应用光学第九章 望远镜和显微镜
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
更斯目镜
Байду номын сангаас
常用望远目镜的型式和光学特性
冉斯登目镜 • 场镜向接目镜移近，使
物镜的像平面移出目镜， 可以设置分划板
• 视场角2’=30o~40o
• 相对出曈距lz’/f ’=1/3 • 大地测量仪器常采用冉
斯登目镜，一般用作测 量和读数。
常用望远目镜的型式和光学特性
凯涅尔目镜 • 由场镜和双胶合接目
口径零件
• 缺点
• 加工精度要求高
常用反射式望远物镜的结构和光学特性
• 牛顿系统
一个抛物面和一块与光 轴成45o的平面反射镜 构成
常用反射式望远物镜的结构和光学特性
• 格里高里系统
一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成 成正像；系统较长
常用反射式望远物镜的结构和光学特性
• 卡塞格林系统
一个抛物面主镜和一个 双曲面副镜构成
望远目镜
• 目镜的球差与轴向色差一般比较小 • 目镜主要校正与视场有关的像差：
慧差、像散、场曲、畸变和垂轴色差
• 对于目镜的光阑球差有一定的要求
光阑球差就是孔径光阑经过其后方的光学系统 成像时的球差
常用望远目镜的型式和光学特性
惠更斯目镜
• 视场角2’=40o~50o
• 相对出曈距lz’/f ’=1/4 • 焦距不小于15mm • 天文望远镜常采用惠
镜组成，像质优于冉 斯登目镜。
• 视场角2’=45o~50o
• 相对出曈距lz’/f ’=1/2
常用望远目镜的型式和光学特性
无畸变目镜 • 无畸变目镜并非完全校
正了畸变，只是畸变小
些，如在40o视场时的 相对畸变为3%~4% • 视场角2’=48o
• 相对出曈距lz’/f ’=3/4 • 适用于测量仪器
视放大率 --
➢视放大率与其他因素之间的关系
• 与仪器体积、重量的关系
f物' f目'
• 与视场2的关系
D D'
tan' tan
• 仪器的使用条件
视放大率 --
➢视放大率与其他因素之间的关系
• 望远镜的有效放大率
一定的物镜口径条件下，仪器的衍射分辨率已定， 无限度地提高视觉放大率也是无意义的。
物镜第一个表面顶点到被测物件的距离。它与物 镜的倍率和数值孔径密切相关。
• 小数值孔径的物镜：15~17mm • 大数值孔径的物镜：0.1~0.06mm
9-6 显微镜的物镜
• 显微物镜的主要光学特性：
数值孔径和垂轴放大率
显微镜的放大率大约在2.5×~100×范围内，数 值孔径NA随放大率增大而增大。
• 在阿米西物镜中再加一个同心齐明透镜，称作 阿贝浸液物镜。在玻璃盖片和物镜前片之间浸
液（折射率为n）
• = 90×~100×
NA=1.25～1.4
复消色差物镜
• 有阴影线的透镜，是由特殊材料萤石制成
• = 90×
NA = 1.3
平视场复消色差物镜
• = 40×
NA = 0.85
• 相对出曈距离 目镜的出曈距离和目镜焦距之比。
lz ' lF ' 1 f目' f目'
目镜的相对出曈距离直接影响仪器的外形尺寸。 目镜的相对出曈距离影响目镜的结构。 一般目镜的相对出曈距离为0.5~0.8。
• 工作距离 目镜第一面顶点到物方焦平面的距离。
x SD f目'2 1000
对于有分划板的望远镜，为了保证在调负视度时 目镜的第一面不至于与分划板相碰，要求目镜的 工作距离大于目镜的视度调节所需要的最大轴向 移动量。
低倍物镜
• 由双胶合物镜组成
• = 3×~6×
NA = 0.1~0.15
中倍物镜
• 由两组双胶合透镜组成，称为里斯特物镜
• = 8×~10×
NA = 0.25~0.3
高倍物镜
• 在里斯特物镜前加一半球透镜，其第二面为齐 明面。这种物镜称作“阿米西”物镜
• = 40×
NA = 0.65
浸液物镜
• 系统采用几个透镜组，成像关系，各光学零件的大 体位置
• 确定每个透镜组的光学特性
• 焦距、相对孔径和视场角
• 选择系统的成像光束位置，计算每个透镜的通 光口径
• 根据成像质量和光学特性的要求，选定系统中 每个透镜组的型式。
设计实例：简单的开普勒望远系统
设计一个开普勒系统。
