双筒棱镜望远镜的物镜和目镜的选型和设计毕业设计

毕业论文(设计)

课题名称：

双筒棱镜望远镜的物镜和目镜的

选型和设计

题目类型： 毕业设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名： 日 期：

目 录

毕业设计（论文）任务书 ············································································ I 毕业设计（论文）开题报告 ······································································· Ⅳ 毕业设计（论文）指导教师审查意见 ··························································· Ⅺ 毕业设计（论文）评阅教师评语 ································································· Ⅻ 毕业设计（论文）答辩会议记录 ······························································ ⅩⅢ 中文摘要 ···························································································· ⅩⅣ Abstract ····························································································· ⅩⅤ 1 引言 ···································································································· 1 2 目视光学系统成像原理 ············································································ 1 2.1 目视光学系统的特点 ······································································ 1 2.2 望远镜系统成像原理 ······································································ 1 2.3 显微镜系统成像原理 ······································································ 2 3 光学自动设计方法 ·················································································· 3

3.1光学设计基本步骤 ·········································································· 3 3.2光学自动设计概述 ·········································································· 4

4 望远镜系统的选型与设计 ········································································ 5

4.1 设计技术要求 ··············································································· 5 4.2 系统外型结构参数的理论计算 ·························································· 6 4.3 望远镜结构元件的选型 ··································································· 9

4.3.1 望远镜物镜的选型 ································································· 9 4.3.2 望远镜目镜的选型 ································································· 9 4.3.3 转向棱镜的选型 ··································································· 10 4.4 应用TCOS光学设计软件对结构元件进行设计 ··································· 12 4.4.1 物镜设计过程 ······································································· 12 4.4.2 目镜设计过程 ······································································· 15 4.5 设计图纸 ···················································································· 18

4.5.1 系统结构图纸 ······································································ 18 4.5.2 系统元件设计图纸 ································································ 18

5 显微镜系统的选型和设计 ······································································· 18

5.1 设计技术要求 ·············································································· 18

5.2 系统外型结构参数的理论计算 ························································· 19 5.3 显微镜结构元件的选型 ·································································· 20 5.3.1 显微镜物镜的选型 ······························································· 20

5.3.2 显微镜目镜的选型 ······························································· 20 5.4 应用TCOS光学设计软件对结构元件进行设计 ··································· 21 5.4.1 物镜设计过程 ······································································ 21 5.4.2 目镜设计过程 ······································································ 24 5.5 设计图纸 ···················································································· 28 5.5.1 系统结构图纸 ······································································ 28 5.5.2 系统元件设计图纸 ······························································· 28 6 设计体会 ···························································································· 28 参考文献 ······························································································· 30 致谢 ····································································································· 31 附录 ····································································································· 32

长江大学毕业设计（论文）任务书

学院（系） 物理科学与技术学院 专业 应用物理学 班级 应物2042 学生姓名 李璞 指导教师/职称 程庆华/教授 ⒈毕业设计(论文)题目

双筒棱镜望远镜的物镜和目镜的选型和设计 ⒉毕业设计(论文)起止时间：2008年1月～2008年6月 ⒊毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指定教师选定部分） 参考文献：

[1] 康玉思, 刘伟奇, 冯睿. Cook 结构补偿镜的球面折反型望远系统[J]. 光学 精密工程,

2007,3(15)：303~307

[2] 杨荣仙. 变倍目镜的设计[J] . 光学技术 , 1992,6:19～30

[3] 常军, 翁志成, 姜会林等. 长焦距空间三反光学系统设计[J]. 光学精密工程, 2001,9(4)：315~318 [4] 潘君骅. 成像光学工程面临的光学问题[J]. 中国工程科学. 2000,2(3): 32～35

[5] 姜守信,郭霞, 闫惠民.非共轴反光镜程序的设计[J]. 黑龙江电子技术, 1996,2:7～8

[6] 赵延仲,宋丰华,孙华燕.高斯光束的激光变焦扩束光学系统设计[J]. 装备指挥技术学院学报,

2007,18(5):85～89

[7] 涂德华. 共轴光学系统镜框结构设计[J]. 光学仪器, 2007,29(1):52～56 [8] 袁旭沧. 光学设计[M]. 北京: 科学出版社,1980

