авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 11 |

«В.С.ПЛОТНИКОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов оптических ...»

-- [ Страница 4 ] --

rJl Как следует из формулы (7.7), при наблюдениях точечных самосве­ тящихся объектов следует применять большое увеличение. Следует учесть, что при значительном диаметре выходного зрачка диаметр вход­ ного зрачка будет неприемлемо большим по габаритам. Это обстоятель­ ство и указанная некоторыми исследователями (например, Д.Д. Максу­ товым) целесообразность применения выходного зрачка в 0,7 мм, исхо­ дя из "разрешающего" увеличения, обусловили применение для астро номо-геодезических приборов весьма малых диаметров выходного зрач­ ка (0,7,..., 1,3 м м ).

В инструментах, используемых для наблюдений протяженных объек­ тов (рейки, вехи и т.п), диаметр выходного зрачка выбирают в пределах 1,1,..., 2 м м. Для дневных условий в среднем диаметр зрачка глаза равен 3 м м. Максимальный диаметр выходного зрачка не должен превы­ шать этой величины. Принято считать нормальным увеличение трубы, равное D в м м.

Примерное соотношение размера выходного зрачка и увеличения трубы приведено ниже [17].

Увеличение зрительной трубы, крат 20 20-30 30-40 40-50 Диаметр выходного зрачка, мм 2,0 1,5 1,2 1,0 0, Выбрав диаметр выходного зрачка и имея увеличение, находят диа­ метр входного отверстия из соотношения D = /УГ. (7.17) При этом, кроме отмеченных факторов, необходимо учитывать, что для повышения яркости изображения желательно иметь в приборе большое входное отверстие трубы.

Размер входного отверстия ограничивается относительным отверс­ тием объектива. Известно, что чем больше величина относительного отверстия / ) / / ', тем сложнее оптическая система при том же уровне коррекции аберраций.

Поэтому д л я труб геодезических приборов величина относительного отверстия колеблется 1 D т т т Из этих соотношений можно определить величину фокусного рассто­ яния объектива / ' = D(6,..., 8).

Фокусное расстояние объектива уточняется еще исходя из необхо­ димой точности работы окулярного микрометра.

Малый угол а", измеряемый окулярным микрометром, щаг винта t и фокусное расстояние связаны соотношением Например, при цене оборота барабана окулярного микрометра а " = = 100", шаге винта микрометра / = 0,25 мм / ^ 5 1 6 мм.

о б После уточнения еще раз определяется D по предельным вели­ чинам относительных отверстий. Окончательные величины /, D, D'об устанавливают с учетом изложенных соображений, а также получающих­ ся габаритных размеров (а следовательно, масс) и находят приемлемое решение, делая несколько прикидок.

Угловое поле 2со выбирается в зависимости от назначения зритель­ ной трубы и вида выполняемых прибором работ.

Однако при этом необходимо учитывать, что поскольку увеличение трубы определяется отношением тангенсов угловых полей окуляра и объектива, а угловое поле окуляра ограничено и не может быть сколь угодно большим, то при большом увеличении трубы угловое поле объ­ ектива оказывается менее 1°.

Так, угловое поле распространенных окуляров симметричного и ортоскопического не превышает 4 5 - 5 0 °.

Поэтому при расчете зрительных труб выбирают сначала подходящий о к у л я р в зависимости от увеличения (чем больше увеличение, тем боль­ ше должно быть угловое поле окуляра 2 с о ' ), а затем определяют угло­ вое поле объектива 2 со = 2 с о ' / Г и оценивают, достаточно ли оно для выполнения тех или иных работ. Если окажется, что угловое поле объек­ тива недостаточно, а поле окуляра может быть увеличено, выбирают оку­ л я р с большим полем. Если о к у л я р имеет предельное поле и оно не мо­ жет быть увеличено, оценивают возможность работы с малым угловым полем объектива.

Поскольку определяющими являются уже рассчитанные параметры (увеличение, фокусное расстояние объектива), приходится при большом увеличении (например, в астрономических приборах) оставлять малое угловое поле объектива, а для облегчения поиска и наведения на объект применять дополнительную трубу-искатель с меньшим увеличением и большим угловым полем. Труба-искатель конструктивно жестко соеди­ няется с основной трубой н устанавливается параллельно последней.

Фокусное расстояние окуляра определяется в соответствии с зави­ симостью / = / о б / ^ » однако оно не рекомендуется менее 8 м м.

о к Приведем основные соотношения при расчете трубы с в н у т р е н н е й ф о к у с и р о в к о й. Как уже отмечалось ( § 31), коэффициент укороче­ ния трубы Q = Ь//3 при приемлемом качестве не может быть менее 0,5. Поэтому, если задана длина трубы L (см. рис. 34, в ), то фокусное расстояние ограничивается предельным значением (?, т.е. / ' 2L. э При расчете трубы с внутренней фокусировкой важным параметром является также отношение фокусных расстояний первого компонен­ та f[ и эквивалентного фокусного расстояния f' N = f[/f'. В суще­ 3 ствующих трубах величина N 0,4.

Значения Q и N обычно задаются несколько меньше предельных значений и уточняются затем после аберрационного расчета. Рекоменду­ емые величины: 0,55 Q 0,85;

0,5 N 0,8.

Если найдена величина / при расчете любой трубы, заданы величи­ э ны Q и 7V, то J Q -/У;

^ffK L= / / = N-fii /;

= (7.18) В системах зрительных труб входной зрачок обычно почти совпа­ дает с апертурной диафрагмой, которой служит оправа первого компо­ нента. Поэтому диаметры входных зрачков эквивалентной системы и первого компонента одинаковы, а их относительные отверстия 0 Э и 0j будут соответствовать соотношению фокусных расстояний, т.е.

= N *э/*1 = /iV/э Относительное отверстие второго компонента 0 = В (1 - 2 х контролем может служить равенство 0 — д + 0, верное для любой Э х системы.

Весьма существенным при расчете зрительных труб является пара­ метр минимального расстояния до предмета D, на который можно mln отфокусировать трубу.

Необходимо обратить внимание на то, что одновременное достиже­ ние малых кратчайших расстояний и большой светосилы системы ока­ зывается невозможным [ 1, 20], в существующих конструкциях 0 Э 1/5, а 0, 1/3.

Расстояние между компонентами определяется по формулам:

при фокусировании на бесконечность N {I - Q), г е = —" —/ ;

(7.19) т э (1 - N) э при фокусировании на предмет, находящийся на расстоянии S, x с, = -у [(L + 5 / ) - V ( S ;

- L ) S / - L + 4 / ' ), (7.20) /1* где 5,' = —;

• Отсюда перемещение фокусирующей линзы / ф будет ** * m in где е е - расстояние при Si ~S :. m n J min Допустимая величина децентрировки фокусирующей линзы 5 Д01| может быть вычислена по формуле [17] Кт !

5 (7 21) Дои = — I 7^' /, L-S (L - ejf {L - e )S x s l где А' - коэффициент, учитывающий пренебрегаемо малое влияние ошибки измерений из-за децентрировки фокусирующей линзы (К = 0,1 — 0,2);

Шр - ошибка измерения (например, угла теодолитом).

Расчеты показывают, что для малых расстояний визирования допус­ тимая величина децентрировки линзы при перефокусировке оказыва­ ется весьма малой (так, для теодолита Т2 при S j = 1,5 м и К = 0,1 m n д о н ^ 1.0 м к м ).

На смещение визирной оси при перефокусировании оказывает влия­ ние также смещение с оптической оси перекрестия сетки нитей при исправлении коллимационной ошибки, которая может достигать не­ скольких минут. Перемещение сетки может доходить до 0,5 м м.

Допустимое перемещение сетки Д при исправлении коллимаци­ с онной ошибки можно найти из зависимости Km ^ А^ • А, где A =L — (L - c ).

s s J Как видно, величина Д зависит от расстояния до предмета S с x и при малых S ее значение оказывается весьма малым и значительно меньшим, чем требуется для исправления коллимационной ошибки (до 0,5 м м ).

Например, для теодолита Т2 при перефокусировании на S = 1, 5 ;

{ 5 и 15 м доггустимое перемещение сетки оказывается соответственно Д 0,06;

0,3 и 1,1 м м. Поэтому для этого случая влиянием смещения с визирной линии можно пренебречь лишь при расстояниях визирования более десяти метров.

Расчет нитяного дальномера в трубе с внутренней фокусировкой изложен в § 60.

Применение зеркально-линзовых систем позволяет существенно уменьшить длину трубы при большом входном зрачке и значительном фокусном расстоянии. Небольшие астрономические приборы с зеркаль­ % но-линзовой системой (см. рис. 35, А) имеют /, / / ' 1/5 и « 1/10.

э Расчет зеркально-линзовых систем излагается в курсах ' Т е о р и я оп­ тических систем" и "Прикладная оптика".

Приведем примеры применения зеркально-линзовых систем в геоде­ зических приборах.

На рис. 35, в показана зеркально-линзовая система Д.Д. Максутова для трубы высокоточного теодолита;

на рис. 35, б - труба с зеркально линзовой системой Вильда, примененная в теодолите ДКМ швейцар­ ской фирмы "Керн".

При применении зеркально-линзовых систем в зрительных трубах следует учитывать и их недостатки, указанные в § 3 1.

§ 35. Расчет сеток нитей и окулярных микрометров труб Как было отмечено, сетка нитей служит для точного наведения на объ­ ект и отсчитывай и я по дальномерным и нивелирным рейкам. Вид нитей сетки определяется назначением и точностью прибора. Сетка может иметь вид перекрестия из одиночных нитей, биссектора и д р. В трубах с нитяным дальномером кроме перекрестия наносится дальномерная сетка, имеющая два или три штриха. Расчет дальномерной сетки приве­ ден в § 60. Здесь рассмотрим расчет общих параметров сеток.

Диаметр сетки нитей, устанавливаемой в плоскости полевой диаф­ рагмы, определяется из выражения d = 2/^tgco, (7.22) c г е Д / о б "~ фокусное расстояние объектива, со — угловое поле объектива.

Толщина нити сетки определяется с учетом увеличения окуляра Г.

