單筒望遠鏡結構設計畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p>　　題目：單筒望遠鏡結構設計</p><p>　　系 別： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　

2、學 生： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　年 月</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　

3、　系別 專業(yè) 班級 姓名 學號 </p><p>　　1.畢業(yè)設計(論文)題目： 單筒望遠鏡結構設計 </p><p>　　2.題目背景和意義：作為一名儀器方向的學生，應全面掌握光學儀器的設計。單筒望遠鏡又是最典型的一款光學儀器，從結構到光

4、學設計都較簡單而典型。本課題的主要內(nèi)容是訓練學生如何設計一個單筒的光學儀器，包括總體設計、結構設計，物鏡、目鏡選擇等。已適應日后工作的需要。</p><p>　　3.設計(論文)的主要內(nèi)容(理工科含技術指標)： (1)設計一個單筒刻卜勒望遠鏡 (2)放大率8倍，視場角5度，帶轉像系統(tǒng)，5個可調(diào)視度，并能防脫 (3)根據(jù)總體結構設計各功能部件的結構 (4)外型尺寸合理 (5)用CAD出工程圖，不少于20張。<

5、/p><p>　　4.設計的基本要求及進度安排(含起始時間、設計地點)：測量原理正確、總體結構設計合理、零部件結構設計正確、工藝可行。設計地點在校內(nèi)。 </p><p>　　第1～3周 熟悉任務書，查詢和閱讀相關資料，方案論證，制定總體方案。

6、 </p><p>　　第4～6周 熟悉并掌握基于CAD設計機械結構的方法。 </p><p>　　第7～10周 望遠鏡光路系統(tǒng)的設計。

7、 </p><p>　　第11～15周 總體結構設計，零部件結構設計。 </p><p>　　第16～17周 書寫畢業(yè)設計論文。

8、 </p><p>　　第18周 修改、完善畢業(yè)設計論文并打??；準備答辯。 </p><p>　　5.畢業(yè)設計(論文)的工作量要求

9、 </p><p>　　① 實驗(時數(shù))*或實習(天數(shù))： </p><p>　?、?圖紙(幅面和張數(shù))*： 不少于20張 (A4) </p><p&g

10、t;　　③ 其他要求： 撰寫15000字論文 </p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　學生簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任審批：

11、 年 月 日</p><p>　　說明：1本表一式二份，一份由學生裝訂入冊，一份教師自留。</p><p>　　2 帶*項可根據(jù)學科特點選填。</p><p><b>　　單筒望遠鏡結構設計</b></p><p><b>　　摘 要</b><

12、;/p><p>　　本文設計的是刻卜勒式的單筒望遠鏡。單筒望遠鏡的主要結構有物鏡系統(tǒng)、轉像棱鏡系統(tǒng)、分劃板以及目鏡系統(tǒng)這幾個部分。根據(jù)設計要求，本文設計出了具有8倍放大倍率、5度的視場角、5個可調(diào)視度，并且?guī)в修D像系統(tǒng)以及合理的防脫裝置。</p><p>　　在設計過程中根據(jù)望遠鏡的成像原理完成了物鏡焦距、目鏡焦距、入瞳直徑、視場光闌通光口徑、分劃板直徑、目鏡通光口徑、棱鏡通光口徑、出瞳口徑、

13、像方視場角、系統(tǒng)總長度等基本光學尺寸的設計，并根據(jù)相關尺寸完成了光學元件的選型及各部件固定結構的設計，然后根據(jù)以上內(nèi)容的確定進一步完成了望遠鏡的結構設計。</p><p>　　最后，結合上述設計內(nèi)容利用Auto CAD制圖軟件繪制出其裝配圖和零件圖，包括單筒望遠鏡的總體結構圖、物鏡部分、棱鏡部分、分劃板部分及目鏡部分等各個部分單獨的裝配結構圖，并進一步完成了各部分裝配所需要的零件圖及相應的說明。</p>

14、;<p>　　關鍵詞：單筒望遠鏡；光路原理；結構設計</p><p>　　Single Binoculars Structure Design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design is inscribed prevert the single binoculars, t

15、ype. 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 ma

16、gnification, 5 degree view Angle, five adjustable visual degrees, and turn like system and reasonable with the resistance from device. </p><p>　　In the design process according to the principle of imaging te

17、lescope finished the telescope focal length, the eyepiece focal length, diameter, view the pupil caliber, the optical aperture diameter, eyepiece tong help board caliber, the prism the optical light caliber, caliber, the

18、 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 based o&l

19、t;/p><p>　　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, partit

20、ion 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.</p><p>　　Key Words: single binocular

21、s; light path principle; structure design</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.1.1 課題研究的背景1</p&g

22、t;<p>　　1.1.2 課題研究的意義1</p><p>　　1.2現(xiàn)狀及展望1</p><p>　　1.2.1 現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 展望趨勢3</p><p>　　1.3論文的組織結構4</p><p>　　2 望遠鏡設計原理5</p><p&g

23、t;　　2.1望遠鏡工作原理5</p><p>　　2.2轉像棱鏡系統(tǒng)5</p><p>　　3 望遠鏡系統(tǒng)設計及元件的選型7</p><p><b>　　3.1技術要求7</b></p><p>　　3.2系統(tǒng)光學參數(shù)的理論計算7</p><p>　　3.2.1 通過“未加入棱鏡”的

24、望遠鏡系統(tǒng)計算出主要的參數(shù)7</p><p>　　3.2.2 通過加入棱鏡后的望遠系統(tǒng)得到剩余的結構參數(shù)9</p><p>　　3.3望遠鏡元件的選型11</p><p>　　3.3.1 物鏡的選型11</p><p>　　3.3.2 目鏡的選型12</p><p>　　3.3.3 分劃板的設計13<

25、/p><p>　　3.3.4 轉像棱鏡的選型13</p><p>　　3.4目鏡視度的計算16</p><p>　　4 結構設計18</p><p>　　4.1望遠鏡總體結構18</p><p>　　4.2各部件的結構圖18</p><p>　　4.2.1 物鏡組結構圖18</p

