第２０卷 第４期
２０１２年４月 光学精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．４
Ａｐ
ｒ．２０１２ 收稿日期：２０１１－０２－１６；修订日期：２０１１－０４－
１９． 基金项目：
总装装备预研基金资助项目（Ｎｏ．５１３０１０６０２０７）文章编号 １００４－９２４Ｘ（２０１２）０４－０７３９－
０６小型可见光双视场光学系统的研制
魏 群＊，艾兴乔，贾宏光
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）
摘要：基于光学设计基本理论，设计了一种体积小，跟踪范围可以达到整个前半球的可见光双视场光学系统。系统由前部集束系统，中间光路转折系统及后部成像系统３部分组成。集束系统采用望远镜式结构，用于改变光束的口径；光路转折系统采用库德光路，
由４片反射镜组成，用于转折光路及扫描；成像系统由长焦成像系统和短焦成像系统组成，分别形成两个视场的像，用于目标识别与跟踪。光学系统焦距分别为６０ｍｍ和１２０ｍｍ，设计传递函数在５８ｌｐ／ｍｍ处均大于０．５。加工装调后进行了成像试验验证，结果表明，该系统能够同时完成大视场及小视场的图像获取，在可视范围内成像质量满足系统总体要求。
关 键 词：双视场光学系统；可见光镜头；库德光路；光学设计
中图分类号：ＴＨ７０３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１２２００４．０７３９
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙ
ｓｔｅｍＷＥＩ Ｑｕｎ＊
，ＡＩ Ｘｉｎｇ－ｑｉａｏ，ＪＩＡ Ｈｏｎｇ
－ｇｕａｎｇ（Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍａｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ
ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉ．ｑ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｈａｌｆ ｓｐｈｅｒｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ
ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｉｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｅｓ ａ Ｃｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｙｓ－ｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｐａｒｔｓ：ｔｅｌｅ－ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ｆｒｏｎｔ，ｒａｙ ｔｕｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ，ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｃｋ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐａｒｔ ｉｓ ａ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｆｏｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ
ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｂｅａｍ；ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｐａｒｔ ｉｓ Ｃｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｍａｄｅ ｕｐ ｆｏｕｒ ｍｉｒｒｏｒｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｕｒｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ；ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｐａｒｔ ｉｓ ａｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｆｏｃａｌ ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ
ｔａｒｇｅｔｓ．Ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ６０ｍｍ ａｎｄ １２０ｍｍ ａｎｄ ｔｈｅｉｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ（ＭＴＦｓ）ａｒｅ ａｌｌ ａｂｏｖｅ ０．５ａｔ ５．８ｌｐ／ｍｍ．Ｂｙ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｓｔｓ，ｔｈｉｓ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｉｍａｇｅｓ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｏｎｅ ａｔ ｔｈｅｓａｍｅ
ｔｉｍｅ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｌｅｎｓ；Ｃｏｄｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ
１ 引 言
