Зрительная труба
Зрительные трубы делятся на:
- астрономические (обратного изображения);
- прямого изображения;
- автоколлимационные.
В геодезических инструментах, предназначенных для наблюдения удаленных предметов, пользуются астрономической трубой. Она состоит из двух собирательных линз, заключенных в цилиндрическую трубу. Одна линза, обращенная к объекту наблюдения, называется объективом, а другая, в которую смотрит глаз наблюдателя, окуляром.
Зрительные трубы бывают с внутренней и внешней фокусировкой. Если фокусировка внутренняя, то внутри трубы помещена рассеивающая линза, с помощью которой можно получить изображение в одной плоскости и этим не менять расстояние между объективом и окуляром. Трубы с внешней фокусировкой состоят из 2-х частей: объективной и окулярной. Последняя с помощью зубчатки, называемой кремальерой может перемещаться и этим достигается изображение предмета. Ход лучей в трубе с внешней фокусировкой – на рисунке: М – объектив. N – окуляр, АВ — рассматриваемый предмет, от которого в трубу идут отраженные лучи. Рассмотрим только два луча, исходящие из точки А: один проходит через оптический центр объектива О, а другой – через главный фокус F. Оба они пересекаются по другую сторону объектива в точке A. Аналогично этому лучи, исходящие из точки В, дадут изображение в точке в. Предмет АВ изображается величиной AB. Это будет действительное обратное и уменьшенное изображение. Полученное в фокальной плоскости трубы изображение рассматривается через окуляр, действующий как лупа. Тогда глаз видит изображение размером А0В0.
Рис.1 Построение изображения в зрительной трубе.
LL – объектив с фокусным расстоянием F и окуляр ℓℓ с фокусным расстоянием f. Действительное, обратное изображение предмета АВ получают от объектива за его главным фокусом F. Окуляр устанавливается таким образом, чтобы его главный фокус f оказался впереди изображения ав (точки F и f почти совпадают). Тогда перед окуляром получается обратное изображение а’в’, оно увеличенное, но мнимое и находится на расстоянии N наилучшего зрения от глаза. В плоскости ав помещается сетка нитей.
При визировании на бесконечность изображение удаленной цели строится в общей фокальной плоскости объектива и окуляра – задний фокус объектива будет совпадать с передним фокусом окуляра. Такая оптическая система называется телескопической.
В современных теодолитах применяют трубы только с внутренней фокусировкой, обладающими следующими преимуществами: постоянство длины трубы, малые размеры. Объектив и фокусирующая линза образуют телеобъектив. При фокусировании линза изменяет свое положение относительно объектива.
Изображение предмета проецируется на плоскопараллельную пластинку с нанесенной на ней сеткой нитей.
Рис.2
Оптические качества зрительной трубы:
- увеличение трубы;
- поле зрения трубы;
- яркость трубы.
Увеличение трубы
Увеличением зрительной трубы называют отношение угла, под которым предмет виден в трубу, к углу, под которым виден тот же предмет невооруженным глазом.
Допустим, что глаз рассматривает изображение предмета в трубе из центра окуляра О1 под углом β, а предмет – из центра объектива О под углом α.
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 ОС=Fоб., а О1С=fок.. Из ∆а0О1в0 и а0Ов0 имеем:
По малости углов α и β – V=β:α=Fоб.:fок..
Рис.3
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.
В приборах средней, высокой и наивысшей точности увеличение зрительных труб доходит до 60 крат. Кроме того, 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.
Поле зрения трубы
Полем зрения трубы называется пространство, видимое в трубу. 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 2u и 2u’, под которыми мы видим диафрагму MN через объектив и через окуляр.
Рис.4 Определение поля зрения трубы
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 2u’=60°.
Яркость трубы
Труба характеризуется субъективной яркостью, т.е. отношением освещенности изображения на сетчатке глаза при рассматривании предмета в трубу к освещенности изображения того же предмета на сетчатке при рассматривании его невооруженным глазом. Освещенность изображения на сетчатке глаза зависит от освещенности предмета и площади зрачка глаза, если предмет рассматривается невооруженным глазом, и площади зрачка выхода, если предмет рассматривается в трубу. Площади зрачков пропорциональны квадратам их диаметров, поэтому яркость трубы определяется по формуле:
,
где B – коэффициент прозрачности; d – диаметр зрачка выхода; d’ – диаметр зрачка глаза; D – диаметр зрачка входа; Г – увеличение трубы.
Повторительный теодолит
Геометрические условия
- Ось цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга должна быть перпендикулярна к оси вращения алидады.
- Ось вращения алидады должна быть установлена отвесно (вертикально).
- Визирная ось трубы должна быть перпендикулярна к оси вращения трубы.
- Ось вращения трубы должна быть перпендикулярна к оси вращения алидады.
- Вертикальная нить сетки нитей должна лежать в коллимационной плоскости.
Поверка теодолитов
Поверками теодолита называют действия, имеющие целью выявить, выполнены ли геометрические условия, предъявляемые к инструменту. Для выполнения нарушенных условий производят исправление, называемое юстировкой инструмента.
