光學課程設計望遠鏡系統(tǒng)結構設計x

光學課程設計望遠鏡系統(tǒng)結構設計姓名：學號：班級：指導老師:、設計題目：光學課程設計一、 設計目的：運用應用光學知識，了解望遠鏡工作原理的基礎上， 完成望遠鏡的外形尺寸、物鏡組、目鏡組及轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的簡易或原理設計。了解光學設計中的 PV法基本原理。二、 設計原理：光學望遠鏡是最常用的助視光學儀器， 常被組合在其它光學儀器中。 為了觀察遠處的物體，所用的光學儀器就是望遠鏡，望遠鏡的光學系統(tǒng)簡稱望遠系統(tǒng) ?望遠鏡是一種用于觀察遠距離物體的目視光學儀器， 能把遠物很小的張角按一定倍率放大， 使之在像空間具有較大的張角，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變清晰可辨。 所以，望遠鏡是天文和地面觀測中不可缺少的工具。它是一種通過物鏡和目鏡使入射的平行光束仍保持平行射出的光學系統(tǒng)?其系統(tǒng)由物鏡和目鏡組成，當觀察遠處物體時，物鏡的像方焦距和目鏡的物方焦距重合，光學間距為零?在觀察有限遠的物體時，其光學間距是一個不為零的小數(shù)量 ，-般情況下，可以認為望遠鏡是由光學間距為零的物鏡和目鏡組成的無焦系統(tǒng)常見望遠鏡按結構可簡單分為伽利略望遠鏡， 開普勒望遠鏡，和牛頓式望遠鏡。常見的望遠鏡大多是開普勒結構，既目鏡和物鏡都是凸透鏡（組）， 這種望遠鏡結構導致成像是倒立的，所以在中間還有正像系統(tǒng)。物鏡組（入瞳） 目鏡組上圖為開普勒式望遠鏡，折射式望遠鏡的一種。物鏡組也為凸透鏡形式，但目鏡組是凸

透鏡形式。為了成正立的像，采用這種設計的某些折射式望遠鏡， 特別是多數(shù)雙筒望遠鏡在光路中增加了轉(zhuǎn)像稷鏡系統(tǒng)。此外，幾乎所有的折射式天文望遠鏡的光學系統(tǒng)為開普勒式。伽利略望遠鏡是以會聚透鏡作為物鏡、 發(fā)散透鏡作為目鏡的望遠鏡（會聚透鏡的焦距要大于發(fā)散透鏡的焦距），當遠處的物體通遠物鏡（u>2f）在物鏡后面成一個倒立縮小的實像，而這個象一個要讓它成現(xiàn)在發(fā)散透鏡 （目鏡）的后面即靠近眼睛這一邊，當光線通過發(fā)散透鏡時，人就能看到一個正立縮小的虛象。 伽利略望遠鏡的優(yōu)點是結構緊湊， 筒長較短，較為輕便，光能損失少，并且使物體呈正立的像， 這是作為普通觀察儀器所必需的。其原理圖如下：物鏡組 目鏡組出瞳[物鏡組 目鏡組出瞳[11伽利略望遠鏡示意圖為了更好的了解望遠鏡，下面介紹放大鏡的各種放大率：望遠鏡垂軸放大率：代表共軛面像高和物高之比。計算公式如下與光軸夾角的正切之望遠鏡角放大率：望遠鏡共軛面的軸上點發(fā)出的光線通過系統(tǒng)后,與光軸夾角的正切之比。計算公式如下:望遠鏡軸向放大率：當物平面沿著光軸移動微小距離dx時，像平面相應地移動距離 dx'.比例dx'/dx就是軸向放大率。計算公式如下：對于目視光學一起來說，更有意義的特性是它的視放大率， 視放大率就是同一目標用望遠鏡觀察時的視角和人眼直接觀察時二者正切之比。 望遠鏡是擴大人眼對遠距離目標觀察的視覺能力，它必須起到擴大視角的作用。