典型光学系统-望远镜-适用学生自己做课件讲义

1、 望远镜系统望远镜系统 工程光学工程光学实用光学系统之实用光学系统之 一、看得更远，一直以来都是人类的 梦想 中国古代浑天仪 古代西方人所观察得到的星座图 现代哈勃望远镜所拍的照片 二、望远系统的视觉放大率 1.望远镜的作用：当物体对人眼的张角小于人眼的分辨角时， 人眼将看不清物体，需要用望远镜将视角放大。 2.望远镜由物镜和目镜构成，其特点是物镜的像方焦点跟目镜物镜的像方焦点跟目镜 的物方焦点重合。的物方焦点重合。 3.望远系统的目镜可以采用正光组，也可以采用负光组。 4.视觉放大率的定义 视觉放大率 =y/y=tan/tan (1) 望远镜的视觉放大率就是其角的放大率。 设 无穷远处物体在

2、物镜焦平面上成像大小为y，由像高决定 望远镜的物方视场角为: tan=-y(o)/f（o） 物镜的像也是目镜的物，则物高决定目镜像方视场角为: tan=y(e)/f（e） 带入（1）式得： =-f(o)/f(e) (2) 由(2)式得到一个重要概念： 望远镜的放大率为物镜的焦距跟目镜的焦距之比。 5.若为正，则像是正立的，目镜采用负光组，为伽利略型望 远镜； 若为负，则像是倒立的，目镜采用正光组，为开普勒型望 远镜。 开普勒型望远镜开普勒型望远镜 一、开普勒型望远镜的工作原理 1. 由物镜和目镜构成，其特点是物镜的像方焦点与目镜的物方焦 点重合。 2. 远处的物体经物镜成像在物镜的像方焦面处，

3、同时也在目镜的 物方焦面处，再被目镜成像在无限远处。 3. 与显微镜不同的是望远镜的物镜焦距较长，因此目镜可以采用 正光镜也可以采用负光镜。 2.采用正光组目镜的开普勒型望远镜 筒长较长，有实像面，可加分划板测量，用于观察要加转像系 统，结构复杂。物镜框为望远镜系统的孔阑，当出瞳大于眼瞳 时，眼瞳为孔阑，当出瞳小于眼瞳时物镜框为孔阑。 二、开普勒望远镜视觉放大率的分 析 1.当人眼直接观察远距离物体时，物体对人眼的 张角与望远镜对物体成像的物方视场角相同，即 ： tan?=tan 2.人眼通过系统看到的像对人眼的张角就是望眼 镜对物体成像的像方视场角，根据视觉放大率的 定义得出： 这说明望远镜

4、的视觉放大率等于其角放大率。 开普勒型望远镜的目镜为正光组，所以成像为倒像。 望远镜的视觉放大率是由其组合方式决定的，与物像共轭位置 无关。 欲增大视觉放大率，必须增大物镜的焦距或减小目镜的焦距， 但是开普勒望远镜的目镜焦距不能小于6mm，以便是望远系 统保持一定的出瞳距来与人眼瞳孔重合。 因此，增大物镜焦距是提高放大率的主要途径。 因为一个光学系统的角放大率和垂轴放大率互为倒数，所以： =1/ =1/ 由此可见，望眼镜望远镜并没有放大物体，而是缩小成像。能 够让人眼通过望远镜看清远距离物体是视角放大的结果，而非 尺寸上放大物体。 伽利略型望远镜伽利略型望远镜 伽利略望远镜 伽利略望远镜的成像

5、原理 伽利略望远镜与开普勒望远镜的区别 望远镜的放大率是物镜的焦距与目镜的焦距之比。物镜为正光组，而 目镜可以是正光组或负光组，视觉放大率因此可能为正值或负值。若 放大率为正值，则像是正立的；反之，则像是倒立的。开普勒望远镜 的目镜为正光组，成倒像，而伽利略望远镜成正像。 由式子可以看出，望远镜的视觉放大率是由其组合方式决定的，与物 象共轭位置无关。欲增大视觉放大率，必须增大物镜的焦距或减小目 镜的焦距，但目镜的焦距不能过小尤其是开普勒望远镜，目镜焦距不 得小于6mm，以便使望远系统保持一定的出瞳距来与人眼重合，因 此，增大物镜焦距是提高放大率的主要途径。手持望远镜由于易抖动 的缘故，放大率一

6、般不超过10倍，大地测量仪器中的望远镜视觉放 大率约为30倍。天文望远镜需要很高的放大倍率，因为物镜焦距很 长，所以常用反射式结构。 根据第三章的介绍可知，一个光学系统的角放大率和垂轴放大率互为 倒数，由此可以得出望远镜的垂轴放大率为 =1/ =1/ =-fe/f0 该式说明，望远镜的垂轴放大率绝对值小于1，即从物体成像的几何 尺寸上看，望远镜系统并没有放大物体，而是缩小成像。能让人眼通 过望远镜看清远距离物体是视角放大的结果，而并非尺寸上物体放大 。 垂轴放大率与物体位置无关，可以通过任意一对物象关系获得。利用 入瞳和出瞳这一对系统共轭物象也可以计算视觉放大率，即 =-fe/f0=-D/D

