1. Поняття та призначення зорових труб геодезичних приладів

1. Поняття та призначення зорових труб геодезичних приладів

2. Зорові труби з внутрішнім та зовнішнім фокусуванням

3. Основні частини зорових труб

1. Поняття та призначення зорових труб геодезичних приладів

У геодезичних приладах геодезична труба служить для візування (в теодолітах, нівелірах, далекомірах та ін) й відрахування по шкалам рейок, марок та інших візирних цілей.

Сучасні зорові труби є складними оптико-механічними приладами та як мінімум включають об’єктив, окуляр, сітку ниток. Вітчизняні зорові труби, як правило, дають збільшене, зворотне зображення. Проте виготовляють так звані прямі труби, у яких між окуляром та об’єктивом розміщена додаткова лінзова чи призменна обертова система, що формує сумісно з окуляром пряме зображення.

У геодезичних приладах у більшості випадках використовується астрономічна зорова труба Кеплера, що складається у загальному випадку з позитивного об’єктива з великою фокусною відстанню та позитивного короткофокусного окуляра (рис.1).

Рис.1. Побудова зображення у зоровій трубі

Об’єктив формує дійсне перевернуте зменшене зображення l´. Оскільки візирна ціль розташовується від об’єктива на відстані, що значно перевищує подвійну фокусну, то зображення l´ будується поблизу його заднього фокуса F´ та розглядається через окуляр, як через лупу.

Окуляр – оптична система, розміщена безпосередньо перед оком та призначена для розгляду зображення, побудованого об’єктивом. При невеликих відстанях фокуси F´ та F2 не співпадають. При візуванні на нескінченність зображення вилученої цілі будується у загальній фокальній площині об’єктива та окуляра – задній фокус F´ об’єктива буде співпадати з переднім фокусом окуляра. Така оптична система називається телескопічною.

Для зорових труб геодезичних приладів важливим поняттям є «візирна вісь» - мнима пряма, що проходить через задню головну точку об’єктива та перехрестя сітки ниток. Перехрестя сітки повинно бути чітко видно на фоні зображення без паралакса. Для цього воно повинно знаходитися у площині формування зображення об’єктивом. Тому площина сітки ниток повинна бути розміщена у передній фокальній площині окуляра.

2. Зорові труби з внутрішнім та зовнішнім фокусуванням

Оскільки зі зміною відстані до предмета змінюється і положення зображення, у конструкції зорової труби повинна бути передбачена можливість зміни відстаней між об’єктивом та окуляром - довжину труби. Це досягається переміщенням окулярного коліна, що включає оптичну систему окуляра та прилад, що має сітку ниток, - зорові труби із зовнішнім фокусуванням.

У теперішній час цей спосіб практично повністю витіснений фокусуванням за допомогою рухомої лінзи (або системи лінз), що знаходиться всередині зорової труби, - зорова труба з внутрішнім фокусуванням (рис. 2). В якості фокусуючої лінзи використовують переважно розсіюючу (від’ємну) лінзу. Від’ємна фокусуюча лінза змінює еквівалентну фокусну відстань системи «об’єктив l + фокусуючи лінза 2» так, щоб дійсне зображення предмета було у передній фокальній площині окуляра, тобто у площині нанесення перехрестя сітки ниток. Така оптична система має назву телеоб’єктива, що відповідає схемі: передній оптичний компонент об’єктива l + задній фокусуючий компонент 2. На рис. 2 позиції 3 та 4 – відповідно плоскопаралельна скляна пластина з сіткою ниток і окуляр.

Рис.2. Зорова труба з внутрішнім фокусуванням

В окремих випадках замість від’ємної лінзи в якості фокусую чого компонента використовують рухому позитивну лінзу, що не подовжує, а скорочує фокусну відстань переднього компонента. У деяких типах нівелірів з компенсаторами між переднім компонентом телеоб’єктива та сіткою ниток розміщують одну нерухому від’ємну лінзу та одну рухому збиральну. У цьому випадку перед сіткою ниток є вільній простір, у якому можна розмістити компенсатор.

