大地測(cè)量?jī)x器學(xué)

大地測(cè)量?jī)x器學(xué)第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

望遠(yuǎn)鏡的另一大任務(wù)是用來(lái)測(cè)量距離。只要在十字絲板上加上兩條專(zhuān)門(mén)的標(biāo)志線，即視距線，再配上專(zhuān)門(mén)的瞄準(zhǔn)目標(biāo)—一標(biāo)尺，這個(gè)問(wèn)題就解決了。二、望遠(yuǎn)鏡的成象原理

1、望遠(yuǎn)鏡為什么比人的眼睛看得更遠(yuǎn)呢?

物體能否被眼睛看清楚的關(guān)鍵，不在于它離眼睛有多遠(yuǎn)，也不在于它本身有多大，而在于該物體對(duì)眼睛所成的張角的大小。望遠(yuǎn)鏡之所以能看清遠(yuǎn)處目標(biāo)的關(guān)鍵也就在于它通過(guò)對(duì)目鏡成象后擴(kuò)大了這個(gè)張角。

2、望遠(yuǎn)鏡的成象原理。

把物鏡AB及目鏡CD安放到同一條光軸上，并使AB的后焦點(diǎn)F1′和CD的前焦點(diǎn)F2重合，就構(gòu)成了望遠(yuǎn)鏡的成象系統(tǒng)。第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)Pm為一個(gè)遠(yuǎn)處目標(biāo)，根據(jù)薄透鏡的成象原理可知，該目標(biāo)首先被物鏡成一個(gè)倒立的、縮小的實(shí)象P′m′在f1′之外，且離F1′很近的地方。

對(duì)目鏡來(lái)說(shuō)，則是在它的前焦點(diǎn)F2以內(nèi)，因此，當(dāng)P′m′被目鏡第二次成象時(shí)，得到的必定是一個(gè)放大的、正立的虛象P″m″，當(dāng)然它對(duì)原目標(biāo)Pm來(lái)說(shuō)已經(jīng)是倒立的了。象的位置則在離目鏡約250毫米的地方。當(dāng)眼睛放在目鏡的后焦點(diǎn)F2′附近時(shí)，就能從視場(chǎng)中看到這個(gè)位于眼睛的明視距離處的倒象。這就是在望遠(yuǎn)鏡中看到的目標(biāo)為什么都是倒立的原因。

第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

由于眼睛到物鏡的距離比眼睛到目標(biāo)的距離小得多，所以，目標(biāo)Pm對(duì)眼睛的張角可近似地認(rèn)為是ω1。又由于眼睛到目鏡的距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于眼睛到虛象P″m″的距離，所以，虛象對(duì)眼睛的張角也可近似地認(rèn)為是ω2。而一般望遠(yuǎn)鏡的物鏡焦距比目鏡焦距要大上幾十倍，這樣，虛象對(duì)眼睛的張角ω2也就比原目標(biāo)對(duì)眼睛的張角ω1，擴(kuò)大了幾十倍?；蛘哒f(shuō)，眼睛觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)的能力，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡之后，提高了幾十倍。所以，原來(lái)眼睛不能直接看清楚的目標(biāo)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡就能看清楚。由于目標(biāo)對(duì)眼睛的張角的擴(kuò)大與目標(biāo)由遠(yuǎn)移近的實(shí)質(zhì)是一樣的，所以，從望遠(yuǎn)鏡中看到的目標(biāo)總比原目標(biāo)要近。物鏡和目鏡把遠(yuǎn)處目標(biāo)變成象，從而擴(kuò)大了對(duì)眼睛的張角，這就是望遠(yuǎn)鏡能夠望遠(yuǎn)的原因。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日§2-2望遠(yuǎn)鏡的基本構(gòu)造

望遠(yuǎn)鏡是大地測(cè)量?jī)x器上的一個(gè)重要部件，它由許多光學(xué)零件和機(jī)械零件組成。按光學(xué)成象的原理，一般將望遠(yuǎn)鏡分為物鏡、十字絲分劃板、調(diào)焦鏡及目鏡四大基本部分。一、物鏡

