Измерительные работы можно проводить только в том случае, когда в трубу через окуляр одновременно хорошо видны сетка нитей и изображение предмета. Для этого надо совместить плоскость сетки и плоскость изображения предмета, даваемого объективом. Действия, связанные с совмещением указанных плоскостей, называются установкой трубы по глазу и по предмету.
Установка трубы по глазу – значит поставить окуляр и сетку на таком расстоянии, при котором сетка хорошо видна. Окуляр перемещают вращением его оправы в окулярной трубке, имеющей винтовую нарезку. Установка трубы по предмету состоит в том, чтобы совместить изображение предмета плоскостью сетки нитей, то есть сделать, чтобы наблюдаемый предмет был хорошо виден. Для предметов разной удаленности от инструмента эта установка будет неодинаковой.
В трубах с внешней фокусировкой – за счет перемещения окулярного колена, внутренней – за счет перемещения рассеивающей линзы.
Вследствие несовершенства человеческого глаза всегда нужно проверить параллакс сетки нитей. Параллакс – кажущееся перемещение изображения предмета относительно сетки нитей при изменении положения глаза около окуляра.
|
|
Если плоскость сетки нитей и изображаемого предмета совпадают, то центр сетки нитей будет покрывать одну и ту же точку К независимо от того, где будет находиться глаз – в точке М1, М2 или М3. Если сетка с центром К находится дальше, чем изображение, то при перемещении глаза в точках М1, М2, М3 центр сетки будет покрывать разные точки предмета m1, m2, m3.
На рисунках N1N2 – плоскость сетки; V1V2 – плоскость изображения. Если изображение предмета дальше от глаза, чем сетка, то с перемещением глаза вправо или влево крест сетки также будет покрывать разные точки предмета.
С М1 N1 V1 М1
изображение m1
К m2 М2
К М2
глаз m3 М3
сетка М3 N2 V2
V2 N2
m3 М1
К глаз
m2 М2
m3 М3
N1
V1
Рис. 20. Параллакс сетки нитей
Параллакс обнаружить просто, а устранить можно более точной установкой трубы по предмету и по глазу.
3.1.4. Основные оптические характеристики зрительных труб и их определение
Основными оптическими характеристиками зрительной трубы являются увеличение Г×, угол поля зрения трубы, относительная яркость Н и разрешающая сила r" при установке трубы на бесконечность. При конструировании стремятся получить наиболее высокие показатели для всех характеристик. Однако иногда улучшение одних характеристик приводит к ухудшению других. Кроме того, улучшение характеристик оптических систем, как правило, связано с увеличением их размеров, массы и стоимости изготовления. Поэтому для основных характеристик оптической системы еще до конструирования устанавливают некоторые оптимальные значения, отвечающие всем предъявляемым к ней требованиям.
|
|
Увеличение трубы. Допустим, что глаз рассматривает изображение предмета в трубе из центра окуляра О1 под углом β, а предмет – из центра объектива О под углом α.
а0
α Fоб. С β О1
α
в0
Рис. 21. Увеличение зрительной трубы
При наблюдении на большие расстояния можно считать, что изображение предмета в трубе удалено как от объектива, так и от окуляра на величину их фокусных расстояний, то есть можно записать (рис. 21): ОС=Fоб., а О1С=fок.. Из ∆а0О1в0 и а0Ов0 имеем По малости углов α и β – Г×=β׃α=Fоб.׃fок..
Увеличением зрительной трубы называют отношение угла, под которым предмет виден в трубу, к углу, под которым виден тот же предмет невооруженным глазом.
Увеличение трубы есть отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Его можно определить в полевых условиях. На расстоянии 20 – 30 метров от прибора устанавливают рейку. Число делений рейки, видимых простым глазом, соответствующее одному делению рейки, видимому в трубу, дает увеличение трубы. Например, одному делению рейки, видимому в трубу, соответствует 15 делений, видимых простым глазом. Значит Г×=15×.
