Зрительные трубы

Устройство зрительной трубы. Для визирования на удаленные наблюдаемые предметы в геодезических приборах используют зрительные трубы. Большинство из них дает обратное изображение предметов и относится к типу астрономических; в некоторых теодолитах используются трубы, обеспечивающие прямое изображение. Перед наблюдением зрительная труба должна быть отрегулирована таким образом, чтобы в поле зрения трубы отчетливо было видно

изображение визирной цели. Такая установка зрительной трубы называется ее фокусированием. По характеру фокусировки различают трубы с внешним и внутренним фокусированием.

В современных геодезических приборах применяют трубы с внутренним фокусированием, имеющие постоянную длину. Конструкция таких труб обеспечивает большее увеличение при меньшей длине по сравнению с трубами с внешним фокусированием, а также предохраняет трубу от проникновения в нее пыли и влаги.

Оптическая система зрительной трубы с внутренним фокусированием (рис. 82, а) -состоит из объектива 1, окуляра 2, внутренней фокусирующей линзы 3, которая перемещается внутри трубы вращением кремальеры 4 (кремальерного винта или кольца) и сетки нитей 5.

Совместное действие объектива и фокусирующей линзы равносильно действию одной собирательной линзы с переменным фокусным расстоянием, называемой телеобъективом. Принципиально оптическая схема трубы с телеобъективом (рис. 82, б) не отличается от схемы простой зрительной трубы (трубы Кеплера) с внешней фокусировкой, но обладает более совершенной конструкцией.

Предмет АВ, расположенный за двойным фокусным расстоянием, рассматривается через объектив 1 (см. рис. 82, б). Его изображение аЪ, получаемое с помощью телеобъектива, будет действительным, обратным и уменьшенным. Указанное изображение увеличивается окуляром 2, в результате чего получается мнимое и увеличенное изображение а'Ъ' наблюдаемого предмета.

Изображение предмета, получаемое простой зрительной трубой, сопровождается оптическими искажениями, основными из которых являются сферическая и хроматическая

аберрации. Сферическая аберрация вызывается тем, что лучи света (особенно падающие на края линзы) после преломления не пересекаются в одной точке и дают тем самым неясное и расплывчатое изображение. Хроматическая аберрация заключается в том, что лучи света после преломления в линзе разлагаются на составные цвета радуги и окрашивают края изображений. Для ослабления влияния оптических искажений в зрительных трубах применяют диафрагмы, задерживающие прохождение крайних лучей света, а также сложные объективы и окуляры, состоящие из 2 - 3 линз и более с разной кривизной и различными коэффициентами преломления стекла.

Сетка нитей. Установка зрительной трубы для наблюдения. Для

визирования на наблюдаемые цели в зрительной трубе должна быть постоянная точка К - действительная или воображаемая между параллельными линиями. Для получения этой точки в окулярном колене вблизи переднего фокуса окуляра помещается металлическая оправа, в которой вставлена стеклянная пластинка с нанесенной на ней сеткой нитей (рис. 83, а). Виды сеток нитей, применяемых в современных теодолитах, показаны на рис. 83, б, в.

Сетка нитей представляет собой систему штрихов, расположенных в плоскости изображения, даваемого объективом зрительной трубы. Основные штрихи сетки используются для наведения трубы в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Двойной вертикальный штрих называется биссектором нитей; визирование на наблюдаемую цель биссектором производится точнее, чем одной нитью. Точка пересечения основных штрихов сетки нитей либо осей заменяющих их биссекторов называется перекрестием сетки нитей.

Воображаемая линия, соединяющая перекрестие сетки нитей и оптический центр объектива, называется визирной осью трубы, а ее продолжение до наблюдаемой цели — линией визирования. Линия, проходящая через оптические центры объектива и окуляра, называется оптической осью трубы. Зрительная труба имеет также геометрическую ось, т.е. линию симметрии трубы, проходящую через центры поперечных сечений цилиндра трубы.

Для правильной установки сетки нитей ее оправа снабжена исправительными (юстировочными) винтами 1: двумя горизонтальными и двумя вертикальными (см. рис. 83, а), которые закрываются навинчивающимся колпачком. С помощью каждой из пар юстировочных винтов сетку нитей можно перемещать в небольших пределах в горизонтальной и вертикальной плоскостях, изменяя тем самым положение визирной оси зрительной трубы.

При визировании на цель наблюдатель должен отчетливо видеть в поле зрения трубы штрихи сетки нитей и изображение рассматриваемого предмета. Для выполнения этого условия должны быть выполнены действия, составляющие установку зрительной трубы для наблюдения. Полная установка трубы для наблюдения складывается из установки ее по глазу и по предмету.

