伽利略望远镜的原理及光路图

望远镜的基本原理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。

一般分为三种。

一、折射望远镜折射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。

两种望远镜的成像原理如图1所示。

图1伽利略望远镜是物镜是凸透镜而目镜是凹透镜的望远镜。

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，但它的视野比较小。

把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。

伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。

其优点是结构简单，能直接成正像。

开普勒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。

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，如图2所示。

一、折射式望远镜上图为开普勒望远镜原理光路图。

从天体射来的平行光线，经物镜后，在焦点以外距焦点很近处成一倒立缩小实像a′b′。

目镜的前焦点和物镜的焦点是重合的，所以实像a′b′位于目镜和它的焦点之间距焦点很近的地方，目镜以a′b′为物形成放大的虚像ab。

当我们对着目镜观察时，进入眼睛的光线就好像是从ab射来的。

显然，图中ab的视角β远大于直接用眼睛观察天体的视角a，所以，从望远镜中看到的天体使人觉得离自己近看得更清楚。

开普勒望远镜系统是目前应用最广泛的望远镜光学系统，实际应用中还需要增加正像系统，作为双筒望远镜，一般是通过棱镜来实现，根据棱镜种类的不同，分为保罗式和屋脊式，棱镜的作用是在获得正像的同时，使光线在有限长度的镜筒内反复迂回，从而大大缩短光路，这一点对于手持式望远镜是非常重要的，早期的望远镜的物镜甚至需要吊在桅杆上，人们不可能把这样的望远镜随身携带，随意观测的。

下图为伽利略望远镜原理光路图。

作为目镜的凸透镜改为凹透镜，从而使人眼睛接收到一个正立的虚像。

伽利略望远镜是一种古老的观剧望远镜，能直接成立正像，但视场较小，现在一般应用于玩具望远镜，以及外观精美的观剧望远镜，高倍单筒望远镜等更倾向于作为工艺礼品的望远镜产品。

