книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

Расстояние между серединами двух светлых или темных полос

следующие кольца, носящие названия максимумов первого, вто­ рого и т. д. порядков.

Дифракция света — явление отклонения световых лучей от прямолинейного направления при прохождении ими среды с рез­ кими оптическими неоднородностями, а также при всяком огра-

ничении световых пучков препятствиями. Дифракция обусловлена волновыми

свойствами света.

При прохождении света сквозь щели и отверстия, а также при освещении точеч­ ным источником света непро­ зрачных препятствий, разме­ ры которых соизмеримы с длиной волны света, на эк­ ране, установленном позади отверстий или препятствий, вместо четко разграничен-

ных областей света и тени будет наблюдаться система максиму­ мов и минимумов освещенности. Эти же явления возникают и при прохождении света сквозь среду с резко выраженными не­ однородностями показателя преломления. Наблюдаемая на экра­

среде распространяется сферическая монохроматическая волна. Кривая Ф — положение, занимаемое фронтом волны в некоторый момент времени; М — произвольная точка перед фронтом волны.

волны, но и от всех других точек фронта, которые, по Френелю, рассматриваются как самостоятельные источники излучения. Проведем ряд сфер с центром в точке М радиусами равными со­ ответственно

10

нитный векторы в любой точке пространства вращаются, а концы векторов описывают эллипсы.

Плоскостью поляризации называется плоскость, проходящая через электрический вектор и направление распространения элек­ тромагнитной волны.

Естественный свет, отраженный от гладко полированной по­ верхности диэлектрика, частично или полностью поляризован. Брюстер установил (1815 г.) закон поляризации света при отра­ жении при падении его на поверхность среды под углом i, когда tg i = п {п — показатель преломления среды); отраженный свет полностью поляризован, при этом угол между отраженным и преломленным лучами равен 90°. Поляризация при отражении всегда сопровождается наличием преломленного луча.

Угол i падения луча, при котором имеет место полная поля­

участков спектра, так как показатель преломления среды зависит от длины волны.

Если линейно-поляризованный свет поляризован перпендику­ лярно к плоскости падения и падает на оптически прозрачную среду (например стекло) под углом полной поляризации, то пре­ ломление и отражение исчезают и свет проходит среду без по­ терь. Это явление используется в газоразрядных трубках лазеров, где для уменьшения потерь на отражение, связанных с много­

При этом выходящий из лазера свет линейно поляризован, что очень удобно при использовании газовых лазеров в светодальномерах.

На поверхности металлов, даже очень хорошо отполирован­ ных, поляризации света нет; падающая волна распадается на от­ раженную и проникающую внутрь — в металл. Величина про­ шедшей через металл световой энергии исчезающе мала, погло­ щенная часть энергии превращается в тепло. Можно считать, что в металле нет преломленной волны, а следовательно и отра­ женная волна (для естественного света) не может быть поляри­ зована, так как поляризация возникает от неодинакового распре­ деления компонентов электрического вектора между отраженны­ ми и преломленными волнами.

Если на металл падает плоская линейно-поляризованная вол­ на света, то в отличие от прозрачного диэлектрика, при отраже­ нии от которого происходит поворот плоскости поляризации, здесь отраженные составляющие электрического и магнитного векторов приобретают относительную разность фаз А и в общем

12

случае свет будет эллиптически поляризован. Отраженная волна останется линейно-поляризованной, если разность фаз Д = 0 или А = я, что будет иметь место при падении линейно-поляризован­ ного света по нормали к отражающей поверхности металла. Это явление используется в отражателях для визуальных светодальномеров (см. § II.6).

Оптические устройства, преобразующие проходящий через них естественный свет в поляризованный, называют поляризаторами. Поляризатор разделяет первоначальный пучок естественного све­ та на две компоненты: обыкновенный и необыкновенный лучи, имеющие разную скорость распространения и колебания во взаимно-перпендикулярных направлениях. Поляризатор про­ пускает один из лучей и поглощает или отклоняет другой.

Для поляризаторов, основанных на двойном лучепреломлении, применяются двойные или одинарные призмы из исландского шпа­ та или кварца. В двойных призмах (Франка-Риттера, Николя, Гласа-Томпсона № др.) обыкновенный луч претерпевает на по­ верхности раздела между призмами, полное внутреннее отраже­ ние и отводится в сторону. Необыкновенный же луч проходит сквозь обе призмы и становится линейно поляризованным. Пло­ скостью поляризации обычно считается плоскость, проходяща-я через оптическую ось кристалла и направление колебаний обык­ новенного луча.

Поляризационные призмы обладают высоким коэффициентом пропускания и почти полностью поляризуют свет. К недостаткам их относятся малая входная площадь призмы и сравнительно малый (до 15°) апертурный угол поляризации. В связи с этим призмы нужно устанавливать в параллельном световом потоке, что не всегда удобно в конструктивном отношении.

В некоторых узлах геодезических приборов находят приме­ нение . поляризационные пластинки из двулучепреломляющих кристаллов с разностью хода между обыкновенным и необыкно­ венным лучами в 'Д и '/г длины волны, называемые соответ­ ственно четвертьволновыми и полуволновыми пластинками. Эти пластинки изготавливают из кварца, слюды, селенита и др. Не­ обходимая разность хода лучей достигается подбором толщины пластинки. Так, пластинка из кварца, соответствующая 'Д А, для желтого света должна иметь толщину около 15 мкм, а из слю­ д ы — около 36 мкм. Изготовлять и эксплуатировать такие тонкие пластинки неудобно, поэтому на практике пользуются, например, четвертьволновыми пластинками, дающими разность хода лучей (N + 'Д) К, где N — целое число.

