普罗型10倍望远镜光学系统设计

1、10倍望远镜光学系统设计普罗型摘 要目前国生产望远镜的厂家公司较多,产品大部分销于国外,而对产品的性能精度要求越来越高,为适应社会要求,为使学生初步掌握光学仪器设计过程,光学系统是在透镜的基础上,以不同的组合来实现的,深入研究了正负透镜的成像规律和组合光路的成像特性,才能更好的研究复杂的光学系统,为高科技普及于民打下坚实基础。进入二十一世纪,科学技术飞速发展,对应用软件的开发和使用,成为社会发展的重要途径。本课题研究的主体是10倍普罗型望远镜光学系统。普罗棱镜又叫直角棱镜,是传统的经典设计,比较常见的设计是由两个完全相同的直角棱镜构成,优点是形状简单,容易加工和装配,缺点是相对屋脊棱镜,重量和体积较大。设计出10倍普罗型望远镜的技术指标：放大率10* D/f=1:6 视场2w =5正像 视度调节围5折光度. 分别计算出物镜、目镜的焦距,出瞳、入瞳的直径,视场光阑的直径,目镜的视场角,瞳距,目镜口径,目镜的视度调节围。将所得数据输入ZEMAX软件实现像差的校正与平衡。最终设计出合格望远镜,画出零件图。关键词： 光学系统设计；望远镜；透镜成像；像差 / Ten times the opti

2、cal telescopes system designporroAbstractThe current domestic production of a telescope of the manufacturer said that most of the foreign product to sell, with the product and higher accuracy, in order to adapt to society, to prepare students to master optical instrument for the preliminary design process 。Lens optical system is based on a number of packages to achieve, and in-depth study of the imaging lens of the positive and negative combination of the laws and the imaging properties of optic

3、al path, in order to better study the complexity of the optical system, for the people to lay a high-tech popularization solid foundation. Entering 21th century, science and technology is developed at full speed. The development and use of the application sofeware become the important way of the social development. The subject of study is 10 times the wide cross-section of a telescope. Like a cross-section prism also called cartesian prism, is the traditional classic design, the more common desi

4、gn is composed of two identical square prism, is that simple, easy to form processing and assembly, is relative to the ridge of prism, weight and bulky.design patterns of an optical system of ten times for a wide cross-section of the indicators ： magnification is ten tims, D/f=1:6 field of view 2w =5just as dioptric adjusting range 5 diopter. Calculate the difference, of goggles, a sort of focus, the sort of the game of light of that mirror of the view of the game hung from a corner and go with

5、the glasses on the regulation range.Import data into ZEMAX program,Implement the correct and balanced as.Key Words: Optical systems;telescope；Imaging;lens；aberration目 录1 绪论11.1研究背景11.2国外研究状况31.3本课题研究的主要容和方法42 望远光学系统基本原理62.1 物镜系统72.2 棱镜系统102.2.1 普罗棱镜和屋脊棱镜102.2.3棱镜的计算102.3 目镜系统133光学系统设计163.1 外形尺寸计算163.2光学系统的像差公差193.3 ZEMAX软件简介213.3.1 ZEMAX软件操作的基本步骤213.3.2 优化设计的原则和方法224像差校正244.1物镜系统和棱镜系统的像差校正244.4目镜的像差校正285 总 结32参考文献33致 34毕业设计论文知识产权声明35毕业设计论文独创性声明36附录 设计图37主 要 符 号 表 物镜焦距 目镜焦距 相对孔径 放大率 分辨率 出瞳直径 视场角

6、折射率1 绪论1.1研究背景望远系统是用于观察远距离目标的一种光学系统,相应的目视仪器称为望远镜。由于通过望远光学系统所成的像对眼睛的角大于物体本身对眼睛的直观角,因此给人一种物体被拉近了的感觉。利用望远镜可以更清楚地看到物体的细节,扩大了人眼观察远距离物体的能力。望远光学系统被广泛应用于国民生产生活领域以及军事领域,例如：天文观察,旅游,比赛观看,航海,哨所警戒,潜艇潜望等等。随着近现代科技的发展,望远镜能够观测的波段已经突破了可见光波段,从无线电到伽玛射线的各种波段的辐射都可以通过不同类型的望远镜收集。而观测的纪录介质,也从原来的人眼,胶片,发展到半导体电子元件比如CCD。而以现代计算机图形图像技术为依托的后期处理技术更为人类满足远望的的渴求提供了技术保证。根据物镜的种类可将望远镜分为三大类： 1.折射望远镜 折射望远镜的物镜由透镜或透镜组组成。早期物镜为单片结构,色差和球差严重,使得观看到的天体带有彩色的光斑。为了减少色差,人们拼命增大物镜的焦距,1673年,J.Hevelius制造了一架长达46米的望远镜,整个镜筒被吊装在一根30米高的桅杆上,需要多人用绳子拉着转动升降。惠更斯

