光学元件

n = 4，则光敏 照度可增加16倍。
'
由于浸没透镜和探测器的中间胶介质与浸没透镜形成界面上有可能 发生光束的全反射，而不为探测器接收，这使浸没透镜的集光作用 有着一定的限制，这一限制也可当作一个背景光阑而加以利用。
如果浸没透镜置于空气中，n=1，成像面与光敏面重合，则有
nL n 1 L ' 1 ' r nL n
' '
'
常把β 的倒数B叫做浸没透镜的浸没倍率：
y n'r B ' ' y n (r L' ) L' 1
单折射球面有相差存在，但在等明点或不晕点处的球差和慧差等 于零。存在着三个等明点的物像共轭关系。它们是： (1) L' L 0 ，物、像点重合在球面上，这没有实用意义；
常用的结构形式有双胶合组、双分离组和三分离组。
双分离组可使剩余带球差很小，甚至能对两个孔径带消球差，可以
做到比双胶合组大的相对孔径；三分离组能使球差的色变化有所改
善。
(3)摄影和投影物镜 摄影物镜 是将空间物体成像于感光胶片或其他接收器上的透镜组，那些将一 个物平面上的图形、文字成像于各种感光材料上的透镜组。 如制版镜头、复印镜头等也属于摄影物镜之列。 摄影物镜因需适用于对不同亮度的物体，有时甚至是照明十分微弱 的物体的拍摄，要求有很大的相对孔径，并且要求是连续可调的。 投影物镜 是把小的工件或摄制在胶片上的文字、图像，以较大的倍率在各种 屏幕或感光纸上成像的透镜组，
率可达15～20倍。
4．目镜
目镜：在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组称为 目镜。
目镜的作用：放大镜，
镜目距：仪器的出射光瞳一般位于目镜像方焦点以外与之很靠近的 地方，目镜最后一面至出射光瞳的距离称为出瞳距离。
镜目距≈目镜的像方顶焦距。这个数值不应小于6～8毫米。 ' ' 例：设目镜的焦距为 f ，则放大率为 M e 250/ f e ，放大率一
0.61 / n sin u
物方媒质折射率n与光束孔径角正弦sin u之乘积称为物镜的数值孔
径记作NA，它是显微物镜的一个最重要的性能参量 ； λ 为波长； σ 是显微物镜刚能分辨开的物面上两点间最小距离，σ 越小，分辨
本领越高。显微镜物镜为达到高的分辨本领，必须有尽可能大的数
值孔径。 显 大率Me的乘积，它与物镜的数值孔径之间应有恰当的比例关系。
场镜的放置
1 1 1 透镜成像公式 ' L f L
场镜的焦距 f
'
垂轴放大率
f1' dL D0 d
d L' D0 L
( f 0' L f )d D0 d
' 1
应满足关系
f1' ；在已知 f1' 时，可通过上述关系式安排d 在已知d和 L 时，可计算
和 L ' 。并可确的口径为 D1
器设计过程中经常用几片透镜构成组合体，从校正像差的需要出
发，确定各透镜的结构参量，使整个组合体既满足成像和使用要 求，又达到指定的相对孔径、视场角等光学性能。这种具有相对
独立功能的组合体称透镜组，
1.正透镜和负透镜 透镜可分成正透镜和负透镜两类。 正透镜:具有正的像方焦距值，从而有正的光焦度，能对光束起会 聚作用，故又称为会聚透镜；正透镜可分双凸、平凸和月 凸(弯月形)透镜三种形式，其共同特征是中心厚度比边缘 厚度厚。 负透镜也可分双凹、平凹和月凹（负弯月形）透镜三种形 式，其共同特征是中心比边缘厚度薄.
