（光学工程专业论文）80口径观鸟镜ed光学系统设计.pdf

是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果；除文中已经j _ j ：明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文畸，以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：重幽i 导师签名： 业年三月鱼同 摘要 由于现代人们对生态环境的认识，观鸟活动日益盛行，使其成为一种产业带来经 济效益。目前能看到的主流观鸟镜口径都在1 0 0 毫米以下。本课题8 0 口径观鸟镜e d 光学系统设计中的物镜口径d = 8 0 m m ，要求对二级光谱和色球差作严格的校正，所以物 镜采用三分离结构，像质可以校正的更优良，做到复消色差。设计后，能满足物镜像 质要求：物镜轴上传递函数m t f ( 1 2 0 1 p s m m ) 20 2 ，0 7 视场m t f ( 6 0 l p s m m ) 20 2 。 由于要求目镜的视场角较大2 c o = 6 5 。，目镜焦距f7 = 1 2 m m ，出瞳距比焦距要长，出瞳 距要求达到1 7 r u n ，所以采用新型惠更斯目镜结构。采用这种结构设计后，满足目镜像 质要求：目镜轴上传递函数m t f ( 1 2 0 1 p s m m ) 20 2 ，目镜相对畸变冬1 0 。 在这次的光学系统设计过程中整个设计过程分为4 个阶段：决定光学系统的性能 指标、选择合适的初始结构、优化、像质评价。这次设计使用了z e m a x 软件，通过对 z e i c g t x 软件中各个像差曲线图进行分析，优化出符合设计要求的系统。 本次课题研究的目的是为了设计出一款具有高质量的成像光学系统、其结构合理、 口径大、分辨率高、色彩还原好、观测舒适、携带方便、性价比高，适合大众消费的 观鸟镜。 关键词：观鸟镜印光学系统物镜目镜 a b e r r a t i o n ，t h e r e f o r et h eo b j e c t i v el e n su s et h r e es e p a r a t i o ns 仃u c t u r e ，t oa d j u s tt h ei m a g e q u a l i t ya n da p o c h r o m a t i s m a f t e rd e s i g n ，i tm e e t st h ei m a g eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so ft h e o b j e c tl e n s ：o no b j e c t i v el e n sa x i st r a n s f e rf u n c t i o nm t f ( 1 2 0 1 p s m m ) 20 2 ，0 7f i e l do f m t f ( 6 0 1 p s m m ) 20 2 b e c a u s et h ed e m a n do fe y e p i e c ef i e l do f v i e wi st o ol a r g e 2c o - - 6 5 。, f o c a ld i s t a n c ef = 12 m m ，d i s t a n c eo fe x i tp u p i li s l o n g e rt h a nl e n g t h s o t h en e w h u y g e n s e y e p i e c e s t r u c t u r ei s u s e d u s i n g t h i s s 仃u c t u 】陀d e s i g n i tm e e t st h eq u a l i t y r e q u i r e m e n t s ：o ne y el e n sa x i st r a n s f e rf u n c t i o nm t f ( 1 2 0 1 p s m m ) 20 2 ，e y el e n sr e l a t i v e d i s t o r t i o n 墨1 0 t h eo b j e c t i v ei nt h i sd e s i g np r o c e s s ，t h eo p t i c a ld e s i g np r o c e s si sd i v i d e di n t of o u r s t a g e s ：d e t e r m i n eo p t i c a ls y s t e mp e r f o r m a n c e ，c h o o s et h ea p p r o p r i a t ei n i t i a l s t m c t l 】r e ， o p