光学设计—目镜11-28.ppt

制作 显微镜望远镜的目镜分析与设计 1目镜的光学特性 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 和其他光组相比 目镜的主要特性及其特点有 一焦距短1 望远物镜焦距与目镜焦距之间存在以下关系 当目镜的焦距增加时 物镜的焦距很快增加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在15 30mm左右 1目镜的光学特性 2 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显微镜目镜的视放大率一般在10倍左右 显微目镜的焦距也在25mm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 1目镜的光学特性 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的瞳孔 人的瞳孔的直径一般在2 4mm变化 因此军用望远系统的出射光瞳直径一般在4mm左右 显微镜的出射光瞳直径D 一般在1 2mm左右变化 目镜的焦距f 约为15 30mm 所以目镜的相对孔径D f 一般小于1 5 1目镜的光学特性 三 目镜的视场对于望远系统目镜的视场取决于视场的放大率和物镜的视场角 即 增大系统的放大率或者增大系统的视场角 都会使目镜视场角增大 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一般目镜的视场角为40 50 广角目镜的市场角可以达到60 80 特广角目镜的视场角在90 以上 视场角大是目镜的一个最突出的特点 1目镜的光学特性 四 出射光瞳距离出射光瞳距离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 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 一般值不应小于6 10mm 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20mm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出射光瞳距离 1目镜的光学特性 四 出射光瞳距离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 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 1目镜的光学特性 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 2目镜和人眼的匹配 一 入瞳和出瞳成物像关系目视光学仪器都是和人眼一起作用 以扩大人眼的视觉能力 人眼本身相当于摄影光学系统 当两个光学系统组合成一个光学系统时 除了前一个系统的像即为后一个系统的物这种像传递关系外 前后两个系统的孔径光阑也要匹配 即两个孔径光阑对整个系统应该成另一对物像关系 二 光瞳衔接原则人眼的瞳孔 就是人眼的孔径光阑 根据物体的亮暗程度 瞳孔直径可在2 8mm之间进行变化 在设计目镜时 目镜的出瞳应与人眼的瞳孔重合 且大小相当 可以小于但不能大于人眼瞳孔 否则会产生光束切割 2目镜和人眼的匹配 三 孔径光阑的安放位置在目视光学系统中 系统的出瞳必须在目镜外一定位置 便于人眼瞳孔与其衔接 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 一般值不应小于6 10mm 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20mm以上 四 分辨率相适应视网膜上最小鉴别距离等于两神经细胞直径 即不小于0 006mm 视角鉴别率满足下式 应使仪器本身由衍射决定的分辨能力与眼睛的视角分辨率相适应 即光学系统的放大率和被观察物体所需要的分辨率的乘积应等于眼睛的分辨率 3目镜的像差和像差校正的要求 一 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 如图下图所示 3目镜的像差和像差校正的要求 一 初级像差校正要求主光线经过目镜后的偏角为 主光线在个折射面上的偏角为 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和角也愈大 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 3目镜的像差和像差校正的要求 一 初级像差校正要求场曲一般不加校正 因为在目镜条件下校正场曲会引起其它像差校正的困难 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 由于目镜的焦距比较短 相对孔径又比较小 同时由于校正轴外像差的需要 目镜中的透镜数比较多 因此目镜的球差和轴向色差一般不大 用不着特别注意校正就能满足要求 综上 目镜设计中主要是校正像散和倍率色差 3目镜的像差和像差校正的要求 二 光阑球差光学系统的入射光瞳位置和出射光瞳位置是共轭的 在望远系统中 如果通过入射光瞳中心追迹一条近轴光线 则其通过目镜出射后与光轴交点的位置即为出射光瞳位置 但是追迹一条实际光线 远轴 则一般不会和光轴交于同一点 这种像差称为光阑球差 如左图所示这相当于把光阑当作物体 由其中心点发出不同孔径角的光线出射后的球差 所以称为光阑球差 光阑球差的影响是产生视场光线遮拦现象 