望远物镜设计
大相对孔径的望远物镜的设计
现在要校正六种像差，五个曲率已经不能满足要 求了，需将前面双胶合组的两种玻璃玻璃作为变 量，并继续加入玻璃的边界条件（保证得到的理 想玻璃能找到相近的实际玻璃来替代）。
得到优化后的玻璃参数之后，一般对应的理论玻 璃都不常见，我们设计要考虑实际应用时的因素， 因此可以用实际玻璃来代替理想玻璃，不仅要求 二者折射率阿贝数要接近，还要考虑它们的物理 化学性能，这里我们选择K9和ZF6。 K9： n=1.5，ν=64.1； ZF6： n=1.75，ν=28； 重新进行优化！！
' m 2 m ' m ' m ' FC 2 m
第二阶段像差校正
系统由双胶合组和一个单透镜构成的，单透镜是 无法校正色差和球差，因此系统像差就靠双胶合 组校正。 我们要减小高级像差，就希望单透镜产生的像差 越小越好。一般来说，相同条件下，玻璃的折射 率越高，球差越小；玻璃的色散越小，色差越小。 例如我们把单透镜的K9换作ZK1，同时规整边缘 厚度。重新校正。
我们看高级像差略有减小，但不明显，因此我们 把这个系统作为我们第二阶段像差自动校正的原 始系统。 第二阶段焦距，球差，正弦差和色差仍然加入校 正，只要保证初级像差达到校正的条件下考察高 级像差才有意义，同时可适当增加初级像差的权 因子，以表示初级的重要性。 此外还要加入高级球差和色球差（重点校正）， 高级彗差已达到要求无需加入校正，即权重为0。
Hale Waihona Puke 观察初级像差值由于场曲只和光焦度（焦距）相关，一般不参与 校正。
第一阶段像差校正
变量：该系统共有五个曲率可以作为自变量，要校 正焦距、球差、正弦差和色差完全可以了。 边界条件：由于透镜组的相对孔径增大，正透镜的 边缘厚度很可能在校正过程中变得太小，因此我们 在merit function中加入透镜的边界条件。 活动边缘厚度：为了保证边缘厚度能达到要求，可 将两个正透镜的厚度设为活动边缘厚度
双胶合望远物镜的设计
双胶合望远物镜的设计
1.确定要设计的望远镜的需求和目标。
这包括确定观测目标的类型（是天文观测还是地球观测）、期望的分辨率和光学口径等。
2.确定物镜的基本参数。
物镜的基本参数包括光学口径、焦距和波长范围等。
根据观测需求和目标来确定这些参数，以便在设计过程中进行优化。
3.进行双胶合物镜的初步设计。
双胶合物镜由两个物镜镜头组成，其中一个作为物镜，另一个作为准直镜。
初步设计包括确定物镜和准直镜的曲率半径、厚度、孔径等参数，并进行初步的光学系统分析和优化。
4.进行双胶合物镜的最终设计。
最终设计包括对镜片的形状、曲率、厚度等进行进一步优化，使得物镜和准直镜在光学性能上达到最佳状态。
这一步骤通常需要使用光学设计软件进行模拟和分析。
5.进行光学系统的完整性分析。
完成物镜和准直镜的设计后，需要对整个光学系统进行分析，以确保在不同焦距和观测条件下都能达到预期的性能。
这包括通过使用衍射图像圆点函数来评估系统的分辨率和像差，以及通过光学路径分析来评估系统的定位和稳定性。
6.进行光学系统的组装和调试。
一旦完成了光学系统的设计和分析，就可以进行物镜和准直镜的组装和调试。
这包括对镜片进行抛光和涂镀，以及对光学系统进行调整和校准，以使其达到预期的性能。
以上就是双胶合望远物镜的设计步骤。
双胶合望远物镜的设计是一个复杂和细致的过程，需要充分考虑观测需求和目标，并进行仔细的光学系统分析和优化。
通过合理地设计和调整，双胶合望远物镜可以在天文观测和地球观测中发挥出更好的性能，提供更清晰和准确的图像和数据。
望远物镜设计的特点
l2 f1'
2l2 r1
h2 h1
l2' l2
u2 u2'
r2
1
r1
其中，α表示次镜离第一焦点的距离，也决定了次镜的 遮光比，β表示次镜的放大倍数。主镜的焦距乘以β即为系 统的焦距，或主镜的F数乘以β的绝对值即为系统的F数。
两镜系统的最大优点是主镜的口径可能做得较大，远超 过透镜的极限尺寸，镀反射膜后，使用波段很宽，没有色差， 同时采用非球面后，有较大的消像差的能力。因此，两镜系 统结构比较简单，成像质量优良。但是，两镜系统也有一些 缺点，例如不容易得到较大成像质量优良的视场，次镜会引 起中心遮拦，有时遮拦比还较大，非球面与球面相比制造难 度加大。但现在非球面加工技术越来越成熟，因此在空间光 学系统中，两镜系统仍然是一个很好的选择。
50/ 1 ;150/ 1 ;300/1 ;1000/ 1
f
/
D f
为
34 6
10
望远镜物镜的结构型式
(2)双－单
视场为2ω<5°; 相对孔径 D 为 1 ～ 1 ;
f 3 2
透镜口径D≤100mm
望远镜物镜的结构型式
(3)单-双
视场为2ω<5°;
相对孔径 D 为 1
f 3
～
1 2.5
;
透镜口径D≤100mm
r1=153.1 r2=-112.93 r3=-361.68
6 K9 4 ZF1
r
