折射式望远物镜课件

第第六六章章 望远物镜设计望远物镜设计1第六章 望远物镜设计1望远镜的发明15世纪的荷兰眼镜铺汉斯利普希1608年2望远镜的发明15世纪的荷兰眼镜铺汉斯利普希21609年意大利人伽利略(1564-1642)望远镜的发明31609年意大利人伽利略(1564-望远镜的发明3伽利略看见1609.11.3016104伽利略看见1609.11.3016104望远镜的功能v人眼的局限性：有限大小有限聚光能力极限分辨角不能长时间聚光有限的频率响应范围不能储存图像v望远镜的功能：绝大部分天体都很弱，望远镜能有效收集辐射，看到更暗的天体。望远镜主镜口径越大，则集光能力越强大口径望远镜提供更佳的角分辨率，使图像更细致和清晰5望远镜的功能人眼的局限性：566光学望远镜分类1、折射望远镜2、反射望远镜3、折反望远镜7光学望远镜分类1、折射望远镜7折射望远镜开普勒望远镜开普勒望远镜物镜物镜 Lo目镜目镜 Leu-uFoFe目镜为凸透镜（成倒像）8折射望远镜开普勒望远镜物镜 Lo目镜 Leu-uFoFe折射望远镜伽利略望远镜伽利略望远镜目镜为凹透镜（成正像）物镜物镜Lo目镜目镜LeuuFoFeGalilei望远镜的光路 9折射望远镜伽利略望远镜目镜为凹透镜（成正像）物镜Lo目镜Le折射式望远镜的优缺点折射式望远镜的优缺点v优点：容易制造v缺点：色差大，容易形成彩虹图像双目多采用折射式结构天文望远镜由于口径大，放大倍数大，很少采用折射式望远镜（除了极小型业余用外）10折射式望远镜的优缺点优点：容易制造10 1897年制造的1.02米（美国叶凯士天文台）的折射镜仍是世界之最。11 1897年制造的1.02米（美国叶凯士天文台）的折射反射镜没有色差！1642-1727牛顿式望远镜光路示意图色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射镜对不同波长来说反射角是一致的！12反射镜没有色差！1642-1727牛顿式望远镜光路示意图色差反射式望远镜的例子13反射式望远镜的例子13反射望远镜1668年第一架，1672年用什么材料做反射镜面呢？14反射望远镜1668年第一架，1672年用什么材料做141.22米口径12.2米长金属镜面反射望远镜151.22米口径12.2米长金属镜面反射望远镜15罗斯伯爵(1800-1867)的“列维亚森”(1845)镜面镜面184184厘米厘米3.63.6吨吨镜身镜身1717米长米长护墙护墙2222米米x17x17米米16罗斯伯爵(1800-1867)的“列维亚森”(1845)镜旋涡星云M51 蟹状星云M118481845今天17旋涡星云M51 蟹状星云M118481845今天17战胜色差，牛顿错了1757年,多朗德(1706-1761)取得专利霍尔(1703-1771)冕牌玻璃凸透镜,火石玻璃凹透镜,1733年,“复合透镜”消除了色差18战胜色差，牛顿错了1757年,多朗德(1706-1761)取装上了转仪钟夫琅禾费(1787-1826)的折射望远镜口径24厘米19装上了转仪钟夫琅禾费19反射式望远镜的反射式望远镜的4 4种主要设计种主要设计?主焦式，牛顿式，卡赛格林式卡赛格林式，库德式20反射式望远镜的4种主要设计?主焦式，牛顿式，卡赛格林式，库德牛顿式反射望远镜的结构牛顿式反射望远镜卡塞格林式反射望远镜 卡塞格林式反射望远镜的结构21牛顿式反射望远镜的结构牛顿式反射望远镜卡塞格林式反射望远镜 反射式望远镜的缺点反射式望远镜的缺点v光路不易调准v不封闭 清洗v镀（铝）膜 增加反射率v副镜及其支撑的衍射效应：亮的天体产生“圣诞树”效应v最大缺点：球面像差22反射式望远镜的缺点22反射式望远镜的优点反射式望远镜的优点v无色差：因为不同波长的光的反射角相同v可造特大型：因为主镜的支撑系统在底（后）部v便宜：和同等口径的折射式望远镜相比v因为反射而非折射，所以只要求主镜的一面完美23反射式望远镜的优点23反射镜的球差反射镜的球差 Spherical Abberation v如果镜面是正球面，则导致球面像差v要用抛物面或双曲面以便得到单一的焦点vOriginal