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光学系统设计

  • 简介:(毕业论文 字数:6024页数:9)设计摘要:光学系统设计就是了解物理光学现象产生的条件;观察实验现象,将书本知识形象化,具体化,启迪思维,激发创造力的过程;在不考虑衍射效应的情况下,通过测量光学参数,掌握基本光学实验技术和技巧,根据使用条件...
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(毕业论文 字数:6024页数:9)设计摘要:光学系统设计就是了解物理光学现象产生的条件;观察实验现象,将书本知识形象化,具体化,启迪思维,激发创造力的过程;在不考虑衍射效应的情况下,通过测量光学参数,掌握基本光学实验技术和技巧,根据使用条件,来决定满足使用要求的各种数据,决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等参数。即根据高斯公式、牛顿公式等公式对望远镜的外型尺寸等各参数的基本计算、像差的设计以及转像系统的设计,设计符合课程要求的开普勒式望远镜。光学设计过程分为四个阶段:外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及像质评价。
了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。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。

关 键 词: 光学系统,转相系统,成像质量,像差,像距,开普勒望远镜(Kampoler’s Telescope),伽利略望远镜

目录

一    课程设计目的
二    课程设计任务
三、课程设计原理
四、课程设计步骤
五、倒像系统的设计
六、常见的像差及其消除方法
七、物镜组选形
八、目镜组选形
九    伽利略望远镜的设计

一 课程设计目的:
(1)、熟悉光学系统的设计原理及方法;
(2)、综合应用所学的光学知识,对基本外形尺寸计算,主要考虑像质或相差;
(3)、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构几原理,根据所学的光学知识(高斯公式、牛顿公式等)对望远镜的外型尺寸进行基本计算;
(4)、通过本次光学课程设计,认识和学习各种光学仪器(显微镜、潜望镜等)的基本测试步骤;
二 课程设计任务:
综合应用所学的光学知识,通过对望远镜的外型尺寸等各参数的基本计算及像差的设计,设计开普勒式望远镜。并简要介绍伽利略望远镜。
设计中应注意(1)系统孔径视场、分辨率、出射方程、光瞳位置和直径的要求。
(2)光学系统外形尺寸和结构布局的要求
(3)成像质量的要求
三、课程设计原理:
望远系统:望远镜是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观察远处物体通常呈筒状的光学仪器。望远镜由物镜和目镜组成,望远镜的光学系统简称望远系统。常见的望远镜可分为伽利略望远镜、开普勒望远镜、和牛顿式望远镜。本次课程设计为设计开普勒望远镜。
开普勒望远镜原理: 开普勒望远镜是一种天文望远镜,用来观察天体。这种望远镜的构造跟显微镜差不多,也是由两组凸透镜—物镜和目镜组成的,不同的只是物镜的焦距长而目镜的焦距短。远方天体上每一光点射到物镜上的光束几乎都是平行光线,经物镜会聚后,在物镜的后焦平面上或稍远处成一缩小倒立的实像,通过目镜观察就象用放大镜观察一样,看到一个放大了视角的虚像,这个虚像对天体的实像来说是正立的,对天体来说是倒立的。由于主要是观测天体表面的细节,像的倒正无关紧要。开普勒望远镜的镜筒长 L=f1+f2,其中f1,f2分别为物镜和目镜的焦距。简单的计算可以证明,开普勒望远镜的放大率m=f1/f2。远景物的光源视作平行光,根据光学原理,平行光经过凸透镜便会聚焦在一点上,再利用一块比物镜焦距短的凸透镜或目镜就可以把成像放大,这时观察者觉得远处景物被拉近,看得特别清楚。开普勒望远镜由两个凸透镜构成,前后两个镜片都具有放大作用,提高了望远镜的放大倍率。但这种结构成像是倒立的,所以要在中间增加转相系统。
普勒望远镜优点:由于两者之间有一个实像,可方便的安装分划板,并且具有各种优良的性能。
(1) 望远镜系统的放大率分别为
轴向放大率α = (f 2/f 1) 2
垂轴放大率β = -f 2/f 1
角放大率γ = -f 1/f 2
且三种放大率之间的关系为αγ =β,可见它们仅仅取决于望远镜系统的结构参数。
(2) 望远镜系统的视放大率
对于目视光学仪器来说,更有意义的特性量是它的视放大率。由于物体位于无限远。物体对人眼所张的角θ眼和对仪器的张角θ是相等的,即θ眼= θ。物体通过望远镜后对人眼的张角θ′眼等于仪器像方视场角θ′,
即θ′眼= θ′。望远镜的作用是把视角由原来θ放大到θ′。设视场光阑孔径为D0 。则:
tgθ = -D0/ 2f 1= -D0/2 f 1    tgθ′= -D0/2 f 2
所以望远镜的视放大率为:Γ =tgθ′/tgθ = -f 1/f 2= -D1/D′1
由此可见欲增大视放大率Γ,必增大物镜的焦距或者减小目镜的焦距。
(3) 望远镜极限分辨角
表示观测仪器精度的指标是极限分辨角Ψ ,若以60″作为人眼的分辨极限αe = 60″= 1′(人能分辨的最小高度y 和物距L 之比为y/L大于等于 0. 000 3。为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨,则望远镜的视放大率Γ和它的极限分辨角Ψ应满足ΨΓ = 60″。所以若要求分辨角减小,视放大率应该增大,则它的精度增高。对于入瞳孔径为D1 ,波长为0. 000 55 mm 的光线,人眼极限分辨角为αe =1. 22λ/D1≈ (140/D1)″,即Ψ= αe = (140/D1)″,则望远镜应具备的最小视放大率为(正常放大率) :
Γ =60″ /(140/ D1)″≈D12. 3 ≈ 0. 5 D1
一般设计望远镜时宜用大于正常放大率(工作放大率) , 工作放大率通常为正常放大率的1. 5 ~ 2倍。
(4) 望远镜的结构尺寸和望远镜的调焦
当光学间隔Δ = 0 时,目镜观察中间实像应使实像位于目镜的焦平面上,因此从物镜到目镜为望远镜的筒长L = f 1 + f 2 。
  若物体的位置比较远, 但不是无穷远时, 它的像的位置在物镜焦平面以外,虽然距焦平面很近,但像距并不严格等于焦距,即物距不同时像距也有所变化,因此在使用望远镜观察不同位置上的物体时, 需要随时对镜筒长度加以调节,以保持中间实像始终落在目镜的焦平面上,这一过程称为望远镜的调焦。如图2 所示,只有正确调焦才能通过目镜看到物体清晰的像。为了测量方便还在望远镜内附有叉丝。通过对目镜内筒的调节,可改变叉丝到目镜的距离,达到看清叉丝像的目的。所以整个望远镜筒长由外筒和内筒组成,以便于调焦。


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