 相 同焦距 和相 对 孔 径 的 条件 下折 反 式 系统 比折 射 系统 在 尺 寸更 小 ， 量更 轻 。在设 计过 程 中引入 曼金 反射 镜 ， 质 增加 设 计 自由度 。经 优 化 设计 达 到 较 好
ｌ ｈ ｅ ｈ ｎ ｔ ｅｒ ｆ ａ ｔｖ ｅ ｓｗｉｈ ｔ ｅ ｓ ｍｅ ｆ ｃ ＩＩｎ ｔ ｎ — ｕ ｅ ．Ｔｈ ａ ｇ ｎ ｍ ｉｒ ｒｉ ｉ ｔ ｒｔ ａ ｈ ｅ ｒ ｃ ｉ ｅ １ｎ ｔ ｈ ａ ｏ ａ ｅ ｇ ｈ ａ ｄ Ｆ ｎ ｍｂ ｒ ｇ ｅＭ ｎ ｉ ｒ ｏ ｓ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ，ｗｈ ｃ ｉ ｅ ｈ ｐ ｉａ ｙ ｔ ｍ ｘ ｒ ｅ ｒ ｅ ｆ ｆ ｅ ｄ ｍ ｔ ｏ ｔ ｉｈ ｇ ｖ ｓ ｔ ｅ ｏ ｔｃ ｌ ｓ ｓ ｅ ｅ ｔ ａ ｄ ｇ ｅ ｓ ｏ ｒ ｅ ｏ ｗｉ ｕ ｈ
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ｒ ｄ ｃ ｈ ｉｅａ ｄ ｗｅｇ ｔｏ ｈ ｂ ｃｉｅａ ｄｇ ｔａ ｈ ｏ ｔｃｒ ｓ ｌ ｉ ｄ ｐ ｃ ｒｌ ａ ｇ ，ｔ ｅ ｅ ｕ ｅｔ ｅｓｚ ｎ ｉ ｈ ｆｔ ｅｏ ｊ ｔｖ ｎ ｅ ｅ ｒ ｍａｉ ｅ ｕ ｔ ｎ ｗｉｅｓ ｅ ｔａ ｎ ｅ ｈ ｅ ｒ
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天文望远镜的光学原理
天文望远镜的光学原理天文望远镜由物镜和目镜组成，接近景物的凸形透镜或凹形反射镜叫做物镜，靠近眼睛那块叫做目镜。
远景物的光源视作平行光，根据光学原理，平行光经过透镜或球面凹形反射镜便会聚焦在一点上，这就是焦点。
焦点与物镜距离就是焦距。
再利用一块比物镜焦距短的凸透镜或目镜就可以把成像放大，这时观察者觉得远处景物被拉近，看得特别清楚。
O=物镜 E=目镜 f =焦点 fo=物镜焦距 fe=目镜焦距 D=物镜口径 d =斜镜折射镜是由一组透镜组成，反射式则包括一块镀了反光金属面的凹形球面镜和把光源作 90 度反射的平面镜。
两者的吸光率大致相同。
折射和反射镜各有优点，现分別讨论：折射望远镜的优点1.影像稳定折射式望远镜镜筒密封，避免了空气对流现象。
2.彗像差矫正利用不同的透镜组合来矫正彗像差(Coma)。
3.保养主镜密封，不会被污垢空气侵蚀，基本上不用保养。
折射望远镜的缺点 1.色差不同波长光波成像在焦点附近，所以望远镜出现彩色光环围绕成像。
矫正色差时要增加一块不同折射率的透镜，但矫正大口径镜就不容易了。
2.镜筒长。
为了消除色差，设计望远镜时就要把焦距尽量增长，约主镜口径的十五倍，以六吋口径计算，便是七呎半长，而且用起来又不方便，业余制镜者要造一座这样长而稳定度高的脚架很是困难的一回事。
3.价钱贵光线要穿过透镜关系，所以要采用清晰度高，质地优良的玻璃，这样价钱就贵许多。
全部完成后的价钱也比同一口径的反射镜贵数倍至十数倍！反射望远镜的优点1.消色差。
任何可见光均聚焦于一点。
2.镜筒短通常镜筒长度只有主镜直径八倍，所以比折射镜筒约短两倍。
短的镜筒操作力便，又容易制造稳定性高的脚架。
3.价钱便宜光线只在主镜表面反射，制镜者可以购买较经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部份。
反射望远镜的缺点1.遮光。
对角镜放置在主镜前，把部份入射光线遮掉，而对角镜支架又产生绕射，三支架或四支架的便形成六条或四条由光星发射出来的光线。
可以利用焦比八至十的设计减低遮光率。
望远镜的发展简史
天文望远镜是观测天体的重要手段，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。
随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。
从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生的三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具，下面就对光学望远镜的发展作一个简单的介绍。
折射式望远镜：1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，他制造了人类历史第一架望远镜。
1609年，伽利略制作了一架口径4。
2厘米，长约1。
2米的望远镜。
