简易光学仪器设计参考资料(给学生)
短学期简易望远镜的设计与制作
短学期简易望远镜的设计与制作引言：望远镜是一种光学仪器，用来观察远距离的天体和地面物体。
随着科技的发展，望远镜的种类越来越多样化，并且价格不断下降，已经成为了人们探索宇宙和观察自然的重要工具之一、在本文中，我将介绍一种简易望远镜的设计和制作方法，帮助读者理解望远镜的基本原理，并且可以通过自己动手制作一个简易望远镜来观察天体。
一、设计思路：我们的简易望远镜主要由两个部分组成：物镜和目镜。
物镜是用来收集光线的，而目镜则是用来放大图像的。
通过这两个镜头的组合，我们可以看到远处的景物。
二、制作步骤：1.制作物镜：物镜是望远镜的核心部分，负责收集远处的光线。
我们可以使用一个凸透镜作为物镜。
选择一个透镜的焦距，可以根据自己的需求来决定，一般可以选择50mm左右的焦距。
然后，将透镜固定在一个适当大小的圆圈上，可以使用胶水或者胶带进行固定。
确保透镜的前表面平坦无瑕疵，并且与固定圆圈平行。
2.制作目镜：目镜是用来放大图像的，我们可以使用一个凸透镜作为目镜。
目镜的焦距可以选择稍微小一些，比如30mm左右。
同样地，将透镜固定在一个适当大小的圆圈上，并确保透镜的前表面平坦无瑕疵，并且与固定圆圈平行。
3.组装望远镜：将物镜和目镜固定在两根合适的管子上，使得两个镜头的距离等于物镜和焦距之和。
如果需要，可以使用胶带或者胶水进行固定。
确保两个镜头之间的距离合适，使得观察者可以调节焦距以获得清晰的图像。
另外，为了方便观察，可以在望远镜的一端固定一个小支架，以便将其放置在一个稳定的位置上。
4.使用望远镜：将望远镜对准你希望观察的目标，然后通过目镜看到的图像将被放大。
可以通过调整目镜和物镜之间的距离来调节焦距和放大倍数，以获得最佳的观察效果。
另外，也可以使用望远镜支架来固定望远镜，以减少手持望远镜时的晃动。
总结：通过以上步骤，我们成功地设计和制作了一个简易望远镜。
虽然它可能没有商业望远镜的高倍放大和精确成像，但它足够用来观察一些基本的天体和地面物体。
大学物理实验光学仪器的设计
李振声 物理教研室
显微镜——为人类打 开了“近在眼前”的微小世 界的大门
望远镜——则帮助人类揭 示了“远在天边”的星球世 界的奥秘
实验目的
重点 学会透镜焦距的测量方法。
掌握光学仪器系统的设计、测试的基本方
法
难点
应用提供的透镜、光具座及基本的测试工 具，设计并组装望远镜、显微镜
一个倒立放大的实像I1。 （6）再经大焦距的目镜后在大于明视距离外成一放大的虚
像I2供眼睛观察。
注意共轴调节
四、望远镜角放大率的测量方法
物像共轭法测量
物镜和目镜之间的距离等于两透镜焦距之和。
在物镜前方加上直尺，在目镜后方插上光屏。
将无穷远处的物体（直尺）逐渐移至物镜前方， 在光屏上成一缩小的像y3，并量之。
2、折反射望远镜 。在球面反射镜的基础上，再 加入用于校正像差的折射元件 ,以消除球面差。
施 密 特 望 远 镜
1931年美国施密特发明
马 克 苏 托 望 远 镜
1940年苏联光学家马克苏托发明
3、折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜。
意大利物理学家伽 利略1609年发明望 远镜
德国天文学家 开普勒
2、二次成像法（共轭法或位移法）测焦距的原理
首先确定物象间的距离D>4f。
如果透镜在这个距离之间能有 两个成像（一个放大的，另一
个缩小的），且两次透镜位置
间的距离为d，则
D2 d2 f
4D
3、物距像距法测量焦距（高斯公式法）
1 1 1 移动像屏得到一个清 f u v 晰的与物相似的倒立
（1）物镜的焦距大于目镜的焦距。 （2）物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合。 （3）物体经大焦距的物镜后在焦平面上成缩小的实像。(物
光学仪器制作
自选实验——光学仪器的制作一 实验原理1.光学仪器的角放大率放大率是某些光学仪器的主要特征参数。
