光学设计 第17章 目镜设计.docx

第十七章目镜设计目镜是望远镜和显微镜的一个组成部分，它的作用是把物镜所成的像，通过目镜成像在 无限远，供人眼观察它是一切目视光学仪器不可缺少的部件§1目镜的光学特性一焦距望远镜物镜焦距与目镜焦距之间存在以下关系：f物…「• f目当目镜的焦距f目增加时，物镜的焦距f很快增加（因为r >> 1）因此为了减小仪器的体积 和重量，必须尽可能减小目镜的焦距另一方面，仪器又要求一定的出射光瞳距离，这就限 制了目镜的焦距不能过小一般望远镜目镜的焦距f /在15 ~ 30mm左右对于显微镜的目镜来说，它的焦距和视放大率之间符合以下关系r • f = 250显微镜目镜的视放大率r 一般在10 X左右显微目镜的焦距也在25 mm左右因此无论是 望远镜的目镜，还是显微镜的目镜，焦距短，是它们的共同特点二 出射光瞳直径和相对孔径由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般在2 ~ 4mm左右变化， 因此军用望远系统的出射光瞳直径D / 一般在4mm左右显微镜的出射光瞳直径D /则为 1 ~ 2 mm左右目镜的焦距f /约为15 ~ 30 mm，所以目镜的相对孔径D匚f / 一般小于1:5三视场角如图17-1所示，目镜的视场角①/是位于物镜和目镜共同焦平面上的像对目镜主点的 张角。

图17-1望远镜系统对于望远系统，其视放大率r与物镜视场角①和目镜的视场角①/有如下的关系式：tg ① / = r • tg ①可见，无论是增大望远镜的视放大率r，还是增加视场角①，都要求增大目镜的视场角①/ 对显微镜来说，要增加物镜的线视场必须增加目镜物方焦面的线视场，在目镜焦距一定的条件下，也要增加目镜的视场角O /因此目镜的视场一般都比较大当然，从观察的角度看，视场大些有好处，但是目镜 视场能达到多少，是由该目镜的消像差情况决定的通常2o /在40 0左右，广角目镜的视场 在60 0左右某些特广角目镜甚至达100 0视场角大是目镜的一个最突出的特点四出射光瞳距离出射光瞳距离L/是指目镜后表面到出射光瞳位置的距离，也就是目镜后表面到眼睛的 观察位置（眼睛瞳孔位置）的距离在系统没有渐晕和像差情况下，各个视场上的主光线也都 通过出射光瞳中心眼瞳放在此出射光瞳位置上能够看到整个视场，是最便于观察的位置 出射光瞳距离不应太小，太小会使眼睛观察时碰到目镜玻璃表面，妨碍观察，一般L/值不p应小于6~10 mm有些仪器，如瞄准镜和戴防毒面具使用的观察仪器，要求有较长的出射 光瞳距离，可达20 mm以上。

对于望远系统，目镜的出射光瞳位置也就是整个系统的出射光瞳位置，望远系统通常 物镜框即是有效光阑及入射光瞳，通过入射光瞳的近轴光线经物镜和目镜出射交光轴于E / 点，如图17 — 2所示E/即为出射光瞳中心图17 — 2望远镜系统目镜出射光瞳位置233因为通常物镜的焦距比目镜焦距长得多，即入射光瞳离目镜较远，故出射光瞳位置一 般是位于目镜的焦点附近其位置可用牛顿成像公式求出实际上，由于像差的影响，实际出射 光瞳位置要变化一些如果系统存在渐 晕，则最大视场斜光束中心光线经目镜出 射后与光轴的交点到最后透镜表面的距 离即为眼点距离眼点位置与出射光瞳位 置是不相同的，眼睛放在眼点位置更便于 观察最大视场，但习惯上也常把眼点距离 称为出射光瞳距离由于在仪器中目镜的出射光瞳距离随 图17 — 3出射光瞳距离物镜入射光瞳位置不同而改变，不便于讨论，又由于目镜的出射光瞳位置距目镜焦点距离一般不大，故在讨论目镜本身的性能时，按出射 光瞳位置在目镜焦点上考虑如图17 — 3所示出射光瞳距离的大小，一方面决定于目镜焦 距的大小，另一方面决定于目镜的型式可以取出射光瞳距离（即目镜后表面到其后焦点的 距离）与焦距之比L p/f /，标志目镜型式的出射光瞳距离的特性。

