应用光学-第九章(2)望远系统.ppt

第四节望远系统 1608年 荷兰眼镜商人李波尔赛偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物 受此启发 他制造了人类历史第一架望远镜 现代望远系统的发展已经已经到了令人惊讶的程度 一 望远系统的一般性质 1 定义 使入射的平行光束仍能保持平行射出的光学系统称为望远系统或望远镜 2 组成 物镜和目镜 望远镜系统一般不单独用作成像系统 而是与眼睛联用 从无穷远物体上各点发出并进入望远系统的平行光束 经过系统后仍为平行光束 正常眼的光学系统正好将这些平行光束会聚于视网膜上 形成无穷远物体的像 3 结构特点 物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合 即光学间隔 0 系统的焦点 主点都在无穷远处 属于无焦系统 无论物体位于何处 都是常数 4 视角放大率 望远系统的放大率也用视角放大率表示 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 与物体对物镜中心的张角 可认为相等 望远镜的视角放大率 与角放大率 相同 负数表示成倒像 一般望远镜都有转像系统 成正像 望远镜倍率表示方法 8 40表示视角放大率8倍 物镜口径40mm 视角放大率的另一种表示方法 由于入瞳与出瞳是共轭的 设入瞳直径为D 出瞳直径为D 则有 亦即 因此望远系统的视角放大率等于入瞳直径与出瞳直径之比 即 视角放大率仅仅取决于望远系统的结构参数 其值等于物镜与目镜的焦距之比 5 观察范围 一般望远系统用来观察无穷远处的物体 但实际上人眼能从无穷远外到明视距离处自由调节 对应的物空间对应量为 其中 是物体到物镜物方焦点的距离 是眼睛看到的像到目镜像方焦点的距离 请同学们自己导出 例 在x 250mm处 若 6 则 即人眼通过此望远镜来观察时 能看清望远镜前9米至无穷远处的物体 望远镜这种由于人眼的调节而能看清楚的物空间范围称之为调节景深 显然 望远镜的视角放大率越大 调节景深越小 二 伽利略望远系统 伽利略1609年创制 1 组成 由正物镜与负目镜组成 0 具有筒长短 体积小 重量轻等特点 2 系统长度 3 无中间实像面 无法安装分划板 不能直接作为瞄准和精确定位之用 4 能成正立像 用于低倍率 如观剧镜 5 光束限制 眼瞳为孔径光阑 同时也是出瞳 物镜框是视场光阑 同时也是入窗 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 伽利略望远镜放大原理 伽利略望远镜将入射光孔径角放大 增大了视角 三 刻普勒望远系统 1611年 德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜 使放大倍数有了明显的提高 1 组成 由正物镜与正目镜组成 2 系统长度 3 视场 视场光阑设在其公共焦平面上 设b为视场光阑直径 也为分划板位置 物镜 出瞳 视场光阑 目镜 4 入瞳直径与物镜口径相等 即孔径光阑 入瞳为物镜框 5 由 放大倍率越大 系统越长 放大倍率越大 视场越小 D一定时 高倍率对应小的出瞳直径 6 出瞳位置在目镜像方焦点之后很靠近的地方 眼瞳与出瞳重合 实现光瞳衔接 7 刻普勒望远镜系统有中间实像面 可安装分划板 它所成的像为倒像 在需要正像的系统中 必须附加棱镜或透镜转像系统而导致系统变得复杂 四 望远系统光学参数确定的一般原则 1 系统的放大率 原则 仪器能分辨 人眼也要能分辨 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 由瑞利判据 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 工作放大率常为正常放大率的1 5 3倍 是根据衍射理论且认为系统是理想光组时导出的 但实际上由于像差 材料不均匀性及加工误差等使实际分辨角降低 实际分辨角表示成 由于望远镜的最小分辨角 其中 k为修正系数 一般在1 05 2 2之间取值才能达到仪器分辨本领的要求 同时也是为了观察舒适 2 出瞳直径与出瞳距 出瞳定义 孔径光阑在目镜后面成的像 故望远系统要根据所使用的环境和眼瞳的大小确定出瞳直径 地面工程用的水准仪其出瞳直径在1 5 2mm范围内 隧道工程用的水准仪其出瞳直径达5mm 一般夜视仪器其出瞳直径可达7 5mm左右 出瞳直径的确定 与仪器的光力 或光度 有关 它决定了光学系统射出光能的大小 光力与出瞳直径的平方成正比 眼瞳直径 白天 2mm 黄昏 5mm 夜间 7 5mm左右 与望远系统的瞄准精度有关 出瞳距 出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离 一般出瞳距不小于6mm以免触及睫毛 防毒面具观察用望远镜出瞳距不小于20mm 军用特长出瞳距仪器的出瞳距可达100mm 望远镜的视角放大率越大 其测量精度越高 3 视场角 望远镜的视场角2 决定了观测范围 对于精密瞄准的系统 主要利用视场的中心进行瞄准 可以减小视场 一般2 1 3 为寻找目标方便 可加俯仰和周视的机械结构 4 光学长度 定义 望远镜物镜与目镜焦距之和 即L f1 f2 若提高倍率 则必须提高f1 引起光学长度的增加 物镜组可以采用摄远物镜 也可以采用棱镜或反射镜 使光路折叠 F 1F2 5 分辨能力 反映了望远物镜在物方能够实际分辨的角度值 在测量用望远系统中 往往用瞄准精度表征系统指标 分辨力 指望远镜能够分辨物方无穷远处两点光源间的最小视角 瞄准精度 指望远镜瞄准同一目标可能产生的最大偏差角度 望远镜只有当其能够分辨物体时 才能对物体瞄准 即瞄准在分辨之后 瞄准仪器的精度用瞄准误差 表示 它与瞄准方式有关 使用压线瞄准时 60 使用双线瞄准时 10 五 转像系统和场镜 转像系统分为棱镜转像系统和透镜转像系统 转像系统的作用 起正像作用 将系统光路加长 1 透镜转像系统 转像系统把倒像AB变成正像A