Тільки дуже ретельне юстирування надає змогу сумістити оптичну вісь фокусую чого компонента з оптичною віссю переднього оптичного компонента телеоб’єктива. Оскільки еквівалентна фокусна відстань телеоб’єктива змінюється, візирна лінія не тільки не співпадає з оптичною віссю, але навіть й не є прямою; вона являє собою гіперболу з малою кривизною. Яку можна виявити при невеликих відстанях візування.

Коливання фокусуючої лінзи при її переміщенні по направляючим у зорових трубах відіграють значно меншу роль, ніж здвиги окулярного коліна у трубах із зовнішнім фокусуванням.

На рис. 3 показано переміщення зображення візирної цілі при переміщенні фокусуючої лінзи l з положення

Рис.3. Вплив переміщення фокусуючої лінзи

L2 (наведення на ∞) в положення L2´ (наведення на близько розташовану ціль). При зміщенні центру лінзи на величину h зображення зміститься на величину

(1.1)

Цю обставину слід враховувати при візуванні кількох десятків метрів, коли фокусуючи лінза переміщається на значну величину.

Таким чином, оптична система зорової труби повинна бути добре центрована, тобто мати одну загальну оптичну вісь - пряму, що проходить через центри усіх преломляючих сферичних поверхонь оптичної системи. Другою основною віссю є візирна вісь зорової труби. Крім того, є геометрична вісь, що співпадає з віссю симетрії оправ зорової труби. Зорову трубу на спеціальних оптико – механічних приладах збирають таким чином, щоб усі три вісі співпадали.

Телеоб’єктив зорової труби з внутрішнім фокусуванням являє собою еквівалентну систему, фокусна відстань якої розраховується за формулою.

f´= - fı´f2´/∆ (1.2)

Переваги зорових труб із внутрішнім фокусуванням:

1. Герметичність (труба захищена від потрапляння пилу та бруду).

2. При однаковому збільшенні вона значно коротше, що забезпечується телеоб’єктивом з великим fекв.

3. Має високу стабільність положення візирної вісі (тобто меншу помилку за пере фокусування), так як коливання положення фокусуючої лінзи значно менше відіграють на положенні візирної вісі, ніж коливання окулярного коліна у трубах з зовнішнім фокусуванням.

4. Має постійну довжину.

5. Фокусуючий механізм на направляючі захищені від пошкоджень.

3.Основні частини зорових труб

Корпус виготовляється повністю з латуні чи сплавів алюмінію, внутрішні поверхні фарбуються у чорний матовий колір для недопущення блисків. Інколи для цього всередині встановлюють діафрагми. Корпус всередині має різьбу для встановлення об’єктиву з оправою, окуляра та інших частин, а також ретельно відшліфовані направляючі для переміщення тубуса з фокусуючою лінзою.

Об’єктиви. Об’єктив являється найбільш важливим оптичним вузлом зорової труби, що будує зображення у фокальній площині труби та визначає в першу чергу якість цього зображення. Його основними характеристиками є фокусна відстань f´; відносний отвір D/ f´, де D – діаметр вхідного зрачка, кут поля зору та дозволяючи можливість. Фокусна відстань може бути до 500 мм; відносний отвір знаходиться в межах 0,2 – 0,1, тобто об’єктиви пропускають широкі пучки, що проходять під малим кутом або паралельно оптичній вісі. Тому у зорових трубах в першу чергу виправляється сферична аберація, кома, хроматизм положення і, за можливістю, вторинний спектр. Поле зору об’єктивів у геодезичних трубах складає 1-2°.

В якості об’єктивів використовуються зазвичай системи лінз, розповсюдженими є двох лінзові склеєні (рис. 4,а) (при діаметрі до 50 мм) та не склеєні з повітряним зазором (при діаметрі більш ніж 60-80 мм) (рис. 4,б) об’єктиви.

Двох лінзовий склеєний об’єктив складається з позитивної (скло типу «крон») та негативної (скло типу «флінт») лінз. Існують об’єктиви двох видів: «крон – спереду» та «флінт – спереду». Якщо задані марки скельців, в об’єктиві можна виправити сферичну аберацію, кому і хроматизм положення.

