1、应用光学 12 主讲 张建寰单位 机电系 第九章望远镜和显微镜 前面各章已分别研究了光学系统的各种普遍性质 还没有深入研究根据这些普遍原理和性质制作的各类光学仪器 在第三章中我们简单地介绍了目视光学仪器的工作原理 主要的目的是在学习第二章共轴球面系统的物像关系之后 马上通过对几种实际仪器光学原理的介绍 说明这些原理和公式的实际运用 以使学生对高斯光学有一个深刻的理解 对于目视光学仪器的光学性能技术条件 各部件的性能和类型 外形尺寸计算等等还没具体介绍 从这一章开始 我们陆续研究各种光学仪器的这些特点 井通过计算实例讨论外形尺寸计算的有关问题 我们知道 一个光学系统的设计大致分为两个步骤 第一步
2、是根据使用单位提出的战术技术要求 如光学性能 外形 重量及有关技术条件 拟定光学系统原理图 并确定系统中各透镜组的焦距 各光学部件和零件的尺寸 相互间的间隔等 称为初步设计 亦即外形尺寸计算 在此基础上 第二步进行像差设计 通过大量的光线追迹和人工或利用程序对结构参数的修改确定保证成像质量优良的各种透镜的半径r 厚度和间隔d以及透镜的材料等 像差设计不是本课题的内容 有关像差理论 光线追迹和评价方法等像差设计的原理与方法将在 光学设计课程中介绍 光学系统初步设计的问题由 应用光学 课程解决 它是应用光学各章知识的综合运用 本章将给出一家工厂已经生产的较为复杂的望远镜系统外形尺寸计算的实例 以做
3、示范 望远系统外形尺寸计算相对较为复杂 掌握了望远系统外形尺寸计算的方法 其它系统也就不是很难丁 9 1望远镜的光学性能和技术条件对一个望远镜的要求 首先是它的光学性能 主要有视放大率 视场角 2 出瞳直径 D 出瞳距离 Lz 另外 对于军用光学仪器来说 仪器的外形 体积和重量也是十分重要的技术指标 它和系统的光学性能往往形成突出的矛盾 除了系统的光学性能和对仪器的外形 体积和重量提出的要求而外 一般还提出保证产品质量的技术条件 例如 分辨率 视差角 对双眼仪器 还有光轴平行性和相对像倾斜的要求 上述这些光学性能和技术条件之间 彼此具有密切的联系 如何合理地选择各种指标仪器的性能具有决定性的意
4、义 这些光学性能和技术条件 一般是由使用单位提出来的 但设计人员也必须对它有所了解 下面分别讨论它们之间的相互关系 以及确定这些性能指标的一般原则 一 视放大率 视放大率是望远镜最重要的光学性能之一 它表示仪器放大作用的大小 它和其它性能指标之间有着十分密切的关系 视放大率必须满足对仪器的精度要求 对不同的仪器精度要求也不一样 例如 1 观察仪器 对观察仪器的精度要求 就是它的分辨角 望远镜的分辨角和视放大率之间有以下关系 9 2望远镜物镜望远镜由物镜和目镜组合而成 对望远镜的光学性能和技术条件的要求 决定了对物镜和目镜的要求 物镜的光学特性主要有三个 焦距f 物 相对孔径D f 物和视场2
5、一 焦距f 物望远镜物镜的焦距和系统的视放大率有关 由公式 3 9 物镜的焦距是目镜焦距的厂倍 通常首先确定目镜的焦距 根据视放大率 即可由上式求出物镜焦距 二 相对孔径根据公式 3 10 9 3望远镜目镜望远镜目镜的作用相当于放大镜 它把物镜所成的像放大后成像在人眼的远点 以便进行观察 对于正常人眼睛 远点在无限远 因此 一般要求物镜所成的像平面应与目镜的物方焦平面重合 目镜的光学特性主要有三个 像方视场角2 相对出瞳距离lz f 目和工作距离S 下面分别加以说明 一 像方视场角2 根据望远镜的视放大率公式 3 8 可以看到 如果望远镜的视放大率和视场角一定 就要求一定的目镜视场 无论是提高
