光學(xué)設(shè)計(jì)4望遠(yuǎn)

1、第四章第四章 典型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要求要求 ： 掌握各種典型光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)、類型掌握各種典型光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)、類型和設(shè)計(jì)方法。和設(shè)計(jì)方法。 重點(diǎn)：重點(diǎn)： 根據(jù)儀器要求確定光學(xué)系統(tǒng)的類型。根據(jù)儀器要求確定光學(xué)系統(tǒng)的類型。 第一節(jié)第一節(jié) 望遠(yuǎn)光學(xué)系望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng) 一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的一一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的一般特性般特性 望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般由物望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般由物鏡、目鏡和棱鏡鏡、目鏡和棱鏡（或透鏡）轉(zhuǎn)像系（或透鏡）轉(zhuǎn)像系統(tǒng)構(gòu)成。統(tǒng)構(gòu)成。出射光瞳目鏡視場(chǎng)光闌物鏡（孔徑光闌） 對(duì)一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的要求，首先是它的光學(xué)對(duì)一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的要求，首先是它的光學(xué)性能，主要有：視放大率性能，主要有：視放大率、視場(chǎng)角、視場(chǎng)角2、

2、出瞳直徑出瞳直徑D、出瞳距離、出瞳距離LZ。 另外，對(duì)于軍用光學(xué)儀器來說，儀器的外另外，對(duì)于軍用光學(xué)儀器來說，儀器的外形、體積和重量也是十分重要的技術(shù)指標(biāo)。形、體積和重量也是十分重要的技術(shù)指標(biāo)。 除此以外，一般還提出一些保證產(chǎn)品質(zhì)量除此以外，一般還提出一些保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)條件，如：分辨率、視差角。對(duì)雙的技術(shù)條件，如：分辨率、視差角。對(duì)雙眼儀器，還有光軸平行性和相對(duì)像傾斜的眼儀器，還有光軸平行性和相對(duì)像傾斜的要求。要求。 （一）視放大率（一）視放大率 視放大率必須滿足對(duì)儀器的精度要求視放大率必須滿足對(duì)儀器的精度要求: 1.觀察儀器觀察儀器 2.瞄準(zhǔn)儀器瞄準(zhǔn)儀器 3.測(cè)距儀器測(cè)距儀器 視放大率除

3、了和儀器的精度有關(guān)外，還和視放大率除了和儀器的精度有關(guān)外，還和其他因素有關(guān)，必須同時(shí)兼顧其他因素有關(guān)，必須同時(shí)兼顧: 1.和儀器體積、重量的關(guān)系和儀器體積、重量的關(guān)系 2.和視場(chǎng)角的關(guān)系和視場(chǎng)角的關(guān)系 3.儀器的使用條件對(duì)視放大率的限制儀器的使用條件對(duì)視放大率的限制 4.望遠(yuǎn)鏡的有效放大率望遠(yuǎn)鏡的有效放大率 （二）視場(chǎng)角（二）視場(chǎng)角2 （三）出瞳直徑（三）出瞳直徑D （四）出瞳距離（四）出瞳距離LZ （五）分辨率（五）分辨率 （六）視差角（六）視差角 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率主要有以下幾種：望遠(yuǎn)系統(tǒng)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

4、 221ff 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的物鏡望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的物鏡和目鏡焦距。和目鏡焦距。 對(duì)于目視光學(xué)儀器來說，更有意義的特性對(duì)于目視光學(xué)儀器來說，更有意義的特性是它的視放大率，即人眼通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)觀是它的視放大率，即人眼通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)觀察物體時(shí)，物體的像對(duì)眼睛的張角察物體時(shí)，物體的像對(duì)眼睛的張角 的正的正切值與眼睛直接觀察物體時(shí)物體對(duì)眼睛的切值與眼睛直接觀察物體時(shí)物體對(duì)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(jié)第二節(jié) 望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì) 一望遠(yuǎn)物鏡光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型一望遠(yuǎn)物鏡光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型 光學(xué)特性光學(xué)特性 （1）相對(duì)

5、孔徑不大；）相對(duì)孔徑不大； 望遠(yuǎn)物鏡的相對(duì)孔徑望遠(yuǎn)物鏡的相對(duì)孔徑D/f一般小于一般小于1/5。 （2）視場(chǎng)較??；）視場(chǎng)較??； 通常望遠(yuǎn)物鏡的視場(chǎng)不大于通常望遠(yuǎn)物鏡的視場(chǎng)不大于10。 由于望遠(yuǎn)物鏡視場(chǎng)較小，因此，通常只校正由于望遠(yuǎn)物鏡視場(chǎng)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(yuǎn)物鏡要和目鏡、棱鏡或透鏡式轉(zhuǎn)由于望遠(yuǎn)物鏡要和目鏡、棱鏡或透鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng)配合使用，所以在設(shè)計(jì)物鏡時(shí)應(yīng)當(dāng)像系統(tǒng)配合使用，所以在設(shè)計(jì)物鏡時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到它和其它部分的像差補(bǔ)償?？紤]到它和其它部分的像差補(bǔ)償。 望遠(yuǎn)鏡屬于目視光學(xué)儀器，設(shè)計(jì)目視光學(xué)望遠(yuǎn)鏡屬于目視光學(xué)儀器，設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器一般對(duì)儀器一般

