光学望远镜系统的设计

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。

光学课程设计——望远镜系统结构参数设计一设计背景：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；地基空间目标探测及识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等等……二设计目的及意义（1）、熟悉光学系统的设计原理及方法；（2）、综合应用所学的光学知识，对基本外形尺寸计算，主要考虑像质或相差；（3）、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构及原理，根据所学的光学知识（高斯公式、牛顿公式等）对望远镜的外型尺寸进行基本计算；（4）、通过本次光学课程设计，认识和学习各种光学仪器（显微镜、潜望镜等）的基本测试步骤；三设计任务在运用光学知识，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。

并介绍光学设计中的PW法基本原理。

同时对光学系统中存在的像差进行分析。

四望远镜的介绍1．望远镜系统：望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。

利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。

又称“千里镜”。

望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。

望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼,使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。

2．望远镜的一般特性望远镜的光学系统简称望远系统，是由物镜和目镜组成。

当用在观测无限远物体时，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，光学间隔d＝o。

当月在观测有限距离的物体时，两系统的光学问隔是一个不为零的小数量。

作为一般的研究，可以认为望远镜是由光学问隔为零的物镜和目镜组成的无焦系统。

这样平行光射入望远系统后，仍以平行光射出。

图9—9表示了一种常见的望远系统的光路图。

为了方便，图中的物镜和目镜均用单透镜表示。

这种望远系统没有专门设置孔径光阑，物镜框就是孔径光阑，也是入射光瞳，出射光瞳位于目镜像方焦点之外，观察者就在此处观察物体的成伤情况。

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250mm，物镜最大直径不大于25mm，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：视觉放大率要求为5x ，故有：l 应当略小于筒长，因此将l 设计为240mm ，计算得出物镜焦距f o ’为300mm ，目镜焦距f e 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：当视场为50%渐晕时，望远镜的视场角为：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。

图2 常见的物镜结构双胶合物镜是最简单和常用的望远物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成。

双胶合物镜的优点为结构简单，制造和装配方便。

通过选择材料以及弯曲镜面可以矫正透镜组的球差、彗差和轴向色差。

2.1.2 优化设计根据前面的计算，物镜焦距f o’设计为300mm，最大口径为25mm。

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。

望远镜技术的光学设计在科学与技术的不断发展中，望远镜被广泛应用于天文学、地质学、生物学等领域，成为人类观察宇宙和探索地球的重要工具之一。

望远镜的光学设计是实现高分辨率、高清晰度观测的关键要素之一。

本文将探讨望远镜技术的光学设计。

1. 光学设计的基本原理望远镜的光学设计基于光线的传播和折射原理。

其基本部分包括目镜、物镜、镜筒等。

目镜负责接收入射光线，物镜负责集光和形成清晰的像，而镜筒则用于固定和调节镜头。

2. 光学系统的构成望远镜的光学系统由多个镜片组成，具体包括凹透镜、凸透镜、反射镜等。

这些镜片通过特定排列和调整，使得光线能够被正确地聚焦和成像，从而实现清晰的观测效果。

3. 光学设计的关键参数光学设计中的关键参数包括焦距、口径、孔径比等。

焦距决定了物镜和目镜之间的距离，而口径则决定了光线的收集能力。

孔径比是指目镜或物镜的直径与焦距的比值，它影响望远镜的分辨率和透明度。

4. 光学设计中的常见问题及解决方法在光学设计中，常见的问题包括像差、散焦、畸变等。

像差是指在成像过程中出现的形状或色彩的偏差，散焦是指焦距过长或过短导致的成像不清晰，而畸变则是指图像形状和大小的变形。

针对这些问题，可以通过使用特殊材料、添加补偿镜片或使用数字图像处理技术等方法进行修正和优化。

5. 光学设计中的创新与发展随着科技的进步，望远镜的光学设计也在不断创新和发展。

如今，采用自适应光学技术的望远镜可以根据大气条件和观测目标的特征进行实时调整，以获得更清晰的图像。

此外，光学干涉技术和多通道光谱学等新技术也为望远镜的光学设计提供了新的思路和方法。

6. 光学设计在不同领域的应用望远镜技术的光学设计在天文学、地质学、生物学等领域都有着重要的应用。

在天文学中，精确的光学设计可以帮助科学家观测和探索宇宙中的星系、行星等天体。

在地质学中，望远镜可以用于观测地球的地质结构和自然灾害等。

在生物学中，望远镜则可以用于观测微生物和细胞等微观结构。

总结：望远镜技术的光学设计是实现高清晰度、高分辨率观测的重要环节。

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 。

内调焦准距式望远系统一、技术参数选择；选择技术要求如下：放大率：? = 24?加常数：c = 0分辨率：?? 4?最短视距：Ds = 2m视场角：2w = ?筒长：LT = 160mm 乘常数：k = 100取? = -24?，取不同的筒长L和缩短系数Q，根据表2-1表2-1?= -24??= -24?，L =170，Q =f?12 = ，d0 =f?1=，f?2= ，f?3 =代入检验公式为：()2222122142f -f -f L-f δ-f c ''''+'= (2-4)将所确定的参数代入，得：c =由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略不计。

