大地測量儀器學(xué)

1、大地測量儀器學(xué)第1頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 望遠(yuǎn)鏡的另一大任務(wù)是用來測量距離。只要在十字絲板上加上兩條專門的標(biāo)志線，即視距線，再配上專門的瞄準(zhǔn)目標(biāo)一標(biāo)尺，這個問題就解決了。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)鍵也就在于它通過對目鏡成象后擴(kuò)大了這個張角。 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2頁，共23

2、頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 設(shè)Pm為一個遠(yuǎn)處目標(biāo)，根據(jù)薄透鏡的成象原理可知，該目標(biāo)首先被物鏡成一個倒立的、縮小的實(shí)象Pm在f1之外，且離F1很近的地方。 對目鏡來說，則是在它的前焦點(diǎn)F2以內(nèi)，因此，當(dāng)Pm被目鏡第二次成象時，得到的必定是一個放大的、正立的虛象Pm，當(dāng)然它對原目標(biāo)Pm來說已經(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，就能從視場中看到這個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3頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 由于眼睛到物鏡的距離比眼睛到目標(biāo)的距離小

3、得多，所以，目標(biāo)Pm對眼睛的張角可近似地認(rèn)為是1。又由于眼睛到目鏡的距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于眼睛到虛象Pm的距離，所以，虛象對眼睛的張角也可近似地認(rèn)為是2。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，虛象對眼睛的張角2也就比原目標(biāo)對眼睛的張角1，擴(kuò)大了幾十倍。或者說，眼睛觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)的能力，通過望遠(yuǎn)鏡之后，提高了幾十倍。所以，原來眼睛不能直接看清楚的目標(biāo)通過望遠(yuǎn)鏡就能看清楚。由于目標(biāo)對眼睛的張角的擴(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)大了對眼睛的張角，這就是望遠(yuǎn)鏡能夠望遠(yuǎn)的原因。第4頁，共23頁，2022年，5月20日，14

4、點(diǎn)31分，星期二第5頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二2-2 望遠(yuǎn)鏡的基本構(gòu)造 望遠(yuǎn)鏡是大地測量儀器上的一個重要部件，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)的透鏡稱為物鏡。它一般由兩塊以上的厚透鏡組合而成，因此，又稱為物鏡組。不管由幾塊組成，最后應(yīng)組合成一個會聚系統(tǒng)，只有這樣，才能使遠(yuǎn)處目標(biāo)在它的后焦點(diǎn)附近成一個實(shí)象，然后，使這個實(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6頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二歸納起來

5、，物鏡形式可分為兩大類:(一)折射式物鏡 物鏡中各透鏡的每個面均為折射面，不存在有反射面。常見的有下列三種形式： 1雙膠合式 當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)要求不太高、物鏡的相對孔徑D/f 不大于1/51/6時，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這個值可以理解為物鏡對光線的偏折程度，D/f值越大，偏折得越厲害，引起的成象誤差就越大)不大于1/51/6時，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7頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 這種形式的最大好處是加工、裝配、調(diào)整方便。這種

6、結(jié)構(gòu)形式主要用在J6級及J6級以下的各級光學(xué)經(jīng)緯儀或相當(dāng)于這一精度等級的其他測量儀器上。如北光廠的DJ61型光學(xué)經(jīng)緯儀、Ni2型自動安平水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡物鏡就是這種雙膠合形式。第8頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二2雙分離式 如圖所示。這種物鏡與雙膠合物鏡相比，增加了一個折射面和一個空氣間隔。通過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這一精度級的經(jīng)緯儀上。如杭州紅旗光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的CJH1型光學(xué)經(jīng)緯儀及蔡司Theo 030型及Theo 020型

7、光學(xué)經(jīng)緯儀上的物鏡就是這種雙分離式。第9頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二3三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，相對孔徑可以再提高一點(diǎn)。多用在精度較高的測量儀器的望遠(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，主要是通過反復(fù)地繞光軸轉(zhuǎn)動每塊鏡片的位置和仔細(xì)地調(diào)整鏡片間的距離來解決。第10頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二(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