Если на пластинку в lU% поляризованный свет падает по нор­ мали линейно так, что главная оптическая ось пластинки и плос­ кость поляризации падающего луча составляют между собою угол 45°, то свет, вышедший из пластинки, становится поляризо­ ванным по кругу. Наоборот, эта же пластинка может превратить свет поляризованный по кругу в линейно поляризованный.

13

Если через четвертьволновую пластинку пропустить дважды (в прямом и обратном направлениях) один и тот же поляризован­ ный свет, то плоскость поляризации светового потока повернется на 90°. Это явление, в частности, используется в светодальномере «Кристалл» для осуществления компенсационного способа наблюдений (см. § II.6).

С помощью пластинки в полволны плоскость поляризации линейно поляризованного света можно повернуть на 90°.

Для получения поляризованного света в новой геодезической технике широко используют поляроиды, представляющие собой слой (или срез) однообразно ориентированных кристаллов, об­ ладающих дихроизмом, т. е. явлением различного поглощения лучей с различным направлением поляризации, нанесенных на прозрачную основу. Дихроизмом обладают многие вещества и среди них йодистый хинин-геропатпт, названный так по имени английского химика Геропата (1850 г.). Геропатит представляет собою мельчайшие^ кристаллы, имеющие форму иголок, причем ось наибольшего поглощения света в них совпадает с осью иглы. Д л я получения поляроида массу геропатита наносят на подогре­ тую до состояния размягчения поливиниловую пленку, а затем быстро растягивают ее в длину в 3—5 раз. При растяжении иголь­ чатые кристаллы геропатита самоориентируются в направлении растяжения пленки. Высушенная пленка заклеивается между двумя защитными стеклами, предохраняющими ее от влаги.

Кроме геропатитовых поляроидов известны и другие, состоя- «' щие из дихроичных молекул, «выстроенных» в ряд. Преимуще­ ство поляроидов — удобная форма, большие размеры (до 300 мм в диаметре), больший чем у призм апертуриый угол поляризации и дешевизна изготовления.

Недостатком поляроидов является несколько большее, чем у призм, поглощение света и неодинаковая степень поляризации в пределах видимой области спектра. Поляроиды не выдерживают нагревания более 80° С.

Пропускная способность поляризующих устройств для есте­ ственного света не превышает 50%. Учитывая же поглощение в поляризаторе как темном фильтре и отражение на разделах стек­

§ I. 5. Оптические детали и системы, применяемые в геодезических приборах

Совокупность оптических деталей, установленных в положе­ ние, заданное расчетом и конструкцией, составляет оптическую систему прибора. В геодезических приборах используются сле­ дующие оптические детали: линзы, зеркала, призмы, клинья, све­ тофильтры, дифракционные решетки и др.

14

Л и н з а м и называются детали из оптически прозрачных ма­ териалов, ограниченных двумя преломляющими поверхностями, из которых хотя бы одна является поверхностью тела вращения. По преломляющему действию линзы делятся на положительные (собирательные) и отрицательные (рассеивающие). В свою оче- ч редь собирательные линзы делятся на двояковыпуклые и плоско­ выпуклые, а рассеивающие — на двояковогнутые, плосковогну­ тые и вогнутовыпуклые.

Прямая, соединяющая центры сферических поверхностей линз, называется оптической осью. Радиус кривизны преломляю­ щей поверхности, толщина и показатель преломления линзы определяют ее оптические свойства. Величина, обратная задне­

ческие линзы (рис. 1.3), обладающие в двух взаимоперпендику­ лярных сечениях различными оптическими свойствами.

Если цилиндрическую линзу установить перед плоскостью пред­ мета, то можно получить оптическое сопряжение предметов, рас­ положенных на разных расстояниях друг от друга в разных сече­ ниях. Положительная цилиндрическая линза, установленная вблизи плоскости изображения, вызывает ее сужение, а отрица­ тельная— расширение.

Цилиндрические линзы нашли применение для развертки ла­ зерного луча в горизонтальной или вертикальной плоскости, а в светодальномере МСД-1 используются для устранения влияния

15

тельное смещение оси системы, оборачивание изображений и це­ лый ряд других задач требуют применения в оптической системе призм и зеркал.

тетных гранях, отражаются от гипотенузной и выходят из призмы, не меняя первоначального направления. Если луч не параллелен

Рис. 1.5. Системы призм Порро:

а — система I рода; б — система I I рода

одним отражением в каждой, или же как система -трех призм, в которой две призмы — первая 1 и последняя 2 имеют одно отра­ жение, а средняя 3 — прямоугольная — два отражения. Сис­ тема используется большей частью для отклонения оптической оси в горизонтальной плоскости. В совокупности с объективом она дает прямое изображение. Призмы системы Порро применя­ ются в нивелирах НС.

16

изображения хорошего качества необходимо, чтобы оптические пути лучей отличались от целого числа воли не более, чем на ('Д) Я,. Разность хода между волнами, пришедшими от двух соседних прозрачных зон, в обычной зонной пластине должна со­ ставлять длину волны света.

1

расстоянием от источника света и изображе­ нием до зонной пластины

Зонная пластина в отличие от линзы, имеющей одно опреде­ ленное значение фокусного расстояния, имеет целый ряд фокус­

света сформируется на расстоянии f = rn/n% (гп — радиус м-ой зо­ ны), где находится один из фокусов. При использовании источ­ ника, расположенного вблизи зонной пластины (расходящийся световой поток), соотношение между расстояниями Si и 5г анало­ гично соотношению для линз и составляет

1//= 1/Si4- i/sa .

Зонная пластина имеет свойство формировать на расстоя­ нии S2 изображение точечного источника света Q строго сим мет-

18