望远物镜的光学特性和类型

10.6.1　望远物镜的光学特性和类型

1）望远物镜的光学特性

望远物镜的光学特性主要有三个：焦距f₁＇，相对孔径D/f₁＇，视场2ω。

（1）望远物镜的焦距f₁＇由目镜焦距f₂＇和系统的视放大率决定，即f₁＇=－Γf₂＇。

通常首先确定系统Γ值和目镜焦距f₂＇，然后根据上式确定物镜焦距f₁＇。f₁＇的大小决定了物镜所成像的大小及系统的轴向外形尺寸。

（2）物镜的孔径通常也就是系统的入瞳直径D，根据给定的视放大率和出瞳直径要求，可按式（6.31）求出入瞳直径D，即D=ΓD＇。D值即决定了望远系统径向尺寸的大小。

当D与f₁＇确定之后，物镜的相对孔径随之确定。由于相对孔径近似等于光束孔径角2U＇_max的正弦，相对孔径越大，则U＇_max越大，像差也就越大。为了校正像差，物镜的结构必须复杂化。因此，相对孔径的大小决定了物镜结构的复杂化程度以及像面上光照度的大小。

（3）望远物镜的视场也就是望远系统的物方视场角2ω，它决定了系统观察范围的大小。根据确定的视放大率Γ和选定目镜的视场角2ω＇，可确定能实现的物方视场角2ω：

一般望远物镜的相对孔径和焦距较大，而视场较小，为此需对轴上点的宽光束校正球差和色差，并使之满足正弦条件；对于大孔径物镜，其轴上点的像差难以校正，故其结构形式比较复杂；在长焦距物镜设计中，更需考虑二级光谱的校正。

2）望远物镜的类型

望远物镜可分为三种结构型式，即折射式、反射式和折反式。用于一般军用光学仪器和计量仪器中的望远物镜，主要是折射式物镜。下面简要介绍折射式望远物镜的几种主要结构型式（见图7.18）、特点及其光学性能。

（1）双胶物镜

双胶物镜是最简单且最常用的望远物镜，它是由一个正透镜和一个负透镜胶合而成，如图10.18（a）所示。其优点是：结构简单制造及装配方便，光能损失小。当恰当地选择玻璃和弯曲时，可以校正球差、慧差和轴向色差；但不能校正象散、场曲与畸变等轴外象差。其视场不大，一般视场角2ω不超过8°～10°。如果物镜后有长光路的棱镜，由于棱镜像散与物镜像散的符号相反，可以相互抵消一部分，因此视场可增大至15°～20°；双胶物镜的二级光谱不能校正，它与焦距成正比，是个定值。不同焦距时，双胶物镜可能得到满意成像质量的相对孔径如表10.1所示。

图10.18　望远物镜的基本类型

一般双胶物镜的最大口径不能大于100mm。因为当透镜太大时，由于重量过大，胶合不牢固，严重时可能脱胶；另外，当温度改变时，胶合面上可能产生应力，使像质变坏。

表10.1　不同焦距双胶物镜能获得满意像质的相对孔径

（2）双分离物镜

双分离物镜亦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，如图10.18（b）所示。

与双胶物镜相比，双分离物镜可以在更大的范围内选择玻璃对，使球差、色差、正弦差同时得到校正；而且，利用空气间隔可以校正剩余球差（即减小带球差），从而使相对孔径得到增大。在一般焦距（100～150mm）时，其相对孔径可增大至1∶2.5～1∶3，视场角可达12°。这种物镜的色球差仍不能校正，二级光谱略大。

双分离物镜由于不存在双胶物镜的应力和脱胶的影响，因而其直径不受限制，一些较大口径的物镜多采用双分离物镜。

双分离物镜的缺点是：光能损失较双胶物镜增大；装配比较困难，特别是两透镜的共轴性不易保证。

（3）三分离物镜

将双分离物镜中的正透镜一分为二，即得到三分离物镜，如图10.8（c）所示。由于透镜弯曲更加自由，因而可在一定程度上校正色球差，但二级光谱仍不能得到改善。三分离物镜在经纬仪的望远物镜及长焦距平行光管中均有应用。

（4）摄远物镜

摄远物镜由一个正透镜组和一个负透镜组构成，如图10.18（d）所示。

摄远物镜的主要优点是：能使物镜的筒长L小于物镜焦距，因而可缩短仪器的轴向尺寸；另外，由于具有正透镜组和负透镜组，除了校正球差和彗差之外，还能校正场曲和像散，因而能增大视场。

其缺点是：相对孔径较小。因为前组的相对孔径比整个物镜的相对孔径高得多，而双胶透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。例如，若前组用双胶透镜，其相对孔径不超过1∶4，则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的双分离物镜，则整个物镜的相对孔径可提高至1∶5左右。