Оптико-механические приборы - Гоменюк А.С., Кулагин С.В., Дикарев В.Н., Зубарев В.Е., Лебедев Е.Н., Мосягин Г.М.

Автор: Гоменюк А.С. Кулагин С.В. Дикарев В.Н. Зубарев В.Е. Лебедев Е.Н. Мосягин Г.М.

Теги: оптические приборы и аппаратура естественные науки физика электротехника лазеры приборостроение издательство машиностроение

Год: 1984

Похожие

Оптико-электронные приборы для научных исследований

Справочник конструктора оптико-механических приборов

Оптика спектральных приборов

Компенсация погрешностей в оптических приборах

Текст

С. В. Кулагин, А. С. Гоменюк, В. Н. Дикарев,
В. Е. Зубарев, Е. Н. Лебедев, Г. Л1. Мосягнн
Рецензенты: М. М. Русинов, Н. К.. Шпачинская
Оптико-механические приборы:
0-60 Учебник для техникумов/С. В. Кулагин, А. С. Гоменюк,
В. Н. Дикарев и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Маши-
ностроение, 1984. — 352 с., ил.
В пер.: 1 р. 20 к.
2706000000-190 ББК 27.6
038(01)-84 ° 6П5.8
© Издательство «Машиностроение», 1984 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Оптико-механические приборы широко применяются в раз-
личных областях производства, в научно-исследовательских лабо-
раториях, в строительстве, при топографических работах, в искус-
стве и других сферах деятельности человека. Большинство совре-
менных оптико-механических приборов включают в себя электрон-
ные схемы преимущественно фотоэлектрического типа и поэтому они
называются оптико-электронными приборами. Далее в книге при-
боры называются просто оптическими.
Большой вклад в развитие оптического приборостроения внесли
советские ученые, которые продолжили и приумножили работы вы-
дающихся отечественных ученых М. В.’Ломоносова, А. Г. Столе-
това, П. Н. Лебедева, П. П. Лазарева и многих других.
Разработкой технологии производства и обработки оптического
стекла занимались такие видные ученые как Д. С. Рождественский,
И. Н. Качалов и И. В. Гребенщиков.
Развитию теории и методов решета оптических систем посвя-
тили свои работы советские ученые А. И. Тудоровский, Д. Д. Мак-
сутов, Г. Г. Слюсарев, М, М. Русинов, Б. В. Фефилов, И.,А. Туры-
тин, Д. С. Волосов и др.
Исследованиями теоретических вопросов, связанных с разработ-
кой и практическим применением различного рода оптических при-
боров, занимались С, И. Вавилов, Г. С. Ландсберг, А. А, Лебе-
дев, В. П. Линник, В. Н. Чуриловский, Н. Г, Басов, А. М. Прохо-
ров, Е. М, Голдовский, В. А. Фабрикант, Ю. Н. Гороховский,
С. В. Елисеев, М. М. Мирошников, Л. П. Лазарев и многие другие.
В зависимости от назначения оптического прибора световая
энергия в нем используется по-разному. В наблюдательных, угло-
измерительных и некоторых других приборах световые лучи, про-
шедшие через оптическую систему прибора, поступают в глаз опе-
ратора. Проекционные приборы служат для получения увели-
ченных изображений проецируемых объектов на светорассеиваю-
щей поверхности, называемой экраном. В оптических приборах,
предназначенных для фоторегистрации, световые лучи воздействуют
на светочувствительный слой фотоматериала. В некоторых опти-
ческих приборах световая энергия воспринимается различного типа
светоприемниками: фотоэлементами, фоторезисторами и другими
приемниками излучения. Вырабатываемый ими сигнал исполь-
зуется для выполнения функциональной задачи данного оптиче-
ского прибора,
1* • 5
По своему назначению и принципу действия оптические приборы
принято разделять на отдельные группы; такое разделение сделано
и в настоящем учебнике.
В первом разделе рассматриваются оптические приборы, исполь-
зуемые преимущественно в научно-исследовательских лабораториях
научных учреждений и промышленных предприятий. В эту группу
так называемых лабораторных приборов входят микроскопы, интер-
ферометры, фотометры, спектрометры и другие приборы, служащие
для различных измерений, исследований состава и структуры ве-
ществ, контроля качества изготовления оптических и механических
деталей и многих других целей.
Во втором разделе изложены основы теории фотографических
процессов и методика сенситометрических испытаний фотоматериалов.
Рассмотрены принципы действия и основные механизмы фотоаппа-
ратов, аэрофотоаппаратов, киносъемочных и кинопроекционных
аппаратов.
Третий раздел содержит сведения по геодезическим и дально-
мерным приборам, а также оптическим приборам, применяемым
в артиллерии, авиации и космонавтике.
Большое разнообразие оптических приборов не позволило в пол-
ной мере рассмотреть конструкции отдельных приборов. Основное »
внимание в учебнике уделено принципам действия и функциональ-
ному назначению каждой группы оптических приборов. По мнению
авторов, знание теории и принципа действия каждого типа при-
бора позволит учащимся самостоятельно разобраться в устройстве
каждого конкретного прибора.
Первый раздел написал канд. техн. наук В. Е. Зубаревым (гл. 1,
2, 3, 4, 5, 7) и канд. техн, наук А. С. Гоменюк (гл. 6); второй раздел
(гл. 8... 14) — доктором техн, наук С. В. Кулагиным; третий
раздел написан канд. техн, наук Г. М. Мосягиным (гл. 15 ... 18),
доктором техн, наук Е. Н. Лебедевым (гл. 19 и 20) и канд. техн,
наук В. Н. Дикаревым (гл. 21 и 22).
Все замечания по книге следует направлять по адресу: 107076,
Москва, Б-76, Стромынский пер.,*д. 4, издательство «Машино»
«строение».
ПЕРВЫЙ
РАЗДЕЛ
«ЛАБОРАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
Лабораторные оптико-механические приборы образуют
самую обширную группу приборов, различных как по назначению,
так и по принципу действия оптических систем.
В первом разделе даны описания и расчетные соотношения основ-
ных оптических систем (микроскоп, зрительная труба, коллиматор,
автоколлиматор, интерферометр и др.), образующих элементную
базу многих оптико-механических приборов, а также имеющих само-
стоятельное применение.
С таких же общих позиций рассмотрены отсчетные устройства
лабораторных приборов.
В особую группу выделены спектральные приборы, теория кото-
рых имеет специфику.
Основное внимание уделено оптико-механическим приборам,
которые находят самое широкое применение в научных исследова-
ниях и производстве при проведении высокоточных измерений ли-
нейных и угловых величин, формы и шероховатости поверхностей,
качества оптического стекла, фотометрических величин и др.
Освещены современные достижения и пути дальнейшего совер-
шенствования лабораторных оптико-механических приборов.
ГЛАВА 1
МИКРОСКОПЫ
1.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСКОПА
Микроскоп является сложной системой, предназначенной
для наблюдения близко расположенных объектов с большим увели-
чением и большой разрешающей способностью.
На расчетной (эквивалентной) схеме микроскопа (рис. 1.1)
показано взаимное расположение главных плоскостей и фокусов
объектива, окуляра и всего микроскопа.
Объект (препарат) у находится на некотором расстоянии от пе-
реднего фокуса объектива. Объектив образует действительное уве-
личение и перевернутое изображение у' препарата в плоскости,
совпадающей с передней фокальной плоскостью окуляра.
Окуляр действует подобно лупе и образует вторично увеличен-
_ ное мнимое и прямое изображение «/", удаленное в бесконечность.
5
Это означает, что препарат находится в переднем фокусе сложной
лупы — микроскопа. В результате микроскоп дает сильно увели-
ченное перевернутое изображение препарата..
На эквивалентной схеме даны обозначения величин, входящих
в расчетные формулы микроскопа. Расстояние от заднего фокуса
объектива до переднего фокуса окуляра, обозначенное А, называют
оптической длиной тубуса микроскопа.
Под видимым увеличением микроскопа понимают отношение раз-
мера изображения препарата на сетчатке глаза, образованное при
наблюдении через микроскоп, к размеру изображения того же пре-
парата, полученному на сетчатке при наблюдении невооруженным
глазом с расстояния наилучшего зрения;
Г =“ РобГЙН' (1 • 1)
Это наиболее употребительное выражение ДЛЯ определения об-
щего увеличения микроскопа, которое равно произведению увели-
чения объектива на увеличение окуляра,
Светосилу микроскопа определяет конус лучей, который выходит
из осевой точки препарата и опирается на наименьшую оправу
или диафрагму, называемую апертурной диафрагмой. Половина
угла при вершине этого конуса называется апертурным углом пЛ
(см. рис. 1.1). Величина А = п sin оЛ называется числовой апер-
турой.
Изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов
называется входным зрачком, а в пространстве изображений —
выходным зрачком. В микрообъективах выходным зрачком служит
оправа одной из последних линз или специальная диафрагма. В обоих
случаях можно считать, что выходной зрачок микрообъектива Овых. од
совпадает с его задней фокальной плоскостью (см. рис. 1.1), а вход-
ной зрачок объектива (и всего микроскопа) находится в бесконеч-
ности. Выходной зрачок микроскопа DaM есть изображение выход-
ного зрачка объектива, образованное окуляром,
&
Выходной зрачок микроскопа связан с увеличением и числовой
апертурой следующей зависимостью:
ЯВых=^-. (1.2)
Из этой формулы следует, что микроскопы большого увеличения
имеют малые выходные зрачки, значительно меньшие зрачка глаза.
Например, при Г = 1000; п = 1; sin оА = 1 выходной зрачок
Рвых = 0,5 мм. Это значит, что для получения достаточной осве-
щенности на сетчатке глаза препарат должен быть довольно сильно
освещен. Кроме того, дифракция света на структурных неоднород-
ностях глаза в пределах малого зрачка ухудшает качество изобра-
жения.
Поле зрения микроскопа ограничивает полевая диафрагма Dn,
которая установлена в плоскости промежуточного изображения
(см. рис. 1.1). Линейное поле зрения определяется величиной пред-
мета, изображение которого заполняет полевую диафрагму. Это
поле равно
2^ = £- О’3)
Диаметр полевой диафрагмы зависит от качезтвенного поля зрения
окуляра 2со'и его фокусного расстояния. Для средних окуляров
этот диаметр составляет 13 ... 18 мм. Благодаря наличию полевой
диафрагмы края изображения в микроскопе резко ограничены,
а плоскость изображения равномерно освещена (нет виньетирова-
ния наклонных пучков).
Глубина резкого изображения складывается из трех величин:
аккомодационной, геометрической и волновой.
В процессе наблюдения объемного предмета глаз непрерывно
аккомодирует и просматривает разные по глубине участки пред-
мета. Создается впечатление, что весь предмет виден одновременно
резким. Если глаз аккомодирует с бесконечности до 250 мм, то рез-
кими видны детали предмета, лежащие между передней фокальной
плоскостью микроскопа и плоскостью, удаленной от фокуса на
расстояние Так. Эта глубина предмета Так и называется аккомо-
дационной глубиной:
т — f12 -- 250
1 ак ~ 250 ~
(1-4)
Пусть глаз аккомодирован на бесконечность. Тогда на сетчатке
глаза резко изображены только те точки предмета, которые нахо-
дятся в передней фокальной плоскости микроскопа. Точки, нахо-
дящиеся дальше или ближе фокальной плоскости, изображаются
на сетчатке в виде кружков рассеяния. Если угловой размер круж-
ков рассеяния не превышает разрешающей способности глаза е,
то соответствующие точки предмета кажутся резкими, а расстоя-
ние между ними называют геометрической глубиной:
(1.5)
7
Образование изображения предмета световыми пучками есть
сложный процесс интерференции лучей в некотором пространстве,
а не одной плоскости, причем этот процесс сопровождается обяза-
тельным ограничением пучков и проявлением дифракции света.
Волновую глубину считают равной
(1.6)
Окончательно полная глубина резкого изображения
'г__гг i у I Т _____ 250 । 2^0® । (] 7\
Разрешающей способностью микроскопа называют наименьшее
линейное расстояние 6 между двумя точками объекта, которые
видны в микроскоп раздельно. Разрешающая способность зависит
от способа освещения, длины волны X и апертуры объектива. Если
апертура осветителя равна апертуре объектива, то разрешающая
способность достигает значения
6 = ^- (1.8)
Нормальным увеличением микроскопа называют такое увели-
чение, при котором его разрешающая способность полностью ис-
пользуется глазом. Нормальное увеличение микроскопа связано
с разрешающей способностью микроскопа 6 и разрешающей спо-
собностью глаза е соотношением:
Гн = -^- (1.9)
Подставив в формулу (1.9) значение 6 = и 8 = 0,0003 рад,
а также приняв А, = 0,6 мкм, получим
Гн = 250Л. (1.10)
Увеличение меньше Гн не дает возможности различить те детали
объекта, которые разрешены объективом, но слишком мелки для
разрешения глазом (предел разрешения определяет глаз).
Увеличение больше Гн не позволяет выявить новых деталей объ-
екта (предел разрешения определяет объектив), но позволяет наблю-
дать эти детали под углом больше 1'. Такое повышение угла 8 до
2 ... 4' следует считать полезным, так как у большинства биологи-
ческих препаратов контраст мал и разрешающая способность 8 = Г
в таких условиях не достигается. По этой причине полезным уве-
личением микроскопа считается такое значение, которое в 2 ...
4 раза превышает нормальное:
500Л с Гп < 1000Л. (1.11)
8
Увеличение больше 1000 А не только бесполезно, но скорее
вредно, так как при нем выходной зрачок микроскопа настолько
мал, что качество изображения заметно ухудшается.
1.2. ОБЪЕКТИВЫ МИКРОСКОПОВ
Современные микрообъективы достигли высокой степени
совершенства: числовая апертура их близка к предельной, разре-
шающая способность в центре поля мало отличается от теорети-
ческой.
Объектив и окуляр микроскопа участвует в создании изображе-
ния неодинаково. Объектив — наиболее сложная и ответственная
часть микроскопа — действует в широких пучках (с большой апер-
турой), но с малым наклоном этих пучков к оптической оси (малое
поле). Окуляр действует в узких пучках, но с большим их наклоном
(большое поле). При расчете объективов и окуляров это разли-
чие проявляется в коррекции соответствующих аберраций.
К аберрациям широкого пучка относятся сферическая аберра-
ция, кома и хроматизм положения; к полевым аберрациям — астиг-
матизм, кривизна изображения, дисторсия и хроматизм увели-
чения.
Микрообъектив — система апланатическая. Это означает, что
для пары сопряженных точек на оси устранена сферическая абер-
рация и выполнено условие синусов. Таких апланатических точек
для каждого объектива только две, поэтому любые нарушения
расчетного положения объекта и изображения приводят к ухудше-
нию коррекции аберраций.
Объективы микроскопов делятся:
1) по степени коррекции аберраций: ахроматы, полуапохроматы
(флюоритовые), апохроматы, монохроматы, планахроматы и плана-
похроматы;
2) по длине тубуса микроскопа: а) 160 мм для проходящего света
с покровным стеклом толщиной 0,17 мм и более; б) 190 мм для отра-
женного света без покровного стекла; в) тубус — бесконечность
для проходящего-и отраженного света;
3) по свойствам иммерсии: безыммерсионные (сухие) и иммер-
сионные (масляная, водяная, глицериновая и. другие иммер-
сии);
4) по оптическому устройству: линзовые, зеркальные и зеркально-
линзовые;
5) по апертуре и увеличению (деление условное): а) слабые
А < 0,2 и р с 10х; б) средние А < 0,65 и Р « 40х; в) сильные
А > 0,65 и р > 40х.
У объективов-ахроматов соблюдено условие апланатизма и унич-
тожен хроматизм положения для двух цветов. Астигматизм внеосе-
вых точек поля зрения не превышает допустимой величины (—4’дптр).
Остается неисправленным вторичный спектр.
9
Г
Плоскость предмета
Рнс. 1.2. Объектив-ахромат 90 X
Х1,25 масляной иммерсии (М-101)
Рнс. 1.3. Объектнв-планапохро-
мат 100X 1,25 (ОПА-5)
Слабые ахроматы с апертурой 0,1 ... 0,15 обычно состоят из од-
ного компонента, склеенного из двух линз. Ахроматы с апертурой
до 0,2 имеют два ахроматических компонента. Для увеличения апер-
туры до 0,3 вводится плосковыпуклая фронтальная линза. Эта
фронтальная линза определяет фокусное расстояние объектива,
а остальные линзы исправляют аберрации ее плоской и сферической
поверхностей. Аберрации плоской поверхности в сильных объек-
тивах устраняют применением иммерсии.
Иммерсионные объективы-ахроматы больших увеличений, как
правило, состоят из четырех компонентов: фронтальной линзы,
мениска и двух двухлинзовых компонентов. На рис. 1.2 приведен
объектив 90X1,25 (М-101)'масляной^иммерсии. Для устранения
дефектов деталей и сборки оправа менисковой линзы посажена
в корпус с радиальным зазором; перемещением ее поперек оси доби-
ваются требуемого качества изображения. Такая система юсти-
ровки применяется во всех сильных объективах. Здесь же на ри-
сунке видна пружина. Она предохраняет фронтальную линзу от
выдавливания, а покровное стекло от разрушения, при наводке на
резкость, так как рабочие отрезки сильных объективов очень
малы.
Объективы-ахроматы чаще других используют в микроскопах.
Ими комплектуют рабочие модели биологических, металлографи-
ческих и поляризационных микроскопов. Разработано 30 сухих
ю
и 14 иммерсионных ахроматов для работы в проходящем свете с ту-
бусом 160 мм и покровным стеклом 0,17 мм, 12 сухих и 14 иммер-
сионных ахроматов для работы в отраженном свете с тубусом 190 мм
и 14 сухих и 2 иммерсионных ахроматов для отраженного света и
тубуса оо.
В объективах-апохроматах практически отсутствует вторичный
спектр, выполнено условие синусов по меньшей мере для двух цве-
тов, исправлен хроматизм увеличения. Весьма совершенное исправ-
ление хроматизма для точки на оси достигается применением осо-
бых марок стекол и кристаллов.
Сухой объектив-апохромат 40x0,95 (ОМ-16) имеет апертуру,
близкую к пределу, и поэтому он снабжен коррекционной оправой.
При вращении оправы изменяется второй воздушный промежуток
между компонентами, чем компенсируются аберрации, вызванные
покровным стеклом, толщина которого отличается от 0,17 мм.
Объективы-апохроматы сложнее и дороже ахроматов. Ими комп-
лектуют лабораторные и исследовательские микроскопы.
Планахроматы и планапохроматы — это объективы с дополни-
тельно исправленной кривизной изображения, применяемые для
важных визуальных наблюдений и для цветной фотографии. Высо-
кое качество изображения достигнуто усложнением оптической
системы объектива и применением сверхтяжелых кронов и особых
флинтов. На рис. 1.3 показан объектив-планапохромат 100X1,25
(ОПА-5), входящий в комплект биологического микроскопа МБИ-15.
Усложнение конструкции планобъективов привело к увеличению
стандартного размера от плоскости предмета до опорного торца объ-
ектива с 33 мм до 45 мм.
Планахроматами комплектуют поляризационные микроскопы се-
рии ПОЛАМ, а планапохроматами — биологический исследователь-
ский микроскоп МБИ-15.
Объективы-монохроматы используют в ультрафиолетовой об-
ласти спектра в отдельных ее участках шириной не более 20 нм.
.Эти объективы состоят из набора одиночных линз, выполненных
из кварца, флюорита или фтористого лития. Для видимой области
спектра монохроматы применять нельзя.
Для многих исследований необходимы объективы, работающие
в широкой области спектра (УФ, видимая и ПК) и не требу-
ющие перефокусировки, т. е. не обладающие заметным хрома-
тизмом.
Такие объективы разработаны в виде зеркальных и зеркально-
линзовых систем. Основной недостаток таких систем заключается
в центральном экранировании значительной части пучка (до 25 %
по площади зрачка). В новых зеркально-линзовых системах, у ко-
торых остаточные аберрации двух концентрических зеркал взаимно
компенсируются и числовая апертура увеличивается линзовыми
компонентами, этот недостаток значительно уменьшен благодаря
применению полупрозрачных зеркал и склеенной конструкции объ-
ектива, которая позволяет исключить экранирующие свет оправы
зеркал. Достигнуто центральное экранирование не выше 4 % по пло-'
11
Оптнческая схема зеркально-
объектнва 125X1,1 (ОНЗ-125)
Рис. 1.4.
линзового
щади зрачка при удовлетвори-
тельной коррекции системы
до апертуры А — 1,4.
На рис. 1.4 показана опти-
ческая схема зеркально-лин-
зового объектива 125x1,1
(ОНЗ-125), применяемого в
ультрафиолетовых микроско-
пах МУФ-5М и МУФ-6М для
работы в УФ и видимой об-
ластях спектра.
Кроме названных, отече-
ственной промышленностью вы-
пускаются объективы для фазового контраста, контактные,
фотографические проекционные, эпиобъективы и некоторые
другие.
1.3. ОКУЛЯРЫ микроскопов
Окуляры Гюйгенса применяются для объективов ахро-
матов. Они состоят из двух плосковыпуклых линз (коллективной и
глазной), обращенных выпуклыми поверхностями к объективу.
На рис. 1.5 дана схема микроскопа с окуляром Гюйгенса и по-
казано положение окуляра в нормальном тубусе. С изображением у',
которое дает объектив, совмещен передний фокус окуляра F0K.
Особенностью окуляра Гюйгенса является то, что этот фокус на-
ходится между линзами, а не впереди них, как во всех других оку-
лярах. Изображение у' является мнимым предметом для коллек-
тива Оу. Коллектив дает действительное изображение у" в перед-
нем фокусе F2 глазной линзы О2. Здесь же находится диафрагма
поля зрения окуляра.
При расчете окуляра Гюйгенса можно использовать только три
конструктивных параметра: два радиуса кривизны и расстояние
между линзами. При заданном увеличении окуляра, т. е. при за-
► данном его фокусном расстоянии, остаются два параметра. Один
используется на исправление хроматизма увеличения, а другой —
на частичную коррекцию астигматизма и комы. Сферическую абер-
Рнс. 1.5. Ход лучей в микроскопе с окуляром Гюйгенса
12
Рис. 1.6. Ортоскопяческий
окуляр
Ряс. 1.7. Компенсационный окуляр АМ-26
рацию и хроматизм положения в данной схеме исправить нельзя,
но поскольку окуляр работает в узких пучках, то эти аберрации
почти не влияют на качество изображения всего микроскопа.
Удаление выходного зрачка окуляра Гюйгенса составляет при-
мерно одну треть его фокусного расстояния. Этого удаления доста-
точно для удобного наблюдения, если увеличение не превышает 15х.
Наиболее распространены окуляры с увеличением 7х и 10х. Угловое
поле зрения окуляра не превышает 30°.
Окуляр Гюйгенса уменьшает продольные размеры микроскопа
(см. рис. 1.5) и имеет линзы, которые по диаметру меньше изобра-
жения, даваемого объективом. Окуляр Гюйгенса является основным
в наблюдательных микроскопах. Для измерительных целей окуляр
Гюйгенса применяют редко, так как он дает изображение сетки
одной глазной линзой.
Окуляр Кельнера также состоит из двух плосковыпуклых линз —
одиночной коллективной, повернутой плоскостью к объективу,
и склеенной глазной, повернутой плоскостью к глазу. Аберрации
хорошо исправлены для поля 40 ... 50°. Передний фокус окуляра
Кельнера находится впереди коллектива на расстоянии ~0,3/оК,
поэтому световой диаметр коллектива значительно больше, чем
в окуляре Гюйгенса. Общая длина окуляра составляет 1,25/ок-
Ортоскопические окуляры употребляются в соединении с объек-
тивами ахроматами средних апертур в тех случаях, когда желательно
иметь большое окулярное увеличение и угловое поле зрения до 50°.
На рис. 1.6 показан ортоскопический окуляр
ГОК = 28Х (АМ-20).
Компенсационные окуляры применяются в соединении с объек-
тивами апохроматами, планобъективами и ахроматами больших
увеличений. Эти окуляры компенсируют хроматизм увеличения
применяемых с ними объективов. Компенсационные окуляры по
своей схеме аналогичны усложненному окуляру Гюйгенса или
ортоскопическому окуляру.
На рис. 1.7 приведена конструкция компенсационного окуляра
АМ-26 со шкалой.
13
Рис. 1.8. Гомал ОН-8
Гомалы —- это оптические си-
стемы с отрицательным фокусным
расстоянием, применяемые в мик-
роскопах вместо окуляров для
компенсации кривизны изобра-
жения и хроматической разности
увеличения, даваемых апохро-
матами. Выходной зрачок гома-
лов расположен внутри системы
и поэтому они применяются не
для наблюдения, а для фотогра-
фирования. Линейное поле зрения
гомалов сокращено до 8... 15 мм.
На рис. 1.8 показан гомал ОН-8, имеющий следующие харак-
теристики: фокусное расстояние 37,6 мм, поле зрения 13 мм, уве-
личение от 5х до 30х в зависимости от длины тубуса и длины пере-
ходной втулки, устанавливаемой между тубусом и гомалом.
1.4. МЕТОДЫ ОСВЕЩЕНИЯ ПРЕПАРАТОВ.
ОСВЕТИТЕЛИ СВЕТЛОГО И ТЕМНОГО ПОЛЯ
Подавляющее большинство объектов, исследуемых под
микроскопом, несамосветящиеся. Такие объекты следует освещать
посторонним источником света. Важная роль специального освети-
теля объясняется тем, что от его апертуры зависит разрешающая
способность микроскопа, а от его схемы — контраст и равномер-
ность освещения препарата.
Микропрепараты делятся на две большие группы: прозрачные
(тонкие срезы, жидкости, тонкие шлифы минералов и т. п.) и непроз-
рачные (травленые шлифы металлов и др.). Соответственно имеется
две группы осветительных устройств для проходящего и отраженного
света.
При микроскопических исследованиях широко пользуются осве-
щением объектов по методу светлого и темного поля.
При освещении по методу светлого поля лучи из осветителя,
пройдя объект (проходящий свет) или зеркально отразившись от его
поверхности (отраженный свет), попадают непосредственно в объ-
ектив, создавая позитивный амплитудный контраст, т. е. изобра-
жая поглощающие или плохо отражающие участки объекта темными
на общем светлом фоне (поле).
При освещении по методу темного поля лучи из осветителя непо-
средственно в объектив не попадают и общий фон (поле) получается
достаточно темным. На этом фоне светлыми выглядят те участки
объекта, которые рассеивают свет (или диффузно отражают) или
наклон которых изменяет направление света. Таким образом, в тем-
ном поле образуется негативный контраст изображения, а в свет-
лом — позитивный. Темное поле достигается применением освети-
телей, апертура которых обязательно больше апертуры объек-
тива.
14
Рис. 1.9. Схема нормального освещения по Келеру (светлое поле)
Осветители для проходящего света. Чаще всего в микроскопии
применяют схему нормального освещения препарата в проходящем
свете и светлом поле, которая называется схемой Келера (рис. 1.9).
Коллектор 2 проектирует источник света 1 в плоскость апертурной
диафрагмы 4 конденсора 5. Апертурная диафрагма установлена
в передней фокальной плоскости конденсора и проектируется им
в бесконечность. Как известно, входной зрачок микроскопа также
находится в бесконечности, поэтому схема Келера обеспечивает
правильное соединение осветителя и микроскопа. После объектива 7
микроскопа изображение апертурной диафрагмы образуется в его
выходном зрачке 8. Полевая диафрагма 3 проектируется конден-
сором в плоскость объекта 6.
Схема Келера характеризуется тем, что через каждую точку
объекта проходят лучи, вышедшие из всех точек источника; это озна-
чает, что объект освещен равномерно. Кроме того, освещаемая часть
поля зрения ограничивается с помощью полевой диафрагмы. Такая
регулировка уменьшает количество рассеянного света и повышает
контраст изображения. И наконец, с помощью апертурной диа-
фрагмы изменяется апертура конденсора. Теоретически апертуры
конденсора и объектива должны быть равны, однако для ослабления
рассеянного света апертуру конденсора всегда устанавливают не-
сколько меньше апертуры объектива.
На рис. 1.10 приведен поперечный разрез конденсора ОИ-22.
Он предназначен для прямого освещения объектов в проходящем
свете. Фокусное расстояние конденсора/' = 15 мм. При использова-
нии масляной иммерсии конденсор имеет числовую апертуру Лк = 1,4.
Оправы фронтал~ьной 1 и нижней линзы 2 с асферической поверх-
ностью выполнены свинчива-
ющимися. При снятии фрон-
тальной линзы конденсор имеет
числовую апертуру 0,4. Ирисо-
вая апертурная диафрагма
регулируется рычагом 4. В опра-
ву 3 может устанавливаться
светофильтр.
Осветитель темного поля
создает в центральной части
поля зрения полый конус лучей
с апертурой, превышающей
Рис. 1.10. Конденсор ОИ-22
15
Рис. 1.11. Конденсор ОИ-10
окцлярц
Рис. 1.12. Схема осветительного уст-
ройства для отраженного света
апертуру объектива. Причем, чем меньше по глубине освещенное
пространство, тем качественнее изображение. Причиной этого
является малая глубина резкого изображения микроскопа.
В настоящее время для наблюдения прозрачных объектов в тем-
ном поле применяются линзовые и зеркальные (параболоидные и
кардиоидные) конденсоры.
Кардиоидные конденсоры дают апланатическое изображение и
являются наиболее совершенными из всех зеркальных конденсоров.
Ход лучей в кардиоидном конденсоре ОИ-Ю показан на рис. 1.11.
Пучок лучей (на рисунке заштрихован) сначала отражается на вы-
пуклой сфере, затем — на вогнутой кардиоидной поверхности.
В современных кардиоидных конденсорах асферическая поверхность
заменена сферой ближайшего радиуса без- значительного ущерба
для качества изображения. Конденсор ОИ-Ю имеет также линзу,
освещающую препарат по методу светлого поля. Переход со свет-
, лого поля на темное осуществляется установкой перед апертурной
диафрагмой прозрачного кольца, которое экранирует линзу свет-
лого поля, но пропускает свет в кардиоидный конденсор. Апертур-'
ная диафрагма в методе темного поля открывается полностью.
Конденсор ОИ-10 безыммерсионный и его апертура в темном
поле равна 0,7, а в светлом поле — 0,6. Кардиоидный конденсор
ОН-13 применяется с иммерсией и имеет апертуру 1,2.
Осветители для отраженного света. На рис. 1.12 представлена
принципиальная оптическая схема осветительного устройства для
отраженного света.
Осветитель светлого поля обеспечивает нормальное освещение
по Келеру. Это значит, что источник света 1 коллектором 2, линзой 5
и светоделителем 7 проектируется в выходной зрачок микрообъек-
тива 8, а непрозрачный препарат 10 освещается параллельным пуч-
ком. Диафрагма 4 пропускает свет только в осветитель светлого
поля.
16
Микрообъектив 8, рассчитанный на тубус-бесконечность, дает
изображение препарата совместно с ахроматическим объективом И.
На рис. 1.12 светоделительное устройство показано в виде полу-
прозрачной пластинки 7. В других приборах устанавливается свето-
делительный кубик. Такой способ освещения носит название схемы
Бека.
В схеме Наше вместо пластинки, действующей по всей ширине
пучка, установлена призма полного внутреннего отражения, пере-
крывающая половину светового пучка микроскопа.
В схеме Бека нет ограничения апертуры объектива, но исполь-
зуется не более 25 % падающего из осветителя света и образуются
вредные рефлексы, уменьшающие контраст изображения.
В схеме Наше апертура объектива уменьшена экранирующим
действием призмы, но используется 50 % света (с учетом перекрытия-
половины пучка) и нет рефлексов. Эту схему чаще вс^о применяют
при микрофотографировании.
По методу "темного поля вместо диафрагмы 4 устанавливается
кольцевая диафрагма 3. Свет отражается от кольцевого зеркала 6,
попадает на параболическое зеркало 9 и собирается на препарате.
В этом случае для повышения контраста изображения полупрозрач-
ный светоделитель выводится из хода лучей.
Методы фазового и интерференционного контраста. Многие
микроскопические препараты практически прозрачны и бесцветны,
но тем не менее не однородны. Их участки отличаются по показа-
телю преломления и по фазе колебаний прошедшего света. Такие
препараты образуют фазовый рельеф изображения, который из не-
видимого переводится в видимый амплитудный рельеф с помощью
фазовоконтрастного или интерференционного устройства.
На рис. 1.13 показана принципиальная оптическая схема фазо-
воконтрастного устройства. В плоскости апертурной диафрагмы
конденсора 2 установлена кольцевая диафрагма 1, которая изобра-
жается конденсором и объективом микроскопа 4 в выходном зрачке
объектива. Здесь помещена фазовая пластинка 5 с фазовым кольцом.
Свет, проходя через неоднородности препарата 3, претерпевает
дифракционное рассеяние. Это значит, что кроме волны нулевого
порядка,, идущей по направлению падающего света (сплошные
линии), имеются малые по амплитуде волны первого и более высо-
ких порядков, идущие по другим направлениям (пунктирные ли-
нии). Все волны собираются в плоскости 6 и там интерферируют.
Если бы фазового кольца не было, то в результате интерференции
Рис. 1.13. Схема фазовоконтрастного устройства

17
образовалось бы только фазовое невидимое глазом изображение
препарата.
Размеры фазового кольца равны размерам изображения коль-
цевой диафрагмы, так что через фазовое кольцо проходит весь свет
нулевого порядка. Сущность метода заключается в том, что фазовое
кольцо изменяет фазу световых колебаний нулевого порядка на л/2.
Световые колебания других порядков проходят мимо кольца и не
меняют своей фазы. В результате интерференции таких колебаний
в плоскости 6 образуется амплитудный рельеф изображения.
На рисунке показано фазовое кольцо в виде углубления в пла-
стинке. В этом случае свет нулевого порядка получает опережение
по фазе на л/2 и неоднородные участки препарата, рассеивающие
свет, выглядят темнее однородных участков, не рассеивающих свет.
Если бы фазовое кольцо имело вид ступеньки, то оно вносило бы
отставание по фазе на л/2 и неоднородные участки были бы свет-
лее однородных.
Чем сильнее неоднородность, тем больше амплитуда ее изобра-
жения отличается от амплитуды изображения однородного участка.
Следует отметить, что тонкие препараты слабо рассеивают свет и
амплитуды разных участков изображения отличаются мало. Это
различие амплитуд, иначе говоря, контраст изображения, повы-
шают с помощью того же фазового кольца, для чего его выпол-
няют серым, т. е. значительно поглощающим свет нулевого по-
рядка.
Метод интерференционного контраста позволяет не только уви-
деть фазовые неоднородности, но и измерить разность хода, вноси-
мую ими, и от разности хода перейти к оценке толщины неоднород-
ностей. Наибольшее- применение находят сейчас поляризационно-
интерференционные микроскопы.
1.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ УЗЛЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
МИКРОСКОПОВ
Из назначения микроскопа — исследовать различные мик-
ропрепараты при больших увеличениях (до 1500х) с предельно
возможными апертурами объективов —вытекают основные тре-
бования, предъявляемые к конструкции штативов микроскопов 'и
точности выполнения его механизмов.
Глубина изображения микроскопа с объективом 90X1,30 и оку-
ляром 15х равна Т = 0,24 мкм. Жесткость штатива и предметного
столика должна быть такова, чтобы после точной фокусировки и
снятия усилий с рукоятки резкость изображения не нарушалась,
т. е. чтобы взаимное перемещение объектива и препарата не пре-
вышало 0,24 мкм.
Кинематическая чувствительность механизма точной фокуси-
ровки равна глубине изображения, деленной на величину предель-
ного углового поворота рукоятки микромеханизма, который еще
может быть установлен наблюдателем и принимается равным одному
градусу. Таким образом, кинематическая чувствительность микро-
18
механизма должна быть рав-
ной 0,24 мкм на один градус
поворота рукоятки.
При больших увеличениях
поле зрения микроскопа не
превышает 0,12 мм в плоскости
объекта. Если принять, что
ошибка приведения препарата
к центру поля зрения не должна
превышать 0,1 радиуса поля
зрения, то кинематическая чув-
ствительность механизмов пере-
мещения столика должна быть
0,006 мм на градус поворота
рукоятки.
Малое поле зрения микро-
скопа требует высокой точности
центрировки гнезд револьвера
и объективов, равной 0,01 мм.
Достаточно жесткие требова-
ния предъявляются также к
перпендикулярности предмет-
ного столика оси микроскопа
и опорного торца тубуса к его
оси, к параллельности перемеще-
ния тубуса или столика при гру-
бой и тонкой фокусировке и т. д.
Как следует из приведенных
обладать большой жесткостью,
Рис. 1.14. Рабочий биологический микро-
скоп МБР-1
цифр, штатив микроскопа должен
высокой точностью механизмов и
хорошей плавностью их ходов.
Основными узлами штатива микроскопа являются:
1) основание (башмак), которое служит опорой всего микроскопа
и несет всю конструкцию штатива;
2) тубусодержатель, несущий наблюдательный тубус;
3) механизм грубого перемещения тубуса или столика;
4) механизм точной фокусировки столика или тубуса;
5) тубус микроскопа с окуляром и револьвером для крепления
объективов;
6) предметный столик;
7) осветительная система.
Существует три основных компоновки механизмов штатива.
В старом штативе С-образной формы механизмы грубого и точ-
ного перемещения расположены в тубусодержателе и воздействуют
непосредственно на тубус.
В новом штативе Г-образной формы механизмы установлены в спе-
циальной коробке, укрепленной на основании, и перемещают тубу-
содержатель вместе с тубусом.
На рис. 1.14 показан биологический микроскоп МБР-1 с Р-об-
разным штативом, который является сейчас основной формой шта-
19
тивов микроскопов. На основании 1 укреплена коробка микроме-
ханизма 2, на которой расположены тубусодержатель 3, предмет-
ный столик 4, конденсор 5 с апертурной диафрагмой и поворотное
зеркало 6. На тубусодержателе укреплены револьвер 7 с объекти-
вами и монокулярный наклонный тубус 8 с окуляром. Фокусировка
микроскопа осуществляется грубо рукояткой 9, точно — рукоят-
кой 10.
В новых универсальных микроскопах Г-образный тубусодер-
жатель жестко закреплен на основании, а механизмы перемещения
воздействуют на предметный столик микроскопа. Неподвижный
Г-образный тубусодержатель лучше двух предыдущих, так как
вследствие отсутствия направляющих у него больше жесткость и
его можно нагружать различными принадлежностями, причем фоку-
сировка нарушаться не будет.
Механизм грубого перемещения воздействует либо на тубус
или тубусодержатель, либо на предметный стол. Чтобы устанав-
ливать на тубус специальные осветители или на стол толстые пред-
меты, величина грубого перемещения тубуса или столика должна
быть не менее 30 мм. Направляющие для грубого перемещения
обычно выполняются из латуни в виде ласточкина хвоста. Механизм
привода составляют стальная трибка и латунная косозубая рейка.
Передаточное отношение ось—рейка равно 0,05 мм/град.
Механизм точной фокусировки устанавливается на микроскопах
средних и больших увеличений, когда глубина резкого изображения
становится меньше кинематической чувствительности механизма
грубой фокусировки. Кроме прямого назначения —точной наводки
на резкое изображение препарата—механизм иногда используют
для измерения протяженности препарата вдоль оптической оси.
Точность наведения на отдельные плоскости объекта зависит от глу-
бины резкости Т. Расчет показывает, что для глубинных измерений
с ошибкой не выше 1 мкм необходим объектив с апертурой
не ниже 0,75.
Величина точного перемещения тубуса или предметного столика
обычно не превышает 2 ... 2,5 мм.
Основными элементами механизма точной фокусировки являются
направляющие и собственно механизм.
Направляющие чаще всего выполняются в виде ласточкина
хвоста; в микроскопах повышенной точности применяются шарико-
вые или роликовые направляющие.
Во всех современных микроскопах принято соотношение, при
котором перемещению тубуса или столика на 0,1 мм соответствует
полный оборот рукоятки микромеханизма. Это означает, что кине-
матическая чувствительность микромеханизма, равная 0,3 мкм/град,
обеспечивает необходимую точность фокусировки при использо-
вании самых высокоапертурных объективов.
В отечественных микроскопах применяют зубчато-рычажные,
винто-рычажные и винтовые микромеханизмы. В биологических
микроскопах распространен зубчато-рычажный микромеханизм
Мейера (рис. 1.15). Вращение отсчетного барабанчика 1 через
20
систему зубчатых колес передается на сектор 2, качающийся на
призме 3. В лунку сектора вставлен штифт с коничЯкими концами 4,
его верхний конец упирается в направляющую 5 и передает ей по-
ступательное движение. Направляющая соединена с тубусом или
с предметным столиком.
Передаточное отношение механизма таково, что при повороте
рукоятки 1 на одно деление тубус перемещается на 0,002 мм. На ру-
коятке таких делений 50, а механизм рассчитан на 25 оборотов
рукоятки, поэтому общее перемещение тубуса от микромеханизма
равно 2,5 мм.
Мертвый ход устраняется пружиной 7, установленной между
упором 6 и направляющей. Эта пружина действует через штифт
на сектор и прижимает его к призме.
Винто-рычажный микромеханизм применяется в металлографи-
ческом микроскопе МИМ-7 и микроинтерферометрах типа МИИ
(рис. 1.16). Перемещения направляющей h и винта Н связаны ли-
нейной зависимостью:
Л = I,
где I и L — длины малого и большого рычагов.
Этот наиболее перспективный микромеханизм не имеет теорети-
ческой ошибки, выдерживает большие нагрузки, стабилен в работе
и длительное время не дает расфокусировки.
В последних моделях отечественных и зарубежных микроскопов
рукоятки механизмов грубой и точной фокусировки выведены на
одну ось, причем действуют независимо, а для обоих механизмов
применена одна высококачественная направляющая. Таким путем
удалось упростить управление и значительно повысить жесткость
микроскопа. В коаксиальном механизме с одной направляющей,
Рис. 1.15. Микромеханизм Мейера
Рис. 1.16. Виито-рычажный микромеха-
низм
разработанном Р. М. Рагузиным, механизм грубой фокусировки
выполнен винтовым, а точной фокусировки — винто-рычажным.
Тубус микроскопа бывает прямым (часто выдвижным) или на-
клонным (см. рис. 1.14). Механическая длина тубуса равна 160 +
± 1 мм. Верхняя часть тубуса имеет наружный диаметр 25—0,14 мм,
а внутренний 23,2 + 0,14 мм. В нижней части укреплен револьвер
с объективами. Резьба для крепления объективов дюймовая: угол
профиля 55е, диаметр 4/5" (от 19,825 до 19,909 мм) и шаг 1/36".
Предметные столики микроскопов отличаются большим разно-
образием: от простейшего прямоугольного плоского до сложней-
шего столика Федорова, позволяющего поворачивать препарат
вокруг нескольких осей.
Наиболее распространен круглый вращающийся столик (см.
рис. 1.14) с верхней поворотной частью, которая может к тому же
перемещаться двумя винтами, установленными в неподвижн’ой
части столика.
В новых исследовательских микроскопах успешно применяется
большой крестообразный столик с коаксиальной подачей, располо-
женной под столиком перпендикулярно к его поверхности. Такие
столики имеют большую опорную площадь, удобный препаратово-
дитель, но не имеют поворота.
Разнообразные принадлежности к микроскопам предназначены
либо для расширения возможностей исследования, либо для улуч-
шения условий работы наблюдателя. Например, конденсоры тем-
ного поля и фазовоконтрастные устройства повышают контраст
изображения; объект-микрометры, окулярные микрометры и инте-
граторы позволяют проводить измерения; люминесцентные принад-
лежности помогают исследовать специальные препараты; спектраль-
ные и фотометрические насадки дают возможность выделить малые
участки препарата и провести спектрофотометрический анализ;
фотографические насадки, рисовальные аппараты, насадки срав-
нения служат целям документальных исследований; бинокулярные
насадки и препаратоводители создают лучшие условия для наблю-
дения и удобства в работе.
Большинство принадлежностей, выпускаемых отдельно, входит
в комплекты больших и универсальных моделей микроскопов.
Подробное описание принадлежностей можно найти в монографии
по микроскопам [14].
1.6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Все биологические микроскопы делятся на три группы:
1) биологические упрощенные, которые служат для простейших
исследований и учебных целей в школах и техникумах;
2) биологические рабочие, предназначенные для стандартных ис-
следований. Выпускаются модели МБР-1 (рис. 1.14), МБР-3, до-
рожный МБД-1, «Биолам-70» и другие;
3) биологические исследовательские, которые применяются для
научных работ. Выпускаются модели МББ-1А, МБИ-11, МБИ-15,
МБИ-6.
22
Биологический микроскоп МБИ-15 является универсальной иссле-
довательской моделью и позволяет проводить визуальное наблю-
дение и фотографирование объектов, используя все существующие
методы исследования. Освещение объектов проходящим светом
осуществляется по методу светлого (прямое и косое освещение) и
темного поля, методами фазового и интерференционного контрастов,
а также в поляризованном свете. В отраженном свете исследования
могут проводиться в светлом и темном поле, при смешанном осве-
щении, а также в свете собственной люминесценции объектов, воз-
буждаемой коротковолновым излучением в области длин волн
3600 ... 4500 А.
Фотографирование осуществляется пленочной камерой с разме-
ром кадра 24x36 мм или пластиночной камерой 9X12 см.
В комплект микроскопа входят объективы: а) планахромат
3,5X0,1 (ОМ-3); б) ахромат 90х (0,6 ... 1,25) (О6М-90); в) плана-
похроматы 10x0,30 (ОПА-1), 16x0,40 (ОПА-2), 40x0,65 (ОПА-3),
60x0,85 (ОПА-4), 100X1,25 (ОПА-5); г) ахроматы для люминес-
ценции 10x0,40 (ОМ-ЗЗЛ), 30x0,90 (О5В-30Л), 40X0,75 (ОМ-23Л),
70x1,23 (ОМ-25Л); д) ахроматы для фазового контраста 10x0,30
(ФОМ-5Л), 20X0,40 (ФОМ-27), 40x0,65 (ФМЩ-Л); окуляры: а) Гюй,
генса 8х (АМ-8), б) компенсационный К10х (АМ-14); в) широкоуголь-
ные компенсационные 8х (АКШ-8) и 16х (АКШ-16).
Набор объективов и окуляров позволяет получать увеличения:
при наблюдении от 28х до 1900х, при фотографировании на пленку
от 23х до 2600х и на пластинку от 42х до 4800х.
На рис. 1.17 приведена оптическая схема микроскопа МБИ-15.
Осветитель выполнен по принципу Келера.
Работа осветителя в проходящем свете. Коллектор 3 совместно
с осветительными линзами 10, 12 и 14 проектирует источник света 1
в плоскость апертурной ирисовой диафрагмы 15. Основным источ-
ником света является лампа накаливания ОП12-ЮО (12 в, 100 вт).
Полевая ирисовая диафрагма 11 линзами 12, 14 и панкратическим
конденсором 17 (ПК-2) проектируется в плоскость объекта 20.
Вместо панкратического конденсора могут применяться конденсор
темного поля 47 (ОИ-13) и конденсор 19 (А = 1,2 и А = 0,3). При
смене конденсора ПК-2 апертурная диафрагма 15 вместе с линзой 14
выключаются, и на их место устанавливается телесистема 16.
Оптическая длина тубуса микроскопа равна 190 мм, поэтому при
использовании объектива 21, рассчитанного на длину тубуса 160 мм,
применяется ахроматическая линза 22, увеличивающая общий
Масштаб изображения в 1,2 раза.
Работа осветителя в отраженном свете. По методу светлого поля
в ход лучей включается зеркало 8 и светоделительная пластинка 25.
Тогда источник света 1 проектируется коллектором 3 и линзой 49
в плоскость ирисовой апертурной диафрагмы 48 и дальше бифо-
кальной линзой 43 в выходной зрачок эпиобъектива 46. Одновре-
менно бифокальная линза 43 и эпиобъектив 46 изображают поле-
вую диафрагму 44 в плоскости объекта 20. По методу темного поля ,
в ход лучей включается кольцевая диафрагма 42 и кольцевое зер-
23

Рис. 1.17. Оптическая схема биологического микроскопа МБИ-15
кало 24, а пластинка 25 выводится из хода лучей. Бифокальная |
линза 43 склеена из двух простых плосковыпуклых центрированных i
линз. Пучок лучей, прошедший малую линзу, используется для ;
создания светлого поля. В фокальной плоскости большой линзы •
находится апертурная диафрагма 48. Параллельный пучок лучей Г
в виде полого цилиндра проходит в кольцевой отражатель эпиобъ- I
ектива 46, собирается на препарате и образует освещение по методу I
темного поля. 1
При исследовании полупрозрачных и прозрачных объектов при I
небольших увеличениях применяется смешанное освещение, т. е. I
освещение одновременно через конденсор и объектив. При этом 1
разделение светового пучка осуществляется светоделительной пла-
стинкой 9 с интерференционным покрытием.
Исследование объектов в свете их люминесценции проводится
с ртутной лампой 2 (ДРШ-250) при включенном коллекторе 4. Све-
24
тофильтры 5 выделяют опре-
деленные участки из спектра
ртутной лампы. При работе
в проходящем свете исполь-
зуются светофильтры 18 для
возбуждения люминесценции и
«срезающий» светофильтр 26.
При работе в отраженном свете
светофильтры 18 устанавли-
ваются перед осветительной
линзой 49, и в ход лучей вклю-
чается полупрозрачная пла-
стинка 23, избирательно про-
пускающая свет люминесцен-
ции из эпиобъектива 46 в ви-
зуальный тубус.
В визуальной части микро-
скопа находится блок пере-
ключающихся призм: призма 32
направляет весь свет в бино-
кулярный тубус 28, содержа-
щий окуляры 31; призма 29
часть света направляет в тот ₽ис , 18 Микроскоп МБИ-15
же бинокулярный тубус, а дру-
гую часть — к призме 30.
Далее свет попадает в фотоокуляр 37, который проектирует изо-
бражение объекта на фотопленку 35 или на фотопластинку 33. Призма-
куб 38 со светоделительным слоем часть света (~15 %) пропускает
к зеркалу 39 и линзе 40, которая дает изображение объекта на ка-
тоде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 41. В зависимости от
освещенности изображения ФЭУ совместно с соответствующим бло-
ком автоматически открывает фотозатвор 36 на необходимое время
экспозиции. При фотографировании с импульсным источником све-
,та 50 (лампа ИФТ-200) в ход лучей дополнительно включается свето-
делительная пластинка 7 и коллектор 51. При этом часть лучей от
источника 1 или 2 попадает в систему и освещает объект в интер-
валах между вспышками импульсной лампы.
Перед призменным блоком установлена система «оптовар» 27.
Она включает в себя три галилеевские трубки с увеличениями Iх;
1,6х; 2,5х и систему для наблюдения входного зрачка объектива,
необходимую при настройке освещения. «Оптовар» позволяет быстро
изменять увеличение микроскопа без смены объектива и окуляра.
При работе с ртутной лампой в осветитель может быть установ-
лена теплопоглотительная кювета 6, наполненная дистиллированной
водой или 4 %-раствором медного купороса.
Общий вид микроскопа МБИ-15 показан на рис. 1.18. В микро-
скоп входят следующие основные узлы: основание 52; неподвиж-
ный Г-образный тубусодержатель 57 с револьвером и механизмом
перемещения предметного столика 53 для фокусирования на объект;
25
бинокулярный тубус 55; фотокамера 56; осветитель 58. Часть осве-
тительной системы для проходящего света встроена в основание 52,
а для отраженного света —внутрь ту бу содержателя 57. Рукоятки
грубой и микрометрической подачи коаксиальны. Под бинокуляр-
ным тубусом расположен диск переключения «оптовара» 54. Авто-
матическая система отрабатывает время экспозиции в пределах
от 1/25 с до 7 мин.
Исследовательский микроскоп МБИ-15 имеет сложный панкра-
тический конденсор ПК-2, состоящий из обычного трехлинзового
конденсора и трех компонентов панкратической системы. Два край-
них компонента перемещаются с одинаковыми скоростями и обеспе-
чивают плавное изменение апертуры освещающего пучка от 0,16
до 1,4 и одновременное изменение освещенного участка препарата.
При этом не происходит срезания пучков, поступающих в конденсор.
1.7. СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Стереоскопические микроскопы дают прямое и объемное
изображение объекта. Они предназначены для наблюдения двумя
глазами мелких предметов и рельефов в биологии, медицине, ми-
нералогии, приборостроении и т. п.
Существующие стереомикроскопы делятся на две группы: микро-
скопы с двумя объективами и микроскопы с одним объективом.
Наиболее распространены стереомикроскопы второй группы.
Рис. 1.19. Оптическая схема микроскопа МБС-3
26
Рис. 1.20. Микроскоп МБС-3
Стереоскопический микроскоп МБС-3 имеет улучшенную опти-
ческую схему, благодаря которой значительно уменьшена сферо-
хроматическая аберрация, вторичный спектр и полностью исправ-
лена кривизна изображения. Введение в объектив толстого мениска
из особого флинта позволило получить рабочее расстояние объек-
тива около 109 мм при фокусном расстоянии 100 мм.
Оптическая схема МБС-3 показана на рис. 1.19. При работе
в проходящем свете коллектор 2 и отражатель 3 направляют свет
от источника 1 (лампа накаливания) на объект 4, лежащий на стек-
лянной пластине предметного столика. За основным несъемным
объективом 5 расположены две идентичные ветви оптических систем,
каждая из которых содержит пару вращающихся телескопических
систем Галилея S и 11 с собственными увеличениями 2,5х, 1/2,5х;
1,6х; 1/1,6х тубусную ахроматическую линзу 7 с фокусным расстоя-
нием 160 мм, призму Шмидта 8 с крышей, отклоняющую оптическую
ось от вертикали на 45°, и призму-ромб 9, раздвигая которую сов-
местно с такой же призмой другого тубуса можно установить оку-
ляры 10 по базе глаз наблюдателя в пределах от 56 до 72 мм, не нару-
шая параллельности оптических осей в бинокулярном тубусе.
Исследуемый предмет находится в фокальной плоскости объек-
тива 5; галилеевские системы 6 и 11 установлены в параллельных
пучках, поэтому действительные изображения предмета получаются
в задних фокальных плоскостях ахроматических линз 7. Общее
увеличение стереомикроскопа вычисляется по формуле
Г — А_г Г
А М - f* х Гх ОК»
/об
гДе /д и /об —фокусные расстояния тубусной линзы и объектива
микроскопа; Гг и Г9К — увеличение галилеевской системы и окуляра.
27
При минимальном увеличении 4х максимальное поле зрения микро-
скопа равно 44 мм, при максимальном увеличении 100х —мини-
мальное поле зрения 1,9 мм.
Для наблюдения объектов в отраженном свете микроскоп МБС-3
имеет автономный осветитель, направляющий свет на объект не по
нормали, а под углом. Такое косое освещение возможно потому,
что рабочий отрезок стереомикроскопов намного больше, чем у обыч-
ных микроскопов.
На рис. 1.20 показан внешний вид микроскопа МБС-3.
1.8. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ И ИНФРАКРАСНЫЕ МИКРОСКОПЫ
Ультрафиолетовая микроскопия широко применяется
в биологии и медицине. Известно, что основные вещества клеток
имеют максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра,
например, у нуклеиновых кислот он находится на длине волны
% = 2600 А, а в видимой области спектра эти кислоты совершенно
прозрачны. Применяя абсорбционный микроспектрофотометриче-
ский метод сканирования живой клетки, можно определить распре-
деление и концентрацию нуклеиновой кислоты, имеющей большее
значение в жизнедеятельности клетки.
Для микроспектрофотометрических работ в ультрафиолетовой
области спектра разработаны два прибора: МУФ-6, основанный на
фотографическом методе, и МУФ-5, основанный на фотоэлектри-
ческом методе. Эти стационарные установки предназначены для
научных исследований, и работа на них требует специальной под-
готовки.
Упрощенный ультрафиолетовый микроскоп МУФ-ЗМ предназна-
чен для визуального исследования препаратов, имеющих избира-
тельное поглощение в ультрафиолетовой области спектра. Микро-
скоп позволяет проводить наблюдения в проходящем ультрафиоле-
товом и видимом свете, а также исследовать люминесценцию пре-
паратов. А1икроскоп снабжен специальной кварц-флюоритовой и
зеркально-линзовой оптикой, прозрачной для ультрафиолетовых
лучей, Кроме того, с помощью дополнительной микрофотонасадки
на микроскопе можно фотографировать препараты.
Оптическая схема микроскопа МУФ-ЗМ (рис. 1.21) при наблю-
дении в ультрафиолетовых лучах состоит из двух частей: системы
освещения и проектирования и системы, преобразующей ультрафио-
летовое изображение в видимое с последующим доведением его до
наблюдателя.
Источник света 1 (ртутная кварцевая лампа ДРШ-100-2) кол-
лектором проектируется в плоскость апертурной диафрагмы 2,
полевая диафрагма 3 проектируется конденсором 4 в плоскость
препарата 5. Для выделения необходимой длины волны света в осве-
тителе устанавливаются стеклянные и газовые светофильтры. Микро-
объектив 6 и дополнительная ахроматическая линза 7 проектируют
изображение препарата на люминесцирующий экран 8, который
превращает невидимое изображение в видимое. Это видимое изо-
33
Рис. 1.21. Оптическая схема ультрафио-
летового микроскопа МУФ-ЗМ
Рис. 1.22. Микроскоп МУФ-ЗМ
бражение рассматривается с помощью дополнительного микроскопа,
состоящего из объектива 9 и окуляра 10.
При работе в видимой области спектра линза 7 и экран 8 выклю-
чаются, а призма и окуляр устанавливаются в положение, показан-
ное пунктиром. Общее увеличение микроскопа при наблюдении
в ультрафиолетовом свете изменяется от 96х до 672х, при наблюде-
нии в видимом свете — от 70х до 1350х, при наблюдении в свете
люминесценции —от 70х до 600х. При наблюдении люминесценции
препаратов в оптическую систему вводятся светофильтры, которые
отделяют свет люминесценции препарата от света, возбуждающего
люминесценцию. Для наблюдения люминесценции в отраженном
свете на микроскопе может быть установлен специальный опак-
иллюминатор, входящий в комплект прибора.
Для наблюдения в ультрафиолетовых лучаях светофильтры вы-
деляют длины волн 2540 А и 3130 А, а для возбуждения люминес-
ценции 3130 А и 3650 А.
Конструкция микроскопа МУФ-ЗМ показана на рис. 1.22. На
основании 11 укреплены осветитель 18, диск со стеклянными свето-
фильтрами, газовые светофильтры и штатив биологического микро-
скопа 12. На тубусодержателе укреплено щипцовое устройство 17
29
для установки и центрирования микрообъективов и тубус люминес-
центного преобразователя 16. На тубусе 16 установлен визуальный |
наклонный тубус 15. В основании закреплена штанга 13 с кронштей- '
ном 14, на который при фотографировании устанавливается микро- j
фотонасадка, поставляемая отдельно.
Фотографический метод исследования препаратов в ультрафио-
летовых лучах заключается в определении плотностей почернения
на фотопленках или фотопластинках. Обычно это делается с помощью
микрофотометров, но есть и другой способ расшифровки негативов.
По методу цветовой трансформации три негатива, сфотографиро-
ванные в различных участках спектра (например, на длинах волн
2540 А, 3130 А и 3650 А), устанавливаются в три проектора с цвет-
ными светофильтрами (обычно это основные цвета: красный, зеленый
и синий), и их изображения совмещаются на одном экране. Цветовой
контраст изображения дает наглядное представление о взаимодей-
ствии ультрафиолетовых лучей и препарата.
Применение инфракрасных лучей открывает новые возможности
исследования органических и неорганических микрообъектов. Ин-
фракрасный микроскоп МИК-4 предназначен для исследования полу-
проводников, темных стекол, зоологических, палеонтологических
и других объектов в инфракрасных лучах от 0,75 до 1,2 мкм.
С помощью микроскопа МИК-4 можно проводить визуальное
наблюдение и фотографирование в инфракрасных проходящих и
отраженных неполяризованных лучах в светлом и темном поле;
В проходящих поляризованных инфракрасных лучах при орТоско- '
Пическом и коноскопическом ходе лучей; в видимом проходящем и
отраженном неполяризованном свете в светлом и темном поле;
в видимом проходящем поляризованном свете при ортоскопическом
ходе лучей.
Преобразование инфракрасного изображения в видимое дости-
гается с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП)
Типа П-4.
Фотографирование изображения объекта на пленку осуще-
ствляется микрофотонасадкой МФН-12 с камерой «ЗоркиЙ-4», а на
фотопластинку размером 6,5x9 см — камерой, входящей в комплект
микроскопа.
В качестве источника света применяется лампа с иодным цик-
лом КИМ-10X90.
Микроскоп МИК-4 по своей схеме и конструкции похож на биоло-
гический микроскоп МБИ-15. Основное отличие заключается в до- f
полнительной инфракрасной системе, состоящей из проекционного
окуляра, электронно-оптического преобразователя и объектива, !
Проекционный окуляр переносит инфракрасное изображение, давае-
мое микрообъективом, на фотокатод ЭОП, а объектив проектирует ’
видимое изображение с экрана ЭОП в переднюю фокальную плос-
кость окуляра микроскопа.
В комплект микроскопа входят поляризаторы и анализаторы,
работающие в инфракрасной и видимой области спектра, а также блок
питания ЭОП и дампы К.ИМ-10x90.
30
Для биологических и поляризационных микроскопов МБР-1,
МББ-1, МБИ-11, МИН-8 и других разработаны две инфракрасные
насадки. Первая из них НИК-1 (упрощенная) применяется для ви-
зуального просмотра. Вторая насадка НИК-3 (универсальная)
предназначена главным образом для исследования оптических
кристаллов. Преобразование изображения из невидимого в види-
мое осуществляется, как и в МИК-4, с помощью ЭОП типа П-4.
В инфракрасных микроскопах и насадках используется обычная
линзовая и зеркально-линзовая стеклянная оптика, которая про-
зрачна не только в видимой, но и в ближней инфракрасной области
спектра.
Разрешающая способность инфракрасных микроскопов опреде-
ляется теоретическим пределом, который вдвое больше, чем у обыч-
ных микроскопов, и аберрациями ЭОП. При наблюдении в прохо-
дящем свете довольно толстых кристаллов качество изображения
заметно падает, если используются высокоапертурные микрообъек-
тивы с малой глубиной резкого изображения.
1.9. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Металлографические микроскопы предназначены для кон-
троля качества металлов и сплавов и исследования их структуры.
Так как металлы непрозрачны, то конструкция металлографических
микроскопов существенно отличается от конструкции биологических
микроскопов.
Для удобства в работе микроскопы обычно имеют верхнее рас-
положение предметного столика (над микрообъективом). Так как
на столике могут устанавливаться тяжелые объекты, то механизм
точной фокусировки перемещает не столик, а микрообъектив. Чтобы
это перемещение не приводило к изменению длины тубуса, микро-
объектив рассчитывают на длину тубуса, равную бесконечности,
а для создания действительного изображения в схему вводится
тубусная линза с фокусным расстоянием 200 или 250 мм.
Все металлографические микроскопы работают в отраженном
свете. Введение осветителя внутрь микроскопа приводит к значи-
тельным потерям света; кроме того, многие исследуемые объекты
плохо отражают свет, поэтому осветители металлографических
микроскопов должны иметь мощные источники света.
Для уменьшения рассеянного внутри прибора света на оптиче-
ские детали наносят просветляющие покрытия, на объект не поме-
щают никаких покровных стекол, внутренние поверхности микро-
скопа делают такой формы, чтобы в окуляр не попадали вредные
рефлексы.
Для всесторонних исследований металлов как в металлургии,
так и в машиностроении требуются универсальные исследователь-
ские металлографические микроскопы, позволяющие применять
все существующие методы (МИМ-8М, МИМ-9 и другие).
Для контроля и исследования больших деталей, а также для
быстрых прикидочных проверок могут использоваться упрощенные
31
Рис. 1.23. Оптическая схема металлогра-
фического микроскопа ММУ-3
Рис. 1.24. Микроскоп ММУ-3
12 3 4 5 6
металлографические микроскопы с нижним расположением столики
и без фотокамеры. и
Упрощенный микроскоп ММУ-3 предназначен для визуальное
наблюдения непрозрачных объектов в светлом и темном поле Л
в поляризованном свете. I
На рис. 1.23 приведена оптическая схема микроскопа ММУ-Я
Осветитель имеет упрощенную конструкцию. При работе в светлом
поле источник света 1 (лампа накаливания СЦ61) коллектором 2
и линзой 4 проектируется в выходной зрачок эпиобъектива 11,
т. е. объект 12 освещается параллельными пучками. Свет, отразив-
шись от объекта, проходит объектив, полупрозрачную пластинку 10,
тубусную линзу 8 и дает изображение объекта в фокальной плоско-
сти окуляров 7 бинокулярной насадки. Ирисовая диафрагма 5 вы-
полняет функцию апертурной диафрагмы. При работе в темном поле
включается пластинка 6 и на место линзы 4 и диафрагмы 5 устанав-
ливается кольцевая диафрагма 14. Из осветителя на параболический
отражатель 13 поступает полый цилиндрический пучок, который,
фокусируется на объекте. Для работы в поляризованном свете в хоЯ
лучей вводятся поляризатор 15 и анализатор 9. Теплофильтр I
защищает микроскоп от нагрева, а светофильтры 16 повышакЯ
контраст в изображении объекта. Общий вид микроскопа приведеИ
на рис. 1.24. Я
1.10. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ микроскопы
Поляризационные микроскопы предназначены для изу-
чения анизотропных объектов, т. е. объектов, у которых оптические
свойства не одинаковы по различным направлениям. Эти микроскопы
используются в геологии, минералогии, биологии, химии, стеколь-
ной промышленности.
32
Поляризационные микроскопы делятся на следующие группы:
рабочие, лабораторные, исследовательские, рудные и универ-
сальные.
Основное отличие поляризационных микроскопов от биологи-
ческих заключается в наличии поляризационных устройств (поля-
ризатора, анализатора, компенсатора или фазовых пластинок) и
возможности исследования объекта по двум схемам.
Для пояснения этих двух схем воспользуемся расчетной схемой
микроскопа (см. рис. 1.1) и схемой осветителя (см. рис. 1.9).
Анизотропные объекты изучают в плоскополяризованном свете
и поэтому перед апертурной диафрагмой 4 конденсора всегда
находится поляризатор (поляризационная призма или поля-
роид).
Анизотропные объекты в большинстве своем прозрачны и их не-
однородность проявляется в различных фазовых соотношениях
обыкновенных и необыкновенных лучей. «Увидеть» такой фазовый
рельеф объекта можно с помощью интерференции поляризованных
лучей. Такую интерференцию обеспечивает анализатор, находя-
щийся за выходным зрачком 8 (см. рис. 1.9) объектива микроскопа
и по устройству аналогичный поляризатору.
В ортоскопической схеме апертурная диафрагма 4 устанавли-
вается на минимальное раскрытие и поэтому весь объект 6 освещается
параллельным пучком лучей. При таком ходе лучей интерферен-
ционная картина локализована в плоскости препарата и с ее помощью
изучается весь объект. В плоскости полевой диафрагмы Dn сов-
местное изображение объекта и интерференционной картины наблю-
дается в окуляр.
В коноскопической схеме апертурная диафрагма 4 открыта пол-
ностью и объект 6 освещается сильно сходящимися пучками лучей.
В этом случае интерференционная картина локализована в беско-
нечности, а после микрообъектива 7 — в его выходном зрачке 8.
Полевая диафрагма Dn при коноскопическом ходе лучей устанав-
ливается на минимальное раскрытие и поэтому изучается малая
центральная часть объекта, т. е. локальная анизотропия кри-
сталла.
Интерференционная картина от малой части объекта переносится
в плоскость полевой диафрагмы Da с помощью дополнительной линзы
, Бертрана, устанавливаемой между анализатором и диафрагмой Dtl
1 только для работы в коноскопическом ходе лучей. Таким образом,
в этом случае в окуляр наблюдается только интерференционная
картина.
Среди распространенных моделей поляризационных микроско-
пов выделим дорожный МПД-1, лабораторный МИН-8 и рудный
МИН-9 (для отраженного и проходящего света).
Новыми являются поляризационные агрегатные микроскопы
- серии ПОЛАМ, которые базируются на одном штативе и различаются
> комплектацией агрегатных узлов — визуальных насадок, тубусов,
предметных столиков, набором объектов и окуляров и других при-
надлежностей.
2 С. В. Кулагин и др, 33
ГЛАВА 2
ОБЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
2.1. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Микроскопы широко применяются в оптико-механических
измерительных приборах как для наводки на заданные точки объекта
(визирные микроскопы), так и для точного отсчета по линейным и
круговым шкалам (отсчетные микроскопы).
Оптическая схема микроскопа и его основные характеристики
рассмотрены ранее (см. разд. 1.1). Здесь же приведены некоторые
особенности микроскопов измерительных приборов.
Как известно, микроскоп дает перевернутое изображение объ-
екта. Это неудобство во многих измерительных микроскопах устра-
няют с помощью призменной оборачивающей системы.
В металлографических микроскопах увеличение, значительно
превышающее нормальное, не применяют. Это позволяет повысить
поле зрения и освещенность изображения.
В измерительных микроскопах увеличение больше нормального
также нецелесообразно. Это объясняется тем, что ошибка измерения
величины перемещения объекта значительно больше, чем ошибка
наводки микроскопа на точки объекта даже при малом увели-
чении.
Зрительная труба служит для наблюдения далеко расположенных
объектов и в измерительных приборах ею пользуются главным
образом для различных угловых измерений.
Принципиальная оптическая схема зрительной трубы Кеплера
показана на рис. 2.1. Основными оптическими узлами трубы яв-
ляются объектив 1 и окуляр 3, изображенные в виде простых линз.
Задний фокус объектива F{ и передний фокус окуляра Г2 совмещены.
В их общей фокальной плоскости установлена стеклянная пла-
стинка 2, на которой обычно нанесено перекрестие или шкала.
В этой плоскости получается действительное перевернутое изобра-
жение бесконечно удаленного объекта.
Другой тип простейшей зрительной трубы состоит из положи-
тельного объектива и отрицательного окуляра и называется зри-
тельной трубой Галилея. В отрицательном окуляре передний фо-
кус К2 расположен позади окуляра и объектив дает здесь мнимое
изображение. Преимущество системы Галилея заключается в по-
лучении прямого изображения и в меньших по сравнению с системой
Кеплера габаритах.
В измерительной технике распространена труба Кеплера. В фо-
кальной плоскости такой трубы можно поместить реальную сетку,
шкалу или марку, чего нельзя сделать в трубе Галилея. В отдельных
случаях, когда надо иметь прямое изображение в трубе Кеплера,
34

