Text_1

где nSin - оптический инвариант среды с показателем преломления n ; n Sin - оптический инвариант среды с показателем преломле-

Явление полного внутреннего отражения.

Всякое преломление света сопровождается его частичным отражением. При переходе из более плотной среды в менее плотную падающий пучок лучей может полностью отразиться от разделяющей поверхности (рис. 7).

где - предельный угол полного внутреннего отражения, При рас-

m

чётах оптических систем в большинстве случаев показатель преломления воздуха принимают n =1. Когда свет переходит из стекла с показателем преломления n =1,5 в воздух, то из равенства (14) получим

13

Обобщающие выводы

Построение оптических систем геодезических приборов основывается на законах и понятиях геометрической и физической оптики. С точки зрения физической оптики свет, по своей сущности, представляет собой единство двух процессов – волнового и квантового.

Согласно волновой теории процесс распространения световой энергии в свободном пространстве представляет собой электромагнитные волны, которые характеризуются колебаниями напряжённости электрического и магнитного полей. Квантовая теория рассматривает свет как поток световых частиц – квантов.

При создании лазерных геодезических приборов, фотоэлектрических устройств, интерферометров и дифракционных приборов необходимо учитывать понятия и законы физической оптики. Вместе с тем построение оптических систем большинства геодезических приборов может быть основано на упрощённых представлениях природы света и его распространения в пространстве, т.е. на понятиях и законах геометрической оптики.

Основными понятиями геометрической оптики являются: понятие о светящейся точке, пучке лучей и гомоцентрическом пучке лучей. Основными законами геометрической оптики являются: закон прямолинейного распространения света, независимого распро-

14

странения, отражения света и его преломления. Закон отражения света является частным случаем закона преломления, который связан также с явлением полного внутреннего отражения света.

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите основные законы геометрической оптики, приведите примеры их использования в геодезии.

2.В каких геодезических приборах используются фотоэлектрические устройства?

3.Какими параметрами характеризуется колебательный процесс распространения световых волн?

4.Какое понятие геометрической оптики противоречит законам физики?

5.Какое изображение светящейся точки называют стигмати-

ческим?

6.Сформулируйте закон отражения света.

7.Что называют оптическим инвариантом?

8.Под какими углами падающие на поверхность раздела «стекло-воздух» лучи не испытывают преломления, а отражаются обратно в стекло?

2.ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ДЕТАЛИ

2.1.ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Для изготовления оптических деталей применяют различные материалы: стёкла, оптические кристаллы и керамики. В оптических системах геодезических приборов наиболее подходящим материалом являются стёкла: технические и оптические. Из технического (термического) стекла, которое обладает высокой механической прочностью, термической и химической устойчивостью изготавливают, например, ампулы уровней. Стекло оптическое бесцветное (ГОСТ 3514-94 [6])– это материал, идущий на изготовление деталей оптических систем геодезических приборов, отличающихся высокими показателями качества по однородности и повторяемости по всему объёму.

15

Для производства оптического стекла используется около 80 % известных в настоящее время химических элементов. Основным стеклообразующим материалом, количество которого колеблется от 20 до 80 %, является окись кремнезёма SiO2 (кварцевый

песок). В качестве других основных компонентов используются борный ангидрид B2O3 и окиси различных химических элементов

(алюминия, свинца, цинка, кальция и др.).

Оптическое стекло бывает двух основных видов: крон и флинт. Они, в свою очередь, делятся на типы, а типы на марки. Кроновыми называют стёкла без содержания в них окиси свинца или с малым содержанием (не более 3 %), а флинтовыми – со значительным содержанием окиси свинца. Кроны отличаются друг от друга, в основном, содержанием окиси бария (от 3 до 30 %), а флинты – содержанием окиси свинца (от 15 до 50 %).

Отечественная промышленность выпускает около 200 марок оптического бесцветного стекла. Марка стекла обозначается буквами и порядковым номером, например К2 (крон) или ЛФ3 (лёгкий флинт). Оптические стёкла изготавливаются двух серий: обычные с нумерацией марок от 1 до 99 и малотемнеющиеся под воздействием ионизирующих излучений, с нумерацией от 100 до 199.