t i m i z a t i o n , i m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o n t h ed e s i g nu s e sz e m a xs o f t w a r e ，z e m a x s o f t w a r et h r o u g ht h ev a r i o u sa b e r r a t i o nc u r v e a n a l y s i sc a no p t i m i z es y s t e m st h a tm e e td e s i g n r e q u i r e m e n t s t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e s i g nah i g h - q u a l i t yi m a g i n go p t i c a ls y s t e m ，i th a s r e a s o n a b l e 蛐n j c t u r e ，l a r g ed i a m e t e r , h i g hr e s o l u t i o n ，g o o dc o l o rr e p r o d u c t i o n ，c o m f o r t a b l e o b s e r v i n ga n de a s yt oc a r r y , i ts u i t a b l ef o rm a s sc o n s u m p t i o no ft h e b i r d w a t c h i n g t e l e s c o p e k e yw o r d s ：b i r d - w a t c h i n gt e l e s c o p e e dl e n so p t i c a ls y s t e m o b j e c t i v e e y e p i e c el e n s 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 观鸟镜简介l 1 2 观鸟镜国内外发展现状及趋势1 1 3 观鸟镜结构概述4 第二章光学设计概述6 2 1 概述6 2 2 用光学传递函数评价光学系统像质7 第三章光学设计理论基础8 3 1 物镜概述8 3 2 目镜概述一9 3 3 棱镜概述。l1 3 4 复消色差1 2 3 5 复消色差物镜结构及材料选择方法分析1 4 第四章光学系统设计方案1 7 4 1 确定光学系统的性能指标1 7 4 2 物镜选择合适的初始结构及优化1 7 4 3 目镜选择合适的初始结构及优化2 9 4 4 像质评价3 8 第五章总结4 0 致谢4 1 参考文献4 2 第一章绪论 1 1 观鸟镜简介 观鸟镜又称观靶镜，是从部队使用的观靶镜中发展而来的，是地面景物观察的利 器，尤其适合观鸟，是爱鸟一族的得力工具。据有关方面统计，在西方，观鸟早已是 十分盛行的一项户外活动。英国、丹麦、瑞典、法国、德国等国家每年都有数百万人 观鸟，观鸟在北美地区也已成为一项主要产业，每年直接产生的经济效益约为2 5 0 亿 美元。中国的观鸟业由于受社会经济生活等因素的影响，起步比较晚，但中国的观鸟 业发展迅速，到目前为止已经形成庞大的观鸟人群。 观乌镜使用者的需求是对光学设计的一种强大推动力。现代的望远镜对于打猎， 观看运动，军警监测，看风景已经足够了，但是对于观鸟还是不够! 对于观鸟镜的光 学成像有着最苛刻的要求。鸟类的羽毛有着自然中最丰富的细节，最广泛的色彩。我 们需要能够分辩出这一切。由于此，光学设计者和厂商们都在观鸟镜上投入了巨大的 精力。 对于一个观鸟爱好者，观鸟镜在野外的表现可以归结为：影像质量，便携性，性 价比以及易用性和防水性。完美的观鸟镜应该表现出鸟类的真实细节和颜色，不管是 在何种距离和何种光线条件下，使用观鸟镜看到的鸟就和我们眼前的鸟一样。你可以 整天带着它们而不觉得精神和肉体上的疲劳。在雨中，或者各种可能遇到的碰撞和振 动时不影响观鸟镜的正常使用，结构坚固耐用。 一款好的观鸟镜要具有高质量的成像，就需要复杂的光学设计，高质量的材料和 精密的加工技术( 包括严格的质量控制) 。复杂的光学设计需要比较多的镜片数量( 多 片的物镜和目镜) ，高质量的光学材料意味着高成本。这些镜片必须精确地安装而且要 牢固可靠，不会由于振动而移位。移动部分必须平滑而且精准。所有这些都会造成观 鸟镜的高成本，其价格是消费者难以承担的。 好的观鸟镜总是在成像质量和体积，重量，价格之间寻找着平衡。在很多观鸟镜 中，甚至包括某些最昂贵的几种，你都能发现我们技术上的局限，或者是在人们能够 承受的价格范围内所能做到的局限。所以，本课题研究的目的和意义是为了设计出一 款具有高质量的成像光学系统，其结构合理、口径大、分辨率高、色彩还原好、观测 舒适、携带方便、性价比高，适合大众消费的观鸟镜。 