光学课件

1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目 镜，使放大倍数有了明显的提高
物镜 目镜 视场光阑
D
ω
y'
ω'
ω'
出瞳
D'
f1 ' L
− f2 lp '
1.组成：由正物镜与正目镜组成。 2.系统长度：
L = f − f2 = f + f
' 1 ' 1
' 2
3.视场：视场光阑设在其公共焦平面上，设b为 视场光阑直径，也为分划板位置。
D 1 = =γ =Γ ' D β
因此望远系统的视角放大率等于入瞳直径与出瞳直径之比。 即：视角放大率仅仅取决于望远系统的结构参数。
其值等于物镜与目镜的焦距之比。
D
ω
y'
ω'
ω'
D'
5.观察范围
一般望远系统用来观察无穷远处的物体，但实际上人眼 能从无穷远外到明视距离处自由调节，对应的物空间对 应量为：
f
' 1
Δ=0
γ = 1 β = − f1' f 2'
无论物体位于何处，都是常数。
α = β = (f
2
' 2
f
' 2 1
)
4.视角放大率：
望远系统的放大率也用视角放大率表示：
tgω ' Γ= tgω0
y'
−ω
f1’
ω'
-f2’
ω'
ω0
y'
−ω
ω'
ω'
f1’
-f2’
由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得 ω 多， 0 与物体对物镜中心的张角ω可认为相等。
1− n r2 − r1 = 2 d n
2
球面主镜
2.目镜的特点和分类 显微镜目镜在望远镜目镜中也同样适用，以下是几种 近代使用的目镜 ⑴凯涅尔目镜
，
由一个双凸场镜和一组 双胶合接目镜组成 f ' 2ω ' ≤ 50° p ' ≈ 目 2 主要校正慧差、像散和倍率色差，不能校正像面弯曲
⑵消畸变目镜
2.组成：物镜和目镜
3.结构特点：
⑴物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，即 光学间隔Δ=0； ⑵系统的焦点、主点都在无穷远处，属于无焦 系统。
F2 F1’ 目镜 出瞳
物镜（入瞳） 孔径光阑
视场光阑
y'
−ω
ω'
ω'
f1’
-f2’
x'1 β1 = − f '1 f2 β2 = − x2
β =− f
' 2
4.光学长度
定义：望远镜物镜与目镜焦距之和，即L=f1'+f2 '。 若提高倍率，则必须提高 f1’ ，引起光学长度的增加。物镜 组可以采用摄远物镜，也可以采用棱镜或反射镜，使光路 折叠。
物镜 目镜 视场光阑
D
ω
y'
F’1
ω' F2
ω'
出瞳
D'
f1 ' L
− f2
lp '
5.分辨能力
⎛ 140 ⎞ ϕ = ⎜k ⎟ ⎝ D ⎠
二、伽利略望远系统
伽利略1609年创制
F1 ' ( F 2 )
L
f1 '
f2
1.组成：由正物镜与负目镜组成， Δ=0，具有筒长短、 体积小、重量轻等特点。 2.系统长度： L = f1 − f 2 = f1 + f 2
' ' '
3. 无中间实像面，无法安装分划板，不能直接作为瞄准和精 确定位之用。 4.能成正立像，用于低倍率，如观剧镜。
x Байду номын сангаас Γ x'
2
（请同学们自己导出）
其中：
x
是物体到物镜物方焦点的距离
'
x
是眼睛看到的像到目镜像方焦点的距离。
例：在x’=-250mm处，若Γ=6×，则
x = Γ x = 6 (−250) = −9m
2 ' 2
即人眼通过此望远镜来观察时，能看清 望远镜前9米至无穷远处的物体。 望远镜这种由于人眼的调节而能看清楚的物 空间范围称之为调节景深。显然，望远镜的 视角放大率越大，调节景深越小。
⎛ 140 ⎞ φ = ⎜k ⎟ ⎝ D ⎠
"
其中，k为修正系数。一般在1.05~2.2之间取值才能 达到仪器分辨本领的要求。 同时也是为了观察舒适
2.出瞳直径与出瞳距
出瞳定义：孔径光阑在目镜后面成的像。 出瞳直径的确定： ①与仪器的光力(或光度)有关；它决定了光学系统射出 光能的大小。光力与出瞳直径的平方成正比。 眼瞳直径：白天：2mm；黄昏：5mm；夜间：7.5mm左右 故望远系统要根据所使用的环境和眼瞳的大小确定出瞳直径。 地面工程用的水准仪其出瞳直径在1.5~2mm范围内； 隧道工程用的水准仪其出瞳直径达5mm； 一般夜视仪器其出瞳直径可达7.5mm左右。
