光學(xué)設(shè)計(jì)—目鏡11-28

1、 制作：制作：目鏡是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的一個(gè)組成部分，它的作用是把物鏡所成的像，通過目鏡成像在無限遠(yuǎn)，供人眼觀察。它是一切目視光學(xué)儀器不可缺少的部件。和其他光組相比，目鏡的主要特性及其特點(diǎn)有： 一 焦距短 1、 望遠(yuǎn)物鏡焦距與目鏡焦距之間存在以下關(guān)系： 當(dāng)目鏡的焦距 增加時(shí)，物鏡的焦距 很快增加因此為了減小儀器的體積和重量，必須盡可能減小目鏡的焦距。另一方面，儀器又要求一定的出射光瞳距離，這就限制了目鏡的焦距不能過小。一般望遠(yuǎn)鏡目鏡的焦距 在1530mm左右。目物ff -目f物ff2、對(duì)于顯微鏡的目鏡來說，它的焦距和視放大率之間符合以下關(guān)系顯微鏡目鏡的視放大率 一般在 10倍左右。顯微目鏡的焦距也

2、在25mm 左右。因此無論是望遠(yuǎn)鏡的目鏡，還是顯微鏡的目鏡，焦距短，是它們的共同特點(diǎn)。250目f二、出射光瞳直徑和相對(duì)孔徑由于目鏡的出射光束直接進(jìn)入人的瞳孔，人的瞳孔的直徑一般在24mm變化，因此軍用望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出射光瞳直徑 一般在4mm左右。顯微鏡的出射光瞳直徑D一般在12mm左右變化。目鏡的焦距f約為1530mm,所以目鏡的相對(duì)孔徑D/f一般小于1：5。三.目鏡的視場(chǎng)對(duì)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)目鏡的視場(chǎng)取決于視場(chǎng)的放大率和物鏡的視場(chǎng)角，即： 增大系統(tǒng)的放大率或者增大系統(tǒng)的視場(chǎng)角，都會(huì)使目鏡視場(chǎng)角增大。對(duì)顯微鏡來說，要增加物鏡的線視場(chǎng)必須增加目鏡物方焦面的線視場(chǎng)，在目鏡焦距一定的條件下，也要增加目鏡的視場(chǎng)角

3、一般目鏡的視場(chǎng)角為4050，廣角目鏡的市場(chǎng)角可以達(dá)到6080，特廣角目鏡的視場(chǎng)角在90以上。視場(chǎng)角大是目鏡的一個(gè)最突出的特點(diǎn)。tantan四、出射光瞳距離出射光瞳距離 是指目鏡后表面到出射光瞳位置的距離，也就是目鏡后表面到眼睛的觀察位置(眼睛瞳孔位置)的距離。眼瞳放在此出射光瞳位置上能夠看到整個(gè)視場(chǎng)，是最便于觀察的位置。出射光瞳距離不應(yīng)太小，太小會(huì)使眼睛觀察時(shí)碰到目鏡玻璃表面，妨礙觀察，一般值不應(yīng)小于610mm 。有些儀器，如瞄準(zhǔn)鏡和戴防毒面具使用的觀察儀器，要求有較長(zhǎng)的出射光瞳距離，可達(dá)20mm以上。對(duì)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)，目鏡的出射光瞳位置也就是整個(gè)系統(tǒng)的出射光瞳位置出射光瞳距離pL四、出射光瞳距離

4、因?yàn)橥ǔＮ镧R的焦距比目鏡焦距長(zhǎng)得多，即入射光瞳離目鏡較遠(yuǎn)，故出射光瞳位置一般是位于目鏡的焦點(diǎn)附近。其位置可用牛頓成像公式求出。實(shí)際上，由于像差的影響，實(shí)際出射光瞳位置要變化一些。如果系統(tǒng)存在漸暈，則最大視場(chǎng)斜光束中心光線經(jīng)目鏡出射后與光軸的交點(diǎn)到最后透鏡表面的距離即為眼點(diǎn)距離。眼點(diǎn)位置與出射光瞳位置是不相同的，眼睛放在眼點(diǎn)位置更便于觀察最大視場(chǎng)，但習(xí)慣上也常把眼點(diǎn)距離稱為出射光瞳距離。目鏡的入射光瞳一般位于前方的物鏡上，而出射光瞳則位于后方的一定距離上，因此目鏡的成像光束，必然隨著視場(chǎng)角的增加而遠(yuǎn)離透鏡組的光軸，使目鏡的透鏡直徑和它的焦距比較起來相當(dāng)大，給像差校正帶來困難。 五、工作距離工作距

