伽利略望远镜设计说明书
伽利略望远镜的结构
- 功能：容纳物镜和目镜，并保持它们之间的相对位置- 长度：通常较短，因为伽利略望远镜的物镜和目镜焦点重合或接近重合
光阑
- 类型：视场光阑（通常由物镜框充当）- 功能：限制望远镜的视场，避免光线在镜筒内过多散射
像差补偿
- 凹透镜目镜有助于对凸透镜物镜的像差进行补偿- 减少反射面的有害损失，提高成像质量
成像特点
- 共虚焦点：伽利略望远镜的物镜和目镜共同形成一个虚焦点- 虚像：观察者看到的是由目镜放大的虚像
结构优势
- 结构简单，制作相对容易- 减少了反射面的光能损耗，提高了光线的利用率伽来自略望远镜的结构组成部分
描述与功能
物镜
- 类型：凸透镜- 光焦度：正- 功能：接收远处物体发出的光线，并将其聚焦成一个实像
目镜
- 类型：凹透镜- 光焦度：负- 功能：将物镜形成的实像进一步放大，并使其成为虚像，供观察者观察
焦距关系
- 物镜焦距（fₒ）大于目镜焦距（fₑ）- 放大倍率M=fₒ/fₑ（如放大倍率为5倍，则fₒ=5fₑ）
伽利略式望远镜原理
伽利略式望远镜原理伽利略式望远镜原理伽利略式望远镜是伽利略·伽利略于17世纪初发明的一种望远镜。
与开普勒望远镜相比，伽利略式望远镜结构简单、易于制造，并且可以提供较为清晰的图像。
它的原理基于光线的折射和衍射，通过合理设计的透镜和物镜，可以使远处物体变得更加清晰可见。
本文将围绕伽利略式望远镜的原理展开讨论，帮助读者更好地理解这种望远镜的工作原理及其应用。
1. 透镜的作用伽利略式望远镜主要由物镜和目镜两个透镜组成。
物镜是用来收集和聚焦光线的透镜，而目镜则用来放大物体的细节。
透镜的作用是通过折射光线实现对物体的放大和清晰成像。
当光线通过物镜时，会因为介质的折射而改变光线传播的方向。
通过调整物镜和目镜的距离和焦距，可以使进入目镜的光线聚焦在视网膜上，从而产生清晰的图像。
2. 倍率与视场伽利略式望远镜的倍率是指目镜所放大的倍数。
一般来说，倍率越高，看到的物体细节越清晰。
然而，过高的倍率也会导致视场变窄，只能看到局部的景象。
视场是指从望远镜中可以看到的范围，与物镜和目镜的口径有关。
为了获得更广阔的视场，适当选择物镜和目镜的口径是非常重要的。
3. 分辨率与清晰度分辨率是指望远镜能够分辨两个近邻物体间距离的能力。
分辨率越高，望远镜看到的细节越丰富。
与分辨率相关的因素有透镜的口径大小、入射光线的波长和透镜表面的光学质量等。
清晰度是指望远镜图像的清晰程度。
透镜的光学质量、透镜与光源之间的间隔以及透镜表面的净度等因素都会影响图像的清晰度。
4. 应用与发展伽利略式望远镜的发明开启了人类对宇宙的观测与探索。
通过望远镜，人们探索了太阳系行星的表面特征、恒星和星系的运动以及宇宙中的黑洞和射电波等。
伽利略式望远镜的结构也为后来的望远镜设计提供了一定的启示，促进了望远镜技术的进步。
个人观点与理解伽利略式望远镜的原理虽然相对简单，但其应用广泛，对人类认识宇宙的发展起到了重要推动作用。
作为一种基本型的望远镜，伽利略式望远镜为我们提供了深入探索宇宙的工具。
伽利略望远镜zemax课程设计
伽利略望远镜zemax课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解伽利略望远镜的基本原理，掌握其结构与功能。
2. 学生能运用Zemax软件进行望远镜光学系统的模拟与优化。
3. 学生了解望远镜在科学探索中的应用和发展历程。
技能目标：1. 学生掌握Zemax软件的基本操作，能够建立望远镜的光学模型。
2. 学生通过实践操作，学会调整和优化望远镜光学系统，提高成像质量。
3. 学生具备运用望远镜进行天文观测的能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对科学研究的兴趣，激发探索宇宙的热情。
2. 学生在学习过程中，增强团队协作和沟通能力，培养合作精神。
3. 学生通过学习望远镜发展史，树立正确的科学观和价值观，增强民族自豪感。
本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