26、><p>　　4.2.2 棱鏡組結構圖21</p><p>　　4.2.3 目鏡組結構圖24</p><p><b>　　5 結論31</b></p><p><b>　　5.1總結31</b></p><p><b>　　5.2體會31</b>

27、</p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明34</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明35</p><p><b>　　附圖36</b

28、></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的背景及意義</p><p>　　1.1.1 課題研究的背景</p><p>　　長久以來，人們仰望天空，看見日月星辰東升西落，有過天圓地方、地心說、日心說等宇宙模型。從前，人們只能用肉眼對星空進行觀察，觀測范圍非常局限，所得的數(shù)

29、據(jù)資料也就非常有限。光學望遠鏡從誕生至今將近400年，出現(xiàn)了折射望遠鏡、反射望遠鏡、折反射式望遠鏡和空間望遠鏡等多種類型的望遠鏡，不斷推動著天文學和物理學的發(fā)展。</p><p>　　作為一名光學專業(yè)、儀器方向的學生，應全面掌握光學儀器的設計。應用光學是光學專業(yè)的重要課程，通過應用光學課程的學習，對望遠系統(tǒng)及望遠鏡的基本理論知識及結構已經(jīng)清楚了解。單筒望遠鏡是其中最典型的一款光學儀器，從光學原理的設計到機械結構都

30、比較簡單而且典型，現(xiàn)在也已經(jīng)具備了簡易望遠鏡設計的能力。應該運用所學知識，獨立完成其光路、結構的設計。</p><p>　　1.1.2 課題研究的意義</p><p>　　望遠鏡是一種用于觀測遠距離物體的目視光學儀器，通過望遠鏡可以把遠物很小的張角按一定倍率放大，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體清晰可辨。</p><p>　　它是一種很重要的觀測設備，應用廣泛?？梢?/p>

31、通過理解、應用前人的經(jīng)典設計，完成簡易望遠鏡的結構設計，包括成像原理，整體構造。從而清楚地了解望遠鏡的基本結構，進而深入到人們對宇宙、天象的觀測途徑及其具體探測系統(tǒng)的結構的設計，以增強自身對光學儀器設計乃至光學探測研究的興趣。</p><p>　　通過完成畢業(yè)設計課題任務以及撰寫論文等諸環(huán)節(jié)，著重能夠培養(yǎng)大學生的綜合分析和解決問題的能力及獨立工作能力、組織管理和社交能力；同時，對大學生的思想品德，工作態(tài)度及作風等

32、諸方面都會有很大的影響。對于增強事業(yè)心和責任感，提高畢業(yè)生的全面素質具有重要意義。</p><p><b>　　1.2現(xiàn)狀及展望</b></p><p><b>　　1.2.1 現(xiàn)狀</b></p><p>　　光學望遠鏡從誕生至今，出現(xiàn)了折射望遠鏡、反射望遠鏡、折反射式望遠鏡和空間望遠鏡等幾種望遠鏡，不斷推動著天文學和物

33、理學的發(fā)展，并且早已經(jīng)廣泛使用在生活的各個方面。</p><p><b>　　a. 折射望遠鏡</b></p><p>　　1608年，荷蘭眼鏡商人李波爾賽制造了人類歷史上第一架望遠鏡。1609年，伽利略(Galleo，G．1564~1642)根據(jù)“折光理論的深邃研究”，用平凸透鏡作為物鏡，凹透鏡作為目鏡制作了一架望遠鏡。這種光學系統(tǒng)稱為伽利略式望遠鏡。伽利略把望遠鏡

34、對準天空，得出了一系列重要的發(fā)現(xiàn)（如1610年初發(fā)現(xiàn)的木星的四顆主要衛(wèi)星），開創(chuàng)了天文學史上的第一個黃金時代。1611年，德國天文學家刻卜勒(Kepter，J．1571~1630)用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡制出了另一種望遠鏡，天文望遠鏡采用的就是刻卜勒式望遠鏡。現(xiàn)在的折射望遠鏡還是這兩種形式。1757年，杜隆通過研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透鏡的理論基礎。接下來的一段時間里，折射鏡得到了不斷的改良，制出了許多大口徑消色差

35、望遠鏡。然而，折射鏡總是有殘余的色差，對紫外、紅外波段的輻射吸收很厲害，大塊完整的玻璃難以鑄造，重力容易使大尺寸透鏡產(chǎn)生形變，折射鏡有著許多的不足。</p><p><b>　　b. 反射望遠鏡 </b></p><p>　　1668年，牛頓(Newton，I．1642~1727)用2.5厘米直徑的金屬，磨制成一塊凹面反射鏡，并在主鏡的焦點前面放置了一個與主鏡成45&

36、#176;角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會聚光經(jīng)反射鏡以90°角反射出鏡筒后到達目鏡，制成了反射望遠鏡。1918年末，口徑為254厘米的胡克望遠鏡(Hooker telescope)投入使用，它第一次揭示了銀河系的真實大小和我們在其中所處的位置，更為重要的是，哈勃(Hubble，E．P．1889~1953)的宇宙膨脹理論就是用胡克望遠鏡觀測的結果。相對于折射鏡，反射鏡沒有色差，容易制作；但它也存在固有的不足：如口徑越大，視場越小

37、，物鏡需要定期鍍膜等。</p><p>　　c. 折反射式望遠鏡</p><p>　　隨后又出現(xiàn)了能兼顧折射和反射兩種望遠鏡優(yōu)點的折反射式望遠鏡，非常適合業(yè)余的天文觀測和天文攝影，并且得到了廣大天文愛好者的喜愛。它的特點是相對口徑很大(甚至可大于1)，光力強，視場廣闊，像質優(yōu)良。適于巡天攝影和觀測星云、彗星、流星等天體。</p><p><b>　　d.

