应用光学(第七章)3课件.ppt

1、7-4 望远系统一、望远系统的一般性质一、望远系统的一般性质物镜（入瞳）视场光阑目镜出瞳F1F2物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，光光学间隔学间隔=0。使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学系统系统称为称为望远系统或望远镜望远系统或望远镜。1/2/20231 fD.D f.r2212211暗按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远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）可表示为半径（即爱里斑半径）可表示为

2、 式中，式中，波长，波长，D入射光瞳直径。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。对望远物镜，其孔径光阑与入瞳可认为与物镜重合。D/f可认为是物镜的可认为是物镜的相对孔径相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。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中心的张角来表示的，称为来表示的，称为最小分辨角最小分辨角。1/2/20232中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院与爱里斑半径之间有如下关系：与爱里斑半径之间有如下关系：f/r1暗)rad(D.221)s(DD

3、.1402062650005550221将将r暗暗1公式公式代入上式中得代入上式中得现以人眼最灵敏的波长现以人眼最灵敏的波长=550nm代入，得到代入，得到可见，以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率时，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）。它仅决定于物镜的孔径（入瞳直径）。1/2/20233中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院对于目视系统来说有意义的是对于目视系统来说有意义的是视角放大率视角放大率fftgtgtgtg210即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角的的正切与眼睛直接观察该物体时的视角正切

4、与眼睛直接观察该物体时的视角0 正切之正切之比。比。由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说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，要大得多，0与物体对入射光瞳中心的张角与物体对入射光瞳中心的张角可可认为相等认为相等因此望远镜的视角放大率以因此望远镜的视角放大率以表示，与望远镜的表示，与望远镜的角放大率角放大率相同，即相同，即1/2/20234中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院fDfD2122DD1由于垂轴放大率由于垂轴放大率为常数（因为为常数（因为 ）即可）即可用出瞳直径用出瞳直径D和入瞳直径和入瞳直径D之比表示，所以之比表示，所以视角放大率视角放大率仅仅

5、仅仅取决于望远系统的结构参数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。严格来说，望远镜应该用来观察无限远物体。1/2/20235中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院但实际实际上，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间时时的对应对应量，可用下式表示：xx2式中式中 x 像至目镜像方焦点的距离。像至目镜像方焦点的距离。x 物体至物镜物方焦面的距离；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在实际设计中，确定视角放大率要考虑许多因素，其中包括素，其中包括仪器的精度要求仪器的

6、精度要求、目镜的结构型目镜的结构型式式、望远镜的视场角望远镜的视场角、仪器的结构尺寸仪器的结构尺寸等等。等等。1/2/20236中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院60表示表示观测仪器观测仪器精度的指标精度的指标是它的是它的最小分辨角最小分辨角。若以若以60作为人眼的分辨极限，为使望远镜所能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分辨的细节也能被人眼分辨即达到了充分利用达到了充分利用望远镜分辨率的目的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望远镜的视角放大率应与其最小分辨角有有如下关系：如下关系：1/2/20237中国计量学院计量测试工程学院

7、中国计量学院计量测试工程学院把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：3214060.DD这就是望远镜应该具备的这就是望远镜应该具备的最小视角放大率最小视角放大率。也是也是正常放大率正常放大率。为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时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。远系统的视角放大率。1/2/20238中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院6010工作放大率工作放大率常常为正常放大率为正常放大率的的1.53倍倍。若取若取2.3倍，则倍，则=D。

8、在瞄准仪器中，仪器的精度用在瞄准仪器中，仪器的精度用瞄准误差瞄准误差来来表示，它与瞄准方式有关。表示，它与瞄准方式有关。若是若是压线瞄准压线瞄准时：时：若是若是对线、双线对线、双线或或叉线瞄准叉线瞄准时：时：由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。量精度越高。1/2/20239中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院二、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=0的方式组组合而成。F1F2出瞳df1df1,具有筒长短、体积小、重量轻等特点；具有筒长短、体积小、重量轻等特点；这种望

9、远镜这种望远镜没有中间实像面没有中间实像面，无法安置分划板无法安置分划板，不能直接作为瞄准和精确定位之用。不能直接作为瞄准和精确定位之用。1/2/202310中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院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，F2O1O2P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。分光线不能进入眼眶，而产生拦光现象。若把若把眼瞳眼瞳也作为一个也作为一个光孔光孔来考虑，它就是整

