1、第四章第四章 典型光學系統設計典型光學系統設計 第一節第一節 望遠光學系望遠光學系統統 一、望遠系統的一般一、望遠系統的一般特性特性 望遠系統一般由物鏡、望遠系統一般由物鏡、目鏡和棱鏡（或透鏡）目鏡和棱鏡（或透鏡）轉像系統構成。轉像系統構成。出射光瞳目鏡視場光闌物鏡（孔徑光闌） 望遠系統的放大率主要有以下幾種：望遠系統的放大率主要有以下幾種： 垂軸放大率垂軸放大率21ff 角放大率角放大率 12ff 軸向放大率軸向放大率 221ff 望遠系統的放大率取決于望遠系統的物鏡望遠系統的放大率取決于望遠系統的物鏡和目鏡焦距。和目鏡焦距。 對于目視光學儀器來說，更有意義的特性對于目視光學儀器來說，更有意

2、義的特性是它的視放大率，即人眼通過望遠系統觀是它的視放大率，即人眼通過望遠系統觀察物體時，物體的像對眼睛的張角察物體時，物體的像對眼睛的張角 的正的正切值與眼睛直接觀察物體時物體對眼睛的切值與眼睛直接觀察物體時物體對眼睛的張角張角的正切值之比，用的正切值之比，用表示。表示。tantan=12ff 第二節第二節 望遠物鏡設計望遠物鏡設計 一望遠物鏡光學特性與結構類型一望遠物鏡光學特性與結構類型 光學特性光學特性 （1）相對孔徑不大；）相對孔徑不大； 望遠物鏡的相對孔徑望遠物鏡的相對孔徑D/f一般小于一般小于1/5。 （2）視場較小；）視場較小； 通常望遠物鏡的視場不大于通常望遠物鏡的視場不大于1

3、0。 由于望遠物鏡視場較小，因此，通常只校正由于望遠物鏡視場較小，因此，通常只校正球差、彗差和軸向色差。球差、彗差和軸向色差。 由于望遠物鏡要和目鏡、棱鏡或透鏡式轉由于望遠物鏡要和目鏡、棱鏡或透鏡式轉像系統配合使用，所以在設計物鏡時應當像系統配合使用，所以在設計物鏡時應當考慮到它和其它部分的像差補償。考慮到它和其它部分的像差補償。 望遠鏡屬于目視光學儀器，設計目視光學望遠鏡屬于目視光學儀器，設計目視光學儀器一般對儀器一般對F光（光（ 486.3nm）和）和C光光（ 656.28nm）計算和校正色差，對）計算和校正色差，對D光光（ 589.3nm ）校正單色像差。）校正單色像差。 2、結構類型、

4、結構類型 望遠物鏡分折射式、反射式和折反射式三望遠物鏡分折射式、反射式和折反射式三類。類。 （1）折射式物鏡）折射式物鏡 折射式物鏡種類很多，主要有雙膠合、雙折射式物鏡種類很多，主要有雙膠合、雙膠合膠合-單、單單、單-雙膠合、三分離、對稱和攝遠雙膠合、三分離、對稱和攝遠6種。其主要光學特性、特點如下：種。其主要光學特性、特點如下： （）雙膠合（）雙膠合: 視場為視場為 10，不同，不同焦距適用的最大相對孔焦距適用的最大相對孔徑徑 為：為：2fDf /。、101/100061/30041/15031/50 () 雙膠合雙膠合-單單: 相對孔徑相對孔徑 為為 1312，透鏡，透鏡口徑口徑 100,

5、視視 場角場角 5。 fDD2 () 單單-雙膠合雙膠合: 相對孔徑相對孔徑 為為 1312.5， 透透鏡口徑鏡口徑 100, 視視場角場角 5。 fDD2 （）三分離（）三分離: 相對孔徑相對孔徑 為為 1211.5，視，視場角場角 4。 fD2 () 對稱式物鏡對稱式物鏡: 適合于短焦距、大視適合于短焦距、大視場、小相對孔徑使場、小相對孔徑使 用，用， 50， 15， 30。 f fD2 （）攝遠：（）攝遠： 由正、負兩個分離薄由正、負兩個分離薄透鏡組構成，系統長透鏡組構成，系統長度小于焦距，系統的度小于焦距，系統的相對孔徑受前組相對相對孔徑受前組相對孔徑的限制。孔徑的限制。 （）攝遠物鏡

6、：（）攝遠物鏡： 由雙膠合由雙膠合-厚彎月構厚彎月構成。成。 （h）內調焦物鏡：）內調焦物鏡： 對于測量用的望遠物鏡在其焦平面上安裝對于測量用的望遠物鏡在其焦平面上安裝 有分劃板。要求無限遠物體的像平面與分有分劃板。要求無限遠物體的像平面與分劃板的刻線平面重合，這樣通過目鏡可以劃板的刻線平面重合，這樣通過目鏡可以同時看清分劃板刻線和無限遠物體的像。同時看清分劃板刻線和無限遠物體的像。 能實現調焦的光學系統有兩種調焦方式，能實現調焦的光學系統有兩種調焦方式，即外調焦和內調焦。即外調焦和內調焦。 外調焦是通過目鏡和分劃板的整體移動而外調焦是通過目鏡和分劃板的整體移動而使望遠物鏡不同距離物體的像與分

