8.6 物镜和目镜 8.6.1显微镜物镜 显微镜物镜的主要光学特性有两个：数值孔径NA和垂轴放大率β 8.6 物镜和目镜 8.6.1显微镜物镜 显微镜物镜的主要光学特性有两个：数值孔径NA和垂轴放大率β 要得到较大的视放大率和较高的分辨率，必须选用数值孔径较大的物镜。提高数值孔径的方法，一是增大物方孔径角，二是提高物方介质折射率的数值，即把物体浸在高折射率的液体中，比如浸在油中，这时n就是油的折射率，这就是高倍显微镜采用浸液物镜的理由。 按照显微镜校正像差情况的不同，分为：消色差物镜、复消色物镜、平场复消色物镜等。

1、 消色差物镜是结构相对简单，应用最多的一类显微镜物镜。它只校正球差、彗差。这类物镜根据它们的倍率和数值孔径不同又分为低倍、中倍、高倍和浸液四种。 (1)低倍消色差物镜。这类物镜的倍率大约为3-6，数值孔径在0.1左右，对应的相对孔径约为1：4，由于相对孔径不大，视场又比较小，只须校正球差、彗差和轴向色差，因此这些物镜一般都采用最简单的双胶合组如图 (a)所示。 (2)中倍消色差物镜。倍率约为6-10，数值孔径为0.2-0.3，由于数值孔径加大，一个双胶合已不能符合要求，这类物镜一般由两个有一定距离的双胶合组成，它相当于两个薄透镜构成的薄透镜系统，增加了校正像差的可能性。如图 (b)所示。

(3)高倍消色差物镜。这类物镜倍率约为40-60，数值孔径0. 6-0 (3)高倍消色差物镜。这类物镜倍率约为40-60，数值孔径0.6-0.8左右。如图 (c)、(d)所示。它们可以看做是在中倍物镜的基础上，加上一个或两个由无球差、无彗差的折射面构成的会聚透镜，这些透镜的加入基本上不产生球差和彗差，但系统的数值孔径和倍率可以得到提高。 (4)浸液物镜。前面介绍的几类物镜，成像物体都位于空气中，物空间介质的折射率n=1，因此它们的数值孔径NA=nsinU绝不可能大于1，目前这几类物镜的数值孔径最大可达0.9。为了进一步提高数值孔径。可以把成像物体浸在折射率大于1的液体中，物空间介质的折射率等于液体的折射率，因而可以大大提高物镜的数值孔径。这类物镜称为浸液物镜，其数值孔径可以达到1.2-1.4左右，最大倍率可达100，其结构如图 (e)所示。

消色差物镜

2、复消色差物镜： 在一般的消色差显微物镜中，二级光谱色差随着倍率和数值孔径的提高越来越严重，因此在高倍消色差物镜中，二级光谱色差往往成为影响成像质量的主要因素，需要进行校正。 复消色差物镜 为校正二级光谱色差通常需要采用特殊的光学材料，最常用的是萤石。复消色差显微物镜比相同数值孔径的消色差物镜复杂，如图所示。图中打斜线部分就是采用萤石的透镜。

3.平视场物镜 前面讲过的所有物镜中都没有校正像面弯曲，对于高倍显微物镜和视场较大的显微物镜，由于像面弯曲的存在，可见的清晰视场十分有限，为了看清视场中的不同部分，只能用分别调焦的方法来补救，而现代显微镜往往带有显微照相和CCD摄像，这就必须采用平像场物镜。一般平视场显微物镜结构往往比较复杂，常需要加入若干个弯月形厚透镜来实现。图 (a)、(b)分别是40×和160×浸液平视场物镜的结构图。

平视场物镜

8.6.2望远镜物镜 (一)折射式望远物镜 1．双胶物镜。双胶物镜是一种最常用最简单的望远镜物镜，由一个正透镜和一个负透镜胶合而成，如图所示。这种物镜的优点是：结构简单，安装方便，光能损失小，合适的选择玻璃可以校正球差、彗差和轴向色差三种像差，满足望远镜物镜的像差要求。

双胶物镜 双分离物镜 由于这种物镜不能校正像散和场曲，所以视场一般不能超过8-10度。如果物镜后面有很长光路的棱镜，由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，可以抵销一部分物镜的像散，视场可达到15-20度。一般双胶物镜的最大口径不能超过100mm，这是因为当透镜直径过大时，由于透镜的重量过大，胶合不牢固。同时，当温度改变时，胶合面上可能产生应力，使成像质量变坏，严重时可能脱胶。