5、離是指目鏡的前表面到目鏡的前焦點(diǎn)之間的距離。要求有一定的工作距離是為了保證目鏡在視度調(diào)整時(shí)的軸向移動(dòng)。工作距離過小，在移動(dòng)目鏡作視度調(diào)整時(shí)，目鏡可能碰到位于物鏡焦面上的分劃板。與出射光瞳距離相似，工作距離也與目鏡的焦距及目鏡的型式有關(guān)。但對(duì)于一定型式的目鏡，工作距離與焦距成正比，而每個(gè)視度對(duì)應(yīng)的調(diào)整量卻與焦距的平方成正比，因而焦距較長(zhǎng)的目鏡需要較大的調(diào)整量，要求有較長(zhǎng)的工作距離。一、入瞳和出瞳成物像關(guān)系目視光學(xué)儀器都是和人眼一起作用，以擴(kuò)大人眼的視覺能力。人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)組合成一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，除了前一個(gè)系統(tǒng)的像即為后一個(gè)系統(tǒng)的物這種像傳遞關(guān)系外，前后兩個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌

6、也要匹配，即兩個(gè)孔徑光闌對(duì)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該成另一對(duì)物像關(guān)系。二、光瞳銜接原則人眼的瞳孔，就是人眼的孔徑光闌。根據(jù)物體的亮暗程度，瞳孔直徑可在28mm之間進(jìn)行變化。在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)，目鏡的出瞳應(yīng)與人眼的瞳孔重合，且大小相當(dāng)，可以小于但不能大于人眼瞳孔，否則會(huì)產(chǎn)生光束切割。三、孔徑光闌的安放位置在目視光學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的出瞳必須在目鏡外一定位置，便于人眼瞳孔與其銜接。出射光瞳距離不應(yīng)太小，太小會(huì)使眼睛觀察時(shí)碰到目鏡玻璃表面，妨礙觀察，一般值不應(yīng)小于610mm 。有些儀器，如瞄準(zhǔn)鏡和戴防毒面具使用的觀察儀器，要求有較長(zhǎng)的出射光瞳距離，可達(dá)20mm以上。四、分辨率相適應(yīng)視網(wǎng)膜上最小鑒別距離等于兩神經(jīng)細(xì)胞直徑，即

7、不小于0.006mm。視角鑒別率 滿足 下式 ：，應(yīng)使儀器本身由衍射決定的分辨能力與眼睛的視角分辨率相適應(yīng)，即光學(xué)系統(tǒng)的放大率和被觀察物體所需要的分辨率的乘積應(yīng)等于眼睛的分辨率。520626006. 0tan f一、初級(jí)像差校正要求目鏡的特點(diǎn)是焦距短，相對(duì)孔徑不大，光束孔徑小，而視場(chǎng)大，出射光瞳又遠(yuǎn)離透鏡組，軸外光束在透鏡組上的投射高較大，軸外像差大。在透鏡表面上的入射角自然很大，特別是由于目鏡光瞳在系統(tǒng)的外部，就使得主光線通過目鏡后的偏角很大。如圖下圖所示。一、初級(jí)像差校正要求主光線經(jīng)過目鏡后的偏角為： 主光線在個(gè)折射面上的偏角為：主光線通過目鏡后的偏角愈大，則分擔(dān)在每個(gè)折射面上的主光線偏角