1 2 观鸟镜国内外发展现状及趋势 目前国内外有很多种类型的观鸟镜，由于其主要作用是观察鸟的动态，整体结构 要求便携，所以对其结构要求比较特殊。 由于现代人们对生态环境的认识，观鸟活动日益盛行，使其成为一种产业带来经 济效益。致使国内外很多厂商着力于观鸟镜的开发和研制。 像德国的蔡司，日本的o l y p u s ( 奥林巴斯) 和k o w a ( 兴和) ，奥地利s w a r o v s k i ( 施华洛世奇) 。国内的千擎，博冠，西安西光等都在做观鸟镜。但是国内的产品和技 术水平照比国外的还是存在一定差距的。 下面介绍几款国内外热销的观鸟镜 1 、博冠( b o s m a ) 锐利系歹i j - 2 0 6 0 x 8 0 e d 观鸟镜 国内的观鸟镜种类相对于国外要少一些，博冠( b o s m a ) 锐利系列观鸟镜在国内市 场上是比较热销的，它的性价比是符合中国消费者消费水平的。博冠锐利系列8 0 观鸟 镜主要分为普通8 0 观鸟镜和8 0e d 观鸟镜。 参数： 放大倍率2 0 x - 6 0 x 有效口径8 0 m m 视场f t l o o o y d s ：9 6 5 l 出瞳直径4 m m - 1 3 m m 视察角度4 5 。 出瞳距离2 4 o m m 一1 9 o m m 防水防雾是 最近观察距离1 5 m 镀膜绿膜 锐利的成像品质，大目镜配置3 倍光学变焦，4 5 度目镜出射角度，观察舒适， 标准摄影脚架接口，应用e d 玻璃消色差设计，带来无瑕的视觉享受可防水，可配相机 等摄影组件。 2 、加拿大( a c u t e r ) s t 2 0 6 0 x 8 0 a 单筒观鸟镜 加拿大( a c u t e r ) s t 2 0 6 0 x s o a 观鸟镜采用2 片分离式物镜，镜片全表面多层膜， 成像清晰明亮，色差极小。它采用全金属镜身，各部件结合紧密，内调焦模式，有利 于防水防尘，做工精细，性价比极高。 基本结构参数： 口径8 0 m m 焦距4 8 0 m m 倍数4 0 棱镜4 5 度正像棱镜 镜身长度4 1 c m 重量1 4 2 0 9 3 、n i k u l a 立可达2 0 x 一6 0 x 8 5 观景观鸟镜 中国立可达( 英文：n i k u l a ) ，著名的台资企业，以出口和代工为主。 这款观鸟镜倍数从2 0 到6 0 之间连续可调，结合8 5 毫米口径，令整个倍数段的成 像都比较清晰明亮舒适，是一款高品质的观鸟望远镜。f i d c 镀膜，成像清晰明亮不偏色。 超大设计的直视目镜观看舒适，有倍数的刻度，接目部分可以逐级旋转升降，适应不 2 同人群，即使戴眼镜也可以舒适观看。体积小巧携带方便，可直接连接普通相机三脚 架。全金属机身，充氮防水结构，非常耐用。适合观鸟、观靶、户外旅游探险。 参数： 放大倍数2 0 - 6 0 连续变倍 物镜口径8 5 r a m 出瞳直径 1 4 m m - 4 2 5 r a m 棱镜保罗棱镜，b a k 4 材质 镀膜f m c 全表面多层镀膜 防水0 型橡胶圈密封防水 出瞳距离1 8 m m - 2 1 m m 长度4 0 0 m m。 重量1 8 k g 充氮是 4 、施华洛世奇s w a r o v s k i 观鸟镜a t s8 0h d 施华洛世奇s w a r o v s k i 观鸟镜a t s8 0h d 是大口径单筒观鸟镜中重量最轻的，只 有1 3 公斤；设计最短小，长度只有3 5 厘米。可搭配2 0 x ，3 0 x ，4 5 x 和一支变焦2 0 - 6 0 x 的接目镜。s w a r o v s k ia t s 一8 0 h d 所采用的镜头及棱镜，均独得奥地利国家设计奖，其 ( h d ) 型号代表( 高清晰度) ，镜头是经过特别复杂处理的玻璃，这种玻璃能够完全避 免啊带状色彩色差，使色彩再生，它采用高解像( h d ) 物镜使用特殊物料及特别镀膜， 可有效减低色散现象，在逆光环境下，影像细节依然清晰可见，线条分明。精密光学 系统配合多重专利镀膜使影像清晰锐利，色彩自然，于阴暗环境下景物细节依然全现 眼前。内置物镜遮光罩图上防反光物料，可减低眩光现象。特大对焦环境使操作更为 方便自如。铝合金镜身裹以防滑橡胶，坚固耐用，手感非常好。 参数： 物镜口径8 0 r a m 焦距4 6 0 m m 本体长度3 5 5 m m 光学系统消色差物镜，s w a r o t o p 及s w a r o d u r 多层镀膜 棱镜p 镀膜( 消除色散及鬼影) 及宽带镀膜。创新s w a r o b r i g h t 干扰镜。 对焦范围 5 m 防水度 4 m 重量1 3 0 0 9 防水充氮气防雾 1 3 观鸟镜结构概述 l 、光学类型 市面上能看到很多类型的单筒望远镜，但适合看乌的却并不多。首先要排除是反 射式望远镜，比如牛顿式，人必须在镜筒的侧面观测，而且成的像是倒像。折反式望 远镜也不太适合看乌，因为它的焦距特别长，放大倍数太高。