应用光学(第七章)3.ppt

7 4望远系统 一 望远系统的一般性质 物镜 入瞳 视场光阑 目镜 出瞳 F1 F2 物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合 光学间隔 0 使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学系统称为望远系统或望远镜 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 2 按照夫琅和费衍射理论 无限远的发光点在望远系统焦平面上所形成的衍射图样 其第一暗环的半径 即爱里斑半径 可表示为 式中 波长 D 入射光瞳直径 对望远物镜 其孔径光阑与入瞳可认为与物镜重合 D f 可认为是物镜的相对孔径 物镜的分辨本领决定于它的相对孔径 望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳中心的张角 来表示的 称为最小分辨角 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 3 与爱里斑半径之间有如下关系 将r暗1公式代入上式中得 现以人眼最灵敏的波长 550nm代入 得到 可见 以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率时 它仅决定于物镜的孔径 入瞳直径 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 4 对于目视系统来说有意义的是视角放大率 即通过望远镜观察时 物体的像对眼睛视角 的正切与眼睛直接观察该物体时的视角 0正切之比 由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多 0与物体对入射光瞳中心的张角 可认为相等 因此望远镜的视角放大率以 表示 与望远镜的角放大率 相同 即 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 5 由于垂轴放大率 为常数 因为 即可用出瞳直径D 和入瞳直径D之比表示 所以 视角放大率仅仅取决于望远系统的结构参数 严格来说 望远镜应该用来观察无限远物体 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 6 但实际上 由于人眼能从无限远至明视距离的范围内自由地调节 故人眼通过望远镜观察物空间时的对应量 可用下式表示 式中x 像至目镜像方焦点的距离 x 物体至物镜物方焦面的距离 在实际设计中 确定视角放大率要考虑许多因素 其中包括仪器的精度要求 目镜的结构型式 望远镜的视场角 仪器的结构尺寸等等 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 7 表示观测仪器精度的指标是它的最小分辨角 若以60 作为人眼的分辨极限 为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨即达到了充分利用望远镜分辨率的目的 望远镜的视角放大率应与其最小分辨角 有如下关系 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 8 把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得 这就是望远镜应该具备的最小视角放大率 也是正常放大率 为了减轻操作人员的疲劳 设计望远系统时应用大于正常分辨率的工作分辨率来作为望远系统的视角放大率 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 9 工作放大率常为正常放大率的1 5 3倍 若取2 3倍 则 D 在瞄准仪器中 仪器的精度用瞄准误差 来表示 它与瞄准方式有关 若是压线瞄准时 若是对线 双线或叉线瞄准时 由此可见 望远镜的视角放大率越大 其测量精度越高 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 10 二 伽利略望远镜和开普勒望远镜 伽利略望远镜是由物镜和负目镜按光学间隔 0的方式组合而成 F1 F2 出瞳 d f1 d f1 具有筒长短 体积小 重量轻等特点 这种望远镜没有中间实像面 无法安置分划板 不能直接作为瞄准和精确定位之用 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 11 上面的光路图是在不考虑眼瞳作用时 伽利略望远镜的物镜框就是整个系统的入射光瞳 F1 F2 O1 O2 P 物镜 入窗 视场光阑 目镜 眼瞳 出瞳 孔径光阑 入瞳 出窗 由于眼瞳无法与之重合 所以轴外光束中有一部分光线不能进入眼眶 而产生拦光现象 若把眼瞳也作为一个光孔来考虑 它就是整个系统的出射光瞳 也是孔径光阑 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 12 该光阑被目镜和物镜所成的像位于眼瞳之后 是一个放大的虚像 这就是系统的入射光瞳 这时伽利略望远镜的视场光阑为物镜框 被目镜所成的像位于物镜和目镜之间 就是系统的出射窗 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 13 入瞳中心对入窗的张角即系统的视角2 眼瞳的位置和系统的放大率都影响着实际视场的大小 F1 F2 O1 O2 P 物镜 入窗 视场光阑 目镜 眼瞳 出瞳 孔径光阑 入瞳 出窗 D l L lp 入窗并不与物体重合 使轴外点光束产生渐晕 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 14 伽利略望远镜的视场角 物镜直径D 眼瞳位置lp 以及系统的放大率 之间有如下的关系 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 15 说明 伽利略望远镜在物镜口径一定时 倍率越高 视场越小 伽利略就是利用这种望远镜发现了木星的卫星 这种结构的望远镜多被采用为激光的发射系统 做为激光准直仪的一个组成部分 开普勒望远镜是在1611年在开普勒的光学术中介绍的 开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜 这样就克服了伽利略望远镜中间没有实像的缺点 因为最后成倒像 系统需要考虑转像系统的安置以便正像 结构上要比伽利略望远镜复杂 这样就具备了测量和瞄准的条件 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 16 下图为开普勒望远镜的光路图 物镜 入瞳 目镜 视场光阑 出瞳 被目镜拦掉部分 目镜的口径如果足够大 开普勒望远镜中的光束将没有渐晕现象 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 17 出瞳距p 是出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离 当出瞳满足定义要求 出瞳距应考虑到人眼观察的特点和使用情况 一般不小于6mm 视场角 望远镜物方视场用系统的视场角表示 光学长度 望远镜物镜和目镜焦距之和为光学长度 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 18 转向系统和场镜 开普勒望远镜需要正像 在系统内安放转像系统 作用是正像和系统加长 转像有单组转像和双组转像 加上转像系统后 物镜的像方焦平面和目镜的物方焦平面是分开的 转像的物面是物镜的像方焦平面 其像面是目镜的物方焦平面 增加了光学长度 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 19 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 