應(yīng)用光學(xué)課件：ch9 望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡

1、hubble space telescope,第九章,望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡,主要研究內(nèi)容,技術(shù)要求,光學(xué)系統(tǒng)原理圖,優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),初步設(shè)計,像差設(shè)計,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的流程圖,9-1 望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)性能和技術(shù)條件,光學(xué)性能 視放大率 - 視場角 - 2 出曈直徑 D 出曈距離 lz 技術(shù)條件 分辨率 - 視差角 - 其他要求 軍用 - 外形、體積和重量 雙眼儀器 光軸平行性、相對像傾斜,視放大率的初步確定 儀器的精度 觀察儀器 儀器的分辨角 瞄準(zhǔn)儀器 瞄準(zhǔn)誤差（與瞄準(zhǔn)方式有關(guān)） 壓線瞄準(zhǔn) 對線、雙線、叉線瞄準(zhǔn) 測距儀器 測距誤差,視放大率 - ,視放大率與其他因素之間的關(guān)系 與儀器體積、重量的關(guān)系

2、與視場2的關(guān)系 儀器的使用條件,視放大率 - ,視放大率與其他因素之間的關(guān)系 望遠(yuǎn)鏡的有效放大率 一定的物鏡口徑條件下，儀器的衍射分辨率已定，無限度地提高視覺放大率也是無意義的。 符合上述關(guān)系的視放大率稱為望遠(yuǎn)鏡的有效放大率。,視放大率 - ,視場角與視放大率必須同時考慮 對于一定視場角的目鏡，望遠(yuǎn)鏡的視場與視放大率成反比。 常用目鏡的視場角2約為40o70o。 對于雙眼儀器，要考慮兩目鏡之間的最小瞳孔間隔。,視場角 - 2,和出曈直徑直接相關(guān)的是儀器的主觀量度 儀器的出曈直徑應(yīng)該不小于人眼的瞳孔直徑。 出曈直徑還間接與儀器的衍射分辨率有關(guān) 儀器使用條件對出曈直徑有要求。,出曈直徑 D,一般的

3、儀器出曈距離不小于6mm 軍用儀器出曈距離不小于20mm 武器上的瞄準(zhǔn)鏡，出曈距離可達(dá)數(shù)十毫米。,出曈距離 lz,9-2 望遠(yuǎn)鏡的物鏡,物鏡的光學(xué)特性：焦距、相對孔徑和視場 焦距 相對孔徑 視場,常用望遠(yuǎn)鏡物鏡的種類,折射式望遠(yuǎn)物鏡 兩片鏡組、三片鏡組、攝遠(yuǎn)物鏡等 反射式望遠(yuǎn)物鏡 牛頓系統(tǒng)、格里高里系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)等 折反射式望遠(yuǎn)物鏡 施米特物鏡、馬克蘇托夫物鏡、同心系統(tǒng)等,常用折射式望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,雙膠物鏡 視場：一般不超過8o 10o 相對孔徑：與焦距有關(guān)。一般最大口徑不超過100mm。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，光能損失小。,常用折射式望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,雙單和單雙物鏡

4、 適用于大相對孔徑望遠(yuǎn)物鏡，其相對孔徑可達(dá)1：2,常用折射式望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,攝遠(yuǎn)物鏡 系統(tǒng)的總長度小于物鏡的焦距，可縮短儀器的外形尺寸 能增加視場 相對孔徑較小,反射式望遠(yuǎn)物鏡,大口徑望遠(yuǎn)鏡均采用反射式物鏡。 優(yōu)點： 完全沒有色差 可以在紫外到紅外很大波長范圍內(nèi)工作 反射鏡的材料比透鏡的材料容易制造，特別對大口徑零件 缺點 加工精度要求高,常用反射式望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,牛頓系統(tǒng) 一個拋物面和一塊與光軸成45o的平面反射鏡構(gòu)成,常用反射式望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,格里高里系統(tǒng) 一個拋物面主鏡和一個橢球面副鏡構(gòu)成 成正像；系統(tǒng)較長,常用反射式望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,卡塞格林系統(tǒng)

5、一個拋物面主鏡和一個雙曲面副鏡構(gòu)成 成倒像 系統(tǒng)長度短 視場可擴(kuò)大,Hubble Space Telescope,Hubble Space Telescope,Hubble Space Telescope,9-3 望遠(yuǎn)鏡的目鏡,目鏡的光學(xué)特性：像方視場角、相對出曈距離和工作距離 像方視場角 目前，提高望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率和視場主要是受到目鏡視場的限制。一般目鏡的視場為40o50o。,相對出曈距離 目鏡的出曈距離和目鏡焦距之比。 目鏡的相對出曈距離直接影響儀器的外形尺寸。 目鏡的相對出曈距離影響目鏡的結(jié)構(gòu)。 一般目鏡的相對出曈距離為0.50.8。,工作距離 目鏡第一面頂點到物方焦平面的距離。 對于