投影仪和放大机将物体放大成实像显示在屏幕上，用线性放大率β表示其放大能力；而望远镜和显微镜则主要增大远处的物体或近处微小的物体对眼睛的张角（视角大，物体在视网膜上成像就大），用角放大率M 表示它们的放大本领。
因为同1件物体对眼睛的张角和物体离眼睛的距离有关，故在角放大率的定义中必须对物体和像的位置作具体的规定。
对望远镜和显微镜规定，以像距离25cm （明视距离）处的放大率为仪器的放大率。
用纤维和望远镜观察物体时，通常视角甚小，因此视角之比可用其正切之比代替于是光学仪器的放大率可近似写成θtan /tan ψ=M式中ψ为通过光学仪器观测物体时，虚像在明视距离处对眼睛的张角；θ为不用光学仪器时，物体位于明视距离处对眼睛的张角。
凸透镜是最简单的放大镜。
下面以凸透镜为例，讨论它的放大率。
如下图所示，讨论它的放大率。
图 凸透镜放大示意图长度为y 的物体AB 在明视距离D 处对人眼的张角为θ。
当物体AB 放在透镜L的焦平内侧时，调整物距u 使像到人眼的距离为明视距离D ，得到高度为Y 的虚像ab 。
当眼睛紧靠凸透镜时，此时视角即为像对眼睛的张角ψ。
则此时放大镜的角放大率为 βθψ====yY D y D Y M //tan /tan 由此可知，放大镜的角放大率与线性放大率在数值上相等。
最简单的显微镜和望远镜都是由两个正透镜组成。
靠近被观察物体的是物镜，靠近人眼的是目镜。
物镜的作用是使物体成一位于目镜物方焦点以内、靠近物方焦点或位于物方焦点处的实像；目镜则起到放大镜的作用。
显微镜和望远镜虽然基本结构相同，但功能各异。
显微镜是用来观察近处微小物体的细节，而望远镜则是用来观察远处大物体的细节，它们都是延展人眼功能的助视光学仪器。
投影仪器包括电影放映机、幻灯机、印相放大机以及绘图用的投影仪等。
它的主要部分是一个会聚的投影镜头，将画片成放大的实像于屏幕上。
简易光学仪器设计参考资料(给学生)
设计性实验参考资料：简易光学仪器设计一、供选择的仪器凸透镜（150mm一个，70mm一个，45mm 一个）、显微测微尺，显微镜目镜，显微镜物镜、光源、光具座、物屏、像屏、支架、透镜夹，干板夹，过渡架、游标卡尺、卷尺、透明直尺等二、设计要求1．设计测量凸透镜焦距的原理、方法和步骤。
（要求高斯公式法和共轭法两种方法必做，并在实验中比较优缺点）2．设计望远镜并测量角放大率。
（望远镜与显微镜选做一个）3．设计显微镜并测量角放大率。
上述设计中应有光路图、计算公式和大致操作步骤三、实验原理（一）凸透镜焦距的测量原理1、自准直法如右图所示，把物体放在凸透镜的焦平面上时，物体上各点发出的光线经过透镜折射后成为平行光，如果在透镜后垂直放置一块平面反射镜，平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，这个像与原物大小相等，是倒立的实像。
前后移动透镜位置，当在物平面上得到一个清晰的倒立的实像时，物屏到透镜中心的距离就是该透镜的焦距。
这种测量透镜焦距的方法称为自准直法，能比较迅速、直接测得焦距的数值，自准直法也是光学仪器调节中常用的重要方法。
2、共轭法（两次成像法，位移法）如图所示，使物屏与像屏之间的距离D大于透镜4倍焦距时，沿光轴方向前后移动透镜，可在像屏上观察到一个放大的和一个缩小的倒立的实像。
透镜两次成像时的间距为d。
测出D和d，就可计算出凸透镜的焦距：224D d fD-=3、高斯公式法（物距像距法）在近轴光线条件下，薄透镜成像公式为：111u v f+= 式中u 为物距，v 为像距，f 为薄透镜焦距。
只要量出 u 、v ，即可由公式求出焦距 f'。
（二）望远镜的组装1、望远镜的构造及其放大原理望远镜通常是由两个共轴光学系统组成，我们把它简化为两个凸透镜，其中长焦距的凸透镜作为物镜，短焦距的凸透镜作为目镜。
物镜的作用是将远处物体发出的光经会聚后在目镜物方焦平面上生成一倒立的实像，而目镜起一放大镜作用，把其物方焦平面上的倒立实像再放大成一虚像，供人眼观察。
光学设计案例范文
光学设计案例范文
一种小型望远镜的光学设计案例
本文介绍了一种小型望远镜的光学设计案例，包括了望远镜的选型、
光学系统的配置以及最终系统的成象性能等细节。
首先，本案例的望远镜选型采用Ritchey-Chrétien型，其拥有高抗