На рис. 23 обозначено: fоб и fок – фокусные расстояния соответственно объектива и окуляра; Dвх – диаметр входного зрачка, равный диаметру оправы объектива; Dвых – диаметр выходного зрачка, размер изображения диаметра оправы объектива или диафрагмы внутри трубы, даваемое окуляром; Fоб, Fок – точки фокуса объектива и окуляра; у' – изображение объекта у, даваемое объективом.
По рис.23 можно записать
tg w··у/2 = у'/ fок , tg w /2 = у'/ fоб .
Подставив эти значения в формулу (29), получим
Г = fоб / fок (30)
Из подобия треугольников на рис.18 следует
fоб / fок = Dвх / Dвых .
Тогда формулу (30) можно преобразовать и записать выражение для увеличения трубы в виде
Г = Dвх / Dвых (31)
Все три формулы можно объединить и записать:
, (32)
где ω ' – угол, под которым наблюдатель видит изображение предмета в зрительной трубе; ω – угол, под которым виден этот предмет невооруженным глазом из середины входного зрачка трубы.
В геодезических приборах технической точности применяются зрительные трубы с увеличением …... В приборах средней, высокой и наивысшей точности увеличение зрительных труб доходит до 60 крат. Кроме того, как следует из формулы (30), увеличение одной и той же зрительной трубы можно изменять путем изменения фокусного расстояния окуляра. Поэтому некоторые приборы комплектуются несколькими сменными окулярами с различными фокусными расстояниями.
Значения увеличения зрительной трубы указывается в паспорте на прибор. При отсутствии паспорта увеличение приходится определять экспериментально. Для этого используется несколько способов.
Способ непосредственного измерения фокусных расстояний объектива и окуляра заключается в том, что измеряют расстояния от объектива до исправительных винтов сетки нитей зрительной трубы и от исправительных винтов до окуляра, принимают эти расстояния за фокусные расстояния соответственно объектива и окуляра, подставляют их в формулу (30) и получают увеличение трубы. Этот способ позволяет определить увеличение трубы с погрешностью 2–5 единиц второго знака, т.к. середина объектива и окуляра устанавливается приближенно.
Способ сравнения зрачков входа и выхода. Зрачком входа зрительной трубы Dвх является оправа объектива, внутренний диаметр которой определяют циркулем и линейкой с точностью до 0,5мм. Для определения диаметра зрачка выхода Dвых трубу фокусируют на удаленный предмет и направляют ее объектив на светлый фон. За окуляром устанавливают перпендикулярно визирной оси экран из тонкой бумаги (кальки) и медленно передвигают его вдоль визирной оси, добиваясь четкого изображения на экране яркого кружка, являющегося зрачком выхода, диаметр которого измеряют с помощью циркуля и поперечного масштаба с точностью до 0,1мм. Пользуясь полученными диаметрами и формулой (31), вычисляют значение увеличения зрительной трубы.
|
|
Если рабочее отверстие объектива ограничивается диафрагмой внутри трубы, то для определения увеличения пользуются специальным прибором – динаметром.
Динаметр (рис. 22) состоит из лупы 1, шкалы 2 с ценой деления 0,1мм, двух тубусов 3 и 4, комплектуется несколькими диафрагмами (рис.22, б) прямоугольного сечения с известными размерами D световых отверстий, которые используются как диаметры входных зрачков. Диафрагма навешивается на объективный конец зрительной трубы, а динаметр тубусом 4 вплотную приставляется к окуляру трубы 5 и фокусируется так, чтобы отчетливо были видны шкала и изображение диафрагмы. По шкале определяют ширину изображения диафрагмы, принимают ее за Dвых и вычисляют увеличение по формуле (31). Для повышения точности определения увеличения ГОСТ 60248–79 рекомендует выполнять измерения не менее трех раз. При этом используют диафрагмы с различными входными размерами. Окончательным результатом считают среднее арифметическое из всех определений.
Рис. 22. Динаметр
Описанный способ позволяет определять увеличение трубы с погрешностью 1–2 единицы второго знака.