6、有分劃板的望遠(yuǎn)鏡，為了保證在調(diào)負(fù)視度時目鏡的第一面不至于與分劃板相碰，要求目鏡的工作距離大于目鏡的視度調(diào)節(jié)所需要的最大軸向移動量。,望遠(yuǎn)目鏡,目鏡的球差與軸向色差一般比較小 目鏡主要校正與視場有關(guān)的像差： 慧差、像散、場曲、畸變和垂軸色差 對于目鏡的光闌球差有一定的要求 光闌球差就是孔徑光闌經(jīng)過其后方的光學(xué)系統(tǒng)成像時的球差,常用望遠(yuǎn)目鏡的型式和光學(xué)特性,惠更斯目鏡 視場角2=40o50o 相對出曈距l(xiāng)z/f =1/4 焦距不小于15mm 天文望遠(yuǎn)鏡常采用惠更斯目鏡,常用望遠(yuǎn)目鏡的型式和光學(xué)特性,冉斯登目鏡 場鏡向接目鏡移近，使物鏡的像平面移出目鏡，可以設(shè)置分劃板 視場角2=30o40o 相對出

7、曈距l(xiāng)z/f =1/3 大地測量儀器常采用冉斯登目鏡，一般用作測量和讀數(shù)。,常用望遠(yuǎn)目鏡的型式和光學(xué)特性,凱涅爾目鏡 由場鏡和雙膠合接目鏡組成，像質(zhì)優(yōu)于冉斯登目鏡。 視場角2=45o50o 相對出曈距l(xiāng)z/f =1/2,常用望遠(yuǎn)目鏡的型式和光學(xué)特性,無畸變目鏡 無畸變目鏡并非完全校正了畸變，只是畸變小些，如在40o視場時的相對畸變?yōu)?%4% 視場角2=48o 相對出曈距l(xiāng)z/f =3/4 適用于測量儀器,常用望遠(yuǎn)目鏡的型式和光學(xué)特性,長出曈距目鏡 視場角2=40o 相對出曈距l(xiāng)z/f =1.37 適用于軍用儀器,除此之外，還有對稱目鏡，廣角目鏡，超廣角目鏡等。目鏡的型式較多，設(shè)計時，在滿足光學(xué)

8、特性要求時，要兼顧成像質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的簡單化。,9-4 望遠(yuǎn)鏡的外形尺寸計算,根據(jù)光學(xué)特性和外形、體積等要求，擬定光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。 系統(tǒng)采用幾個透鏡組，成像關(guān)系，各光學(xué)零件的大體位置 確定每個透鏡組的光學(xué)特性 焦距、相對孔徑和視場角 選擇系統(tǒng)的成像光束位置，計算每個透鏡的通光口徑 根據(jù)成像質(zhì)量和光學(xué)特性的要求，選定系統(tǒng)中每個透鏡組的型式。,設(shè)計實例：簡單的開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng),設(shè)計一個開普勒系統(tǒng)。 鏡筒長度175mm 視覺放大率-6x 視場角7o 出瞳直徑4mm,9-5 顯微鏡概述和顯微鏡的光學(xué)性能,按照用途分類 生物顯微鏡 金相顯微鏡 工具顯微鏡 按照照明方式分類 透射式照明、反射式照明 視場照

9、明、暗視場照明 顯微技術(shù)的發(fā)展,顯微鏡的光學(xué)性能,視覺放大率 線視場 出瞳直徑 出瞳距離 工作距離,視覺放大率,有效視覺放大率,線視場,被觀察物體的最大尺寸，表征顯微鏡的觀察范圍。 顯微鏡線視場取決于放在目鏡前焦面上的視場光闌的大小,出瞳直徑與出瞳距離,通常顯微鏡出瞳直徑較小，一般小于眼瞳的直徑。 出瞳距離一般在10mm以上。,工作距離,物鏡第一個表面頂點到被測物件的距離。它與物鏡的倍率和數(shù)值孔徑密切相關(guān)。,小數(shù)值孔徑的物鏡：1517mm 大數(shù)值孔徑的物鏡：0.10.06mm,9-6 顯微鏡的物鏡,顯微物鏡的主要光學(xué)特性： 數(shù)值孔徑和垂軸放大率 顯微鏡的放大率大約在2.5100范圍內(nèi)，數(shù)值孔徑NA隨放大率增大而增大。,由雙膠合物鏡組成 = 36 NA = 0.10.15,低倍物鏡,由兩組雙膠合透鏡組成，稱為里斯特物鏡 = 810 NA = 0.250.3,中倍物鏡,高倍物鏡,在里斯特物鏡前加一半球透鏡，其第二面為齊明面。這種物鏡稱作“阿米西”物鏡 = 40