望远镜系统设计
基于ZEMAX软件设计望远镜系统
用ZEMAX设计望远物镜流程图
3、设置优化函数 进行优化
1、选择物镜类型
4、根据《光学设 计手册》进行数据 规整
2、根据设计要求 在《光学设计手册》 上选择初始结构
望远物镜
望远物镜可分为三种结构式， 即折射式、反射式和折反式。用于 一般军用光学仪器和计量仪器中的 望远物镜，主要是折射式物镜。折 射式又可分为双胶合物镜、双分离 物镜、三分离物镜、摄远物镜。根 据各个物镜的成像特性和像质特点， 我们选用了双胶合物镜。
Glass
K9 ZF2
SemiDiameter Infinity 20.038647 19.945414
19.950391
15.101509
物镜成果
我们得出，PEAK TO VALLEY（峰谷值）值为0.2035个波长，满足最大 波像差≤λ/4的要求。物镜的球差是-0.046838mm，轴向色差是0.075474mm。 在设定的标准范围内，表明这个物镜的成像质量很高。
物镜和目镜的组合设计
怎样组合？
组合过程中，我们应 该要考虑哪些因素呢？
目镜是根据反光路设 计的，所以组合的时 候必须将目镜倒置后 再组合。
物镜和目镜组合后的 第三个面和第四个面 的厚度总和应=物镜和 目镜的焦距和左右。
பைடு நூலகம்
应在目镜的最后一个 面后加上一个近轴面， 以检查出射光的平行 度。
最终我们得到望远镜系统的放大倍数为：Г=-10.00532。
望远目镜
望远系统目镜的作用相当于 放大镜，它把物镜所成的像放大 后成像在人眼的远点处进行观察。 对于正常人眼，其远点在无限远。 因此，一般要求物镜所成的像平 面应与目镜的物方焦平面重合。 常用的望远系统目镜有冉斯登目 镜、凯涅尔目镜、对称式目镜、 无畸变目镜、惠更斯目镜、埃尔 弗目镜、广角目镜。根据设计要 求和望远目镜的光学特性，我们 选择了对称式目镜。
光学课程设计望远镜系统结构设计
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1'1ω2'2'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。
哈勃望远镜指向控制系统设计及性能分析
自动控制原理课程设计题目哈勃太空望远镜指向系统建模及性能分析学生姓名学号学院专业指导教师二Ｏ一一年月日目录1．系统介绍 (1)2．物理模型图 (1)3. 系统分析 (2)3.1哈勃太空望远镜指向系统的结构框图 (3)3.2 系统的信号流图 (3)3.3 相关函数的计算 (3)4.系统稳定性分析 (4)4.1 代入参数值 (4)4.2 根轨迹 (4)4.3 Bode图 (5)4.4 系统阶跃响应 (6)5 系统动态性能分析 (8)5.1延迟时间的计算 (8)5.2 上升时间的计算 (8)5.3峰值时间的计算 (8)5.4 超调量的计算 (9)5.5 调节时间的计算 (9)5.6 使用MATLAB求系统各动态性能指标 (9)6系统仿真 (12)7总结与体会 (14)参考文献 (15)1．系统介绍哈勃太空望远镜的2.4米的镜头拥有所有镜头中最光滑的表面，其指向系统能在644km以外将事业聚集在一枚硬币上。
望远镜的偏差在一次太空任务中得到了大范围的校正。
系统设计的目标是选择放大器增益Ka和具有增益调节的测速反馈系数K1，使指向系统满足如下的性能：1)在阶跃指令r(t)作用下，系统输出的超调量小于或等于10%；2）在斜坡输入作用下，稳态误差较小。
2．物理模型图图（1）3. 系统分析1）首先满足对阶跃输入超调量的要求。
令G(s)=K as(s+K1)=ωn2s(s+2ζωn)可得ωn=√K a,ζ=12√K a 因为σ%=100e−πζ√1−ζ2%解得ζ=√1+π（lnσ）2代入求出σ=0.1，求出ζ=0.59，取ζ=0.6，因而，在满足σ%≤10%的指标要求下，应选K1=2ζ√K a=1.2√K a2）满足斜坡输入作用下稳态误差的要求。
令r(t)=Bt,可知e ssr(∞)=BK =BK1K a其K a与K1选择应满足σ%≤10%要求，即应有K1=1.2√K a，故有e ssr(∞)=1.2B√K a上式表明，K a的选取应尽可能的大。
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。
利用光学原理构建简易望远镜设计
望远镜的使用方法： 调整焦距，对准目 标，保持稳定
望远镜的维护方法： 定期清洁镜片，避 免潮湿和灰尘，轻 拿轻放
望远镜的存放：放 置在干燥通风处， 避免阳光直射
望远镜的故障处理： 如有故障，及时联 系专业人士进行维 修
简易望远镜的性能 测试与评估
测试目的：评估望远镜的分辨 能力
测试方法：使用标准分辨率测 试卡
尺寸设计：根据 观测需求，确定 镜筒长度和直径
固定方式：采用螺 纹、卡扣等方式， 保证镜筒的稳定性 和可调节性
作用：调整望远镜的焦距，使图像 清晰
工作原理：通过旋转调焦旋钮，带 动调焦齿轮转动，从而调整调焦筒 的长度，实现焦距的调整
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结构：包括调焦筒、调焦旋钮、调 焦齿轮等
材料准备：透镜、镜筒、支架等 工具准备：螺丝刀、钳子、胶水等 场地准备：宽敞、明亮、通风良好的环境 安全准备：佩戴防护眼镜、手套等安全设备
透镜的安装： 选择合适的透 镜，安装在镜 筒的一端，确 保透镜与镜筒
紧密贴合。
反射镜的安装： 选择合适的反 射镜，安装在 镜筒的另一端， 确保反射镜与 镜筒紧密贴合。
原理：利用光的折射现象，使远处的物体在近处成像 结构：由物镜、目镜和筒身组成 优点：结构简单，成像清晰，易于操作 缺点：体积较大，携带不便，色散现象明显
原理：利用光的反射和折射原理，使光线汇聚到焦点 结构：由两个反射镜和一个折射镜组成，反射镜位于折射镜的两侧 优点：结构紧凑，成像质量高，适合观测天体 应用：广泛应用于天文观测和科研领域