二、反射式望远镜使用凹面主镜采集光线反射形成图像，上图是典型的牛顿反射式天文望远镜，光线被反射到镜筒内一块小的平板反射副镜到目镜成像观测。

反射式望远镜能以较低的成本获得较大的口径，从而获得较好的集光力，同时能很好的控制色差，因此至今仍被广泛应用于天文望远镜系统。

三、折反式望远镜施密特结构马克苏托夫结构折反射望远镜的物镜是由折射镜和反射镜组合而成。

主镜是球面反射镜，副镜是一个透镜，用来矫正主镜的像差。

此类望远镜视场大，光力强，适合观测流星，彗星，以及巡天寻找新天体。

根据副镜的形状，折反射镜又可以分为施密特结构和马克苏托夫结构，前者视场大，像差小；后者易于制造。

兼顾折射和反射式天文望远镜的优点，既有大口径采光特点又有反射后折射到焦点成像的高质量和高分辩率。

伽利略望远镜设计
1.物镜：物镜是望远镜的主镜，通常由凹透镜制成。

它的作用是聚集
远处的光线，使得光线能够汇聚在焦点上，从而形成一个放大的图像。

物
镜的直径越大，能够收集的光线也就越多，从而提高望远镜的分辨率。

2.目镜：目镜是用来放大物镜聚焦的光线，使观察者能够看到清晰的
图像。

目镜通常由凸透镜制成，其作用是将物镜聚焦的光线进一步放大，
并将图像投影到观察者的眼睛上。

3.焦距和放大倍数：伽利略望远镜的焦距是由物镜和目镜的组合决定的。

通常情况下，物镜的焦距比目镜的焦距要长，这样可以获得较大的放
大倍数。

放大倍数等于物镜焦距和目镜焦距的比值。

4.支架和调焦机构：伽利略望远镜通常使用一个稳固的支架来支撑物
镜和目镜，保持它们的相对位置和角度。

同时，望远镜还配备了调焦机构，使观察者能够调整目镜与物镜的距离，从而实现清晰的焦点。

伽利略望远镜的工作原理是，在光线通过物镜之后，汇聚到焦点上形
成一个实像。

然后，目镜将实像再次放大，并使其投影到观察者的眼睛上，观察者就可以看到放大的图像。

由于人眼无法直接看到实像，所以需要目
镜起到放大和折射的作用。

总而言之，伽利略望远镜的设计是基于凹透镜和凸透镜的组合，通过
调节物镜和目镜之间的焦距和放大倍数，使观察者能够看到远处的物体。

这种设计原理为天文学的发展做出了巨大贡献，也为后来更先进的望远镜
设计奠定了基础。

伽利略望远镜成像原理
伽利略望远镜的成像原理是基于凸透镜的折射性质。

当远处物体在凸透镜的近焦点附近时，透镜会使光线发生折射，聚焦到与物体相对的位置上。

这样，人眼就可以通过观察镜头另一侧的光线来观察到放大的物体图像。

具体来说，当光线从物体反射或透过物体后进入透镜时，透镜会使光线发生弯曲，使其聚焦于焦点上。

对于凸透镜来说，光线从物体上方或下方入射时，会在透镜与主光轴相交的点上聚焦。

同时，这个聚焦点也是物体到透镜近焦点的距离的两倍。

通过调整透镜与物体之间的距离，可以控制透镜的放大倍数。

当物体与透镜的距离逐渐减小时，观察者可以看到一个更大的图像。

然而，如果距离过近，图像可能会出现失真或变形。

因此，在使用伽利略望远镜时，需要仔细选择适当的物体与透镜的距离，以获得最佳的观察效果。

总的来说，伽利略望远镜利用凸透镜的折射特性将光线聚焦，实现物体的放大观察。

这种原理为后来望远镜的发展奠定了基础，并在科学研究、天文观测等领域起到了重要作用。

伽利略望远镜设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ伽利略望远镜设计报告1. 总体设计要求及方法课题要求设计一个伽利略望远系统，要求:放大倍率为5X,筒长为2５0m ｍ,物镜最大直径不大于25m ｍ,接受器为人眼。

伽利略望远镜是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成,其放大倍率大于1。

光路图如下:图 1 伽利略望远镜光路图为对光学系统进行迭代设计和优化,采用光学设计软件Ｚｅmax 对望远镜的物镜、目镜分别进行建模和优化,以取代繁琐复杂的光路计算。

之后再将二者组合建模，并对最后的成像质量进行详细的评价。

２. 光学系统设计２.1 初步参数设计根据系统设计要求，镜筒长度25０mm ，而物镜到目镜的间距为:'o e l f f =-视觉放大率要求为5x,故有：'/5o e f f =l 应当略小于筒长，因此将l 设计为２４0ｍｍ,计算得出物镜焦距ｆo ’为３0０m ｍ，目镜焦距ｆe 为60mm 。

伽利略望远镜一般以人眼作为视场光阑，物镜框为视场光阑,同时为望远系统的入射窗。

由于视场光阑不与物面重合，因此伽利略望远镜一般存在渐晕现象。

出瞳应位于人眼观察处,为方便观察,设定出瞳距离目镜１５ｍm 处，物镜的直径为25ｍm,因此出瞳据物镜距离为：''2z o e z l f f l =-+当视场为50％渐晕时,望远镜的视场角为:tan Z D l ω=计算得出望远镜的视场角ω为２.8°，可见伽利略望远镜的视场非常小。