Если 5 — наивыгоднейшая толщина нити при рассматривании невоору­ женным глазом, то действительная толщина нити 5 = 5 / Г или 5 = «о, = /. Величина 5 принимается обычно 5 = 0,08 - 0,1 м м.

о к 0 Нить должна закрывать не более 0,1 наименьшего деления рейки / на среднем рабочем расстоянии 5 б, с учетом этого толщина нити ра л раб при / = 320 м м 5 ~ 3,2 м к м.

о б При нивелировании, например, целесообразно, чтобы нить сетки за­ крывала не более 1 м м на расстоянии 100 м.

8 - B.C. Плотников При расчете б и с с е к т о р а учитывают средний поперечный размер объекта Ь, среднее расстояние до объекта /. ср Угловая ширина объекта будет = а + г е Угловая ширина биссектора 7 б о Д ^ " ~ угловая ширина ~ двух промежутков (ф" « 15, 2 0 " ). Для сеток нивелиров типа Н-05 применяют угловой биссектор с постоянным углом порядка 5° (ГОСТ 10528-76).

Средняя величина ширины биссектора составляет для труб теодоли­ тов ф б = 3 0,..., 40", для астрономических инструментов ф"§ = = 15,..., 20". Толщина нитей составляет обычно 3—4 м к м. Виды сеток теодолитов, нивелиров и других приборов установлены соответству­ ющими ГОСТами.

Для быстрого измерения м а л ы х у г л о в ы х с м е щ е н и й объектов сетка выполняется в виде ряда параллельных штрихов с расстоянием / ' один от другого или применяется подвижная сетка с окулярным микро­ метром. Так к а к угловое поле объектива мало (2 со = 1,..., 2 ° ), то можно считать, что угол между штрихами Р" = -^Р", (7.24) где а ' — расстояние от задней главной плоскости объектива до изобра­ жения.

При значительном удалении до объекта а ' = f' ^ и Q * " = " Г " Р"- (7-25) f Об Таким образом, зная или измеряя линейную величину / ', можно определить угловое смещение объекта относительно оптической оси или какого-то начального положения.

Измерительная сетка устанавливается в фокальной плоскости объек­ тива, а вершина малого угла лежит в передней главной точке объекти­ ва и не совпадает с осью вращения прибора. Поэтому при измерении малых углов имеют место ошибка Др" за внецентрснность 5 и ошиб­ ка Др j за счет фокусировки на объект, находящийся на расстоянии а, а не в бесконечности. Эти ошибки будут Д/" = ;

Д/" = /". (7.26) г а а При небольших расстояниях до объекта ошибки Д ^ " и Д/' ' оказываются значительными. Так, при = 1°, 5 = 100 м м и а = 100 м / Ay'i « 4 " ;

чтобы A(/ " было меньше или равно 3" при \р = 30' и / ' = 2 0 б = 200 м м, расстояние а должно быть больше 120 м.

Возможность высокоточного измерения малых углов в поле трубы привела к применению окулярных микрометров для уменьшения ошиб­ ки визирования высокоточных теодолитов.

Это обусловлено тем, что наводить легким механизмом микрометра легче, чем поворотом всей массивной алидадной части теодолита;

устра­ няются ошибки последействия наводящего устройства алидады;

уско­ ряется многократное наведение. Кроме того, поскольку при высокоточ­ ных измерениях расстояния до объектов обычно велики, ошибки Д/',' и не оказывают ощутимого влияния.

После наведения визирной оси прибора на объект наводящим вин­ том алидады делается несколько наведений нитей окулярного микромет­ ра, отсчет по которому, составляющий обычно лишь несколько секунд, добавляют к основной части измеренного угла, отсчитанного по лимбу.

Устройство окулярных микрометров самое различное. Многие из них принципиально не отличаются от микрометров отсчетных устройств, описанных в гл. 9.

На рис. 37 приведена принципиальная схема окулярного микромет­ ра с плоскопараллельной пластинкой одного из теодолитов [1]. Угол поворота пластинки 3 задается червячной парой 2, 4. Цена деления при отсчете по барабанчику микрометра 1 вычисляется из приближенного равенства d п-1 7 •Р Г й г = 7Г 180° * При п = 1,5724, d = 2,28 мм, = = 500 мм, Z\ = 1 - число заходов червяка, z = 30 - число зубьев червячного колеса, в = 5° (угловой размер деления барабанчика) Известны окулярные микро­ метры, по которым отсчет произ­ водится в поле зрения трубы теодолита, что уменьшает утомля­ емость глаза, так к а к при отсчете не надо переаккомодировать глаз с нитей сетки трубы на шкалу бара­ банчика и обратно. В теодолите Т применен окулярный микрометр с телескопической линзой.

В конструкции одного из мик­ рометров телескопическая линза жестко скреплена со шкалой, изоб­ т е. 37, Схема окулярного микромет­ ра с плоскопараллельной пластинкой ражение которой отдельным объек­ 8* тивом строится в о к о ш к е диафрагмы поля зрения трубы рядом с сеткой нитей. Линза со шкалой перемещается в направляющих типа "ласточкин хвост" под действием винта и возвратной пружины.

Цена деления шкалы составляет При г = 48,20;

г — 47,18;

= 339,6;

а = 0,08 м м (линейная величи­ а на наименьшего деления шкалы микрометра) г " § 36. Расчет и выбор основных параметров систем с фоторегистрацией Системы с фоторегистрацией применяются для регистрации на фотома­ териале изображений объектов наведения и шкал отсчетных устройств для последующего определения направлений на эти объекты. Способ фоторегистрации отличается документальностью, позволяет получить более высокую производительность и удобство в работе, а при регистра­ ции движущихся объектов позволяет получить точность определения на­ правления и привязки к о времени значительно более высокую, чем при визуальных способах наведения. В оптических приборах спутниковой геодезии и полигонных оптических средствах траекторных измерений фотографические способы регистрации до настоящего времени являются основными (см. гл. 12).

Принципиальное построение систем с фоторегистрацией зависит от назначения систем, характера и параметров регистрируемого объ­ екта.

Как и в любом виде фотосъемки, качество снимка определяется ве­ личиной экспозиции в люкс-секундах Н = E't где Е' - освещенность y изображения в люксах, t - выдержка в секундах. Величина необходимой экспозиции определяет к а к выбор подходящего фотоматериала, так и целесообразные параметры фоторегистрирующей системы.

При фоторегистрации различных шкал, часов и других приборных элементов и устройств задачи получения необходимой экспозиции ре­ шаются проще, так к а к необходимая освещенность шкал и соответству­ ющие источники освещения могут быть выбраны при проектировании и основной параметр - освещенность изображения может быть обеспе­ чена достаточно высокой и стабильной. Для этого случая величина Е' = = const. Относительно постоянной будет и яркость фона. Следовательно, постоянной будет и выдержка для получения необходимой экспозиции, т.е. t — const.

При регистрации внешних по отношению к прибору объектов (сигна­ лов, визирных знаков и пр.) их освещенность, к а к правило, не будет стабильной, а яркость фона будет изменяться в значительной степени из-за времени суток, погодных условий и состояния атмосферы.

Однако при фоторегистрации неподвижных объектов не предъявля ется особых ограничений к величине выдержки. В случае регистрации далеких объектов, когда освещенность их изображения невелика, может быть допущена большая выдержка и необходимая экспозиция получена.

Необходимость в большой выдержке при регистрации далеких протя­ женных объектов объясняется еще и тем, что в связи с высокой точ­ ностью измерений качество изображения и разрешающая способность системы должны быть высокими. При любой, даже самой высокой, раз­ решающей способности оптической системы разрешающая способность фотоматериала должна быть весьма высокой (до 200 линий/мм и более).

Как известно, такие фотоматериалы (например, фотопленка типа микрат) обладают очень низкой светочувствительностью (порядка 20 ед. ГОСТа), что и требует большой выдержки.

При фоторегистрации подвижных объектов, как правило, суще­ ственно изменяются к а к яркость объекта, так и яркость фона, следова­ тельно, в значительных пределах изменяется и освещенность изображе­ ния Е\ ЧТО требует соответствующего изменения выдержки и использо­ вания фотоматериалов с особенно большой фотографической широтой.

Однако в этом случае накладываются существенные ограничения на ве­ личину выдержки, так как объект подвижен. Выдержка не может быть слишком большой во избежание смаза изображения, а при регистрации точечных далеких объектов (ИСЗ, звезд и т.п.), к а к будет показано далее, скорость движения изображения по полю кадра определяет воз­ можность фоторегистрации вообще. Д л я этого случая чувствительность фотоматериала должна быть высокой (порядка 100-150 ед. ГОСТа, 1000—1500 ед. по S =D + 0,85), но достаточно высокой должна быть D Q и разрешающая способность (порядка 7 0 - 100 линий/мм).

Разрешающая способность системы объектив - фотографический слой. При проектировании систем с фоторегистрацией необходимо учи­ тывать, к а к было отмечено, не только разрешающую способность объ­ ектива или проекционной оптической системы, но и разрешающую спо­ собность фотослоя.

Теоретическая разрешающая способность безаберрационного объек­ тива #, к а к известно, определяется числом линий на 1 м м в соответ­ ствии с выражением R = Z)/l,22 Х - / '. Д л я средней длины волны X = = 555 нм R = 1473 D/f'. Реальная разрешающая способность Я 0 об объектива, имеющего аберрации, значительно ниже теоретической. Кро­ ме того, разрешающая способность фотоизображения зависит от конт­ раста деталей объекта (миры).

Существует эмпирическая зависимость (формула Мороза — Истоми­ на), связывающая визуальную разрешающую способность реального объектива R Q, разрешающую способность светочувствительного мате­ риала # ф, полученную путем контактной печати, и результирующую фотографическую разрешающую способность системы объектив - фото­ слой Rp с учетом контраста миры K д 2- K ^ t об t Rfo К* ^ J К, -0,36 [1 - с При контрасте миры, равном единице, имеем (1-е" ) Яр = Я (7.28) ф Удовлетворительный результат дает также формула Я = - (7.29) Формула (7.28) показывает, что для получения оптимального значе­ ния Я, близкого к Я, необходимо, чтобы Я Яф/3.

