四、显微系统的物镜 （一）显微物镜的特点 v在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有： v数值孔径 v放大率 vNA的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的 主要性能指标。 v对于不同倍率的物镜，像方视场2y为一定值，所以高 倍物镜视场小。 v线视场 Date1 哈工大光电测控技术与装备研究所 精密测测量用的显显微物镜镜就有以下特点： 1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一 般不高，约在1x10x之间； v2、物镜的放大率要求严格准确，允差0.050.1%； v6、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑 设置在物镜的像方焦平面上，构成物方远心光路。 v3、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零 件的要求； v4、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求 较高； v5、物镜的数值孔径较小（最常用NA=0.1)；为了保证像 的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的 Date2 哈工大光电测控技术与装备研究所 （二）显显微物镜镜 显微物镜根据用途不同分为： v消色差显微物镜v复消色差物镜v平场消色差物镜 v40X0.95复消色显微物镜 v普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、 正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。 v平场复消色差物镜 v40X0.85平场复消色显微物镜 v折反射显微物镜 Date3 哈工大光电测控技术与装备研究所 按数值数值 孔径径NA的大小由四种种型式 1、双胶双胶 型 =15x NA=0.10.15 v 2、李斯特型 =820x NA=0.250.30 v 3、阿米西型 =2540x NA=0.400.65 v 4、阿贝油浸型 =90100x NA=1.251.40 Date4 哈工大光电测控技术与装备研究所 精密测测量中的显显微镜镜，使用高倍物镜镜的不多。一般均采用低倍 和中倍物镜镜；但要求平像场场； 所以与与同倍其它它物镜镜相比，其结构结构 形式比较复杂较复杂 。 v下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场20mm，工作距离 80mm，数值孔径0.03。 孔径光阑 孔径光阑 v下图是工具显微镜3X及5X物镜的结构。视场分别为6.7mm和 4mm，工作距离80mm和53mm，数值孔径0.09和0.15。 Date5 哈工大光电测控技术与装备研究所 下图图是工具显显微镜镜10X物镜镜的结构结构 。视场视场 2mm，工作距离 20mm，数值数值 孔径径0.16。 下图图是工具显显微镜镜40X物镜镜的结构结构 。视场视场 0.5mm， 工作距离10.5mm，数值数值 孔径径0.35。 孔径光阑 孔径光阑 Date6 哈工大光电测控技术与装备研究所 9-6 望远系统（3-3、 9-1、 9-2 ） 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。 *7 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，其出瞳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。 Date8 哈工大光电测控技术与装备研究所 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）。 Date9 哈工大光电测控技术与装备研究所 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 Date10 哈工大光电测控技术与装备研究所 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。 Date11 哈工大光电测控技术与装备研究所 但实际实际 上，由于人眼能从从无限远远至明视视距离的 范围内围内 自由地调节调节 ，故人眼通过过望远镜观远镜观 察物 空间时间时 的对应对应 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。 Date12 哈工大光电测控技术与装备研究所 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： Date13 哈工大光电测控技术与装备研究所 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。 Date14 哈工大光电测控技术与装备研究所 工作放大率常为正常放大率的1.53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。 Date15 哈工大光电测控技术与装备研究所 二、伽利略望远镜远镜 和开开普勒望远镜远镜 伽利略望远镜远镜 是由物镜镜和负负目镜镜按光学间学间 隔=0的方式 组组合而成。 F1 F2 出瞳 d f1 df1,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。 Date16 哈工大光电测控技术与装备研究所 上面的光路图图是在不考虑虑眼瞳作用时时，伽利略 望远镜远镜 的物镜镜框就是整个个系统统的入射光瞳。 F1，F2 O1O2 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。 Date17 哈工大光电测控技术与装备研究所 F1，F2 O1O2 P 物镜（入窗、 视场光阑） 目镜 眼瞳（出瞳、孔 径光阑） 入瞳 出窗 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。 Date18 哈工大光电测控技术与装备研究所 入瞳中心对对入窗的张张角即系统统的视视角2，眼瞳的位置和系 统统的放大率都影响着实际视场实际视场 的大小 F1，F2 O1O2 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。 Date19 哈工大光电测控技术与装备研究所 F1，F2 O1O2 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 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： Date20 哈工大光电测控技术与装备研究所 说说明，伽利略望远镜远镜 在物镜镜口径径一定时时，倍率越高，视场视场 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。 Date21 哈工大光电测控技术与装备研究所 下图为开图为开 普勒望远镜远镜 的光路图图： 物镜（入瞳） 目镜视场光阑 出瞳 被目镜拦掉部分 v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。 Date22 哈工大光电测控技术与装备研究所 出瞳直径径D和出瞳距p 出瞳直径径是望远镜远镜 的一项项重要性能指标标 出瞳直径径的确定如下： 望远镜远镜 的主观观亮度决决定于出瞳面上的发发光强度 发发光强度与与出瞳直径径的平方成正比 出瞳直径径的平方之称为称为 “光强度”或“光力” 决决定了望远镜远镜 射出的光能的大小 从从景深角度考虑虑，出瞳直径径越大，景深越小 Date23 哈工大光电测控技术与装备研究所 出瞳距使出瞳到目镜镜最后一面透镜顶镜顶 点的距离 当当出瞳满满足定义义要求，出瞳距应应考虑虑到人眼观观察的特点和 使用情况况，一般不小于6mm。 视场视场 角 望远镜远镜 物方视场视场 用系统统的视场视场 角表示 光学长学长 度 望远镜远镜 物镜镜和目镜镜焦距之和为为光学长学长 度 Date24 哈工大光电测控技术与装备研究所 转转向系统统和场镜场镜 刻普勒望远镜远镜 需要正像，在系统内统内 安放转转像系统统 作用是正像和系统统加长长 转转像有单组转单组转 像和双组转双组转 像 加上转转像系统统后，物镜镜的像方焦平面和目镜镜的物方焦 平面是分开开的 转转像的物面是物镜镜的像方焦平面，其像面是目镜镜的物 方焦平面 增加了光学长学长 度 Date25 哈工大光电测控技术与装备研究所 F1 F2 Date26 哈工大光电测控技术与装备研究所 场镜场镜 具有转转像系统统的光学学系统统，为为使通过过物镜镜后的轴轴外光束 折向转转像系统统，减减少转转像系统统的横横向尺寸 在物镜镜的像平面上或附近增设设一块块透镜镜 称为称为 场镜场镜 像与与主平面重合，放大率为为1 根据像差理论论知：场镜场镜 不产产生球差、彗差、像散和色散 ，只产产生小的场场曲和畸变变 Date27 哈工大光电测控技术与装备研究所 三、望远镜远镜 的物镜镜 望远远物镜镜的光学学特性都用相对对孔径径D/f 、焦距f 和视场视场 角2表示。 v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。 v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。 v（一）折射式望远物镜 v(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。 v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。 v这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角2不得超过过 810。 Date28 哈工大光电测控技术与装备研究所 （2）双双分离物镜镜 与双胶与双胶 合物镜镜相比，其可以在更大的范围内选择围内选择 玻璃对对，使球差、色差和正 弦差同时时得到校正，只是装配校正比较较困难难。 （3）三分离物镜 v将双分离物镜中的正透镜一分为二 。 v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。 v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。 （4）内调焦望远物镜 v调焦系统分为外调焦和内调焦。 v若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统。 v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。 Date29 哈工大光电测控技术与装备研究所 当当物体在有限远时远时