其情况如右图所示 3目镜的像差和像差校正的要求 三 物镜与目镜的像差补偿在设计望远镜目镜时 需要考虑它和物镜之间的像差补偿关系 望远镜物镜的结构一般比较简单 只能校正球差 彗差和轴向色差 无法校正像散和倍率色差 这就要求由目镜补偿 而在目镜中这两种像差是比较容易控制的 目镜的球差和轴向色差 一般也不能完全校正 需要由物镜来补偿 因为在物镜中这两种像差也是很容易控制的 彗差则尽可能独立校正 以上所说 是在目镜和物镜尽可能独立校正像差的前提下 进一步考虑它们之间的像差补偿问题 这是对要求在物镜后焦面即目镜前焦面安装上分划镜的望远系统来说的 如果系统中不要求安装分划镜 则物镜和目镜的像差校正可以按整个系统综合考虑 使系统结构尽可能简化 对于显微镜目镜来说 由于不同倍率的物镜和目镜要求可更换使用 因此难于考虑物镜与目镜的像差补偿问题 一般都采取独立校正像差 3目镜的像差和像差校正的要求 四 消象差谱线由于目镜是目视光学仪器的一个组成部分 因此与物镜一样 采用F光和C光消色差 对D光或e光校正单色像差 五 目镜的像差计算在设计目镜时 通常按反方向光路进行设计 如下图所示 假定物体位于无限远 入射光瞳在目镜的前方 在它的焦平面上计算像差 4常用目镜型式和像差分析 一 简单目镜目镜的作用是将物镜所成的像 位于目镜的前焦平面上 放大并出射平行光 供人的眼睛观察 单个透镜是最简单的实际光学系统 它能够使得平行光束成像在后焦平面上 根据光路的可逆性 一个单透镜就可能是目镜 平凸形单透镜能同时校正像散和彗差 也可以满足出瞳远离透镜组的要求 因此单个平凸透镜就是可能的最简单的目镜结构 二 冉斯登目镜单个平凸透镜还不能工作 因为由物镜进入系统的光束 如果直接投射到平凸透镜上 这时对应的出瞳距离不等于0 3f 不符合单个平凸透镜使像散和彗差同时为零的要求 只能用作小视场目镜 其视场不超过15 20度 为了满足这个要求 必须在焦面上加入一个场镜 如果采用双透镜的型式 使双透镜间具有一定间隔 则上述情况可以改善 第一透镜放在物镜焦面的位置上 由于该透镜的聚光作用 就可以使目镜的横向尺寸减小 并可调节目镜的出射光瞳距离 通常第一透镜称为场镜 第二透镜称为接目镜 4常用目镜型式和像差分析 如果场镜位于物镜后焦平面 整个目镜前焦平面 的后面 如图下图所示 称为冉斯登目镜 场镜的安装方向采取平面对着物方焦面 所以采取这样安置的理由是因为入射主光线和光轴的夹角很小 因此在平面上近似垂直入射 没有像散和彗差 而对第二面来说 物平面位于球面的球心和顶点之间 根据单个折射球面像差的符号可以知道 它产生正球差和正像散 它所产生的正像散可以部分地补偿目镜的负场曲 这对改善整个视场内目镜的像质是有利的 冉斯登目镜 4常用目镜型式和像差分析 冉斯登目镜的主要缺点是倍率色差无法校正 根据第二色差和数的公式 由上图可知 均大于零 不可能等于零 不过由于都不大 所以两项都不大 因此倍率色差不至于十分严重 另外由于系统中全部都是正透镜 这种目镜的球差和轴向色差比其他目镜大 这种目镜通常用于出射光瞳直径和出射光瞳距离都不大的实验室仪器和检校仪器中 它的光学特性为 冉斯登目镜的结构虽然很简单 能够满足校正像散和彗差的要求 它的最大缺点是倍率色差无法校正 因而限制了它的可用视场 4常用目镜型式和像差分析 三 惠更斯目镜在冉斯登这种简单结构的基础上而又能达到校正倍率色差的目镜是惠更斯目镜 由倍率色差的公式可见 如果要使 必须使公式中的两项异号才有可能 在目镜中由于入射光瞳和出射光瞳均远离透镜组 因此总是同号的 而接目镜和场镜的光焦度均为正 因此要使公式中的两项异号必须使和异号 也就是要求接目镜和场镜分别位于实际像面的两侧 也就是场镜位于物镜后焦平面 整个目镜前焦平面 的前方 如下图所示 4常用目镜型式和像差分析 两个正透镜构成的目镜 校正倍率色差所必须满足的条件是 场镜的放置方向 同样采取平面对着实际像面 如上图所示 与冉斯登目镜一样也是为了使场镜产生正像散 由于这种目镜能同时校正像散 彗差 倍率色差 它的视场可以达到相对出射光瞳距离这种目镜的缺点是不能安装分划镜 它被广泛地应用于观察显微镜中 4常用目镜型式和像差分析 四 凯涅尔目镜冉斯登目镜可以安装分划镜 能够校正像散和彗差 但不能校正倍率色差 很容易想到如果把冉斯登目镜中的接目透镜换成双胶合透镜组 如下图所示 就有可能校正倍率色差 这就是一般所说的凯涅尔目镜 凯涅尔目镜的球差较大 当双胶合透镜使用平均色差大 折射率差小的玻璃 同减小场镜与接目镜之间的距离 除了能增大出射光瞳距离外 还能改善像质 它的视场可以达到45 50度 4常用目镜型式和像差分析 五 对称式目镜对称式目镜是目前应用很广的一种中等视场的目镜 它的结构如下图所示 它由两个双胶合透镜构成 虽然目镜组的总厚度比较大 仍可把它看作是一个薄透镜组来近似地分析它的像差性质 由薄透镜系统的消色差条件知道 如果这两个双胶合透镜组分别消色差 则整个透镜组同时消除了轴向色差和倍率色差 根据薄透镜组单色像差的性质 一个薄透镜组可以校正两种像差 因此是能够校正目镜中需要校正的像散和慧差的 大多数对称式目镜采取两个透镜组完全相同 这样加工比较方便 对称式目镜的特点是倍率色差和轴向色差都能校正得比较好 像散和彗差也可以得到较好的校正 场镜与接目镜的焦距之比大约为1 1 2 出射光瞳距可以达到0 8f 视场可以达到45 50度 设计一个的对称型目镜 4设计举例 1 尺寸计算对规化系统进行尺寸计算规化系统 根据经验设两个组分的主面之间间隔为由此 可求出各组分的光焦度 求各光线入射高 由此得到 此即目镜后焦点位置 我们假定出射光瞳位置和焦点位置重合 则有 而因此得到 2 由初级像差表示式求解首先列出像差方程