一种直视全正像牛顿反射双筒望远镜的制作方法

本发明涉及大型双筒望远镜，具体涉及一种直视全正像牛顿反射双筒望远镜的完整构型。

背景技术：

在公开号cn108508589a的专利申请中，申请人充分揭示了直视全正像反射双筒望远镜的基本光学原理，并提及了实现该原理的、基于双臂经纬仪和一对反射单筒的初步方案；该方案虽然简单经济且近于可用，但存在一些主要短板：⑴系统沉重，相比较大型折射双筒在重量上优势并不明显；⑵镜筒需要整体上架，面临着与大型折射双筒同样的困难；⑶影响光轴的因素保留太多，双筒光轴的调整或保持都加倍困难；⑷焦距调整、瞳距调整幅度受限，便利不足，且容易影响光轴；⑸双臂经纬仪难以快速调整双筒系统的即时高度，造成观测受到很大的局限；正因为难以通过简单方法发挥直视全正像牛顿反射双筒望远镜的潜能，所以有必要另行设计低门槛、少变量、直观快速、兼容性强大的全新构型。

值得提及，在编码isbn978-3-319-07689-8，图书名《buildingandusingbinoscopes》文中p119-173页面，较大篇幅地介绍了国外爱好者在牛顿反射双筒制作方面的内容；虽然这些内容成文较早，所介绍的都是夜间使用的反像结构，且在消除杂散光、优化重量、提高结构稳定性与装调便利性方面存在诸多不足，但仍然颇具参考意义。

技术实现要素：

本发明是一种直视全正像牛顿反射双筒望远镜的完整构型。

本发明采用开放式多模块无镜筒结构，转像模块、目镜筒模块、外部云台与脚架、配重模块、主镜模块依次连接到支架模块上；本发明在光学上成全正像，观测者位于脚架前方，支架中间梁下方，面向目标直视观测；本发明瞳距调整范围约58-80毫米，适合所有人群，调焦行程可达60毫米以上，兼容常见1.25寸插口天文目镜，兼容多数2寸插口天文目镜；本发明有着出色的结构稳定性、组件耐久性、整体重量、外形尺寸和经济实用性，在安装、操作、调整、拆卸、转运方面表现优秀。

本发明在双筒的整体架构设计上重视偏差与误差的表征，双筒系统被分组为柔性可调的主镜部份和刚性不可调的非主镜部份，主镜部份需要同时消除自身安装过程中的初始姿态偏差和非主镜部份的所有累积误差；本发明为主镜座的架构设计引入了如图3b、3c中所示的半圆面上三点浮动支撑机构，在两种各具优势的方案中，观察者都能做到直观判断主镜光轴状态，清楚辨识主镜光轴落点向心调整的合理路径；新的主镜座架构以其直观性，简化了单筒光轴的自准直调整，简化了双筒光轴的同轴调整，还得到了一种近距离高倍观测能力。

本发明采用开放式无镜筒结构的理由：一方面是大型反射双筒系统的减重要求，一方面是传统镜筒结构连接可靠性的诸多不足，使得延用镜筒结构并非良策，本发明通过将传统镜筒的连接功能解构，得到了更为轻巧、稳定和可靠的连接方案。

开放式结构缺少镜筒遮蔽光路，一方面对环境直射光线的阻挡作用明显不足，另一方面光路内各处反射面上的散射光线也有明显增强；分析表明前者占据主导地位且较易处置，后者因为反射面众多且分散的缘故，需要作出全面改进。

环境直射光线分为主镜外围光线和副镜外围光线两组，通过在主镜座外侧附加一个圆形遮光环，在副镜背面附加一个圆形遮光板，就可完全阻挡；遮光环与遮光板的尺寸与位置，容易通过主副镜尺寸与位置、光阑尺寸与位置，有效成像圈尺寸与位置等求解。

