望远物镜设计
大相对孔径的望远物镜的设计
现在要校正六种像差，五个曲率已经不能满足要 求了，需将前面双胶合组的两种玻璃玻璃作为变 量，并继续加入玻璃的边界条件（保证得到的理 想玻璃能找到相近的实际玻璃来替代）。
得到优化后的玻璃参数之后，一般对应的理论玻 璃都不常见，我们设计要考虑实际应用时的因素， 因此可以用实际玻璃来代替理想玻璃，不仅要求 二者折射率阿贝数要接近，还要考虑它们的物理 化学性能，这里我们选择K9和ZF6。 K9： n=1.5，ν=64.1； ZF6： n=1.75，ν=28； 重新进行优化！！
' m 2 m ' m ' m ' FC 2 m
第二阶段像差校正
系统由双胶合组和一个单透镜构成的，单透镜是 无法校正色差和球差，因此系统像差就靠双胶合 组校正。 我们要减小高级像差，就希望单透镜产生的像差 越小越好。一般来说，相同条件下，玻璃的折射 率越高，球差越小；玻璃的色散越小，色差越小。 例如我们把单透镜的K9换作ZK1，同时规整边缘 厚度。重新校正。
我们看高级像差略有减小，但不明显，因此我们 把这个系统作为我们第二阶段像差自动校正的原 始系统。 第二阶段焦距，球差，正弦差和色差仍然加入校 正，只要保证初级像差达到校正的条件下考察高 级像差才有意义，同时可适当增加初级像差的权 因子，以表示初级的重要性。 此外还要加入高级球差和色球差（重点校正）， 高级彗差已达到要求无需加入校正，即权重为0。
Hale Waihona Puke 观察初级像差值由于场曲只和光焦度（焦距）相关，一般不参与 校正。
第一阶段像差校正
变量：该系统共有五个曲率可以作为自变量，要校 正焦距、球差、正弦差和色差完全可以了。 边界条件：由于透镜组的相对孔径增大，正透镜的 边缘厚度很可能在校正过程中变得太小，因此我们 在merit function中加入透镜的边界条件。 活动边缘厚度：为了保证边缘厚度能达到要求，可 将两个正透镜的厚度设为活动边缘厚度
双胶合望远物镜的设计
双胶合望远物镜的设计
1.确定要设计的望远镜的需求和目标。
这包括确定观测目标的类型（是天文观测还是地球观测）、期望的分辨率和光学口径等。
2.确定物镜的基本参数。
物镜的基本参数包括光学口径、焦距和波长范围等。
根据观测需求和目标来确定这些参数，以便在设计过程中进行优化。
3.进行双胶合物镜的初步设计。
双胶合物镜由两个物镜镜头组成，其中一个作为物镜，另一个作为准直镜。
初步设计包括确定物镜和准直镜的曲率半径、厚度、孔径等参数，并进行初步的光学系统分析和优化。
4.进行双胶合物镜的最终设计。
最终设计包括对镜片的形状、曲率、厚度等进行进一步优化，使得物镜和准直镜在光学性能上达到最佳状态。
这一步骤通常需要使用光学设计软件进行模拟和分析。
5.进行光学系统的完整性分析。
完成物镜和准直镜的设计后，需要对整个光学系统进行分析，以确保在不同焦距和观测条件下都能达到预期的性能。
这包括通过使用衍射图像圆点函数来评估系统的分辨率和像差，以及通过光学路径分析来评估系统的定位和稳定性。
6.进行光学系统的组装和调试。
一旦完成了光学系统的设计和分析，就可以进行物镜和准直镜的组装和调试。
这包括对镜片进行抛光和涂镀，以及对光学系统进行调整和校准，以使其达到预期的性能。
以上就是双胶合望远物镜的设计步骤。
双胶合望远物镜的设计是一个复杂和细致的过程，需要充分考虑观测需求和目标，并进行仔细的光学系统分析和优化。
通过合理地设计和调整，双胶合望远物镜可以在天文观测和地球观测中发挥出更好的性能，提供更清晰和准确的图像和数据。
望远物镜设计
f
/
D f
为
34 6
10
望远镜物镜的结构型式
(2)双－单
视场为2ω<5°; 相对孔径 D 为 1 ～ 1 ;
f 3 2
透镜口径D≤100mm
望远镜物镜的结构型式
(3)单-双
视场为2ω<5°;
相对孔径 D 为 1
f 3
～
1 2.5
;
透镜口径D≤100mm
r1=153.1 r2=-112.93 r3=-361.68
6 K9 4 ZF1
r
d
nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
1
0.00
150 1 1.521955 1.661196
1 1.521955
1
nC
1 1.513895 1.642076
反射式望远镜物镜的结构型式
对于反射面，通常都是利用等光程的 条件：
抛物面:到一条直线和一个定点的距离相等的点的轨 迹，是以该点为焦点，该直线为准线的抛物面。对 焦点和无限远轴上点符合等光程。
常用两镜系统
(1)经典卡塞格林系统
