1、2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,1,四、顯微系統(tǒng)的物鏡,（一）顯微物鏡的特點(diǎn),在選用或設(shè)計(jì)顯微物鏡時(shí)所考慮的光學(xué)性能主要有：,數(shù)值孔徑,放大率,NA的大小直接影響分辨本領(lǐng)和成像亮度，它是物鏡的 主要性能指標(biāo)。,對于不同倍率的物鏡，像方視場2y為一定值，所以高倍物鏡視場小。,線視場,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,2,精密測量用的顯微物鏡就有以下特點(diǎn)：,1、在滿足一定瞄準(zhǔn)和讀數(shù)精度的條件下，物鏡放大率一般不高，約在1x10 x之間；,2、物鏡的放大率要求嚴(yán)格準(zhǔn)確，允差0.050.1%；,6、為了減小物鏡有視差引起的放大率誤差，孔徑光闌設(shè)置在物鏡的像方焦平面

2、上，構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路。,3、工作距離和線視場都較大，以滿足觀測一定大小零 件的要求；,4、在校正軸上像差時(shí)，也要校正軸外像差，像質(zhì)要求 較高；,5、物鏡的數(shù)值孔徑較?。ㄗ畛Ｓ肗A=0.1)；為了保證像的照度，照明系統(tǒng)的光源常用低電壓、小功率、高亮度的,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,3,（二）顯微物鏡,顯微物鏡根據(jù)用途不同分為：,消色差顯微物鏡,復(fù)消色差物鏡,平場消色差物鏡,40X0.95復(fù)消色顯微物鏡,普通顯微物鏡大多數(shù)屬于消色差型，只需校正球差、正弦差、軸向色差即可，但邊緣像質(zhì)較差。,平場復(fù)消色差物鏡,40X0.85平場復(fù)消色顯微物鏡,折反射顯微物鏡,2020/8/26

3、,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,4,按數(shù)值孔徑NA的大小由四種型式,1、雙膠型 =15x NA=0.10.15,2、李斯特型 =820 x NA=0.250.30,3、阿米西型 =2540 x NA=0.400.65,4、阿貝油浸型 =90100 x NA=1.251.40,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,5,精密測量中的顯微鏡，使用高倍物鏡的不多。一般均采用低倍和中倍物鏡；但要求平像場；,所以與同倍其它物鏡相比，其結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜。,下圖是工具顯微鏡1X物鏡的兩種結(jié)構(gòu)。視場20mm，工作距離80mm，數(shù)值孔徑0.03。,孔徑光闌,孔徑光闌,下圖是工具顯微鏡3X及5X物鏡

4、的結(jié)構(gòu)。視場分別為6.7mm和 4mm，工作距離80mm和53mm，數(shù)值孔徑0.09和0.15。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,6,下圖是工具顯微鏡10X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場2mm，工作距離20mm，數(shù)值孔徑0.16。,下圖是工具顯微鏡40X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場0.5mm， 工作距離10.5mm，數(shù)值孔徑0.35。,孔徑光闌,孔徑光闌,9-6 望遠(yuǎn)系統(tǒng)（3-3、 9-1、 9-2 ）,一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的一般性質(zhì),物鏡（入瞳）,視場光闌,目鏡,出瞳,F1,F2,物鏡的像方焦點(diǎn)應(yīng)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，光學(xué)間隔=0。,使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光學(xué) 系統(tǒng)稱為望遠(yuǎn)系統(tǒng)或望遠(yuǎn)鏡。,2

5、020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,8,按照夫瑯和費(fèi)衍射理論，無限遠(yuǎn)的發(fā)光點(diǎn)在望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦平面上所形成的衍射圖樣，其第一暗環(huán)的半徑（即愛里斑半徑）可表示為,式中，波長，D入射光瞳直徑。,對望遠(yuǎn)物鏡，其出瞳與入瞳可認(rèn)為與物鏡重合。,D/f可認(rèn)為是物鏡的相對孔徑。,物鏡的分辨本領(lǐng)決定于它的相對孔徑。,望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率是以遠(yuǎn)處能分辨的兩點(diǎn)對物鏡入瞳中心的張角來表示的，稱為最小分辨角。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,9,與愛里斑半徑之間有如下關(guān)系：,將r暗1公式代入上式中得,現(xiàn)以人眼最靈敏的波長=550nm代入，得到,可見，以最小分辨角來表示望遠(yuǎn)物鏡的分辨率時(shí)， 它僅

