4.2 Зрительные трубы

Устройство зрительной трубы. Для визирования на удаленные наблюдаемые предметы в геодезических приборах используют зрительные трубы. Некоторые из них относятся к типу астрономических и дают обратное изображение предметов. Во многих случаях в оптических теодолитах используются трубы, обеспечивающие прямое изображение (например, 4Т30П и др.).

Перед наблюдением зрительная труба должна быть отфокусирована.

Фокусированием называется установка трубы таким образом, чтобы в поле зрения было отчетливо видно изображение визирной цели, т. е. наблюдаемого предмета. Различают трубы с внешним и внутренним фокусированием.

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

Оптическая система зрительной трубы с внутренним фокусированием (рис. 5, 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.

Рис.5 Зрительная труба: a - продольный разрез: б - ход лучей в зрительной трубе

Совместное действие объектива и фокусирующей линзы равносильно действию одной собирательной линзы с переменным фокусным расстоянием, называемой телеобъективом. Принципиально оптическая схема трубы с телеобъективом (рис. 5, б) не отличается от схемы простой зрительной трубы (трубы Кеплера) с внешним фокусированием, но обладает более совершенной конструкцией.

Предмет АВ, расположенный за двойным фокусным расстоянием, рассматривается через объектив (см. рис. 5, б). Его изображение ab, получаемое с помощью телеобъектива, будет действительным, обратным и уменьшенным. Указанное изображение увеличивается окуляром, в результате чего получается мнимое и увеличенное изображение аb 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 светового спектра 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 с 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 (штрихов) (рис. 6, а). Виды сеток нитей, применяемых в оптических теодолитах, показаны на рис. 6, б, в.

Рис.6. Сетка нитей зрительной трубы:

а -- схема закрепления оправы сетки нитей; б -- сетка теодолитов Т5, Т15, ТЗО, Т60; в -- сетка теодолитов Т15М и ТЗОМ

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 диссектором 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, проходящую через центры поперечных сечений цилиндра трубы.

Для правильной установки сетки нитей ее оправа снабжена исправительными (юстировочными) винтами: двумя горизонтальными -- 1 и двумя вертикальными -- 2 (см. рис. 6, а), которые закрываются навинчивающимся колпачком. С помощью каждой из пар исправительных 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 кремальеры (кремальерного винта или кольца). При наблюдении предметов, расположенных на различных расстояниях от прибора, фокусирование приходится проводить
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 несовмещения 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 в (см. рис. 5, б), под которым изображение рассматриваемого предмета видно в трубу, к углу б, под которым предмет виден невооруженным глазом, т. е.

Г = , (2)

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

Г = , (3)

Увеличение зрительной трубы можно определить по вертикальной рейка установленной в 5-- 10 м от прибора (рис. 7, 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.7. Схема исследования зрительной трубы при помощи рейки:

а-- определение увеличения зрительной трубы;

б -- определение поля зрения зрительной трубы

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

mv = . (4)

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 --30х, а в высокоточных приборах -- до 40х.

Полем зрения зрительной трубы называется коническое пространство, видимое глазом через неподвижно установленную трубу. Оно измеряется углом ср между лучами, идущими из оптического центра объектива к краям a и b диафрагмы (рис. 7, б). Величина угла поля зрения трубы определяется по формуле:

ц = , (5)

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 d от объектива (рис. 7,6) устанавливают рейку и отсчитывают по ней число делений /, видимых в трубу между краями поля зрения. Тогда

ц =p. (6)

Пример: d = 20 м, l = 60 см, ц =0,60м/20м* 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 Е0 и с помощью зрительной трубы E1 может быть найдена из выражения

I==ф()І, (7)

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

Как следует из формулы, для наблюдений (особенно в затемненных условиях или при 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 оптического увеличения трубы -- к снижению ее разрешающей способности и соответственно точности визирования.

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