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1、大地测量仪器学第1页，此课件共23页哦 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。只要在十字。只要在十字丝板上加上两条专门的标志线，即丝板上加上两条专门的标志线，即视距线视距线，再配上专，再配上专门的瞄准目标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，不在于它离眼睛有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多远，也不在于它本身有多大，而在于该物体对眼睛所成
2、的张角的大小。成的张角的大小。望远镜之所以能看清远处目标的关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。键也就在于它通过对目镜成象后扩大了这个张角。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CDCD的前焦点的前焦点F2F2重合，就构成了望远镜的重合，就构成了望远镜的成象系统。成象系统。第2页，此课件共23页哦 设设PmPm为一个远处目标，根据薄透镜的成象原理可为一个远处目标，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
3、知，该目标首先被物镜成一个倒立的、缩小的实象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，因此，以内，因此，当当PmPm被目镜第二次成象时，得到的必定是一个被目镜第二次成象时，得到的必定是一个放大的、正立的虚象放大的、正立的虚象PmPm，当然它对原目标，当然它对原目标PmPm来来说已经是倒立的了。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。当眼睛放当眼睛放在目镜的后焦点在目镜的后焦点F2F2附近时，就能从视场中看到这附近时，就能从视场中看到这个位
4、于眼睛的明视距离处的倒象。这就是在望远镜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。中看到的目标为什么都是倒立的原因。第3页，此课件共23页哦 由于眼睛到物镜的距离比眼睛到目标的距离小得多，所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。又由于眼睛到目镜的距离也远远小于眼睛到虚象到目镜的距离也远远小于眼睛到虚象PmPm的距离，所以，的距离，所以，虚象对眼睛的张角也可近似地认为是虚象对眼睛的张角也可近似地认为是22。而一般望远镜。而一般望远镜的物镜焦距比目镜焦距要大上
5、几十倍，这样，虚象对眼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，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，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。标总比原目标
6、要近。物镜和目镜把远处目标变成象，从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而扩大了对眼睛的张角，这就是望远镜能够望远的原因。因。第4页，此课件共23页哦第5页，此课件共23页哦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件，它望远镜是大地测量仪器上的一个重要部件，它由许多由许多光学零件和机械零件光学零件和机械零件组成。按光学成象的组成。按光学成象的原理，一般将望远镜分为原理，一般将望远镜分为物镜、十字丝分划板、物镜、十字丝分划板、调焦镜及目镜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
7、透镜称为望远镜上朝向目标的透镜称为物镜物镜。它一般。它一般由两块以上的厚透镜组合而成，因此，又称为由两块以上的厚透镜组合而成，因此，又称为物物镜组镜组。不管由几块组成，最后应组合成一个会聚系。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，最后供人的分划线，第二次被目镜去成象与放大，最后供人眼去观察。眼去观察。第6页，此课件共23页哦归纳起来，物镜形式可分为两大类归纳起来，物镜形式可分为两大类:
8、(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，不存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：在有反射面。常见的有下列三种形式：1 1双胶合式双胶合式 当望远镜的放大倍数要求不太高、物镜的当望远镜的放大倍数要求不太高、物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，物镜的三种时，物镜的三种主要象差主要象差(即即球差、色差和彗差球差、色差和彗差)均能满足精均能满足精度要求。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，
9、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。第7页，此课件共23页哦 这种形式的最大好处是加工、装配、调整方便。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这种结构形式主要用在J6J6级及级及J6J6级以下的各级光学经纬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。如北光厂仪或相当于这一精度等级的其他测量仪器上。如北光厂的的DJ61DJ61型光学经纬仪、型光学经纬仪、Ni2Ni2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合形式。望远镜物镜就是这种双胶合形式。第8页，此课件共23页哦2 2双