散射光线则需要根据其来源逐一应对：⑴遮光环与遮光板利用背面阻挡直射光线，它们的正面同时成为了光路内的关键反射面，需要被粘贴消光绒或涂黑，主镜座遮光环甚至可以考虑加装遮光罩；⑵转像平台伸入光路内的薄梁，其面对主镜的表面需要被涂黑，为避免光线通过薄梁两侧表面向主镜掠射，薄梁在成型阶段就应考虑截面的轻微斜度；⑶相邻薄梁的转像平台中段处的空心筒体，其内壁应加工消光螺纹和涂黑；⑷主副镜除保持清洁外，边缘的倒角应涂黑、主镜中心非工作区可考虑遮掩；⑸第三反射镜比较关键，因为最接近焦点和人眼、光线强度极大的缘故，除需保持棱镜表面清洁外，还应采取诸如透射表面镀增透膜、非工作表面涂黑、合理减低口径等综合措施。

减重效果方面：经测算，在保证整体结构强度和光学成像品质的前提下，本发明中非光学组件在系统重量中的占比容易降至60％，相比有镜筒结构75％的平均数值，系统重量下降超过三分之一。

本发明保持双筒系统重心固定的理由：双筒系统重心保持固定，意味着需要对接专门设计的重力云台，付出这一成本将得到多方面的收益；⑴由于无需沉重的液压云台支持，系统轻量化的成果得以保持；⑵设计良好的重力云台几乎无需特别维护，自重方面甚至不及同等载重能力高级液压云台的十分之一；⑶重力云台的紧凑外型能避免占用光路，整体上收窄系统，降低系统的最终装箱尺寸；⑷重力云台重心居中随动平衡的特点，使得在同样的高重心大负载条件下，脚架部份承受的考验较小；⑸管理合理的重力云台，完全可以提供优秀的操控感；基于以上理由，本发明严格限定双筒系统的初始重心位置，并将重力云台提前与支架中间梁对接，双筒系统上架之初即已配置重力云台并实现随动平衡，而保持随动平衡，只需要在更换目镜时对相应更改配重砝码的数量与位置。

本发明将光轴调整点位单独设定在主镜座的理由：现代加工水平可以把一个相当规模系统所表现出的整体误差控制在理想的水平；不同口径与倍率的厂制大双筒得以流行，一方面表明其整体误差水平水平非常低，另一方面也提示，即便大型双筒系统粗调光轴的幅度可能比较大，但其微调光轴的幅度应该会特别小；粗略计算表明，当一个40倍的双筒系统的光轴存在可被肉眼察觉的偏差时，其所需要调整的幅度甚至不及通常所见浮动主镜座调整幅度的1/200。

传统牛顿反射望远镜的光轴，不只受到主镜筒刚性不足、调焦筒加工松垮、主镜筒与调焦筒相交垂直度欠佳、主镜座定心能力不足的影响，也容易受到副镜调节机构特别是副镜中心螺丝调整不当的影响，鉴于此，对所有这些误差源，应该毫不犹豫地消除。

本发明的机械部份主要采用小尺寸异形壳体结构与“t”形梁结构，其强度都较好，所有模块之间以及各个模块内部全部采用面连接，具备良好的复位性能和较低的配合误差，其结果就是：整个机械部份的累积误差，很容易被降到十字丝校准目镜难以察觉的水平，而这一水平下的反射镜光轴，是完全合格的；为此，本发明中不为副镜、第三反射镜设置任何调整机构，副镜与第三反射镜产生的刚性误差，与其他机械部份的刚性误差一起，集中交由能力富余的浮动主镜座处理。

如附图3-a所示的传统反射单筒共同采用的主镜座浮动支撑机构，由三组穿有强力弹簧的螺柱构成浮动支撑点，这组浮动支撑点在圆周上呈三等份分布，它们通过螺柱高度改变与弹簧始终张紧的协同推挽作用，共同改变主镜的位置与姿态；紧邻浮动支撑机构配备有一组三个辅助锁紧螺丝，用于在调整结束后锁定主镜座，但因为刚性接触且接触点特别小的缘故，事实上这组辅助锁紧螺丝很容易失效，而此时的强力弹簧，则往往表现出抗剪切能力的不足；本发明为避免主镜座的滑移，将长而软的弹簧更换为抗剪切能力更大、变形行程更小、附着面积更大的柔性垫圈，不仅主镜中心点和主镜光轴的定位更准确，同时也取消了辅助锁紧螺丝。

