最新应用光学(第七章)3PPT课件.ppt

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1、应用光学(第七章)3按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系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（即爱里斑半径）可表示为 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

2、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。11/3/20222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。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。11/3/20229中国计量学院计量测试工

3、程学院中国计量学院计量测试工程学院二、伽利略望远镜和开普勒望远镜二、伽利略望远镜和开普勒望远镜伽利略望远镜伽利略望远镜是由是由物镜和负目镜物镜和负目镜按光学间隔按光学间隔=0=0的方式组的方式组合而成。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。11/3/202210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是在不考虑眼瞳作用时，伽利略望上面的光路图是在不考虑眼瞳作用时

4、，伽利略望远镜的物镜框就是整个系统的入射光瞳。远镜的物镜框就是整个系统的入射光瞳。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分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。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，它就是整个系统来考虑，它就是整个系统的的出射光瞳出射光瞳，也是，也是孔径光阑孔径光阑。11/3/202211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

5、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11/3/202212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入瞳中心对入窗的张角即系统的视角入瞳中心对入窗的张角即系统的视角2，眼瞳的位置和系，眼瞳的位置和系统的放大率都影响着的放大率都影响着实际视场的大小的大小F1，F2O1O2P物镜（入

6、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。11/3/202213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：F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlp11/3/202214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明，伽利略望远镜在物镜口径一定时，倍率越高，视场越小。说明

7、，伽利略望远镜在物镜口径一定时，倍率越高，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年在开普勒的光学术年在开普勒的光学术中介绍的。中介绍的。开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样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

8、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。11/3/202215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普勒望远镜的光路图：下图为开普勒望远镜的光路图：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。没有渐晕现象。11/3/202216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出瞳距p是是出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离出瞳到目镜最后一面透镜

9、顶点的距离当出瞳满足定义要求，出瞳距应考虑到人眼观察的特点和使当出瞳满足定义要求，出瞳距应考虑到人眼观察的特点和使用情况，一般不小于用情况，一般不小于6mm。视场角视场角望远镜物方视场用系统的视场角表示望远镜物方视场用系统的视场角表示光学长度光学长度望远镜望远镜物镜和目镜焦距之和物镜和目镜焦距之和为光学长度为光学长度11/3/202217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向系统和场镜转向系统和场镜开开普勒望远镜需要正像，在系统内安放转像系统普勒望远镜需要正像，在系统内安放转像系统作用是作用是正像正像和和系统加长系统加长转像有转像有单组转像单组转像和和双组转像双组转像加上

10、转像系统后，物镜的像方焦平面和目镜的物方焦平加上转像系统后，物镜的像方焦平面和目镜的物方焦平面是面是分开的分开的转像的物面是物镜的像方焦平面，其像面是目镜的物转像的物面是物镜的像方焦平面，其像面是目镜的物方焦平面方焦平面增加了光学长度增加了光学长度11/3/202218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F1F211/3/202219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像系统的光学系统，为使通过物镜后的轴外光束折具有转像系统的光学系统，为使通过物镜后的轴外光束折向转像系统，减少转像系统的横向尺寸向转像系统，减少转像系统的横向尺寸在物镜的在物

11、镜的像平面上像平面上或附近增设一块透镜或附近增设一块透镜称为称为场镜场镜像与主平面重合，放大率为像与主平面重合，放大率为1根据像差理论知：场镜不产生球差、彗差、像散和色散，根据像差理论知：场镜不产生球差、彗差、像散和色散，只产生小的场曲和畸变只产生小的场曲和畸变11/3/202220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

12、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11/3/202221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、望远镜的物镜三、望远镜的物镜望远物镜的光学特性都用相对孔径望远物镜的光学特性都用相对孔径D/f、焦距、焦距f 和视场角和视场角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

13、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。11/3/20222

14、2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11/3/202223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物体在有限远时，移

15、动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像仍然在固定当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像仍然在固定的分划板处。这种系统就称为内调焦系统。该系统尺寸小，携带方便，密封的分划板处。这种系统就称为内调焦系统。该系统尺寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路物镜分划板目镜11/3/202224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）反射式望远物镜（二）反射式望远物镜天文望远镜常用反射式物镜。天文望远镜常用反射式物镜。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

16、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F11/3/202225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也是有两个反射面组成，主镜仍为抛物面，副镜格列果里系统也是有两个反射面组成，主镜仍为抛物面，副镜改为椭球面，所成的像正像改为椭球面，所成的像正像,这种结构的筒长比较长。这种结构的筒长比较长。（三）折

17、反射系统（三）折反射系统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。11/3/202226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物镜比较典型的有施密特物镜和马克苏托夫物镜折反射型望远物镜比较典型的有施密特物镜和马克苏托夫物镜施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。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

18、样球差得到很好校正。的光束略有发散，这样球差得到很好校正。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11/3/202227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克苏托夫物镜由球面主镜和副弯月型厚透镜组成。马克苏托夫物镜由球面主镜和副弯月型厚透镜组成。弯月形厚透镜的结构若满足下面条件就可以不产生色差，所以可用弯月形厚透镜的结构若满足下面条件就可以不产生色差，所以可用它来补偿主镜产生的球差它来补偿主镜产生的球差dr2r1F11/3/202228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

19、程学院四、目镜四、目镜目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分。目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分。目镜的光学特性由它的视场角目镜的光学特性由它的视场角2、焦距、焦距 f、相、相对镜对镜目距目距p/f和工作距和工作距l2来决定。来决定。p是像空是像空间间近点到出瞳的距离。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

20、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（Ramsden)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。11/3/202229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、惠更斯目镜和冉斯登目镜、惠更斯目镜和冉斯登目镜惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为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

21、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）d11/3/202230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由两块凸面相对的平凸透镜组成，其间隔冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，其间隔d小于惠小于惠更斯目镜两透镜的间距。更斯目镜两透镜的间距。在成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以冉斯登目镜的场曲小在成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以冉斯登目镜的场曲小于惠斯登目镜的场曲。于惠斯登目镜的场曲。场镜接目镜视场光阑（物镜像平面目镜

22、前焦面）出瞳（眼瞳）d11/3/202231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、凯涅尔目镜、凯涅尔目镜凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组而得到的。凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组而得到的。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。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。11/3/202232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

23、变目镜、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的透镜组构成的。无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合的透镜组构成的。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。这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器。11/3/202233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、广角目镜广角目镜是为适应大视场系统而设计的。广角目镜是为适应大视场系统而设计的

24、。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11/3/202234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

25、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：在拍摄近处物体时，像的大小为：在拍摄近处物体时，像的大小为：11/3/202235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

26、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11/3/202236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

27、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11/3/202237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投影系统投影系统 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。11/3/202238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