望远镜系统设计

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。

伽利略望远镜zemax课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解伽利略望远镜的基本原理，掌握其结构与功能。

2. 学生能运用Zemax软件进行望远镜光学系统的模拟与优化。

3. 学生了解望远镜在科学探索中的应用和发展历程。

技能目标：1. 学生掌握Zemax软件的基本操作，能够建立望远镜的光学模型。

2. 学生通过实践操作，学会调整和优化望远镜光学系统，提高成像质量。

3. 学生具备运用望远镜进行天文观测的能力。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对科学研究的兴趣，激发探索宇宙的热情。

2. 学生在学习过程中，增强团队协作和沟通能力，培养合作精神。

3. 学生通过学习望远镜发展史，树立正确的科学观和价值观，增强民族自豪感。

本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。

课程目标明确，可衡量性强，有助于学生和教师在教学过程中清晰地了解预期成果。

通过本课程的学习，学生将能够掌握望远镜光学知识，运用Zemax软件进行实践操作，并在情感态度价值观方面得到全面提升。

二、教学内容1. 伽利略望远镜原理及结构- 望远镜发展简史- 伽利略望远镜的工作原理- 望远镜光学系统组成及其功能2. Zemax软件基本操作- 软件界面及功能介绍- 光学系统建模与仿真- 优化方法及其应用3. 望远镜光学系统设计与优化- 望远镜光学系统设计原则- 实例分析：伽利略望远镜光学系统设计- 光学系统成像质量评价与优化4. 天文观测实践- 望远镜使用方法与技巧- 实地观测：行星、恒星等天体的观测- 观测数据记录与分析5. 情感态度价值观培养- 望远镜在科学探索中的作用- 科学家精神及其启示- 团队协作与沟通能力的培养教学内容依据课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。

教学大纲明确，涵盖伽利略望远镜原理、Zemax软件应用、光学系统设计与优化、天文观测实践等方面，与课本内容紧密关联。

教学进度安排合理，使学生能够循序渐进地掌握相关知识和技能。

自动控制原理课程设计题目哈勃太空望远镜指向系统建模及性能分析学生姓名学号学院专业指导教师二Ｏ一一年月日目录1．系统介绍 (1)2．物理模型图 (1)3. 系统分析 (2)3.1哈勃太空望远镜指向系统的结构框图 (3)3.2 系统的信号流图 (3)3.3 相关函数的计算 (3)4.系统稳定性分析 (4)4.1 代入参数值 (4)4.2 根轨迹 (4)4.3 Bode图 (5)4.4 系统阶跃响应 (6)5 系统动态性能分析 (8)5.1延迟时间的计算 (8)5.2 上升时间的计算 (8)5.3峰值时间的计算 (8)5.4 超调量的计算 (9)5.5 调节时间的计算 (9)5.6 使用MATLAB求系统各动态性能指标 (9)6系统仿真 (12)7总结与体会 (14)参考文献 (15)1．系统介绍哈勃太空望远镜的2.4米的镜头拥有所有镜头中最光滑的表面，其指向系统能在644km以外将事业聚集在一枚硬币上。

望远镜的偏差在一次太空任务中得到了大范围的校正。

系统设计的目标是选择放大器增益Ka和具有增益调节的测速反馈系数K1，使指向系统满足如下的性能：1)在阶跃指令r(t)作用下，系统输出的超调量小于或等于10%；2）在斜坡输入作用下，稳态误差较小。

2．物理模型图图（1）3. 系统分析1）首先满足对阶跃输入超调量的要求。

令G(s)=K as(s+K1)=ωn2s(s+2ζωn)可得ωn=√K a,ζ=12√K a 因为σ%=100e−πζ√1−ζ2%解得ζ=√1+π（lnσ）2代入求出σ=0.1，求出ζ=0.59，取ζ=0.6，因而，在满足σ%≤10%的指标要求下，应选K1=2ζ√K a=1.2√K a2）满足斜坡输入作用下稳态误差的要求。

