Chapter 5 望远镜光学系统 [Compatibility Mode]
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。
光学课程设计望远镜系统结构设计
光学课程设计——望远镜系统结构设计姓名：学号：班级：指导老师：一、设计题目：光学课程设计二、设计目的：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。
三、设计原理：光学望远镜是最常用的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中。
为了观察远处的物体,所用的光学仪器就是望远镜,望远镜的光学系统简称望远系统. 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.其系统由物镜和目镜组成,当观察远处物体时,物镜的像方焦距和目镜的物方焦距重合,光学间距为零.在观察有限远的物体时,其光学间距是一个不为零的小数量,一般情况下,可以认为望远镜是由光学间距为零的物镜和目镜组成的无焦系统.常见望远镜按结构可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。
常见的望远镜大多是开普勒结构，既目镜和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有正像系统。
物镜组（入瞳）目镜组视场光阑出瞳1'1ω2'2'ω3 'f物—f目'l z'3上图为开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。
物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。
为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜在光路中增加了转像稜镜系统。
此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。
伽利略望远镜是以会聚透镜作为物镜、发散透镜作为目镜的望远镜（会聚透镜的焦距要大于发散透镜的焦距），当远处的物体通远物镜(u>2f ）在物镜后面成一个倒立缩小的实像，而这个象一个要让它成现在发散透镜（目镜）的后面即靠近眼睛这一边，当光线通过发散透镜时，人就能看到一个正立缩小的虚象。
典型光学系统-望远镜
§7-4 望远系统
一、望远系统的成象原理
使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学 系统称为望远系统或望远镜。
1、重要的结构特点：物镜的像方焦点应与目镜的物方
焦点重合，光学间隔△=0。
F2 F1’ 目镜 出瞳
物镜（入瞳）
视场光阑
2、两种基本结构形式:
1611年，开普勒望远镜 1609年：伽利略望远镜
开普勒望远镜
伽利略望远镜
倒像——需要转像系统 透镜：加长光路 棱镜：缩短筒长并转折光路
机械筒长较长 可以在中间实象平面内设置分化板（视场光 阑）用于测量或瞄准 有清晰视场边界，可以无渐晕 Γ可以比较大
正像：结构简单
较短 视场光阑不在物面或像面 有渐晕 Γ不太大（原因P128） 可以用于激光扩束，避免实焦点烧伤
3、放大率：
f1' tg' tg' tg0 tg f 2'
D D'
D D' 2 f 1' 2 f 2 '
与物体位置无关，仅取决于系统结构参数
1
二、望远系统的分辨率及工作放大率
60" D 140 D " 2.3
正常放大率（有效放大率） 满足分辨要求的最小视觉放大率
为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时应用大于正常分辨率的工作 分辨率来作为望远系统的视角放大率。
工作放大率常为正常放大率的1.5~3倍。 若取2.3倍，则Г=D。 仪器的分辨角 j＝60″/Г
在瞄准仪器中，仪器的精度用瞄准误差△φ来 表示，它与瞄准方式有关。
若是压线瞄准时：
60"
若是对线、双线或叉线瞄准时：
10"
2024年人教版物理八年级上册第五章教学设5.5 跨学科实践：制作望远镜
第5节跨学科实践:制作望远镜教材分析一、课标分析用凸透镜制作简易望远镜,用其观察远处的景物。
