《光学设计及Zemax应用》课件第七章

7.1目镜及其光学特性7.2目镜的类型7.1目镜及其光学特性7.1.1目镜的光学特性目镜是目视光学系统的重要组成部分。被观察的物体通过望远物镜和显微物镜成像在目镜的物方焦平面处,经目镜系统放大后将其成像在无穷远,供人眼观察。观察时,人眼与目镜的出瞳重合,出瞳的位置在目镜的像方焦点附近。目镜可以看成是一个与物镜相匹配的放大镜,因此,目镜的放大率为从上式可以看出,要使目镜有足够的放大率,必须缩小它的焦距f'2。所以,在望远系统中,目镜焦距一般为10~40mm;在显微系统中,目镜焦距更短,甚至是几个毫米。表示目镜光学特性的参数主要有焦距f'2、像方视场角2ω'、工作距离lF及镜目距P'。目镜的视场光阑即是物镜的视场光阑,二者重合在目镜的物方焦平面上。目镜的视场一般是指像方视场。目镜的像方视场角2ω'和物镜的视场角2ω以及系统的视放大率三者之间有如下关系:由此可以看出,无论是提高系统的视放大率,还是增大物镜的视场角,都会引起目镜视场角的增大。但是,如果增大目镜视场,轴外像差势必增大,这将影响系统的成像质量。因此,望远系统的视放大率和视场主要受目镜视场的限制。对于显微系统的目镜,其视场角取决于目镜焦距f'2的大小。目镜焦距越短,所对应的视场角就越大,同时可以获得较大的放大率。目镜的视场一般比较大,普通目镜的视场角约为40°~50°,广角目镜的视场角约为60°~90°,超广角目镜的视场角大于90°。镜目距P'是指出瞳到目镜最后一面顶点的距离,也是观察时眼睛瞳孔的位置。镜目距一般不小于6~8mm,由于军用目视仪器需要加眼罩或防毒面具,因此通常镜目距P'≥20mm。对于一定型式的目镜,镜目距与焦距的比值P'/f'2(称为相对镜目距)近似地等于常数。目镜出瞳的大小受眼瞳限制,大多数仪器的出瞳直径与眼瞳直径相当,即出瞳直径为2~4mm,军用仪器的出瞳直径较大,一般在4mm左右变化。而目镜焦距常用的范围为15~30mm,因此目镜的相对孔径比较小,在1/4~1/15之间。目镜的工作距离lF是指目镜第一面顶点到物方焦平面的距离,一般物镜的像在目镜的物方焦平面附近。如果显微镜和望远镜不带分划板,可以允许lF>0,这样目镜的物方焦平面在目镜内部;如带分划板,则lF<0,此时必须使目镜的物方焦平面在外面,否则没有分划板的安置空间。7.1.2目镜的像差特点由目镜的光学特性可知,目镜是一种短焦距、大视场、相对孔径较小的光学系统。目镜的光学特性决定了目镜的像差特点。其轴上点像差不大,无须严格校正就可使球差和位置色差满足要求。由于目镜的视场比较大,出瞳又远离透镜组,因此轴外像差如彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差都很大,为了校正这些像差,往往致使目镜的结构比较复杂。为提高整个系统的成像质量,目镜在校正像差的同时,还必须考虑与物镜之间的像差补偿问题。设计时,若系统带有分划板,则需要对物镜和目镜分别独立校正像差,然后再对整个系统进行像差平衡;如系统不要求安装分划板,则物镜和目镜的像差校正可以按整个系统来考虑,在初始计算时就要考虑像差补偿的可能性,通常是先计算和校正目镜像差,然后根据目镜像差的校正结果,把剩余像差作为物镜像差的一部分,再对物镜进行像差校正。需要注意的是,目镜通常是按反光路计算的,所以在像差补偿时一定要考虑像差符号。7.1.3目镜的视度调节为了使目镜适应于近视眼和远视眼的需要,目镜应该有视度调节的能力。比如,对望远镜或显微镜来说,为了瞄准和测量的需要,往往在系统中要安置分划板。对正常眼而言,分划板的位置应在目镜的物方焦平面处,而对于近视眼和远视眼来说,由于人眼视差的存在,必须使分划板的位置相对目镜的物方焦平面有一定量的移动,以便看清分划板像。视度调节的目的是使分划板被目镜所成的像位于非正常眼的远点上。