望遠鏡視放大率'為.I Itan⑷f.Ir= tan■f—；-由望遠鏡視放大率公式可見， 放大率僅僅取決于望遠鏡結構參數(shù)， 其值等于物鏡和目鏡的焦距之比。確定望遠鏡視放大率，需要考慮許多因素，如儀器精度要求，目鏡結構形式，望遠鏡的視場角，儀器結構尺寸等等。表示觀測儀器精度的指標是極限分辨角。若以 60''作為人眼的分辨極限，為使望遠鏡所能分辨的細節(jié)也能被人眼分辨，則望遠鏡的視放大率和它的極限分辨角 G應滿足農(nóng)-=60”所以，若要求分辨角減小，視放大率應該增大?；蛘哒f望遠鏡視放大率越大，它的分辨角即精度越高，人眼極限分辨角為:-=1.22，/D我們可以通過一些簡單的數(shù)據(jù)來確定望遠鏡的結構參數(shù)， 例如已知物鏡與目鏡之間的距0'離L=315mm，望遠鏡放大倍數(shù)-=20，物方視場角2'=320求解得到一系列望遠鏡結構參數(shù)：目鏡視場角：由得；=30。20‘,2?=60°40‘60”60”望遠鏡分辨率：：?=2°-20 =3入瞳直徑d：根據(jù)視放大率得D=23=46mm出瞳直徑D'：D'=D=2.3mmf300mm得15mmf‘2二f'<f'2=315f300mm得15mmf‘2二物鏡焦距與目鏡焦距：由 一廠1—=20f'26.視場光闌直徑D視：D視=2ftg=17.15mm7.出瞳距離l7.出瞳距離lz':lz'二f2'--l=15.75mm8.目鏡口徑8.目鏡口徑D目：D目Q'2lz'tg，'=20.63mm9.目鏡視度調(diào)節(jié)量x:設調(diào)節(jié)■5屈光度，則：9.目鏡視度調(diào)節(jié)量x:設調(diào)節(jié)■5屈光度，則：X」fA1.125mm1000望遠鏡的視放大率和儀器的結構尺寸有關系,當目鏡的焦距確定時，物鏡的焦距隨視放大率增大而增加。若望遠鏡筒長以L二花+f2表示則隨f1的增大鏡筒變長。當目鏡所要求的出瞳直徑確定時，物鏡的直徑隨視放大率的增大而加大。四、設計內(nèi)容（一）望遠鏡外形尺寸設計所要求的出瞳直徑確定時，物鏡的直徑隨視放大率的增大而加大。四、設計內(nèi)容（一）望遠鏡外形尺寸設計首先介紹一下目視光學系統(tǒng)中一些機構及放大率的表達式:1.視場光闌:限制物空間多大范圍能被成像般設在實象平面或中間實象平面上。2.漸暈光闌:限制軸外成像光束的寬度。1.視場光闌:限制物空間多大范圍能被成像般設在實象平面或中間實象平面上。2.漸暈光闌:限制軸外成像光束的寬度。3.入射光瞳:孔徑光闌經(jīng)它前面的光學系統(tǒng)在物空間所成的像。4.出射光瞳:孔徑光闌經(jīng)它后面的光學系統(tǒng)在像空間所成的像。5.入射窗5.入射窗：視場光闌經(jīng)它前面的光學系統(tǒng)在所成的像。出射窗：視場光闌被其后面的光學系統(tǒng)在所成的像。7.垂軸放大率:yn'l7.垂軸放大率:yn'l(1)8.軸向放大率:8.軸向放大率:9.角放大率:10.望遠鏡系統(tǒng)視放大率10.望遠鏡系統(tǒng)視放大率：1="tgQf物f'然后設計一個開普勒式望遠鏡，其主要要求如下:1.物鏡與目鏡之間的距離L=315mm，2.望遠鏡的視放大倍數(shù)I=20，3.物方視場角2 =32°。