天文望远镜毕业论文.doc

I 天文望远镜毕业论文天文望远镜毕业论文 II 单筒望远镜结构设计单筒望远镜结构设计 摘摘 要要 本文设计的是刻卜勒式的单筒望远镜 单筒望远镜的主要结构有物镜系统 转像棱镜系统 分划板以及目镜系统这几个部分 根据设计要求 本文设计出 了具有 8 倍放大倍率 5 度的视场角 5 个可调视度 并且带有转像系统以及合 理的防脱装置 在设计过程中根据望远镜的成像原理完成了物镜焦距 目镜焦距 入瞳直 径 视场光阑通光口径 分划板直径 目镜通光口径 棱镜通光口径 出瞳口 径 像方视场角 系统总长度等基本光学尺寸的设计 并根据相关尺寸完成了 光学元件的选型及各部件固定结构的设计 然后根据以上内容的确定进一步完 成了望远镜的结构设计 最后 结合上述设计内容利用 Auto CAD 制图软件绘制出其装配图和零件 图 包括单筒望远镜的总体结构图 物镜部分 棱镜部分 分划板部分及目镜 部分等各个部分单独的装配结构图 并进一步完成了各部分装配所需要的零件 图及相应的说明 关键词 关键词 单筒望远镜 光路原理 结构设计 III Single Binoculars Structure Design Abstract This design is inscribed prevert the single binoculars type The main structure single binoculars a telescope system turn like prism system partition board and eyepiece system this several parts According to the design requirements this paper designed a has eight times magnification 5 degree view Angle five adjustable visual degrees and turn like system and reasonable with the resistance from device In the design process according to the principle of imaging telescope finished the telescope focal length the eyepiece focal length diameter view the pupil caliber the optical aperture diameter eyepiece tong help board caliber the prism the optical light caliber caliber the pupil like square view Angle the system total length of basic optical size designed and according to relevant size completed the selection and optical component fixed structure design of components and then based on the above content determination to further completed the telescope structure designing Finally a combination of these design content using Auto CAD mapping software plot its drawings and parts graph including single binoculars structure the overall objective part prism part partition board part and to the eyepiece parts for each part separate assembly charts and further finished parts assembly needed parts graph and the corresponding explanation Key Words single binoculars light path principle structure design 目目 录录 1 绪论绪论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 1 课题研究的背景 1 1 1 2 课题研究的意义 1 1 2 现状及展望 1 1 2 1 现状 1 1 2 2 展望趋势 3 1 3 论文的组织结构 4 2 望远镜设计原理望远镜设计原理 5 2 1 望远镜工作原理 5 2 2 转像棱镜系统 5 3 望远镜系统设计及元件的选型望远镜系统设计及元件的选型 7 3 1 技术要求 7 3 2 系统光学参数的理论计算 7 3 2 1 通过 未加入棱镜 的望远镜系统计算出主要的参数 7 3 2 2 通过加入棱镜后的望远系统得到剩余的结构参数 9 3 3 望远镜元件的选型 11 3 3 1 物镜的选型 11 3 3 2 目镜的选型 12 3 3 3 分划板的设计 13 