р об об При изменении контраста объекта от K = 1 до K — 0,2 разрешаю­ t t щая способность Я уменьшается примерно в 2 раза.

р При значительных расстояниях до объекта кроме линейной разре­ шающей способности Я важно иметь еще и угловую разрешающую р способность 7, которая характеризует минимальные размеры / } т п деталей объектов, которые будут воспроизведены системой при опреде­ ленном расстоянии /, т.е.

- / (7 30) " TR^F " Т^У * * 1 2R f* 7 ;

/ M I N Р " ~ p Как видно, при одной и той же разрешающей способности детали объекта будут лучше различимы при большем масштабе изображения, т.е. при большем фокусном расстоянии при той же дальности.

Кроме того, при значительных расстояниях объекты наблюдения, имеющие даже вытянутую форму, например визирные цилиндры, по условиям экспозиции в поперечном направлении приближаются к то­ чечным объектам, в то время к а к фон является протяженным объек­ том. Контраст объекта и фона в этом случае, к а к будет показано при рас­ смотрении фоторегистрации точечных удаленных объектов, при увели­ чении фокусного расстояния повышается, что повышает и разрешающую способность системы. Отсюда понятно стремление к увеличению фокус­ ного расстояния при фоторегистрации далеких объектов, особенно то­ чечных.

Предельный угол разрешения фоторегистрирующей системы можно найти также из зависимости [7] 3100 + ? Р = — — • ("и где / ' и D в м м.

Разрешающая способность при регистрации точечных объектов зави­ сит также и от диаметра кружка рассеивания. Малые точечные объекты изображаются на фотослое размером, в несколько раз превышающим размер зерна. При величине зерна 5 м к м изображение получается диамет­ ром 20—50 м к м, а две точки разрешаются при расстоянии между ними 15—30 м к м.

Диаметр кружка рассеивания d больше размера зерна и составля­ kp ет для высококачественных систем 0,01-0,03 м м. Поэтому следует и по этой причине стремиться к уменьшению d p. K Расчет освещенности изображения. Приведем известные из курса "Прикладная оптика" формулы для расчета освещенности Е' для раз­ личных указанных выше условий фоторегистрации.

1. О б ъ е к т п р о т я ж е н н ы й, н а х о д и т с я на к о н е ч н о м р а с с т о я ­ нии.

Фотографическая оптическая система изображает объект в плоско­ сти светочувствительного материала с увеличением 0 (масштаб снимка).

Освещенность изображения Е ' равна L г * об D Е' = (— ) (7.32) где Е* — освещенность изображения в люксах ( л к ) ;

г — коэффициент светопропускания объектива;

L — яркость объекта в к д / м ;

Djf относительное отверстие объектива (напомним, что (D/f) - геометри­ ческая светосила, а ф / / У - т - физическая светосила);

0 - линейное об О увеличение в зрачках объектива;

0 — линейное увеличение (масштаб снимка).

Так к а к во многих объективах увеличение в зрачках (3 близко к единице, с достаточной для практики точностью можно пользоваться формулой ПЬт к D п Следует напомнить, что линейное увеличение )3, к а к правило, значи­ тельно меньше единицы и имеет по правилам оптики для нашего случая отрицательный знак.

2. О б ъ е к т п р о т я ж е н н ы й и н а х о д и т с я на з н а ч и т е л ь н о м расстоянии (в практической бесконечности).

Для этого случая величина линейного увеличения (3 может быть принята равной нулю. При (3 = 0 формула (7.33) будет иметь вид Е* = — - ^ ( - Т ). (7.34) 4 / В случае фоторегистрации несамосветящихся объектов, имеющих матовые рассеивающие поверхности, их яркость L в последних форму­ лах можно выразить через освещенность L= (7.35) где б - освещенность объекта (в люксах);

р - коэффициент отраже­ ния поверхности объекта.

Тогда формулы (7.33) и (7.34) будут иметь вид Г D - 1. об^^об /) * ='о«Р*о«( — 77^;

E'=-^-(-f. (7.36) В приведенных формулах не учтено снижение освещенности за счет виньетирования и удаления от центра изображения.

Определение основных параметров фоторегистрирующих систем.

К основным параметрам фоторегистрирующих систем относятся: фо­ кусное расстояние фотокамеры f' \ диаметр входного зрачка объекти­ K ва D\ диаметр кружка рассеяния с / ;

разрешающая способность на кр определенном фотоматериале;

характеристики фотоматериала (чувстви­ тельность, разрешающая способность и т.д.);

фокусные расстояния и относительные отверстия дополнительных оптических компонентов.

1. Ф о т о р е г и с т р а ц и я п р о т я ж е н н ы х о б ъ е к т о в, н а х о д я щ и х ­ ся на н е б о л ь ш и х р а с с т о я н и я х.

Выбор параметров фотокамеры не отличается от такого выбора при обычной фотографии. Как следует из формулы (7.33), необходимо, чтобы оптическая система имела достаточную физическую светосилу, т.е. максимальный коэффициент пропускания т и приемлемое отно­ об сительное отверстие. Фокусное расстояние в этом случае имеет значение лишь для оценки масштаба изображения и измерительных свойств сним­ ка. При оптимальном увеличении измерительного устройства (Г 10) ошибка измерения линейных координат составляет около 2 — 3 м к м.

Качество системы определяется, кроме того, необходимой разрешающей способностью.

2. Ф о т о р е г и с т р а ц и я п р о т я ж е н н ы х у д а л е н н ы х о б ъ е к т о в.

Для этого случая необходим объектив с большим фокусным рассто­ янием и высокой разрешающей способностью. Обычно разрешающая способность длиннофокусной фотографической системы ниже визуаль­ ной разрешающей способности объектива. В [7] указано на возможность ослабления влияния небольшой разрешающей способности фотослоя за счет применения дополнительного увеличения. Для этого после изображения основного объектива вводится дополнительный компонент, который дает изображение большого масштаба. Линейное увеличение Р дополнительного компонента не следует выбирать слишком большим х (не более 4 ) во избежание большого падения освещенности изображе­ ния, так к а к в этом случае освещенность обратно пропорциональна квад­ рату линейного увеличения.

В опытах по фоторегистрации удаленных объектов проф. С В. Елисе­ ев [7] применял зеркально-линзовую систему с D = 60 мм и = = 1200 мм. Дополнительная оптическая система имела увеличение х (3 - 2.

3. Ф о т о г р а ф и р о в а н и е ш к а л.

Как было указано, освещенность фотослоя при фоторегистрации в pfv^ I Fj Рис- 38» Оптические системы |^^^~т— для фотографирования шкал шкал может быть всегда обеспечена использованием источника света достаточной яркости. Так к а к шкалы прибора находятся на небольшом расстоянии от объектива фоторегистратора, могут применяться системы, в которые входят компоненты микроскопа: объектив, объектив с до­ полнительным компонентом и т.п. Порядок параметров оптических систем следующий: апертура 0,10—0,13;

относительное отверстие до 1/4;

фокусное расстояние / ' от 8 до 120 м м ;

линейное увеличение от х 1 до 5.

Системы могут состоять: из двух положительных компонентов;

из положительного и отрицательного компонента;

из двух компонентов, разделенных большим промежутком с параллельным ходом лучей между компонентами;

из трех компонентов с промежутками между ними.

Согласно рис. 38, а имеем соотношения % (7.37) р = 0,0,;

(3 = а;

/а ;

а' = / ' ( 0 + 1).

2 2 2 2 Например, при / д = 37,5 м м и (3 = 1,5 величина а = 94 мм.

На рис. 38, б представлена схема из двух положительных компонен­ тов, разнесенных на значительное расстояние. Такая схема весьма целе­ сообразна при больших габаритах приборов, при некотором изменении расстояния между компонентами в процессе работы, например в кино­ теодолитах. Предмет (шкала лимба) находится в передней фокальной плоскости первого компонента, а изображение — в задней фокальной плоскости второго компонента. Ход лучей между компонентами — па­ раллельный.

Увеличение такой системы равно На рис. 38, в представлена схема системы из трех компонентов, дающая большое увеличение.

В этом случае Р = Ь'1'Wilfi). (7.38) х При а '/а = 5, / ' = 12,5 м м, [' = 50 м м 0 = 2 0.

2 ъ При расчете освещенности изображения следует учитывать, что при одном и том же световом потоке она обратно пропорциональна квадрату линейного увеличения. В этом случае освещенность изображения рассчи­ тывается по формуле (7.33).

Так к а к при фотографировании шкал линейное увеличение по абсо­ лютной величине больше единицы и во многих случаях изображение предмета значительно превосходит его размеры, разрешающая способ­ ность фотоматериала имеет меньшее значение, чем, например, при фото­ регистрации удаленных объектов.

Схема фоторегистрации положения алидады угломерных приборов (теодолитов, кинотеодолитов и др.) строится таким образом, чтобы с целью исключения влияния эксцентриситета изображения противопо­ ложных частей лимба получались на одном кадре сведенными, к а к в способе совмещения. Если обработка результатов не предусматривает автоматического или полуавтоматического отсчитывания, то общее уве­ личение может быть установлено не строго. В этом случае достаточно по­ лучить одинаковое увеличение изображений двух частей лимба. В случае полуавтоматической обработки на специальных компараторах должно быть выдержано строго и общее увеличение системы.

4. Ф о т о р е г и с т р а ц и я д в и ж у щ и х с я удаленных объектов.

Определяющим критерием при выборе параметров фотокамеры и в этом случае может служить величина экспозиции Н = Е • г.

Известно, что условия экспозиции точечных и протяженных объек­ тов различны. Так, для протяженного удаленного объекта экспозиция в плоскости изображения объектива с учетом формулы (7.38) опреде­ ляется выражением ^прЪб^'пр (7 39) - w • ' где /, — яркость протяженного объекта;

г/ - коэффициент полезного пр действия затвора;

г — выдержка.пр Для объектов, изображение которых в геометрическом смысле мо­ жет считаться точечным, экспозиция выражается зависимостью Н =— —, (7.40) т кр где / - сила света точечного объекта;

t — выдержка;

/ — расстояние т T до объекта;

d — диаметр кружка рассеивания.

