应用光学(第七章)3

1、显微系统的物镜显微系统的物镜（一）显微物镜的特点（一）显微物镜的特点v在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：v数值孔径数值孔径v放大率放大率vNA的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的 主要性能指标。主要性能指标。v对于不同倍率的物镜，像方视场对于不同倍率的物镜，像方视场2y为一定值，所以高为一定值，所以高倍物镜视场小。倍物镜视场小。l lmaxUsinnNA yy22v线视场线视场精密测测量用的显显微物镜镜就有以下特点： 1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一、在满足一定瞄准和

2、读数精度的条件下，物镜放大率一般不高，约在般不高，约在1x10 x之间；之间；v2、物镜的放大率要求严格准确，允差、物镜的放大率要求严格准确，允差0.050.1%；v6、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上，构成设置在物镜的像方焦平面上，构成物方远心光路物方远心光路。v3、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零 件的要求；件的要求；v4、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求 较高；较高；v5、物镜的数值孔径较小（

3、、物镜的数值孔径较小（最常用最常用NA=0.1)；为了保证像；为了保证像的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的（二）显显微物镜镜显微物镜根据用途不同分为：显微物镜根据用途不同分为：v消色差显微物镜消色差显微物镜v复消色差物镜复消色差物镜v平场消色差物镜平场消色差物镜v40X0.95复消色显微物镜复消色显微物镜v普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。v平场复消色差物镜平场复消色差物镜v40X0.85平场复消

4、色显微物镜平场复消色显微物镜v折反射显微物镜折反射显微物镜按数值数值孔径径NA的大小由四种种型式1、双胶双胶型 =15x NA=0.10.15v 2、李斯特型、李斯特型 =820 x NA=0.250.30v 3、阿米西型、阿米西型 =2540 x NA=0.400.65v 4、阿贝油浸型阿贝油浸型 =90100 x NA=1.251.40精密测测量中的显显微镜镜，使用高倍物镜镜的不多。一般均采用低倍和中倍物镜镜；但要求平像场场；所以与与同倍其它它物镜镜相比，其结构结构形式比较复杂较复杂。v下图是工具显微镜下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场物镜的两种结构。视场20mm，工作距离，工作距离

5、80mm，数值孔径，数值孔径0.03。孔径光阑孔径光阑孔径光阑孔径光阑v下图是工具显微镜下图是工具显微镜3X及及5X物镜的结构。视场分别为物镜的结构。视场分别为6.7mm和和4mm，工作距离，工作距离80mm和和53mm，数值孔径，数值孔径0.09和和0.15。下图图是工具显显微镜镜10X物镜镜的结构结构。视场视场2mm，工作距离20mm，数值数值孔径径0.16。下图图是工具显显微镜镜40X物镜镜的结构结构。视场视场0.5mm，工作距离10.5mm，数值数值孔径径0.35。孔径光阑孔径光阑第四节第四节 望远系统一、望远系统的一般性质一、望远系统的一般性质物镜（入瞳）视场光阑目镜出瞳F1F2物镜

6、的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，光光学间隔学间隔=0。 使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学系统系统称为称为望远系统或望远镜望远系统或望远镜。 fD.D f.r2212211暗按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远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）可表示为半径（即爱里斑半径）可表示为 式中，式中，波长，波长，D入射光瞳直径。入射光瞳直径。对望远物镜，其出瞳与入瞳可认为与物镜重合。对望远物镜，其出瞳

7、与入瞳可认为与物镜重合。D/f可认为是物镜的可认为是物镜的相对孔径相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳中心的张角中心的张角来表示的，称为来表示的，称为最小分辨角最小分辨角。与爱里斑半径之间有如下关系：与爱里斑半径之间有如下关系： f/r1暗)rad(D.221)s(DD.1402062650005550221将将r暗暗1公式公式代入上式中得代入上式中得现以人眼最灵敏的波长现以人眼最灵敏的波长=550nm代入，得到代入，得到可见，以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率