3 3 4 转像棱镜的选型 13 3 4 目镜视度的计算 16 4 结构设计结构设计 18 4 1 望远镜总体结构 18 4 2 各部件的结构图 18 4 2 1 物镜组结构图 18 4 2 2 棱镜组结构图 21 4 2 3 目镜组结构图 24 5 结论结论 31 5 1 总结 31 5 2 体会 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 33 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 34 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 35 附图附图 36 1 绪论 1 绪论绪论 1 1 课题研究的背景课题研究的背景及意义及意义 1 1 1 课题研究的背景课题研究的背景 长久以来 人们仰望天空 看见日月星辰东升西落 有过天圆地方 地心 说 日心说等宇宙模型 从前 人们只能用肉眼对星空进行观察 观测范围非 常局限 所得的数据资料也就非常有限 光学望远镜从诞生至今将近 400 年 出现了折射望远镜 反射望远镜 折反射式望远镜和空间望远镜等多种类型的 望远镜 不断推动着天文学和物理学的发展 作为一名光学专业 仪器方向的学生 应全面掌握光学仪器的设计 应用 光学是光学专业的重要课程 通过应用光学课程的学习 对望远系统及望远镜 的基本理论知识及结构已经清楚了解 单筒望远镜是其中最典型的一款光学仪 器 从光学原理的设计到机械结构都比较简单而且典型 现在也已经具备了简 易望远镜设计的能力 应该运用所学知识 独立完成其光路 结构的设计 1 1 2 课题研究的意义课题研究的意义 望远镜是一种用于观测远距离物体的目视光学仪器 通过望远镜可以把远 物很小的张角按一定倍率放大 使本来无法用肉眼看清或分辨的物体清晰可辨 它是一种很重要的观测设备 应用广泛 可以通过理解 应用前人的经典 设计 完成简易望远镜的结构设计 包括成像原理 整体构造 从而清楚地了 解望远镜的基本结构 进而深入到人们对宇宙 天象的观测途径及其具体探测 系统的结构的设计 以增强自身对光学仪器设计乃至光学探测研究的兴趣 通过完成毕业设计课题任务以及撰写论文等诸环节 着重能够培养大学生 的综合分析和解决问题的能力及独立工作能力 组织管理和社交能力 同时 对大学生的思想品德 工作态度及作风等诸方面都会有很大的影响 对于增强 事业心和责任感 提高毕业生的全面素质具有重要意义 1 2 现状及展望现状及展望 1 2 1 现状现状 光学望远镜从诞生至今 出现了折射望远镜 反射望远镜 折反射式望远 镜和空间望远镜等几种望远镜 不断推动着天文学和物理学的发展 并且早已 1 绪论 经广泛使用在生活的各个方面 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 a 折射望远镜折射望远镜 1608年 荷兰眼镜商人李波尔赛制造了人类历史上第一架望远镜 1609年 伽利略 Galleo G 1564 1642 根据 折光理论的深邃研究 用平凸透镜作为 物镜 凹透镜作为目镜制作了一架望远镜 这种光学系统称为伽利略式望远镜 伽利略把望远镜对准天空 得出了一系列重要的发现 如1610年初发现的木星 的四颗主要卫星 开创了天文学史上的第一个黄金时代 1611年 德国天文 学家刻卜勒 Kepter J 1571 1630 用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜制出了 另一种望远镜 天文望远镜采用的就是刻卜勒式望远镜 现在的折射望远镜还 是这两种形式 1757年 杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散 建立了消色差 透镜的理论基础 接下来的一段时间里 折射镜得到了不断的改良 制出了许 多大口径消色差望远镜 然而 折射镜总是有残余的色差 对紫外 红外波段 的辐射吸收很厉害 大块完整的玻璃难以铸造 重力容易使大尺寸透镜产生形 变 折射镜有着许多的不足 b 反射望远镜反射望远镜 1668年 牛顿 Newton I 1642 1727 用2 5厘米直径的金属 磨制成一块 凹面反射镜 并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45 角的反射镜 使经主 镜反射后的会聚光经反射镜以90 角反射出镜筒后到达目镜 制成了反射望远镜 1918年末 口径为254厘米的胡克望远镜 Hooker telescope 投入使用 它第一次 揭示了银河系的真实大小和我们在其中所处的位置 更为重要的是 哈勃 Hubble E P 1889 1953 的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果 相 对于折射镜 反射镜没有色差 容易制作 但它也存在固有的不足 如口径越 大 视场越小 物镜需要定期镀膜等 c 折反射式望远镜折反射式望远镜 随后又出现了能兼顾折射和反射两种望远镜优点的折反射式望远镜 非常 适合业余的天文观测和天文摄影 并且得到了广大天文爱好者的喜爱 它的特 点是相对口径很大 甚至可大于1 光力强 视场广阔 像质优良 适于巡天摄 影和观测星云 彗星 流星等天体 d 空间望远镜空间望远镜 自七十年代以来 