二、内容和地位分析本节是物理人教版八年级上册第五章第五节的内容,它与日常生活、生产、军事、航天技术有着密切的联系,属于理解应用的知识。
本节课的内容安排在本章的第五节,学生对前面内容的学习为本节课的学习做了很好的铺垫。
而本节课的主题是“制作望远镜”,需要综合运用所学知识,解释解决实际问题,在学以致用的过程中充分体现物理知识的有用性,同时也可以帮助学生加深对凸透镜成像规律的理解,知道凸透镜可以组合使用二次成像。
学生在课堂中,以小组合作的形式进行望远镜的制作,相比于学生自己回家制作,有更多的互相讨论和思考的时间和条件。
课堂未尽之处,也可以留作课下思考和解决。
它不仅仅是“做作品”——“做作品”强调的是成功和浅层的动手能力的培养,本节课的学习更强调驱动性问题,通过动手制作,进一步理解核心知识、发展高阶思维能力、形成核心素养。
学情分析学生学习了凸透镜在生活中常见的三种典型应用,已经掌握凸透镜成像的规律和三条特殊光线作图的方法,为本节的学习打下了知识基础。
部分学生是天文爱好者,在日常生活中接触并了解、使用过望远镜。
本节课以制作开普勒望远镜为契机,让学生综合运用所学知识解释和解决问题,可以很好地锻炼学生的观察、合作、表达及动手能力。
另外,学生在发现问题、解决问题方面还有不足,需要教师进行适时的引导和同学之间相互讨论。
教学目标1.了解望远镜的构造及原理。
2.制作一个望远镜。
3.确定望远镜物镜和目镜之间的最佳成像距离。
核心素养通过探究、实验,培养学生严谨的科学态度和与人合作的良好品质;密切联系实际,增强学生将物理知识运用于日常生活和社会的意识。
重点难点重点:了解望远镜的构造及原理,制作一个望远镜。
难点:通过实验测量与理论分析相结合,确定望远镜物镜和目镜之间的最佳成像距离。
教学过程续表续表提出问题:如何准确知道目镜与物镜之间成像的最佳距离?使用光具座测量最佳距离时,是否遇到什么问题?该如何解决这一问题?4.活动4:观察手持望远镜,尝试使用凸透镜、瓦楞纸、剪刀、胶带等材料,通过小组合作,自制一个望远镜,实现望远功能。
光学系统的名词解释
]光学系统的名词解释09-03-29 16:48 发表于：《【南京巡星会▪ NSC】》分类：未分类aperture stop（孔径阑）－限制进入光学系统之光束大小所使用的光阑。
astigmatism（像散）－一个离轴点光源所发出之光线过透镜系统后，子午焦点与弧矢焦点不在同一个位置上。
marginal ray（边缘光束）－由轴上物点发出且通过入射瞳孔边缘的光线。
chief ray（主光束）－由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径阑中心的光线。
chromatic aberration（色像差）－不同波长的光在相同介质中有不的折射率，所以轴上焦点位置不同，因而造成色像差。
coma（慧差）－当一离轴光束斜向入射至透镜系统，经过孔径边缘所成之像高与经过孔径中心所成之像高不同而形成的像差。
distortion（畸变）－像在离轴及轴上的放大率不同而造成，分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。
entrance pupil（入射瞳孔）－由轴上物点发出的光线。
经过孔径阑前的组件而形成的孔径阑之像，亦即由轴上物点的位置去看孔径阑所成的像。
exit pupil（出射瞳孔）－由轴上像点发出的光线，经过孔径阑后面的组件而形成的孔径阑之像，亦即由像平面轴上的位置看孔径阑所成的的像。
field curvature（场曲）－所有在物平面上的点经过光学系统后会在像空间形成像点，这些像点所形成的像面若为曲面，则此系统有场曲。
field of view（视场、视角）－物空间中，在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸，此量值以角度为单位。
f-number（焦数）－有效焦距除以入射瞳孔直径的比值，其定义式如下：有时候f-number也称为透镜的速度， 4 f 的速度是2 f 速度的两倍。
meridional plane（子午平面）－在一个轴对称系统中，包含主光线与光轴的平面。
numerical aperture（数值孔径）－折射率乘以孔径边缘至物面（像面）中心的半夹角之正弦值，其值为两倍的焦数之倒数。
光学课程设计望远镜系统结构参数设计
提高性价比
设计望远镜系统结构 确定望远镜系统结构参数