异性象差的能力，较为合适本案例的要求。
该望远镜的参数设置为：望远镜初步参数：焦距：650mm；折射镜及反射镜尺寸：Φ100mm；
光道长度：650mm。
其次，根据望远镜的参数选择，本案例的光学系统配置采用的是一种
简单的全场图像系统，光学系统的组件包括：
1、正反射镜：选用的是高质量的反射镜，其像差特性高，表面光度
均一，折射率为95％。
2、双环镜：选用的是安裝正反射镜后的双环镜，采用的是双环设计，以提高系统的像差抑制能力和色差表现能力。
3、补偿片组：采用的是全玻片补偿片组，可以有效补偿系统的异性
象差，以及使系统具有良好的不变曲率特性。
4、全场图像：选用的是全场视场视力，可以有效抑制象差，并保证
视场均匀度。
最后根据光学系统的配置和参数，可以计算出最终的系统性能，包括
视场视觉能力、象差抑制能力以及色差表现能力等。
光学仪器实验设计 - 构建和使用常见的光学仪器和设备
根据可视化结果，对实验现象进行深入讨论。分析实验条件对结果的影响，以及可能存在 的误差来源。通过与理论预测或先前研究结果的比较，验证实验结果的可靠性和准确性。
结论与展望
总结实验结果，指出研究的意义和价值。同时，提出改进实验设计或进一步研究的建议， 以促进光学仪器和实验技术的发展。
05
光学仪器使用注意事项及维护保养策
说明如何操作分光计进行光谱分析，包括光源选 择、波长校准、数据处理等步骤。
干涉仪
干涉仪类型
介绍迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等不同类型的干涉仪及 其应用领域。
干涉仪结构
解释干涉仪的主要组成部分，如激光源、分束器、反射镜、探测器 等。
使用方法
指导如何操作干涉仪进行光学测量，包括系统搭建、光路调整、数 据采集与处理等步骤。
望远镜结构
解释望远镜的主要组成部 分，如物镜、目镜、镜筒 、支架等。
使用方法
指导如何正确使用望远镜 进行天文观测，包括安装 、校准、观测技巧等。
分光计
分光计类型
介绍棱镜分光计、光栅分光计等不同类型的分光 计及其工作原理。
分光计结构
详细解释分光计的主要组成部分，如入射狭缝、 色散元件、出射狭缝等。
使用方法
境因素的控制。
04
光学实验数据处理与分析方法
数据采集与整理
数据采集
使用高精度测量设备，如光谱仪、干 涉仪等，获取实验数据。确保采集过 程中环境稳定，避免外部干扰。
数据整理
对采集到的数据进行分类、筛选和归 档。去除异常数据，保留有效数据， 以便后续处理和分析。
数据处理技巧和方法
数据预处理
对数据进行平滑处理，消除噪声和误差。可采用移动平均、滤波等 方法。
光学小制作
光学科学探究实验室光学编号名称规格探究课题01 魔箱尺寸：300x300x320探究课题：研究平面镜成像原理的应用02 变色龙尺寸：260x230x330探究课题：研究颜色变化与不同色光照射的关系03 角反射器尺寸：420x290x400探究课题：光反射原理及平面镜组合应用04 翻转的镜像尺寸：380x240x240探究课题：探究翻转的镜像内平面镜组成像的特点05 小球变大球尺寸：430x390x490探究课题：研究四面镜子多次反射成像的特点06 你中有我、我中有你尺寸：370x200x600探究课题：研究多个条形平面镜有间隔分布时成像的特点07 笼中鸟尺寸：260x230x390探究课题：探究视觉暂留现象及规律08 颜料的混合尺寸：260x230x180探究课题：探究七色光合成白色光现象09 光通讯实验系统尺寸：300x200x80探究课题：探究光波的调制与信息传播方法10 神奇辉光人体感应导电球，辉光球尺寸：200x200x350探究课题：观察研究气体分子电离发光现象11 万花筒尺寸：240x170x150探究课题：探究万花筒内平面镜组成像的特点12 多像镜尺寸：545x275x335探究课题：探究成像个数与镜间夹角的关系13 窥视无穷尺寸：360x360x500探究课题：小学：探究平面镜成像的特点；初中：探究平面镜成像的规律；高中：探究平面镜多次成像的规律。
