望远镜系统结构设计

光学课程设计望远镜结构系统设计姓名:曾茂桃班级:光通信082学号:2008031126指导老师:张翔摘要该报告运用应用光学知识，了解望远镜的历史,在工作原理的基础上，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。并应用光学设计软件对系统误差、成像质量进行理论分析。初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。望远物镜设计的特点、双胶合物镜结构参数的求解和光学特性。目镜设计的特点、常用目镜的型式和像差分析等都有了一个明确的简要的介绍。关键字：望远镜物镜目镜放大率分辨率内调焦望远镜PW法光栅目录一概述…………………………………………………………页二望远镜尺寸设计与分析…………………………………页2.1望远镜的简述…………………………………………………………页2.2望远镜的主要特性分析………………………………………………页三分物镜组与目镜组的选………………………………………………页3.1望远镜物镜需要消除的像差类型及主要结构形式…………………页3.2双胶物镜和双分离物镜………………………………………………页3.3内调焦望远镜…………………………………………………………页四.目镜组的主要种类及其结构：…………………………..页4.1惠更斯目镜……………………………………………………………页4.2冉斯登目镜……………………………………………………………页4.3Porro、Roof棱镜结构及其特点…………………………………页五.望远镜像差设计PW法…………………………………..页5.2物体在有限距离时的P,W的规化……………………………………页5.5用CWP,,表示的初级像差系数………………………………………页六.光学系统中的光栅分析……………………………………页一概述1.1课程设计的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。1.2课程设计的内容初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。望远物镜设计的特点、双胶合物镜结构参数的求解和光学特性。目镜设计的特点、常用目镜的型式和像差分析。二望远镜尺寸设计与分析2.1望远镜的简述1望远镜的定义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的目视光学仪器。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。2望远镜的历史1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，他制造了人类历史第一架望远镜。1609年，伽利略制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的望远镜。他是用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜，这种光学系统称为伽利略式望远镜。伽利略用这架望远镜指向天空，得到了一系列的重要发现，天文学从此进入了望远镜时代。1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式，天文望远镜是采用开普勒式。需要指出的是，由于当时的望远镜采用单个透镜作为物镜，存在严重的色差，为了获得好的观测效果，需要用曲率非常小的透镜，这势必会造成镜身的加长。所以在很长的一段时间内，天文学家一直在梦想制作更长的望远镜，许多尝试均以失败告终。1757年，杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。但是，由于技术方面的限制，很难铸造较大的火石玻璃，在消色差望远镜的初期，最多只能磨制出10厘米的透镜。十九世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射望远镜成为可能，随之就出现了一个制造大口径折射望远镜的高潮。世界上现有的8架70厘米以上的折射望远镜有7架是在1885年到1897年期间建成的，其中最有代表性的是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜和1886年建成的口径91厘米的里克望远镜。折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方面的工作。但是它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。而巨大的光学玻璃浇制也十分困难，到1897年叶凯士望远镜建成，折射望远镜的发展达到了顶点，此后的这一百年中再也没有更大的折射望远镜出现。这主要是因为从技术上无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜，并且，由于重力使大尺寸透镜的变形会非常明显，因而丧失明锐的焦点。3望远镜的分类根据望远镜原理不同可以分为三种：1.折射望远镜：折射望远镜是用透镜作物镜的望远镜。分为两种类型：由凹透镜作目镜的称为伽利略望远镜；由凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。2.反射望远镜：反射望远镜是用凹面反射镜作物镜的望远镜。可分为牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等几种类型。3.折反射望远镜：折反射望远镜是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。比较著名的有施密特望远镜。2.2望远镜的主要特性分析1．望远镜简化结构：由两个光组组成，其中第一个光组的象方焦点'1F与第二个光组的物方焦点2F重合。该组合光组的成象光路特点和成象特点如图1所示：图1望远镜简化结构2．望远镜的重要参数：2垂轴放大率定义：代表共轭面像高和物高之比。公式:obocff-3轴向放大率定义：它表征像点与对应的物点沿轴移动量之比。