8、时，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）。它仅决定于物镜的孔径（入瞳直径）。对于目视系统来说有意义的是对于目视系统来说有意义的是视角放大率视角放大率fftgtgtgtg210即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角的的正切与眼睛直接观察该物体时的视角正切与眼睛直接观察该物体时的视角0 正切之正切之比。比。由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多，要大得多，0与物体对入射光瞳中心的张角与物体对入射光瞳中心的张角可可认为相等认为相等因此望远镜的视角放大率以因此望远镜的视角

9、放大率以表示，与望远镜的表示，与望远镜的角放大率角放大率相同，即相同，即fDfD2122DD1由于垂轴放大率由于垂轴放大率为常数（因为为常数（因为 ）即可）即可用出瞳直径用出瞳直径D和入瞳直径和入瞳直径D之比表示，所以之比表示，所以视角放大率视角放大率仅仅仅仅取决于望远系统的结构参数取决于望远系统的结构参数。严格来说，望远镜应该用来观察无限远物体。严格来说，望远镜应该用来观察无限远物体。但实际实际上，由于人眼能从从无限远远至明视视距离的范围内围内自由地调节调节，故人眼通过过望远镜观远镜观察物空间间时时的对应对应量，可用下式表示： xx2式中式中 x 像至目镜像方焦点的距离。像至目镜像方焦点的距

10、离。 x 物体至物镜物方焦面的距离；物体至物镜物方焦面的距离；在实际设计中，确定视角放大率要考虑许多因在实际设计中，确定视角放大率要考虑许多因素，其中包括素，其中包括仪器的精度要求仪器的精度要求、目镜的结构型目镜的结构型式式、望远镜的视场角望远镜的视场角、仪器的结构尺寸仪器的结构尺寸等等。等等。60表示表示观测仪器观测仪器精度的指标精度的指标是它的是它的最小分辨角最小分辨角。若以若以60作为人眼的分辨极限，为使望远镜所能作为人眼的分辨极限，为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨即分辨的细节也能被人眼分辨即达到了充分利用达到了充分利用望远镜分辨率的目的望远镜分辨率的目的望远镜的视角放大率应与其最

11、小分辨角望远镜的视角放大率应与其最小分辨角有有如下关系：如下关系：把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：3214060.DD这就是望远镜应该具备的这就是望远镜应该具备的最小视角放大率最小视角放大率。也是也是正常放大率正常放大率。为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时应用大于正常分辨率的工作分辨率来作为望应用大于正常分辨率的工作分辨率来作为望远系统的视角放大率。远系统的视角放大率。6010工作放大率工作放大率常常为正常放大率为正常放大率的的1.53倍倍。若取若取2.3倍，则倍，则=D。在瞄准仪器中，仪器的精度用在瞄准仪器

12、中，仪器的精度用瞄准误差瞄准误差来来表示，它与瞄准方式有关。表示，它与瞄准方式有关。若是若是压线瞄准压线瞄准时：时：若是若是对线、双线对线、双线或或叉线瞄准叉线瞄准时：时：由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。量精度越高。二、伽利略望远镜远镜和开开普勒望远镜远镜伽利略望远镜远镜是由物镜镜和负负目镜镜按光学间学间隔=0=0的方式组组合而成。F1F2出瞳df1df1,具有筒长短、体积小、重量轻等特点；具有筒长短、体积小、重量轻等特点；这种望远镜这种望远镜没有中间实像面没有中间实像面，无法安置分划板无法安置分划板，不能直接作为瞄准和精确定位之用。不能

13、直接作为瞄准和精确定位之用。上面的光路图图是在不考虑虑眼瞳作用时时，伽利略望远镜远镜的物镜镜框就是整个个系统统的入射光瞳。F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗由于眼瞳无法与之重合，所以轴外光束中有一部由于眼瞳无法与之重合，所以轴外光束中有一部分光线不能进入眼眶，而产生拦光现象。分光线不能进入眼眶，而产生拦光现象。若把若把眼瞳眼瞳也作为一个也作为一个光孔光孔来考虑，它就是整个系来考虑，它就是整个系统的统的出射光瞳出射光瞳，也是，也是孔径光阑孔径光阑。F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗该光阑被目镜和物镜所成的像位于眼

