【文章內(nèi)容簡介】 ，通常望遠8? 210?o物鏡的視場不大于 。10o由于望遠物鏡視場較小，同時視場邊緣的成像質(zhì)量一般允許適當(dāng)降低，因此望遠物鏡中都不校正對應(yīng)像高 的二次方以上的各種單色像差（像散、場曲、y?畸變）和垂軸色差，只校正球差、彗差和軸向色差。由于望遠物鏡要和目鏡、棱鏡或透鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng)配合使用，因此在設(shè)計物鏡時應(yīng)當(dāng)考慮到它和其它部分的像差補償。在物鏡光路中有棱鏡的情況下，物鏡的像差應(yīng)當(dāng)和棱鏡的像差互相補償。棱鏡中的反射面不產(chǎn)生像差，棱鏡的像差等于展開以后的玻璃平板的像差。由于玻璃平板的像差和它的位置無關(guān)，因此不論物鏡光路中有幾塊棱鏡，也不論它的相對位置如何，只要它們所用的材料相同，都可以合成一塊玻璃平板來計算像差。另外，目鏡中通常有少量剩余球差和軸向色差，需要物鏡給以補償，所以物鏡的像差常常不是真正校正到零，而是要求它等于指定的數(shù)值。在系統(tǒng)裝有分劃鏡的情況下，由于要求通過系統(tǒng)能夠同時看清目標和分劃鏡上的分劃線，因此分劃鏡前后兩部分系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能分別消像差。望遠物鏡的相對孔徑和視場都不大，要求校正的像差也比較少，所以它們的結(jié)構(gòu)一般比較簡單，多數(shù)采用薄透鏡組或薄透鏡系統(tǒng)。它們的設(shè)計方法大多建立在薄透鏡系統(tǒng)初級像差理論的基礎(chǔ)上，因此其設(shè)計理論比較完整。常用的望遠物鏡的類型有如下幾種 [3]：（1）雙膠合物鏡。望遠鏡物鏡要求校正的像差主要是軸向色差、球差和彗差。由薄透鏡系統(tǒng)的初級像差理論知道，一個薄透鏡組除了校正色差以外，還能校正兩種單色像差，正好符合望遠物鏡校正像差的需要，因此望遠物鏡一般由薄透鏡組構(gòu)成。最簡單的薄透鏡組就是雙膠合透鏡組。如果恰當(dāng)?shù)剡x擇玻璃組合，則雙膠合物鏡可以達到校正三種像差的目的，所以雙膠合物鏡是最常用的望遠物鏡。由于雙膠合物鏡無法校正像散、場曲，因此它的可用視場受到限制，一般不超過 。如果物鏡后面有較長光路的棱鏡，則由于棱鏡的像散和物鏡的像散10?符號相反，可以抵消一部分物鏡的像散，視場可達 。雙膠合物鏡無法1520??控制孔徑高級球差，因此它的可用相對孔徑也受到限制。一般雙膠合物鏡的最大口徑不能超過 100㎜，這是因為當(dāng)直徑過大時，透鏡的重量過大膠合不牢固，同時當(dāng)溫度改變時，膠合面上容易產(chǎn)生應(yīng)力，使成像質(zhì)量變壞，嚴重時可能脫膠。所以，對于直徑過大的雙膠透鏡組，往往不進行膠合，而是中間用很薄的空氣層隔開，空氣層兩邊的曲率半徑仍然相等。這種物鏡從像差性質(zhì)來說實際上和雙膠合物鏡完全相同。（2）雙分離物鏡雙膠合物鏡由于孔徑高級球差的限制，它的相對孔徑只能達到 1/4 左右。如果我們使雙膠合物鏡正負透鏡之間有一定間隙，則有可能減小孔徑高級球差，使相對孔徑可以增加到 1/3 左右。雙分離物鏡對玻璃組合的要求不像雙膠合物鏡那樣嚴格，一般采用折射率差和色散差都較大的玻璃，這樣有利于增大半徑，減小孔徑高級球差。