在望远镜的制造方面有了许多新技术 涉及光学 力学 计算机 自动控制和精密机械等领域 使望远镜的制造突破了镜面口径的局限 然而 由于地球大气对电磁波的吸收作用 地面观测具有严重的局限性 物理 学在不断地发展 直到人造卫星上天 航天技术逐渐成熟 空间天文学才兴起 1990年4月24日 由美国国家航空与航天局 NASA 和欧洲空间局 ESRO 联合研 制的哈勃空间望远镜 HST 的发射成功 是天文学走向空间时代的一个里程碑 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 空间观测与地面观测相比 有极大的优势 没有了大气层的干扰 恒星不再闪 烁 分辨率比起地面的大型望远镜提高了几十倍 灵敏度的提高 使可观测的 天体迅速增加 空间没有重力 仪器就不会因自重而变形 频率覆盖范围也大 大地变宽 全波段天文观测成为可能 对于光学望远镜 可以接收到宽得多的 波段 就哈勃空间望远镜而言 主望远镜是口径为2 4米的反射望远镜 还携带 了广角行星照相机 暗弱天体照相机 暗弱天体光谱仪 高分辨率光谱仪 高 速光度计 成像光谱仪 近红外照相机 多目标摄谱仪 高级普查摄像仪 高 新巡天照相机等精密仪器 观测范围早已突破了可见光波段 向红外和紫外两 端延伸 其功能之强大 在天文学的许多领域中作出了巨大的贡献 如 银河 系中心 双星系统 近邻星系 宇宙早期星系 黑洞 可能行星系统的存在研 究 哈勃常量H0的测定等等 目前为止 我国已经完成了 LAMOST 大视野多光纤摄谱仪计划 可以 说代表了我国望远镜的最高成就 LAMOST 是一架反射施密特望远镜 是目前 世界上最大的大视场望远镜 焦面上设置 4000 根光纤 成为目前世界上获取光 谱能力最强的仪器 1 2 2 展望趋势展望趋势 望远镜的研究和使用到了今天这个地步 已经取得了非常大的成果 小至 旅游外出的基本望远 大到为人类对天体观测及研究做出了最大的贡献 望远 镜在以后的生活中将会发挥更大的作用 a 大型化大型化 建造现代大型望远镜的目的是提高集光能力和分辨能力 以观测更暗天体 和分辨细节 提高集光能力就要增大物镜的口径 无论是光学望远镜还是射电 望远镜 都在朝着大型化的趋势发展 许多在研或者预研究的大型望远镜正在 各个国家开展 b 太空化太空化 地球上 光学望远镜会受到大气污染的影响 射电望远镜会受到寻呼机 手机等电磁波发射台站的干扰 因此科学家把越来越多的天文望远镜送上了太 空 九十年代哈勃望远镜的发射标志着望远镜太空化时代的到来 现在科学家 们的想法是在月球上建造天文望远镜 c 与其它学科的关联越来越大与其它学科的关联越来越大 现代天文望远镜的发展使工艺和技术发展到了极点 当代的许多技术如电 子技术 计算机技术 激光技术 核辐射技术等都被应用到天文望远镜中来 传统的望远镜实现了更新换代 以多镜面的拼合并结合主动光学和自适应光学 技术 制造出突破单面镜极限的大口径望远镜射电干涉仪和综合孔径射电望远 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 镜的问世 大大提高了分辨率 实现了射电成像 d 国际间的合作加强国际间的合作加强 尤其是以美国国家宇航局和欧洲宇航局及南方天文台为首的国际间合作越 来越多 许多重大项目都需要国际间的携手合作 探测精度越来越高 由于光 电器件的飞速发展 系统探测的灵敏度 信噪比等综合性能得到了极大的提高 而作为开启宇宙 第一撇 的刻卜勒太空望远镜 其探索宇宙的伟大任务 的顺利完成 将为科学家们解答地球是否独一无二的问题 说明这不仅仅是一 项科学任务 更是具有跨时代意义的计划 并将在以后的发展过程中承担更为 艰巨的任务 科学家们将会投入更多的精力不断研究 创新 未来 望远镜将 建得更大 飞得更高 功能更强 不断将人类的视野和思维向外延伸 为了观测到更加遥远空间中的精微天文现象 比如和地球类似大小行星引 发的恒星速度摆动 人们还在不断修建更大 更强的望远镜 1 3 论文的组织论文的组织结构结构 本论文的组织结构如下 第一章 主要介绍了课题设计的背景及意义 望远镜发展的历史及现状 并对望远镜的未来的发展前景做了简单的介绍 第二章 介绍了望远镜设计的基本原理和成像的重要组成部分 棱镜转 像系统的原理 第三章 根据设计望远镜的技术和设计参数的要求 完成了光学尺寸的计 算以及物镜 目镜 棱镜的选型 第四章 描述望远镜各部分的结构及各部件之间的装配原理及作用 并完 成了望远镜的总装配图及各部分的零件图 第五章 介绍了在完成了单筒望远镜结构设计后的心得体会 2 望远镜设计原理 2 望远镜设计原理望远镜设计原理 2 1 望远镜工作原理望远镜工作原理 如图 2 1 所示 刻卜勒望远镜由两个凸透镜构成 用一个长焦距的凸透镜 作物镜 放大倍数小 用一个短焦距凸透镜作目镜 放大倍数大 物镜框作 为孔径光阑 同时也是入射光瞳 视场光阑设在目镜的物面处 分划板设置在 物镜焦平面上 出射光瞳位于目镜像方焦点外不远处 可与眼瞳重合 观察者 在此观察成像情况 刻卜勒望远镜的物镜像方焦点与目镜的物方焦点重合 光学间隔为零 平 行光射入望远系统后仍以平行光出射 从无穷远处射来的光线近似于平行光 进入望远镜后 在像方焦面上成一 个倒立的 缩小的实像 该像又作为目镜的物 经目镜放大成像在无穷远处 因此 用它观察物体时 正常人的眼睛无须调节 观察时亦不易疲劳 刻卜勒望远镜光路图如下 目镜 f 0 物镜 fe