Kp Как видно, определяющими параметрами оптической системы явля­ ются при регистрации протяженного объекта — относительное отверстие объектива, при регистрации точечного объекта — диаметр входного зрач­ ка и диаметр кружка рассеивания. Необходимо стремиться к большому относительному отверстию, максимальному действующему отверстию D и минимальному d. Kp В дневных условиях, когда яркость фона велика, существенное зна­ чение имеет величина контраста объекта и фона.

В первом приближении о контрасте объекта и фона можно судить по отношению их экспозиций, т.е. К = Я / Я ф. Учитывая, что объект об точечный, а фон протяженный, из выражений (7.39) и (7.40), относя обозначения соответственно к объекту и фону, получим:

Заметим, что выражение (7.41) учитывает лишь общие закономер­ ности. Оно не учитывает особенности фотослоя в части неравномерности размеров зерен и нерегулярности их распределения, шумов фотоэмуль­ сии, неравномерности распределения освещенности в кружке рассеяния, влияния атмосферы и т.п.;

однако оно позволяет сделать весьма важные выводы. С увеличением фокусного расстояния / контраст точечного к объекта и фона увеличивается. При необходимом минимуме контраста при увеличении / увеличивается дальность регистрации /.

к Однако не следует считать, что величина фокусного расстояния может быть сколь угодно большой. Не говоря уже о габаритно-массовых характеристиках, величина фокусного расстояния в значительной степе­ ни ограничивается влиянием атмосферы. Опыт применения длиннофо­ кусных фоторегистрирующих систем показывает, что полезная величина фокусного расстояния ограничивается размером порядка 3, 5 - 4 м.

Существенное влияние на величину контраста оказывает яркость фо­ на /, ф. Известно, что излучение от неба является наибольшим в близкой ультрафиолетовой области спектра и уменьшается в видимой и близкой инфракрасной частях спектра. Это указывает на целесообразность ис­ пользования сочетаний фотопленок и светофильтров с соответствующи­ ми спектральными характеристиками, а также искусственных источни­ ков света, помещаемых на объектах.

Величина контраста зависит от отношения выдержки объекта к вы­ держке фона Г / Г ф. В большинстве случаев Г = Гф, т.е. * / Г ф = 1.

об об об В камерах, регистрирующих последовательные положения объекта на один и тот же кадр (например, в баллистических камерах), зто отно­ шение может быть значительно меньше единицы, что приводит к суще­ ственному снижению контраста и может ограничить возможность регист­ рации объекта вообще.

Весьма необходимым условием, определяющим возможность фото­ регистрации точечного объекта (например, звезд, ИСЗ), является осве­ щенность, создаваемая объектом на поверхности Земли, т.е. на входном зрачке объектива камеры. Из формулы (7.40), имея в виду, что / Г = зр = / 2 H 10 /', D + 0,8 5 = / 0, 8 5 ПОЛУЧИМ где Q 8 — чувствительность фотопленки в единицах ГОСТа;

Е — осве­ 31?

щенность на входном зрачке объектива, необходимая д л я оптимальной экспозиции.

Для облегчения проведения необходимых расчетов ниже приведены значения освещенности, создаваемой на поверхности Земли звездами различной звездной величины. На пленке определенной чувствительности при данных параметрах оптической системы и камеры изобразятся, например, все звезды (и объекты, сравнимые с ними по яркости), кото­ рые создают на поверхности Земли (следовательно, и на входном зрачке объектива) освещенность большую, чем определяемая формулой (7.42).

Звездные вели­ чины т О 2 4 5 Освещенность, 6 7 8 -9 - лк 2,1 Ю " 3,4 10~ 5,4-1 ( Г 2,2 Ю 8,5 Ю Продолжение Звездные вели­ чины т 8 10 12 Освещенность, 9 10 11 лк 1,3-Ю" 2,1-10" 3,4-10" 5,410" При фоторегистрации движущегося точечного объекта неподвижной или следящей камерой решающее значение имеет угловая скорость изображения объекта со.

Для определения параметров камеры в зависимости от угловой ско­ рости изображения объекта и его яркости удобно найти связь отношения со/Е р с параметрами камеры.

При смещении точечного изображения диаметром / в фокальной кр плоскости на величину / в угловой мере это смещение составит к р Р кр Если это смещение произошло за время то угловая скорость п. п р кр Р (7.43) Разделив (7,43) на (7.42), найдем СО ' к р Р " SO,850 T 6 V O (7.44) Е Величина выдержки t определяется, к а к видно, величиной /. кр Разные авторы принимают различные смещения изображения / за к р время выдержки Л Обобщая известные результаты, можно отметить сле­ дующие условия регистрации при различных значениях / : кр а) / р = / / 2 - условие надежной регистрации;

К кр = я б) ^ р ^кр/4 - условие оптимальной регистрации;

К в) / =d - условие предельной регистрации.

к р Kp Условие оптимальной регистрации, формула которого я ^ / / 4 ре­ кр комендована Г. Вейсом*, получается из расчета, что след изображения за время t сместился на величину я й ? / 4, равную стороне прямоуголь­ кр ника вдоль следа, вторая сторона которого принимается равной d p. K Площадь кружка 5 = nD p/4 и площадь условного прямоугольника кр K равны.

Если принять для расчета условие предельной регистрации и поло­ жить / = d p, то получим к р K со М0 % ^т Ч 8 о б Л зр / « к к р Учитывая, что Н = Ю/о,8$» для оценки параметров камеры и опре­ деления ее возможностей полезно выражение (7.45) представить в виде со 2- Q, (7.46) где D Q = тл ~г—. (7.47) о 'к^кр Величину Q назовем обобщенным параметром фотокамеры. Напри­ мер, д л я камеры с параметрами D = 390 м м, / = 700 м м, т? = 1, d = к Kp = 0,03 м м и т б = 0,7 величина Q = 5 -10. Тогда со/^з = 10 /Я.

р При Н = 0,02 (пленка чувствительностью 500 ед. ГОСТа) 10 со//Г р = 5 - 1 0 или Ь\р = 2-10Г со. (7.48) Пользуясь выражением (7.48) с учетом освещенности, приведенной на с. 124, можно найти яркость объекта в звездных величинах, который *Вейс Г. Геодезическое использование искусственных спутников Земли. М., Недра, 1967.

может быть зарегистрирован камерой с определенной величиной Q, считая исходной величиной предельную угловую скорость изображения объекта (табл. 3 ).

Так, при угловой скорости изображения объекта со = 10"/с камера с приведенными параметрами (величина Q = 5 - 1 0 ) зарегистрирует объекты яркостью до 10-й звездной величины включительно.

Следует отметить, что приведенная методика расчета позволяет сразу определить, какой тип фотокамеры (неподвижную или следящую) сле­ дует выбрать для регистрации объекта с заданными величинами т и со.

Так, пользуясь данными табл. 3, можно сделать вывод, например, что объекты до 6-й звездной величины могут быть зарегистрированы неподвижной камерой с Q = 5-10, если угловая скорость объектов не превышает 500' / с. Д л я более быстрых объектов с т 6 камера должна быть следящей.

§ 37. Визирные приборы и приспособления для задания направления и контроля положения объектов При выполнении различных инженерно-геодезических работ во многих случаях необходимо определить отклонение положения объектов от ка­ кого-то заданного (опорного) направления. Опорное направление мо­ жет быть задано между начальной точкой, на которой установлен, напри­ мер, теодолит, и конечной точкой, на которую труба наводится первона­ чально.

Тогда при неподвижном приборе простым визированием на проме­ жуточные точки можно определить их отклонение о т опорного направ­ ления. Такие измерения называются створными. Они применяются при разбивке и закреплении в натуре строительно-монтажных осей при Таблица 10 1 со, '7с, лк 2Ю" 4-Ю 2-Ю зр Яркость т 11 10 10-9 30 | 60 | 100 | со, "/с, лк 10 - 6-ю- 1,2-Ю 2-10" 4-10" зр Яркость т 9 8 8 2000 500 со, "/с 8 4-Ю"* 6-Ю" 2-10"* 1Ю~ Е лк зр 5-4 6 Яркость т 4000 со. "/с 1,2-10" 8 8-10" М0~, лк зр 4 2- Яркость т установке в проектное положение технологического оборудования, при наблюдениях за горизонтальными смещениями и деформациями сооружений и других видах работ. Подобные задачи решаются и при из­ мерении и контроле соосности, плоскостности и прямолинейности.

Так к а к при фокусировке зрительной трубы на объекты, находя­ щиеся на различных расстояниях, особенно если эти расстояния невели­ ки (до 100-150 м ), происходит смещение визирной оси, то при створ­ ных измерениях возможны ошибки. Д л я уменьшения ошибок применя­ ют приспособления, состоящие из призм двойного изображения, напри­ мер призмы Дове, для оборачивания изображений;

призмы с отражаю­ щими поверхностями или зеркала, установленные под углом в 9 0 ° ;

акснконы — конические детали из оптического стекла;

мениски со свой­ ствами аксиконов - ("оптическая струна", разработанная ГОИ под ру­ ководством Б.М. Левина);

приборы с использованием интерференции и дифракции света;

коллимационные и автоколлимационные приборы.

Эти приспособления и приборы описаны в соответствующей литерату ре 12,7).

Наиболее перспективными приборами для створных измерений, контроля и установки технологического оборудования являются прибо­ ры с использованием лазеров. Лазерные системы применяют и в соче­ тании с дифракционными и интерференционными способами. Хорошие результаты показал, например, дифракционный лазерный прибор, схема которого основана на опыте Юнга. Схема устройства для створных из­ мерений приведена на рис. 39. Она состоит из лазера, марки А с одиноч­ ной целью, устанавливаемой в начальной точке створа, полупрозрачно­ го экрана Э, устанавливаемого в конечной точке створа, и двухщеле вой марки со щелями А и А, устанавливаемой на промежуточной точ­ х ке, нестворность которой определяется. В области экрана Э в резуль­ тате дифракции света от двойной щели в зоне перекрытия пучков наблю­ дается интерференционная картина.