但是這種物鏡的色球差并不比雙膠合物鏡小，另外空氣間隙的大小和兩個透鏡的同心度對成像質(zhì)量影響很大，所以裝配調(diào)整比較困難。由于上述原因，目前使用不是很多。（3）雙單和單雙物鏡如果物鏡的相對孔徑大于 1/3，則一般采用一個雙膠合和一個單透鏡組合而成。隨著它們前后位置的不同，分雙單和單雙兩種，如圖 (a)、(b)所示。這種型式的物鏡，如果雙膠合組和單透鏡之間的光焦度分配合適，膠合組的玻璃選擇恰當(dāng)，孔徑高級球差和色球差都比較小，則相對孔徑最大可達 1/2左右，這是目前采用較多的大相對孔徑的望遠鏡物鏡。圖 雙單和單雙物鏡（4）三分離物鏡這種物鏡的結(jié)構(gòu)如圖 所示，它能夠很好地控制孔徑高級球差和色球差，相對孔徑可達 1／2。這種物鏡的缺點是裝配調(diào)整困難，光能損失和雜光都大。圖 三分離物鏡 棱鏡系統(tǒng) 普羅棱鏡和屋脊棱鏡望遠系統(tǒng)中起到轉(zhuǎn)像作用的棱鏡通常有兩種，分別是普羅棱鏡和屋脊棱鏡。傳統(tǒng)普羅棱鏡由 2 個直角棱鏡組成，利用內(nèi)全反射原理,把光路折曲。其優(yōu)點是構(gòu)造簡單，透光率高，而且物鏡相距基線變長，雙眼視差較大，圖像較富立體感。用普羅棱鏡望遠鏡來觀察會改變我們習(xí)慣的透視感和體視感。一方面，距離感被壓縮了，另一方面，立體感被增大。普羅型望遠鏡也會影響我們對物體大小和距離的判決。缺點是體積較大，看近處景物容易產(chǎn)生雙重圖像。此外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠緊密，光軸易歪，手感較差。普羅棱鏡玻璃材質(zhì)主要有兩種，較好的即折射率高的是 BaK4，較次的 BK7。 BK7 棱鏡折射率接近能產(chǎn)生全反射的下限，所以棱鏡中心反射很好，但是在邊緣的一小部分光線無法產(chǎn)生全反射而“泄漏”出去,導(dǎo)致出現(xiàn)出瞳光斑邊緣存在卷影切邊，減低透光率。使用更高折射率的玻璃可以修正這個問題，使用 Bak4 玻璃的普羅棱鏡效率可以達到同級最高，透光率可達或者超過 94％。普羅棱鏡系統(tǒng)在理論上十分有效，因為四個反射面都可以產(chǎn)生全反射，光線沒有損失。倒置普羅棱鏡式原理一樣，只是把棱鏡向內(nèi)反屈，物鏡比目鏡更靠近一起，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為緊密小巧，缺點是欠缺立體感。結(jié)構(gòu)限制口徑，一般質(zhì)素亦較次級 [4]。另一種棱鏡是別漢棱鏡，也叫屋脊鏡棱鏡，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要精度亦較高，不易研制。傳統(tǒng)上最常見的屋脊棱鏡缺點很多。首先它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，光線共內(nèi)全反射六次。當(dāng)中有一個界面無法產(chǎn)生全反射，大部分光線會射出去而不是反射，所以需把這個反射面鍍成鏡面。開始用銀，之后用鋁 (不易被氧化影晌反射率） ，自注氮防水鏡普及后又用回銀(反射率更高).不幸的是，銀反射膜仍沒有內(nèi)全反射效率高，而用鋁反射膜光度損失更到 15％。此外,當(dāng)光從鏡面反射回來的時候,其相位會改變。一部份光會被部分偏振化。