惠更斯目镜分析与设计51310401471 胡芬第一章目镜的结构分析和像差分析 31」目镜的结构分析 31.2目镜的像差和像差校正特点 3第二章惠更斯目镜的介绍和设计特点 4第三章 惠更斯目镜的初始结构确定 73」惠更斯目镜初始结构的确定 73.2光学软件设计步骤 103.3初始结构像质评价 113.4惠更斯目镜的结构优化 13参考文献 15第一章目镜的结构分析和像差分析1.1目镜的结构分析FI镜是H视光学系统的重耍组成部分被视察的物体通过望远镜和显微物镜 成像在FI镜的物方焦平面处，经H镜系统放人后将其成像在无穷远处，供人眼观 察从H镜的光学特性来讲，具有以下特点：(1) 焦距短望远镜系统中为了保证整个的仪器的尺寸以及一•定的出瞳距 离，一•般H镜的焦距在15mm-30mm左右；对于显微镜的的H镜来说，是放大率 一般在10倍左右，那H镜的焦距也在25mm左右2) 相对孔径比较小戸镜的前置光学系统决定了通过冃镜的光朿尺寸、 形状和光路同时FI镜的出射光朿直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径--般在 2mm-4mm左右变化，因此大多数实验室仪器出瞳直径一般在2mm左右，H镜 焦距常用的范围为15mm-30mm,故H镜的相对孔径一般小于1/5.(3) 视场角大。
通常在40左右，广角FI镜的视场在60视场角大是 H镜的一个最突岀的特点4) 入瞳和出瞳远离透镜组由于上述FI镜的光学特性，决定了她的像差性质和设计方法1.2目镜的像差和像差校正特点(1) FI镜的视场比较大，岀瞳又原远离透镜组，轴外光束在透镜组上的透 射高较大，那入射角就会很大，不能当近轴光束，那轴外斜光束像差就会很大， 如彗差、像散、场曲、畸变、垂轴色差为了校正所有这些像差，结构就会变得 很复杂但是，像差校正一般都是结合H镜和前视系统一起校正，能获得较好的 结果无需单独校止H镜到很完美的程度2) 对于能校正的轴外像差的FI镜，一般透镜数会偏多，这时的球差和轴 向色差一般不大，主要以校正影响成像清晰的像差为主，比如彗差、像散和垂轴 色差畸变不影响成像清晰，一般不严格校正3) Fl镜一般不校正场曲，消场曲的条件是有相互远离的正透镜和负透镜 组，光焦度符号相反，大小相近4） 设计望远镜pi镜时，在ri镜和物镜尽可能独立校正像差的前提下，进 一步考虑它们之间的像差补偿问题一般的时候两者都分别有一定的像差，但整 个系统像差得到了很好校止，成像质量也得到提高对于显微镜h镜，由于经常 要改变不同倍率的物镜和H镜一起使用，就不便谈像差补偿，一•般都是独立校正 像差。
5） 在设计ri镜时，通常按反向光路进行设计即假定物平面位于无限远, h镜对无限远h标成像，在H标的焦面上衡量系统的像差至于戸镜的光瞳位置, 可以按两种方式给出第一•种方式是把实际系统的出瞳作为反向光路吋h镜的入 瞳，给出入瞳距离p,入瞳直径d等于系统要求的出瞳直径第二章惠更斯目镜的介绍和设计特点H镜中主要校止的单色像差是像散和彗差，在满足像差校正的情况下，当然 是希望结构越简单越好，那单个透镜是最简单的光学系统根据对物平面在无限 远的单透镜的彗差、像散性质的讨论，单透镜能同时校正像散和彗差的情况有两 种第一种是平凸型（町= 3）,光阑位于透镜前方1/3焦距处，如下图1 S） 所示；另一种是弯刀形透镜（叭=-3）,光阑位于透镜后1/3.5焦距处，如图1（b）所示b)图1可以校正彗差和像散的单透镜结构图H镜的成像要求是把物方焦面上的物体成像在无限远，按照光路的可逆定 理，也可以看做是把无限远物体成像在像方焦面上，同吋要求光瞳位于平行光束 中，并且远离透镜组显然只有图1 (a)的情况才能符合这一要求，因此单个平凸透镜就是可能 的最简单的FI镜结构但从整个系统來说，单个平凸透镜还不能工作，I大I为从物 镜进入系统的光朿，如果直接投射到平凸透镜上，这吋对应的出瞳距离不等于 1/3焦距，不满足像散和彗差为0的要求。
为了满足这一要求，必须在焦面上加 入一个场镜，如图2所示一般为了加工简单也做成平凸型也就是说最简单的 H镜包括两个平凸型的透镜，一个为场镜，靠近物镜的像而位置；一个为接H镜, 靠近眼睛位置物镜场镜 目镜图2 —般目镜的结构图根据第二色差和数的公式：如果要使色差为零，必须使上述公式中的两项异号在F1镜中由于入腫和出腫均 远离透镜组，因此码和力2乙总是同号的，而接□镜和场镜的光焦度也均为正，因 此必须要使码和饥异号，也就是接H镜和场镜分别位于实际像面的两侧，如下 图3所示，这就是所谓的惠更斯H镜图3惠更斯目镜的结构图为了得到色差为0,那么焦距斤、人和透镜距离d有什么关系?假定两个透镜采用相同的玻璃材料Vj = V2 = V ；同吋假定入射主光线和光轴 平行，因为大多数仪器F1镜的入射主光线和光轴的夹角比较小根据与薄透镜系统中光路计算公式：h dh严忙 + dtgu = h2 + d（=） = %（1 — 77）-Ji Jih dhz2=h^dtgw =仏_〃卡=他（1_”）J\ J\带入色差公式，也就是：Sm =包 _纟）％1 纟 + 力2人1 _）—=0化简后，解上式得：d = f +2这就是两个正透镜构成的H镜，校正垂轴色差所必须满足的条件。
