光学望远镜系统的设计

光学望远镜系统的设计
【摘要】运用光学知识，在了解望远镜工作原理的基础上，根据开普勒望远镜的主要参数，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易设计。

【关键词】望远镜设计；视放大率；凸透镜；焦距
1引言
上图中物镜框为孔径光阑，也是入射光瞳，出射光瞳目镜像方焦点外，观察者再次观察成像情况，望远镜系统的视场光阑设在物镜的像平面处。

下面介绍望远镜系统中的光学参数。

（1）望远镜系统的放大率分别为：
表示观测仪器精度的指标是极限分辨角。

若以60''作为人眼的分辨极限，为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Φ应满足
ΦΓ=60''
所以，若要求分辨角减小，视放大率应该增大。

或者说望远镜视放大率越大，它的分辨角即精度越高，人眼极限分辨角为
α=1.22λ/D
（4）望远镜的结构尺寸
当光学间隔∆=0时，目镜观察中间实像应是实像位于目镜的焦平面上，因此从物镜到目镜为望远镜的筒长L=f1+f2。

3设计内容
（1）望远镜外形尺寸设计
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⨯
=Γ20，
3.物方视场角'2032 =ω。

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。

通过公式计算，得：
1.目镜视场角：
由ωωtg tg Γ=' 得 40.602,20.30'==ωω
2.望远镜分辨率： ''320
''60''60==Γ=
α 3.入瞳直径D: 根据视放大率得mm 463.2=Γ=D
4.出瞳直径'D ：
mm 3.2'=Γ
=D D 5.物镜焦距与目镜焦距： 由20''315
''2121=-=+f f f f 得mm 15'mm 300'21==f f
6.视场光阑直径视D ：
m m 45.17'21==ωtg f D 视
7.出瞳距离'z l ：
mm 75.15''''2122=Γ
-=+-=L f f f f l z 8.目镜口径目D ：
m m 63.20''2'=+=ωtg l D D z 目
9.目镜视度调节量x ：
设调节5屈光度，则：m m 125.11000'2
2=±=Nf x 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
（2）物镜的选取
望远镜物镜只需对轴上点校正色差，球差和对近轴点校正彗差，轴外像差可以不予考虑。

对于开普勒望远镜，可以选择双胶合物镜、双分离物镜等。

（3）目镜的选取
目镜的相对孔径与物镜相同，属中等大小，但其焦距比物镜短的多，故视场较大。

据此目镜的像差校正一般以轴外像差为主。

只有对低倍望远镜的目镜，在焦距不短、出瞳直径较大时才有必要烤炉轴上像差，并且主要是通过与物镜的像差相互补来改善的。

目镜的主要类型有：惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、对称目镜、无畸变目镜、艾尔弗目镜。

我们最常用的是惠更斯目镜和冉斯登目镜。

（4）转像系统的设计
通过一个典型开普勒望远镜看到的图象，是上下左右颠倒的，为了适应地面观测的需要，必须在物镜（将远处的目标成一倒立的实像）后面加一组棱镜，将倒立的实像转为正立的实像。

实现转像有两种结构的棱镜，porro 棱镜和roof 棱镜。

porro 棱镜的优点是结构简单，透光率高，成像质量好，但望远镜体积偏大。

为了克服这个缺点，可以采用反向porro 棱镜转像，不过又带来了新的问题，物镜的口径偏小，不适合低照度环境下使用。

roof 棱镜的最大优点是采用它之后望远镜的体积可以做得最小，望远镜的重量也随之下降，但是这种棱镜结构复杂，而且透光率比porro 棱镜低5%，需要镀相位膜，所以要做个优质roof 棱镜望远镜，成本是非常高的。

所以，实际上要加倒像系统一般采用棱镜系统来倒像。

图2为望远镜系统中倒像系统示意图。

图2望远镜系统中倒像系统示意图
4结束语
带着对望远镜的兴趣，我耐心得完成了此次对望远镜的简单设计，这设计过程让我充分意识到光学系统在实际生活中的应用，掌握了望远镜的组成工作原理。

在设计过程中让我学会了如何搜索资料以及如何获取资料中的有用知识，并复习了相关的光学知识。

由于此次是自己第一次进行光学系统设计和书写论文，在此过程中遇到了不少问题，希望总结经验以后可以更进一步。

【参考资料】
[1] 安连生，应用光学（第三版）：北京理工大学出版社出版。

[2]李晓彤，岑兆丰，几何光学、像差、光学设计：浙江大学出版社。

[3]冯颖，姜梅，光学望远镜实验装置的设计：东北电力学院学报。

[4] 郁道银，谈恒英，工程光学（第3版）：机械工业出版社。

[5] 毛文炜，光学工程基础：清华大学出版社。

[6] 石顺祥,张海兴,刘劲松，物理光学与应用光学：西安电子科技大学出版社。