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1、第二章 望远镜 2-1 望远镜及原理一、望远镜的作用望远镜是用来瞄准目标的。所以必须解决：看清 远处的目标问题；还得解决精确瞄准问题。物镜目镜十字丝板望远镜的另一大任务是用来测量距离。只要在 十字丝板上加上两条专门的标志线，即视距线，再 配上专门的瞄准目标一标尺，这个问题就解决了 。 二、望远镜的成象原理1、望远镜为什么比人的眼睛看得更远呢? 物体能否被眼睛看清楚的关键，不在于它离眼 睛有多远，也不在于它本身有多大，而在于该物体 对眼睛所成的张角的大小。望远镜之所以能看清远 处目标的关键也就在于它通过对目镜成象后扩大了 这个张角。2、望远镜的成象原理。把物镜AB及目镜CD安放到同一条光轴上，并
2、使 AB的后焦点F1和CD的前焦点F2重合，就构成了望 远镜的成象系统。设Pm为一个远处目标，根据薄透镜的成象原 理可知，该目标首先被物镜成一个倒立的、缩小 的实象Pm在f1之外，且离F1很近的地方 。对目镜来说，则是在它的前焦点F2以内，因 此，当Pm被目镜第二次成象时，得到的必定 是一个放大的、正立的虚象Pm，当然它对原 目标Pm来说已经是倒立的了。象的位置则在离目镜约250毫米的地方。当 眼睛放在目镜的后焦点F2附近时，就能从视场 中看到这个位于眼睛的明视距离处的倒象。这就 是在望远镜中看到的目标为什么都是倒立的原因 。 由于眼睛到物镜的距离比眼睛到目标的距离小 得多，所以，目标Pm对眼
3、睛的张角可近似地认为是 1。又由于眼睛到目镜的距离也远远小于眼睛到 虚象Pm的距离，所以，虚象对眼睛的张角也可 近似地认为是2。而一般望远镜的物镜焦距比目 镜焦距要大上几十倍，这样，虚象对眼睛的张角 2也就比原目标对眼睛的张角1，扩大了几十倍 。或者说，眼睛观察远处目标的能力，通过望远镜 之后，提高了几十倍。所以，原来眼睛不能直接看 清楚的目标通过望远镜就能看清楚。由于目标对眼 睛的张角的扩大与目标由远移近的实质是一样的， 所以，从望远镜中看到的目标总比原目标要近。物 镜和目镜把远处目标变成象，从而扩大了对眼睛的 张角，这就是望远镜能够望远的原因。2-2 望远镜的基本构造望远镜是大地测量仪器上
4、的一个重要部件 ，它由许多光学零件和机械零件组成。按光学 成象的原理，一般将望远镜分为物镜、十字丝 分划板、调焦镜及目镜四大基本部分。 一、物镜望远镜上朝向目标的透镜称为物镜。它一 般由两块以上的厚透镜组合而成，因此，又称 为物镜组。不管由几块组成，最后应组合成一 个会聚系统，只有这样，才能使远处目标在它 的后焦点附近成一个实象，然后，使这个实象 ，连同十字丝面上的分划线，第二次被目镜去 成象与放大，最后供人眼去观察。归纳起来，物镜形式可分为两大类: (一)折射式物镜物镜中各透镜的每个面均为折射面， 不存在有反射面。常见的有下列三种形 式：1双胶合式当望远镜的放大倍数要求不太高、物 镜的相对孔
5、径D/f 不大于1/51/6时， 物镜的三种主要象差(即球差、色差和彗 差)均能满足精度要求。相对孔径D/f (D为物镜的有效通 光孔径，f为物镜的焦距，D/f这 个值可以理解为物镜对光线的偏 折程度，D/f值越大，偏折得越厉 害，引起的成象误差就越大)不大 于1/51/6时，物镜的三种主要 象差(即球差、色差和彗差)均能 满足精度要求。这种形式的最大好处是加工、装配、调整方 便。这种结构形式主要用在J6级及J6级以下的各 级光学经纬仪或相当于这一精度等级的其他测量 仪器上。如北光厂的DJ61型光学经纬仪、Ni 2型自动安平水准仪的望远镜物镜就是这种双胶 合形式。2双分离式如图所示。这种物镜与