上述必要改进之外，传统主镜座浮动支撑机构在与双筒的适配方面表现了另外的重要不足：三点均布式结构在实际操作中，无论主镜调节的方向还是幅度，都非常难以把握，其原因在于主镜的光轴状态始终需要依靠光轴在视场中的落点位置来间接判断，而主镜光轴落点在各浮动支撑点调整时，并非直奔主镜中心点，它运动在三组相互之间夹角为120゜的虚拟直线上；这三组虚拟直线的方向由主镜支撑点布置、副镜斜面朝向调控，在视场中缺少提示并不直观，于是为检验调整效果，观测者需要反复来往于目镜插口与主镜背面，特别是当夜间仅有常规十字丝校准目镜、缺少激光校准目镜配合时，主镜光轴调整过程即便对于有经验的观测者来说也非易事，此时的传统三点均布式浮动支撑机构，毫无效率可言。

本发明采用一种如图3-b或3-c所示的半圆面上三点浮动支撑机构，不同于图3-a，新的三点浮动支撑机构中的两点呈上下分布，其连线与主镜座背面圆的垂直平分线重合，从而仅有这两点承受主镜重力，第三点不承受重力，承受重力的两点为垂直浮动支撑点，第三点为水平浮动支撑点；新的支撑机构具备特别的属性：主镜光轴落点不再运动在三组相互之间夹角为120゜的虚拟直线上，当水平浮动支撑点与任一垂直支撑点水平等高时，主镜光轴落点向主镜中心点调整时，将仅在水平与垂直的直线上运动，且其水平运动只受水平浮动支撑点驱动，垂直运动只受垂直浮动支撑点驱动，同时调整顺序可以任意指定，此时合理的光轴落点路径表现为如同图3-c所示的非常简洁的两对折线；当水平支撑点位于半圆弧的中点时，主镜光轴落点将运动在一组水平直线和两组与水平直线之间夹角为45゜的斜线上，此时的主镜光轴，其水平调整与垂直调整并未分离，垂直调整可以影响到水平状态，但水平调整并不影响垂直状态，鉴于垂直调整的非经常性，对本浮动支撑方案作出斜线上的调整先于水平线上的调整的规定，将得到合理而单一的调整路径，比如图3-b所示的po连线左侧的实折线，就具备较好的判断与操作的直观性；新的半圆面上三点浮动支撑方案，无论哪种布局，调整浮动支撑点两次，就能完成主镜与转像模块间的准直，完成双筒对无穷远目标的水平同轴，在此基础上，在高倍目镜支持下，调整四个垂直支撑点中的任一个，就能随后完成双筒对无穷远目标的垂直同轴；更进一步地，通过左右水平浮动支撑点间的联动，能实现左右主镜光轴在水平方向上对目标的同步跟随，实现任意观测距离与倍率下的左右视场合圆合像，获得此前任何大双筒系统都不曾有过的能力。

本发明为瞳距调节设定的支架与转像模块间的复合连接方式：转像模块围绕中心轴转动过程中始终输出固定像场的特点，使得本发明中的瞳距调节方案简洁明了，不仅直接破解了类似背身观天牛反双筒、松本正像双筒中存在的瞳距调节、焦距调节相互干扰的难题，也提供了最宽的瞳距调节范围，支架前面板上的通孔稍加拓展数毫米，就能支持瞳距上限值扩展到80毫米，而比较理想的瞳距下限值58毫米，也与调焦筒外部轮廓合拍；本发明中规定支架前面板与转像平台在工作状态下，始终保持两组四个面间的紧密配合，两平面之间的贴合可以确保像场始终处在同一平面内，两圆柱面之间的贴合可以确保像场内的目标边界以及目标间的相对位置始终不变。