主镜为凹的抛物面， 副镜为凸的双曲面， 抛物面的焦点和双曲 面的的虚焦点重合， 经双曲面后成像在其 实焦点处。卡塞格林 系统的长度较短，主 镜和副镜的场曲符号 相反，有利于扩大视 场。
h 0.08; (h)2 0.0064 ; (h)3 0.000512
P P 0.00005 0.098
(h )3 0.000512
W W 0.00057 0.089
望远物镜设计的特点
l2 f1'
2l2 r1
h2 h1
l2' l2
u2 u2'
r2
1
r1
其中，α表示次镜离第一焦点的距离，也决定了次镜的 遮光比，β表示次镜的放大倍数。主镜的焦距乘以β即为系 统的焦距，或主镜的F数乘以β的绝对值即为系统的F数。
两镜系统的最大优点是主镜的口径可能做得较大，远超 过透镜的极限尺寸，镀反射膜后，使用波段很宽，没有色差， 同时采用非球面后，有较大的消像差的能力。因此，两镜系 统结构比较简单，成像质量优良。但是，两镜系统也有一些 缺点，例如不容易得到较大成像质量优良的视场，次镜会引 起中心遮拦，有时遮拦比还较大，非球面与球面相比制造难 度加大。但现在非球面加工技术越来越成熟，因此在空间光 学系统中，两镜系统仍然是一个很好的选择。
50/ 1 ;150/ 1 ;300/1 ;1000/ 1
f
/
D f
为
34 6
10
望远镜物镜的结构型式
(2)双－单
视场为2ω<5°; 相对孔径 D 为 1 ～ 1 ;
f 3 2
透镜口径D≤100mm
望远镜物镜的结构型式
(3)单-双
视场为2ω<5°;
相对孔径 D 为 1
f 3
～
1 2.5
;
透镜口径D≤100mm
r1=153.1 r2=-112.93 r3=-361.68
6 K9 4 ZF1
r
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nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
1
0.00
150 1.5163
zemax望远物镜的课程设计
zemax望远物镜的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握zemax软件的基本操作流程，运用其进行望远物镜的设计。
2. 学生能掌握望远物镜的光学原理，包括成像公式、焦距计算、视场角等关键概念。
3. 学生能了解并描述望远物镜在不同应用场景中的性能要求和设计要点。
技能目标：1. 学生能独立使用zemax软件，完成望远物镜的初始设计和优化。
2. 学生能够分析望远物镜的仿真结果，对设计方案进行评价和改进。
3. 学生通过小组合作，能够解决望远物镜设计过程中遇到的问题，提高团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到光学仪器在科学研究和国防建设中的重要性，增强国家意识和社会责任感。
2. 学生在课程学习过程中，培养科学精神，严谨求实，勇于探索未知领域。
3. 学生通过学习望远物镜设计，激发创新思维，提高实践能力，增强自信心。
课程性质：本课程为实践性较强的专业课程，旨在帮助学生将光学理论知识与实际应用相结合，提高学生的实际操作能力和综合运用能力。
学生特点：学生具备一定的光学基础知识，具有较强的学习兴趣和动手能力，但缺乏实际设计经验。
教学要求：教师需结合学生特点，采用讲授、实践、小组讨论等多种教学方法，引导学生掌握望远物镜的设计方法，提高学生的综合能力。
同时，注重过程评价，确保学生达到预期学习成果。
二、教学内容本章节教学内容紧密围绕课程目标，结合教材相关章节，确保教学内容科学性和系统性。
具体安排如下：1. 光学基础知识回顾：引导学生复习光学成像原理、高斯光学等基本概念，为后续望远物镜设计奠定基础。
（对应教材第2章）2. zemax软件操作：详细介绍zemax软件的基本操作流程，包括界面认识、基本命令使用、参数设置等，使学生能够熟练掌握软件操作。
（对应教材第3章）3. 望远物镜设计原理：讲解望远物镜的光学原理，如成像公式、焦距计算、视场角等，并分析其在不同应用场景中的性能要求。
（对应教材第4章）4. 望远物镜设计实践：指导学生运用zemax软件进行望远物镜的初始设计，包括搭建模型、设置参数、仿真分析等，培养学生的实际操作能力。
望远物镜设计