亮度测试：测量望远 镜在不同环境下的亮 度，以评估其观测效 果和适用范围
测试方法：使用专 业仪器进行测试， 确保数据的准确性 和可靠性
光学设计实验(一)望远镜系统设计实验
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 91512.5COS 343831000COS 3438322'μω=⨯⨯=⨯⨯≤f R 3 设计流程所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。
光学课程设计望远镜系统结构参数设计
提高性价比
设计望远镜系统结构 确定望远镜系统结构参数
优化望远镜系统结构
验证望远镜系统结构优化效 果
望远镜系统结构优化设计：通过优化设计，提高了望远镜的成像质量、分辨率和观测效率。
优化方法：采用了光学设计软件和计算机辅助设计技术，对望远镜系统结构进行了优化设计。
空间探测：探索宇 宙、研究天体物理
望远镜系统向更高分辨率、更大视场、更高灵敏度方向发展 望远镜系统向多波段、多目标、多任务方向发展 望远镜系统向智能化、自动化、网络化方向发展 望远镜系统向小型化、轻量化、便携化方向发展
望远镜系统智能化：实现自动跟踪、自动聚焦等功能 望远镜系统小型化：降低体积和重量，提高便携性 望远镜系统多功能化：集成多种观测功能，如红外、紫外、X射线等 望远镜系统网络化：实现远程控制和数据传输，提高观测效率和共享性
优化效果：优化后的望远镜系统结构具有更高的成像质量、分辨率和观测效率，满足了科研 和观测需求。
优化建议：在优化过程中，需要考虑望远镜系统的整体性能、成本和制造工艺等因素，以实 现最优的设计效果。
望远镜系统制造与 检测
材料选择：选 择合适的光学 材料，如玻璃、
塑料等
切割成型：将 材料切割成所 需的形状和尺
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射电望远镜：通过接收无线电波进 行观测，如射电干涉仪、射电望远 镜阵列等
地面望远镜：在地面上运行的望远 镜，如凯克望远镜、甚大望远镜等
口径：望远镜的直径，决定了望远镜的 集光能力和分辨率
焦距：望远镜的焦距，决定了望远镜的 放大倍数和视场大小
光圈：望远镜的光圈，决定了望远镜的 进光量和成像质量
寸
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(一) 望远镜外形尺寸设计
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。望远镜之所以能看见 很远的物体，主要是内部核心部件透镜对光线的折射作用而形成的。以开普勒望远镜例，当远 方天体发出的平行光线经过物镜后，在物镜焦点外距焦点很近的地方，得到天体的倒立、缩小 的实像。目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合在一起的，所以实像位于目镜和它的焦点之间离 焦点很近的地方。所成实像对目镜来说物体，再经过目镜成像为一正立放大的虚像。这样，当 我们对着目镜进行观察的时候，所看到的是天体的倒立、放大的虚像。
5) 目镜的视场角 2'
tan ' tan 20 tan1.667 ' 30.202 3012' 2' 6024
6) 出瞳距 lz
物镜
目镜 出瞳
R
O
L
lz
孔径光阑选在物镜框上，轴外光束的主光线通过物镜中心 O，假定在目镜组的投射高为 R：
R目 Rz lx tan 1.5 15.75 tan 3020 10.667mm D目 2R目 21.334mm
目镜
出瞳
R目
lz
8) 望远镜的分辨率
由望远镜分辨率与视放大率关系式：
60'' 60'' 3'' 20
9) 目镜的视度调节量
根据透镜成像性质，望远镜系统应该是一个把无限远物体成像在无限远的光学系统。因此 仅采用一个透镜是不够的，它只能将无限远物体成像在像方焦平面上，必须再加上第二个透镜， 将其焦平面上的像作为第二个透镜的物，成像在无穷远处，达到望远的目的。一般把前面的透 镜称为物镜，后面的透镜称为目镜。当用在观测远物体时，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点 重合，光学间隔Δ=0。这样平行光射入望远系统后，仍以平行光射出。
视度的调节范围一般为 SD= 5 视度。则目镜的轴向移动量 x 等于
x f‘目2 SD f目 2 5 152 mm 1.125mm
x'
1000
1000
(二) 物镜组与目镜组的选取
1. 物镜组主要参数 1) 主要结构形式及需要消除的相差类型
物镜的光学特性主要有三个：焦距
tan R
L
tan( ' ) R
l
' z
tan()
l
' z
tan( ' ) L
l
' z
tan() tan()
L
L
315 20
15.75mm
7) 目镜口径 D目
目镜的视场角 2 ，以及出瞳直径 2 R z 限制了目镜的口径，据此计算：
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一、 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 镜组及转像系统的简易原理设计。了解光学设计中的 PW 法基本原理。
二、 设计内容
设计一个可见光望远镜系统，它的光学性能已知参数： 物镜与目镜之间的距离 L=315nm 望远镜放大的倍数 Γ= 物方视场角
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dx dl
= dx = dl
望远镜系统的视放大率的垂轴放大率、轴向放大率都与共轭面的位置无关。
5) 望远镜系统的极限分变角
由于人眼的极限分辨角为 60″，所以为了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 应当满足 =60″。所以若要求分辨角减小，视放大率
f物
D 、相对孔径
f物