[9] 张楠, 卢振武, 李凤有. 衍射望远镜光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2007.2 36（1）：106-108 [10] 尚华, 刘钧, 高明等. 头盔式单目微光夜视仪中的光学系统设计[J]. 应用光学, 2007.5 28（3）：

292-296

[11] 安连生. 应用光学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998

[12] 姚多舜, 梁宏君. 一个可完全自动绘图的光学设计软件——OCAD光学设计软件包[J]. 应用光学,

2004.3 25（2）：28-35

[13] 石顺祥, 张海兴, 刘劲松. 物理光学与应用光学[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,1999 [14] 杨近松. 光学镜头机械结构参数化设计系统的开发[J] . 光学精密工程, 1999，127（6）：6-9 [15] 高晓斌, 余晓芬. 一种并行共焦显微镜的设计与研制[J]. 光学仪器, 2005.12 27（6）：72-76 [16] 赵丽萍, 赵子英, 邬敏贤等. 折射混合望远镜的设计制作及实验[J]. 光学技术, 1999.5 3：28-31 [17] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1999

I

[18] 魏英智, 张琳. 光圈性能测试系统的总体设计[N]. 科技导报, 2007.5 25[5]：53-55 [19] 姚启钧. 光学教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002

[20] 刘钧, 高明. 光学设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2006 ⒋毕业设计(论文)应完成的主要内容

望远镜是重要的光学仪器之一，随着科学技术的飞速发展，望远镜逐步由简单的单筒望远镜发展到双筒望远镜、天文望远镜、射电望远镜。本课题旨在通过对双筒望远镜的物镜和目镜的选型和外形尺寸的设计，了解望远镜的设计过程，简单分析其效能，为今后的工作打下基础。毕业设计应完成的的主要内容为：

（1） 熟练掌握TCOS光学设计软件的应用，熟练掌握各类望远镜的设计原理； （2） 完成双筒望远镜的物镜和目镜的选型和外形尺寸的设计，并制作设计图纸。 ⒌毕业设计(论文)的目标及具体要求

培养学生综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题的能力；进一步训练和提高学生的分析论证能力、理论计算能力、计算机软件应用能力、查阅文献资料和文字表达的能力。具体要求如下： （1） 在阅读英文参考文献的基础上，完成3000字左右的英文翻译，要求对翻译内容的理解科学准

确，语言流畅；

（2） 查阅与本课题有关的参考文献20条左右，初步掌握与本课题相关的基础知识，规划本课题要

完成的工作，做好论文工作笔记。上述基础上，按要求完成开题报告，作好开题答辩；

（3） 认真阅读TCOS光学设计软件的说明书，熟悉软件的功能和使用方法；熟练掌握各类望远镜

的设计原理；完成双筒望远镜的物镜和目镜的选型和外形尺寸的设计，并制作设计图纸；

（4） 完成论文的写作，准备10分钟左右的论文答辩的汇报材料，并制作成PPT文件，完成论文

的答辩。

⒍完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求 （1） 对工作条件的要求：

能方便的上网查阅国内外文献资料，能方便的查阅图书馆和资料室的书籍和文献资料； 有联网的计算机运行TCOS光学设计软件，能方便的进行设计、作图分析、文字处理、打印等，上机时数150左右。 （2） 对学生的要求：

能严格遵守纪律，保证完成毕业论文的时间；有较好的运用计算机软件的能力；有较强的创新精神，能提出解决问题的方法；有认真严谨的工作作风，能克服困难完成课题。

能熟练上网查阅国内外文献资料，能熟练使用图书馆和资料室的书籍和文献资料。 能熟练使用计算机进行数字计算、作图分析、文字处理、打印等。

任务书批准日期 2006 年 12 月 28 日 教研室(系)主任(签字)

II

任务书下达日期 2008 年 1 月 4 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2008 年 6 月 15 日 学生(签名)