d
nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
1
0.00
150 1.5163
zemax望远物镜的课程设计
zemax望远物镜的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握zemax软件的基本操作流程，运用其进行望远物镜的设计。
2. 学生能掌握望远物镜的光学原理，包括成像公式、焦距计算、视场角等关键概念。
3. 学生能了解并描述望远物镜在不同应用场景中的性能要求和设计要点。
技能目标：1. 学生能独立使用zemax软件，完成望远物镜的初始设计和优化。
2. 学生能够分析望远物镜的仿真结果，对设计方案进行评价和改进。
3. 学生通过小组合作，能够解决望远物镜设计过程中遇到的问题，提高团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到光学仪器在科学研究和国防建设中的重要性，增强国家意识和社会责任感。
2. 学生在课程学习过程中，培养科学精神，严谨求实，勇于探索未知领域。
3. 学生通过学习望远物镜设计，激发创新思维，提高实践能力，增强自信心。
课程性质：本课程为实践性较强的专业课程，旨在帮助学生将光学理论知识与实际应用相结合，提高学生的实际操作能力和综合运用能力。
学生特点：学生具备一定的光学基础知识，具有较强的学习兴趣和动手能力，但缺乏实际设计经验。
教学要求：教师需结合学生特点，采用讲授、实践、小组讨论等多种教学方法，引导学生掌握望远物镜的设计方法，提高学生的综合能力。
同时，注重过程评价，确保学生达到预期学习成果。
二、教学内容本章节教学内容紧密围绕课程目标，结合教材相关章节，确保教学内容科学性和系统性。
具体安排如下：1. 光学基础知识回顾：引导学生复习光学成像原理、高斯光学等基本概念，为后续望远物镜设计奠定基础。
（对应教材第2章）2. zemax软件操作：详细介绍zemax软件的基本操作流程，包括界面认识、基本命令使用、参数设置等，使学生能够熟练掌握软件操作。
（对应教材第3章）3. 望远物镜设计原理：讲解望远物镜的光学原理，如成像公式、焦距计算、视场角等，并分析其在不同应用场景中的性能要求。
（对应教材第4章）4. 望远物镜设计实践：指导学生运用zemax软件进行望远物镜的初始设计，包括搭建模型、设置参数、仿真分析等，培养学生的实际操作能力。
望远物镜设计
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？ 望远物镜的光学特性有以下两点： 1.1 相对孔径不大在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（'D f 物）和目镜（''D f 目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径'D 和出瞳距离'z l 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径'D 一般为4mm左右，出瞳距离'z l 一般要求20mm 左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f 目一般不能小于25mm ，这样目镜的相对孔径为''41256D f =≈目 所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2 视场较小望远镜的视放大率为'tan tan w wΓ=，目前常用目镜的视场'2w 大多在70︒以下，这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8⨯的望远镜，可得物镜视场2w 为10︒。
通常望远物镜的视场不大于10︒。
像差特性：由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差'm L δ，轴向色差'FC L ∆和边缘孔径的正弦差'm SC 。
而不校正'ts x ，'p x 和'z y δ以及垂轴色差'FC y ∆。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的'm L δ，'FC L ∆，'m SC 常常不是校正到零，而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
内调焦望远物镜的设计
