单筒望远镜结构设计论文38964

1、本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)题目题目：单筒望远镜结构设计单筒望远镜结构设计毕业设计（论文）任务书系别 专业 班级 姓名 学号 1.毕业设计(论文)题目： 单筒望远镜结构设计 2.题目背景和意义：作为一名仪器方向的学生，应全面掌握光学仪器的设计。单筒望远镜又是最典型的一款光学仪器，从结构到光学设计都较简单而典型。本课题的主要内容是训练学生如何设计一个单筒的光学仪器，包括总体设计、结构设计，物镜、目镜选择等。已适应日后工作的需要。3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标)： (1)设计一个单筒刻卜勒望远镜 (2)放大率 8倍，视场角 5 度，带转像系统，5 个可调视度，并能防脱 (3)

2、根据总体结构设计各功能部件的结构 (4)外型尺寸合理 (5)用 cad 出工程图，不少于 20 张。4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点)：测量原理正确、总体结构设计合理、零部件结构设计正确、工艺可行。设计地点在校内。 第 13 周 熟悉任务书，查询和阅读相关资料，方案论证，制定总体方案。 第 46 周 熟悉并掌握基于 cad 设计机械结构的方法。 第 710 周 望远镜光路系统的设计。 第 1115 周 总体结构设计，零部件结构设计。 第 1617 周 书写毕业设计论文。 第 18 周 修改、完善毕业设计论文并打印；准备答辩。 5.毕业设计(论文)的工作量要求 实验(时数)*或

3、实习(天数)： 图纸(幅面和张数)*： 不少于 20 张 (a4) 其他要求： 撰写 15000 字论文 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。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、

4、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single binoculars structure designabstractthis d

5、esign 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 an

6、gle, 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 diame

7、ter, 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 b

8、ased 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 b

9、oard 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.11.1 课题研究的背景及意义 .11.1.1 课题研究的背景.11.1.2 课题研究的意义.11.2 现状及

10、展望 .11.2.1 现状.11.2.2 展望趋势.31.3 论文的组织结构 .42 望远镜设计原理望远镜设计原理.52.1 望远镜工作原理 .52.2 转像棱镜系统 .53 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.73.1 技术要求 .73.2 系统光学参数的理论计算 .73.2.1 通过“未加入棱镜”的望远镜系统计算出主要的参数.73.2.2 通过加入棱镜后的望远系统得到剩余的结构参数.93.3 望远镜元件的选型 .113.3.1 物镜的选型.113.3.2 目镜的选型.123.3.3 分划板的设计.133.3.4 转像棱镜的选型.133.4 目镜视度的计算 .164 结构设

11、计结构设计.184.1 望远镜总体结构 .184.2 各部件的结构图 .184.2.1 物镜组结构图.184.2.2 棱镜组结构图.214.2.3 目镜组结构图.245 结论结论.315.1 总结 .315.2 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.361 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

12、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

13、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，

14、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，并且早已经广泛使用在生活的各个方面。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，g15641642)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

15、上的第一个黄金时代。1611年，德国天文学家刻卜勒(kepter，j15711630)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，i16421727)用2.5厘米直径的金属，磨

16、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，ep18891953)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

17、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

18、学走向空间时代的一个里程碑。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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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-fed 孔径光阑(入瞳)f1 （f2）出瞳wf2-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如图 2.2 所示，正像系统可采用普罗

25、 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

26、分分felzf 0dwwbao4o3o2o1d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 mmb. 入瞳直径 d根据放大倍数： (3.2)dd有 = 2mmd则 d = 2= 16 mmc. 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)0t

27、anfhz 得 mm9858. 6160.52tan0 hz所以视场光阑通光口径：mm9716.13858.9622 hzd. 分划板直径 df df = 2 (3.4)0ftan得 df = 26.9858 = 13.9716 mme. 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)(tan0eff 故 目 hzmm597.87)20160(.52tan02目mm hz7194.1579. 92f. 像方视场角2由 (3.6)tantan得 3493. 0.52tan8tantan0从而 056.219则 012.5382g. 入瞳距lz由于