Рис. 2.1. Оптическая схема зрительной трубы:
а — ход лучей от точки на оси; б — ход лучей от точки вне оси
между объективом и окуляром помещают линзовую или призменную
оборачивающую систему.
Параллельный пучок лучей, падающий в зрительную трубу под
углом р к ее оптической оси (рис. 2.1, б), по выходе образует с осью
угол — Р'. Отношение
(2'1>
называется видимым увеличением зрительной трубы.
Из рис. 2.1, а и б
Гт--£" и |ГТ| (2.2)
/2 Ь/Пь1х
где fl — заднее фокусное расстояние объектива, f2 — переднее фокус-
ное расстояние окуляра, О„.( и ОЕЫХ — диаметры соответственно
входного и выходного зрачков трубы.
По ряду причин фокусное расстояние окуляра не может быть
ниже некоторого предела (около 10 мм), поэтому, как видно из соот-
ношений (2.2), большие увеличения зрительных труб можно полу-
чить, применяя объективы с большими фокусными расстояниями.
Например, фокусное расстояние объектива зрительной трубы (кол-
лиматора) оптической скамьи ОСК-3 достигает 1800 мм.
Разрешающей способностью зрительной трубы называют то
наименьшее угловое расстояние между двумя удаленным!] точ-
ками, при котором эти точки еще видны раздельно. Теоретический
предел разрешающей способности определяется диаметром входного
зрачка объектива DBX. По критерию Рэлея при длине волны X =
= 0,55 мкм имеем
•где диаметр зрачка Dax выражен в мм.
2*
35
Рис. 2.2. Оптическая схема телеобъектива
Относительным отверстием объектива зрительной трубы назы-
вается отношение диаметра его входного зрачка к фокусному рас-
стоянию. В трубах, используемых в измерительных приборах, это
отношение лежит в пределах от 1 : 5 до 1 : 15. В большинстве слу-
чаев объективы зрительных труб представляют собой сравнительно
простые системы из двух линз (положительной и отрицательной),
которые склеены между собой или (у объективов значительного
диаметра) разделены малым воздушным зазором.
Для уменьшения габаритов труб с длиннофокусными объекти-
вами в некоторых случаях (например, в гониометрах или автокол-
лиматоре АК-0,25) применяют так называемые телеобъективы.
Принципиальная схема телеобъектива дана на рис. 2.2. Между
положительной линзой 1 и ее задним фокусом F[ установлена отри-
цательная линза 2. Задняя главная плоскость всего телеобъектива Н'
находится впереди первой линзы, благодаря чему расстояние между
этой линзой и задним фокусом объектива F' может быть сделано
значительно меньшим, чем фокусное расстояние объектива f. В дей-
ствительности телеобъективы довольно сложны и их применение
ограничено. Аналогичные системы с отрицательной линзой, которая
может перемещаться вдоль оптической оси, используют в зрительных
трубах с внутренней фокусировкой. Перемещая линзу, можно по-
следовательно получать резкое изображение предметов, располо-
женных на разных расстояниях от трубы.
Коллиматоры используют в измерительных приборах для искус-
ственного создания бесконечно удаленной точки визирования.
Оптическая система коллиматора (рис. 2.3) состоит из ахроматизи-
рованного объектива 2 и марки 1, помещенной в его передней фокаль-
ной плоскости и освещаемой с помощью не показанного на рисунке
осветителя.
В качестве марки часто используют непрозрачную диафрагму
с малым круглым отверстием или узкой щелью. Применяют также
Рнс. 2.3. Оптическая схема кошнматора
36
в диоп-
опреде-
(2.4)
стеклянные пластинки с нанесенными на них штрихами (сетки).
Со стороны осветителя сетка обычно прикрывается матовым стеклом
для получения равномерного рассеянного освещения по всему полю
зрения.
Коллиматор входит составной частью в целый ряд контрольных
и измерительных приборов (гониометр, оптиметр, измерительная
машина, оптическая скамья и др.). Величины фокусных расстояний
объективов коллиматоров колеблются от сотни миллиметров до не-
скольких метров.
Универсальные коллиматоры можно использовать в качестве
зрительной трубы. Для этого со стороны сетки помещается окуляр.
Сетка и окуляр закреплены в подвижном по отношению к объек-
тиву патрубке. Отсчет перемещения осуществляется по миллимет-
ровой шкале.
Перемещая сетку коллиматора, можно изменять величину откло-
нения лучей от параллельности. При работе коллиматора в качестве
зрительной трубы это смещение сетки и окуляра компенсирует
отклонение от параллельности лучей, входящих в трубу.
Смещение сетки из фокуса F на величину z вызывает сходимость
(расходимость) лучей на расстоянии г' от фокуса F'
г' = — (формула Ньютона),
где /' — фокусное расстояние объектива коллиматора.
Отклонение лучей от параллельности часто выражают
триях. Цена деления миллиметровой шкалы в диоптриях
ляется по следующей формуле:
1000
Сп ~ —-—>
U [ 2
где f — выражено в мм.
Пример. Смещение сетки из фокуса на 1 мм в коллиматоре с f = 1000 мм вызо-
вет сходимость лучей на расстоянии 0,001 диоптрии или 1000 метров; смещение на
2 мм увеличит сходимость до 0,002 диоптрии, т. е. уменьшит расстояние г' до 500 ме-
тров и т. д.
Расчет интервала I между двумя штрихами на сетке коллима-
тора, если задана угловая цена его деления |3, ведут по формуле
I = f tg ₽. (2.5)
Если установить перед коллиматором зрительную трубу, то в поле
зрения окуляра будет видно изображение марки, причем резкость
изображения не зависит от расстояния между трубой и коллима-
тором (если, конечно, нет значительного виньетирования наклонных
пучков лучей).
Изображение марки остается неподвижным при параллельном
смещении коллиматора (или зрительной трубы), т. е. таком смеще-
нии, когда их оси остаются параллельными, но поворот коллима-
тора (или трубы) вызывает сдвиг этого изображения. Измерив сме-
щение изображения марки, можно с высокой точностью определить
угол взаимного поворота зрительной трубы и коллиматора.
37
С помощью коллиматора и
зрительной [трубы можно из-
мерить малые углы поворота
зеркала, углы отклонения
лучей призмой (клином) и осу-
ществить многие другие анало-
гичные измерения.
Интерферометры применяют
при различных измерениях,
когда требуется особо высокая
точность, в частности, для
измерения и контроля формы и чистоты обработки поверхностей.
На рис. 2.4 показана интерференционная картина в воздушном
промежутке между поверхностями Рг и Р2 двух стеклянных пластин
при освещении их параллельным пучком лучей.
Если толщина воздушной пластины различна в разных точках
поверхности, то на последней будут видны светлые и темные интер-
ференционные полосы, каждая из которых является геометрическим
местом точек одинаковой толщины воздушного промежутка между
поверхностями Рг и Р2. Такие интерференционные полосы, полу-
ченные в результате изменения толщины пластины при постоянном
угле падения лучей, называются полосами равной толщины.
Например, на поверхности малого воздушного клина с углом а
между плоскостями Рг и Р.> (см. рис. 2.4) наблюдаются прямые
равноотстоящие полосы равной толщины, параллельные ребру клина.
Шириной полосы b называется расстояние между серединами
соседних темных (точки Л и В) или светлых полос.
Разность хода от одной полосы к другой изменяется на %, а тол-
щина пластины на А./2. Отсюда
X
2а
(2.6)
Формула (2.6) показывает высокую чувствительность интерферен-
ционного метода при измерении малых углов. Например, полосы
шириной b = 1 мм при X = 0,6 мкм наблюдаются в клине а = Г,
а шириной 10 мм в клине 6".
Полосы равной толщины могут иметь различный вид. В зазоре
между плоскостью и сферой наблюдаются кольца, между плоскостью
и цилиндром — прямые, но не равноотстоящие полосы и т. д.
Рассмотренный пример интерференции в воздушном слое между
двумя пластинами показывает две основные возможности примене-
ния полос равной толщины для высокоточных измерений.
Первое применение заключается в измерении линейных пере-
мещений. Так, изменение расстояния между поверхностями Рг
и Р2 (см. рис. 2.4) на величину Х/2 вызывает смещение интерферен-
ционной картины на одну полосу. Это смещение легко измерить
визуально с точностью 0,1 ширины полосы (если видимая ширина
полос на менее 2 ... 3 мм), что соответствует величине 0,05 К или
0,03 мкм в линейной мере.
38
Второе применение полос равной толщины состоит в контроле
формы поверхности Р3 с помощью эталонной поверхности Ру. По числу
наблюдаемых колец или по стрелке прогиба изогнутых полос изме-
ряют общие и местные отступления контролируемой поверхности от
плоскости эталона. Аналогичным способом, но с помощью более
сложного прибора — микроинтерферометра измеряют микропрофиль
поверхности.
Реальные схемы интерферометров могут отличаться от расчет-
ной схемы пластины (см. рис. 2.4), но для единообразия в расчетах
легко сводятся к ней путем оптических преобразований.
Интерференционные полосы, полученные в результате измене-
ния угла падения лучей на пластину при постоянной ее толщине,
называют полосами равного наклона. Полосы равного наклона чаще
всего наблюдают при нормальном падении сходящегося пучка света
на пластину, т. е. при условиях, когда полосы переходят в кольца
равного наклона.
Кольца равного наклона в измерительных приборах приме-
няются редко из-за сложности визуальной регистрации картины.
2.2. АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Системы, проектирующие изображение объекта при по-
мощи отражающей поверхности в плоскость самого объекта, назы-
ваются автоколлимационными.
Автоколлиматор представляет собой зрительную трубу со спе-
циальным окуляром, который называется автоколлимационным.
Сущность автоколлимации заключается в объединении в одном при-
боре коллиматора и зрительной трубы.
Наибольшее применение получили три системы автоколлима-
ционных окуляров: система Аббе, система Гаусса и окуляр с ку-
биком.
Автоколлиматор с окуляром Аббе. В фокальной плоскости объек-
тива 1 (рис. 2.5) установлена сетка 2, склеенная с призмой 3 прямо-
угольного сечения со скосом под углом 45°. На сетке 2 награвированы
в горизонтальном и вертикальном направлениях штрихи с цифрами.
Деления сетки могут быть выражены в секундах или минутах.
.Рис. 2.5. Оптическая схема автоколлиматора с окуляром Аббе
39
В плоскости склейки призма 3 покрыта слоем металла. По этому
слою прорезан прозрачный крестик, высота которого укладывается
в проекции наклонной грани призмы 3. Наружные грани этой
призмы, кроме торца, покрыты черным матовым лаком.
Кроме указанных деталей в систему входит лампочка подсветки
сетки 4 и собственно окуляр 5.
Если зеркало перед объективом установлено строго перпендику-
лярно оптической оси, то изображение прозрачного креста смещено
от геометрического центра сетки кверху на такую же величину а,
на какую смещен сам крест книзу. Это положение изображения кре-
ста принято за начальное (нулевое). При других положениях зеркала
изображение креста смещено относительно нуля (показано пункти-
ром). Сетка во всех автоколлиматорах рассчитывается по формуле
(2.5), где [5/2 — угол поворота зеркала и [5 — соответствующий угол
наклона отраженного параллельного пучка.
Преимуществом окуляра Аббе является его большая светосила.
Потери яркости у него всего 15...20 %. Поэтому окуляр Аббе реко-
мендуется применять для получения автоколлимационного блика
от слабо отражающих поверхностей, а также от поверхностей малых
размеров (значительно меньше диаметра объектива).
Недостатком окуляра Аббе является экранирование части поля
зрения призмой подсветки.
Автоколлиматор с окуляром Гаусса. Автоколлиматор (рис. 2.6)
состоит из объектива /, сетки с перекрестием и делениями 2, уста-
новленной в фокальной плоскости объектива, полупрозрачной пло-
скопараллельной пластинки 3, установленной к оптической оси под
-углом 45°, окуляра 5 и осветителя 4.
Преимущество окуляра Гаусса — незатененность поля зрения.
Недостатки этой системы: большая потеря яркости (55...80 %),
присутствие посторонних бликов, вносимых наклонной пластинкой
и нерабочей гранью сетки, и длиннофокусность окуляра. Нежела-
тельными являются также аберрации, вносимые наклонной пластин-
кой (астигматизм, кома).
Влияние бликов уменьшают применением компенсационного оку-
ляра, показанного на рисунке. С этой же целью стеклянную сетку
заменяют простым перекрестием нитей толщиной 0>06...0,08 мм,
толщину полупрозрачной пластинки доводят до 0,2...0,25 мм, вну-
Рис. 2.6. Оптическая схема автоколлиматора с окуляром Гаусса
40
Рис. 2.7. Оптическая схема автоколлиматора с окуляром с кубиком
тренние поверхности трубы и оправ делают черными и глубоко-
матовыми.
Длиннофокусный окуляр Гаусса применяется тогда, когда сетка 2
имеет крупные минимальные деления и когда нет необходимости
в большом увеличении автоколлиматора.
Автоколлиматор с окуляром с кубиком и двумя сетками. Автокол-
лиматор (рис. 2.7) состоит из объектива 1, светоделительного ку-
бика 2, склеенного из двух прямоугольных призм, причем в пло-
скости склейки одна из гипотенузных граней полупрозрачна (тонкий
слой алюминия). За кубиком в фокальной плоскости объектива уста-
новлена сетка 3 с перекрестием и делениями, за сеткой находится
окуляр 4.
Между осветителем 6 и кубиком установлена строго в фокальной
плоскости объектива вторая сетка 5. На этой сетке сделан прозрач-
ный крест на слое алюминия.
Окуляр с кубиком нашел широкое применение в производственной
практике. Его преимущества: незатененность поля зрения и корот-
кий фокус окуляра, дающий возможность получить большие уве-
личения у автоколлиматоров, и особо высокую точность измерения.
К недостаткам окуляра следует отнести значительные потери
яркости (80...85 %) и сложность юстировки двух сеток. Кроме того,
наличие в системе двух сеток чаще приводит к их разъюстировкам
по причине механических и температурных деформаций.
Все рассмотренные автоколлиматоры можно использовать и в ка-
честве зрительных труб при выключенном осветителе и в качестве
коллиматора при наблюдении со стороны объектива.
2.3. ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Оптические отсчетные устройства делят на следующие
группы:
1) устройства прямого отсчитывания-.
а) с отсчетом путем деления интервала на глаз;
4t
б) с отсчетом по нониусной шкале;
в) с отсчетом по шкале поперечного масштаба;
2) отсчетные устройства с микрометрами.
1. Устройства прямого отсчитывания
Под прямым отсчитыванием подразумевается снятие от-
счета по шкалам без предварительного совмещения изображений
штрихов. Преимущество способа — высокая производительность;
недостаток — относительно малая точность отсчета. Оптические
системы в таких устройствах предназначены только для увеличения
видимых размеров делений шкал. Шкалы устанавливают как в пло-
скости предмета, так и в плоскости изображения.
а) по шкале визирного микроскопа МИР-2 (рис. 2.8) производят
непосредственное измерение объектов небольшого размера, изобра-
жение которых не превышает длины шкалы. Если размер изобра-
жения объекта равен N делениям шкалы, то величина самого объекта
равна cN, где с — цена деления шкалы, которая зависит от фокус-
ного расстояния объектива и длины тубуса микроскопа и опреде-
ляется по таблице, прилагаемой к прибору, или более точно с по-
мощью объект-микрометра, т. е. эталонной меры длины. На глаз
размер изображения, т. е. число N, можно определить с точностью
до 0,1 деления. Так, например, если с = 0,04 мм, то погрешность
отсчета равна 0,004 мм.
Наилучшая точность оценки доли деления обеспечивается при
видимой ширине деления 1,5 мм с расстояния 250 мм. Практически
хорошие результаты дают шкалы с интервалом 1...2 мм. Кроме того,
видимая толщина штрихов основной шкалы и индекса должна быть
порядка 0,1 интервала (т. е. от 0,1 до 0,2 мм).
На рис. 2.9 приведено поле зрения отсчетного микроскопа опти-
ческой делительной головки ОДГ-60. Здесь длинные штрихи пред-
ставляют собой изображения градусных штрихов лимба. Неподвиж-
Рис. 2.8. Поле зрения микроскопа Рис. 2.9. Поле зрения отсчетного ми-
МИР-2 кроскопа["делительиой головки ОДГ-60
42
5)
Рис. 2.10. Отсчетные шкалы:
а — шкала с указателем б — шкала
с нониусом
Рис. 2.11. Вид отсчетной шкалы
ИЗП-36М для станков
10 9 8
I II II
II II I
I! И II
II « II
I II II
II I К
I I II
Ц1
1 6 5 9 3
II II II II II
II II II И II
I II II Л II
II II Л II
И Л Л II
И Л II II
II 0 II о
II Л II II
II Л II о
II I II О I
• 210
I II fl Л О
I II Л Л 1
I II П П 2
II И й 3
II II Л К
II II 8 3°'
II II II в
ПОИ?
Л II 0 8
ПНИ 9
В Я Л ho

