光学课程设计 ——望远镜系统

光学课程设计望远镜系统结构设计指导教师：**专业：光信息科学与技术班级：光信息08级1班姓名：学号：********目录第一部分设计背景 (1)第二部分设计目的及意义 (1)第三部分望远镜介绍 (1)3.1望远镜定义 (1)3.2望远镜分类及相应工作原理 (2)第四部分望远镜系统设计 (3)4.1开普勒望远镜 (3)4.2望远镜系统常用参数 (4)4.3外形尺寸计算 (6)4.4伽利略望远镜 (8)4.5物镜组的选取 (9)4.6望远镜像差类型及主要结构 (10)4.7双胶物镜与双分离物镜分析 (12)4.8内调焦望远物镜分析 (14)4.9目镜组的选取 (14)4.10目镜主要像差及分析 (17)4.11棱镜转像系统 (17)4.12转折形式望远镜系统 (18)4.13光学系统初始结构参数计算方法 (18)4.14应用光学系统中的光栅 (20)第五部分设计总结 (21)第六部分参考文献 (21)一．设计背景在现在科学技术中，以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分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等。

其中我国以高功率激光科研和激光核聚变研究为目的的光电系统——“神光二号”，颇具代表。

“神光二号”对于未来的能源危机和我国的军事领域有着重要意义。

二．设计目的及意义运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或远离设计。

了解光学设计中的PW法基本原理。

三．望远镜介绍3.1 望远镜定义望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能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，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。

根据望远镜原理一般分为三种。

一种通过收集电磁波来观察遥远物体的仪器。

在日常生活中，望远镜主要指光学望远镜。

但是在现代天文学中，天文望远镜包括了射电望远镜，红外望远镜，X射线和伽吗射线望远镜。

近年来天文望远镜的概念又进一步地延伸到了引力波，宇宙射线和暗物质的领域。

或者再经过一个放大目镜进行观察。

日常生活中的光学望远镜又称“千里镜”。

它主要包括业余天文望远镜，观剧望远镜和军用双筒望远镜。

【望远镜基本工作示意图】3.2 望远镜分类及相应工作原理1．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。

它由相距很近的一块冕牌玻璃制成的凸透镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，对两个特定的波长完全消除位置色差，对其余波长的位置色差也可相应减弱在满足一定设计条件时，还可消去球差和彗差。

由于剩余色差和其他像差的影响，双透镜物镜的相对口径较小，一般为1/15-1/20，很少大于1/7，可用视场也不大。

口径小于8厘米的双透镜物镜可将两块透镜胶合在一起，称双胶合物镜，留有一定间隙未胶合的称双分离物镜。

为了增大相对口径和视场，可采用多透镜物镜组。

对于伽利略望远镜来说，结构非常简单，光能损失少。

镜筒短，很轻便。

而且成正像，但倍数小视野窄，一般用于观剧镜和玩具望远镜。

对于开普勒望远镜来说，需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像。

一般的折射望远镜都是采用开普勒结构。

由于折射望远镜的成像质量比反射望远镜好，视场大，使用方便，易于维护，中小型天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统，但大型折射望远镜制造起来比反射望远镜困难得多，因为冶炼大口径的优质透镜非常困难，且存在玻璃对光线的吸收问题，所以大口径望远镜都采用反射式。

2．反射式望远镜是用凹面反射镜作物镜的望远镜。

可分为牛顿望远镜.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。

对制造反射镜的材料只要求膨胀系数较小、应力小和便于磨制。

磨好的反射镜一般在表面镀一层铝膜，铝膜在2000-9000埃波段范围的反射率都大于80%，因而除光学波段外，反射望远镜还适于对近红外和近紫外波段进行研究。

反射望远镜的相对口径可以做得较大，主焦点式反射望远镜的相对口径约为1/5-1/2.5，甚至更大，而且除牛顿望远镜外，镜筒的长度比系统的焦距要短得多，加上主镜只有一个表面需要加工，这就大大降低了造价和制造的困难，因此目前口径大于1.34米的光学望远镜全部是反射望远镜。

一架较大口径的反射望远镜，通过变换不同的副镜，可获得主焦点系统(或牛顿系统)、卡塞格林系统和折轴系统。

这样，一架望远镜便可获得几种不同的相对口径和视场。

反射望远镜主要用于天体物理方面的工作。

3. 折反射望远镜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 ，它在球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。

它是一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。

还有一种马克苏托夫望远镜 ，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。

及这两种望远镜的衍生型，如超施密特望远镜，贝克―努恩照相机等。

在折反射望远镜中，由反射镜成像，折射镜用于校正像差。

它的特点是相对口径很大(甚至可大于1)，光力强，视场广阔，像质优良。

适于巡天摄影和观测星云、彗星、流星等天体。

小型目视望远镜若采用折反射卡塞格林系统，镜筒可非常短小。

四． 望远镜系统设计4.1 望远镜外形尺寸设计【开普勒（Kelper telescope ）望远镜光路示意图】开普勒望远镜属于折射式望远镜。

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。

我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既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。