望遠(yuǎn)鏡上朝向目標(biāo)的透鏡稱(chēng)為物鏡。它一般由兩塊以上的厚透鏡組合而成，因此，又稱(chēng)為物鏡組。不管由幾塊組成，最后應(yīng)組合成一個(gè)會(huì)聚系統(tǒng)，只有這樣，才能使遠(yuǎn)處目標(biāo)在它的后焦點(diǎn)附近成一個(gè)實(shí)象，然后，使這個(gè)實(shí)象，連同十字絲面上的分劃線，第二次被目鏡去成象與放大，最后供人眼去觀察。第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日歸納起來(lái)，物鏡形式可分為兩大類(lèi):(一)折射式物鏡

物鏡中各透鏡的每個(gè)面均為折射面，不存在有反射面。常見(jiàn)的有下列三種形式：1．雙膠合式

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)要求不太高、物鏡的相對(duì)孔徑D/f

不大于1/5～1/6時(shí)，物鏡的三種主要象差(即球差、色差和彗差)均能滿足精度要求。相對(duì)孔徑D/f

(D為物鏡的有效通光孔徑，f為物鏡的焦距，D/f這個(gè)值可以理解為物鏡對(duì)光線的偏折程度，D/f值越大，偏折得越厲害，引起的成象誤差就越大)不大于1/5～1/6時(shí)，物鏡的三種主要象差(即球差、色差和彗差)均能滿足精度要求。第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日這種形式的最大好處是加工、裝配、調(diào)整方便。這種結(jié)構(gòu)形式主要用在J6級(jí)及J6級(jí)以下的各級(jí)光學(xué)經(jīng)緯儀或相當(dāng)于這一精度等級(jí)的其他測(cè)量?jī)x器上。如北光廠的DJ6—1型光學(xué)經(jīng)緯儀、Ni—2型自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡物鏡就是這種雙膠合形式。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2．雙分離式

如圖所示。這種物鏡與雙膠合物鏡相比，增加了一個(gè)折射面和一個(gè)空氣間隔。通過(guò)修正折射面的曲率半徑及調(diào)整空氣間隔，能更方便地消除物鏡的成象誤差，因此，物鏡的相對(duì)孔徑D/f值可以適當(dāng)?shù)脑龃笠稽c(diǎn)。但兩片的同心度就不如雙膠合式容易保證。它仍只能用在J6這一精度級(jí)的經(jīng)緯儀上。如杭州紅旗光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的CJH—1型光學(xué)經(jīng)緯儀及蔡司Theo030型及Theo020型光學(xué)經(jīng)緯儀上的物鏡就是這種雙分離式。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日3．三片分離式由于這種形式的折射面數(shù)目增多，空氣間隙的數(shù)量增加，校正物象差的性能就更好，相對(duì)孔徑可以再提高一點(diǎn)。多用在精度較高的測(cè)量?jī)x器的望遠(yuǎn)鏡上。如蘇一光JGJ2型，瑞士克思廠生產(chǎn)的DKM2型及蘇聯(lián)TB-1型等光學(xué)經(jīng)緯儀的物鏡就是這種三片分離式。缺點(diǎn)是增加了裝配調(diào)整的困難。當(dāng)象質(zhì)不好時(shí)，主要是通過(guò)反復(fù)地繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)每塊鏡片的位置和仔細(xì)地調(diào)整鏡片間的距離來(lái)解決。第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日(二)折反射式物鏡要獲得成象性能良好，放大倍率高的望遠(yuǎn)物鏡，折射式物鏡的有效通光孔徑D必然增大，焦距f也必然加長(zhǎng)，只有這樣，才能保證相對(duì)孔徑D/f值不超過(guò)所容許的范圍。但f加長(zhǎng)后，鏡筒的長(zhǎng)度L必須跟著加長(zhǎng)，儀器的體積隨之增大，不利于野外作業(yè)。為了解決鏡筒長(zhǎng)度L不隨焦距f的增加而增加這個(gè)問(wèn)題，在經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡中就出現(xiàn)了折反射式物鏡。如蔡司Theo010經(jīng)緯儀物鏡(圖2—6)及克恩廠的DKM3經(jīng)緯儀物鏡均屬這一類(lèi)型。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日在這種物鏡組中，除了折射面外，還有反射面，光線在物鏡中來(lái)回折轉(zhuǎn)一次之后才能到達(dá)十字絲面上。這樣，焦距f沒(méi)有縮短，而鏡筒的長(zhǎng)度上反而變短了。這種結(jié)構(gòu)特征，從儀器的外表上就能看出來(lái)：物鏡的通光孔徑0很大，望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)也高，但整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)度卻很短。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日這種折反射式物鏡的主要缺點(diǎn)是：1．鏡片的共軸性要求高；2．對(duì)折射面及反射面的加工精度要求高，折射面的局部誤差不能超出1/8λ(波長(zhǎng))，反射面的局部誤差不能超出1/20λ；3．裝校工藝要求高；4．反射面上的反光材料容易因潮濕等原因而產(chǎn)生氧化，降低反光效率。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日物鏡片都是裝在金屬的物鏡框里面，一般都是通過(guò)螺牙壓圈將鏡片固緊。壓圈如果旋得過(guò)緊，鏡片就會(huì)因受力過(guò)大而破裂，如果旋得過(guò)松，鏡片就會(huì)晃動(dòng)，使象質(zhì)時(shí)好時(shí)壞。當(dāng)鏡片與鏡片之間的距離大時(shí)，一般用墊圈隔開(kāi)，當(dāng)距離小時(shí)，用錫箔紙墊上幾層就可以了，但墊的厚度應(yīng)均勻，墊的位置要對(duì)稱(chēng)，總之，不應(yīng)破壞鏡片的主面與光軸的垂直度，否則，會(huì)引起象差。暴露在外面的鏡面，不要用粗糙的布或紙之類(lèi)的東西去擦拭，以免破壞面上的增透膜和使面上產(chǎn)生許多劃痕，影響透光能力和成象的清晰度。第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