6、對(duì)F光（光（ 486.3nm）和）和C光光（ 656.28nm）計(jì)算和校正色差，對(duì)）計(jì)算和校正色差，對(duì)D光光（ 589.3nm ）校正單色像差。）校正單色像差。 2、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)類型 望遠(yuǎn)物鏡分折射式、反射式和折反射式三望遠(yuǎn)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(duì)稱和攝遠(yuǎn)雙膠合、三分離、對(duì)稱和攝遠(yuǎn)6種。其主要光學(xué)特性、特點(diǎn)如下：種。其主要光學(xué)特性、特點(diǎn)如下： （）雙膠合（）雙膠合: 視場(chǎng)為視場(chǎng)為 10，不同，不同焦距適用的最大相對(duì)孔焦距適用的最大相

7、對(duì)孔徑徑 為：為：2fDf /。、101/100061/30041/15031/50 () 雙膠合雙膠合-單單: 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑 為為 1312，透鏡，透鏡口徑口徑 100,視視 場(chǎng)角場(chǎng)角 5。 fDD2 () 單單-雙膠合雙膠合: 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑 為為 1312.5， 透透鏡口徑鏡口徑 100, 視視場(chǎng)角場(chǎng)角 5。 fDD2 （）三分離（）三分離: 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑 為為 1211.5，視，視場(chǎng)角場(chǎng)角 4。 fD2 () 對(duì)稱式物鏡對(duì)稱式物鏡: 適合于短焦距、大視適合于短焦距、大視場(chǎng)、小相對(duì)孔徑使場(chǎng)、小相對(duì)孔徑使 用，用， 50， 15， 30。 f fD2 （）攝遠(yuǎn)：（）攝遠(yuǎn)： 由正、

8、負(fù)兩個(gè)分離薄由正、負(fù)兩個(gè)分離薄透鏡組構(gòu)成，系統(tǒng)長(zhǎng)透鏡組構(gòu)成，系統(tǒng)長(zhǎng)度小于焦距，系統(tǒng)的度小于焦距，系統(tǒng)的相對(duì)孔徑受前組相對(duì)相對(duì)孔徑受前組相對(duì)孔徑的限制。孔徑的限制。 （）攝遠(yuǎn)物鏡：（）攝遠(yuǎn)物鏡： 由雙膠合由雙膠合-厚彎月構(gòu)厚彎月構(gòu)成。成。 （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(zhǎng)焦距的望遠(yuǎn)系反射式和折反射式物鏡在大孔徑、長(zhǎng)焦距的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中采用。統(tǒng)中采用。 雙反射面系統(tǒng)是應(yīng)用較多的反射式物鏡，主要有三雙反射面系統(tǒng)是應(yīng)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(tǒng)，其主鏡（大反射鏡）是拋物面，一是卡塞格林系統(tǒng)，其主鏡（大反射鏡）是拋物面，副鏡

9、（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(tǒng)，其主鏡仍是拋物面，二是格里果里系統(tǒng)，其主鏡仍是拋物面，副鏡是橢球面，成正像，鏡筒長(zhǎng)。副鏡是橢球面，成正像，鏡筒長(zhǎng)。 三是牛頓系統(tǒng)：它由一個(gè)拋物面主鏡和一三是牛頓系統(tǒng)：它由一個(gè)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(gòu)成。拋物的平面反射鏡構(gòu)成。拋物面能把無限遠(yuǎn)的軸上點(diǎn)在它的焦點(diǎn)成一個(gè)面能把無限遠(yuǎn)的軸上點(diǎn)在它的焦點(diǎn)成一個(gè)理想的像點(diǎn)。第二個(gè)平面反射鏡同樣能理理想的像點(diǎn)。第二個(gè)平面反射鏡同樣能理想成像。想成像。 折反射系統(tǒng)是卡塞格林系統(tǒng)的改進(jìn)。它是由折反射系統(tǒng)是卡塞格林系統(tǒng)的改進(jìn)。它是由球面主