38、空間望遠鏡 </b></p><p>　　自七十年代以來，在望遠鏡的制造方面有了許多新技術，涉及光學、力學、計算機、自動控制和精密機械等領域，使望遠鏡的制造突破了鏡面口徑的局限。 然而，由于地球大氣對電磁波的吸收作用，地面觀測具有嚴重的局限性。物理學在不斷地發(fā)展，直到人造衛(wèi)星上天，航天技術逐漸成熟，空間天文學才興起。1990年4月24日，由美國國家航空與航天局(NASA)和歐洲空間局(ESRO)聯(lián)合研

39、制的哈勃空間望遠鏡(HST)的發(fā)射成功，是天文學走向空間時代的一個里程碑?？臻g觀測與地面觀測相比，有極大的優(yōu)勢：沒有了大氣層的干擾，恒星不再閃爍。分辨率比起地面的大型望遠鏡提高了幾十倍。靈敏度的提高，使可觀測的天體迅速增加?？臻g沒有重力，儀器就不會因自重而變形。頻率覆蓋范圍也大大地變寬，全波段天文觀測成為可能，對于光學望遠鏡，可以接收到寬得多的波段。就哈勃空間望遠鏡而言，主望遠鏡是口徑為2.4米的反射望遠鏡，還攜帶了廣角行星照相機，暗弱

40、天體照相機，暗弱天體光譜儀，高分辨率光譜儀，高速光度計，成像光譜儀，近紅外照相機，多目標攝譜儀，高級普查攝像儀，高新巡天照相機等精密儀器，觀測范圍早已突破了可見光波段，向紅外和紫外兩端延伸。其功能之</p><p>　　目前為止，我國已經(jīng)完成了LAMOST（大視野多光纖攝譜儀計劃），可以說代表了我國望遠鏡的最高成就。LAMOST是一架反射施密特望遠鏡，是目前世界上最大的大視場望遠鏡，焦面上設置4000根光纖，成為

41、目前世界上獲取光譜能力最強的儀器。</p><p>　　1.2.2 展望趨勢</p><p>　　望遠鏡的研究和使用到了今天這個地步，已經(jīng)取得了非常大的成果，小至旅游外出的基本望遠，大到為人類對天體觀測及研究做出了最大的貢獻。望遠鏡在以后的生活中將會發(fā)揮更大的作用。</p><p><b>　　a. 大型化</b></p><

42、;p>　　建造現(xiàn)代大型望遠鏡的目的是提高集光能力和分辨能力，以觀測更暗天體和分辨細節(jié)。提高集光能力就要增大物鏡的口徑。無論是光學望遠鏡還是射電望遠鏡，都在朝著大型化的趨勢發(fā)展。許多在研或者預研究的大型望遠鏡正在各個國家開展。</p><p><b>　　b. 太空化</b></p><p>　　地球上，光學望遠鏡會受到大氣污染的影響，射電望遠鏡會受到尋呼機、手機

43、等電磁波發(fā)射臺站的干擾。因此科學家把越來越多的天文望遠鏡送上了太空。九十年代哈勃望遠鏡的發(fā)射標志著望遠鏡太空化時代的到來?，F(xiàn)在科學家們的想法是在月球上建造天文望遠鏡。</p><p>　　c. 與其它學科的關聯(lián)越來越大</p><p>　　現(xiàn)代天文望遠鏡的發(fā)展使工藝和技術發(fā)展到了極點。當代的許多技術如電子技術、計算機技術、激光技術、核輻射技術等都被應用到天文望遠鏡中來。傳統(tǒng)的望遠鏡實現(xiàn)了更

44、新?lián)Q代，以多鏡面的拼合并結合主動光學和自適應光學技術，制造出突破單面鏡極限的大口徑望遠鏡射電干涉儀和綜合孔徑射電望遠鏡的問世，大大提高了分辨率，實現(xiàn)了射電成像。</p><p>　　d. 國際間的合作加強</p><p>　　尤其是以美國國家宇航局和歐洲宇航局及南方天文臺為首的國際間合作越來越多。許多重大項目都需要國際間的攜手合作，探測精度越來越高。由于光電器件的飛速發(fā)展，系統(tǒng)探測的靈敏度

45、、信噪比等綜合性能得到了極大的提高。</p><p>　　而作為開啟宇宙“第一撇”的刻卜勒太空望遠鏡，其探索宇宙的偉大任務的順利完成，將為科學家們解答地球是否獨一無二的問題。說明這不僅僅是一項科學任務，更是具有跨時代意義的計劃，并將在以后的發(fā)展過程中承擔更為艱巨的任務，科學家們將會投入更多的精力不斷研究、創(chuàng)新。未來，望遠鏡將建得更大，飛得更高，功能更強，不斷將人類的視野和思維向外延伸。</p>&l

46、t;p>　　為了觀測到更加遙遠空間中的精微天文現(xiàn)象，比如和地球類似大小行星引發(fā)的恒星速度擺動，人們還在不斷修建更大、更強的望遠鏡。</p><p>　　1.3論文的組織結構</p><p>　　本論文的組織結構如下：</p><p>　　第一章：主要介紹了課題設計的背景及意義、望遠鏡發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀，并對望遠鏡的未來的發(fā)展前景做了簡單的介紹。</p>

47、;<p>　　第二章：介紹了望遠鏡設計的基本原理和成像的重要組成部分——棱鏡轉像系統(tǒng)的原理。</p><p>　　第三章：根據(jù)設計望遠鏡的技術和設計參數(shù)的要求，完成了光學尺寸的計算以及物鏡、目鏡、棱鏡的選型。</p><p>　　第四章：描述望遠鏡各部分的結構及各部件之間的裝配原理及作用，并完成了望遠鏡的總裝配圖及各部分的零件圖。</p><p>　　

48、第五章：介紹了在完成了單筒望遠鏡結構設計后的心得體會。</p><p>　　2 望遠鏡設計原理</p><p>　　2.1望遠鏡工作原理</p><p>　　如圖2.1所示，刻卜勒望遠鏡由兩個凸透鏡構成：用一個長焦距的凸透鏡作物鏡（放大倍數(shù)?。?，用一個短焦距凸透鏡作目鏡（放大倍數(shù)大）。物鏡框作為孔徑光闌，同時也是入射光瞳；視場光闌設在目鏡的物面處；分劃板設置在物鏡

