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1、课程设计题目：开普勒式望眼镜系统设计所属课程：望眼镜系统设计姓名：姚彭彭学号： 081210210 班级：光科 0801 班指导教师：秦华山东理工大学课程设计1 目录摘要. 21、课程设计背景 . 22、课程设计目的 . 23、课程设计主要内容和要求. 23.1望远镜的定义 . 23.2 折射望远镜系统的分类 . 33.3 技术的考量 . 43.4 开普勒式望远镜设计 . 43.4.1 折射望远镜的设计 . 43.4.2 开普勒望远镜原理分析. 53.4.3 开普勒望远镜成像原理. 63.4.4 参数设计外形尺寸 . 63.4.5 望眼镜系统中的光栅分析. 94、主要参考文献 . 10山东理工
2、大学课程设计2 开普勒式望眼镜系统设计摘要：简述了望眼镜的发展历史和作用，介绍了折射式望眼镜的分类， 和开式望 远镜实验装置的主要结构和工作原理，针对开普勒式望眼镜的主要参数设计出开 普勒式望眼镜系统，并对望眼镜系统的光栅进行分析。1、课程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
3、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
4、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。2、课程设计目的理解望眼镜的发展历史、 系统分类和科学应用。 并运用应用光学知识， 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原理和设计方法，并对初步系统光栅的分析。3、课程设计主要内容和要求3.1 望远镜的定义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 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： 折射望远镜山东理工大学课程设计3 折射望远镜的物镜由透镜或透
5、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。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。其中，伽利略结构历史最悠久，其目镜为凹透镜，能直接成正立
6、的像，但是视场小。而绝大多数常见的望远镜都是开普勒结构，其目镜一般是凸透镜或透镜组，由于其光路中有实象， 可以安装测距或瞄准分划板用来测量距离。但是简单的开普勒结构所成的像是倒立的，需要在光路内加上正像系统使其正过来，常见的正像系统为普罗棱镜或屋脊棱镜，既起到正像的作用， 又使光路折回， 缩短整机长度。 反射望远镜该类镜最早由牛顿发明， 其物镜是凹面反射镜， 没有色差， 而且将凹面制成旋转抛物面即可消除球差。 凹面上镀有反光膜， 通常是铝。反射望远镜镜筒较短，而且易于制造更大的口径， 所以现代大型天文望远镜几乎无一例外都是反射结构。反射望远镜的结构里， 除了主物镜外， 还装有一或几个小的反射镜
7、，用来改变光线方向便于安装目镜。 由于反射式望远镜的入射光线仅在物镜表面反射，所以对光学玻璃的内部品质比折射镜要求低。 折反射望远镜折反射望远镜的物镜是由折射镜和反射镜组合而成。主镜是球面反射镜， 副镜是一个透镜，用来矫正主镜的像差。此类望远镜视场大，光力强，适合观测流星，彗星，以及巡天寻找新天体。根据副镜的形状，折反射镜又可以分为施密特结构和马克苏托夫结构，前者视场大，像差小；后者易于制造。3.2 折射望远镜系统的分类 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，
8、适眼距(eye relief)也不佳。 开普勒式望远镜山东理工大学课程设计4 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。 ) 这种设计也使用在显微镜在焦平面上(用于测量被观测的两个物体之间角距离的大小)。 消色差折射镜消色差的折射镜是在1733 年由一位英国律师切斯特穆尔霍尔发明的，虽然专利权给了另一
9、位独立发明的约翰Dollond 。这项设计使用两片玻璃( 有不同色散度的 “ 冕牌玻璃 “和“火石玻璃 “) 做物镜，降低了色差和球面像差。两两片玻璃的每一个面都要抛光， 然后组合在一起。消色差透镜可以让两种不同波长(通常是红色和蓝色 )的光，都能聚焦在相同的焦平面上。 高度消色差折射镜高度消色差折射镜使用特别的材料，特别低色散度的材料， 来制造物镜。 他的设计能让三种不同的颜色( 通常是红色、绿色和蓝色 ) 汇聚在相同的焦平面上，颜色的残差错误 (二级光谱 ) 比消色差透镜少了一个数量级。 这种望远镜的主镜是萤石或超低色散 (ED)玻璃的透镜， 产生非常清晰没有色差的影像。 这种望远镜在业余
10、天文望远镜的市场中是非常高价值的产品。高度消色差折光镜的口径已经可以做到 553 毫米的直径，但多数仍在80152 毫米之间。3.3 技术的考量折射望远镜曾经因为高度残余的色差和球面像差而饱受责难，短焦的情况比长焦的更为严重。 一架 4 英吋 F/6 的消色差折光镜， 仍可能出现不能忽视的彩色的散述现象 ( 通常会有紫色的光晕在明亮的天体附近)，而 4 英吋 F/16 的就只会有少许的色散。在非常大口径的折光镜， 还有镜片沉陷的问题， 这是重力使玻璃变形的结果。玻璃的瑕疵是更进一步的问题，被困在玻璃内的空气气泡或条纹。另外，玻璃对某些波长是不透明的， 即使是可见光也会在进出接口与穿透时因吸收和
11、折射而黯淡。这些问题大多数都可以因为改用反射镜而消除或降低，而且还可以制造更大的口径。3.4 开普勒式望远镜设计3.4.1 折射望远镜的设计山东理工大学课程设计5 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、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。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
12、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。3.4.2 开普勒望远镜原理分析图 1 开普勒望远镜光路示意图开普勒望远镜由两个凸透镜构成。由于两者之间有
13、一个实像， 可方便安装分划板，且性能优良。但这种结构成像倒立，所以要在中间增加正像系统。正像系统分两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。常见的为前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。优点是在正像系统采用一组复杂的透镜将像倒转，成本较高。 从图中可看出， 限制成像光束截面大小的光阑是物镜框， 故物镜框是孔径光阑。 先知望远镜所能观察到的山东理工大学课程设计6 视场大小为光阑的分划板框， 故分划板是视场光阑。 由于孔径光阑的前方已没有其它光学系统， 因此整个光学系统的入瞳就是孔径光阑本身。孔径光阑经过它的后发所有光学系统所成的像就是出瞳。3.4.3 开普勒望远镜成像原理图 2 开普勒望远镜光路示意图其原理是 : 由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个实像，可方便地安装分划板，并且各种性能优良， 所以目前军用望远镜， 小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构，但这种结构成像是倒立的，