光学成像跟踪在现代社会中的应用越来越广，大到飞机导弹，小到社区安防，其在航空、航天、军工、安防和民用等诸多领域均有着广泛应用。其中，可见光跟踪系统以其技术成熟，价格低廉而倍受关注。随着科技的发展，成像跟踪系统已朝着小型化、轻量化和集成化发展，其对光学系统的要求也越来越高。成像跟踪系统的光学系统是成像跟踪系统中的核心部分。针对目前的应用需求，跟踪系统中的光学系统应具备视场范围大、视场切换快、体积小和重量轻等特点。
目前，国内双视场光学系统的研究开展得比较广泛。中科院西安光学精密机械研究所的白瑜等通过衍射光学元件设计了一种双定焦光学系统，采用的是插入式光学系统，其传递函数表明成像质量良好［１］；有些研究也集中在切换变倍领域，有移动式、插入式及旋转式设计等［２－６］，但这些系统都存在一定的不足，不能实时双视场跟踪。
本文设计了一种小型可见光双视场光学系统，完成了可见光双视场光学系统及其支撑结构的设计。通过成像测试试验，验证了其光学系统成像质量满足系统要求。这种双视场光学系统在军用及民用领域都将发挥巨大的作用。
２ 设计原则
本文设计的小型双视场光学镜头将应用于跟踪系统，因此，成像跟踪系统中的光学系统设计主要需注意以下几点：（１）成像质量高，要求能够在较远的距离分辨跟踪目标的细节，获得更多的信息；（２）透过率高，选择较少的镜片完成设计任务，同时在镜片表面镀高质量的增透膜，提高系统的透过率，增加光学系统的作用距离及对弱目标的探测能力；（３）体积小，跟踪范围大，跟踪系统希望能以最小的体积实现对目标运动区域最大的跟踪，提高跟踪系统的适用范围，增加跟踪系统的总体性能指标。根据以上要求，确定光学系统的指标如下：
焦距为６０ｍｍ和１２０ｍｍ；视场角为６°和３°；Ｆ数为６和１２；探测波段为４００～７００ｎｍ；分辨率为７６８ｐｉｘｅｌ×５７６ｐｉｘｅｌ；像元大小为８．３μｍ×８．６μｍ。３ 详细设计
根据上述设计原则及指标要求，本文设计的可见光光学系统原理如图１所示。光学系统由三部分组成：第一部分为镜组Ａ（集束系统），来自目标的光线通过镜组Ａ后，光线口径缩小，减小后部反射镜体积，缩短光路，最终减小整个光学系统的体积；第二部分为镜组Ｂ（光学转折系统），由３片反射镜、１片分光镜及１片场镜组成，主要负责转折光学，使光学系统的转动元件减少，其中的分光镜用来分光，将大小视场的光线分开，分别成像；第三部分为组镜Ｃ（成像系统），长焦成像系统及短焦成像系统，负责将２个视场的光线分别成像到不同的ＣＣＤ靶面上。镜组Ａ及第一片反射镜安装在可旋转框架上，用来对目标视场进行扫描
。
图１ 光学系统示意图
Ｆｉｇ．１ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ
３．１ 集束镜组设计
集束镜组Ａ用来压缩对目标光线的口径，减小后镜组的体积和长度。采用望远镜式结构，“＋”、“－”组合，为了控制像差，“＋”、“－”镜组均采用胶合件，设计原理如图２所示
。
图２ 集束系统设计原理图
Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ
０
４
７ 光学 精密工程 第２０卷
其中，Ｈ为原始光束宽度，ｈ为集束后光束宽度，
Ｆ点为ｌｅｎｓ１和ｌｅｎｓ２的焦点，ｌｅｎｓ１是正透镜，ｌｅｎｓ２是负透镜，其焦距分别为ｆ１和ｆ２。根据简单的几何关系，
可得下面公式ｎ＝ｈＨ＝ｆ２
ｆ１
．
（１
）其中，ｎ为光束的缩比，是负透镜和正透镜的焦距比。选择合适的缩比设计集束镜组，设计结果如图３所示
。
图３ 集束光学系统Ｆｉｇ．３ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙ
ｓｔｅｍ为了检验集束系统的光学性能，在镜组后加入光阑和理想透镜，其ＭＦＴ如图４所示，点斑如图５所示
。
图４ 集束系统光学传递函数Ｆｉｇ．４ ＭＴＦ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙ
ｓｔｅｍ３．２ 转折镜组设计
转折光路系统由３片反射镜、１片分光镜及１片场镜组成。３片反射镜主要负责转折光路，
分
图５ 集束系统点斑图
Ｆｉｇ．５ Ｓｐｏｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙ
ｓｔｅｍ光镜用来分开进入长焦光学系统及短焦光学系统的光线。
靶面照度公式为
Ｅ＝π
４Ｉτ０
Ｄｆ
（）
′２，（２
）其中，Ｅ为靶面照度，Ｉ为进入光学系统的光亮
度，τ０为光学系统的透过率，Ｄ为光学系统的孔径光阑直径，ｆ′为光学系统焦距。为了保证长焦镜头和短焦镜头ＣＣＤ靶面照度一致，
即：Ｅｌ＝Ｅｓ，（３）Ｅｌ＝π
４Ｉｌτｌ
Ｄｌｆｌ
（）′２，（４）Ｅｓ
＝π
４Ｉｓτｓ
Ｄｓ
ｆ
ｓ
（）′２
．
（５
）其中，下标为ｌ的量代表长焦光学系统相关参数，下标为ｓ的量代表短焦光学系统相关参数。
从而有：
π
４ＩｓτｓＤｓｆｓ（）′２＝π４ＩｌτＤｌｆｌ
（）
′２，（６
）简化为：
ｎ＝ＩｌＩｓ＝τｓ（Ｄｓ／ｆｓ′）２
τｌＤｌｆｌ
′２＝４τｓ
τｌ．（７
）其中，根据后面的设计，τｓ≈τｌ，
则进入长焦光学系统的光强和进入短焦系统的光强之比为４／１，根据此数值设计分光镜的分光比。３．３ 成像系统设计
基于前面的设计基础设计成像系统，长焦镜头的设计结果系统的ＭＴＦ、短焦系统设计结果、短焦系统的ＭＴＦ分别如图６－９所示。
１
４７第４期
魏 群，
等：小型可见光双视场光学系统的研制
从上面ＭＴＦ图可知，系统设计满足成像要求
。
图９ 短焦系统传递函数
Ｆｉｇ．９ ＭＴＦ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｆｏｃｕｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ
４ 样机研制与成像试验
根据上面设计的光学系统设计镜头结构及框架支撑结构，结构设计如图１０所示
。
图１０ 镜头结构设计图
Ｆｉｇ．１０ Ｌｅｎｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ
