望远镜光路设计
光学课程设计 ——望远镜系统
光学课程设计望远镜系统结构设计指导教师：**专业：光信息科学与技术班级：光信息08级1班姓名：学号：********目录第一部分设计背景 (1)第二部分设计目的及意义 (1)第三部分望远镜介绍 (1)3.1望远镜定义 (1)3.2望远镜分类及相应工作原理 (2)第四部分望远镜系统设计 (3)4.1开普勒望远镜 (3)4.2望远镜系统常用参数 (4)4.3外形尺寸计算 (6)4.4伽利略望远镜 (8)4.5物镜组的选取 (9)4.6望远镜像差类型及主要结构 (10)4.7双胶物镜与双分离物镜分析 (12)4.8内调焦望远物镜分析 (14)4.9目镜组的选取 (14)4.10目镜主要像差及分析 (17)4.11棱镜转像系统 (17)4.12转折形式望远镜系统 (18)4.13光学系统初始结构参数计算方法 (18)4.14应用光学系统中的光栅 (20)第五部分设计总结 (21)第六部分参考文献 (21)一．设计背景在现在科学技术中，以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。
如：天文、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等等。
其中我国以高功率激光科研和激光核聚变研究为目的的光电系统——“神光二号”，颇具代表。
“神光二号”对于未来的能源危机和我国的军事领域有着重要意义。
二．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，完成望远镜外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或远离设计。
了解光学设计中的PW法基本原理。
三．望远镜介绍3.1 望远镜定义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。
根据望远镜原理一般分为三种。
光学课程设计--双筒棱镜望远镜设计
《光路设计》课程设计报告题目：双筒棱镜望远镜设计院（系）：信息科学与工程学院专业班级：光电1202班学生姓名：学号：***********指导教师：20 14 年 12 月 29 日至20 15 年 1 月 9 日目录设计任务与要求 (3)设计步骤 (4)一、外形尺寸计算 (4)二、光学系统选型 (6)三、物镜的设计 (7)1、用PW法计算双胶合物镜初始结构： (7)（1）求h，z h，J (7)（2）求平板像差 (7)（3）求物镜像差 (7)（４）计算Ｐ，Ｗ (8)（５）归一化处理 (8)（６）选玻璃 (8)（７）求形状系数Ｑ (9)（８）求归一化条件下透镜各面的曲率 (9)（９）求薄透镜各面的球面半径 (9)（１０）求厚透镜各面的球面半径 (9)2、物镜像差容限的计算 (10)3、物镜像差校正 (11)4、物镜像差曲线 (13)四、目镜的设计 (14)1、用PW法计算凯涅尔目镜初始结构 (14)（１）接目镜的相关参数计算 (14)（2）场镜的相关参数计算 (15)2、目镜像差容限的计算 (16)3、目镜像差校正 (17)4、目镜像差曲线 (20)五、光瞳衔接与像质评价 (20)1、光瞳衔接 (20)2、像质评价 (21)3、总体设计评价 (21)学习体会 (22)设计任务与要求设计题目：双筒棱镜望远镜设计设计技术要求：双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为：1、望远镜的放大率Γ＝6倍；2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）；3、望远镜的视场角2ω＝8°；4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。
6、lz ′>8～10mm设计步骤一、外形尺寸计算由入瞳直径30D mm =及相对孔径'1:4Df =，可得： 物镜焦距'14120f D mm =⨯=由6Γ=，知：出瞳直径'5DD mm ==Γ目镜焦距''12120206f f mm ===Γ 由物方视场2ω=8，可得：目镜通光口径'''312[()]222.084D D f f tg mm ω=++⨯= 分划板直径'21216.7824D f tg mm =ω=分划板半径28.39122D = 又由：'64tg tg tg ω=Γω=，可得：像方视场'245.5ω=该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图：将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：普罗I 型棱镜由设计要求：视场边缘允许50%的渐晕，可利用分划板拦去透镜下部25%的光，利用平板拦去透镜上部的25%的光，这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统，使像质较好。
通过望远镜实验研究光的折射与反射的实验设计方案
根据实验结果和讨论，得出实验结论。总结实验的主要发现和贡献，指出实验的局限性和不足之处，并 提出改进意见和建议。