他是用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜，这种光学系统称为伽利略式望远镜。
伽利略用这架望远镜指向天空，得到了一系列的重要发现，天文学从此进入了望远镜时代。
1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。
现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式，天文望远镜是采用开普勒式。
需要指出的是，由于当时的望远镜采用单个透镜作为物镜，存在严重的色差，为了获得好的观测效果，需要用曲率非常小的透镜，这势必会造成镜身的加长。
所以在很长的一段时间内，天文学家一直在梦想制作更长的望远镜，许多尝试均以失败告终。
1757年，杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。
从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。
但是，由于技术方面的限制，很难铸造较大的火石玻璃，在消色差望远镜的初期，最多只能磨制出10厘米的透镜。
十九世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射望远镜成为可能，随之就出现了一个制造大口径折射望远镜的高潮。
世界上现有的8架70厘米以上的折射望远镜有7架是在1885年到1897年期间建成的，其中最有代表性的是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜和1886年建成的口径91厘米的里克望远镜。
大口径折反射式变焦距物镜的设计
ｕ ｅ ｏ ｖ ｒｅｚ ｏ ｏ ｊ ｃｉｅ ｓ ｄ ａｃ ｎ ｅ ｓ ｏ ｍ ｂｅ ｔｖ ．Ｔｈ ｗｏ ｓ ｇ ｎ ｓｗｅｅ ａ ｓ ｍｂｅ ｔｔ ｅｆｒｔｉ ｇ ｎ ｆｔ ｅ ｏ ｔｃ ｌ ｅｔ ｅ ｍｅ ｔ ｒ ｓ ｅ ｌｄ ａ ｈ ｉｓ ｍａ ｉｇ ｏ ｈ ｐ ｉａ
的 结 构 来 满 足 大 口径 的要 求 ， 端 光 学 系统 采 用 将 变 焦距 物 镜 倒 接 的 方 式 ， 系 统 的 一 次 像 面 处 进 行 组 合 ， 过 对 后 端 后 在 通
倒 接 变 焦 距 物 镜 的优 化 设 计 来 保 证 系统 的 成 像 质 量 。用 具 体 的 实 例 验 证 说 明 了该 项 设 计 ， 果 表 明 这 种 设 计 方 法 是 可 结 行 的， 系统 结构 简单 紧 凑 ， 决 了大 口径 光 学 系 统 难 以 实 现 连 续 变 焦 的 问题 。 解 关 键 词 ： 焦 距 物 镜 ； 学 系统 ； 口径 ； 像 质 量 变 光 大 成
大 口径 折 反 射 式 变 焦 距 物 镜 的设 计
崔继承
（ 中国科学院 长春光学精密机械 与物理研 究所， 吉林 长春 １０３） ３０３
摘 要 ： 绍 了一 种 大 口径 变 焦 距 物 镜 的设 计 方 法 。该 方 法 将 整 体 光 学 系 统 分 为 前 后 两 个 部 分 ， 端光 学 系 统 采 用 反 射 式 介 前
教您天文望远镜基础知识入门
教您天文望远镜基础知识入门一、望远镜种类（一）折射式望远镜折射式望远镜的构造如下图：折射式望远镜由两个透镜组成：固定在镜筒前端的是物镜（其口径大小直接决定望远镜的性能）；在镜筒尾端可以调换的是目镜。
上图为星特朗AstroMaster系列 90EQ优点：视野较大、星像明亮，使用和维护比较方便，反差及锐利度较同口径的反射镜佳，摄影及高倍行星观测，效果都相当不错。
缺点：有色像差(色差)问题，会降低分辨率。
（二）反射式望远镜反射式望远镜的构造如下图：上图为牛顿式反射式望远镜。
上图为星特朗AstroMaster系列130EQ优点：无色差、强光力和大视场，非常适合深空天体的目视观测。
缺点：彗差和像散较大，视野边缘像质变差，操作不太容易, 维护相对复杂。
（三）折反射式望远镜折反射式望远镜的构造如下图：上图为星特朗Omni XLT 127综合了折射镜和反射镜的优点：视野大、像质好、镜筒短、携带方便。
有施密特-卡塞格林式和马克苏托夫-卡塞格林2种。
三种类型望远镜优缺点对比：（1）折射式：通常小型（口径80毫米以下）折射望远镜具有便携优势，结构简单可靠性高，可以在旅行时随身携带。
在拍摄要求不高的情况完全可以满足摄影需求，而且与相机连接简单可以作为长焦镜头使用。
（2）反射式：大口径反射虽然不便携，但比其他类型望远镜有很多优势。
首先，造价低廉，很多爱好者可以自己磨制。
