双胶合望远物镜的设计
华中科技大学 《应用光学》课程PPT——第九章 光学系统的像差
细光束交点沿光轴方向的偏离的量度；
§ 9－4 畸变
1. 主光线和高斯象面交点的高 度不等于理想象高，其差别就 是系统的畸变。
Yz Yz y
当孔阑位置移动，主光线与高斯像面交点 高度 变化，引起像的变形。
2. 畸变的影响： 畸变与所有的其它像 差不同，它仅由主光线的 光路决定，仅引起像的变 形，使像对物产生失真， 对成像的清晰度并无影响。
§ 9－1 轴上点的球差
1. 定义：轴上点发出的不同孔径角的光线经系统后的象方截距和 其近轴光象方截距之差称为球差。 轴向球差： L L l 垂轴球差： y LtgU 2.产因：由轴上点发出的同心光束，经光学系统各个折射面折射后， 不同孔径角U的光线交光轴于不同点上，相对于理想象点的位置有 不同的偏离。
主光线与辅助一致
4. 弧矢彗差：点BS′到主光线的垂直于光轴方向的距离为弧矢彗 差，以KS′表示。
空间光线追踪的方法计算Ys’
Xs′为宽光束的弧矢场曲。
彗差的存在和消除。
§ 9－3 象散和像面弯曲
一、宽光束的象散和场曲
XT′为宽光束的子午场曲。
宽光束的象散
XT XS X TS
实际像高比理想像高大，称正畸变，反之称负畸变。根据畸变的正负，等距的同心圆 将会变成不同形状的不等距的同心圆，正方网格也会变成枕形或桶形。
3. 相对畸变： 在光学设计中常用上述象高差 δ YZ′相对于理想象高 y′的百 分比q′表示，称相对畸变。
Yz y q 100% y
q
只有匹兹万曲面才能对平面 物体呈清晰像
单个折射面匹兹万象面弯曲的表示式 :
1 n n x p J 2 nnr 2nu
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。
工程光学14章例题分析
第一章1、已知真空中的光速c ＝3 m/s ，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。
解：则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝1.65时，v=1.82 m/s ， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s ， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s 。
（例题）2、一物体经针孔相机在 屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出：所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm 。
（例题）3、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。
若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？1mmI 1=90n 1 n 2 200mmLI 2x解：令纸片最小半径为x,则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。
而全反射临界角求取方法为：(1)其中n2=1, n1=1.5,同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为：(2)联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。
工程光学习题解答
第一章习题1、已知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。
解：则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s,当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s,当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s，当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s，当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。
2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出：所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm。
3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。
若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？解：令纸片最小半径为x,则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。
而全反射临界角求取方法为：(1)其中n2=1, n1=1.5,同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为：(2)联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。
解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有：n0sinI1=n2sinI2 (1)而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：(2)由（1）式和（2）式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上，求其会聚点的位置。
伽利略望远镜设计
伽利略望远镜设计报告1. 总体设计要求及方法课题要求设计一个伽利略望远系统，要求：放大倍率为5X，筒长为250mm，物镜最大直径不大于25mm，接受器为人眼。
伽利略望远镜是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，其放大倍率大于1。
光路图如下：图1 伽利略望远镜光路图为对光学系统进行迭代设计和优化，采用光学设计软件Zemax对望远镜的物镜、目镜分别进行建模和优化，以取代繁琐复杂的光路计算。
之后再将二者组合建模，并对最后的成像质量进行详细的评价。
2. 光学系统设计2.1 初步参数设计根据系统设计要求，镜筒长度250mm，而物镜到目镜的间距为：视觉放大率要求为5x ，故有：l 应当略小于筒长，因此将l 设计为240mm ，计算得出物镜焦距f o ’为300mm ，目镜焦距f e 为60mm 。
伽利略望远镜一般以人眼作为视场光阑，物镜框为视场光阑，同时为望远系统的入射窗。
由于视场光阑不与物面重合，因此伽利略望远镜一般存在渐晕现象。
出瞳应位于人眼观察处，为方便观察，设定出瞳距离目镜15mm 处，物镜的直径为25mm ，因此出瞳据物镜距离为：当视场为50%渐晕时，望远镜的视场角为：计算得出望远镜的视场角ω为2.8°，可见伽利略望远镜的视场非常小。
2.1 物镜设计2.1.1 结构选择一般有三种结构形式：折射式、反射式和折返式。
而一般军用光学仪器和计量仪器中使用的望远镜物镜为折射式物镜。
单透镜的色差和球差都相当严重，现代望远镜一般都采用两块或多块透镜组成的镜组。
其中又可分为双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜、摄远物镜，如下图所示。
