光学设计望远
zemax望远系统课程设计
zemax望远系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解zemax望远系统的基本原理，掌握光学设计的基本概念和术语。
2. 学生能掌握zemax软件的基本操作，包括建立望远系统模型、设置光学参数和执行光线追迹。
3. 学生能解释望远系统的像差类型，并了解其产生原因及对成像质量的影响。
技能目标：1. 学生能运用zemax软件设计简单的望远系统，包括透镜组和反射镜组合。
2. 学生能运用zemax进行光学系统的优化，改善成像质量，降低像差。
3. 学生能运用数据分析方法，对望远系统的性能进行评估和比较。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对光学工程的兴趣，激发探究光学领域的热情。
2. 学生培养团队协作精神，学会与他人共同分析和解决实际问题。
3. 学生培养创新意识，敢于尝试新方法，勇于面对挑战。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，以zemax软件为工具，结合光学原理，培养学生的光学设计能力和实际操作技能。
学生特点：学生为高年级本科生，具备一定的光学理论基础，对光学设计和软件应用有较高的兴趣。
教学要求：教师应引导学生主动参与课堂讨论，鼓励学生动手实践，注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力。
同时，关注学生的情感态度，激发学生的学习热情，培养其团队协作和创新能力。
通过本课程的学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面均取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 望远系统原理回顾：包括几何光学基本原理、透镜和反射镜成像特性、像差理论等，对应教材第一章内容。
2. Zemax软件基本操作：介绍Zemax软件界面、基本功能、建立光学模型流程，对应教材第二章内容。
3. 望远系统设计基础：学习透镜和反射镜组合设计方法，包括初级光学系统设计、光线追迹和像差分析，对应教材第三章内容。
4. 望远系统优化：教授光学系统优化方法，包括调整光学参数、降低像差、提高成像质量，对应教材第四章内容。
5. 实践案例分析：分析实际望远系统设计案例，结合教材第五章内容，使学生了解实际工程中的应用。
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
基于卡塞格林系统的望远物镜设计(ZEMAX)
工程光学课程设计报告班级：姓名：学号：成绩：指导教师：报告日期：南通大学课程设计论文目录摘要 (i)第一章绪论 (1)1.1课程设计题目 (1)1.2 设计要求 (1)第二章望远物镜的设计与相关参数 (2)2.1 望远物镜的主要参数 (2)2.2 望远物镜结构类型 (3)2.3 物镜的光学特性 (5)2.3 卡塞格林光学系统 (5)2.4 ZEMAX中的像质评价方法 (6)第三章设计与优化 (10)3.1设计过程 (10)3.2优化过程 (14)第四章运用Solid works对镜片进行绘制 (19)第五章新得与体会 (23)主要参考文献 (24)摘要由薄透镜组的初级像差理论入手，根据初级像差参量PW与透镜折射率n、孔径半径r、厚度d等关系，求出了满足初始设计的结构参数的透镜折射率n、孔径半径r、厚度d、形状系数Q、曲率p。
用光学设计软件ZEMAX对所求的结构参数进行了优化。
光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。
所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、各光组的结构等。
大体可以分为两个阶段。
第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。
第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。
这一阶段的设计成为“相差设计”，一般简称光学设计。
评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。
一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。
第一章绪论1.1课程设计题目基于卡塞格林的望远物镜设计1.2 设计要求（1）入瞳直径：D=20mm；（2）相对孔径D/f’=1/6.15;（3）视场角2ω=7°；（4）在可见光波段设计（取d、F、C三种色光。
应用光学望远系统的一般性质
地形因素考虑和选择策略
海拔高度
海拔高度的增加可以降低大气压力和温度，从而提高大气 透明度和稳定性，有利于望远镜的观测。因此，许多大型 望远镜都建在海拔较高的地区。
地形遮挡