其次，大口径成像效果更好，利于高倍观测，而且焦比较小，适合观测和拍摄深空天体。
（3）折反式：折反同时具备折射式望远镜的便携和反射式望远镜的成像优势，但价格较贵。
三种望远镜优缺点对比：折射式优点：结构简单，便携，成像锐度好，缺点：镜筒封闭维护保养容易有色差、球差，口径大的价格相对较贵光学结构：物镜——目镜结构反射式优点：口径大，成像亮度高，无色差，价格相对便宜缺点：不便携，有球差，镜筒开放维护保养相对困难光学结构：反射镜——副镜——目镜结构折反式优点：便携，成像质量较好，镜筒封闭维护保养容易，缺点：口径相对较大结构复杂，在同口径其他类型望远镜中价格最贵光学结构：改正镜——反射镜——副镜——目镜结构二、常见的天文望远镜光学名词口径：指望远镜物镜的有效直径，口径大小直接决定望远镜性能。
折反式大口径三组元红外变焦距系统设计
K)
β22 f′2 f′2 + β2 P (1 -
K) q1 .
(6)
较大 ,且需要一定的光学设计经验 。为此 ,我们利用 (2) 式和 (3) 式为运动光学元件 2 和 3 的运动曲
动态光学理论 ,采用解析法进行了新的设计 。 用动态光学理论分析可知 ,变焦光学系统实际
线的解析表达式 。给定 K ,便可求出 q2 和 q3 。
为了说明问题 ,将设计结果和参考文献[ 9 ]中提 供的四组元红外变焦距光学系统进行了比较 。
2 设计方法
2. 1 曲线拟合法 首先根据实际光学系统的性能指标 ,粗选一个
基本上能达到系统要求的变焦距光学系统模型 ,按 照单调性随机给出 4～15 个点 (移动组元的间隔) , 以保证像面稳定为边界条件 ,优化像质 。然后对这 些点进行曲线拟合 ,取曲线上各点间的中间点进行 光路计算 ,这些中间点像面可能不稳定 ,再利用光学 设计软件逐点进行优化 ,重新进行曲线拟合 。以此 类推 ,逐步进行下去 ,得出三个光学组件的运动轨 迹 ,从而得到凸轮曲线 。以上对每个位置进行优化 的过程充分发挥现有光学设计软件的强大功能 ,通 过编制一个小程序来完成 ,从而节省计算时间和劳 动强度 。在计算过程中 ,可能会由于理想值与初始 值之间偏离很大 ,导致计算的不收敛 ,从而使整个凸 轮曲线中出现断点 ,形成凸轮曲线的跳跃 、不连续 。 对于这种情况 ,是由于系统结构不合理造成的 ,予以 淘汰 。因此在设计过程中 ,要尽量选择比较好优化 的系统结构 。此方法与传统变焦距光学系统设计方 法的最大区别是 ,不需要光学设计人员经过复杂的 公式推导给出运动组元的凸轮曲线 ,而完全是通过 计算程序直接给出凸轮曲线 。
5 78 光 学 学 报 22 卷
折反式微光夜视物镜的光学设计
折反式微光夜视物镜的光学设计陈巍;罗春华;崔占刚;姜成昊【摘要】A design of lowlight-level (LLL) night vision objective with long focal length and high relative aperture is introduced. The design parameters are as follows: the effective focal length is 100mm, the F-number is 1. 4 and the field of view is 10 To improve the visual range, reduce the size and weight of the objective and get achromatic result in wide spectral range, the all-spherical catadioptric structure is selected. Catadioptric system is considerably shorter and lighter than the refractive lens with the same focal length and F-number. The Mangin mirror is introduced into the design, which gives the optical system extra degrees of freedom without adding another element. By optimizing the aberrations, good image quality of the objective is obtained. At the spatial frequency of 50lp/mm, the on-axis modulation transfer function (MTF) of the objective is not less than 0. 