光学课程设计

光学课程设计——望远镜系统结构设计学校：班级：光姓名目录第一光学系统的应用在现代科学技术中，以典型精密透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部件的大口径光电系统的应用越来越广泛。

如天文、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等。

尤其是在光电测试技术中，大量的运用了光学器件，例如激光干涉侧长仪，其工作原理图如下：图表1激光干涉仪测长原理第二设计的概要我们知道，一个光学系统的设计大致分为两个部分：第一是根据技术要求（如光学性能、外形、重量及有关技术条件）拟定光学系统原理图，并确定系统中个透镜组的焦距，各光学部件和零件的尺寸，相互之间的间隔等，我们称之为初步设计，亦即外形尺寸计算。

在此基础上，第二是进行像差设计，通过大量的光线追迹和人工或利用程序对结构参数的修改确定保证成像质量优良的各种透镜的半径r、厚度和间隔d以及透镜的材料等。

1.1 设计的名称：望远镜系统结构设计1.2 设计的目的运用应用光学知识，在了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。

了解光学设计中的PW法基本原理。

1.3设计的意义通过这次课程设计，我懂得了要理论联系实际，只有理论知识是远远不够的，要把已学的理论知识与实际结合起来，从中得出结论，才是真正的知识，这才有利于提高自己的动手能力和独立思考能力。

在设计过程中遇到了许许多多的问题，同时也发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不深刻，掌握的不够牢固，通过这次设计，使得我对以前的知识能够重新温故，巩固了所学的知识。

同时，也培养了自己查阅资料文献的能力。

第二望远镜外形尺寸设计2.1望远镜的基本原理光学望远镜是用来观察无限远物体的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中，它能够把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼观察的物体变得清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观察中不可缺少的仪器。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行出射的光学系统。

其系统由物镜和目镜两组构成，物镜的像方焦平面应与目镜的物方焦平面重合，且物镜焦距在数值上应大于目镜焦距。

这样，就把无限远物成像在无限远处，并扩大了视角。

因此，可以认为望远镜是一个将无限远目标成像在无限远的无焦系统。

2.2 望远镜的分类1 、折射望远镜折射式望远镜，是用透镜作物镜的望远镜。

分为两种类型：由凹透镜作目镜的称伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。

因单透镜物镜色差和球差都相当严重，现代的折射望远镜常用两块或两块以上的透镜组作物镜。

其中以双透镜物镜应用最普遍。

2 、反射望远镜它是用凹面反射镜作物镜的望远镜。

可分牛顿望远镜，卡塞格林望远镜等几种类型。

反射望远镜的主要优点是不存在色差，当物镜采用抛物面时，还可消去球差。

但为了减小其它像差的影响，可用视场较小。

3、折反射望远镜它是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。

比较著名的有施密特望远镜和马克苏托夫望远镜。

2.3 光学系统的放大率望远镜系统的主要特点是对视场角进行放大，下面我们来讨论光学系统的各种放大率：1、垂轴放大率：代表共轭面像高和物高之比。

计算公式为β= y′y2、轴向放大率：当物体沿着光轴移动微小的距离dx时，像平面相应地移动距离dx′,比例dx′/dx称为光学系统的轴向放大率，用α表示。

计算公式为α= dx′dx =− x′x3、角放大率：共轭面上的轴上点A发出的光线通过光学系统后，与光轴的夹角U′的正切和对应的入射光线与光轴所成的夹角U的正切之比。