49、焦平面上；出射光瞳位于目鏡像方焦點外不遠處（可與眼瞳重合）觀察者在此觀察成像情況。</p><p>　　刻卜勒望遠鏡的物鏡像方焦點與目鏡的物方焦點重合，光學間隔為零，平行光射入望遠系統(tǒng)后仍以平行光出射。</p><p>　　從無窮遠處射來的光線近似于平行光，進入望遠鏡后，在像方焦面上成一個倒立的、縮小的實像；該像又作為目鏡的物，經(jīng)目鏡放大成像在無窮遠處。因此，用它觀察物體時，正常人的眼睛無

50、須調(diào)節(jié)，觀察時亦不易疲勞。</p><p>　　刻卜勒望遠鏡光路圖如下：</p><p>　　圖2.1 刻卜勒望遠鏡原理圖</p><p><b>　　2.2轉像棱鏡系統(tǒng)</b></p><p>　　轉像棱鏡部分是望遠鏡成像原理的核心之一。由于通過目鏡所成的像為一倒立的虛像，要想觀測到正立的像就需要在物鏡后面加上正像系統(tǒng)

51、。</p><p>　　如圖2.2所示，正像系統(tǒng)可采用普羅I棱鏡正像系統(tǒng)——2個相互垂直的等腰直角棱鏡，利用全反射原理，把光路折曲。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是在正像的同時將光軸兩次折疊，從而大大減小了望遠鏡的體積和重量。</p><p>　　普羅I棱鏡光路圖如下：</p><p>　　圖2.2 普羅I棱鏡光路圖</p><p>　　3 望遠鏡系統(tǒng)設計

52、及元件的選型</p><p><b>　　3.1技術要求</b></p><p>　　要求設計一個單筒刻卜勒望遠鏡：放大率為8倍，視場角2為5度，帶轉像系統(tǒng)，5個可調(diào)視度，并且能夠防脫。</p><p>　　3.2系統(tǒng)光學參數(shù)的理論計算</p><p>　　3.2.1 通過“未加入棱鏡”的望遠鏡系統(tǒng)計算出主要的參數(shù)<

53、;/p><p>　　望遠鏡光路原理圖如下所示[1]：</p><p>　　圖3.1 望遠鏡設計原理圖</p><p>　　參數(shù)設定：物鏡到目鏡的光路為180mm，出瞳直徑為2mm。</p><p>　　已知：= 8，2= 5°。</p><p>　　由此設計參數(shù)計算以下參數(shù)：</p><p&g

54、t;　　a. 物鏡焦距f ’0以及目鏡焦距 </p><p>　　f ´0 +f ´e =180 </p><p>　　= - f ´0/f ´e =﹣8 (3.1)</p><p><b>　　得</b></p>

55、;<p>　　物鏡焦距f ´0 = 160 mm</p><p>　　目鏡焦距f ´e = 20 mm</p><p><b>　　b. 入瞳直徑D</b></p><p><b>　　根據(jù)放大倍數(shù)：</b></p><p><b>　　(3.2)<

56、/b></p><p><b>　　有 = 2mm</b></p><p>　　則 D = 2= 16 mm</p><p>　　c. 視場光闌通光口徑</p><p>　　在Rt 三角形O1O2A中（見圖3.1），由幾何關系得</p><p><b>　　(3.3)<

57、;/b></p><p><b>　　得 </b></p><p>　　所以視場光闌通光口徑：</p><p><b>　　mm</b></p><p>　　d. 分劃板直徑DF</p><p>　　DF = 2

58、 (3.4)</p><p><b>　　得 </b></p><p>　　DF = 2×6.9858 = 13.9716 mm</p><p><b>　　e. 目鏡通光口徑</b></p><p>　　在三角形O3O1B中，由圖3.1的幾何關系得到<

59、/p><p>　　目 (3.5)</p><p><b>　　故 目</b></p><p><b>　　2目mm</b></p><p><b>　　f. 像方視場角</b></p><

60、p><b>　　由</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p><b>　　得 </b></p><p><b>　　從而 </b></p><p><b>　　則 </b></p>

61、<p><b>　　g. 入瞳距</b></p><p>　　由于入瞳位置與物鏡重合，所以</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　h. 出瞳距 </b></p><p>　　在三角形O3O4B中，由幾何關系得</p>

62、<p>　　目/′ (3.8)</p><p><b>　　得 </b></p><p><b>　　i. 系統(tǒng)總長度</b></p><p><b>　　(3.9)</b></p>&l

63、t;p><b>　　得 </b></p><p>　　3.2.2 通過加入棱鏡后的望遠系統(tǒng)得到剩余的結構參數(shù)</p><p>　　為了方便后文計算過程中關系量的運用，先進行棱鏡通光口徑的計算[2]。由于分劃板的通光口徑小于物鏡通光口徑，所以可以由下圖計算棱鏡的通光口徑：</p><p>　　圖3.2 棱鏡通光口徑計算幾何圖</p

64、><p>　　注：d 表示直角棱鏡的等效空氣板厚度；</p><p>　　e 為前一面棱鏡到分劃板距離。</p><p>　　由圖3.2及圖3.3可知：</p><p>　　D棱鏡 = DF +2(d+e)a (3.10)</p><p><b>

65、;　　其中</b></p><p>　　a = (8﹣6.9858)/160 = 0.00634</p><p>　　由于a值很小，所以棱鏡通光口徑可取分劃板通光口徑的近似值</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　D棱鏡 ≈13.9716mm</p><p>