题 目 名 称：题 目 类 别：院 （系） ：

长江大学

毕业设计开题报告

双筒棱镜望远镜物镜和目镜

的选型与设计

设计论文 物理科学与技术学院

III

专 业 班 级： 应物2042班 学 生 姓 名： 李璞 指 导 教 师： 程庆华 辅 导 教 师： 程庆华 开题报告日期： 2008年4月18日

双筒棱镜望远镜物镜和目镜的选型与设计

学 生： 李 璞 ，物理科学与技术学院

指导老师： 程庆华，物理科学与技术学院

一、题目来源

本题目为教学研究课题

二、研究目的和意义

望远镜是重要的光学仪器之一，随着科学技术的飞速发展，望远镜逐步由简单的单筒望远镜发展到双筒望远镜、天文望远镜、射电望远镜。本课题旨在通过对双筒望远镜的物镜和目镜的选型和外形尺寸的设计，了解望远镜的设计过程，简单分析其效能，为今后的工作打下基础。

三、阅读的主要参考文献及资料名称

[1] 康玉思, 刘伟奇, 冯睿. Cook 结构补偿镜的球面折反型望远系统[J]. 光学 精密工程,

2007,3(15)：303~307

[2] 杨荣仙. 变倍目镜的设计[J] . 光学技术 , 1992,6:19～30

[3] 常军, 翁志成, 姜会林等. 长焦距空间三反光学系统设计[J]. 光学精密工程, 2001,9(4)：315~318 [4] 潘君骅. 成像光学工程面临的光学问题[J]. 中国工程科学. 2000,2(3):32～35 [5] 姜守信,郭霞, 闫惠民.非共轴反光镜程序的设计[J]. 黑龙江电子技术, 1996,2:7～8

[6] 赵延仲,宋丰华,孙华燕.高斯光束的激光变焦扩束光学系统设计[J]. 装备指挥技术学院学报,

2007,18(5):85～89

[7] 涂德华. 共轴光学系统镜框结构设计[J]. 光学仪器, 2007,29(1):52～56 [8] 袁旭沧. 光学设计[M]. 北京: 科学出版社,1980

[9] 张楠, 卢振武, 李凤有. 衍射望远镜光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2007.2 36（1）：106-108

IV

[10] 尚华, 刘钧, 高明等. 头盔式单目微光夜视仪中的光学系统设计[J]. 应用光学, 2007.5 28（3）：

292-296

[11] 安连生. 应用光学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998

[12] 姚多舜, 梁宏君. 一个可完全自动绘图的光学设计软件——OCAD光学设计软件包[J]. 应用光学,

2004.3 25（2）：28-35

[13] 石顺祥, 张海兴, 刘劲松. 物理光学与应用光学[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,1999 [14] 杨近松. 光学镜头机械结构参数化设计系统的开发[J] . 光学精密工程, 1999，127（6）：6-9 [15] 高晓斌, 余晓芬. 一种并行共焦显微镜的设计与研制[J]. 光学仪器, 2005.12 27（6）：72-76 [16] 赵丽萍, 赵子英, 邬敏贤等. 折射混合望远镜的设计制作及实验[J]. 光学技术, 1999.5 3：28-31 [17] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1999

[18] 魏英智, 张琳. 光圈性能测试系统的总体设计[N]. 科技导报, 2007.5 25[5]：53-55 [19] 姚启钧. 光学教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002

[20] 刘钧, 高明. 光学设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2006

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

(一)光学望远镜的发展

光学望远镜从诞生至今将近400年，出现了折射望远镜、反射望远镜、折反射式望远镜和空间望远镜，不断推动着天文学和物理学的发展。

长久以来，人们仰望天空，看见日月星辰东升西落，有过天圆地方、地心说、日心说等宇宙模型。从前，人们只能用肉眼对星空进行观察，观测范围非常局限，所得的数据资料也就非常有限。 1、折射望远镜

1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛制造了人类历史上第一架望远镜。1609年，伽利略（Galleo，G．1564~1642）根据“折光理论的深邃研究”，用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜制作了一架望远镜。这种光学系统称为伽利略式望远镜。伽利略把望远镜对准天空，得出了一系列重要的发现（如1610年初发现的木星的四颗主要卫星），开创了天文学史上的第一个黄金时代。1611年，德国天文学家开普勒（Kepter,J．1571~1630）用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜制出了另一种望远镜，天文望远镜采用的就是开普勒式望远镜。现在的折射望远镜还是这两种形式。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。接下来的一段时间里，折射镜得到不断的改良，制出了许多大口径消色差望远镜。然而，折射镜总是有残余的色差，对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害，大块完整的玻璃难以铸造，重力容易使大尺寸透镜产生形变，折射镜有着许多的不足。

