[科普中国]-高斯目镜

概念

高斯目镜是一种自准直目镜。与望远镜物镜组成自准直系统。它是在冉斯登目镜的向物镜和接目镜之间装一片与镜筒轴成45°角的分光板，分光板下方的目镜筒壁上开一个小孔，叉丝装在目镜前焦平面上，如图1所示。高斯目镜常做分光仪中望远镜的目镜，它使望远镜可用自准直法进行调整，使之适合于接受平行光。有时在平行光管的调整中也要用到。光从目镜管壁的小孔射入目镜，经分光板反射照亮叉丝。若叉丝恰在物镜的焦平面上，则从叉丝发出的发散光束经物镜成平行光束，此平行光束正入射到物镜前面的平面镜后，仍反射出一束平行光逆原光路返回，经物镜以后在叉丝面内成一叉丝的像。通过目镜观察叉丝像和叉丝是否重合，可判定原出射光束的平行程度。1

图1中：1—物镜；2—叉丝； 3—平面镜；4—目镜； 5—分光板；6—小孔；7—聚光镜；8—光源。

目镜光学仪器(如显微镜、望远镜)中用于观察物镜所成像的透镜或透镜组。物体通过物镜成一实像，该实像再经目镜成一放大的虚像供人眼观察。目镜通常做为显微镜、望远镜等光学仪器的一部分，有的目镜(如冉斯登目镜)也可单独当做放大镜供观察或测量实际的微小物体之用。描述目镜的主要参数是镜目距、放大率、相对孔径和视场。镜目距是眼睛能看到整个视场时，眼睛到目镜的距离，其值一般不应小于6～8毫米。放大率Me=250/fe′，fe′为目镜焦距的毫米数。焦距几十毫米的中短焦距目镜，Me为5～20之间。目镜外壁标有Me的数值，例如若标有10×，表示Me为10倍。相对孔径D/f′e，D为目镜通光孔的直径。视场表示成像范围的大小，常用视场角来表示。根据实际需要，可选用合适参数的目镜。

用单片透镜做目镜时，不仅像差严重，放大率低，而且视场较小。所以目镜通常由两片或多片透镜组合而成，以矫正各种像差，提高放大率，加大视场。在这种组合目镜中，靠近物镜所成实像的透镜称为向场镜或场镜，靠近眼睛的透镜称为接目镜或视镜。目镜的种类很多，目前比较常用并具有代表性的有惠更斯目镜、冉斯登目镜、开尔纳目镜、高斯目镜和图中所示的对称型目镜、阿贝无畸变目镜、爱尔弗目镜等。对称型目镜是由两个离得很近的消色差胶合透镜组成的，结构紧凑，消除色差较好，焦目距可大到焦距的75%，视场角可达40°～45°，多用于比较测角仪。阿贝无畸变目镜质量较好，比一般目镜的畸变小，焦目距可大到焦距的80%，视场约45°，适合做高倍目镜，常用于DM型读数显微镜及内调焦望远镜。爱尔弗目镜是一种视场可达65°左右的大视场目镜，常用于大视场的显微镜和望远镜。

冉斯登目镜一种通用的目镜。英国光学仪器制造者J.冉斯登发明。由同种玻璃制成的两个相同的平凸透镜L1和L2组成。向场镜L1和接目镜L2都是平面向外，二镜之间的距离为单个透镜焦距的2/3～3/4。由计算可知，整个目镜系统的前焦点F在L1外侧，后焦点F′在L2的外侧(图2)。由前面物镜所成的实像Q1Q′1位于整个目镜系统的前焦点F处，此像对L1为实物(对整个目镜也是实物)，它经L1在L2的前焦点F2处成一虚像QQ′，它对L2是一个实物，于是QQ′经L2在无穷远处成一放大的虚像，以供眼睛观察。冉斯登目镜的物面(即整个目镜系统的前焦面)位于L1的外侧一定距离处，所以可在该面上放一带有刻度的透明标尺，此透明标尺将与Q1Q′1一起按同样比例放大成为供眼睛观察的虚像。这样就可通过标尺进行定量测量，克服了惠更斯目镜在这方面的缺点。冉斯登目镜的镜目距比惠更斯目镜的要长，可达12毫米，使用比较方便;视场与惠更斯目镜大致相同，约30°～50°。冉斯登目镜广泛用做测量显微镜和望远镜的目镜，也常单独用作放大镜观察和测量实际的微小物体。2

冉斯登目镜一般不能完全满足两镜距离等于二镜焦距之和的一半这一消除横向色差的条件，而惠更斯目镜则满足这一条件，故横向色差的消除比惠更斯目镜要差。和惠更斯目镜一样，冉斯登目镜对球差和纵向色差不能消除。为了更好地矫正纵向色差以及其它各种像差，可用由两种玻璃制成的消色差胶合透镜代替冉斯登目镜的接目镜，这样经过改进的冉斯登目镜称为开尔纳目镜(图2)。在消像差要求更高的场合，可以选用开尔纳目镜。

惠更斯目镜一种通用的目镜。荷兰物理学家C.惠更斯发明。由同种玻璃(常用冕玻璃)制成的两个平凸透镜L1和L2组成。向场镜L1的凸面向着被观察的物体，接目镜L2的平面接近观察者的眼睛。L1的焦距f′1约为L2的焦距f′2的1.5～3倍，实际上常取2倍。L1和L2之间的距离d等于该二透镜焦距之和的一半，即d=(f′1+f′2)/2，这正是消除横线色差的条件。由计算可知，整个目镜系统的前焦点F在L1和L2之间，后焦点F′在L2之后不远的地方(如图)。由前面物镜所成的实像Q1Q′1位于整个系统的前焦点F处，它对L1来说是一个虚物(对整个目镜而言也是虚物)，它经L1所成的QQ′恰在L2的前焦点F2处，于是，通过L2在无穷远处成一放大的虚像，以供眼睛观察。

由于惠更斯目镜的物面(即整个目镜系统的前焦面)在L1和L2之间，故不能在该处放标尺进行测量，所以它只做定性观察之用。冉斯登目镜克服了不能放标尺的缺点，实用中若做定量测量，可用冉斯登目镜。惠更斯目镜除能矫正横向色差外，对彗差和像散也可矫正其中的一种，但没有矫正球差和纵向色差。然而但因目镜使用的是细窄光束，所以球差和纵向色差对整个系统的影响不大。若有的场合对消像差有更高的要求，还有多种矫正像差更好的目镜可供选用，如开尔纳目镜。惠更斯目镜只能用来观察前方光学仪器如物镜所成的像(是惠更斯目镜的虚物)，不能单独当作放大镜来观察实际的微小物体。该目镜的另一缺点是镜目距太短，约3毫米，使用时眼镜须紧贴目镜，不太方便。惠更斯目镜的优点是结构简单，色差较小，视场较大，一般可达30°～50°，是显微镜常用的一种目镜。3