66、　　棱鏡通光口徑的計算完成，下面進行加入棱鏡后的望遠鏡系統(tǒng)剩余參數(shù)的計算。加入棱鏡后的望遠鏡系統(tǒng)的示意圖如下所示[3]：</p><p>　　圖3.3 望遠鏡光路圖(加入棱鏡后)</p><p>　　注：x表示物鏡到第一塊直角棱鏡的距離；</p><p>　　a表示最后一面棱鏡到分劃板的距離（設定a=14mm）；</p><p>　　c表示兩

67、塊直角棱鏡間的距離（棱鏡采用K9玻璃，兩棱鏡間隔2~5mm，此處選取2mm）；</p><p>　　d 表示直角棱鏡的等效空氣板厚度；</p><p>　　D棱鏡表示棱鏡的通光口徑。</p><p>　　（折射率n=1.5163）</p><p>　　a. 由圖3.3中的幾何關系，可知</p><p><b>

68、;　　(3.11)</b></p><p>　　由公式3.10所得結果已知D棱鏡 =13.9716mm</p><p><b>　　從而 </b></p><p>　　L棱鏡 =2D棱鏡 =27.9432mm</p><p><b>　　由 </b></p><p

69、>　　d =L棱鏡/n (3.12)</p><p><b>　　得 </b></p><p><b>　　所以可以求得 </b></p><p><b>　　像點軸向位移長度</b></p&g

70、t;<p>　　l = L棱鏡 (1﹣1/n) (3.13)</p><p>　　得 l = L棱鏡(1﹣1/n) = 27.9432﹣18.4285 = 9.5147mm</p><p>　　b. 實際系統(tǒng)拉直后的總長度</p><p>　　=L+l

71、 (3.14)</p><p>　　得 = L+2l = 202.5013+2×9.5147 = 221.5307mm</p><p>　　c. 兩棱鏡中折轉光路的長度 </p><p>　　y = 2 L棱鏡

72、 (3.15)</p><p>　　得 y = 2×27.9432 = 55.886mm</p><p>　　d. 實際系統(tǒng)總長度</p><p>　　= (3.16)</p><p>　　得 =≈16

73、2mm</p><p>　　3.3望遠鏡元件的選型</p><p>　　3.3.1 物鏡的選型</p><p>　　望遠鏡物鏡的常用類型包括：雙膠合物鏡、雙分離物鏡、雙單（單雙）物鏡、三分離物鏡、攝遠物鏡以及對稱式物鏡。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設計要求以及3.2節(jié)中的計算結果，可以整理出物鏡的光學特性參數(shù)為：</p>&l

74、t;p>　　通光口徑D = 16 mm；</p><p>　　焦距 f0´ = 160 mm；</p><p>　　視場 2ω=5°；</p><p>　　入瞳位置與目鏡重合 lz = 0；</p><p>　　從而我們可以得到相對孔徑：D/f0´=16/180 = 0.0889。</

75、p><p>　　可見相對孔徑很小，視場2ω=5°也不大，并且對物鏡系統(tǒng)的長度沒有特殊的要求，對照光學儀器設計手冊（上冊），最終決定選取結構滿足要求的“雙膠合物鏡”。此外，膠合物鏡工藝簡單，且光能損失少[4]。其示意圖如下所示：</p><p>　　圖3.4 雙膠合物鏡</p><p>　　選取最接近設計要求的結構參數(shù)如表3.1所示：</p>&l

76、t;p>　　表3.1 雙膠合物鏡的結構參數(shù)</p><p>　　3.3.2 目鏡的選型</p><p>　　常用目鏡的類型包括：簡單目鏡（冉斯登、惠更斯目鏡）、凱涅耳目鏡、對稱式目鏡、無畸變目鏡以及廣角目鏡。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設計要求以及3.2節(jié)中的計算結果，可以整理出目鏡的光學特性參數(shù)為：</p><p>　　目鏡放大率

77、 Γ = 12.5 </p><p>　　出瞳直徑 D´= 2 mm；</p><p>　　焦距 = 20 mm；</p><p>　　視場 ； </p><p>　　出瞳距 lz´= 22.5013 mm。</p><p>　　由于其視場2w´ 較大，

78、并且2w´=38.512o，其視場取值范圍在400左右[5]。對照光學儀器設計手冊（上冊），最終決定選取結構最符合設計要求的編號為2-10的對稱式目鏡。</p><p>　　目鏡示意圖如下所示：</p><p>　　圖3.5 對稱式目鏡</p><p>　　目鏡其結構形式如下表所示： </p><p>　　表3.2 目鏡的結構參數(shù)&

79、lt;/p><p>　　3.3.3 分劃板的設計</p><p>　　分劃板是上面刻有十字線或者刻度的平面平板，它可以用于光學儀器的瞄準或者測量角度和測量距離等等。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)和測量，物鏡和目鏡之間裝有分劃板。通過調(diào)節(jié)目鏡可改變目鏡和分劃板的距離，使十字叉絲與目鏡的前焦面重合[6]。在這次望遠鏡結構設計中它的作用是瞄準、測量距離，位于物鏡焦平面處，物鏡所成的像經(jīng)過棱鏡后落在分劃板上，然后再經(jīng)過

80、目鏡完成對物像的放大。</p><p>　　十字絲分劃板示意圖如下：</p><p>　　圖3.6 十字絲分劃板示意圖</p><p>　　如圖3.6所示，望遠鏡的十字絲分劃板，在同一平面帶有視距刻度線，橫絲和縱絲相互垂直。分劃板的直徑為16mm，厚度5mm，視距分劃以被測目標高度為2m進行設計[7]。測量范圍由400m到2000m，當在1000m內(nèi)，視距分劃每小格

81、格值50m，每大格格值為100m；在1000m到2000m，每小格格值為100m，每大格格值為500m。</p><p><b>　　其距離計算公式為</b></p><p>　　L=L1×H/2 (m) (3.17)</p><p>　　注

82、：式中L-----觀察者至目標實際距離(m)；</p><p>　　L1-----觀察者至測量目標的距離(m)(按照目標高度為2m的視距分劃和方法進行測量)；</p><p>　　H-----目標高度(m)。</p><p>　　3.3.4 轉像棱鏡的選型</p><p>　　a. 選用普羅I型轉向棱鏡系統(tǒng)的兩個原因</p>&