有、无某光学系统时，探测器接收到光辐射通量之比。
0
有、无物镜时的光学增益为
1
0
G0
G0 0
A0 为物镜入瞳的面积； Ad 为探测器的面积； 0 为物镜的透射比。
A0 Ad
有、无物镜和场镜时的光学增益为 G1
G1 0 1 A0 Ad
1 为场镜的透射比
有或无场镜时光学增益的变化，用光学增益倍数m表示. Ad 应用场 镜的面积 A1 代替
如投影仪镜头、电影放映镜头和放大机镜头等。
从光结构上看，与摄影物镜属于同一类型。 摄影物镜的视场也很大，就标准镜头而言，约为40°-50°,而广角
镜头则更大。摄影物镜属大孔径大视场一类的透镜组。对物镜像差
校正的要求要比显微镜物镜和望远镜物镜一类小像差系统低得多
常用摄影物镜
A 是由两个胶合组组成的珀兹伐型物镜，它有利于校正轴上宽光 束像差，可达较大相对孔径(1：2)，但因结构形式是分离的正透镜 组 ，像面弯曲得不到校正，使视场受到限制，只能小于25°，最 适合作电影放映物镜 B 是三片式物镜，它是能同时校正七种像差的最简单形式，相对 孔径和视场分别为1：4.5-1：3.5和40°～50°，成像质量一般， 适用于低档照相机或投影仪。
n ' 1L' n' 1 1 1 1 ' ' ' nr n n
此结果说明：半球 浸没透镜的作用使 像高缩小
1 n'
倍，像面面积缩小
1 2 ( ' ) 倍。 n
与之对应，光敏面照度增大了 (n ' ) 2 倍，信噪比增加了 n ' 倍。 例如在红外系统中用锗制成的半球浸没透镜，其折射率
装有小数值孔径物镜的显微镜，即使放大率M很大也无济于事，因 若总放大率M过低，则物体细节不能被眼睛所分辨而发挥不了物镜 的高分辨作用。显微镜总放大率M与物镜数值孔径NA之间的恰当关 系应为：
为物镜分辨本领低，属无效放大；而装有大数值孔径物镜的显微镜，
500NA M 1000NA
根据各种不同标本的观察需要，显微镜需配备一套具有不 同数值孔径和倍率的物镜。物镜的倍率自然也是与数值孔径相 匹配的，两者标于物镜的镜筒上，例如40 0.65表示倍率为40 倍，数值孔径为0．65的物镜。 消色差物镜： 显微镜物镜的视场一般讲是比较小的，是一个大孔径小视场的 透镜组，至少应该校正好球差、轴向色差和满足正弦条件。按此要 求设计的物镜称为消色差物镜。
(1) 提高边缘光束入射到探 测器的能力；
(2)在相同的主光学系统中，附加场镜将减少探测器的面积。如果
使用同样探测器的面积，可扩大视场，增加入射的通量； (3)可让出像面位置放置调制盘，以解决无处放置调制器的问题；
(4)使探测器光敏面上非均匀光照得均匀化；
(5)当使用平像场镜时，可获得平场像面。 1一物镜 2一视场光阑 3一场镜 4一探测器
个镜组组成，可使其像方主面位于物镜之前，因此焦距虽长而筒长
却可较短。 F 是反远摄型物镜，适于做短焦距物镜，它也由分离的正、负两镜 组组成，但因负组在前，可使像方主面位于物镜之后，因此焦距虽 短而有较长的工作距离，相对孔径一般为1：2—1：2.8，视场——般 为60°～75°。
6．场镜
工作在物镜面附近的透镜称为场镜 主要作用是：
光学元器件 一、透镜元器件(成像) 透镜：以两个折射曲面为边界的透明体称为透镜，
1、以光学玻璃为原材料，磨制成形后将折射面抛光而成。
2、两个折射面中可以有一个平面，但两个折射面都是平面者 不能称为透镜。
3、透镜由于两个表面的折射，具有对光束的会聚或发散作
用，能在任何要求位置形成物体的像。 透镜组：单独一片透镜往往不能满足校正像差的要求；在光学仪
面透镜，具有最大的光焦度。 柱面镜特点： 当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母线方向一致 的直线，其共轭距由相当于球面透镜的截面所决定。
3．放大镜
辅助眼睛观察细小物体的透镜组称为放大镜。
单片正透镜是一个最简单的放大镜。 使用放大镜时，被观察物体AB位于物方焦点上或焦点以内与之很靠 近的地方，眼睛看到的是物体的虚像 A ' B ' ，如图，放大镜的一个 重要性能参量是放大率M，它等于通过放大镜观察物体时，其像对 眼睛的张角
由于
1
D1 2 ( ) F02 G1 D12 2 m 1 1 2 1 2 d 2 G0 d F1 ( ) 2
的存在，m 略小于物镜与场镜的F数平方比。
7．浸没透镜 浸没透镜也是二次聚光元件。它是由球面和平面组成的球冠体