优化望远镜系统结构
验证望远镜系统结构优化效 果
望远镜系统结构优化设计：通过优化设计，提高了望远镜的成像质量、分辨率和观测效率。
优化方法：采用了光学设计软件和计算机辅助设计技术，对望远镜系统结构进行了优化设计。
空间探测：探索宇 宙、研究天体物理
望远镜系统向更高分辨率、更大视场、更高灵敏度方向发展 望远镜系统向多波段、多目标、多任务方向发展 望远镜系统向智能化、自动化、网络化方向发展 望远镜系统向小型化、轻量化、便携化方向发展
望远镜系统智能化：实现自动跟踪、自动聚焦等功能 望远镜系统小型化：降低体积和重量，提高便携性 望远镜系统多功能化：集成多种观测功能，如红外、紫外、X射线等 望远镜系统网络化：实现远程控制和数据传输，提高观测效率和共享性
优化效果：优化后的望远镜系统结构具有更高的成像质量、分辨率和观测效率，满足了科研 和观测需求。
优化建议：在优化过程中，需要考虑望远镜系统的整体性能、成本和制造工艺等因素，以实 现最优的设计效果。
望远镜系统制造与 检测
材料选择：选 择合适的光学 材料，如玻璃、
塑料等
切割成型：将 材料切割成所 需的形状和尺
添加标题
添加标题
添加标题
射电望远镜：通过接收无线电波进 行观测，如射电干涉仪、射电望远 镜阵列等
地面望远镜：在地面上运行的望远 镜，如凯克望远镜、甚大望远镜等
口径：望远镜的直径，决定了望远镜的 集光能力和分辨率
焦距：望远镜的焦距，决定了望远镜的 放大倍数和视场大小
光圈：望远镜的光圈，决定了望远镜的 进光量和成像质量
寸
天文望远镜的光学系统
1848年建成的辛辛那提天文台折射望远镜影像。
折射望远镜折射望远镜是一种使用透镜做物镜，利用屈光成像的望远镜。
折射望远镜最初的设计是用于侦查和天文观测，但也用于其他设备上，例如双筒望远镜、长焦距的远距照像摄影机镜头。
较常用的折射式望远镜的光学系统有两种形式：即伽利略式望远镜和开普勒式望远镜，其优点是成像比较鲜明、锐利；缺点是有色差。
发展历史折射镜是光学望远镜最早的形式，第一架实用的折射望远镜大约在1608年出现在荷兰，由三个不同的人，密德堡的眼镜制造者汉斯·李普希和杨森、阿克马的雅各·梅提斯，各自独立发明的。
伽利略在1609年5月左右在威尼斯偶然听说了这个发明，就依据自己对折射作用的理解，改进并做出了自己的望远镜。
然后伽利略将他的发明细节公诸于世，并且在全体的议会中将仪器向当时的威尼斯大公多纳托展示。
伽利略也许声称独立地发明了折射望远镜，而没有听到别人也做了相同的仪器。
折射望远镜的设计架折射望远镜有两个基本的元件，做为物镜的凸透镜和目镜，折射望远镜中的物镜，将光线折射或偏折到镜子的后端。
折射可以将平行的光线汇聚在焦点上，不是平行的光线则汇聚到焦平面上。
这样可以使远方的物体看得更亮、更清晰和更大。
折射望远镜有许多不同的像差和变形需要进行不同类型的修正。
伽利略式望远镜与伽利略设计出来的原始形式相同的望远镜都称为伽利略望远镜。
他使用凸透镜做物镜，和使用凹透镜的目镜。
伽利略望远镜的影像是正立的，但视野受到限制，有球面像差和色差，适眼距(eye relief)也不佳。
开普勒式望远镜开普勒式望远镜是开普勒改善了伽利略的设计，在1611年发明的。
他改使用一个凸透镜作为目镜而不是伽利略原来用的一个凹透镜。
这样安排的好处是从目镜射出的光线是汇聚的，可以有较大的视野和更大的适眼距，但是看见的影像是倒转的。
这种设计可以达到更高的倍率，但需要很高的焦比才能克服单纯由物镜造成的畸变。
(约翰·赫维留建造焦长45米的折射镜。
新人教版八年级上册物理课件 第五章第5节 跨学科实践：制作望远镜5.5跨学科实践：制作望远镜
任务二、设计简易望远镜 2.选择物镜和目镜
➢ 可以选择身边常见的凸透镜或者进行购买。 思考:为什么物镜直径要比目镜直径大一些?
选择物镜直径要比目镜直径大一些，直径大的物镜集光力越 强，分辨率越高。物镜焦距越大，目镜焦距越小，放大倍数 就越大。
任务二、设计简易望远镜 3.设计镜筒
制作镜筒：①计算望远镜伸缩长度的尺寸，镜筒最长伸长 为f物＋f目， 观察较近处物体时 , 两块凸透镜间的距离要稍 大些。 ②用望远镜对不同远近的物体进行观察时，需要调节 两块凸透镜之间的距离。
认识不同类的，但在《百年 孤独》里，吉普赛人向村民兜售 商品时却说科学缩短了 距离，在科学的帮助下远也可能很近，比如遥寄星空科 学梦想的物件是什么呢?