• 镜筒长度175mm • 视觉放大率-6x • 视场角7o • 出瞳直径4mm
500NA 1000NA
550nm
线视场
被观察物体的最大尺寸，表征显微镜的观察范围。
2y D
显微镜线视场取决于放在目镜前焦面上的视场光阑的大小
出瞳直径与出瞳距离
NA 500 D'
D' 500 NA
通常显微镜出瞳直径较小，一般小于眼瞳的直径。 出瞳距离一般在10mm以上。
工作距离
出曈直径 – D’
和出曈直径直接相关的是仪器的主观量度
仪器的出曈直径应该不小于人眼的瞳孔直径。
出曈直径还间接与仪器的衍射分辨率有关
140''
D
D
D'
D
D'
e
D 2.3
仪器使用条件对出曈直径有要求。
出曈距离 – lz’ 一般的仪器出曈距离不小于6mm 军用仪器出曈距离不小于20mm 武器上的瞄准镜，出曈距离可达数十毫米。
9-5 显微镜概述和显微镜的光学性能
• 按照用途分类
• 生物显微镜 • 金相显微镜 • 工具显微镜
• 按照照明方式分类
• 透射式照明、反射式照明 • 视场照明、暗视场照明
• 显微技术的发展
显微镜的光学性能
• 视觉放大率 • 线视场 • 出瞳直径 • 出瞳距离 • 工作距离
视觉放大率 • 有效视觉放大率
成倒像 系统长度短 视场可扩大
Hubble Space Telescope
Hubble Space Telescope
Hubble Space Telescope
9-3 望远镜的目镜
目镜的光学特性：像方视场角、相对出曈 距离和工作距离
• 像方视场角
tan' tan
tan' tan
目前，提高望远镜的视觉放大率和视场主要是 受到目镜视场的限制。一般目镜的视场为 40o~50o。
60'' 140'' D
e
D 2.3
符合上述关系的视放大率称为望远镜的有效放大率。
视场角 -- 2
视场角与视放大率必须同时考虑
➢对于一定视场角的目镜，望远镜的视场与视 放大率成反比。
tan' tan
➢常用目镜的视场角2’约为40o~70o。
➢对于双眼仪器，要考虑两目镜之间的最小瞳 孔间隔。
9-2 望远镜的物镜
物镜的光学特性：焦距、相对孔径和视场
• 焦距
f物' f物 ' f目' f目'
• 相对孔径
D D'
• 视场
tan' tan
D D' tan tan'
常用望远镜物镜的种类
• 折射式望远物镜
两片镜组、三片镜组、摄远物镜等
• 反射式望远物镜
牛顿系统、格里高里系统、卡塞格林系统等
常用望远目镜的型式和光学特性
长出曈距目镜
• 视场角2’=40o
• 相对出曈距 lz’/f ’=1.37
• 适用于军用仪器
除此之外，还有对称目镜，广角目镜，
超广角目镜等。目镜的型式较多，设计 时，在满足光学特性要求时，要兼顾成 像质量和结构的简单化。
9-4 望远镜的外形尺寸计算
• 根据光学特性和外形、体积等要求，拟定光学 系统的结构原理图。
• 折反射式望远物镜
施米特物镜、马克苏托夫物镜、同心系统等
常用折射式望远物镜的结构和光学特性
• 双胶物镜
• 视场：一般不超过8o ~ 10o • 相对孔径：与焦距有关。
一般最大口径不超过 100mm。 • 优点：结构简单，安装方 便，光能损失小。
常用折射式望远物镜的结构和光学特性
• 双单和单双物镜
第九章
望远镜和显微镜
主要研究内容
技术要求
初步设计
光学系统原理图
像差设计
优化系统的结构参数
光学系统设计的流程图
9-1 望远镜的光学性能和技术条件
光学性能
• 视放大率 -- • 视场角 -- 2
• 出曈直径 – D’ • 出曈距离 – lz’
技术条件
• 分辨率 -- • 视差角 --
适用于大相对孔径望远 物镜，其相对孔径可 达1：2
常用折射式望远物镜的结构和光学特性
• 摄远物镜
• 系统的总长度小于物镜的焦距，可缩短仪器的外形 尺寸
• 能增加视场 • 相对孔径较小
反射式望远物镜
大口径望远镜均采用反射式物镜。
• 优点：
• 完全没有色差 • 可以在紫外到红外很大波长范围内工作 • 反射镜的材料比透镜的材料容易制造，特别对大
其他要求
• 军用 -- 外形、体积和重量 • 双眼仪器 – 光轴平行性、相对像倾斜
视放大率 --
➢视放大率的初步确定 – 仪器的精度
• 观察仪器 – 仪器的分辨角
60''
• 瞄准仪器 – 瞄准误差（与瞄准方式有关）