6、望远镜的视放大率厂或者视场角 都需要相应地提高目镜的视场 目前 提高望远镜视放大率和视场主要是受到目镜视场的限制 S9 4望远镜的外形尺寸计算前面分别介绍了望远镜的各个部件 物镜和目镜 的性能和类型 这里就讨论本章所要解决的主要问题 望远镜外形尺寸计算的问题 在着手进行具体计算以前 首先要明确对仪器的要求 任何一个光学仪器 根据它的用途和使用条件 必须对它的光学系统提出一定的要求 这些要求概括起来有以下几个方面 1 系统的光学性能和技术条件 这在 9 1中已作过详细讨论 2 系统的外形 体积和重量 3 系统的稳定性 牢固性和便于调整 4 对系统成像质量的要求 光学系统外形尺寸计算的主要内容包括
7、 1 根据上述光学特性和外形 体积等要求 拟定光学系统的结构原理图 例如 系统中采用几个透镜组 它们之间的成像关系如何 用什么型式的棱镜系统 各个光学零件位置大体如何安排等等 2 确定每个透镜组的光学特性 如焦距 相对孔径和视场角等 同时确定各个透镜组的相互间隔 3 选择系统的成像光束位置 并计算每个透镜的通光口径 4 根据成像质量和光学特性的要求 选定系统中每个透镜组的型式 在初步设计中不考虑系统的像差 完全根据理想光学系统公式进行计算 同时 由于初步设计的各个透镜组的具体结构尚未确定 因而每个透镜组物方主平面和像方主平面之间的距离无从得知 所以在计算中一律假定物方主平面和像方主平面重合 如
8、图9 24 a 所示 9 5显微镜概述和显微镜的光学性能显微镜的发明和应用大大提高了人的视觉功能 为人们研究与认识微观世界提供了有力的工具 随着生产和科学技术的发展 显微镜与显微技术正在获得日益广泛的应用 经过近400年的发展演变 如今 适用于不同学科领域与研究对象的 各种原理与结构形式的显微镜 已构成了一个规格完备 性能优良的完整体系 显微镜的品种虽然很多 但其基本作用是一致的 即观察研究微观世界 分辨物体的细节 对工作于可见光波长范围的光学显微镜 按用途区分 最大量使用的有三种类型 生物显微镜 主要应用于生物学 医学 农学等方面 金相显微镜 主要应用于冶金和机械制造工业 观察研究金相组织结
9、构 和工具显微镜 主要应用于精密机构制造工业等方面 进行精密计量 在上述显微镜中 根据所观察标本性质的不同 如透明或不透明 可选取不同的照明方式与成像光路 如生物显微镜对透明标本的观察是采用透射式照明 而金相显微镜对不透明标本的研究则采用反射式照明 此外 还可根据被检验标本的细节与背景的亮暗对比情况 分别选择视场照明或暗视场照明的方式 为了改善观察条件 获得好的观察效果 除了单目观察显微镜外 还发展了双目体视显微镜 近半个世纪以来 显微技术取得了重大进步 出现了基于光的干涉 衍射 偏振原理的干涉显微镜 相衬显微镜与偏光显微镜 近代的显微技术普遍要求扩大功能 对应用于实验研究的较高级的显微镜 通常用增加附件的组合式结构来实现多功能 如进行显微摄影 显微投影以及电视显示等 有的显微镜除具有目视观察功能外 还同时具有照相 投影 电视等附件 新的电视显微镜则实现了显微光学系统与闭路电视的一体化 随着新原理 新结构 新辐射源 新接收器以及光电转换技术的发展 现代显微镜已成为光 机 电 微型计算机相结合的现代化精密光学仪器