HST suffered a little from this!Provide another mirror to HST24反射镜的球差 Spherical Abberation 如果HSTHST图像对比：图像对比：M100 M10025HST图像对比：M10025哈勃空间望远镜哈勃空间望远镜 Hubble Space Telescope Hubble Space Telescope(HST)(HST)v主镜 2.4 米v观测光学、紫外和红外26哈勃空间望远镜 Hubble Space Telescope(Cassegrain focus)Hale（黑尔、海尔）Telescope(5 m)(1947)Palomar Observatory 帕洛玛天文台27(Cassegrain focus)Hale（黑尔、海尔）云南丽江云南丽江2.42.4米望远镜（买的）米望远镜（买的）28云南丽江2.4米望远镜（买的）28国家天文台河北兴隆国家天文台河北兴隆 LAMOST:4 LAMOST:4米米29国家天文台河北兴隆 LAMOST:4米29Mauna Kea Observatory,HawaiiESO,La Silla Observatory,Chile世界著名光学天文台址Canary,Spain30Mauna Kea Observatory,HawaiiE为什么又有了折反望远镜？v反射和折射望远镜各有优劣v反射可以无色差，但校正其他像差困难v折射可以矫正其他像差，但校正色差困难v于是折反射就是综合利用了两者的优势v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。31为什么又有了折反望远镜？反射和折射望远镜各有优劣31折反射望远镜 （物镜为透镜和反射镜）.施密特望远镜：（透镜为非球面改正镜，反射镜 为球面镜）施密特-卡式折反射望远镜 施密特-卡式折反射望远镜的结构 32折反射望远镜（物镜为透镜和反射镜）32 马克苏托夫望远镜的外观.马克苏托夫望远镜：（透镜为弯月透镜，反射镜为球面镜）33.马克苏托夫望远镜：（透镜为弯月透镜，反射镜为球面镜）33施密特望远镜：它在球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。它是一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。马克苏托夫望远镜：在球面反射镜前面加一个弯月型透镜，选择合适的弯月透镜的参数和位置，可以同时校正球差和彗差。34施密特望远镜：马克苏托夫望远镜：34望远镜特性参数望远镜特性参数 评价一架望远镜的好坏首先要看望远镜的光学性能，然后看它的机械性能的指向精度和跟踪精度是否优良。望远镜的光学性能指标，主要有六个参量:有效口径 相对口径(光力)放大率 贯穿本领(极限星等)分辨本领 视场 35望远镜特性参数 评价一架望远镜的好坏首先要看望远镜的光学性口径口径D D（I D 2 I D 2）口径愈大能收集的光量愈多，即聚光本领就愈强，口径愈大愈能观测到更暗弱的天体。因而，大口径显示着探测暗弱天体的威力大，这是因为望远镜接收到天体的光流量与物镜的有效面积（r2）成正比。光学望远镜：光学望远镜：D(D(直径直径)=6)=6米米放大的瞳孔：放大的瞳孔：D=6mmD=6mm36口径D（I D 2）口径愈大能收集的光量愈多，此两幅照片曝光时间相同，但下面的此两幅照片曝光时间相同，但下面的照片所用望远镜的口径大两倍。照片所用望远镜的口径大两倍。37 此两幅照片曝光时间相同，但下面的照片所用望相对口径相对口径38相对口径38角分辨率角分辨率按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为 式中，波长，D入射光瞳直径。对望远物镜，其入瞳可认为与物镜重合。D/f是物镜的相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。