电气工程学院课程设计说明书设计题目：内调焦望远物镜的设计系别：工业自动化仪表年级专业： xx级仪表x班学号： xxxxxxxxxxx学生姓名： xxxxx指导教师：童凯朱丹丹教师职称：副教授讲师电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：光学仪器基础课程设计2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科目录第一章摘要 (4)第二章设计原理 (4)2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算 (4)2.2双胶合物镜 (5)第三章初始结构参数的计算 (6)3.1 结构类型的选择 (6)3.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解 (6)3.3 后镜组的初始参数求解 (8)第四章使用ZEMAX软件优化 (10)第五章总结 (13)参考文献 (14)第一章 摘要本文中介绍了一种内调焦望远物镜的设计。
根据要求的数据求出设计的初始结构参数，焦距mm f 215'=，前镜组相对孔径是1：4.1，后镜组相对孔径为1：3.3.并用ZEMAX 软件仿真，校正球差、慧差和轴向色差。
但是由于误差的绝对存在，使的不可能达到非常理想的地步，只能是误差在允许的范围内。
第二章 设计原理2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算所谓内调焦望远物镜，是指物镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合物镜，利用负镜组对远近不同的物体进行调焦能使想始终位于一个固定的位置上，故把这个起内调焦作用的负镜组称为调焦镜。
由于调焦镜在镜筒内部，调焦时不改变筒长，所以称为内调焦望远镜，与外调焦望远镜相比，它具有筒长短、封密性好的优点，因此广泛用于大地测量仪器中。
负镜组可将主面提前，使筒长显著减小。
其缩小比为 'f L m =()1-1焦距等效距离。
是筒长；式中，'f L 在望远镜做测距用时，测距方程为s c Kl s += ()2-1 式中，s 是被测距离；l 是读轮的读数，一般去K=100；s c 是常数。
用望远镜测距时，用满足准距条件时， 0211='+'+-f f d L δδ 0=s c().20~152mm L+=δδ一般取是前组到转轴的距离，式中，。
光学设计-第15章--望远镜物镜设计
第十五章 望远镜物镜设计望远镜一般由物镜、目镜、棱镜或透镜式转像系统构成。
望远镜物镜的作用是将远方的物体成像在目镜上，经目镜放大后供人眼观察。
如图15－1所示。
图15－1 望远镜系统§1 望远镜物镜的光学特性一 望远镜物镜的光学特性参数望远镜物镜的光学特性由焦距、相对孔径、视场等参数表示。
1 焦距望远镜物镜的焦距／物f 等于目镜焦距／目f 与望远镜倍率的乘积，因而，一般望远镜的倍率越高，物镜的焦距越长。
高倍望远镜物镜焦距可达到一米左右，天文望远镜物镜焦距可达到数米。
望远镜物镜的焦距大多在mm 500~100之间。
2 相对孔径在望远系统中，入射的平行光束经过系统后仍然为平行光束，因此物镜的相对孔径／物f D 与目镜的相对孔径／目f D /是相等的。
目镜的相对孔径主要由出射光瞳直径/D 和出射光瞳距离/p l 决定，目镜的出射光瞳直径一般为mm 4左右，出射光瞳距离/p l 一般要求mm 20。
为保证出射光瞳距离，目镜的焦距／目f 一般大于或等于mm 25，这样，目镜的相对孔径约为71~41。
所以，物镜的相对孔径不大，一般小于51。
但当物镜的焦距很长时，物镜的光瞳口径却可以很大，如天文望远镜中有口径为几米的物镜。
3 视场望远镜物镜的视场ω2与目镜的视场/2ω以及系统的视放大率Γ之间有如下关系：ωωtg tg ⋅Γ=/目镜视场因受结构限制，目前/2ω大多在070以下，这就限制了物镜的视场不会很大，一般在012以下。
二 望远镜物镜像差校正要求由于望远镜物镜的相对孔径和视场都不大，同时允许视场边缘成像质量适当降低，因此它的结构型式比较简单，故望远镜物镜要求主要校正球差、慧差、轴向色差，而不校正对应于像高/y 二次方的各种单色像差（像散、场曲、畸变）和倍率色差。
由于望远镜要与目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以在设计望远镜物镜时，应考虑到它与其他部分之间的像差补偿关系。
在物镜光路中有棱镜的情况下，物镜的像差应当与棱镜的像差互相补偿，即棱镜的像差要靠物镜来补偿，由物镜来校正棱镜的像差。
折射式望远物镜
D2 6m A2 D 2 6 ratio: 1000 10 D A1 D 1 6mm
此 两 照幅 片照 所片 用曝 望光 远时 镜间 的相 口同 径， 大但 两下 倍面 。的
相对口径
D 相对孔径 f物 '
角分辨率
按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平面 上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径） 可表示为