本发明为焦距调节设计的多层壳体结构：焦距调节能力是双筒系统能力扩展的极为重要环节，主镜焦平面位置的设定与调焦行程的大小，事实上决定了系统可用目镜的范围；本发明为实现对尽可能多目镜的兼容，将调焦系统设计成多层套筒结构；目镜筒外筒外壁上的直线键槽，可以实现目镜筒的止脱、快速直线滑动调焦和锁紧，目镜筒内筒外表面的螺纹，可以实现慢速微调对焦、扩展调焦行程、补偿目镜焦平面不一致。

本发明中通过屋脊棱镜严格的安装方向性来克服可能的像倾，本发明中转像模块、转像镜组件可以任意互换的特点，非常有助于发现、判断和消除各类潜在的误差。

本发明中用于平衡目镜的配重模块，随着主镜规格的变化，其样式存在合理变化：如在后文的具体实施例中，因为采用八寸反射主镜的缘故，砝码与目镜比较适合安装在重心的对侧，此时的砝码组通过空心方管集中安装在支架中间梁顶部，砝码组可以被空心方管带着整体滑动，甚至可以手指透过空心方管上表面滑动部份砝码的缕空，简单直接地实现微调；而在主镜口径超过十寸的更大反射双筒系统中，将砝码与目镜安装在同侧同一平面内，不仅可以减轻系统重量，实现比例更为协调的整机外形，还能为双筒系统的操作带来一定的便利。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

附图1为双筒系统重要组件的连接关系示意图：101、支架前面板；102、支架中间梁；103、支架后面板；1011、前面板前表面；1012、前面板侧上方圆柱面；200、主镜座；201、上垂直浮动支撑点；202、下垂直浮动支撑点；203、水平浮动支撑点；204、主镜座背面圆的垂直平分线；205、下垂直浮动支撑点的水平等高线；206、上垂直浮动支撑点的水平等高线；207、主镜座外侧遮光环；301、副镜；302、第三反射镜；303、第三反射镜壳体；304、后调焦筒；305、前调焦筒；306、转像平台中部平面；307、转像平台中部凸台上圆柱面；308、薄梁；309、45°角平台；310、副镜背面遮光板；311、副镜光学中心点；401、目镜筒内筒；402、目镜筒外筒；501、砝码安装管；600、转像模块旋转中轴线。

附图2为附图1的简图。

附图3为反射主镜座的三种不同浮动支撑机构及对应主镜光轴落点合理运动路径的示意图，图a为传统圆周上三点均布样式，图b为水平浮动支撑点位于半圆弧中点样式、图c为水平浮动支撑点与上垂直浮动支撑点水平等高的样式；组图中p、o两点均为副镜后视场中的虚点，p为主镜光轴落点，o主镜中心点，自p向o的实折线，代表浮动支撑机构调整过程中点p的合理运动路径。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例的连接关系：支架前面板101、支架后面板103同时被支架中间梁102垂直平分；前面板前表面1011与转像平台中部平面306贴合，前面板侧上方圆柱面1012与转像平台中部凸台上圆柱面307贴合；圆柱面1012、圆柱面307的共同中心轴与转像模块旋转中轴线600重合，此轴线亦为理想状态下的双筒光轴；主镜座200通过其背面的上垂直浮动支撑点201、下垂直浮动支撑点202、水平浮动支撑点203准确连接到支架后面板103的内侧表面；主镜座与主镜的中心点被转像模块旋转中轴线600通过；转像平台中部平面306上加工有螺纹孔，：支架前面板101上加工有弧形键槽，手拧螺丝在支架前面板101的内表面拉紧和固定转像模块，并实现瞳距的调整；副镜301被预先固定在45°角平台309上，第三反射镜302被预先固定在第三反射镜壳体303内，第三反射镜壳体303被固定在转像平台底部一处沉孔内，沉孔将转像模块的前调焦筒305、后调焦筒304分隔；目镜筒内筒401、目镜筒外筒402通常被安装在后调焦筒304内，用于直视观察；砝码安装管501固定在支架中间梁102的顶面，通过贴合面上的直键槽与锁紧螺丝，砝码安装管501可前后调整位置；主镜座外侧遮光环207、副镜背面遮光板310共同阻挡环境直射光线，副镜背面遮光板310为可拆卸结构。