地形遮挡会限制望远镜的观测范围和视场大小。在选择观 测地点时，应避免周围有高山或建筑物等遮挡物，以确保 望远镜能够充分接收来自目标天体的光线。
地质稳定性
地质稳定性对于望远镜的长期运行和维护至关重要。在选 择观测地点时，应对地质条件进行详细调查，确保地基稳 定、无地震等自然灾害风险。
夜间天空背景亮度变化规律
月相变化
月相的变化会影响夜间天空的亮度。满月时，天空背景亮度较高，不利于进行深空天体观测；而在新月时，天空背景 亮度较低，有利于进行暗弱天体的观测。
通过采用特殊的光学元件或算法 ，对望远镜的像差进行校正，提 高成像的清晰度和对比度。
光学性能仿真
利用光学仿真软件对望远镜的光 学性能进行模拟和分析，以验证
设计的可行性和优化方向。
结构优化与性能提升
结构轻量化
通过采用先进的材料和制造工艺，减 轻望远镜的重量，降低制造成本和运 输难度。
结构刚度与稳定性增强
02
反射式望远系统
反射式望远系统采用反射镜代替折射式望远系统中的物镜，通过反射原
理实现远处物体的放大。反射式望远系统具有无色差、口径大等优点，
但存在中心遮挡和彗差等缺点。
03
折反式望远系统
折反式望远系统是折射式和反射式望远系统的结合体，既有折射式的优
点也有反射式的优点。折反式望远系统具有无色差、口径大、成像清晰
等优点，但制造成本较高。
常见类型及其特点
01
折射式望远系统
折射式望远系统主要由物镜和目镜组成，物镜采用凸透镜或凹透镜，通
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。
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
d
nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
1
0.00
150 1.5163
望远光学系统的原理与应用
望远光学系统的原理与应用前言望远光学系统是一种用于观测远距离物体的光学系统。
它可以通过放大远处物体的细节，使其在视觉上更加清晰可见。
在本文中，我们将介绍望远光学系统的原理以及其在各种领域中的应用。
1. 望远光学系统的原理望远光学系统主要由物镜、目镜和透镜组成。
物镜是位于望远光学系统前方的镜头，用于聚焦光线并形成物像。
目镜是位于望远光学系统后方的镜头，用于调节焦距和放大物像。
透镜则用于调整光线的路径和方向。
望远光学系统的原理基于光线的折射和放大。
当光线经过物镜时，会发生折射并聚焦到焦点上。
然后，这些光线会通过透镜并放大，最后由目镜观察到。
这种光学系统的设计使得远处物体的细节可以更清晰地被我们眼睛所观察到。
2. 望远光学系统的应用望远光学系统在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：2.1 天文观测望远光学系统在天文学中扮演着至关重要的角色。
通过使用望远镜，天文学家们可以观察到远离地球的天体，如行星、星系和恒星。
望远光学系统的高放大倍率和清晰度使得天文学家们能够更好地理解宇宙的奥秘。
2.2 地质勘探在地质勘探中，望远光学系统也被广泛应用。
地质学家们使用望远镜来观察地质样本、地表特征和矿产资源等。
通过使用望远光学系统，他们可以更好地分析和研究地质结构，进而探索地下资源和地球的演变过程。
2.3 航天探索望远光学系统在航天探索中具有重要意义。
航天员和天文学家使用望远镜来观察宇宙中的行星、恒星和其他天体。
这有助于研究太阳系和宇宙的起源、演化和性质。
望远光学系统的高分辨率和清晰度为航天探索提供了极大的帮助。
2.4 军事侦察望远光学系统在军事侦察中也扮演着重要角色。
军事人员使用望远镜来观察远处目标，如敌方军队、设施和地形。
望远光学系统的高放大倍率和清晰度使得军事人员能够更好地监视和评估战场情况。
2.5 野生动物观察望远光学系统在野生动物观察中也起到重要作用。
野生动物保护人员和生态学家使用望远镜来观察和研究野生动物的行为和习性。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3
4
6
10
(ｂ) 双胶合-单:
相对孔径 D f '为 1／3～1／2，透镜 口径 D ＜100㎜,视
场角 2＜5º。
(ｃ) 单-双胶合:
相对孔径 D f ' 为
1／3～1／2.5， 透 镜口径 D ≤100㎜, 视
场角 2＜ 5º。
（ｄ）三分离:
相对孔径 D f ' 为
⒈ 正-负镜组远离摄远物镜设计
这种结构形式的优点有：
⑴ L（系统长度）＜ f ',一 般 L＝（2／3～ 3
／4） f '
⑵ 因为由两薄透镜组构成，因此可能校正4 种单色像差—球差，彗差，场曲和像散，因此 它的视场角比较大，同时可利用它的校正像差 的能力来补偿目镜的像差，使目镜的结构简化， 或提高整个系统的像质。
球差、彗差和轴向色差。
由于望远物镜要和目镜、棱镜或透镜式转 像系统配合使用，所以在设计物镜时应当 考虑到它和其它部分的像差补偿。