ная окулярная шкала имеет 60 малых делений, причем длина этой
шкалы равна расстоянию между изображениями соседних градусных
штрихов, т. е. цена одного малого деления равна Г. На рис. 2.9
отсчет равен 45° 44'.
б) Нониусной называется шкала, имеющая деления несколько
большие или меньшие делений основной шкалы, что позволяет по
номеру совмещенного штриха шкалы нониуса производить оценку
части деления основной шкалы. В основе отсчета по нониусу лежит
способность глаза более точно определять совпадение или несовпа-
дение штрихов двух сомкнутых шкал (рис. 2.10, б), чем оценивать
долю d деления а шкалы (рис. 2.10, а).
в) Устройство шкалы поперечного масштаба, называемой также
трансверсальной сеткой, показано на рис. 2.11. Здесь длинные
штрихи есть изображения штрихов миллиметровой шкалы. Большой
миллиметровый интервал разделен бессекторами по горизонтали
на десять частей с ценой одного деления 0,1 мм. В свою очередь,
каждый малый интервал с ценой 0,1 мм разделен также на десять
частей с помощью одиннадцати бессекторов, разнесенных по вер-
тикали и сдвинутых по горизонтали на одинаковую величину с ценой
0,01 мм. На рисунке отсчет равен 3,74 мм. При высоком качестве
изображения возможна оценка на глаз и тысячных долей милли-
метра.
Трансверсальные сетки употребляются в катетометрах, отсчет-
ных устройствах станков и других приборах.
2. Отсчетные устройства с микрометрами
Оптико-механические микрометры
Оптико-механическим микрометром называют такое
устройство со смещаемой шкалой, с помощью которого измеряют
величину объекта по числу делений шкалы, расположенной в пло-
скости предмета или в плоскости его изображения.
43
Рис. 2.12. Примеры наведения окулярной сетки:
а — наклонное перекрестие; б — прямое перекрестие
Рис. 2.13. Совмещение штри-
ха шкалы и марки:
а — ноииальное; б — биссек-
торное
Оптико-механический микрометр называют окулярным, если
он установлен в плоскости сетки окуляра, экранным, если он уста-
новлен в плоскости экрана, на который проектируется изображение
объекта, и объектным, если он установлен в плоскости самого изме-
ряемого объекта.
Измеряемые с помощью микрометра объекты могут быть конце-
выми (обычные предметы) или штриховыми (шкалы). При их измере-
нии возникает необходимость наведения марки на некоторые
точки предмета или штрихи шкалы.
Простейшей маркой, предназначенной для визирования на вы-
бранную точку измеряемого концевого изделия, является перекре-
стие. На рис. 2.12 показаны два способа установки перекрестия.
В случае а окулярная сетка установлена так, что линии перекрестия
и составляют углы 45° с направлением х перемещения изделия.
Такой способ установки удобен в том случае, когда требуется изме-
рить расстояние Ах между двумя прямолинейными и параллельными
краями А и В изделия. Точность такого совмещения перекрестия
с краем изделия получается выше, чем в случае установки линии
перекрестия или Л'2 параллельно краю изделия. В последнем слу-
чае точность равна разрешающей способности глаза, работающего
совместно с оптической системой.
Если требуется измерить, например, разность координат центров
двух отверстий А и В (рис. 2.12, б), то поворотом окулярной сетки
устанавливают одну из линий перекрестия параллельно направле-
нию х перемещения изделия (или сетки) и поочередно совмещают
центры отверстий с другой линией.
Для наводки на изображение штриха или на деление шкалы
обычно применяют марку, выполненную в виде одиночного штриха-
индекса А (рис. 2.13, а) или бессектора В (рис. 2.13, б), который
представляет собой две тонкие, близкие друг к другу параллельные
линии. В первом случае изображение выбранного штриха С шкалы
устанавливают так, чтобы этот штрих казался продолжением ин-
декса А (нониальное совмещение штрихов). Во втором случае изобра-
жение штриха С вводят внутрь бессектора В и устанавливают по его
44
оси симметрии. В обоих случаях достигается высокая точность на-
водки, равная 0,1...0,2 разрешающей способности глаза, работа-
ющего совместно с оптической системой. Некоторым преимуществом
по точности все же обладает биссекторный способ, который чаще
реализуется в приборах.
Разрешающая способность глаза в оптимальных условиях,
а именно при освещенности 50...75 лк, контрасте изображения,
близком к единице, правильно выбранной ширине штрихов и зрачке
глаза 2 мм, достигает 60", что в линейной мере составляет 0,075 мм
с расстояния наблюдения 250 мм.
При работе глаза совместно с оптической системой, увеличение
которой равно Г, точность наводки принято считать в Г раз больше
разрешающей способности глаза. Таким образом, точность наводки
, . / 10 — 12 \"
нониального способа можно считать равной (----р---) или
/ 0,013 — 0,015 \ - /6 —8\" / 0,007 — 0,009\
I-----р------ \ мм, а бессекторного (——\ или (------р---\ мм.
В отечественных измерительных приборах применяют два типа
оптико-механических микрометров: винтовой окулярный микро-
метр МОВ-1-15х (в усовершенствованном варианте МОВ-5-15х) и
спиральный окулярный микрометр ОМС.
Винтовой окулярный микрометр МОВ-1-15х. Предназначен для
непосредственных линейных измерений объектов, изображения
которых, даваемые оптической системой (обычно микроскопом, реже
зрительной трубой), не превышают предела перемещения шкалы
микрометра.
Конструкция винтового окулярного микрометра МОВ-1-15Х
(ГОСТ 7865—77Е) показана на рис. 2.14, а. На корпусе микро-
Рис. 2.14. Винтовой окулярный микроскоп М0В-115Х:
а — общий вид; б — поле зрения окуляра
45
Рис. 2.15. Винтовой окулярный микрометр МОВ-5-15х:
а — принципиальная схема; б — поле зрения окуляра
метра 3 установлен компенсационный окуляр 1 с увеличением 15х,
имеющий перемещение вдоль оси ±5 диоптрий. Корпус снабжен
хомутиком 6, с помощью которого микрометр крепится на стандарт-
ном тубусе микроскопа диаметром 25 мм. Внутри корпуса, в фокаль-
ной плоскости окуляра находится неподвижная сетка 2 с восемью
миллиметровыми делениями и почти вплотную с ней — подвижная
сетка 8, на которой нанесены перекрестие и биштрих (рис. 2.14, б).
Линии перекрестия составляют углы 45° с направлением его пере-
мещения. Перемещение сетки 8 осуществляют вращением барабана 4
микрометренного винта 5 с шагом 1 мм. Барабан винта имеет 100 де-
лений, следовательно, цена одного деления равна 0,01 мм. Со сто-
роны объектива микроскопа микрометр закрыт защитной стеклянной
пластинкой 7.
В окуляр должны быть видны одновременно резкими три изобра-
। жения: двух сеток и измеряемого объекта. Изображение объекта
обычно располагают между сетками, а зазор между ними во избежа-
ние параллакса выдерживают равным 0,04...0,06 мм.
Для нахождения истинной цены деления барабана с, т. е. цены,
отнесенной к самому предмету, а не его изображению, используют
объект-микрометр ОМП. Он представляет собой точную стеклянную
шкалу длиной 1 мм с делениями через 0,01 мм и устанавливается
строго в плоскости измеряемого изделия. Измерив с помощью оку-
лярного микрометра расстояние между k штрихами этой шкалы
и получив по барабану разность отсчетов N, найдем цену деления,
выраженную в мм:
Погрешность измерений с помощью винтового окулярного микро-
метра определяется главным образом ошибками шага пары винт-
гайка. Технические требования допускают ошибку одного шага
не более 0,005 мм, а всех восьми шагов не более 0,01 мм.
Промышленностью освоен выпуск нового винтового окуляра
микрометра МОВ-5-15х и некоторых его модификаций. На рис. 2.15, а
показана принципиальная схема микрометра МОВ-5-15х. Отличи-
тельной особенностью нового микрометра является возможность
46
одновременного грубого (1 мм) и тонкого (0,01 мм) отсчета в одном
поле зрения. С этой целью измерительный механизм устроен таким
образом, что при повороте рукоятки-гайки 3 дисковая шкала 1
вращается без осевого смещения относительно корпуса 2, а микро-
винт 4 смещается без поворота.
Микрометр снабжен также системой подсветки 5 и проекции 6
шкалы 1 в плоскость подвижной 7 и неподвижной 8 сеток. На подвиж-
ной сетке нанесено визирное перекрестие и миллиметровая шкала
длиной 8 мм, а на неподвижной — отсчетный штрих-индекс и кадро-
вая рамка, ограничивающая наблюдаемый участок шкал. Цена
деления дисковой шкалы равна 0,01 мм. Вид поля зрения микро-
метра МОВ-5-15х показан на рис. 2.15, б.
Спиральный окулярный микрометр ОМС. Этот микрометр является
частью отсчетных микроскопов и служит для точного отсчета по
линейным шкалам в длиномерах, компараторах, универсальных
измерительных микроскопах и других приборах.
На рис. 2.16, а представлен общий вид отсчетного микроскопа
с микрометром ОМС. Микроскоп имеет объектив 8 с номинальным
увеличением 5х и окуляр 4 с увеличением 12,5х. На неподвижной
окулярной сетке 3 нанесены линейная шкала (10 делений) и индекс.
На сетке 2, поворачиваемой от маховичка 1, нанесены одиннадцать
витков двойной спирали Архимеда и круговая шкала, разделенная
на 100 частей. Осью вращения сетки 2 служит стальной шарик диа-
метром 3 мм. Снизу сетка прижимается двумя подпружиненными
роликами 6 к регулируемым роликам 5.
Винтом 7 окуляр вместе с нониусным механизмом может переме-
щаться в поперечном направлении для настройки на нулевой отсчет.
47
Вид поля зрения окуляра показан на рис. 2.16, б. Здесь длинные
оцифрованные штрихи представляют собой изображение милли-
метровой шкалы, даваемое объективом микроскопа (штрихи «И»,
«12» и «13»). При юстировке микроскопа изменением длины тубуса
добиваются такого увеличения объектива, при котором расстояние
между изображениями двух соседних миллиметровых штрихов равно
расстоянию между первым и последним витками спирали. При этом
цена одного витка спирали и цена одного деления неподвижной
шкалы равны 0,1 мм, а цена малого деления круговой шкалы —
0,001 мм.
Для проведения отсчета необходимо поворотом маховичка 1
установить шкалу 2 так, чтобы штрих миллиметровой шкалы, на-
ходящийся в зоне витков, оказался точно посередине между линиями
ближайшего к нему витка спирали. Индексом для отсчета милли-
метров служит нулевой штрих неподвижной шкалы. На рис. 2.16, б
штрих «12» прошел нулевой штрих шкалы десятых долей, а штрих
«13» еще не дошел до него. Отсчет равен 12 мм плюс отрезок от
штриха «12» до нулевого штриха. В данном случае число десятых
в этом отрезке равно двум. Сотые и тысячные доли миллиметра
отсчитывают по круговой шкале. Окончательно отсчет равен
12,2725 мм.
Отсчет десятитысячных долей производится вполне уверенно,
но надежным его считать нельзя. Двойная спираль с шагом 0,5 мм
выполняется фотографическим путем и имеет погрешности не выше
0,003 мм, что с учетом увеличения микрообъектива приводит к по-
грешности измерения до 0,0006 мм. Сюда же добавляется погреш-
ность 0,0001 мм, вызванная эксцентриситетом поворотной сетки.
Неподвижная шкала погрешностей практически не вносит.
Оптические микрометры (компенсаторы)
В оптических микрометрах изображение основной шкалы
(линейной или круговой) перемещается в небольших пределах
относительно неподвижной окулярной шкалы. Такое перемещение
изображения осуществляется оптическим способом, т. е. изменением
положения оптических деталей. Смещение оптической детали свя-
зано со смещением подвижной окулярной шкалы. Во всех оптиче-
ских микрометрах малой величине смещения изображения основной
шкалы соответствует обязательно большое смещение подвижной
окулярной шкалы, чем и достигается высокая точность отсчета.
В оптико-механических измерительных приборах часто при-
меняются три типа компенсаторов.
Компенсатор с плоскопараллельной пластиной использует свой-
ство наклонной пластины смещать прошедший через нее луч.
В оптической делительной головке ОДГ-1 пластина компенсатора
жестко связана с подвижной сеткой окуляра отсчетного микроскопа
(рис. 2.17, а). При повороте пластины на малый угол Ае происходит
смещение изображений градусных делений лимба на величину Ас
относительно неподвижной окулярной шкалы с ценой деления 10'
и одновременно смещение подвижной сетки на величину Ах относи-
48
Рис. 2.17. Компенсатор с плоскопараллельной пластиной прибора ОДГ-ЮА:
а — схема компенсатора; б — вид поля зрения
тельно индекса. На рис. 2.17, а лимб не показан. При смещении
изображения лимба на 10' подвижная сетка смещается на 60
делений. Таким образом, цена одного деления подвижной сетки
равна 10".
При расчете компенсатора используются соотношения: Ах ~
~ /Ае; Ac ~ 0,33/iAe (при е = 0) и Ac ~ 0,6/iAe (при е = 45°).
, На рис. 2.17, б градусное деление лимба «91» показано совме-
щенным с ближайшим биштрихом «20» неподвижной шкалы. Отсчет
равен 91° 25' 20".
Компенсатор с подвижными клиньями применяют в гониометрах
ГС-10, ГС-5 и других точных приборах.
Два клина устанавливают в пучок лучей, который дает изобра-
жение лимба гониометра. В плоскости изображения находится шкала
компенсатора, жестко связанная с одним из клиньев. При осевом
смещении клина изображение лимба передвигается на малую вели-
чину, а шкала компенсатора — на большую. Например, компенсатор
гониометра ГС-5 рассчитан так, что поворот изображения лимба
на 10' достигается передвижением клина и шкалы на 600 делений.
Следовательно, цена деления шкалы компенсатора равна 1". Непо-
движный клин установлен в световом пучке таким образом, чтобы
вместе с подвижным образовать эквивалентную плоскопараллельную
пластину, которая не влияет на качество изображения лимба.
Линзовый компенсатор. Основной частью этого отсчетного устрой-
ства является длинно-фокусная линза, которую можно перемещать
перпендикулярно оптической оси. Линза устанавливается в сходя-
щемся пучке лучей и при перемещении вызывает смещение изобра-
жения измеряемого объекта (обычно это основная шкала при-
бора).
С подвижной линзой жестко связана вспомогательная шкала
тонкого отсчета, которая изображается вместе с основной шкалой
в поле зрения окуляра. Как и в предыдущем компенсаторе, большое
смещение оптической детали (линзы) вызывает малое смещение
изображения основной шкалы. В результате цена деления вспомога-
49
тельной шкалы может быть во много раз меньше цены деления основ-
ной шкалы. Например, цены делений шкал автоколлиматора АТК-250,
имеющего линзовый компенсатор, соответственно равны 2" и Г.
Точное значение цены деления вспомогательной шкалы устанавли-
вается в процессе юстировки компенсатора.
ГЛАВА 3
ПРИБОРЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Линейные и угловые измерения осуществляются приборами, снаб-
женными эталонными мерами. В этом смысле все измерительные
приборы действуют по принципу сравнения эталонной и контроли-
руемой мер. Однако различие самих эталонных мер позволяет раз-
делить приборы на две большие группы.
Приборы первой группы (оптиметры, пружинно-оптические го-
ловки, контактные интерферометры и др.) предназначены для опре-
деления малых отклонений измеряемого изделия от размера конце-
вой меры или эталонной детали.
Приборы второй группы (компараторы, длиномеры, измеритель-
ные машины, универсальные микроскопы, гониометры и др.) пред-
назначены для непосредственных измерений изделий путем сравне-
ния их с эталонными штриховыми мерами.
3.1. ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ
ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Оптиметры. Наиболее распространенными представите-
лями рычажно-оптических приборов являются оптиметры. В зависи-
мости от расположения линии измерения оптиметры делятся на
вертикальные и горизонтальные. В зависимости от устройства опти-
метра шкала и указатель могут наблюдаться в окуляр или проекти-
роваться на экран.
ГОСТ 5405—75 устанавливает следующие типы оптиметров с це-
ной деления 0,001 мм:
ОВО-1 — вертикальный оптиметр с окуляром;
ОВЭ-1 — вертикальный оптиметр с проекционным экраном;
ОГО-1 — горизонтальный оптиметр с окуляром;
ОГЭ-1 — горизонтальный оптиметр с проекционным экраном.
Этим же стандартом предусмотрен выпуск вертикальных опти-
метров с проекционным экраном типа ОВЭ-02 с ценой деления
0,0002 мм.
Основные параметры и нормы точности оптиметров
(по ГОСТ 5405—75) даны в табл. 3.1.
Главной частью оптиметра является измерительное устройство
или трубка. Принцип действия трубки оптиметра основан на сочета-
нии оптического и механического рычагов. Оптическая система
состоит из коленчатой автоколлимационной зрительной трубки
50
Таблица 3.1
Параметр Тип прибора
ОВО-1 ОВЭ-1 ОВЭ-02 ОГО-1 ОГЭ-1
Цена деления в мм 0,001 0,0002 0,001
Пределы измерения по шкале ±0,1 ±0,025 ±0,1
в мм Пределы измерения наружных 0...I80 0...I60 0...500
размеров в мм Пределы измерения внутренних размеров в мм: диаметров 13,5...150
ДЛИН —- — 13,5...400
Измерительное усилие в сН 200 50...150 200
Колебания измерительного уси- 20 10 20
лия в сН, не более Погрешность показаний в мм на участке шкалы: от 0 до ±0,06 мм ±0,0002 + 0,0002
свыше +0,06 ±0,0003 — ±0,0003
от 0 до ±0,015 мм —. +0,00007 —
свыше ±0,015 мм —. +0,00010 —
Вариации показаний в мм 0,0001 0,00002 0,0001
по схеме Аббе (см. рис. 2.8) и качающегося зеркала, механически
связанного с измерительным стержнем.
На рис. 3.1, о: показана принципиальная оптическая схема трубки
оптиметра. Дневной свет или свет от лампочки направляется шар-
нирно закрепленным зеркалом и прямоугольной призмой подсветки 2
на левую часть сетки 3, где нанесена шкала с делениями и цифрами.
а) б)
Рис. 3.1. Оптиметр ОВО-1:
а схема трубки; б — внешний вид оптиметра
51
Рис. 3.2. Передаточное отношение оп-
тиметра
Шкала расположена в фокаль-
ной плоскости объектива 5, по-
этому автоколлимационное изо-
бражение шкалы располагается
в этой же плоскости, но в пра-
вой части сетки. Зеркало 6 на-
клоняется в небольших преде-
лах под действием измеритель-
ного стержня 7. Нижний конец
стержня находится в контакте
с измеряемым изделием 7.
Поворот зеркала 6 вызывает
вертикальное смещение изобра-
жения шкалы, которое наблюдается в окуляр 1 и отсчитывается
по неподвижному указателю.
Пусть ось измерительного стержня отстоит от оси вращения
зеркала на расстоянии L (рис. 3.2). Перемещение стержня на вели-
чину h приведет к повороту зеркала на угол а и к наклону отражен-
ного пучка на угол 2а, в результате чего изображение шкалы сме-
стится на величину у.
Передаточное отношение оптиметра равно
f 2а - 2^' 1 n 11
h ~ Ltga ~ L 1 — tg2a ’ ' ’
При a = 0 получаем расчетное передаточное отношение
*₽=-¥-; . <3-2’
у отечественных оптиметров f = 200 мм и L = 5 мм; тогда ip =
= 80. Зная цену деления оптиметра с = 0,001 мм и передаточное
отношение, находим интервал шкалы'
а = cit) = 0,08 мм.
Для наблюдения шкалы используется 12-кратный окуляр, по-
этому видимый интервал равен 0,08-12 = 0,96 мм, что соответствует
нормам (0,9...2,5 мм).
Замена действительного переменного передаточного отношения i
на постоянное расчетное ip упрощает прибор, но приводит к система-
тической погрешности измерения (погрешности схемы прибора).
Перемещение измерительного стержня из нулевого положения на
величину h вызывает смещение шкалы, равное hi. Но шкала граду-
ирована по расчетному передаточному отношению и поэтому пере-
мещению h соответствует точка шкалы hip. Разность hi — hip, делен-
ная на передаточное отношение i, определяет погрешность схемы:
\h = ^—^ = Ltg3a^La3. (3.3/
52
Максимальный угол а равен отношению половины предела измере-
ния по шкале к длине малого рычага L, т. е.
а == ± -g- = ± 0,02 рад.
Наибольшая погрешность схемы оптиметра
Ай = ± 5-0,023 = ± 0,04 мкм,
что в 25 раз меньше цены деления прибора.
На рис. 3.1, б показан вертикальный оптиметр типа ОВО-1 (мо-
дель ИКВ). Основные узлы оптиметра (основание 2, колонка 3,
кронштейн 4, столик 5) предназначены для жесткого крепления
трубки 1 в выбранном положении и для установки измеряемого
изделия. Многие из этих узлов унифицированы и применяются
в других приборах (оптикаторах, интерферометрах и др.).
Ультраоптиметры. Оптиметры повышенной точности называют
ультраоптиметрами. На рис. 3.3, а показана схема ультраоптиметра
сиеной деления 0,0002 мм (ОВЭ-02 в табл. 3.1). Свет лампы 1 через
конденсор, светофильтр и призму 2 проходит к сетке 3, отражается
зеркалом на объектив 4 и параллельным пучком лучей падает на
зеркальный оптический умножитель 5—6. Зеркало 6 связано рычаж-
ной передачей с измерительным стержнем 7 и отклоняется при пере-
мещении последнего. Свет после многократного отражения в опти-
чёском умножителе (рис. 3.3, б) возвращается в объектив 4, проходит
53
Черная полоса
50 НО 50 20 10 О 10\ 120
зо\ \но
Попе зрения окуляра
через сетку 3 и проекционный объек-
тив 8. С помощью зеркал 9, 10 и 12
изображение шкалы проектируется
на экран 11.
Большое передаточное отноше-
ние ультраоптиметра определяется
числом отражений луча от подвиж-
ного зеркала N и действием допол-
нительной проекционной системы
с увеличением рцр:
_ 2W' _ 2-5-200 ,7
ip рпр------g 17 — 6800.
При таком передаточном отношении
интервал шкалы на экране равен
0,0002-6800 = 1,4 мм.
Внешний вид прибора показан
на рнс. 3.3, в.
Контактные интерферометры.
Отечественная промышленность вы-
пускает два типа аналогичных по
Рис. 3.4. Схема трубки иитерферо- принципу действия контактных
метра интерферометров — вертикальный
ИКПВ и горизонтальный ИКПГ.
В основу оптической схемы этих приборов положена схема интер-
ферометра Майкельсона, подвижное зеркало которого жестко свя-
зано с измерительным наконечником. Оба интерферометра имеют
одинаковые интерференционные трубки, оптическая схема которых
показана на рис. 3.4.
Свет от лампы 1 после конденсора 2 параллельным пучком
направляется через диафрагму 3 на разделительную пластинку 6.
В горизонтальной ветви свет отражается от поворотного зеркала 5,
а в вертикальной — от подвижного зеркала 12, закрепленного на
измерительном стержне 13.
Объектив 7 проектирует интерференционную картину полос рав-
ной толщины в плоскость сетки 8. Вертикально расположенные
интерференционные полосы и нанесенная на сетку шкала наблю-
даются через окуляр 10, который может поворачиваться вокруг
горизонтальной оси 9 для наблюдения различных участков сетки.
Ширина полос (а тем самым цена деления шкалы) регулируется
поворотом зеркала 5 вокруг вертикальной оси. Шкала градуируется
в монохроматическом свете при включенном светофильтре 4. Цена
деления находится по формуле
X k
С = -Т‘~ мкм-
где X —длина волны, соответствующая максимуму пропускания
светофильтра, выраженная в мкм; k — число интерференционных
полос, совпадающих с п делениями шкалы.
54
Для измерений фильтр выключают. Наблюдаемая в белом свете
картина содержит ахроматическую (черную) полосу и по сторонам
от нее по три — четыре окрашенных полосы. Черная полоса служит
подвижным указателем положения измерительного стержня.
При контакте наконечника с эталонной мерой черную полосу
совмещают с нулевым штрихом шкалы. Для этого приходится сме-
щать предметный стол (т. е. смещать полосы) или в небольших пре-
делах сдвигать саму шкалу. Затем устанавливают на стол измеря-
емую деталь, по положению черной полосы отсчитывают искомую
разность длин.
Контактные интерферометры применяются преимущественно с це-
ной деления 0,05 и 0,1 мкм. При цене деления 0,2 мкм интерферо-
метр экономически нецелесообразен, так как такую цену деления
имеют более простые пружинные приборы.
Погрешность показаний интерферометра не должна превышать
величины
б = ±(0,03 ± 0,0054/гс) мкм,
где с — цена деления шкалы в мкм; п, — число делений шкалы от
нулевого штриха.
В соответствии с общим направлением развития оптических
приборов в настоящее время осваивается производство контактных
интерферометров с экраном, значительно облегчающим отсчет по
шкале прибора. Цена деления экранных интерферометров переменная
(от 0,02 до 0,2 мкм).
3.2. ПРИБОРЫ ДЛЯ АБСОЛЮТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ
Компараторы. Компараторами называют приборы, пред-
назначенные для измерения штриховых и концевых объектов путем
непосредственного сравнения их со штриховыми образцовыми шка-
лами.
Компаратор состоит из двух частей — объектной и отсчетной.
К объектной части относится устройство для установки измеряемого
объекта и наводящее устройство, например, визирный микроскоп
или измерительный стержень. К отсчетной части относится отсчет-
ный микроскоп и образцовая шкала. В процессе измерения два из
четырех названных компонентов подвижны, а два других — непо-
движны.
Наименьшими погрешностями обладает продольный компаратор
Аббе (рис. 3.5) с расположением линии измерения объекта 1 и образ-
цовой шкалы 5 на одной прямой, причем объект и шкала находятся
на каретке 6, перемещающейся вдоль линии измерения, а визирный 2
и отсчетный 3 микроскопы неподвижно установлены на стой-
ке 4.
Именно по такой схеме устроен известный компаратор ИЗА-2,
нашедший широкое применение в лабораториях НИИ, вузов и за-
водов при измерениях различных объектов по одной координате,
например, спектрограмм, шкал и сеток (рис. 3.6).
55
Принципиальная схема компаратора И ЗА-2
Рис. 3.5.
Пределы измерения компаратора ИЗА-2 0...200 мм, цена деления
основной шкалы 1 мм, цена деления спирального окулярного микро-
метра в отсчетном микроскопе 0,001 мм. Увеличение визирного
микроскопа 7...10,5х.
Погрешность измерения + ^0,9 зд0 £. ) мкм, гДе А —из-
меряемая длина в мм, h —высота плоскости измеряемого объекта
над плоскостью шкалы в мм.
Длиномеры. Оптические длиномеры ИЗВ-1, ИЗВ-2, ИЗВ-З и
ИК.У-2 предназначены для абсолютных (до 100 мм) и сравнительных
(свыше 100 мм) измерений длин контактным способом. В этих ком-
параторных приборах объект и отсчетный микроскоп неподвижны,
а жестко связанные между собой измерительный стержень и образ-
цовая шкала при измерении перемещаются.
На рис. 3.7, а и б показано устройство и схема вертикального
длиномера ИЗВ-1 (позиции общие). На массивном основании 1
Рис. 3.6. Внешний вид компаратора ИЗА-2
56
закреплен ребристый столик 2 и колонка 19. По колонке гайкой 18
перемещается корпус прибора 17, закрепленный в нужном положе-
нии винтами 15. На корпусе закреплен кронштейн 8 с осветителем 16,
микроскопом 6 и направляющей 9 для измерительного плунжера 10
с образцовой шкалой 20.
Стальная лента 12, перекинутая через блок 13, соединяет плунжер
с противовесом, помещенным в демпфер 14 с вазелиновым маслом.
Демпфер обеспечивает малую скорость опускания плунжера и пре-
дохраняет измерительный наконечник от удара. Плунжер подни-
мается через тросик с рукояткой 3 и закрепляется винтом 4. Измери-
тельное усилие прибора регулируется грузовыми шайбами 11 в пре-
делах от 75 до 250 сН.
Образцовая шкала 20 имеет 100 миллиметровых делений. Эта
шкала рассматривается в отсчетный микроскоп 6, снабженный спи-
ральным окулярным микрометром с ценой деления 0,001 мм. Оку-
ляр 5 может перемещаться в вертикальном направлении винтом 7
для установки на ноль.
Верхний предел измерения длиномера, ограниченный конструк-
цией стойки, равен 250 мм. При измерении размеров свыше 100 мм
прибор настраивают по концевым мерам длиной 100 или 150 мм.
Вертикальные длиномеры ИЗВ-2 и ИЗВ-21 имеют те же основные
характеристики, что и ИЗВ-1. В оптическую схему введены две
призмы, которые позволяют наклонить окуляр на угол 45₽ к вер-
тикали. В новых длиномерах вместо демпфера применен механи-
ческий регулятор скорости опускания измерительного стержня.
Перемещение длиномеров по стойкам обеспечивается направля-
ющими «ласточкин хвост» и реечным механизмом.
В комплект ИЗВ-2 и ИЗВ-21 входит центрировочный микроскоп.
Он устанавливается на измерительном стержне и позволяет совме-
57
стить выбранную точку изделия с линией измерения. Одновременно
его можно использовать для бесконтактного измерения изделии
ио высоте.
Вертикальный длиномер ИЗВ-З отличается от ИЗВ-2 конструк-
тивным оформлением и наличием проекционной системы отсчетов
на экране.
Горизонтальный длиномер ИКУ-2 представляет собой сочетание
длиномера компараторного типа и горизонтального оптиметра.
Измерительный стержень несет образцовую шкалу и заканчивается
подвижным наконечником, связанным с поворотным зеркалом опти-
метра.
Отсчет в длиномере и оптиметре осуществляется раздельно, но
на одном экране. Для этого в его верхнюю часть проектируется
подвижная основная шкала с ценой деления 1 мм и неподвижная
отсчетная шкала с ценой деления 0,1 мм, а в нижнюю часть —
шкала оптиметра с ценой деления 0,001 мм, по которой отсчиты-
ваются сотые и тысячные доли миллиметра. Такой принцип раздель-
ного отсчета используется и в других измерительных устройствах;
например, в измерительных машинах.
3.3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ
Сферометры предназначены для измерения радиусов кри-
визны выпуклых и вогнутых сферических поверхностей.
Принципиальная схема кольцевого настольного сферометра при-
ведена на рис. 3.8. В своей измерительной части он мало отличается
от вертикального длиномера ИЗВ-1.
Внутри массивного корпуса 3 по точным направляющим пере-
мещается измерительный стержень 5 с встроенной миллиметровой
шкалой и контактным шариком на конце. Положение шкалы отсчи-
тывается при помощи микроскопа
Рис. 3,8. Принципиальная схема на-
стольного сферометра
6 со спиральным окулярным микро-
метром. Шкала подсвечивается
осветителем 2.
Противовес 4 стремится поднять
измерительный стержень вверх
до касания шарика с измеряемой
поверхностью линзы. На верхнюю
часть корпуса насаживаются смен-
ные опорные стальные кольца /.
Контактным сферометром не-
посредственно измеряется высота
шарового сегмента h, а по ней и ра-
диусу опорного кольца г рассчиты-
вается радиус кривизны поверх-
ности /?. Значение радиуса кольца г
приводится в аттестате на при-
бор. Имеется ряд конструктивных
вариантов колец: со сплошной лен-
точной ножевой кромкой, с фаской.
58
Таблица 3.2
Параметр Сферометр
ССО СНА СИМ
Пределы измерения радиусов в мм 10..1000 80...40 000 80...40 000
Пределы отсчета по шкале в мм Пределы допускаемой основ- ной погрешности в процентах от измеряемого радиуса при радиусах: 0...30 0...30 0...1
от 10 до 37,5 мм +0,07 — —
от 37,5 до 80 мм +0,04 —
от 80 до 750 мм ±0,04 +0,04 +0,08
от 750 до 1 000 мм ±0,04 ±0,05 ±0,10
от 1 000 до 5 000 мм — + 0,15 +0,30
от 5 000 до 40 000 мм — ±0,50 ±2,0
Вариация показаний в мм 0,0003 0,0005 0,0005
Цена деления шкалы в мм 1 1 0,1
Цена деления шкалы отсчет- ного устройства в мм 0,001 0,001 0,001
с .шариковыми опорами и т. п. Кольца с шариками, установленными
под углом 120°, долговечнее обычных колец, так как по мере износа
шарики можно повернуть в опоре и заставить работать другие
участки.
При измерении радиуса кривизны R отдельной сферической
поверхности на прибор устанавливают сначала пластину с плоской
поверхностью, а затем контролируемую деталь. Разность полученных
отсчетов по шкале дает некоторую условную стрелку прогиба h
поверхности. Величина R вычисляется по формуле
D__ г2 . h
R~ ~2h +"2"±Р’
гДе г —радиус кольца и р —радиус шарика указаны в аттестате;
знак плюс берут для вогнутой поверхности, знак минус —для
выпуклой.
Относительно высокая точность, большие пределы измерения
При высокой стабильности и надежности обусловили широкое рас-
пространение сферометров.
ГОСТ 11194—76 предусматривает выпуск кольцевых контактных
сферометров трех типов:
ССО — настольный сферометр (деталь устанавливается на при-
бор, измерительное устройство оптическое);
сно — накладной сферометр (прибор устанавливается на де-
таль, измерительное устройство оптическое);
СНМ — накладной сферометр (измерительное устройство механи-
ческое, измерение R путем сравнения с образцовой сферой или с кон-
Цевой мерой).
59
Указанные сферометры промышленностью выпускаются под шиф-
рами ИЗС-7, ИЗС-8 и ИЗС-9.
Основные данные и нормы точности сферометров приведены
в табл. 3.2.
Накладные сферометры предназначены для измерений радиусов
кривизны выпуклых и вогнутых сферических поверхностей крупно-
габаритных оптических деталей. Сферометр ИЗС-8 имеет четыре
измерительных кольца диаметром 100, 150, 220 и 300 мм. Это зна-
чит, что с его помощью можно измерять детали диаметром более
100 мм без ограничения верхнего предела.
3.4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ
ПРИЗМ И КЛИНЬЕВ
Гониометры — оптические приборы для измерения углов
между плоскими полированными гранями различных деталей,
а также для измерения углов отклонения лучей, проходящих через
призмы и клинья, изготовленные из стекла или других прозрачных
материалов. В оптическом производстве гониометры применяют для
измерения углов и пирамидальности призм и для измерения показа-
теля преломления и дисперсии прозрачных материалов.
Измерение углов на гониометрах осуществляется абсолютным
методом, т. е. путем сравнения с точно градуированным лимбом
(круговой шкалой). При сравнении используются коллиматоры
и зрительные трубы или автоколлиматоры, а также отсчетные устрой-
ства.
Гониометры (гониометры-спектрометры) выпускаются со-
гласно ГОСТ 10021—74 разных типов ГС-30, ГС-10, ГС-5, ГС-2
и ГС-1 (числа в обозначениях показывают допустимую погрешность
измерения углов в секундах).
Принципиальная оптическая схема гониометра ГС-10 пока-
зана на рис. 3.9, а. Коллиматор 18 и зрительная труба 17 имеют
одинаковые телеобъективы, фокусируемые перемещением отрица-
тельных компонентов 16 и 19.
В фокальной плоскости объектива коллиматора установлена
регулируемая щель, освещаемая монохроматическим светом. Авто-
коллимационный окуляр 15 является сменным.
Отсчетная система прибора состоит из осветительной и проек-
ционной частей. Лампочка 1 через зеленый светофильтр и призму 4
освещает участок лимба 3. Освещенные штрихи лимба проекти-
руются объективом 5 через призмы 2 и 6 на диаметрально противо-
положный участок лимба в перевернутом виде.
Объектив 8 через призмы 7, 12 и 10 дает изображение рядом рас-
положенных штрихов обоих участков лимба в плоскости диафрагмы
поля зрения, нанесенной на выходной грани призмы 10, и через
призмы 11 и 14 рассматриваемой в отсчетный микроскоп 13. Между
призмами 12 и 10 помещены две пары клиньев оптического компен-
сатора 9.
Клинья расположены вершинами в противоположные стороны
так, что через один из них проходит обратное изображение первого
60
19
Рис. 3.9. Гониометр ГС-10:
а — принципиальная оптическая схема; б — поле зрения
участка лимба, а через другой — прямое изображение второго
участка. При перемещении клиньев вдоль оптической оси изображе-
ния участков лимба смещаются поперек оптической оси и в противо-
положных направлениях. Каждое последующее совмещение штрихов
обоих изображений лимба происходит при повороте лимба на 10',
хотя он разделен на 20-минутные интервалы, что объясняется дви-
жением обоих изображений в разные стороны с одинаковой ско-
ростью.
Шкала компенсатора нанесена на стеклянную пластинку и имеет
600 делений. Она механически связана с одним из клиньев, причем
взаимному перемещению изображений лимба на 10' соответствует
полное перемещение шкалы. Таким образом, цена одного деления
компенсатора равна 1".
Изображение делений лимба и шкала компенсатора расположены
в одной плоскости и рассматриваются через отсчетный микро-
скоп (рис. 3.9, б). Число градусов определяется по прямому изобра-
жению лимба. Число десятков минут определяется по числу интер-
валов между оцифрованными градусными делениями, различающи-
мися на 180° (в данном примере 100° и 280°). Цена деления равна 10'.
Единицы минут и секунды отсчитываются по шкале компенсатора
' 61
Рис. 3.10. Измерение углов на гониометре:
а — коллимационное; б — автоколлимационное
и риске в малом окне.
На рис. 3.9, б полный от-
счет составляет 100°15'57".
Измерение углов на го-
ниометрах производят кол-
лимационным (рис. 3.10, а)
и автоколлимационным
(рис. 3.10, б) методами,
В 'первом случае столик
с призмой повернут так.
чтобы параллельный пучок
лучей, выходящий из кол-
лиматора 1, отразившись
от грани призмы, попал
в зрительную трубу 2.
Изображение щели кол-
лиматора совмещают с
перекрестием зрительной трубы и берут первый отсчет по лимбу.
Затем столик с лимбом поворачивают до совмещения изображения
щели с перекрестием после отражения света от другой грани приз-
мы. Разность отсчетов равна углу поворота лимба р. Измеряемый
угол а = 180° — р.
Во втором случае коллиматор не используется, а на зрительную
трубу устанавливается автоколлимационный окуляр. Столик с приз-
мой поворачивают так, чтобы автоколлимационное изображение
марки совпало с перекрестием окуляра, т. е. чтобы грань призмы
была нормальна к падающему пучку. Последовательная установка
двух граней в указанное положение дает разность отсчетов, равную
углу |3. Измеряемый угол призмы а = 180° — |3.
Возможны другие способы измерения, связанные с тем, что зри-
тельная труба или автоколлиматор могут поворачиваться во-
круг стола, поворачивая отсчетную систему гониометра вокруг
лимба.
Автоколлиматоры предназначены для измерения малых угловых
перемещений плоских зеркально отражающих поверхностей. Выше
были рассмотрены схемы автоколлиматоров (см. разд. 2.2) и примеры
их применения в оптиметре (см. разд. 3.1) и гониометре (см. разд. 3.4).
Автоколлиматор как самостоятельный прибор в сочетании с плоским
зеркалом используется для проверки прямолинейности изделий и для
других подобных работ. В сочетании с эталонированными призмами
(многогранниками) автоколлиматоры применяют для проверки
оптических делительных головок и других угломерных приборов.
С их помощью контролируют взаимную параллельность зеркал,
расположенных в пределах пучка лучей автоколлиматора, и про-
зрачных поверхностей, расположенных друг за другом, и т. д. Широ-
кое применение автоколлиматоры находят при сборке и юстировке
оптических приборов.
Отечественная промышленность выпускает четыре визуальных
автоколлиматора; АК-0,25; АК-0,5; АК-1; МГА и фотоэлектрический
62
Таблица 3.3
Параметр Автоколлиматор
АК-0,25 АК-0,5 АК-1 МГА
Цена деления шкалы ком- пенсатора в секундах Предел измерения по ми- нутной шкале в минутах при расстоянии до зеркала до 2 м Погрешность показаний в секундах: при измерении в одной координатной плоскости 0,25 6 ± (о,25 + । Ф \ 0,5 10 ± (о,5 + 1 Ф \ 1 12 ± (1 + . Ф \ 1 6 ± (1 + з Ф \
при измерении в двух координатных плоско- стях 1 100 / 1 100 ) 1 100 ) 1 100 ) ±(1 + । Ф \
Фокусное расстояние, в мм Поле зрения в градусах Увеличение ’Диаметр входного отвер- стия, в мм (<р — вел! 1000 0,8 50 55 чина измеряе 400 1 30 40 мого угла в 250 2 20 30 1 50 ) секундах) 500 1,1 25 50
автоколлиматор АФ-2. Основные характеристики визуальных авто-
коллиматоров приведены в табл. 3.3.
На рис. 3.11 представлена оптическая схема автоколлиматора
типа АК-1, нашедшего широкое применение в цеховой практике
и оптических лабораториях.
Свет от лампочки 1 проходит через конденсор 2 и светофильтр 3
и освещает марку 4 — прозрачное перекрестие в слое серебра,
нанесенного на поверхность пластинки. Зеркало 5 направляет поток
лучей на светоделительную диагональ кубика 6. Марка 4 помещена
в фокусе объектива 15, поэтому параллельный пучок лучей после
отражения от плоского зеркала 16 соберется объективом 15 вновь
Рис. 3.11. Оптическая схема автоколлиматора АК-1
63
в его фокальной плоскости. Полученное здесь автоколлимационное
изображение марки наблюдают в окуляр И, в поле зрения которого
видны неподвижное перекрестие и две шкалы: минутная шкала,
Нанесенная на неподвижной сетке 10, и шкала с ценой деления 1",
нанесенная на подвижной сетке 9. Линзы 7 и 8 составляют линзовый
компенсатор. Подвижная линза 8 жестко связана с сеткой 9 и пере-
мещается от микрометренного винта до совмещения вертикальной
линии марки с ближайшим штрихом минутной шкалы. Отсчет про-
водится по обеим шкалам.
Лампа 12 со светофильтром 13 и зеркалом 14 служит для под-
светки шкал.
Рассмотрим подробнее одно из применений автоколлиматора.
Пусть в пучке света установлены два зеркала так, что верхняя
часть пучка отражается от одного из них, а нижняя —от другого.
При этом зеркала могут быть на различном удалении от автоколли-
матора.
Отраженные пучки образуют два автоколлимационных изображе-
ния марки. Если эти изображения совпадают, то зеркала парал-
лельны. В противном случае по шкалам сеток 10 и 9 измеряется
несовпадение изображений и непараллельность зеркал.
ГЛАВА 4
ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ
И ЧИСТОТЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
4.1. ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Интерферометры предназначены для бесконтактного
контроля плоских, сферических и асферических оптических поверх-
ностей. В интерферометрах тем или иным способом создаются и в ре-
зультате интерференции сравниваются два волновых фронта: эта-
лонный и полученный от контролируемой поверхности. Наибольшее
распространение получили приборы, где используется интерферен-
ция в пластинах. Принципы образования интерференционной кар-
тины полос равной толщины и колец равного наклона в клинообраз-
ных и плоскопараллельных пластинах рассмотрены выше (см.
разд. 2.1).
Интерферометр ИПП-15 предназначен для контроля плоскост-
ности и плоскопараллельности оптических деталей диаметром до
140 мм. Оптическая схема прибора изображена на рис. 4.1. Ртутная
лампа 1 освещает щель переменной ширины 2 (входной зрачок),
установленную в фокальной плоскости объектива 6. Между щелью
и объективом свет проходит через полупрозрачную пластину 5.
Параллельный пучок лучей освещает пластину 7 с нижней эта-
лонной плоскостью и контролируемую деталь 8, установленную
на столе 9 с зазором между пластинами 1...3 мм. Пучки лучей, отра-
зившись от двух пластин, интерферируют и образуют картину полос
64
равной толщины, локализованную
на верхней поверхности контроли-
руемой детали.
Пучки интерферирующих лучей
проходят объектив 6, отражаются
от пластины 5 и собираются в пло-
скости диафрагмы 10, образуя вы-
ходные зрачки. Здесь располагается
глаз наблюдателя, рассматривающий
картину полос через объектив 6,
как через лупу.
Ширина и направление полос
устанавливаются наклоном и пово-
ротом столика вместе с деталью.
Столик может вращаться вокруг
вертикальной оси и наклоняться
в двух плоскостях при помощи мик-
рометренных винтов.
Если отступление N контроли-
руемой поверхности от плоскости
составляет одно кольцо и более, то
целесообразно картину делать осе-
симметричной, т. е. эталонную пла-
стину и деталь выставлять парал-
Рис. 4.1. Интерферометр для кон-
троля плоскостности
лельно.
Если отступление W менее одного кольца, то между пластинами
следует вводить клин такой величины, чтобы наблюдалось 3...4 по-
лосы. Для измерения искривления этих полос между объективом
и эталонной пластиной натянута нить, помогающая в отсчете вели-
чины стрелки прогиба полос. Пусть ширина полос равна Ь, а стрелка
прогиба ДЬ. Тогда отступление контролируемой поверхности от
плоскости составляет W = ДШ или в линейной мере (ДШ) (Х/2).
Погрешность визуального измерения плоскостности не превышает
0,1£> или 0,05Х.
Светофильтр 3, выделяющий зеленую линию ртути (X = 546,1 нм),
включается в ход лучей в том случае, когда надо увеличить воздуш-
ный зазор или надо знать точное значение X.
Измерение плоскопараллельности осуществляется в результате
наблюдения колец равного наклона, полученных от поверхностей
контролируемой пластины, при перемещении стола с деталью в го-
ризонтальной плоскости. Для этого включается линза 4, проектиру-
ющая совместно с объективом 6 входной зрачок на контролируемую
пластину, эталонная пластина наклоняется на угол 2...30, а кольца
Наблюдаются на сетке 11 в окуляр 12. Изменение толщины пластины
на где п —показатель преломления материала, вызывает по-
явление или исчезновение в центре картины одного кольца.
Эталонная пластина в некоторых интерферометрах делается
клинообразной. Это позволяет исключить действие пучка света,
3 С. В. Кулагин и др.
65
Рис. 4.2.т Интерферометр для
контроля выпуклых сфер
отражённого ot бе верхней йоверк-
ности, и несколько повысить контраст
полос. Действие нижней поверхности
контролируемой детали во многих слу-
чаях можно значительно уменьшить,
смазав ее вазелином с сажей.
Рассмотренная схема иитерферо-
скопа Физо лежит в основе всех ин-
терферометров для контроля плоско-
стности (ИТ-40; ИТ-87; ИТ-70 и др.).
В новых приборах для уменьшения
погрешности отсчета вводятся допол-
нительные визуальные приспособления
или применяется фотоэлектрическая
регистрация кривизны полос. Особо
высокая точность (~0,001А.) достигнута
на таких приборах при применении
многолучевой интерференции.
Интерферометр КЮ-153 (рис. 4.2)
предназначен для контроля выпуклых
сфер радиусом 8...55 мм. Наибольшее
относительное отверстие участка по-
верхности, контролируемого за один
прием, составляет 1 :0,8. Точность изме-
рения радиусов кривизны до 0,5 кольца,
а местных ошибок до 0,1 полосы.
Свет лампы накаливания 1 отражается от зеркала 2 и конденсо-
ром 3 собирается на круглой диафрагме 5. Зеленый светофильтр 4
выделяет узкий спектральный интервал., необходимый для наблюде-
ния интерференции при значительной разности хода.
Далее свет через полупрозрачную пластину 6 попадает в объек-
тив 7 и направляется в точку О на оптической оси. За объективом
установлен сменный мениск 8 с верхней эталонной сферой и контро-
лируемая линза 9. Интерференционная картина полос равной тол-
щины, локализованная на сфере линзы 9, наблюдается в телескопи-
ческую лупу, которая состоит из объектива 10 и окуляра 11.
Исходная настройка прибора заключается в совмещении с точ-
кой О центров кривизны эталонной сферы мениска и сферы линзы.
Такая настройка означает одинаковый по толщине воздушный зазор
между сферами и одинаковую разность хода отраженных от сфер
лучей. При этом наблюдается бесконечно широкая полоса.
Для исходной настройки обычно используется линза с радиусом,
близким к номинальному. Такая линза является образцовой и с ее
сферой сравниваются поверхности других линз.
При установке на опорное кольцо линзы, радиус которой отли-
чается от образцового, наблюдаются кольца. Их число, как и в ме-
тоде пробного стекла, является мерой отступления измеряемого
радиуса от образцового, а искажение их формы характеризует ме-
стные ошибки.
66
Рис. 4.3. Принципиальные схемы интерферометров для контроля асферических
поверхностен:
а — метод анаберрациоииых точек; б — компенсационный метод
Если отступление радиуса линзы меньше одного кольца, то необ-
ходимо вводить полосы конечной ширины (3...4 полосы) и измерять
их искривление. Эта настройка означает клинообразность воздуш-
ного зазора и достигается смещением опорного кольца с линзой
перпендикулярно оси на несколько микрометров.
В комплект прибора входит пять сменных менисков. Они обеспе-
чивают измерение сфер различных радиусов при незначительных
изменениях толщины воздушного зазора.
Практика измерений на приборе КЮ-153 показала, что наиболь-
шие трудности возникают при контроле крутых сфер (диаметр линзы
равен или больше радиуса сферы). Расчет показывает, что такая
сфера должна быть установлена на опорном кольце так, чтобы ее
боковое смещение не превышало 0,5 мкм, а осевое —2 мкм.
В серийном производстве применяются также интерферометр
КЮ-210 для проверки выпуклых сфер с радиусами от 15 до 330 мм
и вогнутых от 80 до 330 мм и КЮ-211 для контроля вогнутых сфер
с радиусами от 18 до 68 мм.
По аналогичному принципу устроен интерферометр ИТ-67, поз-
воляющий контролировать не сферы, а асферические поверхности,
Сложная интерференционная картина ограничивает возможности
метода, не позволяет измерять асферические поверхности со значи-
тельными отступлениями от сферы. Для прибора ИТ-67 отступление
измеряемого профиля от сферы ближайшего радиуса не превышает
5 мкм на 1 мм дуги поверхности.
Интерферометры для контроля асферических поверхностей.
На рис. 4.3 показаны две принципиальные схемы интерферометров.
В обоих случаях используется видоизмененная схема интерферо-
метра Майкельсона, включающая в одну из ветвей автоколлима-
Ционную систему с контролируемой поверхностью.
Первая схема основана на использовании анаберрационных
точек (фокусов) отражающих асферических поверхностей второго
порядка. На рис. 4.3, а показана схема интерферометра для кон-
троля диафрагмы 2 (входной зрачок), объектива коллиматора 3,
светоделителя высококачественного объектива 5, контролируемой
а* 07
линзы 6, эталонного сферического зеркала 7, эталонного плоского
зеркала 8 и объектива выходного коллиматора 9. В выходном зрачке
10 установлен глаз наблюдателя.
Анаберрационность фокусов Ft и F2 асферической поверхности
означает, что точечный источник света, помещенный в точку Flt
изображается идеально в другом фокусе F2, который является
центром сферического волнового фронта.
Если испытуемая поверхность имеет идеальную форму, а центр
кривизны С сферического зеркала 7 и задний фокус F' объектива 5
совмещены с геометрическими фокусами Fr и F2, то волновой фронт,
выходящий из рабочей ветви, должен быть плоским. Плоская волна
из рабочей ветви интерферирует с плоской эталонной волной и обра-
зуется картина полос равной толщины. По виду этих полос судят
о качестве асферической поверхности.
При незначительных схемных перестройках прибор позволяет
контролировать выпуклые и вогнутые эллиптические, гиперболи-
ческие и параболические поверхности диаметром до 250 мм с отно-
сительным отверстием 1:1,3с точностью до 0,2 мкм.
В приборе предусмотрены юстировочные повороты и перемещения
основного блока (линзы 6 и зеркала 7), зеркала 8 и поступательное
перемещение объектива 5.
Вторая схема (рис. 4.3, б) основана на компенсационном методе,
суть которого заключается в следующем. В рабочей ветви интер-
ферометра установлен компенсационный объектив 5. С его помощью
плоский волновой фронт преобразуется в волновой фронт, который
совпадает с теоретическим профилем контролируемой поверхности.
После отражения и вторичного прохождения через компенсационный
объектив волновой фронт остается плоским. Остальная часть интер-
ферометра аналогична предыдущей схеме и в пояснениях не ну-
ждается.
Совпадение скомпенсированного волнового фронта и профиля
Контролируемой поверхности возможно в том случае, если все лучи,
Выходящие из компенсационного объектива, совпадают с нормалями
к поверхности. Другими словами, это совпадение соблюдается
тогда, когда сферическая аберрация объектива равна продольной
аберрации нормали к контролируемой поверхности.
Интерферометр с компенсатором дает возможность контролиро-
вать асферические поверхности любого порядка. Даже в тех слу-
чаях, когда не удается подобрать компенсационный объектив, даю-
щий волновой фронт, полностью совпадающий с профилем поверх-
ности, можно заранее рассчитать вид интерференционной картины
при имеющемся объективе и сравнить ее с реальной картиной. Отли-
чие картин укажет ошибки асферической поверхности.
4.2. АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЕ И ТЕНЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Автоколлимационные приборы применяются для бес-
контактного измерения радиусов сфер в пределах от 37,5 до 5000 мм
с точностью 0,005...0,01 %,
68
Рис. 4.4. Схема автоколлнмацноннон установки
Во ВНИИ метрологической службы Государственного комитета
СССР по стандартом разработана установка для измерения радиусов
пробных стекол в пределах 37,5... 1000 мм. В ЛОМО подобная уста-
новка имеет пределы 10...6000 мм. В этих установках для наведения
иа центр кривизны сферы и на ее поверхность используется авто-
коллимационный микроскоп.
Оптическая схема автоколлимационной установки показана
на рис. 4.4. Основу установки составляет измерительная машина,
относящаяся по принципу действия к компараторам.
По направляющим станины машины перемещается передняя
бабка 1 с визирным 3 и отсчетным 2 микроскопами. Визирный микро-
скоп снабжен автоколлимационным окуляром, а отсчетный — спи-
ральным окулярным микрометром. Заднюю бабку 5 закрепляют на
направляющих и в ее держатель устанавливают измеряемую деталь.
На схеме видно, что радиус кривизны определяется как разность
отсчетов по горизонтальной шкале 6 станины с помощью отсчетного
микроскопа 2 при наведении визирного микроскопа 3 на резкое авто-
коллимационное изображение сетки и на резкое изображение по-
верхности стекла.
Пределы измерения определяются типом применяемой измери-
тельной машины: ИЗМ-1 (до 1000 мм), ИЗМ-2 (до 2000 мм), ИЗМ-4
(до 4000 мм) и ИЗМ-6 (до 6000 мм).
Теневые методы применяются для бесконтактного измерения
формы поверхностей и аберраций оптических систем. Они обладают
высокой чувствительностью, являются в большинстве случаев каче-
ственными, но при некоторых усложнениях превращаются в коли-
чественные. Схема теневой установки для измерения радиусов'
кривизны вогнутых сфер показана на рис. 4.5.
Собственно теневой прибор состоит из светящейся точки или
Щели 2 и ножа 3, непосредственно за которым находится глаз или
вспомогательная наблюдательная система, сфокусированные на
контролируемую поверхность 1.
Теневой прибор имеет возможность перемещаться, а его рассто-
яние L до сферы точно измеряется с помощью калибров и микро-
метренного механизма.
Измерение радиуса сводится к фокусировке теневого прибора
в положение, при котором исчезает рельеф у теневой картины.
Как известно, перекрывание ножом части пучка перед изображением
09
щели или после него наблю-
датель видит как неодинако-
вую яркость частей сферы.
Перекрывание ножом самого
изображения дает равномер-
ную яркость всей сферы. Радиус
вычисляется по формуле
Я - L + А,
Рис. 4.5. Схематеневой'установки где поправка А определяется
выражением A ~ l2HR.
В сфокусированном положении теневого прибора может наблю-
даться некоторый яркостный рельеф в отдельных участках сферы.
Эта картина вызывается местными ошибками сферы и почти не отра-
жается на качестве фокусировки.
Теневые приборы среднего качества при операторе средней квали-
фикации обеспечивают измерение с погрешностью
D2
AR ± 0,2— мкм,
где D — диаметр измеряемой вогнутой поверхности радиуса R.
Теневые приборы рекомендуется использовать для измерения
радиусов крупногабаритных деталей с большим значением R
(больше 5 м).
4.3. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧИСТОТЫ ОБРАБОТКИ
1. Контроль шероховатости поверхностей
Под шероховатостью поверхности согласно ГОСТ 2789—73
Понимается совокупность неровностей с относительно малыми ша-
гами, образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пре-
делах участка, длина которого выбирается в зависимости от харак-
тера поверхности и равна базовой длине.
Оценка шероховатости осуществляется качественным и количе-
ственным методами. Качественный метод оценки основан на сравне-
нии обработанной поверхности с образцами шероховатости. Коли-
чественный метод оценки основан на измерении поверхностей спе-
циальными приборами.
Бесконтактные измерения проводятся на оптических приборах:
двойных микроскопах, мнкроинтерферометрах и растровом изме-
рительном микроскопе.
Двойной микроскоп основан на принципе светового сечения,
предложенного акад. В. П. Линником в 1929 г. Метод светового
сечения состоит в следующем. Горизонтально расположенная щель 3
(рис. 4.6), освещенная с помощью конденсора 2 лампой 1, проекти-
руется микрообъективом 4 на поверхность проверяемой детали 5.
В местах, где на поверхности имеются неровности, изображение
щели искривляется, образуя световое сечение профиля. Изображе-
ние щели рассматривается в микроскоп, состояньиц из обцектива 6
70
/
Рис. 4.в. Оптическая схема двойного микроскопа МИС-11
и винтового окулярного микрометра 7. Изображение щели в увели-
ченном масштабе повторяет профиль поверхности в выбранном
сечении. Величина искривления изображения щели Н пропорци-
ональна высоте h неровностей и связана с ней соотношением
Н - 2/z|3 sin <р,
где |3 — увеличение микрообъектива 6; ф — угол наклона наблюда-
тельного микроскопа.
В двойном микроскопе МИС-11 оптические оси осветительного
и наблюдательного микроскопов расположены под углом 45° к вер-
тикали. Тогда
h~0,7-?-.
Р
Величину Н измеряют с помощью винтового окулярного микро-
метра М0В-1-15х.
Согласно ГОСТ 9847—79 приборы светового сечения должны
выпускаться под шифром ПСС, а родственные им приборы теневого
сечения — под шифром ПТС. Характеристики двойных микроскопов
ПСС и ПТС в зависимости от применяемых объективов приведены
в табл. 4.1.
Отечественной промышленностью освоен выпуск нового двой-
ного микроскопа ПСС-2, который по своим техническим параметрам
и метрологическим свойствам превосходит МИС-11 и иностранные
Таблица 4.1
Апертура объектива — Поле зрения прибора в мм Рабочий участок поля зрения прибора в мм Диапазон параметров R измерения пах и в мкм
не менее от ДО
0,03 10 8 40 320
0,11 3,5 2,5 10 40
0,30 1,0 0,8 4 10
0,40 1,0 0,8 1,6 4
0,45 0,3 0,25 0,5 1,6
71
образцы. В ППС-2 применены высококачественные планахроматы
с увеличенным полем зрения,' предусмотрено изменение ширины
светящейся щели или ее замена темным штрихом на светлом поле,
использован новый винтовой окулярный микрометр с внутренним
отсчетом типа МОВ-5-15х. Каждая пара микрообъективов закре-
плена в специальной оправе и легко заменяется без дополнительной
юстировки.
Микроинтерферометры предназначены для измерения шерохова-
тости поверхностей высоких классов (10... 14). Они применяются
также при измерении глубины и профиля штрихов, высоты ступенек,
толщины пленок и т. д.
Основным прибором этой группы является МИИ-4. По своей
оптической схеме (рис. 4.7, а) МИИ-4 представляет собой сочетание
интерферометра Майкельсона с микроскопом. Нить лампы 1 кон-
денсором 2 с междулинзовым светофильтром проектируется в пло-
скость, апертурной диафрагмы 3. Объектив 5 с помощью полупро-
зрачной плоскопараллельной пластины 8 переносит изображение
диафрагмы 3 в плоскости входных зрачков двух одинаковых микро-
объективов 7 и 10, а изображение полевой диафрагмы 4 — в бес-
конечность. Микрообъективы 7 и 10 дают действительные изображе-
ния полевой диафрагмы соответственно на проверяемой поверх-
ности 6 и на плоском эталонном зеркале 11. Плоскопараллельная
компенсационная пластина 9 выравнивает длины хода в стекле двух
интерферирующих пучков лучей.
Изображение проверяемой поверхности и интерференционные
полосы равной толщины, локализованные на ней, переносятся объек-
тивами 7, 10 и 13 и зеркалом 14 в плоскость сеток винтового окуляр-
ного микрометра 12. Строго говоря, здесь одновременно наблюдается
изображение зеркала 11, но оно обычно настолько чистое, что не
мешает наблюдению основных картин.
Интерференционные полосы в большом масштабе воспроизводят
профиль контролируемого участка поверхности. Ширину и напра-
вление полос можно изменять, смещая объектив 10 перпендику-
лярно оптической оси и поворачивая его в смещенном положении
вокруг неподвижной оптической оси системы. Указанной настройкой
добиваются перпендикулярности интерференционных полос следам
обработки поверхности.
Величину искривления полос оценивают на глаз или измеряют
окулярным микрометром.
Высоту или глубину неровности вычисляют по формуле
где К —средняя длина волны используемого участка спектра; а —
величина искривления полосы; b —ширина полосы.
Если неровность имеет профиль ступеньки, то интерференцион-
ные полосы претерпевают разрыв. Для измерения высоты такой
неровности светофильтр выключают и наблюдают полосы в белом
свете. Как указывалось в разд. 2.1, выделяющаяся среди цветных
72
Рис. 4.7. Микроинтерферометр МИИ-4:
а — внешний вид; б — оптическая схема
полос одна ахроматическая полоса используеся в качестве индекса,
по которому отсчитывают смещение одной системы полос относи-
тельно другой.
На рис. 4.7, б показан внешний вид микроинтерферометра МИИ-4.
Основные требования к микроинтерферометрам установлены
ГОСТ 9847—79. Главное из них —чувствительность прибора. Она
должна быть не хуже 0,05 полосы. За чувствительность прибора
принята величина изгиба интерференционной полосы на ступени,
напыленной на стеклянной плоской пластине, выраженная в долях
полосы, которая может быть видима в поле зрения прибора и изме-
рена с помощью отсчетного устройства.
Поверхности с шероховатостью 8...9 классов измеряются двой-
ными микроскопами с большой ошибкой (до 50 % от измеряемой
величины), а микроинтерферометры здесь не дают качественной
картины.
Для заполнения этого пробела разработан новый растровый
измерительный микроскоп ОРИМ-1, измеряющий шероховатость
8-..11 классов. В приборе измеряется искривление муаровых полос,
вызванное неровностями поверхности.
73
Рис. 4.8. Растровый измерительный
микроскоп ОРИМ-1
Рис. 4.9. Оптическая схема при-
бора для контроля чистоты поли-
рованных поверхностей оптических де-
талей
Если штрихи растров не параллельны друг другу, то возникают
муаровые полосы с шагом т = t/Q, где t — шаг растра; 0 — малый
угол между растрами.
Смещение растра на один шаг перпендикулярно штрихам вызы-
вает смещение муаровых полос тоже на один шаг, причем шаг муаро-
вых полос значительно больше шага растра.
При местной ошибке поверхности (ее неровности) смещение
муаровых полос имеет локальный характер и наблюдается в виде
их искривления. Искривление полос измеряют окулярным микро-
метром или на экране. Ошибка при измерении 9 класса не превы-
шает 5 %.
На рис. 4.8 показан внешний вид прибора ОРИМ-1.
2. Контроль чистоты поверхностей оптических деталей
Согласно ГОСТ 11141—76 для чистоты полированных
поверхностей оптических деталей, кроме шероховатости поверх-
ности, установлены 12 классов: 3 класса чистоты (0—10, 0—20 и
0—40) для поверхностей деталей, расположенных в плоскости дей-
ствительного изображения или в плоскости предмета оптической
системы, и 9 классов (I...IX) чистоты для поверхностей деталей,
расположенных вне плоскости изображения.
Для первых трех классов чистота поверхности нормируется
по трем зонам, ограниченным окружностями в V3 и 2/3 светового
диаметра. В центральной зоне царапины, точки, пузыри и выколки
не допускаются,
74
Подсчет и оценка дефектов по всем зонам на деталях первых
трех классов должны проводиться при помощи лупы с увеличением,
под которым деталь будет рассматриваться в приборе, но не менее 6х,
в косом пучке проходящего или отраженного света на темном фоне.
Для проведения таких измерений разработан прибор. Основную
часть нового прибора составляет широкоапертурный круговой осве-
титель темного поля 1...2 со встроенным в него микроскопом 4...7
(рис. 4.9). Большой диапазон (42...76°) углов падения лучей, осве-
щающих объект 5, круговое освещение и возможность наблюдения
в темном поле с различными увеличениями позволяют уверенно
обнаруживать дефекты размером в доли микрометра при любом их
строении и ориентации.
Прибор работает по принципу построчного просмотра любых
зон поверхности. Для этого предметный стол имеет механизмы про-
дольной и поперечной подач.
ГЛАВА 5
ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА
5.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА
Основными оптическими характеристиками стекла
по ГОСТ 3514—76 являются показатель преломления пе для линии е
спектра ртути (Хе = 546,1 нм) и средняя дисперсия — разность
показателей преломления для линий F' (Кр- = 480,0 нм) и С' (Хс- =
= 643,8 нм) спектра кадмия. В каталогах на оптическое стекло
кроме пе и tip- — пс приводятся другие оптические постоянные:
коэффициенты дисперсии, частные дисперсии, относительные частные
дисперсии и показатели преломления п,. для ряда длин волн, начиная
от ультрафиолетовой и кончая ближней инфракрасной областью
спектра.
Оптическое стекло должно изготовляться следующих марок:
легкие кроны (ЛК), фосфатные кроны (ФК), кроны (К), баритовые
кроны (БК), тяжелые кроны (ТК), сверхтяжелые кроны (СТК),
кронфлинты (КФ), баритовые флинты (БФ), тяжелые баритовые
флинты (ТБФ), легкие флинты (ЛФ), флинты (Ф), тяжелые флинты
(ТФ) и особые флинты (ОФ).
Оптическое бесцветное стекло разделяется на категории и классы
по следующим показателям качества:
1) допускаемым отклонениям пе и пр, — пс от значений, уста-
новленных для стекла каждой марки;
2) однородности партии заготовок стекла по пе и Пр- — пс‘,
3) оптической однородности;
4) двойному лучепреломлению;
5) коэффициенту светопоглощения;
6) бессвильности;
7) пузырности.
75
Рис. 5.1. Измерение предель-
ного угла выхода
№. РЕФРАКТОМЕТРЫ
В лабораторной и производ-
ственной практике нашел широкое при-
менение рефрактометр ИРФ-23 типа
Пульфриха. Принцип действия его осно-
ван на измерении предельного угла
выхода лучей из системы, составленной
из испытуемого образца стекла и приз-
мы с измеренным показателем преломле-
ния NK (рис. 5.1).
Лучи света, скользящие вдоль пло-
скости соприкосновения образца и призмы
рефрактометра, входят в призму под углом полного внутреннего
отражения и выходят под предельным углом выхода i. Показатель
преломления п-,. испытуемого образца стекла вычисляется по
формуле:
пк = V — sln2i.
Рассмотренный метод измерения на рефрактометре показателей
преломления стекла с точностью ±1-10“4 и дисперсий с точностью
±2-10"5 регламентирован ГОСТ 3516—74.
На рис. 5.2, а изображена оптическая схема рефрактометра
ИРФ-23. Свет от источника линейчатого спектра 1 с помощью осве-
тительной системы 2 направляется вдоль горизонтальной грани
измерительной призмы 7. На эту грань устанавливают образец,
имеющий две плоские взаимноперпендикулярные грани с точностью
до 10'. Оптический контакт между образцом и призмой обеспечи-
вается тонким слоем жидкости с показателем преломления не меньше,
чем у образца. Клин между образцом и призмой не должен превы-
шать двух интерференционных полос.
Граница светотени рассматривается через зрительную трубу,
состоящую из объектива S, призмы-9 и окуляра 13. Зрительная
труба может поворачиваться относительно оси И. В фокальной
плоскости окуляра 13 имеется сетка с перекрестием нитей 10,
которое при измерении устанавливается на границу свето-
тени.
Величина предельного угла отсчитывается по лимбу 12, жестко
связанному со зрительной трубой. Шкала лимба освещается источ-
ником 16 через светофильтр 17 и конденсор 18 и наблюдается в от-
счетный микроскоп небольшого увеличения, состоящий из объектива
20, призм 3 и спирального окулярного микрометра 19.
В приборе имеется второй источник линейчатого спектра 5.
Переключение источников осуществляется введением призменно-
линзовой системы 4, 6, которая перекрывает источник 1 и напра-
вляет на призму 7 свет от источника 5.
Для контроля правильности установки призмы 7 и получения
нулевого отсчета зрительная труба перестраивается в автоколлима-
тор. Перекрестие сетки 10 освещается от источника 16 с помощью
призм 15, линзы 14 и призмы подсветки И.
76
Рис. 5.2. Рефрактометр ИРФ-23:
а — оптическая схема; б — внешний вид
При измерениях на рефрактометре применяются натриевая лампа
(желтая линия D), гелиевая разрядная трубка (желтая линия d),
водородная разрядная трубка (красная линия С, голубая линия F)
и ртутно-кадмиевая лампа (фиолетовая линия g, зеленая линия е
и линии F' и С').
На рис. 5.2, б показан внешний вид рефрактометра ИРФ-23.
Рефрактометр ИРФ-25 мало отличается от ИРФ-23, но измеряет
показатели преломления с точностью до ±1-10'5.
Показатели преломления и дисперсию можно измерить в прин-
ципе любым интерферометром, но практическое применение полу-
чили двухлучевые интерферометры, в которых измеряются разности
показателей преломления двух веществ, помещенных в интерфери-
рующие пучки.
Промышленность выпускает интерферометры ИТР-1 и ИТР-2,
измеряющие показатели преломления твердых, жидких и газообраз-
ных объектов сравнительным методом.
На рис. 5.3 показана оптическая схема ИТР-1, основу которой
составляет схема Релея, где интерференционная картина возникает
в результате дифракции света на двух щелях.
Источник света 1 конденсором 2 проектируется в плоскость
первичной щели 3, расположенной в фокальной плоскости объек-
тива 4. За объективом 4 в параллельных пучках установлены две
Щели 5. Между окнами 6 и 8 в верхней части пучка находятся жидко-
стные кюветы 7 или другие объекты измерения.
В пучках лучей, проходящих исследуемое и эталонное вещество,
расположены две плоскопараллельные пластины: неподвижная 9
77
и подвижная компенсационная 10, наклоняемая от рычажной пере-
дачи с микровинтом 13. На пути лучей, проходящих в нижней части
схемы по воздуху, находится пластина 11, разграничивающая две
интерференционные картины.
Эти две картины наблюдаются в фокальной плоскости объек-
тива 12 с помощью окуляра большого увеличения, состоящего из
цилиндрической линзы 15 и глазной линзы 16.
Неподвижная интерференционная картина, образованная ниж-
ними пучками, используется как нониальный индекс. Верхние
пучки, пройдя объекты с различными показателями преломления,
приобретают разность хода
Д = (пв — nd) I,
где пи и пэ — показатели преломления исследуемого и эталонного
объектов; I — длина объектов.
В результате этого верхняя интерференционная картина сме-
щается относительно нижней. Наклоном компенсационной пластины
10 эту картину возвращают назад до совмещения с неподвижной.
Отсчет по барабану микромеханизма компенсатора с помощью лупы
14 определяет разность хода А, а через нее и разность показателей
преломления.
Интерферометр ИТР-1 отличается малой чувствительностью
к внешним воздействиям: деформации прибора приводят к смещению
обеих картин, но не изменяют их взаимного положения. В ИТР-1
достигается повышенная точность совмещения картин, равная
1/30... 1/40 ширины полосы, что объясняется применением нониаль-
ного способа.
Основное отличие интерферометра ИТР-2 от ИТР-1 состоит в том,
что он построен по автоколлимационной схеме и поэтому меньше
по габаритам.
Рис. 5.3. Оптическая схема интерферометра ИТР-1
78
Двухлучевые интерферометры позволяют измерять показатель
преломления сравниваемых образцов стекла одной марки с точ-
ностью ±1-1(Г5.
5.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ
ОДНОРОДНОСТИ, показателя светопоглощения
и двойного лучепреломления
По ГОСТ 3518—80 оптическая однородность стекла изме-
ряется на коллиматорной установке. Ее схема приведена
на рис. 5.4. Установка состоит из коллиматора и зрительной трубы,
снабженных объективами 3 и 6. Их фокусные расстояния не менее
600 мм, а относительные отверстия не более 1 : 9. Бифокальной
плоскости объектива коллиматора установлена штриховая мира 2,
освещенная лампочкой накаливания. Для работы в монохромати-
ческом свете в ход лучей в осветителе включаются зеленые свето-
фильтры. Коллиматор снабжен пятью сменными штриховыми ми-
рами с № 1 по № 5 и тремя точечными диафрагмами диаметром от
0,007 до 0,1 мм. Зрительная труба снабжена сменными окулярами 7
с увеличением 5х, 10х и 25х.
Испытуемый образец в виде круглого диска или прямоугольной
плитки с полированными с двух сторон гранями и с клиновидностью
не более 2' устанавливается на столик 5 в параллельный пучок лучей.
Диаметр диафрагмы 4, установленной перед коллиматором, должен
быть равен размеру проверяемого образца.
Стекло со шлифованными поверхностями просматривают с на-
кладными пластинами, смоченными иммерсионной жидкостью.
Штриховая мира для коллиматора подбирается в зависимости
от диаметра проверяемого образца. При диаметре диафрагмы, равном
диаметру образца, измеряют наименьший угол разрешения ср кол-
лиматорной установки с испытуемым образцом и угол фактического
разрешения ср1 установки без образца. По отношению cp/cpj уста-
навливают категорию стекла.
Коллиматорная установка считается пригодной для работы, если
угол срт отличается от расчетного теоретического угла ср0 не более
чем на один элемент миры. Теоретический угол разрешения рас-
считывают по формуле
120"
ФО — £) »
где D — диаметр диафрагмы коллиматора в мм, соответствующий
диаметру светового отверстия детали.
Коллиматор Зрительная труба.
Рис. 5.4. Схема коллиматорной установки для измерения оптической однородности
79
Рис. 5.5. Схема фотометрической установки для измерения светопоглощения стекла
Для стекол первой категории, кроме определения угла разреше-
ния, который должен быть равен теоретическому углу разрешения,
требуется просматривать дифракционное изображение точечной
миры. Для просмотра используется микроскоп с увеличением 100х,
устанавливаемый вместо окуляра. Дифракционное изображение
точки должно состоять из светлого круглого пятна, окруженного
концентрическими кольцами без разрывов и хвостов.
ГОСТ 3520—74 устанавливает метод измерения показателя свето-
поглощения оптического стекла с точностью ±5-10"4. Показателем
светопоглощения К называется отношение потока белого света,
поглощенного в слое стекла толщиной 1 см, к потоку, вступившему
в этот слой:
к=т{21п[1-(;гг)!]-1,4
где / — длина испытуемого образца стекла в см; п — показатель
преломления стекла для линии D; т — коэффициент пропускания
образца, равный отношению светового потока Flt прошедшего через
образец, к падающему на него световому потоку F.
Измерение т можно проводить на любом фотометре, обеспечива-
ющем точность ±0,5 %, что при длине образца 10 см соответствует
точности вычисления коэффициента светопоглощения, равной
±0,05 %, или ±0,0005.
Образцы стекла для измерения должны иметь форму параллеле-
пипеда 100 х 25 х 25 мм, клиновидность торцев не должна пре-
вышать 2J. Длина каждого образца измеряется с точностью ±0,5 мм.
ГОСТ рекомендует измерять коэффициент пропускания с по-
мощью объективного фотометра прямого отсчета (см. разд. 7.4),
схема которого показана на рис. 5.5.
Лампа накаливания 1, работающая в стабилизированном режиме,
через конденсор 2 освещает диафрагму 4, которая установлена
в фокусе объектива 5. Перед диафрагмой находится зеленый свето-
фильтр 3. Около объектива 5 расположена ирисовая диафрагма 6,
регулирующая ширину светового пучка.
Дополнительная линза 7 изображает диафрагму 4 в своем заднем
фокусе. Испытуемый образец стекла 8 устанавливают на столике
так, чтобы отраженный от него свет не попадал в линзу 7.
В качестве приемника света используется фотометрический шар 10
диаметром ~100 мм, выкрашенный внутри белой матовой краской.
В стенку шара встроен селеновый фотоэлемент 9 площадью 10 см2,
80
имеющий в центре отверстие диаметром около 15 мм. Для измерения
фототоков рекомендуется микроамперметр 11 с теневой стрелкой
типа М-91 с пределами 0...10 мА.
В комплект прибора входят четыре нейтральных образца свето-
пропускания (т — 0,9; 0,8; 0,7; 0,6), снабженных паспортом точных
значений т.
Измерение т на фотометре прямого отсчета заключается в изме-
рении двух фототоков: с образцом стекла и без него. Между фото-
током и световым потоком существует линейная зависимость, поэтому
т находят как отношение указанных фототоков или как отношение
соответствующих показаний микроамперметра.
В заключение по измеренному т и известным I и п по формуле
рассчитывают коэффициент светопоглощения К..
По рассмотренной принципиальной схеме построен промышлен-
ный одноканальный фотометр прямого отсчета ИФ-16, обеспечива-
ющий точность 0,05 % на сантиметр образца. В последние годы по-
явились новые стекла с поглощением меньше 0,05 % на сантиметр,
поэтому возникла потребность в фотометре повышенной точности.
В новом двухканальном фотометре ФМ-94 измеряется разность
фототоков, прошедших через гальванометр. Фототоки соответствуют
двум световым потокам, поступающим на два приемника, предста-
вляющих собой фотометрические шары с селеновыми фотоэлементами.
О^ин поток, неизменный по величине, является потоком сравнения.
Второй поток, прошедший через образец или через градуированный
ослабитель (вращающиеся калиброванные секторы), изменяется ио
величине. Так как разность фототоков на порядок меньше самих
потоков, а в гальванометре используется весь предел измерения,
то надежность измерения малых изменений рабочего потока возра-
стает. Фотометр ФМ-94 характеризуется точностью измерений свето-
поглощения 0,01 % на сантиметр образца.
ГОСТ 3519—80 устанавливает метод измерения двойного луче-
преломления на поляриметре. Двойное лучепреломление в стекле
вызывается напряжениями, возникающими от термических и механи-
ческих воздействий. Двойное лучепреломление заключается в том,
что луч света, входящий в образец стекла, разлагается на два луча —
обыкновенный и необыкновенный, плоскости поляризации которых
взаимно перпендикулярны, а скорости распространения различны.
Для стекол скорость обыкновенного луча v0 меньше скорости ve
необыкновенного, а показатель преломления п0 > пе. Величина
Двойного лучепреломления определяется разностью хода А обыкно-
венного и необыкновенного лучей и выражается в нанометрах на 1 см
'Пути луча в стекле.
Измерение двойного лучепреломления производят на поляри-
метре, принципиальная схема которого приведена на рис. 5.6. Осве-
титель состоит из лампы накаливания 1 и матового стекла 2. Между
поляризатором 3 и анализатором 6 находится образец испытуемого
стекла 4 и компенсационная пластинка 5. Для наблюдения в моно-
хроматическом свете используется зеленый светофильтр 7. Поляри-
затором и анализатором могут служить поляризационные призмы,
81
Рис. 5.6. Схема поляриметра для измерения
двойного лучепреломления
До начала измерений анализатоп и
поляроиды и зеркала из
черного стекла, поставлен-
ные под углом полной по-
ляризации. Компенсатор раз-
ности хода представляет
собой слюдяную пластинку
с разностью хода между обык-
новенными и необыкновенны-
ми лучами Х/4 приХ=550нм.
поляризатор надо скрестить.
Для этого вращают анализатор и устанавливают его на темноту, что
соответствует отсчету по лимбу анализатора 0°. В пучок лучей вводят
образец стекла, причем если последний обладает двойным луче-
преломлением, то при наблюдении в анализатор в середине и по
краям образца видны области просветления, разделенные двумя
темными полосами.
Поворачивают анализатор до тех пор, пока обе темные полосы
не переместятся в середину образца и не сольются в одну полосу
до полного ее потемнения. По лимбу отсчитывают угол поворота
анализатора. Такая методика применяется, если разность хода в об-
разце меньше 100 нм. Если разность хода находится в пределах от
100 до 540 нм, то с помощью зеленого светофильтра устраняют цвето-
вой тон в середине образца, мешающий установке анализатора на
темноту.
Если разность хода больше 540 нм, то при наблюдении без све-
тофильтра видны ряд цветных полос и две ахроматические, черные
или серые, полосы. В этом случае поворот анализатора изменяет
окраску середины образца, но не дает полного затемнения. В ход
лучей необходимо ввести светофильтр, тогда поворот анализатора
приведет к перемещению полос. Отсчитывают угол поворота анали-
затора, соответствующий максимальному потемнению в середине
образца, затем, установив анализатор на 0° и заметив без фильтра
положение ахроматической полосы, вновь вводят фильтр и подсчиты-
вают число темных полос N, расположенных между ахроматической
полосой и серединой образца.
По результатам измерений вычисляют разность хода
д = з 180;V + 9
где 0 — угол поворота анализатора в градусах;| W — число
темных полос между ахроматической полосой и середи-
ной образца; I — толщина образца в направлении просмотра
в см.
Отечественной промышленностью выпускаются полярископы-по-
ляриметры ПКС-56 и ПКС-125. Они построены по принципиальной
схеме, приведенной на рис. 5.6, и обеспечивают высокую точность
измерения двойного лучепреломления (до ±3 нм) на всей толщине
образца.
82
ГЛАВА 6
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Спектральные приборы широко применяются для анализа состава
вещества путем измерения спектрального состава (спектра) излу-
чения, испускаемого или поглощаемого веществом. Спектральный
прибор измеряет и регистрирует спектральный состав излучения,
т. е. зависимость интенсивности излучения от длины волны
(рис. 6.1).
Принцип работы оптического спектрального прибора основан
на упорядоченном расположении в пространстве излучения различ-
ных длин волн. Это достигается с помощью дисперсионных или ин-
терференционных элементов, используемых в спектральном приборе.
6.1. ВИДЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Спектральным анализом называют физический метод
анализа химического состава вещества, основанный на измерении и
последующей расшифровке спектров испускания, поглощения или
рассеяния вещества. Спектры испускаемого, поглощаемого или рас-
сеиваемого веществом излучения содержат богатую информацию
об атомно-молекулярном составе вещества, так как поглощение,
испускание и иногда рассеяние происходит за счет взаимодействия
света с веществом на атомно-молекулярном уровне.
Наиболее распространены следующие виды спектрального ана-
лиза: эмиссионный, абсорбционный, люминесцентный и комбина-
ционный (рис. 6.2).
Эмиссионный спектральный анализ (рис. 6.2, а) основан на реги-
страции спектра испускания вещества. Этот метод обычно исполь-
зуется для анализа атомного состава вещества. Для этого пробу
исследуемого вещества вводят в электрическую дугу или искру, в ко-
торой пары вещества нагреваются до температуры в несколько
тысяч градусов и испускают излучение, спектр которого определяет
атомарный состав вещества. Этот метод широко применяется для
количественного анализа состава многокомпонентных сплавов в ме-
таллургии. Спектральный прибор, предназначенный для эмиссион-
ного анализа, обычно снабжается устройством для возбуждения из-
лучения (электрическая искра или дуга, а иногда — импульсный
лазер для быстрого испарения и нагрева пробы) и оптической си-
стемой сбора испускаемого излучения.
Абсорбционный спектральный анализ (рис. 6.2, б) использует
спектры поглощения (абсорбции) вещества. Этот метод применяется
главным образом для анализа молекулярного состава в инфракрас-
ной области спектра, где лежат основные линии поглощения моле-
кул. Через исследуемое вещество пропускается пучок света, причем
Часть световой энергии поглощается веществом, и в результате
в спектре пропущенного излучения появляются полосы поглощения.
По положению и интенсивности полос поглощения определяют со-
став и строение исследуемого вещества.
83
Спектраль-
ный
прибор
Р/Х)- интенсивность
излучения
Вход-
азлучение
— Выход-
информация
Л- дли на волны
излучения
Рис. 6.1. Формирование сигнала в спектральном приборе
Источник
Спектр
испускания
Л
а)
излучения
спектр погло-
щения Спектр
источника
5)
Источник
Возбуждения
Спектр
люминесценции
Возбуждение
Источник
монохроматического
Спектр
комбинационного
излучения
рассеяния
Возбуждение
Рис. 6.2. Виды спектрального анализа:
а — эмиссионный; б — абсорбционный; в — люминесцентный; г — комбинационный
84
Люминесцентный спектральный анализ (рис. 6.2, в) основан на
способности некоторых веществ светиться при облучении их возбу-
ждающим излучением, т. е. излучать поглощенный свет. В про-
цессе этого излучения происходит изменение длины волны излуче-
ния, причем испускаемое люминесцентное излучение имеет спектр,
характерный для данного облучаемого вещества.
В комбинационном спектральном анализе (рис. 6.2, г) исполь-
зуется явление комбинационного рассеяния света. Это явление со-
стоит в рассеянии падающего на вещество излучения с изменением
длины волны этого излучения. Изменение длины волны излучения
объясняется тем, что при рассеянии света происходит возбуждение
колебаний молекул, и таким образом часть энергии света расходуется
на возбуждение. В результате длина волны падающего на вещество
излучения с узким спектром (монохроматического излучения) сме-
щается в красную сторону на величину, характерную для рассеива-
ющей свет молекулы. По величине изменения длины волны можно
судить о частотах собственных колебаний молекул. Для получения
спектров комбинационного рассеяния используются специальные
высокоинтенсивные источники монохроматического излучения.
В первых спектральных приборах спектр излучения наблюдался
визуально и они назывались спектроскопами. Позже появились
спектрографы — спектральные приборы, в которых спектр регистри-
ровался фотографически на фотопластинке или фотопленке. С появ-
лением фотоэлектрических детекторов излучения появилась возмож-
ность автоматизировать регистрацию и обработку спектров излучения.
По точности измерения различают качественный, полуколиче-
ственный и количественный спектральный анализ. Качественный
анализ дает возможность определить состав вещества без указания на
количественное соотношение компонентов. При полуколичественном
анализе дается оценка исследуемых компонентов с погрешностью
до 50 %. Количественный анализ дает количественное содержание
определяемых элементов в веществе с точностью, не уступающей,
например, точности методов аналитической химии.
6.2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА
СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
Типовая оптическая схема спектрального прибора пока-
зана на рис. 6.3.
Входная щель 1, освещаемая исследуемым излучением, находится
в фокальной плоскости коллиматорного объектива 2, направляю-
щего лучи в диспергирующее устройство 3. Последнее отклоняет
лучи на различные углы р в зависимости от длины волны излучения X.
Основными диспергирующими элементами в спектральных при-
борах являются призма, дифракционная решетка и эталон Фабри-
Перо. В последнее время вместе с решетками начал применяться ин-
терферометр Майкельсона. Фокусирующий объектив 4 создает в
в своей фокальной плоскости 5 монохроматические изображения
Щели, совокупность которых и образует спектр. Поверхность изоб-
ражения 5 может быть плоской или цилиндрической.
85
3
Рис. 6.3. Оптическая схема спектрального прибора
В некоторых случаях отдельные элементы оптической схемы мо-
гут отсутствовать. Иногда диспергирующий элемент устанавливается
не в параллельных, а в расходящихся или сходящихся пучках лучей.
Тогда отсутствуют соответственно объектив 2 или объектив 4. В при-
борах с вогнутой дифракционной решеткой нет ни коллиматорного,
ни фокусирующего объектива, так как их функции выполняются
самой решеткой. Наконец, может отсутствовать входная щель (бес-
щелевые спектрографы).
Оптическая система спектрального прибора включает также осве-
тительную часть с источником излучения и приемно-регистрирую-
щую часть с приемником лучистой энергии. Осветительная система
обычно представляет собой линзовый или зеркальный конденсор,
проектирующий изображение источника на входную щель колли-
матора. Конденсорные системы бывают большей частью однолинзо-
вые и трехлинзовые. В качестве однолинзовых конденсорных систем
используются сферические, цилиндрические и сфероцилиндрические
линзы. Недостаток этого способа освещения — неравномерность
освещения щели по высоте, поэтому однолинзовые системы исполь-
зуются при качественном спектральном анализе.
Более широкое распространение получила трехлинзовая конден-
сорная система (рис. 6.4), которую применяют в тех случаях, когда
источник света обладает неравномерной яркостью. Источник излу-
чения 1 линзой 2 проектируется на линзу 4, перед которой установ-
лена диафрагма 3. Назначение линзы 4 — дать изображение линзы 2
на щели 6, равномерно ее освещая. Для устранения диафрагмиро-
вания внутри спектрального прибора служит активиньетирующая
линза 5, расположенная непосредственно перед щелью 6 и дающая
Рис. 6.4. Оптическая схема трехлин-
зовой конденсорной системы
изображение диафрагмы 3 на объек-
тиве коллиматора. Трехлинзовая
конденсорная система применяет-
ся при количественном спектраль-
ном анализе, где необходимо
соблюдение условия равномер-
ного освещения щели и ее изо-
бражения по всей площади.
Для инфракрасной области
спектра, а в последние годы
86
также для видимой и ультрафиолетовой областей применяют
зеркальные осветительные системы.
Схема приемной части прибора определяется методом регистра-
ции спектра.При визуальной регистрации приемная часть представ-
ляет собою зрительную трубу, при фотографической — фотокамеру.
При фотоэлектрическом методе регистрации используются одна или
несколько щелей, за которыми располагаются приемники излучения.
Возникающий в фотоприемнике фототок, пропорциональный интен-
сивности падающего на него излучения, подается на усилитель и из-
меряется стрелочным прибором или записывается самописцем.
6.3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Спектральные приборы различаются: 1) по способу реги-
страции спектра (визуальный, фотографический, фотоэлектриче-
ский); 2) по способу спектрального разложения излучения (призмен-
ные, дифракционные, интерференционные); 3) по рабочей области
спектра (вакуумная, ультрафиолетовая, видимая, инфракрасная);
4) по назначению (приборы для эмиссионного спектрального анализа,
для исследования комбинационного рассеяния и т. д.).
Конструкция и схема спектрального прибора определяются глав-
ным образом способом регистрации. В приборах с фотографической
регистрацией (спектрографе) в фокальной плоскости объектива раз-
мещается фотопластина или фотопленка, на которой одновременно
регистрируется вся исследуемая область спектра.
Длинноволновая граница работы спектрографов (~1 мкм) опре-
деляется пределом спектральной чувствительности современных
фотоэмульсий.
Приборы для визуального наблюдения спектров (спектроскопы)
могут использоваться лишь в области длин волн 380 ... 760 нм, при-
чем на краях этой области применение их малоэффективно ввиду
слабой чувствительности глаза в фиолетовой и красной частях спектра.
Спектральные приборы с фотоэлектрическими или тепловыми
приемниками лучистой энергии называют спектрометрами или спек-
трофотометрами. Последние служат для абсорбционного количест-
венного анализа и являются двухлучевыми приборами. В спектрофо-
тометре производится сравнение двух монохроматических пучков,
один из которых проходит через исследуемое вещество, а другой —
через эталон. Основная часть спектрометра или спектрофотометра,
включающая входную 'щель, коллиматорный и фокусирующий
объективы, диспергирующее устройство и выходную щель, предста-
вляет собой монохроматор.
Монохроматор выделяет одновременно только одну спектральную
линию или один достаточно узкий спектральный интервал, поэтому
Для проведения измерений в широком участке спектра необходимо
последовательное изменение длины волны излучения, направляемого
на выходную щель (сканирование спектра). Это осуществляется раз-
воротом диспергирующего устройства (призмы или дифракционной
рещетки) относительно падающего пучка лучей.
87
Кроме призменных и дифракционных существует обширный класс
приборов, действие которых основано на интерференции света. К ним
относятся интерферометр Фабри-Перо, Фурье-спектрометр.
6.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Увеличение оптической системы. В спектральном приборе
входная щель расположена вертикально. Горизонтальная плоскость
симметрии, перпендикулярная направлению щели, называется мери-
диональной плоскостью. Вертикальная плоскость, содержащая ось
щели, будет сагиттальной.
Пусть ширина пучка, входящего в диспергирующее устройство
(призму, дифракционную решетку), в меридиональном сечении равна
а. В общем случае из диспергирующего устройства 3 выходят моно-
хроматические пучки шириной а' Ф а (см. рис. 6.3). В этом сечении
призма или решетка действуют как телескопическая система с угло-
вым увеличением
Г = (61)
Так как ширина щели sx Л hlt то в меридиональном сечении можно
считать 2сох = 0.
В монохроматоре с неподвижной выходной щелью 5 фокусирую-
щий объектив 4 также не обладает полем зрения в меридиональном
сечении, а в направлении высоты щели его угол поля зрения 2®2 =
= h'Jf'i, и вследствие соотношения (6.2) со2 = йх. Условия работы
коллиматорного и фокусирующего объективов отличаются тем, что
через объектив 2 излучение различных длин волн проходит одновре-
менно, а через другой — поочередно, по мере изменения положения
диспергирующей системы относительно падающего на нее пучка
лучей. Поэтому в разные моменты времени на выходной щели нахо-
дятся изображения входной щели, образованные лучами разных
длин волн.
В спектрографе и монохроматоре с выходной щелью, движущейся
по спектру, монохроматические изображения входной щели нахо-
дятся в разных местах фокальной поверхности. В этих приборах
фокусирующий объектив обладает полем зрения и в меридиональном |
сечении. Пусть 21т — длина спектра, о — угол наклона поверхно-
сти изображения. Тогда угол поля зрения 2со2 камерного объектива 1
в меридиональном сечении определяется из соотношения
(6-2)
(6.3)
которое называется меридиональным увеличением.
Линейное увеличение оптической системы спектрального при-
бора в сечениях меридиональном (в направлении дисперсии призмы
или решетки) и в сагиттальном (в направлении высоты щели) неоди-
наково. Если ft и f2 — фокусные расстояния коллиматорного и
фокусирующего объективов, sx и — ширина и высота входной
щели 1, то ширина s[ и высота h[ ее изображения в фокальной пло-
скости объектива.'/ равны соответственно:
с' _ 1 Sd2 • h' _
8г- Z1 - —
В общем случае, когда фокальная поверхность образует с пло-
скостью, перпендикулярной оси объектива 4, некоторый угол о,
ширина s[ изображения щели на этой поверхности равна
с' = —
1 /1 COS О
Поле зрения. Условия работы двух объективов спектрального
прибора неодинаковы: через коллиматорный объектив проходит не
разложенное в спектр излучение (белый свет), на фокусирующий
объектив направляются параллельные пучки различных длин волн.
Входная щель 1, помещенная в фокальной плоскости объектива 2
(см. рис. 6.3), изображается им в бесконечности. Этот объектив обла-
дает полем зрения только в сагиттальном сечении. Если высота щели
h *
«1, то угол поля зрения коллиматорного объектива равен 2сох = -ji •
/1
\ Так как hr <fr, fv то допустимо считать tg <вх ~ <вх
88
tgm2- (6.4)
/2
4
Как правило, о)х > ®2, и величина поля зрения объектива в гори-
зонтальном и вертикальном направлениях неодинакова.
Дисперсия является величиной, характеризующей скорость изме-
нения угла отклонения светового пучка в приборе при изменении
длины волны. Различают дисперсию угловую и линейную.
Угловая дисперсия есть характеристика диспергирующего уст-
ройства. Если лучи двух близких длин волн X и X + dk отклоняются
этими устройствами на углы Р и Р + ^Р соответственно, то угловая
дисперсия определяется как отношение t/p/dX, где dfi — угол между
лучами с длинами волн X и X + dX. Линейная дисперсия является
характеристикой прибора в целом. Пусть АВ = dl есть расстояние
на поверхности изображения между двумя близкими спектраль-
ными линиями, разность длин волн которых равна dk (см. рис. 6.3).
Тогда линейная дисперсия находится как производная dlldk.
Угловая и линейная дисперсии прибора связаны соотношением
dl _ /' Др
ДХ cos a dk ’
где /2 — фокусное расстояние объектива; ст — угол наклона поверх-
ности изображения (см. рис. 6.3).
При дальнейшем изложении для простоты примем cos ст равным
единице и будем пользоваться соотношением
Д/ _ ,, Q
ДХ ~ '2 ДХ *
вятэвдя
(6-6)
89
На практике чаще всего
пользуются понятием обратной
линейной дисперсии dMdl, вы-
ражаемой в мкм/мм, нм/мм.
Предел разрешения и раз-
решающая способность. Чем
больше дисперсия прибора, тем
больше расстояние между изо-
бражениями щели для различ-
ных длин волн. Однако зна-
Рис. 6.5. Разрешение двухЧионохромати- ния одной дисперсии еще недо-
ческих линий статочно для того, чтобы опре-
делить, будут ли две соседние
линии наблюдаться раздельно. В приборе с размытым изображением
линий они представляются в виде одной линии, тогда как в другом
приборе с хорошим изображением они будут видны раздельно («раз-
решены»), хотя дисперсия этого прибора может быть значительно
меньше.
\ Важной характеристикой спектрального прибора является пре-
дел разрешения, определяемый как наименьшая разность длин волн
6Х двух монохроматических спектральных линий равной интенсив-
ности, которые разрешаются, т. е. наблюдаются раздельно.
Предел разрешения 6Х, обусловленный волновой природой света
и физическими свойствами диспергирующего элемента, называется
теоретическим пределом разрешения. Это определение справедливо
для идеального спектрального прибора. Для такого прибора Рэлей
предложил считать, что две спектральные линии одинаковой интен-
сивности находятся на пределе разрешения, если главный максимум
дифракционного изображения одной из линий совпадает с первым
минимумом в изображении другой линии; при этом суммарная осве-
щенность посредине между линиями равна 80 % освещенности
в главных максимумах (рис. 6.5).
Отношение
г — Х/бХ (6.7)
называют разрешающей способностью (или разрешающей силой)
идеального спектрального прибора. Основные причины ухудшения
качества изображения спектральных линий, влияющие на вели-
чину предела разрешения прибора:
— дифракция света;
— конечные размеры входной и выходной диафрагм;
— наличие аббераций оптической системы прибора;
— несовершенство изготовления оптических деталей и юстировки
отдельных узлов и всего прибора в целом;
инерционность приемно-регистрирующей системы (в скани-
рующих спектральных приборах).
Чем меньше размеры входной и выходной диафрагм (чем уже
щели прибора), тем выше предел разрешения прибора. Однако ми-
нимальные размеры диафрагм ограничиваются дифракционными яв-
00
лениями. Минимальное значение ширины входной щели, когда ди-
фракционным уширением еще можно пренебречь, называется «нор-
мальной» шириной щели sH. ' „ „
«Нормальная» ширина щели, определяющая линейный предел
пазрешения прибора, равна
s.=*4- (6-8>
где X — длина световой волны; fr — фокусное расстояние колли-
маторного объектива; а — ширина входного действующего отвер-
стия прибора *.
Г Линейный предел разрешения 6Z — расстояние, на котором две
линии разрешаются, равен ширине геометрического изображения
нормальной щели s„ и в общем случае определяется выражением
6Z = S'==_^—, (6.9)
н a cos о ' '
где а' — ширина выходного действующего отверстия прибора (ши-
рина диспергированного пучка лучей).
Тогда спектральный предел разрешения равен
6Х =
al/ал
а ,резрешающая способность
X X dl
Г d'f. s' d/.
Выражая s„ и dlldk по формулам (6.9) и (6.5), получим выраже-
ние разрешающей силы по Релею через ширину диспергирован-
ного пучка и угловую дисперсию
г = а'~-‘ (6.10)
аЛ
6.5. ПРИЗМЕННЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
1. Спектральная призма и ее характеристики
В качестве диспергирующих элементов в спектральных
приборах 'широко используются призменные системы. Призма яв-
ляется основным элементом оптической части прибора, поэтому рас-
смотрим ее характеристики.
Ход лучей в главном сечении призмы. Световой пучок, проходя
через трехгранную призму и отклоняясь к ее основанию, разлагается
на монохроматические составляющие. При этом пучки с меньшей
Длиной световой волны отклоняются сильнее. В основе этого явления
лежит зависимость показателя преломления материала призмы от
Длины световой волны, т. е. дисперсия материала.
В спектральном приборе каждая призма устанавливается так,
чтобы линия пересечения ее преломляющих граней (преломляющее
* В спектральном приборе действующим отверстием является, как правило,
рабочая грань призмы или заштрихованная часть дифракционной решетки.
91
^Нй
МЙОВЯ
й
Рис. 6.6. Ход лучей в призме в глав-
ном сечении
ребро) была параллельна щели.
Плоскость, перпендикулярная пре-
ломляющему ребру призмы, назы-
вается плоскостью главного сече-
ния призмы. Двугранный угол А,
образуемый двумя рабочими гра-
нями трехгранной призмы (рис. 6.6),
называется преломляющим углом
призмы.
Как правило, призмы устана-
вливаются в параллельных пучках
лучей, поэтому'для' характеристики
дисперсионных свойств призмы достаточно рассмотреть ход одного
из лучей падающего на нее пучка.
Обозначим через и i2 углы падения луча на грани I и II соответ-
ственно, через i{ и i2 — углы преломления на этих гранях. Угол <р,
образованный направлением падающего и вышедшего из призмы
луча, называется углом отклонения. Ход луча в главном сечении
можно рассчитать по формулам:
, ./ sin н • л . ч . « 11 \
sin = —-—; 12==Д — ip sin i2 = n sin iz, (6.11)
где n — показатель преломления материала.
Луч после прохождения через призму отклоняется в сторону
ее основания на угол <р, равный
<р = -ф- 1'2 — А. (6.12)
Угол отклонения <р есть функция трех переменных: показателя
Преломления п, преломляющего угла А и угла падения ix на первую
грань. При данном угле падения угол ф возрастает как с увеличе-
нием угла А, так и с увеличением п. Показатель преломления, В свою
очередь, зависит от длины волны X. Для Всех прозрачных веществ он
возрастает с уменьшением длины волны, Поэтому коротковолновое
излучение сильнее отклоняется призмой, чем длинноволновое.
Для данных Ann угол отклонения принимает минимальное
значение ф0 при симметричном ходе лучей в призме, т. е. при
ij 12(q и i[ ы язв /4/2. (6.13)
Тогда ср = ф0 = 2i0 — А, (6.14)
где sin i0 = п sin-j- • (6.15)
При данном фо значение угла А может быть найдено из соотноч
шения I
Л sin (<р0/2) . I
® 2 п — cos (фо/2)
При установке призм в минимуме отклонения угловое увеличе-
ние Г = 1 и поэтому отсутствует дополнительное уширение изобра-
жения щели. При этом соотношения, характеризующие свойства
призм, значительно упрощаются.
9?
При данном угле падения t0 существует только одно значение п,
удовлетворяющее соотношению (6.15), и выполнение условия мини-
мума отклонения для разных длин волн требует различного положе-
ния призмы по отношению к падающему пучку лучей.
Угловая дисперсия призмы. Угловая дисперсия призмы опреде-
ляется как производная угла отклонения ср по длине волны X. По-
скольку угол ср зависит от длины волны через показатель преломле-
ния п материала призмы,
dtp dtp dn
dk dn dk ’
(6.16)
где dqld'K — угловая дисперсия призмы.
Первый сомножитель dtp’dn в правой части (6.16) — безразмер-
ная величина, определяемая ходом луча в призме. Второй сомножи-
тель dn!dk называется дисперсией вещества и является характеристи-
кой материала призмы. Величина dqldrt зависит от п, преломляю-
щего угла Л и от угла падения лучей на первую грань ix, но не зави-
сит от линейных размеров призмы. Она равна
dtp _ sin А
dn cos cos 1’2
Так как в соответствии с (6.13) = Л/2, то для минимума откло-
нения соотношение (6.17) дает
(6.17)
(6.18)
(6.19)
/ dtp \ _ 2 sin Л/2
\ dn /о J/T — п2 sin2 Л/2
Тогда угловая дисперсия призмы в минимуме отклонения
dtp _ 2 sin Л/2___dn_
dX ж ’ / Г—7i8 si^M^T dk
Производная dtpld'k возрастает с увеличением показателя п и
угла А, поэтому для получения большей угловой дисперсии выгод-
нее применять призмы с большими преломляющими углами из мате-
риалов с большими значениями п. Но преломляющий угол можно
Увеличить лишь в ограниченных пределах, так как при этом увели-
чиваются углы й и 1'2, что приводит к возрастанию потерь на отраже-
ние и, кроме того, может произойти полное внутреннее отражение
на второй грани призмы. Таким образом, значение угла А должно
Удовлетворять условию
sin-^-C-r’
Показатель преломления для всех прозрачных материалов из-
меняется с длиной волны нелинейно, поэтому угловая дисперсия
°Дной и той же призмы в разных областях спектра имеет значения,
значительно отличающиеся друг от друга. Если система состоит из
нескольких одинаковых диспергирующих призм, установленных
в Минимуме отклонения, то дисперсия пропорциона льна числу призм.
93
Угловое (меридиональное) увеличение призмы и кривизна спек-
тральных линий. Из формул (6.11) следует что для данной призмы
(при фиксированных значениях Лил) угол i'2 преломления луча
на второй грани (см. рис. 6.6) изменяется вместе с углом падения
луча на первую грань. Два пучка параллельных лучей, падающих
на призму под углами tx и Д + dilt после выхода из призмы образуют
между собой угол
di* = ^dii’ .
11
di', i j
где ------угловое увеличение призмы. , |
Если пРизМа в главном (меридиональном) сечении
обладает угловым увеличением, величина которого равна
г=х-----cos^cos^. ,6
COS/jCOS^ ' 7
Если лучи через призму идут в минимуме отклонения, то i = i2
и = i2. Следовательно, Г = 1. Если Г 7^= 1, то ширина а' пучка
после призмы меньше или больше, чем ширина а падающего пучка
(см. рис. 6.6).
Пучки лучей, вышедшие из призмы, вызывают в плоскости изоб-
ражения кривизну спектральных линий. Это происходит потому, что
пучки лучей, идущие от краев входной щели, проходят через призму
вне ее главного (меридионального) сечения, образуя с ним неболь-
шие углы.
При этом преломляющий угол призмы А' в наклонных сечениях
не равен преломляющему углу призмы А в главном сечении, т. е.
А' =£ А. Кривизна спектральных линий такова, что выпуклость
направлена в длинноволновую область спектра.
Для компенсации кривизны спектральных линий в приборах
применяют искривленные щели, рассчитанные таким образом, чтобы
кривизна щелей была одинаковой по величине, но противоположной
по знаку с кривизной линий, даваемой призмой.
Разрешающая способность призмы. Как было указано в разд. 6.4
[см. формулу (6.10)], разрешающая способность спектрального при-
бора с безаберрационной оптикой определяется шириной диспер-
гированного пучка а' и угловой дисперсией dfi/d'K.
Пусть ВВ' — и СО' — Ь2 — наименьшая и наибольшая длина
пути лучей в главном сечении призмы (см. рис. 6.6). Тогда
а' = —6i) cos t] cos i'2 • <6 2D
sin A \ )
Принимая во внимание (6.16) и (6.17), получим
(6.22)1
Таким образом, разрешающая способность призмы пропорциональна!
размеру основания призмы и дисперсии се материала, |
94
Материалы для спектральных призм. При выборе материала для
призм решающую роль играют ее оптические свойства: область про-
зрачности, показатель преломления п и дисперсия вещества dn/dK.
Так как последняя величина определяет угловую дисперсию призмы
и ее теоретическую разрешающую способность, желательно иметь
большие значения dnldh. С другой стороны, при больших п велики
потери на отражение и нельзя делать призмы с большими углами А.
Необходимо принимать во внимание и такие свойства материалов,
как двойное лучепреломление, однородность, возможность механи-
ческой обработки, влагоустойчивость.
В видимой области спектра прозрачны оптические стекла всех
марок, но для изготовления призм применяют флинты и тяжелые
флинты, которые обладают наибольшей дисперсией. Они прозрачны
примерно от 0,36 мкм.
В ультрафиолетовой области чаще всего используют кварц
(SiO2), кристаллический и плавленный, который прозрачен примерно
от 0,2 мкм.
Фтористый литий (LiF) и флюорит (CaF2) — дорогие искусст-
венно выращиваемые кристаллы, в небольшой толщине прозрачны
до 0,11—0,13 мкм. Они могут быть использованы для дальней улг
трафиолетовой области.
В ближней инфракрасной области спектра прозрачны все стекла
(до 2,6 мкм) и кварц (до 3,5 мкм). Далее следуют кристаллы: LiF,
CaF2, BaF2, NaCl, КС!, KBr, KPC-5 (смесь бромистого и йодистого
таллия), CsI. Кроме фтористых солей, влагоустойчив только КРС-5,
но он ядовит и вследствие высокого показателя преломления (п =
= 2,4) дает большие потери на отражение. Кроме того, в инфракрас-
ной области прозрачны до 10 ... 15 мкм такие материалы, как крем-
ний (п = 3,4), германий (п ~ 4). Непрозрачность в видимой области
этих материалов затрудняет юстировку приборов. Кроме того, очень
высокие значения п и дороговизна таких кристаллов ограничивают
из применение для изготовления оптических деталей.
При работе в широкой области длин волн от 2,5 мкм использо-
вание какого-либо одного материала нецелесообразно: хорошая про-
зрачность и большая дисперсия — требования, которые одновременно
трудно удовлетворить, так как кривая дисперсии имеет большую
крутизну в той части спектра, где уже заметно поглощение, и наобо-
рот, в области наибольшей прозрачности материала дисперсия его
незначительна. Поэтому в конструкции прибора должна быть пре-
дусмотрена смена призм при переходе от одного участка спектра
к другому.
Типы спектральных призм. Наибольшее распространение полу-
чили диспергирующие призмы с преломляющим углом около 60°.
В автоколлимационных схемах часто используют 30-градусную
Призму с зеркальной катетной гранью. В такой призме пучок диспер-
гирует дважды, так что по дисперсии такая призма эквивалентна
60-градусной призме.
Призма большой дисперсии. Для получения возможно большей
Угловой дисперсии применяют призмы с большим преломляющим
95
Рис. 6.7. Призма большой диспер-
сии
углом. Однако при этом увеличи-
вается угол падения лучей на приз-
му, что вызывает возрастание потерь
света вследствие отражения на гра-
нях призмы. Таким образом, угол
падения лучей на вторую грань
призмы может оказаться больше
предельного и произойдет полное
внутреннее отражение.
Для уменьшения углов падения
лучей на призму большой дис-
персии последнюю делают из трех склеенных призм (рис. 6.7): основ-
ной призмы 1 с большим преломляющим углом, изготовленной из ма-
териала с высоким показателем преломления, и двух вспомогатель-
ных боковых призм 2, сделанных из материала с малым показателем
преломления. Для видимой области спектра основная призма изго-
тавливается из флинта с п = 1,68, вспомогательные призмы — из
крона с п' = 1,51. Допустимый угол преломления основной призмы
ограничен условием закона преломления: sin Л/2 < п’/п и равен
А ~ 120°. Таким образом, по сравнению с обычной 60-градусной
призмой дисперсия этой призмы в два раза больше.
Призма постоянного угла отклонения. Во многих случаях кон-
структивно целесообразно иметь постоянный угол отклонения лучей,
входящих в призму и выходящих из нее, для разных длин волн.
Для этого применяют сложную призму, состоящую из трех
склеенных призм (рис. 6.8, а): средней —равнобедренной прямо-
угольной призмы, назначение которой изменять направление пучка
на 90°, и двух крайних диспергирующих прямоугольных неравно-
бедренных призм, разлагающих свет на монохроматические состав-
ляющие. Средняя вспомогательная призма изготавливается из ма-
териала с небольшим показателем преломления (крона), основные
крайние призмы —из материала с большим п (флинта). Пучки лучей,
которые проходят через боковые призмы в минимуме угла отклоне-
ния, выходят из призмы в направлении, перпендикулярном падаю!
щему пучку. Для сохранения направления выходящих пучков раз-1
ных длин волн призму разворачивают вокруг оси О. I
Призма прямого видения. В некоторых приборах необходим^
сохранить неизменным направление входящего в призму и выходя-
щего из нее пучков. В этом случае используют призму прямого зре-
ния (рис. 6.8, б), состоящую из трех склеенных призм: двух крайних,
изготовленных из крона, и средней, изготовленной из флинта.
Преломляющие углы призм рассчитывают так, что луч, проходя-
щий среднюю призму в условиях наименьшего отклонения, выходит
из системы без изменения направления по отношению к входящему
лучу. Дисперсия такой системы невелика, так как преломляющие
углы составляющих призм направлены в противоположные стороны,
и общая дисперсия будет равна разности дисперсий склеенных призм.
Призма Корню применяется для ультрафиолетовой об-
ласти и изготавливается из кристаллического кварца с преломляю-
96 I
Рис. 6.8. Призмы:
-г- постоянного угла отклонения; б — прямого видения; в — кварцевая призма Корню
щим углом А = 60°. Кварц вызывает двоение спектральных линий
ввиду двойного лучепреломления и вращения плоскости поляриза-
ции. Для устранения вращения плоскости поляризации призму
изготавливают из двух половин прямоугольных 30-градусных призм
(рис. 6.8, в), одна из которых делается из левовращающегося, дру-
гая— из правовращающегося кварца. Двойное лучепреломление
устраняется благодаря вырезанию призмы из кристалла таким об-
разом, чтобы оптическая ось кристалла была направлена вдоль осно-
вания призмы. Обе половины призмы ставятся на оптический кон-
такт.
2. Призменные приборы с фотографической и
фотоэлектрической регистрацией
Рассмотрим в качестве примера спектрограф ИСП-30 —
прибор с фотографической регистрацией спектра, предназначенный
для количественного и качественного эмиссионного спектрального
анализа и других исследований (рис. 6.9).
Входная щель 1 установлена в фокусе объектива коллиматора 2,
в качестве которого используется сферическое зеркало с Д = 703 мм,
относительным отверстием А1 = 1 ; 17,6. Объектив камеры 4 состоит
из двух кварцевых менисков с общим фокусным расстоянием /г =
= 830 мм при X = 257,3 нм (объектив камеры неахроматичен) и от-
носительным отверстием Л2 = 1 : 27 при той же длине волны. Квар-
цевая призма 3 имеет преломляющий угол 60°, основание b = 47 мм
и высоту Н = 30 мм.
Линейное увеличение прибора |3 = Д/Д изменяется от 1,2х до
1,5х вдоль спектра вследствие неахроматичности объектива камеры.
Для сокращения габаритов прибора используется плоское зеркало 5.
Фотопластинка 6 устанавливается в фокальной плоскости объектива
камеры 4 и наклонена на 42° к оптической оси прибора. Спектрограф
снабжен реле времени, автоматически закрывающем затвор на вход-
ной щели после экспонирования.
Рабочий диапазон длин волн составляет 200 ... 600 нм, длина
спектра — 220 мм, диаметр объектива коллиматора — 40 мм, диа-
метр объектива камеры — 38 мм.
Данные по обратной линейной дисперсии приведены в табл. 6.1.
4 С. в. Кулагин н др. ‘ . 97
Рис. 6.9. Оптическая схе-
ма спектрографа ИСП-30
Рис. 6.10. Оптическая схема спектрометра ИКС-21
Примером прибора с фотоэлектрической регистрацией спектра
может служить призменный инфракрасный спектрометр ИКС-21
{рис. 6.10). Полный рабочий диапазон прибора составляет 0,75 ...
... 45 мкм. В коротковолновой области спектра (до 2,6 мкм) исполь-
зуется призма из стекла Ф-1. При работе в диапазон от 2 до 15 мкм
вместо зеркала Литтрова 19 в приборе устанавливается реплика
(копия) дифракционной решетки с 200 штрих/мм, которая работает
вместе с призмой из NaCl (см. 6.6). Длинноволновая область спектра
обеспечивается использованием призм из кристаллов, КВг и CsI.
Разрешение при v = 1000 см'1 составляет 2,5—3,2 см-1.
Монохроматор прибора построен по автоколлимационной схеме,
в которой пучок лучей дважды проходит через призму 18 и объек-
тив 16. Изображение источника 1, которым служит глобар, проекти-
руется осветителем (5, 4, 5, 6, 7) на входную щель монохроматора 9
с увеличением 1,3х и заполняет апертуру объектива 16.
Параллельный пучок лучей белого света с объектива 16 падает
на призму 18, разлагается ею на монохроматические составляющие,
и, отражаясь от плоского зеркала 19 (или реплики), вновь проходит
через призму 18, объектив 16 и выходную щель 11.
Изображение выходной щели 11 попадает на приемник лучистой
энергии 14, в качестве которого используется висмутовый болометр.
Пороговый поток приемника равен 2-10'10 Вт при ширине полосы про-
пускания усилительного тракта 1 Гц и частоте модуляции 9 Гц.
Усиленный фототок регистрируется электронным потенциометром
ЭПП-09.
Таблица 6.1
X, нм 200 250 310 360
dX , нм/мм 0,35 0,9 1,6 2,5
98
Таблица 6.2
Материал призмы Преломля- ющий угол в град. Рабочий Диа- пазон в мкм Дисперсия’ в мкм/мм . (при X в мкм)
Стекло *
Ф-1 54 0,75... 2,6 0,102 (1,3)
NaCl 60 2...15,4 0,18 (10)
NaCl с репликой 200 штр/мм 60 2,3...6 0,016 (4)
кв 60 15...25 0,291 (16)
Csl 35 20...50 0,35 (36)
Сканирование спектра производится поворотом автоколлима-
ционного зеркала (или реплики) 19. Для снижения влияния рассеян-
ного света на результаты измерений излучение источника 1 промо-
дулировано модулятором 2 частотой 9 Гц (в диапазоне 4,0 ... 12,0 мкм
используются пластины из стекла, в области от 12 до 45 мкм —из
флюорита). В приборе устанавливаются фильтры 7 из стекла (в об-
ласти 5... 8 мкм), LiF (10 ... 17 мкм), NaCl (17 ... 30 мкм) и КС1
(30 ... 45 мкм).
Характеристики используемых призм приведены в табл. 6.2.
На рис. 6.10 обозначены: 2 —модулятор; 3 и 6 —защитные окна
осветителя; 4 — плоское зеркало; 5 — сферическое зеркало; 8 и
10—диафрагмы; 12 и 17 —плоские зеркала; 13 —защитное окно;
15—эллиптическое зеркало.
Основные достоинства автоколлимационной схемы — ее простота
и хорошее качество изображения спектра, так как объективом 16 слу-
жит внеосевое параболическое зеркало с фокусным расстоянием
270 мм и действующим относительным отверстием 1 : 4,5. В этом слу-
чае точка щели 9, находящаяся на оси объектива 16, изображается
без аберраций. Ширина параллельных пучков до и после дисперсии
одинакова а ~ а', так что меридиональное увеличение призмы Г ==»
=» 1, и аберрации оптической системы равны удвоенным аберрациям
объектива 16 для параллельных пучков, а диспергирующая призма
18 вызывает лишь искривление спектральных линий.
6.6. ПРИБОРЫ С ДИФРАКЦИОННЫМИ РЕШЕТКАМИ
1. Дифракционная решетка и ее характеристики
Получение спектров с помощью дифракционной решетки.
Приборы с дифракционными решетками получили большое распро-
странение, особенно в далеких ультрафиолетовой и инфракрасной
областях спектра. Решетки бывают прозрачные и отражательные,
плоские и вогнутые.
Наибольшее распространение получили ступенчатые отражатель-
ные плоские решетки —эшелетты, позволяющие концентрировать
максимум дифрагированного света в заданном направлении. Отра-
жательная решетка —эшелетт представляет собой совокупность
Узких равноотстоящих параллельных зеркальных полосок с треуголь-
ным профилем штриха (рис. 6,11), Такие решетки устанавливаются,
• 4* 89
Рис. 6.11. Дифракция на плоской отража-
тельной дифракционной решетке
как правило, в параллельных
пучках лучей, выходящих из
коллиматорного объектива.
При падении на эшелетт
параллельного пучка лучей
на каждой зеркальной пло-
щадке происходит дифракция,
как на узкой щели. Пучки
лучей, дифрагированные на
всех элементах решетки, ин-
терферируют между собой, так
как имеют разность хода *.
При этом световой пучок
сложного спектрального состава превращается во множество
монохроматических пучков различных длин волн, каждый из ко-
торых имеет свое направление. Дифракционная картина от одного
зеркального элемента накладывается на распределение, получа-
ющееся при интерференции света от N рабочих элементов решетки.
Дифракционная картина наблюдается в фокальной плоскости вы-
ходного объектива.
Рассмотрим случай, когда параллельный пучок лучей падает на
плоскую отражательную решетку (см. рис. 6.11). На рисунке вве-
дены следующие обозначения: N —нормаль к поверхности решетки;
N' —нормаль к рабочей грани, 6 —угол нарезки (угол «блеска»).
Определим разность хода лучей А' на одном рабочем элементе
решетки. Лучи 1 падающего волнового фронта приходят в точку D
позднее, чем в точку А на величину CD. Разность хода между ними
Д( = b sin (— ф) = — bsin ф, (6.23)
где b — ширина рабочей грани решетки; ф —угол падения лучей
на рабочую грань зеркального элемента решетки.
Лучи 2 дифрагированного волнового фронта для точек Ли В
приобретают разность хода
Аг =6 sin ф, (6.24)
где ф —угол дифракции лучей на рабочей грани решетки.
Углы падения и дифракции будем считать положительными, если-
они получаются вращением нормали N’ по часовой стрелке.
Суммарная разность хода между падающими и дифрагирован-
ными лучами в точках А и D равна:
Д'= А[ — Аг = — Ь(з1Пф4-з1пф). (6.25>
Разность хода лучей А = EF + ЕК, дифрагированных от Двух
соседних зеркальных элементов, равна
А = d (sin а + sin 0), (6.26)
* Разностью хода называется разность длин оптических путей, прошедших1
различными лучами до оптцческдц пдверхиости.
100
где d — расстояние между соседними штрихами (постоянная ре-
шетки); а и |3 — углы падения и дифракции на поверхности ре-
шетки (отсчитываются от нормали N) соответственно.
формула (6.26) определяет характерные углы дифракции р, соот-
ветствующие главным дифракционным максимумам. Эти максимумы
пОлучаются из условия:
d ( sin а + sin Р) = +kK, (6.27)
где k = 1, 2, 3 ... ч
Соотношение (6.27) является основным уравнением дифракцион-
ной решетки. Как видно из этого соотношения, каждому углу ди-
фракции р при постоянных а и k соответствует определенная длина
волны X, поэтому имеет место спектральное разложение. Последова-
тельные изображения, образованные при k = 1, 2, 3 ..., называются
первым, вторым и т. д. порядками спектра.
Распределение энергии в спектре дифракционной решетки. Рас-
пределение интенсивности в спектре решетки показано на рис. 6.12, б.
Дифракционная картина от одной щели (рис. 6.12, а) накладывается
на распределение интенсивности, получающееся при интерференции
света от N зеркальных элементов решетки (рис. 6.12, в).
Если на решетку падает монохроматическое излучение, в фокаль-
ной плоскости выходного объектива получается ряд монохромати-
ческих изображений, соответствующих различным значениям k.
Если же падающее излучение имеет сложный спектральный со-
став, то, как видно из формулы (6.27), при данном угле падения
I а для каждого значения k угол дифракции |3 есть функция длины
волны. Таким образом, каждому значению k соответствует отдель-'
йЫй спектр k-ro порядка.
При k = 0 получается изображение щели, не разложенное
й спектр, которое называется спектром нулевого порядка. В этом
случае, независимо от длины волны Р = —а, что соответствует от-
ражению от решетки как от плоского зеркала.
Порядок я будем считать положительным, если направление лу--
чей, дифрагированных в данном порядке, получается вращением по
1(И
Рис. 6.13. Правило знаков для
углов и порядков спектра ре-
шетки
часовой стрелке луча, зеркально отраженного от решетки (рис. 6.13),
Между двумя главными максимумами расположено (М —2) вторич-
ных максимумов и (N — 1) минимумов.
Существенно, что в отличие от призмы, которая дает только один
спектр, дифракционная решетка дает одновременно несколько спек-
тров различных порядков.
Поскольку при заданных углах а и Р уравнению (6.27) удовлет-
воряют несколько значений длин волн %, соответствующих равным
значениям k, спектры различных порядков (кроме нулевого) нала-
гаются друг на друга: углы дифракции Р одинаковы для всех спек-
тральных линий, для которых произведение kh = const, т. е. =
-- Й2/-2.
Этот недостаток устраняется двумя способами: 1) использованием
светофильтров, отрезающих мешающее излучение; 2) применением
скрещенной дисперсии. К дифракционной решетке, разлагающей
излучение в спектр в меридиональной плоскости, добавляют второй
диспергирующий элемент, например, призму, разлагающую это же
излучение в спектр в сагиттальной плоскости. При этом линии раз-
ных длин волн разделяются по вертикали и вместо одной строки
спектра получается несколько строчек, каждой из которых будет
соответствовать свой порядок спектра.
При дифракции в направлении угла блеска б решетка дает макси-
мальную интенсивность света. Условие зеркального отражения от
ступеньки можно представить в виде
б —а = р —б или а + р = 26. (6.28)
При автоколлимационной установке решетки, когда а = р, условие
(6.28) примет вид
а = Р = б. (6.29)
Основное уравнение решетки при этом можно представить в виде
2 d sin б — kK. (6.30)
Для получения максимальной концентрации света в нужном р3‘
бочем порядке следует таким образом перераспределить световую
энергию (рис. 6.14), чтобы:
1) нулевой максимум от отдельного зеркального элемента, преД'
ставляющий регулярное отражение от этого элемента при —<р = ’f
102 f
(С1М. рис. 6.11), Совпадал бы С направлением на рабочий главный
дифракционный максимум всей решетки;
2) спектр нулевого порядка решетки при этом попал бы в направ-
ление минимума распределения энергии от пучка, дифрагированного
от отдельного зеркального элемента.
Первое условие обеспечивается соответствующим выбором угла
блеска решетки б [см. формулы (6.28) и (6.29)], второе—-выбором
постоянной решетки d [см. формулы (6.27) и (6.30)].
На рис. 6.14 показано перераспределение энергии в решетке та-
ким образом, что нулевой максимум от отдельного зеркального эле-
мента совпадает со вторым рабочим порядком решетки, а максимум
нулевого порядка решетки совпадает с минимумом от отдельного
зеркального элемента. При этом для максимального использования
энергии в рабочем порядке спектра ширина максимума от отдельной
рабочей площадки уменьшена соответствующим подбором постоян-
ной решетки d. Максимальная концентрация света современных ре-
шеток составляет 70 ... 80 %. Выбор d и б ограничивается техноло-
гией изготовления решеток.
В серийных спектральных приборах используются главным об-
разом отражательные решетки для ультрафиолетовой, видимой и ин-
фракрасной областей спектра. Угол б в таких решетках обычно не
превышает 25 ... 30°, в уникальных —достигает 60 ... 65 °.
вогнутые решетки, которые одновременно служат и фокусирую-
щим устройством, используются в дальней вакуумной и ближней
ультрафиолетовой областях спектра. Это позволяет исключить из
спектрографа коллиматорный и камерный объективы.
Дисперсия и меридиональное увеличение решетки. Дифференци-
руя основное уравнение решетки (6.27) по длине волны X и полагая,
что угол падения лучей а постоянен для всех длин волн, можно по-
лучить выражение для угловой дисперсии решетки:
d cos |3 d р = k dK,
1 _ k /son
dk ~ dcosp’
Таким образом, в спектрах разных порядков решетка дает раз-
личную угловую дисперсию, тем большую, чем выше порядок спек-
тра k. Дисперсия пропорциональна числу штрихов на 1 мм (Л1Х =
= l/d) и возрастает с увеличением угла дифракции |3. С точки зрения
повышения дисперсии выгодно работать в высоких порядках спек-
тра, однако в решетке происходит наложение спектров высших по-
рядков на низшие, поэтому трудно выделить в высоких порядках
свободную от наложения спектральную область. В связи с этим
стремятся работать в низких порядках спектра, а для повышения'
Дисперсии уменьшают постоянную решетки d при большом общем
количестве штрихов N.
Линейная дисперсия прибора с дифракционной решеткой опре-
деляется зависимостью
dl _____________________ d?> __ k г,
dk dk '2 dcosp'2'
или
(6.32)
103
Она мало изменяется для различных участков спектра
порядка, но существенно зависит от порядка спектра k. Для того
чтобы работать в различных порядках спектра, которые налагаются
друг на друга, необходимо определить «свободный спектральный ин-
тервал» AZ —диапазон длин волн, заключенный в интервале между
двумя соседними порядками одной и той же длины волны. Из основ-
ного уравнения решетки (6.27) при постоянных значениях углов «
и (3 имеем X Nk = k АХ, откуда при Nk = 1 получим
ДХ = -^; (6.33)
чем больше k, 'тем короче ЛХ.
Дифракционная решетка в меридиональной плоскости обладает
угловым увеличением
г = _ .cosa (6.34)
COS Р 7
Разрешающая способность решетки определяется, исходя из
критерия Рэлея. Две длины волны разрешаются, если максимум Xj
совпадает с минимумом Х2. Уравнение главных дифракционных мак-
симумов решетки согласно формуле (6.27) можно записать
о ;
sin В, = —у- — sin а.
d
Выражение для минимумов имеет вид |
sin фх Д- d₽) = - sin а,
где Nd = В — база решетки; ----------угловой предел разрешения
для решетки. ,
По критерию Рэлея рх + dp = р2, поэтому + J
Разрешающая способность решетки будет равна
= <M57
где 6Х — расстояние между двумя длинами Хх и Х2, при котором ди-
фракционный максимум для Хх совпадает с дифракционным миниму-
мом для Х2.
Следовательно, разрешающая способность решетки пропорцио-
нальна порядку спектра k и общему числу штрихов решетки М
участвующих в дифракции.
Можно написать это выражение в ином виде, используя (6.27):
г (sin а + sin Р) (sin а + sinP). (6.36)
Это выражение показывает, что г зависит от общей длины базы
решетки В. Таким образом, увеличить разрешающую способность
решетки можно, увеличивая размеры решетки или используя боль-
шие углы падения и дифракции.
104 I
При падении на отражательную решетку параллельного пучка
пучей, образующего некоторый угол у с ее главным (меридиональным)’
сечением, условие (6.27) образования главных максимумов дифраги-
рованных пучков должно быть заменено условиями:
slna' + sinP' = -j^y-; ?' = —?, (6.37)
где и Р' — углы, образуемые с нормалью к решетке проекциями
лучей падающего и дифрагированного пучков на главное сечение;
у' —угол лучей дифрагированного пучка с главным сечением.
Формула (6.37) для проекций падающего и дифрагированного
лучей имеет такой же вид, что и формула (6.27), но постоянная ре-
шетки d как бы уменьшается.
Направление лучей дифрагированных пучков зависит от угла у,
в связи с чем в приборах с решетками, как и в призменных приборах,
имеет место искривление спектральных линий: прямая входная
щель изображается в виде дуги, обращенной выпуклостью в сто-
рону коротковолновой части спектра.
Кривизна спектральных линий возрастает при увеличении длины
волны света X и угла дифракции |3.
Мера борьбы с кривизной спектральных линий —применение
искривленных щелей.
' 2. Дифракционные монохроматоры и спектрофотометры
-н.
Рассмотрим в качестве примера дифракционный монохро-
матор МДР-2, предназначенный для выделения монохроматического
излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях
спектра (рис. 6.15). Он построен по схеме Эберта с г-образным ходом
лучей.
Излучение от источника через осветительную систему (на ри-
сунке не показаны) попадает во входную щель 1 и, отразившись от
плоского зеркала 2, заполняет апертуру входного коллиматора 3.
Щель 1 устанавливается в фокусе объектива 3. .
Далее параллельный пучок лучей падает на дифракционную ре-
шетку 7 и разлагается ею на монохроматические составляющие. Для
данного положения решетки 7 излу-
чение длиной волны X фокусируется
объективом выходного коллиматора 4,
отразившись от плоского зеркала 5,
В плоскости выходной щели 6. Изме-
нение длины волны излучения, выде-
ляемого монохроматором, производится
Разворотом решетки.
Схемы монохроматоров с z-образным
ходом лучей дают хорошее качество
изображения спектра, так как зерка-
Ла 3 и 4 расположены таким образом,
Что их аберрационные характеристики
Рис. 6.15. Оптическая схема мо-
нохроматора МДР-2
105
Таблица 6.3
Параметр решетки Число штрихов на мм 1200 600 300
Рабочий диапазон в мкм 0,2...0,6 0,5...1,25 1,0...2,5'
Линейная дисперсия в нм/мм Рабочий порядок спектра Размер заштрихованной части реше- ток в мм 2 1 140Х 150 4 1 140Х 150 8 1 140X150
имеют разные знаки. При этом, если зеркала имеют одинаковые
параметры, их аберрации компенсируются.
Кроме того, определенным подбором углов падения «1 и а2 на
зеркала 3 и 4 можно скомпенсировать кому для заданной длины вол-
ны, вызванную меридиональным увеличением диспергирующего
элемента. При этом должно быть соблюдено условие:
tga2 = r3tgai(Ay, (6.38)
где и а2 — углы падения лучей на зеркала 3 и 4, соответственно;
Г — меридиональное увеличение, вносимое решеткой 1см. формулу
(6.34)]; fi, f2 — фокусные расстояния объективов 3 и 4.
В монохроматоре МДР-2 в качестве объективов 3 и 4 исполь-
зуются параболические зеркала с фокусным расстоянием 400 мм.
Применение параболических зеркал, у которых сферическая аберра-
ция для точек, находящихся на оси системы, отсутствует, дало воз-
можность увеличить относительное отверстие прибора до 1 : 2,5.
Спектральный диапазон работы монохроматора от 0,2 до 2,5 мкм
сбеспечивается тремя сменными дифракционными решетками с 1200,
600 и 300 штрих/мм (табл; 6.3).
Для измерения зависимости пропускания или оптической плот-
ности различных веществ от длины волны применяются спектрофото-
метры, в которых используется фотометрический метод, обеспечива-
ющий точность отсчета до 0,1 %.
Сущность метода спектрофотометрии заключается в том, что мо-
нохроматические световые потоки, прошедшие через вещество, срав-
ниваются с такими же потоками, прошедшими через эталон. Так,
например, световой поток, прошедший через раствор, сравнивается
при той же длине световой волны с потоком, прошедшим через рас-
творитель. Отношение этих потоков численно равно светопропуска-
нию Т растворенного вещества при данной длине волны, а поглоще-
ние растворенного вещества А = 1 — Т.
Спектрофотометр состоит из источника света, монохроматора,
кюветной части, где устанавливаются исследуемый и эталонный
образцы, и приемника лучистой энергии. Вее спектрофотометры
делятся на однолучевые и двухлучевые, а также на нерегистрирую-
щие и регистрирующие, или автоматические.
106
Рис. *6.16. Оптическая схема спектрофотометра СФД-2
В нерегистрирующих приборах определение поглощения произ-
водится «по точкам»: измеряют поочередно монохроматические свето-
вые потоки, прошедшие через исследуемое вещество и эталон, изме-
няют длину волны проходящего света на некоторую небольшую ве-
личину, снова производят измерение и т. д.; по полученным точкам
строят кривую поглощения. В приборах второго типа измерение
длины волны и запись отсчетов производятся автоматически, обычно
пером на бумаге. Из нерегистрирующих спектрофотометров широко
известен дифракционный спектрофотометр с зеркальной оптикой
СФД-2 (рис. 6.16), который предназначен для измерения пропуска-
ния или оптической плотности жидких и твердых прозрачных ве-
ществ. На спектрофотометре измеряется пропускание и оптическая
плотность образца относительно эталона, в качестве которого ис-
пользуется воздух. Отношение световых потоков, прошедших через
образец и воздух при поочередном помещении их в один и тот же пу-
чок монохроматических лучей, определяется методом компенсации
фототока на входе усилителя и отсчитывается по шкале пропускания
отсчетного потенциометра; индикатором компенсации служит милли-
амперметр, установленный на входе усилителя. Регулировка све-
тового потока осуществляется изменением ширины входной и вы-
ходной щелей.
Прибор построен по однолучевой схеме и предназначен для ра-
боты в области 0,22 ... 1,0 мкм. Схема монохроматора —автоколли-
мационная. Все достоинства этой схемы, описанные в разд. 6.5 для
107
призменных приборов, сохраняются и для дифракционных монохро.
маторов.
Излучение от источника 1 фокусируется эллиптическим конден-
сором 2 на входной щели 6, отразившись предварительно от плоского
зеркала 3 и пройдя кварцевую линзу 5. Осветительная система,
включающая элементы 1,2,3, 5, обладает увеличением 5х. Входная
щель 6 расположена в фокальной плоскости внеосевого параболиче-
ского зеркала —объектива 7. Параллельные пучки лучей объекти-
вом 7 направляются на реплику плоской дифракционной решетки 8.
Дифрагированные на реплике лучи объективом 7 собираются в его
фокальной плоскости, где установлена выходная щель 15, за которой
располагается защитная кварцевая пластина 14 и сменные свето-
фильтры 4. Светофильтры служат для отсекания спектров высоких
порядков дифракционной решетки. Кроме того, уменьшается вели-
чина рассеянного излучения. Далее лучи проходят кварцевую линзу
13, кювету 12 с образцом или эталоном, линзу 11, защитную пла-
стинку 10 и падают на катод фотоэлемента 9. Реплика (600 штрих/мм)
концентрирует энергию в области 0,3 мкм. Переход от одной области
спектра к другой осуществляется поворотом реплики. В области
0,22 ... 0,65 мкм используется сурьмяно-цезиевый фотоэлемент Ф-4
с окном из увиолевого стекла, а в области 0,6 ... 1,0 мкм —кисло-
родно-цезиевый фотоэлемент Ф-5. Источниками излучения служат: во-
дородная лампа, ртутная лампа и лампа накаливания. Относительное
отверстие оптической системы монохроматора — 1 : 10; фокусное
расстояние зеркального объектива — 500 мм. Обратная линейная
дисперсия монохроматора составляет 3,2 нм/мм при работе в первом
порядке спектра.
6.7. источники ИЗЛУЧЕНИЯ
К источникам света, применяемым при спектральном
анализе, предъявляются высокие требования. Источник должен
обеспечивать достаточную яркость свечения, 'давать хорошую вос-
производимость и точность анализа, обеспечивать чистоту спектра,
простоту и безопасность в обращении. Источники излучения могут
иметь' непрерывный и линейчатый спектр. Источники делятся на
термические и с возбуждением свечения в результате электрических
процессов. Для анализа на щелочные и щелочноземельные элементы
применяются пламена: ацетиленово-воздушное, ацетиленово-кисло-
родное, пламя светильного газа. Они дают линейчатый спектр и
имеют температуру 1500 ... 3300 °C. Применяются как для качест-
венного, так и для количественного анализа.
Для количественного спектрального анализа металлов и сплавов
наибольшее применение получила конденсированная высоковольт-
ная искра, которая дает не только молекулярные спектры, но и
спектры ионизированных атомов.
Воспроизводимость анализа при использовании генератора с элек-
тронным управлением достигает 1 %. х
Простым и распространенным источником для проведения каче-
ственного и количественного анализа руд и минералов является
108
электрическая дуга постоянного тока, которая имеет линейчатый
спектр и дает температуру паров 3500 ... 8000 °C. Она может рабо-
тать с угольными и металлическими электродами. Однако из-за не-
устойчивого горения дуга не дает таких воспроизводимых резуль-
татов, как другие источники, поэтому для количественного спек-
трохимического анализа используется высоковольтная дуга перемен-
ного тока. Она дает спектральные линии с более постоянными и вос-
производимыми относительными интенсивностями.
Значительную группу источников света составляют газосветные
лампы. Пары металлов или газы, заключенные в разрядную,
трубку при низком давлении, светятся под влиянием электриче-
ского разряда. Трубки обычйо наполняются инертными газами
(Не, Ne, А).
Для работы в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней
инфракрасной областях используются лампы накаливания, которые
дают сплошной спектр и характеризуются равномерным распределе-.
нием энергии в спектре.
В инфракрасной области используют штифт Нернста и глобар,
которые имеют сплошной спектр. Штифт Нернста представляет со-
бой прессованный стержень из тонко размельченных окислов тория,
циркония, иттрия.
Он обладает высокой излучительной способностью и при темпе-
ратуре около 1500 °C спектральное распределение его энергии прак-
тически совпадает с распределением энергии абсолютно черного тела
при той же температуре. Силитовый стержень глобар изготавливают
из карбида кремния. В ближней инфракрасной области спектра
(X < 10 мкм) яркость штифта Нернста больше, чем глобара, но при
X > 10 мкм выше излучательная способность глобара.
Для проведения анализа жидкостей по спектрам комбинацион-
ного рассеяния применяют ртутные лампы высокого давления. Их
основное достоинство —большая яркость излучения, недостаток —
значительный непрерывный фон, свойственный разряду высокого
давления. Для анализов газов применяются ртутные лампы низкого
давления, имеющие линейчатый спектр.
В последнее время широкое распространение получили лазерные
источники света, которые отличаются монохроматичностью и боль-
шой мощностью излучения. Они применяются для люминесцентного
анализа и анализа по спектрам комбинационного рассеяния.
6.8. СПЕКТРОСКОПИЯ ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СИЛЫ
1. Эталон Фабри—Перо и его характеристики
Интерференционной спектроскопией принято называть
методы спектроскопии, в которых используются высокие порядки
интерференции. 1
Действие таких диспергирующих элементов, как призма и ди-
фракционная решетка, также основано на явлении интерференции,
однако порядки интерференции здесь' невысокие.
109
Например, в призме дисперсия света проявляется благодаря
тому, что свет различных длин волн имеет различные скорости рас-
пространения в материале призмы и интерференция получается
только в направлениях, определяемых основными законами призмы;
это явление интерференции нулевого порядка. В дифракционных
решетках дисперсия света имеет место в таких направлениях, кото-
рым соответствуют порядки интерференции, отличные от нуля.
Обычно рабочие порядки спектра достигают нескольких единиц или,
как исключение, нескольких десятков в случае эшелонной решетки.
В интерферометре Фабри—Перо порядок интерференции значительно
выше и может достигать нескольких десятков тысяч. Такой прибор
является спектральным прибором высокой разрешающей силы,
предназначенным для изучения сверхтонкой структуры спектраль-
ных линий при изотопном анализе, при исследовании энергетических
уровней атомов, для точных метрологических измерений и других
исследований.
Интерферометр Фабри—Перо работает на принципе многолуче-
вой интерференции. Интерференция происходит в плоскопараллель-
ной пластинке —эталоне Фабри—Перо, состоящем из двух кварце-
вых или стеклянных пластин (рис. 6.17).
На обращенные внутрь поверхности пластин нанесены полу-
прозрачные зеркальные покрытия. Пластины устанавливаются па-
раллельно друг другу с точностью до 0,01 длины световой волны.
Монохроматический световой пучок, вошедший в эталон, рас-
щепляется на каждой из зеркальных поверхностей на два пучка —
прошедший и отраженный. В результате многократных отражений
из эталона выходит бесконечно большое число параллельных пуч-
ков, которые, интерферируя друг с другом, создают в фокальной пло-
скости объектива, установленного за эталоном, систему резких кон-
центрических колец (рис. 6.18).
Рассмотрим условия появления интерференционных максиму-
мов. Вышедшие из эталона лучи обладают разностью хода А, опреде-
Рис. 6.17. Ход лучей в эталоне Фабри—
Перо
Рис. 6.18. Картина интерференцион-
ных колец эталона Фабри—Перо
110
ляемой расстоянием t между пластинами и углом падения |3. Из
рис. 6.17 видно, что
Д == АВ + ВС - AM = 2АВ - AC sin ₽ = 2 - 2t tg £sinp =
= 2/cos0; (6.39)
величину t называют толщиной эталона. Интерференционные макси-
мумы возникают, когда разность хода равна целому числу длин волн:
Д = Н = 2t cos [3, (6.40)
где k = 0, 1, 2, 3 ... —порядок интерференции.
Порядок интерференции
, , 2/ cos р 2t
‘=—)Л“—
во много раз превышает порядки, достигаемые в дифракционной ре-
шетке. Условие наложения колец соседних порядков с длинами
волн ?. и ?. — Д'Х имеет вид k'k = (k + 1) (^ — Д'А,),
откуда
д'^ —___!_____L — . (6 42)
% k+ 1 — k 2/cos р ' '
Величину Д'Х называют постоянной или областью дисперсии
эталона Фабри—Перо. Она представляет собой спектральный интер-
вал, в пределах которого еще не наступило наложение соседних по-
рядков одной длины волны.
Относительная величина области дисперсии Д'Х/Х определяется
отношением длины волны X к толщине эталона t и практически яв-
ляется чрезвычайно малой величиной (X ~ 1 мкм; t ~ 1 ... 100 мм),
поэтому при работе с эталоном Фабри—Перо применяется вспомога-
тельный спектральный прибор, служащий для предварительной моно-
хроматизации поступающего в эталон излучения до величины, мень-
шей Д'Х. При больших значениях t величина Д'Х может стать меньше
ширины анализируемой спектральной линии и тогда анализ ее струк-
туры становится невозможным. Разрешающая способность эталона
определяется максимальным порядком интерференции, т. е. эффек-
тивным числом интерферирующих лучей Уэф. Эта величина ограни-
чивается двумя факторами: 1) конечным числом отражений наклон-
ного пучка от зеркала заданного диаметра; 2) постепенным ослабле-
нием пучка при последовательных отражениях от зеркала с коэффи-
циентом отражения р < 1.
Учитывая диафрагмирование пучка, теоретическая разрешающая
сила эталона^равна:
X ... cos 6 j ft .
".,.. : гтеор = 757 — = х tg (3 ’ (6.43)
где Do — диаметр диафрагмы после эталона, в качестве которой мо-
жет служить, например, оправа эталона.
При малых углах интерференции ф < 1) теоретическая разре-
шающая сила возрастет. Это объясняется тем, что число отражений
111
пучка при малых углах падения от зеркала заданного диаметра рас-
тет по мере приближения к перпендикулярному падению. При [3 -> О
величина ггеор ->оо, но практически это не достигается, так как
гораздо раньше начинает играть роль второй эффект — неидеальное
отражение пластин эталона.
Эффективное число отражений пучка от поверхности зеркальных
покрытий с коэффициентом отражения р приближенно равно:
= (6-44)
При малых (3 (cos'P «э 1) получаем выражение для разрешающей
силы с учетом неидеального отражения
Разрешающая сила реального эталона определяется наименьшим
из значений (6.43) и (6.45). Практически при больших углах интер-
ференции |3 главную роль играет диафрагмирование интерферирую-
щих пучков, а при малых (3 — постепенное ослабление их при отра-.
жени и.
2. Интерферометры ИТ-28 и ИТ-51
Для устранения мешающих порядков спектрометр с эта-
лоном Фабри—Перо должен включать в себя монохроматор для
предварительного выделения излучения в спектральном диапазоне,
несколько меньшем постоянной эталона Л'Х. Для этого применяется
щелевой монохроматор с призмой или дифракционной решеткой.
Промышленностью выпускается два комплекта эталонов Фабри —
Перо: ИТ-28 и ИТ-51, которые можно использовать совместно со
спектрографами, а также для самостоятельных измерений.
Интерферометр ИТ-28 предназначен для исследования сверх-
тонкой структуры и контуров спектральных линий в ультрафиоле-
товой и видимой областях спектра (от 220 до 600 нм).
Интерференционная картина прибора ИТ-28 проектируется на
входную щель спектрографа с помощью сменных сферических зер-
кал с фокусными расстояниями 150, 250 или 500 мм. Специальная
двухлинзовая конденсорпая система, устанавливаемая перед при-
бором ИТ-28, позволяет получить равномерную освещенность ин-
терференционной картины. Световое отверстие интерферометра имеет
диаметр 50 мм. Взаимопараллельность зеркал — до 0,005 мкм. Опти-
ческая схема интерферометра ИТ-28 (а также и ИТ-51) крайне проста:
два полупрозрачных зеркала, повернутые отражающими поверхно-
стями друг к другу, разделены промежуточным кольцом.
Прибор ИТ-28 выпускается в двух вариантах: 1) ИТ-28-30 с на-
бором из 18 промежуточных колец (толщиной от 0,3 до 30 мм),
2) ИТ-28-150 — с набором из 5 колец (толщиной от 40 до 150 мм).
Интерферометр ИТ-51 предназначен для исследований в области
400 ... 800 нм и имеет приспособления для совместной работы со
спектрографом. Так же, как и прибор ИТ-28, он выпускается в двух
П2
вариантах: ИТ-51-30 и ИТ-51-150 —с теми же наборами промежу-
точных колец. Прибор ИТ-51-30 устанавливается внутри спектро-
графа между коллиматором и диспергирующей системой, прибор
ИТ-51-150 используется во внешней установке.
6.9. ОСНОВЫ ДВУХЛУЧЕВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ
СПЕКТРОСКОПИИ. ПРИНЦИП ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА
Наряду с классическими приборами, в которых входным
зрачком является узкая спектральная щель, а диспергирующим
элементом — призма или решетка, существует обширный класс
приборов, помимо интерферометра Фабри—Перо, действие которых
основано на интерференционном принципе разложения. Важной осо-
бенностью интерференционных приборов является использование
в них в качестве зрачка круглой диафрагмы, площадь которой во
много раз больше площади узкой входной щели призменных и ди-
фракционных приборов. Именно это обусловливает высокую свето-
силу интерференционных спектральных приборов.
Рассмотрим принцип работы двухлучевого интерференционного
спектрального прибора, называемого Фурье-спектрометром, который
основан на использовании интерферометра Майкельсона (рис. 6.19).
Излучение от источника проходит через круглую входную диафрагму
1, коллиматорный объектив 2 и падает на полупрозрачное зеркало 3,
на котором делится на два пучка, направляемые на плоские зеркала
4 и 5. От этих двух зеркал, одно из которых фиксировано, а другое
подвижно (например, зеркало 5), излучение возвращается на свето-
делитель 3, где пучки интерферируют. Часть энергии посылается
в объектив 6 и, пройдя выходную диафрагму 7, попадает на приемник
лучистой энергии 8, который измеряет результирующую интенсив-
ность. Другая часть энергии возвращается через объектив 2 во
входную диафрагму 1 и не используется в измерениях.
Зеркало 5 смещается таким образом, что его плоскость всегда
параллельна плоскости первоначального положения и движение
начинается из положения нулевой
разности хода, т. е. когда расстояния
от светоделителя 3 до зеркал '4 и
5 равны.
Если источник излучения монохро-
матический с длиной волны 7.0 или ча-
стотой v0 = 1/Х0, то интенсивность I (х),
измеряемая приемником при смещении
зеркала 5 на расстояние х/2 от нуле-
вой разности хода, равна
Z (х) = -А- 70 [ 1 + COS (2nv0r)], (6.46)
где /в — интенсивность источника, по-
ступающая на вход интерферометра; Рис. 6.19. Схема интерферометра
-V = А = vt — разность хода, равная Майкельсона
ИЗ

