望远镜光路设计

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。

《光路设计》课程设计报告题目：双筒棱镜望远镜设计院（系）：信息科学与工程学院专业班级：光电1202班学生姓名：学号：***********指导教师：20 14 年 12 月 29 日至20 15 年 1 月 9 日目录设计任务与要求 (3)设计步骤 (4)一、外形尺寸计算 (4)二、光学系统选型 (6)三、物镜的设计 (7)1、用PW法计算双胶合物镜初始结构： (7)（1）求h，z h，J (7)（2）求平板像差 (7)（3）求物镜像差 (7)（４）计算Ｐ，Ｗ (8)（５）归一化处理 (8)（６）选玻璃 (8)（７）求形状系数Ｑ (9)（８）求归一化条件下透镜各面的曲率 (9)（９）求薄透镜各面的球面半径 (9)（１０）求厚透镜各面的球面半径 (9)2、物镜像差容限的计算 (10)3、物镜像差校正 (11)4、物镜像差曲线 (13)四、目镜的设计 (14)1、用PW法计算凯涅尔目镜初始结构 (14)（１）接目镜的相关参数计算 (14)（2）场镜的相关参数计算 (15)2、目镜像差容限的计算 (16)3、目镜像差校正 (17)4、目镜像差曲线 (20)五、光瞳衔接与像质评价 (20)1、光瞳衔接 (20)2、像质评价 (21)3、总体设计评价 (21)学习体会 (22)设计任务与要求设计题目：双筒棱镜望远镜设计设计技术要求：双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为：1、望远镜的放大率Γ＝6倍；2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）；3、望远镜的视场角2ω＝8°；4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。

6、lz ′>8～10mm设计步骤一、外形尺寸计算由入瞳直径30D mm =及相对孔径'1:4Df =，可得： 物镜焦距'14120f D mm =⨯=由6Γ=，知：出瞳直径'5DD mm ==Γ目镜焦距''12120206f f mm ===Γ 由物方视场2ω=8，可得：目镜通光口径'''312[()]222.084D D f f tg mm ω=++⨯= 分划板直径'21216.7824D f tg mm =ω=分划板半径28.39122D = 又由：'64tg tg tg ω=Γω=，可得：像方视场'245.5ω=该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图：将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：普罗I 型棱镜由设计要求：视场边缘允许50%的渐晕，可利用分划板拦去透镜下部25%的光，利用平板拦去透镜上部的25%的光，这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统，使像质较好。

目录选题 (2)应用背景 (2)设计参数的确定 (2)设计 (3)望远镜光路示意图 (3)外形尺寸计算（含棱镜） (3)物镜的选型 (6)目镜的选型 (10)优化 (12)物镜和棱镜的优化 (12)目镜的优化 (21)零件图 (27)总结 (29)参考文献 (31)1.选题1.1 应用背景望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件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。

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。

因此，望远镜在我们的日常生活中得到了广泛的应用。

查阅资料得知，手持望远镜的倍率一般不超过十倍，倍数过高容易由于手的抖动导致的难以看清图像。

本课题所要设计的望远镜所满足的主要功能是日常生活中的望远，如在旅游景点，演唱会，体育场看台等所需要的望远功能。

1.2设计参数的确定根据1.1所述应用背景，参考了一些网上的设计参数并稍作调整，本课题采用放大率8倍，视场角2w=6°入瞳直径40mm，物镜相对口径1:6。

转向系统采用普罗型Ι型棱镜2.设计2.1望远镜光路示意图图2-12.2外形尺寸计算(1)物镜焦距f1′=40mm×6=240mm(2)目镜焦距f2′= f1′/Γ=30mm(3)入瞳直径D1=40mm(4)出瞳直径D1′=D1/Γ=5mm(5)视场光阑直径D3=2 f1′tanω=25.16mm(6)目镜的视场角tanω′=Γ×tanω=0.419故ω′=22.75°，2ω′=45.5°(7)出瞳距(镜目距)lz'=f2’-f2’f2/f1'=33.75mm(8)目镜的通光孔径D2=D1’+2lz’tanw’=33.31mm(9)普罗Ⅰ型棱镜的几何尺寸普罗Ι型棱镜由两个直角棱镜构成，它们的主截面互成90°，两斜面相对，如图2-2所示图2-2首先要确定棱镜的位置，这里放在物镜的像平面附近。