7、劃板刻使望遠物鏡不同距離物體的像與分劃板刻線重合，完成調焦。這種調焦的結構比較線重合，完成調焦。這種調焦的結構比較簡單。簡單。 內調焦望遠物鏡由正、負光組組合使主面內調焦望遠物鏡由正、負光組組合使主面前移，縮短了望遠鏡的筒長。在調焦過程前移，縮短了望遠鏡的筒長。在調焦過程中，前組正光組與分劃板的相對位置不變，中，前組正光組與分劃板的相對位置不變，僅通過移動調節中間負光組使不同位置的僅通過移動調節中間負光組使不同位置的遠方物體像落在分劃板的刻線面上完成調遠方物體像落在分劃板的刻線面上完成調焦。焦。 結構形式如圖所示結構形式如圖所示 圖內 調 焦 望 遠 鏡 基 本 結 構分 劃 板調 焦 鏡21

8、110212111,111lldllfddd lLdLdldf （2）反射式和折反射式物鏡）反射式和折反射式物鏡 反射式和折反射式物鏡在大孔徑、長焦距的望遠系反射式和折反射式物鏡在大孔徑、長焦距的望遠系統中采用。統中采用。 雙反射面系統是應用較多的反射式物鏡，主要有三雙反射面系統是應用較多的反射式物鏡，主要有三種形式：種形式： 一是卡塞格林系統，其主鏡（大反射鏡）是拋物面，一是卡塞格林系統，其主鏡（大反射鏡）是拋物面，副鏡（小反射鏡）是雙曲面，成倒像，鏡筒短；副鏡（小反射鏡）是雙曲面，成倒像，鏡筒短； 二是格里果里系統，其主鏡仍是拋物面，二是格里果里系統，其主鏡仍是拋物面，副鏡是橢球面，成正像

9、，鏡筒長。副鏡是橢球面，成正像，鏡筒長。 三是牛頓系統：它由一個拋物面主鏡和一三是牛頓系統：它由一個拋物面主鏡和一塊與光軸成塊與光軸成45的平面反射鏡構成。拋物的平面反射鏡構成。拋物面能把無限遠的軸上點在它的焦點成一個面能把無限遠的軸上點在它的焦點成一個理想的像點。第二個平面反射鏡同樣能理理想的像點。第二個平面反射鏡同樣能理想成像。想成像。 折反射系統是卡塞格林系統的改進。它是由折反射系統是卡塞格林系統的改進。它是由球面主鏡和校正透鏡（又稱校正板）組成。球面主鏡和校正透鏡（又稱校正板）組成。 二雙膠合物鏡，雙分離物鏡設計二雙膠合物鏡，雙分離物鏡設計 雙膠合物鏡的設計雙膠合物鏡的設計 雙膠合物鏡

10、是一種常用的望遠物鏡，它的結雙膠合物鏡是一種常用的望遠物鏡，它的結構簡單，光能損失小，合理選擇玻璃和彎曲構簡單，光能損失小，合理選擇玻璃和彎曲能校正球差，彗差和色差，但不能消除像散，能校正球差，彗差和色差，但不能消除像散，場曲與畸變，故視場不大，一般不超過場曲與畸變，故視場不大，一般不超過10，二級光譜與色球差也不能校正。二級光譜與色球差也不能校正。 對于雙膠合物鏡，一般在焦距不長，相對孔對于雙膠合物鏡，一般在焦距不長，相對孔徑不大的系統中采用。徑不大的系統中采用。 若物鏡焦距加大，相對孔徑則隨之減少，若物鏡焦距加大，相對孔徑則隨之減少，在獲得優良像質的情況下，它們之間的對在獲得優良像質的情況

11、下，它們之間的對應關系如下表應關系如下表 ： 物鏡焦距與相對孔徑的對應關系物鏡焦距與相對孔徑的對應關系焦距501001502003005001000相對孔徑 315 . 3141516181101 雙分離物鏡設計雙分離物鏡設計 雙分離物鏡的正負透鏡用一空氣隙隔開，彎雙分離物鏡的正負透鏡用一空氣隙隔開，彎曲較雙膠合物鏡自由，能減少中間帶球差，曲較雙膠合物鏡自由，能減少中間帶球差，加大相對孔徑（加大相對孔徑（12.5 13），視場角達），視場角達12，色球差不能校正，二級光譜由于透鏡分，色球差不能校正，二級光譜由于透鏡分離而略有增大。它和雙膠合物鏡比較有如下離而略有增大。它和雙膠合物鏡比較有如下優