6、双胶合 物镜相比，增加了一个折射面和一 个空气间隔。通过修正折射面的曲 率半径及调整空气间隔，能更方便 地消除物镜的成象误差，因此，物 镜的相对孔径D/f值可以适当的增大 一点。但两片的同心度就不如双胶 合式容易保证。它仍只能用在J6这 一精度级的经纬仪上。如杭州红旗 光学仪器厂生产的CJH1型光学经 纬仪及蔡司Theo 030型及Theo 020 型光学经纬仪上的物镜就是这种双 分离式。3三片分离式 由于这种形式的折射面数目增多， 空气间隙的数量增加，校正物象差 的性能就更好，相对孔径可以再提 高一点。多用在精度较高的测量仪 器的望远镜上。如苏一光JGJ2型， 瑞士克思厂生产的DKM2型及苏
7、联TB- 1型等光学经纬仪的物镜就是这种三 片分离式。缺点是增加了装配调整 的困难。当象质不好时，主要是通 过反复地绕光轴转动每块镜片的位 置和仔细地调整镜片间的距离来解 决。(二)折反射式物镜要获得成象性能良好，放大倍率高的望远 物镜，折射式物镜的有效通光孔径D必然增大 ，焦距f也必然加长，只有这样，才能保证相 对孔径D/f值不超过所容许的范围。但f加长后 ，镜筒的长度L必须跟着加长，仪器的体积随 之增大，不利于野外作业。为了解决镜筒长度 L不随焦距f的增加而增加这个问题，在经纬仪 的望远镜中就出现了折反射式物镜。如蔡司 Theo 010经纬仪物镜(图26)及克恩厂的DKM3 经纬仪物镜均属
8、这一类型。在这种物镜组中，除了折射面外，还有反射面 ，光线在物镜中来回折转一次之后才能到达十 字丝面上。这样，焦距f没有缩短，而镜筒的长 度上反而变短了。这种结构特征，从仪器的外 表上就能看出来：物镜的通光孔径0很大，望远 镜的放大倍数也高，但整个望远镜的长度却很 短。这种折反射式物镜的主要缺点是：1镜片的共轴性要求高；2对折射面及反射面的加工精度要求高， 折射面的局部误差不能超出1/8(波长)，反射 面的局部误差不能超出1/20；3装校工艺要求高；4反射面上的反光材料容易因潮湿等原因 而产生氧化，降低反光效率。物镜片都是装在金属的物镜框里面，一般都 是通过螺牙压圈将镜片固紧。压圈如果旋得过紧
9、 ，镜片就会因受力过大而破裂，如果旋得过松， 镜片就会晃动，使象质时好时坏。当镜片与镜片 之间的距离大时，一般用垫圈隔开，当距离小时 ，用锡箔纸垫上几层就可以了，但垫的厚度应均 匀，垫的位置要对称，总之，不应破坏镜片的主 面与光轴的垂直度，否则，会引起象差。暴露在 外面的镜面，不要用粗糙的布或纸之类的东西去 擦拭，以免破坏面上的增透膜和使面上产生许多 划痕，影响透光能力和成象的清晰度。二、调焦镜调焦镜位于物镜与十字丝分划板之间，常和物 镜一起合称为望远镜物镜组。调焦镜的主要作用是 把远近不同的目标的象按要求调到十字丝这个焦面 上。如果望远镜的精度很低，调焦镜只用一片凹透 镜就能满足要求，如果望
10、远镜精度高，调焦镜就得 用两片透镜组成(双胶合式或双分离式)，且组合后 的总光焦度一般为负，即仍相当于一块凹透镜。为什么测量仪器上的望远镜中的调焦镜一般采 用凹透镜而很少采用凸透镜呢?根据公式(126)， 即：f1及f2分别表示物镜及调焦镜的后主焦距 ，D表示物镜后等效主平面到调焦镜前等效主平面 的距离。在f1已为较大的正值的条件下， 只 有f2为负，且满足Df1+ f2时，物镜与 调焦镜的组合焦距f才能为正，且其值较大(因 为只有f为正，才能实现对目标成实象在十字丝 面上，只有f较大，望远镜的放大率才能提高) 。也只有f2为负值，D的值才能小，即物镜与调 焦镜之间的距离才能短，镜筒的机械长度