10、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(shè)計(jì)二雙膠合物鏡，雙分離物鏡設(shè)計(jì) 雙膠合物鏡的設(shè)計(jì)雙膠合物鏡的設(shè)計(jì) 雙膠合物鏡是一種常用的望遠(yuǎn)物鏡，它的結(jié)雙膠合物鏡是一種常用的望遠(yuǎn)物鏡，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光能損失小，合理選擇玻璃和彎曲構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)曲與畸變，故視場(chǎng)不大，一般不超過場(chǎng)曲與畸變，故視場(chǎng)不大，一般不超過10，二級(jí)光譜與色球差也不能校正。二級(jí)光譜與色球差也不能校正。 對(duì)于雙膠合物鏡，一般在焦距不長(zhǎng)，相對(duì)孔對(duì)于雙膠合物鏡，一般在焦距不長(zhǎng)，相

11、對(duì)孔徑不大的系統(tǒng)中采用。徑不大的系統(tǒng)中采用。 若物鏡焦距加大，相對(duì)孔徑則隨之減少，若物鏡焦距加大，相對(duì)孔徑則隨之減少，在獲得優(yōu)良像質(zhì)的情況下，它們之間的對(duì)在獲得優(yōu)良像質(zhì)的情況下，它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表應(yīng)關(guān)系如下表 ： 物鏡焦距與相對(duì)孔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系物鏡焦距與相對(duì)孔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系焦距501001502003005001000相對(duì)孔徑 315 . 3141516181101 雙分離物鏡設(shè)計(jì)雙分離物鏡設(shè)計(jì) 雙分離物鏡的正負(fù)透鏡用一空氣隙隔開，彎雙分離物鏡的正負(fù)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(duì)孔徑（加大相對(duì)孔徑（12.5 13），

12、視場(chǎng)角達(dá)），視場(chǎng)角達(dá)12，色球差不能校正，二級(jí)光譜由于透鏡分，色球差不能校正，二級(jí)光譜由于透鏡分離而略有增大。離而略有增大。 雙分離和雙膠合物鏡比較有如下優(yōu)缺點(diǎn)：雙分離和雙膠合物鏡比較有如下優(yōu)缺點(diǎn)： 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(yīng)力及脫膠的影響，直徑不宜超過膠層應(yīng)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(duì)中困難，使用中也容易雙分離物鏡裝配對(duì)中困難，使用中也容易喪失共軸性。喪失共軸性。 三攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)三攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì) 攝遠(yuǎn)物鏡是由一正

13、透鏡組和一遠(yuǎn)離的負(fù)透鏡攝遠(yuǎn)物鏡是由一正透鏡組和一遠(yuǎn)離的負(fù)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。這種物鏡除校正球差，彗差和像散外，由于后組是負(fù)光焦度，故能校正場(chǎng)曲。外，由于后組是負(fù)光焦度，故能校正場(chǎng)曲。這種物鏡主面外移，能縮短筒長(zhǎng)。這種物鏡主面外移，能縮短筒長(zhǎng)。 正正-負(fù)鏡組遠(yuǎn)離攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)負(fù)鏡組遠(yuǎn)離攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì) 這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)有：這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)有： （系統(tǒng)長(zhǎng)度）（系統(tǒng)長(zhǎng)度） ,一一 般般 （23 34） 因?yàn)橛蓛杀⊥哥R組構(gòu)成，因此可能校正因?yàn)橛蓛杀⊥哥R組構(gòu)成，因此可能校正4種單色像差種單色像差球差，

14、彗差，場(chǎng)曲和像散，因此球差，彗差，場(chǎng)曲和像散，因此它的視場(chǎng)角比較大，同時(shí)可利用它的校正像差它的視場(chǎng)角比較大，同時(shí)可利用它的校正像差的能力來補(bǔ)償目鏡的像差，使目鏡的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，的能力來補(bǔ)償目鏡的像差，使目鏡的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，或提高整個(gè)系統(tǒng)的像質(zhì)?；蛱岣哒麄€(gè)系統(tǒng)的像質(zhì)。L fL f 這種物鏡的缺點(diǎn)是：系統(tǒng)的相對(duì)孔徑比較小，這種物鏡的缺點(diǎn)是：系統(tǒng)的相對(duì)孔徑比較小，因前組的相對(duì)孔徑一般比整個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)孔因前組的相對(duì)孔徑一般比整個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)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(gè)光組的為個(gè)光組的為 。41fD81fD 第三節(jié)第三節(jié) 顯微物鏡設(shè)計(jì)顯微物鏡設(shè)計(jì) 一顯微物鏡概述一顯微物鏡概