7、干脆将物镜和目镜分开,将物镜吊在百尺高杆上。直到19世纪末,人们发明了由两块折射率不同的玻璃分别制成凸透镜和凹透镜,再组合起来的复合消色差物镜,才使得这场长度竞赛得到终止。 折射望远镜分为伽利略结构和开普勒结构两类。其中,伽利略结构历史最悠久,其目镜为凹透镜,能直接成正立的像,但是视场小,一般为民用的24倍的儿童玩具采用。而绝大多数常见的望远镜都是开普勒结构,其目镜一般是凸透镜或透镜组,由于其光路中有实象,可以安装测距或瞄准分划板用来测量距离。但是简单的开普勒结构所成的像是倒立的,需要在光路加上正像系统使其正过来,常见的正像系统为普罗棱镜或屋脊棱镜,既起到正像的作用,又使光路折回,缩短整机长度。屋脊棱镜系统也称为别汉棱镜系统,比较常见的设计是由一个屋脊棱镜和一个半五棱镜构成,优点是外观为直筒型,光学结构相对轻便和紧凑,比较适合户外运动便携产品,在小口径的产品上体积和重量的优势尤其明显,不足之处是即使是相对简单的屋脊棱镜,外形也比普罗棱镜复杂的多,加工难度大,此外从装配难度和维护性来讲也难于传统的普罗棱镜,因此成本较高。图1.1为屋脊棱镜型望远镜的结构简图。图1.1屋脊棱镜型望远镜的结构

8、简图普罗棱镜又叫直角棱镜,是传统的经典设计,比较常见的设计是由两个完全相同的直角棱镜构成,优点是形状简单,容易加工和装配,缺点是相对屋脊棱镜,重量和体积较大。图1.2为普罗棱镜型望远镜的结构简图。图1.2普罗棱镜型望远镜的结构简图从上图可以看出,采用屋脊和普罗棱镜的望远镜外形的区别是非常明显的,屋脊望远镜的形状为直筒,因此也常常被称为直筒望远镜,而普罗望远镜在棱镜位置拐了一个弯,因此相对同规格的屋脊望远镜,体积要增加很多。2.反射望远镜 该类镜最早由牛顿发明,其物镜是凹面反射镜,没有色差,而且将凹面制成旋转抛物面即可消除球差。凹面上镀有反光膜,通常是铝。反射望远镜镜筒较短,而且易于制造更大的口径,所以现代大型天文望远镜几乎无一例外都是反射结构。 反射望远镜的结构里,除了主物镜外,还装有一或几个小的反射镜,用来改变光线方向便于安装目镜。由于反射式望远镜的入射光线仅在物镜表面反射,所以对光学玻璃的部品质比折射镜要求低。1990年,美国在夏威夷建成当时口径最大的凯克望远镜,该镜采用了一些前所未有的新技术：1,主物镜由36面六边形薄镜片拼和而成,厚度仅为10厘米。2,有计算机控制背面支撑点,补

9、偿重力引起的形变。3,能通过改变镜面曲率补偿大气扰动。这些新技术的采用使得人类发射太空望远镜的要求不再迫切。 3.折反射望远镜。 折反射望远镜的物镜是由折射镜和反射镜组合而成。主镜是球面反射镜,副镜是一个透镜,用来矫正主镜的像差。此类望远镜视场大,光力强,适合观测流星,彗星,以及巡天寻找新天体。根据副镜的形状,折反射镜又可以分为施密特结构和马克托夫结构,前者视场大,像差小；后者易于制造。1.2国外研究状况中国的65米射电望远镜是一台具有多种科学用途,全天线可转动,在同类型的望远镜中总体性能上位列全球第四。它的建成将显著提升我国深空测定轨能力,为嫦娥探月工程和更长远的深空探测等国家重大战略需求服务,显著提升我国天文观测研究的整体实力和国际地位。65米射电望远镜项目是中国科学院和市政府的重大合作项目,主要由中科院,市政府、探月工程项目等共同出资建造,由中国科学院天文台负责运行。预计,2015年 完成65米射电天文望远镜系统并通过验收；它的口径为65米,高度70米；允许在方位和俯仰两个方向转动,以准确指向需要观测的天体和航天器；可工作在厘米波段和长毫米波段,最高的工作波段为7毫米。该望远镜具诸多创新特点：主反射面精度高、工作波段多、工作频率高、接收频带宽、采用先进的主动面技术、快速更换观测频率系统、轨道整体焊接、制冷接收机灵敏度高、时频系统精度高、数据采集设备先进。美国科学家近日表示,将计划打造大型综合巡天望远镜LSST,该巨型32亿像素的摄像机将可观测到我们夜空的深景象。LSST望远镜将由189个传感器和超过三吨重的组件组成,它的主镜直径为8.4米。据悉,这个天文望远镜将可以观测到宇宙

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