你知道望远镜是如何被发明的吗？
1608年 , 在荷兰小城里，两个孩子把玩几片镜 片，发现镜片能让远处教堂上的风标变得近在眼 前，这被眼镜商汉斯利伯看在眼里，经过多次实 验，世界上第一台望远镜诞生了。
2.试用与调整
任务三、制作及调试望远镜
试用与调整：制作完成后通过望远镜观察远处物体，调节 镜筒长度，即改变物镜与目镜之间的距离，直到在望远镜 中看到，远处清晰的像为止 。
任务三、制作及调试望远镜
3.评估与交流：各个小组展示制作成果，交流评估，并体验 制作效果 评价指标
评价项目 制作过程 作品质量
约等于两块凸透镜之间焦距的和。
任务三、制作及调试望远镜
1.制作 ①准备焦距约为20 cm，直径约为5 cm 的物镜；焦距约为10 cm， 直径约为4 cm 的目镜。以小组为单位开始制作及调试望远镜。 ②根据焦距计算镜筒最长和最短伸缩尺寸，将纸板裁剪成正方 形，中间挖洞，制作伸缩望远镜的镜筒（提醒:两个伸缩内嵌镜 筒尽量要精准契合）。 ③安装镜头：用双面胶将透镜固定到镜筒上 , 物镜 、目镜安装 步骤相同。
工程光学-第八章-望远系统课件
入射窗和出射窗分别位于系统的物方和像方无限远，
分别与物平面和像平面重合。可消除渐晕。
→ 视场光阑半径
视场大小2 w: tg
F—f.→
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五、 望远镜的分辨率、有效和工作放大率
1、望远镜的分辨率
B
影响望远镜分辨率的因素
入瞳衍射效应 各类剩余像差 其它制造缺陷
A
均与物镜部分相关联， 衍射效应是主要因素。
划板大，放大率不能太大。
高斯型主要应用于普通光学自准直仪的光学系统。
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、阿贝型自准直平行光管
· 优点：光强度大，亮度损失小，10~15%,适用 于反射面弱，反射面小的情况。
· 缺点：它的一半视场被45 0棱镜遮挡，物镜孔径利 用率不高。
阿贝型应用于光学计的光学系统。
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一般天文望远镜的口径都很大， 世界上最大的天文望远镜在智利， 直径16米。美国最大的望远镜直径 为200英寸。
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§8-2 望远物镜系统
1、望远物镜的技术参数
焦距 — —参与决定系统的视觉放大率和视场；
通光孔径——影响分辨率和工作放大率；
相对孔径
影响像面亮度和像差大小；
2、望远物镜的种类： (1).折射式；(2).折反式；(3).反射式
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三、 双分划板型立方棱镜型自准直平行光管
优点： 视场不被遮挡；设置于目镜前面的分划板的 刻化线与自准直像(十字影像)形成反差区别， 便于观测； 目镜焦距短，放大率可以提高。
缺点： 光亮度损失较大，达50~60%。
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§8-5 平直度测量仪光路系统
10— 目镜：11一千分螺丝：12—读数鼓轮
光学课程设计-望远镜系统结构参数设计
03
望远镜系统的设计流程
确定设计目标
望远镜系统的功能需求
望远镜系统的性能指标
望远镜系统的成本预算
望远镜系统的设计周期
望远镜系统的设计团队 和分工
望远镜系统的设计评审 和验收标准
选择合适的镜片材型：增透膜、反 射膜、偏振膜等
考虑因素：折射率、色 散、反射率、透射率等
统
定期保养
清洁镜片：使用专业清洁 剂和软布擦拭镜片，避免 刮伤
检查螺丝：检查所有螺丝 是否松动，如有松动及时 拧紧
调整焦距：定期调整望远 镜的焦距，确保清晰度
更换电池：定期更换望远 镜的电池，确保望远镜的 正常运行
存放环境：将望远镜存放 在干燥、通风的环境中， 避免潮湿和灰尘影响望远 镜的性能
感谢观看
望远镜系统通过调整物镜和目镜的距离， 实现对焦和放大功能
望远镜系统还可以通过调整物镜和目镜 的角度，实现对焦和放大功能的优化
02
望远镜系统的主要参数
焦距
焦距的作用：决定望远镜的 放大倍数和成像质量
焦距的定义：望远镜系统中， 从物镜到目镜的距离
焦距的选择：根据观测目标、 观测距离和观测环境等因素
进行选择
汇报人：
环境保护
监测大气污染：观测大气中的污染物浓度和分布 监测水质污染：观测水体中的污染物浓度和分布 监测土壤污染：观测土壤中的污染物浓度和分布 监测生物多样性：观测生物多样性的变化和保护情况
远程教育
远程教学：通 过望远镜系统 进行远程教学， 实现教育资源
的共享
远程会议：通 过望远镜系统 进行远程会议， 提高沟通效率
镜片形状：球面、非球 面、柱面等
镜片数量：单镜片、双 镜片、多镜片等
镜片安装方式：固定、 可调、自动等
天文望远镜基础知识
天文望远镜基础知识天文望远镜的光学系统根据物镜的结构不同，天文望远镜大致可以分为三大类：以透镜作为物镜的，称为折射望远镜；用反射镜作为物镜的，称为反射望远镜；既包含透镜，又有反射镜的，称为折反射望远镜。