4 and the off-axis MTF is not less than 0. 2, which match with the limiting resolution of image intensifier. The distortion of objective is less than 2% in full field of view, and the total length of objective is68mm.%介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计.设计参数为焦距100 mm,相对孔径1/1.4,视场10°.为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻.在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度.经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50 lp/mm时,轴上传递函数大于0.4,轴外传递函数大于0.2,与像增强器极限分辨率相匹配,全视场畸变小于2％,物镜总长达到67 mm.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】4页(P500-503)【关键词】光学设计;微光夜视仪;折反式物镜;曼金反射镜【作者】陈巍;罗春华;崔占刚;姜成昊【作者单位】长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN223引言微光夜视技术工作的核心任务是把夜间微弱光辐射增强至正常视觉所要求的程度。
变焦距物镜光学设计
变焦距物镜光学设计在现代光学领域中，变焦距物镜是一种非常重要的光学元件。
它被广泛应用于相机、望远镜、显微镜等光学仪器中，为用户提供了更加灵活和便捷的观察和拍摄体验。
本文将探讨变焦距物镜的光学设计原理以及其在实际应用中的优势和挑战。
变焦距物镜的光学设计主要涉及到透镜组的构造和调节。
透镜组通常由多个透镜组成，每个透镜的曲率半径、厚度以及相对位置都需要精确控制，以实现不同焦距的调节。
在光学设计中，我们通常使用光学软件来模拟和优化透镜组的性能。
通过不断调整透镜的参数，我们可以实现从广角到望远的焦距调节，满足用户在不同场景下的需求。
变焦距物镜的光学设计过程中，有几个关键的参数需要考虑。
首先是焦距范围，即从最短焦距到最长焦距的变化范围。
这个范围决定了物镜的可调节程度，对于不同的应用场景有不同的要求。
其次是光学性能，包括分辨力、色差、畸变等。
这些参数对于图像的清晰度和色彩还原度有很大影响，需要在设计中保持在合理的范围内。
最后是机械结构和调节机构的设计。
变焦距物镜通常需要通过机械手柄或电子驱动来进行焦距调节，因此需要设计合适的机械结构和精确的调节机构，以确保稳定和可靠的操作。
变焦距物镜在实际应用中具有很多优势。
首先，它提供了更大的拍摄范围。
用户可以通过调节焦距来捕捉远处的景象或近处的细节，极大地增加了摄影的灵活性和创造性。
其次，它可以实现无损变焦。
相比于数字变焦，变焦距物镜通过光学透镜的调节来改变焦距，不会引入任何图像质量损失。
再次，它可以提供更好的光学性能。
变焦距物镜通过多个透镜的组合和调节，可以优化图像的分辨力和色彩还原度，提供更好的拍摄体验。
然而，变焦距物镜的设计也面临一些挑战。
首先是复杂的光学设计和优化。
由于透镜组的复杂性，变焦距物镜的光学设计和优化需要大量的计算和模拟，对设计师的技术要求较高。
其次是成本和体积的限制。
由于透镜组的复杂性和精确性要求，变焦距物镜通常比固定焦距物镜更加昂贵和庞大，对于一些便携性要求较高的设备可能不太适用。
自制天文望远镜的几种方法
自制天文望远镜的几种方法第一种方法:现有以下材料：焦距为120mm，口径为40mm的凸透镜*2焦距为40mm，口径为25mm的凸透镜*2口径为20mm的凹透镜*2如果要倍率尽可能的大，镜片应该怎样搭配？问题补充：谢谢wjj253465799 的帮忙，不过我没说清楚，*2是指2个，也就是说口径为40凸镜的有2个，口径为25的凸镜有2个，凹镜也有2个最佳答案:用焦距为120mm，口径为40mm的凸透镜*2 做物镜口径为20mm的凹透镜*2做目镜焦距为40mm，口径为25mm的凸透镜*2 放在最后做增倍镜第二种方法:2）制作方法a）选择物镜和目镜。