Если ось симметрии обеих щелей А\ и А находится на линии АС (точка О), то в окуляре, стоящем после экрана Э, наблюдается совпа­ дение сетки нитей с яркой центральной полосой интерференционной картины. Если марка смещена с линии створа АС на величину А, раз­ х ность хода интерферирующих лучей АгС\ и А[С\ изменяется И ПОЛОСЫ интерференционной картины смещаются на величину Д, причем А = 2 х = \L I (L + L )] А - По исследованиям О.И. Горбенко дифракционный X x 2 способ створения с использованием лазера позволяет определить не­ створность промежуточной точки на расстоянии до 400 м со средней квадратической ошибкой порядка 0,06 м м.

При расчете основных параметров приборов, основанных на оценке интерференционной картины, учитывают разрешение приемником изме­ нения положения интерференционной полосы. При визуальных наблю­ дениях при ширине полосы около 2 м м ее положение определяется с по­ грешностью 0,1-0,05 ширины, при фоторегистрации и фотоэлектриче­ ском приеме — 0,01-0,005 ширины. Ширину полосы можно определить следующим образом [7, 37]. Определим разность хода интерференцион Рис. 39. Схема устройства для створения Рис. 40. Определение разности хо­ да лучей ных лучей AS в зависимости от положения d точки их пересечения от центра интерференционной картины (рис. 40).

2 2 2 S] = (~ - d) + / ;

S = ( ^ - + df +I.

Принимая S = / и пренебрегая величиной AS, получаем 1 / 2I или приближенно, учитывая, что / » d и/ »А, Ad (7.49) AS Полоса с номером N находится от центра интерференционной кар­ тины на расстоянии Y = (NX 1)1А, а с номером N + 1 — на расстоянии x У = [(tf+l) Х-/]М.

Тогда ширина полосы е= = X/ (7.50) а угловая ширина полосы е= (7.51) Л/ где / ' — расстояние от точки пересечения интерферирующих лучей до точки наблюдения.

Для примера определим увеличение оптической системы для визу­ ального наблюдения полос. Ширина полосы при А = 10 м м и / = 20 м будет: е = (0,55-20-10 )/10 = 1,1 м м.

Для получения оптимального видимого размера ширины полосы х (2 — 3 мм) увеличение оптической системы должно быть 2 —3. Большее увеличение нежелательно из-за снижения контраста изображения.

Для определения нестворности точек в двух взаимно перпендику­ лярных плоскостях применяют зонные пластины. Устройство с зонными пластинками для установки целей на прямой длиной примерно 3 к м и контроля положения 273 блоков магнитов было применено в США на Стенфордском линейном ускорителе [ 7 ]. Источником света являлся лазер на смеси гелия и неона с X = 6328 А, мощностью около 1 мВт.

Зонные пластинки имели прямоугольную форму, приемник — ФЭУ со сканирующим устройством. Погрешность установки целей в створ около 0,5 м м.

В СССР разработан лазерный интерференционный створофиксатор ЛИСТ-1 с визуальной регистрацией, в котором применяют зонные пластины [37]. В комплект ЛИСТ-1 входит лазерный створоуказатель, состоящий из газового лазера ЛГ-56, установленного на подставке, имеющей накладной уровень и центрирующее устройство. Лазер уста­ навливают таким образом, чтобы ось лазерного пучка была точно направ­ лена вдоль линии створа. Зонные марки, основной частью которых слу­ жат зонные пластины, установлены на подставке, имеющей цилиндриче­ ский уровень и лимб, используемый для установки зонной пластины под расчетным углом к заданному створу. Для дистанционных измере­ ний применяют марку, у которой поворот зонной пластины относитель­ но линии створа осуществляют с помощью электродвигателя, управля­ емого с пульта.

Положение центра интерференционной картины определяют с помо­ щью полупрозрачного экрана (марки), перемещаемого микрометрсн ным винтом. Величина перемещения экрана отсчитывается по индикато­ ру часового типа с ценой деления шкалы 0,01 мм.

Следует учитывать, что использование лазерного луча для непосред­ ственного воспроизведения в пространстве вещественной визирной ли­ нии весьма привлекательно, однако при визуальной индикации приборы с лазерами имеют и существенный недостаток — быстро утомляются глаза.

Из физической оптики известно, что зонная пластина, состоящая из прозрачных и непрозрачных зон, создает изображение, подобно линзе или сферическому зеркалу. При использовании точечного источника света с расходящимся пучком света соотношение отрезков для зонной пластины аналогично такому соотношению для линзы (рис. 41):

1 1 Р я f где р и q — расстояния соответственно от источника света до зонной пластины и от зонной пластины до плоскости изображения;

/ — фокус­ ное расстояние.

Зонная пластина на расстоянии q формирует яркое световое пятно, строго симметричное относительно линии, соединяющей точечный источ­ ник света и ось симметрии пластины.

При перемещении зонной пластины в направлении, перпендикуляр 9 - B.C. Плотников Рис. 41. Расчетные соотношения при использовании зонных пластин ном к лазерному пучку света, на величину б изображение источника смещается в ту же сторону на величину а, причем Р+ Q J L J L д=а -• (7.52) Р В зависимости от формы зон (круговые, линейчатые, прямоуголь­ ные) изображение формируется в виде точки, линии или креста (рис. 42).

Х.К. Ямбаевым и Г.А. Нагорским предложена зонная пластина для геодезических створофиксаторов* и выполнен расчет простой зонной марки в виде непрозрачного экрана с набором параллельных щелей.

Края щелей подобраны так, чтобы марка обладала фокусирую­ щими свойствами. Для геодезических зонных марок оказалось возмож­ ным изготовить экран в виде набора щелей с более плотной упаков­ кой краев рабочих зон, чем у линзы Френеля. Х.К. Ямбаевым получены формулы для расчета положения внутренних и внешних краев щелей зонных марок (см. рис. 41 и 42, а) _L J.

I„=(-jf-) (4И + 1 - К ), (7.53) где К = 0,797;

, % % - соответственно расстояние от оси симмет­ 0 w n рии зонной пластины д о центральной зоны, до внутреннего и наружного краев прозрачных зон (см. рис. 42, а)\ п= 1, 2, 3... - номер прозрач­ ной зоны.

Параметры л, и / однозначно определяют конструкцию т а х зонной марки для фиксированной длины волны X. Одна и та же одно­ мерная зонная марка может быть использована на разных расстояниях между лазером и регистрирующим устройством при условии, что «* & = /Щ^, (7.54) t х где 0/ - угол поворота зонной марки относительно заданного направ­ ления в /-й промежуточной точке;

- соответствующее фокусное расстояние, удовлетворяющее зависимости _ Pi*i Рс*с L U" Лпах ~ i ~ ' L так как р = q = L/2.

с * А.с. № 323656 [СССР]. Зонная пластина / Авт. изобрет. Х.К. Ям баев, Г.А. На горский. - Заявл. 13.10.69 № 1368030/18-10. Опубл. в Б.И., 1972, № 1.

9* Так как при вращении зонной марки вокруг оси симметрии зон фокусное расстояние меняется, то при выполнении работ на створе дли­ ной L возможно использование линз одной или нескольких одинаковых марок с максимальным фокусным расстоянием / = L/4. При ис­ т а х пользовании двумерной зонной марки ее конструкция должна преду­ сматривать поворот вокруг двух осей - вертикальной и горизонталь­ ной — соответствующих осям симметрии зон Френеля. Величины р, q, Р и L связаны следующими соотношениями:

1 + sin Р 1 - sin Р К визуальным лазерным приборам относятся л а з е р н ы е в и з и р ы.

Одним из первых лазерных приборов в практике геодезических работ был лазерный визир ЛВ-2, применявшийся в 1965 г. в Москве для конт­ роля положения горнопроходческого щита во время строительства тун­ неля для р. Неглинной. В настоящее время выпускается более совершен­ ный лазерный визир ЛВ-5. Он создан на базе гелий-неонового лазера ОКГ-13 и устанавливается на стандартном штативе. Прибор может пово­ рачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей соответственно на 360 и 10°. С визирной трубой прибора жестко связан цилиндрический контактный уровень с ценой деления 20". Питание прибора осуществля­ ется от сети 220 В промышленной частоты или от аккумулятора 12 В.

Потребляемая мощность — 20 Вт, масса блока питания — 1 кг, масса прибора - 5, 8 кг. Лазерные приборы используются для проверки под­ крановых путей, для раз бив очных работ и разметки отверстий, для ори­ ентирования по лазерному пучку различных агрегатов и машин, для выверки осей протяженных промышленных объектов (прокатных ста­ нов, транспортных систем, к о к с о в ы х батарей, вращающихся цементных печей и т.п.).

Однако визуальные лазерные приборы обладают существенными недостатками, отмеченными выше, поэтому в аппаратуру все шире внедряются фотоэлектрические и другие регистрирующие устройства, позволяющие создать лазерные приборы с дистанционным съемом ин­ формации и автоматизировать процесс измерений.

Например, созданы лазерные интерференционные створофиксаторы ЛИСТ-2 и ЛИСТ-3 с фотоэлектрическими устройствами соответственно аналогового и дискретного типов.

