望远镜设计及性能分析毕业论文

1、xx工程学院望远镜设计及性能分析课 程 工程光学 学生姓名 指导教师 2016年11月25日摘要望远镜是一种用于观测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，使之在像空间有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变得清晰可辨。按照望远镜所用光学元件，可将其分为折射望远镜、反射望远镜、折反射望远镜三类，日常生活中的望远镜多为折射望远镜中的开普勒望远镜，最早由德国科学家开普勒于1611年发明。关键词：开普勒；折射式；放大率；像差。目录1.引言12方案设计12.1设计原理12.2参数设计12.3器件选择12.4像差设计13 总结1参考文献11.引言19世纪初期折射式光学望远镜望

2、远镜还是天文学界的主流，当时研究的重点在天体测量，邻近恒星的位置测定。随着时代的演变，天文学家开始探索到银河系以外的星系，研究整个宇宙的结构，巨无霸的大型反射望远镜便取代折射式望远镜的地位。而施密特望远镜更拍摄到许多深远微暗的天体照片，让天文学家能按图索骥地去研究探索数10亿光年之遥的宇宙深处。所以20世纪是反射式望远镜与施密特望远镜的时代，20世纪统一天文学语言的施密特望远镜，这是澳洲的ukst，而21世纪更将是无线电电波望远镜的时代。故本文运用应用光学知识，对开普勒望远镜进行简单设计，在了解望远镜工作原理的基础的上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易原理设计或光路设计，了

3、解望远镜的基本光学性能参数及其计算，并根据设计计算出适当光学性能参数使望远镜达到最佳的工作状态。预期实现一定范围内对事物的观测。说明项目的研究与设计目的，介绍国内外相关领域的工作，以及项目研究的预期结果以及项目组的分工和实际贡献比例（小四号宋体，1.3倍行间距）。2方案设计2.1设计原理由于望眼镜为目视光学仪器，则要求仪器应出射平行光，成像在无穷远，即要求望远镜系统是一个将无限远目标成像在无限远的无焦系统。开普勒望远镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隔d=0，因此平行光入射的光线经望远镜系统后仍以平行光射出。这种望远镜一般物镜框就是孔径光阑，也是入瞳，出射光瞳位于目镜像方焦点之外很靠近焦

4、点的地方，使用时眼睛与出瞳重合。设f1和f2分别为物镜、目镜的焦距，开普勒望远镜中目镜、物镜均为凸透镜，故f1>0，f2>0，此时系统成倒立像，所以在系统中间需加入转像系统使其成正立的像。如图为开普勒望远镜示意图：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。2.2参数设计望远镜系统的参数定义： 垂轴放大率在望远镜系统前方任意位置处放一大小为d的物体，通过系统后像高为d,则垂轴放大率为=d/d。 角放大率共轭面上的轴上点放出的光线通过光学系统后，与光轴的夹角的正切和对应的入射光线与光轴所成的夹角的正切之

5、比。公式：g=tgu/tgu=u/u=l/l。轴向放大率光轴上一对共轭点沿轴移动量之间的关系，如果物 点沿轴移动一个微小量d1，相应的像移动d1，轴向放大率用表示，定义为：=d1/d1 视放大率用仪器观察时网膜上的像高与人眼直接观察时网膜上的像之比，表示了改仪器的放大作用，一般用g表示。g等于同一目标用仪器观察时的视角w仪和人眼直接观察时的视角w眼二者正切之比，所以称为仪器的视放大率。极限分辨角表示观测仪器精度的指标是它的最小分辨角。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即达到了充分利用望远镜分辨率的目的，即极限分辨角为（140/d）。望远镜的视角放

6、大率应与其极限辨角有如下关系：·=60 。把望远镜的极限分辨角公式代入上式中得=60/(140/d)=d/2.3。出瞳直径出瞳就是出射光瞳，当你手里拿着双筒望远镜，距离双筒望远镜目镜30厘米左右的地方，用眼睛仔细观察目镜，你可以看到两个形如瞳孔的亮点，它的直径就是出瞳直径。跟物镜直径一样，出瞳直径也是以毫米为单位的，出瞳直径等于物镜直径除以放大倍率。望远镜的出瞳(出射光瞳)首先告诉我们望远镜的质素:质素上乘者，出瞳为一个清晰完美的圆形光点，位处正中央, 周围呈现黑色，对普罗棱镜机型而言，光点内有棱镜影子代表棱镜是次级玻璃(bk7)，周围漏光则代表钟镜身防反光不佳，出射光瞳偏向一方或成

7、榄核型则代表内部光轴变歪，出射光瞳越大，代表影像较光及较清晰锐利 (倍率低)，而且眼球较易看到影像，适合海事，环境不断晃动场合下使用。倍率望远镜的倍率计算方法:物镜焦距÷目镜焦距我组的望眼镜设计及参数计算: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g=20；3.物方视场角2=3°20。参数计算：1.目镜视场角w目将视放大率g=20，物方视场角2=3°20代入公式tgw目=g ·tgw物，可以求出2w目=60°24, w目=30°12。2.望远镜的分辨率:由望远镜分辨率和视放