06
实验结论与总结
实验结论
光的折射现象
当光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生偏折 ，这种现象称为光的折射。在望远镜中，当光线从空气进入 玻璃透镜时，会发生折射，使得光线向法线方向偏折。
数据整理
在实验结束后，需要对记录的数据进行整理，包括数据清洗、格式转换等。确保数据的准确性和一致 性，为后续的数据分析提供可靠的基础。
数据分析方法
统计分析
对实验数据进行统计分析，计算折射角和反射角的平均值 、标准差等统计量，以评估数据的分布和离散程度。
图表分析
利用图表对实验数据进行可视化分析，如折线图、散点图 等。通过图表可以直观地观察数据的变化趋势和规律。
折射定律验证
折射定律
光从一种介质斜射入另一种介质时，入射光线、法线和折射光线位于同一平面内，且入射角正弦与折射角正弦之 比等于两种介质的折射率之比。
验证方法
在已知玻璃板折射率的情况下，通过测量入射角和折射角的大小，可以计算出两者的正弦值之比。将这个比值与 已知的折射率进行比较，可以验证折射定律的正确性。同时，也可以改变入射角的大小，观察折射角的变化规律 ，进一步加深对折射定律的理解。
反射式望远镜
利用反射镜反射原理，口 径可以做得较大，收集更 多的光，适合观测深空天 体。
折反式望远镜
结合折射和反射原理，校 正色差和球面像差，提高 成像质量。
光源与光路设计
光源选择
使用点光源或平行光源，如激光笔或 太阳光模拟器。
光路调整
确保光路准直，避免光线偏离预定路 径，影响观测结果。
应光设计报告(望远镜设计)
目录选题 (2)应用背景 (2)设计参数的确定 (2)设计 (3)望远镜光路示意图 (3)外形尺寸计算（含棱镜） (3)物镜的选型 (6)目镜的选型 (10)优化 (12)物镜和棱镜的优化 (12)目镜的优化 (21)零件图 (27)总结 (29)参考文献 (31)1.选题1.1 应用背景望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。
利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。
望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。
望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。
因此，望远镜在我们的日常生活中得到了广泛的应用。
查阅资料得知，手持望远镜的倍率一般不超过十倍，倍数过高容易由于手的抖动导致的难以看清图像。
本课题所要设计的望远镜所满足的主要功能是日常生活中的望远，如在旅游景点，演唱会，体育场看台等所需要的望远功能。
1.2设计参数的确定根据1.1所述应用背景，参考了一些网上的设计参数并稍作调整，本课题采用放大率8倍，视场角2w=6°入瞳直径40mm，物镜相对口径1:6。
转向系统采用普罗型Ι型棱镜2.设计2.1望远镜光路示意图图2-12.2外形尺寸计算(1)物镜焦距f1′=40mm×6=240mm(2)目镜焦距f2′= f1′/Γ=30mm(3)入瞳直径D1=40mm(4)出瞳直径D1′=D1/Γ=5mm(5)视场光阑直径D3=2 f1′tanω=25.16mm(6)目镜的视场角tanω′=Γ×tanω=0.419故ω′=22.75°，2ω′=45.5°(7)出瞳距(镜目距)lz'=f2’-f2’f2/f1'=33.75mm(8)目镜的通光孔径D2=D1’+2lz’tanw’=33.31mm(9)普罗Ⅰ型棱镜的几何尺寸普罗Ι型棱镜由两个直角棱镜构成，它们的主截面互成90°，两斜面相对，如图2-2所示图2-2首先要确定棱镜的位置，这里放在物镜的像平面附近。
【论文】望远镜系统的光学设计
摘要早在 18世纪的时候，人们出于对自然界的好奇无意间发明了结构非常简单的望远镜。
而科技飞速发展的今天，望远镜的创新也是层出不穷，并且望远镜也被应用到各个领域。
本论文设计了一个军用望远镜，其可以观测到一定范围内的物体，适用五百米内的军用装备细节观察,一千米内的战地地形观察。
首先介绍了像差理论和光学自动设计原理，确定并给出了望远镜的总体设计方案。
然后就望远镜目镜的光学性能选择了对称型目镜。
在确定目镜类型的基础上，运用初级像差理论进行了军用望远镜目镜的初始光学结构设计，并给出了对称型目镜的有关结构参数。
昀后，在ZEMAX环境下进行了初始结构的像质评价，并运用ZEMAX软件提供的优化功能对整个望远镜目镜的初始光学结构进行了优化，经过反复的调试和修改，得到的优化结果明显优于初始结构。
为了评价本设计的军用望远镜目镜的成像质量，在优化之后还依据设计提出的技术要求进行了像差、公差的分析。