Рис. 6.20. Сигналы, получаемые с помощью спектрометра и интерферометра: слева
спектры, справа — интерферограммы
удвоенному перемещению зеркала 5; v — скорость движения
зеркала 5; t—время, отсчитываемое от момента нулевой разности
хода.
Выражение (6.46) описывает периодическое изменение интенсив-
ности из-за интерференции на приемнике при изменении разности
хода (рис. 6.20, а). Получаемую зависимость интенсивности от раз-
ности хода называют интерферограммой.
Если источник состоит, например, из двух узких спектральных
линий с длинами волн 2ц и Х2, то наблюдается суммарная интерфе-
ренционная картина и интерферограмма приобретает более сложный
характер (рис. 6.20, б). Всякий спектр может быть представлен как
набор монохроматических линий, и тогда соответствующая интер-
ферограмма будет простой линейной суперпозицией кривых
(рис. 6.20, в) и может быть выражена в виде суммы' интерферограмм
отдельных спектральных компонент:
/(х) = ~ У Ш)(1 +cos2nxvz), (6.47)
где i — индекс, обозначающий узкий спектральный интервал па
частоте v,; 10 (v,) — интенсивность излучения в этом интервале при
нулевой разности хода, т. е. спектр излучения.
Таким образом, интерферограмма содержит информацию обо всем
спектре излучения /0 (v;), но неявным образом. Восстановить явный
П4 I
БиД спектра /0 (v;) по полученной интерферограмме 1Х = / (и, О
можно с помощью специального математического метода, называе-
мого обратным Фурье-преобразованием. Громоздкие вычисления
функции /0 (у,) по известной функции / (х) стали возможными только
с появлением электронных вычислительных машин, позволяющих
с достаточной точностью преобразовать полученную интерферо-
грамму в искомый спектр без потерь полезной информации.
Первый Фурье-спектрометр в Советском Союзе был выпущен под
маркой ИТ-69 и предназначен для исследований в области 0,4 ...
... 20 мкм. С прогрессом электронно-вычислительной техники
Фурье-спектрометры становятся перспективным направлением
в спектроскопии высокого разрешения, особенно при исследовании
спектра источников малой интенсивности, когда необходим спек-
тральный прибор с большой светосилой.
ГЛАВА 7
ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
7.1. ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ
Фотометрия занимается измерением интенсивности лу-
чистых потоков. При фотометрических измерениях наиболее широко
используется область видимого излучения, т. е. свет. Основной ха-
рактеристикой интенсивности света является световой поток, т. е.
.мощность световой энергии, а производными — яркость, сила света,
освещенность и другие.
В фотометрии интенсивность света обычно измеряется не в абсо-
лютных, а в относительных единицах. Абсолютные световые изме-
рения сложны тем, что требуют предварительной градуировки при-
емников света по эталонным источникам света, трудно воспроизво-
димым в измерительной лаборатории.
В соответствии с применяемыми приемниками света методы
фотометрии и фотометры делятся на три группы: визуальные, фото-
графические и электрические (фотоэлектрические, термоэлектри-
ческие и др.).
В визуальных фотометрах в качестве приемника используется
глаз наблюдателя, его способность сравнивать яркость двух свето-
вых полей, видимых одновременно. В фотографических методах
фотометрии используется фотохимическое действие света при осве-
щении фоточувствительного слоя. Сами фотометрические измерения
связаны здесь со сравнением почернения эмульсий и осуществляются
с помощью визуальных или электрических фотометров.
В электрических фотометрах используют приемники, реагиру-
ющие на световые потоки возникающими в их цепи электрическими
токами или разностью потенциалов.
В настоящее время визуальные и фотографические методы при-
меняются ограниченно. Они кропотливы и недостаточно точны и по-
этому вытесняются электрическими методами.
115
В схему фотометра, кроме источника света, входят светофильтры
или монохроматор, измерительные ослабители света, приемники
света и индикаторы (гальванометры, осциллографы и др.).
Для точных фотометрических измерений источники света должны
обладать стабильным излучением, приемники света должны иметь
стабильные во времени фотометрические характеристики, не зави-
сящие от интенсивности, частоты и состояния поляризации световых
потоков, надежными в работе должны быть и другие узлы фотометра.
Светоослабляющие устройства предназначены для закономерного
изменения интенсивности света по возможности без изменения его
спектрального состава. Наиболее точным является устройство, осно-
ванное на законе квадратов расстояний. Из этого закона следует, что
освещенности двух поверхностей Et и Е2, отстоящих от источника
света на расстояниях гх и г2, обратно пропорциональны квадратам
этих расстояний, т. е.
£1 = _1
£2
Закон квадратов расстояний строго-справедлив для точечных источ
ников. Для реальных источников его точность достаточно высока,
если поперечные размеры источника меньше расстояния до осве-
щаемой поверхности в 10 и более раз. Такое устройство не изменяет
спектрального состава света и отличается высокой точностью изме-
нения интенсивности, которая зависит от точности измерения рас-
стояний. Все остальные светоослабляющие устройства градуируют
с помощью закона квадратов расстояний.
Простое светоослабляющее устройство основано на законе коси-
нусов, по которому освещенность прямо пропорциональна косинусу
угла между направлением светового потока и нормалью к освещаемой
поверхности. Это устройство обладает неравномерной чувствитель-
ностью изменения интенсивности света и применяется в простых
визуальных фотометрах.
Вращающиеся секторы применяют для ступенчатого или плавного
изменения времени действия света на инерционный приемник (глаз)
или фотопластинку. В первом случае изменяется кажущаяся яркость
источника, наблюдаемого через секторный вырез вращающегося
диска, а во втором — изменяется количество освещения.
При частоте прерывания света 100 Гц и более субъективно вое
принимаемая яркость источника L связана с истинной яркостью L
соотношением
. _ j па
L = L° 360 ’
где а — угол секторного выреза в градусах; п — число вырезов
в диске.
Точность светоослабляющего устройства с вращающимся диском
зависит от точности выполнения вырезов и не зависит от стабиль-
ности его вращения, если частота прерывания выше 100 Гц. Такие
устройства не изменяют спектра источника и применяются в качестве
эталонов, обладающих стабильным коэффициентом пропускания.
116
Рис, 7.1. Симметричная квадратная диа-
фрагма
Подклин
Клин
а)
клинья:
а — линейный; б — круговой
Устройство с поляризаторами применяется для плавного изме-
нения интенсивности света и состоит из двух поляризационных
призм или двух дихроичных поляроидов.-
Интенсивность прошедшего через поляризаторы света опреде-
ляется законом Малюса
I = /0 COS3 ф,
где /0 — максимальная интенсивность прошедшего света; <р — угол
между оптическими осями призм или поляроидов. Устройство
характеризуется неравномерной чувствительностью к изменению
интенсивности света, которая максимальна при ф = 45°. Призмен-
ное устройство почти не изменяет спектра источника, у поляроидов
селективность пропускания достигает заметной величины.
Диафрагмы применяются для ослабления светового потока путем
его ограничения. Диафрагмы устанавливаются непосредственно за
источником света или в плоскости входного зрачка системы. Они
позволяют плавно изменять световой поток пропорционально изме-
нению площади диафрагмы.
Недостатком диафрагм является изменение геометрической струк-
туры пучка света (его сечения), поэтому лучшими считаются осесим-
метричные диафрагмы, например, круглые (ирисовые) и квадратные.
На рис. 7.1 показана симметричная шторковая диафрагма с квадрат-
ным сечением. Шторки аг и а2 укреплены на микрометренном
'винте, имеющем правую и левую резьбу, благодаря чему сечение g
отверстия изменяется симметрично.
Общеизвестные ирисовые диафрагмы не получили широкого рас-
пространения для точного изменения потока, так как обладают
большими ошибками, чем шторковые.
Фотометрические клинья ослабляют световой поток путем его
поглощения. Широкое применение в фотометрии нашли линейные
и круговые нейтральные клинья (рис. 7.2).
117
Линейные клинья обычно выполняют из нейтрально серого стекла
и они обладают постоянным приращением оптической плотности на
единице длины клина. Чтобы исключить неравномерность плотности
по пучку света и превратить ослабитель в плоскопараллельную
пластину, к подвижному большому клину добавляется неподвижный
подклин из того же светопоглощающего стекла.
Круговые клинья выполняют методом напыления светопогло-
щающего слоя с равномерно изменяющейся плотностью на стеклян-
ную пластину.
Светоослабитель в виде вращающегося диска с секторными вы-
резами используется в фотометре ИМО-2. Поляризационный свето-
ослабитель применен в спектрофотометре СФ-14.
Показанная на рис. 7.1 квадратная диафрагма установлена
в фотометре ФМ-58, а прямоугольная диафрагма — в шаровом фото-
метре ФШ-56М.
Линейный нейтральный клин использован в двухлучевом микро-
фотометре ИФО-451, а круговой клин — в колориметре-нефелометре
ФЭКН-57.

7.2. ПРИБОРЫ ВИЗУАЛЬНОЙ ФОТОМЕТРИИ
Визуальный фотометр имеет одну или две испытательные
пластинки, устройство для изменения освещенности этих пластинок,
устройство для образования полей сравнения и зрительную трубу
или окуляр для наблюдения этих полей.
Испытательная пластинка применяется для того, чтобы глаз
наблюдателя не видел непосредственно источник света, а видел
равномерно освещенную этим источником поверхность. Пластинка
должна быть белой, матовой и равнояркостной по всем направле-
ниям. Материалом для пластинок могут служить гипс, окись магния,
углекислый магний и другие материалы с коэффициентом отражения
от 0,92 до 0,99.
Устройства для изменения освещенности рассмотрены в разд. 7.1.
Устройства для образования полей сравнения должны отвечать
следующим требованиям:
сравниваемые поля должны разграничиваться тонкой линией,
исчезающей при равенстве яркостей;
поля должны быть бесструктурными, одноцветными и равномерно
освещенными;
угловые размеры полей должны укладываться в пределах от
2,5 до 3° при их яркости от 5 до 250 кд/ма.
В качестве устройств для образования полей сравнения приме-
няются кубики Люммера—Бродхуна, бипризма Френеля и зеркала.
На рис. 7.3 показан один из вариантов кубика Люммера—Брод-
хуна с контрастными полями сравнения. Нижняя призма кубика
является обычной призмой полного внутреннего отражения. На
диагональной грани верхней призмы сделаны выемки малой глу-
бины: их контур заштрихован и обозначен цифрой II. Вне поля
выемок диагональные грани призм имеют оптический контакт.
Пучки света I и II, идущие от испытательных пластинок, проходят

118
через кубик в местах оптического контак-
та, создавая поле I, и отражаются от диа-
гональной плоскости, образуя поле
сравнения II. На пути световых пучков,
образующих трапециевидные участки по-
лей сравнения, устанавливаются про-
зрачные стеклянные пластинки Сг и С3
(р = 8 ... 9 %), поэтому наблюдатель
видит трапеции всегда несколько темнее
своего поля сравнения.
Яркости полей сравнения равны тогда,
когда исчезает граница между основными
полями и когда в этих полях контраст
трапеций одинаков. Такой кубик дает воз-
можность провести измерения с ошибкой
не более ±0,25 %.
На рис. 7.4 изображена бипризма
Френеля и ход параллельных пучков I
и II через нее. Ребро тупого угла призмы
создает линию раздела полей сравнения,
поэтому здесь не должны быть фаски.
Параллельные пучки на выходе из
Рис. 7.3. Фотометрический
кубик с контрастными по-
лями сравнения
призмы идут соприка-
саясь. Это положение пучков позволяет рассчитать их наклон
до призмы по ее преломляющему углу или решить обратную
задачу.
Фотометр ФМ-58 предназначен для измерения коэффициентов
отражения, пропускания или оптической плотности твердых и жид-
ких прозрачных сред, а также для колориметрических и спектро-
метрических работ как визуальным, так и фотоэлектрическим метол
дами.
Оптическая схема фотометра показана на рис. 7.5. Прибор со-
стоит из двух частей: осветителя и фотометрической головки. Осве-
титель состоит из лампы накаливания 1, двух зеркал 2 и двух кон-
денсоров 3. В гнезда осветителя вставляются молочные или матовые
стекла 4, создающие’равномерно рассеянный свет. Фотометрическая
головка представляет двойную зрительную трубу с полем зрения
1° 45'. Перед объективами 7 и 15 помещены две переменные диаф-
рагмы с квадратными отверстиями. Диафрагмы имеют отсчетные
барабаны 6 и 16 с двумя шкалами. Черная шкала, как и в других
приборах, проградуирована от 0 до 100 и служит для отсчетов ко-
Ри?. 7,4. Бипризма Френеля в параллельных пучках
119
эффициентов пропускания т в %. Красная шкала оптической плот-
ности D связана со шкалой т соотношением:
D = —1g т.
Два световых пучка, упавших на диафрагмы, сводятся оптиче- J
ской системой головки — объективами 7 и 15, ромбическими приз-
мами 8 и бипризмой Френеля 13 — в одно поле зрения в виде круга,
разделенного ребром бипризмы пополам. Яркость левой половины '
поля зрения зависит от действия
Рис. 7.6. Фотометр ФМ-58
правой ветви прибора, а яркость н
правой половины — от действия Щ
левой ветви прибора. Глаз наблю- fl
дателя помещается за окуляром 14 fl
в выходном зрачке трубы. V
Перед измерением прибор на-
страивают на одинаковую яркость |
полей при одинаковых отсчетах на j]
барабанах. Для этого вынимают fl
молочные стекла 4 и регулировкой fl
положения лампы и конденсоров fl
добиваются равномерного заполне- fl
ния полей сравнения изображения- fl
ми нити лампы. Затем стекла 4 воз-. 11
вращают на место, а оба бара- J
бана устанавливают на отсчет 100 Я
(почти полное открытие дна- I
фрагм). I
В одну из ветвей помещается Я
испытуемый образец 5, а в дру- fl
гой закрывают диафрагму до fl
уравнивания яркостей полей, fl
Отсчет по черной шкале дает т1; fl
а по красной D1. Затем измере- fl
ние повторяют, но образец поме- fl
щают в другую ветвь, и снимают
120
отсчеты т2 и £)2. Окончательные значений т или D получают как
средние двух отсчетов:
т = у/тгт2 и D — 0,5 (£\ 4" ^г)-
Измерение коэффициентов отражения р осуществляют сравне-
нием потоков, отраженных от испытуемой поверхности и баритовой
белой пластины с эталонным значением рэ.
Для спектрофотометрирования, т. е. измерения х = f (11), при-
меняется набор из 8 светофильтров, устанавливаемых перед окуля-
ром, с длинами волн от 403 до 726 нм.
Для работы фотоэлектрическим методом в ход лучей включается
преломляющая призма-клин 9, направляющая свет на зеркала 12,
матовые стекла 11 и сурьмяно-цезиевые фотоэлементы 10. Фотоэле-
менты включены по дифференциальной схеме через усилитель на ну-
левой гальванометр. Измерения сводятся к получению фотоэлек-
трического равенства по приведению стрелки гальванометра к нулю
путем изменения световых потоков измерительными диафрагмами.
Отсчеты, как и при визуальном методе, снимаются с барабанов
диафрагм.
Погрешность измерения т на фотометре ФМ-58 визуальным спо-
собом составляет не менее ±3 %, а фотоэлектрическим способом —
±1 %.
Внешний вид фотометра ФМ-58 показан на рис. 7.6.
7.3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФОТОМЕТРЫ
По способу использования световой характеристики при-
емника света фотоэлектрические фотометры делят на два типа.
В фотометрах первого типа световая характеристика приемников
используется как фотометрическая, когда она имеет хорошо выра-
женный линейный ход. В фотометрах второго типа приемник исполь-
зуется как индикатор равенства двух падающих на него потоков.
В фотометрах второго типа может быть один приемник или два, вклю-
ченных по дифференциальной схеме.
В простейшем случае фотометр первого типа (фотометр прямого
отсчета) состоит из вентильного фотоэлемента и гальванометра,
измеряющего фототок. Сила тока зависит от величины светового
потока, его спектрального состава и спектральной чувствительности
приемника.
В большинстве фотометров спектральный состав света при изме-
рениях не изменяется, а спектральная чувствительность приемника
приведена к спектральной чувствительности глаза. При этом между
световым потоком и фототоком устанавливается пропорциональность
и шкала гальванометра может градуироваться непосредственно в све-
тотехнических единицах: канделах, люменах, люксах, нитах.
В фотометрах прямого отсчета с большим успехом применяются
селеновые вентильные фотоэлементы. Для их работы не нужны источ-
ники питания, их световая характеристика близка к прямой линии
(при малых сопротивлениях нагрузки).
12!
Рис. 7.7. Схема микрофотометра МФ-2
К недостаткам этих фотометров следует отнести низкую чувстви-
тельность вентильных фотоэлементов, ее непостоянство во времени,
сложности в обращении с зеркальными гальванометрами. Усиливать
токи вентильного фотоэлемента трудно, так как его выходное сопро-
тивление мало.
На рис. 7.7 показана схема микрофотометра МФ-2, работающего
по принципу прямого отсчета. Микрофотометры МФ-2 и МФ-4 (с до-
полнительной регистрирующей системой) широко применяются в ла-
бораториях при измерении плотности почернения малых по размеру
участков фотопластинок, на которые сфотографированы спектраль-
ные линии, интерференционные полосы, теневые картины и т. п.
Микрофотометр МФ-2 имеет две части: фотометрическую и от-
счетную. Фотометрическая часть проектирует световой пучок, про-
ходящий через исследуемый участок фотопластинки, на приемную
площадку фотоэлемента. Свет лампы накаливания 6, расположенной
в кожухе 7, конденсором 5, призмой 4 и объективом 3 собирается
на фотопластинке 1. Изображение фотопластинки объективом 2
и зеркалом 25 проектируется с увеличением 20х на белый матовый
экран, в центре которого установлена щелевая диафрагма 19. Объек-
тив 17 через фотометрический круговой клин 20 переносит световой
поток на приемную площадку фотоэлемента 18. Величина этого по-
тока пропорциональна пропусканию того участка фотопластинки,
который проектируется на щель 19.
Величина фототока измеряется зеркальным гальванометром, при-
чем его зеркало И входит в отсчетную часть МФ-2. Шкала 9, нане-
сенная на сетке 10, освещается конденсором 8 и проектируется объек-
122
тивом 12, зеркалом гальванометра 11, призмой 13, объективами 14,
15 и зеркалом 23 на матовый экран 24 с увеличением 20х.
При повороте зеркала гальванометра изображение шкалы на
экране смещается относительно указателя. Смещение шкалы линейно
связано с фототоком, а значит, и с потоком, поэтому шкала т микро-
фотометра линейна, а шкала D — нелинейна.
При настройке прибора световой поток регулируется фотометри-
ческим клином 20 (рукоятка 21), а положение шкалы на экране —
рукоятками 16 и. 22, последние связаны с перемещением и наклоном
оптических элементов отсчетной системы.
В фотометрах, к световой характеристике и чувствительности
жоторых предъявляются жесткие требования, применяют вакуумные
фотоэлементы и фотоумножители. У них световая харатеристика
линейна в широком диапазоне изменения светового потока; их
выходное сопротивление велико, что удобно для последующего
усиления фототока; они практически безынерционны до частот
108 Гц.
В качестве примера фотометра второго типа ниже рассмо-
трена принципиальная схема двухлучевого спектрофотометра
(рис. 7.8).
Излучение от источника света 1 разделяется на два потока.
Первый поток Фх проходит через коллимирующий объектив 2, гра-
дуированный ослабитель 3, отражается от зеркала 4 и попадает на
переключатель потоков 10. Второй поток Ф3 проходит через объек-
тив 13, отражается от зеркала 12 и через исследуемый образец И
попадает на переключатель потоков 10. Переключатель через объек-
тив 9 посылает поочередно потоки на входную щель монохрома-
тора 8.
Монохроматическое излучение попадает на приемник света 7,
возникающие фототоки усиливаются усилителем 6 и подаются на
следующую систему 5. Если потоки ФЛ и Ф2 не равны, то в фототоке
появляется переменная составляющая с частотой, равной частоте
переключения потока. При этом двигатель следящей системы пере-
мещает ослабитель 3 так, чтобы потоки уравнялись.
Во время сканирования по спектру следящая система непрерывно
поддерживает равенство потоков Фх и Фа и перо самописца, жестко
Рис. 7-8. Схема двухлучевого спектрофотометра
123
связанное с ослабителем, вычерчивает на диаграммной ленте за-
висимость т = f (А).
В качестве ослабителя чаще всего используют нейтральные
ослабители гребеночного типа.
Рассмотренная принципиальная схема положена в основу целой
группы промышленных спектрофотометров для видимой и инфра-
красной областей спектра. Например, спектрофотометр СФ-10 за-
писывает спектры пропускания с погрешностью 0,2 ... 0,3 %.
Другие фотометры второго типа имеют два приемника света,
установленных в двух ветвях и соединенных по дифференциальной
схеме.
ВТОРОЙ
РАЗДЕЛ
ФОТО- И КИНОПРИБОРЫ
Фото- и киноприборы широко применяются в различных
областях деятельности человека: искусстве, науке и технике.
Так, с помощью фото- и киноаппаратов осуществляется съемка
предметов внешнего мира, т.е. фотокиноприборы служат средством
изобразительного искусства. Если фотоаппараты предназначены для
получения единичных фотоснимков (фотоотпечатков), то киносъемоч-
ные аппараты обеспечивают получение серий фотоизображений, на-
зываемых кинокадрами. При их проецировании на экран с помощью
кинопроектора зритель воспринимает заснятые предметы в дви-
жении.
Фото- и киноаппаратура используется также для регистрации
различных процессов и явлений с целью их изучения, т. е. является
средством научного исследования. Для кинорегистрации быстро
протекающих процессов (взрыв, электрический разряд и др.) при-
меняются специализированные киноаппараты, обеспечивающие воз-
можность киносъемки с частотами до нескольких миллионов кадров
в секунду. При исследовании медленно протекающих процессов
(рост кристаллов, прорастание семян и др.) применяется замедлен-
ная съемка, осуществляемая с частотами до 1 кадра в несколько'
минут и даже часов. (Нормальная частота киносъемки находится
в пределах от 16 до 24 кадр/с.)
К исследовательским съемочным устройствам относятся аэрофо-
тоаппараты, служащие для фотосъемки земной поверхности с целью
ее картографирования или изучения природных ресурсов. Фото-
съемка применяется также и при изучении других планет. Так,
в 1959 г. с помощью фототелевизионной системы, смонтированной
на АМС «Луна-3», были впервые получены фотоснимки обратной
(невидимой с Земли) стороны Луны. В последнее время для фото-
съемки земной поверхности применяются многокамерные съемочные
устройства, обеспечивающие одновременную фоторегистрацию в раз-
личных областях (зонах) спектра.
Фотокинотехника нашла также широкое применение при раз-
множении различных документов, т. е. является средством копирова-
ния, включая микрофильмирование. Кроме того, фотокинотехника
Используется в некоторых производственных процессах для изго-
товления шкал, сеток, микроэлектронных схем и т. д. В настоящее
время все промышленные предприятия и научные учреждения нашей
страны, включая учебные заведения (институты, техникумы, школы
51 Др-), оснащены разнообразными фото- и киноприборами.

ГЛАВА 8
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФОТОПРОЦЕССОВ
8.1. СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1
НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЕБРА С ГАЛОИДАМИ J
Для фото- и киносъемки преимущественно применяются
фотоматериалы, светочувствительными компонентами которых яв-
ляются галоидные соли серебра: AgBr, AgCl, AgJ, которые далее
обозначаются AgHal.
На рис. 8.1 показан поперечный разрез фотопленки для полу-
чения черно-белых фотоизображений. Светочувствительный слой
2 (далее фотослой), нанесенный на основу 4, содержит микрокри-
сталлы AgHal, размеры которых не превышают 5 мкм. Микрокри-
сталлы AgHal равномерно распределены по толщине фотослоя, что
обеспечивается за счет желатины, обладающей свойством образо-
вывать коллоидные растворы. Основа (подложка) современных фото-
и кинопленок изготавливается преимущественно из триацетатцел-
люлозы (триатетатная основа), являющаяся прозрачным трудно-
воспламеняющимся веществом (температура воспламенения свыше
400 °C). Между фотослоями и основой находится соединительный
• слой 5, часто выполняющий роль противоореольного слоя (препят-
ствует образованию ореолов в фотоизображении вследствие поглоще-
ния световых лучей, прошедших сквозь фотослой). Сверху на фото-
слой нанесен защитный слой 1, а снизу на основу нанесен проти-
воскручивающий слой 5, иногда выполняющий функции противо-
ореольного слоя (противоореольные функции может выполнять
также и подкрашенная основа). Толщина фотослоя у черно-белых
фото- и кинопленок составляет от 10 до 30 мкм; толщина основы —
от 0,09 до 0,20 мм; общая толщина пленки — от 0,10 до 0,22 мм.
В последнее время основа некоторых пленок изготавливается из
лавсана, что позволяет получать пленки с общей толщиной менее
0,1 мм.
В фотоэмульсию при ее изготовлении добавляют различные ве-
щества: дубители, пластификаторы, антисептики и сенсибилизаторы.
. Дубители (дубящие вещества) служат для повышения термостойкости
фотослоя. Пластификаторы увеличивают пластические свойства фо-
тослоя. Антисептики предотвращают появление в фотослое бакте-
рий и грибков. Наконец, сенсибилизаторы предназначены для рас-
ширения области спектральной чувствительности фотоэмульсии.
Однако сенсибилизаторы в фотослое некоторых фотоматериалов от-
сутствуют (например, у черно-белых фотобумаг).
На рис. 8.2 приведены размеры кинопленки, обращенной фото-
слоем к наблюдателю. По краям (иногда, только с одной стороны)
в кинопленке прорубаются отверстия (перфорации), в которые вхо-
дят зубья транспортирующих пленку механизмов. Расстояние между
соседними перфорациями (их центрами или одноименными краями)
называют шагом перфорации ta. Ширина и высота перфорации
126 '
Рис. 8.1. Поперечный разрез
черно-белой фотопленки
Рис. 8.2. Внешний вид кино-
пленки
обозначены Ьп и hn. Край кинопленки, которым она прижимается
к продольной направляющей фильмового канала, называется ба-
зовым.
В табл. 8.1 приведены основные размеры рулонных кинопленок
отечественного производства без допускаемых отклонений (т. е.
номинальные размеры). Для фотоаппаратов в СССР выпускаются
следующие виды фотопленок:
плоские форматные шириной 6,5; 9,0; 10; 13; 18; 24 и 30 см;
катушечные неперфорированные шириной 16 и 61,5 мм;
катушечные перфорированные шириной 35 мм.
Форма, размеры и расположение перфораций на 35- мм перфори-
рованных фотопленках такие же, как и у 35-мм кинопленок.
Таблица 8.1
Тнп кинопленки Размеры в мм
в mi т2 С Ьп
8-мм обычная 7,975 0,90 3,81 1,83 1,27
8-мм типа С . 7,975 0,51 — 4,234 0,914 1,143
8-мм двойная (2X8) 15,95 0,90 10,49 3,81 1,83 1,27
8-мм двойная типа С (2Х8С) 15,95 0,51 13,10 4,234 0,914 1,143
16-мм 15,95 0,90 10,49 7,62 1,83 1,27
35-мм 34,975 2,01 25,37 4,75 2,80 1,98
70-мм 69,95 5,47 53,40 4,75 2,80 1,98
Предельная одноразовая силовая нагрузка на перемычку между
двумя перфорациями не должна превышать 10 Н для 35- и 70-мм
кинопленок и 8Н — для 8- и 16-мм кинопленок.
8.2. ПОЛУЧЕНИЕ ЧЕРНО-БЕЛЫХ ФОТОИЗОБРАЖЕНИЙ
При осуществлении фотосъемки сначала на поверхности
светочувствительного слоя фотоматериала получают оптическое
изображение снимаемых объектов, что обеспечивается с помощью
127
съемочного объектива. Затем в течение некоторого промежутка вре-
мени световые лучи должны воздействовать на светочувствительные
компоненты фотослоя (микрокристаллы AgHal). Этот процесс назы-
вается процессом экспонирования фотослоя, а его продолжитель-
ность — временем экспонирования или выдержкой.
Произведение освещенности Е данного участка оптического изоб-
ражения на время его экспонирования (выдержку) t называется
экспозицией Н, которая выражается в люкс-секундах (лк-с). При
поглощении квантов света микрокристаллами AgHal в них идут
фотохимические реакции, в результате которых в определенных
местах (центрах светочувствительности) отлагаются атомы серебра.
Из атомов Ag образуются микроскопические частички (зерна), из
которых формируется фотоизображение, называемое «скрытым».
Оно называется так потому, что содержит незначительное количе-
ство атомов Ag в его участках и поэтому незаметно для глаза че-
ловека. Таким образом, в скрытом фотоизображении как бы запе-
чатлен результат воздействия световых лучей на фотослой в про-
цессе его экспонирования. Количество выделившихся атомов Ag
в каком-либо месте фотослоя прямо пропорционально величине
экспозиции Н, сообщенной фотослою. Чем больше атомов Ag отло-
жилось на данном участке фотослоя, тем интенсивнее этот участок
будет задерживать проходящие сквозь него световые лучи, тем тем-
нее он будет восприниматься глазом *. Поэтому по распределению
светотеней в скрытом изображении оно является противоположным
по сравнению распределением светотеней на объекте съемки. Такие
изображения с обратным соотношением светотеней по сравнению с
объектом принято называть негативными (негативами).
Известно, что энергия квантов света зависит от длины волн К,-
причем она уменьшается с увеличением X (уменьшается частота
колебаний). В связи с этим способностью к восстановлению атомов Ag
из солей AgHal обладают не все кванты света, а только те, длина
волны X которых не превышает 510 нм. Таким образом, на микро-
кристаллы AgHal могут оказывать активное воздействие только
фиолетовые, синие и голубые лучи видимого участка спектра. По-
этому фотоэмульсия, содержащая только микрокристаллы AgHal
(без сенсибилизаторов), обладает ограниченной спектральной чув-
ствительностью и называется несенсибилизированной (имеющей
естественную спектральную чувствительность).
Для расширения области спектральной чувствительности в фото-
эмульсию вводят специальные вещества, называемые оптическими
сенсибилизаторами (очувствителями). В зависимости от степени
сенсибилизации фотоэмульсии подразделяются на:
1) ортохроматические — чувствительны к зеленым и желтым
лучам;
2) изохроматические — чувствительные к зеленым, желтым и
оранжевым лучам;
* Степень поглощения световых лучей участками фотоизображения принято
оценивать величиной оптической плотности D.
128
3) панхроматические — чувствительны почти ко всем видимым
лучам;
4) инфрахроматические — чувствительны к красным и невиди-
мым инфракрасным лучам (примерно, до 2. = 1200 нм).
Если фотоэмульсия обладает почти одинаковой чувствительностью
ко всем длинам волн области ее спектральной чувствительности, —
то к ее названию добавляется приставка «ИЗО» (например, изопанхро-
матическая).
Для преобразования скрытого изображения в видимое его под-
вергают проявлению. При проявлении концентрация атомов Ag
в участках скрытого изображения увеличивается в миллион и более
раз, благодаря чему существенно повышается их оптическая плот-
ность D. При проявлении атомы Ag восстанавливаются в микрокри-
сталлах AgHal под воздействием проявляющего вещества, присут-
ствующего в проявляющем растворе. Для образования качествен-
ного фотоизображения в процессе проявления необходимо, чтобы
оптическая плотность/) его участков не выходила из пределов интер-
вала плотностей от 0,1 до 3,0.
Процесс проявления протекает неравномерно по всему фото-
слою, а избирательно: чем больше атомов Ag отложилось на данном
участке фотослоя, тем больше атомов Ag выделяется на этом участке
при проявлении *. Это происходит потому, что атомарное серебро
скрытого изображения является своего рода катализатором про-
цесса проявления. После проявления фотоматериал тщательно про-
живают в чистой воде, а затем помещают в фиксирующий раствор для
удаления из фотослоя остатков AgHal. Фиксирующее вещество
(гипосульфит) образует с AgHal химическое соединение (соль),
переходящее в фиксирующий раствор. После фиксирования фото-
материал опять тщательно промывают в воде и затем сушат.
Рассмотренный процесс химико-фотографической обработки фо-
томатериала, называемый процессом прямого проявления, приводит
к получению негативного фотоизображения, поэтому его называют
также негативным процессом (рис. 8.3, а). Его применяют фотолю-
бители и в профессиональной кинематографии. Для получения после
химико-фотографической обработки фотоматериала позитивного фото-
изображения применяют процесс проявления с обращением
(рис. 8.3, б). Его применяют главным образом кинолюбители и
отчасти фотолюбители (при изготовлении диапозитивов).
С полученных при прямом проявлении негативов позитивные фото-
изображения получают путем их перепечатывания на позитивные
фотоматериалы (например, фотобумагу), поэтому этот процесс назы-
вают также позитивным процессом. Применяют два способа фото-
печати: контактный и проекционный.
* Следует отметить, что при проявлении происходит также выделение атомов Ag
равномерно по всей поверхности фотослоя. Образуемое в результате такого побоч-
ного явления фотопочернеиие называется фотографической вуалью (ее оптическая
плотность обозначается О0). Такое «паразитное» фотопочернеиие понижает контраст
в получаемом фотоизображении.
5 С. В. Кулагин и др.
129
Объект
Проявление
зим
Экспонирование
АдНаСъ
*3
Фиксирование
жшлшв
Негатив ,
Отвеливание
Экспонирование
А3
Засвечивание
а)
Проявление
ЕЖИ
Проявление
Фиксирование