D 孔径光阑 入瞳 F1 F2 出瞳 W F2 W 视场光阑 分划板 图 2 1 刻卜勒望远镜原理图 2 2 转像棱镜系统转像棱镜系统 转像棱镜部分是望远镜成像原理的核心之一 由于通过目镜所成的像为一 倒立的虚像 要想观测到正立的像就需要在物镜后面加上正像系统 D 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 如图 2 2 所示 正像系统可采用普罗 I 棱镜正像系统 2 个相互垂直的等 腰直角棱镜 利用全反射原理 把光路折曲 这种系统的优点是在正像的同时 将光轴两次折叠 从而大大减小了望远镜的体积和重量 普罗 I 棱镜光路图如下 图 2 2 普罗 I 棱镜光路图 3 望远镜系统设计及元件的选型 3 望远镜系统设计及元件的选型望远镜系统设计及元件的选型 3 1 技术要求技术要求 要求设计一个单筒刻卜勒望远镜 放大率为 8 倍 视场角 2为 5 度 带转像系统 5 个可调视度 并且能够防脱 3 2 系统光学参数的理论计算系统光学参数的理论计算 3 2 1 通过通过 未加入棱镜未加入棱镜 的望远镜系统计算出主要的参数的望远镜系统计算出主要的参数 望远镜光路原理图如下所示 1 hz目 目 hz分 分 fe lz f 0 D W W B A O4O3O2O1 D 物镜 入瞳 视场光阑 分划板 目镜出瞳 图 3 1 望远镜设计原理图 参数设定 物镜到目镜的光路为 180mm 出瞳直径为 2mm D 已知 8 2 5 由此设计参数计算以下参数 a 物镜焦距 f 0以及目镜焦距 f 0 f e 180 f 0 f e 8 3 1 得 物镜焦距 f 0 160 mm 目镜焦距 f e 20 mm 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 b 入瞳直径 D 根据放大倍数 3 2 D D 有 2mm D 则 D 2 16 mm c 视场光阑通光口径 分 hz2 在 Rt 三角形 O1O2A 中 见图 3 1 由几何关系得 3 3 0 tanfhz 得 mm9858 6 160 52tan 0 hz 所以视场光阑通光口径 mm9716 13858 9622 hz d 分划板直径 DF DF 2 3 4 0 f tan 得 DF 2 6 9858 13 9716 mm e 目镜通光口径 目 hz2 在三角形 O3O1B 中 由图 3 1 的几何关系得到 目 3 5 hz tan 0e ff 故 目 hzmm597 87 20160 52tan 0 2 目 mm hz7194 1579 9 2 f 像方视场角 2 由 3 6 tan tan 得 3493 0 52tan8tantan 0 从而 0 56 219 则 0 12 5382 g 入瞳距lz 由于入瞳位置与物镜重合 所以 3 7 0 lz 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 h 出瞳距 lz 在三角形 O3O4B 中 由几何关系得 目 3 8 lz hz tan 得 mm013 5223493 0 597 87 lz i 系统总长度L 3 9 0 lzffL e 得 mm5013 2025013 2220160 L 3 2 2 通过加入棱镜后的望远系统得到剩余的结构参数通过加入棱镜后的望远系统得到剩余的结构参数 为了方便后文计算过程中关系量的运用 先进行棱镜通光口径的计算 2 由于分划板的通光口径小于物镜通光口径 所以可以由下图计算棱镜的通光口 径 f 0 e d D DF D棱镜 a 图 3 2 棱镜通光口径计算几何图 注 d 表示直角棱镜的等效空气板厚度 e 为前一面棱镜到分划板距离 由图 3 2 及图 3 3 可知 D棱镜 DF 2 d e a 3 10 tan 其中 a 8 6 9858 160 0 00634tan 由于a 值很小 所以棱镜通光口径可取分划板通光口径的近似值tan 即 D棱镜 13 9716mm 棱镜通光口径的计算完成 下面进行加入棱镜后的望远镜系统剩余参数的 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 计算 加入棱镜后的望远镜系统的示意图如下所示 3 图 3 3 望远镜光路图 加入棱镜后 注 x 表示物镜到第一块直角棱镜的距离 a 表示最后一面棱镜到分划板的距离 设定 a 14mm c 表示两块直角棱镜间的距离 棱镜采用 K9 玻璃 两棱镜间隔 2 5mm 此处选取 2mm d 表示直角棱镜的等效空气板厚度 D棱镜表示棱镜的通光口径 折射率 n 1 5163 a 由图 3 3 中的几何关系 可知 3 11 cadfx 2 0 由公式 3 10 所得结果已知 D棱镜 13 9716mm 从而 L棱镜 2D棱镜 27 9432mm 由 d L棱镜 n 3 12 得 mm4285 185163 1 432 927 d 所以可以求得 mm715 5125214285 4182160 x 像点轴向位移长度 l L棱镜 1 1 n 3 13 得 l L棱镜 1 1 n 27 9432 18 4285 9 5147mm b 实际系统拉直后的总长度 系统 L L l 3 14 系统 L 得 L 2l 202 5013 2 9 5147 221 5307mm 系统 L dd D棱镜 棱镜 c 2mm x D A