6、決定于物鏡的孔徑（入瞳直徑）。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,10,對于目視系統(tǒng)來說有意義的是視角放大率,即通過望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)，物體的像對眼睛視角的正切與眼睛直接觀察該物體時(shí)的視角0 正切之比。,由于物體到眼睛的距離相對于望遠(yuǎn)鏡的長度來說要大得多，0與物體對入射光瞳中心的張角可認(rèn)為相等,因此望遠(yuǎn)鏡的視角放大率以表示，與望遠(yuǎn)鏡的角放大率相同，即,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,11,由于垂軸放大率為常數(shù)（因?yàn)?）即可用出瞳直徑D和入瞳直徑D之比表示，所以,視角放大率僅僅取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,嚴(yán)格來說，望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該用來觀察無限遠(yuǎn)物體。,2020/8/26

7、,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,12,但實(shí)際上，由于人眼能從無限遠(yuǎn)至明視距離的范圍內(nèi)自由地調(diào)節(jié)，故人眼通過望遠(yuǎn)鏡觀察物空間時(shí)的對應(yīng)量，可用下式表示：,式中 x 像至目鏡像方焦點(diǎn)的距離。 x 物體至物鏡物方焦面的距離；,在實(shí)際設(shè)計(jì)中，確定視角放大率要考慮許多因素，其中包括儀器的精度要求、目鏡的結(jié)構(gòu)型式、望遠(yuǎn)鏡的視場角、儀器的結(jié)構(gòu)尺寸等等。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,13,表示觀測儀器精度的指標(biāo)是它的最小分辨角。,若以60作為人眼的分辨極限，為使望遠(yuǎn)鏡所能分辨的細(xì)節(jié)也能被人眼分辨即達(dá)到了充分利用望遠(yuǎn)鏡分辨率的目的,望遠(yuǎn)鏡的視角放大率應(yīng)與其最小分辨角有如下關(guān)系：,2020

8、/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,14,把望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角公式代入上式中得：,這就是望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該具備的最小視角放大率。也是正常放大率。,為了減輕操作人員的疲勞，設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)用大于正常分辨率的工作分辨率來作為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視角放大率。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,15,工作放大率常為正常放大率的1.53倍。 若取2.3倍，則=D。,在瞄準(zhǔn)儀器中，儀器的精度用瞄準(zhǔn)誤差來表示，它與瞄準(zhǔn)方式有關(guān)。,若是壓線瞄準(zhǔn)時(shí)：,若是對線、雙線或叉線瞄準(zhǔn)時(shí)：,由此可見，望遠(yuǎn)鏡的視角放大率越大，其測量精度越高。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,16,二、伽利略望遠(yuǎn)

9、鏡和開普勒望遠(yuǎn)鏡,伽利略望遠(yuǎn)鏡是由物鏡和負(fù)目鏡按光學(xué)間隔=0的方式組合而成。,F1,F2,出瞳,d,f1,df1,具有筒長短、體積小、重量輕等特點(diǎn)；,這種望遠(yuǎn)鏡沒有中間實(shí)像面，無法安置分劃板，不能直接作為瞄準(zhǔn)和精確定位之用。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,17,上面的光路圖是在不考慮眼瞳作用時(shí)，伽利略望遠(yuǎn)鏡的物鏡框就是整個(gè)系統(tǒng)的入射光瞳。,F1，F(xiàn)2,O1,O2,P,物鏡（入窗、視場光闌）,目鏡,眼瞳（出瞳、孔徑光闌）,入瞳,出窗,由于眼瞳無法與之重合，所以軸外光束中有一部分光線不能進(jìn)入眼眶，而產(chǎn)生攔光現(xiàn)象。,若把眼瞳也作為一個(gè)光孔來考慮，它就是整個(gè)系統(tǒng)的出射光瞳，也是孔

10、徑光闌。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,18,該光闌被目鏡和物鏡所成的像位于眼瞳之后，是一個(gè)放大的虛像，這就是系統(tǒng)的入射光瞳。,這時(shí)伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場光闌為物鏡框，被目鏡所成的像位于物鏡和目鏡之間，就是系統(tǒng)的出射窗。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,19,入瞳中心對入窗的張角即系統(tǒng)的視角2，眼瞳的位置和系統(tǒng)的放大率都影響著實(shí)際視場的大小,F1，F(xiàn)2,O1,O2,P,物鏡（入窗、視場光闌）,目鏡,眼瞳（出瞳、孔徑光闌）,入瞳,出窗,D,l,L,lp,入窗并不與物體重合，使軸外點(diǎn)光束產(chǎn)生漸暈。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,20,伽利

