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1、成都信息工程学院光电技术学院望远镜系统结构设计专业：电子科学与技术班级：光电子082班名：学号：指导老师：2010年5月28日目录第一章引言3第二章概述32.1课程设计的目的及意义32.2课程设计的内容 32.3望远镜的介绍32.4望远镜的分类4第三章伽利略望镜工作原理及发展简史53.1望远镜的工作原理53.2望远镜发展简史 5第四章望远镜的主要特性分析64.1望远镜的主要特性分析64.2开普勒望远镜的参数计算8第五章物镜和目镜的选择95.1物镜的选择95.2物镜实例105.3目镜的选择125.4目镜实例13第六章测微准直望远镜156.1测微准直望远镜概述156.2测微准直望远镜计量特性15第
2、七章棱镜转向系统167.1 Porro棱镜结构及其点167.2 Roof棱镜结构及其特点167.3折转形式望远镜系统分177.4类似棱镜结构晶体分析 17第八章光学系统初始结构参数计算方法17第九章光栅19第十章心得体会19第十一章参考文献20第一章引言本课程的任务是在学习工程光学基础、光学测试技术等技术基础课程的基础 上，进行光学仪器的设计，目的是让学生了解光学设计中主要的环节，掌握光学 仪器设计、开发的基本方法，以便今后能从事光学仪器的设计、研发工作。本课 程主要研究光学仪器设计中的基本部分，如：光源、目镜、物镜、分化板等，以 及光学仪器设计中考虑的基本问题，如：物象位置关系、系统放大倍数
3、、系统分 辨率、相差等。课程涉光学基础、光学测试技术、误差理论及数据处理、精密仪 器设计等多方面。光学设计过程分为四个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、 象差校正和平衡以及像质评价。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。关键词：光学系统 成像质量 像差 像距 望远镜第二章概述2.1课程设计的目的及意义运用应用光学的知识，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，目镜组及转向系统的简易设
4、计原理。了解光学系统中pw法的基本原理。2.2课程设计的内容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。2.3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
5、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99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
6、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。图9-9望企镣2.4望远镜的分类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Y射线望远镜。我们探讨的只限于光学望远镜。1609年，伽利略制造出第一架望远镜，至今已有近四百年的历史，其间经历 了重大的飞跃，根据物镜的种类可以分为三种：1. 折射望远镜（伽利略望远镜，开普勒望远镜）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
7、上的透镜组作物镜。其中以双透镜物镜应用 最普遍。2. 反射望远镜（牛顿望远镜，卡塞格林式望远镜）用凹面反射镜作物镜的望远镜。可分为牛顿望远镜.卡塞格林望远镜等几 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。3. 折反射望远镜（施密特望远镜，马克苏托夫望远镜）在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大 型非球面加工，又能获得良好的像质量。比较著名的有施密特望远镜 它在 球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。它是一个面是平面，另一个面是 轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有
8、发散，正好矫 正球差和彗差。还有一种马克苏托夫望远镜第三章伽利略望远镜工作原理及发展简史3.1工作原理物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。光线经过物镜折射所成的实 像在旦镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经 它折射后成一放大的正立虚像。伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦 距的比值。其优点是镜筒短而能成正像，但它的视野比较小。把两个放大倍数 不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的 装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。伽利略发明的望远镜 在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透 镜（物镜）