B O a 14 mm f 0 O O 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 c 两棱镜中折转光路的长度 y y 2 L棱镜 3 15 得 y 2 27 9432 55 886mm d 实际系统总长度 系统 L 3 16 系统 L 系统 Lcy2 得 162mm 系统 Lmm443 61614864 855307 5221 3 3 望远镜元件的选型望远镜元件的选型 3 3 1 物镜的选型物镜的选型 望远镜物镜的常用类型包括 双胶合物镜 双分离物镜 双单 单双 物 镜 三分离物镜 摄远物镜以及对称式物镜 根据系统设计要求以及 3 2 节中的计算结果 可以整理出物镜的光学特性 参数为 通光口径 D 16 mm 焦距 f0 160 mm 视场 2 5 入瞳位置与目镜重合 lz 0 从而我们可以得到相对孔径 D f0 16 180 0 0889 可见相对孔径很小 视场 2 5 也不大 并且对物镜系统的长度没有特殊 的要求 对照光学仪器设计手册 上册 最终决定选取结构满足要求的 双胶 合物镜 此外 胶合物镜工艺简单 且光能损失少 4 其示意图如下所示 图 3 4 双胶合物镜 选取最接近设计要求的结构参数如表 3 1 所示 表 3 1 双胶合物镜的结构参数 曲率半径厚度玻璃面序号 50 166空气ST0 43 5632K92 232 4795 055ZF13 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 3 3 2 目镜的选型目镜的选型 常用目镜的类型包括 简单目镜 冉斯登 惠更斯目镜 凯涅耳目镜 对 称式目镜 无畸变目镜以及广角目镜 根据系统设计要求以及 3 2 节中的计算结果 可以整理出目镜的光学特性 参数为 目镜放大率 12 5 ef 250 出瞳直径 D 2 mm 焦距 20 mm e f 视场 0 12 5382 出瞳距 lz 22 5013 mm 由于其视场 2w 较大 并且 2w 38 512o 其视场取值范围在 400左右 5 对照光学仪器设计手册 上册 最终决定选取结构最符合设计要求的编号为 2 10 的对称式目镜 目镜示意图如下所示 图 3 5 对称式目镜 目镜其结构形式如下表所示 表 3 2 目镜的结构参数 rdnD 50 35 16 595 20 7 20 7 16 595 50 35 1 5 5 0 3 5 1 5 1 6164 1 5163 1 5163 1 6164 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 3 3 3 分划板的设计分划板的设计 分划板是上面刻有十字线或者刻度的平面平板 它可以用于光学仪器的瞄 准或者测量角度和测量距离等等 为了实现调节和测量 物镜和目镜之间装有 分划板 通过调节目镜可改变目镜和分划板的距离 使十字叉丝与目镜的前焦 面重合 6 在这次望远镜结构设计中它的作用是瞄准 测量距离 位于物镜焦 平面处 物镜所成的像经过棱镜后落在分划板上 然后再经过目镜完成对物像 的放大 十字丝分划板示意图如下 图 3 6 十字丝分划板示意图 如图 3 6 所示 望远镜的十字丝分划板 在同一平面带有视距刻度线 横 丝和纵丝相互垂直 分划板的直径为 16mm 厚度 5mm 视距分划以被测目 标高度为 2m 进行设计 7 测量范围由 400m 到 2000m 当在 1000m 内 视 距分划每小格格值 50m 每大格格值为 100m 在 1000m 到 2000m 每小 格格值为 100m 每大格格值为 500m 其距离计算公式为 L L1 H 2 m 3 17 注 式中 L 观察者至目标实际距离 m L1 观察者至测量目标的距离 m 按照目标高度为 2m 的视距分划和方法 进行测量 H 目标高度 m 3 3 4 转像棱镜的选型转像棱镜的选型 a 选用普罗选用普罗 I 型转向棱镜系统的两个原因型转向棱镜系统的两个原因 1 由望远镜的放大率公式由望远镜的放大率公式 0 f e f 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 又因为刻卜勒望远镜的和都为正值时 为负值 8 0 f e f 也就是说不加转向棱镜时 该望远镜系统成倒立的像 给观察和瞄准带来 极大不变 普罗 I 型棱镜具有转像的作用 所以选用它来把倒立的像 正 过 来 2 普罗普罗 型棱镜自身原理及结构型棱镜自身原理及结构 普罗 I 型棱镜主截面相互垂直 利用全反射原理 正像的同时将光轴两次 折叠 9 x 沿着光轴方向 第一个棱镜使 y 方向相反 第二个棱镜使 z 方向相反 最终使得 y 与 y 反向 z 与 z 反向 物像相反 10 从而把物镜系统的倒像变成 正像 这种系统的优点是不仅可以用来减小系统尺寸 而且还大大减小了望远镜 的体积和重量 b 普罗普罗 型棱镜的展开型棱镜的展开 1 系统结构系统结构 由两块二次反射直角棱镜组成 它们的主截面互相垂直 普罗 I 棱镜结构如下所示 x z y z y x y z x 图 3 7 普罗 I 型棱镜 2 普罗普罗 型棱镜的展开成等效玻璃板型棱镜的展开成等效玻璃板 展开成等效玻璃板的合理性 构成普罗 I 型棱镜的直角棱镜所起作用相当 于平面镜 主要是折转光路和转像的作用 如果不考虑反射面的作用 光线在 两折射面间的行为与一个平行平板等效 