§ 38. Особенности расчета и конструирования приборов с лазерами Применение лазеров в качестве источников излучения в геодезических и других приборах объясняется их особенностями и характеристиками, выгодно отличающими лазеры от других источников излучения. К этим характеристикам относятся:

1) высокая м о н о х р о м а т и ч н о с т ь, а следовательно, возможность обеспечения более качественной спектральной селекции на фоне помех и увеличения отношения полезного сигнала к уровню шумов. Так, ши­ рина спектра излучения А ориентировочно составляет для газовых 3 4 1 лазеров 1 0 ~,..., 10~ нм, для твердотельных - 1 0 ",..., К Г нм, для полупроводниковых 1,... 10 нм, тогда к а к ширина спектра излуче­ % ния лампы накаливания более 10 н м. Если учесть, что ширина полосы пропускания узкополосных интерференционных светофильтров может составлять 1,... 5 нм, то в случае использования лазеров в сочетании с такими светофильтрами можно обеспечить хорошую спектральную селекцию и увеличить отношение сигнал/шум и, следовательно, помехо­ защищенность в условиях фоновых засветок. Это означает, что при од­ ной и той же дальности действия прибор с лазером будет работать при значительно более высоком уровне помех, чем прибор с обычным источ­ ником излучения, а при равном уровне помех дальность действия прибо­ ра с лазером, без учета других факторов, будет больше;

2) к о г е р е н т н о с т ь излучения лазера, связанная с его монохрома­ тичностью* Излучение лазера не является полностью когерентным, одна­ к о по сравнению с обычным излучением степень когерентности лазер­ ного излучения весьма высока. Время когерентности Г примерно об­ к % ратно пропорционально ширине спектра излучения t ( Д у ) " • Исходя K из приведенных выше значений ширины спектра, наибольшим временем когерентности обладают газовые лазеры, затем следуют твердотельные и полупроводниковые. Временем или длиной когерентности определя­ ется дальность действия приборов и систем, основанных на интерферен­ ционных способах измерения.


При обычных источниках излучения можно получить интерференци­ онную картину при разности хода не более 1 м. Если исходить только из времени когерентности и не учитывать влияние атмосферы, то при использовании лазеров можно было бы получить интерференцию при разности хода в несколько тысяч километров. Флуктуации атмосферы снижают дальность действия интерференционных приборов до несколь­ ких сотен метров. Свойство когерентности позволяет, очевидно, полу­ чить информационную систему значительной емкости и обеспечить ее высокую помехозащищенность;

3) н а п р а в л е н н о с т ь (небольшая расходимость пучка) позволяет существенно снизить потери энергии при работе на больших расстояниях, улучшить возможности пространственной фильтрации объекта и повы­ сить угловое разрешение и помехозащищенность. Следует учитывать, однако, что увеличение степени концентрации (уменьшение расходимос­ ти), диктуемое энергетическими соображениями, ограничивается увели­ чением времени поиска объекта и повышением требований к стабили­ зации передающей системы и точности наведения на объект. Такой фак­ тор, к а к турбулентность атмосферы, должен быть учтен в любом случае.

Если прибор с лазером работает активным методом и площадь объекта меньше площади сечения пучка в плоскости объекта, то отраженная мощность обратно пропорциональна квадрату расходимости пучка [ 11 ].

Это означает, что при прочих равных условиях, чем меньше расходи мость пучка, тем большую дальность обеспечивает прибор. С направлен­ ностью связана и точность работы прибора с лазером, так к а к размер пятна в фокальной плоскости приемного объектива, прямо зависящий от расходимости, влияет на точность определения центра пучка, т.е.

угловых или линейных координат.

Расходимость пучка лазеров без применения дополнительной опти­ ческой системы обычно составляет для газовых лазеров единицы угло­ вых минут, для твердотельных - несколько десятков угловых минут, для полупроводниковых - от единиц до десятков градусов. Дополни­ тельные оптические системы позволяют получить расходимость в не­ сколько угловых секунд. Минимально достижимые значения расходи­ мости ограничиваются дифракцией на выходном компоненте коллими рующей системы;

4) и н т е н с и в н о с т ь излучения лазера, определяемая его яркостью, силой излучения и т.п., позволяет получить видимый для глаза реаль­ ный физический пучок и использовать его для проведения измерений.

Сила излучения лазера благодаря малому углу расходимости при той же мощности по сравнению с другими источниками света значительно выше. Интенсивность излучения определяет плотность мощности (облу­ ченность) на приемной апертуре прибора. При расчете и проектировании лазерных приборов с визуальной регистрацией необходимо учитывать предельно допустимый для глаза человека уровень энергетического ко­ личества освещения Я Ы С Г Д ж / м (см. далее раздел по тех­ э д о п нике безопасности при использовании приборов с лазерами);

5) п о л я р и з о в а н н о с т ь лазерного излучения используется для улучшения параметров приборов в части уменьшения потерь при моду­ ляции излучения, увеличения отношения сигнал/фон путем использо­ вания поляризационных фильтров, что увеличивает дальность действия и помехозащищенность.

Излучение почти всех типов лазеров является поляризованным [11]. Степень поляризации близка к 100%, и излучение является линей­ но поляризованным, если торцы активных элементов лазера скошены под углом Брюстера. В рубиновых лазерах вид и степень поляризации, если торцы нормальны к оси стержня, зависят от ориентации оптиче­ ской оси кристалла относительно геометрической оси стержня. При углах 60 и 90° поляризация линейная, при угле, равном нулю, поля­ ризация отсутствует.

К о с н о в н ы м н е д о с т а т к а м лазеров можно отнести пока еще довольно большие габариты, низкий КПД, сложность конструкции, высокую стоимость, нестабильность параметров. Некоторые лазеры требуют охлаждения активного элемента и элементов системы накачки до температур 4 - 7 7 К. Это значительно осложняет применение лазер­ ных систем из-за малого времени работы охлаждающих устройств, их сложности и громоздкости. Кроме того, при окончательном решении о целесообразности выбора лазера в качестве источника излучения долж­ ны быть учтены такие параметры, к а к надежность, срок службы, усло­ вия длительного хранения, безопасность обращения и вредное влияние излучения на зрение, энергопотребление.

Рис. 43. Вид лазерного пучка Рис. 44. Основные параметры резонатора Параметры пучка, необходимые для расчета приборов с лазерами, подробно рассмотрены в [ I I ]. Приведем наиболее важные из них. Рас­ пределение интенсивности в сечении пучка определяется параметром CJ, величина которого равна расстоянию от оси пучка до точки, где интен­ сивность в сечении основной моды падает в е раз 7,3 раза), а ампли туда в с раз. Параметр CJ называется размером пятна и зависит от кон­ фигурации резонатора и сечения пучка.

Р а з м е р п я т н а со основной моды в плоскости перетяжки (рис. 43) равен CJ = \/ЛЯ /2я, 0 э где Я — конфокальный параметр, определяющий характеристики ре­ э зонаторов устойчивой конфигурации.

Величину к о н ф о к а л ь н о г о п а р а м е т р а R "пустого" резонатора можно определить но формуле = 2 L Я V*i* (1 - * i * ) / f e i - 2*!*,), (7.55) э a где g и g — обобщенные параметры, определяющие конфигурацию x резонатора, причем для случая "пустого" резонатора и случая, когда активная среда заполняет резонатор полностью (рис. 44), Ljr ;

= 1- L/r.

x 2 Если активная среда заполняет резонатор не полностью (см. рис. 44), то параметры g вычисляются следующим образом:

+ g = 1 - ( /, + 2 /")/Y g = + / + //я)/г. (7.56) t 2 2 Энергия излучения лазера с резонатором, образованным двумя сферическими или плоским и сферическим зеркалами, распространя­ ется в пространстве по криволинейным лучам-гиперболам (см. рис. 44), которые совпадают с нормалями к волновому фронту. Вблизи оси вол­ новой фронт представляет собой сферу, а в некотором сечении, где фронт волны плоский, пучок имеет минимальный поперечный размер (перетяжку). С удалением от плоскости перетяжки размеры пучка увеличиваются.

Положение плоскости перетяжки (плоскости сравнения) относи­ тельно зеркал резонатора определяется отрезками (см. рис. 43) s (1 - g ). (\ - si) { gl z =L : z-L -. (7.57) x Размер пятна co на расстоянии z от плоскости сравнения можно най­ z ти из соотношения ТГТУ = Чип, (7.58) где со - размер пятна в плоскости перетяжки моды Т Е М ;

% — тп ШЛ = 2 z/ R - относительная координата сечения.

Размер пятен мод более высоких порядков в зависимости от номера моды можно получить умножением размера пятна основной моды на соответствующий коэффициент К. Значения К приведены в [11].

м м Р а с х о д и м о с т ь пучка к а к параметр лазера можно определить вели­ чиной в = lim(co /z) при z - • «. (7.59) Для основной моды 0 = y/2\lnRj = Х/ясо, где 0 - расходи­ О 0 О мость пучка в одну сторону от оси по уровню снижения интенсивности в е раз от максимального значения.

Расходимость по любому уровню интенсивности в можно найти из соотношения в =в /0,5 1 п ( Л * / М ). (7.60) 0 о Например, расходимость пучка основной моды по уровню снижения интенсивности в два раза будет равна 0 = 0,47 %/Х/Л. О|5 э В плоском резонаторе волновой фронт колебаний представляет собою плоскость, а расходимость лучей определяется дифракцией на апертуре резонатора. Величина расходимости рассчитывается по перво­ му дифракционному минимуму в одну сторону от оси:

в = Кд \/2а, (7.61) где 2 а - размер апертуры в данной меридиональной плоскости;

Лд коэффициент, зависящий от вида распределения плотности потока излу­ чения в поперечном сечении пучка и от формы апертуры. При равномер­ ном распределении и круглой апертуре Ад = 1,22;

при прямоугольной апертуре К - 1. ц Приведенные выражения для расходимости показывают, что она независимо от того, ограничен или нет пучок реальной диафрагмой, носит дифракционный характер. Как известно, при рассмотрении диф­ ракции вводят понятия зоны дифракции Френеля и зоны дифракции Фраунгофера. По отношению к пучку лазера эти зоны принято называть соответственно ближней и дальней зонами. В зоне дифракции Френеля расходимость нучка непрерывно увеличивается, в зоне дифракции Фраунгофера (дальней зоне) расходимость постоянна. Условия дифрак­ ции Фраунгофера выполняются при расстояниях z D /X, (7.62) где D - диаметр апертуры, на которой происходит дифракция. При рас­ чете оптических систем с лазерами и конструировании приборов с лазе­ рами необходимо учитывать следующие основные особенности.

1. Отсутствие в лазере реальной излучающей поверхности, что озна­ чает, что к пучку лазера понятие яркости неприменимо, а понятие энер­ гетической светимости и светимости можно применять лишь условно, характеризуя их к а к отношение потока к площади поперечного сечения пучка в выбранном сечении;

волновой фронт лазера является сфериче­ ским, в дальней зоне площадь излучающей поверхности dS -* 0 (лучи сходятся в центре перетяжки) и центру кривизны фронта соответству­ ет эквивалентный точечный источник.