10、个系来考虑，它就是整个系统的统的出射光瞳出射光瞳，也是，也是孔径光阑孔径光阑。1/2/202311中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院该光阑被目镜和物镜所成的像位于眼瞳之后，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。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，就是系目镜所成的像位于物镜和目镜之间，就是系统的出射窗。统的出射窗。F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗1/2/202312中国计量学院计

11、量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院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，眼瞳的位置和系统的放大率都影响着实际视场的大小统的放大率都影响着实际视场的大小F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlp 入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。1/2/202313中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院lLDlDtgp22伽利略望远镜的视场角伽利略望远镜的视场角、物镜直径、物镜直径D、眼瞳位、眼瞳位置置lp以及系统的放大率以及系统的放大率之间有如下的关系：之间有如下的关系

12、：F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlp1/2/202314中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院说说明，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。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。统，做为激光准直仪的一个组成部分。开普勒望远镜是在开普勒望远镜是在1611年在开普勒的光学年在开普勒的光学术中介绍的。术中介绍的。开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样

13、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。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。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。这样就具备了测量和瞄准的条件。1/2/202315中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院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

14、。没有渐晕现象。1/2/202316中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院出瞳距p是是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1/2/202317中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院转转向系统统和场镜场镜开开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

15、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1/2/202318中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院F1F21/2/202319中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院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1/2/202320中国计量学院计量

16、测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院解：解：由由D/f=1/10 得得D=100由由D/D=f1:f2 得得(100)/4=1000/f2 得得f2=40mm 一望远镜物镜焦距为一望远镜物镜焦距为1m,1m,相对孔径相对孔径1 1：1010，测得出瞳，测得出瞳直径为直径为4mm4mm，试求望远镜的视觉放大率和目镜的焦距，试求望远镜的视觉放大率和目镜的焦距2540100021ff1/2/202321中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院三、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。表示。v物镜的这些性能参数决定了它的分辨能

17、力、像的亮度和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。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。反射式望远物镜。v（一）折射式望远物镜（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）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。校正球差、正弦差和色差。（2）双分离物镜：）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，只是装配校正择玻璃对，使球

18、差、色差和正弦差同时得到校正，只是装配校正比较困难。比较困难。（3）三分离物镜）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。比较自由，可以使之成为校正色球差的有力形状。1/2/202322中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院v用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系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。统称为调焦系统。v调焦系统分为外调焦和内调焦。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。若以目镜相对于物镜的位置变化实现调

19、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。寸较大，密封性能很差。调焦望远物镜调焦望远物镜1/2/202323中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院当当物体在有限远时远时，移动动物镜镜中的一块负块负透镜镜，使物镜镜所成的像仍然在固定的分划划板处处。这种这种系统统就称为内调称为内调焦系统统。该该系统统尺寸小，携带带方便，密封性能好，在大堤测测量仪仪器中多采用此光路物镜分划板目镜1/2/202324中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院（二）反射式望远远物镜镜天文望远镜远

20、镜常用反射式物镜镜。v目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。v比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果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。里系统。v卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副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。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F1/2/202325中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院格列果里系统统也是有两个两个反射面组组成，主镜镜仍为为抛物面，副镜镜改为椭为椭球面，所成的像

21、正像,这种结构这种结构的筒长长比较长较长。（三）折反射系统统F主镜副镜反射系统对轴外像差的校正是很困难的。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。比较困难。1/2/202326中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院折反射型望远远物镜镜比较较典型的有施密特物镜镜和马马克苏苏托夫物镜镜施密特物镜镜由球面主镜镜和施密特校正板组组成。v非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘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。的光束略有发散，这样

22、球差得到很好校正。v校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是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。非球面。F施密特校正板1/2/202327中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院马马克苏苏托夫物镜镜由球面主镜镜和副弯弯月型厚透镜组镜组成。弯弯月形厚透镜镜的结构结构若满满足下面条条件就可以不产产生色差，所以可用它来补偿它来补偿主镜产镜产生的球差dnnrr22121dr2r1F1/2/202328中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院四、目镜镜目镜镜是望远镜远镜和显显微镜镜的重要组组成部分。目镜的光学特性由它的视场角目镜的光学特性由它的

23、视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工作距和工作距l2来决定。来决定。p是像空间近点到出瞳的距离。是像空间近点到出瞳的距离。目镜的工作距目镜的工作距l2是目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离。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。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、冉斯目前，常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜、冉斯登（登（Rams

