大地测量仪器学2

1、第二章第二章 望远镜望远镜2-1 2-1 望远镜及原理望远镜及原理 一、望远镜的作用 望远镜是用来瞄准目标的望远镜是用来瞄准目标的。所以必须解决：所以必须解决：看清看清远处的目标问题；还得解决精确瞄准问题。远处的目标问题；还得解决精确瞄准问题。物镜物镜目镜目镜十字丝板十字丝板 望远镜的另一大任务是用来望远镜的另一大任务是用来测量距离测量距离。只要在。只要在十字丝板上加上两条专门的标志线，即十字丝板上加上两条专门的标志线，即视距线视距线，再，再配上专门的瞄准目标配上专门的瞄准目标一标尺，这个问题就解决了。一标尺，这个问题就解决了。二、望远镜的成象原理二、望远镜的成象原理 1 1、望远镜为什么比人

2、的眼睛看得更远呢、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。对眼睛所成的张角的大小。望远镜之所以能看清远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。这个张角。 2 2、望远镜的成象原理。望远镜的成象原理。 把物镜把物镜ABAB及目镜及目镜CDCD安放到同一条光轴上，并使安放到同一条光轴上，并使ABAB的后焦点的后焦点F1F1和和CDC

3、D的前焦点的前焦点F2F2重合，就构成了望重合，就构成了望远镜的成象系统。远镜的成象系统。 设设PmPm为一个远处目标，根据薄透镜的成象原为一个远处目标，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、缩小理可知，该目标首先被物镜成一个倒立的、缩小的实象的实象PmPm在在f f1 1之外，且离之外，且离F1F1很近的地方。很近的地方。 对目镜来说，则是在它的前焦点对目镜来说，则是在它的前焦点F2F2以内，因以内，因此，当此，当PmPm被目镜第二次成象时，得到的必定被目镜第二次成象时，得到的必定是一个放大的、正立的虚象是一个放大的、正立的虚象PmPm，当然它对原，当然它对原目标目标PmP

4、m来说已经是倒立的了。来说已经是倒立的了。 象的位置则在离目镜约象的位置则在离目镜约250250毫米的地方。毫米的地方。当当眼睛放在目镜的后焦点眼睛放在目镜的后焦点F2F2附近时，就能从视场附近时，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。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，目标得多，所以，目标PmPm对眼睛的张角可近似地认为是对眼睛的张角可近似地认为是11。又由于眼睛到目镜的距离也远远小于眼睛到。

5、又由于眼睛到目镜的距离也远远小于眼睛到虚象虚象PmPm的距离，所以，虚象对眼睛的张角也可的距离，所以，虚象对眼睛的张角也可近似地认为是近似地认为是22。而一般望远镜的物镜焦距比目。而一般望远镜的物镜焦距比目镜焦距要大上几十倍，这样，虚象对眼睛的张角镜焦距要大上几十倍，这样，虚象对眼睛的张角22也就比原目标对眼睛的张角也就比原目标对眼睛的张角11，扩大了几十倍。，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。由于目标对眼睛楚

6、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。以，从望远镜中看到的目标总比原目标要近。物镜物镜和目镜把远处目标变成象，从而扩大了对眼睛的张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。角，这就是望远镜能够望远的原因。2-2 2-2 望远镜的基本构造望远镜的基本构造 望远镜是大地测量仪器上的一个重要部望远镜是大地测量仪器上的一个重要部件，它由许多件，它由许多光学零件和机械零件光学零件和机械零件组成。按光组成。按光学成象的原理，一般将望远镜分为学

7、成象的原理，一般将望远镜分为物镜、十字物镜、十字丝分划板、调焦镜及目镜丝分划板、调焦镜及目镜四大基本部分。四大基本部分。一、物镜一、物镜 望远镜上朝向目标的透镜称为望远镜上朝向目标的透镜称为物镜物镜。它。它一般由两块以上的厚透镜组合而成，因此，又一般由两块以上的厚透镜组合而成，因此，又称为称为物镜组物镜组。不管由几块组成，最后应组合成。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，第二次被目镜象，连同十字丝面上的分划线，第二次

8、被目镜去成象与放大，最后供人眼去观察。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归纳起来，物镜形式可分为两大类: :( (一一) )折射式物镜折射式物镜 物镜中各透镜的每个面均为折射面，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不存在有反射面。常见的有下列三种形式：式： 1 1双胶合式双胶合式 当望远镜的放大倍数要求不太高、物当望远镜的放大倍数要求不太高、物镜的镜的相对孔径相对孔径D/D/f f 不大于不大于1/51/51/61/6时，时，物镜的三种主要象差物镜的三种主要象差( (即即球差、色差和彗球差、色差和彗差差) )均能满足精度要求。均能满足精

9、度要求。相对孔径相对孔径D/D/f 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便。这种结构形式主要用在J6J6级及级及J6J6级以下的各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。如北光厂的仪器上。如北光厂的DJ61DJ61型光学经纬仪、型光学经纬仪、NiNi2