如图7.1所示,将分划板相对目镜的物方焦点向右移动Δ距离至A点位置,A点经目镜所成的像为A'点,眼睛位于目镜的出瞳位置,A'与人眼的距离为r,它是非正常眼的远点。由牛顿公式有式中,f2和f'2分别是目镜的物方和像方焦距,通常出瞳在F'2点之外不远处,因此有r≈x',而Δ=x。对于近视眼,r<0,Δ>0;对于远视眼,r>0,Δ<0。当分划板由F2移动到Δ时,视度调节了N个折光度,即式中r以米为单位。由此可以得到7.2目镜的类型1.惠更斯目镜和冉斯登目镜图7.2为惠更斯目镜的结构示意图,它是由两块间隔为d的平凸透镜组成的。其中口径较大靠近物镜一方的透镜L1为场镜,另一透镜L2靠近目方,称为接目镜,两块透镜的焦距分别为f'1和f'2。场镜的作用是把物镜所成的像再一次成像在两透镜中间,并且使物镜射来的轴外光束不过于分散而折向后面的接目镜,成像位置是接目镜的物方焦平面处,中间像再由接目镜成像在无穷远。惠更斯目镜的像方焦点F'位于接目镜之后,物方焦点F在两透镜之间。所以物体被物镜所成的放大像位于两透镜之间,对于场镜来说是一虚物y,它被场镜成一实像y'位于接目镜的物方焦平面处。惠更斯目镜的场镜和接目镜通常选用同一种光学材料,如果二者间隔满足d=(f'1+f'2)/2条件,则惠更斯目镜可以校正垂轴色差。惠更斯目镜的视场光阑安置在接目镜的物方焦平面上,出射窗在无穷远处。惠更斯目镜在视场光阑处不安置分划板,这主要是由于场镜产生的轴外像差太大,很难校正和补偿。惠更斯目镜的视场在45°左右,相对镜目距P'/f'2=1/3,通常用于观察显微镜和天文望远镜中。冉斯登目镜的结构与惠更斯目镜相似,它是由两块凸面相对并具有一定间隔的平凸透镜组成的,其结构示意图如图7.3所示。冉斯登目镜的特点是物方焦点F在场镜之前,接目镜的焦点F2在F之前,视场光阑位于目镜的物方焦平面F处。经物镜所成的实像y在目镜的焦平面F上,再经场镜成虚像y',该虚像位于接目镜的物方焦点F2处,经接目镜成像在无穷远。冉斯登目镜的视场在30°~40°之间,相对镜目距P'/f'2=1/3,由于这种目镜有实像面,在视场光阑处可以安置分划板,因此冉斯登目镜能够用于测量仪器中。2.凯涅尔目镜凯涅尔目镜可以看做是冉斯登目镜的演变型式,其结构型式如图7.4所示。它是用双胶合透镜替换冉斯登目镜中的接目镜,目的是弥补冉斯登目镜不能校正垂轴色差的缺陷。这样,凯涅尔目镜不仅可以校正彗差、像散以及轴向色差,而且在场镜和接目镜间隔较小的情况下,也能校正垂轴色差,并且可以使场曲进一步减小,目镜的结构也会相应缩短。凯涅尔目镜的视场可以达到40°~50°,相对镜目距P'/f'2=1/2,同时,出瞳距也比冉斯登目镜的要大,更适于出瞳距要求较高的目镜系统,如军用目视光学仪器。3.对称式目镜对称式目镜是目前应用比较多的一种中等视场目镜,如图7.5所示,是由两个双胶合透镜组成的。为了加工方便,大多数对称式目镜都采取两个透镜组完全相同的结构。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,则整个系统可以同时消除轴向色差和垂轴色差。另外,这种目镜还能够校正彗差和像散,与前面介绍的目镜相比较,这种对称式目镜的结构更紧凑,场曲更小。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透镜组构成的,其结构如图7.6所示。三胶合透镜组的作用是:①可以补偿接目镜产生的一定量的像散和彗差;②三胶合透镜组的第一个面与接目镜相结合(总光焦度近似等于整个目镜的总光焦度),可以减小场曲和增大出瞳距离;③可利用三胶合透镜的两个胶合面来校正像差,如像散、彗差及垂轴色差等;④把最后一个半径作为场镜,可用来调整目镜的光瞳位置。无畸变目镜的特点是接目镜所成的像恰好落在三胶合透镜组第一个面的球心和齐明点之间,有利于整个系统像差的校正。另外,接目镜的焦距一般为无畸变目镜的光学特