关键词：军用望远镜目镜，光学设计，像质评价，像质分析，ZEMAX软件AbstractIn the 18th century, people invented accidentally the telescope with very simple structure when the y were out of the nature of the curious. Today, there are various kinds of telescopes with new technologies and are used in wide fields.In this paper, a military telescope is designed, which can be used to observe objects in a certain range. It will be applied to a military equipment to observe the details within a half of kilometer and the battlefield terrain within one kilometer. First, image quality theory and optical automatic design theory are introduced in deteil. Using the theories,the telescope of design program is advanced. Then by the optical properties of the telescope eyepiece，symmetrical eyepiece is selected. Based on the primary aberration theory, the initial optical structure design of a military telescope eyepiece is expressed, and the structural parameters of the symmetrical eyepiece are displayed in a table i n order to determine the type of the eyepiece. Finally, the eyepiece is evaluated with ZEMAX software by image quality theorems. Using the optimization function in ZEMAX software environment, the initial optical structure of telescope eyepiece is optimized. The debugging is repeated after modification. The obtained optimal results are better than the initial structure. In order to evaluate the image quality of military telescope eyepiece, the aberration tolerance analysis is carried based on the technical requirements for the optimization of the design.Keywords：Military telescope eyepiece, optical design, image quality evaluation, the image analysis, ZEMAX software目录第一章绪论 (1)1.1望远镜的分类及演变 (1)1.1.1 折射式望远镜 (1)1.1.2 反射式望远镜 (2)1.2望远镜的光学特性 (4)1.2.1 望远镜的原理 (5)1.2.2 望远镜的目镜 (6)1.2.3正像望远镜中的转像系统和场镜 (8)1.3本论文的主要内容......................................................................................... 8第二章光学设计理论和像差理论 (9)2.1光学设计的概念 (9)2.1.1 光学设计方法 (10)2.1.2 光学系统总体设计和布局 (10)2.1.3 光组设计 (11)2.2像质评价和像差理论 (13)2.2.1 像质评价 (13)2.2.1 像差概念和理论 (14)2.3望远镜设计的总体方案 (17)2.3.1 设计方案介绍 (18)2.3.2 初始光学结构设计............................................................................................. 18 第三章望远镜的光学结构设计. (20)3.1望远镜光学性能的确定 (20)3.1.1 望远镜对光学性能的要求 (20)3.2望远镜光组的设计 (21)3.2.1 目镜的选型 (21)3.2.2 物镜的选型 (26)3.2.3 分划板的计算 (26)3.2.4 转像系统的选择 (26)3.3望远镜设计总结............................................................................................ 