而且主镜和副镜都镀银， 会导致光线损失和颜色偏黄，另外副镜还能引起入射光线的衍射导致清晰度下降。所 以一般来说观鸟单筒基本都是折射式，口径太大、焦距太长的单筒并不适合看鸟，所 以目前我们能看到的主流观鸟单筒镜都是1 0 0 毫米以下口径的短焦折射镜。 2 、物镜口径 目前国内外研究的观乌镜都是l o o m m 以下口径的折射镜，大多是5 5 r a m 、6 5 m m 、8 0 m m 口径的，但个别厂商也有做8 5 m m 、9 0 r a m 甚至l o o m m 口径的。一般建议观鸟单筒镜的口 径在5 0 9 0 r a m ，口径与观鸟镜的体积、重量、倍数密切相关。太小的口径会导致观鸟镜 的有效倍数太低，起不到精细观测的作用，太大的口径则意味着较大的体积和重量， 对鸟人来说背个大家伙爬山涉水可不是件轻松的事。目前主流观鸟镜的口径都在8 0 r a m 左右，对于不那么狂热的鸟人，出门喜欢带一个5 5 r a m 的小口径观鸟镜，对于女性观鸟 爱好者来说5 0 6 5 m m 之间的口径不会造成体力的负担，配套的三脚架和云台也可以轻 便些。 3 、物镜材料 ，一般的观鸟镜物镜会采用普通光学玻璃制造，高档的观鸟镜物镜会采用e d 玻璃制 造，顶级的观鸟镜物镜会采用萤石制造。e d 玻璃和萤石的毛坯价格昂贵，而且加工成 品率低，所以售价也很贵。从光学品质上说，e d 玻璃色散系数低，萤石的色散系数更 低，越低的色散系数意味着从物点发出的不同波长的光最后都更加汇聚到像点上去。h 3 从视觉感官上会发觉图象几乎没有彩色边缘，清晰度和对比度都极高。 4 、物镜结构 最常见的物镜采用双胶合结构，就是把两片不同折射率的玻璃胶合在一起，以获 得消色差的效果。优质物镜会采用双分离结构，就是把两片不同折射率的镜片适当的 分离，和双胶合结构比可以增加两个变量( 中间镜片的曲率和镜片间距) ，以获得更 好的像差矫正效果。更好的物镜则采用三分离结构，也就是采用三片分离式镜片，让 三个波长以上的色光汇聚在一个焦点上，这就是所谓的复消色差( a p o ) 以及超消色差。 5 、目镜 观鸟镜的目镜大多采用广角目镜设计。观乌镜目镜主要有三个参数： 出瞳距离一一眼睛离最后一片目镜镜片的可以看清整个视场的最大距离，一般来说在 1 5 2 0 m m 之间比较合适，太小必须眼睛贴在目镜后才能看清整个视野，太远又容易出现 黑影。通常1 2 1 5 r a m 的出瞳距离可以看到7 0 到8 0 的视场，2 0 m m 就可以看到整个 视场。 视场一一5 0 一6 0 度的视场会获得令人满意的效果，观鸟镜的物方视场角= 目镜的视场角 观鸟镜的倍数。“广角 意味着在相同的倍数看到的范围更大，具有更好的主观亮度。 ( 通过望远镜观察时感知的像的明亮程度称为望远镜的主观亮度) 焦距一一这是一个非常重要的参数，选择不同焦距的目镜可以组合出不同的倍数。观 鸟活动往往都是在白天进行的，受光照影响比较大。如果是阴天，倍数不能太大，否 4 则出瞳直径太小，成像昏暗。如果是阳光充足晴朗天气，倍数可以适当大些，但是在 太大的倍数下成像因大气密度波动造成光线折射，反而导致影象模糊。一般常用的倍 数在2 0 - 6 0 倍之间。 第二章光学设计概述 2 1 概述 一、现代光学仪器对光学系统设计的要求 仪器( 或设备) 研发的前提是社会的需求。在对社会需求进行分析研究后，设计 者把使用者提出的要求转化成仪器的质量指标和设计参数，通过相关技术资料、专利 文献的查询和必要的实验验证，然后进入整机的总体设计。 要设计好光学系统，首先要明确它在仪器中的地位和作用，即仪器对光学系统的 要求；其次是了解光学系统对这些要求能满足的程度；最后是考虑设计的经济性，即 能以最低的成本生产出好产品来。n 4 3 二、光学系统设计的一般过程和步骤 1 、根据使用要求制定合理的技术参数。从光学系统对使用要求满足程度出发，制 定光学系统合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。 2 、光学系统总体设计和布局。 3 、光学部件( 光组、镜头) 的设计。一般分为选型、确定初始结构参数、像差校 正三个阶段。n 羽 4 、长光路的拼接与统算。以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路 的拼接与统算。如结果不合理，则应反试算并调整各光组的位置与结构，直到达到预 期的目标为止。 三、光学系统的具体设计 确定焦距、倍率、 相对孔径、视场、 工作距离等 6 光学系统的具体设计一般包括光学部件设计和整个系统设计的统算。 具体包括： 1 、选型 2 、初始结构的计算和选择 确定初始结构常用的两种方法：代数法和逐步修改法。 本次课题在确定初始结构时采用了逐步修改法( 缩放法) ，即根据对光组的要求，找 出性能参数比较接近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比k ，通过像差计算逐步修改， 得到所要求的结构，并估计其像差的大小或变化趋势。 