马克苏托夫望远镜 ：
在球面反射镜前面加一个 弯月型透镜，选择合适的 弯月透镜的参数和位置， 可以同时校正球差和彗差。
望远镜特性参数
评价一架望远镜的好坏首先要看望远镜的光学性能，然 后看它的机械性能的指向精度和跟踪精度是否优良。 望远镜的光学性能指标，主要有六个参量: 有效口径 放大率 分辨本领 相对口径(光力) 贯穿本领(极限星等) 视场
根据上述光学特性和像差要求，求解双胶合物镜的 结构参数。
物镜
棱镜
1.求h，hz，J D h 20 2 由于光阑与物镜重合，因此hz 0 h 20 u 0.08 f 250 y f tanw 250 tan 3 13.1 J nuy 1 0.08 13.1 1.05
1897年制造 的1.02米（美国 叶凯士天文台） 的折射镜仍是世 界之最。
反射镜没有色差！
色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因 此具有不同的焦距，而反射镜对不同波长来说反射角是 一致的！
1642-1727
牛顿式望远镜光路示意图
反射式望远镜的例子
反射望远镜
1668年第一架，1672年……
对于目视望远镜,它的极限星等可以经验地用如下公式计算：
m = 6.5 + 5 log D/d +2.5log k 则有, m = 2.1 + 5log D d= 6mm , k= 0.6
卡塞格林望远物镜设计报告
卡塞格林望远物镜设计报告1. 引言卡塞格林望远物镜是一种常用于天文观测的光学系统。
本报告旨在介绍卡塞格林望远物镜的设计原理和关键参数，并给出一个实际设计案例。
2. 设计原理卡塞格林望远物镜是一种反射式望远镜，其基本原理是通过反射光学，将被观测的光线从主镜反射至副镜，再通过副镜反射至焦平面。
主要由主镜和副镜组成。
- 主镜：是卡塞格林望远物镜的核心元件，一般采用抛物面形状，其作用是将光线反射至副镜。
- 副镜：位于主镜焦点处，用于反射光线至焦平面。
副镜一般采用凹球面或椭球面形状。
3. 关键参数卡塞格林望远物镜的性能与以下关键参数密切相关：- 主镜直径：直径越大，光收集能力越强，分辨率越高。
- 主镜焦距：焦距决定物镜的放大倍数和视场大小。
- 副镜曲率半径：副镜曲率半径与主镜焦距、视场大小等参数相互关联。
- 副镜直径：副镜直径要足够大，以保证充分接收主镜反射的光线。
4. 设计案例我们以设计口径为200mm的卡塞格林望远物镜为例进行设计。
4.1 主镜设计根据经验公式，我们选择主镜直径为200mm，焦距为1000mm。
接着，我们根据主镜直径和焦距计算主镜的曲率半径。
根据抛物面公式，我们得到主镜曲率半径为2000mm。
进一步，我们可以绘制光线追迹图，校验主镜的设计是否能将光线反射到副镜。
4.2 副镜设计根据主镜焦距和视场要求，我们选择副镜焦距为200mm。
根据凹球面公式，我们可以计算出副镜的曲率半径为400mm。
我们还需要确定副镜直径，保证副镜能够接收到主镜反射的光线。
根据实际经验，我们可以将副镜直径设定为主镜直径的一半，即100mm。
4.3 光学系统检查在设计完成后，我们需要对整个卡塞格林望远物镜的光学系统进行检查。
可以通过光路追迹和MTF（调制传递函数）等方法，评估物镜的成像能力、分辨率、畸变等性能指标。
5. 结论本报告介绍了卡塞格林望远物镜的设计原理和关键参数，并给出了一个实际的设计案例。
卡塞格林望远物镜以其紧凑、高分辨率的特点，在天文观测领域得到了广泛应用。
望远物镜设计
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？ 望远物镜的光学特性有以下两点： 1.1 相对孔径不大在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（'D f 物）和目镜（''D f 目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径'D 和出瞳距离'z l 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径'D 一般为4mm左右，出瞳距离'z l 一般要求20mm 左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f 目一般不能小于25mm ，这样目镜的相对孔径为''41256D f =≈目 所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2 视场较小望远镜的视放大率为'tan tan w wΓ=，目前常用目镜的视场'2w 大多在70︒以下，这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8⨯的望远镜，可得物镜视场2w 为10︒。