望远镜属于目视光学仪器，设计目视光学 仪器一般对F光（ 486.3nm）和C光 （ 656.28nm）计算和校正色差，对D光 （ 589.3nm ）校正单色像差。
双胶合物镜是一种常用的望远物镜，它的结 构简单，光能损失小，合理选择玻璃和弯曲 能校正球差，彗差和色差，但不能消除像散， 场曲与畸变，故视场不大，一般不超过10º， 二级光谱与色球差也不能校正。
对于双胶合物镜，一般在焦距不长，相对孔 径不大的系统中采用。
若物镜焦距加大，相对孔径则随之减少， 在获得优良像质的情况下，它们之间的对 应关系如下表 ：
其他因素有关，必须同时兼顾: 1.和仪器体积、重量的关系 2.和视场角的关系
3.仪器的使用条件对视放大率的限制 4.望远镜的有效放大率 （二）视场角2ω （三）出瞳直径D′ （四）出瞳距离LZ′ （五）分辨率 （六）视差角
望远系统的放大率主要有以下几种：
垂轴放大率
2、结构类型
望远物镜分折射式、反射式和折反射式三 类。
（1）折射式物镜
折射式物镜种类很多，主要有双胶合、双 胶合-单、单-双胶合、三分离、对称和摄远 6种。其主要光学特性、特点如下：
（ａ）双胶合:
视场为2 ＜10º，不同
焦距适用的最大相对孔
径 f / D 为：
f
50 / 1 、150 / 1 、300 / 1 、1000 / 1 。
物镜焦距与相对孔径的对应关系
焦距
50 100 150 200 300 500 1000
相对 孔径
1
1
1
3 3.5 4
11 56
11 8 10
⒉ 双分离物镜设计
双分离物镜的正负透镜用一空气隙隔开，弯 曲较双胶合物镜自由，能减少中间带球差， 加大相对孔径（1／2.5～ 1／3），视场角达 12º，色球差不能校正，二级光谱由于透镜分 离而略有增大。
tan
Γ=
tan
f1
f2
第二节 望远物镜设计 一．望远物镜光学特性与结构类型 ⒈ 光学特性 （1）相对孔径不大； 望远物镜的相对孔径D/f’一般小于1/5。 （2）视场较小； 通常望远物镜的视场不大于10°。 由于望远物镜视场较小，因此，通常只校正
1／2～1／1.5，视
场角2短焦距、大视 场、小相对孔径使
用，f '＜50，D f ' ＜
1／5，2 ＜30º。
（ｆ）摄远㈠：
由正、负两个分离薄 透镜组构成，系统长 度小于焦距，系统的 相对孔径受前组相对 孔径的限制。
（ｇ）摄远物镜㈡：
由双胶合-厚弯月构 成。
（2）反射式和折反射式物镜
反射式和折反射式物镜在大孔径、长焦距的望远系 统中采用。
双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有三 种形式：
一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面， 副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；
二是格里果里系统，其主镜仍是抛物面， 副镜是椭球面，成正像，镜筒长。
双分离和双胶合物镜比较有如下优缺点：
⑴ 适用于直径加大的情况,双胶合物镜因受 胶层应力及脱胶的影响，直径不宜超过100 ㎜，而双分离物镜没有这种限制；
⑵ 光能损失比双胶合物镜大些；
⑶ 双分离物镜装配对中困难，使用中也容易 丧失共轴性。
三．摄远物镜设计
摄远物镜是由一正透镜组和一远离的负透镜 组成，或在双胶合物镜后加一块厚弯月形透 镜组成。这种物镜除校正球差，彗差和像散 外，由于后组是负光焦度，故能校正场曲。 这种物镜主面外移，能缩短筒长。
另外，对于军用光学仪器来说，仪器的外 形、体积和重量也是十分重要的技术指标。
除此以外，一般还提出一些保证产品质量 的技术条件，如：分辨率、视差角。对双 眼仪器，还有光轴平行性和相对像倾斜的 要求。
（一）视放大率Γ 视放大率必须满足对仪器的精度要求: 1.观察仪器 2.瞄准仪器 3.测距仪器 视放大率除了和仪器的精度有关外，还和
第四章 典型光学系统设计
要求 ：
掌握各种典型光学系统的特点、类型 和设计方法。
重点： 根据仪器要求确定光学系统的类型。
第一节 望远光学系 统
一、望远系统的一 般特性
望远系统一般由物 镜、目镜和棱镜 （或透镜）转像系 统构成。
物镜（孔径光阑） 视场光阑
目镜 出射光瞳
ω
对一个望远系统的要求，首先是它的光学 性能，主要有：视放大率Γ、视场角2ω、 出瞳直径D′、出瞳距离LZ′。
f2
f1
角放大率 轴向放大率
f1
f 2
2
f2 f1
望远系统的放大率取决于望远系统的物镜 和目镜焦距。
对于目视光学仪器来说，更有意义的特性 是它的视放大率，即人眼通过望远系统观
察物体时，物体的像对眼睛的张角 的正
切值与眼睛直接观察物体时物体对眼睛的 张角ω的正切值之比，用Γ表示。
三是牛顿系统：它由一个抛物面主镜和一 块与光轴成45°的平面反射镜构成。抛物 面能把无限远的轴上点在它的焦点成一个
理想的像点。第二个平面反射镜同样能理 想成像。
折反射系统是卡塞格林系统的改进。它是由 球面主镜和校正透镜（又称校正板）组成。
二．双胶合物镜，双分离物镜设计
⒈ 双胶合物镜的设计