Позитив
Рис. 8.3. Схемы способов химико-фотографической обработки:
а — прямое проявление; б — проявление с обращением
8
9
10
11
Рис. 8.4. Принципиальная схема
фотоувеличителя
130
При контактной печати негатив накладывают на позитивный фо”
томатериал и просвечивают в течение некоторого времени по всей
поверхности негатива. Размеры фотоотпечатка (позитива) полу-
чаются такими же, как и размеры фотоизображения на негативе.
Контактная фотопечать применяется в тех случаях, когда негативы
получены крупноформатными фотоаппаратами с размерами кадров
6 Z 6 см и более.
При проекционной печати изображение с негатива с некоторым
увеличением проецируется на позитивный фотоматериал. Для осу-
ществления проекционной фотопечати служат специальные приборы,
называемые фотоувеличителями. На рис. 8.4 приведена принци-
пиальная схема настольного фотоуве-
личителя. Негатив помещается в дер-
жатель 4 с отверстием по форме кадра,
а фотобумага — на столик-основание 1.
Негатив просвечивается с помощью
осветителя, содержащего источник света
(лампа накаливания) 7 и линзовый
конденсор 5. Оптическое изображение
негатива на фотобумаге образует объек-
тив 3. При фокусировке объектива (на-
водке на резкость) перед объективом
располагается красный светофильтр 2,
закрепленный на оси 12.
Корпус 6 проекционной части фото- |
увеличителя жестко соединен с крон- I
штейном 9, имеющим цилиндрическую |
втулку 10. При изменении увеличения 1
с помощью рукоятки 11 втулка вместе
с проекционной частью перемещается
по стойке 8. Современные фотоувели-
чители имеют механизмы для автоматической фокусировки объек-
тива при изменении увеличения, гнездо для помещения коррекцион-
ных светофильтров при цветной фотопечати и устройства для авто-
матической обработки выдержки. Проекционная печать широко
применяется фотолюбителями. Как при контактной, так и при проек-
ционной фотопечати позитивный фотоматериал после его экспони-
рования подвергают прямому проявлению. Полученные фотоотпе-
чатки можно глянцевать, ретушировать и тонировать (окрашивать).
8.3. ПОЛУЧЕНИЕ ЦВЕТНЫХ ФОТОИЗОБРАЖЕНИЙ
НА МНОГОСЛОЙНЫХ ЦВЕТОФОТОГРАФИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛАХ
Согласно трехкомпонентной теории цветового зрения че-
ловека любой цвет можно получить путем смешивания следующих
цветов: синего, зеленого и красного. Белый цвет обязательно со-
держит все три основных цвета, что условно можно записать так:
Б = С + 3 + К. У каждого основного цвета существует дополни-
тельный цвет, в сумме с которым он дает белый цвет. При этом до-,
полнительный цвет является результатом сложения двух других
основных цветов, а именно:
а) для синего цвета дополнительным является цвет, полученный
в результате сложения зеленого и красного цветов, т. е. желтый
цвет Ж;
б) для зеленого цвета — в результате сложения синего и крас-
ного цветов, т. е. пурпурный цвет П;
в) для красного цвета — в результате сложения синего и зеле-
ного цветов, т. е. голубой цвет Г.
Следовательно: 3 + К = Ж;С + К=ПиС + 3 = Г, а также:
С + ж = Б; 3 + П Б; К + Г = Б.
Если в ходе световых лучей расположить светофильтр, имеющий
желтую, пурпурную или голубую окраску, то такой светофильтр
будет задерживать «свой» основной цвет: например, желтый свето-
фильтр задерживает (вычитает из белого) синий цвет; пурпурный —
зеленый цвет; голубой — красный цвет. Вследствие этого такие
светофильтры называются субтрактивными (вычитающими). Спо-
собы получения цветных фотоизображений с использованием много-
слойных цветных фотоматериалов основаны на цветоделении (ана-
лизе цвета) с последующим сложением (синтезе цвета) основных
цветовых компонент (основных цветов).
На рис. 8.5 приведен поперечный разрез цветной негативной
•фотопленки. На прозрачную основу 7 нанесены три различные по
своей спектральной чувствительности эмульсионных слоя 2, 4, 5,
чувствительные соответственно: к синим лучам; к синим и зеленым
лучам и к синим и красным лучам. Промежуточный слой 3 выполняет
роль желтого фильтра и служит для поглощения синих лучей (чтобы
они не прошли к слоям 4 и 5). Слои 1, 6 и 8 являются вспомогатель-
ными и выполняют ту же роль, что и у черно-белых фотомате-
риалов.
5:
131
Рис. 8.5. Поперечный разрез
цветной фотопленки
Цветной негатив
Рис. 8.6. Цветной объект и его
негативное цветное фотоизобра-
жен ие
При экспонировании в каждом из слоев цветной фотопленки
образуется скрытое изображение: в слое 2 — полученное в синих
лучах; в слое 4 — в зеленых лучах и в слое 5 — в красных лучах.
Благодаря различной спектральной чувствительности каждого из
слоев и действия желтого фильтрового слоя осуществляется цветоде-
ление изображения цветного объекта (анализ цвета).
В эмульсионных слоях 2, 4 и 5, кроме микрокристаллов AgHal,
сенсибилизаторов и других составляющих, присутствуют специаль-
ные вещества, называемые краскообразующими компонентами —
компонентами цветного проявления (КЦП). В процессе цветного про-
явления КЦП вступают в реакцию с продуктами окисления прояв-
ляющего вещества и’ образуют химические соединения, имеющие
определенную окраску и осаждающиеся на атомарное серебро, вы-
деляющееся при проявлении. При этом цвет красителя, образую-
щегося в каждом из слоев, является дополнительным к основному
цвету, в лучах которого получается скрытое изображение в данном
слое: фотоизображение в слое 2 окрашивается в желтый цвет; в слое
4 — пурпурный, а в слое5 — в голубой. Химикофотографическая обра-
ботка цветных негативных фотопленок осуществляется в следующей
последовательности: цветное проявление, при котором в каждом
из слоев образуется фотоизображение из частичек серебра, окра-
шенных в цвет соответствующего красителя, и обесцвечивается
желтый фильтровый слой; отбеливание, в процессе которого ато-
марное серебро удаляется из слоев; фиксирование, заключающееся
в удалении из слоев остатков AgHal.
На рис. 8.6 схематически показаны: сверху — объект съемки,
содержащий поля различного цвета; в середине — разрез трех-
слойной цветной фотопленки с указанием окраски участков фото-
изображений, соответствующих цветным полям объекта; внизу —
зрительное восприятие каждого участка фотоизображения при рас-
сматривании проявленной фотопленки на просвет. В результате
прямого цветного проявления получают фотоизображение, участки
которого окрашены в цвета, дополнительные к цветам полей объекта,
132
т. е. получают цветной негатив. Для получения цветного позитив-
ного фотоизображения необходимо осуществить процесс фотопечати
на цветной позитивный фотоматериал (например, цветную фото-
бумагу). Цветные позитивные фотоизображения можно получать
также, применяя процесс проявления с обращением. Процессу про-
явления с обращением (как при черно-белой, так и при цветной
фотосъемке) следует подвергать только специально предназначенные
для этого фотоматериалы, называемые обращаемыми.
8.4. СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
ФОТОМАТЕРИАЛОВ
Сенситометрия является разделом научной фотографии,
посвященным измерениям фотографических свойств светочувстви-
тельных материалов. Совокупность средств, применяемых в процессе
испытания фотоматериалов, и способов выражения получаемых
результатов определяет понятие о сенситометрической системе.
Познакомимся с отечественной системой сенситометрии, введенной
в 1945 г. и претерпевшей впоследствии некоторые изменения. Разли-
чают интегральную и спектральную сенситометрии. Интегральная
сенситометрия занимается измерением фотографических свойств све-
точувствительных слоев при воздействии на них света сложного
спектрального состава (в основном — белого света). Спектральная
сенситометрия посвящена исследованиям свойств фотоматериалов
по отношению к монохроматическим излучениям.
В соответствии с ГОСТ 10691.4—73 в процессе общесенситометри-
ческого испытания черно-белых фотоматериалов определяются' сле-
дующие сенситометрические величины:
светочувствительности: общая S (по отношению к белому свету)
и эффективные (по отношению к свету, пропускаемому цвет-
ными светофильтрами: желтым, оранжевым и красным);
коэффициент контрастности у;
фотографическая вуаль О0;
оптимальное время проявления /пр.
В некоторых случаях могут также определяться значения макси-
мальной и минимальной плотностей почернений, фотографическая
широта и другие данные.
В процессе испытания фотоматериала строят характеристическую
кривую (обычно несколько — для каждого времени проявления),
являющуюся графиком зависимости D = f (1g Н).
Для сообщения различным участкам светочувствительного слоя
фотоматериала различных по своей величине экспозиций служит
прибор, называемый сенситометром. На рис. 8.7 приведена прин-
ципиальная схема отечественного сенситометра ФСР-41.
Идущие от источника света (лампы накаливания) 1 световые лучи
последовательно проходят сквозь светофильтр искусственного
солнечного света 2 (сенситометрический светофильтр, приводящий
излучение лампы накаливания по спектральному составу к солнеч-
ному излучению), одно из отверстий в подвижной пластинке 3,
133
модулятор освещенностей 5 и поступают к испытуемому фотома-
териалу 6, помещенному в светонепроницаемое устройство (кассету) 7.
На пути световых лучей установлен затвор 4, отрабатывающий
постоянную выдержку (около 1/20 с).
В пластинке 3 имеется пять отверстий, причем в четыре из них
помещены светофильтры: желтый (ЖС-18), оранжевый (ОС-14) и
красный (КС-14), а также нейтрально-серый (НС-8). Цветные свето-
фильтры применяются при определении эффективных светочувстви-
тельностей 5Эф, а светофильтр НС-8 служит для ослабления свето-
вого потока и применяется при испытании высокочувствительных
фотоматериалов. Отверстие без светофильтра устанавливается в ходе
световых лучей при определении общей светочувствительности.
Модулятор освещенностей 5 служит для создания на светочув-
ствительном слое фотоматериала различных по своей величине
освещенностей Е. В качестве такого используется фотометрический
ступенчатый клин, являющийся нейтральным ослабителем проходя-
щего света. Оптическая плотность любого участка (ступени) клина Dt
определяется по формуле:
^=Omin + (i- 1) Кс,
где i — порядковый номер участка клина, отсчитываемый от уча-
стка с наименьшей оптической плотностью Dmln; Ко — константа
ступенчатого клина (равна изменению оптической плотности между
двумя соседними ступенями). Обычно Z)mln = 0,10 ... 0,15; Z)max =
* = 3,0.
При полном общесенситометрическом испытании фотоматериала
в сенситометре экспонируют не менее трех его образцов. После
экспонирования в сенситометре образцы фотоматериала подвергают
химико-фотографической обработке в соответствии с указаниями,
содержащимися в нормативных документах относительно состава
проявляющего раствора, его температуры, времени проявления и т. д.
В результате химико-фотографической обработки на фотома-
териале получается ряд почернений, оптические плотности которых
соответствуют экспозициям, сообщенным светочувствительному слою
в сенситометре. Образец с таким рядом почернений называется сен-
ситограммой, причем при полном испытании фотоматериала полу-
чают несколько сенситограмм, отличающихся друг от друга только
134
временем проявления. Для измерения оптических плотностей по-
чернений полей сенситограммы служат приборы, называемые денси-
тометрами. На рис. 8.8 приведена принципиальная схема фото-
электрического денситометра ДФЭ-10. Световые лучи от источника
света 1 проходят к фотоэлементам 4а и 46 по двум направлениям
(ветвям): основную (измерительную) ветвь I и вспомогательную
(компенсационную) ветвь II. В основной ветви находятся фотоме-
трический непрерывный клин 8, диафрагма 7 и измеряемая сенсито-
грамма 6; во вспомогательной — зеркало 2 и компенсационные
клинья За и 36. Фотоэлементы соединены между собой по дифферен-
циальной схеме, индикатором тока в которой является зеркальный
гальванометр 5. Перед проведением измерений денситометр настраи-
вают «на нуль» (нулевой отсчет), для чего измерительный клин 8
переводят в такое положение, при котором в ходе световых лучей
будет находиться его участок, имеющий максимальную оптическую
плотность Dmax. В этом положении измерительного клина отсчет на
шкале плотностей равен нулю. Затем разворотом компенсационных
клиньев (один — для грубой, а другой — для тонкой компенсации)
уравнивают сигналы, получаемые с фотоэлементов, в результате чего
электроток через гальванометр протекать не будет. Как измери-
тельный клин, так и компенсационные клинья являются круговыми.
Установка денситометра в нулевое положение осуществляется без
сенситограммы. При расположении сенситограммы в ходе световых
лучей, идущих через измерительную ветвь, сигналы, получаемые
с фотоэлементов, будут различаться по своей величине и через галь-
ванометр начнет протекать электроток. Разворотом измерительного
клина добиваются уравнивания сигналов (фото-ЭДС) и по шкале
этого клина считывают величину оптической плотности почернения
измеряемого поля сенситограммы.
В процессе измерения оптической плотности Dx обеспечивается
следующее равенство:
DKJI + Dx = .Dmax, (8.1)
где DKJl — оптическая плотность участка измерительного клина,
введенного в ход световых лучей.
По вычисленным значениям экспозиций Н и измеренным вели-
чинам оптических плотностей Dx на специальном сенситометриче-
ском бланке вычерчивается график зависимости D = /(lg Н), кото-
рый называется характеристической кривой фотоматериала. При-
мерный вид этой кривой для негативной фотопленки приведен на
рис. 8.9.
Характеристическую кривую можно разделить на три уча-
стка:
а) нижний участок — от начала характеристической кривой до
точки 3. На этом участке сначала оптическая плотность имеет мини-
мальное значение, равное Do и называемое фотографической вуалью.
В точке 1 оптическая плотность примерно на 0,1 превышает вели-
чину Do, что визуально может быть обнаружено глазом человека,
поэтому эту точку называют порогом почернения;
135
Рис. 8.9. Характеристическая кривая негативной фотопленки
б) средний участок — от точки 3 до точки 4. На этом участке,
являющимся прямолинейным, оптическая плотность возрастает про-
порционально увеличению экспозиции;
в) верхний участок — от точки 4 и до конца характеристической
кривой. На этом участке сначала оптическая плотность возрастает
до максимального значения, а затем начинает постепенно умень-
шаться вследствие явления соляризации.
Интервал экспозиций Д 1g Н, соответствующий прямолинейному
участку характеристической кривой, называется фотографической
широтой I фотоматериала. Интервал экспозиций, соответствующий
точкам 2 и 5 на характеристической кривой, называется полезным
интервалом экспозиций lg. В точках 2 и 5 градиент g =
равен некоторой величине £|П1П, называемой минимальным полезным
градиентом (gmln = 0,3 ... 0,4), отвечающим возможности получения
качественного фотографического изображения.
При фотосъемке необходимо стремиться к тому, чтобы экспо-
зиции Н, сообщаемые фотослою, находились в пределах его фото-
графической широты I или полезного интервала экспозиций lg.
В противном случае фотоизображение будет получаться или слиш-
ком светлым (в области малых оптических плотностей — в области
недодержек) или слишком темным (в области больших оптических
плотностей — в области передержек).
Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеристиче-
ской кривой к оси абсцисс (на рис. 8.9 угол а) равен максимальному
градиенту gmax, называемому коэффициентом контрастности у
фотоматериала. Чем больше значение у, тем быстрее возрастает опти-
ческая плотность D почернений при увеличении экспозиции Н, тем
контрастнее фотоматериал. Однако с увеличением у уменьшается
как /, так и /g, т. е. интервалы нормальных и полезных экспозиций.
Поэтому проявление негативных фотопленок рекомендуется осуще-
ствлять так, чтобы величина у не превышала 0,8. Для определения у
на сенситометрическом бланке имеется специальная шкала. Если
136
из точки А провести прямую, параллельную прямолинейному участку
(на рис. 8.9 она показана пунктиром), то в месте пересечения этой
прямой со шкалой у можно считать его значение.
Величину светочувствительности S определяют по следующей
формуле:
5 = -^-, (8.2)
где А — постоянная величина; — экспозиция, соответствую-
щая критерию светочувствительности.
В соответствии с ГОСТ 10691.4—73 формула для определения
светочувствительности 5 черно-белых негативных фотопленок имеет
следующий вид:
Если в сенситометре испытуемый фотоматериал экспонировался
светом, прошедшим через цветной светофильтр, то найденная в про-
цессе испытания светочувствительность называется эффективной 5Эф,
причем она будет всегда меньше общей светочувствительности S.
Отношение S/Saj> называется кратностью светофильтра q. Величина q
показывает, во сколько раз надо увеличить экспозицию Н при съемке
со светофильтром (обычно это делается путем увеличения времени
выдержки Л, чтобы учесть поглощение света данным светофильтром.
В процессе полного сенситометрического испытания фотома-
териала получают несколько сенситограмм, отличающихся друг от
друга временем проявления /11р. Каждой сенситограмме будет со-
ответствовать «своя» характеристическая кривая, а следовательно,
и разные величины 5, у, Do и др. По полученным значениям этих
величин строятся графики S = А (/пр), у = /3 (Znp), Do = /3 (/пр)
и др. кривые кинетики проявления, а затем определяется оптималь-
ное время проявления /пр, при котором обеспечивается достижение
рекомендуемого коэффициента контрастности урек (или рекомендуе-
мой степени проявленности). При этом оптимальном времени прояв-
ления определяются: светочувствительность 5, плотность вуали Do,
фотографическая широта I и другие величины. Значение светочув-
ствительности 5 округляется до значений рекомендуемого ряда
(например 32, 65, 130 и 250).
Кроме сенситометрического испытания фотоматериалы подвер-
гают резольвометрическому и гранулометрическому испытаниям.
В результате резольвометрического испытания определяется разре-
шающая способность фотоматериала R. Для этого служат специаль-
ные приборы, называемые резольво метрами, которые обеспечивают
получение на испытуемом фотоматериале фотоизображений миры,
содержащей группы штрихов различной частоты.
На рис. 8.10 приведена принципиальная схема проекционного
резольвометра. Микрообъектив 9 образует уменьшенное изображе-
ние миры 8 на испытуемом фотоматериале 10, помещенном в кассету 11.
Мира просвечивается с помощью источника света 1 и конденсора 7.
137
Рис. 8.10. Схема проекционного резольвометра
В ходе световых лучей расположены светорассеиватель 2 (молочное
стекло), светофильтр искусственного солнечного света 3, пластина 4
с цветными светофильтрами, диск 5 с нейтрально-серыми светофиль-
трами и затвор 6 для отработки времени экспонирования (выдержки).
В резольвометре изображение миры экспонируют на испытуемый
фотоматериал несколько раз при различных экспозициях, для чего
служит набор нейтрально-серых светофильтров. После химико-
фотографической обработки образца фотоматериала получают ре-
зольвограмму, которую рассматривают с помощью микроскопа
(с увеличением не менее 50*) и определяют в каждом фотоизображе-
нии миры предельную частоту /пр штрихов, получившихся раз-
дельно. Затем на специальном бланке вычерчивают график измене-
ния величины Д1р при различных значениях оптической плотно-
сти Dn. с нейтрально-серых светофильтров, т. е. — при различных
значениях экспозиции Н.
Этот график (рис. 8.11) называется кривой разрешения фото-
материала. Величина разрешающей способности фотоматериала R
приравнивается /П1ах. Интервал экспозиций, в пределах которого
величина f 0,87?, называется резольвометрической широтой lR.
При гранулометрическом испытании определяется структура
почернений, образующихся в светочувствительном слое фотомате-
риала после его химико-фотографической обработки. Так как
почернения формируются из микрочастичек атомарного серебра
(они называются зернами), то почернения всегда получаются нерав-
номерными по своей структуре. Такое .свойство фотопочернений
называется зернистостью, которое легко обнаруживается при рассма-
тривании фотоизображений при больших увеличениях.
Исследование зернистости фотопочернений производится с по-
мощью проекционно-увеличительных приборов, называемых гра-
нулометрами. В процессе испытания находится фактор зернисто-
сти G, численная величина которого определяется по формуле:
G = -T^’ (8-4)
Рпр
где Рпр — наибольшее (предельное) линейное увеличение фотоизоб-
ражения, при котором зернистость обнаруживается визуально гла-
зом человека.
Фотоматериалы с соединениями AgHal в зависимости от своих
характеристик и назначения подразделяются на следующие типы:
1) негативные, предназначенные для получения негативных фото-
изображений (негативов), с которых способом контактной или проек-
ционной фотопечати получают позитивные фотоизображения (по-
138
зитивы); к ним относятся
негативные фото- и киноплен-
ки, аэрофотопленки, негатив-
ные фотопластинки;
2) позитивные, предна-
значенные для получения
позитивных изображений с
негативов; к ним относятся
позитивные кинопленки, фо-
тобумаги, диапозитивные
фотопластинки;
3) обращаемые, предна-
значенные для получения
позитивных фотоизображе-
ний по способу проявления
Рис. 8.11. Кривая разрешения фотоматериала
с обращением; к ним относятся черно-белые и цветные обращаемые
фото- и кинопленки, используемые фото- и кинолюбителями для
получения кинофильмов и диапозитивов (слайдов);
Таблица 8.2
Тип фотоматериала и его обозначение Свето- чувстви- тельность S, ед. ГОСТ Коэффициент контрастно- стн Трек Фотогра- фическая широта Z4 (не менее) Фотогра- фическая вуаль Do (не более) Разреша- ющая способ- ность лин/мм (не меиее)
Фотопленки черно-белые негативные: Фото-32 32 0,8 1,5 0,04 135
Фото-65 65 0,8 1,5 0,05 110
Фото-130 130 0,8 1,5 0,06 100
Фото-250 250 0,8 1,5 0,08 82
Кинопленки черио-белые негативные: КН-1 И 0,65 2,0 0,10 . 135
КН-2 32 0,65 2,0 0,12 100
кн-з 90 0,65 2,0 0,15 80
КН-4 (ВЧ) 350 0,65 2,0 0,20 75
Кинопленки черно-белые обращаемые: 04-45 45 1,4±0,2 1,05 0,08 ' 100
04-180 180 1,4+0,2 0,9 0,08 80
Пленки цветные негативные: ЦНД-32 32 0,7±0,1 0,9 0,30 70
(ДС-5М) маскированная ЦНЛ-32 32 0,7+0,1 0,9 0,30 70
(ЛН-5М) маскированная ' ЦНЛ-65 65 0,7±0,1 1,5 0,30 63
маскированная ДС-4 45 0,7+0,1 1,2 0,30 58
немаскированная Пленки цветные обращае- мые: ЦО-32Д 32 1,8...2,2 1,2 0,25 60
ЦО-90Л 90 1,8...2,2 1,2 0,25 60
Примечание: В столбце «Фотографическая вуаль» для обращаемых фотомате-
риалов приведено значение минимальной оптической плотности Dmjn.
139
4) фототехнические, предназначенные главным образом для ре-
продукционных работ, включая и микрофильмирование;
5) специализированные, используемые для съемки с научными
и другими целями: астрофотосъемка, спектрозональная аэрофото-
съемка, спектрографическая съемка, рентгеновская съемка и др.
В табл. 8.2 приведены основные сенситометрические характери-
стики некоторых фотоматериалов отечественного производства.
8.5. РАЗНОВИДНОСТИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ФОТОПРОЦЕССОВ
Фотопроцесс с диффузионным методом химико-фотогра-
фической обработки (одноступенный фотопроцесс) приводит к полу-
чению одновременно негативного и позитивного фотоизображений.
Для осуществления одноступенчатого фотопроцесса необходимо
иметь специальный комплект фотоматериалов (фотокомплект), со-
стоящий из негативной фотопленки (рулонной или листовой) и по-
зитивной бумаги. Последняя не имеет светочувствительного слоя,
а содержит только приемный слой, в котором равномерно распре-
делены мельчайшие частички серебра.
После экспонирования светочувствительного слоя негативной
фотопленки она приводится в контакт с позитивной бумагой, а между
ними — равномерным слоем распределяется обрабатывающий со-
став. Этот состав имеет пастообразное состояния и находится в не-
больших ампулах, прикрепленных к позитивной бумаге. При сдав-
ливании обоих материалов фотокомплекта ампулы разрушаются
и пастообразный обрабатывающий состав равномерно распределяется
по всей поверхности контакта этих материалов.
Обрабатывающий состав содержит как проявляющее вещество,
так и фиксирующую- соль, поэтому одновременно будет идти как
процесс проявления скрытого изображения в светочувствительном
слое негативной пленки, так и процесс фиксирования путем диффу-
зии остатков AgHal из этого слоя в приемный слой позитивной
бумаги. Под действием проявляющего вещества и частичек серебра,
находящихся в приемном слое, в нем будет образовываться пози-
тивное фотоизображение в результате восстановления атомов Ag
из AgHal. Существуют фотокомплекты для получения как черно-
белых, так и цветных фотоизображений. В СССР для осуществления
фотосъемки с использованием одноступенного процесса изготавли-
ваются фотоаппараты марки «Фотон».
Бессеребряниые фотопроцессы. С целью существенного уменьшения расхода
серебра для изготовления светочувствительных материалов в последние годы интен-
сивно разрабатываются и применяются способы получения фотоизображений без
использования соединений серебра. К таким бессеребрянным фотопроцессам отно-
сятся: диазография, электрография (электрофотография), термография и некото-
рые др.
Так, например, для тиражирования кинофильмов и других целей широко при-
меняются так называемые везикулярные фотоматериалы. Светочувствительными ком-
понентами у этих фотоматериалов являются соединения азота (диазосоединения),
которые находятся в термопластическом веществе (термопластике). Слой термо-
пластика с диазосоединением толщиной около 10 мкм нанесен на лавсановую основу
толщиной около 75 мкм. Область спектральной чувствительности диазосоединепий
140
расположена в ультрафиолетовом и коротковолновом видимом участках спектра
(X = 420 ... 430 нм), поэтому везикулярные фотоматериалы применяются преимуще-
ственно для копировальных работ и для тиражирования кинофильмов.
Фотоизображение в слое термопластика формируется из мельчайших пузырьков
(отсюда и название везикулярные фотоматериалы), которые образуются в результате
воздействия световых лучей на диазосоединения, приводящего к их разложению
с выделением азота и других газообразных составляющих. Количество образующихся
в слое термопластика пузырьков пропорционально экспозиции в данном участке
этого слоя. При прохождении световых лучей сквозь пузырьки они будут ими ин-
тенсивно рассеиваться, в результате чего данный участок слоя на просвет будет
восприниматься темным. Эффективная оптическая плотность «пузырьковых» фото-
изображений достигает 2,0. Разрешающая способность везикулярных фотоматериа-
лов превышает 100 лип/мм.
Электрографические способы получения фотоизображений основаны на свой-
стве некоторых веществ изменять свое электросопротивление под воздействием све-
товых лучей. Такие вещества называются фотополупроводниками. К ним относятся,
например, аморфный селен, окись цинка ZnO, сернистый кадмий CdS и некоторые
другие вещества.
Электрофотоматериал состоит из подложки (основы), на которую нанесен тон-
кий слой фотополупроводника (от 10 до 50 мкм). Для того чтобы сделать электрофото-
материал чувствительным к свету на фотополупроводниковый слой (ФПС) наносят
равномерно по всей его поверхности электростатические заряды любого знака.
Эта операция осуществляется в темноте непосредственно перед экспонированием
электрофотоматериала. При экспонировании ФПС его электросопротивление будет
понижаться в соответствии с величиной освещенности участков оптического изобра-
жения объекта съемки. В результате электростатические заряды на освещенных
участках ФПС будут уменьшаться в соответствии с увеличением их электропровод-
ности. После экспонирования на ФПС образуется скрытое электростатическое
изображение.
Для проявления такого изображения на поверхность ФПС наносятся частички
какого-либо вещества, предварительно заряженные зарядами того или иного знака.
Вследствие электростатического притяжения частички проявляющего вещества будут
распределяться по поверхности ФПС в соответствии с величиной остаточных электро-
статических зарядов. Затем частички проявителя надо или закрепить на поверхности
электрофотоматериала, или перенести их на другой носитель (лист бумаги и т. п.)
и на нем закрепить. Такой перенос проявленного изображения можно осуществлять
неоднократно, что позволяет получать несколько снимков (копий) с использованием
одного электростатического изображения.
В настоящее время электрография широко применяется для получения копий
преимущественно со штриховых и текстовых оригиналов: чертежей, страниц печат-
ных изданий и т. п. Разрешающая способность в фотоизображениях, полученных на
ФПС электроматериалов, достигает 100 и более лин/мм.
ГЛАВА 9
ФОТО- И КИНООБЪЕКТИВЫ
9.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТИВОВ
Объективом называется оптическая система, предназна-
ченная для получения оптического изображения различных объек-
тов. Если объектив образует изображение на светочувствительном
слое фотоматериала, то он называется съемочным; если объектив
дает изображение на экране или другой светорассеивающей поверх-
ности (пропускающей или отражающей световые лучи), то он назы-
вается проекционным. К проекционным объективам можно отнести
141
объективы, применяемые в копировальных установках, фотоувели-
чителях и других приборах, предназначенных для получения копий
(репродукций) с различных оригиналов. Такие объективы называют
также репродукционными.
Современные фото- и кинообъективы являются многокомпонент-
ными оптическими системами. По степени коррекции аберраций
большинство из них относятся к анастигматам. Оптические компо-
ненты объективов помещены в механические оправы, собранные
в единый оптический блок.
Рассмотрим основные характеристики объективов, по которым
производится их оценка или выбор в зависимости от требований,
предъявляемых к данному прибору.
Фокусное расстояние f. При определенном расстоянии /с между
плоскостью фотослоя и объектом съемки или расстоянии Zn между
оригиналом и экраном при проекции размер получаемого изобра-
жения /из на фотоматериале или экране зависит как от размера
самого объекта /0, так и фокусного расстояния f съемочного или
проекционного объектива. Взаимосвязь между этими величинами
можно представить следующими приближенными выражениями:
1из Г 1из /п — 2/'
/о — Zc-2f' И /о ~ Г
(9.1)
В зависимости от соотношения между фокусным расстоянием f’\
и диагональю кадра /к (кадрового окна) съемочные объективы при-
нято условно подразделять на три группы:
нормальные объективы, у которых f ~ /к;
короткофокусные объективы, у которых f < /к;
длиннофокусные объективы, у которых f > 1И.
В последнее время широкое применение находят объективы
с переменным фокусным расстоянием (их называют также панкра-
тическими объективами). Изменение фокусного расстояния у таких
объективов может осуществляться двумя. способами:
а) присоединением к объективу афокальных насадок с различ-
ными угловыми увеличениями ун, причем фокусное расстояние
системы «насадка + объектив» равно произведению ynf. Приме-
нение насадок обеспечивает дискретное изменение фокусного рас-]
стояния объектива; ’
б) перемещением вдоль оптической оси некоторых компонентов
объектива, осуществляемым по определенному закону. Фокусное
расстояние у таких объективов изменяется плавно в определенных
пределах.
Угловое поле в пространстве изображений 2со' — определяется
углом, в пределах которого образуемое объективом оптическое
изображение удовлетворяет по своему качеству (например, по раз-
решению мелких деталей) поставленным требованиям. Размеры
соответствующего угловому полю линейного поля определяют раз-
меры кадрового окна съемочного или проекционного прибора. Угол
2(У образуется главными лучами наклонных световых пучков, про-
ходящими через центр выходного зрачка объектива и противополож-
142
ные углы кадровой рамки (риб^Э.1). Величину угла 2<о' у большин-
ства съемочных объективов можно определять по следующей при-
ближенной формуле
2(о' ~ 2arctg = 2arctg - 2arctg , <9-2)
где ZK — диагональ кадрового окна (кадра); Ьк -и hd — ширина и
высота кадрового окна; р' — расстояние от выходного зрачка объек-
тива до плоскости фотослоя, которое можно принять равным фокус-
ному расстоянию f.
Угловому полю в пространстве изображений 2о>' соответствует
угловое поле в пространстве предметов 2со.
Светосила объектива — определяется отношением освещенности
изображения £113 к яркости изображаемого объекта La. Известно,
что освещенность Екя в центре поля изображения определяется
по формуле
Е„3 = лт£0 51п2Ол' — лт£0^-^-У, (9.3)
где т — коэффициент пропускания объектива; од- — апертурный
угол в пространстве изображений; К — диафрагменное число или
знаменатель относительного отверстия объектива D/f ~ 1 : К-
Таким образом, светосила объектива пропорциональна квадрату
его относительного отверстия. Различают геометрическое и эффек-
тивное относительные отверстия, которые определяют геометриче-
скую и эффективную светосилу, причем . Шкалы
диафрагм съемочных объективов можно градуировать как в значе-
ниях Кг, так и Кэф.
Разрешающая сила объектива N — характеризует способность
объектива давать раздельные изображения близко расположенных
предметов. Численно величина N равна числу штрихов (линий),
приходящихся на 1 мм оптического изображения специальной испы-
тательной таблицы (миры) и получающихся в этом изображении
раздельными.
Различают собственную разрешающую силу N:. объектива, ко-
торая получается в оптическом изображении, образуемом объек-
тивом (ее называют также визуальной разрешающей силой, так
как она обнаруживается путем рассматривания оптического изобра-
жения миры с помощью микроскопа),
и фотографическую разрешающую си-
лу Nф, которая получается в фотоизо-
бражении миры на каком-либо фото-
материале (обычно мелкозернистых плен-
ках типа М3 или КН-1). Фотографиче-
ская разрешающая сила Мф меньше
собственной (визуальной) Ме, так как
на качество’ фотоизображения оказывают
существенное влияние свойства фотослоя
(в частности, его разрешающая способ-
Рис. 9.1. Угловое поле изо-
бражения 2<о'
143
Рис. 9.2. Графики ЧК.Х двух объек-
тивов
носты R). Взаимосвязь между
й R иногда представляется в ви-
де следующей эмпирической зависи-
мости
1 1 1 1
Л'ф ~ А'с + Я
Оценка качества объектива в по-
следнее время осуществляется с по-
мощью функции передачи модуля-
ции (ФМП) или частотно-контрастной
характеристики (ЧКХ). Эта харак-
между коэффициентом
и частотой ее штрихов
теристика выражает зависимость
передачи контраста в изображении миры
v, т. е.
T(v) = 4i2-(v),
Лм
(9-4)
где Киз — контраст в оптическом изображении миры, определенный!
Е ____Е I
из отношения Киз = .--1Т1ЯХ min; км— яркостный контраст между!
£тах "Г £ min J
£ __ г 1
штрихами и промежутками миры, равный Км = rmax ,"niin • J
^max “! ^mln 1
Обычно ЧКХ представляют в виде графика, примерный вил
которого приведен на рис. 9.2 для двух объективов. Как видно из|
графиков, оба объектива имеют одинаковую разрешающую силу Л\‘
равную частоте штрихов при Т = 0. Однако объектив А образует
более контрастное изображение, чем объектив Б, т. е. объектив А
является более качественным, чем объектив Б.
9.2. СПОСОБЫ ФОКУСИРОВКИ
СЪЕМОЧНЫХ ОБЪЕКТИВОВ
Фокусировка объектива (наводка’на резкость) заключается
в перемещении оптического блока (всего или какой-либо его части)
вдоль оптической оси с целью совмещения оптического изображения
снимаемого или проецируемого объекта с плоскостью фотослоя
или экрана.
Перед рассмотрением способов фокусировки съемочных объекти-
вов познакомимся с понятием о глубине резко изображаемого про-
странства. При съемке на фотослое наиболее резко изображаются
объекты, расположенные в плоскости РН1В, на которую сфокусиро-
ван съемочный объектив. Объекты, расположенные ближе или
дальше плоскости наводки, будут изображаться на фотослое не-
резко, причем понижение резкости изображения пропорционально
удалению объекта от плоскости наводки.
На рис. 9.3 показан ход лучей через объектив О с апертурной
диафрагмой D от точек А, В, С, расположенных на оптической оси
в разных плоскостях. Объектив сфокусирован на плоскость РН)В,
поэтому изображение точки В, находящейся в плоскости наводки,
144
Рис. 9.3. Глубина резко
изображаемого простран-
ства
будет получаться на фотослое в виде точки В'. В свою очередь,
изображения точек А и С будут находиться в точках А' и С', кото-
рые не совпадают с плоскостью фотослоя, поэтому на фотослое
точки А и С будут изображаться в виде кружков диаметром d.
Глаз человека, рассматривая изображения с расстояния 250 мм,
способен замечать их нерезкость в тех случаях, когда величина d
равна или превышает 0,1 мм. Это следует из того, что угловая раз-
решающая способность глаза не превышает одной угловой минуты.
Таким образом, наблюдатель будет видеть фотоизображения резкими
при условии, что величина кружков нерезкости d < 0,1 мм.
Пусть dA' = de' = 0,1 мм. Тогда изображения предметов, рас-
положенных в пространстве между плоскостями 7? и Q, будут полу-
чаться на фотослое с достаточной степенью резкости. Расстояние Ар
между этими плоскостями и называется глубиной резко изображае-
( мого пространства. Для определения величины этого расстояния
можно использовать следующую приближенную формулу:
Ар^2-^^доп, (9.5)
где рпап — расстояние от объектива до плоскости наводки; f —
фокусное расстояние объектива; Кг — диафрагменное число; dnon —
диаметр допустимого кружка нерезкости в получаемом фотоизоб-
ражении; величина dnQ„ зависит от размеров негатива и находится
в пределах 0,02 ... 0,075 мм.
1 f'2
Формулу (9.5) можно применять при рн.1В < -----Из этой
2 ЛгДдоп
формулы следует, что при определенных условиях съемки величина
Ар прямо пропорциональна диафрагменному числу Кг. Для быстрого
определения расстояния до передней и задней границ резко изобра-
жаемого пространства (до плоскостей фи/? на рис. 9.3) на оправах
съемочных объективов имеется специальная шкала, располагаемая
около шкалы расстояний съемки /с. На рис. 9.4 примерно показано
относительное расположение указанных шкал. Буквой «И» обозна-
чен индекс, который служит для отсчета расстояния съемки /с (/с ~
~ Риав)-
В фото- и кинотехнике расстояния до объектов съемки принято
отсчитывать от плоскости фотослоя. Найдем выражение для опре-
деления величины перемещения объектива в процессе его фокуси-
ровки в зависимости от расстояния съемки /с.
145
Шкала диафрагменных Кисел КГ
8 5,В 4 2,8 2 2 2,8 4 5,В 8
То То 7 о Т з 1 1,5 м
Шкала расстояний. 1С
Рнс. 9.4. Шкала расстояний съемки со шкалой для определения глубины резко изо-
бражаемого пространства
Известно, что при расположении объектов съемки на очень боль-
ших расстояниях или, как принято говорить, в бесконечности, их
изображения получаются в задней фокальной плоскости объектива.
По мере приближения предмета к объективу его изображение будет
смещаться за фокальную плоскость (за задний фокус F') объектива,
поэтому перемещение объектива при фокусировке равно смещению
изображения от его заднего фокуса F', обозначенное на рис. 9.5
буквой г'.
Величина г' определяется по следующей формуле:
г' = - У <9-6)
где С — расстояние между передним F и задним F' фокусами объ-
ектива.
В исходном положении объектива на фотоаппарате его задняя
фокальная плоскость совмещена с фотослоем, поэтому при съемке
удаленных объектов объектив фокусировать не следует. Фокуси-
ровку нужно осуществлять тогда, когда изображение И будет на-
ходиться от фотослоя на таком расстоянии, при котором оно полу-
чается на фотослое нерезким. Наименьшее расстояние 1С, при кото-
ром еще нет необходимости в фокусировке объектива, называется
фотографической бесконечностью. На шкале расстояний оно отме-
чается знаком оо.
Фокусировка объектива по шкале расстояний является наиболее
простым способом наводки на резкость изображения. Операция
фокусировки заключается в совмещении индекса И (см. рис. 9.4)
с нужным делением на шкале расстояний, в результате чего оптиче-
ский блок объектива переместится на величину г' в направлении
снимаемого объекта. Это перемещение обычно осуществляется с по-
мощью винтовой резьбы (рис. 9.6), которая имеется на кольце 5
и оптическом блоке 1. При развороте кольца 5 (его называют фоку-
сировочным кольцом) за поводок 7 оптический блок объектива будет
Рнс. 9.5. Положение пред-
мета П н его изображе-
ния И
146
перемещаться вдоль оптической оси
вследствие того, что штифт 4, вхо-
дящий в паз на оправе 2, не позво-
лит блоку 1 поворачиваться вместе
с кольцом 5. Шкала расстояний
в пределах угла аушк (от /с ,шп до /Д
нанесена на цилиндрической поверх-
ности 6, а индекс — на кольце 5
(индекс и шкалу можно поменять
местами). Численные значения рас-
стояний /с, наносимые на шкале,
выбираются в соответствии с нор-
Рис. 9.6. Схема фокусировки по
шкале расстоянии с использова-
нием винтовой резьбы
мированными рядами.
Фокусировка объектива по шкале расстояний требует предвари-
тельного измерения величины /с, что не всегда возможно, поэтому
этот способ фокусировки в настоящее время используется как вспо-
могательный, дополняющий какой-либо из основных способов.
Фокусировка объектива по матовому стеклу сводится к получе-
нию на его матированной поверхности резкого изображения сни-
маемого объекта, причем это изображение рассматривается опера-
тором или непосредственно, или через окуляр (лупу). Матирован-
ная поверхность должна располагаться или в плоскости последу-
ющего расположения фотослоя, или в любой другой плоскости, опти-
чески сопряженной с плоскостью фотослоя.
Для повышения точности фокусировки по матовому стеклу же-
лательно, чтобы освещенность изображения, получаемого на мати-
рованной поверхности, была наибольшей, т. е. фокусировку нужно
осуществлять при полностью раскрытой диафрагме объектива. Так
как съемка может производиться при различных световых отвер-
стиях диафрагмы (при разных значениях диафрагменного числа К,
устанавливаемых на шкале диафрагмы), а фокусировку желательно
осуществлять при наибольшем световом отверстии, то для обеспече-
ния такой возможности объективы стали оснащать специальными
диафрагмами. Разновидностью таких диафрагм является так называе-
мая «прыгающая» диафрагма, у которой ее световое отверстие быстро
изменяется до ранее установленного значения при нажатии на
кнопку спуска затвора перед непосредственным его срабатыванием.
Фокусировка объектива по матовому стеклу с использованием
фокусировочных клиньев обеспечивает возможность более точного
совмещения оптического изображения снимаемого объекта с пло-
скостью матированной поверхности, а следовательно, и фотослоя.
Схема действия фокусировочных клиньев показана на рис. 9.7.
Два оптических клина А и В помещены в углубление, сделанное
в матовом стекле, причем клинья развернуты навстречу друг другу
(на рис. клинья показаны повернутыми на 90° вокруг оптической оси
объектива О).
Каждый клин отклоняет световые лучи в сторону его основания:
лучи 1А и 1В-, поэтому, рассматривая точку Р изображения И через
клинья А и В, глаз будет видеть две точки: Рл и Рв, смещенные
147
Рис. 9.7. Схема действии фокусиро-
вочных клиньев
Рис. 9.8. Схема фокусировки с помощью
монокулярного дальномера
Примерный
в противоположные стороны от точки Р.
вид картины,
наблюдаемой через матовое стекло с клиньями, показан па рис. 9.7
внизу. В процессе фокусировки оператор перемещает объектив О'
вдоль его оптической оси до тех пор, пока в зоне клиньев не будет
устранено раздвоение изображений. Это получается в тот момент, i
когда изображение И совместится с матированной поверхностью М.]
В фотоаппаратах последних выпусков вместо двух клиньев стали s
применять систему микропирамид (микрораст), вершины которых {
совмещены с матированной поверхностью М и обращены в сторону j
объектива О.
Фокусировка объектива с помощью монокулярного дальномера {
основана на наблюдении одним глазом (отсюда и название — «мо- j
нокулярный») двух изображений снимаемого объекта 4, образуемых \
на сетчатке глаза световыми лучами, идущими через основную I ;
и вспомогательную II ветви дальномера (рис. 9.8). Совмещение этих '
лучей осуществляется с помощью полупрозрачной пластинки 2, }
которая пропускает лучи, идущие через основную ветвь, и отражает ;
лучи, идущие через вспомогательную ветвь. Зеркало 5 расположено i
от пластинки 2 на некотором расстоянии, называемом базой даль-:
номера £д. Объективы 3 и окуляр 1 образуют визирную систему ’
(видоискатель). При фокусировке объектива 8 он перемещается <
вдоль оптической оси (направление перемещения показано стрелкой) i
до положения, при котором оптическое изображение объекта ;
съемки 4 будет совмещено с плоскостью светочувствительного слоя
фотоматериала 10, находящегося за кадровой рамкой 9. При этом
под действием пружины 7 будет поворачиваться рычаг 6 совместно
с зеркалом 5 вокруг оси О на угол 0/2, где 0 — параллактический
угол, зависящий от базы дальномера Бя и расстояния до объекта J
съемки Объектив 8 должен перемещаться до тех пор, пока one-1
ратор, наблюдая в окуляр 1, не добьется совмещения двух изобра-
жений объекта в одно, как это показано на рис. 9.8 внизу. Узел
дальномера, с помощью которого обеспечивается совмещение изобра-
148
жений, называется оптическим компенсатором. В качестве такового
в схеме на рис. 9.8 используется поворотное зеркало 5. Находят
применение также дальномеры с клиновыми оптическими компен-
саторами.
В некоторых съемочных аппаратах для упрощения и ускорения
процесса фокусировки на шкалах расстояний объективов наносятся
символы, соответствующие наиболее характерным случаям съемки:
съемка портрета, съемка группы людей, пейзажная съемка и др.
Каждому случаю съемки соответствует определенное расстояние до
снимаемого объекта или так называемые зоны съемки: (1 ... 2) м —
при съемке портрета; (2 ... 5) м — при съемке группы и свыше 5 м—
при съемке пейзажа. При фокусировке объектива по символам он
устанавливается в такие положения, при которых глубина резко
изображаемого пространства охватывает ту или иную зону съемки.
Короткофокусные объективы, у которых глубина резко изобра-
жаемого пространства достигает значительных расстояний, вообще
не имеют устройств для их фокусировки. Они жестко закреплены
на корпусе аппарата, будучи сфокусированными на некоторое постоян-
ное расстояние; большей частью — на так называемое гиперфокаль-
ное расстояние, определяемое по формуле
^Г^ДОП
9.3. ОПРАВЫ И ДИАФРАГМЫ ОБЪЕКТИВОВ
Оправой объектива принято называть механическую часть
объектива, в которой смонтированы все составные его узлы: опти-
ческая система, апертурная диафрагма (далее просто диафрагма)
и апертурный затвор. Оправа объектива содержит приспособление,
с помощью которого объектив присоединяется к корпусу аппарата
(к камере). Наиболее распространено резьбовое соединение объекти-
вов с камерами, для чего оправа объектива и камера имеют резьбо-
вые части, как это показано на рис. 9.9. Объектив ввинчивается
в гнездо, имеющееся в камере, до тех пор, пока поверхность торца «а»
оправы объектива не упрется в поверхность торца «б» гнезда камеры.
При этом задняя фокальная плоскость объектива совместится с пло-
скостью фотослоя, что обеспечивается за счет равенства рабочего
отрезка Ло объектива и рабочего расстояния LK камеры. Возможные
отклонения величины Lo от номинального значения не должны пре-
вышать ±(0,1 ... 0,2) мм в зависимости от относительного отверстия
Рис. 9.9. Резьбовое со-
единение объектива с ка-
мерой
149
Таблица 9.1
Назначение объектива Тин резьбы (d X шаг резьбы) Lo, мм Диаметр опорного торца D, мм
Для зеркальных фотоаппаратов М 42 X 1 45,5 47 J
Для дальномерных фотоаппара- М 39Х 1 28,8 47 Я
тов
Для любительских киноаппара- Сп.М 25,4X0,8 17,53 33 ’1
тов без зеркальных обтюраторов Я
резьбы буквы «Сп»
резьба специ-"
означают, что
Примечание. В обозначении
альная.
объектива. Рабочие расстояния LK фотоаппаратов должны выдер-
живаться с точностью ±0,02 мм. Расстояние от крайнего торца,
объектива до заднего его фокуса называется торцовым расстоянием Лт.|
В табл. 9.1 приведены значения основных конструктивных раз-!
меров, показанных на рис. 9.9. 1
Применяется также и байонетное соединение объективов с ка-|
мерами. Это соединение рекомендуется применять в фотоаппаратах,|
предназначенных для съемки на широкую (61,5 мм) фотопленку,|
и в профессиональных киноаппаратах. Такое соединение обеспечи-1
вает возможность быстрой смены съемочного объектива. 1
Оправы объективов дальномерных съемочных аппаратов должны!
иметь приспособления для кинематической связи с компенсатором!
дальномеров. 1
Диафрагмой называется механическое устройство, располагае-|
мое между линзами объектива в плоскости его апертурной диаф-
рагмы и предназначенное для изменения ее светового отверстия.
При изменении отверстия диафрагмы будут изменяться размеры
входного и выходного зрачков объектива, а следовательно, и значе-
ние апертурных углов в пространстве предметов и в пространстве
изображений. В результате этого будет изменяться освещенность
изображения, как это следует из формулы (9.3). j
В съемочных объективах применяется преимущественно ирисо-4
вая диафрагма, конструкция которой показана на рис. 9.10. Уста-)
новочное кольцо 1 содержит винт 2, хвостовик которого проходит!
7---^ .-> -- ii
Рис. 9.10. Конструкция
ирисовой диафрагмы
150
через вырез в оправе 4
(вырез сделан в пределах
некоторого угла,соответству-
ющего шкале диафрагменных
чисел К) и входит в отвер-
стие коронки 7. При разво-
роте кольца 1 будет повора-
чиваться также и коронка 7,
в пазы которой входят штиф-
ты 6 лепестков 9, образу-
ющих световое отверстие.
Кольцо 1 фиксируется на
оправе 4 гайкой 3. Штиф-
ты 5, которые имеются на
Рис. 9.11. Конструкция фотографического
объектива «Юпитер-8»
другой стороне лепестков,
входят в отверстия оправы 4
и служат осями, вокруг
которых поворачиваются лепестки. Коронка 7 удерживается вну-
три оправы 4 гайкой 8. На цилиндрической поверхности оправы 4
нанесен индекс И, относительно которого смещаются деления
шкалы диафрагменных чисел К (далее шкала диафрагм), нанесенной
на кольце 1. Шкала диафрагм может градуироваться как в значе-
ниях Кг, так и в значениях Кэф.
В съемочных аппаратах с автоматической установкой светового
Ьтверстия часто применяются однолепестковые или двухлепестковые
диафрагмы. Световое отверстие таких диафрагм изменяется разворо-
том лепестков, в которых сделаны фигурные вырезы большей частью
каплевидной формы. Кинопроекционные объективы диафрагмами не
оснащаются, так как они используются всегда при наибольшем све-
товом отверстии.
На рис. 9.11 показана конструкция съемочного объектива «Юпи-
тер-8» к фотоаппаратам «Зоркий». Линзовые компоненты объектива
.и узел диафрагмы смонтированы внутри переходной оправы 6.
На наружных поверхностях механических частей объектива на-
несены шкалы: диафрагменных чисел К, расстояний съемки 1С и
глубины резко изображаемого пространства Ар. Установка нужного
значения диафрагменного числа К (светового отверстия диафрагмы)
осуществляется разворотом кольца 1, которое через штифт 2 соеди-
нено с коронкой ирисовой диафрагмы. Фокусировка объектива про-
изводится разворотом кольца 3, скрепленного с втулкой 4, имеющей
внутреннюю винтовую резьбу. Внутри втулки 4 находится переход-
ная оправа 6 с винтом 8. При вращении кольца 3 совместно с втул-
кой 4 переходная оправа 6 вместе с оптическим блоком объектива
будет перемещаться вдоль ее оптической оси. Это будет происходить
потому, что втулка 4 и оправа 6 образуют кинематическую пару
«гайка—винт». Головка винта 8 не позволяет оправе 6 поворачи-
ваться совместно с втулкой 4.
К корпусу фотокамеры объектив присоединяется с помощью
резьбового кольца 7. Прокладка 5 предназначена для регулировки
151
величины рабочего отрезка объектива. В торец «а» переходной
оправы 6 упирается конец рычага, с помощью которого осевое пере-
мещение оптического блока объектива передается к оптическому
компенсатору дальномера.
ГЛАВА 10
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТРАБОТКИ ВЫДЕРЖЕК (ЗАТВОРЫ)
10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАТВОРОВ
И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Затворы предназначены для открывания доступа световым
лучам к светочувствительному слою фотоматериала с целью его
экспонирования в течение определенного промежутка времени,
называемого выдержкой. Как правило, выдержка отрабатывается
автоматически с помощью специального механизма, являющегося
составной частью затвора. Кроме того, затворы позволяют отмерять
выдержки (обычно длительные) вручную. Имеются также затворы,
которые управляются от электронных схем и отрабатывают вы-
держки полностью автоматически.
Для выполнения своих функций затворы содержат следующие
составные узлы:
1) световые заслонки (лепестки, ламели, шторки и др.), откры-
вающее и закрывающее световое отверстие объектива или кадровое
окно аппарата. Световые заслонки приводятся в движение от встроен-
ных приводных устройств: пружин, электромагнитов и др.;
2) механизм для изменения продолжительности выдержек (ме-
ханизм выдержек), устанавливаемый заранее в определенное поло-
жение, зависящее от продолжительности выдержки;
3) силовой привод, обеспечивающий перемещение световых зас-
лонок и других механизмов затвора при его срабатывании.
В зависимости от места расположения затворы подразделяются на:
а) апертурные, монтируемые или внутри объектива (обычно
около диафрагмы), или вне объектива. В связи с этим апертурные
затворы подразделяются на межлинзовые, фронтальные и залин-
зовые;
б) фокальные, монтируемые около фокальной плоскости объек-
тива (как правило, перед кадровым окном аппарата).
В зависимости от вида световых заслонок и характера их дви-
жения затворы подразделяются на:
дисковые, содержащие один или несколько дисков с секторными
вырезами, вращающихся вокруг осей, параллельных оптической
оси объектива; к дисковым затворам относятся также обтюраторы
киносъемочных аппаратов и роторные затворы аэрофотоаппаратов;
лепестковые, световыми заслонками у которых являются лепе-
стки, имеющие сложную форму и расположенные симметрично
относительно оптической оси объектива; к ним относятся, например,
центральные затворы, называемые так потому, что световое отверстие
152
у них открывается от центра (от оптической оси) к краям, а закры-
вается в обратном направлении. Лепестковые затворы, как правило,
монтируются внутри объектива, т. е. относятся к апертурным за-
творам;
шторные, содержащие одну или две шторки, между которыми
образуется щель переменной (при одной шторке — постоянной)
ширины; через эту щель, которая при срабатывании затвора пере-
мещается, световые лучи экспонируют фотослой. Шторные затворы
располагаются около кадрового окна аппарата, т. е. относятся к фо-
кальным затворам;
ламельные, световые заслонки которых содержат несколько пла-
стин (ламелей), которые образуют две составные шторки. После
взвода затвора одна группа пластин находится в разложенном по-
ложении и перекрывает кадровое окно, а другая группа пластин
находится в сложенном положении (пластины заходят друг за друга)
и расположена вне кадрового окна. При срабатывании ламельного
затвора сначала первая группа пластин складывается и открывает
кадровое окно, а затем вторая группа пластин — раскладывается
и закрывает кадровое окно. Ламельные затворы являются разно-
видностью шторного затвора;
веерные, световые заслонки которых содержат несколько сек-
торов (как у веера), которые образуют две составные шторки. Прин-
цип действия веерных затворов такой же, как и ламельных затво-
ров;
затворы типа «жалюзи», которые содержат несколько пластин
(створок), разворачивающихся вокруг собственных осей, параллель-
ных друг другу и перпендикулярных оптической оси объектива
(см. рис. 10.10); они применяются преимущественно в аэрофотоап-
паратах, объективы которых имеют большие световые отвер-
стия;
ленточные, световой заслонкой у которых является тонкая сталь-
ная лента, имеющая два выреза (окна) и расположенная в двух
плоскостях (см. рис. 10.9), они применяются только в аэрофото-
аппаратах.
Познакомимся теперь с некоторыми характеристиками затворов.
Одной из таких характеристик является оптический коэффициент
полезного действия, затвора (ОКДД), который обозначим q.
Рассмотрим, как изменяется освещенность Е в какой-либо точке
оптического изображения в процессе срабатывания затвора (в про-
цессе отработки выдержки затвором). На рис. 10.1 показан пример-
ный график изменения освещенности Е в зависимости от времени t.
Затвор начинает открывать доступ световым лучам, идущим в ка-
кую-либо точку изображения, с момента tr и прекращает их доступ
в эту точку в момент t2.
Промежуток времени от момента tl до момента t2 называется
полной выдержкой tB. В течение интервала времени tB освещенность
сначала возрастает до Етах (период открывания /0|К), затем остается
неизменной (период полного открытия 0) и, наконец, убывает
до нуля (период закрывания /за1!). При этом tB = tOTK + tn_o /зак.
153
Рис. 10.1. График изменения освещен-
ности в процессе срабатывания за-
твора
Таким образом, освещенность 5
в течение выдержки tB является
непостоянной по своей величине,
что следует учитывать при вычис-
лении экспозиции Н. Если бы
затвор открывал и прекращал
доступ световым лучам мгновенно
(/от|; = К к = 0). то такой затвор
(его принято называть идеальным
затвором) обеспечивает сообщение
фОТОСЛОЮ ЭКСПОЗИЦИИ Н ~ Я,пах/В.
Реальные затворы в силу своей
инерционности и других факторов
за ту же выдержку tB будут сообщать
фотослою меньшую по сравнению
с идеальным затвором экспозицию,
экспозиции Яр,
Яи, сообщаемой
т. е.
ОКПД затвора численно равен отношению
сообщаемой данным затвором, к экспозиции
идеальным затвором, за одну и ту же выдержку,
Л = или Яр -= т]Яи.
Так как Яи = EmaxtB, то Яр = л^шах^в- Произведение л4 назы-
вается эффективной выдержкой t3$. Шкалы выдержек затворов
градуируются в эффективных значениях, т. е. с учетом их ОКПД.
Для определения г| затвора можно использовать следующую приб-
лиженную формулу:
(10.1
„ - , 1 Лэтк
Другой характеристикой затворов является значение наикраН
чайшей (минимальной) выдержки /т,п, отбрасываемой данным за-
твором. Чем меньше /т1п, тем больше диапазона втоматически отра-
батываемых выдержек, тем выше эксплуатационные возможности
затвора. Для шкал затворов фотоаппаратов (фотозатворов) уста-
новлен следующий ряд численных значений эффективных выдер-
жек в с: 30; 15; 8; 4; 2; 1; 1/2; 1/4; 1/8; 1/15; 1/30; 1/60; 1/125; 1/250;
1/500; 1/1000 и т. д.
К характеристикам затвора относится также точность, с которой
затвор обрабатывает выдержки. Согласно нормативным материалам
погрешности фотозатворов не должны превышать (для затворов
1 -го^класса):
-Г 11 -1-19
при /Эф = (ЗО...2)с... Д 1()%; при ^Эф = (1...1/125) с... 16%;
Й при/Эф = (1/250... 1/500) с... + 28%/эф Короче 1/500 t
1st ) —22 ~~2Й
К- Важным качественным показателем затворов является харак,
тер экспонирования фотослоя в пределах поля кадра. Так, напри*
мер, центральные затворы экспонируют фотослой одновременно
154
во всех участках кадра, а шторные затворы — последовательно
участок за участком по мере перемещения шторок около кадрового
окна. Вследствие этого выдержка на всех участках кадра полу-
чается одинаковой только при применении центральных затворов
и, как правило, различной при использовании шторных затворов.
Величина, равная отношению t$max к t3<i> mln в пределах поля кадра
при срабатывании затвора, характеризует неравномерность выдержки
данного затвора. Согласно нормативным материалам она не должна
превышать (для фотозатворов 1-го и 2-го классов) 50 %.
Фокальные фотозатворы по сравнению с апертурными межлин-
зовыми затворами имеют безусловное достоинство при использо-
вании сменных объективов, так как они размещаются около кадро-
вого окна, т. е. вне объектива.
10.2. ЦЕНТРАЛЬНЫЕ ЗАТВОРЫ
Световыми заслонками у центрального затвора являются
лепестки, симметрично расположенные вокруг оптической оси объ-
ектива. В процессе срабатывания затвора лепестки могут совершать
как одностороннее, так и двухстороннее движение. Если лепестки
при открывании и закрывании светового отверстия поворачиваются
в одну сторону (в одном направлении), то такие затворы называются
ротативными. Если же лепестки при открывании и закрывании
поворачиваются в различных направлениях, то такие затворы назы-
ваются реверсивными.
На рис. 10.2 показана принципиальная схема ротативного зат-
вора. Лепестки 2 у такого затвора имеют две симметричные лопасти
и поворачиваются вокруг осей 3. Разворот лепестков осуществляется
приводным кольцом 1 через штифты 4, которые закреплены на ле-
пестках. Приводное кольцо разворачивается с помощью пружины
(на рисунке не показана), при этом одни лопасти лепестков обес-
печивают открывание светового отверстия затвора, а другие ло-
пасти — его закрывание. У некоторых ротативных затворов (боль-
шей частью у аэрофотозатворов) вместо лепестков применяются
диски с вырезами, расположенные так, как это показано на рис. 10.3.
Рис. 10.2. Схема центрального затвора с односторонним движением лепестков
155
Во время отработки выдержки диски 1, поворачиваясь вокруг осей 2,
сначала откроют световое отверстие 3 (показано заштрихованным),
а затем закроют его, повернувшись при этом на угол светового вы-
реза асв.
Если обозначить через Р угол поворота диска за время
то для определения ОКПД и /эф имеем Д
= = п = 1- -L; (10.2)
отк ®д » Од 1 асв v '
где <0д — угловая скорость поворота дисков с вырезами.
Принципиальная схема реверсивного центрального затвора по-
казана на рис. 10.4. Приводное кольцо 1 при срабатывании затвора ;
сначала повернется на некоторый угол по часовой стрелке и через-
штифты 4 развернет лепестки 2 вокруг неподвижных осей 3. В ко-’
нечном положении (см. рис. 10.4, б) лепестки своими лопастями’’
полностью откроют световое отверстие. Затем, по истечении вре-
мени /п. о приводное кольцо начнет поворачиваться против часовой?
стрелки, что приведет к закрыванию светового отверстия (см.|
рис. 10.4, «). Таким образом, лепесткам реверсивного центрального!
затвора достаточно иметь одну лопасть. Я
Центральные затворы, изготавливаемые отечественной промыш-|
ленностью для фотоаппаратов, относятся к реверсивным затворам Л
Лепестки имеют сложные по своей конфигурации лопасти потому,/
что это обеспечивает достижение наибольшего ОКПД. Оптимальное»
число лепестков — 4 ... 5 штук. Диаметры световых отверстий»
центральных фотозатворов равны: 15; 18; 24; 29; 35; 40; 50; 70 мм.!
Шкала выдержек равномерная с угловым шагом (угловым расстоя-
нием между делениями), равным 68 Минимальная выдержка у цен-
тральных реверсивных затворов
не
не
Рис. 10.3. Схема дискового цен-
трального ротативного затвора
короче 1/500 с, а их
превышает 0,70.
ОКПД
0)
а)
10.4. Схема центрального затвора с
Рнс.
верснвным движением лепестков
ке. 10.5. Схема шторного фотозатвора
156
Недостатком центральных фотозатворов является то, что при
применении сменных объективов каждый из них должен быть
снабжен затвором, что удорожает сменные объективы. Цен-
тральные фотозатворы можно синхронизировать с импульс-
ными фотоосветителями (лампами-вспышками) на любых вы-
держках.
10.3. ШТОРНЫЕ ЗАТВОРЫ
Принципиальная схема шторного фотозатвора показана
на рис. 10.5. Световыми заслонками затвора являются две шторки 5
и 14, между прямолинейными кромками 4 и 13 которых образуется
экспонирующая щель шириной Ьщ. При взводе шторного затвора
через зубчатое колесо 15 вращение передается барабану 1 и шки-
вам 2. При этом шторка 14 будет наматываться на барабан 1, а штор-
ка 5 своими тесемками 3 — на шкивы 2. В результате такой намотки
шторок будут закручиваться винтовые пружины И и 12, концы
которых соединены с неподвижными осями 7 и 9 и подвижными
втулками 8 и 10. Чтобы при взводе шторного затвора фотопленка
не засветилась, его шторки перематываются в наложенном друг на
друга положении.
При спуске затвора сначала освобождаются шкивы 2, и шторка 5
под действием пружины 12 начнет перемещаться слева направо,
последовательно открывая доступ световым лучам к фотопленке,
расположенной за кадровым окном (оно показано’заштрихованным).
Спустя некоторое время, задаваемое механизмом выдержек, осво-
бождается барабан 1 и шторка 14 с тесемками 6, перемещаясь под
действием пружины 11, начнет постепенно закрывать кадровое окно.
Ширина щели Ьщ, а следовательно, и продолжительность выдержки,
будет зависеть от промежутка времени между моментами начала
движения обеих шторок.
Для открывания доступа световым лучам, идущим в .какую-либо
точку фотослоя, шторка 2 должна пройти путь, равный диаметру d
сечения пучка сходящихся лучей (рис. 10.6). Шторка 2 находится
на некотором расстоянии с от фотопленки 4, расположенной за кад-
ровым окном 3.
Принимая расстояние от диа-
фрагмы 1 объектива до фотоплен-
Рнс. 10.6. К определению ОКПД и /эф
шторного затвора
157
ки 4 равным фокусному расстоянию f', для определения диа-i
метра d получаем I
, D с а
1
Для вычисления ОКПД шторного затвора и значения эффектив-'
ной выдержки 4ф имеем
/отк = -А; 4 = ; П = 1 - A-d, Т- = -т- ; (Ю.зц
Ушт ^шт Рщ + “ “Г яН
f __ + d __ Ьщ
3Ф в Ьщ Ц- d Ушт ’ ЧЯ
где ошт — скорость перемещения шторок.
Из формул (10.3) следует, что выдержку 4ф можно изменять как!
за счет изменения ширины щели Ьш (что осуществляется в шторныхч
фотозатворах), так и за счет изменения скорости перемещения шторки|
(что осуществляется в шторных аэрофотозатворах). Минимальная|
выдержка, отрабатываемая шторными затворами, равна 1/1000 и|
менее секунд. Шторные затворы имеют больший по сравнению^
с центральными затворами ОКПД, доходящий до 0,95. И
К недостаткам шторных затворов следует отнести то, что он и,4
как правило, не обеспечивают равномерности выдержки по полю!
кадра. Кроме того, при съемке подвижных объектов или с подвиж-Д
ной платформы (например, при аэрофотосъемке) фотоизображения^
получаются геометрически искаженными по сравнению с конфигу-1
рацией снимаемых объектов. 1
Шторные фотозатворы можно синхронизировать с импульсными!
фотоосветителями (лампами-вспышками) на определенных выдерж-i
ках, когда ширина образующейся между шторками щели равна или!
превышает размер стороны кадрового окна, вдоль которой пере-1
мещаются шторки. Я
10.4. ДРУГИЕ ТИПЫ ЗАТВОРОВ
Однодисковые затворы или обтюраторы — применяются преимуще-
ственно в киносъемочных аппаратах. На рис. 10.7 показаны форма и располо-
жение обтюратора 2, имеющего световой вырез асв, относительно кадрового
окна I (пунктир). Обтюратор вращается равномерно с угловой скоростью <о0бг>
соответствующей частоте киносъемки vc, причем со0бт — 2nvc.
По месту расположения обтюраторы можно отнести к фокальным затворам.
Для открывания доступа световым лучам, идущим в какую-либо точку фотослоя,
лопасть обтюратора должна повернуться на угол ср, соответствующий диаметру ds
сечения пучка сходящихся лучей плоскостью обтюратора (см. рис. 10.6). |
Для определения ОКПД н эффективной выдержки /Эф имеем я
/отк = = + Ф ; п= 1---------Ф = __ . (104)|
(О0бт шобт «СВ 4“ ф «СВ + ф
, __ , ___ КСВ О.СВ 4~ ф ______ асв ___ асв
С&св 4" Ф В>обт ®обт 2jlVq .
где vc — частота киносъемки.
158
Рис. 10.7. Форма и распо-
ложение дискового обтюра-
тора
Из формул (10.4) следует, что величина Л,ф
пропорциональна углу светового выреза асв.
11аибольшее значение аСв определяется по фор-
муле: асв 1ШХ — 360 — ®лоп min> где ал0П min —
наименьший угол лопасти обтюратора. а110и п11п
находится на основании учета того, что обтюра-
тор должен перекрывать кадровое окно во время
перемещения кинопленки на шаг кадра Нк (во
время смены кадра). Значение алоп min опреде-
ляется по формуле
алоп min = ?к. о + Р + А, (10.5)
где Ул. о —угол поворота обтюратора при перекры-
вании кадрового окна; Р — угол поворота обтюра-
тора во время перемещения кинопленки на шаг
кадра скачковым механизмом; А — угол для учета
возможного углового рассогласования между валом
обтюратора и валом скачкового механизма
(А = 5 ... 10°).
ОКПД обтюратора не превышает 0,60.
Дисковые роторные затворы — применяются преимущественно в аэрофотоаппа-
ратах. Принципиальная схема роторного двухдискового затвора приведена на
рис. 10.8. Два диска 3 с секторными вырезами вращаются с одинаковой скоростью,
но в различных направлениях, через приводные зубчатые колеса 2. При полном
обороте дисков их вырезы в определенный момент совпадут, при этом откроется све-
товое отверстие объектива и световые лучи начнут проходить к фотослою. Экспони-
рование фотослоя в нужный момент времени осуществляется с помощью диска 4,
который периодически поворачивается посредством креста 1 мальтийского механизма
по сигналам от командного прибора аэрофотоаппарата. При совпадении вырезов
на дисках 3 одна из лопастей диска 4 открывает световое отверстие объектива, а сле-
дующая его лопасть — закрывает. Основное достоинство роторных затворов заклю-
чается в том, что диски 3 вращаются непрерывно и с большой угловой скоростью,
чего нельзя обеспечить при импульсном режиме работы затворов. Вследствие обес-
печения большой скорости вращения дисков 3 и возможности регулирования этой
скорости роторные затворы отрабатывают выдержки в большом диапазоне их зна-
чений (^min достигает 1/850 с) при высоком ОКПД, достигающем до 0,75.
Ленточные затворы — применяются преимущественно в аэрофотоаппаратах.
Принципиальная схема ленточного затвора показана на рис. 10.9. Металлическая
лента 5 с одного конца закреплена на валике 4, а другой ее конец прикреплен к ва-
лику 11, внутри которого находится винтовая пружина. Лента 5 огибает валик 8,
который соединен с кривошипным механизмом 10. В верхней и нижней ветвях ленты
сделаны вырезы а и б, которые при перемещении ленты в процессе срабатывания
затвора встречаются внутри объектива 6, обеспечивая при этом экспонирование
фотослоя. Для сближения ветвей ленты и их выравнивания служат направляющие
ролики 7.
Положение, показанное на рис. 10.9, соответствует готовности затвора к сраба-
тыванию. В этом положении лента 5 намотана на валик 4 и взведена винтовая пру-
жина валика 11. Спуск затвора можно осуществлять после того, как сектор колеса 2
выйдет из зацепления с колесом 3 валика 4. Непосредственно спуск производится
освобождением валика 4. При этом с помощью винтовой пружины лента 5 быстро
перемотается с валика 4 на валик 11, а вырезы а и б при своей встрече откроют до-
ступ световым лучам к фотослою. После срабатывания затвора вырезы а~и б займут
159
z. 1
Рис. 10.9. Схема л<
точного затвора
противоположные
справа, а вырез
относительно объектива 6 положения (вырез а будет
б — слева от объектива), а валик 4 снова будет засто-
порен.
Взвод затвора осуществляется от приводного зубчатого колеса 1, которое кине-
матически соединено с кривошипным механизмом 10 (на рис. 10.9 эта кинемати-
ческая связь не показана). При вращении колеса 1 будет вращаться и колесо 2,
однако его сектор в начальный период взвода затвора не будет сцеплен с колесом 3
валика 4. При вращении кривошипного механизма 10 через шатун 9 валик 8 пере-
местится вправо. Так как при этом валик 4 застопорен, то лента будет разматываться
с валика 11 и вырез б в нижней ветви пройдет через объектив и займет снова положе-
ние, показанное на рис. 10.9. При прохождении выреза б через объектив световые
лучи не будут засвечивать фотослой, так как верхняя ветвь ленты остается при этом
неподвижной. После перемещения выреза б в исходное положение зубчатый сектор
колеса 2 войдет в зацепление с колесом 3 и лента начнет наматываться на валик 4.
При этом валик 8 будет перемещаться влево, вырез а пройдет через объектив, а вин-
товая пружина валика 11 будет закручиваться.
При изменении скорости перемещения ленты 5 при срабатывании затвора, а сле-
довательно, и величины выдержки винтовая пружина дополнительно подзаводится
с помощью барабанчика 12, на котором нанесена шкала выдержек. Ленточный за- I
твор, примененный с объективом «Руссар-25» (световое отверстие = 28 мм), имеет;
^min = 1/1500 с при ОКПД = 0,8. Возможна реализация ленточного затвора с бес-;
конечной лентой, движущейся непрерывно. Это позволяет увеличить диапазон вы- i
держек за счет уменьшения /т1п. Ленточные затворы можно монтировать в меж-
линзовых промежутках менее 0,5 мм.
Затворы типа «жалюзи» содержат несколько взаимно перекрывающихся ство-
рок 3, которые выполняют роль световых заслонок (рис. 10.10). В процессе отработки
выдержки створки одновременно поворачиваются вокруг осей 4, что обеспечивается
перемещением зубчатой рейки 1, с которой сцеплены зубчатые колеса 2. Створки
Рис. 10.10. Схема затвора типа «жалюзи»
могут поворачиваться или непре-
рывно, или прерывно — с останов-:
кой после поворота на угол 90°
(показано пунктиром). !
ОКПД затворов типа «жалюзи» j
не превышает 0,50. Они не обеспе-
чивают одновременного экспони-
рования всех участков поля кад-
ра. Створки располагаются в ходе
световых лучей, что приводит к
их рассеянию и частичному зате-
нению. Основное достоинство затво-
ров типа «жалюзи» — их отно-
сительно простая конструкция
и возможность применения с объек-
тивами, имеющими большие свето-
вые отверстия. Затворы типа
«жалюзи» применяются преимуще-
ственно в аэрофотоаппаратах.
160
10.5. МЕХАНИЗМЫ ВЫДЕРЖЕК ЗАТВОРОВ
Большинство затворов, как правило, обеспечивают автоматическую
отработку нескольких различных по своей продолжительности выдержек, устанавли-
ваемых заранее по шкале. Для этого они снабжаются специальными устройствами,
называемыми механизмами выдержек.
Изменение длительности выдержек в фотозатворах можно осуществлять различ-
ными способами: путем изменения скорости движения световых заслонок, посред-
ством изменения размеров экспонирующей щели или угла светового выреза, за счет
изменения времени полного открытия tIS о (см. рис. 10.1) п другими способами.
Для изменения продолжительности выдержек в фотозатворах применяются
различного типа тормозные механизмы. На рис. 10.11 приведена схема тормозного
механизма анкерного типа, используемого в центральных фотозатворах. Приводное
кольцо 1 после поворота на некоторый угол (направление поворота показано стрел-
кой), соответствующий /отк, своим выступом упрется в выступ на зубчатом секторе 5
и остановится. Под действием спусковой пружины кольцо 1 будет давить на зубчатый
сектор 5 с некоторым усилием Q, стремясь повернуть его по часовой стрелке. Для
освобождения кольца 1 зубчатый сектор 5 должен повернуться на угол у и занять
положение, показанное тонкой линией. Продолжительность разворота, а значит,
и длительность tn_ 0 (фактически и длительность выдержки /и) зависят как от угла у,
так и от скорости разворота сектора. Сектор 5 зубчатой передачей 6 связан с анкер-
ным колесом 7. Скорость разворота сектора 5 можно регулировать путем включения
или отключения анкера 8, для чего служит эксцентрик 9. а также подключением
к приводному кольцу 1 дополнительной пружины. Величину угла у изменяют раз-
воротом сектора 5 через штифт 4 вокруг оси 2. Пружина 3 поджимает сектор 5
к кольцу 1. Управление анкером 8 и сектором 5 осуществляется от кольца уста-
новки выдержек.
Тормозные анкерные регуляторы используются также в шторных фотозатворах,
а также и в автоспусках, обеспечивающих автоматический спуск затвора через
некоторый промежуток времени после нажатия на спусковую кнопку.
Для изменения длительности автоматически отрабатываемых выдержек в не-
которых фотоаппаратах последних выпусков стали применяться электромеханиче-
ские устройства, содержащие как механические, так и электрические (электронные)
узлы. В фотозатворах с электромеханическими устройствами (они называются часто
фотозатворами с электронным управлением) во время открывания Z0TK их световые
заслонки перемещаются с помощью пружин, срабатывающих после нажатия на спу-
сковую кнопку. Продолжительность выдержек задается с помощью электросхемы,
вырабатывающей управляющий сигнал на закрывание затвора.
Принцип действия управляющих электросхем большинства таких затворов
основан на изменении продолжительности В| "
•(рис. 10.12) до некоторого напряжения сраба-
тывания электронного реле ЭР, подающего
команду на закрывание затвора. При нажатии
на спусковую кнопку одновременно с откры-
ванием светового отверстия затвора замыкается
контакт К и конденсатор начнет заряжаться
от батареи Б напряжением Uo. Величину за-
рядного тока можно изменять переменным рези-
стором R, движок которого соединен с узлом
установки выдержек. Напряжение на конден-
саторе Uc связано с напряжением батареи Uo
следующей зависимостью:
Uc = U
где t — время зарядки конденсатора; т—по-
стоянная времени /?С-цепи; е — основание
натуральных логарифмов.
В момент достижения Uc величины сраба-
тывания реле напряжения Н, последнее вы-
и
зарядки к<
.0
10.11. Схема тормозиого
Рис.
механизма анкерного типа
6 С. В. Кулагин и др.
161
к
Рис. 10.12. Электросхема уп-
равления затвором
Рис. 10.13. Схема автоматического
управления фотозатвором
Таким образом, изменяя величину т за
дает команду на закрывание затвора,
счет изменения сопротивления 7?, можно изменять продолжительность отрабатьь
ваемой затвором выдержки.
Если переменный резистор 7? заменить фоторезистором ФР (рис. 10.13), сопро- ;
тивление которого изменяется в зависимости от освещенности его светоприемной ;
площадки, то такая электросхема будет обеспечивать автоматическое управление ,
фотозатвором. При нажатии на спусковую кнопку затвора замыкается контакт К.
и через электромагнит ЭМ; начинает протекать электрический ток, что приведет '
к открыванию затвора. Одновременно начнет заряжаться конденсатор С, причем
величина зарядного тока будет определяться сопротивлением фоторезистора ФР, :
который освещается световыми лучами, идущими от объекта съемки.
В момент достижения напряжения на конденсаторе до величины открывания
полупроводникового триода Т через электромагнит ЭМ, начнет протекать электри- -
ческий ток и затвор закроется. Чем больше освещенность светоприемной площадки
фоторезистора, тем меньше его электросопротивление и тем больше величина заряд-
ного тока, и наоборот. Так как величина освещенности фоторезистора зависит от
яркости объекта съемки, то, следовательно, и выдержка, отрабатываемая автомати-
чески таким затвором, будет тоже зависеть от величины этой яркости. Если фоторе-
зистор расположен в ходе лучей за съемочным объективом (по так называемой системе ;
ТТЛ), то при отработке выдержки автоматически будет учитываться значение диа-
фрагмы.
Определим максимальное значение выдержки при съемке подвижных объектов
или при съемке с подвижных носителей (например, с самолетов). В том и другом слу-
чаях в процессе экспонирования фотослоя оптическое изображение объекта съемки
Вследствие ’
А, вели-
смещается относительно фотослоя с некоторой скоростью Уиз.
этого фотоизображение будет получаться с некоторой нерезкостью
чина которой определяется по формуле
где t — время выдержки.
Ограничив величину нерезкости некоторым допустимым значением
определения максимальной выдержки
получим
Адоп, Для
Апах
Адоп
Ииз ’
(10.6)
А = VB3t
где Еиз = рсЕ0 — при съемке объектов,
нейным увеличением рс; Еиз = W ------