11、略望遠(yuǎn)鏡的視場角、物鏡直徑D、眼瞳位置lp以及系統(tǒng)的放大率之間有如下的關(guān)系：,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,21,說明，伽利略望遠(yuǎn)鏡在物鏡口徑一定時(shí)，倍率越高，視場越小。,伽利略就是利用這種望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星。,這種結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡多被采用為激光的發(fā)射系統(tǒng)，做為激光準(zhǔn)直儀的一個(gè)組成部分。,開普勒望遠(yuǎn)鏡是在1611年在開普勒的光學(xué)術(shù)中介紹的。,開普勒望遠(yuǎn)鏡的物鏡和目鏡都是正透鏡，這樣就克服了伽利略望遠(yuǎn)鏡中間沒有實(shí)像的缺點(diǎn)。,因?yàn)樽詈蟪傻瓜?，系統(tǒng)需要考慮轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的安置以便正像，結(jié)構(gòu)上要比伽利略望遠(yuǎn)鏡復(fù)雜。,這樣就具備了測量和瞄準(zhǔn)的條件。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)

12、與裝備研究所,22,下圖為開普勒望遠(yuǎn)鏡的光路圖：,物鏡（入瞳）,目鏡,視場光闌,出瞳,被目鏡攔掉部分,目鏡的口徑如果足夠大，開普勒望遠(yuǎn)鏡中的光束將沒有漸暈現(xiàn)象。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,23,出瞳直徑D和出瞳距p,出瞳直徑是望遠(yuǎn)鏡的一項(xiàng)重要性能指標(biāo),出瞳直徑的確定如下：,望遠(yuǎn)鏡的主觀亮度決定于出瞳面上的發(fā)光強(qiáng)度,發(fā)光強(qiáng)度與出瞳直徑的平方成正比,出瞳直徑的平方之稱為“光強(qiáng)度”或“光力”,決定了望遠(yuǎn)鏡射出的光能的大小,從景深角度考慮，出瞳直徑越大，景深越小,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,24,出瞳距使出瞳到目鏡最后一面透鏡頂點(diǎn)的距離,當(dāng)出瞳滿足定義

13、要求，出瞳距應(yīng)考慮到人眼觀察的特點(diǎn)和使用情況，一般不小于6mm。,視場角,望遠(yuǎn)鏡物方視場用系統(tǒng)的視場角表示,光學(xué)長度,望遠(yuǎn)鏡物鏡和目鏡焦距之和為光學(xué)長度,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,25,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和場鏡,刻普勒望遠(yuǎn)鏡需要正像，在系統(tǒng)內(nèi)安放轉(zhuǎn)像系統(tǒng),作用是正像和系統(tǒng)加長,轉(zhuǎn)像有單組轉(zhuǎn)像和雙組轉(zhuǎn)像,加上轉(zhuǎn)像系統(tǒng)后，物鏡的像方焦平面和目鏡的物方焦平面是分開的,轉(zhuǎn)像的物面是物鏡的像方焦平面，其像面是目鏡的物方焦平面,增加了光學(xué)長度,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,26,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,27,場鏡,具有轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，為

14、使通過物鏡后的軸外光束折向轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，減少轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的橫向尺寸,在物鏡的像平面上或附近增設(shè)一塊透鏡,稱為場鏡,像與主平面重合，放大率為1,根據(jù)像差理論知：場鏡不產(chǎn)生球差、彗差、像散和色散，只產(chǎn)生小的場曲和畸變,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,28,三、望遠(yuǎn)鏡的物鏡,望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特性都用相對孔徑D/f 、焦距f 和視場角2表示。,物鏡的這些性能參數(shù)決定了它的分辨能力、像的亮度和結(jié)構(gòu)的尺寸。,望遠(yuǎn)物鏡可分為三種結(jié)構(gòu)型式：即折射式、反射式和折反射式望遠(yuǎn)物鏡。,（一）折射式望遠(yuǎn)物鏡,(1)雙膠合物鏡：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，光能損失少。可以同時(shí)校正球差、正弦差和色差。,因?yàn)槟z合面上產(chǎn)生比