2、反射望远镜

V

1668年，牛顿（Newton，I．1642~1727）用 2.5 厘米直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45°角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜，制成了反射望远镜。往后的几百年间，人们提出了反射镜的多种设计方案。1918年末，口径为254厘米的胡克望远镜（Hooker telescope）投入使用，它第一次揭示了银河系的真实大小和我们在其中所处的位置，更为重要的是，哈勃(Hubble，E．P．1889~1953)的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果。相对于折射镜，反射镜没有色差，容易制作；但它也存在固有的不足：如口径越大，视场越小，物镜需要定期镀膜等。

3、折反射式望远镜

随后又出现了能兼顾折射和反射两种望远镜优点的折反射式望远镜，非常适合业余的天文观测和天文摄影，并且得到了广大天文爱好者的喜爱。它的特点是相对口径很大(甚至可大于1)，光力强，视场广阔，像质优良。适于巡天摄影和观测星云、彗星、流星等天体。

4、空间望远镜

自七十年代以来，在望远镜的制造方面有了许多新技术，涉及光学、力学、计算机、自动控制和精密机械等领域，使望远镜的制造突破了镜面口径的局限。 然而，由于地球大气对电磁波的吸收作用，地面观测具有严重的局限性。物理学在不断地发展，直到人造卫星上天，航天技术逐渐成熟，空间天文学才兴起。1990年4月24日，由美国国家航空与航天局（NASA）和欧洲空间局（ESRO）联合研制的哈勃空间望远镜（HST）的发射成功，是天文学走向空间时代的一个里程碑。空间观测与地面观测相比，有极大的优势：没有了大气层的干扰，恒星不再闪烁。分辨率比起地面的大型望远镜提高了几十倍。灵敏度的提高，使可观测的天体迅速增加。空间没有重力，仪器就不会因自重而变形。频率覆盖范围也大大地变宽，全波段天文观测成为可能，对于光学望远镜，可以接收到宽得多的波段。就哈勃空间望远镜而言，主望远镜是口径为2.4米的反射望远镜，还携带了广角行星照相机，暗弱天体照相机，暗弱天体光谱仪，高分辨率光谱仪，高速光度计，成象光谱仪，近红外照相机，多目标摄谱仪，高级普查摄像仪，高新巡天照相机等精密仪器，观测范围早已突破了可见光波段，向红外和紫外两端延伸。其功能之强大，在天文学的许多领域中作出了巨大的贡献，如：银河系中心、双星系统、近邻星系、宇宙早期星系、黑洞、可能行星系统的存在研究，哈勃常量H0的测定等等。

在望远镜的庞大家族里，除了以上介绍的光学望远镜以外，还有射电望远镜（radio telescope）、红外望远镜（infrared telescope）、紫外望远镜（ultraviolet telescope）、X射线望远镜（X-ray telescope）和γ射线望远镜（gamma ray telescope）。凭借着物理学的不断发展，多种望远镜被制造出来，越来越精密，推动着天文学和物理学不断向前发展，人类的视野也变得更深更广。 （二）望远镜的发展趋势

1、 大型化。建造现代大型望远镜的目的是提高集光能力和分辨能力, 以观测更暗天体和分辨细节。

提高集光能力就要增大物镜的口径。无论是光学望远镜还是射电望远镜, 都在朝着大型化的趋势发展。许多在研或者预研究的大型望远镜正在各个国家开展。

VI

2、 太空化。地球上, 光学望远镜会受到大气污染的影响, 射电望远镜会受到寻呼机、手机等电磁波

发射台站的干扰。因此科学家把越来越多的天文望远镜送上了太空。九十年代哈勃望远镜的发射标志着望远镜太空化时代的到来。现在科学家们的想法是在月球上建造天文望远镜。

3、 与其它学科的关联越来越大。现代天文望远镜的发展使工艺和技术发展到了极点。当代的许多技

术如电子技术、计算机技术、激光技术、核辐射技术等都被应用到天文望远镜中来。传统的望远镜实现了更新换代, 以多镜面的拼合并结合主动光学和自适应光学技术, 制造出突破单面镜极限的大口径望远镜射电干涉仪和综合孔径射电望远镜的问世, 大大提高了分辨率, 实现了射电成像。