10、分离式双分离式 如图所示。这种物镜与双胶合物镜如图所示。这种物镜与双胶合物镜相比，增加了一个折射面和一个空气间相比，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，物镜的相对孔径误差，因此，物镜的相对孔径D/D/f f值可值可以适当的增大一点。但两片的同心度以适当的增大一点。但两片的同心度就不如双胶合式容易保证。它仍只能就不如双胶合式容易保证。它仍只能用在用在J6J6这一精度级的经纬仪上。如杭这一精度级的经纬仪上。如杭州红旗光学仪器厂生产的州红旗光学仪器厂生产的CJH
11、1CJH1型光型光学经纬仪及蔡司学经纬仪及蔡司Theo 030Theo 030型及型及Theo Theo 020020型光学经纬仪上的物镜就是这种型光学经纬仪上的物镜就是这种双分离式。双分离式。第9页，此课件共23页哦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，空由于这种形式的折射面数目增多，空气间隙的数量增加，校正物象差的性气间隙的数量增加，校正物象差的性能就更好，能就更好，相对孔径可以再提高一点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多用在精度较高的测量仪器的望远镜上上。如苏一光。如苏一光JGJ2JGJ2型，瑞士克思厂生型，瑞士克思厂生产的产的DKM2DKM2型
12、及苏联型及苏联TB-1TB-1型等光学经纬仪型等光学经纬仪的物镜就是这种三片分离式。的物镜就是这种三片分离式。缺点缺点是增是增加了装配调整的困难。当象质不好时，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片的位置和仔细地调整镜片间的距离来解决。来解决。第10页，此课件共23页哦(二二)折反射式物镜折反射式物镜 要获得成象性能良好，放大倍率高的望远物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镜，折射式物镜的有效通光孔径D D必然增大，焦必然增大，焦距距f f也必然加长，只有这样，才能保证
13、相对孔径也必然加长，只有这样，才能保证相对孔径D/D/f f值值不超过所容许的范围。不超过所容许的范围。但但f f加长后，镜筒的长度加长后，镜筒的长度L L必必须跟着加长，仪器的体积随之增大，不利于野外须跟着加长，仪器的体积随之增大，不利于野外作业。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的增加而增加的增加而增加这个问题，在经纬仪的望远镜中就出现了这个问题，在经纬仪的望远镜中就出现了折反射折反射式物镜式物镜。如蔡司。如蔡司Theo 010Theo 010经纬仪物镜经纬仪物镜(图图26)26)及克及克恩厂的恩厂的DKM3DKM3经纬仪物镜均属这一类型。经纬仪物镜均属这一
14、类型。第11页，此课件共23页哦在这种物镜组中，除了折射面外，还有反射面，光线在这种物镜组中，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。在物镜中来回折转一次之后才能到达十字丝面上。这这样，焦距样，焦距f f没有缩短，而镜筒的长度上反而变短了。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：这种结构特征，从仪器的外表上就能看出来：物镜物镜的通光孔径的通光孔径0 0很大，望远镜的放大倍数也高，但整个望很大，望远镜的放大倍数也高，但整个望远镜的长度却很短。远镜的长度却很短。第12页，此课件共23页哦这种折反射式物镜的主要这种折反射式物镜的主
15、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，折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射面的局部误差不能超出1/8(1/8(波长波长)，反射面的，反射面的局部误差不能超出局部误差不能超出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因而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。产生氧化，降低反光效率。第13页，此课件共23页哦 物镜片都是装在金属的物镜框里面，一般都是通过螺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
16、，镜片就会因受力牙压圈将镜片固紧。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，镜片就会晃动，使象质时好过大而破裂，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，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，
17、以免破坏面上的增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。度。第14页，此课件共23页哦 二、调焦镜二、调焦镜 调焦镜位于物镜与十字丝分划板之间，常和物镜一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把远近不同的目标的象按要求调到十字丝这个焦面上。同的目标的象按要求调到十字丝这个焦面上。如果望远镜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，如的精度很低，调焦镜只用一片凹透镜就能满足要求
18、，如果望远镜精度高，调焦镜就得用两片透镜组成果望远镜精度高，调焦镜就得用两片透镜组成(双胶合式双胶合式或双分离式或双分离式)，且组合后的总光焦度一般为负，即仍相当于，且组合后的总光焦度一般为负，即仍相当于一块凹透镜。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：第15页，此课件共23页哦 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表示表示物镜后等效主平面到调焦镜前等效主平面的距离。在物镜后等效主平面到调焦镜前等效主平面的距离。在f f1 1已为较大的正值的条件下，已为较大的正值的条