通常望远物镜的视场不大于10︒。
像差特性：由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差'm L δ，轴向色差'FC L ∆和边缘孔径的正弦差'm SC 。
而不校正'ts x ，'p x 和'z y δ以及垂轴色差'FC y ∆。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的'm L δ，'FC L ∆，'m SC 常常不是校正到零，而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
基于卡塞格林系统的望远物镜设计
基于卡塞格林系统的望远物镜设计在望远镜的设计中，物镜是非常重要的一个组成部分。
物镜的设计好坏直接影响到望远镜的成像质量。
而卡塞格林系统是一种常见且广泛应用的望远镜设计系统，由于它能够有效减少色差和减小像差，因此被广泛应用于天文望远镜的设计中。
在进行望远物镜设计时，我们可以借助ZEMAX这个光学设计软件来进行仿真和优化。
下面介绍一下基于卡塞格林系统的望远物镜设计的一般流程。
1.确定设计目标：首先，我们需要明确望远物镜的设计目标，例如视场角、放大倍数、像差控制要求等。
这些目标将指导我们在后续的设计优化中进行权衡。
2.设定初始参数：根据设计目标，我们需要设定一些初始参数，例如物镜焦距、透镜数量、透镜曲率等。
这些参数将作为优化的初始值，通过反复迭代进行微调和优化。
3.光学系统设置：在ZEMAX中，我们可以建立光学系统模型，添加透镜元件，并设置透镜的表面特性和材料属性。
同时，还需要设定入射光源和接收面的位置和特性，以便进行成像仿真。
4.成像分析：通过ZEMAX提供的成像仿真功能，我们可以对光线经过透镜系统后的成像质量进行评估。
这包括检查像差情况、确定像散和色差等指标，以及评估成像质量。
5.优化设计：根据实际仿真结果，我们可以通过调整透镜的参数和几何形状来优化设计。
在ZEMAX中，可以通过参数化的方式对透镜的曲率、厚度等参数进行微调。
通过多次迭代优化，逐步改善成像质量。
6.结果分析：优化设计完成后，我们需要重新进行光学仿真，并对结果进行分析。
这包括观察成像质量是否满足设计要求，如视场平直度、成像质量等。
同时，还要对颜色像差进行分析，确保色差控制得到满足。
7.性能评估：在设计完成后，我们可以通过ZEMAX提供的光学分析工具对望远物镜的性能进行评估。
如成像分辨率、MTF曲线等。
通过这些评估结果，我们可以确定设计的优劣，并进行必要的改进和调整。
总结来说，基于卡塞格林系统的望远物镜设计是一个复杂而繁琐的过程。
ZEMAX作为光学设计软件，提供了强大的工具和功能，可以帮助我们进行光学仿真、优化和结果分析。
大相对孔径的望远物镜的设计
大相对孔径的望远物镜的设计大相对孔径的望远物镜设计是指望远镜物镜的镜片直径与望远镜焦距之比较大的设计。
大相对孔径的望远物镜可以提供更高的光收集能力和更广阔的视场，使得观测目标更加明亮和清晰。
在本文中，我们将探讨大相对孔径望远物镜的设计原理和常见的设计方法。
大相对孔径望远物镜的设计原理主要基于两个因素：光的收集能力和光的分辨能力。
光的收集能力是指物镜能够收集到的入射光的总量，这取决于物镜的直径。
光的分辨能力是指物镜能够分辨出两个非常接近的物体的能力，这取决于物镜的焦距。
为了达到较大的相对孔径，大相对孔径望远物镜通常采用折射式望远镜设计，其中最常见的是折射望远镜和反射望远镜。
折射望远镜是利用透镜来聚集光线的望远镜。
为了增加物镜的直径和焦距，设计师需要选择相应大小的透镜，并将它们组合在一起。
常用的折射望远镜设计方法有两种：单透镜设计和多透镜设计。
单透镜设计是最简单的大相对孔径望远物镜设计方法之一、它使用单个透镜来聚集光线，并产生清晰的图像。
然而，单透镜设计往往存在一些光学缺陷，例如边缘色散和球差，可能会影响成像质量。
多透镜设计是更常见的大相对孔径望远物镜设计方法之一、它使用多个透镜来纠正光学缺陷，并使得成像更加清晰。
多透镜设计可以进一步提高光的收集能力和光的分辨能力。
反射望远镜是利用反射镜来聚集光线的望远镜。
与折射望远镜不同，反射望远镜使用曲面反射镜而非透镜来聚焦光线。
由于曲面反射镜的制造更容易，反射望远镜通常具有较大的相对孔径。
为了设计大相对孔径的反射望远物镜，设计师需要选择合适大小的反射镜，并通过调整镜面的形状和曲率来达到所需的光学效果。
反射望远镜的重要优点是无边缘色散和球差，可以提供更高质量的图像。
综上所述，大相对孔径的望远物镜设计是采用较大的物镜直径和焦距，以提供更高的光收集能力和更广阔的视场的设计。
常用的设计方法包括折射式望远镜设计和反射式望远镜设计。