8、通光孔徑D必然增大，焦距f也必然加長，只有這樣，才能保證相對孔徑D/f值不超過所容許的范圍。但f加長后，鏡筒的長度L必須跟著加長，儀器的體積隨之增大，不利于野外作業(yè)。為了解決鏡筒長度L不隨焦距f的增加而增加這個問題，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Theo 010經(jīng)緯儀物鏡(圖26)及克恩廠的DKM3經(jīng)緯儀物鏡均屬這一類型。第11頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二在這種物鏡組中，除了折射面外，還有反射面，光線在物鏡中來回折轉(zhuǎn)一次之后才能到達(dá)十字絲面上。這樣，焦距f沒有縮短，而鏡筒的長度上反而變短了。這種結(jié)構(gòu)特征，從儀器的外表上就能看出來：物鏡的通光孔徑0很

9、大，望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)也高，但整個望遠(yuǎn)鏡的長度卻很短。第12頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二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1/8(波長)，反射面的局部誤差不能超出1/20； 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13頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 物鏡片都是裝在金屬的物鏡框里面，一般都是通過螺牙壓圈將鏡片固緊。壓圈如果旋得過緊，鏡片就會因受力過大而破裂，如果旋得過松，鏡片就會晃動，使象質(zhì)時好時壞。當(dāng)鏡片與鏡片之間

10、的距離大時，一般用墊圈隔開，當(dāng)距離小時，用錫箔紙墊上幾層就可以了，但墊的厚度應(yīng)均勻，墊的位置要對稱，總之，不應(yīng)破壞鏡片的主面與光軸的垂直度，否則，會引起象差。暴露在外面的鏡面，不要用粗糙的布或紙之類的東西去擦拭，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14頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 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

11、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。 為什么測量儀器上的望遠(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(126)，即：第15頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 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Df1+ f2時，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)械長度才

12、不會加長。如果用凸透鏡作調(diào)焦鏡，就會得出恰恰相反的結(jié)果。例如，國產(chǎn)DJ6-1型經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的f1=149mm，f2=-142mm，D=105mm，則第16頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二如果將調(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： 這說明，鏡筒的長度要比用凹透鏡時增長將近100毫米，從儀器的體積來看，這是一個很大的數(shù)字。所以，測量儀器上望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦鏡一般不用凸透鏡，而用凹透鏡。第17頁，共23頁，

13、2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二三、十字絲分劃板 在一塊直徑約10毫米，厚度12毫米的圓形平板玻璃的一個面上刻上(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。豎的一根稱豎絲。橫的一根稱橫絲。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18頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二為了使望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸與橫軸相垂直，也為了視準(zhǔn)軸在水平時，豎盤上讀得應(yīng)有的讀數(shù)，金屬框往往用4個可供調(diào)節(jié)的螺釘連接到望遠(yuǎn)鏡筒上。左右相對的兩個螺釘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)。上下兩個相對

14、的螺釘3與4是使橫絲上下移動。這4個螺釘有時也管十字絲板的轉(zhuǎn)動，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，應(yīng)先把校正結(jié)構(gòu)看清楚，以免動錯螺絲。第19頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二四、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)象同時進(jìn)行放大，供人眼觀察。所以，目鏡實(shí)際上相當(dāng)于一個放大鏡。 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1030毫米； 2）視場大，視場角一般大于30； 3）相對孔徑較小，一般不超過1/5。 常見的目鏡形式有四種。 1）冉斯登目鏡(圖2-9)。多用在目鏡視場角不超過40，

15、放大率不超過30倍的望遠(yuǎn)鏡上。第20頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二 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30倍，而視場角不大于50的望遠(yuǎn)鏡中。 3）對稱式目鏡(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，成為中等視場的望遠(yuǎn)鏡中象質(zhì)最好的一種。如國產(chǎn)DJ6-1型、蔡司Theo 020型經(jīng)緯儀的目鏡。 4）無畸變目鏡(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Theo 010型等光學(xué)經(jīng)緯儀上的目鏡就屬這種形式。第21頁，共23頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)31分，星期二冉斯登目鏡對稱式目鏡無