令r(t)=Bt,可知e ssr(∞)=BK =BK1K a其K a与K1选择应满足σ%≤10%要求，即应有K1=1.2√K a，故有e ssr(∞)=1.2B√K a上式表明，K a的选取应尽可能的大。

1.引言1.1 设计背景现代科学技术中，以典型精密透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部件的大口径光电系统的应用越来越广泛。

光学系统设计就是了解光学现象产生的条件，观察实验现象，将理论知识形象化、具体化，启迪思维，激发创造的过程。

在不考虑衍射效应的情况下，通过测量光学参数，掌握基本光学实验技术和技巧，根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构参数等。

即根据高斯公式、牛顿公式等对望远镜的外形尺寸等参数的基本计算、像差的设计以及转像系统的设计。

设计符合课程要求的开普勒式望远镜。

光学课程设计过程分为四个阶段：外形尺寸的计算、初始结构计算、像差的校正和平衡以及成像质量评价。

了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。

初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。

望远镜物镜的设计特点、常常用目镜的形式和相差分析。

望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学器件，能把远处的物体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得清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观测不可或缺的工具。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行出射的光学系统。

1.2 设计目的设计目的及意义：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转向系统的简易或设计原理。

了解光学设计中的PW法基本原理2.望远镜介绍2.1 望远镜种类广义上的望远镜不仅仅包括工作在可见光波段的光学望远镜，还包括射电，红外，紫外，X射线，甚至γ射线望远镜。

我们探讨的只限于光学望远镜。

根据物镜的种类可以分为三种：①折射望远镜折射望远镜的物镜由透镜或透镜组组成。

早期物镜为单片结构，色差和球差严重，使得观看到的天体带有彩色的光斑。

为了减少色差，人们拼命增大物镜的焦距。

直到19世纪末，人们发明了由两块折射率不同的玻璃分别制成凸透镜和凹透镜，再组合起来的复合消色差物镜，才使得这场长度竞赛得到终止。

光学设计实验（一）望远镜系统设计实验1 实验目的（1）通过设计实验，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用；（2）介绍光学设计ZEMAX 的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX 来实现 2 设计要求(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f’=25mm ，出瞳直径D ’=4mm ，出瞳距>22mm ，视场角2ω’=25︒；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。

（总分：30分）（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f ’、视场角、像差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。

（总分：30分）（3）将上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小约3’左右。

如不符合要求，可结合ZEMAX 中paraxial 理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f ’>100000）等手段。

（总分：30分）（4）回答和分析设计中的相关问题（总分：10分）所有设计中采用可见光（F ，d ，C ）波段。

问题1：望远光学系统和开普勒望远镜的特点问题2：目镜的光学特性和像差特点问题3：常用的目镜有哪些？常用的折射式望远物镜有哪些？ 问题4：望远镜系统所需要校正的主要像差有那些？提示：目镜采用反向光路设计，目镜包括视场光阑，注意目镜孔径光阑的设置。

判定出射光束角像差小约3’左右的方法：在像面前插入一个paraxial 类型的面，若该面焦距（即与像面之间的距离）为1000mm ，则Spot diagram 的Geo Radius 则应小1mm 。

m 91512.5COS 343831000COS 3438322'μω=⨯⨯=⨯⨯≤f R 3 设计流程所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。

因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。

光学课程设计望远镜系统结构设计指导教师：张翔专业：光信息科学与技术班级：光信息08级1班姓名：学号： 20080320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。

10倍望远镜光学系统设计（普罗型）10倍望远镜光学系统设计（普罗型）摘要⽬前国内⽣产望远镜的⼚家（公司）较多，产品⼤部分销于国外，⽽对产品的性能精度要求越来越⾼，为适应社会要求，为使学⽣初步掌握光学仪器设计过程，光学系统是在透镜的基础上，以不同的组合来实现的，深⼊研究了正负透镜的成像规律和组合光路的成像特性，才能更好的研究复杂的光学系统，为⾼科技普及于民打下坚实基础。

