7.6　场　镜

在一些较复杂的光学系统中，常希望在保持系统光学特性不变的前提下，尽可能减小系统后方光学元件的口径，以减小整个仪器的外形尺寸，并有利于该元件的像差校正及结构简化；此外，有时需要改变系统中成像光束的位置，以满足某些（例如入瞳与出瞳位置）特定的要求。为此，通常在系统的像面或像面附近加入一块透镜（大多数情况是加入正透镜），以改变斜光束的方向。

图7.17　像面处加入场镜的开普勒望远镜

最简单的例子，是在开普勒望远镜的像面处加入一个薄的正透镜，如图7.17（b）所示。由于物镜所成的像恰好位于正透镜的主平面上，因而经正透镜所成的像与原来的像大小相等且位置不变，即该正透镜不影响系统的成像特性。但是，由于正透镜的会聚作用，斜光束发生向光轴的折转，使其在目镜上的投射高度降低，因而目镜口径得以减小，出瞳位置也将改变。称位于光学系统像面或像面附近的这种透镜为“场镜”。显然，场镜的作用是改变成像光束（斜光束）的位置，但不影响系统的成像特性。

将场镜与目镜作为一个复合光组研究的结果表明：复合光组的焦距值等于目镜的焦距值，即场镜的加入并不改变目镜的光焦度；复合光组的前主面与目镜的前主面重合，因而复合光组的物方焦点与物镜的像方焦点重合，整个系统仍为一望远系统，且新系统的视放大率与视场均不改变，这表明整个望远系统不因加入该场镜而改变其光学特性；复合光组的后主面在其前主面的左侧，两者分离；由斜光束主光线所决定的出瞳位置将发生变化。

场镜的上述特性被应用于很多目镜的设计中。大多数的正目镜结构，均由两部分组成，即：靠近物镜一方的场镜（又叫集光镜），与靠近眼睛一方的接目镜。为了避免看到场镜表面和玻璃疵病（麻点、条纹、气泡等），通常不将场镜直接设置在像面上，而是置于像面后方或前方的光路中（如冉斯登目镜和惠更斯目镜）。场镜可以是会聚透镜，也可以是发散透镜，会聚透镜使斜光束的主光线向光轴折转，以减小接目镜的口径（见图7.18（a））；发散透镜使斜光束的主光线与光轴夹角增大，目的是增大出瞳距离（见图7.18（b））。

图7.18　两种类型的场镜

此外，场镜在一些连续成像的组合系统中经常被采用。当两个系统组合在一起成像时（例如具有透镜转像系统的地面望远镜或潜望镜），为了使前一个系统的出射光束都能通过后一个系统，但又不使后一个系统的通光口径太大，就需要在中间像面处加入一个场镜，如图7.19所示。物体AB（y）首先经前组透镜成像在A＇B＇（y＇）。为减小前组透镜的口径，将孔径光阑（入瞳）置于前组透镜的镜框上。像A＇B＇经后组透镜成像为A″B″（y″）。为使成像光束能全部进入后组透镜，若不加场镜则后组透镜的口径将达到不能容许的地步；为避免这一弊病，在中间像平面A＇B＇处加入一个场镜，使成像的轴外光束向光轴折转，其主光线恰好通过后组透镜的中心，则后组透镜的口径大大减小。

为确定场镜的焦距只需知道某一条光线，例如主光线，经过场镜前后对其位置的要求，即可根据高斯物像关系公式解出。如图7.19所示，主光线在到达场镜之前通过前组中心O₁点，经场镜后，通过后组中心O₂点，因此O₁点与O₂点对场镜是一对共轭点。若给定前组及后组到中间像面的距离l_c和l_c＇，则可解出场镜焦距。

图7.19　透镜转像系统中加入场镜