8、也愈大。由上式可見在折射面上的 和 角也愈大。由初級(jí)像差理論可以知道，當(dāng)主光線的折射角加大時(shí)各種軸外像差也加大。這就使目鏡的軸外像差的消除變得困難。所以在目鏡中隨像高增加而增大的像差，尤其是與視場(chǎng)的二次方及三次方成正比的像差，如像散、場(chǎng)曲、畸變及倍率色差都比較嚴(yán)重。nninniiiiuuppppppp1pipi一、初級(jí)像差校正要求場(chǎng)曲一般不加校正，因?yàn)樵谀跨R條件下校正場(chǎng)曲會(huì)引起其它像差校正的困難。所以在目鏡中一般不校正場(chǎng)曲，只是用像散與之補(bǔ)償。另外，由于人眼的調(diào)節(jié)作用，也允許保留一定場(chǎng)曲。在廣角目鏡中，也只是設(shè)法使場(chǎng)曲減小一些?；冇捎诓挥绊懗上竦那逦?，只是使所成像變形，在目視儀器中也不要求徹

9、底校正，允許一定的殘余量。彗差與像高一次方及孔徑二次方成正比，由于目鏡的出射光瞳直徑較小，光束孔徑小，彗差不會(huì)很大，與像散和倍率色差相比，處于次要地位，也比較容易控制。由于目鏡的焦距比較短，相對(duì)孔徑又比較小，同時(shí)由于校正軸外像差的需要，目鏡中的透鏡數(shù)比較多，因此目鏡的球差和軸向色差一般不大，用不著特別注意校正就能滿足要求。綜上，目鏡設(shè)計(jì)中主要是校正像散和倍率色差。二、光闌球差光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳位置和出射光瞳位置是共軛的，在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，如果通過入射光瞳中心追跡一條近軸光線，則其通過目鏡出射后與光軸交點(diǎn)的位置即為出射光瞳位置。但是追跡一條實(shí)際光線(遠(yuǎn)軸)，則一般不會(huì)和光軸交于同一點(diǎn)，這種像差稱為光

10、闌球差。如左圖所示這相當(dāng)于把光闌當(dāng)作物體，由其中心點(diǎn)發(fā)出不同孔徑角的光線出射后的球差，所以稱為光闌球差。光闌球差的影響是產(chǎn)生視場(chǎng)光線遮攔現(xiàn)象，其情況如右圖所示。三、物鏡與目鏡的像差補(bǔ)償在設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡目鏡時(shí)，需要考慮它和物鏡之間的像差補(bǔ)償關(guān)系。望遠(yuǎn)鏡物鏡的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，只能校正球差、彗差和軸向色差，無法校正像散和倍率色差。這就要求由目鏡補(bǔ)償。而在目鏡中這兩種像差是比較容易控制的。目鏡的球差和軸向色差，一般也不能完全校正，需要由物鏡來補(bǔ)償，因?yàn)樵谖镧R中這兩種像差也是很容易控制的。彗差則盡可能獨(dú)立校正。以上所說，是在目鏡和物鏡盡可能獨(dú)立校正像差的前提下，進(jìn)一步考慮它們之間的像差補(bǔ)償問題，這是對(duì)要求

11、在物鏡后焦面即目鏡前焦面安裝上分劃鏡的望遠(yuǎn)系統(tǒng)來說的。如果系統(tǒng)中不要求安裝分劃鏡，則物鏡和目鏡的像差校正可以按整個(gè)系統(tǒng)綜合考慮，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化。對(duì)于顯微鏡目鏡來說，由于不同倍率的物鏡和目鏡要求可更換使用，因此難于考慮物鏡與目鏡的像差補(bǔ)償問題，一般都采取獨(dú)立校正像差。四、消象差譜線由于目鏡是目視光學(xué)儀器的一個(gè)組成部分，因此與物鏡一樣，采用 F光和C 光消色差，對(duì)D光或e光校正單色像差。五、目鏡的像差計(jì)算在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)，通常按反方向光路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如下圖所示。假定物體位于無限遠(yuǎn)，入射光瞳在目鏡的前方，在它的焦平面 上計(jì)算像差目F 一、簡(jiǎn)單目鏡目鏡的作用是將物鏡所成的像（位于目鏡的前焦平面上）放大