首先確定設計需要的參數(shù)，主要有：目鏡視場角，望遠鏡分辨率， 入瞳直徑，出瞳直徑，物鏡與目鏡的焦距，視場光闌直徑，目鏡口徑，出瞳距離和目鏡視度調(diào)節(jié)量?？讖焦怅@孔徑光闌開普勒(KeplerTelescope)望遠鏡光路示意圖計算中可以用到的公式如下:如果要求儀器的視角分辨率和衍射分辨率相等，則：6°” 14°''視放大率：-實D'1tg■6°''望遠鏡分辨率：？則可以計算出開普勒望遠鏡的一些主要參數(shù)，如下：目鏡視場角：由tg」〃tg，得，3°.2°,2=6°.4°望遠鏡分辨率：6°''6°''=3''r2°3?入瞳直徑D：根據(jù)視放大率得

4,出瞳直徑D':D'2.3mmr5.物鏡焦距與目鏡焦距：f1=300mm f'2=f1=300mm f'2=15mm—20

f，2視場光闌直徑D視D視=2fltg=17.45mm出瞳距離lz':l f2A-l=15.75mm目鏡口徑D目：。目=。'21z'tg廣20.63mm目鏡視度調(diào)節(jié)量x：設調(diào)節(jié)，5屈光度，則： Nf2=1.125mm1000由以上的參數(shù)我們就可以設計一個簡單的望遠鏡，由光路圖我們還可以看出開普勒望遠鏡由兩個凸透鏡構成。由于兩者之間有一個實像， 可方便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良。但這種結構成像是倒立的，所以要在中間增加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。物鏡組的選取望遠鏡物鏡只需對軸上點校正色差，球差和對近軸點校正彗差，軸外像差可以不予考慮。其結構相對比較簡單，一般有以下幾種型式：折射式望遠鏡物鏡這類物鏡又包括雙膠物鏡、雙分離物鏡、雙單和單雙物鏡、三分離物鏡、攝遠物鏡、內(nèi)調(diào)焦望遠鏡物鏡反射式望遠鏡物鏡。折射式望遠鏡物鏡二?對折射式望遠鏡物鏡中雙膠物鏡和雙分離物鏡進行各自特點比較：雙膠物鏡在玻璃選擇得當時，能同時校正色差、球差和彗差，是可能滿足像質(zhì)要求的最簡單形式，但膠合而上的高級球差使相對孔徑受到限制， 且當用普通玻璃時二級光譜為常量，色球差也無法控制，因而不能獲得高的像質(zhì)。該型式的優(yōu)點是結構簡單工藝方便，

光能損失也小，宜于在焦距不長，相對孔徑不大的場合使用。雙分離物鏡當口徑大于50-60mm是宜采用雙分離物鏡這種物鏡在玻璃選的恰當時初能校正好色差、球差和彗差外還能利用靈敏的空氣間隙的少量變化來校正球差， 因此可達到相當大的孔徑。但色球差和二級光譜也不能校正。內(nèi)調(diào)焦望遠鏡物鏡單組型式的物鏡對非無窮遠物體進行調(diào)焦時會增加鏡筒長度， 相應的望遠鏡稱為外調(diào)焦望遠鏡。內(nèi)調(diào)焦望遠鏡是指在物鏡之后一定距離處家一負透鏡組而成的符合系統(tǒng)， 如下圖所示。這種物鏡在對不同遠處物體成像時， 總可以利用改變負鏡組的位置而使像位于同一位置上。此負鏡組稱為內(nèi)調(diào)焦鏡。計算內(nèi)調(diào)焦望遠鏡參數(shù)時，可以根據(jù)給定的物鏡焦距 f,物鏡長度L和準距條件即聯(lián)立求解出二鏡組的焦距及其間隔。當物鏡對有限遠物體物體調(diào)焦時，易于按照現(xiàn)成規(guī)律導聯(lián)立求解出二鏡組的焦距及其間隔。