12、缺點：優缺點： 適用于直徑加大的情況適用于直徑加大的情況,雙膠合物鏡因受雙膠合物鏡因受膠層應力及脫膠的影響，直徑不宜超過膠層應力及脫膠的影響，直徑不宜超過100，而雙分離物鏡沒有這種限制；，而雙分離物鏡沒有這種限制； 光能損失比雙膠合物鏡大些；光能損失比雙膠合物鏡大些； 雙分離物鏡裝配對中困難，使用中也容易雙分離物鏡裝配對中困難，使用中也容易喪失共軸性。喪失共軸性。 三攝遠物鏡設計三攝遠物鏡設計 攝遠物鏡是由一正透鏡組和一遠離的負透鏡攝遠物鏡是由一正透鏡組和一遠離的負透鏡組成，或在雙膠合物鏡后加一塊厚彎月形透組成，或在雙膠合物鏡后加一塊厚彎月形透鏡組成。這種物鏡除校正球差，彗差和像散鏡組成。這

13、種物鏡除校正球差，彗差和像散外，由于后組是負光焦度，故能校正場曲。外，由于后組是負光焦度，故能校正場曲。這種物鏡主面外移，能縮短筒長。這種物鏡主面外移，能縮短筒長。 正正-負鏡組遠離攝遠物鏡設計負鏡組遠離攝遠物鏡設計 這種結構形式的優點有：這種結構形式的優點有： （系統長度）（系統長度） ,一一 般般 （23 34） 因為由兩薄透鏡組構成，因此可能校正因為由兩薄透鏡組構成，因此可能校正4種單色像差種單色像差球差，彗差，場曲和像散，因球差，彗差，場曲和像散，因此它的視場角比較大，同時可利用它的校正此它的視場角比較大，同時可利用它的校正像差的能力來補償目鏡的像差，使目鏡的結像差的能力來補償目鏡的像

14、差，使目鏡的結構簡化，或提高整個系統的像質。構簡化，或提高整個系統的像質。L fL f 這種物鏡的缺點是：系統的相對孔徑比較小，這種物鏡的缺點是：系統的相對孔徑比較小，因前組的相對孔徑一般比整個系統的相對孔因前組的相對孔徑一般比整個系統的相對孔徑大一倍以上，如雙膠合光組徑大一倍以上，如雙膠合光組 ,則整則整個光組的為個光組的為 。41fD81fD 一般光學系統設計過程可以大致分為三個一般光學系統設計過程可以大致分為三個步驟：步驟： (a)根據外形尺寸計算對物鏡的焦距、相根據外形尺寸計算對物鏡的焦距、相對孔徑和視場以及成像質量提出的要求，對孔徑和視場以及成像質量提出的要求，選定物鏡的結構型式；選

15、定物鏡的結構型式； (b)應用薄透鏡系統初級像差公式求透鏡應用薄透鏡系統初級像差公式求透鏡組的初始結構參數；組的初始結構參數； (c)通過光路計算求出實際像差，然后進通過光路計算求出實際像差，然后進行微量校正，得到最后結果。行微量校正，得到最后結果。 例例1 設計一，設計一，D=20mm相對孔徑為相對孔徑為 ，視場視場 的望遠物鏡。的望遠物鏡。 根據題目要求，選擇雙膠合望遠物鏡較合適。根據題目要求，選擇雙膠合望遠物鏡較合適。焦距焦距 ，按上述光學參數可，按上述光學參數可對該物鏡進行設計計算。對該物鏡進行設計計算。16.15Df0276.15123fD 縮放法：所謂縮放，即根據對光學系統的縮放法

16、：所謂縮放，即根據對光學系統的要求，找出性能參數比較接近的已有結構，要求，找出性能參數比較接近的已有結構，將其各尺寸乘以縮放比將其各尺寸乘以縮放比K，得到所要求的，得到所要求的系統結構，并估計其像差的大小或變化趨系統結構，并估計其像差的大小或變化趨勢。其縮放步驟如下：勢。其縮放步驟如下： （1）根據所設計光學系統的外部參數，由）根據所設計光學系統的外部參數，由手冊等資料選取比較接近的現有結構。手冊等資料選取比較接近的現有結構。 外部參數指外部參數指D（或（或nsinu）、）、 、 等，等，其中其中 主要是不能相差太大，相差太大即失主要是不能相差太大，相差太大即失去原有數據的參考價值。去原有數據

17、的參考價值。f2 （2）根據焦距計算縮放比）根據焦距計算縮放比K 最好最好K1 （3）將現有結構中的所有線量）將現有結構中的所有線量（r,d,D,l,lz,y,L,）放大）放大K倍，角量如倍，角量如（ ，sinu）和相對量如）和相對量如yz/yz=q不變。不變。 （4）估計使用條件下的像差和瞳孔位置的）估計使用條件下的像差和瞳孔位置的變化。變化。 fKf設計焦距現有焦距 （5）檢查和調整間隔（中心厚或邊緣厚），）檢查和調整間隔（中心厚或邊緣厚），滿足工藝要求，必要時更換玻璃材料（盡滿足工藝要求，必要時更換玻璃材料（盡可能國產常用，并保證折射率和色散值）。可能國產常用，并保證折射率和色散值）。

18、（6）上機計算。首先檢查焦距，是否為預）上機計算。首先檢查焦距，是否為預想值，若相差太遠，可復查縮放過程或原想值，若相差太遠，可復查縮放過程或原始值。再查其他值，或作像差校正等。始值。再查其他值，或作像差校正等。 由例由例1得到的參數，找到一滿足該系統的近似結構如得到的參數，找到一滿足該系統的近似結構如表表6-2所示。所示。 表表6-2 近似結構的系統參數及像差近似結構的系統參數及像差rdnD10.70.5136.14-78.89-223.9641.51631.6475f=200.49D=36LF=196.442=12LLFCKT0.5XtXs0.0470.01190.0185-3.87-1.

