Chapter 5 望远镜光学系统 [Compatibility Mode]
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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。
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。
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。
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。
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。