和视场 2ω。
其中
f物
=
D f目 ，相对孔径
f物
，当
f物
和 D 确定之后，物镜的相对孔径也就确定了。
相对孔径越大，光束和光轴的夹角就越大，像差也就越大。为了校正像差，必须使物镜的结构复杂化。又由于物镜视场tan
tan
，
即目镜的视场角。一般望远镜物镜的视场都不大，
四、 设计总结....................................................................... 14 五、 参考文献....................................................................... 14
=
f x
=-
x f
1
望远镜系统的垂轴放大率与 的关系： =
3) 望远镜系统的角放大率
理想光学系统的角放大率 定义为像方孔径角 u′的正切与物方孔径角 u 的正切之比
tan u
= tan u 望远镜系统的角放大率 =
4) 望远镜系统的轴向放大率
理想光学系统轴向放大率 定义为：
315
f‘物 f目’
20
f
f‘目
’ 物
15mm 300mm
2) 物镜的通光口径 D
物镜的口径取决与分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应，望远镜口径与放大
率的关系满足
D 2 .3
，为减轻眼睛负担，可取Γ 0.5 ~ 1D, 及 D (1 ~
2) ，这里系数取
2) 伽利略望远镜
伽利略望远镜的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 像在目镜的后方（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。
(二) 物镜组与目镜组的选取 ................................................. 6 1. 物镜组主要参数........................................................... 6 2. 目镜组主要参数........................................................... 9
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1. 开普勒及伽利略望远镜简介 1) 开普勒望远镜
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。 这种望远镜成像是倒立的，但视场可以设计的较大，最早由德国科学家开普勒（Johannes Kepler）于 1611 年发明。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。它由两个凸透镜构成。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，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，所以要在中间增加正像系统。
光学课程设计Ⅰ
——望远镜系统设计
专 业： 电子科学与技术 班 级： 光电子 07 级 2 班 姓 名： 吴 翀 学 号： 2007031125 指导教师： 张 翔
目录
一、 设计目的及意义 ............................................................... 1 二、 设计内容......................................................................... 1 三、 设计原理......................................................................... 1
1.5，则: D 1.5 30mm
3) 出瞳直径 D'
D D' D 30 1.5mm
D'
20
4) 视场光阑的直径 D视
根据三角形定则，计算视场角：
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物镜
视场光阑
R
f物
D视 2 f物 2 2 f物 tan 2 300 tan1.67 17.46mm
开普勒望远镜光路示意图
如果当 f物 ＞0、 f目’＞0 都为正焦距时为开普勒望远镜，系统成倒立像；如果当 f物 ＞0、 f目’
＜0 为一正一负焦距时为伽利略望远镜，系统成正立像。如上图，开普勒望远镜，为了方便物 镜和目镜均采用单透镜表示，且物镜框为孔径光阑，也是入射光瞳，出射光瞳位于目镜像方焦 点外，观察者在此观测成像情况，望远镜系统的视场光阑设在物镜的像平面处。
由上面计算可知物镜通光口径 D=30mm，物镜焦距
f物
D 300mm ，则相对孔径
f物
=1：10。
再结合上面介绍的五种物镜，可知选取双胶物镜作为望远镜的物镜是最为合适的。
(一) 望远镜外形尺寸设计 .................................................... 1 1. 开普勒及伽利略望远镜简介 ........................................... 2 2. 望远镜系统放大原理 .................................................... 3 3. 主要参数的设计与计算 ............................................... 4
(三) 棱镜转像系统............................................................ 10 1. 转折式望远镜系统...................................................... 10