课程目标明确，可衡量性强，有助于学生和教师在教学过程中清晰地了解预期成果。
通过本课程的学习，学生将能够掌握望远镜光学知识，运用Zemax软件进行实践操作，并在情感态度价值观方面得到全面提升。
二、教学内容1. 伽利略望远镜原理及结构- 望远镜发展简史- 伽利略望远镜的工作原理- 望远镜光学系统组成及其功能2. Zemax软件基本操作- 软件界面及功能介绍- 光学系统建模与仿真- 优化方法及其应用3. 望远镜光学系统设计与优化- 望远镜光学系统设计原则- 实例分析：伽利略望远镜光学系统设计- 光学系统成像质量评价与优化4. 天文观测实践- 望远镜使用方法与技巧- 实地观测：行星、恒星等天体的观测- 观测数据记录与分析5. 情感态度价值观培养- 望远镜在科学探索中的作用- 科学家精神及其启示- 团队协作与沟通能力的培养教学内容依据课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。
教学大纲明确，涵盖伽利略望远镜原理、Zemax软件应用、光学系统设计与优化、天文观测实践等方面，与课本内容紧密关联。
教学进度安排合理，使学生能够循序渐进地掌握相关知识和技能。
伽利略望远镜设计原理
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 (3)2.1 课程设计的目的及意义 (3)2.2 课程设计的内容 (3)2.3 望远镜的介绍 (3)2.4 望远镜的分类 (4)第三章伽利略望镜工作原理及发展简史 (5)3.1 望远镜的工作原理 (5)3.2 望远镜发展简史 (5)第四章望远镜的主要特性分析 (6)4.1 望远镜的主要特性分析 (6)4.2 开普勒望远镜的参数计算 (8)第五章物镜和目镜的选择 (9)5.1 物镜的选择 (9)5.2 物镜实例 (10)5.3 目镜的选择 (12)5.4 目镜实例 (13)第六章测微准直望远镜 (15)6.1 测微准直望远镜概述 (15)6.2 测微准直望远镜计量特性 (15)第七章棱镜转向系统 (16)7.1 Porro棱镜结构及其点 (16)7.2 Roof棱镜结构及其特点 (16)7.3 折转形式望远镜系统分 (17)7.4 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、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。
天文望远镜
典型望远镜
地面望远镜
空间望远镜
地面望远镜
光学
欧南台甚大望远镜。欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)，由4台口径8.2米的望远镜组成，光学系统均为里奇 -克莱琴式反射望远镜（R-C式，卡塞格林式的变种），位于智利北部的帕瑞纳天文台。四台望远镜既可单独观测， 也可组成光学干涉阵列观测。天文台在沙漠之中，大气视宁度极佳，近些年取得了很多观测成果。
原理和技术
原理
技术
Hale Waihona Puke 原理口径、焦距、焦比焦距越长，焦平面上成的像越大，反之则越小。口径(D)是物镜的直径，口径大小决定了光学系统的分辨力。 根据瑞利判据，望远镜的分辨力和口径相关。口径越大，分辨力越强。焦距(f)是望远镜物镜到焦点的距离，决 定了光学系统在像平面上成像的大小。对于天文摄影来说，物距（被观测天体的距离）可以认为是无穷远，因此 像距就等于焦距，所以像平面也被称为焦平面。望远镜焦距越长，焦平面上成的像越大；反之则越小。焦比(F) 是望远镜的焦距除以望远镜的通光口径，即F=f/D，它决定焦平面上单位时间内单位面积接收到的光子数量。也 被作为曝光效率的重要指标。焦比越小，焦平面上单位面积接收到的光子就越多；反之则越少。也就是说焦比越 小的镜子曝光效率越高。
发展简史
发展简史