根据设计加工光学系统及结构件，安装完成的镜头如图１１所示
。
图１１ 双视场镜头系统
Ｆｉｇ．１１ Ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｌｅｎｓ
对目标成像［７］，长焦成像效果如图１２所示，短焦成像效果图如图１３所示。
２
４
７ 光学 精密工程 第２０卷
图１２ 长焦镜头成像图
Ｆｉｇ．１２ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｌｏｎｇ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎ
ｓ
图１３ 短焦镜头成像图
Ｆｉｇ．１３ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ
５ 结 论
研制了一种小型可见光双视场成像光学系统，焦距分别为６０ｍｍ和１２０ｍｍ，系统传递函数均大于０．５。完成了镜头及结构的设计，进行了试验验证。通过试验验证可知，系统成像质量良好，能够同时完成大视场及小视场的图像获取。这种双视场光学系统在军用和民用领域都有巨大的应用前景。
参考文献：
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３
４
７
第４期 魏 群，等：小型可见光双视场光学系统的研制
ＦＥＮＧ Ｙ Ｐ，ＤＡＩ Ｍ，ＳＵＮ Ｌ Ｙ，ｅｔ ａｌ．．Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｍａｇｅ ｍｏｓａｉｃ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉ－ｓｉｏｎ Ｅｎｇ．，２０１０，１８（２）：４７０－４７６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［１０］ 魏群，
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，２０１０，１８（２）：３８４－３８９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ
）作者简介
：
魏 群（
１９８３－），男，黑龙江哈尔滨人，博士，助理研究员，２００５年于浙江大学获得学士学位，２０１０年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事共形光学与气动光学方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉ．ｑ
＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏ
ｍ艾兴乔（１９８２－），男，湖北荆门人，博士研究生，２００６年于中南大学获得学士学位，主要从事结构优化设计方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ａｉｘｉｎｇｑｉａｏ＠１６３．ｃｏ
ｍ
贾宏光（１９７１－），男，黑龙江五常人，博士，研究员，博士生导师，２０００年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事光机电系统微小型化与精确制导技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｈｇ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ
●下期预告
磁驱动飞片的超高速激光阴影扫描摄影技术
汪 伟，王桂吉，罗振雄，莫建军，尚长水
（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）
针对磁驱动飞片的物理过程，设计了显微装置和激光阴影照明装置，结合超高速转镜式扫描相机，利用串联式光电开关避免相机像面重复曝光，有效地解决了被碰撞飞片过程中严重影响测试结果的自发强光现象，
获得了磁驱动飞片运动过程清晰的一维扫描试验图像。图像分析数据表明，在充电电压为５５．９～６４ｋＶ时，可将尺寸为８ｍｍ×６ｍｍ×０．７／０．９ｍｍ的Ｌｙ
１２铝飞片发射至９～１４ｋｍ／ｓ的超高速度。该项工作为磁驱动飞片运动过程的研究提供了一种重要的测试手段，也可为相关物理实验研究提供试验数据。本测试方法也适用于其它产生强烈杂光的高速碰撞的测试工作研究。
４
４７ 光学 精密工程
第２０卷
光学课程设计 望远镜结构系统设计 姓名:曾茂桃 班级:光通信082 学号:2008031126 指导老师:张翔
摘要 该报告运用应用光学知识，了解望远镜的历史,在工作原理的基础上，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。并应用光学设计软件对系统误差、成像质量进行理论分析。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。望远物镜设计的特点、双胶合物镜结构参数的求解和光学特性。目镜设计的特点、常用目镜的型式和像差分析等都有了一个明确的简要的介绍。 关键字：望远镜物镜目镜放大率分辨率内调焦望远镜 PW法光栅
目录 一概述…………………………………………………………页二望远镜尺寸设计与分析…………………………………页2.1 望远镜的简述…………………………………………………………页2.2 望远镜的主要特性分析………………………………………………页三分物镜组与目镜组的选………………………………………………页 3.1望远镜物镜需要消除的像差类型及主要结构形式…………………页3.2双胶物镜和双分离物镜………………………………………………页 3.3内调焦望远镜…………………………………………………………页 四.目镜组的主要种类及其结构：………………………….. 页 4.1惠更斯目镜……………………………………………………………页4.2冉斯登目镜……………………………………………………………页 4.3Porro、Roof棱镜结构及其特点…………………………………页 五.望远镜像差设计PW法………………………………….. 页 5.2物体在有限距离时的P,W的规化……………………………………页5.5用C ,表示的初级像差系数………………………………………页 P, W 六.光学系统中的光栅分析……………………………………页