Двох лінзовий не склеєний об’єктив (рис. 4,б) має один додатковий параметр (радіус поверхні), що дає змогу вилучити кому, не застосовуючи підбір різних сортів оптичного скла, та підвищити відносний отвір при гарній якості зображення.

Рис. 4. Об’єктиви зорової труби

Трьохлінзовий об’єктив (рис.4, в) складається з двох позитивних компонентів та однієї негативної лінзи, надає змогу підбором марок скельців суттєво виправити вторинний спектр, не зменшуючи відносного отвору, що важливо при створенні труб великого збільшення.

У теперішній час починають застосовувати і більш складні чотирьох - та п’ятилінзові об’єктиви, а також об’єктиви з товстими менисками, за допомогою яких виправляється кривизна поля. На рис. 4, г показано чотирьох лінзовий об’єктив зорової труби теодоліту 2Т2.

Телеоб’єктиви. Переважне застосування у сучасних зорових трубах знаходять двохкомпонентні телеоб’єктиви з перемінною фокусною відстанню, що складаються з переднього нерухомого компонента та фокусую чого компонента (рис. 3). Скорочення довжини труби у таких системах досягає 0,80-0,60 від еквівалентної фокусної відстані телеоб’єктива fекв.´ У якості переднього компонента використовуються двох-, трьох- та багатолінзові об’єктиви. Фокусуючий компонент – звичайно негативна лінза, рідше в якості фокусую чого компонента використовують позитивні лінзи.

Дзеркально – лінзові телеоб’єктиви дозволяють отримати високу якість зображення, так як складаються з відбиваючих та приломлюючих поверхонь. При цьому значно зменшується довжина труби. На рис. 5 приведена схема зорової труби з дзеркально – лінзовим об’єктивом зі сферичною оптикою, запропонованим Д.Д. Максутовим. Передній компонент телеоб’єктива складається з ахроматичного мениску 1 з відбиваючим шаром 2 у при осьовій зоні та увігнутого дзеркала 4 з отвором у центрі; далі негативна фокусуючи лінза 3, сітка ниток 5 та окуляр 6 створюють оптичну систему зорової труби.

Рис. 5. Зорова труба з дзеркально-лінзовим об’єктивом

У теодоліті ДКМ фірми «Вільд» (рис.5) довжина зорової труби ще більш зменшена застосуванням не прямого, а ломаного ходу променів. Така труба складається з збірної системи, що складається з позитивної Л1 та негативної Л2 лінз та двох дзеркальних лінз З1 та З2, відображуючі поверхні діють як сферичні увігнуті дзеркала.

Фокусуюча лінза Φ та призми П1 і П2 дозволяють отримати у площині сітки ниток дійсне, збільшене зображення, що розглядається через окуляр.

Рис. 5. Ламана дзеркально – лінзова зорова труба

Основні характеристики окуляра: фокусна відстань fок; відносний отвір D´/ fок, де D´ - розмір вихідного зрачка; поле зору, видалення вихідного зрачка від останньої поверхні t´ (або задня вершинна відстань SF´), передня вершинна факусна відстань SF та якість зображення.

Для fок´ встановлено нормальний ряд значень від 10 до 40 мм (через 5 мм) і 50 мм. Найбільш розповсюджені окуляри з fок´=20÷30 мм.

Для телескопічних систем f´об/ f´ок=Г', тому величина fок´ визначає величину fоб´ та у значній мірі довжину труби.

При виправленні недоліків зображення окулярів основну увагу зосереджують на польові аберації: кому, астигматизм, кривизну поля та дисторсію, а також на хроматичну аберацію збільшення; прагнуть також виправити сферичну аберацію у вихідному зрачку, тобто досягають того, щоб головні промені пересікалися у центрі цього зрачка.

Ступінь виправлення аберацій залежить від складності окуляра, тому велике значення має вибір типу окуляра.

Більшість окулярів складається з двох частин: колектив (польова лінза) та зорова лінза. Польова лінза служить для звуження променів, що проходять від об’єктива. Вона розташовується поблизу сітки ниток та практично не впливає на збільшення окуляра.