19、8236-0.0125-0.09330.0127-2.8112-0.9167-0.0147-0.14250.0089-1.9524-0.4596rdnD10.70.583.521-48.399-137.3633.682.451.51631.6475f=123D=22.086LF=120.512=12LLFCKT0.5XtXs0.02780.00620.0113-2.3765-1.1187-0.0078-0.05780.0094-1.7246-0.8107-0.0090-0.0880.0078-1.19781-0.5624rdn10.70.583.42-48.1-136.63.82.51.516

20、31.6199f=122.97D=20LF=122.722=7LKT0.5XtXsSC/LFC0.02010.0005-0.8109-0.38060.0008-0.00780.00240.0002-0.5867-0.27530.0005-0.0403-0.00590.0001-0.4065-0.19070.0003-0.0853 對上述雙膠合望遠物鏡進行像質評價。根對上述雙膠合望遠物鏡進行像質評價。根據物鏡的光學特性：據物鏡的光學特性： 則則 根據焦深公差的公式有：根據焦深公差的公式有： 對目視光學儀器，取平均波長對目視光學儀器，取平均波長0.00055mm代入公式得：代入公式得：100.08

21、132122.97mmhuf122.97f 220mh 2mun20.000550.08311 (0.08132) (1)球差：球差： 根據表根據表6-4的像差結果：的像差結果： 由以上結果看到，球差沒有完全校正，主由以上結果看到，球差沒有完全校正，主要為初級球差，根據初級球差公差的公式要為初級球差，根據初級球差公差的公式得得 實際的邊緣球差遠小于公差要求，所以這實際的邊緣球差遠小于公差要求，所以這個透鏡組球差校正得相當好。個透鏡組球差校正得相當好。 0.0201mL0.70.0024L 40.3326mL (2)色差色差： 根據表根據表6-4的像差結果：的像差結果： 以上色差在以上色差在0.

22、7071口徑基本上巳校正，邊口徑基本上巳校正，邊緣和近軸色差屬于色球差。由色球差性質緣和近軸色差屬于色球差。由色球差性質可知，對應色差的公差為兩倍焦深，等于可知，對應色差的公差為兩倍焦深，等于0.0416，而實際的近軸色差已超出公差要，而實際的近軸色差已超出公差要求。下面對求。下面對07071口徑計算二級光譜色口徑計算二級光譜色差得：差得：0.0078FCmL 0.70710.0403FCmL 0.1095FCl 0.00850.0690.00240.03622FCCFDLLLL (3)正弦差：正弦差： 設計結果設計結果=0.0008，很小。，很小。 總的來看，以上設計結果中，球差和彗差總的來

23、看，以上設計結果中，球差和彗差都校正得很好。都校正得很好。0.7071口徑的色差校正得口徑的色差校正得也可以，但是由于存在色球差，因此近軸也可以，但是由于存在色球差，因此近軸色差略大一些，二級光譜色差稍稍超出公色差略大一些，二級光譜色差稍稍超出公差，但也近似于一個焦深公差。關于二級差，但也近似于一個焦深公差。關于二級光譜色差，我們知道，使用一般光學玻璃光譜色差，我們知道，使用一般光學玻璃根本無法校正二級光譜色差，所以在一些根本無法校正二級光譜色差，所以在一些焦距比較長、相對孔徑比較大的望遠物鏡焦距比較長、相對孔徑比較大的望遠物鏡中允許適當超出公差，總的來說上述例子中允許適當超出公差，總的來說上

24、述例子的像差質量還是比較好的。的像差質量還是比較好的。 第三節第三節 顯微物鏡設計顯微物鏡設計 一顯微物鏡概述一顯微物鏡概述 顯微鏡由物鏡和目鏡組合而成，其作用是顯微鏡由物鏡和目鏡組合而成，其作用是把被觀察的物體，放大為一個實像位于目把被觀察的物體，放大為一個實像位于目鏡的焦面上，然后通過目鏡成像在無限遠鏡的焦面上，然后通過目鏡成像在無限遠供人眼觀察。供人眼觀察。 短焦距，大孔徑，小視場是顯微物鏡的特短焦距，大孔徑，小視場是顯微物鏡的特點。選用和設計時，考慮的光學特性中最點。選用和設計時，考慮的光學特性中最重要的是放大率（重要的是放大率（），數值孔徑（），數值孔徑（NA）和線視場（和線視場（