设计师可以选择单透镜设计或多透镜设计来实现大相对孔径的折射望远物镜，也可以选择适当大小的反射镜来设计大相对孔径的反射望远物镜。
反射式望远物镜课程设计
反射式望远物镜课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解反射式望远物镜的基本结构和工作原理；2. 学生能掌握反射式望远物镜的焦距、视场角、分辨率等主要性能参数；3. 学生了解反射式望远物镜在科学研究、天文观测等领域的应用。
技能目标：1. 学生能够独立操作反射式望远物镜，进行简单的天文观测；2. 学生能够运用反射式望远物镜进行实际问题的观察、分析和解决；3. 学生能够通过实际操作，培养观察能力、动手能力和团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对天文学的兴趣和好奇心，增强探索宇宙的欲望；2. 学生认识到科技进步对人类社会发展的重要性，增强科技创新意识；3. 学生通过学习，培养科学精神，树立正确的价值观，增强国家荣誉感。
本课程针对高年级学生，结合物理、天文学等学科知识，注重理论与实践相结合。
在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与、主动探究，培养其科学素养和实践能力。
通过本课程的学习，使学生能够更好地理解反射式望远物镜的相关知识，为后续学习打下坚实基础。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下三个方面：1. 反射式望远物镜基本原理：- 物镜的种类及反射式望远物镜的特点；- 反射式望远物镜的光学结构，包括主镜、副镜、光阑等；- 望远镜的放大倍数、焦距、视场角等基本概念。
2. 反射式望远物镜的性能参数与应用：- 焦距与光度的关系，分辨率与视场角的影响；- 反射式望远物镜在天文观测、遥感探测等领域的应用；- 现代反射式望远物镜的技术发展及创新。
3. 实践操作与观测技巧：- 反射式望远物镜的安装、调试与使用方法；- 天文观测的基本技巧，如目标选择、曝光时间控制等；- 观测数据的记录与分析，如星图绘制、天体特征描述。
教学内容参考教材相关章节，结合课程目标进行系统组织。
教学过程中，按照以下进度安排教学内容：1. 基本原理与结构（1课时）；2. 性能参数与应用（1课时）；3. 实践操作与观测技巧（2课时）。
光学设计第15章望远镜物镜设计
光学设计第15章望远镜物镜设计
望远镜物镜设计是一项精密的工作，是将光学原理与望远镜外观结合在一起，使用光学工程原理来设计最优的物镜结构的过程，让望远镜具有较高的光学性能。
望远镜物镜设计包括光学系统设计、光学稳定性设计、光学像质设计和光学布线设计等。
1、光学系统设计
光学系统设计是望远镜物镜设计的核心，它是优化物镜结构的过程，也是物镜设计的核心技术和理论支持。
它的设计考虑的因素包括成像系统的像质、失焦量、像面形状、距离等，以及物镜安装的功能及望远镜构型的要求等，实质上是用合理的光学聚焦来形成良好的成像系统。
2、光学稳定性设计
光学稳定性设计是望远镜物镜设计的重要内容，其目的是确保望远镜物镜在使用中能够保持稳定的聚焦状态。
物镜设计时，需要设计出可以确保望远镜物镜准确定位和具有良好的抗斜杆联动性的结构。
3、光学像质设计
光学像质设计是望远镜物镜设计的重要方面，主要目的是保证望远镜能够获得清晰、高质量的观测图像。
物镜设计时，需要考虑图像质量，而光学设计则是对图像质量的关键保证。
关于望远物镜的设计
1. 设计一个望远镜(焦距100mm，全视场角8度)2. 设计一个显微镜（放大倍率10倍，NA=0.2，共轭距离210mm）3. 设计一个照相物镜（焦距50mm，相对孔径1/2，全视场角50度）内容:（1）通过给定的参数，计算出其他参数值。
（2）分析系统需要校正的象差类型。
（3）通过手册查询初始结构，并回答所属类型，然后输入到计算机软件中给出输入结果的二维图。
（4）采用上机学到的知识进行全部优化。
给出MTF结果。
（5）采用上机学习的知识进行对样板和公差分析，给出操作步骤的图片和结果。
（6）绘制出光学系统图。
望远物镜设计（1）f’=100, D/f’=1/4, D=25mm, 2w=8（2）系统需校正的像差：球差、慧差、色差、场曲（3）查手册选初始结构，f’=109.81, D/f’=1/2.2,2w=12，l’f=99.12 .属于双胶合、双分离摄远物镜二维输出结果：（4）（5）采用上机学习的知识进行对样板和公差分析，给出操作步骤的图片和结果。
步骤：一. 设定Tolerance Data1. 一般情况我们可以利用Zemax 的Default Tolerances 进行设置，在Tolerance Data Editor 中Tools 菜单下有Default Tolerances 选项。