14 潜望镜尺寸：600x220x80探究课题：光的直线传播与反射原理的应用15 光的反射演示仪1 345x245x210探究课题：探究光的反射规律16 光的反射演示仪2 尺寸：260x260x40比较平面镜、凸面镜、凹面镜的反射规律17 小孔成像尺寸：300x150x180探究课题：探究小孔成像的原理18 三棱镜600x200x270探究课题：探究光的折射以及色散现象19 模拟彩虹尺寸：600x200x235探究课题：研究彩虹形成的原因20 太阳钟尺寸：250x250x160探究课题：研究利用太阳光影计时的方法21 光的合成探究实验仪尺寸：280x200x395探究课题：探究三基色合成的原理22 组合式眼球模型尺寸：340x240x250探究课题：研究凸透镜成像的规律，认识眼球的结构23 红光外侧的热效应尺寸：600x200x250探究课题：相同功率的红外灯和白炽灯比较，在相同时间内，哪个发热多？红外线有什么作用？24 早霞与晚霞尺寸：800*500*30025 光纤灯探究课题：1.探究光纤的原理。
光学仪器的原理与设计
光学仪器的原理与设计光学仪器是利用光的传播和相互作用的原理，用于观测、测量和分析物体的工具。
它们在科学研究、医学诊断、工业制造等领域发挥着重要作用。
本文将介绍光学仪器的原理和设计，以及一些典型的光学仪器。
一、光的传播与相互作用原理光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光学仪器中，光的传播和相互作用是其基本原理。
光的传播可以通过折射、反射和散射等现象实现。
折射是光从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象，而反射是光从界面上的介质返回原来的介质的现象。
散射是光在物质中遇到不均匀性时改变传播方向的现象。
光的相互作用包括吸收、发射和干涉等现象。
吸收是光能量被物质吸收并转化为其他形式能量的过程。
发射是物质向外辐射光能的过程。
干涉是两束或多束光相互干涉形成干涉条纹的现象，利用干涉现象可以实现测量和分析。
二、光学仪器的设计原则光学仪器的设计需要考虑光的传播和相互作用原理，以及实际应用的需求。
设计光学仪器时需要考虑以下几个方面的原则。
首先，光学仪器的设计需要考虑光的传播路径。
光的传播路径应尽量简洁，以减少光的损失和干扰。
例如，光学显微镜的设计中，要尽量减少透镜和物镜之间的光损失，以提高成像质量。
其次，光学仪器的设计需要考虑光的聚焦和分光。
聚焦是将光束集中到一个点或一个小区域的过程，而分光是将光束按照不同波长或不同方向进行分离的过程。
例如，分光光度计的设计中，要通过光栅或棱镜将光束按照不同波长进行分离，以进行光谱分析。
最后，光学仪器的设计需要考虑光的检测和信号处理。
光的检测是将光能转化为电信号的过程，而信号处理是对电信号进行放大、滤波和数字化等处理的过程。
例如，光电倍增管和光电二极管等光检测器可以将光能转化为电信号，然后通过放大器和滤波器对信号进行处理。
三、光学仪器的应用光学仪器在科学研究、医学诊断和工业制造等领域有着广泛的应用。
以下是一些典型的光学仪器。
首先，显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器。
它利用透镜或物镜将物体放大，使人眼能够清晰地观察到微小细节。
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物的大小
像的大小
Mi
1
2
3
4
5
望远镜角放大率理论值：
相对百分误差：
（三）显微镜角放大率测量
表4显微镜视角放大率的测量
fo=1.6cmfe=2.5cm光学筒长l=
测量次数
微尺格数×0.01mm
微尺像在直尺上的格数×1mm
Mi
1
2
3
4
5
显微镜角放大率理论值：
相对百分误差：
2．设计望远镜并测量角放大率。（望远镜与显微镜选做一个）
3．设计显微镜并测量角放大率。
上述设计中应有光路图、计算公式和大致操作步骤
三、实验原理
（一）凸透镜焦距的测量原理
1、自准直法
