典型光学系统设计 PPT课件

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1x~10x之间；
❖2、物镜的放大率要求严格准确，允差0.05~0.1%； ❖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
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。
视场光阑 （物镜像平面 目镜前焦面）
场镜
接目镜
出瞳（眼瞳）
d
• 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。
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。
❖（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
• 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
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
❖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。
（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 ❖平场复消色差物镜 ❖折反射显微物镜
❖40X0.95复消色显微物镜
❖40X0.85平场复消色显微物镜
❖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。
孔径光阑
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
三wenku.baidu.com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2ω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。
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。
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5 D(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
x 5 f 'e2 1000 mm
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。
（4）内调焦望远物镜
❖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。 ❖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。
副镜
F’ 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’
（三）折反射系统
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
• 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
❖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。
孔径光阑
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。
5、广角目镜
• 广角目镜是为适应大视场系统而设计的。 ❖由于视场角增大，场曲也随之增大。
❖为了保证像差的要求，目镜的结构必须复杂化，
❖或在系统中加入负光焦度的透镜；
❖或增加正透镜组的数目，是光焦度分散。
❖下图是两种视场在60°以上的广角目镜，接目镜用两块 透镜代替。
I型
出瞳
II 型
出瞳
物镜
目镜
F眼’ 正常眼
F眼’ 近视眼
F眼’
远视眼
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
视场光阑 物镜像面
接目镜 出射光瞳 （眼瞳）
接目镜物
d
方焦面
❖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。
按数值孔径NA的大小由四种型式
• 1、双胶型 β=1~5x NA=0.1~0.15
❖ 2、李斯特型 β =8~20x NA=0.25~0.30
❖ 3、阿米西型 β =25~40x ❖ 4、阿贝油浸型 β=90~100x
NA=0.40~0.65
NA=1.25~1.40
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；
物镜
分划板 目镜
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
（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，这种结构的筒长比较短。
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。
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
❖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。
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。
r2
r1
1 n2 n2
d
d
F’
r1
r2
第五节 目镜
• 目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分。
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.
目镜的光学特性由它的视场角2ω′、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.
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：
❖放大率 ❖数值孔径 ❖线视场
l'
l
NA n sinU max
2 y 2 y'
❖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。
❖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。