14、瞳之后，该光阑被目镜和物镜所成的像位于眼瞳之后，是一个放大的虚像，这就是系统的入射光瞳。是一个放大的虚像，这就是系统的入射光瞳。这时伽利略望远镜的视场光阑为物镜框，被这时伽利略望远镜的视场光阑为物镜框，被目镜所成的像位于物镜和目镜之间，就是系目镜所成的像位于物镜和目镜之间，就是系统的出射窗。统的出射窗。入瞳中心对对入窗的张张角即系统统的视视角2，眼瞳的位置和系统统的放大率都影响响着实际视场实际视场的大小F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlp 入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。F1，F2O1O2P物

15、镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlplLDlDtgp22伽利略望远镜的视场角伽利略望远镜的视场角、物镜直径、物镜直径D、眼瞳位、眼瞳位置置lp以及系统的放大率以及系统的放大率之间有如下的关系：之间有如下的关系：说说明，伽利略望远镜远镜在物镜镜口径径一定时时，倍率越高，视场视场越小。 伽利略就是利用这种望远镜发现了木星的卫星。伽利略就是利用这种望远镜发现了木星的卫星。 这种结构的望远镜多被采用为激光的发射系这种结构的望远镜多被采用为激光的发射系统，做为激光准直仪的一个组成部分。统，做为激光准直仪的一个组成部分。 开普勒望远镜是在开普勒望远镜是在1611年在开普勒的光学

16、术年在开普勒的光学术中介绍的。中介绍的。 开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样就克服了伽利略望远镜中间没有实像的缺点。就克服了伽利略望远镜中间没有实像的缺点。 因为最后成倒像，系统需要考虑转像系统的安因为最后成倒像，系统需要考虑转像系统的安置以便正像，结构上要比伽利略望远镜复杂。置以便正像，结构上要比伽利略望远镜复杂。 这样就具备了测量和瞄准的条件。这样就具备了测量和瞄准的条件。下图为开图为开普勒望远镜远镜的光路图图：物镜（入瞳）目镜视场光阑出瞳被目镜拦掉部分v目镜的口径如果足够大，开普勒望远镜中的光束将目镜的口径如果足够大，开普勒望远镜中的光束将没

17、有渐晕现象。没有渐晕现象。出瞳直径径D和出瞳距p出瞳直径径是望远镜远镜的一项项重要性能指标标出瞳直径径的确定如下：望远镜远镜的主观观亮度决决定于出瞳面上的发发光强度发发光强度与与出瞳直径径的平方成正比出瞳直径径的平方之称为称为“光强度”或“光力”决决定了望远镜远镜射出的光能的大小从从景深角度考虑虑，出瞳直径径越大，景深越小出瞳距使出瞳到目镜镜最后一面透镜顶镜顶点的距离当当出瞳满满足定义义要求，出瞳距应应考虑虑到人眼观观察的特点和使用情况况，一般不小于6mm。视场视场角望远镜远镜物方视场视场用系统统的视场视场角表示光学长学长度望远镜远镜物镜镜和目镜镜焦距之和为为光学长学长度转转向系统统和场镜场镜

18、刻普勒望远镜远镜需要正像，在系统内统内安放转转像系统统作用是正像和系统统加长长转转像有单组转单组转像和双组转双组转像加上转转像系统统后，物镜镜的像方焦平面和目镜镜的物方焦平面是分开开的转转像的物面是物镜镜的像方焦平面，其像面是目镜镜的物方焦平面增加了光学长学长度F1F2场镜场镜具有转转像系统统的光学学系统统，为为使通过过物镜镜后的轴轴外光束折向转转像系统统，减减少转转像系统统的横横向尺寸在物镜镜的像平面上或附近增设设一块块透镜镜称为称为场镜场镜像与与主平面重合，放大率为为1根据像差理论论知：场镜场镜不产产生球差、彗差、像散和色散，只产产生小的场场曲和畸变变三、望远镜远镜的物镜镜望远远物镜镜的光