Установка трубы по глазу производится перемещением диоптрийного кольца окуляра до получения четкой видимости штрихов сетки нитей; она выполняется каждым наблюдателем соответственно остроте его зрения и периодически проверяется.

Установка трубы по предмету (фокусирование) для получения отчетливого изображения визирной цели осуществляется перемещением фокусирующей линзы с помощью кремальерного винта или кольца. При наблюдении предметов, расположенных на различных расстояниях от прибора, фокусирование приходится производить каждый раз заново. Перекрестие сетки нитей не должно сходить с изображения наблюдаемой цели при перемещении глаза относительно окуляра. В противном случае имеет место явление,называемое параллаксом сетки нитей, который возникает при недостаточно тщательном фокусировании трубы вследствие не совмещения изображения предмета с плоскостью сетки нитей. Параллакс устраняется небольшим поворотом кремальеры, что способствует повышению точности визирования.

Технические показатели зрительных труб. Оценка качества

зрительных труб осуществляется по ряду технических показателей, к основным из которых относятся увеличение трубы, поле зрения трубы и яркость изображения.

Видимым или угловым увеличением зрительной трубы Г называется отношение угла р (см. рис. 82, б), под которым изображение рассматриваемого предмета видно в трубу, к углу а, под которым предмет виден невооруженным глазом, т. е.

г

а

Практически увеличение зрительной трубы можно принять равным отношению фокусных расстояний объектива и окуляра:

!ов

г =

/ ок

Увеличение зрительной трубы можно определить по вертикальной рейке, установленной в 5 - 10 м от прибора (рис. 84, а). На рейку смотрят одновременно двумя глазами: одним - непосредственно на рейку, другим - через трубу. При этом два видимых изображения рейки проектируются одно на другое; подсчитывают, сколько делений рейки, видимых невооруженным глазом, проектируется на одно увеличенное деление, видимое через трубу. Это число и будет увеличением зрительной трубы.

Рис. 84. Схемы исследования зрительной трубы при помощи рейки

Принимая погрешность визирования невооруженным глазом равной 60" и зная увеличение трубы Г, можно найти предельную погрешность визирования при наблюдении в зрительную трубу:

60⁰

тV =— • (1Х.1)

Для получения большего увеличения в зрительных трубах геодезических приборов используют длиннофокусные объективы и короткофокусные окуляры. Увеличение зрительных труб, применяемых в инженерной практике, находится в пределах 15 - 30^х, а в высокоточных приборах - до 40^х.

Полем зрения зрительной трубы называется коническое пространство, видимое глазом через неподвижно установленную трубу. Оно измеряется (рис. 84, б) углом ф между лучами, идущими из оптического центра объектива к краям а и Ь диафрагмы. Величина угла поля зрения трубы определяется по формуле

38,2⁰

<Р = —^ (1X2)

т. е. угол поля зрения обратно пропорционален увеличению трубы и не зависит от размеров объектива. Это обстоятельство ограничивает применение в геодезических приборах труб с большим увеличением, так как ими весьма трудно отыскивать визирные цели. Поэтому на трубах с большим увеличением часто устанавливают дополнительную трубу-искатель с малым увеличением, но большим полем зрения.

На практике для определения угла поля зрения трубы на расстоянии В (см. рис. 84, б) от объектива устанавливают рейку и отсчитывают по ней число делений 1, видимых в трубу между краями поля зрения. Тогда

I, <р = — р.

В

Например, при Б=20 м, 1=60 см, ф=0,60 м/20 м-3438'= 103'= 1,7°.

Зрительные трубы геодезических приборов имеют углы поля зрения от 30' до 2°.

Яркость изображения или степень освещенности характеризуется количеством света, получаемым глазом в одну секунду, на каждый квадратный миллиметр видимого изображения. Относительная яркость изображения I, определяемая отношением яркостей изображения при наблюдении невооруженным глазом Е_о и с помощью зрительной трубы Е_ь может быть найдена из выражения

I = Е =,

где т - коэффициент пропускания системы, учитывающий потери светового потока на отражение при преломлении лучей на полированных поверхностях и поглощение при их прохождении через оптические детали; Бвх—диаметр входного отверстия объектива; Агл—диаметр зрачка глаза.

Как следует из формулы (1Х.3), для наблюдений (особенно в подземных горных выработках в условиях слабой освещенности) выгодно применять трубы с большим диаметром входного отверстия и небольшим увеличением. Однако увеличение диаметра входного отверстия объектива ведет к усилению влияния хроматической аберрации, а уменьшение увеличения - к снижению разрешающей способности трубы и точности визирования.

Применение просветленной оптики в современных геодезических приборах сводит к минимуму потери яркости изображения при прохождении лучей через оптическую систему трубы.