等效成玻璃板后 可以大大简化实际 光学系统的计算 11 展开方法 在棱镜的主截面内 按反射面的顺序连续翻转 180 以反射面 与主截面的交线为轴 依次按反射面顺序做镜像 便可得到棱镜的等效平行平 板 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 棱镜展开图如下所示 D棱 镜 L棱镜 图 3 8 棱镜展开图 3 玻璃板再等效成空气板玻璃板再等效成空气板 等效成空气板的合理性 玻璃板在近轴区内以细光束成像 不管物体位置 如何 其像均可认为是由物体移动一个轴向位移而得到的 利用这个特点可以 把平行平板简化为等效空气平板 12 等效空气板的作用 将平行平板等效成空气板后 只需计算出无玻璃板时 的像面位置 再沿轴向移动一个轴向位移 就可得到有玻璃板时的实际像面的 位置 避免了直接折转光路进行计算 给光学系统的外形尺寸的计算 带来极 大好处 普罗 I 型棱镜等效空气板的计算如下 l 2 A A L棱镜 d d d l 1 l 图 3 9 等效空气板 等效空气板厚度 d L棱镜 n 18 4285mm 3 18 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 像点后移距离 l L棱镜 1 1 n 9 5147mm 3 19 结合前面计算需要 上面公式中的数值已经在 3 22 节中完成 3 4 目镜视度的计算目镜视度的计算 为了使目镜适应于近视眼和远视眼的需要 目镜要有视度调节的能力 对 于正常眼而言 分划板的位置应在目镜的物方焦平面处 而对于近视眼和远视 眼来说 由于人眼视差的存在 必须使目镜的物方焦平面与分划板的相对位置 有一定量的移动 以便看清楚分划板像 13 当观察者为近视眼时 目镜要向分 划板方向移动 当观察者是远视眼时 目镜要向远离分划板方向移动 如下图 3 10 所示 目镜的前焦点 F2相对物镜的后焦点 F 1向左移动 故 取负值 14 这时被物镜所成的中间像点 A 相对目镜的前焦点 F2的距离 x 用 r 表示人眼的远点距离 Ar表示远点位置 表示 Ar点到目镜后焦点 x F 2的距离 c 表示由目镜后焦点到人眼的距离 则有 r c 对目镜应用牛顿x 公式 3 20 xx 2 f 则得到 3 21 cr f 2 2 目镜视度调节示意图如下 Ar c F 2 x r F2 F 1 A x 出瞳 目镜 分划板 图 3 10 目镜视度调节示意图 为了使近视眼看清楚目镜所成的像 必须把像由无穷远调到近视眼的远点 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 Ar上 15 因为人眼的调节视度为 N 1000 r 所以 r 1000 N 将其代入上式 则得 3 22 cr 1000 f 2 2 因为仪器的出瞳在目镜的后焦点附近 即 c r 故可把 c 忽略不计 16 最后得 3 23 1000 fN 2 2 根据要求视度应对非正常眼调节 N 5 个折光度 故上式为 1000 f5 2 2 其中 f2 为目镜的焦距 f2 20mm 计算得 2mm 4 结构设计 4 结构设计结构设计 4 1 望远镜总体结构望远镜总体结构 望远镜由物镜系统 棱镜系统 分划板 目镜系统四部分构成 各部分之 间由带有螺纹的镜筒链接起来 同时还有螺钉用来紧固部分部件 17 望远镜总 体结构图如下所示 图 4 1 望远镜的总体装配图 如图 4 1 所示 图中 1 部分是物镜组 2 部分是镜筒 3 部分是棱镜组 4 是目镜组 此单筒望远镜的总体外形尺寸为 186X45X45mm 为了使用 携带方便 整个望远镜的材料以各部件功能的不同分别采用 45 钢 GB699 89 GB93 87 型 钢 GB97 1 85 I 2 型橡胶等材质 螺纹选 GB73 85 M1 2 型 螺钉选用 GB75 85M1 6 型 4 2 各部件的结构图各部件的结构图 4 2 1 物镜组结构图物镜组结构图 a 物镜装配图物镜装配图 物镜系统这部分的结构比较简单 首先将物镜装入物镜座内 再在其左侧 安上一个压圈 与物镜座之间利用螺纹实现链接 以此来固定胶合物镜 18 物 镜组在物镜座内 而物镜座外圈是带有外螺纹的圆筒 与物镜外筒内侧的内螺 纹相链接 这样就将整个镜座安装在外镜身上了 这就是物镜系统的结构 如图 4 2 所示 1 部位是物镜压圈 2 部件是物镜 3 部件是物镜座 图中 靠近镜座边缘的细线表示镜座与外境筒链接的螺纹 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 物镜组装配成型的外形尺寸 长度 26mm 直径为 22mm 物镜系统的装配图如下所示 图 4 2 物镜系统装配图 b 物镜零件图物镜零件图 1 物镜压圈物镜压圈 物镜压圈示意图如下所示 图 4 3 物镜压圈 如图 4 3 所示 压圈选用 GB93 87 型钢 内径 外径分别是 16mm 18mm 螺纹为 M1 2 后度为 2mm 压圈安装在胶合物镜左侧以固定 胶合物镜防止胶合物镜脱落 还可以以此加长胶合物镜与物镜外境筒最左边缘 的距离 防止物镜容易被人手触摸或者与外无接触给透镜表面带来的磨损 19 2 物镜物镜 根据 3 3 1 节中的内容 物镜选择的是工艺简单 且光能损失较少的胶合物 镜 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 