计算公式为γ=tan U ′tan U 4、视放大率:用望远镜观察时网膜上的像高与人眼直接观察时网膜上的像高之比，表示了该仪器的放大作用，一般Г用表示。

计算公式为Г= tan ω′tan ω 对比角放大率和视放大率，我们可以得出：望远镜系统的视放大率等于角放大率，与共轭面位置无关，只与物镜和目镜焦距的焦距有关。

视放大率Г的意义是如果Г为负，ω′与ω反号，通过望远系统的像是倒立的，例如开普勒望远镜；反之，Г为正，像正立，例如伽利略望远镜。

望远物镜只能是正透镜，否者不能满足扩大视角的要求，所以Г的正负取决于目镜采用正透镜还是负透镜。

2.4 极限分辨角我们把刚能分辨的两物点对眼睛的张角叫做眼睛的视角分辨率，用它来表征人眼的分辨能力。

一般为60″。

而表示观测仪器精度指标的是极限分辨角。

为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨即达到了充分利用望远镜分辨率的目的。

望远镜的视放大率与其最小分辨角∅有如下关系：∅∙Г=60″所以，最小分辨角与视放大率之间成反比关系，或者说望远镜的视放大率越大，它的分辨角就越小即精度越高。

2.5 望远镜参数设计1、已知参数：①物镜与目镜之间的距离L=315mm②望远镜放大镜的倍数Г=20×③物方视场角2ω=3°20′2、求解以下外形尺寸参数：①目镜的视场角2ω′②望远镜的分辨率α③物镜通过光口径（即入瞳直径）D④出瞳直径D 1′⑤物镜焦距f 物′与目镜焦距f 目′ ⑥视场光阑直径D 视⑦目镜口径D 目⑧出瞳距L z ′⑨目镜视度的调节量x3、计算步骤①目镜的视场角2ω′：tan ω′=Г×tan ω=20×tan 1°40′ω′=30°12′2ω′=60°24′②望远镜的分辨率α：由望远镜分辨率与视放大率关系得：α= 60″Г= 60″20=3″③物镜通过光口径（即入瞳直径）D ：物镜的口径取决于分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应， 远镜口径应与放大率满足Г≥D 2.3，为减轻眼睛的负担，可取Г=（0.5~1）D ，及D=（1~2）Г，这里取2，则：D=2Г=40mm④出瞳直径D 1′:Г=D D ′ D ′= D Г=3020 =1.5mm⑤物镜焦距f 物′与目镜焦距f 目′: { L =f 物′−f 目f 物′f 目′=20f 目′=−f 目⟹{f 目′=15mm f 物′=300mm ⑥视场光阑直径D 视：图表2视场光阑根据三角形定则，计算视场角，如上图所示：D 视=2y′= 2∙f物∙tanω=2×300×tan1°40′=17.46mm⑦目镜口径D目:图表3出瞳图R 目=lz′∙tanω′+D1′=15.75×tan30°12′+1.5mm=10.667mmD目=2R目=2×10.667=21.334mm⑧出瞳距L z′:图表 4根据上面的图可以得出以下几个式子：{ tan ω=R L tan ω′=R l z ′Г= tan ω′tan ω⟹l z ′=15.75mm⑨目镜视度的调节量x ：一般要求目视光学仪器的适度调节范围为±5视度。

则根据牛顿公式得x= −f 目′2x ′=−SD f 目′1000=1.125mm通过以上计算我们知道，望远镜的视放大率和仪器的结构尺寸有关系，当物镜的焦距确定时，物镜的焦距随视放大率的增加而变大。

一般望远镜筒长L=f 目′+f 物′,因此，f 物′变大将导致筒长L 增大。

当目镜所要求的出瞳直径确定时，物镜的直径随视放大率的增加而增加。

2.6 典型望远镜系统1 、开普勒望远镜（1）结构：开普勒望远镜的原理是它由两个凸透镜构成。

由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。

但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。

正像系统分为两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。

我们常见的典型的双筒望远镜采用了双直角棱镜正像系统。

这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。

(2)开普勒望远镜的光路示意图：主要名词：①光阑：限制成像光束的圆孔。

②视场光阑：限制成像范围的光阑。

③孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑。

④入瞳：孔径光阑在物空间的共轭像。

⑤出瞳：孔径光阑在系统像空间所成的像。

2 、伽利略望远镜(1)结构：物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。

光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。

伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。

其优点是镜筒短而能成正像，携带方便，但它的视野比较小。

(2)伽利略望远镜的光路示意图：第三物镜组与目镜组的选取望远镜由物镜和目镜组合而成。

对望远镜的光学性能和技术条件的要求，决定了对物镜和目镜的要求。

因此，当我们根据望远镜的要求来拟定光学系统的结构时，就要预先考虑到对物镜和目镜的要求。

现在我们来讨论一些常用的望远镜物镜和目镜的结构型式，作为望远镜设计的参考。

3.1 物镜组的主要参数物镜的光学特性主要有三个：等效焦距f′、相对孔径D和视场角2ω。

f′1、等效焦距f′望远镜物镜的焦距和系统的视放大率有关，由公式得：Г=−f 物′f 目′物镜的焦距是目镜焦距的Г倍，通常首先确定目镜的焦距。

再根据公式求出物镜焦距。

2、相对孔径Df′入瞳直径D和物镜焦距 f物′之比称为物镜的相对孔径。

它代表物镜复杂化的程度。

根据公式得：Г=1β=DD′在望远镜的光学性能中，对仪器的出瞳直径和视放大率提出了一定的要求。

根据上式即可求得入瞳直径。

当f物′和D确定之后，物镜的相对孔径也就确定了。

3、视场角2ω系统所要求的视场，也就是物镜的视场，由公式得：tanω=tanω′Гω′即目镜的视场角。

一般望远镜的视场都不大，通常不超过10°~15°。

由于望远镜物镜视场不大，并且视场边缘的成像质量允许适当的降低，因此只需要校正球差、彗差和轴向色差。

3.2 物镜组的种类及主要的结构与特点1 、望远镜物镜的分类（1）折射式望远镜物镜：双胶物镜、双不胶物镜、双单和单双物镜、三分离物镜和摄远物镜。

（2）反射式望远镜物镜：牛顿系统、格里高里系统、卡塞格林系统。

（3）折反射式望远镜物镜：施米特物镜、马克苏托夫物镜、同心系统。

2 、主要望远镜物镜的结构与特点（1）双胶物镜双胶物镜是一种最常用最简单的望远镜物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成，如图所示。

这种物镜的有点是：结构简单，安装方便，光能损失小，合适的选择玻璃可以校正球差、彗差和轴向色差三种像差，满足望远镜物镜的像差要求。

图表5双胶物镜不同焦距时，双胶物镜可得到满意的成像质量的相对孔径，如下表所示。

由于这种物镜不能校正像散和场曲，所以视场一般不能超过8°~10°。

如果物镜后面有很长光路的棱镜，由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，可以抵消一部分物镜的像散，视场可达到15°~20°。