Зрительная труба

Зрительные трубы делятся на:

• астрономические (обратного изображения);
• прямого изображения;
• автоколлимационные.

В геодезических инструментах, предназначенных для наблюдения удаленных предметов, пользуются астрономической трубой. Она состоит из двух собирательных линз, заключенных в цилиндрическую трубу. Одна линза, обращенная к объекту наблюдения, называется объективом, а другая, в которую смотрит глаз наблюдателя, окуляром.

Зрительные трубы бывают с внутренней и внешней фокусировкой. Если фокусировка внутренняя, то внутри трубы помещена рассеивающая линза, с помощью которой можно получить изображение в одной плоскости и этим не менять расстояние между объективом и окуляром. Трубы с внешней фокусировкой состоят из 2-х частей: объективной и окулярной. Последняя с помощью зубчатки, называемой кремальерой может перемещаться и этим достигается изображение предмета. Ход лучей в трубе с внешней фокусировкой – на рисунке: М – объектив. N – окуляр, АВ - рассматриваемый предмет, от которого в трубу идут отраженные лучи. Рассмотрим только два луча, исходящие из точки А: один проходит через оптический центр объектива О, а другой – через главный фокус F. Оба они пересекаются по другую сторону объектива в точке A. Аналогично этому лучи, исходящие из точки В, дадут изображение в точке в. Предмет АВ изображается величиной AB. Это будет действительное обратное и уменьшенное изображение. Полученное в фокальной плоскости трубы изображение рассматривается через окуляр, действующий как лупа. Тогда глаз видит изображение размером А₀В₀.

LL – объектив с фокусным расстоянием F и окуляр ℓℓ с фокусным расстоянием f. Действительное, обратное изображение предмета АВ получают от объектива за его главным фокусом F. Окуляр устанавливается таким образом, чтобы его главный фокус f оказался впереди изображения ав (точки F и f почти совпадают). Тогда перед окуляром получается обратное изображение а'в', оно увеличенное, но мнимое и находится на расстоянии N наилучшего зрения от глаза. В плоскости ав помещается сетка нитей.

При визировании на бесконечность изображение удаленной цели строится в общей фокальной плоскости объектива и окуляра – задний фокус объектива будет совпадать с передним фокусом окуляра. Такая оптическая система называется телескопической.

В современных теодолитах применяют трубы только с внутренней фокусировкой, обладающими следующими преимуществами: постоянство длины трубы, малые размеры. Объектив и фокусирующая линза образуют телеобъектив. При фокусировании линза изменяет свое положение относительно объектива. 

Изображение предмета проецируется на плоскопараллельную пластинку с нанесенной на ней сеткой нитей.

Оптические качества зрительной трубы:

• увеличение трубы;
• поле зрения трубы;
• яркость трубы.

Увеличение трубы

Допустим, что глаз рассматривает изображение предмета в трубе из центра окуляра О₁ под углом β, а предмет – из центра объектива О под углом α.

При наблюдении на большие расстояния можно считать, что изображение предмета в трубе удалено как от объектива, так и от окуляра на величину их фокусных расстояний, то есть можно записать ОС=F_об., а О₁С=f_ок.. Из ∆а₀О₁в₀ и а₀Ов₀ имеем:

 

По малости углов α и β – V=β:α=F_об.:f_ок..

Рис.3

Увеличение трубы есть отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Его можно определить в полевых условиях. На расстоянии 20 – 30 метров от прибора устанавливают рейку. Число делений рейки, видимых простым глазом, соответствующее одному делению рейки, видимому в трубу, дает увеличение трубы.

В приборах средней, высокой и наивысшей точности увеличение зрительных труб доходит до 60 крат. Кроме того, увеличение одной и той же зрительной трубы можно изменять путем изменения фокусного расстояния окуляра. Поэтому некоторые приборы комплектуются несколькими сменными окулярами с различными фокусными расстояниями.

Значения увеличения зрительной трубы указывается в паспорте на прибор. При отсутствии паспорта увеличение приходится определять экспериментально. Для этого используется несколько способов.

Поле зрения трубы

Полем зрения трубы называется пространство, видимое в трубу. Оно ограничивается круглым отверстием полевой диафрагмы (сетки нитей) и в пространстве предметов имеет вид конуса, образованного крайними главными лучами.

В геодезических приборах в фокальной плоскости трубы помещается диафрагма, которая не пропускает лучи, падающие на объектив под большим углом. В глаз наблюдателя попадут только те лучи, которые будут находится в пределах конуса аОв, основанием которого является отверстие диафрагмы, а вершина находится в оптическом центре объектива О. Измеряется поле зрения углом α, вершина которого лежит в оптическом центре. 

Различают два поля зрения: объективное (истинное) и окулярное (субъективное, кажущееся). Они характеризуются соответственно углами 2u и 2u', под которыми мы видим диафрагму MN через объектив и через окуляр.

Рис.4 Определение поля зрения трубы

Отсюда видно, что объективное (истинное) поле зрения прямо пропорционально окулярному (субъективному) полю зрения и обратно пропорционально увеличению трубы.

Окулярное поле зрения зависит от оптической системы окуляра и может достигать 2u'=60°.

Яркость трубы

Труба характеризуется субъективной яркостью, т.е. отношением освещенности изображения на сетчатке глаза при рассматривании предмета в трубу к освещенности изображения того же предмета на сетчатке при рассматривании его невооруженным глазом. Освещенность изображения на сетчатке глаза зависит от освещенности предмета и площади зрачка глаза, если предмет рассматривается невооруженным глазом, и площади зрачка выхода, если предмет рассматривается в трубу. Площади зрачков пропорциональны квадратам их диаметров, поэтому яркость трубы определяется по формуле:

,