20 场镜 具有转像系统的光学系统 为使通过物镜后的轴外光束折向转像系统 减少转像系统的横向尺寸 在物镜的像平面上或附近增设一块透镜 称为场镜 像与主平面重合 放大率为1 根据像差理论知 场镜不产生球差 彗差 像散和色散 只产生小的场曲和畸变 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 21 解 由D f 1 10得D 100由D D f1 f2得 100 4 1000 f2得f2 40mm 一望远镜物镜焦距为1m 相对孔径1 10 测得出瞳直径为4mm 试求望远镜的视觉放大率和目镜的焦距 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 22 三 望远镜的物镜 望远物镜的光学特性都用相对孔径D f 焦距f 和视场角2 表示 物镜的这些性能参数决定了它的分辨能力 像的亮度和结构的尺寸 望远物镜可分为三种结构型式 即折射式 反射式和折反射式望远物镜 一 折射式望远物镜 1 双胶合物镜 结构简单 制造方便 光能损失少 可以同时校正球差 正弦差和色差 2 双分离物镜 与双胶合物镜相比 其可以在更大的范围内选择玻璃对 使球差 色差和正弦差同时得到校正 只是装配校正比较困难 3 三分离物镜将双分离物镜中的正透镜一分为二 透镜的弯曲比较自由 可以使之成为校正色球差的有力形状 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 23 用光学零件位置的变化 实现调焦作用的光学系统称为调焦系统 调焦系统分为外调焦和内调焦 若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统 外调焦系统的结构比较简单 像质也比较好 但外形尺寸较大 密封性能很差 调焦望远物镜 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 24 当物体在有限远时 移动物镜中的一块负透镜 使物镜所成的像仍然在固定的分划板处 这种系统就称为内调焦系统 该系统尺寸小 携带方便 密封性能好 在大堤测量仪器中多采用此光路 物镜 分划板 目镜 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 25 二 反射式望远物镜 天文望远镜常用反射式物镜 目前 多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜 比较著名的双反射系统由两种 卡塞格林系统和格列果里系统 卡塞格林系统是由两个反射镜组成 主镜是抛物面 副镜是双曲面 所成的是倒像 这种结构的筒长比较短 主镜 副镜 F 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 26 格列果里系统也是有两个反射面组成 主镜仍为抛物面 副镜改为椭球面 所成的像正像 这种结构的筒长比较长 三 折反射系统 F 主镜 副镜 反射系统对轴外像差的校正是很困难的 理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的 但加工比较困难 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 27 折反射型望远物镜比较典型的有施密特物镜和马克苏托夫物镜 施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成 非球面的面型能够使中央的光束略有会聚 而使边缘的光束略有发散 这样球差得到很好校正 校正板是个透射元件 其中一个面是平面 另一个面是非球面 F 施密特校正板 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 28 马克苏托夫物镜由球面主镜和副弯月型厚透镜组成 弯月形厚透镜的结构若满足下面条件就可以不产生色差 所以可用它来补偿主镜产生的球差 d r2 r1 F 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 29 四 目镜 目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分 目镜的光学特性由它的视场角2 焦距f 相对镜目距p f 和工作距l2来决定 p 是像空间近点到出瞳的距离 目镜的工作距l2是目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离 目镜是一种小孔径 大视场 短焦距 光阑在外面的光学系统 目镜的这些光学特性决定了目镜的像差特性 它的轴上点像差不大 目前 常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜 冉斯登 Ramsden 目镜 凯涅尔 Kellner 目镜 对称目镜 无畸变目镜 广角目镜等等 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 30 1 惠更斯目镜和冉斯登目镜 惠更斯目镜由两块平凸透镜组成 其间隔为d 场镜所产生的轴外差很大 很难予以补偿 所以该目镜结构不宜在视场光阑平面上设置分划板 因此惠更斯目镜不宜用在测量仪器中 场镜 接目镜 物镜像面 视场光阑 接目镜物方焦面 出射光瞳 眼瞳 d 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 31 冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成 其间隔d小于惠更斯目镜两透镜的间距 在成像质量上 由于冉斯登目镜的间隔小 所以冉斯登目镜的场曲小于惠斯登目镜的场曲 场镜 接目镜 视场光阑 物镜像平面目镜前焦面 出瞳 眼瞳 d 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 32 2 凯涅尔目镜 凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组而得到的 改成双胶合透镜就能在校正彗差和像散的同时 校正好倍率色差 3 对称式目镜 对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜 它由两个双胶合镜组构成 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 33 4 无畸变目镜 无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合的透镜组构成的 出瞳 这种目镜的镜目距很大 所以在有相同的镜目距时 无畸变目镜的设计焦距可以选得小一些 使结构更加紧凑一些 这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 34 5 广角目镜 广角目镜是为适应大视场系统而设计的 由于视场角增大 场曲也随之增大 为了保证像差的要求 目镜的结构必须复杂化 或在系统中加入负光焦度的透镜 或增加正透镜组的数目 是光焦度分散 下图是两种视场在60 以上的广角目镜 接目镜用两块透镜代替 I型 出瞳 II型 出瞳 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 35 7 6摄影系统摄影系统有摄影物镜和感光元组成 包括照相机 电视摄像机 CCD摄像机等 一 摄影物镜的光学特性焦距 相对孔径 视场角 决定成像的大小 像面照度和分辨率 成像范围1 视场 影响因素 焦距 接收器尺寸 像的大小与焦距的关系 在拍摄远处物体时 像的大小为 在拍摄近处物体时 像的大小为 2020 2 17 中国计量学院计量测试工程学院 36 常用摄影系统介绍 当接收器的尺寸一定时 物镜的焦距越短 则其视场角越大 焦距越长 视场角越小 相应地称作为广角物镜和远摄物镜 普通照相机标准镜头的焦距