12、并出射平行光，供人的眼睛觀察。單個(gè)透鏡是最簡(jiǎn)單的實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，它能夠使得平行光束成像在后焦平面上，根據(jù)光路的可逆性，一個(gè)單透鏡就可能是目鏡。平凸形單透鏡能同時(shí)校正像散和彗差，也可以滿足出瞳遠(yuǎn)離透鏡組的要求。因此單個(gè)平凸透鏡就是可能的最簡(jiǎn)單的目鏡結(jié)構(gòu)。二、冉斯登目鏡單個(gè)平凸透鏡還不能工作，因?yàn)橛晌镧R進(jìn)入系統(tǒng)的光束，如果直接投射到平凸透鏡上，這時(shí)對(duì)應(yīng)的出瞳距離不等于0.3f，不符合單個(gè)平凸透鏡使像散和彗差同時(shí)為零的要求。只能用作小視場(chǎng)目鏡，其視場(chǎng)不超過1520度 。為了滿足這個(gè)要求，必須在焦面上加入一個(gè)場(chǎng)鏡，如果采用雙透鏡的型式，使雙透鏡間具有一定間隔，則上述情況可以改善。第一透鏡放在物鏡焦面的位

13、置上，由于該透鏡的聚光作用，就可以使目鏡的橫向尺寸減小，并可調(diào)節(jié)目鏡的出射光瞳距離。通常第一透鏡稱為場(chǎng)鏡，第二透鏡稱為接目鏡。如果場(chǎng)鏡位于物鏡后焦平面（整個(gè)目鏡前焦平面）的后面，如圖下圖所示，稱為冉斯登目鏡。場(chǎng)鏡的安裝方向采取平面對(duì)著物方焦面，所以采取這樣安置的理由是因?yàn)槿肷渲鞴饩€和光軸的夾角很小，因此在平面上近似垂直入射， 沒有像散和彗差，而對(duì)第二面來說，物平面位于球面的球心和頂點(diǎn)之間，根據(jù)單個(gè)折射球面像差的符號(hào)可以知道，它產(chǎn)生正球差和正像散，它所產(chǎn)生的正像散可以部分地補(bǔ)償目鏡的負(fù)場(chǎng)曲，這對(duì)改善整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)目鏡的像質(zhì)是有利的。冉斯登目鏡冉斯登目鏡的主要缺點(diǎn)是倍率色差無法校正，根據(jù)第二色差和數(shù)的

14、公式：由上圖可知 ， 均大于零， 不可能等于零，不過由于 都不大，所以 兩項(xiàng)都不大，因此倍率色差不至于十分嚴(yán)重。另外由于系統(tǒng)中全部都是正透鏡，這種目鏡的球差和軸向色差比其他目鏡大。這種目鏡通常用于出射光瞳直徑和出射光瞳距離都不大的實(shí)驗(yàn)室儀器和檢校儀器中，它的光學(xué)特性為：冉斯登目鏡的結(jié)構(gòu)雖然很簡(jiǎn)單，能夠滿足校正像散和彗差的要求，它的最大缺點(diǎn)是倍率色差無法校正，因而限制了它的可用視場(chǎng)。22221111pphhhhC同號(hào)與21hh2121、pphh2C221phhh、2C00/4030231/flp三、惠更斯目鏡在冉斯登這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上而又能達(dá)到校正倍率色差的目鏡是惠更斯目鏡。由倍率色差的公式可