39角分辨率按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平面与爱里斑半径之间有如下关系：将r暗1公式代入上式中得现以人眼最灵敏的波长=550nm代入，得到可见，以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率时，它仅决定于物镜的孔径（入瞳直径）。望远镜的口径越大望远镜的口径越大,分辨本领越高分辨本领越高,越能分辨天体的更细结构，越能分辨天体的更细结构，则能观测更暗、更多的天体。则能观测更暗、更多的天体。40与爱里斑半径之间有如下关系：将r暗1公式代入上式中得现以人 望远镜的口径越大望远镜的口径越大,分辨本领越高分辨本领越高,越能分辨天体的更细结构，越能分辨天体的更细结构，则能观测更暗、更多的天体。则能观测更暗、更多的天体。41 望远镜的口径越大,分辨本领越高,越能分辨天体的更细结视觉放大率视觉放大率 目视望远镜的放大率等于物镜的焦距F1与目镜的焦距F2之比，一架望远镜配备多个目镜，就可以获得不同的放大率。显然目镜的焦距越短可以获得越大的放大率。但这样并不好，小望远镜用过大的放大率，会使观测天体变得很暗，像变得模糊。常用的目镜的焦距为10mm左右，用它配在焦距800 mm 的望远镜物镜后面，就可获得80倍的放大率。大型望远镜倍率通常100至200倍，极少超过500倍42视觉放大率 目视望远镜的放大率等于物镜的焦距F1与视场视场 望远镜的成像良好区域所对应的天空角直径的范围叫望远镜的视场，用角度（）表示，与放大率G成反比。为目镜对应的角直径，称为目镜视场，为放大率。43视场 望远镜的成像良好区域所对极限星等（贯穿本领）极限星等（贯穿本领）v 理想条件下，望远镜指向天顶能看到的最暗弱星的星等值。它反映了望远镜观测恒星方面的能力。当然，望远镜的口径越大，能观测越暗的天体。v此外也与望远镜后接的探测器有关。对于照相观测或用电荷藕合器件CCD观测，由于有累积效应，在一定的时间范围内露光时间越长就能观测到越暗的星，望远镜的贯穿本领也越高。当然不能任意延长露光时间，因为延长到一定程度后，由于夜天光的作用也会导致贯穿本领的降低。所以配有照相机，光电倍增管，光电成像器件和CCD 等探测器的天文望远镜，其贯穿本领不仅决定于天文望远镜本身，而且也和这些探测器的灵敏度有关。其贯穿本领必须根据望远镜和探测器的特性进行具体实测而定。对于目视望远镜,它的极限星等可以经验地用如下公式计算：m=6.5+5 log D/d+2.5log k d=6mm,k=0.6 则有,m=2.1+5log D 44极限星等（贯穿本领）理想条件下，望远镜指向衡量望远镜性能的重要参量衡量望远镜性能的重要参量 使用望远镜的主要目的：1、聚光本领：ID2 2、分辨本领：1.22D 因此，衡量望远镜的重要参量是口径。45衡量望远镜性能的重要参量 使用望远镜的主要目的：45望远镜的物镜特点v相对孔径不大v视场较小物镜的相对孔径和目镜相对孔径相等中等视场，中等口径，系统结构简单46望远镜的物镜特点相对孔径不大物镜的相对孔径和目镜相对孔径相等折射式望远物镜折射式望远物镜v(1)双胶合物镜：结构简单，制造方便，光能损失少。可以同时校正球差、正弦差和色差。v(2)双分离物镜v(3)双-单v(4)单-双v(5)三分离v(6)对称式47折射式望远物镜(1)双胶合物镜：结构简单，制造方便，光能损失例例3 3、设计一个、设计一个1010望远镜物镜，要求为：望远镜物镜，要求为：f=250mm，D=40mm，2w=6,入瞳与物镜重合。入瞳与物镜重合。物镜后有物镜后有1棱镜系统，展开成平行玻璃板的总厚度为棱镜系统，展开成平行玻璃板的总厚度为150mm，棱镜的玻璃材料为，棱镜的玻璃材料为K9。为了补偿目镜的像。为了补偿目镜的像差，要求物镜系统（包括双胶合物镜和棱镜）的像差，要求物镜系统（包括双胶合物镜和棱镜）的像差为：差为：根据上述光学特性和像差要求，求解双胶合物镜的根据上述光学特性和像差要求，求解双胶合物镜的结构参数。结构参数。48例3、设计一个10望远镜物镜，要求为：f=250mm，D物镜物镜棱镜棱镜49物镜棱镜49505051515252535354545555