3 、像差校正、平衡与像质评价 2 2 用光学传递函数评价光学系统像质 大多数对光学系统的评定方法都是基于把物体看做发光点集合，并以一点成像是 能量集中程度来表征系统成像性质。利用光学传递函数来评价，则是基于把物面图形 分解为各种频率谱，也就是把物体光场分布函数展开为傅里叶级数( 物函数为周期函 数) 或傅里叶积分( 物函数为非周期函数) ，研究光学系数对各种空间频率亮度呈余弦 分布的目标传递能力。盯3 这种把物面图形分解成余弦基元来研究光学系统成像性质的思 路，正是光学传函理论的基本出发点。 借助光学设计软件在电子计算机上可准确地求得m t f 值和自动生成m t f 曲线，而 使用光学传递函数检测仪也能方便地对实际镜头进行测试。 用光学传递函数评价光学系统像质，目前大致有如下几种方法： 1 、比较分析m t f 曲线 2 、根据光学系统的使用目的，选取一个或几个特定频率的m t f 值作为评价指标。 3 、根据m t f 值降到某一特定值时，以与其对应的频率不应小于某值来评价。 4 、以m t f 曲线与坐标轴或接收器的“察觉阈”所围成的面积m t f a 来评价系统。 5 、利用m t f 曲线族作像质评价。为了对某些研究型光学系统作出更全面的评价，必须 把有关数据和曲线加以综合，以曲线族的形式来表达所需反映的参数。 光学传递函数不仅能用来评价设计结果，而且能指导光学设计，根据光学传递函数 的要求制定像差的合理校正方案和公差。在光学自动设计的精校阶段，还可以作为评 价函数，求得系统更佳结构参数。 第三章光学设计理论基础 3 1 物镜概述 观鸟镜一般由物镜、目镜和棱镜( 或透镜) 转向系统构成，观鸟物镜是整个观鸟 镜系统的一个组成部分。 入射光瞳直径( 或物镜i ：1 径) d 决定物镜的分辨本领。物镜成像大小与物镜的焦距 f7 成正比。而d 和f7 有分别决定系统的外形尺寸，d f7 ( 相对孔径) 决定物镜结构 的复杂程度及像面的光照度，视场2 决定观察范围。因此，物镜三个重要的光学特性 是相对孔径d f7 、焦距f7 和视场2 ( ) 【l9 | 。 望远镜分折射式、反射式和折反射式三类。 。 ( 1 ) 反射式和折反射式物镜 反射式和折反射式物镜在大i ：1 径、长焦距的望远系统中采用。因为反射镜不产生 色差，光路反射转折可以缩短轴向长度。 双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有两种型式：一是卡塞林系统，其 主镜( 大反射镜) 是抛物面，副镜( 小反射面) 是双曲面，成倒像，镜筒短；二是格 列果里系统，其主镜仍是抛物面，副镜是椭圆面，成正像，镜筒长。 由于非球面的加工困难，轴外像差有不能校正，因而出现折反射系统，卡塞林系 统的改进。折反射镜是有球面主镜和校正透镜组成。因为主镜的像差能得到校正透镜 的补偿，故能提高像质，增大视场和口径。较为著名的折反射物镜有斯米特物镜、马 克苏托夫物镜和同心球壳校正板式物镜。 主镜 辨 3 目一 x 卢 i 啪 图3 1 反射物镜 ( 2 ) 折射式物镜 折射式物镜种类很多，主要有双胶合、 摄远6 种。其主要光学特性、特点如下。 图3 2 折反物镜 双胶合一单、单一双胶合、三分离、对称、 双胶合：视场为2 ( i ) 1 0 0 ，不同焦距适用的最大相对孔径f ，手为5 0 1 3 、 1 5 0 1 、3 0 0 1 、o o o ! ； 4 61 0 双胶合一单：相对孔径为笋为吉吉，透镜口径。 1 。m m ，视场角 2 ( ) 5 。5 单一双胶合：相对孔径为7 dj 1 万1 ，透镜口径d 1 0 0 唧，视场角 2 ( 1 ) 5 。： 三分离：相对孔径为号为三去，视场角2 4 。； 对称式：适合于短焦距，大视场，小相对孔径使用：f ， 5 0 ，7 d 昙，2 ( i ) ，) l o 对于大多数目镜需要校正垂轴色差，然而用于显微镜系统的目镜，常需要产生正 的垂轴色差 ( 昂一e ) 硭 o 来平衡所用的物镜的垂轴色差，这就是所谓补偿目镜。 通常规定补偿目镜的垂轴色差为1 5 - - - 2 。 3 、光阑球差当目镜存在严重的光阑球差时，使出射光瞳位置有很大的差异，从而出 现视场遮拦现象。但在设计目镜时，一般并不需要特别设法校正它，否则会使校正其 他像差变得困难异常。但应验算物镜与目镜组合使用时光阑球差是否会引起视场遮拦。 二、目镜种类与结构 l 、惠更斯目镜 由凸面朝向物镜的两片平凸透镜组成的内焦点目镜，前面的靠近物镜一方的透镜 称为场镜，后面的接近眼睛的一块透镜称为接目镜，场镜把物镜成的像再一次成像在 两透镜中间，该处是接目镜的物方焦面，中间象经过接目镜后成像在无限远。惠更斯 目镜视场约为2 5 4 0 度，镜目距约为目镜焦距的1 3 左右。惠更斯目镜是小型折射镜 的首选，随着望远镜光程的增大，其视场小，反差低，色差，球差场曲明显的缺点逐 渐暴露出来，所以目前这种结构一般为显微镜的目镜采用。