15、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(gè)實(shí)像位于目把被觀察的物體，放大為一個(gè)實(shí)像位于目鏡的焦面上，然后通過目鏡成像在無限遠(yuǎn)鏡的焦面上，然后通過目鏡成像在無限遠(yuǎn)供人眼觀察。供人眼觀察。 短焦距，大孔徑，小視場(chǎng)是顯微物鏡的特短焦距，大孔徑，小視場(chǎng)是顯微物鏡的特點(diǎn)。選用和設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的光學(xué)特性中最點(diǎn)。選用和設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的光學(xué)特性中最重要的是放大率（重要的是放大率（），數(shù)值孔徑（），數(shù)值孔徑（NA）和線視場(chǎng)（和線視場(chǎng)（ y ，y ）。）。 二結(jié)構(gòu)類型二結(jié)構(gòu)類型 顯微物鏡根據(jù)用途不同分為消色差物鏡，顯微物鏡根據(jù)用途不同分為消色差物鏡，復(fù)消色差

16、物鏡，平場(chǎng)消色差物鏡和折反射復(fù)消色差物鏡，平場(chǎng)消色差物鏡和折反射物鏡。物鏡。 用于顯微鏡觀察時(shí)，一般選用消色差物鏡用于顯微鏡觀察時(shí)，一般選用消色差物鏡或復(fù)消色差物鏡；用于顯微攝影時(shí)，一般或復(fù)消色差物鏡；用于顯微攝影時(shí)，一般選用平場(chǎng)消色差物鏡，使顯微攝像像面上選用平場(chǎng)消色差物鏡，使顯微攝像像面上獲得全視場(chǎng)清晰的像。獲得全視場(chǎng)清晰的像。 消色差物鏡消色差物鏡 消色差物鏡指對(duì)兩條譜線校正軸向色差的消色差物鏡指對(duì)兩條譜線校正軸向色差的物鏡?，F(xiàn)有普及型顯微物鏡大多屬于消色物鏡?，F(xiàn)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(qū)域的球差，彗差和位置

17、色差，它校正近軸區(qū)域的球差，彗差和位置色差，但邊緣像質(zhì)較差。消色差型顯微物鏡按但邊緣像質(zhì)較差。消色差型顯微物鏡按NA大小有四種形式：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(shù)為低倍顯微物鏡用，放大倍數(shù)為 ,NA0.10.15。1 5 兩組雙膠合物鏡：李斯特兩組雙膠合物鏡：李斯特型。中倍顯微物鏡用，放大型。中倍顯微物鏡用，放大倍數(shù)為倍數(shù)為 ，NA0.250.3。8 20 阿米西型物鏡。在李斯特型物鏡前加一阿米西型物鏡。在李斯特型物鏡前加一個(gè)不暈半球形透鏡構(gòu)成個(gè)不暈半球形透鏡構(gòu)成 。用于中倍及高倍。用于中倍及高倍顯微物鏡，放大倍數(shù)

18、為顯微物鏡，放大倍數(shù)為 ,NA0.40.65。25 40 阿貝型油浸物鏡：在阿貝型油浸物鏡：在阿米西型物鏡前片與中阿米西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(shù)可達(dá)放大倍數(shù)可達(dá) ，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(chǎng)物鏡平場(chǎng)物鏡 消色差物鏡殘留嚴(yán)重場(chǎng)曲，為了適應(yīng)顯微消色差物鏡殘留嚴(yán)重場(chǎng)曲，為了適應(yīng)顯微攝影的需要，發(fā)展為平（像）場(chǎng)消色差物攝影的需要，發(fā)展為平（像）場(chǎng)消色差物鏡，簡(jiǎn)稱平場(chǎng)物鏡。鏡，簡(jiǎn)稱平場(chǎng)物鏡。 平場(chǎng)物鏡是使場(chǎng)曲和像散都

19、得到很好的校平場(chǎng)物鏡是使場(chǎng)曲和像散都得到很好的校正消色差物鏡。正消色差物鏡。 復(fù)消色差物鏡復(fù)消色差物鏡 復(fù)消色差物鏡是指校正二級(jí)光譜色差的物復(fù)消色差物鏡是指校正二級(jí)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(diǎn)位置之差。定的兩種顏色光線像點(diǎn)位置之差。 4. 反射和折反射顯微物鏡反射和折反射顯微物鏡 在顯微鏡中使用反射和折反射系統(tǒng)的情況在顯微鏡中使用反射和折反射系統(tǒng)的情況主要有兩種。主要有兩種。 第一種是用于紫外或近紅外的系統(tǒng)。由于第一種是用于紫外或近紅外的系統(tǒng)。由于能夠透過紫外或遠(yuǎn)紅外的光學(xué)材料十分有能夠透過紫外或遠(yuǎn)紅外的光學(xué)材料十分有