27第四章望远镜目镜的光学结构优化 (29)4.1在ZEMAX环境下建立镜头文件 (29)4.1.1 属性输入 (29)4.1.2 对称目镜面参数的输入 (30)4.2初始结构的像质评价 (31)4.2.1 球差曲线 (32)4.2.2轴外细长光线像差性曲线 (33)4.2.3 像差特性曲线 (35)4.2.4 点列图(Spot Diagram) (37)4.3望远镜目镜的优化 (37)4.3.1 确定优化变量 (38)4.3.2 设定评价函数 (38)4.3.3 优化 (38)4.3.4 优化结果 (39)4.4望远镜目镜像差的公差分析...................................................................... 43第五章总结......................................................................................................... 45参考文献............................................................................................................... 46致谢..................................................................................................................... 48声明 (49)第一章绪论望远镜是众多光学仪器中发展昀为久远的,本章就望远镜结构分类,简要的原理,发展历史进行一些系统介绍。
光学课程设计方案-望远镜系统结构参数设计方案
光学课程设计——望远镜系统结构参数设计一设计背景：在现在科学技术中，以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。
如：天文、空间望远镜；地基空间目标探测与识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等等……二设计目的及意义（1）、熟悉光学系统的设计原理及方法；（2）、综合应用所学的光学知识，对基本外形尺寸计算，主要考虑像质或相差；（3）、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构及原理，根据所学的光学知识（高斯公式、牛顿公式等）对望远镜的外型尺寸进行基本计算；（4）、通过本次光学课程设计，认识和学习各种光学仪器（显微镜、潜望镜等）的基本测试步骤；三设计任务在运用光学知识，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。
并介绍光学设计中的PW法基本原理。
同时对光学系统中存在的像差进行分析。
四望远镜的介绍1．望远镜系统：望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。
利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。
又称“千里镜”。
望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。
望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫M）粗得多的光束，送入人眼,使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。
2．望远镜的一般特性望远镜的光学系统简称望远系统，是由物镜和目镜组成。
当用在观测无限远物体时，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，光学间隔d＝o。
当月在观测有限距离的物体时，两系统的光学问隔是一个不为零的小数量。
作为一般的研究，可以认为望远镜是由光学问隔为零的物镜和目镜组成的无焦系统。
这样平行光射入望远系统后，仍以平行光射出。
图9—9表示了一种常见的望远系统的光路图。
为了方便，图中的物镜和目镜均用单透镜表示。
这种望远系统没有专门设置孔径光阑，物镜框就是孔径光阑，也是入射光瞳，出射光瞳位于目镜像方焦点之外，观察者就在此处观察物体的成伤情况。
porro_1型望远镜光学设计.
普罗型望远镜光学系统设计（8倍）摘要随着科学技术的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域中。
我们都知道，光学仪器的核心部分是光学系统。
一个高质量的成像光学系统是要靠好的光学设计去完成的。
本课题主要研究的是8倍普罗型望远镜光学系统。
本文介绍了望远镜发展背景及相关应用，对望远镜系统及主要参数、衡量指标做了介绍，完成了对普罗型望远镜光学系统的外形尺寸计算，对物镜组、目镜组及转向系统的设计.物镜采用双胶合物镜，目镜采用对称型目镜，转向系统采用普罗I型棱镜作为转向系统。
介绍了像差理论，并应用ZEMAX光学设计软件对像差进行了分析和校正。
