望远镜的作用、原理及结构详解

1．望远镜的作用

由被观察物体的两端点到眼睛物方主点所张的夹角叫做视角。同样大小的一个物体，若放在远处，看上去就会模糊，若将它移近些，就会看得清楚些，其原因就是物体在不同的距离上对眼睛所张的视角不同。视角越大，物体在网膜上的成像γ′眼也就越大，如图7－1（a）所示，眼睛也就越能看清物体的细部。眼睛观察物体的距离，一般以明视距离为最佳。当物体距离眼睛太近时，虽然视角扩大了，但在视网膜上得到的却是一个模糊的像，不但不能看清，而且还会使人感到头晕目眩。

当物体离眼睛的距离很远时，往往由于所张的视角过小而不能辨别。为此，可以采用两个办法：一是向物体靠近；二是使用光学仪器将物体的视角扩大。望远镜就是这样一种仪器，它能使远方的物体，经过光学系统成像后对人眼所张的视角大于用肉眼直接观看物体时的视角，如图7－1（b）所示。这两个视角的比值，称为望远镜的角放大率。显然，放大率大于1的望远镜才能起到扩大人眼视觉能力的作用。

大家知道，人眼对两个物点的分辨率一般为60″，而望远镜又能将物点的视角扩大到几十倍。因此，人眼通过望远镜观察物点的分辨率也提高几十倍。测量仪器就是利用望远镜的这个特性，来提高瞄准或读尺的精度的。

图7－1 物体对眼睛所夹的视角

2．望远镜的原理

图7－2所示是望远镜的成像原理图。把物镜及目镜安放到同一条光轴上，并使物镜的像方焦点F′1和目镜的物方焦点F2重合，构成望远镜的成像系统。设P为远处一个目标，它先经物镜构成一个缩小的、倒立的实像P′（P′在F′1以外，离F′1很近的地方；对目镜来说，又在它的物方焦点F2以内）。因此，P′被目镜第二次成像时，得到的必定是一个放大的、正立的虚像P″。当然，它对原目标P来说，已经是倒立的了。像P″的位置则在离目镜250mm以外至无限远的地方。眼睛放在目镜的后面，就能从视场中看到位于明视距离至无限远的物体的倒像。

实际上，由于眼睛到物镜的距离比眼睛到目标的距离小很多。所以，目标P对眼睛的视角可以近似地认为是ω1。又由于眼睛是紧靠近目镜的，所以虚像对眼睛的视角也可以近似地认为是ω2。而一般望远镜的物镜焦距比目镜焦距要大上几十倍，因此，虚像对眼睛的视角ω2，也就比原目标对眼睛的视角ω1扩大了几十倍，即眼睛观察远处目标的能力，通过望远镜之后，提高了几十倍，由于目标对眼睛视角的扩大，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，就感到比原目标要近。望远镜系统就是一个把无限远处的物体成像在无限远的光学系统。

3．望远镜的结构

1）望远镜的调焦

图7－2 望远镜的成像原理

由望远镜的成像原理可知，目标距离物镜的位置不同，成像的位置也不同。而望远镜往往要求对远近不同的目标都能看清。那么将物距相差悬殊的远近目标都能恰好成像在十字丝面上的这一过程，就称为望远镜的调焦（指物镜的调焦）。望远镜按调焦方式的不同，可分为外对光和内调焦两种。外调焦望远镜在老式的游标经纬仪上最为多见，现在的大地测量仪器都采用内调焦望远镜。

测量用的内调焦望远镜由物镜、调焦透镜、分划板和目镜组成，如图7－3所示。内调焦望远镜是保持物镜与十字丝分划板的位置不变，而在它们之间加上一块凹透镜（调焦透镜），通过沿光轴方向移动该透镜，使远近不同的目标都能成像在十字丝分划板上。简单地说，就是像距不变，而通过改变组合物镜的等效焦距，来适应不同物距的要求。这种由物镜和调焦透镜两个部分组成的一个组合物镜，称为远物镜。