将惠更斯目镜的场镜不用 平凸透镜而改成弯月形透镜，不仅使场曲有所改善，有效视场可增至5 0 。，这种目镜 常用于一般折射望远镜中。 2 、冉斯登目镜 由凸面相对，焦距相同的两个平凸透镜组成的目镜。冉斯登目镜两块透镜的焦距 和间隔相等时，可以满足校正倍率色差的条件。 冉斯登目镜其色差略大，场曲显著减小，视场约为3 0 - 4 5 度，目前己很少采用。 3 凯涅尔目镜 在冉斯登目镜的基础上发展而来，是平场目镜的主要型式，它是将单片的接目镜 改为双胶合消色差透镜，大大改善了对色差和边缘像质的改善，视场达到4 0 5 0 度， 低倍时有着舒适的出瞳距离，所以目前在一些中低倍望远镜中广泛应用。 4 阿贝无畸变目镜 1 0 为四片两组结构，其中场镜为三胶合透镜，接目镜为平凸透镜，该目镜能有效的 控制了色差和球差，并把场曲降低到难以察觉的程度，它还具有4 0 - 5 0 度的平坦视场 和足够的出瞳距离，在各倍率都有良好表现，一直被广泛采用。 5 爱勒弗广角目镜 为5 片三组结构，是专门为需要大视场的军用望远镜设计，视场高达6 0 - 7 5 度。 非常适合观测深空天体，由于边缘存在像散，所以不太适合高倍设计，其在低倍时的 表现是非常出色的。 6 普罗索目镜 又称为对称目镜。由完全相同的两组双胶合消色差透镜组成，其结构紧凑，具有 较大的出瞳距离和视场，造价低，而且适用于所有的放大倍率，是目前应用最为广泛 的目镜。 7 n a g l e r 目镜 一种于1 9 7 9 年由美国人设计的高档目镜，有着8 2 度的惊人视场，优质的边缘像 质和舒适的出瞳距离，以及复杂的结构和高昂的价格，和超过一公斤的重量。 3 3 棱镜概述 将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件称为反射棱镜，在光学系统 中主要用于折转光路、转像、倒像和扫描等。 为了使像正立，观鸟镜必须使用转像系统，转象系统有透镜式、反射镜式和棱镜 式，可以全部放在物镜和目镜之间，也可以部分放在物镜之前。透镜式转像系统是一 组正透镜组，把像倒转一次。它的加入使整个望远镜尺寸加长了，常用于尺寸无限制 或特别要加长的望远镜中，如枪用瞄准镜和潜望镜。转像棱镜( 如图3 4 所示) ，其 主要特点是出射光轴与入射光轴平行，实现完全倒像，并能折叠很长的光路在棱镜中。 构成折轴望远镜，以满足俯仰、对空、周视观察的需要，更重要的是能增大体视锐度。 最常用的转象棱镜有保罗棱镜和别汉棱镜，前者是我们常见的双筒望远镜的结构形式， 它图象清晰，但体积较大；后者构成的是尺寸较小而精巧的直筒望远镜，它生产成本 低，但成像质量不如前者。 在光路计算中，常用一等效平行玻璃平板来取代光线在反射棱镜两折射面之间的 光路，这种做法称为棱镜的展开。棱镜展开的方法是：在棱镜主截面内，按反射面的 顺序，以反射面与主截面的交线为轴，依次按反射面顺序作镜像，便可得到棱镜的等 效平行平板。 在光路计算中，常要求出棱镜光轴长度，即棱镜等效平板厚度。设棱镜的i z l 径为 历则棱镜光轴长度和口径刃之间的关系为 l = k d 式中k 决定于棱镜的结构型式，与棱镜的大小无关，因此称为棱镜的结构参数。 图3 4 转像棱镜 几种典型棱镜的展开b 3 】= 、直角棱镜对于一次反射的直角棱镜，其光轴长度和结构参数为 l = d 。k 鼍 对于二次反射直角棱镜，l - - - 2 d ，脚 2 、道威棱镜由于光轴与入射面和出射面不垂直，展开的平行平板相对于光轴是 倾斜的，其光轴长度和结构参数与棱镜的玻璃折射率有关则 l = 2 衫( 厨j 一，) ，k = 2 衫( 6 巧一) 3 、五角棱镜l = ( 2 + 4 2 ) d = 3 4 1 4 d ， k = 3 4 1 4 4 、等腰棱镜设棱镜的顶角为p ，l = d t g g = d c o t ( p 2 ) ，k = c o t ( p 2 ) 5 、半五角棱镜相同口径情况下，半五角棱镜的光轴长度是五角棱镜的一半，即 l = ( 1 + 压2 ) d = i 7 0 7 d ， k = i 7 0 7 6 、斯密特棱镜l = ( 1 + 2 ) d = 2 4 1 4 d ， k = 2 4 1 4 7 、屋脊棱镜 五角屋脊棱镜的光轴长度：l = 3 4 1 4x1 2 3 7 d = 4 2 2 3 d 半五角屋脊棱镜的光轴长度：l = i 7 0 7x1 2 3 7 d = 2 1 1l d 斯密特脊棱镜的光轴长度：l = 2 4 1 4x1 2 5 9 d = 3 0 3 9 d 3 4 复消色差 在像差中，光学系统对两种色光( 如c 光和f 光) 校正了轴向色差，相对于第三 种色光之间的剩余色差称为二级光谱。 在光栅光谱中，当衍射角使两条相邻光线的光程差为2 力时的谱线也称为二级光 谱，即光栅方程 d ( s i n i s i n m ) = 肌力 中m = 2 时的光谱。 