单筒望远镜结构设计论文38964.doc

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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，

2、并能防脱 (3)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

3、要求 实验(时数)*或实习(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。 I 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

4、据望远镜的成像原理完成了物镜焦距、目镜焦距、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 II Single Binocu

5、lars Structure Design Abstract This design 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

6、times magnification, 5 degree view Angle, 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 pupi

7、l caliber, the optical aperture diameter, 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 struc

8、ture design of components, and then based 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 ob

9、jective part, prism part, partition board 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 III 目目 录录 1 绪论绪论1 1.1 课题研究的背

10、景及意义 1 1.1.1 课题研究的背景.1 1.1.2 课题研究的意义.1 1.2 现状及展望 1 1.2.1 现状.1 1.2.2 展望趋势.3 1.3 论文的组织结构 4 2 望远镜设计原理望远镜设计原理5 2.1 望远镜工作原理 5 2.2 转像棱镜系统 5 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7 3.1 技术要求 7 3.2 系统光学参数的理论计算 7 3.2.1 通过“未加入棱镜”的望远镜系统计算出主要的参数.7 3.2.2 通过加入棱镜后的望远系统得到剩余的结构参数.9 3.3 望远镜元件的选型 11 3.3.1 物镜的选型.11 3.3.2 目镜的选型.12

11、 3.3.3 分划板的设计.13 3.3.4 转像棱镜的选型.13 3.4 目镜视度的计算 16 4 结构设计结构设计18 4.1 望远镜总体结构 18 4.2 各部件的结构图 18 4.2.1 物镜组结构图.18 4.2.2 棱镜组结构图.21 4.2.3 目镜组结构图.24 5 结论结论31 IV 5.1 总结 31 5.2 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.36 1 绪论 1 1 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

12、 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

13、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

14、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，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 1 绪论 2 经广泛使用在生活的各个方面。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 3 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。16

15、09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

16、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

17、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

18、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，是天文学走向空间时代的一个里程碑。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 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

19、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

20、），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

21、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

22、涉仪和综合孔径射电望远 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 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

23、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

24、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 6 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镜的物方焦点重合，光学间隔

25、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 -fe D 孔径光阑 (入瞳) F1 （F2） 出瞳 W F2 -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 西安工业大学北

26、方信息工程学院毕业设计（论文） 7 如图 2.2 所示，正像系统可采用普罗 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 8 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

27、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分 分 felzf 0 DW W B A O4O3O2O1 D 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 mm 西安工业大学北方信息工程学

28、院毕业设计（论文） 9 b. 入瞳直径 D 根据放大倍数： (3.2) D D 有 = 2mm D 则 D = 2= 16 mm c. 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) 0 tanfhz 得 mm9858 . 6 160.52tan 0 hz 所以视场光阑通光口径： mm9716.13858.9622 hz d. 分划板直径 DF DF = 2 (3.4) 0 ftan 得 DF = 26.9858 = 13.9716 mm e. 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

29、.5) hz)(tan 0e ff 故 目 hzmm597.87)20160(.52tan 0 2 目 mm hz7194.1579 . 9 2 f. 像方视场角 2 由 (3.6) tan tan 得 3493 . 0 .52tan8tantan 0 从而 0 56.219 则 0 12.5382 g. 入瞳距lz 由于入瞳位置与物镜重合，所以 (3.7)0lz 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 10 h. 出瞳距 lz 在三角形 O3O4B 中，由几何关系得 目/ (3.8) lz hztan 得 mm013.5223493 . 0 597.87 lz i. 系统总长度L (3

30、.9) 0 lzffL e 得 mm5013.2025013.2220160L 3.2.2 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 0 e d D DF D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

31、= 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 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 11 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 25mm， 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。

32、（折射率 n=1.5163） a. 由图 3.3 中的几何关系，可知 (3.11)cadfx2 0 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 . 1 432.927d 所以可以求得 mm715.5125214285.4182160x 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 = 9.5147mm b. 实际系统拉直后的总长度 系统 L =L+l (3.14) 系统 L 得 =

33、 L+2l = 202.5013+29.5147 = 221.5307mm 系统 L dd D棱镜 棱镜 c=2mm x D A B O a =14 mm f 0 OO 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 12 c. 两棱镜中折转光路的长度 y y = 2 L棱镜 (3.15) 得 y = 227.9432 = 55.886mm d. 实际系统总长度 系统 L = (3.16) 系统 L 系统 Lcy2 得 =162mm 系统 Lmm443.61614864.855307.5221 3.3 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：

34、双胶合物镜、双分离物镜、双单（单双）物 镜、三分离物镜、摄远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

35、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 曲率半径厚度玻璃面序号 50.166空气ST0 -43.5632K92 -232.4795.055ZF13 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 13 3.3.2 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； e f 视场 ； 0 12.5382 出瞳距 lz=

36、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 rdnD 50.35 16.595 -20.7 20.7 -16.595 -50.35 1.5 5 0.3 5 1.5 1.6164 1.5163 1.5163 1.6164 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 14 3.3.3 分划板的设计分划板的设计 分划板是上面刻有十字线

37、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 20

38、00m，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 = -/ 0 f e f 西安工业大学北方信息工程

39、学院毕业设计（论文） 15 又因为刻卜勒望远镜的和都为正值时， 为负值8。 0 f e f 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

40、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： x z y z y x y z x 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，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

41、 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。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 16 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

42、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 2 A A L棱镜 d d d l 1 l 图 3.9 等效空气板 等效空气板厚度： d = L棱镜 / n =18.4285mm； (3.18) 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 17 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

43、 眼来说，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x F2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)xx 2 f 则得到 = (3.21) cr f 2

44、2 目镜视度调节示意图如下： Ar c F2 -x -r F2 F1 A x= 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 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 18 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) cr 1000 f 2 2 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) 1000 fN 2 2 根据要求视度应对非正常眼调节 N= 5 个折光度，故上式为 = 1000 f

45、5 2 2 其中，f2为目镜的焦距，f2 =20mm。 计算得 =2mm。 4 结构设计 19 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-

46、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。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 20 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)