二、調(diào)焦鏡

調(diào)焦鏡位于物鏡與十字絲分劃板之間，常和物鏡一起合稱(chēng)為望遠(yuǎn)鏡物鏡組。調(diào)焦鏡的主要作用是把遠(yuǎn)近不同的目標(biāo)的象按要求調(diào)到十字絲這個(gè)焦面上。如果望遠(yuǎn)鏡的精度很低，調(diào)焦鏡只用一片凹透鏡就能滿足要求，如果望遠(yuǎn)鏡精度高，調(diào)焦鏡就得用兩片透鏡組成(雙膠合式或雙分離式)，且組合后的總光焦度一般為負(fù)，即仍相當(dāng)于一塊凹透鏡。為什么測(cè)量?jī)x器上的望遠(yuǎn)鏡中的調(diào)焦鏡一般采用凹透鏡而很少采用凸透鏡呢?根據(jù)公式(1—26)，即：第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

f1′及f2′分別表示物鏡及調(diào)焦鏡的后主焦距，D表示物鏡后等效主平面到調(diào)焦鏡前等效主平面的距離。在f1′已為較大的正值的條件下，

只有f2′為負(fù)，且滿足D>∣f1′+f2′∣時(shí)，物鏡與調(diào)焦鏡的組合焦距f′才能為正，且其值較大(因?yàn)橹挥衒′為正，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)成實(shí)象在十字絲面上，只有f′較大，望遠(yuǎn)鏡的放大率才能提高)。也只有f2′為負(fù)值，D的值才能小，即物鏡與調(diào)焦鏡之間的距離才能短，鏡筒的機(jī)械長(zhǎng)度才不會(huì)加長(zhǎng)。如果用凸透鏡作調(diào)焦鏡，就會(huì)得出恰恰相反的結(jié)果。例如，國(guó)產(chǎn)DJ6-1型經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的f1′=149mm，f2′=-142mm，D=105mm，則第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日如果將調(diào)焦鏡由凹透鏡改為凸透鏡，且焦距值不變，即f2′=+149mm，則：計(jì)算結(jié)果表明，組合焦距縮短了將近1半，這就意味著望遠(yuǎn)鏡的放大率有顯著的降低。如果想保持216毫米的組合焦距不變，將上式變化一下，則可得出相應(yīng)的：