2．1 物镜设计2.１.1 结构选择一般有三种结构形式：折射式、反射式和折返式。

而一般军用光学仪器和计量仪器中使用的望远镜物镜为折射式物镜。

单透镜的色差和球差都相当严重,现代望远镜一般都采用两块或多块透镜组成的镜组。

其中又可分为双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜、摄远物镜，如下图所示。

伽利略望远镜工作原理
伽利略望远镜的工作原理可以简单描述为：通过透镜或物镜将远处物体的光线聚焦在焦平面上，然后通过目镜或目标镜将焦平面上的图像放大并观察。

具体的工作原理如下：
1. 透镜或物镜：伽利略望远镜通常使用凸透镜作为物镜，它具有将光线聚焦的能力。

当入射光线通过物镜时，会受到折射作用，使得光线会集中到一个点上，这个点即为物镜的焦点。

光线从远处的物体上射入物镜，然后经过折射后会在焦点处交汇。

2. 目镜或目标镜：伽利略望远镜通常使用凹透镜作为目镜，它具有放大图像的功能。

焦平面是物镜聚焦光线的位置，目镜放置在焦平面上。

当光线聚焦在焦平面上时，目镜会将焦平面上的图像放大，并允许观察者通过目镜来观察物体。

3. 放大物体：由于目镜是凹透镜，所以放大物体。

当光线通过目镜时，它们会再次发生折射，这个过程会使图像放大。

4. 观察：观察者通过目镜来看到目标物体。

视觉信息从目标物体经过伽利略望远镜的光学系统后被观察者眼睛接收，从而使观察者能够看到远处的物体更加清晰和放大。

需要注意的是，这仅是伽利略望远镜的基本工作原理，而实际的望远镜可能会包括更复杂的光学元件和系统，以提供更高的放大倍数和更清晰的图像质量。

望远镜的基本原理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。

一般分为三种。

一、折射望远镜折射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。

两种望远镜的成像原理如图1所示。

图1伽利略望远镜是物镜是凸透镜而目镜是凹透镜的望远镜。

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，但它的视野比较小。

把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。

伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。

其优点是结构简单，能直接成正像。

开普勒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。

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，如图2所示。

一、折射望远镜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。

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。

伽利略望远镜光路图开普勒望远镜光路图二、反射望远镜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、格雷果里望远镜、折轴望远镜几种类型。

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。

伽利略望远镜的原理及光路图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，但它的视野比较小。

把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。

你可以用很低的费用制作一架伽利略式望远镜。

从文化用品商店买一块直径、焦距大一些的眼镜片作为物镜和一块焦距、直径较小的透镜作为目镜。

用胶水和小槽把两块镜片装在硬纸筒内，再做一个简单的台座，于是一架能够看到月亮上的群山、银河中的繁星和木星的卫星的望远镜便制成了。

想想看，伽利略就是用这人发现的。

但是切记，不要通过望远镜直接观察太阳，以免高温灼伤眼睛！伽利略的折射望远镜有一个令人讨厌的缺点，就是在明亮物体周围产生“假色”。

“假色”产生的症结在于通常所谓的“白光”根本不是白颜色的光，而是由组成彩虹的从红到紫的所有色光混合而成的。

当光束进入物镜并被折射时，各种色光的折射程度不同，因此成像的焦点也不同，模糊就产生了。

1611年，另一位天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。

现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式。

但是“假色”问题仍然未能解决。

利珀希不是天文学家，从未想过把自己的新装置对准天空。

但是没过多久，关于他的发现的消息传开了。

幸运地是，意大利的帕多瓦大学教授伽利略得知了此事。

伽利略很快就制造了一台折射望远镜。

他以平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜。

从待研究的物体发出的光照射到望远镜物镜的一个玻璃透镜上，物镜使光线折射并把它集中于称为焦点的一点上，在那里便形成了发光体的像。

这个像被目镜的透镜放大，进入人眼。

伽利略望远镜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，但它的视野比较小。

把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。

你可以用很低的费用制作一架伽利略式望远镜。

从文化用品商店买一块直径、焦距大一些的眼镜片作为物镜和一块焦距、直径较小的透镜作为目镜。

用胶水和小槽把两块镜片装在硬纸筒内，再做一个简单的台座，于是一架能够看到月亮上的群山、银河中的繁星和木星的卫星的望远镜便制成了。

想想看，伽利略就是用这人发现的。

但是切记，不要通过望远镜直接观察太阳，以免高温灼伤眼睛！伽利略的折射望远镜有一个令人讨厌的缺点，就是在明亮物体周围产生“假色”。

“假色”产生的症结在于通常所谓的“白光”根本不是白颜色的光，而是由组成彩虹的从红到紫的所有色光混合而成的。

当光束进入物镜并被折射时，各种色光的折射程度不同，因此成像的焦点也不同，模糊就产生了。

1611年，另一位天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。

现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式。

但是“假色”问题仍然未能解决。

利珀希不是天文学家，从未想过把自己的新装置对准天空。

但是没过多久，关于他的发现的消息传开了。

幸运地是，意大利的帕多瓦大学教授伽利略得知了此事。

伽利略很快就制造了一台折射望远镜。

他以平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜。

从待研究的物体发出的光照射到望远镜物镜的一个玻璃透镜上，物镜使光线折射并把它集中于称为焦点的一点上，在那里便形成了发光体的像。

这个像被目镜的透镜放大，进入人眼。

开普勒望远镜原理由两个凸透镜构成。