往往有的天文爱好者买了一块透镜，以为这就解决了望远镜的物镜问题。
其实，一块透镜成像会产生象差，现在，正规的折射天文望远镜的物镜大都由2～4块透镜组成。
相比之下，折射天文望远镜用途较广，使用方便，比较适合做天文普及工作。
反射望远镜的光路可分为牛顿系统和卡塞格林系统等。
一般说来，对天文普及工作，特别是对观测经验不足的爱好者来说，牛顿式反射望远镜使用起来不太方便，其物镜又需经常镀膜，维护起来也麻烦。
折反射望远镜是由透镜和反射镜组成。
天体的光线要受到折射和反射。
这类望远镜具有光力强，视场大和能消除几种主要像差的优点。
这类望远镜又分施密特系统、马克苏托夫系统和施密特卡塞格林系统等。
根据我们多年实践的经验，中国科学院南京天文仪器厂生产的120折射天文望远镜对于天文普及工作和广大天文爱好者来说，是一种既方便又实用的仪器。
望远镜的光学性能在天文观测的对象中，有的天体有视面，有的没有可分辨的视面；有的天体光极强，有的又特微弱；有的是自己发光，有的是反射光。
观测者应根据观测目的，选用不同的望远镜，或采用不同的方法进行观测；一般说来，普及性的天文观测多属于综合性的，要考虑“一镜多用”。
选择天文望远镜时，一定要充分了解它的基本光学性能。
口径--指物镜的有效直径，常用D来表示；相对口径--指物镜的有效口径和它的焦距之比，也称为焦比，常用A表示；即A＝D/F。
一般说来，折射望远镜的相对口径都比较小，通常在1/15～1/20，而反射望远镜的相对口径都比较大，通常在1/3.5～1/5。
观测有一定视面的天体时，其视面的线大小和F成正比，其面积与F2成正比。
象的光度与收集到的光量成正比，即与D2成正比，和象的面积成反比，即与F2成反比。
光学课程设计望远镜系统结构设计
光学课程设计——望远镜系统结构设计姓名：学号：班级：指导老师：一、设计题目：光学课程设计二、设计目的：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。
三、设计原理：光学望远镜是最常用的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中。
为了观察远处的物体,所用的光学仪器就是望远镜,望远镜的光学系统简称望远系统. 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.其系统由物镜和目镜组成,当观察远处物体时,物镜的像方焦距和目镜的物方焦距重合,光学间距为零.在观察有限远的物体时,其光学间距是一个不为零的小数量,一般情况下,可以认为望远镜是由光学间距为零的物镜和目镜组成的无焦系统.常见望远镜按结构可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。
常见的望远镜大多是开普勒结构，既目镜和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有正像系统。
物镜组（入瞳）目镜组视场光阑出瞳1'1ω2'2'ω3 'f物—f目'l z'3上图为开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。
物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。
为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜在光路中增加了转像稜镜系统。
此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。
伽利略望远镜是以会聚透镜作为物镜、发散透镜作为目镜的望远镜（会聚透镜的焦距要大于发散透镜的焦距），当远处的物体通远物镜(u>2f ）在物镜后面成一个倒立缩小的实像，而这个象一个要让它成现在发散透镜（目镜）的后面即靠近眼睛这一边，当光线通过发散透镜时，人就能看到一个正立缩小的虚象。
5.5跨学科实践：制作望远镜(课件)初中物理人教版(2024)八年级上册
18 世 纪 的 英 国 律 师 兼 数 学 家 霍 尔（ Chester Moor Hall） 首先想到了这一点，他发现火石玻璃的色散显著地超过冕牌玻璃， 便用冕牌玻璃做凸透镜，用火石 玻璃做凹透镜，并且把两块透镜 设计得正好能够密合在一起。 这 种复合透镜能够像一个凸透镜那 样使光线聚焦，同时又在很大程 度上消除了色差。
视角与什么因素有关？
视角大
a
视角小
a
距离相等时，大物体的视角大，小物体的视角小。
视角小
a
视角大
物体大小一定时，
看近处的物体，视角大，
a
远处的物体视角小。
视角的大小不仅与物体本身大小有关，还和物体到 眼睛的距离有关。
望远镜的 放大倍数
f物
= ——————
f目
f物是物镜的焦距， f目是目镜的焦距。
03
望远镜的制作及调试
观察手持望远镜，尝试使用凸透镜、瓦楞纸、剪刀、胶 带等材料，通过小组合作，自制一个望远镜，实现望远功能。
①如图所示，分别用瓦楞纸包裹物镜、目镜，制作镜筒。 ②根据测算的最佳距离，确定镜筒的长度范围。裁出凹槽， 作为目镜和物镜前后调节的轨道。 ③将两个镜筒嵌套在一起。根据需要，调整目镜镜筒的粗细， 以便实现共轴调节。