перемещающихся со скоростью Ео, с ли-
при съемке с подвижного носителя, пере-
мещающегося со скоростью W, при высоте полета Н и фокусном расстоянии f съемоч-
ного объектива.
162
ГЛАВА 11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ ЭКСПОЗИЦИИ
11.1. ОСНОВНАЯ экспонометрическая формула
Оптическая плотность различных участков фотоизобра-
жения зависит главным образом от величины экспозиции Н, сооб-
щаемой светочувствительному слою фотоматериала при его экспони-
ровании. Для обеспечения правильности тоновоспроизведения в фото-
изображении необходимо, чтобы сообщаемые фотослою экспозиции
находились бы в пределах его фотографической широты I или его
полезного интервала экспозиций ls (см. разд. 8.4 и рис. 8.8). Ве-
личина экспозиции Н зависит как от освещенности Е оптического
изображения, так и от времени выдержки t, с которой экспонируется
данный участок фотослоя. В свою очередь, величина освещенности Е
изображения зависит от яркости Lo объекта съемки и светосилы
съемочного объектива. Эта зависимость выражается формулой (9.3).
Величина экспозиции Н равна
н=^эф=4-я10(тЬг)2/эФ-
Пусть объекту съемки (или его участку), имеющему некоторую
яркость Тср, соответствует оптическая плотность Dcp в его фото-
изображении. Примем Dcp = Ds + 0,80, где Ds — критерий свето-
чувствительности, равный По + 0,1. Для обеспечения равенства
DCp = E)s + 0,80 необходимо, чтобы Дср = 20HDs, что следует
из ГОСТ 10691.0—73.
Поскольку HDs — Д/S, то
(Н.2)
А эф
После преобразования получим выражение, называемое основной
экспонометрической формулой
Lcl>S __ П13)
С /аф *
где С — экспонометрическая постоянная.
Ряды нормированных значений выдержек /эф и диафрагменных
чисел КЭф можно представить следующим образом: /эф — 1/2”,
а /(эф = 1^21 . Следовательно, отношение Кк//Эф можно записать
в виде 27l21 = 2Z, где Z = (т + п) — экспозиционное число.
Таким образом, формулу (11.3) можно записать следующим
образом:
/•ср8 _ 92 ==_ ^эф , (11.4)
С ^эф
Экспозиционное число Z является условным числом, которое
однозначно выражает всевозможные сочетания между величинами Lcp
' 6* . 163
и S, определяющими условия съемки, и значениями К3ф и /эф, назы-
ваемыми экспозиционными параметрами. Таким образом, для опре-
деления нужных значений Кэф и /эф достаточно найти величину экс-
позиционного числа Z, соответствующего яркости L снимаемого
объекта и светочувствительности S используемого при съемке фото-
материала. Каждому экспозиционному числу Z соответствует не-
сколько возможных сочетаний Кэф и <эф, что принято представлять
в виде номограммы.
Применительно к киносъемочным аппаратам основная экспоно-
метрическая формула может быть записана в таком виде:
(11.5)
2jt
где С'<=С-^—; vc— частота киносъемки в кадр/с; асв — угол
светового выреза (угол раскрытия) обтюратора в рад.
Если известна освещенность Е объекта съемки, то его яркость L
определяется из равенства: лЬ = р£, где р — коэффициент отра-
жения поверхности объекта (если поверхность объекта обеспечи-
чивает направленное рассеивание отражаемых световых лучей, то надо
использовать другое равенство: nL = гЕ, где г — коэффициент
яркости).
Подставив величину L в формулу (11.3), получим
£cPS ^эф (Н.6)
Р /эФ
где Р = Сл/р или Сл!г.
11.2. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭКСПОЗИЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ
Наиболее простым способом определения экспозиционных
параметров является способ пробных съемок (съемка при нескольких
сочетаниях значений диафрагмы К. и выдержек t с последующим
выбором оптимальной пары). Однако этот способ связан с увели-
чением расхода фотоматериала и затраты времени. Поэтому на прак-
тике значения экспозиционных параметров К и t определяются
с помощью всевозможных вспомогательных средств. Принцип дей-
ствия большинства приспособлений и устройств, предназначенных
для определения экспозиционных параметров (выдержки t и диаф-
рагменного числа К) основан на прямом или косвенном способах
нахождения величины экспозиционного числа Z. К таким приспо-
соблениям и устройствам относятся все типы фотоэкспонометров,
а также устройства, являющиеся составными узлами съемочного
аппарата (они называются экспонометрическими устройствами).
Фотоэкспонометрами или просто экспонометрами называются
приспособления, предназначенные для определения значений вы-
держки и диафрагмы перед съемкой. Большинство из них выпол-
няются в виде автономного прибора, однако встречаются и встраи-
ваемые в съемочные аппараты экспонометры. По принципу действия
164
экспонометры подразделяются на таб-
личные, оптические (визуальные) и
фотоэлектрические.
Табличные экспонометры имеют
несколько таблиц, содержащих данные
об условиях съемки: времени года
и суток, месте (сюжете) съемки, состоя-
нии погоды, применяемом светофильтре
и других условиях. Эти данные, а так-
же шкалы светочувствительности S,
выдержек t и диафрагменных чисел К
расположены определенным образом на
подвижных и неподвижных частях экс-
понометра (такие таблицы и шкалы
принято называть калькуляторами),
положения таблиц и шкал в соответствии с условиями съемки,
шкалы выдержек и диафрагменных чисел займут относительно
друг друга определенное положение, позволяющее найти не-
сколько пар значений /( и 1 и выбрать из них желаемое их соче-
тание. Для быстрого и, как правило, весьма приближенного опре-
деления значений К и t некоторые фотоаппараты снабжаются каль-
куляторами экспозиции с символами погоды.
В качестве примера на рис. 11.1 показан символьный калькуля-
тор экспозиций фотоаппарата «Вега-2». Порядок определения зна-
чений К и t следующий. Сначала против центрального индекса Hj
устанавливается нужное деление на шкале светочувствительности S,
а затем индекс И2 на наружном кольце совмещают со штрихом,
соответствующим состоянию погоды (дождь, пасмурно, солнце за об-
лаками и т. д.). После этого по шкалам t и К находят желаемое соче-
тание значений выдержки и диафрагмы.
Оптические экспонометры для оценки яркости объекта съемки
содержат или ступенчатый фотометрический клин (приспособление
с участками, имеющими различную оптическую плотность или коэф-
фициент светопропускания), или простейший фотометр, действую-
щий на основе сравнения яркостей двух полей: одно поле освещается
лучами, идущими от объекта съемки, а другое поле —• от эталон-
ного источника света. В обоих случаях оценка яркости объекта
съемки производится визуально и весьма субъективно.
Наиболее совершенными являются фотоэлектрические экспоно-
мётры, которые содержат фотоприемник (фотоэлемент, фоторези-
> стор или фотодиод), вырабатывающий электрический сигнал, зави-
сящий от яркости объекта съемки. Индикаторами сигнала (обычно
электротока) являются магнитоэлектрические гальванометры или
светодиоды (полупроводниковые приборы, излучающие свет при
прохождении через них электрического тока).
На рис. 11.2 приведены две схемы фотоэлектрических яркоме-
ров: с фотоэлементом и с фоторезистором. Фотоприемник (фотоэле-
мент 1 или фоторезистор 4) соединен с гальванометром 3 через рези-
стор 2, который предохраняет гальванометр от больших по своей
165
Рис. 11.2. Принципиальные схемы фотоэлектрических Рис. 11.3. Растро-
яркомеров: вое светоограничи-
а — с фотоэлементом; б — с фоторезистором тельное приспособ-
ление
величине электрических токов, а также служит для согласования
чувствительности фотоприемника с чувствительностью гальвано-
метра. Схема с фотоэлементом не требует применения источника
питания 5, однако она имеет меньшую чувствительность, чем схема
с фоторезистором.
Для того чтобы фотоприемник воспринимал световые лучи,
идущие только от объектов съемки (т. е. объектов, расположенных
в пределах углового поля съемочного объектива), перед ними рас-
полагают светоограничительное приспособление, ограничивающее
угол восприятия фотоприемника 2<рфп. В качестве светоограничи-
тельного приспособления чаще всего применяют линзовую растро-
вую систему 4 в сочетании с сотовой (туннельной) решеткой 3
(рис. 11.3), которые располагаются перед фотоприемником 2, поме-
щенным внутрь оправы 1.
Если 2<рфп =: 2и' съемочного объектива, то яркомер будет
измерять так называемую интегральную яркости объектов съемки.
Если 2ффп < 10°, то яркомер будет измерять так называемую ло-
кальную яркость какого-либо объекта съемки. Угол отклонения
стрелки гальванометра 2 (см. рис. 11.2) зависит как от характери-
стик элементов, составляющих схему яркомера, так и от ярко-
сти L объектов съемки. График зависимости = / (L) называется
градуировочной характеристикой фотоэлектрического яркомера.
На рис. 11.4 приведена принципиальная схема фотоэлектри-
ческого экспонометра, содержащего яркомер и калькулятор экспо-
зиционных параметров К 'At. Яркомер включает светоограничитель 1,
фотоэлемент 2, резистор 3 и гальванометр 4. Светочувствительность
фотоматериала S вводится посредством разворота корпуса галь-
ванометра. Конечное положение стрелки 5 гальванометра зависит
как от яркости L объекта съемки, так и от величины светочувстви-
тельности S.
Для определения экспозиционных параметров: диафрагменного
числа К и выдержки t стрелка 7 калькулятора совмещается с одним
из каналов шкалы 6, около которого расположена стрелка 5 галь-
ванометра, путем разворота внешнего кольца калькулятора. При
этом шкала t будет смещаться относительно шкалы Кив резуль-
тате обе шкалы займут определенное положение относительно друг
друга. После этого можно выбрать желаемое сочетание значений К и t.
166
Шкала К
ШкалаЗ Шкала ъ
Рис. 11.4. Принципиальная схема фотоэлектрического экспонометра
Автономные фотоэлектрические экспонометры позволяют опре-
делять значения К и t как на основе измерения яркости L объектов,
так и на основе измерения их освещенности Е. В первом случае
экспонометр должен находиться около места, с которого будет
производиться съемка, а его входное окно должно быть направлено
в сторону объекта съемки. Во втором случае экспонометр распола-
гают около объекта съемки. Некоторые экспонометры наряду со шка-
лами К, t и S имеют дополнительные шкалы: частот киносъемки vc
(«Ленинград-4» и «Свердловск-4»), экспозиционных чисел Z («Ленин-
град-2»), В экспонометрах «Свердловск-2» и «Свердловск-4» в ка-
честве индикатора используются светодиоды, а фотоприемником
служит фоторезистор.
11.3. ЭКСПОНОМЕТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
СЪЕМОЧНЫХ АППАРАТОВ
Экспонометрическим устройством (ЭУ) принято называть
фотоэлектрический экспонометр, являющийся составным узлом
съемочного аппарата и определенным образом соединенный с меха-
низмами диафрагмы и затвора. ЭУ предназначены для автоматизации
процесса установки или отработки экспозиционных параметров.
По степени автоматизации ЭУ подразделяются на полуавтоматические
и автоматические. В полуавтоматических ЭУ установочные опера-
ции осуществляются вручную. В автоматических ЭУ значения диаф-
рагмы К и выдержки t (или одного из них) устанавливаются или
отрабатываются автоматически, причем это может осуществляться
или по одной так называемой «жесткой» программе (определенному
экспозиционному числу Z соответствует только одно сочетание А
и t), или по нескольким программам. В последнем случае программа
может или выбираться самим оператором, или находиться авто-
матически.
Согласно формулам (11.3) и (11.4) значения диафрагмы /< и вы-
держки t находятся с учетом конкретных величин яркости L объек-
тов съемки и числа светочувствительности S фотоматериала. Вели-
чина яркости L измеряется с помощью фотоэлектрических ярко-
меров, снабженных фотоприемниками. Величина же светочувстви-
тельности S известна оператору и она должна учитываться (вво-
диться) в ЭУ каким-либо способом.
167
Рис. 11.5. Схема установки К и t фикса-
цией стрелки гальванометра
Рис. 11.6. Схема установки К и t
посредством совмещения стрелок
По способу учета светочувствительности ЭУ можно подразделить
на две группы. К первой группе относятся такие устройства, в кото-
рых учет S осуществляется непосредственно в схеме яркомера.
В результате угол отклонения стрелки гальванометра а? будет за-
висеть как от величины яркости L, так и от числа светочувствитель-
ности S, т. е. будет пропорционален величине экспозиционного
числа Z.
Первую группу ввода величины S можно реализовать путем:
1) изменения величины светового потока, падающего на свето-
приемную площадку фотоприемника, с помощью светофильтров,
имеющих различную оптическую плотность, или посредством пере-
крывания светоприемной площадки;
2) изменения электросопротивления с помощью переменного
резистора, включенного в цепь связи фотоприемника с гальвано-
метром;
3) разворот корпуса гальванометра вместе со стрелкой вокруг
оси, совпадающей с осью вращения его катушки с обмоткой.
В ЭУ, составляющих вторую группу, учет величины S осуще-
ствляется
цепи
кинематической
связи
между стрелкой
гальвано-
метра и органами установки значений диафрагмы К и выдержки t.
Для этого используются различного типа суммирующие механизмы,
кинематические цепи с
другие приспособления,
менением электроники
переменным передаточным отношением и
последнее время
в связи с широким при-
ЭУ величина светочувствительности
в
В
в

учитывается преимущественно с помощью переменных резисторов.
Непосредственная установка значений диафрагмы К. и выдержки t
может осуществляться несколькими способами. Один из способов
установки К и t основан на фиксации стрелкой 1 гальванометра Г
ступенчатого щупа 3 (рис. 11.5). При вращении барабанчиков 7
и 9 в процессе установки значений диафрагмы К объектива 8 и вы-
держки t через торцевые кулачки 6 и 10 будут перемещаться тол-
катели 5, что приведет к смещению планки 4 со щупом 3 до зажима
стрелки 1 между упором 2 и одной из ступеней щупа. Пусть стрелка
гальванометра отклоняется на угол, пропорциональный яркости L
объекта съемки и светочувствительности S. Тогда при различных
сочетаниях L и S стрелка 1 будет занимать положения, пропорцио-
нальные экспозиционному числу Zt и определяемые расстоянием pt-
168
Рис. 11.7. Способ учета светочувствительности S вие схемы яркомера
Поэтому развороты барабанчиков 7 и 9, зависящие от расстояния pt,
будут соответствовать определенному экспозиционному числу Z;.
Пружины П обеспечивают силовое замыкание между толкателями 5
и кулачками 6 и 10. Рассмотренная схема позволяет осуществлять
свободный выбор и установку одного из экспозиционных пара-
метров: К или t.
Находят широкое применение способы установки К и t, осно-
ванные на совмещении двух стрелок: гальванометра 1 и калькуля-
тора 2 (рис. 11.6). При установке К и t перемещается зубчатая
рейка 4, с которой сцеплено зубчатое колесо 3, на оси которого
закреплена стрелка 2. Угол между стрелками 1 и 2 пропорциона-
лен экспозиционному числу Z,-, которому будут соответствовать
значения К и t, установленные в момент совмещения стрелок.
На рис. 11.7 приведена схема ЭУ, в котором число светочувстви-
тельности S вводится вне схемы яркомера. Принцип действия этой
схемы такой же, как и схемы на рис. 11.5, только торцевой кулачок 6
сделан составным. Верхний толкатель 5 перемещается как при вра-
щении барабанчика 7 (установка К), так и при развороте части 6j
кулачка (ввод S) относительно другой его части 6.2.
На рис. 11.8 приведена схема ЭУ, обеспечивающего автомати-
ческую установку значений К. и t по «жесткой» программе и исполь-
зуемая в фотоаппарате «Зоркий-10». Положение стрелки 2 гальва-
Рис. 11.8. Схема узла установки К и t в фотоаппарате «Зоркий-10»
169
Рис. 11.9. Схема автоматической установки светового отверстия диафрагмы с по-
мощью гальванометра
Рис. 11.10. Схема автоматической установки светового отверстия диафрагмы с по-
мощью электродвигателя
нометра зависит от величины яркости L объекта съемки и светочув-
ствительности S фотопленки. Следовательно, расстояние pt между
стрелкой 2 и ступенью щупа 3 соответствует экспозиционному
числу Z,. При нажатии на спусковую кнопку (на рисунке не пока-
зана) сначала освобождается двуплечий рычаг 4, который под дей-
ствием пружины П будет поворачиваться вокруг оси О до тех пор,
пока щуп 3 не упрется в стрелку 2 гальванометра. При этом вилка
рычага 4 через штифты 7 будут разворачивать кольца 6 установки
значений К и t объектива 5. В результате разворота колец 6 будут
одновременно изменяться значения К и t в пределах: от К = 2,8
и t = 1/30 до К = 11- и t = 1/250, причем какому-либо экспози-
ционному числу Z будут соответствовать определенные значе-
ния К и t.
В киноаппаратах автоматическая установка светового отверстия
диафрагмы может осуществляться непосредственно в процессе раз-
ворота катушки гальванометра 5 (рис. 11.9), кинематически свя-
занной с лепестками 1 и 7. Штифты 2, которые несет планка 6, со-
единенная с катушкой гальванометра 5, входят в вырезы на лепест-
ках 1 и 7, поворачивающихся вокруг осей 8, в результате чего будет
изменяться площадь светового отверстия 9 (показана заштрихован-
ной). Стрелка 3 выведена в поле зрения 4 визирного устройства
для показа установленного значения К по шкале диафрагменных
чисел.
Изменение светового отверстия диафрагмы объектива 1 можно
осуществлять с помощью электродвигателя 4, как это показано на
рис. 11.10. Светоизмерительная схема образована фоторезистором ФР
и резисторами: /?х; — для ввода частоты киносъемки vc; 7?s — для
учета светочувствительности S кинопленки и /? — для настройки
схемы. Все элементы собраны по мостовой схеме, в диагоналях ко-
торой включены источник электропитания (батарея) и поляри-
зованное реле Р.
170
В зависимости от направления, в котором протекает через реле Р
электрический ток, переключатель П будет замыкать верхнюю или
нижнюю цепи питания электродвигателя 4, подключенного к бата-
рее Б2. С помощью зубчатого колеса 3 будет разворачиваться уста-
новочное кольцо 2 диафрагмы объектива 1 до тех пор, пока проте-
кающий через реле Р электрический ток не станет равным нулю
(при этом мостовая схема будет уравновешена).
В съемочных аппаратах последних выпусков, оснащенных ЭУ,
фотоприемники их светоизмерительных схем располагаются в ходе
световых лучей за съемочным объективом. Такое расположение
фотоприемников (преимущественно фоторезисторов в связи с их
повышенной чувствительностью) по так называемой системе ТТЛ
имеет безусловное преимущество по сравнению с другими спосо-
бами их расположения, а именно: не надо применять светоограни-
чители; автоматически учитываются коэффициенты пропускания
объектива И светофильтра, используемого при съемке; автомати-
чески учитывается значение диафрагмы К и другие факторы.
ГЛАВА 12
ФОТОАППАРАТЫ
12.1. РАЗНОВИДНОСТИ ФОТОАППАРАТОВ
И ИХ ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ
Фотоаппаратом называется оптико-механическое устрой-
ство, предназначенное для получения фотоизображений на фото-
пленке или фотопластинке. По своему назначению фотоаппараты
подразделяются на следующие три группы:
1) любительские, предназначенные для широкого круга фото-,
любителей;
2) профессиональные, предназначенные для фоторепортеров, фо-
тографов-профессионалов;
3) специальные, служащие для осуществления специальных видов
фотосъемки. К этой группе относятся фотоаппараты, используемые
для фотокопировальных работ (включая микрофильмирование),
аэрофотосъемочные аппараты и др.
По размерам получаемых фотоизображений (формату кадров)
фотоаппараты подразделяются на несколько подгрупп (см. табл. 12.1).
Таблица 12.1
Название подгруппы фотоаппаратов Миниа- тюрные Полуфор- матиые Мало- формат- ные Средне- формат- ные Крупно- форматные
Формат кадров в ммХмм 10X14 12X17 18X24 24X36 28X28 45X60 60X60 60X90 90Х 120 130X180 180X240
171
В зависимости от способа фокусировки съемочного объектива
и системы видоискателя фотоаппараты подразделяются на зеркаль-
ные (одно- и двухобъективные), дальномерные и шкальные (с фоку-
сировкой по шкале расстояний).
Любительские фотоаппараты содержат следующие составные
узлы.
Фотокамера — светонепроницаемый корпус фотоаппарата,
внутри которого смонтированы его механизмы, а снаружи — распо-
ложены органы управления. У малоформатных фотоаппаратов обычно
задняя крышка камеры является откидной, а в нижней части кор-
пуса имеется резьбовое гнездо для установки фотоаппарата на
штатив.
Съемочный объектив является наиболее важной
частью фотоаппарата, предназначенной для образования оптического
изображения снимаемого объекта на светочувствительном слое фото-
материала. От качества объектива главным образом зависит каче-
ство фотоизображения, получаемого на фотоматериале.
Большинство фотоаппаратов рассчитано на применение как
основного (штатного) объектива, так и нескольких сменных объек-
тивов, имеющих различные фокусные расстояния и другие харак-
теристики (о характеристиках объективов см. в гл. 9).
Фотозатвор предназначен для экспонирования фотослоя
в течение определенного (заранее установленного или автоматически
заданного) времени, называемого выдержкой. В фотоаппаратах
преимущественно применяются фокальные (шторные) и апертурные
(лепестковые центральные) затворы.
Механизм для перемещения фотопленки,
приводимый в действие поворотом рифленой головки или особого ры-
чага, называемого курком, служит для перемещения фотопленки
на один кадр после каждой съемки. Обычно этот механизм кинема-
тически соединен с узлом взвода затвора и счетчиком кадров. В не-
которых фотоаппаратах фотопленка перемещается на шаг кадра
с помощью пружинного привода или встроенного электродвигателя.
Видоискатель (визирное устройство) обеспечивает воз-
можность наблюдения фотографируемых объектов с целью выбора
точки съемки, когда получается желаемое расположение изображе-
ний объектов в пределах поля кадра (композиционное построение
кадра). Обычно видоискатель совмещен с устройством для фокуси-
ровки объектива.
Если линия визирования видоискателя смещена относительно
оптической оси съемочного объектива, то такие видоискатели назы-
ваются параллаксными. Такие видоискатели не обеспечивают воз-
можности наблюдения всего пространства предметов, которое изоб-
ражается объективом в пределах кадрового окна фотоаппарата.
Этот недостаток наиболее сильно проявляется при съемке близко
расположенных объектов. К параллаксным видоискателям отно-
сятся все приставные визирные устройства, а также видоискатели
дальномерных фотоаппаратов. Указанного недостатка лишены так
называемые зеркальные видоискатели однообъективных фото- и
172
киноаппаратов. В таких видоискателях линия визирования совме-
щается с оптической осью съемочного объектива с помощью откид-
ного зеркала или зеркального обтюратора.
Автоспуск предназначен для автоматического спуска за-
твора через определенное время после его включения. Автоспуск
может быть как основным узлом фотоаппарата, так и отдельным при-
способлением, присоединяемым к фотоаппарату в случаях необ-
ходимости. Время действия автоспусков равно 10 ... 15 с, что позво-
ляет фотографу снимать самого себя.
Синхроконтакт предназначен для включения импульс-
ного фотоосветителя (лампы-вспышки) согласованно с определенной
фазой срабатывания фотозатвора. Интервал времени между моментом
замыкания синхроконтакта и фазой срабатывания затвора назы-
вается временем упреждения, продолжительность которого зависит
от инерционности лампы-вспышки. Различают синхроконтакты двух
типов: Х-контакт, служащий для подключения малоинерционных
электронных ламп-вспышек; М-контакт, предназначенный для под-
ключения ламп-вспышек одноразового действия с временем запазды-
вания около 20 мс.
12.2. ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ
ЛЮБИТЕЛЬСКИХ ФОТОАППАРАТОВ
Современные любительские фотоаппараты принято под-
разделять на следующие типы:
1) шкальные, к которым относятся аппараты, не имеющие устрой-
ства для точной фокусировки объектива. В таких аппаратах фоку-
сировка объектива осуществляется по шкале расстояний, как пра-
вило, дополненной символами. К шкальным аппаратам относятся
«Чайка», «Микрон», «Смена», «Вилия» и некоторые др.;
2) дальномерные, которые оснащены монокулярным дальномером
для фокусировки объектива, обычно совмещенным с видоискателем;
3) зеркальные, к которым относятся все виды аппаратов, имею-
щие зеркальные видоискатели;
4) специализированные для панорамной, стереоскопической и
других видов съемки.
Рассмотрим характерные особенности основных типов любитель-
ских фотоаппаратов.
Дальномерные фотоаппараты. Фокусировка объективов таких
аппаратов осуществляется с помощью монокулярного дальномер-
ного устройства, принцип действия которого был рассмотрен
в разд. 9.2 и показан на рис. 9.8. Характерной особенностью даль-
номерных аппаратов является то, что они оснащены так называемыми
параллаксными видоискателями.
Видоискатели дальномерных аппаратов обычно образуют пере-
вернутую телескопическую систему Галилея, содержащую отрица-
тельный объектив 1 и положительный окуляр 2 (рис. 12.1, а). Через
такой видоискатель оператор наблюдает мнимое прямое изображение
объектов с угловым увеличением Гт < 1.
173
a) 5)
Рис. 12.1. Видоискатели дальномерных фотоаппаратов
Для ограничения поля зрения в таких видоискателях исполь-
зуется оправа объектива, которая делается прямоугольной. По-
скольку оправа, являющаяся полевой диафрагмой, оптически не
сопряжена с плоскостью наблюдаемых объектов (или их изображе-
ние), то она видна через окуляр нерезкой. Следовательно, такие
видоискатели не обеспечивают резкого ограничения поля зрения.
Основное достоинство этих видоискателей — малые габариты.
Для устранения этого недостатка видоискатели дальномерных
фотоаппаратов часто выполняются по схеме, приведенной на
рис. 12.1, б. Через окуляр 2 оператор наблюдает как объекты съемки,
так и ограничительную рамку 7, нанесенную на пластинке 5. Послед-
няя является непрозрачной для световых лучей, а рамка выполнена
в виде прозрачных прорезей, просвечиваемых световыми лучами,
прошедшими сквозь светорассеиватель 4 (например, молочное стекло).
Так как пластинка с рамкой 7 расположена от окуляра 2 на расстоя-
нии, равном его фокусному расстоянию, то рамка кажется находя-
щейся в «бесконечности» и видна в виде ярко светящегося прямо-
угольника. (Поэтому такие видоискатели называются видоискате-
лями со «светящейся» рамкой.) Совмещение оптических лучей, иду-
щих в окуляр 2, осуществляется с помощью полупрозрачной пла-
стины 3 и зеркала 6. Иногда на пластинке 5 делают несколько огра-
ничительных рамок, соответствующих угловым полям сменных
объективов.
Компенсация параллакса видоискателей может осуществляться
несколькими способами. Так, например, в схеме видоискателя, по-
казанной на рис. 12.1, б, компенсировать параллакс можно пере-
мещением пластинки 5 в направлениях, перпендикулярных линии
визирования. Исправлять параллакс видоискателя можно также
наклоном визирной трубки в сторону оптической оси съемочного
объектива. Обычно, этот наклон осуществляется автоматически
в процессе фокусировки объектива за счет кинематической связи
между механизмом фокусировки и визирной трубкой.

174
В качестве примера дальномерного фотоаппарата рассмотрим
аппарат «Сокол-2», внешний вид которого показан на рис. 12.2.
«Сокол-2» является малоформатным фотоаппаратом с автоматиче-
ской установкой экспозиции по пяти программам. Он оснащен не-
сменным объективом «Индустар-70» с встроенным центральным затво-
ром. Диапазон автоматически отрабатываемых выдержек: 1/30;
1/60; 1/125; 1/250 и 1/500 с; автоматически устанавливаемых зна-
чений диафрагм: 2,8; 4; 5,6; 8; 11 и 16. Выдержку и диафрагму можно
устанавливать вручную: предварительно отключив автоматику.
Фотоприемник экспонометрического устройства (сернисто-кадмиевый
фоторезистор) расположен на переднем торце оправы объектива.
Ввод величины светочувствительности S осуществляется изменением
светового потока, поступающего к фоторезистору, с помощью диаф-
рагм 12 путем вращения кольца 14 до тех пор, пока в окошке 13
не появится нужная величина светочувствительности S. На объек-
тиве имеются шкалы: значения диафрагм (на рис. эта шкала не видна);
выдержек 5; расстояний 10 (в метрах и футах); глубины резко изоб-
ражаемого пространства 11.
«Сокол-2» имеет совмещенный видоискатель-дальномер со све-
тящейся рамкой, перемещением которой осуществляется компенса-
ция параллакса. Рамка находится за светорассеивающей пластин-
кой 6. Цифрой 4 обозначено входное окно вспомогательной ветви
дальномера, а цифрой 7 — входное окно видоискателя, являющееся
одновременно входным окном основной ветви дальномера.
Источник электропитания находится под рифленой крышкой 2,
на которой сверху нанесена шкала-памятка типа заряженной фото-
пленки. Гнездо 3 предназначено для присоединения спускового
тросика. Обойма 5 служит для крепления и подключения лампы-
Рис. 12.2. Фотоаппарат «Сокол-2»
175
Рис. 12.3. Схема двухобъектив-
ного зеркального фотоаппарата
Рис. 12.4. Оптическая схема од-
нообъективного зеркального фо-
тоаппарата
вспышки. Рукоятка 6 предназначена для обратной перемотки фото-
пленки. Перемещение фотопленки на шаг кадра и взвод затвора
производится с помощью рычага (курка), который находится на
задней части корпуса аппарата. Спуск затвора осуществляется
клавишей 1. К дальномерным фотоаппаратам относятся аппараты
«ФЭД», «Зоркий», некоторые модели «Киев» и др.
Зеркальные фотоаппараты. Характерной особенностью таких
аппаратов является наличие зеркала, располагаемого за съемоч-
ным объективом и направляющего световые лучи в видоискатель
аппарата при выборе точки съемки и фокусировке объектива. При-
меняются как однообъективные, так и двухобъективные зеркальные
аппараты. Последние оснащены двумя объективами, один из которых
является съемочным, а другой — используется для визирования
(см. рис. 12.3). Объектив 1 видоискателя кинематически связан
со съемочным объективом 8 и оба объектива в процессе их фокуси-
ровки перемещаются одновременно. Фокусировка объективов осу-
ществляется по матированной поверхности коллективной линзы 2<
(далее коллектив), оптическое изображение на которой наблюдается '
с помощью лупыЗ. В нерабочем положении аппарата лупа совместно,
со стенками светозащитной шахты прижимается к корпусу аппарата. .
За объективом 1 расположено неподвижное наклонное зеркало 4,
направляющее световые лучи к коллективу 2. Фотопленка нахо- i
дится в подающей кассете 5 и после экспонирования перематывается,
в приемную кассету 7 с помощью зубчатого валика 6 (или другим
способом). Рассмотренная схема реализована в отечественных средне-
форматных фотоаппаратах «Любитель».
Наиболее распространены однообъективные зеркальные фото-
аппараты, оптическая схема которых показана на рис. 12.4. За съемоч-
ным объективом 1 расположено откидное зеркало 7, которое при
визировании занимает положение, показанное на рисунке. В этом
положении оно направляет световые лучи в видоискатель, содержа-
щий коллектив 2, пентапризму 3 и окуляр 4. Фокусировка объектива
176
производится по матированной поверхности коллектива, на которой
съемочный объектив образует оптическое изображение объекта
съемки.
Перед срабатыванием затвора зеркало 7 отбрасывается вверх
в положение, показанное пунктиром, и световые лучи в течение вы-
держки поступают к фотопленке 5, расположенной за кадровым
окном 6. Одна из рабочих граней пентапризмы 3 (обычно верхняя)
делается крышеобразной для поворота изображения в плоскости,
перпендикулярной плоскости рисунка.
Коллектив в зеркальных аппаратах должен располагаться так,
чтобы его матированная плоская поверхность была оптически сопря-
жена с плоскостью фотослоя. Это обеспечивается за счет равенства
расстояний /j и /2 (погрешность не должна превышать 0,02 мм).
Размеры наблюдаемого на матированной поверхности изображения
зависят от размеров коллектива (точнее его оправы). Таким образом,
оправа коллектива служит полевой диафрагмой и ее делают прямо-
угольной в соответствии с формой кадрового окна. В зеркальных
аппаратах последних выпусков в качестве коллектива стали приме-
нять линзу Френеля, изготавливаемую из оргстекла.
Видоискатели однообъективных зеркальных аппаратов не имеют
параллакса. Для обеспечения возможности непрерывного наблю-
дения объектов съемки в современных аппаратах возврат зеркала
в положение визирования осуществляется немедленно после срабаты-
вания затвора (зеркало непрерывного визирования). Объективы одно-
объективных зеркальных аппаратов оснащены, как правило, «пры-
гающей» диафрагмой (см. разд. 9.2).
В качестве примера однообъективного зеркального фотоаппарата
рассмотрим аппарат «Зенит-Е», внешний вид которого показан на
рис. 12.5. «Зенит-Е» относится к малоформатным фотоаппаратам
Рис. 12.5. Фотоаппарат «Зенит-Е»
177
со встроенным экспонометром и зеркалом непрерывного (постоян-
ного) визирования. Основным (штатным) объективом //.является
«Гелиос-44», который имеет следующие шкалы: расстояний съемки 14;
значений диафрагм 16 и глубины резко изображаемого простран-
ства 15. Аппарат оснащен шторным затвором, обеспечивающим авто-
матическую отработку выдержек в диапазоне от 1/30 до 1/500 с,
и длительные выдержки «В» (от руки). Установка выдержек осуще-
ствляется барабанчиком 7. Перемотка фотопленки на шаг кадра и
взвод затвора производится рычагом 4, с которым соединен счетчик
кадров 1. Спуск затвора осуществляется кнопкой 2. Для обратной
перемотки фотопленки служит утапливаемая головка 10, которую
можно вращать после нажима на кнопку 5 обратной перемотки.
Съемный кронштейн — обойма 8 предназначен для присоединения
лампы-вспышки.
Значения экспозиционных параметров (диафрагменного числа К,
и выдержки t) находятся путем совмещения стрелки калькулятора
со стрелкой гальванометра, которые видны в вырезе 9. Число свето-
чувствительности S вводится разворотом рифленого кольца 12,
на котором нанесена шкала выдержек и шкала чисел S. Внутреннее
кольцо 11 несет шкалу диафрагменных чисел (значений диафрагм).
Таким образом, кольца 11 и 12 являются составными звеньями каль-
кулятора экспонометра, причем совмещение стрелки калькулятора
со стрелкой гальванометра осуществляется разворотом кольца 12.
В качестве фотоприемника экспонометра служит селеновый фото-
элемент, находящийся за сотовым светоограничителем 13.
Штепсельный разъем 6 предназначен для подключения лампы-
вспышки. Аппарат «Зенит-Е» снабжен автоспуском, спусковая
кнопка 3 и рычаг взвода 18 которого находятся на передней стенке
корпуса.
К однообъективным зеркальным фотоаппаратам относятся сред-
неформатный аппарат «Салют», некоторые аппараты «Киев» («Ки-
ев-10», «Киев-15», «Киев-6 х 6») и все аппараты «Зенит».
12.3. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ФОТОАППАРАТЫ
И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ СЪЕМКИ
Фоторужье («Фотоснайпер») предназначено для съемки
крупным планом преимущественно животных с больших расстояний
(для фотоохоты). Содержит фотоаппарат с длиннофокусным объек-
тивом, смонтированный на держателе, имеющем вид ружейного
ложа. Так, например, отечественное фоторужье «Фотоснайпер»
имеет зеркальный фотоаппарат «Зенит-ЕС» с объективом «Таир-З-СФ»
(/' = 300 мм). Спуск затвора осуществляется нажатием на спусковой
крючок, находящийся на ложе-держателе. В комплекте к «Фото-
снайперу» имеется сменный объектив: «Гелиос-44-2».
Панорамные фотоаппараты обеспечивают получение фотоизобра-
жений при больших углах обзора по горизонту (свыше 100°), которые
называются панорамами. В СССР для панорамной съемки выпуска-
ется фотоаппарат «Горизонт», внешний вид которого показан на
рис. 12.6.
178
Объектив ОФ-28П (типа
«Индустар») закреплен внутри
барабана 7, разворачиваемого
вокруг вертикальной оси. Уча-
сток экспонируемой фотопленки
расположен по дуге окружно-
сти, а экспонирование фото-
слоя осуществляется через щель,
перемещающуюся около фотоп-
ленки одновременно с разворо-
том объектива. Перед объекти-
вом 6 в корпусе барабана сде-
лан прямоугольный вырез по
форме экспонирующей щели.
Продолжительность выдержки
зависит от ширины щели и ско-
рости разворота объектива
в процессе панорамирования
(от 1/30 до 1/250 с). Объектив
сфокусирован на расстояние
6 м, т. е. имеет фиксирован-
Рис. 12.6. Фотоаппарат «Горизонт»
ное положение.
Фотоаппарат «Горизонт» имеет съемный телескопический видо-
искатель 5 с угловым полем зрения 44°X 110°. В поле зрения видо-
искателя виден сферический уровень для горизонтирования аппа-
рата. Перемотка фотопленки на шаг кадра и взвод приводной пру-
жины осуществляется рифленой головкой 1. Для спуска механизма
аппарата служит кнопка 2. Значения выдержки устанавливаются
по шкале 3, а диафрагменных чисел — по шкале 4. Фотоаппарат
«Горизонт» обеспечивает съемку панорам в предетах углов: 120°
по горизонту и 48° по вертикали.
Стереосъемка обеспечивает получение попарных фотоизображений объекта,
образующих так называемые стереопары. При рассматривании таких пар снимков
(например, с помощью стереоскопа) наблюдатель видит объемное изображение за-
снятых объектов.
Стереосъемка может осуществляться или однообъективным фотоаппаратом со
стереонасадкой (рис. 12.7), или специализированным двухобъективным фотоаппара-
том. Стереонасадка к фотоаппарату «Зоркий» (рис. 12.7, а) содержит две одинаковые,
симметрично расположенные призмы 1, закрепленные в оправе, присоединяемой
к объективу 2 аппарата. Стереонасадка к фотоаппарату «Киев» (рис. 12.7, б) имеет
две призмы 1 и два объектива 2. Она присоединяется к аппарату вместо съемочного
объектива. В том и другом случаях при фотосъемке на пленке получаются два фото-
изображения (стереокадра) 3 при базисе стереосъемки БС == 65 мм.
Стереосъемку можно также осуществлять с помощью специализированных фо-
тоаппаратов, оснащенных двумя объективами.
Макрофотосъемкой называется съемка (обычно мелких предметов) с линейными
увеличениями рс, значительно превосходящими увеличение при обычной съемке
(Рс от 1/10 до 5). Для осуществления макросъемки можно применять обычные фото-
аппараты (лучше всего зеркальные) с использованием дополнительных приспособ-
лений.
Как известно, перемещение объектива при его фокусировке равно произведению
РсГ, гДе f — фокусное расстояние объектива. Следовательно, при съемке в масштабе
1 1 (в натуральную величину) объектив необходимо переместить в сторону объекта
179
a)
Рис. 12.7. Схемы стереоиасадок
5)