压线瞄准
对线、双线、叉线瞄准
60''
10''
• 测距仪器 – 测距误差
Байду номын сангаас
常用望远目镜的型式和光学特性
冉斯登目镜 • 场镜向接目镜移近，使
物镜的像平面移出目镜， 可以设置分划板
• 视场角2’=30o~40o
• 相对出曈距lz’/f ’=1/3 • 大地测量仪器常采用冉
斯登目镜，一般用作测 量和读数。
常用望远目镜的型式和光学特性
凯涅尔目镜 • 由场镜和双胶合接目
口径零件
• 缺点
• 加工精度要求高
常用反射式望远物镜的结构和光学特性
• 牛顿系统
一个抛物面和一块与光 轴成45o的平面反射镜 构成
常用反射式望远物镜的结构和光学特性
• 格里高里系统
一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成 成正像；系统较长
常用反射式望远物镜的结构和光学特性
• 卡塞格林系统
一个抛物面主镜和一个 双曲面副镜构成
望远目镜
• 目镜的球差与轴向色差一般比较小 • 目镜主要校正与视场有关的像差：
慧差、像散、场曲、畸变和垂轴色差
• 对于目镜的光阑球差有一定的要求
光阑球差就是孔径光阑经过其后方的光学系统 成像时的球差
常用望远目镜的型式和光学特性
惠更斯目镜
• 视场角2’=40o~50o
• 相对出曈距lz’/f ’=1/4 • 焦距不小于15mm • 天文望远镜常采用惠
镜组成，像质优于冉 斯登目镜。
• 视场角2’=45o~50o
• 相对出曈距lz’/f ’=1/2
常用望远目镜的型式和光学特性
无畸变目镜 • 无畸变目镜并非完全校
正了畸变，只是畸变小
些，如在40o视场时的 相对畸变为3%~4% • 视场角2’=48o
• 相对出曈距lz’/f ’=3/4 • 适用于测量仪器
视放大率 --
➢视放大率与其他因素之间的关系
• 与仪器体积、重量的关系
f物' f目'
• 与视场2的关系
D D'
tan' tan
• 仪器的使用条件
视放大率 --
➢视放大率与其他因素之间的关系
• 望远镜的有效放大率
一定的物镜口径条件下，仪器的衍射分辨率已定， 无限度地提高视觉放大率也是无意义的。
物镜第一个表面顶点到被测物件的距离。它与物 镜的倍率和数值孔径密切相关。
• 小数值孔径的物镜：15~17mm • 大数值孔径的物镜：0.1~0.06mm
9-6 显微镜的物镜
• 显微物镜的主要光学特性：
数值孔径和垂轴放大率
显微镜的放大率大约在2.5×~100×范围内，数 值孔径NA随放大率增大而增大。
• 在阿米西物镜中再加一个同心齐明透镜，称作 阿贝浸液物镜。在玻璃盖片和物镜前片之间浸
液（折射率为n）
• = 90×~100×
NA=1.25～1.4
复消色差物镜
• 有阴影线的透镜，是由特殊材料萤石制成
• = 90×
NA = 1.3
平视场复消色差物镜
• = 40×
NA = 0.85
• 相对出曈距离 目镜的出曈距离和目镜焦距之比。
lz ' lF ' 1 f目' f目'
目镜的相对出曈距离直接影响仪器的外形尺寸。 目镜的相对出曈距离影响目镜的结构。 一般目镜的相对出曈距离为0.5~0.8。
• 工作距离 目镜第一面顶点到物方焦平面的距离。
x SD f目'2 1000
对于有分划板的望远镜，为了保证在调负视度时 目镜的第一面不至于与分划板相碰，要求目镜的 工作距离大于目镜的视度调节所需要的最大轴向 移动量。
低倍物镜
• 由双胶合物镜组成
• = 3×~6×
NA = 0.1~0.15
中倍物镜
• 由两组双胶合透镜组成，称为里斯特物镜
• = 8×~10×
NA = 0.25~0.3
高倍物镜
• 在里斯特物镜前加一半球透镜，其第二面为齐 明面。这种物镜称作“阿米西”物镜
• = 40×
NA = 0.65
浸液物镜
• 系统采用几个透镜组，成像关系，各光学零件的大 体位置
• 确定每个透镜组的光学特性
• 焦距、相对孔径和视场角
• 选择系统的成像光束位置，计算每个透镜的通 光口径
• 根据成像质量和光学特性的要求，选定系统中 每个透镜组的型式。
设计实例：简单的开普勒望远系统
设计一个开普勒系统。
• 镜筒长度175mm • 视觉放大率-6x • 视场角7o • 出瞳直径4mm
500NA 1000NA