2．双分离物镜。双分离物镜同样由一块正透镜和一块负透镜组成，但两透镜中间有一个空气间隔。 它和双胶物镜比较，具有下列优点： (1)物镜的口径不受限制。因此，一些大口径的物镜都用双不胶物镜，而不用双胶物镜。 (2)能够利用空气间隔校正剩余球差，增大相对孔径。在一般焦距(100-150mm)时，相对孔径可达1：2.5--1：3。 它的缺点是：光能损失增加，加工安装比较困难，特别是两透镜的共轴性不易保证。

3．双单和单双物镜。如果物镜的相对孔径大于1：3时，一般采用一个双胶合透镜和一个单透镜进行组合，根据它们前后位置排列不同，分双单和单双两种物镜，如图(a)、(b)所示。 这种型式的物镜，如果双胶透镜和单透镜之间的光焦度分配适当，双胶合透镜玻璃选择恰当，球差和色球差都比较小，相对孔径可达1：2，这是目前采用较多的大相对孔径望远物镜。 双单和单双物镜 三分离物镜

4．三分离物镜。这种型式的物镜由三个单透镜构成，如图所示。它能很好地控制孔径高级球差和色球差，相对孔径可达1：2。缺点是装配调整困难，光能损失和杂光都比较大。 双单和单双物镜 三分离物镜 摄远物镜

它的优点是： (1) 系统的总长度L小于物镜的总焦距f'。因此，可以缩短仪器的外形尺寸。 (2)能增加视场。因为具有正透镜组和负透镜组，除了校正球差和彗差而外，还能校正场曲和像散。 它的缺点是：相对孔径比较小。因为前组的相对孔径比整个物镜的相对孔径高得多，如前所述，双胶物镜的相对孔径不能太大，因而整个物镜的相对孔径受到前组相对孔径的限制。前组用双胶透镜，相对孔径不超过1：4，整个物镜的相对孔径不超过1：7。若前组用相对孔径为1：3的双不胶透镜，则整个物镜的相对孔径可达到1：5左右。

6．由两个双胶合组构成的物镜。如图所示，随着两透镜组相对位置的不同，可以分为图中(a)和(b)所表示的两类。图(a)形式的物镜可以增大相对孔径达到1:2.5-1:3；图(b)形式的物镜可以增加视场。例如，相对孔径为1：5时，视场可以达到300。

(二)反射式望远镜物镜 (1)完全没有色差，各种波长的光所成像严格一致，完全重合。 (2)可以在紫外到红外很大波长范围内工作。 消色差物镜发明以后，虽然很多小口径望远物镜都改用透镜，但大口径的望远镜，例如从几百毫米到几米口径的物镜，目前仍然全部采用反射式物镜，这是因为它具有以下优点： (1)完全没有色差，各种波长的光所成像严格一致，完全重合。 (2)可以在紫外到红外很大波长范围内工作。 (3)反射镜的材料比透镜的材料容易制造，特别对大口径零件更是如此。 它的主要缺点是反射面加工精度比折射面要求高得多，表面变形对像质影响较大。

由于天文望远镜要求的视场比较小，被观察物体基本上位于光轴上，所以大型天文望远镜物镜多由对轴上点等光程的反射面构成，主要有以下三种型式： 1．牛顿系统。由一个抛物面和一块与光轴成45度的平面反射镜构成，如图所示。无限远轴上点经抛物面反射后，在它的焦点F1’成一理想像点，再经平面反射镜后同样得到一个理想像点F’。 牛顿系统

2．格里高里系统。由一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成，如图所示。抛物面焦点F1’与椭球面的一个焦点重合。所以无限远轴上点经抛物面后在F1’处成一个理想像点，再经椭球面理想成像于另一个焦点F2’。格里高里系统成正像，但系统较长。 格里高里系统 卡塞格林系统 3．卡塞格林系统。由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。如图所示。抛物面的焦点和双曲面的虚焦点重合F1’ 。无限远轴上点经抛物面理想成像于F1’，再经双曲面理想成像于实焦点F2’。卡塞格林系统成倒像。由于系统长度短，主镜和副镜的场曲符号相反，有利于扩大视场，因此目前被广泛采用。

上述反射式望远镜物镜对轴上点来说成像符合理想，但对轴外点来说，有很大的彗差和像差，因此它们的可用视场很有限。为了获得较大视场，在像面附近加入透镜式视场校正器，用以校正反射系统的彗差和像散，因而出现了折反射式望远镜物镜。 优点： （1）不产生色差； （2）形状合适校正球差； （3）较易制造大孔径的反射镜.