图2 常见的物镜结构双胶合物镜是最简单和常用的望远物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成。
双胶合物镜的优点为结构简单，制造和装配方便。
通过选择材料以及弯曲镜面可以矫正透镜组的球差、彗差和轴向色差。
2.1.2 优化设计根据前面的计算，物镜焦距f o’设计为300mm，最大口径为25mm。
火炮周视瞄准镜初步设计
应用光学课程设计火炮周视瞄准镜初步设计专业：光电信息科学与工程班级：姓名：完成时间：目录一、火炮周视瞄准镜概述 (4)二、光学系统的技术要求 (4)2.1、光学特性的主要参数 (4)三、拟定光学系统的工作原理 (5)3.1、光学系统的基本形式 (5)3.2、光学系统的基本结构 (5)3.3、共轴系统和棱镜系统的组合 (7)3.4、孔径光阑的确定 (7)四、光学系统外形尺寸的计算 (7)4.1、选择物镜、目镜结构型式，计算其特性参数 (7)⑴、选择目镜结构形式并计算有关特性参数 (7)⑴、选择目镜结构形式并计算有关特性参数 (8)4.2、计算道威棱镜尺寸并验证渐晕系数 (9)4.3、计算顶部棱镜、保护玻璃尺寸 (12)4.4、计算物镜口径 (14)4.5、确定底部直角棱镜和分划板尺寸 (15)4.6、确定目镜口径 (17)4.7、验证出瞳距离与潜望高 (17)五、绘制光学系统原理图 (18)5.1、光学系统参数总结 (18)5.2、光学系统原理图 (20)六、工程伦理与职业道德 (21)七、环境与可持续性 (22)八、技术与社会 (22)九、法律法规 (24)十、个人和团队 (24)十一、创新方法 (24)附录 (24)一、棱镜转动定理 (24)二、理想光学系统光路计算公式 (28)一、火炮周视瞄准镜概述军事上火炮打击中为了搜索目标，需要在行动中进行大范围的观察从而提高火炮的破坏力以及精准度，而由于受到像差等因素的限制，传统的望远系统以及不再合适，我们需要一种光学系统，使其视准轴能够在水平面内横扫以达到全方位观察的目的，而这种光学仪器我们称之为周视瞄准镜。
火炮周视瞄准镜是一种比较特殊的潜望式瞄准镜，它的作用主要有两个：首先，观察员可以使用它来观察周围的环境、寻找需要锁定的目标，在这个过程中，观察员可以观察到自己直视方向以外任意水平方向（包括一定角度范围内的俯仰方向）的物体而不用改变自己的方向，这是由于周视瞄准镜的前端有一个道威棱镜，观察员在以速度比为一比二的速度同时转动道威棱镜以及顶端的棱镜的时候，可以保证目镜位置不变，从而可以使观察员在不改变自己的位置的前提下选择不同位置的瞄准点，这样也就避免了观察员为了观察不同方向的物体而不停转动头部引起的头晕恶心等症状。
物理光学课程设计-ZEMAX软件设计望远镜并校正像差
选择设计题目为：设计一放大率8Γ=倍的望远镜，物镜视场角24ω=，出瞳直径4D mm '=，目镜焦距225f mm '=，出瞳距离15mm ，目镜焦截距4mm ，入瞳与物镜重合。
（注：望远镜设计中物镜和目镜可以分开设计，独自校正像差）一、设计思路以及一些计算过程：有题目要求，选择双胶合望远物镜会比较适合。
相对孔径小于五分之一，由公式以及光学设计手册选择物镜的焦距为200mm ，入瞳直径为40mm ，初始结构采用：rd 玻璃 153.16 1.5163，64.1 -112.934 1.6475，33.9 -361.68/1.5163,64.1 /二、软件使用过程：1.透镜结构参数，视场、孔径等光学特性参数：初始结构表：优化情况：System/Prescription DataGENERAL LENS DATA:Surfaces : 7Stop : 1System Aperture : Entrance Pupil Diameter = 40Glass Catalogs : SCHOTTRay Aiming : OffApodization : Uniform, factor = 0.00000E+000Effective Focal Length : 320 (in air at system temperature and pressure)Effective Focal Length : 320 (in image space)Back Focal Length : 310.63Total Track : 775.2221Image Space F/# : 8Paraxial Working F/# : 8Working F/# : 8.002776Image Space NA : 0.06237829Object Space NA : 2e-009Stop Radius : 20Paraxial Image Height : 11.17465Paraxial Magnification : 0Entrance Pupil Diameter : 40Entrance Pupil Position : 0Exit Pupil Diameter : 102.5804Exit Pupil Position : 820.7951Field Type : Angle in degrees Maximum Field : 2Primary Wave : 0.5875618Lens Units : MillimetersAngular Magnification : -0.3899379Fields : 3Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight1 0.000000 0.000000 1.0000002 0.000000 1.414000 1.0000003 0.000000 2.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: ｵm# Value Weight1 0.486133 1.0000002 0.587562 1.0000003 0.656273 1.000000EDGE THICKNESS DATA:Surf EdgeSTO 439.9418312 11.4721633 11.6235514 312.1845555 0.0000006 0.000000IMA 0.000000INDEX OF REFRACTION DATA:Surf Glass Temp Pres 0.486133 0.5875620.6562730 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000001 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000002 SSK4A 20.00 1.00 1.62546752 1.617649751.614266423 LAF9 20.00 1.00 1.81494560 1.795040281.786944504 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000005 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000006 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000007 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.00000000THERMAL COEFFICIENT OF EXPANSION DATA:Surf Glass TCE *10E-60 0.000000001 0.000000002 SSK4A 6.100000003 LAF9 7.200000004 0.000000005 0.000000006 0.000000007 0.00000000F/# DATA:F/# calculations