4、 国际间的合作加强。尤其是以美国国家宇航局和欧洲宇航局及南方天文台为首的国际间合作越来

越多。许多重大项目都需要国际间的携手合作。探测精度越来越高。由于光电器件的飞速发展, 系统探测的灵敏度、信噪比等综合性能得到了极大的提高。

五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

主要研究内容有两个：

1、熟练掌握TCOS光学设计软件的应用，熟练掌握各类望远镜的设计原理； 2、完成双筒望远镜的物镜和目镜的选型和外形尺寸的设计，并制作设计图纸。 关键问题是：

1、计算出合理的光学系统初始结构参数 2、对初始结构参数进行修正 3、计算出物镜和目镜的外形尺寸 4、制作设计图纸 解决思路：

1、初始参数的计算：首先通过参考有关资料，手工计算出光学系统的初始参 数； 2、修正初始结构参数的选取：用TCOS软件对这些参数进行修正，使其达到误差范围之内； 3、外形尺寸的计算：应用TCOS软件中的系统二维图功能得出其外形尺寸； 4、设计图纸的绘制：使用绘图软件AUTO CAD进行绘制。

六、完成毕业论文所必须具备的工作条件及解决的办法

工作条件要求：

1、 能方便的上网查阅国内外文献资料，能方便的查阅图书馆和资料室的书籍和文献资料； 2、 有联网的计算机运行TCOS光学设计软件，能方便的进行设计、作图分析、文字处理、打印

等，上机时数150左右。

VII

解决方法：

1、文献调研：查阅近二十年来国内外有关的文献，其中大部分文献学校图书馆和中国期刊网能

满足需要，部分文献由指导老师提供。

2、学院和指导老师为我们提供TCOS软件和联网的计算机。

七、工作的主要阶段、进度与时间安排

1月20日～3月1 日 选择英文翻译内容，查阅参考文献 3月 2 日～4月10日 完成英文翻译和资料查阅 4月11日～4月16日 完成开题报告

4月17日～5月25日 5月26日～6月 1 日 6月 2 日～6月 8 日 6月 9 日～6月15日 八、指导教师审查意见

完成毕业论文主要工作内容 撰写毕业论文

修改毕业论文，制作答辩PPT 准备毕业答辩

VIII

长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见

学生姓名 毕业论文 (设计)题目 指导教师 程庆华 李璞 专业班级 应用物理2042 双筒棱镜望远镜物镜和目镜的选型与设计 职 称 教授 评审日期 评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评审意见：

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指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_______分 X

长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语

学生姓名 毕业论文 (设计)题目 评阅教师 李璞 专业班级 应用物理2042 双筒棱镜望远镜物镜和目镜的选型与设计 职 称 评阅日期 评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评语： 评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_______分 长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定

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学生姓名 毕业论文 (设计)题目 专业班级 答辩地点 答辩时间 年 月 日 ～ 时 一、答辩小组组成 答辩小组组长： 成 员： 二、答辩记录摘要 答辩小组提问（分条摘要列举） 学生回答情况评判 三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_______分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定) 答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日 院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章) 等级(五级制)：_______ 双筒棱镜望远镜物镜和目镜的选型与设计

学 生： 李 璞 ，物理科学与技术学院

指导老师： 程庆华，物理科学与技术学院

[摘要] 光学设计在大半个世纪的发展进程中，经历了人工设计和光学自动设计两个阶段，实现了由

XII

手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序的巨大飞跃。国内外己出现了不少功能相当强大的光学设计CAD软件，当今，计算机辅助设计己经在工程光学领域中普遍应用，从而使设计者能快速、高效地设计出优质、经济的光学系统。

本课题旨在，结合理论知识，通过应用TCOS光学设计软件对双筒棱镜望远镜和显微镜的物镜与目镜进行选型和外形尺寸设计，熟悉光学系统的设计过程，分析其效能，提高实际工作能力。

本课题的完成分如下几个部分：

第一：根据光学系统设计的具体要求，应用高斯光学对系统的外型结构参数进行理论计算； 第二：根据设计要求和理论计算的结果，对光学系统的物镜和目镜进行选型；

第三：应用TCOS光学设计软件对各结构元件进行反复的优化设计，使之达到要求的技术指标； 第四：根据设计数据绘制出系统结构图纸和系统各结构元件的设计图纸； 第五：总结了设计过程的心得体会。