25、y ，y ）。）。 顯微鏡成像原理顯微鏡成像原理 顯微鏡總的放大倍率應該是物鏡放大倍率顯微鏡總的放大倍率應該是物鏡放大倍率 和目鏡放大倍率的乘積。和目鏡放大倍率的乘積。 因為物體被物鏡成的像因為物體被物鏡成的像 位于目鏡的物方位于目鏡的物方焦面上或者附近，所以此像相對于物鏡像焦面上或者附近，所以此像相對于物鏡像方焦點的距離方焦點的距離 。這里，。這里，為物鏡和目為物鏡和目鏡的焦點間隔，在顯微鏡中稱它為光學筒鏡的焦點間隔，在顯微鏡中稱它為光學筒長。長。 設物鏡的焦距為設物鏡的焦距為 ，則物鏡的放大率為，則物鏡的放大率為BA x1 f11ffx 物鏡的像再被目鏡放大，其放大率為物鏡的像再被目鏡放大

26、，其放大率為 式中，式中， 為目鏡的焦距。由此，顯微鏡的總為目鏡的焦距。由此，顯微鏡的總放大率為放大率為21250f2f211250ff 根據幾何光學中合成光組的焦距公式可知，根據幾何光學中合成光組的焦距公式可知，整個顯微鏡的總焦距整個顯微鏡的總焦距 和物鏡及目鏡焦距和物鏡及目鏡焦距之間，符合以下公式：之間，符合以下公式： 代入上式，則有代入上式，則有21fff f250f 二結構類型二結構類型 顯微物鏡根據用途不同分為消色差物鏡，顯微物鏡根據用途不同分為消色差物鏡，復消色差物鏡，平場消色差物鏡和折反射復消色差物鏡，平場消色差物鏡和折反射物鏡。物鏡。 用于顯微鏡觀察時，一般選用消色差物鏡用于顯

27、微鏡觀察時，一般選用消色差物鏡或復消色差物鏡；用于顯微攝影時，一般或復消色差物鏡；用于顯微攝影時，一般選用平場消色差物鏡，使顯微攝像像面上選用平場消色差物鏡，使顯微攝像像面上獲得全視場清晰的像。獲得全視場清晰的像。 消色差物鏡消色差物鏡 消色差物鏡指對兩條譜線校正軸向色差的消色差物鏡指對兩條譜線校正軸向色差的物鏡。現有普及型顯微物鏡大多屬于消色物鏡。現有普及型顯微物鏡大多屬于消色差型，能滿足一般的顯微觀察需要。差型，能滿足一般的顯微觀察需要。 它校正近軸區域的球差，彗差和位置色差，它校正近軸區域的球差，彗差和位置色差，但邊緣像質較差。消色差型顯微物鏡按但邊緣像質較差。消色差型顯微物鏡按NA大小

28、有四種形式：大小有四種形式： 雙膠合物鏡（低倍消色差物鏡）：用于雙膠合物鏡（低倍消色差物鏡）：用于低倍顯微物鏡用，放大倍數為低倍顯微物鏡用，放大倍數為 ,NA0.10.15。1 5 兩組雙膠合物鏡：李斯特型。中倍兩組雙膠合物鏡：李斯特型。中倍顯微物鏡用，放大倍數為顯微物鏡用，放大倍數為 ，NA0.250.3。8 20 阿西米型物鏡。在李斯特型物鏡前加一阿西米型物鏡。在李斯特型物鏡前加一個不暈半球形透鏡構成個不暈半球形透鏡構成 。用于中倍及高倍。用于中倍及高倍顯微物鏡，放大倍數為顯微物鏡，放大倍數為 ,NA0.40.65。25 40 阿貝型油浸物鏡：在阿貝型油浸物鏡：在阿西米型物鏡前片與中阿西米

29、型物鏡前片與中組之間加一塊彎月正透組之間加一塊彎月正透鏡，便成阿貝型物鏡。鏡，便成阿貝型物鏡。 放大倍數可達放大倍數可達 ，NA1.251.4。油浸物。油浸物鏡的前片選用折射率與鏡的前片選用折射率與油浸相同或略高的玻璃。油浸相同或略高的玻璃。90 100 平場物鏡平場物鏡 消色差物鏡殘留嚴重場曲，為了適應顯微消色差物鏡殘留嚴重場曲，為了適應顯微攝影的需要，發展為平（像）場消色差物攝影的需要，發展為平（像）場消色差物鏡，簡稱平場物鏡。鏡，簡稱平場物鏡。 平場物鏡是使場曲和像散都得到很好的校平場物鏡是使場曲和像散都得到很好的校正消色差物鏡。正消色差物鏡。 復消色差物鏡復消色差物鏡 復消色差物鏡是指

30、校正二級光譜色差的物復消色差物鏡是指校正二級光譜色差的物鏡。通常我們說消色差是指消除或校正指鏡。通常我們說消色差是指消除或校正指定的兩種顏色光線像點位置之差。定的兩種顏色光線像點位置之差。 三三. 顯微物鏡設計時應校正的像差顯微物鏡設計時應校正的像差 設計顯微物鏡主要校正軸上點的像差和小設計顯微物鏡主要校正軸上點的像差和小視場的像差：球差視場的像差：球差 ，軸向色差，軸向色差 和正弦差和正弦差 ，但對較高倍率的顯微鏡，但對較高倍率的顯微鏡 ,由于數值孔徑加大由于數值孔徑加大,除了校正這三種像差的除了校正這三種像差的邊緣像差之外，還必須同時校正它們的孔邊緣像差之外，還必須同時校正它們的孔徑高級像