摘要早在 18世纪的时候，人们出于对自然界的好奇无意间发明了结构非常简单的望远镜。

而科技飞速发展的今天，望远镜的创新也是层出不穷，并且望远镜也被应用到各个领域。

本论文设计了一个军用望远镜，其可以观测到一定范围内的物体，适用五百米内的军用装备细节观察,一千米内的战地地形观察。

首先介绍了像差理论和光学自动设计原理，确定并给出了望远镜的总体设计方案。

然后就望远镜目镜的光学性能选择了对称型目镜。

在确定目镜类型的基础上，运用初级像差理论进行了军用望远镜目镜的初始光学结构设计，并给出了对称型目镜的有关结构参数。

昀后，在ZEMAX环境下进行了初始结构的像质评价，并运用ZEMAX软件提供的优化功能对整个望远镜目镜的初始光学结构进行了优化，经过反复的调试和修改，得到的优化结果明显优于初始结构。

为了评价本设计的军用望远镜目镜的成像质量，在优化之后还依据设计提出的技术要求进行了像差、公差的分析。

关键词：军用望远镜目镜，光学设计，像质评价，像质分析，ZEMAX软件AbstractIn the 18th century, people invented accidentally the telescope with very simple structure when the y were out of the nature of the curious. Today, there are various kinds of telescopes with new technologies and are used in wide fields.In this paper, a military telescope is designed, which can be used to observe objects in a certain range. It will be applied to a military equipment to observe the details within a half of kilometer and the battlefield terrain within one kilometer. First, image quality theory and optical automatic design theory are introduced in deteil. Using the theories,the telescope of design program is advanced. Then by the optical properties of the telescope eyepiece，symmetrical eyepiece is selected. Based on the primary aberration theory, the initial optical structure design of a military telescope eyepiece is expressed, and the structural parameters of the symmetrical eyepiece are displayed in a table i n order to determine the type of the eyepiece. Finally, the eyepiece is evaluated with ZEMAX software by image quality theorems. Using the optimization function in ZEMAX software environment, the initial optical structure of telescope eyepiece is optimized. The debugging is repeated after modification. The obtained optimal results are better than the initial structure. In order to evaluate the image quality of military telescope eyepiece, the aberration tolerance analysis is carried based on the technical requirements for the optimization of the design.Keywords：Military telescope eyepiece, optical design, image quality evaluation, the image analysis, ZEMAX software目录第一章绪论 (1)1.1望远镜的分类及演变 (1)1.1.1 折射式望远镜 (1)1.1.2 反射式望远镜 (2)1.2望远镜的光学特性 (4)1.2.1 望远镜的原理 (5)1.2.2 望远镜的目镜 (6)1.2.3正像望远镜中的转像系统和场镜 (8)1.3本论文的主要内容......................................................................................... 8第二章光学设计理论和像差理论 (9)2.1光学设计的概念 (9)2.1.1 光学设计方法 (10)2.1.2 光学系统总体设计和布局 (10)2.1.3 光组设计 (11)2.2像质评价和像差理论 (13)2.2.1 像质评价 (13)2.2.1 像差概念和理论 (14)2.3望远镜设计的总体方案 (17)2.3.1 设计方案介绍 (18)2.3.2 初始光学结构设计............................................................................................. 18 第三章望远镜的光学结构设计. (20)3.1望远镜光学性能的确定 (20)3.1.1 望远镜对光学性能的要求 (20)3.2望远镜光组的设计 (21)3.2.1 目镜的选型 (21)3.2.2 物镜的选型 (26)3.2.3 分划板的计算 (26)3.2.4 转像系统的选择 (26)3.3望远镜设计总结............................................................................................ 27第四章望远镜目镜的光学结构优化 (29)4.1在ZEMAX环境下建立镜头文件 (29)4.1.1 属性输入 (29)4.1.2 对称目镜面参数的输入 (30)4.2初始结构的像质评价 (31)4.2.1 球差曲线 (32)4.2.2轴外细长光线像差性曲线 (33)4.2.3 像差特性曲线 (35)4.2.4 点列图(Spot Diagram) (37)4.3望远镜目镜的优化 (37)4.3.1 确定优化变量 (38)4.3.2 设定评价函数 (38)4.3.3 优化 (38)4.3.4 优化结果 (39)4.4望远镜目镜像差的公差分析...................................................................... 43第五章总结......................................................................................................... 45参考文献............................................................................................................... 46致谢..................................................................................................................... 48声明 (49)第一章绪论望远镜是众多光学仪器中发展昀为久远的,本章就望远镜结构分类,简要的原理,发展历史进行一些系统介绍。

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M）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。

普罗型望远镜光学系统设计（8倍）摘要随着科学技术的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域中。