比值大者即出射光瞳距离较长不同的目镜型式，此比值可能有较大的差别对于多数目镜此比值在13〜1 4范围 内少数目镜比值可达到1,甚至超过1当目镜焦距较短，或要求出射光瞳距离大时，就 要选取L ： f /值较大的目镜型式目镜的入射光瞳一般位于前方的物镜上，而出射光瞳则位于后方的一定距离上，因此目 镜的成像光束，必然随着视场角的增加而远离透镜组的光轴，使目镜的透镜直径和它的焦距 比较起来相当大，给像差校正带来困难五工作距离工作距离是指目镜的前表面到目镜的前焦点之间的距离要求有一定的工作距离是为 了保证目镜在视度调整时的轴向移动工作距离过小，在移动目镜作视度调整时，目镜可能 碰到位于物镜焦面上的分划板与出射光瞳距离相似，工作距离也与目镜的焦距及目镜的型 式有关但对于一定型式的目镜，工作距离与焦距成正比，而每个视度对应的调整量却与焦 距的平方成正比，因而焦距较长的目镜需要较大的调整量，要求有较长的工作距离六目镜的像差和橡差校正的要求1初级像差校正要求目镜的特点是焦距短，相对孔径不大，光束孔径小，而视场大，出射光瞳又远离透镜组， 轴外光束在透镜组上的投射高较大，轴外像差大在透镜表面上的入射角自然很大，特别是 由于目镜光瞳在系统的外部，就使得主光线通过目镜后的偏角很大。

如图17-4所示，主光 线经过目镜后的偏角为：△①=必/ —①主光线在各折射面上的偏角为：u / — u = i — i/ = i — i - — = i - (1 ——) p p p p p p n / p n /主光线通过目镜后的偏角愈大，则分担在每个折射面上的主光线偏角也愈大由上式可见在 折射面上的i和i/角也愈大由初级像差理论可以知道，当主光线的折射角加大时各种轴 外像差也加U 这就使目镜的轴外像差的消除变得困难所以在目镜中随像高增加而增大的 像差，尤其是与视场的二次方及三次方成正比的像差，如像散、场曲、畸变及倍率色差都比 较严重场曲一般不加校正，因为在 目镜条件下校正场曲会引起其它 像差校正的困难光学系统要校正 场曲，在系统中必须有相互远离的 正透镜组和负透镜组，两者的光焦 度符号相反、数值近似相等，这样 将会使轴外像差特别是高级像差 变得很大，即使使用若干透镜组 合，轴外像差如慧差、像散、畸变、 倍率色差也无法达到很好的校正 所以在目镜中一般不校正场曲，只 是用像散与之补偿另外，由于人眼的调节作用，也允许保留一定的 图17 — 4主光线的偏折场曲在广角目镜中，也只是设法 使场曲减小一些。

畸变由于不影响成像的清晰，只是使所成像变形，在目视仪器中也不要求彻底校正， 允许一定的残余量彗差与像高一次方及孔径二次方成正比，由于目镜的出射光瞳直径较小，光束孔径小， 彗差不会很大，与像散和倍率色差相比，处于次要地位，也比较容易控制由于目镜的焦距比较短，相对孔径又比较小，同时由于校正轴外像差的需要，目镜中 的透镜数比较多，因此目镜的球差和轴向色差一般不大，用不着特别注意校正就能满足要求综上，目镜设计中主要是校正像散和倍率色差2光阑球差在目镜中还存在另一种像差，称为光阑球差我们知道，光学系统的入射光瞳位置和 出射光瞳位置是共轭的，在望远系统中，如果通过入射光瞳中心追迹一条近轴光线，则其通 过目镜出射后与光轴交点的位置即为出射光瞳位置但是追迹一条实际光线（远轴），则一般 不会和光轴交于同一点，这种像差称为光阑球差如图17—5所示，当通过入射光瞳中心追 迹不同视场角的光线，则经目镜后与光轴分别交于不同位置这相当于把光阑当作物体，由 其中心点发出不同孔径角的光线出射后的球差，所以称为光阑球差光阑球差的影响是产生 视场光线遮拦现象，其情况如图17—6所示图中画出不同视场的光束经目镜出射后的情况。