1.望远物镜有什么光学特性和像差特性？ 望远物镜的光学特性有以下两点： 1.1 相对孔径不大在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（'D f 物）和目镜（''D f 目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径'D 和出瞳距离'z l 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径'D 一般为4mm左右，出瞳距离'z l 一般要求20mm 左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距'f 目一般不能小于25mm ，这样目镜的相对孔径为''41256D f =≈目 所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2 视场较小望远镜的视放大率为'tan tan w wΓ=，目前常用目镜的视场'2w 大多在70︒以下，这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8⨯的望远镜，可得物镜视场2w 为10︒。
通常望远物镜的视场不大于10︒。
像差特性：由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差'm L δ，轴向色差'FC L ∆和边缘孔径的正弦差'm SC 。
而不校正'ts x ，'p x 和'z y δ以及垂轴色差'FC y ∆。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的'm L δ，'FC L ∆，'m SC 常常不是校正到零，而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般对F（486.13nm）和C(656.28nm)校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
内调焦望远物镜的设计
电气工程学院课程设计说明书设计题目：内调焦望远物镜的设计系别：工业自动化仪表年级专业： xx级仪表x班学号： xxxxxxxxxxx学生姓名： xxxxx指导教师：童凯朱丹丹教师职称：副教授讲师电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：光学仪器基础课程设计2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务科目录第一章摘要 (4)第二章设计原理 (4)2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算 (4)2.2双胶合物镜 (5)第三章初始结构参数的计算 (6)3.1 结构类型的选择 (6)3.2 前组双胶合透镜的参数和像差求解 (6)3.3 后镜组的初始参数求解 (8)第四章使用ZEMAX软件优化 (10)第五章总结 (13)参考文献 (14)第一章 摘要本文中介绍了一种内调焦望远物镜的设计。
根据要求的数据求出设计的初始结构参数，焦距mm f 215'=，前镜组相对孔径是1：4.1，后镜组相对孔径为1：3.3.并用ZEMAX 软件仿真，校正球差、慧差和轴向色差。
但是由于误差的绝对存在，使的不可能达到非常理想的地步，只能是误差在允许的范围内。
第二章 设计原理2.1内调焦望远镜的外形尺寸计算所谓内调焦望远物镜，是指物镜内部有一个负的调焦镜组构成的复合物镜，利用负镜组对远近不同的物体进行调焦能使想始终位于一个固定的位置上，故把这个起内调焦作用的负镜组称为调焦镜。
由于调焦镜在镜筒内部，调焦时不改变筒长，所以称为内调焦望远镜，与外调焦望远镜相比，它具有筒长短、封密性好的优点，因此广泛用于大地测量仪器中。
负镜组可将主面提前，使筒长显著减小。
其缩小比为 'f L m =()1-1焦距等效距离。
是筒长；式中，'f L 在望远镜做测距用时，测距方程为s c Kl s += ()2-1 式中，s 是被测距离；l 是读轮的读数，一般去K=100；s c 是常数。
用望远镜测距时，用满足准距条件时， 0211='+'+-f f d L δδ 0=s c().20~152mm L+=δδ一般取是前组到转轴的距离，式中，。
光学设计-第15章--望远镜物镜设计
第十五章 望远镜物镜设计望远镜一般由物镜、目镜、棱镜或透镜式转像系统构成。
望远镜物镜的作用是将远方的物体成像在目镜上，经目镜放大后供人眼观察。
如图15－1所示。
图15－1 望远镜系统§1 望远镜物镜的光学特性一 望远镜物镜的光学特性参数望远镜物镜的光学特性由焦距、相对孔径、视场等参数表示。