物镜的示意图如下所示 图 4 4 胶合物镜 如图 4 4 所示 物镜为胶合物镜 采用 K9 玻璃 总厚度为 8mm 3 物镜座 物镜内筒 物镜座 物镜内筒 物镜筒示意图如下所示 图 4 5 物镜座 物镜内筒 如图 4 5 所示 物镜座选用的是 45 钢 GB699 89 长度为 26mm 内径 外径尺寸分别为 18mm 22mm 其余部分如图所示 物镜座是物镜组的固定装 置 它既要完成物镜的固定 同时也是物镜和外境筒的连接部件 图中靠近物 镜座外围边界的细线就表示的是与外境筒链接的螺纹 它不但要牢固固定物镜 同时还要允许物镜的入射光线在一定范围内 同时也不宜将物镜卡得太紧 否 则物镜会产生形变 影响成像质量 4 物镜筒物镜筒 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 物镜筒示意图如下所示 图 4 6 物镜外筒 如图 4 6 所示 物镜外筒选用的是 45 钢 GB699 89 总长度为 112mm 镜 筒直径为 28mm 物镜外筒是物镜系统的支撑体 起着连接其它部件的作用 镜筒的内径一般比物镜直径大 2mm 左右 以方便物镜的安装和调节 物镜外筒 左侧部分内侧带有螺纹 是与物镜座装配的链接螺纹 右侧长度为 20mm 的部 分是与棱镜部分相连接的链接内螺 4 2 2 棱镜组结构图棱镜组结构图 a 棱镜的装配图棱镜的装配图 棱镜部分是望远系统的转像结构 根据它的光学尺寸要能准确地安装 普 罗棱镜还有另外一个特性 由于光路产生了 Z 形的转折 普罗棱镜望远镜的外 观也往往会变成此形状 棱镜装配图如下图所示 图 4 7 棱镜装配图 如图 4 7 所示 1 部件是棱镜筒 2 部件是固定棱镜的弹簧钢片 3 部件是 棱镜 4 部件是棱镜筒的固定压盖 棱镜部分装配图总长度为 53mm 最长直径 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 为 40mm 棱镜安装在棱镜筒内 再将弹簧钢片卡入槽口紧固棱镜 棱镜筒和镜筒之 间需要一定的松动范围 此外 使用弹簧钢片固定棱镜不仅牢固 并且当温度 变化时棱镜不会产生应力 而应力会破坏仪器的装配和使用 20 弹簧钢片固定 好棱镜后 再用压盖盖住整个棱镜座 再用螺钉固定到镜筒上防止压盖脱落 这样就完成了棱镜系统的固定 b 棱镜的零件图棱镜的零件图 1 棱镜筒棱镜筒 棱镜筒示意图如下所示 图 4 8 棱镜筒 如图 4 8 所示 棱镜外筒选用的是 45 钢 GB699 89 总长为 51mm 最长 直径为 40mm 其余部分尺寸如图中所示 棱镜外筒不仅完成棱镜座的安装 还要与物镜系统及目镜系统准确连接 外筒左边部分的内部有与物镜筒连接的 外螺纹 右边则是与目镜组镜筒连接的内螺纹构造 2 弹簧钢片弹簧钢片 弹簧钢片示意图如下所示 图 4 9 弹簧钢片 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 如图 4 9 所示 弹簧钢片选用的是 45 钢 GB97 1 85 它的长度为 14mm 厚度为 1mm 用弹簧钢片卡入槽口紧固棱镜 使用弹簧钢片固定棱镜不仅牢固 并且当温度变化时棱镜不会产生应力 而应力会破坏仪器的装配和使用 3 棱镜棱镜 棱镜示意图如下所示 图 4 10 棱镜 如图 4 10 所示 普罗 I 棱镜为等腰直角棱镜 材料采用 K9 玻璃 它的长 度为 14mm 12mm 4 棱镜筒压盖棱镜筒压盖 棱镜筒压盖示意图如下所示 图 4 11 棱镜筒压盖 如图 4 11 所示 棱镜的压盖选用 45 钢 GB97 1 85 直径为 23mm 后度 为 4mm 棱镜压盖用在棱镜的固定弹簧钢片外 起到稳固弹簧钢片及棱镜座的 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 作用 当棱镜压盖安装好后 再用螺钉将压盖固定在棱镜筒上 进一步稳固棱 镜组 4 2 3 目镜组结构图目镜组结构图 a 目镜组装配图目镜组装配图 目镜装配图如下所示 图 4 12 目镜组装配 如图 4 12 所示 1 部位是分划板压圈 2 部件是分划板 3 部件是分划板压 环 4 部件是分划板座 5 部件是目镜压圈 6 部位是目镜 7 是目镜座 8 是 目镜座压圈 9 是目镜组外筒 10 是护眼罩 11 为视差调节鼓轮 装配图左侧是分划板的安装 分划板安装在分划板座内 左右两侧用压环 固定 由于便于视差的调节 分划板座在镜筒内悬挂 另一边用钢丝与镜筒相 连 利用调节鼓轮和连接杆相连 可以通过调节鼓轮使分划板左右移动 钢丝 有一定的弹性 即可以支撑分划板座 又可以方便分划板左右移动 从而实现 视差调节 21 装配图右侧是目镜的安装 目镜安装到镜座内后 在左侧用压圈 固定 为了防止目镜座脱落 在镜座的右侧再用一个压圈将整个镜座固定 然 后把整个镜座用压圈固定再安装到外境筒内 再在其右侧加上护眼罩 整个目 镜的装配就完成了 外形尺寸 长度 51mm 直径为 32mm b 目镜组零件图目镜组零件图 1 分划板压圈分划板压圈 如图 4 13 所示 分划板压圈选用的是 GB93 78 型钢 其内外径为分别为 14mm 16mm 厚度为 2mm 分划板压圈是结合压环一起固定分划板的 利用 自身外围的螺纹与镜筒链接 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 