550nm
线视场
被观察物体的最大尺寸，表征显微镜的观察范围。
2y D
显微镜线视场取决于放在目镜前焦面上的视场光阑的大小
出瞳直径与出瞳距离
NA 500 D'
D' 500 NA
通常显微镜出瞳直径较小，一般小于眼瞳的直径。 出瞳距离一般在10mm以上。
工作距离
出曈直径 – D’
和出曈直径直接相关的是仪器的主观量度
仪器的出曈直径应该不小于人眼的瞳孔直径。
出曈直径还间接与仪器的衍射分辨率有关
140''
D
D
D'
D
D'
e
D 2.3
仪器使用条件对出曈直径有要求。
出曈距离 – lz’ 一般的仪器出曈距离不小于6mm 军用仪器出曈距离不小于20mm 武器上的瞄准镜，出曈距离可达数十毫米。
9-5 显微镜概述和显微镜的光学性能
• 按照用途分类
• 生物显微镜 • 金相显微镜 • 工具显微镜
• 按照照明方式分类
• 透射式照明、反射式照明 • 视场照明、暗视场照明
• 显微技术的发展
显微镜的光学性能
• 视觉放大率 • 线视场 • 出瞳直径 • 出瞳距离 • 工作距离
视觉放大率 • 有效视觉放大率
成倒像 系统长度短 视场可扩大
Hubble Space Telescope
Hubble Space Telescope
Hubble Space Telescope
9-3 望远镜的目镜
目镜的光学特性：像方视场角、相对出曈 距离和工作距离
• 像方视场角
tan' tan
tan' tan
目前，提高望远镜的视觉放大率和视场主要是 受到目镜视场的限制。一般目镜的视场为 40o~50o。
60'' 140'' D
e
D 2.3
符合上述关系的视放大率称为望远镜的有效放大率。
视场角 -- 2
视场角与视放大率必须同时考虑
➢对于一定视场角的目镜，望远镜的视场与视 放大率成反比。
tan' tan
➢常用目镜的视场角2’约为40o~70o。
➢对于双眼仪器，要考虑两目镜之间的最小瞳 孔间隔。
9-2 望远镜的物镜
物镜的光学特性：焦距、相对孔径和视场
• 焦距
f物' f物 ' f目' f目'
• 相对孔径
D D'
• 视场
tan' tan
D D' tan tan'
常用望远镜物镜的种类
• 折射式望远物镜
两片镜组、三片镜组、摄远物镜等
• 反射式望远物镜
牛顿系统、格里高里系统、卡塞格林系统等
常用望远目镜的型式和光学特性
长出曈距目镜
• 视场角2’=40o
• 相对出曈距 lz’/f ’=1.37
• 适用于军用仪器
除此之外，还有对称目镜，广角目镜，
超广角目镜等。目镜的型式较多，设计 时，在满足光学特性要求时，要兼顾成 像质量和结构的简单化。
9-4 望远镜的外形尺寸计算
• 根据光学特性和外形、体积等要求，拟定光学 系统的结构原理图。
• 折反射式望远物镜
施米特物镜、马克苏托夫物镜、同心系统等
常用折射式望远物镜的结构和光学特性
• 双胶物镜
• 视场：一般不超过8o ~ 10o • 相对孔径：与焦距有关。
一般最大口径不超过 100mm。 • 优点：结构简单，安装方 便，光能损失小。
常用折射式望远物镜的结构和光学特性
• 双单和单双物镜
第九章
望远镜和显微镜
主要研究内容
技术要求
初步设计
光学系统原理图
像差设计
优化系统的结构参数
光学系统设计的流程图
9-1 望远镜的光学性能和技术条件
光学性能
• 视放大率 -- • 视场角 -- 2
• 出曈直径 – D’ • 出曈距离 – lz’
技术条件
• 分辨率 -- • 视差角 --
适用于大相对孔径望远 物镜，其相对孔径可 达1：2
常用折射式望远物镜的结构和光学特性
• 摄远物镜
• 系统的总长度小于物镜的焦距，可缩短仪器的外形 尺寸
• 能增加视场 • 相对孔径较小
反射式望远物镜
大口径望远镜均采用反射式物镜。
• 优点：
• 完全没有色差 • 可以在紫外到红外很大波长范围内工作 • 反射镜的材料比透镜的材料容易制造，特别对大
其他要求
• 军用 -- 外形、体积和重量 • 双眼仪器 – 光轴平行性、相对像倾斜
视放大率 --
➢视放大率的初步确定 – 仪器的精度
• 观察仪器 – 仪器的分辨角
60''
• 瞄准仪器 – 瞄准误差（与瞄准方式有关）
压线瞄准
对线、双线、叉线瞄准
60''
10''
• 测距仪器 – 测距误差