反射望远镜
从古代起人们就知道，光线从一个凹面镜上反射， 也会发生会聚。 反射镜以完全相同的方式反射所有各种 颜色的光，因此不会产生色差。
1668 年，26 岁的牛顿制成人类历史上第一架真正实 用的反射望远镜。 其反射镜直径约 2.5cm，焦距约 16cm， 放大倍率超过 30倍，看起来却像个小玩具。 1672 年 1 月， 他把口径 5cm的第二架反射望远镜送到英国皇家学会。 该镜一直保留到了今天。
典型光学系统-望远镜 -适用学生自己做课件讲义
伽利略型望远镜的极限视场是由入射窗的 边缘和相反方向的入瞳光线决定的。即： tanω max=-（D+DP）/2Γ （L+Γ l′Z） DP是入瞳直径。 伽利略型望远镜的视觉放大率越大，视场 越小。所以视觉放大率一般不宜过大。
四、望远镜的转像系统
通过开普勒望远镜目镜所看到的是倒像。在一 般情况下，为了使用方便等，需要加入转像系统。 转像系统有下列几个作用：将物镜所成的像颠倒， 使得到在目镜前焦平面上得到正像，便于观察；利用 转像棱镜以缩短或增长镜筒长度；利用转像棱镜折转 光轴，使目镜位于使用要求的位置；当望远镜需要周 视时用以补偿像的倾斜，从而在目镜前焦平面上保持 正像。
三、望远系统的分辨力和有效放大率
（一）望远系统的分辨力 瑞利判据：两个相邻点之间的间隔等于艾里斑的半径a时，能 被光学系统分辨。 根据衍射理论，艾里斑半径a=0.61λ /n′sinu′ 分辨角为理想像点的艾里斑半径与物镜的焦距之比： Ψ =a/f′O=0.61λ /n′ sinu′ f′O 因为像空间折射率n′=1,sinu′=D/(2f′O),取λ =0.000555， 可得 Ψ =140/D（′′）
• 根据第三章的介绍可知，一个光学系统的角放大率和垂轴放大率互为 倒数，由此可以得出望远镜的垂轴放大率为
• β =1/γ =1/Γ =-f’e/f’0 • 该式说明，望远镜的垂轴放大率绝对值小于1，即从物体成像的几何 尺寸上看，望远镜系统并没有放大物体，而是缩小成像。能让人眼通 过望远镜看清远距离物体是视角放大的结果，而并非尺寸上物体放大 。 • 垂轴放大率与物体位置无关，可以通过任意一对物象关系获得。利用 入瞳和出瞳这一对系统共轭物象也可以计算视觉放大率，即 • Γ =-f’e/f’0=-D/D’ • 式中，D和D’分别是望远镜的入瞳和出瞳的大小。
望远镜的光学系统分类及常见类型
望远镜的光学系统分类及常见类型望远镜的光学系统，广义上基本上分为折射式，反射式，折反射式，运动望远镜几乎都是折射式，天文望远镜则各种系统都很常见。
在实际应用中，由于运动望远镜几乎都是折射式望远镜，并且为了有效降低系统长度和便于携带，大多数运动望远镜都有棱镜系统，按照国际流行的分类方法，运动望远镜的实际分类是按照棱镜系统划分，而天文望远镜，观察镜则按照广义的光学系统分类。
本站望远镜的光学系统沿用目前国际流行的分类方法，共分为六种典型结构：折射式普罗棱镜式屋脊棱镜式复合棱镜式牛顿反射式折反射式以下是各种光学系统原理及特点的简单解释：一、运动望远镜的光学系统运动望远镜几乎都是折射式，除了某些特殊产品，为了有效降低系统长度和便于携带，大多数运动望远镜都有棱镜系统，较常见的有屋脊，普罗棱镜。
屋脊望远镜采用屋脊棱镜，优点是体积紧凑，便于日常携带使用，缺点是棱镜形状复杂，成本较高。
屋脊望远镜优点:●重量轻，体积紧凑，便于日常携带使用●外形美观屋脊望远镜缺点●棱镜复杂，加工成本高，同等口径价格高●大口径规格体积优势不再明显-----------------------------------------------------普罗望远镜采用直角棱镜，优点是棱镜简单，较低成本即可达到较佳效果，缺点是体积相对比较大。
普罗望远镜优点:●结构简单，成本低●同等价格一般光学性能较好普罗望远镜缺点●同等口径产品体积重量相对屋脊大●体积不能做得很小二、天文望远镜的光学系统折射望远镜折射望远镜采用透镜作为主镜，光线通过镜头和镜筒折射汇聚于一点，称为"焦平面"。
长期以来，折射望远镜的薄壁长管结构外观，和百年前伽利略时代无太大区别，但现代的优质光学玻璃、多层镀膜技术使您可以体会伽利略从未梦想过的精彩天空。
对于希望简便的机械设计、高可靠性、方便使用的人来说，折射式望远镜是很受欢迎的设计。
因为焦距由镜管的长度决定，通常超过4英寸口径的折射望远镜将变的非常笨重和昂贵，这在一定程度上限制了折射望远镜的经济口径，但对于更喜欢操作的易用性和通用性的初学者，折射望远镜仍然是是一个很好的选择。
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引自：胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出版社，2013.7.1
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.2 天文望远镜的历史
1839年，英国工程师J.Nasmyth制成可方便手调的地平式望 远镜，口径51cm。
引自：胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出版社，2013.7.1