B 转像系统的物面即是物镜的像方焦平面 像面即是目镜的物方焦平面 由于转像系统的增加 光学长度增加 其增加量为L0 物体AB和像A B 距转像系统的透镜的距离分别为 l和l 则增加量L0 l l 2 场镜 定义 在具有转像系统的光学系统中 为使通过物镜后的轴外斜光束折向转像系统以减小转像系统的横向尺寸在物镜的像平面或其附近增加的透镜 在设计带有场景的望远系统时 令一次像成像在场镜的物方主平面上 所以场镜的像和其像方主平面重合 且 1 作用 聚光作用 可以修正部分场曲和畸变 物镜 场镜 转向透镜 六 望远镜的物镜和目镜 1 物镜的特点和分类 物镜的三个重要特性 相对孔径 焦距与视场角 相对孔径A 决定物镜的结构复杂程度以及像面的光照度 焦距f 决定外形尺寸 视场角2 决定观察范围 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 折射式物镜 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 因为胶合面上产生比较大的正高级球差 相对孔径要受到限制 这种物镜不能校正轴外像差 所以视场角2 不得超过8 10 双胶合物镜 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 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利形状 双分离的球差和彗差小 色差较大双胶合的色差小 而球差和彗差较大 双分离型物镜 反射式物镜 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 主镜 副镜 F 卡塞格林物镜 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 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 F 主镜 副镜 格列果里物镜 折反射式物镜 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 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 球面主镜 马克苏托夫物镜由球面主镜和负弯月形厚透镜组成 负弯月形厚透镜的结构如满足如下条件就可以不产生色差 也可以用它来补偿主镜产生的球差 球面主镜 2 目镜的特点和分类 凯涅尔目镜 显微镜目镜在望远镜目镜中也同样适用 以下是几种近代使用的目镜 由一个双凸场镜和一组双胶合接目镜组成 主要校正慧差 像散和倍率色差 不能校正像面弯曲 消畸变目镜 由三胶合场镜和平凸接目镜组成 主要校正畸变 用于大地测量仪器 减小测量误差 由两组双胶合及一片正透镜组成 主要校正像散 场曲及倍率色差 艾尔费目镜 倍尔泰目镜 弯月形厚透镜校正场曲 工作距和出瞳距都很大 特长出瞳距目镜 在像平面附近加负光组的办法延长出瞳距 在坦克瞄准镜中使用 望远系统总结 1 定义 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 2 组成 物镜和目镜 3 结构特点 物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合 即光学间隔 0 系统的焦点 主点都在无穷远处 属于无焦系统 4 视角放大率 因此望远系统的视角放大率等于入瞳直径与出瞳直径之比 即 视角放大率仅仅取决于望远系统的结构参数 5 观察范围 调节景深 望远镜的视角放大率越大 调节景深越小 6 伽里略望远系统 1 组成 由正物镜与负目镜组成 0 具有筒长短 体积小 重量轻等特点 2 系统长度 3 无中间实像面 无法安装分划板 不能直接作为瞄准和精确定位之用 4 能成正立像 用于低倍率 如观剧镜 7 刻普勒望远系统 1 组成 由正物镜与正目镜组成 2 系统长度 3 视场 视场光阑设在其公共焦平面上 也为分划板位置 4 入瞳直径与物镜口径相等 即物镜框为孔径光阑 入瞳 5 由 放大倍率越大 系统越长 放大倍率越大 视场越小 6 刻普勒望远镜系统有中间实像面 可安装分划板 望远系统光学参数确定的一般原则 1 系统的放大率 原则 仪器能分辨 人眼也要能分辨 这就是望远镜正常放大率 工作放大率常为正常放大率的1 5 3倍 实际分辨角表示成 其中 k为修正系数 一般在1 05 2 2之间取值才能达到仪器分辨本领的要求 2 出瞳直径与出瞳距 2 目视仪器的出瞳与人的眼瞳衔接 1 与仪器的光力 或光度 有关 光力与出瞳直径的平方成正比 它决定了光学系统射出光能的大小 3 与望远系统的瞄准精度有关 出瞳直径越大 则瞄准误差越大 3 视场角 对于精密瞄准的系统 主要利用视场的中心进行瞄准 可以减小视场 一般2 1 3 4 光学长度 望远镜物镜与目镜焦距之和 即L f1 f2 5 分辨能力 反映了望远物镜在物方能够实际分辨的角度值 分辨力 指望远镜能够分辨物方无穷远处两点光源间的最小视角 瞄准精度 指望远镜瞄准同一目标可能产生的最大偏差角度 转像系统和场镜 转像系统的作用 起正像作用 将系统光路加长 1 单组透镜转像系统 2 场镜 位置 在物镜的像平面或其附近 场镜不改变系统的放大率 作用 聚光作用 可以修正场曲和畸变 望远镜的物镜和目镜 1 物镜的三个重要特性 相对孔径 焦距与视场角 焦距f 决定外形尺寸 视场角2 决定观察范围 2 目镜的重要特性 视场角与出瞳距 显微镜与望远镜的区别 望远镜 物镜把来自远处景物的光线 汇聚成倒立的缩小的实像 相当于把远处景物缩小后移近到成像的地方 而由于该像离眼睛很近 所以还是放大了视角 这样 很远很远的景物 在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样 F 1 F2 显微镜物镜的焦距很短 因此 被观察物虽离物镜很近 实际上却是处在物镜一倍焦距和二倍焦距之间 此时在镜筒中成倒立放大的