公式:22obfocf4角放大率定义：它是折射前后的一对光线与光轴夹角u’和u之间的比值。公式:dDfoboctantanf-15视放大率定义：目视光学系统的放大率用视觉放大率表示：即通过望远镜观察物体时视网膜上的像高与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高之比。由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多，0与物体对入射光瞳中心的张角可认为相等。于是有0tantanfDD2f2-tantan01020202f-2DtanfD其中，D0为视场光阑的孔径。这样，望远系统的视放大率为：21tantantantanff意义：目镜的焦距确定时物镜的焦距随视放大率增大而加大。若望远镜镜筒长度L=f1′+f2′表示，则随f1′的增大镜筒变长。当目镜所要求的出瞳直径确定时，物镜的直径随视放大率增大而加大。表示望远镜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。望远镜的视角放大率应与其最小分辨角有如下关系：06*把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：3.214006DD由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。6.极限分辨率望远镜的分辨率，也可以说是光学透镜的分辨率。光具有波动性和粒子性，所以通过透镜汇聚的光线投射到感光元件上，如果两个像点距离很小，就会发生干涉，角度这个参数就是望远镜或者透镜的理论分辨率，一般用弧度表示。这个数值越小也就是可以分辨的物体越细小，那么透镜的分辨率越高，这个角度与透镜的口径和所使用波长有关，理论计算可得最小分辨角：r=1.22λ/D，其中λ为观测波长，D为望远镜的口径，二者取同一单位时r的单位为弧度。对于目视观测，通常取λ为肉眼最敏感的550nm。望远系统一样存在分辨能力的问题，而此问题的产生也是由于衍射的存在所以其分辨率的大小仍是从衍射所造成的极限分辨角求起，即：DD01422.1同样由于人眼是望远镜最终的接收器，属于目视仪器，所以必须考虑到人眼的作用。现取人眼的极限分辨率为60，则为了令所设计的系统能够对物体分辨的细节也同样能为人眼所分辨，故望远镜必须与人眼匹配。否则，系统虽然能分辨但是人眼不能分辨。也同样没有意义。那么望远镜的Γ与人眼分辨极限应有以下关系现在将DD和3.2D比较可知，在正常放大率的情况下，D’=2.3mm，但是这种结论的得出是在人眼分辨极限为1’情况下得出的，但是如果取1工作时，人眼特别容易疲劳，故为了减小眼的疲劳程度，设计系统时通常取ε=1.5—2，由此得出的放大率为工作放大率，即：Γ=(1.5—2)Γ0。7.望远镜的参数计算与步骤a.目镜的视场角2'：tantan即:667.1tantan所以:213042642b.望远镜的分辨率：由望远镜分辨率与视放大率关系式：320060631055.03.201406DDc.物镜的通光口径D：物镜的口径取决与分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应，望远镜口径与放大率的关系满足3.2D）1,21（DD所以:3.2D取系数为1.5,则D=30mmd.出瞳直径mm5.12030DDD物镜焦距与目镜焦距：由：20315f-目物目物fffL得mm300;mm15f物目f视场光阑的直径：mmf46.1767.1tan30022D物视目镜口径：如图所示：目目目2;tanRRDlRxz带入数据，则mm334.21目D出瞳距：如图所示：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，假设目镜的高为R，mmLLz75.15tantanl目镜的适度调节量:mm125.11000155xf-x22目8.伽利略望远镜：物镜是会聚透镜而目镜是发散透镜的望远镜。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方（靠近人目的后方）焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。伽利略望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。其优点是镜筒短而能成正像，但它的视野比较小。把两个放大倍数不高的伽利略望远镜并列一起、中间用一个螺栓钮可以同时调节其清晰程度的装置，称为“观剧镜”；因携带方便，常用以观看表演等。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。伽利略光路结构图：三分物镜组与目镜组的选3.1望远镜物镜需要消除的像差类型及主要结构形式有轴上像点的单色像差——球差；轴外像点的单色像差——子午像差、弧矢像差、彗差、像散、场曲、畸变。3.2双胶物镜和双分离物镜1.双交物镜双胶物镜是一种最常用最简单的望远镜物镜，有一个正透镜和一个负透镜胶合而成，如下图3-1所示。这种物镜的优点是：结构简单，安装方便，光能损失小，合适的选择玻璃可以校正球差、彗差和轴向色差三种像差，满足望远镜物镜的像差要求。由于这种物镜不能校正像散和场曲，所以视场一般不能超过8度-10度。如果物镜后面有很长光路的棱镜，由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，可以抵销一部分物镜的像散，视场可达15-20度。一般双胶物镜的最大口径不能超过100mm，这是因为当透镜直径过大时，由于透镜的重量过大，胶合不牢固。2.双分离物镜双分离物镜同样是由一块正透镜和一块负透镜组成，但两透镜中间有一个空气间隔，如图3-2所示它的优点包括：物镜口径不受限制，因此，一些大口径的物镜都用双分离物镜；能够利用空气间隔校正剩余球差，增大相对孔径。一般焦距（100—150mm）时，相对孔径可达1：2.5—1：3.3.3内调焦望远镜上述单组型式纳物镜对非无穷远物体进行调焦时，会增大镜笛长度．相应的望远镑称外调焦望远镜。内调焦望远镜物镜是指在物镜之后一定距离一处加负镜组而成的复合系统，这种物镜在对不