15、見，如果要使 ，必須使公式中的兩項(xiàng)異號(hào)才有可能，在目鏡中由于入射光瞳和出射光瞳均遠(yuǎn)離透鏡組，因此總是同號(hào)的，而接目鏡和場(chǎng)鏡的光焦度 均為正，因此要使 公式中的兩項(xiàng)異號(hào)必須使 和 異號(hào)，也就是要求接目鏡和場(chǎng)鏡分別位于實(shí)際像面的兩側(cè)，也就是場(chǎng)鏡位于物鏡后焦平面（整個(gè)目鏡前焦平面）的前方，如下圖所示0C1ph2ph12C1h2h 兩個(gè)正透鏡構(gòu)成的目鏡，校正倍率色差所必須滿足的條件是：場(chǎng)鏡的放置方向，同樣采取平面對(duì)著實(shí)際像面，如上圖所示，與冉斯登目鏡一樣也是為了使場(chǎng)鏡產(chǎn)生正像散。由于這種目鏡能同時(shí)校正像散、彗差、倍率色差，它的視場(chǎng)可以達(dá)到 相對(duì)出射光瞳距離 這種目鏡的缺點(diǎn)是不能安裝分劃鏡。它被廣泛地

16、應(yīng)用于觀察顯微鏡中。2/2/1ffd00504041/flp四、凱涅爾目鏡冉斯登目鏡可以安裝分劃鏡，能夠校正像散和彗差，但不能校正倍率色差。很容易想到如果把冉斯登目鏡中的接目透鏡換成雙膠合透鏡組，如下圖所示，就有可能校正倍率色差，這就是一般所說的凱涅爾目鏡。凱涅爾目鏡的球差較大。當(dāng)雙膠合透鏡使用平均色差大、折射率差小的玻璃，同減小場(chǎng)鏡與接目鏡之間的距離，除了能增大出射光瞳距離外，還能改善像質(zhì)。它的視場(chǎng)可以達(dá)到4550度。五、對(duì)稱式目鏡對(duì)稱式目鏡是目前應(yīng)用很廣的一種中等視場(chǎng)的目鏡，它的結(jié)構(gòu)如下圖所示。它由兩個(gè)雙膠合透鏡構(gòu)成。雖然目鏡組的總厚度比較大，仍可把它看作是一個(gè)薄透鏡組來近似地分析它的像差

17、性質(zhì)。由薄透鏡系統(tǒng)的消色差條件知道，如果這兩個(gè)雙膠合透鏡組分別消色差，則整個(gè)透鏡組同時(shí)消除了軸向色差和倍率色差。根據(jù)薄透鏡組單色像差的性質(zhì)，一個(gè)薄透鏡組可以校正兩種像差，因此是能夠校正目鏡中需要校正的像散和慧差的。大多數(shù)對(duì)稱式目鏡采取兩個(gè)透鏡組完全相同，這樣加工比較方便。對(duì)稱式目鏡的特點(diǎn)是倍率色差和軸向色差都能校正得比較好，像散和彗差也可以得到較好的校正，場(chǎng)鏡與接目鏡的焦距之比大約為 1:1.2，出射光瞳距可以達(dá)到0.8f，視場(chǎng)可以達(dá)到4550度。設(shè)計(jì)一個(gè)的對(duì)稱型目鏡:mmf25/0402mmD41尺寸計(jì)算 對(duì)規(guī)化系統(tǒng)進(jìn)行尺寸計(jì)算規(guī)化系統(tǒng) ,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)兩個(gè)組分的主面之間間隔為 由此，可求出各組

18、分的光焦度:求各光線入射高:115. 015. 0/fd115. 022115203. 015203. 0211h01u5203. 01111/1huu9220. 05203. 015. 01/112udhh15203. 09220. 05203. 0222/2huu由此得到: 此即目鏡后焦點(diǎn)位置。 我們假定出射光瞳位置和焦點(diǎn)位置重合，則有:而 因此得到 9220.019220.0/22/2uhl9220. 0/21llp11pu9220. 0) 1(9220. 0111pppulh5203. 05203. 09220. 01111/1ppphuu1)5203. 0(15. 09220. 0/112ppudhh2由初級(jí)像差表示式求解首先列出像差方程。將上面計(jì)算的各量代入像差系數(shù)方程，可得：另外：可得：22112301. 01104. 02707. 01299. 0WPWPS0406. 14992. 01197. 04992. 01197. 02211WPWPS085. 15203. 015. 011)1 (1)(1122/2222ddflu091. 4340. 4)7 . 023(085. 1) 14(085. 1)23() 14(2222222