УРОВНИ

Уровни служат для приведения осей и плоскостей геодезических приборов в горизонтальное либо вертикальное положение. В точных приборах с помощью накладных уровней измеряют незначительные (порядка нескольких секунд) углы наклона осей. Уровни применяются также в виде
самостоятельных приборов при монтаже технологического оборудования и в строительном деле. По форме различают цилиндрические и круглые (сферические) уровни.

Цилиндрический уровень. Цилиндрический уровень (рис. 85, а) представляет собой стеклянную трубку (ампулу), внутренняя поверхность которой в вертикальном продольном разрезе имеет вид дуги АВ круга радиуса от 3,5 до 200 м. При изготовлении уровня ампулу заполняют легкоподвижной жидкостью (серным эфиром или спиртом), нагревают и запаивают. После охлаждения внутри ампулы образуется небольшое пространство, заполненное парами жидкости, которое называется пузырьком уровня. Для защиты от повреждений ампула заключается в металлическую оправу, заполненную гипсом. Юстировка уровня, т. е. его установка на приборе в требуемом положении, выполняется исправительными винтами.

й

шшшщт

{н+нетЗН+Э ------------

Рис. 85. Цилиндрический уровень

На наружной поверхности ампулы наносятся деления через 2 мм (см. рис. 85, а). Средний штрих 0 шкалы принимается за нулевой и называется нуль-пунктом уровня. Касательная ии к дуге АВ внутренней поверхности уровня в нуль-пункте называется осью уровня. Если пузырек уровня находится в нуль-пункте, то ось уровня горизонтальна. При наклоне оси уровня его пузырек перемещается. Центральный угол, соответствующий одному делению ампулы, называется ценой деления уровня ц. Следовательно, при помощи уровня можно измерять небольшие углы наклона линий, связанных с его осью. Если пузырек отклоняется от нуль-пункта на п делений, то угол наклона оси уровня к горизонту у=щ.

В геодезических приборах используют цилиндрические уровни с ценой деления от 1" до 2'. Цена деления зависит от радиуса внутренней поверхности ампулы уровня и служит мерой чувствительности уровня, т. е. способности его пузырька быстро и точно занимать наивысшее положение. Кроме того, чувствительность уровня зависит от качества шлифовки внутренней поверхности ампулы, свойств заполняющей жидкости, ее температуры и длины пузырька уровня (длинный пузырек обладает большей чувствительностью, чем короткий).

Нормальная длина пузырька уровня составляет 0,3-0,4 длины ампулы при температуре +20°. Для сохранения длины пузырька при изменении температуры используют

компенсированные уровни (рис. 85, б) либо уровни с запасной камерой- камерные уровни (рис. 85, в). Принцип устройства компенсированной ампулы основан на сокращении объема заполнителя путем помещения в ампулу стеклянной трубки 1 с запаянными концами. Запасная камера 2 камерного уровня отделяется от рабочей стеклянной перегородкой с отверстием внизу. Наклоняя уровень, можно перемещать часть паров заполнителя из одной камеры в другую и тем самым регулировать длину пузырька. На некоторых приборах устанавливают реверсивные (оборотные) уровни, позволяющие наблюдать пузырек при опрокидывании уровня на 180°.

Для повышения точности установки пузырька в нуль-пункте используют контактные уровни. В таких уровнях изображение концов пузырька с помощью призменной системы передается в поле зрения трубы (рис. 85, г). Несовмещенное положение концов пузырька уровня соответствует наклонному положению оси цилиндрического уровня. При совмещенных изображениях концов пузырька ось уровня устанавливается горизонтально. Опыт показывает, что точность контактного уровня обычно в 3-4 раза выше точности цилиндрического уровня.

Круглый уровень. Круглый уровень (рис. 86) представляет собой цилиндрический резервуар 1 со стеклянной крышкой 8, внутренняя сторона которой является частью сферической
поверхности определенного радиуса. Резервуар заполнен серным эфиром или спиртом и заключен в металлическую оправу 2, прикрепляемую к прибору тремя винтами.

На наружной части стеклянной крышки выгравировано несколько окружностей с общим центром О, являющимся нуль-пунктом круглого уровня. Радиус внутренней сферической поверхности крышки, проходящей через нуль-пункт, называется осью круглого уровня. Если пузырек круглого уровня находится в нуль-пункте, т. е. расположен концентрично с окружностями, то его ось занимает отвесное положение.

Круглые уровни отличаются простотой конструкции и удобством в работе, но менее чувствительны, чем цилиндрические; обычно цена деления составляет 5' и более. Поэтому круглые уровни используются для предварительного приведения осей приборов в отвесное положение, а также в случаях, когда не требуется большой точности в установке приборов.

Рис. 86. Круглый уровень: а - общий вид; б - разрез; в - вид сверху