五、转像系统和场镜
转像系统分为棱镜转像系统和透镜转像系统。
转像系统的作用：⑴起正像作用；⑵将系统光路加长。
1. 透镜转像系统
2 1 3
B'
( F1 ' ) A
A' (F2 )
B
−l
L0
l'
转像系统把倒像AB变成正像A’B’。转像系统的物面即是物 镜的像方焦平面，像面即是目镜的物方焦平面。
由于转像系统的增加，光学长度增加，其增加量为L0
②与望远系统的瞄准精度有关
D Γ =γ = = β D' 1
望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。
出瞳距：出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离
一般出瞳距不小于6mm以免触及睫毛。 防毒面具观察用望远镜出瞳距不小于20mm 军用特长出瞳距仪器的出瞳距可达100mm
3.视场角
望远镜的视场角2ω决定了观测范围。 对于精密瞄准的系统，主要利用视场的中心进行瞄准，可 以减小视场。一般2ω=1°~3°。为寻找目标方便，可加俯仰 和周视的机械结构。
tgω ' f Γ= =− tgω0 f
' 1 ' 2
因此望远系统的视角放大率等于入瞳直径与出瞳直 径之比。即：视角放大率仅仅取决于望远系统的结 构参数。
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2ω不得超过8~10°
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。
转向透镜 物镜 场镜
六、望远镜的物镜和目镜
1.物镜的特点和分类 物镜的三个重要特性：相对孔径、焦距与视场角。 ⑴相对孔径A：
D A= ' f
决定物镜的结构复杂程度以及像面的光照度。 ⑵焦距f ’：决定外形尺寸 ⑶视场角2ω ：决定观察范围
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。 ⑴折射式物镜
物体AB和像A’B’距转像系统的透镜的距离 分别为 -l 和 l’，则增加量 L0=l'- l 。
2 1 B' ( F1 ' ) A A' (F2 ) 3
B
−l L0 l'
2.场镜
定义：在具有转像系统的光学系统中，为使通过物镜 后的轴外斜光束折向转像系统以减小转像系统的横向 尺寸在物镜的像平面或其附近增加的透镜。 在设计带有场景的望远系统时，令一次像成像在场镜的 物方主平面上，所以场镜的像和其像方主平面重合，且 β=+1。 作用：⑴聚光作用；⑵可以修正部分场曲和畸变。
由三胶合场镜和平凸接目镜组成
2ω ' ≤ 40° p ' ≈ 0.6 f目 '
主要校正畸变，用于大地测量仪器，减小测量误差
⑶艾尔费目镜
由两组双胶合及一片正透镜组成
2ω ' ≤ 70°
p ' ≈ 0.7 f目 ' l F ≈ 0.35 f目 '
主要校正像散、场曲及倍率色差
⑷倍尔泰目镜
弯月形厚透镜校正场曲
第四节 望远系统
1608年，荷兰眼镜商人李 波尔赛偶然发现用两块镜 片可以看清远处的景物， 受此启发，他制造了人类 历史第一架望远镜。
现代望远系统的发 展已经已经到了令 人惊讶的程度
一、望远系统的一般性质
1.定义：使入射的平行光束仍能保持平 行射出的光学系统称为望远系统或望 远镜。
望远镜系统一般不单独用作成像系统，而是与 眼睛联用。从无穷远物体上各点发出并进入望 远系统的平行光束，经过系统后仍为平行光束。 正常眼的光学系统正好将这些平行光束会聚于 视网膜上，形成无穷远物体的像。
F’
副镜
卡塞格林物镜
主镜
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。
主镜
副镜 F’
格列果里物镜
⑶折反射式物镜
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
2ω ' ≤ 70° p ' ≈ 0.7 f目 ' l F ≈ 0.9 f目 '
工作距和出瞳距都很大
⑸特长出瞳距目镜
在像平面附近加负光组的办 法延长出瞳距
2ω ' ≤ 50° ~ 70°