如右图所示，把物体放在凸透镜的焦平面上时，物体上各点发出的光线经过透镜折射后成为平行光，如果在透镜后垂直放置一块平面反射镜，平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，这个像与原物大小相等，是倒立的实像。前后移动透镜位置，当在物平面上得到一个清晰的倒立的实像时，物屏到透镜中心的距离就是该透镜的焦距。这种测量透镜焦距的方法称为自准直法，能比较迅速、直接测得焦距的数值，自准直法也是光学仪器调节中常用的重要方法。
（二）望远镜的组装
1、望远镜的构造及其放大原理
望远镜通常是由两个共轴光学系统组成，我们把它简化为两个凸透镜，其中长焦距的凸透镜作为物镜，短焦距的凸透镜作为目镜。物镜的作用是将远处物体发出的光经会聚后在目镜物方焦平面上生成一倒立的实像，而目镜起一放大镜作用，把其物方焦平面上的倒立实像再放大成一虚像，供人眼观察。
为了适于观察近处的物体，显微镜的焦距都很短。
2、显微镜的角放大率
显微镜的角放大率定义为像对人眼的张角的正切和物在明视距离D=250mm处时直接对人眼的张角的正切之比。于是由三角关系得
其中， 为物镜的线放大率， 为目镜的角放大率，l为显微镜镜筒的长度。从上式可看出，显微镜的物镜、目镜焦距越短，光学间隔越大，显微镜的放大倍数越大。
四、实验步骤
参考原理自行拟定实验步骤
五、实验数据记录参考表格，可自行设计数据记录表格
（一）凸透镜焦距测量
表1高斯公式法测量透镜焦距(单位：mm)
测量次数
u
v
fi
1
2
3
4
5
表2共轭法测量透镜焦距(单位：mm)
（参照表1自行拟定）
（二）望远镜角放大率测量
表3共轭法测望远镜视角放大率（单位：mm）
fo=fe=
设计性实验参考资料：
简易光学仪器设计
一、供选择的仪器
凸透镜（150mm一个，70mm一个，45mm一个）、显微测微尺，显微镜目镜，显微镜物镜、光源、光具座、物屏、像屏、支架、透镜夹，干板夹，过渡架、游标卡尺、卷尺、透明直尺等
二、设计要求
1．设计测量凸透镜焦距的原理、方法和步骤。（要求高斯公式法和共轭法两种方法必做，并在实验中比较优缺点）
3、显微镜角放大率的测量
用显微镜观察物体时，一般视角均甚小，因此视角之比可用其正切之比代替，于是放大率M可近似地写成
式中 是被测物的大小， 是在物体所处平面上被测物的虚像的大小。
在实验中，为了把放大的虚像 与 直接比较，常用目测法来进行测量。其方法是：选一个直尺作为被测物，如下图所示，将其置于距目镜25cm处（明视距离），再选一标尺（显微测微尺）并将它安放在距物镜略大于焦距处，用一只眼睛直接观察标尺，另一只眼睛通过显微镜观看显微测微尺的像。调节显微镜的目镜，使标尺和显微测微尺的像重合且没有视差，读出标尺和显微测微尺像重合区段内相对应的长度，即可得到显微镜的放大率。
3、望远镜角放大率的测量方法
实际测量望远镜系统的角放大率时，利用上图所示光路图。当物y较近时，物镜所成的像y’会位于物镜右侧（实像）或左侧（虚像），经目镜后，即成缩小的实像y’’，于是角放大率
（三）显微镜的组装
1、显微镜的基本光学系统
显微镜的光学系统由两个凸透镜共轴组成，其中，物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。如图所示，位于物镜物方焦点外侧附近的微小物体经物镜成一倒立的放大实像于目镜的物方焦点内侧，此实像再经目镜成放大的虚像于人眼的明视距离处或无穷远处。
2、共轭法（两次成像法，位移法）
如图所示，使物屏与像屏之间的距离D大于透镜4倍焦距时，沿光轴方向前后移动透镜，可在像屏上观察到一个放大的和一个缩小的倒立的实像。透镜两次成像时的间距为d。测出D和d，就可计算出凸透镜的焦距：
3、高斯公式法（物距像距法）
在近轴光线条件下，薄透镜成像公式为：
式中u为物距，v为像距，f为薄透镜焦距。只要量出u、v，即可由公式求出焦距f'。
如图所示为开普勒望远镜的光路示意图，图中L0为物镜，Le为目镜。用望远镜观察不同位置的物体时，只需调节物镜和目镜的相对位置，使物镜成的实像落在目镜物方焦平面上，这就是望远镜的“调焦”。
2、望远镜的角放大其物体像对人眼张角的正切与人眼直接观看物体时物体对人眼张角的正切之比。如上图所示，可得