20、限，無法設(shè)計(jì)出高性能的光學(xué)系統(tǒng)，只能限，無法設(shè)計(jì)出高性能的光學(xué)系統(tǒng)，只能使用反射或折反射系統(tǒng)。使用反射或折反射系統(tǒng)。 反射式的顯微物鏡。光學(xué)特性為反射式的顯微物鏡。光學(xué)特性為50倍，倍，NA=0.56，它可以在，它可以在0.1510m波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。中心遮光比為內(nèi)工作。中心遮光比為0.5。 折反射顯微鏡物鏡。光學(xué)特性為折反射顯微鏡物鏡。光學(xué)特性為53倍，倍，NA=0.72。系統(tǒng)中只使用了能透過紫外光的石英玻璃和熒石，系統(tǒng)中只使用了能透過紫外光的石英玻璃和熒石，因此可以在因此可以在0.25m到整個(gè)可見光波段范圍內(nèi)工到整個(gè)可見光波段范圍內(nèi)工作。它的中心遮光比為作。它的中心遮光比為0.3。

21、用水作浸液的紫外物鏡。整個(gè)物鏡都是用用水作浸液的紫外物鏡。整個(gè)物鏡都是用石英玻璃構(gòu)成的它的光學(xué)特性為石英玻璃構(gòu)成的它的光學(xué)特性為172倍，倍，NA=0.9。 另一種情況是為了增加顯微鏡的工作距離。由于反另一種情況是為了增加顯微鏡的工作距離。由于反射鏡能折疊光路，因此能構(gòu)成一種工作距離長(zhǎng)、倍射鏡能折疊光路，因此能構(gòu)成一種工作距離長(zhǎng)、倍率高而筒長(zhǎng)和一般顯微鏡物鏡相同的系統(tǒng)。如圖是率高而筒長(zhǎng)和一般顯微鏡物鏡相同的系統(tǒng)。如圖是一種使顯微鏡物鏡工作距離增長(zhǎng)的附加系統(tǒng)，光學(xué)一種使顯微鏡物鏡工作距離增長(zhǎng)的附加系統(tǒng)，光學(xué)特性為特性為NA=0.57。工件距離可達(dá)。工件距離可達(dá)12.8mm。 長(zhǎng)工作距離的反射式顯

22、微鏡物鏡。光學(xué)特長(zhǎng)工作距離的反射式顯微鏡物鏡。光學(xué)特性為性為40倍，倍，NA=0.52。 三三. 顯微物鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)校正的像差顯微物鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)校正的像差 設(shè)計(jì)顯微物鏡主要校正軸上點(diǎn)的像差和小設(shè)計(jì)顯微物鏡主要校正軸上點(diǎn)的像差和小視場(chǎng)的像差：球差視場(chǎng)的像差：球差 ，軸向色差，軸向色差 和正弦差和正弦差 ，但對(duì)較高倍率的顯微鏡，但對(duì)較高倍率的顯微鏡 ,由于數(shù)值孔徑加大由于數(shù)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(shí)校正它們的孔邊緣像差之外，還必須同時(shí)校正它們的孔徑高級(jí)像差徑高級(jí)像差 ，如孔徑高級(jí)球差，如孔徑高級(jí)球差 , 色色球差球差 ，高級(jí)正弦差，高級(jí)正弦差 。 )

23、( L) (FCL) (SC) (SNL) (FCL) (SNSC 平場(chǎng)消色差物鏡要求整個(gè)視場(chǎng)成像都比較平場(chǎng)消色差物鏡要求整個(gè)視場(chǎng)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(chǎng)曲，像散和垂軸色差。外，還要求校正場(chǎng)曲，像散和垂軸色差。 由于顯微鏡屬于目視光學(xué)儀器，因此它同由于顯微鏡屬于目視光學(xué)儀器，因此它同樣對(duì)樣對(duì)F光和光和C光消色差，對(duì)光消色差，對(duì)D光校正單色像光校正單色像差。差。 第四節(jié)第四節(jié) 目鏡設(shè)計(jì)目鏡設(shè)計(jì) 目鏡是在光學(xué)系統(tǒng)中將物鏡所成的像放大目鏡是在光學(xué)系統(tǒng)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

24、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(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型一目鏡光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型1、光學(xué)特性：、光學(xué)特性： 因?yàn)檠劬Φ耐滓c出瞳重合，故鏡目因?yàn)檠劬Φ耐滓c出瞳重合，故鏡目距不能太短，一般不應(yīng)小于距不能太短，一般不應(yīng)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(zhǎng)，要求常要求鏡目距較長(zhǎng)，要求20以上。以上。 與其它光組比較，目鏡具有以下特點(diǎn)：與其它光組比較，目鏡具有以下特點(diǎn)： 焦距短（焦距短（1040）；）； 相