浸没透镜
浸没透镜的物像关系
探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶，使像面浸没在折射率 较高的介质中。主要作用是减小探测器的光敏面积，提高信噪比。

'
的正切与眼睛直接看物时，物对眼睛张角ω 的正
切之比，即 。
M tg / tg
'
一般眼睛于明视距离250毫米处看物，则可得M＝250／ f ' 。 可见，放大镜的焦距 f ' 越短，倍率越高。对于单片透镜，由 于像差和透镜直径的限制(因系视场光阑，直径不能太小)，一
般只能应用于5倍以下。如用两片或多片透镜组合起来，则放大
D1 2( f L f )tg
' 0
D0 L f f 0'
当系统不用调制盘时，场镜置于物镜焦面上，这时 -L =
L = f0 ，
f 0'
，则有
D1 Dr 2 f tg
' 0
d
D0 f ' ' f 0 f1
' 0
使用场镜后，探测器直径与场镜直径之比为
D0 f 1' d D1 D1 ( f 0' f 1' )
浸没透镜的设计和使用，按物像共轭关系处理。
(1)浸没透镜的物象关系和等明条件 当像面未离开浸没透镜而在镜内时，可把浸没透镜看成是 单球面折射成像。按折射球面的物像关系有
n' n n' n ' L r L
式中n为浸没透镜前介质折射率，
是球面半径。
' 为浸没透镜材料的折射率；r n
y' nL' ' y ，像高为 y ' ，则垂轴放大率为 设物高为 y nL
物镜的基本类型
A 是低倍物镜，β ＝5，NA＝0．1；
B 是中倍物镜，β ＝10，NA＝0．25； C 是高倍物镜，β ＝40，NA＝0．65，
D 是浸液物镜，β ＝100，NA＝1．25 。
(2)望远镜物镜 是望远镜系统中把无限远物体成像于其焦平面上的一个透镜组。 在无透镜转像系统的简单望远镜中，物镜的这一像面与目镜的物方 焦平面重合，眼睛通过目镜观察这一物体的中间像。 望远镜物镜是属于中等孔径和小视场一类的透镜组，只要对其 校正轴向色差、球差和满足正弦条件即可。
一般取
f
' >> 0
f
' 1
，则有
f / D0 F0 d D1 F1 f / D1
' 0 ' 1
由此可见，探测器与场镜的直径之比等于场镜与物镜的F数之比。
0
如果 F0=F1 ，则 d D1 2 f 0' tg ，这时场镜没有集光作用。 实际上场镜适用于F1 > F0，或 F1 >> F0 场合。 光学增益G的概念 :
C 是闷萨型物镜，与三片式物镜相比成像质量有所提高，相对孔径 为1：3．5～1：2．8，应用比较广泛。 D 是双高斯型物镜，在相对孔径为1：2和视场为45°时，可以有很
好的成像质量，在中、高档照相机中应用较广。在此基础上加以复
杂化，可以得到性能和质量更高的物镜。 E 是远摄型物镜，适于做长焦距物镜。它由分离得很开的正、负两
般在5～20倍之间，故焦距最多也不过几十毫米，属于中短焦距一 类透镜组。 目镜的相对孔径较小而视场较大，球差和轴向色差一般不是关键问 题，而应着重于校正轴外像差，主要是垂轴色差、彗差和像散(见 像散和像面弯曲)。因眼睛有调节功能，对像面弯曲可以放宽要求
5．物镜
(1)显微镜物镜 显微镜物镜是显微镜中对微细物体成首次放大像的透镜组。 用途：于观察、研究或摄影记录极微小的物体及其结构。 显微镜的分辨本领由物镜决定，有如下关系
和。
(2)
L rL
'
即物、像点均在折射球面的曲率中心上；
(3)物距和像距分别为：
L r (n n) / n
'
L r(n n) / n
' '
'
后两个等明情况可用作设计浸没透镜的条件。这时不但能对光束完
善成像，还对垂轴小平面物体完善成像，这种透镜叫做等明透镜。
(2)半球浸没透镜 符合上述等明条件(2)时，L' r 的透镜叫做半球浸没透镜，无 像差和慧差。系统安排如图1．2．2—10所示。
负透镜:具有负的光焦度，对光束起发散作用，故又称发散透镜。
2.柱面透镜 柱面透镜： 凡由两个母线互相平行的柱面，一个柱面和一个平面或一个柱
面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜。
柱面透镜由于是非轴对称的，其成像性质可通过两个截面来描述。 一个是平行于母线的截面，它相当于平行平板，光焦度Φ ＝0，对
光束没有聚焦作用；另一个是垂直于母线的截面，它相当于一个球