Поэтому из энергетических параметров, кроме энергии излуче­ ния Q (Дж), потока излучения — лучистого потока — Ф = dQ jdt e е e (Вт), одним из основных параметров следует считать энергетическую силу света 1 - величину лучистого потока, приходящегося на единицу е телесного угла, в котором распространяется излучение:


I = db ld. (7.63) e e u Видимое излучение можно характеризовать световым потоком Ф у и силой света I. Переход от эйергетических величин к световым осу­ v ществляется по зависимости Ф„ = 6 8 3 Ф, 1 /, (7.64) Х где v - коэффициент относительной спектральной световой эффектив­ K ности на длине волны излучения лазера. Пользоваться величиной I (l ) e v можно только в дальней зоне, где пучок характеризуется определенной расходимостью. При одномодовом излучении, расходимость которого равна 0, а телесный угол C J, сила излучения в направлении, характери­ О зуемом углом 0, равна 1 1 = 2Фсо" ехр [-2(0/0 ) ]. (7.65) е о При малом угле расхождения плоский угол 0 и сферический О угол и) связаны известной зависимостью C J = д.

0 2. Существенное отличие закономерностей прохождения излучения лазера в атмосфере по сравнению с тепловым излучением. Например, с монохроматичностью излучения лазера связано существенно иное его поглощение при прохождении в атмосфере. В связи с трудностями тео­ ретического расчета коэффициента поглощения излучения лазера из-за отсутствия многих исходных данных достоверные данные о коэффици­ енте поглощения можно получить лишь экспериментальным путем.

Таким образом, использование коэффициентов поглощения для тепло­ вого излучения может привести к погрешностям.

3. Ограниченная лучевая прочность оптических материалов. Кон­ центрация мощности излучения не должна превышать пороговых значе­ ний плотности мощности для конкретных материалов.

4. Необходимость согласования длительности импульса с постоянной времени приемника излучения при работе в импульсном режиме. В прин­ ципе требование является общим для любых оптико-электронных прибо­ ров, однако при импульсном режиме работы лазера этот параметр явля­ ется определяющим для прибора в целом.

5. Нестабильность параметров лазеров во времени. Изменение во времени теоретически претерпевают все параметры лазера. Практически важно, чтобы нестабильность параметров не превышала определенные достижимые пределы. Нестабильность мощности, например, составляет от 1,..., 2,5 % за 2,..., 5 мин до 0,04% за 30 мин. Нестабильность спектрального состава излучения у хороших лазеров по воспроизводи­ мости достигает 10~. Изменение положения энергетической оси пучка лазера может происходить из-за угловых разъюстировок зеркал резона­ тора и при изменении распределения интенсивности в пучке. Первая причина характерна для газовых лазеров, вторая - для твердотельных.

В газовых лазерах происходит неравномерный нагрев деталей резонато­ ра. Температурные деформации корпуса оказывают наибольшее влияние при горизонтальном расположении лазера (верхние детали нагреваются сильнее), поэтому для уменьшения смещения пучка целесообразно лазер располагать вертикально. Уменьшает угловые развороты оси пучка на выходе лазера и коллимирующая оптическая система (см.

далее). Экспериментально установлено, что в лазере типа ОКГ-11 стацио­ нарный режим достигается через 2 5 - 3 0 мин после включения. За это время ось пучка смещается снизу вверх примерно на 20", смещений в горизонтальной плоскости практически не наблюдалось. Поэтому в зависимости от типа и назначения лазера экспериментально устанав­ ливается и предусматривается в инструкции по эксплуатации прогрев в течение определенного времени до начала измерительных работ.

При разъюстировке резонатора и колебаниях мощности накачки изменяется расходимость лазерного пучка.

Из о п т и ч е с к и х с и с т е м приборов с лазерами кратко рассмотрим оптические системы для изменения кривизны волнового фронта и при­ емные оптические системы. К первым относятся оптические системы для изменения расходимости или диаметра лазерного пучка, т.е. для кон­ центрации (фокусирования), коллимации, деколлимации и согласова­ ния волновых пучков лазеров.

Увеличение расходимости (деколлимация) пучка лазера может быть осуществлено одной положительной или отрицательной линзой (рис. 4 5, я ), фокусирование излучения - с помощью положительной линзы. Для уменьшения расходимости пучка (коллимация) в принципе Рис. 45. Схемы для трансформирования лазерного пучка Рис. 46. Типы приемных систем:

а — линзовая фокусирующая;

б — линзовая коллимирующая;

в — зеркаль­ ная фокусирующая;

г — комбинированная может быть также использована одна положительная линза, но обычно применяют двухкомпонентные квазителескопические системы различ­ ных схем (рис. 45, б). При коллимации пучка 0 0, следователь­ ВЬ1Х ВХ = но, / ' / j, так как в первом приближении 0 х #вх * Г, где Г 2 ВЫ т т увеличение телескопической системы. Квазителескопические системы при соответствующем расфокусировании могут использоваться для концентрации излучения на сравнительно большие расстояния (рис. 45, в), а также для деколлимации. Изменение диаграммы направ­ ленности можно получить также двухкомпонентной оптической систе­ мой (рис. 45, г). Приемные оптические системы (рис. 46) могут быть как линзовыми, так и зеркальными, фокусирующими или коллимирую щими. Тип приемной системы определяется длиной волны и мощностью принимаемого лазерного излучения, типом приемника, конструктивны ми параметрами и другими сооб­ ражениями.

Г а б а р и т н ы й расчет опти­ ческих систем с лазерами произ­ водится в предположении, что сферическому фронту падающе­ го на линзу пучка с радиусом кривизны R соответствует вооб­ ражаемый гомоцентрический пучок, центр которого располо­ жен на расстоянии S от линзы Рис. 47. Схема преобразования пучка ла­ (рис. 47). В идеальной оптичес­ зера положительной линзой кой системе сопряженные рас­ стояния S и S\ а следовательно, радиусы кривизны R и R' связаны известной формулой Гаусса 7' R f В качестве исходных данных для расчета принимаются конфокальный параметр положение плоскости перетяжки относительно оптической системы d. Преобразованный пучок характеризуется новым конфокаль­ ным параметром R^ и расстоянием d' от линзы до перетяжки. Для габа­ ритного расчета оптических систем с лазерами основными являются сле­ дующие соотношения:

(7.66) (1 + / / / ' ) + ( Я, / 2 / У (7.67) 1 /' (1 + d/f') + (* /2/V Концентрацию излучения лазера на значительные расстояния (не­ сколько сот метров) в пятно небольших размеров (несколько милли­ метров) однокомпонентной системой осуществить невозможно. Такую концентрацию можно осуществить лишь двухкомпонентной оптической системой. Первый компонент выбирают короткофокусным, чтобы полу­ чить возможно малое значение R'. Фокусное расстояние f' второго 3l компонента и расстояние его d от перетяжки, образованной первым компонентом, выбирается из условия (R;

j2f;

f о + с/ // ').

2 Для этого случая выражения (7.66), (7.67), отнесенные ко второму ком­ поненту, принимают вид:

= Л + %2 э /0 W) ;

= i/(i+ djfi).

Расчет д а л ь н о с т и д е й с т в и я приборов с лазерами подробно изложен в монографии Ю.М. Климкова [11]. Приведем наиболее часто используемые при расчетах зависимости.

1. Распределение интенсивности в пучке лазера равномерное, объ­ ект — плоская диффузная поверхность, а расходимость пучка, выходя­ щего из передатчика, больше углового размера объекта.

В этом случае дальность действия:

4/ — — 2 L = л/Ф^об S. т тт р cos а / / Ф я с о, (7.68) BX зр пср пр об п пср где Ф - величина потока излучения на выходе передатчика;

5 б - пло­ щадь объекта;

5. — площадь входного зрачка приемника;

т — ВХ зр пср коэффициент пропускания передающей оптической системы;

т — коэф­ с фициент пропускания среды (в одном направлении);

т — коэффици­ пр ент пропускания приемной оптической системы;

р - коэффициент об диффузного отражения объекта;

а — угол между направлением падающе­ го луча и нормалью к облучаемой поверхности объекта;

q — требуемое отношение сигнал/шум;

Ф — порог чувствительности приемника;

п со - телесный угол пучка передатчика.

пср Формула (7.68) применима, если величина L больше эквивалент­ ного конфокального параметра пучка, выходящего из передатчика — J т ^' ncp' Если L Л э расчет производят методом последователь­ пер ных приближений по формуле L = у/Ф5 5. зр т т\ т р cos а/я/ Ф 5, (7.69) об вх пср пр об п где S - площадь сечения пучка, перпендикулярного к направлению луча, в плоскости объекта.

2. При тех же условиях, что и в п. 1, но при расходимости пучка меньшей, чем угловой размер объекта, L вычисляют по формуле L = у/Ф5. зр г тт р cos а/я q Ф. (7.70) ВХ пср с пр об п 3. Распределение в пучке равномерное, объект — блок призменных уголковых отражателей (катафотов) или трипельпризм.

16Ф5 5 г г 4/ о б в х. э р Р о б п е р Т с п р ^s а L =V, (7.71) 2 2 qФ я 0 (X/d cos а + 5 • 10 л) п ер где 0 - расходимость пучка на выходе передатчика, причем телесный пср угол с о = (я/4) 0 п ;

X - длина волны падающего на отражатель пср Ср излучения;

d — линейный размер входной грани одного элемента блока отражателей;

п - расходимость отраженного пучка в угловых секундах из-за неточности изготовления отражателей.

4. Распределение равномерное, объект имеет сферическую форму, а отражение носит к а к диффузный, так и зеркальный характер:

/ 1 6 ФЛ ' S. зр г т' т (р,/4 + 2 /3) BX пер с пр Рдиф =V I ——, (7.72) **п**ер где R - радиус сферы объекта;

р и Р ф ~ коэффициенты зеркального 3 ди и диффузного отражения объекта.