由于存在光阑球差，光束交光轴于不同位置，这样，当眼睛正对准一个视场光束时，另一个 视场的光束就不能全部进入人眼瞳，造成该视场亮度的减弱，严重时会造成某些视场全部光 束不能进入人眼瞳，该视场物体也就看不到了在多数目镜中光阑球差的影响并不严重，但 在大视场和长出射光瞳距离目镜中，光阑球差可能很大，设计时应对光阑球差加以检验，看 是否会引起视场遮拦现象就是用光路计算方法求出不同视场的光束经目镜出射后的位置，3物镜与目镜的像差补偿在设计望远镜目镜时，需要考虑它和物镜之间的像差补偿关系望远镜物镜的结构一般比较简单，只能校正球差、彗差和轴向色差，无法校正像散和 倍率色差虽然由于物镜的视场较小，这些像差一般不会很大，为了使整个系统获得尽可能 好的成像质量，物镜残留的像散和倍率色差，要求由目镜补偿而在目镜中这两种像差是比 较容易控制的目镜的球差和轴向色差，一般也不能完全校正，需要由物镜来补偿，因为在 物镜中这两种像差也是很容易控制的彗差则尽可能独立校正，如果在目镜设计中，在优先 考虑像散和倍率色差的校正以后，有少量彗差无法完全校正，也可以用物镜的彗差进行补偿 这样虽然物镜和目镜都分别留有一定的像差，但整个系统像差得到很好校正，可以使系统的 成像质量得到提高。

以上所说，是在目镜和物镜尽可能独立校正像差的前提下，进一步考虑它们之间的像 差补偿问题，这是对要求在物镜后焦面即目镜前焦面安装上分划镜的望远系统来说的如果 系统中不要求安装分划镜，则物镜和目镜的像差校正可以按整个系统综合考虑，使系统结构 尽可能简化对于显微镜目镜来说，由于不同倍率的物镜和目镜要求可更换使用，因此难于考虑物 镜与目镜的像差补偿问题，一般都采取独立校正像差4消像差谱线由于目镜是目视光学仪器的一个组成部分，因此与物镜一样，采用F光和C光消色差， 对D光或e光校正单色像差5目镜的像差计算在设计目镜时，通常按反方向光路进行设计，如图17—7所示假定物体位于无限远，入射光瞳在目镜的前方，在它的焦平面F目上计算像差图17-7目镜的反向光路设计§2常用目镜的型式和像差分析目镜的作用是将物镜所成的像（位于目镜的前焦平面上）放大并出射平行光，供人的 眼睛观察同时对像差校正有一定的要求在满足像差校正要求的前提下，光学系统的结构 应尽量简单单个透镜是最简单的实际光学系统，它能够使得平行光束成像在后焦平面上， 根据光路的可逆性，一个单透镜就可能是目镜单透镜能同时校正像散和彗差的情况有两种，如图17-8所示。

第一种情况是透镜为平 凸形，入射光瞳（用于目镜时，反向光路应该是出射光瞳）位于透镜前方0.3f处第二种 情况是弯月形透镜，入射光瞳（用于目镜时，反向光路应该是出射光瞳）位于透镜后方0.3 f 处目镜的成像要求是把物方焦面上的物体成像在无限远，按照光路可逆定理，也可以看作 是把无限远物体成像在像方焦面上同时要求光瞳位在平行光束中，并且远离透镜组显然 只有第一种情况才能符合这一要求，因此单个平凸透镜就是可能的最简单的目镜结构一简单目镜从整个目镜系统来看，如图17-8所示的第一种情况，单个平凸透镜还不能工作，因为 由物镜进入系统的光束，如果直接投射到平凸透镜上，这时对应的出瞳距离不等于0.3 f， 不符合单个平凸透镜使像散和彗差同时为零的要求只能用作小视场目镜，其视场不超过 15~ 20 0为了满足这个要求，必须在焦面上加入一个场镜，如果采用双透镜的型式，使 双透镜间具有一定间隔，则上述情况可以改善第一透镜放在物镜焦面的位置上，由于该透 镜的聚光作用，就可以使目镜的横向尺寸减小，并可调节目镜的出射光瞳距离通常第一透 镜称为场镜，第二透镜称为接目镜场镜除了产生场曲而外，不产生其他像差，一般为了加 工简单也做成平凸形的。

通常把场镜和接目镜装在一起，把场镜也看作是目镜的一部分这 样，一个场镜加一个接目透镜，并且都做成平凸形，就构成了一个能校正像散和彗差的最简 单的目镜位于焦面的透镜。