二、外形尺寸计算；1、物镜通光孔径及出瞳大小为了满足分辨率的要求，即 ? ? 4?，由 得：另一方面，由D DΓ'=可知，为了提高测量精度，出瞳直径D ? = ~1.5mm ，一般取D ? = 1.5mm ，则：D = -? D ? ? 24 ? =36mm因此，取入瞳直径，即物镜的通光孔径D 1=36mm ，对应的出瞳直径D ?=1.5mm 。

2、调焦镜的通光孔径 D 2 = D 1- d 0(D 1/f ?1- 2tg w ) =?(36/??) = 10.55mm3、分划板直径及视距丝间隔4、像方视场角tg w ? = -? tg w = 24?? = 0. 所以像方视场角2w ?=?。

出瞳距因l z 1 = 0，所以l ?z 1 = 0， l z 2 = l ?z 1 -d0 =于是得出瞳距为： 目镜的通光孔径 目镜的视度调节5、调焦镜的调焦移动量取l 1 = -2000mm ，由物像关系的高斯公式，计算得l ?z = 。

由公式(1-6)计算得：()()[]2111421f -L l -L l L-l d '+''+'== 128.77mm 于是得调焦镜的调焦量：?d = d – d 0 = – = 17.06mm三、结构选型；在本设计中，主物镜的相对孔径约1:4，调焦镜的相对孔径1:，因此，主物镜和调焦镜均可选用最简单的双胶合物镜。

精心整理内调焦准距式望远系统一、技术参数选择；选择技术要求如下：放大率：?=24?加常数：c=0分辨率：??4?最短视距：Ds=2m视场角：2w=1.6?筒长：LT=160mm乘常数：k=100??=-24?，L=170，Q=0.60f?12=233.33，d0=111.48f?1=140.50，f?2=-57.57，f?3=11.80代入检验公式为：()2222122142f -f -f L-f δ-f c ''''+'=(2-4)将所确定的参数代入，得：c =0.00254由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略不计。

二、外形尺寸计算；1、物镜通光孔径及出瞳大小为了满足分辨率的要求，即??4?，由 得：，则：2D 2=D 1-d 034tg w ?=-?出瞳距因l z 2=l ?z 15取l 1于是得调焦镜的调焦量：?d =d –d 0=128.77–111.71=17.06mm三、结构选型；在本设计中，主物镜的相对孔径约1:4，调焦镜的相对孔径1:5.6，因此，主物镜和调焦镜均可选用最简单的双胶合物镜。

目镜在光学设计手册中选择一个合适的目镜,并用缩放法调到合适尺寸。

1．求解物镜 f1 140.5 p 无穷 0 w 无穷 0 c1 0由上20)2.0(85.0 ++=∞∞W P P 求得 理论p0 -0.034 选择玻璃 n1n21.6725 1.5399 k7查表 小Φ1 A K Q0查表W0 形状Q2 Q3 Q ρ1 ρ2 ρ3 r1 r2 r3 确定透镜厚度 x1 2.662136 x2 4.963452 x3 0.023535 t1 5.441053 d1 3.139737 t2 2.103904 d2 7.090891 d 10.23063 D1 36 2．求解调焦镜用同样的方法求解调焦镜f2 -57.57 d0 111.48 l2 29.02 D2 10.55P- 0 W- 0 C- 0P 无穷 22.809716 W 无穷 -5.257081 U- -1.983804 P0 1.0717551物镜的系统数据：By ：Aseis形状Q1 -0.752199 Q2 -7.029211 Q3 -7.096496 Q -7.062854 ρ1 -1.732565 ρ2 -4.882854 ρ3 -3.237566 r1 33.228198 r2 11.790237 r3 17.781875 图3-6内调焦准距式望远镜光学系统图草图物镜的点扩散图：物镜的mtf图：调焦镜的系统数据：调焦镜的点扩散图：调焦镜的mtf图：目镜的总结：。