28、入瞳位置与物镜重合，所以 (3.7)0lzh. 出瞳距 lz在三角形 o3o4b 中，由几何关系得 目/ (3.8)lz hztan得 mm013.5223493. 0597.87lzi. 系统总长度l (3.9)0lzffle得 mm5013.2025013.2220160l3.2.2 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 0edddfd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

29、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 = (86.9858)/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

30、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)cadfx20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. 1432.927d所以可以求得 mm715.5125214285.4182160 x像点轴向位移长度l = l棱镜 (11/n) (3.13)得 l = l棱镜(11/n) = 27.943218.4285 = 9.5147mmb. 实际系统

31、拉直后的总长度系统l=l+l (3.14)系统l得 = l+2l = 202.5013+29.5147 = 221.5307mm系统lddd棱镜棱镜c=2mmxdaboa =14 mmf 0 ooc. 两棱镜中折转光路的长度 yy = 2 l棱镜 (3.15)得 y = 227.9432 = 55.886mmd. 实际系统总长度系统l= (3.16)系统l系统lcy2得 =162mm系统lmm443.61614864.855307.52213.3 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

32、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

33、面序号50.166空气st0-43.5632k92-232.4795.055zf133.3.2 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；ef视场 ； 012.5382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

34、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rdnd50.3516.595-20.720.7-16.595-50.351.550.351.51.61641.51631.51631.61643.3.3 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

35、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=l1h/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

36、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 = -/ 0fef又因为刻卜勒望远镜的和都为正值时， 为负值8。0fef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

37、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： xzyzyxy zx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，

38、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。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

39、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 2a al棱镜d ddl 1l图 3.9 等效空气板等效空气板厚度：d = l棱镜 / n =18.4285mm； (3.18)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

40、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 f1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xf2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)xx2f则得到= (3.21)crf22目镜视度调节示意图如下：arcf2-

41、x-rf2 f1 ax=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)cr1000f22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)1000fn22根据要求视度应对非正常眼调节 n= 5 个折光度，故上式为= 1000f522其中，f2为目镜的焦距，f2 =20mm。计算得 =2mm。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

42、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

43、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。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

44、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。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

45、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

46、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

47、定压盖。棱镜部分装配图总长度为 53mm，最长直径为 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

48、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

49、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

50、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

51、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。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

52、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

53、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

54、.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。(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 目镜座压圈如图 4.20 所示，目镜压圈内、外径分别为 20mm，24mm，宽度为 4m

55、m。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 护眼罩如图 4.22 所示，护眼罩总长为 24m

56、m，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

57、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，更熟练地掌握了望远镜的设计原理及它的部

58、件的构造、布局及相互之间的链接方法，并且对 auto cad 制图软件也能够熟练应用。这将对以后研究设计其他类型的望远镜结构有很大的启发作用。参考文献参考文献1 母国光，战元令. 光学m. 北京：人民教育出版社，1979. 267-281.2 张以谟. 应用光学m. 北京：机械工业出版社，1982.3 徐元哲，冯颖. 大学物理实验m. 吉林：吉林大学出版，2003.4 沈元华. 设计性、研究性物理实验介绍j. 物理实验，2004，24(2)；33.5 梁红艳，郑振华，郭劲. 大口径望远镜跟踪架的结构研究. 期刊，2006-12-30.6 马品仲. 大型望远镜设计与研究. 期刊，1994，15(3).7 曹柏林. 延安教育学院学报. 2000，29(3).8 张阜权，孙荣山，唐伟国. 光学. 北京师范大学出版社，1985 ( 275).9 人民教育出版社物理室. 中师物理第一册. 人民教育出版社，1998 ( 41).10 chen bo，liu zhen，yang lin，ect，wang xiaoguang & ni qiliang state key laboratory of applied optics，changchun institute of optics，fine