光学设计 第17章 目镜设计

第十七章 目镜设计

目镜是望远镜和显微镜的一个组成部分，它的作用是把物镜所成的像，通过目镜成像在无限远，供人眼观察。它是一切目视光学仪器不可缺少的部件。

§1 目镜的光学特性

一 焦距

望远镜物镜焦距与目镜焦距之间存在以下关系： 目物f f ⋅Γ-=

当目镜的焦距目f 增加时，物镜的焦距物f 很快增加(因为1>>Γ)。因此为了减小仪器的体积和重量，必须尽可能减小目镜的焦距。另一方面，仪器又要求一定的出射光瞳距离，这就限制了目镜的焦距不能过小。一般望远镜目镜的焦距/f 在mm 30~15左右。 对于显微镜的目镜来说，它的焦距和视放大率之间符合以下关系 250=⋅Γ目f

显微镜目镜的视放大率Γ一般在⨯10左右。显微目镜的焦距也在mm 25左右。因此无论是望远镜的目镜，还是显微镜的目镜，焦距短，是它们的共同特点。

二 出射光瞳直径和相对孔径

由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般在mm 4~2左右变化，因此军用望远系统的出射光瞳直径/D 一般在mm 4左右。显微镜的出射光瞳直径/D 则为mm 2~1左右。

目镜的焦距/f 约为mm 30~15，所以目镜的相对孔径/

/f D 一般小于5:1。

三 视场角

如图17－1所示，目镜的视场角/ω是位于物镜和目镜共同焦平面上的像对目镜主点的张角。

图17－1 望远镜系统

对于望远系统，其视放大率Γ与物镜视场角ω和目镜的视场角/

ω有如下的关系式：

ωωtg tg ⋅Γ=/

可见，无论是增大望远镜的视放大率Γ，还是增加视场角ω，都要求增大目镜的视场角/

ω。

对显微镜来说，要增加物镜的线视场必须增加目镜物方焦面的线视场，在目镜焦距一定

的条件下，也要增加目镜的视场角/ω。

因此目镜的视场一般都比较大。当然，从观察的角度看，视场大些有好处，但是目镜视场能达到多少，是由该目镜的消像差情况决定的。通常/2ω在040左右，广角目镜的视场在060左右。某些特广角目镜甚至达0100。视场角大是目镜的一个最突出的特点。

四 出射光瞳距离

出射光瞳距离/

p L 是指目镜后表面到出射光瞳位置的距离，也就是目镜后表面到眼睛的观察位置(眼睛瞳孔位置)的距离。在系统没有渐晕和像差情况下，各个视场上的主光线也都通过出射光瞳中心。眼瞳放在此出射光瞳位置上能够看到整个视场，是最便于观察的位置。出射光瞳距离不应太小，太小会使眼睛观察时碰到目镜玻璃表面，妨碍观察，一般/

p L 值不应小于mm 10~6。有些仪器，如瞄准镜和戴防毒面具使用的观察仪器，要求有较长的出射光瞳距离，可达mm 20以上。

对于望远系统，目镜的出射光瞳位置也就是整个系统的出射光瞳位置，望远系统通常物镜框即是有效光阑及入射光瞳，通过入射光瞳的近轴光线经物镜和目镜出射交光轴于/E 点，如图17－2所示。/E 即为出射光瞳中心。

图17－2 望远镜系统目镜出射光瞳位置

因为通常物镜的焦距比目镜焦距长得多，即入射光瞳离目镜较远，故出射光瞳位置一般是位于目镜的焦点附近。其位置可用牛顿成像公式求出。

实际上，由于像差的影响，实际出射

光瞳位置要变化一些。如果系统存在渐晕，则最大视场斜光束中心光线经目镜出射后与光轴的交点到最后透镜表面的距离即为眼点距离。眼点位置与出射光瞳位置是不相同的，眼睛放在眼点位置更便于观察最大视场，但习惯上也常把眼点距离称为出射光瞳距离。