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，还得付出很高的制造成本。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出自设计者的巧思。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C line(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
数字全息显微镜的光学系统设计 摘要 数字全息显微术是把数字全息和全息显微相结合，用CCD代替传统的全息干板来实现全息显微的过程。 本文通过理论的分析和计算，完成了以下工作： 1）在数字全息的方法上，介绍和比较了几种记录和再现的方法;并选择了无透镜傅里叶变换与同轴全息相结合的光路，可以最大利用CCD分辨率和简化光路。在系统光路中加入相移技术，消除零级和共轭像。 2）在1/2英寸CCD情况下，利用干涉仪原理设计出了基本光路;分析并选择了各个部件的具体参数;分析计算了系统中需要满足的条件。计算出在几种物镜预放大情况下，系统的分辨率和放大率。 在对微小物体做近距离显微时，本文的显微系统极限分辨率理论长度可以达到0.8μm左右。 关键词：全息术；数字全息显微；预放大技术。
Optical system design of digital holographic microscopy Abstract Digital holographic microscopy digital holography and holographic microscopy combined with CCD, instead of the traditional holographic plate to realize the process of holographic microscopy. In this paper, through the theoretical analysis and calculation, completed the following works: 1）Introduced and compared several recording and reproducing methods in the selection of digital holographic method，and chooses the lens-less Fourier transform and coaxial holographic to be the light path which can use CCD resolution and simplified the optical path. In the optical system with phase shifting technique to eliminate the effect of zero order and conjugate image. 2)In 1/2 inch CCD cases, using an interferometer principle to design the basic light path; Analysis and select the specific parameters of components；Calculate the conditions to meet the system. Calculate the system resolution and magnification in several objectives. In the short distance microscopic, the microscopic system can reach 1μm resolution lenth, Key Words: Holography;Digital holography microscopy;Preamplification -technology；
第41卷第6期红外与激光工程2012年6月Vol.41No.6Infrared and Laser Engineering Jun.2012 大视场凝视型红外共形光学系统设计 姜洋1,2，孙强1，孙金霞3，刘英1，李淳1，王健1，杨乐1,2 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100049； 3.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009) 摘要：为提高导弹整流罩气动性能，增强导引头系统稳定性，增大观察视场，完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合，通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题，最终获得±90°的无渐晕观察视场，其冷光阑效率为100%，全视场MTF在15lp/mm处均大于0.5，点斑均方根半径小于30μm，在半径为50μm 圆内能量集中度为93%以上，像面相对照度高于85%，满足大视场光学系统的成像要求。 