进⼊⼆⼗⼀世纪，科学技术飞速发展，对应⽤软件的开发和使⽤，成为社会发展的重要途径。

本课题研究的主体是10倍普罗型望远镜光学系统。

普罗棱镜⼜叫直⾓棱镜，是传统的经典设计，⽐较常见的设计是由两个完全相同的直⾓棱镜构成，优点是形状简单，容易加⼯和装配，缺点是相对屋脊棱镜，重量和体积较⼤。

设计出10倍普罗型望远镜的技术指标：放⼤率10* D/f＇=1:6 视场2w =5°正像视度调节范围±5折光度. 分别计算出物镜、⽬镜的焦距，出瞳、⼊瞳的直径，视场光阑的直径，⽬镜的视场⾓，瞳距，⽬镜⼝径，⽬镜的视度调节范围。

将所得数据输⼊ZEMAX软件实现像差的校正与平衡。

最终设计出合格望远镜，画出零件图。

关键词：光学系统设计；望远镜；透镜成像；像差T en times the optical telescopes system design（porro）AbstractThe current domestic production of a telescope of the manufacturer said that most of the foreign product to sell, with the product and higher accuracy, in order to adapt to society, to prepare students to master optical instrument for the preliminary design process 。

至今没有一个光学系统是完美的。

为了平坦且清晰的成像，往往必须把光学系统设计的十分复杂。

如此一来，不但透光度变差，还得付岀很高的制造成本。

因此简单的镜片组而且能保有高品质成像的光学系统是光学设计的努力目标。

一个好的光学系统都岀自设计者的巧思。

它能在最简单的镜片组合下产生最佳的成像品质。

不过在许多设计中，往往会遇到球面像差与彗形像差难以取舍的窘境(天文望远镜光学与机械) 。

当你能同时处理这些像差的时候，系统却又发生严重的色差。

最后好不容易解决了所有的色像差，却又发生成像的变形。

因此光学系统的设计在在考验设计者的经验与智力。

希望透过以下的天文望远镜的演进，让你了解前人的成果。

折射式望远镜系统由于白光经过透镜会有色散的现象( Dipersion )，因此使得光学系统除了球面像差与彗形像差之外又多了影像不清晰的光源。

由上图可知，蓝光的折射率较大，其次为绿光，最后为红光，因此不同颜色的入射光产生，却有不同的聚焦点。

好的光学系统除了成像品质之外，还必须考虑消色差的效果。

基本上，我们在处理可见光的光路分析时，是用蓝色的 F line(486.13nm)、红色的Cline(656.27nm)与绿色的e line(546.07nm) 作为分析的主要光源。

要查看镜片的色差情形，可以用色散数值V( Dispersion Number or Abbe number) 。

V越大表示镜片的色散的情况越小V= (ne —1)/( nF —nC)对於一个D= 5公分，f=20公分的两片镜片组合，我们可以由下图的光路分析了解他们各自聚焦的一致性。

其实这就是球面像差的检测工作！D= 5公分f=20公分第一片镜片R1==18公分R2 = —19公分中心厚度=0.84公分间隙0.1公分第二片镜片R3= =—19公分R4=—22公分中心厚度=0.98公分为了更清楚的说明，我们藉由（上右图）了解不同三种色光随著入射的高度（离中心的光轴）， 误差越高越大。

天文望远镜原理和设计程景全引用全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：天文望远镜是天文学家探索宇宙奥秘的重要工具，通过望远镜可以观测到远离地球数光年之外的星系、恒星、行星等天体。