19、学学特性都用相对对孔径径D/f 、焦距f 和视场视场角2表示。v物镜的这些性能参数决定了它的分辨能力、像的亮度和物镜的这些性能参数决定了它的分辨能力、像的亮度和结构的尺寸。结构的尺寸。v望远物镜可分为三种结构型式：即折射式、反射式和折望远物镜可分为三种结构型式：即折射式、反射式和折反射式望远物镜。反射式望远物镜。v（一）折射式望远物镜（一）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。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。可以同时校正球差、正弦差和色差。v因为胶合面上产生比较大的正高级球差，相对孔径要因为胶合面上产生比较大的正高级球差，

20、相对孔径要受到限制。受到限制。v这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角2不得超过不得超过810。（2）双双分离物镜镜与双胶与双胶合物镜镜相比，其可以在更大的范围内选择围内选择玻璃对对，使球差、色差和正弦差同时时得到校正，只是装配校正比较较困难难。（3）三分离物镜）三分离物镜v将双分离物镜中的正透镜一分为二。将双分离物镜中的正透镜一分为二。v透镜的弯曲比较自由，可以使之成为校正色球差的有力透镜的弯曲比较自由，可以使之成为校正色球差的有力形状。形状。v用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系统称为用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系统称为调焦系统。调焦系统

21、。（4）内调焦望远物镜）内调焦望远物镜v调焦系统分为外调焦和内调焦。调焦系统分为外调焦和内调焦。v若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统。若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统。v外调焦系统的结构比较简单，像质也比较好。但外形尺外调焦系统的结构比较简单，像质也比较好。但外形尺寸较大，密封性能很差。寸较大，密封性能很差。当当物体在有限远时远时，移动动物镜镜中的一块负块负透镜镜，使物镜镜所成的像仍然在固定的分划划板处处。这种这种系统统就称为内调称为内调焦系统统。该该系统统尺寸小，携带带方便，密封性能好，在大堤测测量仪仪器中多采用此光路物镜分划板目镜（二）反射式望远远物镜镜天文望

22、远镜远镜常用反射式物镜镜。v目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。v比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果里系统。里系统。v卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构的筒长比较短。镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构的筒长比较短。主镜副镜F格列果里系统统也是有两个两个反射面组组成，主镜镜仍为为抛物面，副镜镜改为椭为椭球面，所成的像正像,这种结构这种结构的筒长长比较长较长。（三）折反射系统统F主镜副镜

23、反射系统对轴外像差的校正是很困难的。反射系统对轴外像差的校正是很困难的。理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的，但加工理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的，但加工比较困难。比较困难。折反射型望远远物镜镜比较较典型的有施密特物镜镜和马马克苏苏托夫物镜镜施密特物镜镜由球面主镜镜和施密特校正板组组成。v非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘的光束略有发散，这样球差得到很好校正。的光束略有发散，这样球差得到很好校正。v校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是非球面。非球面。F施密特校正板

24、马马克苏苏托夫物镜镜由球面主镜镜和副弯弯月型厚透镜组镜组成。弯弯月形厚透镜镜的结构结构若满满足下面条条件就可以不产产生色差，所以可用它来补偿它来补偿主镜产镜产生的球差dnnrr22121dr2r1F第五节节 目镜镜目镜镜是望远镜远镜和显显微镜镜的重要组组成部分。 目镜的光学特性由它的视场角目镜的光学特性由它的视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工作距和工作距l2来决定。来决定。p是像空间近点到出瞳的距离。是像空间近点到出瞳的距离。目镜的工作距目镜的工作距l2是目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离。是目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离。目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑

25、在外面的光学系统。目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统。目镜的这些光学特性决定了目镜的像差特性：它的轴上点目镜的这些光学特性决定了目镜的像差特性：它的轴上点像差不大。像差不大。目前，常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜、冉斯目前，常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜、冉斯登（登（Ramsden)目镜、凯涅尔目镜、凯涅尔(Kellner)目镜、对称目镜、目镜、对称目镜、无畸变目镜、广角目镜等等。无畸变目镜、广角目镜等等。1、惠更斯目镜镜和冉斯登目镜镜惠更斯目镜镜由两块两块平凸透镜组镜组成，其间间隔为为d。v场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目镜场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目镜结构不宜在视场光阑平面