當(dāng)兩束部分偏振化的光相遇互相干涉的時候，光度會再損失。最終導(dǎo)致屋脊棱鏡和同級普羅棱鏡比就會暗一些。 由前面的敘述知道，反射棱鏡的作用主要有兩個，其一是使光束平移、偏折和改變方向；其一是改變像的正、倒關(guān)系。反射棱鏡的計算包括通光口徑，外形尺寸，光路長度，等價空氣層厚度和像差的計算。此外，還要考慮棱鏡加工公差的計算。 棱鏡的計算如果把反射棱鏡沿著反射面順序展開，可以展開成一塊平行玻璃板，其光路長度就是該平行玻璃板的厚度。棱鏡展開的方法是：在棱鏡主截面內(nèi)，按反射面的順序，以反射面與主截面的交線為軸，依次按反射面順序做鏡像，便可得到棱鏡的等效平行玻璃板。下面是棱鏡展外成平行玻璃板的例子。如圖 所示，沿著反射面展開，也就是說，以斜邊為反射面，對直角棱鏡成像，得到個正方形的玻璃板，很顯然，直角棱鏡的光路長度： MLD? 直角棱鏡張開如圖 所示，先沿第一個反射面展開，而后再沿第二個反射面展開。展開后也形成—個平行玻璃板。其光路長度為： 。?圖 五角棱鏡展開其他棱鏡的展開依此類推，這里不再重述。值得一提的是屋脊棱鏡，由于屋脊面與主面垂直，展開時要特別注意。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，棱鏡最好放在平行光路中，因為在平行光路中棱鏡不產(chǎn)生像差。出于光闌通常不在棱鏡上，因此在計算棱鏡的通光口徑時，不但要考慮軸上光束在棱鏡上的高度，還要考慮軸外光束在棱鏡上的高度。我們現(xiàn)在分別討論棱鏡在平行光路和會聚(或發(fā)散)光路的情況。在這種情況中，棱鏡通常處在物鏡的前面，如圖 所示。在該圖中，光闌在物鏡上，物鏡的通光口徑為 ，物方視場角為 。0Dpu 圖 平行光路中的棱鏡由于棱鏡處在平行光路中，棱鏡的軸上光束口徑與望遠物鏡的口徑 相同。0D由于光闌在物鏡上，因此棱鏡的軸外光線高度是不為零的。我們用 表示棱鏡m的通光口徑，用 表示光線在棱鏡中的光路長度， p 為系數(shù)。這樣，入射到mpD棱鏡上的軸外光線高度為： （25）MppDydun??棱鏡的通光口徑應(yīng)當(dāng)是軸上高度與軸外高度之和的 2 倍，其值為： （26）002MpPDyU??????在同樣情況下，五角棱鏡的口徑要比直角棱鏡的口徑大很多。(或發(fā)散)光路中在這種情況中，棱鏡大多數(shù)處在物鏡之后，如圖 所示。我們先求軸上光束在棱鏡上的入射高度。由圖我們看到，軸上光束在棱鏡的入射面和出射面的口徑是不同的。 圖 聚光路中的棱鏡對于入射面的軸上光束口徑為： （27）39。 0102139。aDdDduff??????????對于出射面的軸上光束口徑為： （28）02Mapdfn???????對于入射面的軸外光束口徑為： 39。12pyu? （29）對于出射面的軸外光束口徑為 (210)39。2MpDydN???????當(dāng)視場加大時，棱鏡的出射面的通光口徑很可能大于入射面的通光口徑，這一點往往被忽略，要特別引起注意。 目鏡系統(tǒng)目鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。被觀察的物體通過望遠物鏡和顯微物鏡成像在目鏡的物方焦平面處，經(jīng)目鏡系統(tǒng)放大后將其成像在無窮遠，供人眼觀察。觀察時，人眼與目鏡的出瞳重合，出瞳的位置在目鏡的像方焦點附近。目鏡可以看成是一個與物鏡相匹配的放大鏡，因此，目鏡的放大率為 39。