9、构成。其优点是结构简单，能直接成正像。伽利略望远镜的工作原理图你可以用很低的费用制作一架伽利略式望远镜。从文化用品商店买一块直径、焦 距大一些的眼镜片作为物镜和一块焦距、直径较小的透镜作为目镜。用胶水和小 槽把两块镜片装在硬纸筒内，再做一个简单的台座，于是一架能够看到月亮上的 群山、银河中的繁星和木星的卫星的望远镜便制成了。想想看，伽利略就是用 这人发现的。但是切记，不要通过望远镜直接观察太阳，以免高温灼伤眼睛！ 伽利略的折射望远镜有一个令人讨厌的缺点，就是在明亮物体周围产生假色”。 “假色”产生的症结在于通常所谓的“白光”根本不是白颜色的光，而是由组成彩虹 的从红到紫的所有色光混合而成的。当
10、光束进入物镜并被折射时，各种色光的折 射程度不同，因此成像的焦点也不同，模糊就产生了。3.2发展简史1609年5月，正在威尼斯作学术访问的伽利略偶然间听到一则消息：荷兰 有人发明了一种能望见远景的“幻镜”，这使他怦然心动，他很快找了个借口匆匆 结束行程，不到3个月的时间，这位45岁的教授已经仿造出了两架仪器，伽利略手绘的月面图8月，他首先用它观察了月球。不想，人们眼中的那个千娇百媚、美轮美奂的银 盘，在他的望远镜中却成了一张千疮百孔、丑陋不堪的大麻脸”！于是他把那些 四周边缘高耸突出的圆状命名为“环形山”，而管较平坦的暗黑区域称之为“海”。 更重要的是，他由此知道，月球并非是上帝创造的尤物，天
11、堂中的东西也不一定 是尽善尽美的，他相信月球和地球一样，是个有着实地的世界，说不定，在那些 山洞内还可能栖息着神秘的“月球人”呢。接着，伽利略又把目标指向了灿烂的星 星，尽管在望远镜内“星星还是那个星星”，但明显地变得更加明亮了，而且还出 现了众多原先肉眼无法见到的小星，由此他也成为世界上最早识破漫漫银河奥秘 的人这不是“牛奶路”，而是无数星体交织在一起的光辉！这一切也使他相信， 哥白尼所说的“恒星离我们极其遥远”可能是句至理名言，不然为什么望远镜无法 把它们放大呢。随后，伽利略将他的发现写成24页的星座信使(Sidereus Nuncius)，并公之 于众，但当时并未被迅速接受，因为当时望远
12、镜的原理尚未明确，伽利略也无 法详细说明自己的科研成果。一部分学者和教会人士认为望远镜里的景象不过 是光影上的幻觉，是望远镜的瑕疵造成的。到了1611年，德国天文学家开普勒 出版了天文光学，阐述了望远镜的原理，“幻觉说”才渐渐消失。第四章望远镜的主要特性分析4.1望远镜外形尺寸设计首先介绍一下目视光学系统中一些机构及放大率的表达式：1. 视场光阑：限制物空间多大范围能被成像;一般设在实象平面或中间实象平面上。2. 渐晕光阑：限制轴外成像光束的宽度。3. 入射光瞳:孔径光阑经它前面的光学系统在物空间所成的像。4. 出射光瞳:孔径光阑经它后面的光学系统在像空间所成的像。5. 入射窗:视场光阑经它前
13、面的光学系统在所成的像。6. 出射窗：视场光阑被其后面的光学系统在所成的像。V nl（1）（2）（3）（4）7. 垂轴放大率：6= V =V n l n c8. 轴向放大率：a= p2nn9. 角放大率：Y=fn p_ tgf, D10. 望远镜系统视放大率：r = r物=Y=；tgf 目 D然后设计一个开普勒式望远镜，其主要要求如下：1. 物镜与目镜之间的距离L=315mm，2. 望远镜的视放大倍数= 20x，3. 物方视场角2 = 3 20。首先确定设计需要的参数，主要有：目镜视场角，望远镜分辨率，入瞳直径，出瞳直 径，物镜与目镜的焦距，视场光阑直径，目镜口径，出瞳距离和目镜视度调节量。视
14、场光阑D2J开普勒(Kepler Telescope)望远镜光路示意图计算中可以用到的公式如下：1.如果要求仪器的视角分辨率和衍射分辨率相等，则:60 140广 D(7)=n=r D 2.32.视放大率：3.望远镜分辨率:60a =r则可以计算出开普勒望远镜的一些主要参数，如下:4.2开普勒望远镜主要参数计算1.目镜视场角：由 tg3=Bg 得 =30.20。,2= 60.40。2.望远镜分辨率：60 60 ”a =3r 203. 入瞳直径。:根据视放大率得D = 2.3r = 46mm4. 出瞳直径D :D = = 2.3mmr5. 物镜焦距与目镜焦距：匚 * 匚=315f= 300mm由广
15、得/ ? X-1 = 20f = 15mm26. 视场光阑直径。泌:视D = 2f tg& = 17.45mm视 i7. 出瞳距离I；：l = ff + f =- = 15.75mmz f2 r18. 目镜口径D :目D = D+2l = 20.63mm目z9. 目镜视度调节量x：,Nf 2 设调节 5屈光度，则：x = 1000 = 1，125mm由以上的参数我们就可以设计一个简单的望远镜，由光路 图我们还可以看出开普勒望远镜由两个凸透镜构成。由于两者之 间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良。但这 种结构成像是倒立的，所以要在中间增加转像系统。第五章物镜和目镜的选择5.1 .物镜的选择物镜的光学待性主要有三个：相对孔径D/f