关键词：光学系统设计；共形光学；红外成像制导；鱼眼镜头 中图分类号：TN216文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)06-1575-06 Design of infrared staring conformal optical system with wide field of view Jiang Yang1,2,Sun Qiang1,Sun Jinxia3,Liu Ying1,Li Chun1,Wang Jian1,Yang Le1,2 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China; 3.China Airborne Missile Academy,Luoyang471009,China) Abstract:In order to optimize the aerodynamic performance of missile domes,enhance the stability and enlarge the FOV,an infrared staring imaging seeker combining the conformal dome and infrared fisheye lens was designed.The solution used an ellipsoidal conformal dome,inverted telephoto lens and f-θlens.Uniform illumination was realized through managing the imaging angle and pupil aberrations.Aberration characteristics of conformal dome were analyzed.The pupil aberrations at large FOV were solved.An optical system with±90°unvignetted FOR,100%cold stop efficient was designed.The MTF is higher than0.5at the spatial frequency of15lp/mm across the entire field.The RMS radiuses of spot diagram are less than 30μm;the geometric encircled energy is above93%in50μm range;the relative illumination is above85% at margin FOV.The specifications can meet the requirements of the wide field systems. Key words:optical system design;conformal optics;infrared imaging guidance;fisheye lens 收稿日期：2011-10-05；修订日期：2011-12-03 基金项目：国家自然科学基金(60977001)；国家863计划(2007AA122110) 作者简介：姜洋(1984-)，男，博士生，主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:le_zhi@https://www.doczj.com/doc/4b1629365.html, 导师简介：孙强(1971-)，男，研究员,博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器、二元光学、红外系统仿真等方面的研究。 Email:sunq@https://www.doczj.com/doc/4b1629365.html,
应用光学课程设计报告 ———15倍双目望远镜 姓名： 班级学号： 指导教师： 光电工程学院 2016年01月04日
一、望远镜系统的原理 (3) 二、课程设计的内容及要求 (3) 三、光学元件尺寸计算及数据处理总结 (4) （一）、目镜的计算 (4) （二）、物镜的结构形式及外形尺寸计算 (7) （三）、计算分划板 (7) （四）、计算棱镜 (8) （五）、像差计算 (9) （六）、建立数据文件 (15)
一、望远镜系统的原理 亥普勒望远镜的原理示意如下图1所示： 图 1 图中可见亥普勒望远镜是由正光焦度的物镜与正光焦度的目镜构成，与显微镜不同的是望远镜的光学间隔为0，平行光入射平行光射出。其系统的视觉放大倍率为： '//D D f f e o -=''-=Γ 式中，0f '为物镜的焦距；e f '为目镜的焦距；D 为入瞳直径；'D 为出瞳直径。在此成像过程中，有一个实像面位于分划面上，可以实现相应的瞄准或测量。 由于亥普勒望远镜成倒像不利于观察，故而需在系统中加入一个由透镜或棱镜构成的转像系统。军用望远镜的转像系统多是用两个互相垂直放置的 180-II D 棱镜（即保罗棱镜）组成。 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，其视觉放大率大于1，形成的是正立的像，无需加转像系统，也无法安装分划板，应用较少。 二、课程设计的内容及要求 1、根据已知的一些技术要求，进行外型尺寸计算； 1）目镜的选取及计算； 2）物镜的结构型式及外型尺寸计算； 3）分划板的外型尺寸计算； 4）棱镜的类型选取及外型尺寸计算； 2、像差计算 1）求取棱镜的初级像差； 2）求取物镜的初级像差； 3）根据物镜的像差求出双胶合物镜的结构参数。