买来的物镜测定焦距，把物镜对着太阳，在镜片的另一侧放张白纸板，前后移动白纸板，使太阳在白纸板上成像清晰。
用直尺量出镜片到白纸板的距离，这个距离就是镜片的焦距，为17.8厘米。
目镜的焦距已测得，是2厘米。
b）设计镜筒。
为了便于调节焦距，以适应视力不同的人观测，整个镜筒做成两节，一节是物镜镜筒，一节是目镜镜筒。
它们都用黄纸板（马粪纸）制作。
物镜镜筒的直径约等于物镜的直径，物镜镜筒的长度约等于物镜的焦距。
目精镜筒的直径约等于目镜的直径，目镜镜筒的长度比目镜焦距长50~80毫米。
目镜镜筒的外径等于物镜镜筒的内径，使得目镜镜筒既能插入物镜镜筒，又能贴得比较紧，便于前后调节焦距。
c）物镜镜筒的制作。
先找一根长度稍长于物镜焦距、直径约等于物镜直径的圆管做芯柱。
物镜镜筒用黄板纸条卷绕两三层制作。
先把黄板纸切成70~80毫米宽的纸条。
其中准备做第一层的黄板纸条，一面涂上墨，等墨干透后就可以卷镜筒了。
注意墨面朝里，以消除杂散光。
在芯柱上卷绕黄板纸条的时候，纸条一圈紧挨一圈，不能有间隙，也不能重叠。
在镜筒的两端和纸条的接头处，要用涂有浆糊或胶水的牛皮纸固定好。
第一层卷好后，在第一层外面涂上浆糊或胶水，然后卷绕第二层。
为了粘得更牢，第二层的黄板纸条里面也涂上浆糊或胶水。
第二层的卷绕方向和第一层相反。
自己制作的80900折射天文望远镜
自己制作的80900折射天文望远镜具体制作方法在下面有具体介绍.
天文望远镜的制作方法：
一、材料：如下图所标
1、哈勃的80900折射物镜，带塑料普座；
2、外径75mm的PVC管；
3、75PVC管的抱箍，一对；
4、75PVC管的直连套管；
5、去掉物镜的凤凰70300望远镜，带调焦座；
6、一个凤凰最便宜的天顶镜，25.4转31.7；
7、PL目镜；
8、用一般的铁片做的鸠尾板，连接三脚架；
9、伟峰3750三脚架；
10、厚双面胶。
二、制作过程：
1、因为PVC管只有75mm，而物镜座套管内径90mm所以，用厚双面胶绑在PVC管前面，再套上物镜，就是上面材料部分的1和10处；
2、凤凰70300的望远镜外径刚好也是75，所以用75PVC的直连管将凤凰70300和75PVC管直接套上，后面在接入天顶镜和目镜，就是上图的4、5、6、7部分；
3、将2个抱箍装到主镜筒上，定好位置，下面装上铁片做的鸠尾板，再装到三脚架的云台上，上图的2、3、8、9部分；
这样，一个80900的天文望远镜简单的制作就完成了。
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第16卷 第11期2008年11月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.16 No.11 Nov.2008 收稿日期:2008207222;修订日期:2008209225. 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重大项目(No.2006BA K03A02)文章编号 10042924X (2008)1122087205大口径折反射式变焦距物镜的设计崔继承(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033)摘要:介绍了一种大口径变焦距物镜的设计方法。
该方法将整体光学系统分为前后两个部分,前端光学系统采用反射式的结构来满足大口径的要求,后端光学系统采用将变焦距物镜倒接的方式,在系统的一次像面处进行组合,通过对后端倒接变焦距物镜的优化设计来保证系统的成像质量。
用具体的实例验证说明了该项设计,结果表明这种设计方法是可行的,系统结构简单紧凑,解决了大口径光学系统难以实现连续变焦的问题。
关 键 词:变焦距物镜;光学系统;大口径;成像质量中图分类号:T H703 文献标识码:ADesign of large aperture refractive 2reflective zoom lensCU I Ji 2cheng(Changchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne Mechanics and Physics ,Chi neseA cadem y of S ciences ,Chan gchun 130033,Chi na )Abstract :An optical design met hod for large apert ure zoo m