2.4. Назначение и принцип работы автоколлиматора

Сущность автоколлимации заключается в объединении в одном приборе коллиматора и зрительной трубы. Автоколлиматор используется для того, чтобы с высокой точностью устанавливать плоские отражающие поверхности перпендикулярно его оптической оси.

Автоколлиматор представляет собой зрительную трубу со специальным окуляром, который называется автоколлимационным. В работе используется автоколлимационный окуляр-куб с двумя сетками (рис.4).

Автоколлиматор состоит из объектива 2, светоделительного кубика 3, склеенного из двух прямоугольных призм, причём, в плоскости склейки одна из гипотенузных граней полупрозрачна (тонкий слой алюминия). За кубиком в фокальной плоскости окуляра установлена стеклянная пластинка с перекрестием 4 (Вид Б), а далее окуляр 5. Между осветительной лампой 7 и кубиком 3 установлена, в строго фокальной плоскости объектива, вторая стеклянная пластинка, на которой на слое алюминия прочерчен прозрачный крест (Вид А).

Если перед автоколлиматором установить плоскую отражающую поверхность 1 перпендикулярно оптической оси автоколлиматора, то изображение светящегося креста сетки 6 совпадёт с перекрестием сетки 4. При отклонении отражающей плоскости изображение светящегося креста будет смещаться.

При выключенном осветителе автоколлиматор можно использовать в качестве зрительной трубы.

3. Методика измерения углов на гониометре

3.1. Законы, лежащие в основе оптических измерений углов.

В основе измерения углов оптическими методами лежат законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.

Закон прямолинейного распространения света состоит в том, что свет между двумя точками в однородной среде распространяется по прямой, соединяющей эти точки.

Законы отражения света:

1. Отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль (перпендикуляр) к отражающей поверхности, восстановленный из точки падения луча на поверхность. (Рис. 4).

2. Угол отражения равен углу падения, причём, углы отсчитываются от нормали к поверхности.

3.2. Измерение углов призмы методом отражения.

Из аналитической геометрии известно, что ориентация любой плоскости в пространстве задаётся однозначно нормалью к этой плоскости. Это позволяет, зная направления двух световых лучей (падающего на плоскость и отражённого от неё), определить нормаль к отражающей поверхности как биссектрису, образованного этими лучами угла.

На практике нет необходимости находить биссектрису угла между падающим и отражённым лучами. Достаточно того, что эта биссектриса всегда существует и единственна, т. е. знание направлений падающего и отражённого лучей эквивалентно знанию направления нормали к данной плоскости.

При измерении углов на гониометре вместо отдельного луча используется параллельный пучок лучей, выходящей из коллиматора параллельно его оси (см. рис. 6).

Фиксация отражающей плоскости в пространстве с помощью коллиматора и зрительной трубы

1-коллиматор, 2-зрительная труба, , - углы падения и отражения параллельного пучка света на поверхность Р, N - нормаль к поверхности Р, - угол отклонения поверхности Р от первоначальной положения. Отражённый от плоской поверхности пучок лучей наблюдают через зрительную трубу. При любом угле между коллиматором и зрительной трубой существует только одно положение отражающей плоскости Р, при котором изображение щели коллиматора будет наблюдаться в перекрестии зрительной трубы. Это будет тогда, когда отражённый от плоскости Р пучок лучей будет идти параллельно оси трубы. При отклонении плоскости Р от такого положения на некоторый угол  , отражённый от плоскости Р луч повернётся на угол 2, а благодаря угловому увеличению зрительной трубы равному γ, получим, что изображение щели сместится на угол 2γ.

Известно, что невооружённым глазом человек в состоянии различить две точки, наблюдаемые под углом 1^′. При помощи зрительной трубы при увеличении γ=30^ можно зафиксировать отклонение плоскости от первоначального положения на угол равный 1". К тому же это легко сделать, т.к. перекрестие окуляра является репером, т.е. задаёт первоначальное положение, относительно которого наблюдается смещение изображения щели. Для того чтобы измерить угол между двумя плоскостями, например, между гранями призм, гониометре имеется лимб (проградуированная круговая шкала) жёстко связанный с поворотным столиком, на который помещается призма.

Схема измерения углов призмы методом отражения

1 - зрительная труба, 2 - коллиматор, 3 - лимб, 4 - предметный столик, 5 – призма, N₁, N₂, N₃- нормали к граням призмы, ₁₂, ₂₃, ₁₃- углы призмы, ₁₂,₂₃,₃₁- углы между нормалями к граням призмы.

Призму устанавливают таким образом, чтобы пучок света, идущий из коллиматора, отражаясь от одной из граней призмы, давал в перекрестии сетки окуляра изображение щели (Рис.7). Затем поворачивают столик вместе с призмой и лимбом так, чтобы получить изображение щели коллиматора при отражении света от второй грани призмы. Угол поворота столика при этом будет равен углу между нормалями к соответствующим граням призмы и легко может быть найден по формуле:

₁₂ = / А₁ – А₂ / . (2)

где ₁₂- угол поворота столика, А₁,А₂ - отсчёты по лимбу соответственно.

Легко показать, что угол между гранями призмы ₁₂ связан с углом поворота столика ₁₂ формулой

₁₂= / 180⁰ -₁₂ / (3)

Для определения углов призмы ₂₃ и ₁₃ необходимо пользоваться формулами аналогичными (2) и (3), при соответствующих значениях индексов.

Высокая точность измерения углов на гониометре обусловлена не только большим угловым увеличением зрительной трубы, но также качеством поворотной системы гониометра и возможностью снимать отсчёты по лимбу с такой же точностью, с которой можно регистрировать отклонения плоскости от фиксированного положения (1").