31、差徑高級像差 ，如孔徑高級球差，如孔徑高級球差 , 色色球差球差 ，高級正弦差，高級正弦差 。 ) ( L) (FCL) (SC) (SNL) (FCL) (SNSC 平場消色差物鏡要求整個視場成像都比較平場消色差物鏡要求整個視場成像都比較清晰，除了校正球差，軸向色差和正弦差清晰，除了校正球差，軸向色差和正弦差外，還要求校正場曲，像散和垂軸色差。外，還要求校正場曲，像散和垂軸色差。 由于顯微鏡屬于目視光學儀器，因此它同由于顯微鏡屬于目視光學儀器，因此它同樣對樣對F光和光和C光消色差，對光消色差，對D光校正單色像光校正單色像差。差。 作業: 一.設計一焦距為f=60,相對孔徑為D/ f=1：1.

32、6，視場2=80望遠物鏡。 二.設計一焦距為f=52.87,相對孔徑為D/ f=1：1.5，視場2=300望遠物鏡。 要求：1.以設計報告形式完成； 2.完成時間：6月20日。 第四節第四節 目鏡設計目鏡設計 目鏡是在光學系統中將物鏡所成的像放大目鏡是在光學系統中將物鏡所成的像放大后供眼睛觀察的透鏡。目鏡中最靠近眼睛后供眼睛觀察的透鏡。目鏡中最靠近眼睛的透鏡稱接目鏡。的透鏡稱接目鏡。 目鏡從使用功能來說可分為觀察目鏡和攝目鏡從使用功能來說可分為觀察目鏡和攝影（攝錄）目鏡兩大類。影（攝錄）目鏡兩大類。 一目鏡光學特性與結構類型一目鏡光學特性與結構類型1、光學特性：、光學特性： 因為眼睛的瞳孔要與

33、出瞳重合，故鏡目因為眼睛的瞳孔要與出瞳重合，故鏡目距不能太短，一般不應小于距不能太短，一般不應小于6或或8，以以10左右最適宜。在軍用儀器中，通左右最適宜。在軍用儀器中，通常要求鏡目距較長，要求常要求鏡目距較長，要求20以上。以上。 與其它光組比較，目鏡具有以下特點：與其它光組比較，目鏡具有以下特點： 焦距短（焦距短（1040）；）； 相對孔徑中等（相對孔徑中等（13110），顯微），顯微鏡目鏡較小（鏡目鏡較小（110）；）； 視場大（視場大（30120）；）； 光闌位于系統光組外部，（惠更斯目鏡光闌位于系統光組外部，（惠更斯目鏡例外），其它光闌位于光組中間；例外），其它光闌位于光組中間； 入

34、瞳和出瞳遠離透鏡組，出瞳位于后方入瞳和出瞳遠離透鏡組，出瞳位于后方的一定距離上。的一定距離上。 二、結構類型二、結構類型 名稱名稱 主要技術主要技術 參數參數 結構結構 主要特點主要特點 惠更斯惠更斯 2=4045由凸面對向由凸面對向物鏡的兩個物鏡的兩個平凸透鏡組平凸透鏡組成的內焦點成的內焦點目鏡。結構目鏡。結構最簡單，觀最簡單，觀察時常用；察時常用；但不能安放但不能安放分劃板，不分劃板，不存在實像面。存在實像面。 冉冉 斯斯登登 2=3040 由凸面相對由凸面相對的兩個平凸的兩個平凸透鏡組成的透鏡組成的目鏡。視場目鏡。視場光闌位于鏡光闌位于鏡前，出瞳直前，出瞳直徑和鏡目距徑和鏡目距不大，可安

35、不大，可安放分劃板，放分劃板，用于測試儀用于測試儀器上。器上。 開涅開涅爾爾 2=4050 結構簡單，結構簡單，像質較好，像質較好，應用廣泛，應用廣泛，是平場目鏡是平場目鏡的主要形式；的主要形式；前組雙凸透前組雙凸透鏡，后組鏡，后組(接接目鏡目鏡)是正負是正負透鏡組成的透鏡組成的膠合透鏡的膠合透鏡的目鏡。目鏡。對對稱稱 2=4050 結構緊湊，結構緊湊，工藝性好，工藝性好，適用于短適用于短焦距，較焦距，較長鏡目距長鏡目距的場合，的場合，瞄準儀器瞄準儀器常用。常用。 消消畸畸變變 2=4050 像質較像質較好，特好，特別是畸別是畸變小，變小，適用于適用于測量儀測量儀器。器。 柯柯尼尼希希 2=4

36、050 是簡化是簡化了的消了的消畸變目畸變目鏡。鏡。 廣廣角角型型 2=6070 廣視場（廣角）廣視場（廣角）目鏡目鏡視場比視場比同焦距的普通同焦距的普通目鏡大的目鏡。目鏡大的目鏡。兩單透鏡構成兩單透鏡構成接目正透鏡組；接目正透鏡組；三膠合組成場三膠合組成場曲小，增加出曲小，增加出瞳距，幫助接瞳距，幫助接目正透鏡組校目正透鏡組校正像差。正像差。 廣廣角角型型 2=6070 由雙膠合由雙膠合組加單透組加單透鏡構成接鏡構成接目正透鏡目正透鏡組；負光組；負光焦度膠合焦度膠合組位于后組位于后面，它起面，它起到協助校到協助校正接目正正接目正透鏡組像透鏡組像差的作用。差的作用。 二目鏡設計要點二目鏡設計要

