光学设计 第15章 望远镜物镜设计.doc

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1、第十五章望远镜物镜设计望远镜一般由物镜、目镜、棱镜或透镜式转像系统构成。望远镜物镜的作用是将远方的物体成像在目镜上，经目镜放大后供人眼观察。如图15－1所示。图15－1望远镜系统§1望远镜物镜的光学特性一望远镜物镜的光学特性参数望远镜物镜的光学特性由焦距、相对孔径、视场等参数表示。1焦距望远镜物镜的焦距等于目镜焦距与望远镜倍率的乘积，因而，一般望远镜的倍率越高，物镜的焦距越长。高倍望远镜物镜焦距可达到一米左右，天文望远镜物镜焦距可达到数米。望远镜物镜的焦距大多在之间。2相对孔径在望远系统中，入射的平行光束经过系统后仍然为平行光束，因此物镜的相对

2、孔径与目镜的相对孔径是相等的。目镜的相对孔径主要由出射光瞳直径和出射光瞳距离决定，目镜的出射光瞳直径一般为左右，出射光瞳距离一般要求。为保证出射光瞳距离，目镜的焦距一般大于或等于，这样，目镜的相对孔径约为。所以，物镜的相对孔径不大，一般小于。但当物镜的焦距很长时，物镜的光瞳口径却可以很大，如天文望远镜中有口径为几米的物镜。3视场望远镜物镜的视场与目镜的视场以及系统的视放大率之间有如下关系：目镜视场因受结构限制，目前大多在以下，这就限制了物镜的视场不会很大，一般在以下。二望远镜物镜像差校正要求由于望远镜物镜的相对孔径和视场都不大，同时允许视场边缘

3、成像质量适当降低，因此它的结构型式比较简单，故望远镜物镜要求主要校正球差、慧差、轴向色差，而不校正对应于像高二次方的各种单色像差（像散、场曲、畸变）和倍率色差。由于望远镜要与目镜、棱镜或透镜式转像系统组合起来使用，所以在设计望远镜物镜时，应考虑到它与其他部分之间的像差补偿关系。194在物镜光路中有棱镜的情况下，物镜的像差应当与棱镜的像差互相补偿，即棱镜的像差要靠物镜来补偿，由物镜来校正棱镜的像差。而棱镜中的反射面不产生像差，棱镜的像差等于展开以后的玻璃平板的像差，由于玻璃平板与它的位置无关，所以不论物镜光路中有几块棱镜，也不论它们之间的相对位置

4、如何，只要它们所用的材料相同，都可以合成一块玻璃平板来计算像差。另外，目镜中通常有少量剩余球差和轴向色差无法校正，也需要依靠物镜的像差给与补偿。所以，望远镜物镜的像差常常不是真正校正到零，而是要求它等于指定的数值。望远镜是目视光学仪器，设计目视光学仪器（包括望远镜和显微镜），一般对光和光计算和校正色差，对光校正单色像差。在系统装有分划镜的情况下，由于要求通过系统能够同时看清目标和分划镜上的分划线，因此，分划镜前后两部分系统应当尽可能分别消像差。§2望远镜物镜的类型望远镜物镜的光学特性和像差校正要求决定了它的结构型式和类型。主要有双胶合物镜、双分

5、离物镜、三片式物镜、三分离物镜、摄远型物镜、对称型物镜、反射式及折反射物镜等。1双胶合物镜双胶合物镜是最常用的望远镜物镜，它由两块透镜胶合而成，其中一块为正透镜，通常用冕牌玻璃制成，另一块为负透镜，通常用火石玻璃制成。其在望远镜中放置时，有的使正透镜面向物体，有的使负透镜面向物体，如图15－2所示。图15－2双胶合物镜图15－3双分离物镜图15－4三片式物镜由薄透镜系统的初级像差理论知道，恰当地选择玻璃组合，一个薄透镜组除了能校正色差而外，还能校正两种单色像差，正好符合望远镜物镜像差校正要求，因此望远镜物镜一般由薄透镜组构成。最简单的薄透镜组就

6、是双胶合透镜，在军用光学仪器中被广泛采用。由于双胶合物镜的结构简单、参数较少，所以可以消除的像差是有限的。当正确设计双胶合物镜时，可以满意地校正球差、色差、慧差，但不能消除带区球差、像散及其他像差，也无法控制孔径高级球差，因此它的相对孔径和视场受到限制，其视场不超过，相对孔径不大于。大量设计的经验得出双胶合物镜在不同焦距时，所能允许的相对孔径与焦距之间有如下表的关系：5010015020030050010001:31:3.51:41:51:61:81:10由于望远镜系统中，棱镜的像散与物镜的像散符号相反，可以抵消一部分物镜的像散，视场可达到。当

7、物镜口径太大时，不宜采用双胶合物镜，一般双胶合物镜的口径不超过。口径太大时，胶合不牢，容易脱胶。同时，当温度改变时，胶合面容易产生应力，影响像质。2双分离物镜如图15－3所示，双分离物镜由一个正透镜和一个负透镜组成，两透镜之间不胶合，而是有一定的空气层隔开。在双分离物镜中，两透镜之间的距离也是一个变量，可以利用这一变量减小孔径高级球差，相对孔径可能增大到。双分离物镜对玻璃组合要求不像双胶合物镜那样严格，一般采用折射率差和色散差都较大的玻璃对，这样有利于增大半径，减小高级球差。194双分离物镜的色球差并不比双胶合物镜小，另外空气间隙的大小和两个透

8、镜的同心度对成像质量影响很大，装配调整比较困难。实际上，双分离物镜在望远镜中应用不多，主要用于平行光管物镜。3三片式物镜如图15－4所示，通常由一个单