对于成像波段较宽的光学系统，二级光谱的存在将使它不能给出无色的高品质像。 但由于校正二级光谱非常困难，只有对成像和清晰度要求特别高的系统才设法予以校 正或减少。这种对三色光校正位置色差的系统称为复消色差光学系统。髓3 1 2 所谓色差，从几何光学原理讲，镜头等效于一个单片凸透镜。凸透镜的焦距， 与镜面两边曲率和玻璃的折射率有关。如果镜片形状固定，那就只与制造镜片材 料的折射率有关了。由于光学材料都有色散，因此，同一个镜片，对于红光来说， 焦距略微长一点；对于蓝光来说，焦距略为短一点。这就叫做“色差”。 有了色差的镜头，具体这么几个缺点： 1 、由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以 成像模糊； 2 、同样，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，画面边缘部分明暗交 界处会有彩虹的边缘。 消色差：利用不同折射率、不同色差的玻璃组合，可以消除色差。例如，利 用低折射率、低色散玻璃做凸透镜，利用高折射率、高色散玻璃做凹透镜，然后 将两者胶合在一起。为了使两者胶合后仍然等效于一个凸透镜，前者( 凸透镜) 屈光度要大一些，后者( 凹透镜) 屈光度要小一些。我们分析这样的双胶合镜对 不同波长光线的作用：对于较长波长的光线，由于凹透镜材料色散大、也就是折 射率随着波长变化大，所以折射率比中间波长较小，凸透镜起的作用大，双胶合 镜长波端焦距偏长。对于较长波短的光线，由于凹透镜色散大、也就是折射率随 着波长变化大，所以折射率较大，凹透镜起的发散作用大，双胶合镜短波端焦距 也偏长。最后的结论是：这样的双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短波光线焦 距较长。很明显，中间波长是一个谷，它的周围焦距变化小多了。设计时合理的 选择镜片球面曲率、双胶合镜的材料，可以使蓝光、红光焦距恰好相等，这就基 本消除了色差。剩余色差对于广角到中焦镜头来说，已经很小了，因此，也就满 足了镜头消色差的要求。 二级光谱：未消色差的镜头随着光线波长的增加，焦距增大，色差变大。而 消色差镜头的焦距随着波长先减小后增加，色差变小。把这种消色差镜头的剩余 色差就称做“二级光谱”。二级光谱所引起的不同色光焦距的变化不可能小于 焦距的千分之二，也就是说，镜头的焦距越长，消色差越不能满足要求。对镜头 成像质量要求越高时，超长焦消色差镜头的二级光谱越不可忽视。为了进一步消 除二级光谱对镜头成像质量的影响，引进了复消色差技术。 复消色差：如果某种光学材料随波长的变化折射率的数值可以任意控制，那 么我们一定能够设计出色差处处完全补偿即完全没有色差的镜头。但是，材料的 色散是不能任意控制的，而且可用的光学材料也就那么有限的若干种。我们退一 步设想，如果能够将可见光波段分为蓝一绿、绿一红两个区域，而且能够分别对这 两个区域进行消色差，那么二级光谱就可以基本消除。可是经过计算证明：假设 对绿光与红光进行消色差，那么蓝光的色差就会变大；假设对蓝光与绿光进行消 色差，那么红光色差就会变大。看起来似乎走进了一个死胡同，顽固的二级光谱 好像没有办法消除。 理论计算为复消色差找到了途径。如果采用制造高折射率材料制造的凹透镜 与采用低折射率材料制造的凸透镜在蓝光对绿光的部分相对色差刚好相同，那么 再实现蓝光与红光的消色差之后，绿光的色差也刚好消除。这个理论指出了实现 复消色差的正确途径，就是寻找一种特殊的光学材料，这种材料的蓝光对红光的 相对色散要很低、而蓝光对绿光的部分相对色散要很高且与某种高色散材料相 同。萤石就是符合这样条件的特殊材料，它的色散很低( 阿贝数高达9 5 5 6 ) ， 而部分相对色散与许多光学玻璃很接近。萤石又称氟化钙，它的分子式为c a f 2 ， 折射率比较低( n d = 1 4 3 3 9 ) ，微溶于水( 0 0 0 1 6 9 l o o g 水) ，它的可加工性与 化学稳定性较差，但是它拥有优异的消色差性能，是一种珍贵的光学材料。显微 镜物镜虽然焦距很短，但由于像距很大、分辨率要求很高，二级光谱一直是个难 以解决的问题。自从实现萤石人工结晶工艺以后，高级超长焦镜头中萤石基本上 就是不可或缺的材料，萤石镜片几乎成为高档镜头的代名词。由于萤石价格昂贵、 加工困难、成本非常高，所以一般只用在高档镜头上。光学设计者和厂商们一直不 遗余力的寻找萤石的代用品，氟冕玻璃就是其中一种。各公司所谓a d 玻璃、e d 玻璃、u d 玻璃，往往就是这一类代用品。 3 5 复消色差物镜结构及材料选择方法分析 a p 0 镜头几乎是高档镜头的代名词。a p o ，是英文a p o c h r o m a t i c 的缩写，意 为“复消色差的”。所谓萤石镜片、a d 玻璃、u d 玻璃、e d 玻璃，说到底，都是 为了实现a p 0 技术所用的特殊光学材料。 光学材料有光学玻璃、普通玻璃、光学晶体、光学塑料等。 光学玻璃是最常用的光学材料。