透镜正像系统采用一组复杂的透镜来将像倒转，成本较高，但俄罗斯20×50三节伸'物f 目f'z l缩古典型单筒望远镜既采用设计精良的透镜正像系统。

4.2 对于望远镜系统有以下参数：1. 垂轴放大率垂轴放大率代表共轭面像高和物高之比。

主要公式有：'''f x x f y y -=-==β''ff xx =2. 角放大率角放大率是共轭面上的轴上点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所成德夹角U 的正切之比。

一般用γ表示。

主要公式有：UU tan tan '=γuu '=γ3. 轴向放大率当物平面沿光轴移动微小的距离dx 时，像平面相应地移动距离'dx ，比例dxdx '称为光学系统的轴向放大率，用α表示。

它代表平行于光轴的微小线段所成德像与该线段二者长度之比。

主要公式有：2'2'''lf fl dl dl dx dx -===αxx dx dx ''-==α4. 视放大率视放大率是望远镜最重要的光学性能之一，它表示仪器放大作用的大小。

视放大率必须满足对仪器的精度要求，对不同的仪器精度要求也不一样。

(1)观察仪器。

有以下关系：Γ=''60α，可由要求得分辨角α即可求出需要的视角放大率Γ。

(2)瞄准仪器。

使用压线瞄准时为：Γ=∆''60α，用对线、双线或叉线瞄准时为：Γ=∆''10α。

(3) 测距仪器。

测距仪器的精度要求是测距误差。

Γ⨯=∆-B l l 25105，根据一定距离l 上要求得测距误差l ∆和仪器的基线B ，即可求得视放大率Γ。

视放大率除了和仪器工作精度有关外，还与其他一系列因素有关，必须同时兼顾，介绍如下。

(1)视放大率和仪器体积、重量的关系。

''';D D f f =Γ-=Γ目物。

在目镜焦距'目f 和出瞳直径'D 一定条件下，Γ越大，物镜焦距'物f 和口径D 越大。

(2)视放大率Γ和视场ω2的关系。

ωωtan tan '=Γ。

ω为望远镜的物方视场角，它标志着仪器的观察范围。

一定类型的目镜，它的视场角'2ω是一定的，增大视放大率Γ必须同时减少视场角ω2。

(3)仪器的使用条件对视放大率也有限制。

(4)望远镜的有效放大率。

人眼的视角分辨率为''60，有：αωω'''60tan tan ≈=Γ，如果要求仪器的视角分辨率和衍射分辨率相等，则应满足：D''''14060=Γ，符合以上关系的视放大率称为望远镜的“有效放大率”。

5. 极限分辨角通常，我们把望远镜刚能分辨的两物点在望远镜系统上成的两像点之间的夹角叫做望远镜的极限分辨角。

它的大小与望远镜的视放大率以及垂轴，轴向放大率有关。

ω=1.22λ/D其中，λ为入射波长，D 为入瞳直径。

望远镜的最灵敏波长为555纳米，当入瞳单位取mm ，极限分辨角取秒时，ω’=140/D 。

4.3 外形尺寸计算 已知参数：① 物镜和目镜之间的距离mm L 315= ② 望远镜放大镜的倍数⨯=Γ20③ 物方视场角'2032 =ω求解如下：1. 目镜的视场角'2ω：6.1tan 20tan tan '⨯=⨯Γ=ωω''1230202.30οοω==⇒ 4260'2'︒=ω 2. 望远镜的分辨率α：由望远镜分辨率与视放大率关系式：''''''3206060==Γ=α 3. 物镜的通光口径D ：物镜的口径取决与分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应，望远镜口径与放大率的关系满足3.2D≥Γ，为减轻眼睛负担，可取(),1~0.5D =Γ及Γ=)2~1(D ，这里系数取1.5 ，则:mmD 305.1=Γ= 4. 出瞳直径'D ：mmD D DD 5.12030''==Γ=⇒=Γ 5. 物镜焦距’物f 与目镜焦距’目f ：⎪⎩⎪⎨⎧==-=20315’目‘物目’物f f f f L ⎩⎨⎧==⇒mm f mm f 30015’物‘目 6. 视场光阑的直径视D ：根据三角形定则，计算视场角，：m f f D 46.1767.1tan 3002tan 222=⨯⨯=⋅⋅===物物视7. 目镜口径目D ：目镜的视场角ω'2，以及出瞳直径z R 2限制了目镜的口径，据此计算：mmR D mm l R R x z 334.212667.100230tan 75.155.1tan ==='︒⨯+='⋅'+=目目目ω8. 出瞳距'z l ：孔径光阑选在物镜框上，轴外光束的主光线通过物镜中心O ，假定在目镜组的投射高为R ，：()()mmL L l L l l R LR z z z 75.1520315)tan()tan()tan()tan()tan(tan '''''==Γ=⋅==∴==ωωωωωω9. 目镜的视度调节量：视度的调节范围一般为SD=5±视度。