伽利略于1609年制成的望远镜，口径4.2厘米。(2张)望远镜起源于眼镜。人类在约700年前开始使用眼镜。 公元1300年前后，意大利人开始用凸透镜制作老花镜。公元1450年左右，近视眼镜也出现了。1608年，荷兰眼镜 制造商汉斯·里帕希（H.Lippershey）的一个学徒偶然发现，将两块透镜叠在一起可以清楚看到远处的东西。 1609年，意大利科学家伽利略听说这个发明以后，立刻制作了他自己的望远镜，并且用来观测星空。自此，第一 台天文望远镜诞生了。伽利略凭借望远镜观测到了太阳黑子、月球环形山、木星的卫星（伽利略卫星）、金星的 盈亏等现象，这些现象有力地支持了哥白尼的日心说。伽利略的望远镜利用光的折射原理制成，所以叫做折射镜。
伽利略望远镜设计
伽利略望远镜设计
1.物镜：物镜是望远镜的主镜，通常由凹透镜制成。
它的作用是聚集
远处的光线，使得光线能够汇聚在焦点上，从而形成一个放大的图像。
物
镜的直径越大，能够收集的光线也就越多，从而提高望远镜的分辨率。
2.目镜：目镜是用来放大物镜聚焦的光线，使观察者能够看到清晰的
图像。
目镜通常由凸透镜制成，其作用是将物镜聚焦的光线进一步放大，
并将图像投影到观察者的眼睛上。
3.焦距和放大倍数：伽利略望远镜的焦距是由物镜和目镜的组合决定的。
通常情况下，物镜的焦距比目镜的焦距要长，这样可以获得较大的放
大倍数。
放大倍数等于物镜焦距和目镜焦距的比值。
4.支架和调焦机构：伽利略望远镜通常使用一个稳固的支架来支撑物
镜和目镜，保持它们的相对位置和角度。
同时，望远镜还配备了调焦机构，使观察者能够调整目镜与物镜的距离，从而实现清晰的焦点。
伽利略望远镜的工作原理是，在光线通过物镜之后，汇聚到焦点上形
成一个实像。
然后，目镜将实像再次放大，并使其投影到观察者的眼睛上，观察者就可以看到放大的图像。
由于人眼无法直接看到实像，所以需要目
镜起到放大和折射的作用。
总而言之，伽利略望远镜的设计是基于凹透镜和凸透镜的组合，通过
调节物镜和目镜之间的焦距和放大倍数，使观察者能够看到远处的物体。
这种设计原理为天文学的发展做出了巨大贡献，也为后来更先进的望远镜
设计奠定了基础。
望远镜系统课设
1.引言1.1 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。
1.2 设计目的设计目的及意义：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转向系统的简易或设计原理。
了解光学设计中的PW法基本原理2.望远镜介绍2.1 望远镜种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γ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：①折射望远镜折射望远镜的物镜由透镜或透镜组组成。
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。
伽利略望远镜设计原理
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班姓名：毅学号：2008031161指导老师：翔2010年5月28日目录第一章引言......................................................................................... . (3)第二章概述 (3)2.1 课程设计的目的及意义 (3)2.2 课程设计的容 (3)2.3 望远镜的介绍 (3)2.4 望远镜的分类 (4)第三章伽利略望镜工作原理及发展简史 (5)3.1 望远镜的工作原理 (5)3.2 望远镜发展简史 (5)第四章望远镜的主要特性分析 (6)4.1 望远镜的主要特性分析 (6)4.2 开普勒望远镜的参数计算 (8)第五章物镜和目镜的选择 (9)5.1 物镜的选择 (9)5.2 物镜实例 (10)5.3 目镜的选择 (12)5.4 目镜实例 (13)第六章测微准直望远镜 (15)6.1 测微准直望远镜概述 (15)6.2 测微准直望远镜计量特性 (15)第七章棱镜转向系统 (16)7.1 Porro棱镜结构及其点 (16)7.2 Roof棱镜结构及其特点 (16)7.3 折转形式望远镜系统分 (17)7.4 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、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。
