光学课件

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。
tgω ' tgω ' f1 ' Γ= = =γ = − tgω0 tgω f2 '
望远镜的视角放大率Γ与角放大率γ相同。负数表示 成倒像。一般望远镜都有转像系统，成正像。 望远镜倍率表示方法：8×40 表示视角放大率8倍，物 镜口径40mm
视角放大率的另一种表示方法： 由于入瞳与出瞳是共轭的，设入瞳 直径为D，出瞳直径为D'，则有 D ' = βD 亦即：
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
x = 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。
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
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：
双分离的球差和彗差小，色差较大 双胶合的色差小，而球差和彗差较大 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 差的有利形状
双分离型物镜
⑵反射式物镜
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，这种结构的 筒长比较短
φ ⋅ Γ = 60"
由瑞利判据
φ = 1.22
λ
D λ = 555nm
60" D Γ= ≈ (140 D )" 2.3
望远镜最小分辨角
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。 工作放大率常为正常放大率的1.5~3倍。
由于望远镜的最小分辨角
140 φ= (秒) D
是根据衍射理论且认为系统是理想光组时导出的。但实际 上由于像差、材料不均匀性及加工误差等使实际分辨角降 低，实际分辨角表示成：
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。
"
反映了望远物镜在物方能够实际分辨的 角度值。
在测量用望远系统中，往往用瞄准精度表征系统指标。 分辨力：指望远镜能够分辨物方无穷远处两点光源间的最 小视角。 瞄准精度：指望远镜瞄准同一目标可能产生的最大偏差角度。 望远镜只有当其能够分辨物体时，才能对物体瞄准，即 瞄准在分辨之后。 瞄准仪器的精度用瞄准误差Δϕ表示，它与瞄准方式有关。 使用压线瞄准时， Δϕ=60”/Γ。 使用双线瞄准时， Δϕ=10”/Γ。
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
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。
施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。 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。
F’
施密特校正板 球面主镜
马克苏托夫物镜由球面主镜和负弯月形厚透镜组成。 负弯月形厚透镜的结构如满足如下条件就可以不产 生色差，也可以用它来补偿主镜产生的球差。
6.出瞳位置在目镜像方焦点之后很靠近的地方， 眼瞳与出瞳重合，实现光瞳衔接。
7.刻普勒望远镜系统有 中间实像面，可安 装分划板；
它所成的像为倒像，在需要正像的系统中，必须 附加棱镜或透镜转像系统而导致系统变得复杂。
四、望远系统光学参数确定的一般原则
1.系统的放大率
原则：仪器能分辨，人眼也要能分辨 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φ有如下关系：
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。
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。
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
⎛ 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。
2ω ' ≤ 70° p ' ≈ 0.7 f目 ' l F ≈ 0.9 f目 '
工作距和出瞳距都很大
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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°
l F ≈ 0.5 f目 ' p' ≈ (1 ~ 1.7 ) f目 '
在坦克瞄准镜中使用
望远系统总结
1.定义：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。 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。 4.视角放大率：
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。
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。
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。
5.光束限制
眼瞳为孔径光阑，同时也是出瞳；物镜框是视 场光阑，同时也是入窗。
P’ O1 O2
F1’，F2
目镜 物镜（入窗、 视场光阑） 出窗
眼瞳（出瞳、孔 径光阑） 入瞳
伽利略望远镜放大原理：
F1 ' ( F 2 )
Δω L f1 '
f2
伽利略望远镜将入射光孔径角放大，增大了视角。
三、刻普勒望远系统
b = 2 f tgω = 2 f tgω
' 1 ' 2
物镜 目镜 视场光阑
'
D
ω
y' ω '
ω'
出瞳
b
D'
f1 ' L
− f2
lp '
4.入瞳直径与物镜口径相等，即孔径光阑、入 瞳为物镜框。 5.由
f1' tgω ' D Γ=− ' = = ' f 2 tgω D
⑴放大倍率越大，系统越长； ⑵放大倍率越大，视场越小； ⑶D一定时，高倍率对应小的出瞳直径。
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
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 ⎠
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