250f??式中 為目鏡的焦距。從上式可以看出，要使目鏡有足夠的放大率，必須39。2f縮小它的焦距 ，所以，在望遠系統(tǒng)中，目鏡焦距一般為 10～40mm。目鏡的視39。場一般是指像方視場，目鏡的像方視場角 和物鏡的視場角 以及系統(tǒng)的視39。2?2?放大率三者有如下關(guān)系 39。tgt??由此可以看出，無論是提高系統(tǒng)的視放大率，還是增大物鏡的視場角，都會引起目鏡視場角的增大。但是，如果增大目鏡視場，軸外像差勢必增大，影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此，望遠系統(tǒng)的視放大率和視場主要受目鏡視場的限制。目鏡的視場一般是比較大的，普通目鏡的視場角約為 400～500，廣角目鏡的視場角約為 600～900，超廣角目鏡的視場角大于 900。鏡目距是指出瞳到目鏡最后一面頂點的距離，也是觀察時眼睛瞳孔的位置，鏡目距一般不小于 6mm～8mm，由于軍用目視儀器需要加眼罩或防毒面具，通常鏡目距大于 20mm。對于一定型式的目鏡，鏡目距與焦距的比值（稱為相對鏡目距）近似地等于常數(shù)。 [5,7]目鏡出瞳的大小受眼瞳限制，大多數(shù)儀器的出瞳直徑與眼瞳直徑相當(dāng)，即出瞳直徑為 2mm～4mm，軍用儀器的出瞳直徑較大，一般在 4mm 左右變化。而目鏡焦距常用的范圍為 15～30mm，因此目鏡的相對孔徑比較小，在 ～ 之間。145目鏡的工作距離是指目鏡第一面頂點到物方焦平面的距離，一般物鏡的像在目鏡的物方焦平面附近。如果顯微鏡和望遠鏡不帶分劃板，可以允許工作距離大于 0，這樣目鏡的物方焦平面在目鏡內(nèi)部；如帶分劃板，則工作距離小于0，此時必須使目鏡的物方焦平面在外面，否則沒有分劃板的安置空間。由目鏡的光學(xué)特性可知，目鏡是一種短焦距、大視場、相對孔徑較小的光學(xué)系統(tǒng)。目鏡的光學(xué)特性決定了目鏡的像差特點。其軸上點像差不大，無須嚴格校正就可使球差和位置色差滿足要求。由于目鏡的視場比較大，出瞳又遠離透鏡組，所以軸外像差如彗差、像散、場曲、畸變、倍率色差都很大，為了校正這些像差，使得目鏡的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在上述五種軸外像差中，以彗差、像散、場曲和倍率色差對目鏡的成像質(zhì)量影響最大，是系統(tǒng)像差校正的重點，但受目鏡結(jié)構(gòu)限制，目鏡的場曲不易校正，可用像散來對場曲做適當(dāng)補償，再加上人眼有自動調(diào)節(jié)能力，所以對場曲要求可以降低。而畸變由于不影響成像清晰，一般不作完全校正。設(shè)計目鏡時，若系統(tǒng)帶有分劃板，需要對物鏡和目鏡分別獨立校正像差，然后再對整個系統(tǒng)進行像差平衡；如系統(tǒng)不要求安裝分劃板，則物鏡和目鏡的像差校正可以按整個系統(tǒng)來考慮，在初始計算時就要考慮像差補償?shù)目赡苄裕ǔＪ窍扔嬎愫托Ｕ跨R像差，然后根據(jù)目鏡像差的校正結(jié)果，把剩余像差作為物鏡像差的一部分，再對物鏡進行像差校正。需要注意的是，目鏡通常是按反光路計算的，所以在像差補償時一定要考慮像差符號。在望遠鏡中，目前常用的目鏡有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式