[关键词] 开普勒望远镜 显微镜 光学设计 TCOS光学设计软件应用

The selection and design of objective lens and eyepiece lens of a

telescope with double prism

Candidate: Li Pu School of Physics Science and Technology Supervior: Qinghua Cheng School of Physics Science and Technology

[Abstract]The development of the optical design has undergone two stages: artificial design and optical automatic design in half a century and realized the great leap from calculating aberration and amending the structure parameters manually to designing with computers and automatical optical design process. At home and abroad there has been a lot of optical design CAD softwares with very powerful functions and computer-aided design has been used universally in the field of optical design at present so that designers

XIII

can design quality and economic optical system quickly and efficiently .

The subject is to select and design objective lens and eyepiece lens of the prismatic

binocular telescope and the binocular microscope by combinating the theoretial knowledge and the application of optical design software TCOS, be familiar with design processes of the optical system and analyse their effectiveness so as to enhance the practical ability to work.

The completion of this subject concludes five parts as follows:

First，calculate the structural parameters of the system via Gaussian optics based on the specific

requirements of the design;

Second，select the objective lens and eyepiece of the optical system considering both design

requirements and theoretical calculations;

Third, design repeatedly for the components to make them meet the requirement using the TCOS

optical design software;

Fourth, plot the structure char of the optical system and that of its components according to design

data,;

Finally, summarize the design processes.

[Key Words] Kepler telescope, microscopes, optical design, the applications of optical design software TCOS

XIV

前言

1前言

光学设计在大半个世纪的发展进程中，经历了人工设计和光学自动设计两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序的巨大飞跃。

当今，国内外已出现了不少功能相当强大的光学设计CAD软件，计算机辅助设计己经在工程光学领域普遍应用，从而使设计者能快速、高效地设计出优质、经济的光学系统。

由于光学系统种类繁多，型式不一，特别是其结构参数与像差之间存在的复杂非线性关系，即使性能要求为简单的系统，也不能从像差要求直接求解获得可用的结果，光学设计过程仍然遵循着一定的规律——设计成功的光学系统，其结构形式应当是既能满足使用要求，又能够尽量做到体积小、结构简单。

2目视光学系统成像原理

2.1目视光学系统的共同特点

目视光学系统的共同特点在文献[11]中有详细论述，这里只作简要概括如下：

1．目视光学系统的实质：人眼的视角分辨率是有限的，约为60''。而光学仪器的作用实际上便是放大视角，使人们能直接观察肉眼看不清的目标。

2．目视光学系统视放大率： ??'y仪y'眼???'ta?n仪??ta?n眼'?ta?n仪ta?n眼

3．目视光学仪器必须满足两个共同特点： [1] 目视光学仪器具有扩大视角的作用；

[2] 目标通过仪器后应成像在无限远，或者说要出射平行光束。

2.2 望远镜系统成像原理

望远镜系统成像原理在文献[10-12]、[16-20]中有详细的论述,这里简要概括如下： 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F1'与第二个光组的物方焦点F2重合。该组合光组的成象光路特点和成象特点如图1所示：

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双筒棱镜望远镜物镜和目镜的选型与设计

图1 望远镜简化结构

2．望远镜的重要参数：

f2'y'望远镜系统的垂轴放大率 ????'

yf1望远镜系统的角放大率 ??1???f1 f2f1' ta?n' 望远镜的视放大率 ?? ??ta?nf2以上三者之间的关系 ????1??D 'D其他主要光学参数还有：焦距、口径、相对口径、视场角等。

2.3显微镜系统成像原理

显微镜系统的成像原理在文献[11][13][17]中有详细论述，这里只简要概括如下： 1． 显微镜系统的实质：

显微镜实质上是一个组合放大镜。它是把微细的物体先用一组透镜放大成像到放大镜的焦面上，再通过放大镜观察，这样通过两级放大，就可以观察比放大镜能观察到的更微细的物体了。

2．显微镜系统的结构：

它由焦距很短的物镜和目镜组成,两者间有较大的光学间隔,物体（物高y）位于

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