7、式中，D和D分别是望远镜的入瞳和出瞳的大小。 三、望远系统的分辨力和有效放大率 （一）望远系统的分辨力 瑞利判据：两个相邻点之间的间隔等于艾里斑的半径a时，能 被光学系统分辨。 根据衍射理论，艾里斑半径a=0.61/nsinua=0.61/nsinu 分辨角为理想像点的艾里斑半径与物镜的焦距之比： =a/f=a/fO O=0.61/n sinu f=0.61/n sinu fO O 因为像空间折射率n=1,sinu=D/(2fO),取=0.000555=0.000555， 可得 =140/D=140/D（） 道威判据：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距离为0.85a时 ，能被光学系统分辨。 根据

8、道威判据，得： =120/D=120/D（） 由上面可得： 望远镜的极限分辨角与入瞳直径成反比，入射光瞳直径 D越大，极限分辨能力越强。 （二）、望远系统的有效放大率 两个观察物点若能被望远镜分辨， 通过望远镜有效放大后的视角必须达 到人眼视觉得分辨力60 视角放大率和分辨力的关系满足： 6060 =D/2.3=D/2.3 视角放大率满足人眼分辨匹配要求 的最小视角放大率，称为有效放大率。 望远镜的光束限制 （一）开普勒型望远镜 1.物镜设为孔径光阑，也是入瞳。出瞳位于目镜像方焦 点稍外的地方。为与人眼匹配，出瞳直径一般为24mm。 2.出瞳到目镜后表面的距离为镜目距，用P表示。根据 牛顿公式

9、，得： P-l=f-l=f2 2e e/f/fo o=-f=-fo o/ P=lP=lf f-f-fe e/ 物体经物镜成实像，实像处设置分划板，分划板构成视 光阑，决定望远镜的物方视场角。 tan=y/fo y是视场光阑半径，即分划板半径。 （二）伽利略型望远镜 1.伽利略型望远镜以人的瞳孔为孔径光阑， 同时也是望远镜的出瞳。入瞳经望远镜成 像与人眼的后方。物镜框为视场光阑。 2.当物镜的口径确定后，伽利略型望远镜 视场因渐晕系数不同而不同。 设物镜直径为D，物镜像的直径为D，入瞳，入瞳 到物镜的距离为到物镜的距离为l l，出瞳到物镜的距离为，出瞳到物镜的距离为l,l, 渐晕系数渐晕系数K=

10、0.5K=0.5视场角为视场角为 tan=-D/2ltan=-D/2l，tan=-D/2ltan=-D/2l 视场放大率视场放大率=tan/tan=-D/Dtan/tan=-D/D l lZ Z=2 2l=l=2 2（-l+l-l+lZ Z） 故 tan=-D/2ltan=-D/2lZ Z=-D/2=-D/2（L+lL+lZ Z） 式中L=fO+fE为望远镜的机械筒长，llZ Z为眼为眼 睛到目镜的距离。睛到目镜的距离。 伽利略型望远镜的极限视场是由入射窗的 边缘和相反方向的入瞳光线决定的。即： tantanmax max=- =-（D+DD+DP P）/2/2（L+lL+lZ Z） D DP

11、 P是入瞳直径。是入瞳直径。 伽利略型望远镜的视觉放大率越大，视场伽利略型望远镜的视觉放大率越大，视场 越小。越小。所以视觉放大率一般不宜过大。所以视觉放大率一般不宜过大。 四四、望远镜的转像系统、望远镜的转像系统 通过开普勒望远镜目镜所看到的是倒像。在一 般情况下，为了使用方便等，需要加入转像系统。 转像系统有下列几个作用：将物镜所成的像颠倒， 使得到在目镜前焦平面上得到正像，便于观察；利用 转像棱镜以缩短或增长镜筒长度；利用转像棱镜折转 光轴，使目镜位于使用要求的位置；当望远镜需要周 视时用以补偿像的倾斜，从而在目镜前焦平面上保持 正像。 （1）单透镜转像系统 （2）双透镜转像系统 物镜

12、转向 镜 目 镜 L 物 镜 1 23 4 转向镜 目 镜 d fafb 场 镜 （3）棱镜转向系统 保罗棱镜 保罗棱镜(Porro Prism)又叫普罗棱镜，是光学 上使用于光学仪器中，用来修改影像取向的一种 折射式三棱镜。 在使用上，光线由三棱镜中最 大的面进入，经过斜面的两次全反射，再穿透原 来的入射平面射出，影像会被翻转180，并且 会向原来进入的方向行进，也就是行进的方向也 改变了180。 保罗棱镜最常被以双保罗棱镜的组合来成对使用， 第二个棱镜相对于第一个被旋转90。让光线穿 越这样安置的两片三棱镜，棱镜系统的净效应是 入射的光线被平行的改变行进方向，影像被旋转 180，双保罗棱镜系统适用于小型光学望远镜 在影像方向的改变（影像重建系统的排列），特 别是在许多的双筒望远镜中提供影像的重建和更 长的光路折叠，有效的缩短物镜和目镜间的距离。 通常，在双保罗棱镜的组合中，会将两个棱镜胶 合在一起，并且削除多余的部分以减经重量和缩 小尺寸。 保罗棱镜光路图 屋脊棱镜 屋脊棱镜体积较小而且可以使物镜和目镜 位于一条直线上，因此常用于极紧凑的双 筒镜。与普罗棱镜相比，屋脊棱镜有两个 主要的缺点，一是光线的损失多，成像较 暗；二是对装配精度要求高，难于制造， 价格也较贵。 屋脊棱镜关键在于存在屋脊面，所谓屋脊 面就是光路里面会遇到一个屋脊形