25、對(duì)孔徑中等（相對(duì)孔徑中等（13110），顯微），顯微鏡目鏡較?。ㄧR目鏡較小（110）；）； 視場(chǎng)大（視場(chǎng)大（30120）；）； 光闌位于系統(tǒng)光組外部，（惠更斯目鏡光闌位于系統(tǒng)光組外部，（惠更斯目鏡例外，其光闌位于光組中間）；例外，其光闌位于光組中間）； 入瞳和出瞳遠(yuǎn)離透鏡組，入瞳遠(yuǎn)離透鏡入瞳和出瞳遠(yuǎn)離透鏡組，入瞳遠(yuǎn)離透鏡組，出瞳位于后方的一定距離上。組，出瞳位于后方的一定距離上。 二、結(jié)構(gòu)類型二、結(jié)構(gòu)類型 名稱名稱 主要技術(shù)主要技術(shù) 參數(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 主要特點(diǎn)主要特點(diǎn) 惠更斯惠更斯 2=4045由凸面對(duì)向由凸面對(duì)向物鏡的兩個(gè)物鏡的兩個(gè)平凸透鏡組平凸透鏡組成的內(nèi)焦點(diǎn)成的內(nèi)焦點(diǎn)目鏡。結(jié)構(gòu)目鏡。結(jié)

26、構(gòu)最簡(jiǎn)單，觀最簡(jiǎn)單，觀察時(shí)常用；察時(shí)常用；但不能安放但不能安放分劃板，不分劃板，不存在實(shí)像面。存在實(shí)像面。 出瞳視場(chǎng)光闌冉冉 斯斯登登 2=3040 由凸面相對(duì)由凸面相對(duì)的兩個(gè)平凸的兩個(gè)平凸透鏡組成的透鏡組成的目鏡。視場(chǎng)目鏡。視場(chǎng)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，可安不大，可安放分劃板，放分劃板，用于測(cè)試儀用于測(cè)試儀器上。器上。 出瞳視場(chǎng)光闌開涅開涅爾爾 2=4050 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像質(zhì)較好，像質(zhì)較好，應(yīng)用廣泛，應(yīng)用廣泛，是平場(chǎng)目鏡是平場(chǎng)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(fù)是正負(fù)透鏡組成的透鏡組成的膠合透鏡

27、的膠合透鏡的目鏡。目鏡。對(duì)對(duì)稱稱 2=4050 結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)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(zhǎng)鏡目距長(zhǎng)鏡目距的場(chǎng)合，的場(chǎng)合，瞄準(zhǔn)儀器瞄準(zhǔn)儀器常用。常用。 消消畸畸變變 2=4050 像質(zhì)較像質(zhì)較好，特好，特別是畸別是畸變小，變小，適用于適用于測(cè)量?jī)x測(cè)量?jī)x器。器。 柯柯尼尼希希 2=4050 是簡(jiǎn)化是簡(jiǎn)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(chǎng)（廣角）廣視場(chǎng)（廣角）目鏡目鏡視場(chǎng)比視場(chǎng)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(gòu)成兩單透鏡構(gòu)成接目正透鏡組；接目正透鏡組；三膠合組成場(chǎng)三膠合組成場(chǎng)曲小，增加出曲小，增加出瞳距，

28、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(gòu)成接鏡構(gòu)成接目正透鏡目正透鏡組；負(fù)光組；負(fù)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(xié)助校到協(xié)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(shè)計(jì)要點(diǎn)二目鏡設(shè)計(jì)要點(diǎn) 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(shè)計(jì)中，主要校正像散，垂軸色差和彗差設(shè)計(jì)中，主要校正像散，垂軸色差和彗差這三種像差。因?yàn)殄绮畈粫?huì)太大，因此，這三種像差。因?yàn)殄绮畈粫?huì)太大，因此，目鏡的設(shè)計(jì)中最重要的是校正像散，垂軸目

29、鏡的設(shè)計(jì)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(chǎng)曲，在廣角目鏡中在目鏡中一般不校正場(chǎng)曲，在廣角目鏡中只是設(shè)法使場(chǎng)曲減小些。只是設(shè)法使場(chǎng)曲減小些。 望遠(yuǎn)目鏡與物鏡像差互相補(bǔ)償望遠(yuǎn)目鏡與物鏡像差互相補(bǔ)償 在設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)目鏡時(shí)，需要考慮它與物鏡之在設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)目鏡時(shí)，需要考慮它與物鏡之間的像差補(bǔ)償關(guān)系。望遠(yuǎn)鏡物鏡的結(jié)構(gòu)一間的像差補(bǔ)償關(guān)系。望遠(yuǎn)鏡物鏡的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，只能校正球差，彗差和軸向般比較簡(jiǎn)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(chǎng)較小，這些像差一般不會(huì)很雖然由于物鏡的視場(chǎng)較小，這些像差一般不會(huì)