當物鏡對有限遠物體物體調(diào)焦時，易于按照現(xiàn)成規(guī)律導出內(nèi)調(diào)焦鏡的移動距離。視闌B(調(diào)焦鏡)B(調(diào)焦鏡)V圖3內(nèi)調(diào)焦望遠鏡物鏡現(xiàn)代大地測量儀器中幾乎全部用內(nèi)調(diào)焦望遠鏡。這是由于它具有可以達到簡化視距測量、縮短鏡筒長度、改善密封性能風一系列優(yōu)點。這對經(jīng)常需要在野外作業(yè)的測量儀器來說是非常重要的。下面我將對兩種比較簡單的物鏡組進行一定的介紹，它們是雙膠合物鏡和雙分離物鏡:1?雙膠合物鏡是一種常用的望遠物鏡，它結構簡單、光能損失小，合理的選擇玻璃和彎曲能校正球差、慧差和色差，但不能消除像散、場曲和畸變，故視場不大，一般不超過10o，二級光譜與色球差也不能校正。一般在焦距不長、相對孔徑不大的系統(tǒng)中采用。雙分離物鏡的正負透鏡用一空氣隙隔開，彎曲較雙膠物鏡自由，能減少中間帶球差，加大相對孔徑 匚1,視場角達12。，色球差不能校正，二級光譜由于透鏡分離而略有￡5 3j增大。它和雙膠物鏡比較有如下優(yōu)缺點：適用于直徑加大的情況，雙膠合物鏡因受膠層力及脫膠的影響，直徑不能超過100mm而雙分離物鏡沒有這種限制；光能損失比雙膠物鏡大些；雙分離物鏡裝配對中困難，使用中也容易喪失共軸性。三、內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡內(nèi)調(diào)焦望遠物鏡是指在物鏡之后一定距離處加一負透鏡組而成的復合系統(tǒng)。內(nèi)調(diào)焦物及光路這種在對不同遠近物體成像時，總可利用改變負透鏡的位置而使像位于同?位TT:上*此

負鏡組稱為內(nèi)調(diào)焦鏡。計算內(nèi)調(diào)焦望遠鏡的參數(shù)時，可根據(jù)給定的物鏡距離 f',物鏡長度L和準距條件即：L-2d6?_=0 (8)6+f\A聯(lián)立求解出二鏡組的焦距及其間隔。當物鏡對有限遠物體調(diào)焦時，易于按照成像規(guī)律導出內(nèi)調(diào)焦鏡的移動距離。綜上，可以看出物鏡組的選取是多種多樣的，同樣我們將進行對目鏡組的選取。（三）目鏡組的選取一、 目鏡組的主要特點：目鏡的相對孔徑與物鏡相同，屬中等大小，但其焦距比物鏡短的多，故視場較大。據(jù)此目鏡的像差校正一般以軸外像差為主。只有對低倍望遠鏡的目鏡，在焦距不短、出瞳直徑較大時才有必要烤爐軸上像差， 并且主要是通過與物鏡的像差相互補來改善的。二、 目鏡組的主要類型有：惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱目鏡、無畸變目鏡、艾爾弗目鏡。然而我們最常用的是惠更斯目鏡和冉斯登目鏡，下面就簡要的介紹下這兩種目鏡。三、 惠更斯目鏡和冉斯登目鏡惠更斯目鏡是由二塊平面朝向眼睛的平凸透鏡相隔一定距離組成。朝向物鏡的那塊透鏡叫場鏡朝向眼睛的那塊叫接目鏡。場鏡的作用是使由物鏡射來的軸外光束折向接目鏡，以減小目鏡的孔徑，也有利于軸外像差的校正?；莞鼓跨R通?；莞鼓跨R的二塊目鏡采用同種玻璃，按校正倍率色差的要求，有d=（f'.f； ）/2 （9）其中場鏡的焦距總大于間隔d，因此物方焦點位于二透鏡之間，應在此位置設置視場光闌。由于此視場光闌只通過目鏡被眼睛所觀察，不能在其上設置分劃板，故此目鏡不宜在測量中應用?；莞鼓跨R的鏡目距約為焦距的 1/3，因此其焦距不能小于15毫米。冉斯登目鏡是由二塊凸面相對的平凸透鏡組成，如右圖所示。其間隔小于小于場鏡和接目鏡的距離，且這兩個焦距也不相等這樣使目鏡的物方焦點位于場鏡之外，可設置分劃板目鏡距也可有所增大，使之能用于測量中。