(三)折反射式望远镜物镜 为了避免非球面制造的困难，以及改善轴外成像质量，采用球面反射镜作主镜，校正透镜用于校正球面镜产生的像差。根据校正透镜型式的不同，折反射式望远镜主要有以下三种型式： 1．施米特物镜。它的构成如图所示。在球面反射镜的球心上，放置一块非球面校正板(施米特校正板)， 施米特物镜 马克苏托夫物镜

一方面用于校正球面反射镜的球差，另一方面作为整个系统的入瞳，使球面不产生彗差和像散，相对孔径可达1：2，甚至达到1：1，视场可达到20度。缺点是系统长度较大，等于主反射镜焦距的两倍。 2．马克苏托夫物镜。由两个球面构成的弯月形透镜，也能校正球面反射镜产生的球差和彗差。这种校正透镜称作马克苏托夫弯月镜，如图所示。这种系统不能校正整个光束的球差，只能校正边缘球差，因此存在剩余球差，对轴外像差来说，只能校正彗差，不能校正像散。它的相对孔径一般不大于1：4，视场为3度。

目镜是显微系统、望远系统的重要组成部分，它相当于放大镜，是正透镜组。 目镜的作用是：把物镜所成之像再放大从而成像在明视距离处或无穷远。 因为目镜属于小孔径、大视场、短焦距的光学系统，轴上像差较小，球差、色差容易满足；轴外像差大，校正也困难，除畸变外，彗差、像散、场曲、倍率色差 影响较大，畸变影响较小，可以不完全校正。所以对目镜而言，其主要矛盾应校正轴外像差。 目镜在进行系统设计时，一般不设计，而是有现成的系统中进行选取即可，常用的目镜有很多种：惠更斯目镜、冉斯登目、凯涅耳目镜、对称目镜、无畸变目镜、广角目镜。

目镜的光学特性主要有三个：像方视场角2ω’、相对出瞳距离lz’/f’ 和工作距离S。下面分别加以说明。 一、像方视场角2ω’ 根据望远镜的视放大率公式可以看到，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。无论是提高望远镜的视放大率或者视场角ω，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。 一般目镜的视场为40-50度，广角目镜的视场为60-80，90度以上的目镜称为特广角目镜。双眼仪器的目镜视场不超过75度。

当目镜的视场一定时，增大望远镜的视放大率Γ必然要减小整个系统的视场2ω。例如，当目镜的视场为45度时，不同视放大率对应的视场角如表9-2所示。 如果要设计大视场和高视放大率的望远镜，必须采用广角和特广角目镜。 增大目镜视场的主要矛盾是轴外像差不易校正。尽管广角和特广角目镜的光学结构都比较复杂，但像质仍不理想，使用受到限制。 二、相对出瞳距离 目镜的出瞳距离和(出瞳距离是指能看清整个视场的时候，眼睛和最后一片目镜之间的最大距离）目镜焦距之比称为相对出瞳距离。

出瞳乃是望远镜的孔径光阑在望远镜像空间所成的像，它与入瞳对整个系统互为物像关系,在一般情形，望远镜的孔径光阑和物镜框重合。对于一定型式的目镜，lz’和焦距之比近似地为一个常数。所以可以用相对出瞳距离作为目镜的一个特性参数。 出瞳距离lz’，是根据使用要求给出的。当lz’要求一定时， 之比越大，则f’目越小。望远镜的总长度L等于目镜和物镜焦距之和，即 由上式可知，总长度L和目镜的焦距f’ 成比例。所以目镜的相对出瞳距离直接影响仪器的外形尺寸。

一般目镜的相对出瞳距离为 =0.5-0.8，有些目镜的相对出瞳距离达到1以上。 另外，当目镜视场一定时， 越大，光线在目镜上的投射高增加，像差也越严重。欲得到满意的像质，目镜的结构必然随着 比值增大而趋于复杂。 一般目镜的相对出瞳距离为 =0.5-0.8，有些目镜的相对出瞳距离达到1以上。 提高目镜的相对出瞳距离，实质上是使目镜的像方主平面H’向后移。在目镜物方焦平面附近加入负场镜也可以适当地增大出瞳距离。 目镜第一面顶点到物方焦平面的距离称为目镜的工作距离。目视光学仪器为了适应远视眼和近视眼使用，视度是可以调节的。视度的调节范围一般为±5视度。有些仪器的视度是固定的，约在-0.5--1视度之间。

由物镜射来的会聚光束为虚物经场镜成实像恰好落在视镜的物方焦平面上.

虚物在整个目镜的物方焦平面上，叉丝或刻度尺应装于在视镜的物方焦平面处,使它们的像和目的物的像在眼睛视网膜上同一点出现.

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