本实施例的基本数据:主镜口径200毫米，焦距1000毫米，左右主镜中心水平距离270毫米，主镜座高度35毫米，主镜座外遮光环直径280毫米，主镜重量1700克，单个主镜模块重量2500克；支架模块总长度750毫米，总宽度300毫米，总高度180毫米，全重2300克，单个转像模块重量1050克；目镜筒模块4个共重550克；配重模块中，条形砝码安装管重量350克；本实施例全部连接件包含主镜座连接螺丝6个，柔性垫圈6片，转像模块连接螺丝2个，目镜筒模块限位螺丝4个，第三反射镜壳体固定螺丝与弹片两组，不含目镜与砝码，双筒系统的初始重量约为10.6千克，重量数据较好，外形尺寸也相当紧凑。

本实施例的安装与调试：因为重力云台被事先牢牢地连接在支架中间梁上，也因为第三反射镜及其壳体、目镜筒模块及砝码安装管可以不必每次拆落的缘故，第二次起安装速度会加快不少，连调试在内用时10-15分钟应不存在明显困难；安装的第一步，要完成脚架高度的设定和重力云台水平状态的确认，其中云台水平状态对双筒系统的观察能力影响较大，有必要通过支架模块的大幅转动来加以判断；安装的第二步是主镜模块上架，主镜座以水平方式完成上架最为合理，这种方式下主镜座受力最为平衡，主镜座与定位螺丝、定位螺丝与螺纹孔之间的接触状态最便于判断和调整，同时支架后面板与脚架中轴间可设定限位避免晃动，接触状态的调整非常重要，其目的是避免柔性垫圈变形过程中，主镜座浮动点处的螺纹孔因与定位螺丝干涉而受损，当六根定位螺丝依次穿过尼龙垫圈、支架后面板、柔性垫圈并最终固定在主镜座背面开孔位置，即构成完整的浮动点，在给定位螺丝逐个循环加力时，应保证所有柔性垫圈都已具备足够大的张力，不会因随后主镜座姿态变化而退让，更不至于晃动，第二步调整以目视判断主镜座背面与支架后面板平行为结束，所用时间的长短，取决于经验的积累；第三步是向支架前面板安装左右转像模块，安装完毕进行瞳距确认，先安装首个转像模块，此时重心偏向主镜一侧，平衡暂难建立，因此安装应尽量不改变主镜保有的水平低位状态，哪怕踮脚也应考虑在高点完成安装，安装前应检查转像镜及其壳体压紧状况，目镜筒键槽的锁紧状况，防止意外坠落造成重大损失，安装时应特别注意动作的幅度和合理性，小心保护好四个重要配合面1011、306、1012、307的棱角，小心保护手拧螺丝安装孔，确保手拧螺丝旋入过程准确无误，第二阶段安装第二个转像模块，安装接近完成时，整个双筒系统已经接近于随动平衡了，此时可以小心地将支架放平，通过推拉按压主镜外缘检查主镜浮动状态，确认左右转像模块间的对称状态及瞳距是否正确，如不合格可小心松开手拧螺丝，完成调整；第四步需要完成左右主镜与各自转像模块间的自准直调整，因为采用了新架构的缘故，校准目镜的十字丝在本发明中不具意义，校准目镜仅凭其被照亮的小孔，就足以了解当下光轴状态，这一步骤虽然大大降低了难度，但因为调整与检测需要分别在支架前后进行，的缘故，相对比较费时，大幅度地减少时间取决于练习，特别是在练习中学会对光轴状态的水平垂直分量作定量判读，并将读数对应于浮动点螺丝旋转角度或圈数；最后第五步调整左右同轴，需要将此前目测初步合格的左右光轴，在高倍目镜下作最终的验证与调整，这一步骤大体上只需要调整四个垂直支撑螺丝中的一个即可，动作简单用时最少，仍需注意选取较远的外部目标作为参考，过程中如发现左右视野垂直差距过大，则表明前面的安装步骤有误或检查有遗漏，需要认真溯源与纠正。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。