Окуляр Рамсдена (рис. 6,а) складається з двох плоско – випуклих лінз, звернених одна до другої випуклими поверхнями. Виправлений хроматизм збільшення та кома або астигматизм. Якість зображення невисока. Застосовують у найпростіших зорових трубах та мікроскопах.

Рис. 6. Окуляри

Окуляр Кельнера (рис.6,б) є довершеністю окуляра Рамсдена. Склеєна зорова лінза дозволяє краще виправити хроматизм. Застосовують у зорових трубах малого та середнього збільшення.

Симетричний окуляр (рис. 6,г) складається з двох склеєних та взаємно обернених компонентів з малим повітряним проміжком між ними. У виді простої конструкції, гарної якості зображення та великого видалення вихідного зрачка t'=(0,9÷1,0) fок´ такий окуляр знаходить дуже широке застосування у зорових трубах геодезичних приладів.

Отоскопічний окуляр, вільний від дисторсії (рис.6,в), має просту зорову лінзу та потрійну склеєну польову лінзу, добре виправлений у відношенні сферичної аберації, хроматизма та дисторсії. Великий виніс фокусів (SF~-0,5 fок´) та видалення вихідного зрачка t'~¾ fок´ дозволяють використовувати окуляр для труб великого збільшення.

Усі лінзи окулярів збирають в одній оправі - окулярній трубці, повертаючи яку можна переміщати вздовж осі на величину до 1 мм для встановлення різкого зображення сітки ниток.

Автоколімаційні окуляри необхідні для одночасного дослідження у полі зору зорової труби сітки ниток (або шкали) та її зображення (або зображення додаткової сітки), відбитого від дзеркала, встановленого поза приладом. Принципова схема зорової труби з автоколімаційним окуляром представлена на рис. 7.

Рис. 7. Автоколімаційний окуляр

У приведеній схемі зображено автоколімаційний окуляр зі світло розподільчим кубиком 2 та двома сітками 3,6 (зазвичай різними за формою). Одна із сіток підсвічується лампою 5 через конденсатор 4, а далі об’єктивом 1 проектирується на дзеркало 8. Якщо дзеркало 8 перпендикулярно до візирної вісі зорової труби, то зображення сітки 3 співпадає з основною сіткою ниток 6, що розглядається через окуляр 7.

На рис. 8 показано схему авто колімаційного окуляра Монченко. Окуляр складається з освітлювача 1, конденсуючої лінзи 2, двох призм3 та 6 з посрібленими нитками на поверхні 7 та з відбиваючої поверхні 5, окуляра 4. Світло від освітлювача 1, відбиваючись від сітки ниток на поверхні 7, проходить до дзеркала 8 (через об’єктив, який не відображений на рисунку), а потім після відображення від дзеркала 8 в окуляр 4. Промені, не відображені сіткою ниток, прямують на відображуючу поверхню 5 та далі, відбившись від сітки ниток на поверхні 7, в окуляр 4. Таким чином, спостерігається два зображення однієї і тієї ж сітки ниток, створені променями, що відображені від дзеркала 8 та відбиваючої поверхні 5 призми 6.

Рис. 8. Автоколімаційний окуляр Монченко

Сітка ниток наноситься на плоско паралельній пластинці шляхом гравірування на віску та послідуючого травлення кислотою.

Сітка монтується в зоровій трубі так, щоб вона знаходилася на передній фокальній площині окуляра. Сітка вставляється в кільцеву оправу, що відіграє роль діафрагми поля зору. Оправа сітки в невеликих розмірах може переміщатися за допомогою юстировочних гвинтів, що дозволяє змінити положення візирної вісі.

У деяких геодезичних приладах, наприклад теодолітах 2Т2, 2Т5, сітка ниток закріплюється у корпусі зорової труби нерухомо для того, щоб з більшим ступенем точності сумістити оптичну та візирну осі зорової труби.

Використана література:

1. Деймлих А. Геодезическое инструментоведение. - М.: Недра,1970г.;

2. Кузнєцов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведение: Ученик для вузов. М.: Недра, 1984.-364с.

Дата добавления: 2015-10-21