15、較大的正高級球差，相對孔徑要受到限制。,這種物鏡不能校正軸外像差，所以視場角2不得超過810。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,29,（2）雙分離物鏡,與雙膠合物鏡相比，其可以在更大的范圍內(nèi)選擇玻璃對，使球差、色差和正弦差同時(shí)得到校正，只是裝配校正比較困難。,（3）三分離物鏡,將雙分離物鏡中的正透鏡一分為二。,透鏡的彎曲比較自由，可以使之成為校正色球差的有力形狀。,用光學(xué)零件位置的變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦作用的光學(xué)系統(tǒng)稱為調(diào)焦系統(tǒng)。,（4）內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)物鏡,調(diào)焦系統(tǒng)分為外調(diào)焦和內(nèi)調(diào)焦。,若以目鏡相對于物鏡的位置變化實(shí)現(xiàn)調(diào)焦稱外調(diào)焦系統(tǒng)。,外調(diào)焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，像質(zhì)也比較好。但外形尺

16、寸較大，密封性能很差。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,30,當(dāng)物體在有限遠(yuǎn)時(shí)，移動物鏡中的一塊負(fù)透鏡，使物鏡所成的像仍然在固定的分劃板處。這種系統(tǒng)就稱為內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)尺寸小，攜帶方便，密封性能好，在大堤測量儀器中多采用此光路,物鏡,分劃板,目鏡,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,31,（二）反射式望遠(yuǎn)物鏡,天文望遠(yuǎn)鏡常用反射式物鏡。,目前，多采用雙反射系統(tǒng)來做為天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡。,比較著名的雙反射系統(tǒng)由兩種：卡塞格林系統(tǒng)和格列果里系統(tǒng)。,卡塞格林系統(tǒng)是由兩個(gè)反射鏡組成，主鏡是拋物面，副鏡是雙曲面，所成的是倒像，這種結(jié)構(gòu)的筒長比較短。,主鏡,副鏡,F,

17、2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,32,格列果里系統(tǒng)也是有兩個(gè)反射面組成，主鏡仍為拋物面，副鏡改為橢球面，所成的像正像,這種結(jié)構(gòu)的筒長比較長。,（三）折反射系統(tǒng),F,主鏡,副鏡,反射系統(tǒng)對軸外像差的校正是很困難的。,理想的折反射系統(tǒng)中反射鏡應(yīng)該是非球面型的，但加工比較困難。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,33,折反射型望遠(yuǎn)物鏡比較典型的有施密特物鏡和馬克蘇托夫物鏡,施密特物鏡由球面主鏡和施密特校正板組成。,非球面的面型能夠使中央的光束略有會聚，而使邊緣的光束略有發(fā)散，這樣球差得到很好校正。,校正板是個(gè)透射元件，其中一個(gè)面是平面，另一個(gè)面是非球面。,F,施

18、密特校正板,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,34,馬克蘇托夫物鏡由球面主鏡和副彎月型厚透鏡組成。,彎月形厚透鏡的結(jié)構(gòu)若滿足下面條件就可以不產(chǎn)生色差，所以可用它來補(bǔ)償主鏡產(chǎn)生的球差,d,r2,r1,F,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,35,四、目鏡,目鏡是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的重要組成部分。,目鏡的光學(xué)特性由它的視場角2、焦距 f、相對鏡目距p/f和工作距l(xiāng)2來決定。,p是像空間近點(diǎn)到出瞳的距離。,目鏡的工作距l(xiāng)2是目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離。,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)。,目鏡的這些光學(xué)特性決定了目鏡的像差特性：它的軸上點(diǎn)像差不大。,目前，常用的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的目鏡有惠更斯目鏡、冉斯登（Ramsden)目鏡、凱涅爾(Kellner)目鏡、對稱目鏡、無畸變目鏡、廣角目鏡等等。,2020/8/26,哈工大光電測控技術(shù)與裝備研究所,36,1、惠更斯目鏡和冉斯登目鏡,惠更斯目鏡由兩塊平凸透鏡組成，其間隔為d。,場鏡所產(chǎn)生的軸外差很大，很難予以補(bǔ)償。所以該目鏡結(jié)構(gòu)不宜在視場光闌平面上設(shè)置分劃板，因此惠更斯目鏡不宜用在測量儀器中。,場鏡,接目鏡,物鏡像面,視