5. Распределение интенсивности в пучке лазера подчиняется закону Гаусса (одномодовое излучение). В этом случае для объекта в виде плоской диффузной поверхности при угловом размере объекта, мень­ шем угловой расходимости пучка 2 Ф S / * о б B X. зр 'пер т\ Г р cos а " 4 об L=V -8С/»пер^) (7J е f 3) w «*n* nep где г - расстояние от центра объекта до оси пучка, причем принимается, что размер пятна со рассчитывается по уровню 1/е, а распределение плотности мощности по площади объекта равномерное. Очевидно, что по формуле (7.73) расчет L производят методом последовательных приближений. Первым приближением будет значение Л, вычисленное при т = 1 и г = 0.

с Для случая, если угловой размер объекта больше угловой расходи­ мости пучка, дальность рассчитывают по формуле (7.70).

При указанных допущениях для объекта в виде блока катафотов или сферической поверхности в случае распределения интенсивности по закону Гаусса формулы для L отличаются от формул пп. 3 и 4 множи F тслем 2 е 6. Передатчик и приемник расположены на различных концах трассы:

а) распределение интенсивности равномерное (многомодовое излу­ чение), расстояние L достаточно большое:

— V(^^BX. зр пср L т г г с пр /^cj )cosa;

(7.74) nep б) распределение интенсивности подчиняется закону Гаусса (одно­ модовое излучение) 2Ф T r sa / *вх.зр Vp c np« exp I ^ п е р ' ' * ] L-V, (7.75) Ф « п"пер где г - расстояние от центра входного зрачка до оптической оси переда­ ваемого пучка, измеряемое в плоскости входного зрачка приемной опти­ ческой системы.

Очевидно, что наибольшая дальность действия получается, когда ось пучка совпадает с центром входного зрачка (при г = О e x p [ - 8 ( r / 0 L ) ] = l).

nep Техника безопасности и ее учет при проектировании и эксплуатации приборов с лазерами. Ранее было отмечено, что при использовании лазер­ ного излучения в приборах с визуальным отсчетом следует учитывать, что прямое попадание достаточно мощного лазерного пучка в глаз на­ блюдателя весьма нежелательно, так к а к это может привести к ухудше­ нию зрения. Допустимая доля облучения зависит от времени и спектраль­ ного состава излучения.

Установлено, что в диапазоне 0,4— 1,4 м к м лазерное излучение про­ ходит через глаз практически без поглощения и фокусируется на сетчат­ ке, что приводит к возрастанию плотности на четыре - пять порядков [19]. Экспериментальные исследования показывают, что предельно до­ пустимый безопасный уровень энергетического количества освещения 4 для глаза при работе с лазером — 1 • 10" Д ж / м. Следует учитывать, что даже при относительно небольшой мощности излучения применяемых лазеров, не оказывающей вредного влияния на кожу человека, исполь­ зование телескопических систем приводит к заметному увеличению энергетического количества освещения, доза которого может оказывать­ ся больше допустимой и опасной для зрения.

При проектировании лазерных приборов необходимо рассчитать уровень энергетического количества освещения, особенно в случае визу­ ального отсчета. При работе с лазерными приборами следует оберегать глаза от прямого попадания лазерного излучения и соблюдать следующие правила техники безопасности [19]: пучок не должен выходить за преде­ лы рабочей площадки, он должен проходить по возможности выше голо­ вы или ниже пояса человека;

перед работой необходимо удалять все хорошо отражающие предметы из зоны действия лазерного пучка;

во время работы соблюдать меры предосторожности, как при работе с вы­ соковольтными установками;

все рабочие должны быть информированы о вредном действии лазерного излучения на сетчатку глаз;

место произ­ водства работ необходимо оградить и установить предупредительный сигнал, плакат или сигнальную лампу.

§ 39. Фотоэлектрические и телевизионные устройства ориентации и наведения С целью повышения точности и автоматизации визирования создаются фотоэлектрические, телевизионные и другие устройства и системы.

Вопросы автоматизации визирования решаются как при визирова­ нии на неподвижные цели, так и при наведении и слежении за подвижны­ ми целями. Имеется большое разнообразие схем фотоэлектрических устройств. Получили распространение схемы, основанные на сравнении двух частей излучения потока, разделенного светоделительным блоком (рис. 48, а, в). На рис. 48, б представлена принципиальная схема автома­ тического угломерного устройства для наведения на цель и слежения Рис. 48. Схема фотоэлектрического устройства:

а ~ разделение пучка призмой анализатором;

б — принципиальная схема с генера­ тором опорного напряжения;

в - схема фотоэлектрического устройства диффе­ ренциального типа за нею. Сигнал рассогласования на выходе фазочувствитсльного выпря­ мителя усилителя У управляет двигателем Д,, который через редук­ тор Р перемещает компенсатор К. При модуляции светового потока вы­ рабатывается опорное напряжение ОН. Направление перемещения опре­ деляется знаком напряжения, полученного на выходе усилителя рассог­ ласования. При совпадении фаз опорного напряжения и сигнала - напря­ жение положительно, если фазы отличаются на 180° - отрицательно, при отсутствии сигнала напряжение равно нулю и двигатель не вращается.

Схема представляет собой типичную систему автоматического ре­ гулирования. В качестве компенсатора может быть применен оптиче­ ский компенсатор из рассмотренных в § 49 (илоскопараллельная пластинка, оптический клин, телескопическая линза и др.).

В МИИГЛиК создан высокоточный фотоэлектрический датчик диф­ ференциального типа для створных измерений. Функциональная схема датчика приведена на рис. 48, в.

Модулированный световой поток от источника света свстодслитсль ным блоком 2 разделяется на два потока, которые воспринимаются фотодиодами / и J. После предварительного усиления усилителями и 5 электрические сигналы от фотоприемников подаются через разде­ лительные емкости 6 и 7 на электронное устройство 8 выделения мгно­ венной суммы и разности сигналов. Разность и сумма сигналов усилива­ ются электронными усилителями 9, 10 и поступают на фазовый детек­ тор 12, к выходу которого может быть подключен регистрирующий при бор 13. Для исключения влияния на точность измерений изменения мощности излучателя и метеоусловий в схеме применено устройство автоматической регулировки усиления (АРУ). Через АРУ выход усили­ теля 10 суммы сигналов подключен ко входу усилителя 9 разности сигналов. В [16] отмечено, что лабораторные исследования показали высокие точностные возможности прибора, построенного по приведен­ ной схеме. Средняя квадратическая ошибка в измерении угла состави­ ла 1" в диапазоне ± 60" и 0,25 " в угловом диапазоне ± 10".

Чувствительность устройства можно оценить исходя из следующих соображений. Принимаем изображение цели за кружок радиуса г и рас­ пределение освещенности в кружке считаем равномерным. Тогда раз­ ность потоков, разделенных ребром призмы, будет пропорциональна разности площадей (см. рис. 48, а).

При смещении ребра призмы с оси симметрии потока а а на величи­ ну 6 (положение ЬЪ) разница площадей будет составлять AS = 2 ( 2 г 6 ), так как площадь смещения 2rb прибавится к одной части потока и от­ нимется от другой. Тогда AF AS 46r F S Tlr 7tr Величина 6, выраженная через параметры оптической системы, W/' a" 6=— /' и AF = — Р Лг р Для визирования на неподвижную цель в МИИГАиК А.И. Демушкиным разработана фотоэлектрическая насадка геодезического инструмента "ФЭНГИ". Принцип работы насадки заключается в следующем. В фо­ кальной плоскости оптической системы теодолита расположена нить, которая с помощью электронного генератора приводится в механиче­ ское колебание и вибрирует с частотой со. При отклонении изображения цели в ту или иную сторону от оси нити появляется частота модуляции, равная частоте генерации электронного генератора, причем при смещении изображения цели в другую сторону от нити фаза этой частоты изменя­ ется на 180°. При совмещении изображения цели с осью колеблющейся нити световой поток цели за нитью оказывается модулированным с час­ тотой 2 со, т.е. с удвоенной частотой генерации электронного генератора.

Модулированный световой поток подается на катод фотоэлектронного умножителя, где преобразуется в электрические колебания, которые усиливаются и через частотно-фазовый детектор подаются на стрелочный нуль-индикатор. По нуль-индикатору оператор совмещает вибрирующую нить с изображением цели. Грубое наведение на цель осуществляется, к а к обычно, через окуляр трубы.

В экспериментальных мастерских МИИГАиК изготовлен макет фотоэлектрической насадки для теодолита ОТ-02. По результатам много­ кратных измерений средняя квадратическая ошибка визирования тсо W - B.C. Плотиков долитом ОТ-02 с фотоэлектрической насадкой получилась 0,3", а сред­ няя квадратическая ошибка измерения угла 0,5" [16].

Телевизионные устройства. Телевизионные устройства могут быть применены для измерения углов, регистрации и измерения линейных координат изображений объектов в кинотеодолитах, приборах спутни­ ковой геодезии, а также в гидирующих устройствах телескопов. Как известно, в отличие от других приемников измерения передающая теле­ визионная трубка сообщает информацию о многих элементах изобра­ жения поля камеры, поля зрения трубы или микроскопа. Если N - чис­ ло строк линейной развертки и m — число разрешаемых элементов по строке, то общее число элементов изображения будет п = mN KN, где К = /1 h\ I — длина строки;

И - высота растра. Важным преимуще­ л ством телевизионных устройств по сравнению, например, с фоторегист рирующими камерами является возможность получения результата в реальном масштабе времени, а также возможность одновременной регистрации и визуального наблюдения. С помощью телевизионных устройств можно проводить дистанционные наблюдения в недоступ­ ных для наблюдателя местах, наблюдения нескольких точек объекта и нескольких объектов, что также очень важно, например, в астрономи­ ческих системах, использующих для привязки поле опорных звезд.

Телевизионное устройство состоит из оптической приемной систе­ мы, передающей трубки, передающих и принимающих электронных блоков, приемной трубки или прибора для регистрации и обработки измерительной информации. Кроме обычной индикации в систему обра­ ботки информации могут быть включены вычислительные устройства.

Телевизионные устройства удобны еще и тем, что они могут соста­ вить как самостоятельные, так и параллельные каналы регистрации.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.