Ось цилиндрического уровня алидады горизонтального круга должна быть перпендикулярна к оси вращения алидады
Это условие необходимо для приведения оси вращения инструмента (алидады) в рабочее положение, то есть чтобы при измерениях углов она была вертикальна. Для проверки выполнения условия поворотом алидады устанавливают ось проверяемого уровня по направлению каких-либо двух подъёмных винтов и одновременным вращением их в разные стороны приводят пузырек уровня в нуль пункт (на середину ампулы), тогда ось уровня займет горизонтальное положение. Повернем алидаду, а вместе с ней и уровень точно на 180 градусов.
Если после приведения пузырька уровня в нуль пункт и поворота алидады на 180° пузырек уровня останется на месте, то условие выполнено.
Для выполнения других поверок необходимо привести прибор в рабочее положение.
Одна из нитей сетки должна находиться в вертикальной плоскости
Поверку и юстировку этого условия можно выполнить при помощи отвеса, установленного в 5—10 м от инструмента. Если поверяемая нить сетки не совпадет с изображением отвеса в поле зрения трубы, то снимают колпачок, слегка ослабляют (примерно на пол-оборота) четыре винта, крепящих окулярную часть с корпусом трубы, и поворачивают окулярную часть с сеткой до требуемого положения. Закрепляют винты и надевают колпачок.
После юстировки вторая нить сетки должна быть горизонтальна. Убедиться в этом можно, наведя эту нить на какую-либо точку и вращая алидаду наводящим винтом по азимуту; нить при этом должна оставаться на данной точке. В противном случае юстировку надо повторить. Установив правильно сетку, в дальнейшем при повторении поверок эту можно не повторять.
Визирная ось должна быть перпендикулярна оси вращения зрительной трубы
Это условие необходимо для того, чтобы при вращении трубы вокруг её оси визирная ось описывала плоскость, а не конические поверхности. Визирную плоскость называют также коллимационной. Вертикальный круг вращается вокруг оси вместе с трубой. Для перевода трубы из положения КП в положение КЛ или наоборот надо перевести её через зенит при неподвижном лимбе и повернуть алидаду на глаз на 180°, чтобы можно было наводить трубу на один и тот же предмет при различных её положениях. При этом на том месте относительно лимба, где находится верньер 1, теперь будет расположен диаметрально противоположный верньер 2, а отсчёты числа градусов, взятые по верньеру I до поворота алидады и по верньеру II после поворота алидады на 180°, должны быть одинаковы. Если визирная ось перпендикулярна оси вращения зрительной трубы, то при наведении её при КП и КЛ на удалённую точку, расположенную приблизительно на уровне оси вращения зрительной трубы, по закреплённому горизонтальному лимбу получим верные отсчёты дуги с помощью I (при КП) и II (при КЛ) верньеров. Если же визирная ось не перпендикулярна оси вращения трубы и занимает при КП и при КЛ неверное положение, то в отсчёты по горизонтальному лимбу войдет ошибка, соответствующая повороту визирной оси на угол, называемый коллимационной ошибкой. Проекция этого угла на горизонтальную плоскость лимба меняется в зависимости от угла наклона визирной оси. Поэтому при выполнении этой поверки линия визирования должна быть по возможности горизонтальна.
Юстировка: ослабив слегка один вертикальный, например верхний, исправительный винт при сетке нитей, передвигают сетку, действуя боковыми исправительными винтами при ней до совмещения точки пересечения нитей с изображением наблюдаемой точки.
После юстировки надо повторить поверку и убедиться, что условие выполнено.
Ось вращения зрительной трубы должна быть перпендикулярна оси вращения инструмента (алидады)
Это условие необходимо для того, чтобы после приведения инструмента в рабочее положение коллимационная (визирная) плоскость была вертикальна. Для поверки выполнения данного условия приводят инструмент в рабочее положение и направляют точку пересечения сетки нитей на высокую и близкую (на расстоянии 10—20 м от инструмента) точку, выбранную на какой-нибудь светлой стене. Не поворачивая алидады, наклоняют трубу объективом вниз до примерно горизонтального положения её оси и отмечают на той же стене точку, в которую проецируется точка пересечения нитей. Переведя трубу через зенит, при другом положении круга снова направляют визирную ось на ту же точку и подобно предыдущему, наклонив трубу до приблизительно горизонтального положения, отмечают точку.
Если обе точки совместятся в одной точке, то условие выполнено.
Выполнение рассматриваемого условия обеспечивается заводом или производится в мастерской, так как современные теодолиты не имеют соответствующих исправительных винтов.
Место нуля вертикального круга теодолита должно быть постоянным[3]
Для поверки горизонтируют теодолит и 2-3 раза определяют место нуля. Определение места нуля включает визирование на одну и ту же точку при КЛ и КП. При каждом наведении на выбранную точку производят отсчет по вертикальному кругу теодолита. Если нет компенсатора, то предварительно пузырёк уровня при алидаде вертикального круга обязательно устанавливают в нуль-пункт. Если колебания места нуля не превышают двойной точности отсчета по кругу, то можно считать, что поверка выполняется, в исключительных случаях производится дополнительный замер через баланс осей.