на величину, равную Так как оправы обычных объективов не обеспечивают воз-
можности осуществления таких перемещений, то между объективом и корпусом фото-
аппарата следует устанавливать или растяжной (раздвижной) мех, или промежуточ-
ные (удлинительные) кольца. Последние рекомендуется использовать только с зер-
кальными фотоаппаратами. Отечественной промышленностью выпускаются удли-
нительные кольца к фотоаппаратам «Зенит» с присоединительной резьбой М42Х 1
и длиною?; 14 и 28 мм, а также к фотоаппаратам «Зоркий» и «ФЭД» с присоединитель-
ной резьбой М39Х 1 и длиною 5; 8; 16 и 26 мм.
В связи с существенным увеличением расстояния между объективом и изображе-
нием его освещенность уменьшается в (1 -f- рс)2 раз по сравнению с освещенностью,
имеющей место при обычной съемке. Кроме того, для увеличения глубины резко
изображаемого пространства приходится увеличивать величину диафрагменного
числа К, как это следует из формулы (9.5), что приводит к еще большему понижению
освещенности оптического изображения. При макрофотосъемке уменьшение освещен-
ности изображения следует компенсировать или увеличением выдержки, или уве-
личением освещенности объекта съемки.
Наиболее пригодными для макрофотосъемки являются объективы с небольшими
фокусными расстояниями (не более 15 мм). Для уменьшения фокусного расстояния
съемочных объективов к ним присоединяют положительные линзы, называемые наса-
дочными. При этом рекомендуется для каждого объектива иметь специально рассчи-
танные насадочные линзы, чтобы они не ухудшали качество оптического изображе-
ния, даваемого системой «объектив + насадка».
Для проведения макросъемки в лабораторных условиях выпускаются специаль-
ные установки (например, прибор ФМН-22).
Микрофотосъемкой принято называть съемку мелких предметов с использова-
нием микроскопов. Линейное увеличение при этом обычно превышает 5 и может
достигать 100 и более. На практике применяют следующие способы микрофото-
съемки.
1. Микросъемка с использованием только объектива микроскопа без окуляра
и съемочного объектива фотоаппарата. Этот способ микросъемки аналогичен ранее
рассмотренной макрофотосъемке, а для его осуществления следует применять спе-
циальные микрообъективы, образующие достаточно плоские оптические изображе-
ния (типа «микропланар»),
2. Микросъемка с использованием микроскопа и фотоаппарата, который раз-
мещается за микроскопом, так, чтобы входной зрачок объектива фотоаппарата был
совмещен с выходным зрачком окуляра микроскопа. При таком способе микросъемки
съемочный объектив устанавливается на «бесконечность».
3. Микросъемка с использованием только микроскопа без съемочного объектива
фотоаппарата или вообще без самого фотоаппарата. При этом способе микросъемки
применяются специальные окуляры, обеспечивающие получение оптического изобра-
жения микрообъектов на фотоматериале, помещенном в фотонасадке (для этих
целей можно использовать и корпус фотоаппарата). К таким специальным окулярам
180
относятся фотографические окуляры и окуляры-выравииватели, называемые нега-
тивными линзами или гомалами.
Для производства микрофотосъемок выпускаются специальные иасадки, такие
как: МФН-7 (формат кадра 65Х 90 мм2); МФН-2 (формат кадра 90Х 120 мм2); МФН-12
(формат кадра 24X36 мм2); МФН-5 (стереоскопическая); МФНЭ-1 (с экспонометром)
и др.
Репродукционная фотосъемка включает все виды и способы фотографического
копирования и размножения различных документов: чертежей, рисунков, печатных
текстов и т. п.
Получаемые при репродукционной съемке фотоизображения могут быть выпол-
нены с различными масштабами. Наиболее широко осуществляется фотокопирова-
ние или в натуральную величину (при съемке страниц книг и различных докумен-
тов), или с большим уменьшением (при съемке чертежей и технической документации
с целью микрофильмирования).
Познакомимся с некоторыми особенностями репродукционной фотосъемки.
1. При репродукционной съемке рекомендуется применять специальные объек-
тивы, рассчитанные для «работы на конечных расстояниях» (такие объективы назы-
ваются репродукционными). К ним относятся, например, объективы: «Орион-18Р»,
«Индустар-11М», «Эра-5», «Эра-7» и некоторые др.
2. При репродукционной съемке необходимо обеспечивать тщательную фоку-
сировку объектива (паводку на резкость), которая осуществляется с помощью спе-
циальных приспособлений (рычажных инверсоров или лекальных механизмов)
или с использованием лупы.
3. При репродукционной съемке с целью микрофильмирования необходимо
применять фотоматериалы, имеющие высокую разрешающую способность (не меиее
100 лин/мм). К таким фотоматериалам относятся большинство фототехнических
пленок, включая фотопленки типа «Микрат».
4. При репродукционной съемке необходимо тщательно выравнивать репроду-
цируемые оригиналы, что обеспечивается обычно с помощью прижимного стекла,
накладываемого на оригинал, или прижимных рамок.
5. Освещение репродуцируемого оригинала должно быть равномерным по
всей поверхности, что обеспечивается с помощью осветителей (обычно зеркальных
ламп накаливания), которые размещены по сторонам оригинала на кронштейнах
и имеют возможность перемещения относительно оригинала. Перемещение освети-
телей необходимо для устранения бликов и повышения равномерности освещен-
ности.
Репродукционная съемка может осуществляться как с помощью обычных фото-
аппаратов и фотоувеличителей, так и с помощью специализированных фотоаппара-
тов и фотоустановок. Так, например, репродукционная установка РУСТ-3 обеспе-
чивает возможность фотосъемки на фотопленку шириной 35 и 70 мм чертежей с раз-
мерами до 420X594 мм2 и 841X 1189 мм2 соответственно. РУСТ-3 позволяет также
производить фотосъемку страниц книг, журналов, сброшюрованных документов
и других материалов в масштабе от 1 : 3,3 до 1 : 13,15. Форматы получаемых на фото-
пленках изображений равны: 32X45,5 и 64X91 мм2 при 35 и 70 мм пленках соответ-
ственно.
В установке РУСТ-3 используется репродукционный объектив «Орион-18Р»
с фокусным расстоянием 100,5 мм, относительным отверстием 1 : 11 и угловым полем
60°. Фокусировка объектива (наводка на резкость) и перемотка пленки в РУСТ-3
осуществляются автоматически. Выдержка может отрабатываться как автома-
> тически, так и от руки. РУСТ-3 имеет горизонтальный стол для размещения доку-
ментов, накрываемых прижимным стеклом. По бокам стола на кронштейнах закреп-
лены четыре осветительные лампы. Фотокамера с кассетами может перемещаться
относительно стола по вертикальной колонке. Средняя техническая производитель-
ность РУСТ-3 достигает 100 ... 120 фотоснимков в час.
Кроме РУСТ-3 для целей фоторепродуцирования в СССР изготавливаются
следующие установки: УДМ-2 —для микрофильмирования на 16- и 35 мм пленку;
ФГ-2М, ФГ-ЗМ и ФГУ-М—для установки с вертикально расположенными
оригиналодержателем и кассетной частью; С-64 и РУ-2 — портативные репро-
дукционные установки; АЩМ-900 (Репрограф-900) и АЩМ-1300 (Репро-
граф-1300)— щелевые установки для микрофильмирования и некоторые другие
установки.
181
Рис. 12.8. Оптическая схема подводной съемки
Подводная фотосъемка (фотосъемка под водой) производится обычными или спе-
циализированными аппаратами, заключенными в водонепроницаемые боксы. При осу-
ществлении подводной фотосъемки следует учитывать следующие ее особенности,
связанные с тем, что физические свойства воды существенно отличаются от свойств
воздуха.
1. В воде свет претерпевает значительно большее рассеяние, чем в воздухе,
вследствие наличия в ней различных взвешенных частиц. Светорассеяние приводит
к образованию так называемого подводного тумана, что существенно понижает кон-
траст объектов и дальность их видения. Вследствие этого подводная фотосъемка
возможна при расстояниях до объектов, не превышающих нескольких десятков
метров, если вода очень чистая. Практически же подводная съемка производится
с расстояний, не превышающих 5 ... 10 м.
2. Вода обладает избирательным поглощением света, причем наиболее прозрачна
она к излучениям с длиной волны не более 540 мкм. Вследствие этого вода приоб-
ретает характерную окраску, изменяющуюся с глубиной погружения и существенно
зависящую от состава воды (растворенных в ней веществ).
3. Показатель преломления воды примерно равен 1,33, а у воздуха он прини-
мается равным 1,0, поэтому на границе раздела вода—воздух световые лучи испыты-
вают преломление. Так как съемочный аппарат при подводной съемке находится
внутри водонепроницаемого бокса, то между объективом 3 и подводным объектом 5
(рис. 12.8) будет располагаться иллюминатор 4, который обычно изготавливается
в виде плоскопараллельной пластины. Световые лучи, идущие от объекта съемки,
прежде чем попасть в съемочный объектив, будут дважды преломляться: на границе
раздела вода—стекло и на границе раздела стекло—воздух. В результате этого
угловое поле объектива 2шВолд в воде уменьшится до 2совод и объект 5 не будет
полностью изображен на фотоматериале 1 в пределах' кадрового окна 2. Для того
чтобы изображение объекта полностью уместить в кадровом окне, надо или увели-
чивать расстояние съемки (примерно на 1/4) или применять объектив с большим
угловым полем. С увеличением расстояния до объекта повышается светорассеяние
и, как следствие, понижается качество изображения, поэтому при подводной съемке
‘ рекомендуется применять съемочные объективы с большими угловыми полями (100
и более градусов).
При фокусировке съемочного объектива по шкале расстояний следует учиты-
вать, что в воде все объекты кажутся приближенными к объективу приблизительно
на 1/4 действительного расстояния. Так, например, световые лучи, идущие от точки 4
объекта 5, будут поступать в объективе 3 как бы выходящими из точки А', поэтому
на шкале расстояний надо устанавливать значение, составляющее 3/4 от действитель-
ного расстояния до объекта съемки.
К водонепроницаемым боксам, внутри которых помещаются съемочные аппа-
раты, предъявляются следующие требования:
1) надежная герметизация и достаточная прочность (выдерживать давление до
50 атм);
2) хорошая устойчивость в воде и некоторая положительная плавучесть;
3) удобство и простота в обращении при минимальных габаритах и массе;
4) боксы должны изготавливаться из материалов, которые не подвергаются как
обычной коррозии, так и электрохимическому процессу (явлению электролиза).
Таким требованиям отвечают алюминиевые сплавы и пластмассы.
182
В настоящее время для изучения морского дна и обитающих в морях организ-
мов широко используется телевидение и глубоководные аппараты — батискафы,
батисферы и батипланы.
В заключение познакомимся с некоторыми принадлежностями фотоаппаратов,
которые применяются с целью расширения возможностей фотосъемки.
Насадочные линзы присоединяются к съемочным объективам
с целью уменьшения их фокусного расстояния при осуществлении
макрофотосъемки. Фокусное расстояние f'c системы «насадочная
линза + объектив» определяется по формуле
= /й + _ д ИЛИ = Ф„ + Фо - ДФнФо ’ (12‘
где и Фн — фокусное расстояние и оптическая сила насадочной
линзы; ft и Фо — то же самое для съемочного объектива; Л — рас-
стояние между задней главной плоскостью насадочной линзы и
передней главной плоскостью съемочного объектива.
Отечественной оптической промышленностью выпускаются на-
садочные линзы для фото- и киноаппаратов с оптическими силами:
1; 1,5; 2; 2,5; 3 и 5 диоптрий (фокусными расстояниями: 1000; 667;
500; 400; 333 и 200 мм соответственно). Насадочные линзы имеют
или резьбовую оправу, или гладкую оправу.
Удлинительные кольца — промежуточные кольца, располагае-
мые между съемочным объективом и корпусом съемочного аппарата
для увеличения расстояния между объективом и фотоматериалом при
макрофотосъемке. Размеры удлинительных колец указаны на стр. 180.
Светофильтры применяются при съемке на черно-белые фото-
материалы с различными целями; устранения влияния атмосферной
дымки; обеспечения желаемой передачи соотношений визуальных
яркостей окрашенных объектов; получения специальных эффектов.
Отечественной оптической промышленностью выпускаются све-
тофильтры для фото- и кинообъективов, основные параметры кото-
рых приведены в табл. 12.2.
Таблица 12.2
Обозначение типа Цвет Марка стекла по ГОСТ 9411-81 Е
При толщине 2 и 3 мм Прн толщине 4 мм
УФ-1* УФ-1,4* Бесцветный же-10
Ж-1,4* Ж-2* Желтый, светлый же-12
Ж-2* Ж-2,8* Желтый же-17
ЖЗ-1,4* ЖЗ-4* Желто-зеленый светлый ЖЗС-5
ЖЗ-2* ЖЗ-5,6* Желто-зеленый ЖЗС-9
0-2,8* О-4* Оранжевый ОС-12
К-8* к-и* Красный КС-11
Г-1,4* Г-1,4* Голубой СЗС-17
Н-4* — Нейтральный НС-8
Примечания: I. Приведенные в обозначениях типа числа соответствуют крат-
ности светофильтра q (см. разд. 8.4).
2. Кратность светофильтров указана для фотоматериалов типа «изопанхром» при
съемке с естественным освещением (прн среднем дневном рассеянном свете).
183
Для устранения или ослабления световых бликов на фотографи-
руемых объектах, при съемке через стекло или поверхность воды и
других целей применяются поляризационные светофильтры, обозна-
ченные буквами ПФ (например, ПФ-2,8-<).
Бленды присоединяются к съемочным объективам с целью пре-
дотвращения или уменьшения попадания в объектив постороннего
(вредного) света, вызывающего рефлексы (световые пятна) на фо-
тоснимке, а также повышенное светорассеяние, приводящее к по-
нижению контраста в оптическом изображении. Отечественной про-
мышленностью выпускаются для фото- и кинообъективов бленды
двух типов: конические с резьбовой присоединительной частью
(от М13,5х0,5 до М120Х 1) и цилиндрические с гладкой присоедини-
тельной частью (диаметрами от 15 до 125 мм).
Штативы предназначены для закрепления съемочного аппарата
при съемке с продолжительными выдержками, при съемке с авто-
спуском и других целей. Наиболее широко применяются штативы
в виде треножника со складывающимися или телескопическими
ножками, прикрепленными к основанию, на которое устанавливается
аппарат. Последний закрепляется на основании с помощью резь-
бового хвостовика, ввинченного в гнездо, имеющееся в нижней части
корпуса аппарата.
ГЛАВА 13
АЭРОФОТОАППАРАТЫ
13.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ АЭРОФОТОСЪЕМКИ
Аэрофотосъемка (далее аэросъемка) — процесс фотогра-
фирования земной поверхности с летательных аппаратов. В зависи-
мости от назначения аэросъемка подразделяется на: топографиче-
скую, для создания топографических карт (для картографирования);
метеорологическую', геологическую и другие виды.
Конечным результатом аэросъемки являются фотоснимки (аэро-
снимки), путем дешифрирования которых получают необходимые
данные о заснятой поверхности. Для дешифрирования аэроснимков
применяются различного типа приборы: фотограмметрические (для
измерения линейных размеров), фотометрические (для измерения
оптических плотностей фотопочернений).
В зависимости от положения оптической оси аэрофотообъектива
относительно вертикали к земной поверхности различают плановую
и перспективную аэросъемку. При плановой аэросъемке угол откло-
нения оптической оси аэрофотообъектива относительно вертикали
не должен превышать 3°.
Рассмотрим основные особенности аэросъемки, которые должны
учитываться при конструировании аэросъемочных комплексов, со-
ставной частью которых является аэрофотоаппарат (АФА).
184
1. Вследствие перемещения АФА совместно с его носителем
относительно земной поверхности оптическое изображение назем-
ных объектов непрерывно смещается относительно фотослоя. Ско-
рость смещения изображения V'n3 определяется по формуле
V = Ц7 X-
где W — путевая скорость носителя (с учетом его сноса); f — фо-
кусное расстояние аэрофотообъектива; Н — высота фотографиро-
вания.
При аэросъемке фотоизображения на аэроснимках могут полу-
чаться нерезкими (смазанными), причем величина смаза А равна
А = Уиз/,
где t — продолжительность времени экспонирования (выдержка).
Для получения достаточно резких (несмазанных) аэрофотоизоб-
ражений необходимо или производить аэросъемку с очень короткими
выдержками, или осуществлять компенсацию смещения оптического
изображения во время отработки выдержки. Величину максималь-
ной выдержки при аэросъемке можно определять по формуле (10.6).
2. При аэросъемке необходимо очень тщательно выравнивать
аэропленку в пределах кадрового окна (в зоне экспонирования).
Малейшие отступления аэропленки от плоской поверхности (общие
или местные) приводят к геометрическому искажению фотоизобра-
жения, понижению его резкости, и, как следствие, к понижению
точности линейных измерений с помощью аэроснимков.
3. Точность линейных измерений существенно зависит также и
от качества оптического изображения, образуемого аэрофотообъек-
тивом, поэтому к аэрофотообъективам предъявляются повышенные
требования в части уменьшения таких аберраций, как дисторсия
(фотограмметрическая дисторсия у большинства аэрофотообъек-
тивов не превышает ±0,02 мм), кривизна поля и хроматизм.
4. При применении широкоугольных аэрофотообъективов (с угло-
выми полями свыше 85°) желательно обеспечивать, чтобы освещен-
ность изображения по краям кадра несущественно отличалась от ос-
вещенности в центре кадра. Для этой цели можно применять свето-
фильтры переменной плотности (так называемые оттенители). В объ-
ективах типа «Руссар» (рассчитаны М. М. Русиновым) для выравни-
вания освещенности по полю применено аберрационное виньети-
рование, сводящееся к тому, что коэффициент виньетирования для
наклонных пучков повышается (Ка > 1,0) за счет увеличения раз-
мера входного зрачка с возрастанием угла со.
5. Для устранения геометрических искажений в фотоизображе-
ниях на аэроснимках в АФА рекомендуется применять апертурные
затворы.
6. Для правильного взаимного расположения аэроснимков при
их монтаже в один общий фотоплан при аэросъемке необходимо
осуществлять некоторое перекрытие между соседними аэросним-
ками.
185
Необходимое перекрытие аэроснимков обеспечивается путем выбора
промежутков времени между моментами получения аэроснимков 1
в процессе полета носителя. Для этого АФА снабжаются специаль- .1
ными устройствами, называемыми датчиками интервалов времени |
(интервалометрами). 1
7. Для уменьшения влияния вибраций на качество аэроснимков I
АФА устанавливается на носитель с использованием или специаль- 1
ных упругих узлов — амортизаторов, или автоматических гироста- |
билизирующих устройств.
13.2. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АЭРОФОТОАППАРАТОВ
АФА являются сложными оптико-механическими прибо-
рами и могут существенно различаться по своей конструкции.
На рис. 13.1 показана принципиальная схема АФА, обеспечи-
вающего покадровую аэросъемку. Основными составными частями
АФА являются: объективная часть (конус) 2, камерная часть 4,
кассета 8, аэрофотоустановка 3 с амортизаторами и командный при-
бор 19. В камерной части 4 находится электродвигатель 5 и распре-
делительный механизм 14, обеспечивающий слаженную работу всех
узлов АФА. Сверху камерная часть имеет прикладную рамку 13
с выравнивающим стеклом 6, к которому аэрофотопленка прижи-
мается во время экспонирования фотослоя.
Кассета 8, являющаяся съемной частью, содержит катушки для
подающего 9 и принимающего 11 рулонов. Выравнивание аэро-
пленки обеспечивается прижимным столом 7 под действием пру-
жины 10. В некоторых АФА выравнивание аэропленки осуществля-
ется пневматически путем создания вакуума между столом и аэро-
Рис. 13.1. Принципиальная схе-
ма аэрофотоаппарата
Рис. 13.2. Компенсатор сме-
щения изображения с двумя
вращающимися оптическими
клиньями
186
пленкой. При пневматическом выравнивании отпадает необходимость
в выравнивающем стекле, что благоприятно сказывается на каче-
стве оптического изображения. Отступление поверхности аэрофо-
топленки от идеальной плоскости не должно превышать 0,01 ...
0,02 мм.
Перемотка аэропленки на шаг кадра производится с помощью
мерного зубчатого валика 12.
Снизу к камерной части присоединен конус 2, внутри которого
смонтированы: аэрофотообъектив 15 с апертурным затвором, опти-
ческий компенсатор смещения изображения 16 и защитное стекло 17
(или светофильтр).
Аэрофотоустановка 3 обеспечивает необходимое положение АФА
в фотоотсеке 1 носителя, который имеет фотолюк-иллюминатор 18.
Она может быть как неподвижной, так и иметь привод для
автоматического углового перемещения АФА (качающие уста-
новки).
Для контроля за работой АФА и для его дистанционного управ-
ления служит командный прибор 19, находящийся в кабине штур-
мана и соединенный с камерной частью электрокабелем. Командный
прибор имеет сигнальные лампочки, счетчик кадров, механизм
интервалов (интервалометр), переключатели и другие приспособ-
ления. В камерной части 4 могут размещаться всевозможные при-
боры, показания которых регистрируются на аэропленке по краям
кадра (показания часов, уровня и высотомера). Прикладная рамка
обычно имеет координатные метки, фиксируемые на аэропленке
с целью определения положения системы координат на снимке.
Электропитание АФА осуществляется от источника постоянного
тока напряжением 27 В от бортовой сети.
В АФА применяются два способа компенсации смещения изображе-
ния: механический и оптический. Механическая компенсация обычно
осуществляется посредством перемещения аэропленки в сторону
смещения оптического изображения. Такой способ компенсации
применяется в АФА-МК и в щелевых АФА. При оптической компен-
сации изображение смещается в сторону, противоположную его
смещению вследствие полета носителя. Чаще всего это осуществля-
ется с помощью двух оптических клиньев 1 и 2, вращающихся в раз-
ных направлениях (рис. 13.2), располагаемых перед аэрофотообъ-
ективом 3. Если оба клина сделаны из одного сорта стекла и имеют
одинаковые углы при их вершинах, то при синхронном их вращении
в противоположных направлениях оптические лучи, прошедшие
-сквозь клинья, будут совершать колебательные угловые переме-
щения в одной плоскости. При смещении оптического изображения
в этой же плоскости можно с помощью клиньев обеспечить
компенсацию этого смещения в течение некоторого промежут-
ка времени с одновременной подачей команды на срабатывание
затвора.
Оптическую компенсацию можно осуществлять также качаю-
щимся зеркалом, при помощи оптического клина с переменным углом
при вершине и другими способами.
187
13.3. РАЗНОВИДНОСТИ АЭРОФОТОАППАРАТОВ
В зависимости от назначения и конструктивных особен-
ностей АФА подразделяются на следующие типы.
Топографические АФА предназначены для аэросъемки с целью
создания топографических карт земной поверхности. Они отличаются :
тем, что получаемые с их помощью аэроснимки обладают повышен-
ными качеством и измерительными свойствами. Как правило, ис-
пользуются с плановыми аэрофотоустановками. :
К топографическим АФА относятся отечественные аппараты •
АФА-ТЭ (топографические, электрические), АФА-ТЭС-10 и АФА-41. :
В АФА-ТЭ каждая его часть имеет собственный электродвигатель,
а взаимная синхронизация всех его механизмов обеспечивается
электросхемой. Выравнивание аэропленки осуществляется путем
ее предварительного натяжения с последующим вакуумным присо-
сом и прижимом к прикладной рамке. Формат кадра — 18X 18 см2.
Ширина аэропленки — 19 см. Емкость катушек — 60 м.
АФА-ТЭС-10 оснащен аэрофотообъективом с выравнивающим
стеклом, автоматическим экспонометрическим устройством, ротор-
ным затвором и усовершенствованной кассетой.
АФА-41 применяется как для топографической аэросъемки, так
и для аэросъемки с высот до 20 км с различными измерительными
целями. Формат кадра — 18х 18 см2 при ширине аэропленки 19 см.
Кассеты двух типов — с катушками емкостью в 60 и 120 м.
Специализированные АФА предназначены для аэросъемок с целью
изучения местности, фотопривязки других съемок и выполнения
различных съемок более узкого назначения. АФА, входящие в эту
группу, можно подразделить на следующие типы:
1) кадровые АФА с механической компенсацией смещения изоб-
ражения;
2) кадровые АФА с оптической компенсацией смещения изобра-
жения;
3) кадровые АФА для ночной аэросъёмки;
4) панорамные АФА;
5) щелевые АФА.
Познакомимся с некоторыми из них.
АФА-МК с механической компенсацией сме-
щения изображения предназначен для аэросъемки при
пониженной освещенности земной поверхности со скоростных само-
летов. Скорость аэропленки при компенсации устанавливается
дискретно и может иметь двенадцать различных значений (от 2 до
540 мм/с). Формат кадра — 18X18 см2 при ширине аэропленки 19 см.
АФА-42 с оптической компенсацией смеще-
ния изображения, осуществляемой с помощью двух опти-
ческих клиньев (см. рис. 13.2). Формат кадра —30X30 см2 при
ширине аэропленки 32 см. АФА-42 имеет четыре модификации:
АФА-42/20; АФА-42/50; АФА-42/75 и АФА-42/100. АФА-42/20 не
имеет оптического компенсатора и может использоваться для топо-
графической съемки.
188
АФА-40 с оптической компенсацией смеще-
ния изобр ажения, осуществляемой с помощью двух опти-
ческих клиньев. Скорости компенсации от 28 до 112 мм/с. В само-
лете АФА-40 располагается горизонтально, поэтому перед опти-
ческим компенсатором установлено зеркало, которое может откло-
няться от среднего положения в обе стороны ±0, что используется
при осуществлении двух- и трехмаршрутной аэросъемок (при двух-
маршрутной съемке 0 — 5 ± 5° 45', при трехмаршрутной съемке
0 = 0° и ±11°).
Панорамные АФА предназначены для аэросъемки пано-
рам земной поверхности в виде полос, расположенных перпендику-
лярно линии полета. Панорамирование можно осуществлять или
качанием объектива вокруг оси, расположенной в направлении полета
самолета, или с помощью вращающегося зеркала, находящегося
перед неподвижным объективом.
При панорамировании качающимся объективом 1 (рис. 13.3)
экспонирование фотослоя осуществляется через щель 3, которая
перемещается перед аэропленкой 2 синхронно с объективом. Такие
панорамные аэрофотоаппараты имеют шифр АФА-КО. При панора-
мировании вращающимся зеркалом объектив и щель неподвижны,
а аэропленка перемещается за щелью синхронно с оптическим изоб-
ражением.
Щелевые АФА обеспечивают аэросъемку полосы земной по-
верхности вдоль направления полета самолета. Свое название полу-
чили потому, что экспонирование фотослоя осуществляется через
щель, расположенную перпендикулярно к направлению полета само-
лета. Принципиальная схема щелевого АФА показана на рис. 13.4.
Аэропленка с помощью зубчатого валика 3 перемещается за щелью 2
с некоторой скоростью Йпл, которая должна быть равна скорости
изображения Пиз. В лентопротяжный механизм входят подающий
рулон 5, направляющий гладкий валик 6 и принимающий рулон 4.
Для выравнивания аэропленки применяется валик (на рисунке не
показан), расположенный над аэропленкой в том месте, где находится
щель. Аэрофотообъектив 1 об-
разует оптическое изображение
местности на аэропленке в пре- Полет
Рис. 13.3. Схема панорамной аэросъем-
ки с качающимся объективом
Рис. 13.4. Принципиальная схема ще-
левого аэрофотоаппарата
189
3
3
Рис. 13.5. Принципиальная
cxeiwaj фототелевизионной системы
АМС «Луна-3»
скорость Упл равна Сиз, то при экспонировании фотослоя смещения 1
изображения не происходит и ширину щели Ьщ можно увеличивать 1
с целью увеличения выдержки t, как это следует из формулы I
|
* V „ * I
* пл 1
Таким образом, щелевые АФА обеспечивают возможность аэро-1
съемки с продолжительными выдержками (до 1 с), что позволяет 1
осуществлять аэросъемку при пониженной освещенности и даже
в сумерки. Синхронизация скорости аэропленки Упл со скоростью I
изображения Пиз в современных щелевых АФА осуществляется или
полуавтоматически (штурман вручную устанавливает на командном
приборе значения скорости и высоты полета), или автоматически
от бортового навигационно-вычислительного устройства.
Некоторые щелевые АФА (например, в АЩАФА-5) оснащены
двумя объективами, что позволяет осуществлять несколько видов <
аэросъемки: |
двухмасштабную съемку — при разных фокусных расстояниях-!
объективов; 1
двухмаршрутную и стереоскопическую съемки —при одинако-
вых фокусных расстояниях объективов;
аксонометрическую съемку; при этом используются один объек-
тив и две щели. ,
Фототелевизионные системы* предназначены для фотосъемки I
космических объектов и передачи получаемых снимков по радиока-1
налу на наземные приемные станции. Познакомимся с принципиаль-1
ной схемой отечественной фототелевизионной системы, с помощью!
которой были получены фотоснимки обратной стороны Луны в ок-1
тябре 1959 г. с борта АМС «Луна-3» (рис. 13.5). ]
Поверхность Луны фотографировалась фотокамерой 1, снаб-|
женной двумя объективами: 0г с f = 200 мм и О2 с f = 500 мм.|
На фотопленке 2 одновременно получались пары снимков с раз-!
ными увеличениями, причем Oj изображал всю поверхность Луны, |
*Брацлавец П. Ф. и др. Космическое телевидение. М- Связь, 1967.-I
190
a 02 — определенный ее участок. После экспонирования фотопленка
поступала в отсек 3 для межоперационного ее хранения и отсек 16
для химико-фотографической обработки с одновременным проявле-
нием и фиксированием. Резервуар 17 обеспечивал подачу обраба-
тывающего состава в отсек 16. После обработки с получением негатива
фотопленка поступала на сушильный барабан 14 с системой обдува 15
и влагопоглотителем, а затем снова в отсек 3.
Блок считывания видеоинформации содержит: ЭЛТ 5, по экрану
которой перемещается яркое световое пятно; объектив 6, дающий
изображение этого пятна на фотопленке; фильмовый канал 7 с кад-
ровым окном; конденсор 13, направляющий прошедшие сквозь фото-
изображение световые лучи на фотокатод ФЭУ 12. Построчное счи-
тывание видеоинформации осуществлялось благодаря равномерному
перемещению фотопленки через фильмовый канал при непрерыв-
ном перемещении изображения светового пятна (туда и обратно)
в направлении, перпендикулярном движению фотопленки. Фото-
пленка перемещается равномерно с помощью зубчатого валика 4
и сердечника 8, на который она наматывается. Управление пере-
моткой фотопленки обеспечивается механическим программным
устройством 10 по командам с Земли.
Вырабатываемый ФЭУ переменный сигнал соответствует изме-
нению интенсивности света, проходящего через участки фотоизобра-
жения, т. е. величина сигнала обратно пропорциональна оптической
плотности фотопочернения данного участка фотоизображения. Сиг-
нал с ФЭУ поступал в усилитель видеосигналов //и затем на вход
радиопередающей станции. Электропитание обеспечивается от блока 9.
Фотосъемка Луны осуществлялась с высоты около 50 тыс. км.
За один цикл съемки получено 40 пар фотоснимков на фотопленке
шириной 35 мм.
ГЛАВА 14
КИНОАППАРАТЫ
14.1. ТИПЫ КИНОАППАРАТОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ
Киносъемкой называется процесс получения серии после-
довательных фотоизображений какого-либо объекта через опреде-
ленные равные промежутки времени. Число фотоизображений (далее
кадров), регистрируемых на кинопленке в одну секунду, называется
частотой киносъемки ve. Получаемая в результате киносъемки и
последующей химико-фотографической обработки серия кадров об-
разует кинофильм. Каждый кадр кинофильма содержит снимок
объекта, соответствующий определенному положению этого объекта
в пространстве, т. е. определенной фазе его движения.
Кинопроекцией называется процесс проецирования на экран
увеличенных изображений последовательных кадров кинофильма,
191
полученного при киносъемке. Наблюдая на экране серию последо-
вательных изображений объекта, зритель воспринимает этот объект
в движении. Такое восприятие последовательно проецируемых ста-
тических изображений в виде движущегося изображения возможно
благодаря способности человека удерживать в своей зрительной па-
мяти образ от изображения после его удаления с экрана. Эту спо-
собность человеческого зрения называют «памятью зрения», про-
должительность которой равна примерно с. Таким образом,
если на экране смена изображений будет происходить с промежут-
ками, длительность которых не превышает с, то отдельные ста-
тические изображения человек будет воспринимать слитно, как
единое движущееся изображение. Число кинокадров, проецируе-
мых на экран в одну секунду, называется частотой кинопроекции vn.
Как киносъемка, так и кинопроекция являются циклическими
процессами, при которых определенные их этапы периодически повто-
ряются. Время, в течение которого совершается один цикл, назы-
вается периодом смены кадров Тк, равным 1/v.
В процессе кинопроекции при каждой смене кадров световой
поток, идущий к экрану, перекрывается и в течение времени его
перекрывания экран не освещается. Таким образом, при кинопроек-
ции происходит периодическая смена освещенности на экране, при-
водящая к «мельканию» экрана. Человек не замечает «мельканий»
экрана в тех случаях, когда частота смены его освещенности равна
или превышает 40 Гц. Эта частота называется критической частотой
слияния «мельканий» экрана. Ее величина зависит от яркости экрана,
горизонтального угла наблюдения экрана и ряда других фак-
торов.
Устройства, предназначенные для осуществления киносъемки,
называются киносъемочными аппаратами. В зависимости от назна-
чения киносъемочные аппараты подразделяются на: любительские,
профессиональные и специализированные.
Устройства, предназначенные для осуществления кинопроекции,
называются кинопроекционными аппаратами или кинопроекторами.
В зависимости от ширины кинопленки и форматов киноизображений
на экране кинофильмы принято подразделять на:
8-мм обычные и 8-мм формата Супер;
16-мм с соотношением сторон 1,34 : 1;
35-мм обычные с соотношением 1,37 : 1;
35-мм широкоэкранные с соотношением сторон 2,32 : 1;
35-мм кашетированные с соотношением сторон 1,66 : 1 или
1,85 : 1;
70-мм широкоформатные с соотношением сторон 2,3: 1.
Примечания: 1. Широкоэкранные кинофильмы снимаются на 35-мм
кинопленку с апаморфированием (сужением по ширине) изображений и проеци-
руются на киноэкран с соответствующим их дезанаморфированием.
2. Широкоформатные кинофильмы снимаются на 70-мм кинопленку без ана-
морфирования изображений.
192
Познакомимся с основными узлами
киноаппаратов.
Лентопротяжный механизм. Типовая
схема этого механизма для киносъемоч-
ного аппарата приведена на рис. 14.1.
Кинопленка равномерно разматывается
с рулона 1, находящегося в подающей
кассете (бобине), посредством тянущего
зубчатого барабана 2 и поступает в фильмо-
вый канал 3, имеющий прямоугольный
вырез 4, называемый кадровым окном.
Мимо кадрового окна кинопленка пере-
мещается прерывисто с помощью скач-
кового механизма 5 (механизма преры-
вистого перемещения кинопленки), кото-
рый периодически продергивает кино-
пленку на шаг кадров Як* в соответствии
с частотой киносъемки. После скачкового
механизма кинопленка поступает на за-
держивающий зубчатый барабан 6, слу-
жащий для равномерной ее подачи к ру-
лону 7, на который она наматывается.
Этот рулон находится в принимающей
кассете (бобине). За тянущим бараба-
ном 2 и перед задерживающим бараба-
Рис. 14.1. Типовая схема
лентопротяжного механизма
киноаппарата
ном 6 кинопленка должна образовывать петли а и б с целью обе-
спечения некоторого резерва для скачкового механизма и нама-
тывателя.
Для предотвращения самопроизвольного разматывания кино-
пленки с рулона 1 служит тормозное устройство (обычно фрикцион-
ного типа), обозначенное Фт. Вследствие действия тормозного устрой-
ства кинопленка испытывает натяжение 7\, величина которого при-
мерно равна: при 16-мм пленке 0,5 Н; при 35-мм пленке 1,5 Н и
при 70-мм пленке 2,5 Н. Кинопленка испытывает также натяжение
и на участке между фильмовым каналом и Скачковым механизмом,
обозначенное Тф.к. Это натяжение возникает вследствие как инер-
ционности продергиваемого курса пленки, так и действия силы тре-
ния, возникающей между пленкой и деталями фильмового канала
из-за прижима пленки, ее изгиба и других причин. Для обеспече-
ния наматывания кинопленки на рулон 7 сердечник этого рулона
.должен вращаться принудительно от приводного механизма аппа-
рата. Так как диаметр наматываемого рулона постепенно увеличи-
вается, то угловая скорость сердечника должна постепенно умень-
шаться. Для обеспечения этого кинематическая связь между приво-
дом аппарата и сердечника наматываемого рулона не должна быть
жесткой, чтобы возможно было некоторое пробуксовывание сер-
* Шагом кадров Нк называется расстояние между центрами или другими одно-
именными точками двух последовательных кадров.
193
7 С. В. Кулагин и ДР- ,
Рис. 14.2. Расположение кинопленки на зубчатом барабане:
а — тянущем; б — задержизающем
дечника относительно приводного вала по мере намотки рулона.
Поэтому между валом привода и сердечником рулона 7 имеется фрик-
ционное устройство Фн, а пробуксовывание сердечника обеспечивается
за счет силы натяжения кинопленки Тн между задерживающим бара-
баном 6 и рулоном 7. Величина натяжения Тн примерно равна:
при 16-мм пленке 1,5 Н; при 35-мм пленке 2,0 Н и при 70-мм пленке
3,5 Н. Величина Т„ несколько больше Тт, что необходимо для обес-
печения более плотной намотки рулона.
Зубчатые барабаны 2 и 6 обеспечивают равномерное перемещение
кинопленки с постоянной скоростью Кпл = vHK посредством зубьев,
входящих в ее перфорационные вырезы. Различают два режима
работы зубчатых барабанов: тянущий и задерживающий. Для тяну-
щих барабанов характерно то, что скорость кинопленки Кпл и натя-
жение Т направлены в разные стороны, а у задерживающих бара-
банов — в одну сторону. В связи с этим кинопленка располагается
на опорной поверхности зубчатых барабанов так, как показано
на рис. 14.2. Как у тянущего (см. 14.2, а), так и у задерживающего
(рис. 14.2, б) барабанов с кромкой перфорации контактирует только
один зуб, который называется рабочим. При вращении барабана
роль рабочего зуба выполняют последовательно все его зубья.
Так как рабочие зубья у тянущего и задерживающего барабанов
контактируют с кромкой перфорации разными поверхностями, то это
приводит к различию между величинами шагов их зубьев, а именно:
> tn Для обеспечения этого соотношения шаг зубьев
тянущего барабана принимается равным шагу перфораций /п
у свежей кинопленки, а шаг зубьев задерживающего барабана 3—
шагу перфораций tn у усохшей кинопленки *.
* У свежей кинопленки усадка не превышает 0,3 %, а у усохшей —доходит
до 1,0 %.
194
Для уменьшения размеров лентопротяжного механизма в кино-
аппаратах иногда вместо тянущего и задерживающего барабанов
применяют один, так называемый комбинированный барабан. Шаг
зубьев ^б.к у такого барабана равен шагу перфораций tn при средней
усадке кинопленки (~0,6 %).
Число зубьев барабана г должно быть кратным числу перфора-
ций, приходящихся на один кадр (на один шаг кадров Ян). Реко-
мендуется г принимать равным: для 70-мм кинопленки 20, 30 или 40;
для 35-мм кинопленки 16, 24 или 32; для 16-мм кинопленки 8, 12
или 16.
Фильмовый канал предназначен для обеспечения правильного
расположения кинопленки относительно кадрового окна, а следо-
вательно, и относительно кинообъектива. Фильмовый канал должен
выполнять две функции: выравнивать кинопленку и располагать
ее около кадрового окна достаточно стабильно.
Выравнивание кинопленки обычно обеспечивается посредством
ее прижима к опорным полозкам 4 основания 3 фильмового канала
(рис. 14.3) с помощью пружинящих полозков 2, находящихся на
крышке (дверце) 1. Стабилизация кинопленки в поперечном направ-
лении осуществляется или с помощью боковых бортиков 6, или с по-
мощью других приспособлений (например, поперечно-направляю-
щего ролика). Стабилизация кинопленки относительно кадрового
окна 5 в продольном направлении обеспечивается в первую очередь
за счет высокой точности действия скачкового механизма. Роль филь-
мового канала сводится к тому, чтобы удерживать кинопленку
в том положении, в котором она оказывается после перемещения
Скачковым механизмом. Фиксация кинопленки после прекращения
действия скачкового механизма чаще всего осуществляется ее при-
жимом, который может быть как постоянным, так и пульсирующим.
В последнем случае кинопленка прижимается к опорным полоз-
кам фильмового канала только тогда, когда она неподвижна. В не-
которых киноаппаратах фиксация кинопленки осуществляется за счет
ее упругих свойств. Для этого вход и выход фильмового канала де-
Рис. 14.3. Фильмовый канал кино-
съемочного аппарата
7*
195
лаются искривленными (такие фильмовые каналы называются кри-
волинейными), благодаря чему кинопленка в силу своей упругости
сама прижимается к опорным полозкам.
Для повышения точности стабилизации кинопленки в продоль-
ном направлении в некоторых киноаппаратах применяется контр-
грейфер, кинематически связанный со скачковым механизмом (обычно
является его составным узлом). Зуб контргрейфера 1 (рис. 14.4)
вводится в перфорацию кинопленки 3 одновременно с выводом зуба
грейфера 2 из другой перфорации после завершения рабочего цикла
скачкового механизма. Толщина зуба грейфера hr меньше высоты
перфорации hn. Толщина же зуба контргрейфера hK = hn, поэтому
этот зуб, входя в перфорацию, своими скосами а и б в случаях необ-
ходимости дополнительно смещает кинопленку вверх или вниз,
чтобы располагать ее после каждого продергивания с высокой точ-
ностью относительно кадрового окна (с точностью не более ±10 мкм).
Скачковые механизмы или механизмы прерывистого перемещения
кинопленки оцениваются следующими техническими показате-
лями :
1) точностью перемещения кинопленки на шаг кадра Н,., от кото-
рой главным образом зависит устойчивость киноизображения на
экране при кинопроекции. Величина допускаемого смещения кадров
от их идеального положения (величина неустойчивости кадров)
у киноаппаратов не должна превышать 25 ... 30 мкм;
2) коэффициентом рациональности или световым коэффициен-
том К,., который равен отношению времени покоя /пок к периоду
смены кадра Тр, т. е.
/док ^ПОК ^ДВ 1 ^дв
С Тк Люк + ^ДВ Т’к 7к ’
где /ДЕ — время перемещения кинопленки на шаг кадра Нк скач-
ковым механизмом. Чем больше Кс, тем эффективнее используется
световой поток, проходящий сквозь кадровое окно кинопроектора,
тем выше яркость киноизображения на экране;
3) усилием воздействия рабочего элемента скачкового механизма
на кинопленку (обычно на межперфорационную перемычку) во время
, ее перемещения. Величина этого усилия в основном зависит от
характера изменения ускорения, которое испытывает кинопленка
при ее продергивании;
4) сроком службы скачкового механизма, бесшумностью работы
и другими показателями.
В современных киноаппаратах находят применение два типа
скачковых механизмов: грейферный (кривошипный и рамочно-ку-
лачковый) и мальтийский. Для повышения их светового коэффи-
циента они дополняются кулисными передачами.
Как это отмечалось ранее, при разматывании и наматывании
кинопленка испытывает натяжение Т, величина которого опреде-
ляется из отношения Т = 2Л4фР/£)р, где Л4фР — момент сил трения
фрикционного устройства, a Dp —диаметр разматываемого или
наматываемого рулона. Если на сердечник диаметром dc намотано L
196
метров кинопленки толщиной s, то диаметр рулона можно определять
по следующей формуле:
где £ — коэффициент, учитывающий плотность намотки (его величина
принимается равной 1,05... 1,1).
Оценка разматывающего или наматывающего устройств осуще-
ствляется по двум показателям:
1) характеристике устройства, представляемой в виде графика
зависимости Т = f (D.,y,
2) характеристическому коэффициенту х = Т^/Т^.
Желательно, чтобы при перемотке кинопленки ее натяжение
оставалось примерно постоянным, т. е. чтобы х ~ 1,0 (обычно допу-
скается изменение х в пределах до 1,3).
В киноаппаратах применяются фрикционные устройства двух
типов: с постоянным Л4фР и с переменным Л4фР. При Л4фР = const
для уменьшения величины Т применяют сердечники увеличенных
диаметров (до 140 мм при длине фильма 300 м). В фрикционных уст-
ройствах с Л4фР const величина Л4фР должна изменяться в соот-
ветствии с изменением диаметра рулона Dp так, чтобы Т const.
Такие фрикционные устройства имеют сложную конструкцию и
применяются в основном в кинопроекторах. Это вызвано тем, что
через лентопротяжный механизм кинопроектора кинофильм протя-
гивается многократно (не менее 250 раз). Для улучшения условий
эксплуатации в кинопроекторах применяются так называемые бес-
перемоточные устройства, которые обеспечивают возможность демон-
страции кинофильмов без их обратной перемотки после каждого
кинопоказа. Разрабатываются также и бифилярные кассеты для
демонстрации кинофильма, склеенного в кольцо.
Обтюратор киноаппарата предназначен для периодического пере-
крывания световых лучей, идущих к кадровому окну, на время,
необходимое для продергивания кинопленки на шаг кадра. Разли-
чают дисковые, конические и цилиндрические обтюраторы. Диско-
вый обтюратор (см. рис. 10.7) имеет непрозрачную лопасть
(одну или несколько), с помощью которой осуществляется
перекрывание световых лучей. В киносъе-
мочных аппаратах дисковый обтюратор
обычно устанавливается наклонно к оптиче-
ской оси объектива (под углом в 45°), а его
лопасть делается зеркально отражающей. Бла-
годаря этому во время перекрывания световых
лучей лопасть обтюратора направляет их под
углом 90° к оптической оси в схему визирного
устройства. Такие обтюраторы называются
зеркальными. Конический обтюратор (рис. 14.5)
имеет вид усеченного конуса 1 со световым вы-
резом 3, обеспечивающим периодическое про-
пускание световых лучей к кадровому
Рис. 14.5. Форма и
расположение кониче-
ского обтюратора
197
окну 2 в процессе вращения обтюратора. Цилиндрические
обтюраторы в современных киноаппаратах не применяются.
14.2. КИНОСЪЕМОЧНЫЕ АППАРАТЫ
Принципиальная схема киносъемочного аппарата (далее j
киноаппарата) приведена на рис. 14.6. Киносъемочный объектив 1 I
образует оптическое изображение снимаемых объектов на киноплен- I
ке 2 в пределах кадрового окна, сделанного в основании фильмо- 1
вого канала 10. Лентопротяжный механизм включает подающий I
рулон 5, тянущий зубчатый барабан 4, скачковый механизм 9, задер- 1
живающий зубчатый барабан 8 и принимающий рулон 7. Электро- 1
двигатель 6 обеспечивает вращение основных звеньев лентопротяж- 1
ного механизма и зеркального обтюратора 11 (на рисунке эти звенья 1
показаны стрелками). Во время продергивания кинопленки свето- I
вые лучи направляются зеркальной лопастью обтюратора в визир- 1
ное устройство 3. |
Киносъемочные объективы по сравнению с фотографическими I
объективами должны быть более светосильными и иметь повышенную I
разрешающую силу. Это объясняется тем, что качество фотоизоб-' я
ражений на кадр х должно быть выше качества фотоснимков, так 1
как кинокадры проецируют на экран с увеличением, достигающим' 3
500 и более крат. |
Большинство современных любительских киноаппаратов осна- а
щено экспонометрическими устройствами, обеспечивающими полу- j
автоматическую или автоматическую установку светового отверстия |
диафрагмы. Профессиональные киноаппараты и некоторые люби- I
тельские имеют устройство для плавного изменения угла светового .1
выреза асв обтюратора, что обеспечивает возможность киносъемки 1
с «наплывом» (постепенным переходом от одного сюжета к другому). |
Некоторые профессиональные киноаппараты предназначены для |
киносъемки с одновременной записью звукового сопровождения. 1
Такие киноаппараты называются синхронными. I
Рис. 14.6. Принципиальная схе-
ма киносъемочного аппарата
Рис. 14.7. Форма и располо-
жение изображений при ки-
носъемке
198
Стандартная частота ки-
носъемки профессиональны-
ми киноаппаратами равна
24 кадр/с; любительски-
ми*— 16 и 18 кадр/с. Боль-
шинство любительских кино-
аппаратов обеспечивает ки-
носъемку с разными часто-
тами. У таких аппаратов
изменение числа оборотов
приводного вала лентопро-
тяжного механизма обеспе-
чивается или центробежны-
ми тормозными регулятора-
ми, или электроконтактными
регуляторами.
Размеры и расположение
изображений при киносъемке
показаны на рис. 14.7 и при-
ведены в табл. 14.1.
В качестве примера по-
знакомимся с любительским
киноаппаратом «Кварц 2х
Х8С-3», показанным на
рис. 14.8. Аппарат оснащен
объективом 11 типа «Ме- Рис. 14.8. Киносъемочный аппарат «Кварц
теор-8М» с переменным 2Х8С-3>
фокусным расстоянием (/' =
— 9 ... 38 мм), для изменения которого служит рукоятка 10.
Фокусировка объектива осуществляется по микропирамидам и шкале
расстояний. Визирование производится через окуляр 6, имеющий
диоптрийную наводку. Двигатель аппарата пружинный, взвод
Таблица 14.1
Кинофильм Размеры в мм
А D В н R
70-мм широко- Не более 9,30 не менее 60,70 (51,40) , 23,0±0,5 0,5
форматный
35-мм широко- не более 7,80 не менее 29,75 (21,95) 18,6±0’2 0,8
экранный
35-мм обычный не более 7,80 не менее 29,75 (21,95) 16,О±0,5 0,8
16-мм не более 2,95 не менее 13,00 (10,05) 7,42+0,15 0,5
8-мм обычный 2,85гаах 755+0,35 (4,8) 3,55+0’15 0,25
8-мм формата 1 > 47щах (5,69) 4,12+0,1 0,13
Супер
Примечание. Размеры, приведенные в скобках, являются справочными, так
как они не нормируются.
199
которого осуществляется рукояткой 2. Частоты киносъемки: 12;
18; 24; 36 кадр/с и покадровая. Они устанавливаются головкой 7.
При необходимости грейферный механизм можно отключать, для
чего служит головка 3. Аппарат имеет счетчик 4 метража кинопленки
и головку 5 для установки режимов съемки.
«Кварц-2 х8С-3» имеет экспонометрическое устройство, обеспе-
чивающее полуавтоматическую установку диафрагмы за поводок 13
посредством совмещения стрелки индикатора (гальванометра) с ин-
дексом. Стрелка видна в поле зрения визирного устройства. Пред-
варительно нужно головкой 8 установить число светочувствитель-
ности используемой кинопленки против нужного деления на шкале 9
частот киносъемки. Световые лучи к фотоприемнику экспонометри-
ческого устройства поступают через окно 12 с растровым свето-
ограничителем. Для пуска и остановки аппарата служит клавиша 14.
Аппарат имеет рукоятку 7; его также можно устанавливать на шта-
тив (например, при режиме «самосъемка»),
«Кварц 2Х8С-3» заряжается двойной 8-мм кинопленкой типа С,
намотанной на катушки. Емкость зарядки 2X7,5 или 2X10 (при
пленке с тонкой основой) метров.
14.3. КИНОПРОЕКЦИОННЫЕ АППАРАТЫ
Отличительной особенностью кинопроекционного аппа-
рата (кинопроектора) является наличие осветительной системы
(осветителя), служащей для обеспечения равномерного просвечи-
вания проецируемых на экран кинокадров. Профессиональные кино-
проекторы, как правило, оснащены устройствами для чтения фоно-
грамм (фотографических или магнитных) и усилителями с громко-
говорителями, обеспечивающими демонстрацию кинофильмов со зву-
ковым сопровождением.
Осветители кинопроекторов включают (рис. 14.9): источник света 1
и конденсор, который может быть как линзовым 2, так и зеркаль-
ным 3. Плоский угол 2оА соответствует телесному углу, в пределах
которого световые лучи, идущие от источника, охватываются кон-
денсором. Поэтому угол 2оА называется углом охвата конденсора.
, Чем больше угол 2оА, тем выше коэффициент использования све-
тового потока источника света. Двухлинзовые конденсоры имеют
2оА = 60°; трехлинзовые —90°; зеркальные конденсоры эллип-
соидной формы =Л80°. Линзовый конденсор часто дополняется
Рис. 14.9. Схема осветителей кинопроекторов
200
сферическим отражателем 4 (показан пунктиром), который дает
изображение тела накала источника света в плоскости самого тела
накала, что приводит к повышению как равномерности яркости
тела накала, так и величины самой яркости на 20 ... 30 %.
Любой конденсор проецирует тело накала источника света в оп-
ределенное место (чаще всего —в плоскость кадрового окна). В ка-
честве источника света в современных кинопроекторах преимуще-
ственно применяются лампы накаливания (обычные и галогенные)
и газоразрядные ксеноновые лампы. Внутри колбы некоторых ламп
накаливания, предназначенных для любительских кинопроекторов,
помещают зеркальный конденсор (такие лампы называются зеркаль-
ными) .
Габаритная (усредненная) яркость кинопроекционных ламп на-
каливания не превышает 25 Мкд/м2. Они применяются в любитель-
ских и передвижных кинопроекторах. Габаритная яркость ксено-
новых ламп находится в пределах от 200 до 1000 Мкд/м2 в зависи-
мости от их мощности. Ксеноновые лампы применяются преимуще-
ственно в стационарных кинопроекторах.
В кинопроекторах применяются как дисковые, так и конические
обтюраторы. Для повышения частоты смены освещенности экрана
(частоты «мельканий» экрана) выше критической обтюраторы кино-
проекторов делают или двухлопастными, или вращают с удвоенной
угловой скоростью.
Важной технической характеристикой кинопроектора является
величина полезного светового потока Фп, называемого также све-
товой мощностью кинопроектора. Фп равен световому потоку, вы-
ходящему из проекционного объектива при отсутствии киноленты
в фильмовом канале и вращающемся обтюраторе. Его величина
определяется по формуле
Фп — 0,25лто6щГист (&к- о х /гк. о) лм,
где тобщ — общий коэффициент пропускания, равный произведению
коэффициентов пропускания всех элементов осветительно-проек-
ционной системы кинопроектора, включая обтюратор и кадровое
окно; £ист — габаритная яркость источника света, кд/м2; (bK. 0 X
X hK. о) — площадь кадрового окна, м2; Лг — геометрическое
диафрагменное число проекционного объектива.
Чем выше величина Фп, тем больше могут быть размеры проек-
ционного экрана при заданной его яркости L3, которая связана
с его освещенностью Еэ следующей зависимостью:
L„ = рЕд/л — при^диффузно рассеивающем экране, коэффициент
отражения которого равен р;
Ьэ'=-^-— при направленно рассеивающем экране, коэф-
фициент яркости которого равен г.
Согласно требованиям нормативных документов яркость в центре
экрана при отсутствии на нем киноизображения может быть равна
на 40*10 кд/м2. Равномерность яркости экрана должна быть не менее 0,6.
201
Таблица 14.2
Кинофильм Размеры в мм
А D в H
70-мм широкоформатный 12,20+°’20 57,80“0,20 (45,60) 19,8O“0,20
35-мм широкоэкранный 8,2О+оло 29,30" °’40 (21,10) 18,20“ °'30
35-мм обычный 8,20+°'40 29,30“ r'4n (21,10) 15,30“°'3°
16-мм 3,ю+°’10 12,8O“0,10 (9,70) 7,26-°,15
8-мм обычный 2,95 mm 7,46max (4,51)max 3,30max
8-мм формата Супер l,60min 7,06max (5,46)max 4,01 max
Примечание. Размеры, приведенные в скобках, являются справочными, так
как они не нормируются.
Кадровые окна в фильмовых каналах кинопроекторов по своим
размерам делаются немного меньше кадровых окон киносъемочных
аппаратов, чтобы проецируемое на экран изображение не имело бы
по краям светлых обрамлений. Размеры и расположение проецит
руемых изображений приведены в табл. 14.2 (обозначения размеров
показаны на рис. 14.7).
Кинематическая схема кинопроектора, обеспечивающего демон-
страцию звуковых кинофильмов, включает блок звуковоспроизведе-
ния. В кинематографии применяются два метода записи звука:
оптический (фотографический) и магнитный. Запись звукового сопро-
вождения осуществляется вдоль узких полосок, расположенных
около перфорационных отверстий по обеим сторонам кинокадров.
Участок кинофильма, на котором записано звуковое сопровождение,
называется фонограммой.
Оптические способы записи звука основаны на модулировании
светового потока, поступающего к непрерывно движущейся кино-
пленке в соответствии с частотой звуковых колебаний. Предвари-
тельно звуковые колебания с помощью микрофона преобразуются
в колебания электрического тока. В зависимости от способа модули-
рования светового потока различают поперечный и интенсивный
методы оптической записи звука.
При поперечном методе записи звука применяется электромехани-
ческая модуляция светового потока, в результате чего получается
фонограмма переменной ширины. На рис. 14.10 приведена одна из
схем оптической записи звука с использованием зеркального галь-
ванометра 7. С помощью источника света 1 и конденсора 2 равно-
мерно просвечивается вырез в маске 3, которая изображается лин-
зами 5 и 8 на щелевой диафрагме 9. Изображение выреза, показанное
пунктиром, перемещается перпендикулярно щели вследствие пово-
рота зеркальца 6 гальванометра, катушка которого подсоединена
к усилителю микрофона. Благодаря этому изображения двух частей
щели, даваемые микрообъективом 10 на кинопленке 11, будут иметь
различную длину. Изображения двух частей щели называются
202
Рис. 14.10. Принципиальная схема оптической записи звука
пишущими штрихами. Заслонки 4 служат для уменьшения площадки
прозрачных участков фонограммы 12, наиболее подверженных все-
возможным повреждениям (царапины, загрязнения и т. п.), приво-
дящим к появлению шумов. Это осуществляется путем некоторого
сближения заслонок при наибольшей длине пишущих штрихов.
Управление заслонками обеспечивается усилителем микрофона.
Получаемая фонограмма называется обесшумленной.
При интенсивном методе записи звука длина пишущего штриха
не изменяется, а световая модуляция осуществ чяется путем изменения
интенсивности светового потока, поступающего к кинопленке в пре-
делах пишущего штриха. Для этих целей применяются практические
безынерционные электрооптические модуляторы (например, ячейка
Керра). Получаемая в результате такой записи звука фонограмма
имеет переменную оптическую плотность при постоянной ее ширине.
При магнитной записи звука на кинопленку наносятся полоски
ферромагнитного порошка (по типу магнитофонной ленты). Магнит-
ная запись имеет преимущества по сравнению с оптической и по-
этому широко применяется в кинематографии. Магнитная запись
позволяет осуществлять немедленное прослушивание, «стирать»
запись и производить ее исправления. Кроме того, магнитная запись
обеспечивает более качественное воспроизведение звука в более
широком диапазоне звуковых колебаний. Необходимо отметить,
что обычно первоначальная запись звукового сопровождения осу-
ществляется на отдельную пленку и затем при печати фильмокопий
звук перезаписывается на кинофильм.
Чтение фотографической фонограммы осуществляется посред-
ством просвечивания ее узким пучком света, называемым читающим
штрихом. По способу создания на фотограмму читающего штриха
различают-три типа читающих систем:
1) систему с механической щелью впереди фонограммы (система
с «передним чтением»);
2) систему с механической щелью за фонограммой (система
с «задним чтением»);
203
лительо
Рис. 14.11. Принципиальная схема чтения фотографической фонограммы
3) бесщелевую читающую систему с цилиндрической оптикой.
Принципиальная схема системы с «задним чтением» приведена
на рис. 14.11. Конденсор 2 изображает тело накала источника света 1
на входном торце светопровода 3. Световой поток, выходящий из
светопровода, образует на фонограмме 4 равномерное освещенное
световое пятно. Микрообъектив 5 изображает просвечиваемый уча-
сток фонограммы с некоторым увеличением (до 10х) на пластине 6
с щелью, которая выполняет роль читающего штриха (точнее, чи-
тающим штрихом является узкая полоска на фонограмме, соответ-
ствующая щели).
Модулированный фонограммой световой поток, проходящий через
щель, линзой 7 направляется на катод фотоэлемента 8. Электрические
системы с фотоэлемента после их усиления подаются к громкогово-
рителям.
Для качественного воспроизведения звукового сопровождения
необходимо, чтобы скорости перемещения пленки при записи звука
и фонограммы при ее чтении были равны и имели постоянное значе-
ние. Неравенство этих скоростей приводит к изменению высоты звука
и его тональности, а неравномерность
детонации. Поэтому лентопротяжные
Рис. 14.12. Кинопроектор «Русь»
скорости — к так называемой
механизмы синхронных кино-
съемочных аппаратов и зву-
ковых кинопроекторов со-
держат стабилизаторы ско-
рости кинопленки.
На рис. 14.12 показан
любительский кинопроектор
«Русь». Бобина с кинофиль-
мом расположена на оси 2.
Лентопротяжный механизм
содержит комбинированный
зубчатый барабан 9 с двумя
каретками 10 (верхней и
нижней) с придерживающи-
ми роликами, фильмовый
канал 7 с защелкой 6, грей-
ферный механизм и ось 1 на-
матывателя. Осветитель (га-
логенная лампа КГМ-12-150
с зеркальным конденсором)
закрыт кожухом 9. Кино-
проекционный объектив 5
204
типа «ОП-18» (f = 18 мм Кг = 1,4) или типа «ПФ-6» (f =
= 18 ... 30 мм; Кг = 1,2). Управление кинопроектором осуществ-
ляется клавишами 11. Электродвигатель и приводной механизм смон-
тированы в корпусе 3.
Кинопроектор «Русь» предназначен для проецирования 8-мм
кинофильмов (обычного и формата Супер) с частотами от 12 до
26 кадр/с при прямом и обратном ходах фильма, а также при не-
подвижном его положении. При смене формата фильма производится
замена зубчатого барабана и переключение формата по индексам S8
и N8 (происходит смена кадрового окна и грейферного узла). Свето-
вой поток при кадровом окне формата Супер не менее 70 лм. Регу-
лирование частоты проекции осуществляется рукояткой 8. Воз-
можна демонстрация фильма со звуковым сопровождением с помощью
магнитофона с использованием электрического синхронизатора СЭЛ.
14.4. АППАРАТЫ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ КИНОСЪЕМКИ
Скоростная киносъемка применяется для регистрации
быстро протекающих и кратковременных процессов с целью их
исследования. Она осуществляется с частотами свыше 100 кадр/с
специализированными аппаратами, в которых фотоматериал или
перемещается непрерывно с определенной скоростью, или находится
в неподвижном положении.
При киносъемке на непрерывно движущуюся пленку для устра-
нения смещения изображения относительно фотослоя в процессе его
экспонирования применяются так называемые компенсаторы. С по-
мощью компенсатора оптическое изображение снимаемого объекта
перемещается синхронно с пленкой, благодаря чему фотоизображе-
ния на кадрах получаются достаточно резкими.
На рис. 14.13 приведены принципиальные схемы оптических
компенсаторов: а) призменного и б) зеркального. При вращении
призмы 2 (см. рис. 14.13, а) оптическое изображение, образуемое объек-
тивом 1, будет смещаться с некоторой скоростью Уиз совместно
с пленкой 3, движущейся со скоростью Упл. То же самое происходит
и при вращении зеркального многогранника 4 (см. рис. 14.13, б).
В некоторых аппаратах применяют зеркальные многогранники
с внутренними отражающими гранями.
Частота киносъемки, достигаемая в аппаратах с непрерывным
перемещением пленки, определяется по формуле: vc = 10001/п.фНц,
где Упл — скорость пленки в м/с; Нк — шаг кадров в.мм. Наиболь-
шая величина скорости Упл не превышает 300 м/с.
Рис. 14.13. Оптические компенсаторы скоростных кииоапнаратов
205
Отечественной промышленностью выпускается аппарат СКС-1М
с четырехгранной призмой, обеспечивающий киносъемку с частотами
от 150 до 4000 кадр/с на 16-мм кинопленку. При применении восьми-
гранной призмы частоты съемки увеличиваются в два раза с одно-
временным уменьшением кадров по их высоте тоже в два раза.
В аппаратах, осуществляющих съемку на неподвижный фото-
материал, применяются так называемые развертывающие устройства,
обеспечивающие смещение световых лучей относительно фотослоя.
Для получения на фотоматериале раздельных фотоизображений
(кадров) в процессе непрерывной развертки световых лучей приме-
няются так называемые коммутирующие системы. На рис. 14.14
показана принципиальная схема аппарата с оптической коммута-
цией кадров. Объектив 1 совместно с компонентом 2 образуют изоб-
ражение А'В' объекта АВ в плоскости, проходящей через ось вра-
щения развертывающего зеркала 3. При вращении зеркала даваемое
им изображение А"В" будет поворачиваться вместе с зеркалом,
занимая всегда положение, перпендикулярное отражаемому зерка-
лом главному осевому лучу. Это промежуточное изображение А"В"
является объектом для объективов блока 4, которые изображают его
Рис. 14.15. Схема киноаппарата СФР
206
последовательно на неподвижном фотоматериале 5 в процессе вра-
щения зеркала (на рис. изображение
Компонент 2 изображает выходной зрачок С{ объектива 1 в месте
расположения входных зрачков С2 объективов блока 4. При враще-
нии зеркала 3 изображение зрачка Ct будет смещаться по зрачкам С2,
причем экспонирование фотослоя будет происходить в моменты
совпадения изображения Ct с одним из зрачков С2. Таким образом,
изображение зрачка является своеобразным оптическим комму-
татором световых лучей. Число кадров, получаемых на фотома-
териале 5, равно числу объективов в блоке 4.
В некоторых аппаратах с оптической коммутацией кадров в пло-
скости выходного зрачка располагают пластинку с несколькими
вырезами (обычно два или четыре), а блок 4 имеет соответственно
несколько рядов объективов. Такая система применена в высоко-
скоростном аппарате СФР, схема которого приведена на рис. 14.15.
Объектив 1 и компонент 4 дают изображение объекта в плоскости
развертывающего зеркала 5. Это изображение с помощью одного
из объективов блока 6 (на рис. 14.15 он двухрядный) переносится
на фотопленку 7, расположенную между кассетами 8. В выходном
зрачке объектива 1 помещается диафрагма 2 с двумя или четырьмя
вырезами. Эта диафрагма компонентом 4 изображается перед бло-
ком 6, содержащим два или четыре ряда объективов. При вращении
зеркала на фотопленке будут последовательно регистрироваться
раздельные изображения в два или четыре ряда. Затвор 3 открывает
доступ световым лучам к фотослою на один цикл съемки.
Аппарат СФР оснащается двумя сменными блоками 6: один со-
держит 60 объективов, расположенных в два ряда, а другой —
240 объективов, расположенных в четыре ряда. При двухрядном
блоке частота киносъемки достигает 625 тыс. кадр/с, а при четырех-
рядном — 2,5 млн. кадр/с. Аппарат заряжается пленкой шириной
35 мм и длиной 165 мм.
В некоторых специализированных аппаратах оптическое изобра-
жение объекта расчленяется на большое число однотипных частей
(точек, линий), размеры которых определяют как бы шаг кадров.
К таким аппаратам относятся, например, растровые регистраторы,
в которых разложение оптического изображения на составные
элементы осуществляется с помощью растров. Размер элементов
(диаметр точек или ширина линий) примерно равен 10 ... 20 мкм,
что обеспечивает доведение частоты кинорегистрации до 100 и бо-
лее млн. кадр/с.
ТРЕТИЙ
РАЗДЕЛ
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ НАЗЕМНОЙ,
АВИАЦИОННОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ
ТЕХНИКИ
Оптические приборы наземной, авиационной и космиче-
ской техники можно разделить на следующие основные классы:
наблюдательные и угломерные приборы, дальномерные устройства,
прицелы наземного вооружения и устройства для прицеливания
ракет, прицелы воздушной стрельбы, прицелы бомбометания, устрой-
ства астронавигации космических летательных аппаратов и другие
устройства.
Подавляющее большинство этих приборов работает в сложных
условиях. Приборы должны быть работоспособны при различных
метеорологических условиях, при больших перепадах температур
(от +50 °C до —60 °C), при ускорениях, достигающих 10g, при
большом перепаде давлений, при длительных вибрациях, выдержи-
вать перевозки всеми видами транспорта.
При проектировании этих приборов должны учитываться условия
их работы.
ГЛАВА 15
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ Й АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
15.1. ПРИМЕНЕНИЕ, ОСОБЕННОСТИ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Геодезия — наука, занимающаяся определением формы
и размеров Земли, изображением земной поверхности на планах и
картах и точными измерениями на местности, например, при строи-
тельстве различных инженерных сооружений. Для решения этих
задач на поверхности Земли строится опорная геодезическая сеть,
которая представляет собой совокупность надлежащим образом
выбранных и закрепленных на земной поверхности точек, называе-
мых опорными геодезическими пунктами, взаимные положения и
высоты которых точно определены.
Нахождение положения опорных геодезических пунктов произво-
дится в основном методом триангуляции. Метод триангуляции
состоит в построении на местности сетей треугольников, последова-
тельно связанных между собой общими сторонами. Измерив в тре-
угольнике одну из его сторон, называемую базисом, и не менее двух
углов, остальные стороны треугольника определяют путем тригоно-
208
метрических вычислений. Пункты триангуляции намечаются на воз-
вышенных точках местности и закрепляются путем закладки на не-
которую глубину бетонного блока с вделанной в него металлической
маркой, обозначающей вершину треугольника.
Высоты опорных геодезических пунктов определяются методами
геометрического нивелирования, которое состоит в измерении и сум-
мировании разностей высот каждых двух последовательных точек,
расположенных одна от другой по некоторой линии, образующей
нивелирный ход.
Для измерения углов, длин линий и разностей высот двух точек
используются геодезические приборы.
Горизонтальные и вертикальные углы измеряют при помощи
теодолита соответственно по его горизонтальному и вертикальному
лимбам.
Разность высот двух точек измеряют с помощью нивелира опре-
делением разности отсчетов по вертикальным рейкам, установлен-
ным в двух измеряемых точках.
Расстояние между точками на местности измеряется с помощью
оптических дальномеров, причем в настоящее время широко исполь-
зуются высокоточные фазовые оптиколокационные дальномеры (све-
тодальномеры).
Кроме перечисленных операций с помощью геодезических при-
боров осуществляется мензульная съемка (графическая съемка мест-
ности), непосредственно на местности.
Точность измерения расстояний между точками характеризуется
относительной ошибкой MJL в пределах от 1 -10“6 до 1-10"2. .
Точность измерения углов с помощью геодезических приборов
находится в пределах 0,5" до 2'.
Точность измерения разности высот двух точек составляет ве-
личины +0,5 мм на 1 км.
Существенная особенность работы геодезических приборов со-
стоит в том, что они, как правило, предназначены для использования
в полевых (экспедиционных) условиях.
Обычно геодезические приборы классифицируют по назначению
и точности.
По назначению можно выделить следующие основные группы
приборов:
1) приборы линейных измерений — дальномеры;
2) приборы для измерения углов: теодолит, вертикальный круг,
буссоль, гироскопический компас;
3) приборы для определения высот и превышений: нивелир,
профилограф, барометр;
4) приборы графической съемки местности и фотографиче-
ские приборы: мензула с кипрегелем, фотограмметр, фототео-
долит;
5) оптические проектиры: оптический отвес, оптический проектир
направления, световой указатель;
6) приборы для камеральных работ: планиметр, пантограф,
дветокопировальный аппарат.
209
Приведенная классификация является условной, так как отдель-
ные приборы служат для нескольких видов измерений. Приборы
одного назначения образуют ряд в зависимости от точности. Точ-
ность измерения изменяется постепенно. Приборы по точности де-
лятся на три группы: высокоточные, точные и технические.
Геодезические приборы должны обеспечивать возможность со-
ответствующих измерений с требуемой точностью, поэтому при их
проектировании расчеты на точность являются основными.
Требуемая точность результатов измерений задается средней
квадратической погрешностью конечного результата или предельной
ошибкой. Погрешности могут выражаться в угловой или линейной
мере в зависимости от вида и характера измерений. При этом должно
учитываться, что частью погрешности конечного результата будет
ошибка от влияния внешних условий (прозрачности атмосферы, ее
рефракции, колебаний основания прибора и т. д.).
Физиологические возможности глаза должны быть известны
разработчику приборов (см. разд. 1.1 и 2.3), так как на них основы-
вается расчет увеличения зрительных труб и микроскопов, выбор
схемы отсчетных приспособлений.
Технологические возможности обуславливают предельные погреш-
ности в изготовлении ответственных деталей и узлов приборов и
определяют достижимую точность этих приборов. Уровень развития
техники в настоящее время позволяет получить ошибку нанесения
штрихов на лимбах ±1", наименьшую толщину штрихов сеток
1 ... 2 мкм, колебание цены деления уровня в 1" в пределах ±10 %
на разных частях ампулы, ошибку шага микровинтов в 1 мкм для
минимального шага в 0,25 мм, зазор в цилиндрических осях 0,5 ...
0,8 мкм.
15.2. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Зрительные трубы используют для визирования на пред-
меты. Они представляют собой телескопические системы типа трубы
Кеплера. При помощи зрительной трубы наблюдатель должен раз-
личить предмет и иметь возможность определить положение индекса
сетки трубы относительно предмета. Ошибки измерений, зависящие
от зрительной трубы, в основном определяются точностью визирова-
ния (см. разд. 2.1 и 2.3).
Зрительные трубы имеют большое увеличение Гт = 10х ... 60х,
малое угловое поле 2<в = 1 ... 3°, малый размер выходного зрачка
D' = 0,7 ... 1,5 мм. Относительные отверстия объективов нахо-
дятся в пределах 1 : 6 до 1 : 10. В передней фокальной плоскости
окуляра устанавливается сетка для визирования на предметы.
Предметы могут располагаться на разных расстояниях от прибора,
начиная приблизительно от 5 м до бесконечности, поэтому в кон-
струкции зрительной трубы должны предусматриваться фокуси-
рующие устройства.
На рис. 15.1 приведена оптическая схема телескопической си-
стемы с внешней фокусировкой. Фокусировка осуществляется пере-
мещением окуляра <3 с сеткой 2 относительно неподвижного объек-
тива 1.
210
Рис. 15.1. Схема зрительной трубы с внешней фокусировкой
Если при фокусировке перекрестие сетки вследствие погрешно-
стей изготовления переместится в плоскости, перпендикулярной
оптической оси, на величину Л/, то произойдет наклон визирной оси
на угол ав (погрешность визирования), величина которого будет
определяться как
< = (Д///об) р". (15.1)
Допустимая величина А/ должна быть не более нескольких мкм.
На рис. 15.2 приведена оптическая схема зрительной трубы
с внутренней фокусировкой. Объектив 1 такой трубы состоит из
двух компонентов, находящихся на определенном расстоянии друг
от друга и представляющих собой телеобъектив, эквивалентное фо-
кусное расстояние которого равно
foe = + /2 — К), (15.2)
где f{ и f2 — фокусные расстояния компонентов телеобъектива;
/х — расстояние между ними.
Фокусировка на близкий и дальний предметы осуществляется
перемещением второй линзы объектива. Обычно она бывает отрица-
тельной. Для расчета перемещений фокусирующей линзы следует
пользоваться формулой, приводимой в курсах прикладной оптики:
is=4-K^+L)- и; ом
где L —длина трубы (обычно она задается), а А{ рассчитывается по
формуле Al = + Ai); А, — расстояние от предмета до перед-
ней главной плоскости объектива.
Для уменьшения габаритов труб в настоящее время широко
применяются зеркально-линзовые объективы.
Рис. 15.2. Схема зрительной трубы с внутренней фокусировкой
211
В геодезических приборах применяются окуляры типа Кельнера
(симметричный и ортоскопический). Они имеют диоптрийную на-
водку в пределах ±5 дптр. Сетка может иметь вид перекрестия или
биссектора с тремя полными или неполными горизонтальными нитями.
Расчет расстояния /е между нитями сетки делается по формуле
lc = fo6lk, (15.4)
где k — коэффициент дальномера, равный 100, 200, 300 и т. д.
Расстояние до предмета вычисляется по формуле
L = kCp + С, (15.5)
где Ср — число делений рейки между нитями дальномера,
С = /об а\
а — расстояние от передней главной плоскости объектива до верти-
кальной оси вращения прибора.
Для различных приборов значение С находится в пределах от
250 до 700 мм. Способы определения этой величины приводятся
в курсах геодезии.
В трубах с внутренней фокусировкой связь параметров оптиче-
ской системы с коэффициентами k и С и переменный характер этих
величин затрудняют пользование нитяным дальномером. Однако
соответствующим выбором элементов конструкции трубы удалось
получить значение С=0. Эти трубы носят название аналлактических.
Отсчетные системы (лупы и микроскопы) служат для рассматри-
вания шкал и лимбов, для производства и уточнения измерений
(см. разд. 2.3). Все необходимые для расчета формулы приведены
в гл. 1 настоящего учебника, там же даны подробные описания от-
счетных приспособлений.
Осевые системы. Механические оси определяют взаимное поло-
жение геметрических элементов прибора в строгом соответствии с его
конструкцией. Они должны обеспечивать, постоянство взаимного
положения и сохранение своих форм.
По расположению оси делятся на вертикальные и горизонтальные,
по форме — на конические и цилиндрические.
Вертикальные оси. В простых угломерных приборах
и нивелирах направляющей оси вращения служит втулка подъем-
ного приспособления (рис. 15.3, а), при этом лимб неподвижен.
212
В больших астрономо-геодезических теодолитах и универсалах
с поворотным лимбом применяется система осей, показанная на
рис. 15.3, б. В ней достигнуто полное разобщение между алидадой
и лимбом и исключена возможность смещения лимба при вращении
алидады.
В приборах технической точности распространена система осей,
представленная на рис. 15.3, в. Ось лимба вращается во втулке
подъемного приспособления, ось алидады в полой оси лимба. Не-
достатком является неразобщенность осей, поэтому возможно сме-
щение лимба при вращении алидады.
В оптических теодолитах и тахеометрах широко применяется
система, показанная на рис. 15.3, г. В ней поверхности осей враще-
ния алидады и лимба разобщены втулкой подъемного приспособле-
ния, поэтому она свободна от недостатков предыдущей системы.
Устойчивость и плавный ход оси достигаются приданием ей соот-
ветствующей длины и величины зазора между осью и втулкой.
Длину цилиндрической оси делают равной 3—4-кратному ее диа-
метру, а конической оси 3—4-кратному наибольшему диаметру.
Конусность конических осей допускается от 1/10 до 1/5. Материалы
конической оси и ее втулки должны иметь близкие коэффициенты
расширения и малые коэффициенты трения (сталь—бронза, бронза—•
латунь). Цилиндрические оси и втулки делают из однородного
материала, обычно стали, с соответствующей термической обработкой.
Горизонтальные оси в угломерных приборах несут
на себе трубу или трубу и вертикальный круг с алидадой. Цапфы
оси укладываются в специальные гнезда подставок — лагеры. Цапфы
прижимаются к лагерам пластинкой с пружинным упором. Для
регулировки горизонтального положения оси одна из подставок
должна иметь приспособление для изменения ее высоты. Горизон-
тальную ось и цапфы делают из латуни, бронзы, стали. Форма цапф
цилиндрическая.
Расчеты осевых систем на прочность и жесткость производятся
по методам, изложенным в курсе «Детали машин и приборов».
Лимбы. Геодезические приборы должны иметь в конструкции
рабочую меру (основную шкалу) для сравнения измеряемой вели-
чины с единицей измерения. Рабочими мерами для измерения углов
являются лимбы. Они представляют собой металлические или стек-
лянные круги, разделенные на некоторое число равных делений.
Конструктивными элементами лимба являются его диаметр, цена
деления, интервал деления, толщина штрихов, форма поверхности
несущей деления, материал детали. Если штрихи имеют толщину
0,1 мм и более, материалом для лимба служит латунь или бронза.
Для более тонких штрихов применяется нейзильбер или серебряный
сплав. Серебряный сплав или нейзильбер в виде полоски припаи-
вается или завальцовывается в латунное основание, затем подвер-
гается окончательной обработке «пемзовке» и нанесению штрихов
на делительных машинах с погрешностью 1 ... 3".
Стеклянные лимбы изготавливают из стекла (БКЮ), деления
наносят травлением с последующей защитой покровным стеклом.
213
Рис. 15.4. Подсветка стеклянных лимбов:
а — в проходящем свете; б — в отраженном свете
Диаметры металлических лимбов для теодолитов колеблются
в пределах от 50 до 140 мм, стеклянных — от 50 до 90 мм при тол-
щине 3 ... 5 мм. Во многих современных конструкциях лимб входит
в оптическую систему и представляет собой плоскопараллельную
пластинку 1, на которой штрихи могут освещаться в проходящем
(рис. 15.4, а) и отраженном свете (рис. 15.4, б).
Лимбы геодезических приборов имеют цены деления 1/2°, 1/3°,
1/6°, 1/12° и 1/15°. Интервал деления (линейное расстояние между
двумя соседними штрихами) при заданной цене и диаметре D лимба
определяется по формуле
а = tcD/N, (15.6)
где N — число делений на лимбе.
Толщина штрихов на лимбе зависит от способа наблюдения.
При рассматривании невооруженным глазом толщина штриха при-
нимается 0,1 ... 0,2 мм с интервалом 1,5 ... 2 мм, при использовании
верньера толщина штриха — 0,02 ... 0,1 мм с интервалом 0,3 4-
4-1 мм, при использовании микроскопов и оптических микрометров
толщина штриха — от 0,002 до 0,02 мм с интервалом 0,3 ... 0,7 мм.
Верньер (нониус) представляет собой шкалу 2, расположенную
на дуге и соприкасающуюся с лимбом 1 (рис. 15.5). Дуга шкалы
верньера 2 содержит п делений и равна (п — 1) минимальных деле-
ний лимба. Обозначим цены деления лимба через Сл, а цену деления
верньера — через Сп, тогда получим Сл (га — 1) = Свп. Разность
между ценой деления лимба и ценой деления верньера называется
точностью и определяется по формуле
АС = Сл - СЕ = Сл/п. (15.7)
В геодезических приборах с помощью
верньера берутся отсчеты углов с точ-
ностью 10", 20", 30" и Г.
Если оси алидады и лимба не со-
впадают (имеется эксцентриситет), то
происходит изменение точности от-
счета углов на различных участках
214
Рис. 15.6. Типы уровней:
а — цилиндрический; б — сферический
лимба. Чтобы исключить эту ошибку, при отсчете угла необхо-
димо брать среднее значение из отсчетов с противоположных
сторон лимба. Величина угла при этом вычисляется как аср =
= (а + а' ± 180°)/2, где а, а' — отсчеты углов с противоположных
сторон лимба.
Уровни в геодезических приборах служат для ориентирования
прибора и отдельных его частей относительно вертикали в данной
точке и для измерения малых углов наклона от вертикали. Уровень
состоит из ампулы с жидкостью и оправы. По форме ампулы уровни
разделяются на цилиндрические (рис. 15.6, а) и сферические или
круглые (рис. 15.6, б). Внутренняя поверхность цилиндрического
уровня отшлифована по дуге окружности образующей цилиндра,
внутренняя поверхность ампулы круглого уровня отшлифована по
шаровой поверхности. Уровни обычно имеют на наружной поверх-
ности ампулы штрихи, по которым отсчитываются малые углы
наклона.
Ценой деления уровня Су называется угол, на который нужно
наклонить ампулу, чтобы пузырек уровня передвинулся на одно
деление. Интервал между делениями ау принимается для цилиндриче-
ских уровней равными 2 мм, для круглых уровней — 4 мм. Порогом
чувствительности уровня называется угол, на который нужно на-
клонить ампулу, чтобы пузырек сместился на 0,1Су. Чувствитель-
ность уровня возрастает с увеличением диаметра ампулы.
Диаметры ампул колеблются в пределах от 7,5 до 18 мм, длины
ампул — от 23 до 155 мм, отношение диаметра к длине — от 1/6
до 1/9.
Ампулы делятся по точности на ампулы малой точности с ценой
деления выше Г, средней точности — от 5" до Г и высокой точности
от 1" до 5". Минимальная цена деления для круглых уровней — 10".
Для изготовления ампул применяются два сорта стекла: термо-
метрическое и жароустойчивое (пирекс). В качестве наполнителя
используют метиловый, этиловый спирт, серный эфир.
215
Установочные приспособления. Геодезические приборы в рабо-
чем положении устанавливают и закрепляют на штативе или консоли.
Основными частями штатива являются головка, три ножки,становой
винт, с помощью которого прибор укрепляется на головке штатива.
Перед тем как приступить к измерениям, геодезический прибор
устанавливают над соответствующей точкой местности в определенное
положение. Центр лимба теодолита должен находиться в вершине
измеряемого угла, а вертикальная ось прибора должна занимать
вертикальное положение. Алидада и труба закрепляются и медлен-
ным наведением приводятся в нужную точку. Все приспособления,
которые служат этой цели, носят название установочных. К ним
относятся подъемные, зажимные и микрометрические наводящие
устройства.
15.3. УГЛОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ И НИВЕЛИРЫ
Рис. 15.7. Схема' угломерного при-
бора
Угломерные приборы предназначаются для проведения
теодолитных и тахеометрических съемок на местности, т. е. измере-
ния горизонтальных и вертикальных углов.
На рис. 15.7 изображена схема угломерного прибора. Вертикаль-
ная ось 00' является основной, вокруг которой вращается горизон-
тальный лимб 6 с делениями и его алидада (линейка с верньером).
Сама ось 00' устанавливается вертикально при помощи подъемного
устройства 5, состоящего из трех винтов. Вертикальность оси и
горизонтальность круга проверяется по уровню. На горизонтально
расположенной алидаде укреплена подставка 4 U-образной формы.
На подставке располагается горизонтальная ось трубы 3 (ДД')>
сама зрительная труба 2 (ВВ') и вертикальный лимб 1. Угломерный
инструмент центрируется по отвесу
и выставляется в вершине изме-
ряемого угла. Зрительная труба на-
водится на- точки визирования,
а по лимбам при помощи индек-
сов снимаются отсчеты. Разность
отсчетов по горизонтальному лимбу
даст значение горизонтального угла
между двумя направлениями на
точки визирования.
Теодолиты и теодолиты-тахео-
метры предназначены для измере-
ния углов: первые — горизонталь-
ных с большой точностью, вторые—
горизонтальных и вертикальных
углов с одинаковой точностью.
По конструкции угломерные
приборы можно разделить на клас-
сические и оптические. Классиче-
ские формы обладают простотой
регулировки и доступностью ремонта.
216
Рис. 15.8. Теодолит Т2А
Рис. 15.9. Оптическая схема теодолита Т2А
для снятия отсчетов
Оптические приборы имеют стеклянные лимбы и отсчеты по лим-
бам введены или в поле зрения отсчетного микроскопа или зри-
тельной трубы.
В настоящее время имеют преимущественное развитие теодолиты
оптического типа со средней квадратической ошибкой в пределах
от 0,5" до 30".
Угломерные инструменты (теодолиты) классифицируются по точ-
ности измерения.
Рассмотрим в качестве примера теодолит Т2А. Он относится
к группе точных приборов. Внешний вид теодолита показан на
рис. 15.8. Визирная труба 1 установлена в подставке 2 и поворачи-
вается вокруг горизонтальной оси, подставка 2 имеет возможность
поворачиваться вокруг вертикальной оси относительно основания <3.
Отсчет величины измеряемых углов производится с помощью отсчет-
ного микроскопа 4. Повышенная точность измерения углов обеспе-
чивается одновременным рассматриванием через микроскоп противо-
положных сторон лимба (что исключает ошибку эксцентриситета
лимба) и использованием оптического микрометра.
На рис. 15.9 приведена оптическая система теодолита для снятия
отсчетов с вертикального 1 и горизонтального 2 лимбов. Оптические
характеристики теодолита Т2А: Гт = 25х; 2® = 1° 30'; D = 35 мм;
/об 250 мм; D' 1,4 мм; цена деления окулярного микрометра
горизонтального и вертикального равна 1"; цена деления лимба
горизонтального и вертикального равна 20'.
Нивелиры предназначаются для определения превышения одной
тбчки над другой при помощи горизонтальной линии визирования.
Основными узлами нивелира являются зрительная труба, уровень,
треножник с подъемными винтами, осевое устройство.
Нивелиры классифицируются по точности на высокоточные
(прецизионные), точные и технические. Нивелиры классифицируются
217
Рис. 15.11. Схема совмещения пузырь-
ка уровня в поле зрения нивелира
по точности измерения. Например, высокоточные нивелиры имеют
среднюю квадратическую ошибку не более +0,5 мм на 1 км, цену
деления уровня — не более 8 ... 10" на 2 мм в поле зрения трубы.
У приборов технической точности средняя квадратическая ошибка
составляет 15 ... 30мм на 1 км, уровень 15 -30-секундной точности.
В качестве примера рассмотрим точный нивелир НЗ (рис. 15.10).
Зрительная труба 1 имеет устройство для внутренней фокусировки 2.
Сбоку трубы укреплена коробка, в которой помещается цилиндри-
ческий уровень и система призм (рис. 15.11), передающая изображе-
ние уровня в поле зрения трубы.
Нивелир снабжен элевационным винтом 6 (см. рис. 15.10), поз-
воляющим быстро устанавливать прибор в горизонтальное положе-
ние (совмещать концы пузырька уровня). Цилиндрическая ось
прибора 4 укреплена в треножнике 5 вместе с тремя подъемными
винтами. Для небольших перемещений трубы в горизонтальной
плоскости служит микрометренный винт 3. Оптические характери-
стики: Гт — 30,5х; угловое поле по вертикали 2®в = 1°20', по
горизонтали 2®г = 0° 55'; цена деления уровня равна 15"; средняя
квадратическая ошибка на 1 км хода равна 4 мм.
В последнее время начали выпускать нивелиры с самоустанавли-
вающейся линией визирования. В них визирная линия, определяе-
мая задней узловой точкой объектива и отметкой на сетке нитей,
автоматически устанавливается горизонтально с помощью компен-
саторов.
15.4. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Астрономия — наука о Вселенной — изучает движение,
строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем.
Основным источником сведений о небесных телах являются
электромагнитные волны, которые либо излучаются и поглощаются,
либо отражаются этими телами. Электромагнитные волны, приходя-
щие на Землю от небесных тел, дают возможность изучать положения
и движения небесных тел. Анализ электромагнитных волн позволяет
изучать физическое состояние небесных тел.
218
Для получения информации о небесных телах в оптическом диапа-
зоне волн (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение)
используются оптические астрономические приборы.
Для измерения небесных координат светил, определения геогра-
фических координат места наблюдения служат астрономические
угломерные инструменты и приборы. Для изучения небесных объек-
тов используются телескопы.
К угломерным астрономическим инструментам относятся: уни-
версальный инструмент, меридианный круг, пассажный инструмент,
зенит-телескоп, секстант.
Универсальный инструмент позволяет в любой точке земной
поверхности измерить горизонтальные координаты светила или
географические координаты места наблюдения. (Системы координат,
используемые в астрономии, рассмотрены в гл. 21.)
Универсальный инструмент (см. рис. 15.7) состоит из зрительной
трубы 2, имеющей возможность поворачиваться вокруг двух взаимно
перпендикулярных осей — горизонтальной и вертикальной. Углы
поворота трубы отсчитываются по горизонтальному лимбу 6 и верти-
кальному лимбу 1. Методика работы с универсальным инструментом
такая же, как с угломерным геодезическим прибором.
Универсальные инструменты изготовляются сравнительно не-
больших размеров: диаметры лимбов находятся в пределах от 100
до 300 мм, фокусные расстояния зрительных труб — от 100 до 500 мм,
точность измерения углов — от 30 до 5".
Меридианный круг состоит из зрительной трубы, которая может
вращаться только вокруг горизонтальной оси. Последняя лежит
на лагерах, установленных на мощном бетонном фундаменте. Гори-
зонтальная ось меридианного круга должна быть направлена точно
с востока на запад. Тогда труба будет располагаться и вращаться
точно в плоскости небесного меридиана. С трубой жестко связан
вертикальный лимб, по которому измеряются вертикальные углы.
Точность измерения углов до 0,1". Размеры меридианных кругов
различны. Диаметры лимбов равны от 500 до 1000 мм, фокусные
расстояния объективов труб — от 1500 до 3000 мм, диаметры объек-
тивов — от 100 до 200 мм.
Меридианный круг используется в основном для определения
экваториальных координат светил. Поскольку труба меридианного
круга вращается только в плоскости небесного меридиана, наблю-
дения каждого светила осуществляются только во время его куль-
минаций.
Стационарный пассажный инструмент устроен совершенно так
же, как й меридианный круг, только вместо точного лимба с гори-
зонтальной осью пассажа связан небольшой круг —• искатель, кото-
рый служит для приближенной установки трубы на нужную высоту
йад горизонтом.
Пассажный инструмент используется для наблюдения моментов
прохождения светил через меридиан, по которым затем вычисляются
их прямые восхождения или определяется точное время, которое
также получается из моментов прохождения светил через меридиан.
219
Рис. 15.12. Схема телескопа
Зенит-телескоп служит для точного
измерения малых разностей зенитных
расстояний звезд вблизи зенита. Основ-
ной частью прибора является зритель-
ная труба с высокоточным уровнем
и окуляр-микрометром. По уровню
труба точно устанавливается в зенит,
и с помощью окуляр-микрометра
фиксируется положение звезд в поле
зрения. Данные наблюдения позво-
ляют точно определять географиче-
скую широту места наблюдения и изу-
чать движение полюсов Земли.
Принципы действия и назначение секстанта изложены в гл. 21.
Оптические телескопы. Телескоп состоит из двух основных узлов:
трубы 1 и монтировки 2 (рис. 15.12 и 15.14).
Для наблюдения космических объектов необходимо трубу теле-
скопа направить так, чтобы ее оптическая ось проходила через
объект наблюдения, и при этом перемещать трубу таким образом,
чтобы наблюдаемый объект находился непрерывно в поле зрения
телескопа.
Различают два вида оптических систем, применяемых в телеско-
пах: рефлекторы (зеркальные) и рефракторы (линзовые). Кроме
этого в последние десятилетия появились зеркально-линзовые системы
Шмидта, Максутова и др.
На рис. 15.13 показаны оптические системы, используемые в раз-
личных телескопах.
В рефракторах (рис. 15.13, а) используется линзовый объектив,
состоящий из двух или трех линз. Основным недостатком таких
220
объективов является наличие хроматической аберрации и поглоще-
ние оптическим стеклом ультрафиолетовой и инфракрасной части
излучения.
Линзовые объективы применяются в основном в телескопах и
астрономических угломерных инструментах, у которых диаметр
объектива не превосходит 200 ... 300 мм.
На рис. 15.13, б, в, г показаны зеркальные объективы. В схеме
Ньютона (рис. 15.13, б) лучи отражаются от главного параболиче-
ского зеркала 2 и плоского зеркала 1 и собираются в фокусе объек-
тива F'.
В схеме Кассегрена (рис. 15.13, в) лучи вначале отражаются от
главного параболического зеркала 2, затем от зеркала 1, имеющего
форму гиперболоида вращения, и собираются в фокусе системы.
Схема Грегори (рис. 15.13, г) отличается от схемы Кассегрена
тем, что зеркало 1 стоит после главного фокуса основного зеркала 2
и является эллипсоидом вращения.
Зеркальные системы не обладают хроматической аберрацией,
могут работать в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном уча-
стках длин волн, не имеют сферической аберрации. Во всех крупных
телескопах [в ЗТИГс диаметром объектива 2,6 м (СССР), в Паломар-
ском с диаметром 5 м (США), в БТА с диаметром 6 м (СССР)!
используют зеркальные объективы.
Недостатком рефлекторов с параболическими зеркалами является
то, что безаберрационное изображение бесконечно удаленной точки
строится лишь на оптической оси. При смещении изображения
с оптической оси появляются внеосевые аберрации (кома, дисторсия
и кривизна поля изображения), что резко ухудшает качество изоб-
ражения. Для компенсации внеосевых аберраций используют различ-
ные линзовые компенсаторы. При наблюдении с помощью рефлек-
торов больших участков неба применяют линзовые компенсаторы,
позволяющие получить хорошее качество изображения по всему
полю зрения. Зеркальные системы используют в телескопах с диа-
метрами объективов более 1 м.
На рис. 15.13, д, е представлены оптические схемы зеркально-
линзовых телескопов.
Схема Шмидта (рис. 15.13, д) состоит из коррекционной линзы
Шмидта 1 и сферического зеркала 2. Коррекционная линза компен-
сирует аберрации сферического зеркала.
Схема Максутова (рис. 15.13, е) состоит из мениска 1 и сфериче-
ского зеркала 2. Параметры мениска и сферического зеркала рассчи-
тываются таким образом, что аберрации мениска компенсировали
аберрации зеркала.
Зеркально-линзовые оптические системы используются в теле-
скопах с диаметрами объективов до 700 мм.
Для визуального наблюдения в телескопах устанавливают окуляр
таким образом, чтобы передний фокус окуляра совпадал с задним
фокусом объектива.
Монтировка представляет собой специальную установку,
позволяющую поворачивать телескоп вокруг двух взаимно перпен-
221
Рис. 15.14. Схемы монтировки телеско-
пов:
а — горизонтальная; б — альтазимуталь-
ная
дикулярных осей. Если при этом
одну ось направить в полюс мира
(полярная ось), то другая (ось,
склонения) будет лежать в пло-
скости небесного экватора (см.
рис. 15.12). Такая монтировка
называется экваториальной или
параллактической, а телескоп —
экваториалом. Если навести эква-
ториал на звезду, то, чтобы сле-
дить за ней, достаточно поворачи-
вать телескоп только вокруг по-
лярной оси, так как склонение!
светила остается неизменным.
Кроме параллактической монтировки может использоваться ази-
мутальная монтировка. Она бывает двух типов: горизонтальная
(рис. 15.14, а) и альтазимутальная (рис. 15.14, б). При слежении
за звездой при азимутальной монтировке необходимо осуществлять
одновременное движение трубы телескопа как вокруг горизонталь-
ной, так и вертикальной осей. При горизонтальной монтировке наи-
большие скорости вращения возникают вблизи горизонта (вокруг
точек востока и запада, т. е. в практически нерабочей зоне), а в
альтазимутальной — вблизи зенита, поэтому близзенитная область
неба оказывается недоступной для наблюдений.
Система управления телескопом должна обеспечи-
вать выполнение следующих операций: наведение трубы на объект,
слежение за объектом, гидирования (коррекции положения видимого
изображения объекта).
Наведение телескопа на объект в современных телескопах может
осуществляться с помощью телевизионных систем.
Слежение за объектом в случае параллактической монтировки
может осуществляться как с помощью часового механизма, так и
с помощью гида. Гид представляет собой оптическую систему, опти-
ческая ось которой устанавливается параллельно основной трубе.
Гид снабжается фотоэлектрической системой автоматической коррек-
ции, с которой снимается сигнал рассогласования наблюдаемой
звезды и подается на приводные двигатели монтировки.
При азимутальной монтировке слежение за звездой может осу-
ществляться лишь за счет гидирования.
Оптический телескоп БТА. Большой телескоп азимутальный
(БТА) с диаметром зеркала 6 м установлен в специальной астрофи-
зической обсерватории АН СССР в районе станции Зеленчугской на
Северном Кавказе. Оптическая система БТА показана на рис. 15.15.
Основная оптическая деталь — главное параболическое зеркало 1,
имеющее световой диаметр 6 м и фокусное расстояние 24 м. В системе
первичного фокуса (точка F{) устанавливаются приборы, предназна-
ченные для работ, требующих очень малого углового поля (2ы <2').
Для увеличения углового поля до 2<о = 12' применяется линзовый
компенсатор Максутова 4. Для вывода главного фокуса за трубу
222
используется гиперболическое зеркало 3 и плоское зеркало 2. В этом
случае эквивалентное фокусное расстояние объектива f'o6 = 180 м.
Вращением зеркала 2 пучок может собираться в F2 или F2.
Конструктивно телескоп состоит из двух основных узлов: монти-
ровки 2 и трубы 1 (рис. 15.16). Монтировка телескопа альтазиму-
тальная и содержит опорно-поворотную часть (ОПЧ) 3 и стойки с под-
шипниками горизонтальной оси 4. ОПЧ монтируется на железо-
бетонном фундаменте башни.
Труба телескопа состоит из стержневого каркаса, оправы с глав-
ным зеркалом и механизмами разгрузки 5, стакана первичного фо-
куса с кабиной наблюдателя 6.
Система управления телескопом построена на базе цифровой
комбинированной (позиционно-скоростной) следящей системы.
Наведение и слежение осуществляется в результате совместной
работы трех систем: цифровой системы автоматического управления,
в которой в качестве управляющего элемента используется ЭВМ,
системы компенсации, системы фотоэлектрической автоматической
коррекции (гидирование). Определение звезд для гидирования осу-
ществляется с помощью телевизионной системы.
Основные данные телескопа: общая высота (при зенитном поло-
жении трубы) 42 м; вес главного зеркала 42 т; диаметр главного
зеркала 6 м; общая высота башни 44 м; наружный диаметр башни
48 м; точность слежения 0,1 ... 0,2 ".
Приборы астрофотографии. Все современные телескопы наряду
с визуальными наблюдениями позволяют использовать фотографи-
ческий метод регистрации излучения. В настоящее время он зани-
мает ведущее место в оптических методах астрономии.
Высокочувствительная фотопленка (фотопластинка) в специаль-
ной кассете помещается в фокальной плоскости телескопа и экс-
понируется с большой экспозицией. В результате длительной
223
Рис. 15.16. Большой телескоп азимуталь-
ный
экспозиции получаются фото-
графии очень слабых объектов,
которые практически недоступ-
ны для визуальных наблюде-
ний. Далее негатив проявляется
и после этого изучается.
Для исследования фотогра-
фий используются такие при-
боры как стереокомпаратор,
блинк-микроскоп, микрофото-
метр. Для изучения спектраль-
ного состава излучения косми-
ческих объектов в фокусе телес-
копа устанавливается спектро-
граф.
Стереокомпаратор и блинк-
микроскоп используются для
определения движения звезд по
снимкам, полученным в разное
время. Блинк-микроскоп отли-
чается от стереокомпаратора
тем, что специальной заслонкой
можно с различной частотой
закрывать либо одно, либо
другое изображение.
Для измерения почернения
негативов используются фото-
электрические микрофотомет-
ры. Устройство микрофотомет-
ров изложено в гл. 7.
солнечной атмосферы — короны
Для изучения внешней части
используется внезатменный коронограф. Он представляет собой
зрительную трубу-рефрактор, внутри которой помещается экран
(«искусственная луна») таким образом, чтобы закрыть центральную
часть изображения Солнца. В результате видна лишь корона, кото-
рая может наблюдаться визуально или фотографироваться. Коро-
нограф имеет обычную экваториальную монтировку.
ГЛАВА 16
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ И УГЛОМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
16.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При визуальном наблюдении местности, определении ко-
ординат объектов используются наблюдательные и угломерные опти-
ческие приборы.
Деление этой группы приборов на наблюдательные и угломерные
является условным, так как с помощью обоих типов приборов можно
осуществлять наблюдение и измерение угловых величин.
224
При наблюдении и измерении угловых координат объектов не-
обходимо задать в пространстве положение линии, соединяющей
глаз наблюдателя с объектом наблюдения (линии визирования).
Для этого все приборы рассматриваемой группы снабжены телеско-
пическими визирами. Для измерения вертикальных и горизонтальных
углов данные приборы имеют специальные угломерные устройства.
Измерение вертикальных углов производится относительно го-
ризонтальной плоскости. Горизонтальные углы могут измеряться:
от географического или истинного меридиана (направления Север—
Юг) по часовой стрелке и в этом случае носят название азимута',
от магнитного меридиана (направления магнитной стрелки Се-
вер—Юг) по часовой стрелке и носят название магнитного азимута;
от некоторого направления, принимаемого за основное. Пределы
измерения азимутов — от 0 до 360°.
Единицей измерения углов в угломерных и прицельных устрой-
ствах (за исключением прицельных устройств, используемых для
прицеливания баллистических ракет) является тысячная дистанции.
В этой системе угловых измерений окружность делится не на 360°,
а на 6000 частей. Угол, опирающийся на дугу, равную 1/6000 части
окружности, принят за единицу измерения углов и носит название
тысячной дистанции. Длина дуги окружности с радиусом R, соот-
ветствующая тысячной дистанции, равна / = (2л/?)/6000 =
= 1,0477?/6000 ~ 7?/1000. В градусной мере одна тысячная (0—01)
соответствует 3,6'. При записи и подаче команд число тысячных
разбивают на две группы цифр: в первой указывают сотни тысяч-
ных, во второй — десятки и единицы тысячных. Запись углов в ты-
сячных выглядит так: 10—27, 59—14, что соответствует 1027 тысяч-
ным и 5914 тысячным дистанции. Произносится запись: десять—
двадцать семь, пятьдесят девять—четырнадцать.
В соответствии с указанным обозначением углов в угломерных
приборах имеется две отсчетных шкалы: на одной наносится 60
делений, соответствующие сотням тысячных (две первые цифры
угла), на второй — 100 делений, соответствующие десяткам и еди-
ницам тысячных (две последние цифры угла).
С помощью данной системы измерения углов можно определять
расстояние до объекта. Если через прибор осуществляется наблюде-
ние за объектом, размер которого
известен и равен Б, то для опре-
деления расстояния до него необ-
ходимо измерить угловую величину
объекта в тысячных дистанции. Для
этого наводят перекрестие сетки при-
бора на края объекта и берут раз-
ность отсчетов по шкалам или опре-
деляют угловые размеры объекта по
угломерной сетке прибора. Угломер-
ная сетка имеет обычно деления
через 0—05 или 0—10 (рис. 16.1).
Если угловой размер объекта равен п
• 8 С. В. Кулагин и др. ,
Рис. 16.1. Угломернаи сетка
225
тысячных дистанции, то расстояние до цели определяется за-
висимостью
. L = (Б1п) 1000. (16.1)
К группе наблюдательных и угломерных приборов относятся
бинокли, стереотрубы, буссоли, перископы, панорамные визиры.
16.2. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ И УГЛОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ
Бинокль — бинокулярный наблюдательный оптический
прибор, предназначенный для наблюдения за различными объектами,
для измерения углов и корректирования стрельбы.
Бинокулярные приборы, как правило, обладают пластичностью,
т. е. способностью повышать радиус стереоскопического (объемного)
зрения. Невооруженными глазами человек видит местность стерео-
скопически на расстоянии до 1340 м. Эта величина получается, если
среднюю базу глаз (65 мм) поделить на угол, равный бинокулярному
параллаксу (10"). Если величину базы увеличить, то можно наблю-
дать местность стереоскопически на больших расстояниях.
Пластичностью называется отношение расстояния между цен-
трами входных зрачков бинокулярного прибора к расстоянию между
центрами выходных зрачков, умноженное на угловое увеличение Г.
Оптическая система бинокля состоит из двух одинаковых телеско-
пических трубок, отличающихся лишь тем, что в правой трубке
в фокальной плоскости объектива и окуляра расположена угломер-
ная сетка. Оптическая схема правой трубки представлена на рис. 16.2.
Она состоит из объектива 1, системы из двух прямоугольных призм
Порро 2, сетки 3 и окуляра Кельнера или Эрфле 4. Призменная си-
стема служит для оборачивания изображения, уменьшает габариты
и создает пластику в приборе.
С помощью угломерной сетки (см. рис. 16.1) можно производить
измерение углов. Сетка имеет в горизонтальной плоскости 12 деле-
ний через 0—05 и 3 деления через 0—10 в вертикальной плоскости.
Интервал деления на сетке в линейной мере можно определить,
пользуясь формулами прикладной оптики
ас =/'tg а, (16.2)
где а — цена деления в тысячных; /' — фокусное расстояние объ-
ектива.
Конструктивно обе трубки (монокуляра) соединены шарниром 5,
позволяющим устанавливать расстояние между глазами в пределах
от 56 до 72 мм. Каждый монокуляр имеет диоптрийную наводку
± 5 дптр. Типы выпускаемых биноклей определяет стандарт. В на-
стоящее время широко используются бинокли Б8 X 30, Б15 X 50,
БИ8 X 30.
В обозначение бинокля входит название прибора (Б — бинокль,
БИ — бинокль инфракрасный), его увеличение (8х, 15х) и световой
диаметр объектива (30 мм или 50 мм). Оптические характеристики
бинокля Б8 X 30: Гг = 8х; 2® = 8° 30'; D = 30 мм; D' = 3,8 мм;
удаление выходного зрачка I' = 12 мм; пластичность равна 16.
226
Рис. 16.2. Оптическая схема трубки бинокля
Оптические оси бинокулярных зрительных трубок должны быть
параллельны между собой в пределах следующих допусков: в гори-
зонтальной плоскости при конвергенции осей —• не более 60', при
дивергенции осей — не более 20', в вертикальной плоскости — не
более + 15'.
Артиллерийская стереотруба (ACT) является наблюдательным
и угломерным прибором и применяется как для выполнения основ-
ных углоизмерительных работ, так и для наблюдения и разведки
Поля боя.
ACT (рис. 16.3) имеет две телескопические трубы 1 и 2, соединен*
Ные шарниром 3, держатель 4 с механизмом вертикального кача*
ния 6, лимб 8 для измерения горизонтальных углов и механизм
бокового уровня 5. Горизонтальные углы измеряются в пределах
60—00, вертикальные в пределах ±3-—00.
Горизонтальные углы измеряются с помощью лимба 8. Механизм
лимба состоит из двух червячных механизмов 7 и 9, червячные ше>
стерни которых нарезаны на одной детали. Нижний червяк 9 служит
лишь для точной наводки стереотрубы без изменения установки лимба.
Верхний червяк 7, обкатываясь вокруг заторможенного червячного
колеса, перемещает индекс 12 относительно лимба и производит
отсчет. Точность измерения по индексу 12 равна 1—00, по бара-
бану 7 равна 0—01.
Вертикальные углы измеряются механизмом бокового уровня 5.
Для измерения вертикальных углов ACT горизонтируется по шаро-
вому уровню 11. Маховиком вертикальной наводки 6 стереотруба
Яаводится на объект, маховичком механизма бокового уровня 5
пузырек устанавливается на середину и с червячного колеса меха-
низма бокового уровня снимается отсчет с точностью до 1—00, а с ба-
рабана червяка отсчет с точностью до 0—01. Устанавливается ACT
На треноге 10.
8'
227
131
i'
Оптическая система (рис. 16.4) каждой из труб состоит из защит-
ного стекла 1, зеркала 2, объектива 3, двух призм оборачивающей
системы 4, сетки 5 (устанавливается в правом монокуляре), окуляра 6.
На одну из труб может надеваться афокальная насадка с угловым
увеличением Г = 2*.
Оптические характеристики ACT: Гт = 10Х (20х с насадкой);
2(0 = 5° (с насадкой 2° 30'); D' = 4,5 мм; Г — 20 мм; перескопич-
ность наибольшая — 328 мм, пластичность наибольшая — 400.
Артиллерийская панорама является угломерным прибором для
прицелов наземной ствольной и реактивной артиллерии и предназна-
чена для наводки и отметки орудия. Она позволяет измерять гори-
зонтальные углы в пределах 60—00 с точностью 0—01 и вертикаль-
ные углы в пределах ±3—00 с точностью 0—01. Конструкция и
оптико-кинематическая схема панорамы показаны на рис. 16.5, а, б.
Оптическая система состоит из защитного стекла 1, призмы-отра-
жателя 2, призмы Дове 8, объектива 9, призмы с крышей 10, сетки
с перекрестием 11 и окуляра 12. Оптические характеристики пано-
рамы: Гт = 4х; 2(о = 10°; £>' = 4 мм; Г = 20 мм.
При измерении горизонтальных углов головная призма 2 пово-
рачивается вокруг вертикальной оси с помощью рукоятки угло-
мера 6, червячного колеса 5 и стакана 4. Для компенсации возника-
ющего в этом случае наклона изображения служит призма Дове 8.
Для компенсации наклона изображения призма Дове поворачивается
вместе с головной призмой, но
угол ее поворота должен быть
в два раза меньше угла поворота
головной призмы. Это осуще‘
ствляется с помощью дифферен-
циала (поз. 7, 13, 14, 15, 16).
Качание призмы 2 с помощью
червячного механизма 3 обеспечи»
вает визирование и измерение
углов в вертикальной плоскости.
Перископическая артиллерий-
ская буссоль (ПАБ) предназначена
для измерения магнитных азиму-
тов, горизонтальных и вертикаль-
ных углов на местности И рас-
Рис. 16.3. Кинематическая схе-
ма ACT
Рис. 16.4, Оптическая схема
ACT