8、大率的关系式：=60g602033.物镜的通光口径d物：物镜的口径取决于分辨率的要求，若使物镜分辨率与放大率相适应，望远镜的口径与放大率关系满足gd物/2.3，为减轻眼睛负担，可取g=(0.51) d物及d物=(12)g，这里系数取2，则：d物=2g=40mm4.出瞳直径d: g=d得=d/g=40/20=2mm5.物镜焦距f物与目镜焦距f目:由l= f物- f目=315和f物/f目=20可得f物=15mm，f目=300mm6.视场光阑的直径d视:根据三角形定则，计算视场角，如图： d视=2·f物·tanw=2×300×tan1.67=17.46mm7.

9、目镜口径d目：目镜的视场角2w，以及出瞳直径2rz限制了目镜的口径，据此计算：r目=rz+lx·tanw=1.5+15.75×tan3°20=10.667mmd目=2 r目=21.334mm8.出瞳距lz:孔径光阑选在物镜框上，轴外光束的主光线通过物镜中心o，假定在目镜组的投射高为r，如图：tanw=r/l tanw=r/(lz)(tanw) /(tanw)= (lz)/llz=(tanw) /(tanw)·ll/g315/20=15.75m9.目镜的视度调节量：x=(±n ·f目2)/1000=(±5 ·152)

10、/1000mm=1.125mm2.3器件选择1. 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。在相同条件下（同样的玻璃组合）双分离的球差和彗差小，色差较大双胶合的色差小，而球差和彗差较大同时，双胶合玻璃选择的幅度要小些，而且胶合8cm以上的透镜，难度较大。因为要控制其气泡数。双分离适用于大口径物镜，且不易自行固定，因此选择使用双胶合物镜。2. 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

11、、出瞳直径较大时才有必要考虑轴上像差，并且主要是通过与物镜的像差相互补偿来改善的。 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。最常用的是惠更斯目镜和冉斯登目镜。惠更斯目镜（h式或hw式目镜）是由二片相互分离的平凸透镜组成的目镜，凸面都朝向物镜一端，其中较大的一块透镜焦距近似为较小的一块透镜焦距的3倍，两块透镜的距离为焦距之和的一半。两个透镜使用同种牌号的玻璃制成。这种两片组的目镜是17世纪由荷兰物理学家惠更斯发明的，因此命名为惠更斯目镜。惠更斯目镜能够有效地消除彗差、倍率色差，像散也很小，但不能显著降低球差和位置色差，而且像场较弯曲，向眼睛一端突出

12、，视场很小，出瞳距离很短。惠更斯目镜属于第一代目镜，容易制造，价格低廉，但缺点很多，而且第一主焦点在两块透镜之间，不能安装十字丝或分划板，因此不能作为测微目镜，因此惠更斯目镜在望远镜中不常用。如果将场镜由平凸透镜改为弯月形透镜即可改善场曲，增大视场。冉斯登目镜（r式或sr式目镜）是一种两片组的目镜，由两块尺寸、光学玻璃牌号均相同的平凸透镜组成。这种目镜能够消除畸变和色差，有效地降低球差，可以安装十字丝或分划板作为测微目镜和导引目镜。但视场不大，而且场镜平面距离视场光栏很近，场镜上的灰尘能够在视场中直接看到。冉斯登目镜属于第一代目镜，结构简单，价格低廉，特别适合于小型望远镜使用。我组设计的属于小

13、型望眼镜，目镜最终选择冉士登目镜。3. 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（保罗）棱镜和roof（屋脊）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porr

14、o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。如图为望远镜系统中倒像系统示意图：鉴于经费不足，只能选用反向porro棱镜转像。2.4像差设计 像差公式：s1=hps2=hzp+jws3=,+2jw+j2,s4=j2s5=p+3jw+j2(+)-j3以pw表示的按折射面分布的初级像差系数表示式：由pw可求出各个透镜组的结构参数。利用初级相差方程组即可求解薄透系统的结构参数，还可用来讨论薄透镜组的像差性质。 前者可以直接作为光学自动设计的原始系统结构参数； 后者可以用来指导我们如何选用原始系统的形式，自变量和像差参数等

15、。此方面设计过于复杂，仅提供公式作为参考，不做过多分析。3 总结简要总结工作结果，心得体会通过此次对望远镜结构系统的设计，让我们了解了很多光学知识，深化了对 应用光学知识的理解。进一步的理解了望远镜工作原理，初步了解了望远镜设计的步骤及所考虑的因素，了解的目镜物镜的分类及其消除相差的作用以及如何选取合适的目镜物镜，也了解到了pw法的基本原理，学会了基本的光学工程设计的流程，但作图使用的是基本作图工具（少部分来自internet），不是很专业。总之，通过此次设计，增强了考虑问题的逻辑思维能力和解决问题的能力，提升了自己的能力。参考文献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。