11、才不会 加长。如果用凸透镜作调焦镜，就会得出恰恰相 反的结果。例如，国产DJ6-1型经纬仪望远镜的 f1=149mm，f2=-142mm，D=105mm，则如果将调焦镜由凹透镜改为凸透镜，且焦距值不变 ，即f2=+149mm，则：计算结果表明，组合焦距缩短了将近1半，这 就意味着望远镜的放大率有显著的降低。如果想保 持216毫米的组合焦距不变，将上式变化一下，则 可得出相应的：这说明，镜筒的长度要比用凹透镜时增长将近 100毫米，从仪器的体积来看，这是一个很大的数字 。所以，测量仪器上望远镜的调焦镜一般不用凸透 镜，而用凹透镜。三、十字丝分划板在一块直径约10毫米， 厚度12毫米的圆形平板玻
12、璃的一个面上刻上(或用其 他方法)互相垂直的两条细 线，即构成了一块十字丝分 划板。竖的一根称竖丝。横 的一根称横丝。该板往往用 胶粘或者用金属筒包边的方 式将其固定在圆形金属框上 ，如图2-7中的6。为了使望远镜的视准轴与横轴相垂直，也为了视 准轴在水平时，竖盘上读得应有的读数，金属框 往往用4个可供调节的螺钉连接到望远镜筒上。左 右相对的两个螺钉l与2是使竖丝左右平移，以校 正望远镜的照准差，即2C值(视准轴不垂直于横轴 的误差)。上下两个相对的螺钉3与4是使横丝上下 移动。这4个螺钉有时也管十字丝板的转动，以校 正竖丝的铅垂或横丝的水平。作业及修理人员在 校正十字丝的位置时，应先把校正结
13、构看清楚， 以免动错螺丝。四、目镜望远镜上靠近眼睛这一端的透镜为目镜。它的作 用是把十字丝及其面上的目标象同时进行放大，供 人眼观察。所以，目镜实际上相当于一个放大镜。与物镜相比目镜在光学结构方面的特点是：1）焦距短，一般只有1030毫米；2）视场大，视场角一般大于30；3）相对孔径较小，一般不超过1/5。常见的目镜形式有四种。1）冉斯登目镜(图2-9)。多用在目镜视场角不 超过40，放大率不超过30倍的望远镜上。2）强纳尔目镜(图2-10)。由于它把冉斯登目 镜中靠近眼睛的这块透镜由单片改成了双片胶合 的形式，象质可以提高一点，所以，它可以用于 放大率超过30倍，而视场角不大于50的望远镜
14、中。3）对称式目镜(图2-11)。由于它又把强纳尔 目镜中单片改成了双片胶合，象质又有所提高， 成为中等视场的望远镜中象质最好的一种。如国 产DJ6-1型、蔡司Theo 020型经纬仪的目镜。4）无畸变目镜(图2-12)。由于这种形式的目 镜能较好地消除畸变，使目镜的焦距变得很短， 所以，它多用在放大率高的望远镜中。如苏一光 JGJ2型、瑞士威尔特厂的T2型，蔡司厂的Theo 010型等光学经纬仪上的目镜就属这种形式。冉斯登目镜对称式目镜无畸变目镜强纳尔目镜五、衡量望远镜光学性能的主要指标1望远镜主要参数及性能指标TDJ6和TDJ2经纬仪望远镜主要参数及性能指 标包括：放大倍数、物镜有效孔径、视场角、最 短视距、视距乘常数、视距加常数、鉴别率等。作业 1、对于凸透镜，当物体位于2f之外和f之内时， 作出两种情况的成像图。 2、为什么测量仪器上的望远镜中的调焦镜一般 采用凹透镜而很少采用凸透镜呢?