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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：
'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 D
l ω=
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 。
目视光学系统，波段选取为可见光波段0.4μm -0.75μm，并将人眼敏感的绿光0.55μm 设为主要计算波段，如下图所示：
图 3 Zemax波段设置
在系统设置中设定入射光瞳（Entrance Pupil Diameter）的大小设为25mm，视场角设为2.8°，如图所示：
图 4 视场角设置
选定一组合适的初始参数在Zemax进行建模和优化，凸透镜的材料选择BK7，凹透镜材料选择SF1。
初始参数如下表：
表 1 物镜初始参数表
选取三个折射面的半径和最后一个面的厚度作为优化变量，根据要求选取优化函数，其中应当在优化函数中选取有效焦距EFFL为优化变量，目标值选为240mm，即物镜焦距的设计值。
并在优化函数中赋予较高的权重，这样可以使得Zemax优化得出符合焦距要求的设计。
优化函数如下：
图 5优化函数
然后使用Zemax进行优化，优化后得到的参数表如下：
表 2 优化后的参数表
得到的设计如下图所示：
图 6 物镜设计图其视场内的像差如下：
图 7 光线像差
图 8 光瞳处像差
图 9 MTF曲线
2.2 目镜设计
目镜的作用是将物镜所成的像放大后将其成像在人眼的远点进行观察。
正常人的远点为无穷远，因此目镜的焦距为无穷远，目镜的物方焦平面与物镜的像方焦平面重合。
基于其使用目的和特性，具有以下特点：
1.焦距在15mm-30mm范围内，太近或太远都不方便人眼观察。
2.出瞳较小，一般在2mm-4mm左右，与人眼瞳孔大小相近；
3.视场角一般在40°左右。
设计上一般遵循反向设计的原则，这样物平面为无穷远的光束，在有限距离的像面上成像，并评价像质。
否则需要在无穷远平面上进行评价和优化，难度很大。
在望远镜和显微镜中，目前常用的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅耳目镜、对称式目镜、无畸变目镜和广角目镜。
对称式目镜是由两个结构对称的双透镜组成，对称结构使得加工较为方便。
并且其相对出瞳距较大，在军用观察和瞄准仪器中应用很广，故设计采用对称式目镜。
依据2.1节中的方法在Zemax中建立目镜的模型，并设置相关参数。
注意对称的镜面其参数要采用Pick up的方法设置为前面镜面参数的-1倍。
同样地优化参数中设定有效焦距为60mm，而且系统的出瞳距为15mm，由于反向设计因此设定第一个第一个光学面的厚度为15mm。
得到优化参数如表 3所示。
表 3 优化后目镜参数表
图 10 目镜设计图优化后的像差如下图：
图 11 目镜光线像差曲线
图 12 光瞳处像差曲线
图 13 目镜MTF曲线
图 14 波面像差曲线
分析结果表明目镜系统的波像差达到了优于λ/60的结果，说明设计十分理
想。
2.3 整体光学系统建模
按照前面的光学设计参数，在Zemax中建立整个望远镜系统的模型，注意物镜和目镜的焦点应当重合，其模型参数如所示。
表 4 望远镜系统参数
其光学设计图如下：
图 15 望远镜光学设计图
望远镜系统的像差如下图所示：
图 16 伽利略望远镜光线像差
图 17 伽利略望远镜光瞳处像差
图 18 伽利略望远镜MTF曲线
3. 机械结构设计
在Solidworks中，对光机系统的机械结构和光学元件进行设计建模。
透镜采用压圈和隔圈进行安装和定位，整体结构如下图所示。
图 19 望远镜机械结构外观图
图 20 望远镜结构设计图
镜筒整体尺寸长240mm，物镜最大直径25mm，均满足了设计要求，系统安装完成后在透镜和镜筒之间的缝隙注入RTV，以减小振动带来的应力。