场镜的放置方向，同样采取平面对着实际像面，如图3所示，同样场镜可以 产牛正的像散，可以补偿FI镜的场曲惠更斯H镜可以同时校正像散、彗差和垂 轴色差，它的视场可以达到40〜50,相对出睡距离V/-1/4,由于实际像面 在两透镜的中间，惠更斯H镜不能安装分划镜，它一般用于观察显微镜第三章惠更斯目镜的初始结构确定3.1惠更斯目镜初始结构的确定根据前而的讨论，如果要求惠更斯H镜满足校正垂轴色差的条件，则九；、/场和〃必须满足以下的条件FI镜除了校正垂轴色差以外，还应满足校正像散和彗差的要求接着导出同 吋满足校正垂轴色差、像散和彗差吋，三者之间应满足的条件假定接冃镜的焦距,当满足消像散和彗差的条件吋,如图4所示由共轨点方稈•式:将〜眼=・1 /3； /択=1代入得―眼=—1/2由图4 rJ知:/场=眼+ 〃 =㊁+ 〃又因为联合上式可以得到:3九= l，d =亍，场=2以上就是惠更斯透镜同时校正垂轴色差、像散和彗差的条件根据组合系统焦距的公式:111〃—7 = :—I : : 7/目/眼f场/眼/场将九=l,d=3/2J场=2代入上式得:爲=4/3这样就可以得到三者和目镜总 焦距的直接关系式:3 ・ 9 , , 3九=才厶；场=亍厶接下来就设计一个12*的观察显微H镜，1=1镜焦距与倍率的关系为:Zi =250"F250~12= 20.8根据三者与FI镜焦距的关系式，采用缩放法，可以得到:3 3/眼蔦人蔦x20.8 = 15・69 Rd=—人=—x20・8 = 23.48 83 3/眼石厶石x20.8 = 31・2（1）确定接Fl镜的结构参数：人=15.6,透镜用K9玻璃，形状为平凸形, 则可以得到透镜的前后表面的半径：r} = oo匚=/；艮（〃_1） = 15・6（1.5163_1） = 8・06考虑到透镜的通光孔径： D 25D = — = —— = 2.08 （取 2）r 12透镜的厚度取：d严2(2)确定两透镜Z间的间隔d?：确认两透镜Z间的间隔时，应保证H镜调节视度所必须的工作距离你，为此我们首先求出视度调节量:Nf： =5x20.& iooo- 1000= 2.1632要求H镜的工作距离大丁视度调节量，根据前而确定的接眼镜的焦距，并考虑到工作距离的要求和场镜的厚度，取d2 = 22mm.(3)确定场镜的结构参数：场镜的作用是保证H镜的入瞳和出瞳位置。
场 镜的前后农面的曲率半径为：防co防人⑺―1) = 31.2(1.5163-1) = 16・1d4=4那么H镜初始结构的全部参数如表1所示：表1 12倍率的惠更斯H镜初始结构参数表RdnDnFnC1.01.01.0co21.51631.521951.51389-8. 06221.01.01.00041.51631.521951.51389-16. 11.01.01.0 3. 2光学软件设计步骤在确定惠更斯H镜的初始结构参数后，用zem&x软件输入初始结构参数，如 图5所示Surf:TypeCommentRadiusThicknessGlassOBJStandardInfinityInfinitySTOStandardInfinity2.8000002StandardInfinity2.000000K93Standard-8.06000022.0000004StandardInfinity4.000000K95Standard-16.100000込000000IMAStandardInfinity图5惠更斯日镜初始结构图图像分析结果：初始的结构图如图6所示，结构基本满足设计结构要求，没有 出现设计结构的变形和不合理现象。
图6 初始结构图如图7所示，还没优化之前的像弟很大，主要是球羞、彗并、像散和场曲Seidel Aberration Coefficients:SurfSPHA SICOMA S2ASTI S3FCUR S4DIST SSCLA (CL)CTR (CT)STO0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.000000z0.0000000.0000000.0000000.0000000.0007570.000000-0.00092930.03€282-0.0018990.0000990.001294-0.000073■0.0039950.00020940.000974-0.0004890.0002460.000000-0.000124-0.0005570.0002805-0.000015-0.000093-0.0005780.0006480.0004310.0001180.000731IMA0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.000000TOT0.037241-0.002481-0.0002330.0019410.000991-0.00443S0.000291Wavefront Aberration Coefficient Summary:TOTTOTW3110.8433W020-3.。