内调焦望远镜调焦镜的运行误差及其解决方案研究

摘要： 分析了内调焦望远镜的调焦镜运行误差产生的原因、误差大小的计算与测定方法，通过实例计算表明，调焦镜在移动过程中只要存在0.01mm的偏离，视准轴就会产生4.2″的方向误差，说明调焦镜在移动过程中的晃动是引起其运行误差的根本原因。最后从修理的角度提出了减小调焦镜晃动量从而降低调焦镜运行误差的几种实用方法，实践证明这些技术措施是行之有效的。

Abstract: The reasons of run error about focusing lens are analyzed, and its error size is compulated and determinated. Through the example it shows that there is 0.01mm deviation while the focusing lens is moving, and the lateral error of the collimation axis is 4.2″, which has shown that the basic cause for the run error is the rock while moving of the focusing lens. Finally, from the repair angle, several practice means have been proved to reduce the rock level of the focusing lens and then the run error level has been reduced, and these technical measures have been proved to be very effective.

关键词： 工业测量；解决方案；调焦镜；运行误差；内调焦望远镜

Key words: industrial measurement；solutions；focusing lens；run error；internal focusing telescope

中图分类号：G31文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）02-0195-02

0引言

随着目前科学技术的快速发展，测量仪器设备也在不停的更新换代，但不管仪器如何先进，其作为瞄准目标的望远镜的结构还是基本相同的。望远镜的主要结构有三条轴线：机械轴、光轴和视准轴，其中视准轴是瞄准目标的水平方向和竖直方向的标准，即瞄准目标的基准线[1,2]。为了保证测量成果的正确性，要求上述三条轴线彼此完全重合，或不重合的误差不超过允许范围。内调焦望远镜的调焦镜内置于金属调焦筒中，而调焦筒又是沿着望远镜筒内壁来回移动的，如果调焦筒在移动的过程中，因某种原因不能成为一条沿光轴的直线，而变成一条曲线或斜线，则调焦镜的光心就将偏离视准轴。此时视准轴就会被偏离的调焦透镜所曲折，按照这条被曲折了的光线去瞄准的目标肯定会偏离原来正确的位置，这样测出来的方向肯定存在着误差。这种因为调焦筒运行不正确所引起的误差称为调焦镜的运行误差[3,4]。根据测量仪器的使用情况来看，这种误差是实际存在，而且是相当可观的，有时甚至严重到致使观测人员无法得到应有精度的测量成果。对修理人员而言，要消除这种误差绝不是一件轻而易举的事情。因此，有必要针对内调焦望远镜调焦镜的运行误差及其解决方案进行研究。

1内调焦望远镜调焦镜运行误差的分析与测定

1.1 调焦镜运行误差的计算与分析内调焦望远镜调焦镜运行误差的光路分析[5,6]见图1。图中c2为十字丝中心，O1c2为视准轴，x为调焦镜光轴偏离视准轴的距离。调焦镜偏离前，视准轴的正确方向应该是指在标尺上的K点处。当调焦镜偏离后，此方向就会发生改变。如果这时把c2当作物点，根据凹透镜的成像原理，则该点可被调焦镜成一虚像点c，cO1就成了调焦镜偏离后的视准轴。显而易见，它偏离正确方向α角在标尺上将产生K′K这样一段距离的误差。光路方向为cO′O1。设c到视准轴O1c2的距离为x′，到物镜中心O1的距离为l，则：

α= （1）

（1）式中：α的单位是弧度。

下面进一步推算x′及l。先求l。对调焦镜来说，c2为物点，c为对应的像点，则l就是物距，l就是对应的像距，由物象位置的高斯公式可得

-=即：l=（2）

（2）式中：f为调焦镜的象方焦距。

因l=L-d，代入上式得：l=（3）

经推导、化简后得到内调焦望远镜调焦镜运行误差为：

α″=•x•ρ″（4）

（4）式中α″正比于x，即调焦镜的晃动量越大，则带来的方向误差也越大。反过来，若要使得调焦镜所引起的方向误差较小，关键是控制调焦镜在移动中的晃动量。当然，α″的大小除了与调焦镜的横向晃动量x有关外，还与调焦镜的纵向（即沿视轴方向）移动量d有关，但其相关性较小，在此不作讨论。

对于一个f=149mm，f=216mm，的望远镜来说，当x=0.01mm，代入（4）式得到：

α″=×0.01×206265″=4.2″

由此例分析可知，调焦镜在移动过程中只要存在0.01mm的偏离，就会产生4.2″的方向误差，对于精密侧角的仪器而言，这个数字是不可忽视的；要使得调焦镜在移动时的晃动量不大于0.01mm，对调焦镜的设计、加工、装配、修理及使用等环节的技术要求是很高的。在设计方面，由于其他结构形式很难达到如此高的精度要求，几乎所有的调焦镜筒都设计成弹性结构的形式，其目的就在于减少调焦镜移动时的晃动量x[7,8]。在使用方面，为了减少因调焦运行而引起的视轴晃动对测量成果的影响，我国规范[9,10]规定一、二、三、四等三角测量和精密导线测量时，同一测回内不允许重新调焦；同时也规定在精密水准测量中，同一站内不允许重新调焦。

1.2 调焦镜运行误差的测定一般来说，内调焦望远镜的调焦镜运行误差很难从外观上直接检查识别，只有通过专业测定方法才能检定其大小。对于专业的鉴定人员而言，借助于专门仪器设备很容易测定；而对于作业人员来说，常规经纬仪望远镜的调焦镜运行差可通过以下方法测定。