第28卷 第7期光 学 学 报 Vol.28,No.72008年7月 ACTA OP TICA SINICA J uly ,2008 文章编号:025322239(2008)0721359205 三反射式柱面光学系统设计及优化 梁敏勇 廖宁放 冯 洁 林 宇 崔德琪 (北京理工大学信息科学技术学院颜色科学与工程国家专业实验室,北京100081) 摘要 针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构。对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向上高空间分辨率要求。其子午面总视场均达到了3°,在45lp/mm 分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6。关键词 光学设计;三反射式柱面;线聚焦;光线追迹;二次曲线柱面 中图分类号 O433.1 文献标识码 A doi :10.3788/AOS20082807.1359 Des i g n a n d Op t i miz a t i on of Th ree Cyli n d rical Ref lect ors Op t ical S ys t e m Liang Minyong Liao Ningfang Feng J ie Lin Yu Cui Deqi (Nat ion al L abor ator y of Color Scie nce a n d Engi neeri ng ,School of I nf or m a tion Science a n d Tech nology , Beiji ng I nstit ute of Tech nology ,Beiji ng 100081,Chi n a ) Abs t r act A single cylindrical reflector usually has defects of distortional imaging beam and limited field of view usually less than 1°.A three cylindrical reflectors system is p resented to overcome these defects.Based on the ray t racing of cylindrical reflector ,a three circularly cylindrical reflectors and a three conic 2cylindrical reflectors system have been designed.The f ull field of view (FOV )has reached 3°in tangential plane ;on the edge of FOV ,the modulation t ransfer f unction (M TF )of the former design at 45lp/mm is better than 0.2and the latter is better than 0.6.A new optimization method using parabolic 2cylindrical reflector is p resented.This method can be used to optimize the M TF in tangential plane ,and the final M TF satisfies the requirement of the high spatial resolution in imaging spect rometer field. Key w or ds optical design ;three cylindrical reflectors ;line focusing ;ray t racing ;conic 2cylindrical reflector 收稿日期:2007210211;收到修改稿日期:2008201215 基金项目:国家863计划(2006AA12Z124)和国家自然科学基金(60377042)资助课题。 作者简介:梁敏勇(1981-),男,博士研究生,主要从事成像光谱技术、高光谱技术等方面的研究。 E 2mail :L my @https://www.doczj.com/doc/4b1629365.html, 导师简介:廖宁放(1960-),男,教授,博士生导师,主要从事成像光谱技术、颜色与图像技术等方面的研究。 E 2mail :Liaonf @https://www.doczj.com/doc/4b1629365.html, 1 引 言 随着光学加工工艺的日益发展,包含各种新型光学表面的光学系统不断涌现。柱面光学面形结构已广泛应用到各种光学系统中。例如在宽银幕电影的摄影镜头和放映镜头中,在希望获得变形图像(影像在两个相互垂直的方向上具有不同的缩放比例)等实用场合,都可以采用圆柱面透镜或圆柱面反射镜系统。在需要进行长狭缝聚光的仪器中和一些激光应用中,需要把圆激光束变换成线光束,例如激光 柱面波干涉仪、光切法三维面形测量、X 射线激光线 聚焦等[1～5]。此外,在遥感领域的推扫型成像光谱仪光路系统中,包括萨尼亚克(Sagnac )透射型[6]和菲涅耳全反射型傅里叶成像光谱仪[7],高通量干涉型计算层析成像光谱仪光路中也使用柱面光学系统实现投影功能[8,9]。柱面系统成像性能的优劣直接影响成像光谱仪系统的空间分辨率[10]。 针对传统单片柱透镜和柱面反射镜的成像光束不能产生理想线聚焦[11],且视场小等缺点,本文提
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 光学课程设计
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。一种通过收集电磁波来观察遥远物体的仪器。在日常生活中，望远镜主要指光学望远镜。但是在现代天文学中，天文望远镜包括了射电望远镜，红外望远镜，X射线和伽吗射线望远镜。近年来天文望远镜的概念又进一步地延伸到了引力波，宇宙射线和暗物质的领域。或者再经过一个放大目镜进行观察。日常生活中的光学望远镜又称“千里镜”。它主要包括业余天文望远镜，观剧望远镜和军用双筒望远镜。 【望远镜基本工作示意图】