10、 2型自动安平水准仪的型自动安平水准仪的望远镜物镜就是这种双胶望远镜物镜就是这种双胶合形式。合形式。2 2双分离式双分离式 如图所示。这种物镜与双胶合如图所示。这种物镜与双胶合物镜相比，增加了一个折射面和一物镜相比，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，物地消除物镜的成象误差，因此，物镜的相对孔径镜的相对孔径D/D/f f值可以适当的增值可以适当的增大一点。但两片的同心度就不如双大一点。但两片的同心度就不如双胶合式容易保证。它仍只能用在胶合式容易保证。它仍只能用在J

11、6J6这一精度级的经纬仪上。如杭州红这一精度级的经纬仪上。如杭州红旗光学仪器厂生产的旗光学仪器厂生产的CJH1CJH1型光学型光学经纬仪及蔡司经纬仪及蔡司Theo 030Theo 030型及型及Theo Theo 020020型光学经纬仪上的物镜就是这型光学经纬仪上的物镜就是这种双分离式。种双分离式。3 3三片分离式三片分离式由于这种形式的折射面数目增多，由于这种形式的折射面数目增多，空气间隙的数量增加，校正物象差空气间隙的数量增加，校正物象差的性能就更好，的性能就更好，相对孔径可以再提相对孔径可以再提高一点高一点。多用在精度较高的测量仪多用在精度较高的测量仪器的望远镜上器的望远镜上。如苏一光

12、。如苏一光JGJ2JGJ2型，型，瑞士克思厂生产的瑞士克思厂生产的DKM2DKM2型及苏联型及苏联TB-1TB-1型等光学经纬仪的物镜就是这型等光学经纬仪的物镜就是这种三片分离式。种三片分离式。缺点缺点是增加了装配是增加了装配调整的困难。当象质不好时，主要调整的困难。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的位置和仔细地调整镜片间的距离来解决。来解决。( (二二) )折反射式物镜折反射式物镜 要获得成象性能良好，放大倍率高的望远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物镜，折射式物镜的有效通光孔径D

13、D必然增大，必然增大，焦距焦距f f也必然加长，只有这样，才能保证相对也必然加长，只有这样，才能保证相对孔径孔径D/D/f f值不超过所容许的范围。值不超过所容许的范围。但但f f加长后，加长后，镜筒的长度镜筒的长度L L必须跟着加长，仪器的体积随之必须跟着加长，仪器的体积随之增大，不利于野外作业。增大，不利于野外作业。为了解决镜筒长度为了解决镜筒长度L L不随焦距不随焦距f f的增加而增加这个问题，在经纬仪的增加而增加这个问题，在经纬仪的望远镜中就出现了的望远镜中就出现了折反射式物镜折反射式物镜。如蔡司。如蔡司Theo 010Theo 010经纬仪物镜经纬仪物镜( (图图26)26)及克恩厂

14、的及克恩厂的DKM3DKM3经纬仪物镜均属这一类型。经纬仪物镜均属这一类型。在这种物镜组中，除了折射面外，还有反射面，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光线在物镜中来回折转一次之后才能到达十字丝面上。丝面上。这样，焦距这样，焦距f f没有缩短，而镜筒的长度没有缩短，而镜筒的长度上反而变短了。这种结构特征，从仪器的外表上反而变短了。这种结构特征，从仪器的外表上就能看出来：上就能看出来：物镜的通光孔径物镜的通光孔径0 0很大，望远镜很大，望远镜的放大倍数也高，但整个望远镜的长度却很短。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这

15、种折反射式物镜的主要缺点缺点是：是： 1 1镜片的共轴性要求高；镜片的共轴性要求高； 2 2对折射面及反射面的加工精度要求高，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折射面的局部误差不能超出1/8(1/8(波长波长) )，反，反射面的局部误差不能超出射面的局部误差不能超出1/201/20； 3 3装校工艺要求高；装校工艺要求高； 4 4反射面上的反光材料容易因潮湿等原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。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，是

16、通过螺牙压圈将镜片固紧。压圈如果旋得过紧，镜片就会因受力过大而破裂，如果旋得过松，镜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，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，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，的镜面

17、，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，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。影响透光能力和成象的清晰度。 二、调焦镜二、调焦镜 调焦镜位于物镜与十字丝分划板之间，常和物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镜一起合称为望远镜物镜组望远镜物镜组。调焦镜的主要作用是。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把远近不同的目标的象按要求调到十字丝这个焦面上。上。如果望远镜的精度很低，调焦镜只用一片凹透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，如果望远镜精度高，调焦镜就得镜就能满足

18、要求，如果望远镜精度高，调焦镜就得用两片透镜组成用两片透镜组成( (双胶合式或双分离式双胶合式或双分离式) )，且组合后，且组合后的总光焦度一般为负，即仍相当于一块凹透镜。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：1212fffffD f f1 1及及f f2 2分别表示物镜及调焦镜的后主焦距，分别表示物镜及调焦镜的后主焦距，D D表示物镜后等效主平面到调焦镜前等效主平面的表示物镜后等效主平面到调焦镜前等效主平面的距离。在距离。在f f1 1已为较大的正值的条件下，已为较大的正值的条件下， 只有只有f