1 焦距望远镜物镜的焦距／物f 等于目镜焦距／目f 与望远镜倍率的乘积，因而，一般望远镜的倍率越高，物镜的焦距越长。
高倍望远镜物镜焦距可达到一米左右，天文望远镜物镜焦距可达到数米。
望远镜物镜的焦距大多在mm 500~100之间。
2 相对孔径在望远系统中，入射的平行光束经过系统后仍然为平行光束，因此物镜的相对孔径／物f D 与目镜的相对孔径／目f D /是相等的。
目镜的相对孔径主要由出射光瞳直径/D 和出射光瞳距离/p l 决定，目镜的出射光瞳直径一般为mm 4左右，出射光瞳距离/p l 一般要求mm 20。
为保证出射光瞳距离，目镜的焦距／目f 一般大于或等于mm 25，这样，目镜的相对孔径约为71~41。
所以，物镜的相对孔径不大，一般小于51。
但当物镜的焦距很长时，物镜的光瞳口径却可以很大，如天文望远镜中有口径为几米的物镜。
3 视场望远镜物镜的视场ω2与目镜的视场/2ω以及系统的视放大率Γ之间有如下关系：ωωtg tg ⋅Γ=/目镜视场因受结构限制，目前/2ω大多在070以下，这就限制了物镜的视场不会很大，一般在012以下。
二 望远镜物镜像差校正要求由于望远镜物镜的相对孔径和视场都不大，同时允许视场边缘成像质量适当降低，因此它的结构型式比较简单，故望远镜物镜要求主要校正球差、慧差、轴向色差，而不校正对应于像高/y 二次方的各种单色像差（像散、场曲、畸变）和倍率色差。
由于望远镜要与目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以在设计望远镜物镜时，应考虑到它与其他部分之间的像差补偿关系。
在物镜光路中有棱镜的情况下，物镜的像差应当与棱镜的像差互相补偿，即棱镜的像差要靠物镜来补偿，由物镜来校正棱镜的像差。
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1.望远物镜有什么光学特性和像差特性?
望远物镜的光学特性有以下两点：
1.1相对孔径不大
在望远光学系统中，入射的平行光束经过系统以后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D; f物）和目镜（D"目）的相对孔径是相等的。
目镜的相对孔径主要由出瞳直径D和出瞳距离l z 决定。
目前观察望远镜的出瞳直径D—般为4mm左右，出瞳距离l z一般要求20mm左右，为了保证出瞳距离，目镜的焦距f目一般不能小于25mm，这样目镜的相对孔径为D电1
f目25 6
所以，望远物镜的相对孔径小于1/5。
1.2视场较小
I
望远镜的视放大率为tanW，目前常用目镜的视场2w'大多在70以下，
tan w
这就限制了物镜的视场不能太大。
如一个8的望远镜，可得物镜视场2w为10。
通常望远物镜的视场不大于10。
像差特性：
由于望远物镜的相对孔径和视场都不大，因此它的结构形式比较简单，要求
校正的像差也比较少，一般主要校正边缘球差L m，轴向色差L FC和边缘孔径
的正弦差SC m。
而不校正X s，X p和y Z以及垂轴色差y Fc。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以再设计物镜时，应考虑到它和其他部分之间的像差补偿。
在物镜光路中有棱镜的情形，棱镜的像差要有物镜来校正。
另外，目镜中常有少量球差和轴向色差无法校正，也需要物镜的像差给予补偿。
所以物镜的L m，L FC，SC m常常不是校正到零，
而是要求它等于指定的数值。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜）一般
对F （486.13nm）和C（656.28nm）校正色差，对D（589.3nm）校正单色像差。
2.设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：
视放大率：3.7 ；出瞳直径：4mm；出瞳距离：大于等于20mm；全视场角：
2w 10 ;物镜焦距：f物 = 85mm;棱镜折射率：n=1.5163（K9）;棱镜展开长：31mm；棱镜与物镜的距离40mm；孔径光阑为在物镜前35mm。
为了保证补偿目镜的像差，要求物镜系统（包含双胶合物镜和棱镜）的像差
为.5L m=0.1mm SC m 0.001 L FC0.05mm
要求：（1）计算棱镜的初级像差（2）双胶合物镜的初级像差求解
（3）利用ZEMAX自动设计程序进行优化设计
解答:
-15 0.088 170
f 物 tanw 85*tan(5 )