光学玻璃是指对折射率、色散、透射比、光谱透 射比和光吸收等光学特性有特定要求，且光学性质均匀的玻璃。它的光学均匀性好， 机械强度高，表面强度较大，易于加工研磨和抛光，大多数在大气中具有较好的化学 稳定性。 一 透射材料的折射特性一般以夫琅和费特性谱线的折射率表示。用于目视仪器的常 规光学玻璃常以d 光的折射率刀d 、f 光和c 光的折射率玎f 、为主要特性。这是因为 f 光和c 光位于人眼灵敏光谱区的两端，而d 光位于其中，比较接近人眼最灵敏的谱线 5 5 5 n m 。 光学玻璃一般有如下几种光学常数： ( 1 ) 平均折射率i v n 和平均色散砌= ，z f 一坼。 ( 2 ) 阿贝常数：= ( 一1 ) ( n f 一) ，也叫平均色散系数。 ( 3 ) 部分色散：任意一对谱线的折射率之差，z 一，z ，。 ( 4 ) 相对色散：部分色散与平均色散之比( ，2 ；一胛。，) ( ，z f 一砟) 。 光学系统对c 好f 光校正了位置色差以后，其公共焦点至中间色光( 设为d 光) 1 4 焦点间的距离可由位置色差系数罗c f d 决定乜副，即 r 5 h 2 彘2 h 2 了( p 丽n r - n d ( 3 1 ) 式中( 一) ( 砟一他) 是玻璃的部分色散系数( 也习y 。- - , 疋i e i 相对色散) ，以斥d 表示f 光 和d 光之间的相对色散。光学系统校正二级光谱的条件是 口。d = 厅2 竺昂d = o ( 3 2 ) 一1 厶一，“ 将( 3 2 ) 式与消色差条件h 2 ( y ) = o 比较可得知，校正二级光谱的条件是各块透镜 的玻璃要有相同的相对色散。可是，目前并没有相对色散相同而且阿贝常数又相差比 较大的常用光学玻璃，上述条件是满足不了的。这就是光学系统校正二级光谱非常困 难的原因。 列出双胶合物镜复消色差的条件可知，条件( 3 2 ) 总得不到满足，一定存在而二 级光谱。为求知其大小，将消色差解公式( 3 2 ) 代入该式，可得二级光谱值为 譬旺斟厂等争 3 ， 可见，双胶合镜组的二级光谱与结构参数无关，在焦距一定时，仅由二玻璃的相对色 散差与阿贝常数之比值所决定。聆3 光学玻璃的相对色散随阿贝常数而异，两者关系在p v 图中可明显地表示出来。 如把所有玻璃画在这种图上，则可发现，对同一对色光的相对色散而言，p v 的关系 近乎线性。对于这二对色光的相对色散，其与v 之间的直线方程为 b d = k f d o 0 0 0 5 2 v 名，= 毽f o 0 0 1 8 5 v ( 3 4 ) 显然，公式( 3 3 ) 中，反映二级光谱大小的因子( 。一：) ( u 一屹) ，就是玻璃直 线的斜率，因此，双胶合镜组的d 光相对于f 光的二级光谱为 6 t 警= 0 0 0 0 5 2 f ? 这进一步揭示，一定焦距的双胶合物镜，其二级光谱不仅与结构参数无关，而且对各 种玻璃组合都差不多是一个常量。这是由普通玻璃的特性所决定的。但是也有少数特 种玻璃，如t f 3 等，在p v 图中离开直线相对较远，用它来与常用的k 9 玻璃组成双 胶合物镜，二级光谱可减小1 3 。先列出这对玻璃的数据： k 9 ： n d = 1 5 1 6 3 0 ，f f n c = o 0 0 8 0 6 ，l ，= 6 4 1 ， 1 f = 1 5 2 1 9 6 t f 3 ：d = 1 6 1 2 3 0 ，行f n c = o 0 1 3 8 9 ，y = 4 4 1 ，玎f = 1 6 2 2 1 4 则l = 0 7 0 2 2 ，2 = 0 7 0 8 4 ，按公式( 3 3 ) 可得影= 0 0 0 0 3 1 f 7 。 如果利用萤石( c a 6 ) 作透镜材料，可以很好地校正二级光谱，其常数为： n d = 1 4 3 3 8 5 ，f f n c = 0 0 0 4 5 4 ，= 9 5 5 6 ，g t f = 1 4 3 7 0 5 。它在p v 图中远离直线， 决定了它在二级光谱校正方面的重要意义。例如用它和t f 3 组合时，其二级光谱为 0 0 0 0 0 7 0 0 f 。 如果用双分离透镜，可以证明，色球差仍然不能校正，反而会导致二级光谱的增 大。 所以实际上，可能实现的长焦距复消色差物镜，只能用三分离物镜。三分离物镜 是应用薄透镜校正所有像差的最简单结构。它有八个变数，即六个曲率半径和两个间 隔，刚好满足校正七种像差，并满足总焦距的要求。在相对孔径很小时，如果玻璃选 择合适，是可以消除二级光谱的。m 1 使用三分离物镜时，在玻璃选择上能比较灵活一些。要校正二级光谱则应使各玻 璃的b d 值相差小，为此首先选取b n 值尽可能接近的三种玻璃，并使v 值相差大些。 即使其中两块玻璃尽量位于正常玻璃直线的右上方，与另一块尽量位于正常玻璃直线 左下方的玻璃组合起来，这样使三块玻璃在p v 图上所包围成尽可能大的三角形面积。 虽然用三分离物镜可以做到复消色差，但难于得到大相对孔径的复消色差系统。 为获得