83、lt;p>　　(1) 由望遠鏡的放大率公式</p><p><b>　　Γ = -/ </b></p><p>　　又因為刻卜勒望遠鏡的和都為正值時，Γ為負值[8]。</p><p>　　也就是說不加轉向棱鏡時，該望遠鏡系統(tǒng)成倒立的像，給觀察和瞄準帶來極大不變。普羅I型棱鏡具有轉像的作用，所以選用它來把倒立的像“正”過來。</p&g

84、t;<p>　　(2) 普羅Ⅰ型棱鏡自身原理及結構</p><p>　　普羅I型棱鏡主截面相互垂直，利用全反射原理，正像的同時將光軸兩次折疊[9]。x沿著光軸方向，第一個棱鏡使y方向相反，第二個棱鏡使z′方向相反，最終使得y″與y反向，z″與z反向，物像相反[10]。從而把物鏡系統(tǒng)的倒像變成正像。</p><p>　　這種系統(tǒng)的優(yōu)點是不僅可以用來減小系統(tǒng)尺寸，而且還大大減小了

85、望遠鏡的體積和重量。</p><p>　　b. 普羅Ⅰ型棱鏡的展開</p><p><b>　　(1) 系統(tǒng)結構</b></p><p>　　由兩塊二次反射直角棱鏡組成，它們的主截面互相垂直。</p><p>　　普羅I棱鏡結構如下所示：</p><p>　　圖3.7 普羅I型棱鏡</p&g

86、t;<p>　　(2) 普羅Ⅰ型棱鏡的展開成等效玻璃板</p><p>　　展開成等效玻璃板的合理性：構成普羅I型棱鏡的直角棱鏡所起作用相當于平面鏡，主要是折轉光路和轉像的作用，如果不考慮反射面的作用，光線在兩折射面間的行為與一個平行平板等效。等效成玻璃板后，可以大大簡化實際光學系統(tǒng)的計算[11]。</p><p>　　展開方法：在棱鏡的主截面內(nèi)，按反射面的順序連續(xù)翻轉180

87、°，以反射面與主截面的交線為軸，依次按反射面順序做鏡像，便可得到棱鏡的等效平行平板。</p><p>　　棱鏡展開圖如下所示：</p><p>　　圖3.8 棱鏡展開圖</p><p>　　(3) 玻璃板再等效成空氣板</p><p>　　等效成空氣板的合理性：玻璃板在近軸區(qū)內(nèi)以細光束成像，不管物體位置如何，其像均可認為是由物體移動

88、一個軸向位移而得到的，利用這個特點可以把平行平板簡化為等效空氣平板[12]。</p><p>　　等效空氣板的作用：將平行平板等效成空氣板后，只需計算出無玻璃板時的像面位置，再沿軸向移動一個軸向位移，就可得到有玻璃板時的實際像面的位置，避免了直接折轉光路進行計算，給光學系統(tǒng)的外形尺寸的計算，帶來極大好處。</p><p>　　普羅I型棱鏡等效空氣板的計算如下：</p><

89、;p>　　圖3.9 等效空氣板</p><p><b>　　等效空氣板厚度：</b></p><p>　　d = L棱鏡 / n =18.4285mm； (3.18)</p><p><b>　　像點后移距離：</b></p><p&g

90、t;　　l = L棱鏡 (1-1/ n) = 9.5147mm； (3.19)</p><p>　　結合前面計算需要，上面公式中的數(shù)值已經(jīng)在3.22節(jié)中完成。</p><p>　　3.4目鏡視度的計算</p><p>　　為了使目鏡適應于近視眼和遠視眼的需要，目鏡要有視度調(diào)節(jié)的能力。對于正常眼而言，分劃板的位

91、置應在目鏡的物方焦平面處，而對于近視眼和遠視眼來說，由于人眼視差的存在，必須使目鏡的物方焦平面與分劃板的相對位置有一定量的移動，以便看清楚分劃板像[13]。當觀察者為近視眼時，目鏡要向分劃板方向移動，當觀察者是遠視眼時，目鏡要向遠離分劃板方向移動。</p><p>　　如下圖3.10所示，目鏡的前焦點F2相對物鏡的后焦點F′1向左移動，故取負值[14]。這時被物鏡所成的中間像點A′相對目鏡的前焦點F2的距離= -

92、。用r表示人眼的遠點距離，Ar表示遠點位置，′表示Ar點到目鏡后焦點F′2的距離，c表示由目鏡后焦點到人眼的距離，則有′= r+c。對目鏡應用牛頓公式</p><p>　　´= -´ (3.20)</p><p><b>　　則得到</b></p&g

93、t;<p>　　= (3.21)</p><p>　　目鏡視度調(diào)節(jié)示意圖如下：</p><p>　　圖3.10 目鏡視度調(diào)節(jié)示意圖</p><p>　　為了使近視眼看清楚目鏡所成的像，必須把像由無窮遠調(diào)到近視眼的遠點Ar上[15]。因為人眼的調(diào)節(jié)視度為N=1

94、000/r，所以r =1000/N。</p><p><b>　　將其代入上式，則得</b></p><p>　　= (3.22)</p><p>　　因為儀器的出瞳在目鏡的后焦點附近，即|c|<<|r|，故可把c忽略不計[16]，最后得</p&

95、gt;<p>　　= (3.23)</p><p>　　根據(jù)要求視度應對非正常眼調(diào)節(jié)N= ±5個折光度，故上式為</p><p><b>　　= ± </b></p><p>　　其中，f2′為目鏡的焦距，f2′ =2

96、0mm。</p><p>　　計算得 =2mm。</p><p><b>　　4 結構設計</b></p><p>　　4.1望遠鏡總體結構</p><p>　　望遠鏡由物鏡系統(tǒng)、棱鏡系統(tǒng)、分劃板、目鏡系統(tǒng)四部分構成，各部分之間由帶有螺紋的鏡筒鏈接起來，同時還有螺釘用來緊固部分部件[17]。望遠鏡總體結構圖如下所示