选择一平坦地段，架好仪器，标出一条直线，并在该直线上由近到远选取数点，各点到仪器的距离分别为2、5、10、20、30、50、100米等等（点数的多少由需测精度决定），在每点上标出与仪器大致同高的各点。然后用望远镜的正、倒镜位置，依次调焦照准各点目标（每次调焦不应有多余的转动），求出每点上仪器的2Ci值（对于度盘单边读数的，如J6级仪器，在各测回间要保持度盘位置不变）。按下式计算出从无穷远（或100米）依次调焦到2米时各点上的视准轴变化误差：

ΔCi==Ci-C∞

为了提高测定精度，可重复测定5次，再取平均值作为测定值。ΔCi的绝对值及ΔCi中最大与最小的互差值，J2不得超过10″，J6不得超过15″。

2减小内调焦望远镜调焦镜运行误差的技术措施

如果运用上述方法测得的内调焦望远镜的运行误差超过限差要求时，则应进一步分析误差超限的原因，并找出减小运行误差的技术措施。引起调焦镜运行误差的主要原因是调焦筒在移动过程中的晃动，而晃动又主要产生于机械结构的配合与运转不好[7,8]。经纬仪望远镜调焦镜部分的机械结构见图2。把调焦筒2放入望远镜筒3之内，将滑块4嵌入滑槽8中，并使滑块4下伸出的挡钉插入7之内，由此实现滑块与调焦筒的联结。再将调焦手轮1套在望远镜筒3之上。当旋转调焦手轮1时，由于内壁的螺纹5与滑块4上的螺纹6相吻合，推动滑块4在滑槽8中滑动，从而带动调焦筒沿望远镜筒内壁作轴向的往复移动。其中螺纹6为圆环形。以下就针对这种圆环形螺纹结构，从修理的角度来分析减小调焦镜运行误差的技术措施。

2.1 调整好调焦筒与望远镜筒接触处的松紧度为了减少调焦筒移动时的阻力，调焦筒仅通过6点（见图2之10），与望远镜筒内壁保持接触。接触处的精密配合程度，一般用精车后再加上相互研配的方法仍难于达到规定要求。因此，就在调焦筒的两端各挖一条槽（一般是120°范围，见图2之9），如此以来，被开了槽的这个接触点就具有弹性，在弹性的作用下自动来调节两筒之间的松紧程度，减少运行时的晃动量。如果在拆修调焦镜时，把挖槽部分张的过开，弹力过大，接触处就会呈刚性接触，起不到自动调节松紧的作用。如果张的不够，或因长期使用，弹力降低，接触时根本没有用上弹力，自然也调节不了松紧，有时反而会使间隙增大。仔细地调整好挖槽部分的伸缩程度，是减小调焦镜运行差的一个很重要的方面。

2.2 调整好传动部分的灵活度，以保证调焦筒上受力的均匀性

对于图2的经纬仪望远镜调焦镜部分的机械结构，传动部分主要是滑块4和螺纹5、6。如果滑块4及滑槽8的宽窄不均匀，则滑块移动时遇到的阻力就会大小不同，调焦筒在外力不匀的情况下就容易出现跳动现象。如果螺纹5与6配合不好，也会得到同样的结果。由此可见，滑块4与滑槽8、螺纹5与6之间吻合的严密与灵活性都是在经加工后通过互相研配来达到的，装配时要注意这一点。

2.3 选择良好的剂，提高运动部分的舒适性调焦筒与望远镜筒的接触处及其他运动部分，都必须加上剂，以减小运动时的阻力。由于接触处或运转部分的间隙比其精度很高的轴系部分来要大得多，如果加的是浓度小的轴系用油，就容易产生流失现象。因此，最好是加上浓度大、粘性大一些的脂。一方面它能起到的作用；另一方面也能填补一部分间隙，从而减小晃动量。

3结语

本文针对内调焦望远镜的调焦镜运行误差产生的原因进行分析，结合内调焦望远镜调焦镜运行过程的光路图，推导得到调焦镜运行误差的计算公式，依据实例提出了调焦镜运行误差的测定方法，从调整好调焦筒与望远镜筒接触处的松紧度、调整好传动部分的灵活度、选择良好的剂等三个方面提出了相应的技术措施和解决方案，为专业修理人员提供了技术支持。为了得出满意的测量成果，同时也要求作业人员在实际测量过程中尽量少调焦，尽可能改善机械结构的配合与运转状况，减小调焦筒在移动过程中的晃动量，从而降低内调焦望远镜的调焦镜运行误差。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家测绘总局，国家水准测量规范[S].北京：测绘出版社，1974.12.

[2]中华人民共和国国家测绘总局，G7352国家三角测量和精密导线测量规范[S].北京:测绘出版社，1975，1.

[3]甄彦奇，吕晓冬，李运龙.内调焦望远镜调焦镜运行误差的测定[J].黑龙江水利科技，1997，（4）.

[4]李雪梅，耿丽红，戴玮.连续变焦望远镜中调焦机构位置误差的测量[J].光电工程，1999，（12）.

[5]苏瑞祥.大地测量仪器[M].北京:测绘出版社，1979.9.

[6]赵茂哲，傅博.国产J2级光学经纬仪的检修[M].1984.12.

[7]梅利江.内调焦望远镜调焦运行误差的分析研究[J].管理与技术，2003，（4）.

[8]赵贤森.测量器具使用与检定-经纬仪[M].北京:质检出版社，2002，3.

[9]关业高，李本国.经纬仪望远镜调焦时视轴变动误差检定方法的探讨[J].计量技术，2004，（9）.

[10]刘海波，凌模，杨博雄.大地测量仪器望远镜调焦运行误差的研究[J].计量技术，2009，（1）.h