14红外2017年8月文章编号：1672-8785(2017)08-0014-05 大视场离轴三反光学系统设计 罗秦以3张冬冬1钮新华^ (1.中国科学院上海技术物理研究所，h海200083 ; 2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200Q83; 3.中国科学院大学，北京100〇49) 摘要：针对地球环境j s感的大视场和宽光谱的应用需求，在同轴三反学系统的基 础上，通过视场离轴实现了无中心遮拦，并设计了一种焦距为12〇m m、F数为3.5、工 作波长为〇,4?I.65啤、像元尺寸为7.5 n m以及采用C o o k三片式结构的光学系统。在 没有使用自由曲面的情况下，实现了 30°x4°的大视场.其中，主镜为六次双曲面，次 镜为二次扁椭圆面，三镜为四次扁椭圆面。在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率 处的调制传递菡数（Modulation Transfer Rm etion,M T I?)大于0,6，接近翁_射极限。:其藝 散斑崖径的均方根值小于探_器的像元尺寸，畸变小于2.5%，说明本文系统具有优良 的成像性能》 关键词：光学设计；大视场；离轴三反光学系统 中图分类号：TH703 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.l672-8785.2017.08.003 Optical Design of OfF-axis Three-mirror System with Wide Field LUO Qin ZHANG Dong-dong x,NIU Xin-hua 1 (1. Shanghai Institute of Technical Physicsf Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: To meet the application needs of wide field and wide spectrum of earth environment remote sensing, a center without obstructing is realized by means of field off-axis on the basis of coaxial three- mirror optical systems. An optical system with a Cook three-mirror structure is designed. The optical system has its focal length of 120 mm, F number of 3.5, operating wavelength of 0.4 to 1.65 \xm and pixel size of 7.5 |j.m. it realizes the 30° x 4° large field of view without any free-form surfaces. In the optical system, the primary mirror is a 6 times hyperboloid; the second mirror is a secondary flat ellipse and the third mirror is a 4 times flat ellipse. The system has its Modulation Transfer Function (MTF) greater than 0.6 at the Nyquist freaquency in the whole field of view, which is close to the diffraction limit. Its RMS dispersion spot diameter is less than the pixel size of the detector and its distortion is less than 2.5%. These results show that the system has excellent imaging performance. Key words: optical design; wide field; ofF-axis three-mirror system 收稿日期：2017-03-19 作者简介：罗秦（1992-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。 E-mail: luoqin888@https://www.doczj.com/doc/4b1629365.html, I nfrared(monthly)/V ol.38, No.8, A ug 2017https://www.doczj.com/doc/4b1629365.html,/hw
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 '1ω 2 '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。伽利略望远镜的优点是结构紧凑，筒长较短，较为轻便，光能损失少，并且使物体呈正立的像，这是作为普通观察仪器所必需的。其原理图如下： 物镜组 目镜组 出瞳 '1 F F 2 f 2 d '1 f 伽利略望远镜示意图 为了更好的了解望远镜，下面介绍放大镜的各种放大率： 望远镜垂轴放大率：代表共轭面像高和物高之比。计算公式如下 1 '2 'f f -=β 望远镜角放大率：望远镜共轭面的轴上点发出的光线通过系统后，与光轴夹角的正切之比。计算公式如下： 2 '1'f f -=γ 望远镜轴向放大率：当物平面沿着光轴移动微小距离dx 时，像平面相应地移动距离dx',
望远镜的光学系统分类及常见类型 本篇来自云南北方光学网站 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。 因为具有宽广的视野，高对比度和良好的清晰度，折射望远镜同时也是受欢迎的热门选择。 折射望远镜优点: ●易于设置和使用 ●简单和可靠的设计 ●很少或不需要维护 ●观测月球、行星、双星表现出色，尤其是较大口径的产品 ●易于地面观景 ●不需要第二反射镜或中心遮挡，具有高对比度 ●具有较好的消色差设计，和极好的APO高消色差、萤石设计规格