19、件下，只有只有f f2 2为负，且满足为负，且满足DDf f1 1+f f2 2时，物镜与调焦镜的组合焦距时，物镜与调焦镜的组合焦距f f才才能为正，且其值较大能为正，且其值较大(因为只有因为只有f f为正，才能实现对目为正，才能实现对目标成实象在十字丝面上，只有标成实象在十字丝面上，只有f f较大，望远镜的放大较大，望远镜的放大率才能提高率才能提高)。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长。如果用凸透镜作调焦镜，就会得出恰才不会加长。如果用凸透镜作调焦镜，就
20、会得出恰恰相反的结果。例如，国产恰相反的结果。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，则第16页，此课件共23页哦如果将调焦镜由凹透镜改为凸透镜，且焦距值不变，即如果将调焦镜由凹透镜改为凸透镜，且焦距值不变，即f f2 2=+149mm=+149mm，则：，则：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，这就意半，这就意味着望远镜的放大率有显著的降低。如果想保持味着望远镜的放大率有显著的降低。如果想保持216216毫毫米的组合焦距
21、不变，将上式变化一下，则可得出相应米的组合焦距不变，将上式变化一下，则可得出相应的：的：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，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。上望远镜的调焦镜一般不用凸透镜，而用凹透镜。第17页，此课件共23页哦三、十字丝分划板三、十字丝分划板 在一块直径约在一块直径约1010毫米，厚度毫米，厚度1212毫米的圆形平板玻璃的一个毫米的圆形平板玻璃的一个面上刻上面上刻上(或用其他方法或用其他方法)互相
22、互相垂直的两条细线，即构成了垂直的两条细线，即构成了一块一块十字丝分划板十字丝分划板。竖的一根。竖的一根称称竖丝竖丝。横的一根称。横的一根称横丝横丝。该。该板往往用胶粘或者用金属筒包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边的方式将其固定在圆形金属框上，如图框上，如图2-72-7中的中的6 6。第18页，此课件共23页哦为了使望远镜的视准轴与横轴相垂直，也为了视准轴在水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，金属框往往用平时，竖盘上读得应有的读数，金属框往往用4 4个可供调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节的螺钉连接到望远镜
23、筒上。左右相对的两个螺钉l l与与2 2是使竖丝左右平移，以校正望远镜的照准差，即是使竖丝左右平移，以校正望远镜的照准差，即2C2C值值(视准轴不垂直于横轴的误差视准轴不垂直于横轴的误差)。上下两个相对的螺钉。上下两个相对的螺钉3 3与与4 4是使横丝上下移动。这是使横丝上下移动。这4 4个螺钉有时也管十字丝板的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。转动，以校正竖丝的铅垂或横丝的水平。作业及修理人作业及修理人员在校正十字丝的位置时，应先把校正结构看清楚，员在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。第19页，此课件共23页哦四、目镜四、目镜 望
24、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。它的作用它的作用是把十字丝及其面上的目标象同时进行放大，供人眼是把十字丝及其面上的目标象同时进行放大，供人眼观察。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
25、冉斯登目镜(图图2-9)2-9)。多用在目镜视场角不超过。多用在目镜视场角不超过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。第20页，此课件共23页哦 2）强纳尔目镜强纳尔目镜(图2-10)。由于它把冉斯登目镜中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，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象质可以提高一点，所以，它可以用于放大率超过3030倍，而视场角不大于倍，而视场角不大于5050的望远镜中。的望远镜中。3）对称式目镜对称式目镜(图2-11)。由于它又把强纳尔目镜中由于它又把强纳尔目镜中
26、单片改成了双片胶合，象质又有所提高，成为中等视场的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。如国产望远镜中象质最好的一种。如国产DJ6-1DJ6-1型、蔡司型、蔡司Theo Theo 020020型经纬仪的目镜。型经纬仪的目镜。4）无畸变目镜无畸变目镜(图2-12)。由于这种形式的目镜能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。如苏一光用在放大率高的望远镜中。如苏一光JGJ2JGJ2型、瑞士威尔型、瑞士威尔特厂的特厂的T2T2型，蔡司厂的型，蔡司厂的Theo 010
27、Theo 010型等光学经纬仪上的型等光学经纬仪上的目镜就属这种形式。目镜就属这种形式。第21页，此课件共23页哦冉斯登目镜冉斯登目镜对称式目镜对称式目镜无畸变目镜无畸变目镜强纳尔目镜强纳尔目镜第22页，此课件共23页哦五、衡量望远镜光学性能的主要指标五、衡量望远镜光学性能的主要指标 1 1望远镜主要参数及性能指标望远镜主要参数及性能指标 TDJ6 TDJ6和和TDJ2TDJ2经纬仪望远镜主要参数及性能指标包括：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、鉴别率距乘常数、视距加常数、鉴别率等。等。作业作业1、对于凸透镜，当物体位于、对于凸透镜，当物体位于2f之外和之外和f之内时，作出之内时，作出两种情况的成像图。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?第23页，此课件共23页哦