典型光学系统设计教学课件

1、显微系统的物镜（一）显微物镜的特点在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：数值孔径放大率NA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。对于不同倍率的物镜，像方视场2y为一定值，所以高倍物镜视场小。线视场第1页，共22页。精密测量用的显微物镜就有以下特点： 1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一般不高，约在1x10 x之间；2、物镜的放大率要求严格准确，允差0.050.1%；6、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，构成物方远心光路。3、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；4、在校正轴上像差时，也要校正轴外像

2、差，像质要求 较高；5、物镜的数值孔径较小（最常用NA=0.1)；为了保证像的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的第2页，共22页。（二）显微物镜显微物镜根据用途不同分为：消色差显微物镜复消色差物镜平场消色差物镜40X0.95复消色显微物镜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。平场复消色差物镜40X0.85平场复消色显微物镜折反射显微物镜第3页，共22页。按数值孔径NA的大小由四种型式1、双胶型 =15x NA=0.10.15 2、李斯特型 =820 x NA=0.250.30 3、阿米西型 =2540 x NA=0.400.65 4、

3、阿贝油浸型 =90100 x NA=1.251.40第4页，共22页。精密测量中的显微镜，使用高倍物镜的不多。一般均采用低倍和中倍物镜；但要求平像场；所以与同倍其它物镜相比，其结构形式比较复杂。下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场20mm，工作距离80mm，数值孔径0.03。孔径光阑孔径光阑下图是工具显微镜3X物镜的结构。视场分别为6.7mm，工作距离80mm，数值孔径0.09。第5页，共22页。下图是工具显微镜10X物镜的结构。视场2mm，工作距离20mm，数值孔径0.16。下图是工具显微镜40X物镜的结构。视场0.5mm，工作距离10.5mm，数值孔径0.35。孔径光阑孔径光阑第6页，

4、共22页。三、望远镜的物镜望远物镜的光学特性都用相对孔径D/f 、焦距f 和视场角2表示。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。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。（一）折射式望远物镜(1)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。因为胶合面上产生比较大的正高级球差，相对孔径要受到限制。这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角2不得超过810。第7页，共22页。（2）双分离物镜与双胶合物镜相比，其可以在更大的范围内选择玻璃对，使球差、色差和正弦差同时得到校正，只是装配校正比较困难。（3）三分离物镜将双分离物镜中的正

5、透镜一分为二。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。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。（4）内调焦望远物镜调焦系统分为外调焦和内调焦。若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统。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。第8页，共22页。当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像仍然在固定的分划板处。这种系统就称为内调焦系统。该系统尺寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路物镜分划板目镜第9页，共22页。（二）反射式望远物镜天文望远镜常用反射式物镜。目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物

6、镜。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。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。主镜副镜F第10页，共22页。格列果里系统也是有两个反射面组成，主镜仍为抛物面，副镜改为椭球面，所成的像正像,这种结构的筒长比较长。（三）折反射系统F主镜副镜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，但加工比较困难。第11页，共22页。折反射型望远物镜比较典型的有施密特物镜和马克苏托夫物镜施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。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

7、校正。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。F施密特校正板第12页，共22页。马克苏托夫物镜由球面主镜和副弯月型厚透镜组成。弯月形厚透镜的结构若满足下面条件就可以不产生色差，所以可用它来补偿主镜产生的球差dr2r1F第13页，共22页。第五节 目镜目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分。 目镜的光学特性由它的视场角2、焦距 f、相对镜目距p/fe 、工作距离lF.镜目距是出瞳到目镜后表面的距离,相对镜目距是其与目镜焦距之比.目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统。目镜作用类似于放大镜,把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离供人眼观察.第14页，共22页。 目前，

8、常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜、冉斯登（Ramsden)目镜、凯涅尔(Kellner)目镜、对称目镜、无畸变目镜、广角目镜等等。为了适应近视远视的需要,视度是可以调节的.所以工作距离要大于视度调节的深度,一般在正负5D(即5个屈光度)目镜相对于视场光阑(即分划板)的移动量x等于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。第15页，共22页。目视光学仪器视度调节人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正目视光学仪器要适应不同视力的人使用为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置这就是目视光学仪器的视度调节第16页，共22页

9、。物镜目镜正常眼近视眼远视眼F眼F眼F眼第17页，共22页。1、惠更斯目镜和冉斯登目镜惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为d。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上设置分划板，因此惠更斯目镜不宜用在测量仪器中。场镜接目镜物镜像面视场光阑接目镜物方焦面出射光瞳（眼瞳）d第18页，共22页。冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，其间隔d小于惠更斯目镜两透镜的间距。在成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以冉斯登目镜的场曲小于惠斯登目镜的场曲。场镜接目镜视场光阑（物镜像平面目镜前焦面）出瞳（眼瞳）d第19页，共22页。2、凯涅尔目镜凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组而得到的。改成双胶合透镜就能在校正彗差和像散的同时，校正 好倍率色差。3、对称式目镜对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。它由两个双胶合镜组构成。第20页，共22页。4、无畸变目镜无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合的透镜组构成的。出瞳这种目镜的镜目距很大，所以在有相同的镜目距时，无畸变目镜的设计焦距可以选得小一些，使结构更加紧凑一些。这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器。第2