天文望远镜自适应光学系统的设计与优化在现代天文学中，望远镜是一种不可或缺的工具。

随着科技的不断进步，天文望远镜的性能和分辨率得到了显著提高，使得我们能够观测到更遥远、更精细的天体。

其中，自适应光学系统是一项关键技术，它能够消除大气湍流引起的图像模糊，并提高望远镜的分辨率。

自适应光学系统的设计与优化需要考虑多个因素，其中最重要的是大气湍流的性质。

大气湍流是指在大气层中形成的不规则气流，这会导致光线发生折射，进而造成望远镜观测到的图像模糊。

为了解决这个问题，自适应光学系统采用了一个探测器和一个校正装置。

探测器是自适应光学系统的关键部分，它可以实时监测大气湍流的性质。

一般情况下，探测器使用CCD或CMOS等技术来捕捉图像，然后利用计算机进行图像处理和分析。

通过探测器的运作，我们可以得到大气湍流的参数，如湍流强度和湍流速度等。

这些参数可以用于优化校正装置的工作方式。

校正装置主要包括补偿器和变形镜。

补偿器是用来补偿大气湍流引起的光线折射。

一般情况下，补偿器采用一个或多个可调控的镜片，通过改变镜片的形状和位置来实现补偿。

变形镜则是用来校正主镜的形状，以适应大气湍流的变化。

通常，变形镜由多个可调节的小镜子组成，通过改变小镜子的形状和位置来实现校正。

自适应光学系统的优化是一个复杂的过程，需要综合考虑多个因素。

首先，需要考虑天文望远镜的设计参数，如口径、焦距和波长等。

这些参数会影响到自适应光学系统的工作效果和性能。

其次，需要考虑大气湍流的特性和变化情况。

由于大气湍流是一个随机过程，其性质和参数可能会随时间和位置的变化而变化。

因此，自适应光学系统需要具备较高的自适应性和灵活性。

为了实现自适应光学系统的优化，还需要考虑算法和控制策略。

一般情况下，自适应光学系统会采用反馈控制算法来实现校正。

这需要一个实时的控制系统，用来接收探测器的信号，并根据信号的反馈信息来调整补偿和校正装置的工作状态。

通过优化算法和控制策略，可以提高自适应光学系统的响应速度和准确性。

太空望远镜的光学系统优化与设计随着科学技术的不断进步，太空望远镜已成为现代天文学和宇宙研究中不可或缺的工具。

太空望远镜能够避免地球大气的干扰，提供更高分辨率和更清晰的图像，为我们揭示了宇宙的奥秘。

然而，为了获得最佳的观测效果，太空望远镜的光学系统优化和设计变得至关重要。

第一节光学系统的优化需求在设计太空望远镜的光学系统时，我们面对着多种优化需求。

首先，望远镜的分辨率决定了其观测能力。

因此，我们需要通过优化光学系统的设计，提高分辨率，以更清晰地观测到目标天体。

其次，望远镜需要具备较大的光学灵敏度，以便捕捉到微弱的光信号。

在光学系统的设计中，优化灵敏度是提高观测效果的关键。

此外，望远镜的成像质量和色差控制也是光学系统优化的重要因素。

第二节光学系统的设计原理太空望远镜的光学系统设计原理包括光路设计、光学元件选择和光学参数优化等方面。

光路设计涉及光线的传播路径和反射/折射等过程。

这要求在设计过程中，必须合理安排光学元件的位置和数量，以确保光线的传播和收集效果。

光学元件的选择则涉及到材料、曲率、直径和表面质量等参数的综合考虑。

最后，光学参数的优化是通过调整光学系统的参数来最大化望远镜的性能。

这包括调整焦距、视场、F数等参数，以达到最佳的观测效果。

第三节光学系统的优化方法光学系统的优化方法有多种途径。

首先，通过使用先进的光学设计软件，可以实现对光学系统进行精确的模拟和分析。

这些软件能够模拟光线传播、成像和色差等过程，并提供优化参数的建议。

其次，可以通过光学元件的选择和镀膜技术的改进来优化光学系统的性能。

合适的光学元件可以提高光学系统的分辨率和灵敏度，而高效的镀膜技术可以减小光学元件表面的反射和散射。

此外，光学系统的机械稳定性和准直精度也对观测效果影响较大，因此需要在设计过程中予以重视。

第四节光学系统的未来发展方向随着科学技术的不断发展，太空望远镜的光学系统也在不断演进。

未来，我们可以预见以下一些发展方向。

首先，随着光学技术的突破，激光干涉仪和自适应光学系统等新技术将应用于太空望远镜，提高其分辨率和灵敏度。