Каждая марка оптического стекла характеризуется оптическими постоянными: показателем преломления nD , средней дисперсией

стекло данной марки жёлтой области спектра натрия Na с длиной волны D = 589,29 нм, синей и жёлтой области спектра кадмия Cd с длинами волн F = 479,99 нм и C = 643,85 нм.

Марки оптических стёкол характеризуются также показателями качества, например, оптической однородностью, которая определяется изменением показателя преломления в различных участках блока стекла, пузырчатостью, светопоглощением (потери света могут составлять от 0,1 до 0,6 %), прочностью, твердостью и т.д.

16

2.2. ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

Оптические системы геодезических приборов состоят из совокупности оптических деталей, имеющих отражающие и преломляющие поверхности различной формы. Каждая преломляющая поверхность разделяет среды с различными показателями преломления. Отражающие поверхности делят пространство на части, имеющие один и тот же показатель преломления. Подавляющее большинство оптических деталей геодезических приборов в качестве «рабочих» имеют преломляющие поверхности или поверхности полного внутреннего отражения. Поверхности отражения обычно используются для подсветки изображений или в качестве сферического зеркала, например, объектива зрительной трубы.

Среди широкого разнообразия можно выделить следующие оптические детали:

-плоские и сферические зеркала;

-плоскопараллельные пластины;

-преломляющие призмы (оптические клинья);

-отражательные призмы (призмы полного внутреннего отра-

жения);

-линзы.

2.2.1. Плоское зеркало

Плоское зеркало является единственной оптической системой, которая даёт стигматическое изображение предмета независимо от его размеров и положения относительно зеркала. Однако это утверждение следует воспринимать исходя из теории идеальной оптической системы, которая была разработана Ф. Гауссом в XIX веке. На самом деле плоское зеркало имеет ряд недостатков, среди которых можно выделить следующие:

-отражающий слой, нанесённый на обратной или передней стороне зеркала, может быть легко повреждён;

-отражающая поверхность должна быть совершенно плоской;

-установка зеркал под определённым углом затруднена по ряду причин, например, их монтажа.

17

18

Главное свойство плоского зеркала заключается в том, что при его повороте на угол , отражённый луч отклоняется на угол2 (рис. 9). Указанное свойство используется при высокоточных

измерениях нестворности протяжённых прямолинейных объектов автоколлимационным способом. Из рисунка 9 следует, что

S

Рис. 9. Поворот плоского зеркала

Зеркальный эккер представляет собой оптическую систему, состоящую из двух плоских зеркал, установленных под углом 45°, что обеспечивает построение изображения предмета под прямым углом (рис. 10). Из треугольника CMM 1 угол

1800 900 1 900 2 . Тогда из треугольника MM1O угол

19

Из равенства (17) следует, что угол зависит только от угла и не зависит от углов 1 и 2 . Поэтому при повороте эккера как системы угол остаётся неизменным.

C

S

Рис. 10. Зеркальный эккер

2.2.2. Сферическое зеркало

Сферическое зеркало используется, например, в конструкции зеркально-линзового объектива зрительной трубы электронного тахеометра НР-3820А фирмы США «Хьюлетт Паккард» (рис. 11). Такой объектив обеспечивает возможность в режиме «Дистанция» направить часть светового потока D на отражатель и принять отражённые лучи R приёмным устройством дальномера.

20

1

2

D

R

Рис. 11. Зеркально-линзовый объектив зрительной трубы электронного тахеометра НР3820А: 1-объектив; 2- зеркальный мениск

2.2.3. Плоскопараллельная пластина

Плоскопараллельная пластина представляет собой прозрачное тело, ограниченное двумя взаимно параллельными отшлифованными плоскостями.

Пусть луч A1 N1 (рис. 12) падает на одну из граней пластины под углом 1 . На границе двух сред воздух-стекло он преломляется

вточке N 2 луч вновь преломляется и составляет с нормалью угол

2 .

Исходя из закона преломления света:

Равенство (20) означает, что входящий и выходящий лучи взаимно перпендикулярны, но смещены по отношению друг к другу на величину h .

Величину смещения h можно определить из треугольника

N1 N2 D :

21