30、很大，但為了使整個(gè)系統(tǒng)獲得盡可能好的成像質(zhì)量，大，但為了使整個(gè)系統(tǒng)獲得盡可能好的成像質(zhì)量，物鏡殘留的像散和垂軸色差，要求由目鏡補(bǔ)償。物鏡殘留的像散和垂軸色差，要求由目鏡補(bǔ)償。 在目鏡中像散和垂軸色差兩種像差是比較容易控在目鏡中像散和垂軸色差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制的。目鏡的球差和軸向色差一般也不能完全校正，需要由物鏡來補(bǔ)償，因?yàn)樵谖镧R中這兩種像正，需要由物鏡來補(bǔ)償，因?yàn)樵谖镧R中這兩種像差也是很容易控制的。差也是很容易控制的。 彗差則盡可能獨(dú)立校正，如果在目鏡的設(shè)彗差則盡可能獨(dú)立校正，如果在目鏡的設(shè)計(jì)中，在優(yōu)先考慮像散和垂軸色差的校正計(jì)中，在優(yōu)先考慮像散和

31、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(jìn)行補(bǔ)償。用物鏡的彗差進(jìn)行補(bǔ)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(gè)系統(tǒng)像差得到很好的校正，可差，但整個(gè)系統(tǒng)像差得到很好的校正，可以使系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到提高以使系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到提高。 以上所述是在目鏡和物鏡盡可能獨(dú)立校正以上所述是在目鏡和物鏡盡可能獨(dú)立校正像差的前提下，進(jìn)一步考慮它們之間的像像差的前提下，進(jìn)一步考慮它們之間的像差補(bǔ)償問題，這是對(duì)要求在物鏡后焦面差補(bǔ)償問題，這是對(duì)要求在物鏡后焦面（即目鏡前焦面）上安裝分劃板的望遠(yuǎn)系（即目鏡前焦面）上安

32、裝分劃板的望遠(yuǎn)系統(tǒng)來說的。統(tǒng)來說的。 如果系統(tǒng)中不要求安裝分劃板，則物鏡和如果系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)統(tǒng)算時(shí)對(duì)目鏡的像差校正可以按整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)算時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行再優(yōu)化，使系統(tǒng)整體光學(xué)性整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行再優(yōu)化，使系統(tǒng)整體光學(xué)性能更佳。能更佳。 對(duì)顯微鏡目鏡來說，由于不同倍率的物鏡對(duì)顯微鏡目鏡來說，由于不同倍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(bǔ)償問題，一般都采取獨(dú)立和目鏡的像差補(bǔ)償問題，一般都采取獨(dú)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(xué)儀器的一個(gè)組成部分，由于目鏡是目視光學(xué)儀器

33、的一個(gè)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(duì)光消色差，對(duì)D光或光校正單色像差。光或光校正單色像差。 設(shè)計(jì)操作設(shè)計(jì)操作 在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)，通常按反向光路進(jìn)行設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)，通常按反向光路進(jìn)行設(shè)計(jì) ，如下圖所示如下圖所示 假定物體位于無限遠(yuǎn)處，入瞳在目鏡的前假定物體位于無限遠(yuǎn)處，入瞳在目鏡的前方，在它的焦平面上計(jì)算像差，當(dāng)物鏡按方，在它的焦平面上計(jì)算像差，當(dāng)物鏡按正向光路計(jì)算像差，目鏡按反向光路計(jì)算正向光路計(jì)算像差，目鏡按反向光路計(jì)算像差時(shí)，它們之間像差的組合關(guān)系如下：像差時(shí)，它們之間像差的組合關(guān)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

34、等的條件下為孔徑角相等的條件下為L(zhǎng)FCLts)()(反向光路正向光路目物組合LLL 其他軸向像差的關(guān)系類似。其他軸向像差的關(guān)系類似。 垂軸像差（如垂軸像差（如 , , 等）等） 其他軸向像差的關(guān)系類似。其他軸向像差的關(guān)系類似。 由由，得，可以用來計(jì)算物鏡按正向光得，可以用來計(jì)算物鏡按正向光路設(shè)計(jì)，目鏡按反向光路設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的組路設(shè)計(jì)，目鏡按反向光路設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)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(shù)傳遞函數(shù) 對(duì)直視微光夜視儀用的大孔徑，大視場(chǎng)目對(duì)直視微光夜視儀用的大孔徑，大視場(chǎng)目鏡的傳遞函數(shù)也有較高的要求。鏡的傳遞函數(shù)也有較高的要求。 規(guī)定對(duì)規(guī)定對(duì)

