光学设计-第15章--望远镜物镜设计
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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/物f 等于目镜焦距/
目f 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mm 500~100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,因此物镜的相对孔径
/物
f D 与目镜的相对孔径/
目f D /是相等的。目镜的相对孔径主要由出射光瞳直径/D 和出射光瞳距离/p l 决定,目镜的出射光瞳直径一般为mm 4左右,出射光瞳距离/
p l 一般要求mm 20。为保证出射光瞳距离,目镜的焦距/目f 一般大于或等于mm 25,这样,目镜的相对
孔径约为71~41。所以,物镜的相对孔径不大,一般小于5
1。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ω2与目镜的视场/
2ω以及系统的视放大率Γ之间有如下关系:
ωωtg tg ⋅Γ=/
目镜视场因受结构限制,目前/2ω大多在0
70以下,这就限制了物镜的视场不会很大,一般在0
12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/
y 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。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)13.486(nm F 光和)28.656(nm C 光计算和校正色差,对)3.589(nm D 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0
12~10,相对孔径不大于3
1。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
视场可达到0
20~15。
当物镜口径太大时,不宜采用双胶合物镜,一般双胶合物镜的口径不超过mm 100。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2
1~31。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。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,通常由一个单透镜和一个双胶合透镜组成。单透镜可以在前,也可以在后。因为由两个组分分担光焦度,在同样的条件下,半径可以较大些,可以减小高级像差,且校正像差的变量较多,能提高相对孔径,可应用于相对孔径较大的情况。相对孔径可
以达到3
1,口径不超过mm 100,视场角0
52<ω。
4 三分离物镜
如图15-5所示,这种物镜的特点是能够较好地控制高级球差和色球差,相对孔径可
以达到3
2~21,视场角0
42<ω。缺点是,装配调整很困难,光能损失和杂光都比较大。
三分离物镜在适当选择玻璃和分配光焦度的情况下,可以校正二级光谱,但只在相对孔径不大的情况下才能实现。因为校正二级光谱常常导致各个透镜光焦度太大,半径太小,不能适合较大相对孔径的要求。 5 摄远物镜
一般物镜的长度(物镜第一面顶点到像面的距离)都大于物镜的焦距。在某些高倍率的望远镜中,由于物镜的焦距比较长,为了减小仪器的体积和重量,希望减小物镜系统的长度,这种物镜一般由一个正透镜组和一个负透镜组构成,称为摄远物镜,如图15-6所示。
图15-5 三分离物镜 图15-6 摄远物镜 图15-7 对称型物镜
这种物镜一般由两个双胶合透镜构成,前组分的复合焦距为正值,后组分的复合焦距为负值,这样可以使得整个物镜的后主面前移。系统的长度L 可以小于物镜的焦距/f ,一般/
f
L
可以达到4
3~32
。 由于这种物镜有两个双胶合透镜,因此除了校正球差、慧差、轴向色差外,还有可能
校正像散和场曲,因此它的视场角比较大。同时,可以充分利用它的校正像差的能力来补偿目镜的像差,使目镜的结构简化或提高整个系统的成像质量。
这种物镜的缺点是,相对孔径比较小。因为前组透镜的相对孔径一般要比整个系统的相对孔径大一倍以上,而一个双胶合透镜所能承担的相对孔径不大,这就限制了摄远物镜的相对孔径,一般约为8
1。
6 对称型物镜
这种物镜如图15-7所示,一般由两个双胶合透镜构成。主要用于焦距短,而视场要
求较大的情况,视场角0
202>ω。当焦距mm f 50/
<、相对孔径51/
D 时,视场角 可以达到0 302>ω。 7 反射及折反射物镜 利用反射面构成的物镜称为反射式物镜;物镜中既有反射面又有折射面,则称为折反射物镜。它们主要用于长焦距物镜(焦距可以达到数米)和大相对孔径物镜。在天文望远镜中普遍应用反射和折反射物镜。 反射物镜比较著名的有:卡塞格林系统,如图15-8所示;格列果里系统,如图15-9所示。