弹出如下对话框:在此对话框可以对各面的R值，TC,偏心(Decenter),倾斜(Titlt),不规则度(Irregularity)及材质的公差进行设定。
各项意义如下：Surface Tolerances 一列Ｒadius.(半径公差)，它可以使用一个具体的量(Millmeters 此为Lens Unit)作为限制，也可使用干涉条纹数(Fringes)做为限制。
Thickness(中心厚度),它以当前ZemaxFile 中的Lens Unit 做为单位。
Decenter X/Decenter Y 偏心公差差Tilt X/Tilt Y 面的倾角S + A Irreg Spherical and Astigmatism 不规则度(仅对于Standard Surface Type)Zern Irreg 泽尔尼克不规则度(Zernike Irregularity)Index 玻璃材质折射率Abbe 玻璃材质色散系数Element Tolerances 一列只有Decenter 及Tilt 的设定，其意义同上，但与Surface Tolerances 的区别是它将应用一个元件而不是一个光学表面。
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f
/
D f
为
34 6
10
望远镜物镜的结构型式
(2)双－单
视场为2ω<5°; 相对孔径 D 为 1 ～ 1 ;
f 3 2
透镜口径D≤100mm
望远镜物镜的结构型式
(3)单-双
视场为2ω<5°;
相对孔径 D 为 1
f 3
～
1 2.5
;
透镜口径D≤100mm
r1=153.1 r2=-112.93 r3=-361.68
6 K9 4 ZF1
r
d
nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
1
0.00
150 1 1.521955 1.661196
1 1.521955
1
nC
1 1.513895 1.642076
反射式望远镜物镜的结构型式
对于反射面，通常都是利用等光程的 条件：
抛物面:到一条直线和一个定点的距离相等的点的轨 迹，是以该点为焦点，该直线为准线的抛物面。对 焦点和无限远轴上点符合等光程。
常用两镜系统
(1)经典卡塞格林系统
主镜为凹的抛物面， 副镜为凸的双曲面， 抛物面的焦点和双曲 面的的虚焦点重合， 经双曲面后成像在其 实焦点处。卡塞格林 系统的长度较短，主 镜和副镜的场曲符号 相反，有利于扩大视 场。
h 0.08; (h)2 0.0064 ; (h)3 0.000512
P P 0.00005 0.098
(h )3 0.000512
W W 0.00057 0.089
(h )2 0.0064
C C f ' 0.0000076 250 0.0019
由于望远物镜本身对无限远物平面成像，因此 无需再对物平面位置进行规化。 将上面求得的 P ,，W求Po
比近似为一常数:
L'FCD
f' 2500
二级光谱色差
二级光谱色差对大多数光学系统来说并 不很大，不致显著影响成像质量。但对于一 些高倍率的望远镜或显微镜可能成为影响成 像质量的主要像差，应设法校正，校正二级 光谱色差的系统称为“复消色差系统”。它 必须使用值不同而P值近似相等的特殊光学材 料，因此价格昂贵。
目镜的焦距一般不能小于25mm。这样目镜的相对
孔径为
D' f目'
4 25
1 6
所以望远物镜的相对孔径 D f物 一般小于1/5。
望远物镜的光学特性
(2)视场较小
望远物镜的视场角ω和目镜的视场角以及系统的视 放大率Г之间有以下关系:
tg tg '
目前常用目镜的视场大多在70º以下，这就限制了物 镜的视场不可能太大。例如对一个8×的望远镜，由 上式可求得物镜视场2ω≈10º。通常望远物镜的视场 不大于10º。
和数:
SI 2n'u '2L' 2 (0.08)2 (0.1) 0.00128
S II
2n'u'
K
' S
2n'u'(SC'y')
2(0.08) (0.00113.1) 0.0021
SIC n'u '2L'FC (0.08)2 (0.05) 0.00032
这是整个物镜系统的像差和数，它应等于物镜的像 差和数加棱镜的像差和数:
4
0.00229
S II
S
I
uz u
0.00229 (0.655)
0.0015
S IC
d
n 1u2
n 2
1.5163 1 150
64.11.51632
(0.08) 2
0.00336
由此提出对物镜的要求
(3)列出初级像差方程式求解双胶合物镜的 P ,W , C
根据对整个物镜系统的像差要求，求出系统的像差
我们把 nF 称nD为相对色散，用符号 nF nC
表P示FD。
要消除二级光谱色差，必须使用PFD相等的两种 玻璃消色差。但是一般玻璃P近似与v成比例，
P相等则v也近似相等。前面说过两种v值相同的
玻璃是不能消色差的，要消色差必须用v值不同