37、點 目鏡的像差校正目鏡的像差校正 目鏡的像差校正以軸外像差為主。在目鏡目鏡的像差校正以軸外像差為主。在目鏡設計中，主要校正像散，垂軸色差和彗差設計中，主要校正像散，垂軸色差和彗差這三種像差。因為彗差不會太大，因此，這三種像差。因為彗差不會太大，因此，目鏡的設計中最重要的是校正像散，垂軸目鏡的設計中最重要的是校正像散，垂軸色差這兩種像差。色差這兩種像差。 在目鏡中一般不校正場曲，在廣角目鏡中在目鏡中一般不校正場曲，在廣角目鏡中只是設法使場曲減小些。只是設法使場曲減小些。 望遠目鏡與物鏡像差互相補償望遠目鏡與物鏡像差互相補償 在設計望遠目鏡時，需要考慮它與物鏡之在設計望遠目鏡時，需要考慮它與物鏡之

38、間的像差補償關系。望遠鏡物鏡的結構一間的像差補償關系。望遠鏡物鏡的結構一般比較簡單，只能校正球差，彗差和軸向般比較簡單，只能校正球差，彗差和軸向色差，無法校正像散和垂軸色差。色差，無法校正像散和垂軸色差。 雖然由于物鏡的視場較小，這些像差一般雖然由于物鏡的視場較小，這些像差一般不會很大，但為了使整個系統獲得盡可能不會很大，但為了使整個系統獲得盡可能好的成像質量，物鏡殘留的像散和垂軸色好的成像質量，物鏡殘留的像散和垂軸色差，要求由目鏡補償。差，要求由目鏡補償。 在目鏡中這兩種像差是比較容易控制的。在目鏡中這兩種像差是比較容易控制的。目鏡的球差和軸向色差一般也不能完全校目鏡的球差和軸向色差一般也不

39、能完全校正，需要由物鏡來補償，因為在物鏡中這正，需要由物鏡來補償，因為在物鏡中這兩種像差也是很容易控制的。兩種像差也是很容易控制的。 彗差則盡可能獨立校正，如果在目鏡的設彗差則盡可能獨立校正，如果在目鏡的設計中，在優先考慮像散和垂軸色差的校正計中，在優先考慮像散和垂軸色差的校正以后，有少量彗差無法完全校正，也可以以后，有少量彗差無法完全校正，也可以用物鏡的彗差進行補償。用物鏡的彗差進行補償。 這樣雖然物鏡和目鏡都分別留有一定的像這樣雖然物鏡和目鏡都分別留有一定的像差，但整個系統像差得到很好的校正，可差，但整個系統像差得到很好的校正，可以使系統的成像質量得到提高以使系統的成像質量得到提高。 以上

40、所述是在目鏡和物鏡盡可能獨立校正以上所述是在目鏡和物鏡盡可能獨立校正像差的前提下，進一步考慮它們之間的像像差的前提下，進一步考慮它們之間的像差補償問題，這是對要求在物鏡后焦面差補償問題，這是對要求在物鏡后焦面（即目鏡前焦面）上安裝分劃板的望遠系（即目鏡前焦面）上安裝分劃板的望遠系統來說的。統來說的。 如果系統中不要求安裝分劃板，則物鏡和如果系統中不要求安裝分劃板，則物鏡和目鏡的像差校正可以按整個系統統算時對目鏡的像差校正可以按整個系統統算時對整個系統進行再優化，使系統整體光學性整個系統進行再優化，使系統整體光學性能更佳。能更佳。 對顯微鏡目鏡來說，由于不同倍率的物鏡對顯微鏡目鏡來說，由于不同倍

41、率的物鏡和目鏡要求互換使用，因此難于考慮物鏡和目鏡要求互換使用，因此難于考慮物鏡和目鏡的像差補償問題，一般都采取獨立和目鏡的像差補償問題，一般都采取獨立校正像差的方式校正像差的方式 。 光譜選擇光譜選擇 由于目鏡是目視光學儀器的一個組成部分，由于目鏡是目視光學儀器的一個組成部分，因此和物鏡一樣采用因此和物鏡一樣采用F光和光和C光消色差，對光消色差，對D光或光校正單色像差。光或光校正單色像差。 設計操作設計操作 在設計目鏡時，通常按反向光路進行設計在設計目鏡時，通常按反向光路進行設計 ，如下圖所示如下圖所示 假定物體位于無限遠處，入瞳在目鏡的前假定物體位于無限遠處，入瞳在目鏡的前方，在它的焦平面