图7－3 内调焦望远镜

1—物镜；2—凹透镜（调焦透镜）；3—调焦螺旋；4—十字丝分划板；5—目镜

内调焦望远镜的主要优点：

（1）镜筒封闭严密，灰尘、水汽不易侵入。

（2）当望远镜镜筒的长度相等时，内调焦望远镜的放大率较大，或者说，当它们的放大率相等时，内调焦望远镜的镜筒较短。

（3）望远镜在进行调焦时，在调焦滑动的晃动量相等的情况下，内调焦望远镜所引起的视轴偏差要比外调焦望远镜小一半左右。

（4）内调焦望远镜的视距加常数等于零，因而简化了视距计算。

（5）内调焦望远镜的调焦筒处在中间部位，移动量较小。(www.xing528.com)

内调焦望远镜的缺点：首先，远物镜的焦距f′将随着调焦镜的移动而改变，使望远镜的放大率相应产生微小的变化；其次，增添了一块凹透镜，降低了影像的亮度。然而，随着玻璃制造工艺的发展和增透膜的采用，该缺陷不仅不明显，反而是利用所增加凹透镜的曲率的变更以及玻璃材料的选择，更大限度地降低了望远镜的像差。

2）望远镜的组成部分

（1）十字丝分划板组和目镜组。

旋下目镜组固定座的三个紧定螺丝，目镜组固定座即可拔出，其结构如图7－4所示。旋下十字丝分划板座的压圈1，则十字丝分划板座可取下。旋下透镜焦度环的3个止头螺丝4，透镜焦度环3可取下（不取下透镜焦度环也可以，不影响下一步拆卸）。目镜筒7可直接从目镜座上旋下来，再从目镜筒中旋出压圈9，则目镜片8、6和垫圈5均可倒出。在一般情况下进行清洁时，不必将目镜片倒出，也不必将压圈9旋下。

图7－4 目镜部分

1—十字丝分划板座压圈；2—十字丝分划板座；3—屈光度环；4—屈光度环紧定螺丝；5—垫圈；6、8—目镜片；7—目镜座；9—目镜压圈；10—十字丝分划板；11—分划板压圈；12—目镜组固定座

十字丝分划板与目镜片需清洁时，只要旋下目镜座和目镜组固连座即可进行。

（2）物镜组。

由图7－5可看出，物镜组是由两片透镜分离组成的（两片分离式，也有三片分离式透镜），旋下物镜座紧定螺丝，物镜座连同视距乘常数调节圈一并取下，即可对物镜内外表面进行清洁。用专用工具插在物镜片压圈6的拆卸槽口7内，旋下压圈6，物镜片2、4及垫圈3均可倒出。

图7－5 物镜组结构

1—物镜座；2、4—物镜片；3—垫圈；5—视距乘常数调节圈；6—物镜片压圈；7—拆卸槽口

物镜组两片透镜之间的相互平行度及间隙要求比较严，同时要求镜片2与4要共光轴，故无特殊需要，一般不要将物镜片拆下来，以免产生成像模糊。需要拆下时，一定要用笔做好记号，以便尽量按照原样复装，然后进行望远镜像质及分辨率的测定。复装时还应注意：

①垫圈3是一铜圈，其一端是平面，另一端是有点斜度的斜面，复装时切勿装反。

②为了保证两镜片相互平行，复装镜片时，可先将镜片叠好（按镜片、垫圈、镜片顺序），放在一个圆柱形座上，再垂直地慢慢将物镜座套上，最后旋紧压圈6即可。

（3）调焦镜组。

调焦镜组结构如图7－6所示，无特殊需要不要拆卸，这里不再叙述。

图7－6 调焦镜组结构

1—压圈；2—调焦镜片；3—调焦滑筒；4—齿条

物镜片、目镜片、十字丝分划板、调焦镜片无必要时，一般不需拆下来，以免安装时不小心将其碰破。