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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,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1x10x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
2、外像差，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,（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,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 =820x NA=0.250.30,3、阿米西型 =2540x NA=0.400.65,4、阿贝油浸型
3、 =90100x NA=1.251.40,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及5X物镜的结构。视场分别为6.7mm和 4mm，工作距离80mm和53mm，数值孔径0.09和0.15。,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
4、阑,第四节 望远系统,一、望远系统的一般性质,物镜（入瞳）,视场光阑,目镜,出瞳,F1,F2,物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，光学间隔=0。,使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学 系统称为望远系统或望远镜。,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，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为,式中，波长，D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。,D/f可认为是物镜的相对孔径。,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中心的张角来表示的，称为最小分辨角。,与爱里斑半径之间有如下关系：,将r暗1公式
5、代入上式中得,现以人眼最灵敏的波长=550nm代入，得到,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）。,对于目视系统来说有意义的是视角放大率,即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角的正切与眼睛直接观察该物体时的视角0 正切之比。,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，0与物体对入射光瞳中心的张角可认为相等,因此望远镜的视角放大率以表示，与望远镜的角放大率相同，即,由于垂轴放大率为常数（因为 ）即可用出瞳直径D和入瞳直径D之比表示，所以,视角放大率仅仅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。,但实际上，由于人眼能从无限
6、远至明视距离的范围内自由地调节，故人眼通过望远镜观察物空间时的对应量，可用下式表示：,式中 x 像至目镜像方焦点的距离。 x 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素，其中包括仪器的精度要求、目镜的结构型式、望远镜的视场角、仪器的结构尺寸等等。,表示观测仪器精度的指标是它的最小分辨角。,若以60“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达到了充分利用望远镜分辨率的目的,望远镜的视角放大率应与其最小分辨角有如下关系：,把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：,这就是望远镜应该具备的最小视角放大率。也是正常放大率。,为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系
7、统时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。,工作放大率常为正常放大率的1.53倍。 若取2.3倍，则=D。,在瞄准仪器中，仪器的精度用瞄准误差来表示，它与瞄准方式有关。,若是压线瞄准时：,若是对线、双线或叉线瞄准时：,由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。,二、伽利略望远镜和开普勒望远镜,伽利略望远镜是由物镜和负目镜按光学间隔=0的方式组合而成。,F1,F2,出瞳,d,f1,df1,具有筒长短、体积小、重量轻等特点；,这种望远镜没有中间实像面，无法安置分划板，不能直接作为瞄准和精确定位之用。,上面的光路图是在不考虑眼瞳作用时，伽利略望远镜的物镜框就是整个系统的入
8、射光瞳。,F1，F2,O1,O2,P,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分光线不能进入眼眶，而产生拦光现象。,若把眼瞳也作为一个光孔来考虑，它就是整个系统的出射光瞳，也是孔径光阑。,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。,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，就是系统的出射窗。,入瞳中心对入窗的张角即系统的视角2，眼瞳的位置和系统的放大率都影响着实际视场的大小,F1，F2,O1,O2,P,物镜（入窗、视场光阑）,目镜,眼瞳（出瞳、孔径光阑）,入瞳,
9、出窗,D,l,L,lp,入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。,伽利略望远镜的视场角、物镜直径D、眼瞳位置lp以及系统的放大率之间有如下的关系：,说明，伽利略望远镜在物镜口径一定时，倍率越高，视场越小。,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统，做为激光准直仪的一个组成部分。,开普勒望远镜是在1611年在开普勒的光学术中介绍的。,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。,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。,这样就具备了测量和瞄准的条件。,下图为开普勒望远镜的光路
10、图：,物镜（入瞳）,目镜,视场光阑,出瞳,被目镜拦掉部分,目镜的口径如果足够大，开普勒望远镜中的光束将没有渐晕现象。,出瞳直径D和出瞳距p,出瞳直径是望远镜的一项重要性能指标,出瞳直径的确定如下：,望远镜的主观亮度决定于出瞳面上的发光强度,发光强度与出瞳直径的平方成正比,出瞳直径的平方之称为“光强度”或“光力”,决定了望远镜射出的光能的大小,从景深角度考虑，出瞳直径越大，景深越小,出瞳距使出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离,当出瞳满足定义要求，出瞳距应考虑到人眼观察的特点和使用情况，一般不小于6mm。,视场角,望远镜物方视场用系统的视场角表示,光学长度,望远镜物镜和目镜焦距之和为光学长度,转向系
11、统和场镜,刻普勒望远镜需要正像，在系统内安放转像系统,作用是正像和系统加长,转像有单组转像和双组转像,加上转像系统后，物镜的像方焦平面和目镜的物方焦平面是分开的,转像的物面是物镜的像方焦平面，其像面是目镜的物方焦平面,增加了光学长度,场镜,具有转像系统的光学系统，为使通过物镜后的轴外光束折向转像系统，减少转像系统的横向尺寸,在物镜的像平面上或附近增设一块透镜,称为场镜,像与主平面重合，放大率为1,根据像差理论知：场镜不产生球差、彗差、像散和色散，只产生小的场曲和畸变,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
12、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。,（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。,（
13、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。,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,（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
14、构的筒长比较短。,主镜,副镜,F,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。,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,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
15、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,d,r2,r1,F,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/f和工作距l2来决定。,p是像空间近点到出瞳的距离。,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。,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。,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,冉斯登目镜由两块凸