這說(shuō)明，鏡筒的長(zhǎng)度要比用凹透鏡時(shí)增長(zhǎng)將近100毫米，從儀器的體積來(lái)看，這是一個(gè)很大的數(shù)字。所以，測(cè)量?jī)x器上望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦鏡一般不用凸透鏡，而用凹透鏡。第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日三、十字絲分劃板

在一塊直徑約10毫米，厚度1—2毫米的圓形平板玻璃的一個(gè)面上刻上(或用其他方法)互相垂直的兩條細(xì)線，即構(gòu)成了一塊十字絲分劃板。豎的一根稱(chēng)豎絲。橫的一根稱(chēng)橫絲。該板往往用膠粘或者用金屬筒包邊的方式將其固定在圓形金屬框上，如圖2-7中的6。第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日為了使望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸與橫軸相垂直，也為了視準(zhǔn)軸在水平時(shí)，豎盤(pán)上讀得應(yīng)有的讀數(shù)，金屬框往往用4個(gè)可供調(diào)節(jié)的螺釘連接到望遠(yuǎn)鏡筒上。左右相對(duì)的兩個(gè)螺釘l與2是使豎絲左右平移，以校正望遠(yuǎn)鏡的照準(zhǔn)差，即2C值(視準(zhǔn)軸不垂直于橫軸的誤差)。上下兩個(gè)相對(duì)的螺釘3與4是使橫絲上下移動(dòng)。這4個(gè)螺釘有時(shí)也管十字絲板的轉(zhuǎn)動(dòng)，以校正豎絲的鉛垂或橫絲的水平。作業(yè)及修理人員在校正十字絲的位置時(shí)，應(yīng)先把校正結(jié)構(gòu)看清楚，以免動(dòng)錯(cuò)螺絲。第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日四、目鏡

望遠(yuǎn)鏡上靠近眼睛這一端的透鏡為目鏡。它的作用是把十字絲及其面上的目標(biāo)象同時(shí)進(jìn)行放大，供人眼觀察。所以，目鏡實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)放大鏡。

與物鏡相比目鏡在光學(xué)結(jié)構(gòu)方面的特點(diǎn)是：1）焦距短，一般只有10～30毫米；2）視場(chǎng)大，視場(chǎng)角一般大于30°；3）相對(duì)孔徑較小，一般不超過(guò)1/5。常見(jiàn)的目鏡形式有四種。1）冉斯登目鏡(圖2-9)。多用在目鏡視場(chǎng)角不超過(guò)40°，放大率不超過(guò)30倍的望遠(yuǎn)鏡上。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2）強(qiáng)納爾目鏡(圖2-10)。由于它把冉斯登目鏡中靠近眼睛的這塊透鏡由單片改成了雙片膠合的形式，象質(zhì)可以提高一點(diǎn)，所以，它可以用于放大率超過(guò)30倍，而視場(chǎng)角不大于50°的望遠(yuǎn)鏡中。3）對(duì)稱(chēng)式目鏡(圖2-11)。由于它又把強(qiáng)納爾目鏡中單片改成了雙片膠合，象質(zhì)又有所提高，成為中等視場(chǎng)的望遠(yuǎn)鏡中象質(zhì)最好的一種。如國(guó)產(chǎn)DJ6-1型、蔡司Theo020型經(jīng)緯儀的目鏡。4）無(wú)畸變目鏡(圖2-12)。由于這種形式的目鏡能較好地消除畸變，使目鏡的焦距變得很短，所以，它多用在放大率高的望遠(yuǎn)鏡中。如蘇一光JGJ2型、瑞士威爾特廠的T2型，蔡司廠的Theo010型等光學(xué)經(jīng)緯儀上的目鏡就屬這種形式。第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日冉斯登