optical system was introduced.The opti 2cal system was divided into two segment s called front optical system and back optical system.The f ront optical system used a reflective system to meet t he request of large apert ure and t he ot her one used a converse zoom objective.The two segment s were assembled at t he first imaging of t he optical system to ensure t he imaging quality of t he optical system t hrough optimizing t he converse zoom ob 2jective of back optical system.This met hod is proved feasible f rom a design example ,it also shows t hat designed system is simple and compact and easy to f ucus for zoom lens wit h large apert ure.K ey w ords :zoo m lens ;optical system ;large apert ure ;imaging quality1 引 言 随着现代观察和测量技术手段的不断提高,越来越多的情况下需要对远距离的目标进行观察和监视。
由于要对远距离的物体清晰成像,所以对观察用光学系统的要求也随之提高。
能实现远距离观察和测量的大口径光学系统越来越多地应用在地面观察测量系统中。
为了满足对远距离目标同时发现和识别的要求,本文将变焦距镜头的设计思想结合到大口径光学系统中,使大口径的光学系统在保证成像质量的同时又能实现光学系统焦距的连续变化。
2 光学系统的设计思想 变焦距镜头是一种焦距(或倍率)可以连续变化而像面位置保持相对稳定的镜头[122]。
光学系统的放大率β与焦距f′有如下关系:β=f′x,(1)式中:f′为光学系统的后焦距;x为光学系统前焦点到物面的距离。
放大率的变化为:dββ=d f′f′-d xx.(2)从式(2)可知,如果光学系统的焦距不变,要想在画面上得到不同倍率的像,必须改变被摄体到前焦点的距离x,而在被摄体的距离不变时,光学系统放大率的连续变化,就取决于焦距的连续变化[3]。
对远距离物体成像时,为了使到达接收器的能量高于接收器响应值,可根据式(3)增大光学系统的通光口径。
E′=14πBτ(D/f)2,(3)式中:E′———像面照度;B———物体光亮度;τ———物镜的透过率。
因此,大口径的光学系统往往采用卡塞格林式或牛顿式的结构。
大口径变焦距物镜就是在这种结构基础上结合变焦距物镜设计的。
这种光学系统为了减小后端变焦距设计的难度通常都有一次像面,在一次像面的后端接变焦距结构。
由于变焦距物镜的设计是以远距离物体为目标进行的,可近似地看成平行光入射,在焦距变化的过程中像面保持不变,因此,将变焦距结构应用到大口径光学系统时,如果采用传统的对接方式(变倍组在前大于补偿组在后)就相当于对有限远的目标进行连续变焦,使得后端变焦距系统的结构复杂,如果将传统的变焦距结构颠倒(补偿组在前大于变倍组在后)与前端大口径光学系统产生的一次像面进行对接,即将一次像作为后端变焦距系统的成像面,在变焦距物镜的出射处形成平行光,再组合上一组正光焦度的透镜形成最终的像面。
这样的设计思想便于后端变焦距物镜的设计,使得整体光学系统结构简单紧凑,便于装调。
3 光学系统的设计过程 为了进一步地说明大口径变焦距物镜的设计思想,以一个实例来进行具体阐述。
以一款像元数为1400×1400,像素大小为7.5μm的高清晰度CCD作为接收器件,光学系统的焦距定为f′=2000～6000mm,可以进行连续变焦。
3.1 光学系统指标的确定在已知接收器的尺寸和光学系统焦距的前提下,取探测器的对角线视场作为系统的视场,得到系统的视场角在焦距为f′=2000～6000mm 时,2ω=2×0.2117°～2×0.0706°,系统的入射口径为Φ600mm,系统相对孔径的选择以CCD 接收器靶面灵敏度为确定标准,取:D/f′= 1∶3.33～1∶10,参考波长取CCD探测波长的应用范围λ=486.13～525.17～620nm,系统的变倍比为3倍。