由于在仪器中目镜的出射光瞳距离随 图17－3 出射光瞳距离 物镜入射光瞳位置不同而改变，不便于讨论，

又由于目镜的出射光瞳位置距目镜焦点距离一般不大，故在讨论目镜本身的性能时，按出射光瞳位置在目镜焦点上考虑。如图17－3所示。出射光瞳距离的大小，一方面决定于目镜焦距的大小，另一方面决定于目镜的型式。可以取出射光瞳距离(即目镜后表面到其后焦点的

距离)与焦距之比/

/

f L p

，标志目镜型式的出射光瞳距离的特性。比值大者即出射光瞳距离

较长。不同的目镜型式，此比值可能有较大的差别。对于多数目镜此比值在41~1范围内。少数目镜比值可达到1，甚至超过1。当目镜焦距较短，或要求出射光瞳距离大时，就

要选取/

/f L p 值较大的目镜型式。

目镜的入射光瞳一般位于前方的物镜上，而出射光瞳则位于后方的一定距离上，因此目镜的成像光束，必然随着视场角的增加而远离透镜组的光轴，使目镜的透镜直径和它的焦距比较起来相当大，给像差校正带来困难。

五 工作距离

工作距离是指目镜的前表面到目镜的前焦点之间的距离。要求有一定的工作距离是为了保证目镜在视度调整时的轴向移动。工作距离过小，在移动目镜作视度调整时，目镜可能碰到位于物镜焦面上的分划板。与出射光瞳距离相似，工作距离也与目镜的焦距及目镜的型式有关。但对于一定型式的目镜，工作距离与焦距成正比，而每个视度对应的调整量却与焦距的平方成正比，因而焦距较长的目镜需要较大的调整量，要求有较长的工作距离。

六 目镜的像差和橡差校正的要求

1 初级像差校正要求

目镜的特点是焦距短，相对孔径不大，光束孔径小，而视场大，出射光瞳又远离透镜组，轴外光束在透镜组上的投射高较大，轴外像差大。在透镜表面上的入射角自然很大，特别是由于目镜光瞳在系统的外部，就使得主光线通过目镜后的偏角很大。如图17—4所示，主光线经过目镜后的偏角为：

ωωω-=∆/

主光线在各折射面上的偏角为：

)1(/

/

/

/

n

n i n

n i i i i u u p p p p p p p -

⋅=⋅

-=-=-

主光线通过目镜后的偏角愈大，则分担在每个折射面上的主光线偏角也愈大。由上式可见在折射面上的p i 和/

p i 角也愈大。由初级像差理论可以知道，当主光线的折射角加大时各种轴外像差也加大。这就使目镜的轴外像差的消除变得困难。所以在目镜中随像高增加而增大的像差，尤其是与视场的二次方及三次方成正比的像差，如像散、场曲、畸变及倍率色差都比较严重。

场曲一般不加校正，因为在目镜条件下校正场曲会引起其它像差校正的困难。光学系统要校正场曲，在系统中必须有相互远离的正透镜组和负透镜组，两者的光焦度符号相反、数值近似相等，这样将会使轴外像差特别是高级像差变得很大，即使使用若干透镜组合，轴外像差如慧差、像散、畸变、倍率色差也无法达到很好的校正。所以在目镜中一般不校正场曲，只是用像散与之补偿。另外，由于人

眼的调节作用，也允许保留一定的 图17－4 主光线的偏折 场曲。在广角目镜中，也只是设法 使场曲减小一些。

畸变由于不影响成像的清晰，只是使所成像变形，在目视仪器中也不要求彻底校正，允许一定的残余量。

彗差与像高一次方及孔径二次方成正比，由于目镜的出射光瞳直径较小，光束孔径小，彗差不会很大，与像散和倍率色差相比，处于次要地位，也比较容易控制。