35、 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(duì)于普通目鏡可斟酌情況放寬要求。對(duì)于普通目鏡可斟酌情況放寬要求。 另外，雙目系統(tǒng)對(duì)光軸平行差，放大率和另外，雙目系統(tǒng)對(duì)光軸平行差，放大率和相對(duì)像傾斜都要有一定的要求，視具體配相對(duì)像傾斜都要有一定的要求，視具體配用什么樣的儀器而定。用什么樣的儀器而定。 第五節(jié)第五節(jié) 照相物鏡的設(shè)計(jì)照相物鏡的設(shè)計(jì)一、照相物鏡的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)形式一、照相物鏡的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)形式1、光學(xué)特性、光學(xué)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(duì)孔徑相對(duì)孔徑 D/f 和視場(chǎng)角和視場(chǎng)角2 這三個(gè)光學(xué)

36、特性這三個(gè)光學(xué)特性參數(shù)決定。參數(shù)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(zhǎng)的可能達(dá)到有幾毫米，長(zhǎng)的可能達(dá)到23，甚至更長(zhǎng)。甚至更長(zhǎng)。 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑 D/f ：小的只有：小的只有1：10，甚至更小，大的可能達(dá)到甚至更小，大的可能達(dá)到1：0.7。 視場(chǎng)角視場(chǎng)角 2 ：小的只有：小的只有23，甚，甚至更小至更小 ，大的可達(dá)到，大的可達(dá)到 140。 照相物鏡的三個(gè)光學(xué)特性之間是互照相物鏡的三個(gè)光學(xué)特性之間是互相關(guān)聯(lián)相關(guān)聯(lián) ，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(xué)特性。照相物鏡的光學(xué)特性。 可用經(jīng)驗(yàn)公式可用經(jīng)驗(yàn)公式 通常用上式來表示三個(gè)光

37、學(xué)性能參數(shù)通常用上式來表示三個(gè)光學(xué)性能參數(shù)間的關(guān)系。對(duì)照相物鏡，間的關(guān)系。對(duì)照相物鏡， 0.24. 同時(shí)，也可用拉赫不變量表征一個(gè)物同時(shí)，也可用拉赫不變量表征一個(gè)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(xué)性選用照相物鏡的原則是：既能滿足光學(xué)性能和成像質(zhì)量的要求，而結(jié)構(gòu)又最簡(jiǎn)單。能和成像質(zhì)量的要求，而結(jié)構(gòu)又最簡(jiǎn)單。 為此本節(jié)介紹一些基本類型照相物鏡和它為此本節(jié)介紹一些基本類型照相物鏡和它們的復(fù)雜化結(jié)構(gòu)型式，以及它們所能達(dá)到們的復(fù)雜化結(jié)構(gòu)型式，以及它們所能達(dá)到的光學(xué)性能。的光學(xué)性能。 三片型照相物

38、三片型照相物鏡鏡 視場(chǎng)角視場(chǎng)角 2 =4050 . 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑 D/f =1415，是，是具有中等光學(xué)特性具有中等光學(xué)特性的照相物鏡中最簡(jiǎn)的照相物鏡中最簡(jiǎn)單、像質(zhì)較好的一單、像質(zhì)較好的一種。種。 這種照相物鏡進(jìn)一步復(fù)雜化的目的，大多這種照相物鏡進(jìn)一步復(fù)雜化的目的，大多是為了增大相對(duì)孔徑，或提高視場(chǎng)邊緣成是為了增大相對(duì)孔徑，或提高視場(chǎng)邊緣成像質(zhì)量。如下面三個(gè)圖所示：像質(zhì)量。如下面三個(gè)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(gè)膠合面改善成一個(gè)膠合面改善成像質(zhì)量，也是一種像質(zhì)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。

39、 右圖（）為右圖（）為加入兩個(gè)膠合加入兩個(gè)膠合面的結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu) ，它，它可以使像質(zhì)進(jìn)可以使像質(zhì)進(jìn)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(chǎng)具有較大視場(chǎng)(大大約約 =40左右左右)的的物鏡，相對(duì)孔徑最物鏡，相對(duì)孔徑最先達(dá)到先達(dá)到1：2。2 雙高斯照相物鏡的演變型式很多，它的復(fù)雙高斯照相物鏡的演變型式很多，它的復(fù)雜化目的是為了改善成像質(zhì)量，如下圖雜化目的是為了改善成像質(zhì)量，如下圖（）（）所示，是為了增大相對(duì)孔徑。（）（）所示，是為了增大相對(duì)孔徑。 二照相物鏡設(shè)計(jì)的一般方法二照相物鏡設(shè)計(jì)的一般方法 初始結(jié)構(gòu)形式的確定初始結(jié)構(gòu)形式的確定 照相物鏡中高級(jí)像差比較大，結(jié)構(gòu)也比較照相物鏡中高級(jí)像差比較大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。復(fù)雜。 照相物鏡設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)一般都不用求