與惠更斯目鏡相比，冉斯登目鏡的物方焦面到接目鏡的距離要長一些。在像差校正方面，由于這種結構對慧差和像散的校正條件和惠更斯目鏡有利的多，因此除倍率色差外所有其他的像差都要比惠更斯目鏡小。r冉斯登目鏡r冉斯登目鏡（四）倒像系統(tǒng)的設計通過一個典型開普勒望遠鏡看到的圖象，是上下左右顛倒的，為了適應地面觀測的需要，必須在物鏡（將遠處的目標成一倒立的實像）后面加一組棱鏡，將倒立的實像轉(zhuǎn)為正立的實像。實現(xiàn)轉(zhuǎn)像有兩種結構的棱鏡，porro像轉(zhuǎn)為正立的實像。實現(xiàn)轉(zhuǎn)像有兩種結構的棱鏡，porro棱鏡和roof棱鏡。porro棱鏡的優(yōu)點是結構簡單，透光率高，成像質(zhì)量好，但望遠鏡體積偏大。為了克服這個缺點，可以采用反向porro棱鏡轉(zhuǎn)像，不過又帶來了新的問題，物鏡的口徑偏小，不適合低照度環(huán)境下使用。roof棱鏡的最大優(yōu)點是采用它之后望遠鏡的體積可以做得最小，望遠鏡的重量也隨之下降，但是這種棱鏡結構porro棱鏡低porro棱鏡低5%需要鍍相位膜，所以要做個優(yōu)質(zhì) roof棱鏡望遠鏡，成本是非常高的。所以，實際上要加倒像系統(tǒng)一般采用棱鏡系統(tǒng)來倒像。

（五）光學系統(tǒng)初始結構參數(shù)計算方法望遠鏡像差設計PW法首先給出像差計算公式:k k占八』PkSIII（五）光學系統(tǒng)初始結構參數(shù)計算方法望遠鏡像差設計PW法首先給出像差計算公式:k k占八』PkSIII.k .k「』zPJ、iW二扛：半乍2「SWj、,n'-n=J廠，n'nr(10)式中:k1SV「2i\w廣二〃2P3J1~2h1?1n'u'—nu■■:--htnn'n①二—Mxn'nnl‘3△孚瓦<hnn'nrjk1 1i2"2公式組中把各個初級像差系數(shù)表示為二條近軸光線在折射面上的高度以及三個參量 P、W和二的函數(shù)。這幾個參量表征著折射面的像差貢獻。由于他們僅被第一近軸光線的量決定，使得在實用上甚為方便。薄透鏡系統(tǒng)的初級像差的系數(shù)普遍式:hPSi=瓦hpP-J瓦Whh， pS 瓦]P-2覽]W+J2Z?(11)1hhhh(11)1hhSv=J昱-hh hohSv=送JP—pJ近^W+月送±?(3+—)hh2CSic=送hphC上式薄透鏡光組初級像差系數(shù)的普遍式，無論對單片、多片、密接、非密接都適用。上式薄透鏡光組初級像差系數(shù)的普遍式，無論對單片、多片、密接、非密接都適用。（六）光柵當光柵完全透明時，振幅調(diào)制可以忽略不計。但光柵上的光學厚度有規(guī)則變化的周期性相位調(diào)制，即透射相位光柵。其復振幅透過率可表示為:(12)t(x,y)=exp[jmsin(2：fx)]rect(jxo)rect(-yo)(12)oo oo ° °/2 LL其中m