天文光谱观测设备
天文光谱观测设备简介 LAMOST低色散天文光谱观测设备 LAMOST高色散天文光谱观测设备 基于积分视场单元的天文光谱观测设备 国际上8～10 米望远镜终端天文光谱观测设备
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第5章 典型的天文望远镜光学系统
朱永田 李常伟
天文与空间科学学院 天文技术与方法教研室 中国科学院大学
5.2.1 望远镜的口径
如图所示，望远镜的口径即望远镜的实际通光口径
D
(a) 折射式
(b)反射式
望远镜的口径决定了： (1) 望远镜的极限角分辨率 = 1.22 (2) 望远镜的集光能力 D 2
D
受大气湍流影响，口径大 于20 cm的望远镜的实际 分辨率与口径10-20 cm 的望远镜的实际分辨率相 当！ 18
2f
望远镜的视场决定了望远 镜的观测效率，是望远镜 的一个重要参数； 通常巡天望远镜需要大视 场，而精测望远镜则只需 小视场即可。
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5.2 天文望远镜的主要参数
5.2.4 望远镜的实际分辨率
望远镜的实际分辨率取决于三个方面 极限分辨率取决于望远镜的口径 口径越大，角分辨率越高； =1.22 D 大气视宁度 由于大气湍流的影响，大口径望远镜的实际分辨率远小于其 极限分辨率 =0.98 , r0为大气相干常数
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5.4 地基天文望远镜
F
5.4.2 反射式望远镜
5.4.2.1
常用反射系统及焦点 3. 卡塞格林系统 对于主焦系统，在主焦点前放置一块面型为凸双 曲面的副镜，抛物镜的焦点和凸双曲面副镜较近的 一焦点重合，则光束经过双曲面镜汇聚至双曲面的 另一焦点，即卡塞格林焦点，该系统称为卡塞格林 系统。卡塞格林系统焦点位于主镜后方，易于接收， 观测方便，能放置较大的观测设备，常在天文望远 镜中使用。由于不采用球面，该系统没有球差，但 有彗
F2
引自：胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出版社，2013.7.1
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.2 天文望远镜的历史
1611年开普勒发明“开普勒望远镜”，物镜和目镜均采用凸 透镜，因目镜设置在物镜焦点之后，故可放置十字丝，但目 视为倒像。
引自：胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出版社，2013.7.1 10
A B C D
D′ C′ B′ A′
(a) 畸变形成的示意图
(b) 正畸变(枕形畸变) 和负畸变(桶形畸变)示 意图，图中虚线为同 心方框的理想像。
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5.3 天文望远镜的主要像差
5.3.6 色差
由于光学材料对不同波长的光具有不同的折射率，星光经过 折射型望远镜时，不同波长的光会被汇聚到不同位置，导致 像面模糊。因此，为了避免色差，望远镜，特别是大口径望 远镜，甚至望远镜后续光学系统的光学元件都采用反射式元 件。 色差需要采用色散改正镜校正。如校正大气色散的大气色散 改正镜ADC。
胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出 版社，2013.7.1。
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.1天文观测的重要工具— —天文望远镜
天文观测，实际上就是收集、分析宇宙中来自天体的辐射， 从中获取天体信息的过程。而天文学研究，也只能通过天文观 测来发现天体及天文现象的存在，并揭示这些现象的本质，提 炼凝结为理论。然而，理论的正确与否仍要通过天文观测来证 实。 因此，天文学的发展，主要决定于天文观测手段的进步和提高。
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.2 天文望远镜的历史
1931年，德国光学家B.V.Schmidt发明了施密特望远镜。该 望远镜的光路由一接近平行平板的非球面改正镜和一球面镜 组成，改正镜校正球面镜的球差。大视场望远镜
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.2 天文望远镜的历史
1940年，苏联光学家 ..Makcytob发明马克苏托夫折反射 望远镜。马克苏托夫望远镜同施密特望远镜一样也属于大视 场望远镜。与后者相比，镜筒较短，无非球面（易于加工）； 但弯月透镜较重。
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.1天文观测的重要工具— —天文望远镜
早期的天文观测靠人眼，但人眼收集和分析天体辐射能力有限。
人眼收集辐射波段受限；人眼只能接收到400 nm～750 nm的可 见光，超出此范围的电磁辐射无法接受到。