我们都知道，光学仪器的核心部分是光学系统。

一个高质量的成像光学系统是要靠好的光学设计去完成的。

本课题主要研究的是8倍普罗型望远镜光学系统。

本文介绍了望远镜发展背景及相关应用，对望远镜系统及主要参数、衡量指标做了介绍，完成了对普罗型望远镜光学系统的外形尺寸计算，对物镜组、目镜组及转向系统的设计.物镜采用双胶合物镜，目镜采用对称型目镜，转向系统采用普罗I型棱镜作为转向系统。

介绍了像差理论，并应用ZEMAX光学设计软件对像差进行了分析和校正。

最终设计出合格的望远镜。

关键词：普罗型望远镜；光学系统；像差；ZEMAX光学设计软件目录1 绪论 (1)1.1题目背景 (1)1.2设计目的及意义 (1)1.3国内外相关研究情况 (1)2 望远镜介绍 (2)2.1望远镜简介 (2)2.2望远镜的历史 (2)2.3望远镜的发展 (2)2.4望远镜的分类 (3)2.4.1折射望远镜 (3)2.4.2反射望远镜 (4)2.4.3折反射望远镜 (5)3 望远镜系统设计 (6)3.1望远镜总体方案拟定 (6)3.2望远镜的常见参数 (6)3.3转像系统 (7)3.4望远镜外形尺寸计算 (8)3.5物镜与目镜的选型 (11)3.5.1望远物镜的特点 (11)3.5.2几种常见的望远物镜 (11)3.5.3望远物镜设计 (15)3.5.4望远目镜的特点 (16)3.5.5几种常见的目镜 (16)3.5.6目镜设计 (18)4 像差分析 (19)4.1像差综述 (19)4.1.1球差 (19)4.1.2慧差 (20)4.1.3像散 (20)4.1.4场曲 (20)4.1.5畸变 (20)4.1.6色差 (21)4.2像差校正 (22)4.2.1球差校正 (25)4.2.2色差校正 (26)4.3光学系统的像质评价 (26)4.3.1点列图 (26)4.3.2利用MTF曲线评价成像质量 (27)5 总结 (28)参考文献 (29)1 绪论1 绪论1.1题目背景随着科学技术的发展，望远镜逐渐由简单的单筒望远镜发展到双筒望远镜、天文望远镜等，以成为重要的光学仪器之一。

设计一个8倍的双目望远镜设计题目要求：设计一个8倍的双目望远镜，其设计要求如下：全视场：2ω=5º； 出瞳直径：D ´=5mm ； 出瞳距离：l z ´=20mm ； 分辨率：α=6"；(R=5") 渐晕系数：K =0.64；棱镜的出射面与分划板之间的距离：a =10mm ； 棱镜：o 60-LJ D 屋脊棱镜；L=2.646D 材料：K10； 目镜：2-35一、目镜的计算目镜是显微系统和望远系统非常重要的一个组成部分，但目镜本身一般并不需要设计，当系统需要使用目镜时，只要根据技术要求进行相应类型的选取即可。

1、首先根据已知的视觉放大倍数Γ及视场2ω，求出2'ω'1159)(22tg ︒=⨯Γ='⇒⇒'=Γωωωωtg arctg tg2、因为目镜有负畸变（3%~5%），所以实际应取：'962%5)(2)(22︒=⨯⨯Γ+⨯Γ='ωωωtg arctg tg arctg3、根据实际所需要的2'ω数值。

出瞳直径值及镜目距值等，来选择合适的目镜类型。

在本次设计中所需的目镜的结构形式应该作为已知条件给出，如：目镜2-35。

图2-1目镜2-35（结构图见2-1）此外设计手册中还提供有相关的结构数据参数表2-1及主要的系统数据； 表2-10.6,298.7,502,00.25==︒==''d s f f ω等。

从图2-2中我们不难发现该目镜的出瞳位于整个系统的左侧，而在目镜的实际运用中，出瞳应位于系统右侧。

此种情况相当于将目镜倒置，故而它所给出的298.7='f s 我们不能直接加以运用，这里f s '是指F '与目镜最后一面之间的距离。

4、将手册中给的目镜倒置：由于将目镜倒置，则目镜的数据将发生一定的变化，以目镜2-35为例，原来的第一个折射面（650.1081=r ）变为第八个面（650.1088=r ），原来的第二个折射面（31.332-=r ）变为第七个折射面（31.337-=r ）……，以此类推。