Способ Галилея состоит в том, что сравнивают между собой деления шкалы, рассматриваемой одновременно невооруженным и вооруженным (зрительной трубой) глазом, в качестве шкалы используют рейку, установленную в нескольких метрах от прибора. Трубу устанавливают горизонтально и наводят ее на рейку. Затем отсчитывают число делений рейки, укладывающихся между дальномерными штрихами сетки (рис.24) при рассматривании невооруженным глазом (N) и в трубу (n). Видимое увеличение трубы определяют по формуле Г = N/n. Погрешность определения увеличения трубы составляет 2–5 единиц второго знака.
|
|
Способ сравнения предельных расстояний. Определение увеличения зрительной трубы этим способом выполняют следующим образом. Установив прибор на штативе, наблюдатель наводит и тщательно фокусирует трубу на объект, например, на миру (рис.26) или страницу книги, которые помощник постепенно удаляет от прибора на максимальное расстояние Sтр, при котором еще различимы в поле зрения трубы изображения отдельных штрихов миры или буквы шрифта. Измеряют расстояние от прибора до объекта визирования. Затем, рассматривая ту же миру (или шрифт) невооруженным глазом, наблюдатель постепенно подходит к мире на расстояние Sгл , при котором еще различаются отдельные штрихи миры или буквы шрифта. Измерив расстояние от наблюдателя до миры (шрифта), вычисляют увеличение трубы Г = Sтр / Sгл . Зрение наблюдателя должно быть нормальным, при нарушении зрения необходимо пользоваться очками, чтобы обеспечить нормальную остроту зрения.
Рис. 23. Определение увеличения трубы способом непосредственного измерения фокусных расстояний объектива и окуляра и способом
сравнения зрачков входа и выхода
Рис. 24. Определение увеличения трубы по рейке
Рис. 25. Определение поля зрения трубы
Поле зрения и яркость изображения трубы
Полем зрения трубы называется пространство, видимое в трубу при неподвижном ее положении. Оно ограничивается круглым отверстием полевой диафрагмы (сетки нитей) и в пространстве предметов имеет вид конуса, образованного крайними главными лучами.
В геодезических приборах в фокальной плоскости трубы помещается диафрагма, которая не пропускает лучи, падающие на объектив под большим углом. В глаз наблюдателя попадут только те лучи, которые будут находится в пределах конуса аОв, основанием которого является отверстие диафрагмы, а вершина находится в оптическом центре объектива О. Измеряется поле зрения углом α, вершина которого лежит в оптическом центре.
Различают два поля зрения: объективное (истинное) и окулярное (субъективное, кажущееся). Они характеризуются соответственно углами 2ω и 2ω', под которыми мы видим диафрагму MN (рис.25) через объектив и через окуляр. Обозначив диаметр диафрагмы MN = d, запишем
и ,
где f1' – заднее фокусное расстояние объектива,
f2 – переднее фокусное расстояние окуляра.
Поэтому можно записать
или для малых углов
и окончательно
(33)
Отсюда видно, что объективное (истинное) поле зрения прямо пропорционально окулярному (субъективному) полю зрения и обратно пропорционально увеличению трубы.
Окулярное поле зрения зависит от оптической системы окуляра и может достигать 2ω'=60'.
Зрительные трубы характеризуются объективным полем зрения
. (34)
Практически угол поля зрения можно определить двумя способами.
При исследовании угломерных приборов трубу наводят на удаленную точку дважды: первый раз – одним краем (верхним или правым) полевой диафрагмы, второй раз – противоположным краем (нижним или левым). После каждого наведения берут отсчеты N1 и N2 по вертикальному или горизонтальному лимбу. Угол поля зрения вычисляют по формуле
2ω = N1 – N2 (35)
Для определения поля зрения труб нивелиров на расстоянии 50м от прибора устанавливают вертикально рейку. После приведения нивелира в рабочее положение визируют на рейку, вертикальную нить сетки совмещают с осью рейки и берут отсчеты по нижнему в1 и по верхнему в2 краям полевой диафрагмы. Измеряют расстояние L от рейки до объектива и определяют угол поля зрения по формуле
(36)
Этот способ можно использовать при определении поля зрения и в теодолитах. Необходимо лишь перед измерениями привести зрительную трубу в горизонтальное положение.
Истинный угол поля зрения современных зрительных труб геодезических приборов составляет 1 – 2°.