最终设计出合格的望远镜。
关键词：普罗型望远镜；光学系统；像差；ZEMAX光学设计软件目录1 绪论 (1)1.1题目背景 (1)1.2设计目的及意义 (1)1.3国内外相关研究情况 (1)2 望远镜介绍 (2)2.1望远镜简介 (2)2.2望远镜的历史 (2)2.3望远镜的发展 (2)2.4望远镜的分类 (3)2.4.1折射望远镜 (3)2.4.2反射望远镜 (4)2.4.3折反射望远镜 (5)3 望远镜系统设计 (6)3.1望远镜总体方案拟定 (6)3.2望远镜的常见参数 (6)3.3转像系统 (7)3.4望远镜外形尺寸计算 (8)3.5物镜与目镜的选型 (11)3.5.1望远物镜的特点 (11)3.5.2几种常见的望远物镜 (11)3.5.3望远物镜设计 (15)3.5.4望远目镜的特点 (16)3.5.5几种常见的目镜 (16)3.5.6目镜设计 (18)4 像差分析 (19)4.1像差综述 (19)4.1.1球差 (19)4.1.2慧差 (20)4.1.3像散 (20)4.1.4场曲 (20)4.1.5畸变 (20)4.1.6色差 (21)4.2像差校正 (22)4.2.1球差校正 (25)4.2.2色差校正 (26)4.3光学系统的像质评价 (26)4.3.1点列图 (26)4.3.2利用MTF曲线评价成像质量 (27)5 总结 (28)参考文献 (29)1 绪论1 绪论1.1题目背景随着科学技术的发展，望远镜逐渐由简单的单筒望远镜发展到双筒望远镜、天文望远镜等，以成为重要的光学仪器之一。
倍的双目望远镜光学设计
设计一个8倍的双目望远镜设计题目要求：设计一个8倍的双目望远镜，其设计要求如下：全视场：2ω=5º； 出瞳直径：D ´=5mm ； 出瞳距离：l z ´=20mm ； 分辨率：α=6"；(R=5") 渐晕系数：K =0.64；棱镜的出射面与分划板之间的距离：a =10mm ； 棱镜：o 60-LJ D 屋脊棱镜；L=2.646D 材料：K10； 目镜：2-35一、目镜的计算目镜是显微系统和望远系统非常重要的一个组成部分，但目镜本身一般并不需要设计，当系统需要使用目镜时，只要根据技术要求进行相应类型的选取即可。
1、首先根据已知的视觉放大倍数Γ及视场2ω，求出2'ω'1159)(22tg ︒=⨯Γ='⇒⇒'=Γωωωωtg arctg tg2、因为目镜有负畸变（3%~5%），所以实际应取：'962%5)(2)(22︒=⨯⨯Γ+⨯Γ='ωωωtg arctg tg arctg3、根据实际所需要的2'ω数值。
出瞳直径值及镜目距值等，来选择合适的目镜类型。
在本次设计中所需的目镜的结构形式应该作为已知条件给出，如：目镜2-35。
图2-1目镜2-35（结构图见2-1）此外设计手册中还提供有相关的结构数据参数表2-1及主要的系统数据； 表2-10.6,298.7,502,00.25==︒==''d s f f ω等。
从图2-2中我们不难发现该目镜的出瞳位于整个系统的左侧，而在目镜的实际运用中，出瞳应位于系统右侧。
此种情况相当于将目镜倒置，故而它所给出的298.7='f s 我们不能直接加以运用，这里f s '是指F '与目镜最后一面之间的距离。
4、将手册中给的目镜倒置：由于将目镜倒置，则目镜的数据将发生一定的变化，以目镜2-35为例，原来的第一个折射面（650.1081=r ）变为第八个面（650.1088=r ），原来的第二个折射面（31.332-=r ）变为第七个折射面（31.337-=r ）……，以此类推。
- 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)。
课题名称：望远镜光路设计
设计组员：黄世科、邓积常
负责人：黄世科
主要参考资料：光学教程第四版
研究综述
1．选题原因：（组成员经过深入研究和磋商定题为望远镜光路设计）
A.望远镜是重要的观测设备应用广泛。
B.望远镜光路设计技术简单组具备研究能力。
C.望远镜设计涉及仪器容易找到为圆满完成设计基础。
2．选题依据
A.几何光学基本原理
B.费马原理
3．创新与改进的体验
A.在研究能力允许的范围内提高望远镜效果
B.理解和应用前人的经典设计
C.应用色散和进轴成像原理提高观测图像
4．该题目的难点与意义
A.该题难点在于透镜焦距的精确测定。
B.合适应用经典设计组合
C.光路成像的像差消除
设计实验方案
1．实验原理（原理图与主要公式）
A．光路设计
经典望远镜模型
a．开普勒望远镜（光路图）
b.伽利略望远镜
自行设计望远镜光路图
M=f1*f2/f3
镜片功能：
主镜：聚焦远处光线
副镜：辅助聚焦光线
增透镜：减小光的损失
滤光镜：阻止外界光线干扰
B．透镜焦距的测定（见实验附件1）
2．模拟的实验仪器和用品
A．透镜组（自备）
B．模拟镜筒
C．透镜焦距测定仪器设备（见实验附件1）
3．实验步骤
A．测透镜焦距（见实验附件1）
B．光路设计
C．理论计算
D．望远镜实际测试
4．实验数据或现象记录表格
表格A．透镜焦距测定（见实验附件1）
表格B．
5．实验预期效果：较清晰地看见2000米处物体、人物表情。
注：实验设计方案为各人所有，未经允许谢绝他用，方案仅供参考。
青蛙工作室负责人：黄世科
保留解释权、版权。