光轴平移成像光路设计光轴平移成像光路设计光学是研究光现象及其规律的学科，具有广泛的应用领域，在现代科技中扮演着至关重要的角色。

成像光路是光学中的一个重要分支之一，主要用于描述和解释光线成像的规律和原理。

在实际应用中，如何设计一条有效的成像光路，显得尤为关键。

本文将着重介绍光轴平移成像光路的设计，这种成像方式通常应用于望远镜、显微镜等设备中，具有较好的成像效果。

具体来讲，本文将围绕以下几个方面展开：1.光轴平移成像与光路设计的关系2.光轴平移成像光路的基本原理3.光轴平移成像光路的设计步骤4.光轴平移成像光路的实例分析一、光轴平移成像与光路设计的关系光路设计是指将光线引导到成像平面上的过程。

不同的光路设计方式，会对光线的传播方向、成像效果等产生不同的影响。

而光轴平移成像则是一种常用于望远镜、显微镜等成像设备中的成像方式。

光轴平移成像的基本思想是，通过调节物镜和目镜之间的距离，使得物体距离物镜的距离和像距离目镜的距离相等，从而可以得到一个清晰的像。

光轴平移成像光路的设计过程主要围绕着如何调节物镜和目镜之间的距离，以及如何确定成像点的位置等问题展开。

二、光轴平移成像光路的基本原理光轴平移成像光路的基本原理可以较为简单地描述为上文中提到的那样。

在这样的光路中，物镜聚光并转化为平面波，接着被目镜重新聚焦到像平面上。

由于光轴平移成像的原理，成像平面与物镜和目镜之间的距离是相等的，成像点的位置也是固定的。

换句话说，当物镜和目镜之间的距离被调节时，成像点的位置也会相应地发生变化。

三、光轴平移成像光路的设计步骤为了得到一条有效的光轴平移成像光路，需要进行以下几步操作：1.确定物镜和目镜的焦距，即聚光能力。

焦距的选择应当根据具体的应用需求和实际制造情况进行综合考虑。

2.确定物镜和目镜的大小，一般应该设计成径向呈现递减的形式。

物镜和目镜的大小也应当符合实际制造工艺的要求。

3.确定物镜和目镜之间的距离，这是光轴平移成像的关键所在。

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：''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 Dl ω=计算得出望远镜的视场角ω为°，可见伽利略望远镜的视场非常小。

物镜设计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。

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<200nm RMS，。

★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24.6X24.6mm，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）。