分划板压圈示意图如下所示 图 4 13 分划板压圈 2 分划板分划板 分划板示意图如下所示 图 4 14 分划板 分划板是刻着视距的圆形玻璃板 材料选用 K9 玻璃 直径为 16mm 厚度 为 5mm 如图 4 14 所示 望远镜的十字丝分划板 在同一平面带有视距刻度线 横 丝和纵丝是相互垂直的 分划板的直径为 16mm 厚度 5mm 视距分划以被 测目标高度为 2m 进行设计 7 测量范围由 400m 到 2000m 当在 1000m 内 视距分划每小格格值 50m 每大格格值为 100m 在 1000m 到 2000m 每小格格值为 100m 每大格的格值为 500m 3 分划板压环分划板压环 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 分划板压环示意图如下所示 图 4 15 分划板压环 如图 4 15 所示 分划板压环选用的是 GB93 78 型钢 其内外径为分别为 14mm 16mm 厚度为 4mm 分划板压环处在分划板右侧 与左侧压圈配合使 用 起到固定分划板的作用 安装方法与压圈相同 都是利用自身外围的螺纹 与外镜筒链接 4 分划板座分划板座 分划板座示意图如下所示 图 4 16 分划板座 如图 4 16 所示 分划板座选用的是 45 钢 GB97 1 85 径长为 18mm 宽 度为 4mm 其余的尺寸如图中所示 分划板座不仅完成分划板的安装 还要与 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 分划板视差调节鼓轮准确连接 实现视差的调节 分划板座的内部有与压圈 压环链接的螺纹构造 5 目镜压圈目镜压圈 图 4 17 目镜压圈 如图 4 17 所示 目镜压圈选用的是 GB93 78 型钢 其内外径为分别为 16mm 17mm 厚度为 2mm 目镜压圈安装在目镜左侧以固定目镜 可以防止透镜和镜筒的空隙带来的 不稳定的现象以及放置目镜时与目镜的直接接触给透镜表面带来的磨损 其链 接方式是利用自身外围的螺纹与固定座链接 6 目镜目镜 目镜示意图如下所示 图 4 18 目镜 如图 4 18 所示 目镜为对称式目镜 材料选用 K9 玻璃 它的总厚度为 13 3mm 对称目镜间隙为 0 3mm 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 7 目镜座目镜座 目镜座示意图如下所示 图 4 19 目镜座 如图 4 19 所示 目镜座内选用的是 45 钢 GB97 1 85 其各部位的直径分 别为分别 16mm 17mm 20mm 24mm 镜座长度为 20mm 目镜座是用来固定目镜组的 在其内外侧不同位置都有与固定目镜和固定 目镜座的压圈相连接的链接螺纹 8 目镜座压圈目镜座压圈 目镜压圈示意图如下所示 图 4 20 目镜座压圈 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 如图 4 20 所示 目镜压圈内 外径分别为 20mm 24mm 宽度为 4mm 目镜座压圈选用的是 GB93 78 型钢 它不仅用来固定目镜座 同时它的设计位 置也为实现目镜视度调节提供了空间 目镜座左端与压圈间的距离稍大于满足 视度调节位移量 2mm 9 目镜组外筒目镜组外筒 目镜外筒示意图如下所示 图 4 21 目镜组外筒 如图 4 21 所示 目镜外筒选用的是 45 钢 GB97 1 85 它各部位的直径分 别为 20mm 24mm 26mm 总长度为 43mm 目镜外筒左边部分的内部有与棱镜压圈 压环链接的外螺纹构造 而右边 则有与目镜座固定压圈连接的链接螺纹 10 护眼罩护眼罩 护眼罩示意图如下所示 图 4 22 护眼罩 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 如图 4 22 所示 护眼罩总长为 24mm 内外直径及最长部分的直径分别为 是 20mm 24mm 26mm 护眼罩可用各种塑料硬橡胶或者酚基塑料制造 此护眼罩采用 I 2 型橡胶 材质 采用护眼罩可以使眼睛的瞳孔很方便地与仪器光学系统的出瞳重合 防 止外来光线对眼睛的影响 在野外使用时还可以防止风雨的影响 5 结论 5 结论结论 5 1 总结总结 本文主要通过对光学系统参数的计算从而最终完成望远镜的机械结构的设 计 单筒望远镜的主要结构由物镜组 转像棱镜系统 分划板以及目镜系统这 几个部分组成 本文根据每一部分的作用和设计要求 已经完成了单筒望远镜 的光学设计 以及利用 Auto CAD 制图软件绘制出总体结构装配图和各个组成 部分的零件图 望远镜是很重要的观测设备 应用广泛 单筒望远镜也早已经广泛使用 利用望远镜可以观测很多人眼看不到的东西 将其放大到达到很清晰的观测效 果 本次设计通过理解 应用前人的经典设计 完成简易单筒望远镜的结构设 计 包括光学原理 元件选型及机械制图 现在清楚地了解望远镜的设计原理 思路及机械结构 这对以后的光学仪器的设计 研究具有极大地帮助 5 2 体会体会 在望远镜的设计过程中 不断遇到各种问题 然后通过相应的方法逐一解 决问题 这样不断学习望远镜的相关知识 同时也为以后作为光学仪器设计打 下了坚实的基础 这次学习中 我对望远镜的结构有了更清楚的认识 也能够 设计出一个合理的单筒望远镜来 更熟练地掌握