7.44 ; u z tan( 5 )
0.087
；
u
z
u
0.99
棱镜入射光束的相关参数:
匹D 得入瞳直径D=15mm ; u 呻
tan w D
f 物
J nu y 0.655;
棱镜本身参数为：d=31mm , n=1.5163, v=64.1 (1) 棱镜的初级像差:
S
H C
(2) 双胶合物镜的初级像差求解:
n
球差：S
0畸变：S v
n 2 1
3~ n
du 4 ;慧差：S u S u z u
S m
U z U
垂轴色差:
对于望远镜系统来说, 计算球差、 慧差和轴向色差:
du 4 =-0.00069; Sn S
n
土 =0.00068;
u
-0.00084
根据整个系统的要求，求出系统的像差和数S,S u Si C :
S u
h z P JW 0.00063, W=-0.00737
由P, h2C 0.00045, C 0.000008
C 求P ,W ,C
Cgf物0.000008*85=0.00068
$ 2nu'2 L' 2 (0.088)2 0.1 0.00159
S u 2nu'K s2n u'(SC'gy') 0.00131
I IQ I
S C n u L FC0.00039
以上为物镜系统像差的和数，它等于物镜的像差加棱镜的像差，这样即可求
得双胶合物镜的像差为：
S[ 0.00159 ( 0.00069) 0.0009
S u0.00131 0.00068 0.00063
0.00039 ( 0.00084) 0.00045
(2.1) 下面初级像差方程求P, W, C
hp 7.5* p 0.0009, P=-0.00012
0.00012=-0.176
0.0883
哼=-0.952
0.0882
由于望远镜本身对无限远物平面成像，因此无需再对物平面位置进行归化: P =P -0.176, W =W -0.952, C 0.00068
一——2
P0=P -0.85 W -0.15 -1.208
C
°.00068，p 0=-1.208 Q o
5.10
(2.3) 求透镜组半
径
V
所以
0.00068 V 1 1
33.9
V 2
1 58.9 V 1
1
33.9
1.302 结构参数：Q Q 0
W
1.67
吐 5.10 0.952 0.15
1.67
6.142
上面的半径对应于焦距为
(2.2)
根据P 0和C 选玻璃，得到:
K
〔0: n D =1.5181，v=58.9
ZF 1
: n D =1.6475, v=33.9
2.302
由上面的结果求半径:
—1 Q 2.302 6.142
3.84
r 2
1，将它们乘以焦距f 物=85mm ，最后求得半径为:
r 1 140.96, r 2 22.14, r 3
46.47
(2.4) 透镜厚度的选择：d 1 4,d 2 2
1 1 r 1 ni 1
r 2 1 1
「3 S
r )2 1
2.302 1.5181 1
3.84 0.603
3.84
1.302 1.6475 1
1.829
双胶合物镜的全部参数为:
r1 140.96, r222.14, r346.47
d14, d2 2
K10, ZF1
(3)ZEMAX得到的初始结构为如下：焦距为92mm
将焦距设为85mm,优化后的结果为:
刁 ---------------- k H ------------ ；—
〜f 4*27^ ] - ---—1
优化后结果比较理想，但含有少量的球差和慧差。
3.设计一个摄远物镜，其光学性能须满足以下要求:
I
f 250mm
D. f' 1:7
2w 1.5
解：摄远物镜的特点就是系统的焦距大于系统长度，系统的相对孔径受到前组相对孔径的限制。
结构参数如下：
0EJ Tiif LM丄皿丄匚乎
5 TO Standard.9CL 5T794：3-DDCDO H-B43
2▼因丄6 765£OUOOO EF6 3Standard-440.33Z31 1.DOODO
4St inlai d94.80281 6.00000H-ZH7 5Standard<19.4934170.00000
g1O£.£91^5空.OdDOO
7St sart^ar d-IO.20CEO1-ZDOOQ^:-2ka 0
-
••r *
4.设计一个两镜式反射式物镜，焦距500mm,相对孔径1:5,半视场角1°中心遮拦30%。
解:取主镜口径100mm,焦距200mm,相对孔径为1:2，则次镜的相对孔径为1:2.5, 系统遮光比0.3，主镜与次镜之间的间隔d=140mm。
次镜半径为-200mm。
设计的结构如下：。