19、 f2 2为负，且满足为负，且满足DDf f1 1+ f f2 2时，物镜与调时，物镜与调焦镜的组合焦距焦镜的组合焦距f f才能为正，且其值较大才能为正，且其值较大( (因为因为只有只有f f为正，才能实现对目标成实象在十字丝面为正，才能实现对目标成实象在十字丝面上，只有上，只有f f较大，望远镜的放大率才能提高较大，望远镜的放大率才能提高) )。也只有也只有f f2 2为负值，为负值，D D的值才能小，即物镜与调焦的值才能小，即物镜与调焦镜之间的距离才能短，镜筒的机械长度才不会加镜之间的距离才能短，镜筒的机械长度才不会加长。如果用凸透镜作调焦镜，就会得出恰恰相反长。如果用凸透镜作调焦镜，就会

20、得出恰恰相反的结果。例如，国产的结果。例如，国产DJ6-1DJ6-1型经纬仪望远镜的型经纬仪望远镜的f f1 1=149mm=149mm，f f2 2=-142mm=-142mm，D=105mmD=105mm，则，则1212149-142=216mm149-142-105fffffD （）如果将调焦镜由凹透镜改为凸透镜，且焦距值不变，如果将调焦镜由凹透镜改为凸透镜，且焦距值不变，即即f f2 2=+149mm=+149mm，则：，则：1212149142=113.8mm149+142-105fffffD （） 计算结果表明，组合焦距缩短了将近计算结果表明，组合焦距缩短了将近1 1半，这半，这就

21、意味着望远镜的放大率有显著的降低。如果想保就意味着望远镜的放大率有显著的降低。如果想保持持216216毫米的组合焦距不变，将上式变化一下，则毫米的组合焦距不变，将上式变化一下，则可得出相应的：可得出相应的：1212149 142D=149 142193216ffffmmf 这说明，镜筒的长度要比用凹透镜时增长将近这说明，镜筒的长度要比用凹透镜时增长将近100100毫米，从仪器的体积来看，这是一个很大的数毫米，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。透镜，而用凹透镜。三、十字丝分划板三、十字丝分划

22、板 在一块直径约在一块直径约1010毫米，毫米，厚度厚度1212毫米的圆形平板玻毫米的圆形平板玻璃的一个面上刻上璃的一个面上刻上( (或用其或用其他方法他方法) )互相垂直的两条细互相垂直的两条细线，即构成了一块线，即构成了一块十字丝分十字丝分划板划板。竖的一根称。竖的一根称竖丝竖丝。横。横的一根称的一根称横丝横丝。该板往往用。该板往往用胶粘或者用金属筒包边的方胶粘或者用金属筒包边的方式将其固定在圆形金属框上，式将其固定在圆形金属框上，如图如图2-72-7中的中的6 6。为了使望远镜的视准轴与横轴相垂直，也为了视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

23、框准轴在水平时，竖盘上读得应有的读数，金属框往往用往往用4 4个可供调节的螺钉连接到望远镜筒上。左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右相对的两个螺钉l l与与2 2是使竖丝左右平移，以校是使竖丝左右平移，以校正望远镜的照准差，即正望远镜的照准差，即2C2C值值( (视准轴不垂直于横轴视准轴不垂直于横轴的误差的误差) )。上下两个相对的螺钉。上下两个相对的螺钉3 3与与4 4是使横丝上下是使横丝上下移动。这移动。这4 4个螺钉有时也管十字丝板的转动，以校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。正竖丝的铅垂或横丝的水平。作业及修理人员在作业及修理人员在校正十字

24、丝的位置时，应先把校正结构看清楚，校正十字丝的位置时，应先把校正结构看清楚，以免动错螺丝。以免动错螺丝。四、目镜四、目镜 望远镜上靠近眼睛这一端的透镜为望远镜上靠近眼睛这一端的透镜为目镜目镜。它的作它的作用是把十字丝及其面上的目标象同时进行放大，供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。人眼观察。所以，目镜实际上相当于一个放大镜。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：与物镜相比目镜在光学结构方面的特点是： 1 1）焦距短，一般只有）焦距短，一般只有10103030毫米；毫米； 2 2）视场大，视场角一般大于）视场大，视场角一般大于3030； 3 3）相对孔径较小，一般不超过）相对孔径较小，一般不超过1/51/5。 常见的常见的目镜形式目镜形式有四种。有四种。 1 1）冉斯登目镜冉斯登目镜( (图图2-9)2-9)。多用在目镜视场角不。多用在目镜视场角不超过超过4040，放大率不超过，放大率不超过3030倍的望远镜上。倍的望远镜上。 2）强纳尔目镜强纳尔目镜(图2-10)。由于它把冉斯登目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镜中靠近眼睛的这块透镜由