光学望远镜系统的设计 【摘要】运用光学知识，在了解望远镜工作原理的基础上，根据开普勒望远镜的主要参数，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易设计。 【关键词】望远镜设计；视放大率；凸透镜；焦距 1引言
上图中物镜框为孔径光阑，也是入射光瞳，出射光瞳目镜像方焦点外，观察者再次观察成像情况，望远镜系统的视场光阑设在物镜的像平面处。 下面介绍望远镜系统中的光学参数。 （1）望远镜系统的放大率分别为： 轴向放大率α= f2f1 2 垂轴放大率β=?f2f1 角放大率γ=?f1f2 且这三种放大率之间的关系为αγ=β，可见它们仅仅取决于望远镜系统的结构参数。 （2）望远镜系统的视放大率 对于目视光学仪器来说，更有意义的特性是它的视放大率。由于物体位于无限远。物体对人眼所成张角θ眼和对仪器的张角θ是相等的，即θ眼=θ，物体通过望远镜对人眼的张角θ眼‘ 等于仪器像方视场角θ′，即θ眼’ =θ‘。望眼镜的作用是把 视角从原来的θ放大到θ’。设视场光阑的孔径为D 0。则： tan θ=?D 02 f 1=?D 02f 1 tan θ′=?D 02 f 2=?D 02f 2 所以望远镜的视放大率为：Γ= tan θ′ tan θ=?f 1f 2 于此可见欲增大视放大率，必增大物镜的焦距或减小目镜的焦距。 （3）望远镜的极限分辨角 表示观测仪器精度的指标是极限分辨角。若以60''作为人眼的分辨极限，为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨，则望远镜的视放大率和它的极限分辨角Φ应满足 ΦΓ=60'' 所以，若要求分辨角减小，视放大率应该增大。或者说望远镜视放大率越大，它的分辨角即精度越高，人眼极限分辨角为 α=1.22λ/D （4）望远镜的结构尺寸 当光学间隔?=0时，目镜观察中间实像应是实像位于目镜的焦平面上，因此从物镜到目镜为望远镜的筒长L =f 1+f 2。 3设计内容 （1）望远镜外形尺寸设计 设计一个开普勒式望远镜，其主要要求如下：
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 91512.5 COS 343831000COS 34383 22'μω=??=??≤f R 3 设计流程
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。 因为具有宽广的视野，高对比度和良好的清晰度，折射望远镜同时也是受欢迎的热门选择。折射望远镜优点: ●易于设置和使用 ●简单和可靠的设计 ●很少或不需要维护 ●观测月球、行星、双星表现出色，尤其是较大口径的产品 ●易于地面观景 ●不需要第二反射镜或中心遮挡，具有高对比度 ●具有较好的消色差设计，和极好的APO高消色差、萤石设计规格 ●密封的镜筒避免了空气扰动图像并保护光学镜片 ●物镜永久固定式安装，无需校正 折射望远镜缺点 ●大口径规格比较昂贵 ●较重，长度和体积比同等口径和焦距的牛顿反射或折反望远镜更大 ●增大口径的成本因素限制了商业产品的最大尺寸，经济的设计大多为中小口径产品 ●存在一些色彩畸变(消色差双胶合透镜) ----------------------------------------------------- 牛顿反射望远镜
光学设计实验报告——望远镜系统设计 姓名：任定伟 学号：B09010312 班级：B090103
目录 一、ZEMAX仿真 二、设计优化 三、数据比较和优化后参数 四、公差分析 五、光学系统图 六、设计心得体会
一ZEMAX仿真 一、本次设计要求如下： 1.焦距为100mm； 2.光源为无穷远处; 3.像空间F/﹟=4，相对孔径1/4 4.前一块玻璃为BAK1,后一块玻璃为F2 5.全视场角为8度 先打开ZEMAX软件，根据设计要求修改系统设定,包括系统孔径,镜头单位，视场，和波长。 望远镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差、慧差。 根据要求采用的是折射式望远双胶合型 （1）修改系统设定。 首先，根据要求的设计参数计算物方孔径EPD。提供的有效焦距efl为100mm，像空间F/﹟=4。 由公式，得物方孔径EPD约等于25。 在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>通用配置，在弹出的对话框中，选择图象空间F/#，数值选择4。
（2）视场设定。 在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0,8), (0, 2.8)和 (0,4)。 第三步，波长设定。 在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>波长，在弹出的对话框中，单击选择完成配置，然后单击确定。
系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。 选择分析>草图>2D草图，将出现2D草图LAYOUT。 第二部分设计优化 从2D草图可以看出，镜头的性能参数并非最优。 选择编辑——》优化函数，反复进行修改权重，直到mtf达到最优。
选择工具 > 优化 > 优化在弹出的窗口中执行最终优化 当优化开始时，ZEMAX 首先更新系统的评价函数。第四部分：数据比较与优化后参数 优化后2D草图：
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；地基空间目标探测与识别；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。系统的视场光阑设在物镜的像平面处，入射窗和出射窗分别位于系统的物方和像方的无限远处，各与物平面和像平面合。