97、：</p><p>　　圖4.1 望遠鏡的總體裝配圖</p><p>　　如圖4.1所示，圖中1部分是物鏡組，2部分是鏡筒，3部分是棱鏡組，4是目鏡組。</p><p>　　此單筒望遠鏡的總體外形尺寸為186X45X45mm。為了使用、攜帶方便，整個望遠鏡的材料以各部件功能的不同分別采用45鋼(GB699-89)、GB93-87型鋼、GB97.1-85、I-2型橡膠

98、等材質，螺紋選GB73-85-M1.2型，螺釘選用GB75-85M1.6型。</p><p>　　4.2各部件的結構圖</p><p>　　4.2.1 物鏡組結構圖</p><p><b>　　a. 物鏡裝配圖</b></p><p>　　物鏡系統(tǒng)這部分的結構比較簡單。首先將物鏡裝入物鏡座內(nèi)，再在其左側安上一個壓圈，與

99、物鏡座之間利用螺紋實現(xiàn)鏈接，以此來固定膠合物鏡[18]。物鏡組在物鏡座內(nèi)，而物鏡座外圈是帶有外螺紋的圓筒，與物鏡外筒內(nèi)側的內(nèi)螺紋相鏈接，這樣就將整個鏡座安裝在外鏡身上了，這就是物鏡系統(tǒng)的結構。</p><p>　　如圖4.2所示，1部位是物鏡壓圈，2部件是物鏡，3部件是物鏡座。圖中靠近鏡座邊緣的細線表示鏡座與外境筒鏈接的螺紋。</p><p>　　物鏡組裝配成型的外形尺寸：長度26mm，直

100、徑為22mm。</p><p>　　物鏡系統(tǒng)的裝配圖如下所示：</p><p>　　圖4.2 物鏡系統(tǒng)裝配圖</p><p><b>　　b. 物鏡零件圖</b></p><p><b>　　(1) 物鏡壓圈</b></p><p>　　物鏡壓圈示意圖如下所示：</p&

101、gt;<p><b>　　圖4.3 物鏡壓圈</b></p><p>　　如圖4.3所示，壓圈選用GB93-87型鋼，內(nèi)徑、外徑分別是16mm、18mm，螺紋為M1.2，后度為2mm。壓圈安裝在膠合物鏡左側以固定膠合物鏡防止膠合物鏡脫落，還可以以此加長膠合物鏡與物鏡外境筒最左邊緣的距離，防止物鏡容易被人手觸摸或者與外無接觸給透鏡表面帶來的磨損[19]。</p>&

102、lt;p><b>　　(2) 物鏡</b></p><p>　　根據(jù)3.3.1節(jié)中的內(nèi)容，物鏡選擇的是工藝簡單，且光能損失較少的膠合物鏡。</p><p>　　物鏡的示意圖如下所示：</p><p><b>　　圖4.4 膠合物鏡</b></p><p>　　如圖4.4所示，物鏡為膠合物鏡，采

103、用K9玻璃，總厚度為8mm。</p><p>　　(3) 物鏡座（物鏡內(nèi)筒）</p><p>　　物鏡筒示意圖如下所示：</p><p>　　圖4.5 物鏡座（物鏡內(nèi)筒）</p><p>　　如圖4.5所示，物鏡座選用的是45鋼(GB699-89)，長度為26mm，內(nèi)徑、外徑尺寸分別為18mm，22mm，其余部分如圖所示。物鏡座是物鏡組的固定

104、裝置，它既要完成物鏡的固定，同時也是物鏡和外境筒的連接部件，圖中靠近物鏡座外圍邊界的細線就表示的是與外境筒鏈接的螺紋。它不但要牢固固定物鏡，同時還要允許物鏡的入射光線在一定范圍內(nèi)，同時也不宜將物鏡卡得太緊，否則物鏡會產(chǎn)生形變，影響成像質量。</p><p><b>　　(4) 物鏡筒</b></p><p>　　物鏡筒示意圖如下所示：</p><p

105、><b>　　圖4.6 物鏡外筒</b></p><p>　　如圖4.6所示，物鏡外筒選用的是45鋼(GB699-89)，總長度為112mm，鏡筒直徑為28mm。物鏡外筒是物鏡系統(tǒng)的支撐體，起著連接其它部件的作用。鏡筒的內(nèi)徑一般比物鏡直徑大2mm左右，以方便物鏡的安裝和調(diào)節(jié)。物鏡外筒左側部分內(nèi)側帶有螺紋，是與物鏡座裝配的鏈接螺紋；右側長度為20mm的部分是與棱鏡部分相連接的鏈接內(nèi)螺。&

106、lt;/p><p>　　4.2.2 棱鏡組結構圖</p><p><b>　　a. 棱鏡的裝配圖</b></p><p>　　棱鏡部分是望遠系統(tǒng)的轉像結構，根據(jù)它的光學尺寸要能準確地安裝。普羅棱鏡還有另外一個特性，由于光路產(chǎn)生了“Z”形的轉折，普羅棱鏡望遠鏡的外觀也往往會變成此形狀。</p><p>　　棱鏡裝配圖如下圖所示

107、：</p><p>　　圖4.7 棱鏡裝配圖</p><p>　　如圖4.7所示，1部件是棱鏡筒，2部件是固定棱鏡的彈簧鋼片，3部件是棱鏡，4部件是棱鏡筒的固定壓蓋。棱鏡部分裝配圖總長度為53mm，最長直徑為40mm。</p><p>　　棱鏡安裝在棱鏡筒內(nèi)，再將彈簧鋼片卡入槽口緊固棱鏡，棱鏡筒和鏡筒之間需要一定的松動范圍。此外，使用彈簧鋼片固定棱鏡不僅牢固，并且當