天文望远镜的原理和设计是非常复杂的，需要结合光学、物理、数学等多个学科的知识。

下面将详细介绍天文望远镜的原理和设计。

天文望远镜的主要原理是利用光学原理来收集和聚焦远处天体发出的光线，使得我们可以清晰地观测到这些天体。

天文望远镜主要有两种类型，分别是折射式和反射式望远镜。

折射式望远镜利用透镜来折射和聚焦光线，其中最常见的是折射望远镜。

折射望远镜的核心部件是物镜，它是一个大口径的透镜，负责收集和聚焦光线，使得我们能够观测到远处天体的细节。

在折射望远镜中，眼睛观测到的是透过目镜的增强后的天体影像。

折射望远镜一般具有较高的分辨率和对比度，适合观测行星、月球等亮度较高的天体。

反射式望远镜则利用凹面镜或者平面镜来反射和聚焦光线，其中最著名的就是牛顿式反射望远镜。

反射望远镜的核心部件是主镜，它是一个大口径的凹面镜或者平面镜。

主镜反射接收到的光线到焦面后，再利用二次镜或者平面镜反射到侧面的目镜，由目镜将所反射的光线形成的真实像传送到人眼或检测器上。

反射望远镜通常具有较大的口径和湿度，适合观测暗淡的星系、星团等遥远的天体。

除了折射式和反射式望远镜，还有一种混合式的望远镜叫做复合式望远镜。

复合式望远镜结合了折射镜和反射镜的优点，具有更高的分辨率和透明度，适合观测远处目标。

在设计天文望远镜时，需要考虑多个因素，包括口径大小、焦距、像散、色差等。

口径大小决定了望远镜的光收集能力，口径越大，光线收集越多，对暗淡天体的观测效果更好。

焦距决定了望远镜的放大倍数，焦距越长，放大倍数越高，对远处目标的观测效果更好。

像散和色差则决定了望远镜的分辨率和色彩还原度，像散越小、色差越小，观测到的图像越清晰和真实。

天文望远镜的原理和设计是一门综合性学科，需要结合光学、物理、数学等多个学科的知识。

60公分专业天文望远镜设计方案范文60厘米天文望远镜方案设计一、简介：60厘米天文望远镜的方案是根据深圳市气象局招标书中的技术要求和科学目标而设计的，其设计宗旨是：1、具有高品质的光学系统，实现高精度天体物理研究。

2、具有美观的外形和高刚度的机械结构，以保证在恶劣环境下能正常工作。

3、具有高精度的轴系，实现精细跟踪和观测。

4、具有稳定、可靠的控制系统。

5、配备远程控制技术，达到国内先进水准。

6、该望远镜主要用于恒星精细观测，可进行高精度的天体物理实测，低色散光谱观测、小行星搜寻及目视观测。

根据招标书要求，60厘米望远镜采用赤道叉式结构装置。

通过控制系统直接驱动赤径赤纬力矩电机，革除了传统的机械减速机构引起的误差，实现3″的指向精度和跟踪精度。

光学系统结构形式采用RC系统，镜筒设计成薄壁筒状形式，分别由副镜室、中间快和主镜室组成。

具有远程控制的功能，可通过网络实现异地天文观测和数据传递功能。

二、光学系统设计：1、主光路系统设计：1.1、标书中规定的科学目标和技术参数：★标书中确定主光路的科学目标是：恒星精细观测、高精度天体测量及低色散光谱观测等。

★标书中确定主光路的参数指标为：RC系统，有效口径600mm，工作波长380nm-1000nm，焦比在f8-f10之间，系统像差<200nmRMS，。

★标书中确定主光路中的主镜、副镜的镜坯材料选用热膨胀系数<0.1e-6/°C。

★标书中确定该望远镜具有小行星搜寻功能。

★标书确定在卡焦处配备B、V、R、I波段、白光、氢I6563埃窄带滤光片。

★标书确定在卡焦处的接收器是：U-6CCD。

1.2、设计方案：★根据标书的要求，主光路系统按RC系统设计，焦比选择f/8，主镜又小口径600mm。

查询U-6CCD的靶面为24.6某24.6mm，为保证U-6CCD的靶面充满视场像，经计算后系统的有效视场为20′。

确保20′视场内80％的光能量集中在1.2″以内（见光学设计图）。