3.2 前端大口径光学系统的确定考虑实际使用情况及总体尺寸,前端大口径光学系统采用卡塞格林式的结构,如图1所示。
图1 前端光学系统Fig.1 Front optical system前端采用卡塞格林式有以下几种优势:前端光学系统不会带来色差的影响,从而减轻了后端光学系统对于色差及二级光谱校正的压力;前端光学尺寸较小;前端光学系统的球差和场曲较小;由于视场角小,前端光学系统畸变也很小。
这样的一种光学系统可以有效地减小后端变焦距物镜的设计难度,减小后端变焦距系统像差校正的压8802 光学 精密工程 第16卷 力,能够得到较为理想的结果。
前端光学系统焦距的选取原则为:充分考虑前端光学系统的遮拦比值;使前端光学系统紧凑;考虑前端光学系统实际加工的难易程度。
根据以上的要求,前端卡塞格林式光学的焦距选取为f ′=3060mm ,其光学系统像差曲线如图2所示。
图2 前端光学系统像差曲线Fig.2 Imaging aberration curves of f ront optical system3.3 后端变焦距光学系统的确定光学系统的焦距由组成该系统的各组元光焦度及其间隔所决定,而各组元的焦距是不能连续变化的。
因此,光学系统焦距的连续变化,取决于后端各组元透镜间隔的连续变化。
在各组元透镜间隔发生连续变化的同时,系统的像面位置要保持不变[4]。
按照对像面的补偿方式考虑,变焦距镜头目前有两大类型,即光学补偿变焦距镜头和机械补偿变焦距镜头。
光学补偿通过两组或三组透镜做相联的线性移动实现变倍,像面不能完全补偿,只有几个补偿点,避免了凸轮的使用,但结构尺寸较大。
机械补偿通常由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组构成,其中变倍组和补偿组是运动组元。
变倍组做线性运动以实现焦距的连续变化,补偿组做非线性运动以补偿变倍组运动时引起的像面偏离,从而保持变倍过程中的像面稳定。
一般用凸轮实现两运动组元的移动,由于凸轮加工精度不断提高,机械补偿法变焦距镜头已经成为目前应用比较广泛的一种形式[526]。
本实例是采用正组机械补偿的变焦距镜头倒接作为后端光学系统实现焦距的连续变化的。
正常的四组式正组补偿变焦距镜头的结构形式如图3所示。
该结构主要由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组构成。
本实例采用前面所述的倒接式光学系统的设图3 正组补偿结构Fig.3 C onfiguration of positive compensated zoom lens计方法,即后固定组作为前固定组,前固定组为后固定组的方式,这样使后端变焦距光学系统的光拦前置,通过变倍组和补偿组的相关联动实现像面的稳定。
这种结构方式的设置使光学系统得到了简化,结构更加紧凑,能实现较好的成像质量。
3.4 光学系统设计结果根据上述设计思想,设计了光学系统,其结构形式如图4所示。
图4 光学结构图Fig.4 Configuration of zoom optical system后端变焦距光学系统的结构如图5所示。
该光学系统的焦距范围是f ′=2000～6000mm ,在整体像差校正过程中由于焦距较长,因此对系统二级光谱的校正就成为像差校正的主要矛盾,而球差对于系统光学传递函数所带来的影响相对于二级光谱来说比较小,属于次要矛盾,所以在进行像差校正时放开对球差的限制,主要针对9802第11期 崔继承:大口径折反射式变焦距物镜的设计图5 后端变焦距光学系统Fig.5 Back zoom optical system(a )短焦距的像差曲线(a )Imaging aberration curves of short focus(b )中焦距的像差曲线(b )Imaging aberration curves of middlefocus(c )长焦距像差曲线(c )Imaging aberration curves of long focus图6 光学系统的像差曲线Fig.6 Imaging aberrations of opticalsystem(a )短焦距的传递函数曲线(a )M TF curves of shortfocus(b )中焦距的传递函数曲线(b )M TF curves of middlefocus(c )长焦距的传递函数曲线(c )M TF curves of long focus图7 调制传递函数曲线Fig.7 M TF curves系统的二级光谱进行像差校正。