108、溫度變化時棱鏡不會產(chǎn)生應力，而應力會破壞儀器的裝配和使用[20]。彈簧鋼片固定好棱鏡后，再用壓蓋蓋住整個棱鏡座，再用螺釘固定到鏡筒上防止壓蓋脫落，這樣就完成了棱鏡系統(tǒng)的固定。</p><p><b>　　b. 棱鏡的零件圖</b></p><p><b>　　(1) 棱鏡筒</b></p><p>　　棱鏡筒示意圖如下所示

109、：</p><p><b>　　圖4.8 棱鏡筒</b></p><p>　　如圖4.8所示，棱鏡外筒選用的是45鋼(GB699-89)，總長為51mm，最長直徑為40mm，其余部分尺寸如圖中所示。棱鏡外筒不僅完成棱鏡座的安裝，還要與物鏡系統(tǒng)及目鏡系統(tǒng)準確連接。外筒左邊部分的內(nèi)部有與物鏡筒連接的外螺紋，右邊則是與目鏡組鏡筒連接的內(nèi)螺紋構造。</p>&l

110、t;p><b>　　(2) 彈簧鋼片</b></p><p>　　彈簧鋼片示意圖如下所示：</p><p><b>　　圖4.9 彈簧鋼片</b></p><p>　　如圖4.9所示，彈簧鋼片選用的是45鋼(GB97.1-85)，它的長度為14mm，厚度為1mm。用彈簧鋼片卡入槽口緊固棱鏡，使用彈簧鋼片固定棱鏡不僅牢

111、固，并且當溫度變化時棱鏡不會產(chǎn)生應力，而應力會破壞儀器的裝配和使用。</p><p><b>　　(3) 棱鏡</b></p><p>　　棱鏡示意圖如下所示：</p><p><b>　　圖4.10 棱鏡</b></p><p>　　如圖4.10所示，普羅I棱鏡為等腰直角棱鏡，材料采用K9玻璃，它

112、的長度為14mm，12mm。</p><p><b>　　(4) 棱鏡筒壓蓋</b></p><p>　　棱鏡筒壓蓋示意圖如下所示：</p><p>　　圖4.11 棱鏡筒壓蓋</p><p>　　如圖4.11所示，棱鏡的壓蓋選用45鋼(GB97.1-85)，直徑為23mm，后度為4mm。棱鏡壓蓋用在棱鏡的固定彈簧鋼片外

113、，起到穩(wěn)固彈簧鋼片及棱鏡座的作用。當棱鏡壓蓋安裝好后，再用螺釘將壓蓋固定在棱鏡筒上，進一步穩(wěn)固棱鏡組。</p><p>　　4.2.3 目鏡組結構圖</p><p><b>　　a. 目鏡組裝配圖</b></p><p>　　目鏡裝配圖如下所示:</p><p>　　圖4.12 目鏡組裝配</p><

114、p>　　如圖4.12所示，1部位是分劃板壓圈，2部件是分劃板，3部件是分劃板壓環(huán)，4部件是分劃板座，5部件是目鏡壓圈，6部位是目鏡，7是目鏡座，8是目鏡座壓圈，9是目鏡組外筒，10是護眼罩，11為視差調(diào)節(jié)鼓輪。</p><p>　　裝配圖左側是分劃板的安裝，分劃板安裝在分劃板座內(nèi)，左右兩側用壓環(huán)固定。由于便于視差的調(diào)節(jié)，分劃板座在鏡筒內(nèi)懸掛，另一邊用鋼絲與鏡筒相連。利用調(diào)節(jié)鼓輪和連接桿相連，可以通過調(diào)節(jié)鼓輪

115、使分劃板左右移動，鋼絲有一定的彈性，即可以支撐分劃板座，又可以方便分劃板左右移動，從而實現(xiàn)視差調(diào)節(jié)[21]。裝配圖右側是目鏡的安裝，目鏡安裝到鏡座內(nèi)后，在左側用壓圈固定。為了防止目鏡座脫落，在鏡座的右側再用一個壓圈將整個鏡座固定，然后把整個鏡座用壓圈固定再安裝到外境筒內(nèi)，再在其右側加上護眼罩，整個目鏡的裝配就完成了。</p><p>　　外形尺寸：長度51mm，直徑為32mm。</p><p&

116、gt;<b>　　b. 目鏡組零件圖</b></p><p><b>　　(1) 分劃板壓圈</b></p><p>　　如圖4.13所示，分劃板壓圈選用的是GB93-78型鋼，其內(nèi)外徑為分別為14mm，16mm，厚度為2mm。分劃板壓圈是結合壓環(huán)一起固定分劃板的，利用自身外圍的螺紋與鏡筒鏈接。</p><p>　　分劃板

117、壓圈示意圖如下所示：</p><p>　　圖4.13 分劃板壓圈</p><p><b>　　(2) 分劃板</b></p><p>　　分劃板示意圖如下所示：</p><p><b>　　圖4.14 分劃板</b></p><p>　　分劃板是刻著視距的圓形玻璃板，材料選用

118、K9玻璃，直徑為16mm,厚度為5mm。</p><p>　　如圖4.14所示，望遠鏡的十字絲分劃板，在同一平面帶有視距刻度線，橫絲和縱絲是相互垂直的。分劃板的直徑為16mm，厚度5mm，視距分劃以被測目標高度為2m進行設計[7]。測量范圍由400m到2000m，當在1000m內(nèi)，視距分劃每小格格值50m，每大格格值為100m；在1000m到2000m，每小格格值為100m，每大格的格值為500m。</p&

119、gt;<p><b>　　(3) 分劃板壓環(huán)</b></p><p>　　分劃板壓環(huán)示意圖如下所示：</p><p>　　圖4.15 分劃板壓環(huán)</p><p>　　如圖4.15所示，分劃板壓環(huán)選用的是GB93-78型鋼，其內(nèi)外徑為分別為14mm，16mm，厚度為4mm。分劃板壓環(huán)處在分劃板右側，與左側壓圈配合使用，起到固定分劃板