42、上計算像差，當物鏡按方，在它的焦平面上計算像差，當物鏡按正向光路計算像差，目鏡按反向光路計算正向光路計算像差，目鏡按反向光路計算像差時，它們之間像差的組合關系如下：像差時，它們之間像差的組合關系如下：軸向像差軸向像差 (如如 ， ， ， 等等)在光束在光束孔徑角相等的條件下為孔徑角相等的條件下為LFCLts)()(反向光路正向光路目物組合LLL 其他軸向像差的關系類似。其他軸向像差的關系類似。 垂軸像差（如垂軸像差（如 , , 等）等） 其他軸向像差的關系類似。其他軸向像差的關系類似。 由由，得，可以用來計算物鏡按正向光得，可以用來計算物鏡按正向光路設計，目鏡按反向光路設計時系統的組路設計，目

43、鏡按反向光路設計時系統的組合像差。合像差。 TKFCYZY)()(反向光路正向光路目物組合TTTKKK 傳遞函數傳遞函數 對直視微光夜視儀用的大孔徑，大視場目對直視微光夜視儀用的大孔徑，大視場目鏡的傳遞函數也有較高的要求。鏡的傳遞函數也有較高的要求。 規定對規定對 10 lp, 20 lp, 30 lp,40 lp,其其MTF分別為分別為0.85，0.72，0.58，0.45。對于普通目鏡可斟酌情況放寬要求。對于普通目鏡可斟酌情況放寬要求。 另外，雙目系統對光軸平行差，放大率和另外，雙目系統對光軸平行差，放大率和相對象傾斜都要有一定的要求，視具體配相對象傾斜都要有一定的要求，視具體配用什么樣的

44、儀器而定。用什么樣的儀器而定。 第五節第五節 照相物鏡的設計照相物鏡的設計一、照相物鏡的光學特性和結構形式一、照相物鏡的光學特性和結構形式1、光學特性、光學特性 照相物鏡的性能由焦距照相物鏡的性能由焦距 f、相對孔徑相對孔徑 D/f 和視場角和視場角2 這三個光學特性這三個光學特性參數決定。參數決定。 焦距焦距 f ：照相物鏡的焦距，短的只：照相物鏡的焦距，短的只有幾毫米，長的可能達到有幾毫米，長的可能達到23，甚至更長。甚至更長。 相對孔徑相對孔徑 D/f ：小的只有：小的只有1：10，甚至更小，大的可能達到甚至更小，大的可能達到1：0.7。 視場角視場角 2 ：小的只有：小的只有23，甚，

45、甚至更小至更小 ，大的可達到，大的可達到 140。 照相物鏡的三個光學特性之間是互照相物鏡的三個光學特性之間是互相關聯相關聯 ，相互制約的，它們決定了，相互制約的，它們決定了照相物鏡的光學特性。照相物鏡的光學特性。 可用經驗公式可用經驗公式 通常用上式來表示三個光學性能參數通常用上式來表示三個光學性能參數間的關系。對照相物鏡，間的關系。對照相物鏡， 0.24. 同時，也可用拉赫不變量表征一個物同時，也可用拉赫不變量表征一個物鏡總的性能鏡總的性能mcftgfD100/mcJhtgtgfDf22 照相物鏡的基本類型照相物鏡的基本類型 選用照相物鏡的原則是：既能滿足光學性選用照相物鏡的原則是：既能滿

46、足光學性能和成像質量的要求，而結構又最簡單。能和成像質量的要求，而結構又最簡單。 為此本節介紹一些基本類型照相物鏡和它為此本節介紹一些基本類型照相物鏡和它們的復雜化結構型式，以及它們所能達到們的復雜化結構型式，以及它們所能達到的光學性能。的光學性能。 三片型照相物三片型照相物鏡鏡 視場角視場角 2 =4050 . 相對孔徑相對孔徑 D/f =1415，是，是具有中等光學特性具有中等光學特性的照相物鏡中最簡的照相物鏡中最簡單、像質較好的一單、像質較好的一種。種。 這種照相物鏡進一步復雜化的目的，大多這種照相物鏡進一步復雜化的目的，大多是為了增大相對孔徑，或提高視場邊緣成是為了增大相對孔徑，或提高

47、視場邊緣成像質量。如下面三個圖所示：像質量。如下面三個圖所示： 如右圖（）所示如右圖（）所示的照相物鏡稱為天的照相物鏡稱為天塞照相物鏡，它用塞照相物鏡，它用一個膠合面改善成一個膠合面改善成像質量，也是一種像質量，也是一種被廣泛采用的照相被廣泛采用的照相物鏡。物鏡。 右圖（）為右圖（）為加入兩個膠合加入兩個膠合面的結構面的結構 ，它，它可以使像質進可以使像質進一步提高。一步提高。 雙高斯照相物雙高斯照相物鏡鏡 如右圖如右圖()所示。所示。雙高斯照相物鏡是雙高斯照相物鏡是具有較大視場具有較大視場(大大約約 =40左右左右)的的物鏡，相對孔徑最物鏡，相對孔徑最先達到先達到1：2。2 雙高斯照相物鏡的演變型式很多，它的復雙高斯照相物鏡的演變型式很多，它的復雜化目的是為了改善成像質量，如下圖雜化目的是為了改善成像質量，如下圖（）（）所示，是為了增大相對孔徑。（）（）所示，是為了增大