的玻璃，而且相差越多越好，否则就无法消除
二级光谱色差。二级光谱色差的数值和焦距之
6.望远物镜像差的公差
望远物镜像差的公差一般用波像差来衡量，实验证 明当光学系统波像差小于1/4波长时，所成的像和没有 像差的理想像几乎没有差别。
把波像差小于1/4波长，作为制定望远物镜像差公差 的标准。
人眼的成像质量接近理想，所以要求目视光学仪 器的成像质量也和理想接近。为了使用方便我们直 接给出波像差为1/4波长的各种几何像差的公差。在 设计工作中，可以直接把系统的几何像差和对应的 公差进行比较，而不必由几何像差变换成波像差。
uz tg(3) 0.0524,
uz 0.655 u
根据已知条件，平行玻璃板本身的参数为:
d 150 mm, n 1.5163 , 64.1
将以上数值代入平行玻璃板的初级像差公式
将以上数值代入平行玻璃板的初级像差公式
SI
d
n
2
n
3
1
u
4
150
1.51632 1.51633
1
(0.08)
线的像点在焦深以内，则C、F两波面之间的
波像差小于1/4波长，所以初级轴向色差的公 差与像面位移的公差相等:
L'FC
n'
u
'2 m
色球差的公差
色球差为不同颜色光线球差之差，它随孔径 h变化的规律和初级球差相同，它的公差也应该 和初级球差的公差相等:
以上半径对应焦距等于1，将它们乘以焦距
f’=250，得到最后要求的半径为:
r1 153 .1, r2 112 .93, r3 361 .68
确定透镜厚度
透镜厚度除了和球面半径和透镜直径有关 外，同时要考虑到透镜的固定方法，质量 要求和加工难易等因素，可参考“光学设 计手册”中有关光学零件中心和边缘厚度 的规定，用实际口径作图确定
反射式望远镜物镜的结构型式
对于反射面，通常都是利用等光程的条 件:
椭球面：对两个定点距离之和为常数的点的轨迹， 是以该两点为焦点的椭圆。对两个焦点符合等光程 条件。
双曲面：到两个定点距离之差为为常数的点的轨迹， 是该两点为焦点的双曲面。对内焦点和外焦点符合 等光程条件。其中一个是实的，一个是虚的
3.望远物镜像差特性
校正轴向边缘球差L'm轴向色差 L'FC 和边缘
x 孔径的正弦差SC
' m
而不校正
x
t's，
' p
和
y
' z
以
及垂轴色差y
' FC
。
望远物镜和目镜的像差补偿关系
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差一般 要靠物镜来补偿，由物镜来校正棱镜的像差。 有分划板情形：物镜和目镜分别校正像差，然后 考虑互相补偿。目镜中常有少量球差和轴向色差 由物镜的像差补偿。物镜的细光束子午场曲和垂 轴色差由目镜补偿。
1 1.513895
1
D=40
2 6, L ,
按以上参数计算像差得到：
f ' 251 .25, L'm 0.076, SCm' 0.00063 ,
lz 0 L'FC 0.106
二级光谱色差
我们采用两种指定波长的光线，例如F，C光线像点 位置之差表示光学系统的色差。当F，C光校正了色差 以后，F，C光线像点便重合在一起，但是其他颜色光 线的像点并不随F，C光像点的重合而全部重合在一点， 因此仍有色差存在，这样的色差就叫二级光谱色差。
4.2
求半径:
1 r2
1
Q
1.986
4.2 2.214
1 1 1 1.986 2.214 1.6326
r1 n1 1 r2 0.5163
1 1 2 2.214 0.986 0.6912
r3 r2 n2 1
0.6475
r1 0.6125 , r2 0.4517 , r3 1.4467
望远镜物镜的结构型式
(4)三分离
视场为2ω<4°;
相对孔径
D f
为
1 2
～
1 1.5
望远镜物镜的结构型式
(5)对称式
视场为2ω<30°;
f
<50,相对孔径
D
f <
1 5
;
适合于短焦距，大视场，小相对孔径使用
望远镜物镜的结构型式
(6)摄远
由正负两个分离薄透镜构成，系统长度小 于焦距，系统的相对孔径受前组相对孔径 的限制。
SI hP 20 P 0.00101; P 0.00005 SII hz P JW 1.05W 0.0006; W 0.00057 SIC h2C (20)2 C 0.00304; C 0.0000076
由P，W，C求 P ,W ,C
由于h=20，f’=250,因此有:
S系统 S物镜 S棱镜
可求得对双胶合物镜的像差和数要求为
列出初级像差方程求P，W，C
S I S I系统 S I棱镜 0.00128 (0.00229 ) 0.00101
S II S II系统 S II棱镜 0.0021 0.0015 0.0006
S IC S IC系统 S IC棱镜 0.00032 (0.00336 ) 0.00304
第4章 望远物镜设计
1.望远物镜设计的特点
望远镜系统：由物镜、目镜和棱镜或透镜 式转像系统构成