大地测量仪器学

大地测量仪器学第一页，共二十三页，2022年，8月28日

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。第二页，共二十三页，2022年，8月28日设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P′m′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P′m′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P″m″，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。

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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对眼睛的张角可近似地认为是ω1。又由于眼睛到目镜的距离也远远小于眼睛到虚象P″m″的距离，所以，虚象对眼睛的张角也可近似地认为是ω2。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ω2也就比原目标对眼睛的张角ω1，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。第四页，共二十三页，2022年，8月28日第五页，共二十三页，2022年，8月28日§2-2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。第六页，共二十三页，2022年，8月28日归纳起来，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、物镜的相对孔径D/f

不大于1/5～1/6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1/5～1/6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。第七页，共二十三页，2022年，8月28日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DJ6—1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。第八页，共二十三页，2022年，8月28日2．双分离式

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CJH—1型光学经纬仪及蔡司Theo030型及Theo020型光学经纬仪上的物镜就是这种双分离式。第九页，共二十三页，2022年，8月28日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。第十页，共二十三页，2022年，8月28日(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Theo010经纬仪物镜(图2—6)及克恩厂的DKM3经纬仪物镜均属这一类型。第十一页，共二十三页，2022年，8月28日在这种物镜组中，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。第十二页，共二十三页，2022年，8月28日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1/8λ(波长)，反射面的局部误差不能超出1/20λ；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。第十三页，共二十三页，2022年，8月28日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，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。第十四页，共二十三页，2022年，8月28日

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(1—26)，即：第十五页，共二十三页，2022年，8月28日

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D>∣f1′+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，则第十六页，共二十三页，2022年，8月28日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。第十七页，共二十三页，2022年，8月28日三、十字丝分划板

在一块直径约10毫米，厚度1—2毫米的圆形平板玻璃的一个面上刻上(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。第十八页，共二十三页，2022年，8月28日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，应先把校正结构看清楚，以免动错螺丝。第十九页，共二十三页，2022年，8月28日四、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10～30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。第二十页，共二十三页，2022年，8月28日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Theo020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Theo010型等光学经纬仪上的目镜就属这种形式。第二十一页，共二十三页，2022年，8月28日冉斯登