24、den)目镜、凯涅尔目镜、凯涅尔(Kellner)目镜、对称目镜、目镜、对称目镜、无畸变目镜、广角目镜等等。无畸变目镜、广角目镜等等。1/2/202329中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院1、惠更斯目镜镜和冉斯登目镜镜惠更斯目镜镜由两块两块平凸透镜组镜组成，其间间隔为为d。v场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目镜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。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）d1/2/

25、202330中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院冉斯登目镜镜由两块两块凸面相对对的平凸透镜组镜组成，其间间隔d小于惠更斯目镜两镜两透镜镜的间间距。在成像质质量上，由于冉斯登目镜镜的间间隔小，所以冉斯登目镜镜的场场曲小于惠斯登目镜镜的场场曲。场镜接目镜视场光阑（物镜像平面目镜前焦面）出瞳（眼瞳）d1/2/202331中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院2、凯凯涅尔目镜镜凯凯涅尔目镜镜可认为认为是冉斯登的接目镜镜改成双胶双胶合镜组镜组而得到的。v改成双胶合透镜就能在校正彗差和像散的同时，校正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。好倍率色差

26、。3、对称式目镜、对称式目镜v对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。v它由两个双胶合镜组构成。它由两个双胶合镜组构成。1/2/202332中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院4、无畸变变目镜镜无畸变变目镜镜是由一个个平凸的接目镜镜和一组组三胶胶合的透镜组构镜组构成的。出瞳v这种目镜的镜目距很大，所以在有相同的镜目距时，无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。些。v这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器。这种特点非常适用

27、于大地测量仪器和军用仪器。1/2/202333中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院5、广角目镜镜广角目镜镜是为为适应应大视场视场系统统而设计设计的。v由于视场角增大，场曲也随之增大。由于视场角增大，场曲也随之增大。v为了保证像差的要求，目镜的结构必须复杂化，为了保证像差的要求，目镜的结构必须复杂化，v或在系统中加入负光焦度的透镜；或在系统中加入负光焦度的透镜；v或增加正透镜组的数目，是光焦度分散。或增加正透镜组的数目，是光焦度分散。v下图是两种视场在下图是两种视场在60以上的广角目镜，接目镜用两块以上的广角目镜，接目镜用两块透镜代替。透镜代替。I 型出瞳II 型出瞳1/2/

28、202334中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院7.67.6摄影系统摄影系统摄影系统有摄影物镜和感光元组成。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、包括照相机、电视摄像机、CCDCCD摄像机等。摄像机等。一、摄影物镜的光学特性一、摄影物镜的光学特性焦距焦距 、相对孔径、相对孔径 、视场角、视场角 。决定成像的大小、像面照度和分辨率、成像范围决定成像的大小、像面照度和分辨率、成像范围1 1、视场、视场影响因素：焦距、接收器尺寸影响因素：焦距、接收器尺寸像的大小与焦距的关系：像的大小与焦距的关系：在拍摄远处物体时，像的大小为：在拍摄远处物体时，像的大小为：在拍摄

29、近处物体时，像的大小为：在拍摄近处物体时，像的大小为：f/D f1/2/202335中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院常用摄影系统介绍：常用摄影系统介绍：当接收器的尺寸一定时，物镜的焦距越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。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为普通照相机标准镜头的焦距为50mm50mm。2 2、分辨率、分辨率影响因素：物镜的分辨率和接收器的分辨影响因素：物镜的分辨率和接收器的分辨率率分辨率的度量：以像平面上每毫米内能分分辨

30、率的度量：以像平面上每毫米内能分辨开的线对数辨开的线对数 表示表示1/2/202336中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院四、摄影物镜的类型四、摄影物镜的类型 1 1、像差校正要求，大视场，大相对孔径、像差校正要求，大视场，大相对孔径 2 2、基本类型介绍（、基本类型介绍（图图7-267-26至至2929）普通摄影物普通摄影物 大相对孔径摄影物镜大相对孔径摄影物镜 广角摄影物镜广角摄影物镜 远摄物镜远摄物镜 变焦距物镜（变焦距物镜（图图7-307-30）变倍比为变倍比为 焦距为焦距为1/2/202337中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院7.7投影系统统 把平面物放大成平面实像以便于人眼观察。幻把平面物放大成平面实像以便于人眼观察。幻灯机、电影放映机、照相放大机、测量投影仪、灯机、电影放映机、照相放大机、测量投影仪、微缩胶片阅读仪等都属于投影系统。微缩胶片阅读仪等都属于投影系统。1/2/202338中国计量学院计量测试工程学院中国计量学院计量测试工程学院