★根据标书的要求，望远镜具有搜寻小行星的功能。

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 。

望远镜基本原理一、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。

光学设计望远镜知识点望远镜是一种用于观察远处物体的光学仪器，它通过透镜或者反射镜的组合来聚集和放大光线。

光学设计是指将透镜和反射镜的曲率、材料和间距等参数进行优化，以达到最佳的成像效果和观测性能。

以下将介绍几个光学设计望远镜涉及的重要知识点和技术。

1. 望远镜光路的基本组成望远镜光路由目镜和物镜组成。

物镜的主要作用是使光线在经过一个聚焦点后尽可能地准确地再次聚焦，从而形成清晰的像。

目镜的作用是进一步放大这个像，使人能够观察到更多细节。

光路的设计是望远镜设计的基础。

2. 球面像差和色差球面像差是由于透镜或者反射镜的曲率不合适而导致的成像不完美的问题。

为了解决球面像差，可以使用非球面透镜或者增加镜片的数量。

另一个常见的问题是色差，这是由于透镜材料对不同波长的光折射率不同而引起的。

色差可以通过使用具有不同折射率的玻璃或者涂层来减轻。

3. 畸变和像场平直度畸变是指像中不同位置的物体放大率不同，造成成像不准确的问题。

畸变可以分为柱面畸变和畸变畸变两种类型。

像场平直度是指在整个视场范围内，像点的光轴是否足够平行。

通常，设计师需要通过优化透镜和反射镜的曲率以减小畸变和提高像场平直度。

4. 换能器和增益换能器是将光信号转换为电信号的装置，通常使用光电倍增管或者光电二极管。

增益是指光电信号在传输过程中的增加程度。

一个好的望远镜光学设计不仅要考虑到成像质量，还要注意提高光电信号的增益，以最大程度地提高观测的灵敏度和分辨率。

5. 孔径和分辨率孔径是指望远镜物镜或者反射镜的直径。

较大的孔径意味着能够收集更多的光线，因此能够提供更高的分辨率和更清晰的图像。

分辨率是指望远镜能够分辨两个相距很近的物体的能力。

分辨率与波长和孔径的关系密切，可以通过提高孔径或者缩短波长来提高分辨率。

6. 光学涂层光学涂层是一种在透镜或者反射镜表面添加的薄膜层，用于减少反射和增加透过率。

不同的光学涂层可以用于不同的目的，如抑制残余光、减轻色差和降低反射率。

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。

664.8设计和组装望远镜【实验目的】（1）了解望远镜的结构、原理及放大率等概念。

（2）设计组装望远镜，进一步熟悉透镜成像规律。

【实验原理】1．望远镜简介最简单的望远镜由两个凸透镜物镜和目镜组成，其中物镜的焦距较长。

由于被观测物体离物镜的距离远大于物镜的焦距（u >2f o ），通过物镜的作用后，将在物镜的后焦面附近形成一个倒立的缩小实像。

此实像虽较原物体小，但与原物体相比，却大大地接近眼睛，因而增大了视角。

然后通过目镜再将它放大。

由目镜所成的像可在明视距离到无限远之间的任何位置上。

图1所示为简单望远镜的光路图。

图中L o 为物镜，其焦距为f o ；L e 为目镜，其焦距为f e 。

当观测无限远处的物体（u→∞）时，物镜的焦平面和目镜的焦平面重合，物体通过物镜成像在它的后焦面上，同时也处于目镜的前焦面上，因而通过目镜观察时，成像于无限远。

此时，望远镜的放大率可从光路图中得出。

M=f o /f e (1)图1简单望远镜光路图由此可见，望远镜的放大率m 等于物镜和目镜焦距之比。

若要提高望远镜的放大率，可增大物镜的焦距或减小目镜的焦距。

当用望远镜观测近处物体时，其成像光路可用图2来表示。

图中u 1、υ1和u 2、υ2分别为透镜L o 和L e 成像时的物距和像距，Δ是物镜和目镜焦点之间的距离，即光学间隔（在实用望远镜中是一个不为零的小量）。

由图可得：故观测近处物体时望远镜的放大率为：L 为远处物体到目镜的距离，L 1为远处的物体到物镜的距离。

)()('1'''f L f f f o e e o L M −+=对薄透镜在满足近轴条件下，利用透镜成像公式，得：67（2）)()2(11f u f v u f f o e o e o M −++=在测出f o ，f e ，和u 1后，由上式可算出望远镜的放大率。

显然当物距u 1>>f o 时，式（2）中括号0v 内的量接近于，（2）式回到（1）式。

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。

换句话说，越靠近镜片边缘的球面像差越严重。

物理辅导教案：望远镜光路的分析和设计一、引言望远镜是一种利用光学原理观察远处天体的仪器。

它可以放大看不见的物体，使天体观测得到更加精准的结果。

本节课将对望远镜光路进行详细分析和设计，从而帮助学生加深对光学原理的理解，掌握望远镜的使用方法。

二、望远镜光路的构成望远镜的光路由两根光学轴构成，分别为物镜轴和目镜轴。

物镜轴上的元件包括物镜和二次物镜，目镜轴上的元件包括目镜和目镜放大器。

物镜与目镜之间的距离称为望远镜的焦距。

三、望远镜光路的分析1.物镜轴的分析(1) 物镜焦距：物镜的作用是将远处物体的光线都汇聚到一个焦点上。

物镜焦距可以根据物体和像的距离计算得到。

(2) 二次物镜：二次物镜是光路中重要的组成部分之一，它的作用是将物镜成像的平面像转化为二次物镜的焦面。

二次物镜的大小可以影响望远镜的视场大小。

(3) 物镜孔径：物镜孔径是指物镜的有效直径，它决定了望远镜的分辨率和光通量。

2.目镜轴的分析(1) 目镜放大倍率：目镜的作用是将二次物镜成像的焦面调整到人眼看得清晰的位置。

目镜放大倍率可以根据目镜焦距和人眼观察距离计算得到。

(2) 目镜焦距：目镜焦距为目镜光轴上焦距，它决定了望远镜的最终放大倍率。

(3) 瞳距：瞳距是指目镜出射瞳距离人眼的距离，不同的人眼瞳孔大小影响着望远镜的使用效果。

四、望远镜光路的设计在进行望远镜光路的设计时，需要考虑以下几个重要因素：1.大径孔径望远镜的大径孔径可以提高观测物体的亮度和分辨率，但也会增加望远镜的质量和成本。

2.镜头选择物镜选用折射型或反射型，目镜则通常采用折射型。

选择不同的镜头可以满足不同的观测需求。

3.焦距物镜和目镜的焦距需要匹配，且需要考虑望远镜的最终放大倍率。

4.目镜瞳距为了使使用者获得更好的视觉体验，望远镜的目镜瞳距需要适当调整，一般设置在10mm左右即可。

五、总结本节课主要介绍了望远镜光路的构成、分析和设计，通过对望远镜光学原理的深入探讨和了解，可以帮助学生更好地理解望远镜的工作原理和使用方法。