consider vignetting factors and ignore surface apertures.Wavelength: 0.486133 0.5875620.656273# Field Tan Sag Tan Sag Tan Sag1 0.0000 deg: 8.0042 8.0042 8.0028 8.0028 8.0075 8.00752 1.4140 deg: 7.9964 8.0019 7.9936 8.0001 7.9978 8.00473 2.0000 deg: 7.9889 7.9997 7.9847 7.9974 7.9884 8.0018CARDINAL POINTS:Object space positions are measured with respect to surface 1.Image space positions are measured with respect to the image surface.The index in both the object space and image space is considered.Object Space Image SpaceW = 0.486133Focal Length : -319.976306 319.976306Focal Planes : 124.738587 0.170547Principal Planes : 444.714892 -319.805758Anti-Principal Planes : -195.237719 320.146853Nodal Planes : 444.714892 -319.805758Anti-Nodal Planes : -195.237719 320.146853W = 0.587562 (Primary)Focal Length : -320.000000 320.000000Focal Planes : 124.780118 0.151516Principal Planes : 444.780118 -319.848484Anti-Principal Planes : -195.219882 320.151516Nodal Planes : 444.780118 -319.848484Anti-Nodal Planes : -195.219882 320.151516W = 0.656273Focal Length : -320.220323 320.220323Focal Planes : 124.586499 0.352767Principal Planes : 444.806822 -319.867556Anti-Principal Planes : -195.633824 320.573090Nodal Planes : 444.806822 -319.867556Anti-Nodal Planes : -195.633824 320.5730902.像差指标数据：球差数据分析图:三、学习心得这次的光学设计要结束了，在这里我首先得思过一下，这次的课设可真的是糊里糊涂就过去了。
工程光学-第八章-望远系统课件
入射窗和出射窗分别位于系统的物方和像方无限远，
分别与物平面和像平面重合。可消除渐晕。
→ 视场光阑半径
视场大小2 w: tg
F—f.→
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五、 望远镜的分辨率、有效和工作放大率
1、望远镜的分辨率
B
影响望远镜分辨率的因素
入瞳衍射效应 各类剩余像差 其它制造缺陷
A
均与物镜部分相关联， 衍射效应是主要因素。
划板大，放大率不能太大。
高斯型主要应用于普通光学自准直仪的光学系统。
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、阿贝型自准直平行光管
· 优点：光强度大，亮度损失小，10~15%,适用 于反射面弱，反射面小的情况。
· 缺点：它的一半视场被45 0棱镜遮挡，物镜孔径利 用率不高。
阿贝型应用于光学计的光学系统。
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一般天文望远镜的口径都很大， 世界上最大的天文望远镜在智利， 直径16米。美国最大的望远镜直径 为200英寸。
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§8-2 望远物镜系统
1、望远物镜的技术参数
焦距 — —参与决定系统的视觉放大率和视场；
通光孔径——影响分辨率和工作放大率；
相对孔径
影响像面亮度和像差大小；
2、望远物镜的种类： (1).折射式；(2).折反式；(3).反射式
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三、 双分划板型立方棱镜型自准直平行光管
优点： 视场不被遮挡；设置于目镜前面的分划板的 刻化线与自准直像(十字影像)形成反差区别， 便于观测； 目镜焦距短，放大率可以提高。
缺点： 光亮度损失较大，达50~60%。
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§8-5 平直度测量仪光路系统
10— 目镜：11一千分螺丝：12—读数鼓轮
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。
工程光学第二版习题答案(李湘宁-贾志宏)
第一章习题1、已知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=）、冕牌玻璃（n=）、火石玻璃（n=）、加拿大树胶（n=）、金刚石（n=）等介质中的光速。
解：则当光在水中，n=时，v= m/s,当光在冕牌玻璃中，n=时，v= m/s,当光在火石玻璃中，n＝时，v= m/s，当光在加拿大树胶中，n=时，v= m/s，当光在金刚石中，n=时，v= m/s。
2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出：所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm。
3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=），下面放一直径为1mm的金属片。
若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少解：令纸片最小半径为x,则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。
而全反射临界角求取方法为：(1)其中n2=1, n1=,同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为：《(2)联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=，所以纸片最小直径为。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。
解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有：n0sinI1=n2sinI2 (1)而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：(2)由（1）式和（2）式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=的玻璃球上，求其会聚点的位置。