人眼收集辐射能力(正比于口径的平方)有限；人眼瞳孔直径约 1.5～8毫米，只能收集到很小一部分可见光。因此，人眼能观测 到的最暗弱的天体只有6等星左右。
5.4.2 反射式望远镜
5.4.2.1
常用反射系统及焦点 1. 主焦点系统 当望远镜主镜为旋转抛物面时，入射的星光将被将 会聚于抛物面的焦点上，形成完善的点像，这个系 统称主焦系统，主镜直接会聚成的像点，称为主焦 点。对于主焦系统，由于主焦点位于入射光路中， 不适合放置较大的终端设备。但由于反射面少，光 能损失较小。
(a) 轴向色差
(b) 横向色差
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5.4 地基天文望远镜
5.4.1 折射式望远镜(Ⅰ): 伽利略望远镜
由一个凸透镜和一个凹透镜组成，且凸透镜的第二焦点和凹 透镜的第一焦点重合。
F1
F2
f1 M 0， f2
正透镜的第二焦距 f1 为正，负透镜的第一焦距 f 2 亦为正
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5.3 天文望远镜的主要像差
5.3.4 场曲
轴外像差，不同方向的入射光的焦点不在同一平面内，导致 像面弯曲，弯曲的像面相对于近轴焦面的偏离，即场曲；可 以通过弯曲的胶片校正场曲。
25
5.3 天文望远镜的主要像差
5.3.5 畸变
轴外像差，扩展物体不同部分的像在像面上具有不同的放大 率，如图所示，A点放大率最大，D点的放大率最小，导致图 像失真。
本章主要内容
5.1 天文观测与天文望远镜 5.2 天文望远镜的主要参数 5.3 天文望远镜的主要像差 5.4 地基天文望远镜 5.5 空间望远镜
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参考书
潘君骅，光学非球面设计、加工与检验，苏州大学出 版社，2004。
D. J. Schroeder，Astronomical optics，2ed，Academic press，2000。
第5章 典型的天文望远镜光学系统 & 天文光谱观测设备专题
朱永田 李常伟
天文与空间科学学院 天文技术与方法教研室 中国科学院大学
主要内容
典型的天文望远镜光学系统
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
天文观测与天文望远镜 天文望远镜的主要参数 天文望远镜的主要像差 地基天文望远镜 空间望远镜
开普勒望远镜镜筒是两个透镜的焦距之和，成倒立的像。
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5.4 地基天文望远镜
5.4.1 伽利略、开普勒望远镜的比较
伽利略望远镜 镜筒短 成正像 放大率为正 视场小 开普勒望远镜 镜筒长 成倒像 放大率为负 视场大 镜筒内有实焦点，可放叉丝、刻度尺
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5.4 地基天文望远镜
r0
望远镜本身的成像质量 望远镜的光学设计、加工、装调，以及环境温度、重力等因 素的影响。 21
5.3 天文望远镜的主要像差
5.3.1 球差
轴上像差，任何球面光学元件都有球差，而且口径越大，球 差越大；通常采用离焦或者高阶球差补偿，或者采用非球面。
(a) 有限共轭情况下
(b) 无限共轭情况下
伽利略望远镜镜筒是两个透镜的焦距之差，成正立的像。28
5.4 地基天文望远镜
5.4.1 折射式望远镜(Ⅱ): 开普勒望远镜
由两个凸透镜组成，且第一个凸透镜的第二焦点和第二个凸 透镜的第一焦点重合。
1 2
F2 F1
f1 0， f2
M
第一个正透镜的第二焦距 f1 为正，第二个正透镜的第一焦距为负
人眼“曝光时间”有限；“曝光时间”1/24 s (超过24 Hz，捕捉 不到)，且不能累加积分。
人眼角分辨率有限；根据波动光学，光学系统的角分辨率与口径 成反比。
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.1天文观测的重要工具— —天文望远镜
由于人眼的观测和收集天体辐射的能力非常有限，为了更有 效地探测天体，必须借助天文仪器— —天文望远镜。
引自：胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出版社，2013.7.1
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.2 天文望远镜的历史
1668年牛顿发明反射式望远镜，球面主镜，采用45 小平面 镜将焦点移出镜筒，口径2.5cm，镜筒长15cm。
引自：胡企千，姚正秋，天文望远镜设计，中国科学技术出版社，2013.7.1
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5.1 天文观测与天文望远镜
5.1.3天文望远镜的分类
X 射线望远镜 紫外望远镜 按工作波段 光学望远镜 红外望远镜 射电望远镜
折射式望远镜 按工作方式 反射式望远镜 折反射望远镜 地基望远镜 按工作地点 空间望远镜