Рис. 16.5. Артиллерийская
панорама
Рис. 16.6. Кинематическая
схемаПАБ
Стояний при ПОМоЩи специальной рейки. Ошибка определения
Магнитного азимута лежит в пределах от 0—02 до 0—05.
Буссоль (рис. 16.6) состоит из следующих основных узлов: вер*
Тикальной оси с шаровой пятой 8, корпуса буссоли 6, ориентир*
буссоли 10, шарового уровня 3, горизонтального угломерного узла 4,
5, 11, монокуляра 1, на который может надеваться перископическая
насадка, механизма вертикальных углов 2.
При ориентировании прибора по ориентир-буссоли корпус 6
с помощью наводящего винта 7 разворачивается вокруг вертикаль-
ной оси. При наведении в горизонтальной плоскости визира бус-
соли на цель с помощью маховичка 11 верхняя часть корпуса раз-
ворачивается относительно буссольной шкалы 4 и угломерной
шкалы 5. Угломерная шкала с красными делениями может быть
развернута относительно корпуса буссоли, буссольная шкала с чер-
ными штрихами неподвижна. Пределы измерения горизонтальных
углов от 0 до 60—00 с точностью 0—01.
Измерение горизонтальных углов от магнитного меридиана про-
изводится по буссольному кольцу, а от какого-либо другого направ-
ления — по угломерному кольцу, если последнее будет выставлено
в нужном направлении линией 30—00—0.
229
№
В вертикальной плоскости монокуляр буссоли поворачивается
на углы +3—00 (точность измерения 0—01) рукояткой 2.
Оптическая схема буссоли аналогична схеме правого моноку-
ляра бинокля (см. рис. 16.2). Оптические характеристики буссоли:
Гт = 8х; 2со === 5°; О' ~ 2,8 мм; Г = 12,5 мм.
ГЛАВА 17
ОПТИЧЕСКИЕ ДАЛЬНОМЕРЫ
17.1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ ДАЛЬНОМЕРОВ
При решении различных технических задач очень часто
необходимо знать расстояние до отдельных объектов на местности.
Измерение расстояний осуществляется с помощью приборов, назы-
ваемых оптическими дальномерами.
Измерение расстояния с помощью оптических дальномеров осу-
ществляется либо путем определения сторон измерительного тре-
угольника по другим его элементам, один из которых остается по-
стоянным, либо путем определения времени прохождения оптиче-
ского'излучения (света) от излучателя до объекта и обратно.
Рассмотрим измерительный треугольник АЦВ (рис. 17.1). Если
Известна сторона АВ = Б, противолежащий угол е и один из при-
лежащих углов у, ТО на основании теоремы синусов L/sin у =*
= Б/sin е; для АЦ = L имеем
L = (В sirl y)/sifl е. (17.1)
Если треугольник АЦВ прямоугольный, to sift у « 1 и тогда
Рис. 17.1. Измеритель-
ный треугольник
L = Б/sin в.
При Малых углах еД-гожно положить sift в сьГв
И, следовательно,
L - S/B. (17.2)
Таким образом, для определения дистан-
ции (дальности до объекта) L по формуле
(17.2) необходимо знать базу Б и измерить
параллактический угол е. В качестве базы
может служить известный размер объекта
наблюдения (его длина или высота), либо
расстояние между входными окнами дально-
мера или расстояние между пунктами наблю-
дения объекта (цели).
Дальномеры, использующие в качестве
базы расстояние между входными окнами,
называются оптическими внутрибазиыми даль-
номерлми. Дальность определяется зависимо-
стью (17.2),
230
Дальномеры, использующие в качестве базы размер объекта
наблюдения (цели), называются дальномерами с базой на цели (опти-
ческие внешнеэазные дальномеры). Определение дистанции с помощью
внешнебазного дальномера сводится к определению величины изобра-
жения цели в фокальной плоскости объектива визирного устройства
при известной величине цели. Дальность до цели определяется как
L= Bj'Jl', (17.3)
где 5Ц — размер цели (база); Дб — фокусное расстояние объек-
тива оптического визирного устройства; Г — размер изображения
цели в фокальной плоскости объектива.
Дальномеры, использующие в качестве базы расстояние между
пунктами наблюдения, называются дальномерами с базой на мест-
ности. Дистанция до цели определяется формулой (17.1).
Дальномеры, в которых измерение расстояний осуществляется
путем определения времени прохождения оптического излучения
до цели и обратно, называются оптиколокационными или светодаль-
номерами.
Дистанция до цели в этом случае определяется по формуле
L = (c/2n) t, (17.4)
где с — скорость распространения оптического излучения (скорость
света) в вакууме (с = 3 108 м/с); п — показатель преломления
среды, в которой распространяется оптическое излучение; t — время
прохождения излучением удвоенного расстояния L.
17.2. ОПТИЧЕСКИЕ ВНУТРИБАЗНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ
Оптический внутрибазный дальномер осуществляет изме-
рение дистанции путем определения параллактического угла цели е
с некоторой погрешностью Де. При этом измеренная дальность будет
иметь погрешность ДА. Если прологарифмировать, а затем продиф-
ференцировать формулу (17.2) и заменить дифференциалы конеч-
ными приращениями, то получим
ДБ/Б = ДБ/Б — Де/е. (17.5)
При изготовлении дальномера величина ДБ/Б настолько мала,
что ею пренебрегают. Тогда абсолютное значение погрешности изме-
рений дистанции до цели зависит лишь от ошибки измерения парал-
лактического угла и равно
ДБ/Б = Де/е. (17.6)
Подставляя (17.2) в (17.6), для величины ДБ получим
Д£ = (Б2Д8)/Б. (17.7)
Точность измерения параллактического угла Де ограничивается
разрешающей способностью глаза. Применительно К дальномерам
под разрешающей способностью глаза понимают минимальное измене-
231
Рис. 17.2. Схема монокулярного дальномера
ние параллактического угла в, вызываемого изменением дистанции,
которое может быть обнаружено глазом.
Если разрешающую способность невооруженного глаза обозна-
чить ф, то при увеличении дальномера Гт минимальное изменение
параллактического угла, обнаруживаемое дальномером, будет
Де = лр/Гт.
Величина Де называется угловой теоретической погрешностью
дальномера.
Разрешающая способность глаза зависит от способа измерения.
Если измерения состоят в приведении частей изображения, разде-
ленных линией раздела, на одну прямую линию, то ф" ~ 10". При
стереоскопическом способе совмещения изображений в одну кажу-
щуюся плоскость величина ip" также равна 10". Подставляя значе-
ние Де в формулу (17.7) и учитывая, что ф" = 10", получим, что
/ 2 1 П"
= ГтБ20е265" ' 7’8)
Величина ДЕ в формуле (17.8) называется линейной теоретической
погрешностью дальномера. . .
Оптические внутрибазные дальномеры бывают двух типов: мо-
нокулярные и стереоскопические.
Принципиальная схема монокулярного дальномера показана на
рис. 17.2.
На концах базы дальномера Б, в точках А и В, расположены
концевые отражатели 1 и 6, которые направляют лучи, идущие от
цели, в объективы 2 и 4. В качестве концевых отражателей исполь-
зуются пентапризмы или угловые зеркала, состоящие из двух пло-
ских зеркал, образующих двухгранный угол в 45°.
232
В середине базы дальномера находится центральная призма,
которая объединяет лучи обеих ветвей дальномера в одно поле зре-
ния и осуществляет оборачивание изображения. На рис. 17.2 для
простоты показаны два зеркала 3, расположенные одно над другим.
Объективы 2 и 4 имеют равные по величине и знаку фокусные рас-
стояния и расположены так, что их главные фокусы совпадают друг
с другом, а также с передним фокусом окуляра 7.
При наблюдении за целью, расположенной в бесконечности,
пучки лучей, поступающие в левый и правый объективы, параллельны
друг другу, т. е. параллактический угол е равен нулю, и части
изображения цели в верхней половине поля зрения совпадают (см.
рис. 17.2). Если цель находится на некотором конечном расстоя-
нии L, то части изображения в верхней и нижней половинах поля
зрения сместятся относительно друг друга на величину линейного
параллакса р (см. рис. 17.2). При малых углах е величина линейного
параллакса равна р = /^e, откуда с учетом (17.2) получим
р^(Б['о6)/Ь. (17.9)
Таким образом, измерение дальности сводится к измерению линей-
ного параллакса, что можно сделать путем совмещения верхней
и нижней частей изображения цели с помощью оптического компен-
сатора 5.
Измерение дальности в стереоскопических дальномерах бази-
руется на явлении стереоэффекта, который возникает в результате
наблюдения предметов двумя глазами.
Принципиальная схема стереоскопического дальномера показана
на рис. 17.3. Стереодальномер представляет собой бинокулярный
прибор, состоящий из двух телескопических систем, входные окна
Рис. 17.3. Схема стереоскопического дальномера
233
*5
Рис. 17.4. Стереоскопи-
ческие марки
50*50
юА ♦ ♦ *15 ♦♦ **?0
которых находятся на расстоянии Б. Кон-
цевые отражатели 1 и 7 направляют лучи
от цели в объективы 2 и 5. Пройдя цен-
тральные призмы 3 и 4 и ромбические
призмы 13 и 8, пучки лучей дают два изо-
бражения в фокальных плоскостях окуля-
ров 11 и 10. В этих плоскостях находятся
пластинки с марками 12 и 9. Марки обычно
имеют вид ромбов и располагаются на опти-
ческих осях телескопических систем, по-
этому пучки лучей от марок выходят из
окуляров параллельно друг другу и наблю-
дателю кажется, что он видит одну марку,
расположенную в бесконечности. Если цель
находится в бесконечности, то наблюдатель видит ее совмещенной
по глубине с измерительной маркой, т. е. р = 0.
При наблюдении цели, расположенной на конечном расстоянии,
линейный параллакс изображения цели р = С\ — С3 не равен нулю,
а цель и марка кажутся расположенными на различной глубине.
Измерение дальности производится совмещением по глубине изобра-
жения цели и центральной марки с помощью оптического компен-
сатора 6.
Некоторые дальномеры с базой до 1 м имеют в поле зрения «за-
бор» неподвижных марок (рис. 17.4), положение которых рассчитано
так, что они видны под разными параллактическими углами, соответ-
ствующими определенным значениям дальности. При измерении
дальности до цели определяют ту марку, которая кажется наблюда-
телю расположенной на одной глубине с целью. Число над этой
маркой показывает значение дальности.
Точность измерения дальности зависит от точности измерения
параллактического угла. Лучи, идущие от цели в левую и правую
ветви дальномера и образующие параллактический угол, испытывают
в дальномере ряд сложных отражений и преломлений, вследствие
чего величина параллактического угла может изменяться. Кроме
того, в процессе эксплуатации из-за ударов, тряски, неравномерного
солнечного нагрева возможны небольшие перекосы и перемещения
оптических деталей, что приводит к изменению параллактического
угла и к погрешностям измерения дальности.
В дальномерах различают два вида погрешностей: расстройство
по высоте и расстройство по дальности.
Расстройство монокулярного дальномера по высоте заключается
в том, что одна из половин изображения объекта смещается относи-
тельно другой в вертикальной плоскости.
Расстройство стереоскопического дальномера по высоте состоит
в том, что изображения цели в правом и левом окулярах находятся
на неодинаковой высоте по отношению к измерительным маркам.
Расстройство монокулярного дальномера по дальности вы-
ражается в том, что результат измерения дальности отличается от
действительного расстояния до цели, т. е. при установке дистанции
234
Рис. 17.5. Схема малорасстраивающегося стереоскопического дальномера
до цели по шкале дальности половинки изображения цели не совме-
щаются друг с другом (см. рис. 17.2).
Расстройство стереоскопического дальномера по дальности со-
стоит в том, что при установке на шкале известной дальности до
цели измерительная марка и цель не совпадают по глубине.
Для уменьшения влияния внешних воздействий на точность
измерения дальности разработаны схемы малорасстраивающихся
стереоскопических дальномеров. Чтобы сделать дальномер мало-
расстраивающимся по дальности, необходимо вынести устройство,
дающее изображение марок за пределы основной оптической системы
дальномера таким образом, чтобы объединение лучей, идущих от
цели и марок, происходило вблизи входных окон дальномера.
При такой схеме оптические детали оказывают одинаковое влияние
как на лучи от цели, так и на лучи от марки и расстройства по даль-
ности не происходит.
Принципиальная схема малорасстраивающегося дальномера с
биаксильным коллиматором показана на рис. 17.5.
Биаксиальный коллиматор состоит из двух объективов 2 и 8
с равными фокусными расстояниями (/Д = f'k2). В центре каждого
из объективов нанесены измерительные марки т1 и т2, причем
-> марка т1 находится в фокальной плоскости объектива 8, а марка
т2 — в фокальной плоскости объектива 2. Поле марок подсвечи-
вается источником света 5 через конденсоры 4 и 6 и прямоугольные
призмы 3 и 7. Так как измерительные марки расположены в фокаль-
ных плоскостях объективов биаксильного коллиматора, то лучи
235
от марок будут выходить из объективов 2 и 8 параллельными пущ
ками. Отразившись от концевых отражателей 1 и 10, 11 и 20, лучи
от марок поступают в основные объективы 12 и 19 и далее, пройдя
прямоугольные призмы 13 и 18 и ромбические призмы 14 и 17, дадут
изображения марок Бифокальных плоскостях объективов 12 и 19.
Лучи от цели поступают в концевые отражатели 1 и 10, 11 и 20,
которые направляют их в основные объективы 12 и 19. Лучи от
цели фокусируются объективами и дают изображения цели в фокаль-
ных плоскостях. Таким образом, в фокальных плоскостях объекти-
вов 12 и 19 образуются изображения марок и цели. Если цель на-
ходится в бесконечности, то пучки лучей в левый и правый конце-
вые отражатели приходят параллельно другу другу и линейный
параллакс р = Сх — С3 = 0 (см. рис. 17.3). В этом случае марка
и цель кажутся наблюдателю, рассматривающему картину через
окуляры 15 и 16, расположенными на одной глубине. Если цель
находится на расстоянии L, то возникает параллактический угол
цели е, что приводит к появлению линейного параллакса р ~
= Сг — 0 и наблюдатель будет видеть цель и марку располо-
женными на разной глубине. Измерение дальности осуществляется
путем совмещения по глубине изображения марки и цели с помощью
оптического компенсатора 9.
Примером малорасстраивающейся схемы дальномера является схема малобаз-
ного зенитного дальномера ЗДН с неподвижными измерительными марками. Дально-
мер предназначен для быстрого определения дистанции при стрельбе малокалибер-
ной зенитной артиллерии по воздушным целям. Оптическая схема ЗДН приведена
на рис. 17.6 и состоит из биаксильного коллиматора, на объективах которого нане-
сены неподвижные измерительные марки (см. рнс. 17.4), бинокулярной! зрительной
трубы, дающей в фокальной плоскости окуляров изображение марок и цели, и осве-
тительной системы.
Лучи от цели через защитные клинья 1 и 12 попадают па концевые призмы 2
и 11. Эти призмы отклоняют лучи в телескоп под углом 90°. Одновременно от граней
концевых призм, расположенных поперек продольной оси дальномера, отражаются
лучи, идущие от измерительных марок тг и т2 и падающие на указанные грани
17 18 19
Рис. 17.6. Оптическая схема ЗДН
236
Гад некоторым углом йЗ биаксильного коллиматора. Мосле этого лучи, идущие of
цели и от измерительных марок, совместно проходят через объективы телескопа 3
и 10, центральные призмы 4 и 9, ромбические призмы 5 и 8 и выходят из окуляров 6
и 7. Наблюдатель в поле зрения видит одновременно изображение цели и измеритель-
ных марок. Замечая марку шкалы, с которой цель представляется лежащей в одной
плоскости, наблюдатель определяет дистанцию.
В биаксильном коллиматоре лучи от измерительных марок, освещаемые днев-
ным светом или с помощью осветителя 18, 17, 14, 19, 20, падают на призмы, наклеен-
ные на линзы объективов 13 и 16. Эти призмы направляют лучи на среднее зеркало 15,
удаленное от главных плоскостей объективов 13 и 16, на половину фокусного рас-
стояния. Обе половины зеркала отражают лучи от марок обратно, они выходят
из объективов параллельными пучками и падают на отражающие поверхности призм
2 и И. Для того чтобы лучи, идущие от марок, падали на призмы под заданными уг-
лами и отражались от них по направлению, параллельному лучам, идущим от цели,
среднее зеркало биаксиального коллиматора имеет форму клина, угол которого ра-
вен углу между визирными осями биаксиального коллиматора.
Биаксиальный коллиматор представляет собой оптическую систему с неиз-
менным углом между визирными осями. Постоянство угла обеспечивается тем, что
измерительные марки нанесены непосредственно на поверхностях линз объективов,
совпадающих с главными плоскостями. В дальномере расстройство по дальности
могут вносить лишь призмы 2 и 11 вследствие изменения угла между преломляющими
и отражающими гранями. Чтобы уменьшить это расстройство, эти призмы изготов-
ляют из специально отожженного оптического стекла.
Оптические характеристики ЗДН: Б = 1 м; Гт = 10\ 2о> = 6°; D' = 2,5 мм;
пределы измерений дистанций от 5 до 60 гектометров.
17.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
ВНУТРИБАЗНЫХ ДАЛЬНОМЕРОВ
Для измерения дистанции достаточно измерить параллак-
тический угол е или линейный параллакс р. Для измерения линейных
параллаксов используются оптические микрометры, часто называе-
мые оптическими компенсаторами. Компенсатор вызывает весьма
малые перемещения изображения, измеряемые единицами и долями
микрометра, при относительно больших перемещениях или пово-
ротах измерительного механизма. Кроме того, в измерительные
устройства могут входить дистанционная шкала и привод, переда-
ющий движение на компенсатор и дистанционную шкалу.
В оптических внутрибазных дальномерах в качестве измери-
тельных компенсаторов могут использоваться одноклиновые, двух-
клиновые и линзовые компенсаторы.
Двухклиновый компенсатор состоит из двух одинаковых опти-
ческих клиньев, поворачивающихся от некоторого среднего поло-
жения на равные углы, но в противоположные стороны. Он устанав-
ливается перед объективом в параллельном пучке лучей. Рассмотрим
три частных случая взаимного расположения клиньев (рис. 17.7).
В позиции I угол е отклонения лучей компенсатором равен сумме
углов отклонения клиньев, т. е. е = 2стк, где <тк — угол отклонения
лучей отдельным клином. В позиции II угол е = 0, клинья повер-
нуты в противоположные стороны на угол <р = 90°. В этом случае
компенсатор эквивалентен плоскопараллельной пластинке. В по-
зиции III, когда клинья повернуты относительно позиции I на 180°
в противоположные стороны, угол в = —2стк. Определим закон
237
I
Рис. 17.7. Вращающийся двухклиновой компенсатор
перемещения изображения в фокальной плоскости объектива в за-
висимости от угла разворота клиньев 1 (рис. 17.8). Пусть изображе-
ние бесконечно удаленной точки при отсутствии клиньев совпадает 5
с точкой F', причем ось z лежит в плоскости измерительного тре- >
угольника. За начальное положение клиньев, установленных перед J
объективом 2, примем позицию II (см. рис. 17.7). В этом случае
изображение точечного источника, лежащего на оптической оси,
будет в точке F'. При повороте первого клина на угол ф, а второго
на угол — ф, изображение точки займет положение А. Так как
углы клиньев одинаковы, то координаты точки А определяются как
z = 2r cos ф = 2orfo6 cos ф; у = 0. (17.10)
Отсюда величина угла отклонения лучей, даваемая компенсатором:
в = 2 о,, cos ф. (17.11)
Из зависимости (17.11) видно, что диапазон компенсации параллакти-
ческих углов составляет ±2стк. Так как параллактический угол
всегда одного знака, то для того, чтобы использовать весь рабо-
чий диапазон угла отклонения компенсатора, необходимо начало
отсчета параллактических углов сместить в сторону отрицатель-
ных значений углов в. Обычно диапазон углов поворота клиньев огра-
ничивается величинами ф0 и ф^, которые соответствуют предель-
ным значениям дистанции.
Вследствие смещения начала отсчета параллактических углов
при L = оо и в = 0 клинья не образуют плоскопараллельной пла-
стинки и изображение цели не находится в точке F'. Чтобы привести
изображение в эту точку, передвигают центральный призменный мо-
стик или изменяют углы концевых отражателей. Это равносильно
введению фиктивного клина с углом отклонения о0. В результате
при L = оо и е = 0 получим
goo = Б1Ь^ ----- 2стксо5фа> + Оо- (17.12)
Величина <роо определяется конструктивными особенностями дально-
мера и соответствует Лоо- Если ф,» выбрано, то
а0 = — 2<тк cos фоо. (17.13)
Для начальной дистанции Lo имеем
е0 = Б/Ео = 2ак cos (р0-ф а0) (17.14)
где (Уо имеет то же значение, что и в формуле (17.12).
Величина базы и начальной дистанции Lo задается техническими
требованиями на дальномер, величина ф0 выбирается из конструк-
тивных соображений, но должна быть меньше 180°.
Исключая из равенств (17.12) и (17.14) величину <у0, находим
угол отклонения лучей, даваемый’отдельным клином:
к 2L0 (cos фо — совфоо) ’ ' ’ ’
Отсюда преломляющий угол клина определяется как
а = --------------г-, (17.16)
2L0 (« — 1) (COS фо — COS фоо) ' '
где п — показатель преломления клина.
Для промежуточной дистанции получим
е = Б/jL = 2пк cos q> + (То. (17.17)
Подставляя в уравнение (17.17) зависимости (17.15) и (17.13), для
cos ф получим
cos ф = cos фоо -ф- (LJL) (cos ф0 — cos фоо). (17.18)
Выражение (17.18) служит для расчета шкалы дальномера. Вели-
чину фо — Фоо выбирают обычно в пределах 120°, так как при углах
близких к 0° и 180°, компенсация параллактических углов осуществ-
ляется очень медленно.
Линзовый компенсатор представляет собой афокальную систему
и состоит из двух длиннофокусных линз 1 и 2, имеющих равные по
абсолютной величине, но противоположные по знаку фокусные рас-
стояния Д1 = —/л2 (рис. 17.9). Компенсатор устанавливается перед
объективом 3 и работает в параллельном пучке лучей.
Если оптические оси линз совпадают, то пучок лучей, параллель-
ных оптической оси, проходя через компенсатор, своего направления
не изменяет (см. рис. 17.9, а). При поперечном смещении одной из
линз на расстояние I, пучок лучей отклоняется от нулевого положе-
ния на угол в (см. рис. 17.9, б). Так как f’„ I и углы в малы, то
I = /лб.
При достаточно большом фокусном расстоянии Д (/> составляет
несколько метров) для точных измерений угла в величина переме-
щений линзы I может быть сравнительно большой.
239
5)
Рис. 17.9. Линзовый компенсатор
Чтобы при компенсации параллактических углов использовать
весь диапазон перемещения линзы, необходимо, как при использо-
вании двухклинового компенсатора, ввести начальное отклонение
лучей <т0.
Так как шкала дистанций дальномера ограничена пределами
Lo < L < то предельным значениям дистанции соответствуют
два положения линзы Г. 10 и
При L = оо и е = 0 имеем:
еоо = Шоо = (/ооЮ + <то- (17-19)
Величина 1Х выбирается из конструктивных соображений. Если 1^
выбрано, то
Со = — (iJf'»). (17.20)
Для наименьшей дистанции Ао получим
во = 5/L0 = (Zo^) “Е сто- (17.21)
Для промежуточной дистанции
е Б!Ь = (///;) + а0. (17.22)
Исключая из уравнения (17.19) и (17.21) величину а0, получим
величину фокусного расстояния линзы компенсатора
/л = /л1 — /л2 ~ (/в — 1х)!Б. (17.23)
Подставив в уравнение (17.22) зависимости (17.20) и (17.23) и про-
ведя несложные преобразования, получим
I = Zoo + (Lo/L) (Z„ - Zoo). (17,24)
Выражение (17.24) служит для расчета дистанционной шкалы даль-
номера.
240
17.4. ОПТИКОЛОКАЦИОННЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ
В основе измерения расстояния с помощью оптиколока-
ционных дальномеров лежит зависимость (17.4). Оптиколокацион-
ные дальномеры можно разделить на два основных класса: фазовые
дальномеры, в которых используется непрерывная модуляция излу-
чения при определении дистанции, и импульсные дальномеры, в ко-
торых используется импульсная модуляция.
К достоинствам данных дальномеров можно отнести значитель-
ную дальность действия и высокую точность, менее зависящую от
расстояния, чем для внешне- и внутрибазных оптических дально-
меров. Погрешность в измерении дистанции у фазовых дальномеров
составляет 5 ... 20 мм, у импульсных дальномеров— 1 ... 10 м.
Фазовые дальномеры. В фазовых дальномерах оптическое излу-
чение модулируется по синусоидальному закону. Формула (17.4)
при использовании в фазовых дальномерах может быть преобразо-
вана к более удобному виду. Расстояние между объектом и дально-
мером можно выразить через целое число длин волн и часть волны
модулированного оптического излучения. В этом случае дистанция
А = 4-(^м+ (17.25)
где N — целое число волн, укладывающееся в двойной дальности
до объекта; А,м = dnfn — длина волны модулированного оптического
излучения; с — скорость света (электромагнитных волн) в вакууме;
п — показатель преломления среды, где распространяется оптиче-
ское излучение; /м — частота модуляции излучения; <р° — часть
периода модуляции.
Выражая в (17.25) величину Хм через скорость света и частоту
модуляции, получим
+ <17'26>
Рассматривая зависимость (17.26), видим, что измерение дальности
сводится к определению <р° и счету N, при известных с, п и /м. Опре-
делим погрешность при измерении дальности в зависимости от
ошибки в измерении разности фаз А<р°. Дифференцируя (17.26),
переходя к конечным приращениям, получим
“-БкЙг" <17'27>
При современных методах измерения величина А<р° может быть из-
мерена с ошибкой в 1° (и даже в 0,1°), отсюда при А<р° = 1° полу-
чаем
\L = с/nf ы720.
При с = 3-108 м/с, п = 1, Дер0 = 1°, /м = 30 МГц (соответствует,
например, одной из частот дальномера КДГ-3) получим АЛ
~ 1,4-102 м. Зависимость (17.27) показывает, что с увеличением /м
ошибка в измерении, дальности будет уменьшаться.
241
18,
Рис. 17.10. Схема фазового дальномера
Функциональная схема фазового дальномера представлена на
рис. 17.10. Высокочастотное синусоидальное напряжение от гене-
ратора масштабных частот 1 поступает на полупроводниковый из-
лучатель 23, допускающий модуляцию излучения по питанию. В ка-
честве излучателя может также использоваться лазер, работающий
в непрерывном режиме, излучение которого модулируется по сину-
соидальному закону.
В настоящее время как источники излучения широко применяются
полупроводниковые излучатели, из арсенида галлия. Полупровод-
никовый излучатель обладает узкой спектральной шириной линии
излучения АА,, например, арсенид галлия имеет АА, 30 нм при
^шах — 900 нм. Еще более перспективными являются полупровод-
никовые лазеры, которые также позволяют осуществлять модуляцию
излучения по питанию, но их монохроматичность выше, чем у полу-
проводниковых диодов, например, лазер на основе арсенида галлия
имеет АА, =; 1,2 нм.
Излучение от полупроводникового излучателя отражается от
светоделительной пластинки 16 и объективом 18 направляется на
блок уголковых отражателей 19, установленный в конце измеряемой
дистанции.
Блок уголковых отражателей представляет собой набор четырех-
гранных призм, на все грани которых, кроме входной, нанесены зер-
кальные отражающие покрытия. Все три зеркальные грани состав-
242
ляют друг с другом прямые углы
(рис. 17.11). Основным свойством таких
призм является то, что пучок лучей после
отражений от зеркальных граней выходит
из призмы в обратном направлении па-
раллельно падающему пучку. Отраженное
излучение собирается тем же объекти-
вом 18 (см. рис. 17.10) и попадает после
прохождения оптических элементов 16, 14,
13, 11, Ю на катод фотоумножителя
(ФЭУ) 8, выполняющего функции фото-
приемника и фазового детектора.
Для уменьшения влияния фоновых
засветок перед катодом ФЭУ устанавли-
вается интерференционный фильтр 10.
Спектральная полоса пропускания фильт-
ра выбирается в зависимости от ширины
линии излучения полупроводникового
Рис. 17.11. Призма уголко-
вого отражателя
излучателя или лазера.
Для визуального наведения прибора на отражатель служит теле-
скопическая система 12.
Фазовое детектирование происходит в околокатодном простран-
стве ФЭУ. С наружной стороны, вблизи катода, устанавливается
внешний электрод. Приложение к нему высокочастотного напряже-
ния вызывает появление в околокатодном пространстве электриче-
ского поля, управляющего потоком фотоэлектронов. Если частота
этого поля равна частоте модуляции принимаемого излучения, то
фототок ФЭУ зависит от разности фаз модулированного оптического
излучения и высокочастотного опорного напряжения, приложенного
к электроду, т. е. ФЭУ работает как фазовый детектор.
Для измерения разности фаз между опорным сигналом и модули-
рованным излучением, пришедшим с дистанции, необходимо осущест-
вить контролируемое изменение фазы опорного сигнала. Поскольку
точное измерение фазы напряжения с частотами в несколько десят-
ков и сотен мегагерц связано с большими трудностями, обычно фаза
измеряется у напряжения сравнительно низкой промежуточной ча-
стоты (десятки и сотни килогерц). Для получения опорного сигнала
имеется смеситель 2, на который подаются сигналы с частотами /м
и fr от генератора масштабных частот 1 и гетеродина (вспомогатель-
ного генератора) 3. На выходе смесителя выделяется сигнал с про-
межуточной частотой /п = /м — /г и подается на внешний электрод 20
ФЭУ через фазовращатель 22. Фазу этого сигнала можно плавно из-
менять с помощью фазовращателя.
Оптическое излучение с частотой модуляции /м, приходящее на
ФЭУ с дистанции, смешивается в околокатодном пространстве фото-
умножителя с сигналом частоты /г, подаваемым на второй внешний
электрод 9 ФЭУ от гетеродина 3. В результате смешения (гетероди-
нирования) образуется переменная составляющая фототока с про-
межуточной частотой /п =/м — fr, фаза которой зависит от вели-
243
йипы йзмереййоГо рйссТойййя. Эта составляющая смешивается в том
же околокатодном пространстве ФЭУ с поступающим с фазовраща-
теля опорным сигналом частоты /п. Если разность фаз опорного сиг-
нала и сигнала с дистанции равна 180°, то фототок на выходе ФЭУ
будет минимальным. При измерении дистанции поворачивают ру-
коятку фазометра и добиваются минимального значения сигнала на
выходе ФЭУ. В этом случае разность фаз, соответствующая заданной
дальности, равна <р = <рф + 180°, где — разность фаз опорного
сигнала и сигнала с дистанции, снимаемая с фазометра.
На практике для более точного измерения дальности применяется
модуляционный метод фазовой индикации. Для этого в цепь напря-
жения промежуточной частоты с регулируемой фазой вводится ком-
мутатор фазы 21. Коммутатор фазы осуществляет периодическую
переброску фазы сигнала скачком на 180° с низкой частотой fK,
задаваемой генератором 4, который управляет работой комутатора
фазы. В результате фазового детектирования с ФЭУ снимается низко-
частотное напряжение с частотой /к, равной частоте коммутации
фазы. Амплитуда этого напряжения минимальна, если разность
фаз между опорным сигналом и сигналом с дистанции составляет
90° или 270°, при этом крутизна изменения амплитуды максимальна,
что обеспечивает высокую точность измерения разности фаз. Полу-
ченный сигнал с частотой /к усиливается избирательным усилите-
лем 7 и поступает на синхронный детектор 5, на второй вход которого
подается сигнал той же частоты fK от генератора 4. С выхода синх-
ронного детектора снимается постоянное напряжение, величина
которого зависит от разности фаз между опорным и пришедшим с ди-
станции сигналами. Это напряжение регистрируется нуль-индика-
тором 6, который будет показывать нуль при разности фаз, равной
(2N + 1) 90°, где N = 0, 1, 2, ... . Измерительным элементом даль-
номера служит фазовращатель.
Для определения нуля шкалы фазовращателя (начального от-
счета) вводится линия оптического замыкания (триппель-призма 17),
при помощи которой излучение можно направить на ФЭУ, минуя
дистанцию.
Для однозначного измерения дистанции в дальномерах обычно
используется несколько масштабных частот /м1, /м2, /мз и т. д. Рас-
стояние измеряется на нескольких частотах (обычно на трех) и по ним
определяется число N.
Частота колебаний генератора масштабных частот в настоящее
время может выдерживаться со стабильностью Д/м//м — (1 ...2)Х
Х10~6. Минимальная частота модуляции рассчитывается из усло-
вия
Гм win S? (cA<p°)/720°nAL. (17.28)
К настоящему времени разработано большое количество моде-
лей достаточно совершенных отечественных и зарубежных фазовых
дальномеров.
Импульсные дальномеры. В импульсных дальномерах для опре-
деления расстояния до цели используется импульсный метод модуля-
244
Рнс. 17.12. Схема импульсного дальномера
ции оптического излучения. Дальность до цели определяется по за-
висимости (17.4). Определим погрешность измерения дальности.
Дифференцируя (17.4) и переходя к конечным приращениям, получим
AL = (сА/)/2п. (17.29)
Формула (17.29) предполагает, что скорость света с и показатель
преломления п на трассе измерения постоянны. При современных
способах возможно обеспечить погрешность в измерении промежутка
времени А/ ~ 1 нс (10-9 с). Исходя из этого, ошибка в измерении
дальности при с = З-Ю8 м/с, п — 1 будет
\L = (3-108)/(2-10®) = 1,5-10“2 м.
Количество разработанных к настоящему времени импульсных
оптиколокационных дальномеров велико (десятки различных ти-
пов). Однако все они в принципе строятся по одной и той же функцио-
нальной схеме, отличаясь в основном электронными схемами из-
мерения времени, характеристиками лазеров и оптических систем.
Функциональная схема испульсного дальномера представлена
на рис. 17.12. Источником оптического излучения служит твердо-
стельный лазер, работающий в режиме модуляции добротности, осу-
ществляемом модулятором 1.
Такой режим работы лазера позволяет генерировать одиночные
оптические импульсы с временем нарастания импульса в пределах
10 нс, шириной несколько десятков наносекунд и с мощностью в им-
245
пульсе до нескольких десятков мегаватт. Накачка рабочего тела ла-
зера осуществляется одной или несколькими импульсными лам-
пами 2.
Излучение лазера формируется передающей телескопической
системой 3 в пучок лучей с очень малой расходимостью и направ-
ляется на объект. Отраженное от объекта излучение попадает в при-
емную телескопическую оптическую систему 5. В выходном зрачке
оптической системы располагается фотокатод ФЭУ 10, перед которым
устанавливается узкополосный интерференционный фильтр И, ко-
торый служит для срезания излучения от фона. Фильтр пропускает
излучение в пределах Л/.- 1 ... 5 нм. В фокальной плоскости объ-
ектива приемной оптической системы расположена полевая диа-
фрагма 13, которая ограничивает поле зрения приемной части даль-
номера и тем самым также уменьшает влияние фоновых помех. Часть
излучения лазера (опорный импульс) при помощи призмы 4 пере-
дается непосредственно в приемную оптическую систему, минуя ди-
станцию. После фотоэлектрического преобразования ФЭУ 10 опор-
ный импульс усиливается усилителем 9 и из него формируется им-
пульс в несколько наносекунд. Под действием импульса происходит
переброска триггера 8, который генерирует стартовый импульс, за-
пускающий счетное устройство 7, представляющее собой кварцевый
генератор импульсов и счетчик импульсов. Отраженный от объекта
поток излучения проходит оптическую систему 5, преобразуется
в электрический импульс на выходе ФЭУ 10, сдвинутый по времени
относительно опорного. Он также после усиления и формирования
усилителем 9 подается на триггер <8. Под действием этого импульса
триггер перебрасывается в исходное состояние и генерирует стоп-
импульс, останавливающий счетное устройство 7. Счетное устрой-
ство измеряет время задержки отраженного импульса относительно
опорного и выдает в цифровой индикатор 6 значение дальности до
цели. Величина дистанции вычисляется по формуле
L = (УДтс)/п‘ •
где Дт — ширина импульса генератора счетного устройства; N —
количество импульсов.
ГЛАВА 18
ПРИЦЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НАЗЕМНЫХ УСТАНОВОК
18.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ-
ПРИЦЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ СТРЕЛЬБЫ
При стрельбе из нарезного или реактивного оружия сна-
ряд движется по пространственной криволинейной траектории, форма
которой определяется условиями стрельбы, действием сил тяжести
и сопротивления воздуха, поэтому для поражения цели ствол ору-
жия необходимо ориентировать в пространстве определенным обра-
246
в
зом. Это требование выполняется в процесса наводки оружия, за-
ключающееся в придании стволу такого положения, при котором
средняя траектория снаряда проходит через цель. Положение ствола
относительно цели однозначно определяется двумя углами наводки,
отсчитываемыми от горизонтальной и вертикальной плоскостей.
Устройства, с помощью которых обеспечивается измерение и построе-
ние этих углов, называются прицелами, а процесс их построения —
прицеливанием (наводкой) оружия.
; По назначению прицелы можно разделить на:
стрелковые, минометные, наземной ствольной и реактивной
артиллерии, танковые, зенитные, устройства для прицеливания
баллистических ракет.
Прицелы ствольной и реактивной артиллерии используют одни
и те же принципы построения, поэтому они объединены в одну
группу.
Величины углов наводки определяют с помощью геометрического
построения, называемого прицельной схемой, в которой учитываются
параметры стрельбы, дальность до цели, скорость перемещения цели
и основания, на котором расположено оружие, баллистика снаряда,
влияние среды. Принято рассматривать прицельные схемы: оружие
и цель неподвижны и оружие и цель подвижны.
Прицельная схема стрельбы из неподвижного оружия по непод-
вижной цели показана на рис. 18.1. С точкой установки оружия О
совмещено начало системы координат Oxyz. Плоскость горизонта
оружия Oxz совмещена с плоскостью истинного горизонта, плоскость
стрельбы Оху вертикальна. Цель Ц по отношению к горизонту ору-
жия расположена под углом места цели е. Линия ОЦ называется
линией прицеливания. Так как на снаряд действует сила тяжести,
которая вызывает понижение траектории его полета, то ствол ору-
жия при выстреле необходимо отклонить вверх от линии ОЦ' на угол
прицеливания а.
В результате взаимодействия вращающегося снаряда с набегаю-
щим потоком воздуха возникают динамические силы, вызывающие
247
Рнс. 18.2. Схема стрельбы нз подвижного орудия по движущейся цели
искривление траектории полета снаряда в боковом направлении
(деривация снаряда), поэтому ствол оружия отклоняют от плос-
кости цели ОЦЦ" на горизонтальный угол у (угол деривации). В плос-
кости угломера артиллерийской панорамы ОЦЦ' углу у соответст-
вует угол у'. Так как угол у мал, то на практике часто принимают,
что у ~ у'.
| С учетом гравитационного понижения траектории снаряда и
деривации горизонтальный и вертикальный углы оси канала ствола
оружия оказываются соответственно равными:
Ф = е а;
Лор = Лц-Т, (18J)
где ф — угол возвышения ствола оружия; Лц — азимут цели;
ЛоР — азимут оси канала ствола оружия.
Установка ствола оружия по углу возвышения называется вер-
тикальной наводкой, а установка в горизонтальной плоскости —
горизонтальной или боковой наводкой. При стрельбе из неуправляе-
мого реактивного оружия схема стрельбы аналогична схеме на
рис. 18.1, но угол деривации у равен нулю.
Прицельная схема стрельбы из подвижного оружия по движущейся
цели показана на рис. 18.2. С точкой установки оружия О на подвиж-
ном основании совмещено начало координат Oxyz. Основание вместе
с оружием и системой координат Oxyz перемещается в пространстве
с постоянной скоростью Vj. В этих условиях направление полета
снаряда при выстреле определяется вектором У01 (вектор абсолют-
ной начальной скорости снаряда), который равен геометрической
сумме векторов и Vo (V01 = Vj + Vo), где V'o — вектор началь-
248
ной скорости полета снаряда. Буквой Ц обозначено положение цели
в момент выстрела. Цель движется с постоянной скоростью Уц.
За время полета снаряда цель сместится из точки Ц в точку Ау
и встреча снаряда с целью произойдет в точке Ау, которая назы-
вается упрежденной точкой. Расстояния ОЦ и 0Ау называются
соответственно начальной (Lo) и упрежденной (Ly) дальностями.
Время полета снаряда от точки О до Лу называется временем полета
на упрежденную дальность (7у). Плоскость ОЦАУ называется плос-
костью упредительного треугольника. Для обеспечения встречи сна-
ряда с целью между линией визирования ОЦ и направлением век-
тора У01 должен быть некоторый уголгру, называемый углом упрежде-
ния. Отклонение оси канала ствола оружия должно происходить
в сторону движения цели.
С учетом гравитационного понижения снаряда, угла скольже-
ния снаряда |3СП и деривации вертикальный и горизонтальный углы
оси канала ствола соответственно равны
<р = е Ц- а 1|)у рсн’>
г г
Лор — Лц — у — 'Ру + Рен,
где гру, гру — вертикальная и горизонтальная составляющие угла
упреждения; Рен, Рен — вертикальная и горизонтальная составляю-
щие угла скольжения снаряда. Угол скольжения — угол между
осью канала ствола оружия и направлением вектора начальной аб-
солютной скорости снаряда У01. При стрельбе на небольшие даль-
ности из артиллерийских систем (до 2 ... 3 км) обычно угол дерива-
ции у мал и им пренебрегают.
Определим зависимость угла упреждения от параметров стрельбы
в случае, если угол рсн равен нулю (стрельба вдоль вектора скорости
движущегося с оружием основания) и угол у мал, так что им можно
пренебречь. Кроме этого, будем считать, что угол прицеливания
мало влияет на характер зависи-
мостей для угла упреждения.
Рассмотрим отдельно упреди-
тельный треугольник ОЦАУ
(рис. 18.3). Для рассматриваемого
случая векторы Ц и Уо совпадают
по направлению. Абсолютная на-
чальная скорость снаряда У01
равна алгебраической сумме ско-
ростей V] и Уо. По теореме сину-
сов находим
sin 4’у — (Уц/у sin <7)/Ly, (18.3)
где q— курсовой угол цели (си-
нус курсового угла называется
ракурсом цели).
249
Выразим значение сййуса курсового угла через относительную
угловую скорость цели, которая определяется разностью поперечных
скоростей Уд,п и У1П, поделенной на начальную дальность:
®ц= (V'u.n— У1пУД) = (1/Л0) (Уд sin? — УуЭШфу),
откуда sin q = (1/VJ (<вцЛ0 ф- Vy sinfy).
Подставляя это выражение в формулу (18.3), получим
sin фу («„Io) (-Ь- - • (18.4)
Отношение Ly/ty есть не что иное, как средняя скорость полета сна-
ряда на упрежденную дальность Ly. Однако к моменту выстрела по-
ложение упрежденной точки определить нельзя, а следовательно,
величины Лу и ty неизвестны. На практике обычно считают, что сред-
няя скорость полета снаряда на упрежденную дальность равна
средней скорости полета снаряда па начальную дальность. Это дает
возможность заменить в формуле (18.4) отношение Ly/ty отношением
L0/ta, где — время полета снаряда на дальность Lo. Отношение
Z.O/[(Z,O//U) — имеющее размерность времени, обычно называют
условным (фиктивным} временем полета снаряда и обозначают t^.
С учетом /ф получим
simfy = <вц^ф. (18.5)
При малых углах упреждения sin фу ~ фу, что позволяет получить
следующую формулу:
(Оуо) ц/ф. (18.6)
Формула (18.6) является основой для построения прицельных уст-
ройств при стрельбе по движущимся целям.
Измерение угловой скорости цели ®ц осуществляется с помощью
непрерывного слежения визирной линией, прицела за целью.
Для вертикальной и горизонтальной наводки оружия угол
упреждения вырабатывается в вертикальной ф® и горизонтальной фу
плоскостях.
При стрельбе из неподвижного оружия по движущейся цели
(Vj = 0) формулы (18,5) и (18.6) не изменяются. Изменяются лишь
величины соц и 1Ф. Они соответственно равны
®ц Уц. Lo — (1 /Lo) Иц sin ?;
Измерение ®ц, как и в схеме стрельбы с движущегося основания,
осуществляется с помощью непрерывного слежения визирной ли-
нией прицела за целью. Угол прицеливания а вычисляется так же,
как в случае стрельбы из неподвижного оружия по неподвижной
цели, лишь величина дальности L должна быть равна Lo и непрерывно
вводиться в счетно-решающее устройство прицела.
250
18.2. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИЦЕЛЫ СТВОЛЬНОГО
И РЕАКТИВНОГО ОРУЖИЯ
Винтовочный оптический прицел. Прицел служит для
точного прицеливания по индивидуальным целям, угловые размеры
которых невелики, а расстояния до них лежат в пределах 13 гекто-
метров (для винтовки). Прицел работает со снайперской винтовкой
и охотничьим ружьем, на которых крепится жестко с помощью
кронштейнов и винтов таким образом, чтобы оптическая ось была
параллельна оси канала ствола. Прицел в соответствии с прицель-
ной схемой на рис. 18.1 позволяет при известной дальности до
цели L построить угол прицеливания а и боковую угловую поправку у.
Угол места цели е вводится путем подъема оси’канала ствола при
визировании на цель.
Оптический прицел представляет собой телескопическую трубку
с линзовой оборачивающей системой.
Конструкция прицела представлена на рис. 18.4. Он состоит из
объектива 1, механизма сетки 3, состоящего из барабанов углов
прицеливания 2 и боковых поправок, оборачивающей 'системы 4
и окуляра 5. Окуляр не имеет диоптрийной наводки и установлен
жестко на (—1 дптр). Для предохранения глаза стрелка от удара
при отдаче винтовки зрачок выхода удален от последней поверх-
ности окуляра на 72 мм.
Сетка прибора состоит из кольпа и припаянных к нему никеле-
вых проволочек диаметром 0,2 мм. Сетка может перемещаться вверх
и вниз, вправо и влево. Механизм сетки состоит из двух винтовых
пар 6, винты которых совершают только вращательное движение,
а гайки только поступательное. Движение Одной Гайки не мешает
движению другой, так как гайки имеют форму ползунков, пере-
мещающихся по своим Т-образным пазам. Основные Характеристики
прицела:
Гт = 3,5х; 2w «« 4° 30'; D' в 6,5 мм; I' » 72 мм; L *• 1 ... 13 гм.
зрения
Рис. 18.4. Оптический винтовочный прицел
251
Артиллерийские оптические прицелы предназначены для гори-
зонтальной и вертикальной наводки ствола орудия.
j По способу сопряжения со стволом прицелы подразделяются
на две группы: прицелы зависимые от орудия и прицелы независимые.
Прицелы, зависимые от орудия, характеризуются тем, что при
наклоне ствола на угол возвышения ср происходит наклон прицела
и, следовательно, линии прицеливания в вертикальной плоскости.
Если при установке по шкалам прицела углов а и е линия прицели-
вания изменяет свое положение в пространстве, то он относится к при-
целам с зависимой линией прицеливания. Все зависимые прицелы
имеют и зависимую линию прицеливания. При прицеливании с по-
мощью зависимого прицела наводчик осуществляет как ввод при-
цельных данных в прицел, так и наводку самого орудия с помощью
механизмов наведения. Независимые прицелы характеризуются тем,
что они не изменяют своего положения в пространстве при верти-
кальной наводке орудия. Независимые прицелы могут иметь неза-
висимую или полунезависимую линии прицеливания.
Линия прицеливания является независимой, если при установке
на шкалах прицела углов а и е линия прицеливания остается непод-
вижной в пространстве. Линия прицеливания называется полу-
зависимой, если она не изменяет своего положения в пространстве
при установке по шкалам прицела угла а и изменяет свое положе-
Ние при установке угла е.
Независимые прицелы устанавливаются на тяжелых орудиях,
где функции прицеливания и наведения выполняются несколькими
номерами расчета. Независимые прицелы обладают меньшей точ-
ностью, чем зависимые»
Стрельба нз мино.МетныХ, артиллерийских ствольных и реактив-
ных установок может осуществляться или прямой наводкой (цель
непосредственно наблюдается через визирное устройство прицела),
или непрямой наводкой (цель не видна). Стрельба прямой наводкой
по неподвижной и движущейся целям осуществляется в соответ-
ствии с прицельными схемами иа рис. 18.1 и 18.2.
Если стрельба ведется с закрытых позиций по неподвижным
целям, то используется непрямая наводка (см. рис. 18,1). При
выполнении непрямой наводки намечают ориентир Оа (точку наводки),
хорошо видимый из точки установки орудия О. По карте или на мест-
ности определяют горизонтальный угол 0' между плоскостью цели
и плоскостью наводки. Зная дистанцию до цели L, определяют
угол у и вычисляют горизонтальный угол наводки 9 = 0' — у.
Угол возвышения орудия определяют расчетным путем по изме-
ренному по карте (или на местности) углу е и вычисленному углу а :
Ф = е -ф- а. Точка наводки Он используется лишь для горизонталь-
ной наводки орудия. Непрямая наводка осуществляются следую-
щим образом. На шкалах прицела устанавливаются углы ф и 9
и механизмом наведения разворачивают орудие по горизонту так,
чтобы точка наводки Оа оказалась на вертикальном штрихе пере-
крестия прицельной сетки визира, при этом строится угол 9. Угол ф
строится за счет подъема ствола орудия.
253
Рис. 18.5. Схема наводки орудия при наклоне оси цапф
Точность прицельной стрельбы зависит не только от правиль-
ности определения углов установки орудия, но и от собственных
ошибок прицела (методических и инструментальных) и точности
его установки на орудии. Наиболее существенными ошибками при-
целивания, связанными с установкой прицела на орудии, являются
ошибки от наклона плоскости угломера панорамы по отношению
к горизонтальной плоскости и наклона оси цапф орудия.
При рассмотрении рис. 18.1 отмечалось, что прицелы вместо угла у строят
угол у' в плоскости угломера панорамы ОЦЦ'. Если угол 8=^0, то у #= у’. Из \ОЦИ'
(см. рис. 18.1) имеем sin у' == (ЦЦ')ЮЦ. Выражая ЦЦ' = Ц"Ц"' через ОЦ" и sin у,
получим, что
sin у’ = cos s(sin у. (18.8)
Определим ошибку в построении угла у, равную Ду у —* у'. Из (18.8) нахо-
дим, что
stay — story' = sin у (1 —cose). (18,9)
С другой стороны, sin г — sin у' =s 2 sin (Ду/2) cos [(2у ~ Ду)/2]. Величина Ду <
< V, поэтому 2 sin (Ду/2) а Ду и cos [(2у — Ду)/2 ] да cos у, С учетом последнего
ainy — stay' «к stay (1 — cose) = Ду cos у. (18,10)
Отсюда получим формулу для определения Ду:
Ду (1 — cos е) tg у, (18.11)
Определим порядок величины Ду. При е «®'10° и у 6° величина Ду, вычисленная
по формуле (18.11), равна 0—01,3, что лежит в пределах точности прицела.
Рассмотрим влияние угла наклона оси цапф ствола орудия на точность построе-
ния углов у и а (см. рис. 18.5). В этом случае плоскость стрельбы отклоняется
от вертикальной плоскости ОВх на угол 0, поэтому угол прицеливания а' (строится
от плоскости истинного горизонта) не равен углу а. Кроме ошибки Да, возникает
ошибка в построении горизонтального угла Дуя. Из &ОЦЦ' (см. рис. 18.5) имеем
tg Дуи = ЦЦ'/ОЦ. Выражая ЦЦ' через ВЦ sin Ф, а ВЦ через ОЦ tg а, получим
Дуп ~ tgAyH = tgasinO. (18.12)
Далее определим ошибку в построении угла а. Из треугольников ОЦВ и ОЦ'В\
соответственно имеем sin а = ВЦ!ОВ\ sin а' = ВЩ'ЮВу. Выражая ВГЦ' через
Вц cos О и считая, что OB ОВ1, получим sin а' = sin а cos 0. Обозначая а—а' =
=:: Да, имеем
sin а — sin а'= 2 sin (Да/2) cos [(2а— Аа)/2). (18.13)
Величина Да а, поэтому 2 sin (Аа/2) ~ Да; cos [(2а — Да)/2] cos а. С учетом
последнего имеем sin а — sin а' = sin а (1 — cos Ц) = Да cos а. Отсюда получаем
формулу Для определения Да:
Да= (1 — cos 0) tg а. (18.14)
253
Определим порядок величин Да и Дун. При а = 10°, -0 = 5° имеем: Да = 0—00,7
н Дуи = 0—15. Отсюда следует, что прн наклоне оси цапф даже на небольшие углы
(порядка 5°) наибольшая ошибка вносится в боковую наводку (угол Дуп), а ошибкой
в построении угла прицеливания можно пренебречь.
В реальных условиях при установке орудий не удается исклю-
чить наклон оси цапф, поэтому для исключения указанной ошибки
прицелы снабжаются уровнем и устройством, позволяющим качать
прицел вокруг оси параллельной каналу ствола орудия. С их по-
мощью происходит совмещение плоскости прицеливания с верти-
кальной плоскостью.
Рассмотрим кинематические схемы зависимого и независимого
прицелов.
На рис. 18.6 приведена кинематическая схема зависимого при-
цела с зависимой линией прицеливания. Прицел состоит из пано-
рамы, предназначенной для наблюдения, механизма углов прицели-
вания, механизма углов места цели и механизма поперечного уровня,
служащего для компенсации наклона оси цапф орудия.
Прицел установлен на оси /, связанной с люлькой ствола орудия 2.
При установке углов прицеливания а с помощью рукоятки 3 червяк
обкатывается по червячному сектору и наклоняет корпус прицела 6
с панорамой 8 и продольным уровнем 9. Установка углов места цели е
осуществляется разворотом продольного уровня 9 рукояткой 10.
Компенсация наклона оси цапф орудия осуществляется качанием
всего прицела вокруг оси 00 с помощью рукоятки 5 и контроли-
руется поперечным уровнем 7.
Вертикальная наводка орудия осуществляется путем поворота
ствола в вертикальной плоскости до тех пор, пока пузырек продоль-
254
кого уровня 9 не займет нулевого положения, в этом случае <р =
= а 4- е. Горизонтальная наводка при стрельбе с закрытых пози-
ций рассмотрена ранее.
На рис. 18.7 представлена кинематическая схема независимого
прицела с независимой линией прицеливания. Прицел состоит из
орудийной панорамы, продольного и поперечного уровней, механиз-
мов построения углов а и е и механизма качания прицела.
При установке угла прицеливания а рукояткой 11 червяк 4
поворачивает червячное колесо 2 с прицельной стрелкой 9. При
установке угла места цели е с помощью рукоятки 5 червяк 4 переме-
щается в осевом направлении (как рейка), поворачивая дополни-
тельно колесо 2 со стрелкой 9. Суммарный угол поворота прицель-
ной стрелки 9 будет равен а ф- е. Поднимая ствол орудия, наводчик
совмещает орудийную стрелку 10 с прицельной 9, угол возвышения
ствола при этом станет равным ср = а ф- е. Качанием корпуса при-
цела 1 вокруг оси 3 с помощью рукоятки 12 компенсируют наклон
оси цапф, контролируя его по уровню 8. Уровень 6 используется для
определения горизонта орудия, путем разворота прицела рукоят-
кой 13.
Порядок вертикальной наводки орудия с независимым прицелом
сводится к следующему: прицел устанавливается в начальное нуле-
вое положение по продольному и поперечному уровням; устанавли-
ваются на шкалах углы а и е; подъемным механизмом орудия сов-
мещается орудийная стрелка с прицельной, в результате чего угол
возвышения ср = а ф- в.
| Минометные прицелы и прицелы для реактивной артиллерии по
схеме построения аналогичны прицелам для ствольной артиллерии.
Некоторое отличие заключается в том, что в них не учитывается бо-
ковая поправка на деривацию у.
Танковый шарнирный прицел ТШ предназначен для прицелива-
ния при стрельбе прямой наводкой из пушки танка и спаренного
с ней пулемета. Орудие закреплено в башне танка, в так называе-
мой «маске», которая может наклоняться на определенные углы
в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости орудие по-
ворачивается вместе с башней танка.
Прицел ТШ (рис. 18.8) состоит из трех основных частей: жестко
скрепленной с пушкой головной подвижной части /, в которой рас-
положен объектив и прицельная сетка; неподвижной окулярной
части ///, прикрепленной через тягу к крышке башни и связываю-
щей обе эти части шарнирного механизма //.
Оптическая схема прицела ТШ приведена на рис. 18.8. Она
состоит из защитного стекла 1, объектива 2, сетки 3, установленной
в фокальной плоскости объектива, коллектива 4, зеркал оптического
шарнира 5, 6, 7, 8, линзовой оборачивающей системы 9, 10, диа-
фрагмы поля зрения И, окуляра 12. Увеличение оптической системы
составляет 4х, угловое поле 2® — 16°. Особенностью данной схемы
является наличие оптического шарнира. При наклоне зеркала 5,
находящегося в головной части прицела, вокруг оси 00 происходит
наклон изображения. Зеркала 6 и 7, жестко соединенные между со-
255
Вив сверху
Рис. 18.8. Оптическая схема прицела ТШ
о
6----0=lt
Бр
Л'Л'ЛМ'Л
//
Неподвижная нить
поле
зрения

поворачиваются ^соответственно 1
бой, при~наклоне головной части
вокруг осей 00 и 0г0г на угол, равный половине угла поворота зер-Я
кала 5, тем самым компенсируется наклон изображения. Зеркало
при наклоне головной части остается неподвижным. Я
| Углы прицеливания устанавливают по прицельным шкалам и при-Я
цельным маркам, нанесенным на сетке 3 (см. рис. 18.8) и видимым
в поле зрения прицела. Шкала прицельных знаков позволяет вво-
дить боковые поправки вправо и влево до 0—32. Неподвижным ин-
дексом для установки углов прицеливания служит неподвижная
горизонтальная нить.
Установка углов прицеливания производится рукояткой, кото-
рая соединена валиком карданной передачи с конической шестер-
ней, находящейся в головной части прицела. Коническая пара пере-
дает вращательное движение гайке, последняя вызывает поступатель-
ное перемещение винта, палец которого водит вверх и вниз кареткмЯ
сетки.
18.3. ПЕРИСКОПЫ ПОДВОДНЫХ лодок
Перископы подводной лодки выполняют функции несколь^|
ких оптических приборов, а именно: наблюдательных приборов, 1
прицелов для торпедной стрельбы, навигационных приборов, даль- 1
номеров.
На подводных лодках различного назначения применяются ко-
мандирский перископ, или перископ атаки и зенитный перископ.
Перископ атаки используется для наблюдения за горизонтом
в погруженном состоянии лодки, для определения расстояния до
цели, скорости цели и угле упреждения.
Зенитный перископ служит для наблюдения как надводных,
так и воздушных целей. Он используется так же, как и навигацион-
256
1 2
1
Выходной
Рис. 18.9. Оптическая схема пе-
рископа атаки
Выходной.
Рис. 18.10. Оптическая схема зенит-
ного перископа
ный прибор для определения местонахождения лодки по небесным
светилам.
Перископ подводной лодки представляет собой оптический при-
бор, выполненный в виде трубы большой длины. Расстояние между
осями окулярной и головной частей называется перископичностью.
Из лодки выступает лишь некоторая часть перископа, а над
водой выступает лишь тонкая головная часть длиной 300 ... 400 мм.
Диаметр шейки головной части перископа атаки составляет 31 мм,
у зенитного — 60 ... 80 мм. Шейка головки необходима для уменьше-
ния буруна, возникающего у перископа при движении подводной
лодки.
Оптическая система перископа атаки (рис. 18.9) состоит из
защитного стекла 1, головной призмы 2, объектива 3, трех оборачи-
вающих систем I, II, III, коллективов 5 и 6 и окуляра 9 с сеткой 8
и окулярной призмой 7. Сменное увеличение 1,5х и 6х. Смена уве-
личения осуществляется перемещением линзы 4.
9 С. В. Кулагин и др. ' 257
Рис. 18.11. Схема дальномерного окуляра 1
Оптическая схема зенитного перископа показана на рис. 18.10|
и отличается от командного тем, что в качестве головной призмы ис-
пользуется призма-куб 2, защитным стеклом служит сферический
колпак 1. Для компенсации оптической силы сферического защитного
стекла между призмой 2 и колпаком 1 помещена положительная
линза 10, которая при повороте призмы 2 перемещается по дуге, центр
которой совпадает с осью вращения головной призмы, на угол, в два
раза больший, чем угол поворота призмы-куба.
Перископы имеют два окуляра: один для наблюдения, второй для
определения дистанции до цели и курсового угла цели. Схема даль-
номерного окуляра показана на рис. 18.11. В окуляре имеются
две подвижные полулинзы 1 и 2 и две неподвижные 3 и 4 полулинзы.
Полулинзы 1 и 3, 2 и 4 имеют равные по величине и противополож-
ные по знаку фокусные расстояния. Вместе они образуют схему
линзового компенсатора. Если оси полулинз 1 и 4, 3 и 2 совпадают,
то действие этих полулинз будет равно действию плоскопараллель-
ной пластинки .Если передвинуть полулинзы 1 и 2 в одном направ-
лении на величину I, то лучи у пары полулинз 1 и 4 пойдут вниз
(рис. 18.11, а), а пары полулинз 3 и 2 — вверх (рис. 18.11, б), т. е.
изображение раздваивается в вертикальной плоскости. При изме-
рении дистанции до цели перископ используется как дальномер
с базой на цели. Если фокусное расстояние оптики перископа без
окуляра равно /экв, а цель имеет высоту Н, то из подобия треуголь-
ников О АВ и ОА'В' (рис. 18.12, а) можно написать
L = (HMb)M, (18.15)
где h — величина изображения цели в вертикальной плоскости;
L — дистанция до цели.
258
Зная величину Н и измерив h, можно определить L. Измерение
величины изображения осуществляется перемещением подвижных
линз окуляра. Перемещение осуществляется до тех пор, пока ниж-
ний край одной половины изображения не совместится с верхним
краем другой половины. При этом половинки изображения расхо-
дятся на величину /г.
Механизм дальномерного приспособления устроен так, что после
разведения половинок изображения на подвижной шкале можно
прочесть дистанцию Б, если введена известная величина Н. Опреде-
ление курсового угла q корабля основано на измерении размера ра-
курсного изображения корабля (проекции) по горизонтальному
направлению. Этот размер зависит от длины корабля Б, дистан-
ции L и курсового угла q. Из рис. 18.12, б при условии, что Б < L
имеем
6„ = (Б sin q~)IL = l'/f9KB, (18.16)
где Г — величина изображения корабля в горизонтальной плоскости.
Из формулы (18.15) получаем
sin <7= (П')/(££кв). (18.17)
Курсовой угол измеряется сразу после измерения дистанции L,
при этом величина /' измеряется поворотом окуляра на 90° и раздваи-
ванием изображения цели по длине. Величина }'экв при измерении L
и q вводится как постоянная.
При стрельбе торпедами перископ используется как прицел
для построения угла упреждения. Из упредительного треугольника
(см. рис. 18.3) видно, что торпеда должна быть направлена в упреж-
денную точку Лу. Для этого необходимо определить угол фу. Из
рис. 18.3, используя теорему синусов, можем написать, что
sin фу = (Уц/У0) sin q, (18.18)
где Уц — скорость цели; Уо — скорость торпеды; q — курсовой угол
цели. При торпедной стрельбе скорость торпеды Уо — величина
известная, а курсовой угол определяется, как указано выше.
Для измерения скорости цели в фокальной плоскости окуляра
перископа атаки имеется вертикальная нить, дающая направление,
стабилизированное от гироскопа. Таким образом, при изменении
подводной лодкой своего курса, направление визирной линии, да-
ваемое нитью, остается неизменным в пространстве. Если извест-
на длина цели Б, то с помощью секундомера определяют время t,
9* ' 259
необходимое для того, чтобы цель прошла путь, равный ее длинен
относительно неподвижной нити в пространстве. Тогда величина!
скорости цели будет '
Уц = Bit. (18.19)
Выражение (18.19) оказывается справедливым при любом курсовом
угле q.
Если подводная лодка имеет скорость Vlt то скорость цели оп-
ределяется выражением
Ец = (Bit) + (Vj sin ^/sin q), (18.20)
где q± — курсовой угол подводной лодки.
18.4. ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ АЗИМУТАЛЬНОГО ПРИЦЕЛИВАНИЯ
БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ
Траектория полета ракеты в вертикальной плоскости по-
казана на рис. 18.13. С момента начала движения и до моментаЦ
падения она делится на два участка: участок активного полета, Я
т. е. полета с работающим двигателем ОВ и участок свободного полета I
ВЦ', когда двигатель не работает. I
Ракета стартует вертикально и в течение нескольких десятков 1-
секунд движется прямо вверх, быстро проходя наиболее плотные I
слои атмосферы. Эту часть активного участка ОА называют старто-
вым участком полета. Далее ракета выводится на баллистическую !
траекторию на второй части активного участка АВ. Необходимое '
измерение угла наклона траектории по тангажу на участке АВ \
осуществляется с помощью программного управления. 1
На стартовом участке траектории угол наклона продольной
оси ракеты к горизонту равен а = 90°, на участке АВ угол а яв-
ляется функцией времени, т. е. а — а Ц), и в конце активного ;
участка a (t) выдерживается постоянным и равным а0 с тем, чтобы
обеспечить максимальную точность управления. ’
Чтобы траектория полета ракеты проходила через цель, перед
и датчики системы управления точно ориенти-
пуском корпус ракеты
Рис. 18.13. Траектория полета ракеты
руются относительно вер-
тикали и по азимуту. Со-
вокупность операций при '
подготовке к пуску, обе-
спечивающих простран- -j
ственное ориентирование
корпуса ракеты и датчи-
ков системы управления, J
называется прицеливанием !
ракеты.
Ориентирование кор-
пуса ракеты и датчиков р
системы управления осу-
ществляется относительно
280
ма координат
Рнс. 18.15. Инерциальная си-
стема координат
стартовой системы координат Oxcyczc (см. рис. 18.13). Ее начало
совпадает с центром массы ракеты, установленной на пусковом
столе. Ось 0ус направлена вертикально вверх, ось 0хс указывает
направление пуска. Плоскость хсОус называется плоскостью пуска
и проходит через цель.
С корпусом ракеты жестко связывают систему координат Ox^Zj
(рис. 18.14), которую называют связанной системой координат. На-
чало ее находится в центре массы ракеты, ось 0хг совпадает с про-
дольной осью ракеты, ось 0уг лежит в плоскости рулевых двигате-
лей I—III. Плоскость, проходящую через продольную ось ракеты
и рулевые двигатели I—III, называют основной плоскостью симме-
трии.
Направление осей датчиков автономной системы управления
определяет инерциальную систему координат Oxyz (рис. 18.15).
Датчики автономной системы управления расположены на гиро-
стабилизированной платформе (ГСП) 1, жесткосвязанной с призмой 2
и сохраняющей на протяжении всего управляемого полета ракеты
неизменное положение относительно стартовой системы координат.
Для стабилизации платформы используются три гироскопа 3: тан-
гажа, курса (рыскания) и крена. Оси подвеса платформы определяют
оси координат. Ось Оу совпадает с осью подвеса внутренней рамы.
Плоскость хОу, называемая основной плоскостью стабилизации
ракеты, совпадает с плоскостью внутренней рамки ГСП.
К моменту пуска ракеты оси связанной и инерциальной системы
координат ориентируются относительно стартовой системы коорди-
нат. Это ориентирование осуществляется в процессе прицеливания
ракеты. Окончательное положение осей всех трех систем коорди-
нат перед пуском должно быть таким, чтобы основные плоскости ста-
261
билизации и симметрии совпадали с плоскостью пуска, а оси OxY
и Оу были вертикальны. Приведение осей систем координат в указан-
ное положение осуществляется путем вертикализации ракеты, го-
ризонтирования и юстировки гироплатформы, азимутального при-
целивания.
Вертикализацией ракеты называют совокупность операций по
приданию ее продольной оси вертикального положения на пусковом
столе. Эта операция производится непосредственно после установки
ракеты на пусковой стол.
Горизонтирование гироплатформы состоит в совмещении оси инер-
циальной системы координат с вертикальной осью стартовой системы
координат.
Юстировка гироплатформы состоит в совмещении основной плос-
кости стабилизации с основной плоскостью симметрии с помощью
системы виазимутального приведения ГСП.
Азимутальное прицеливание состоит в совмещении основной плос-
кости стабилизации ракеты с плоскостью пуска. Оно осуществ-
ляется путем раздельного совмещения с плоскостью пуска сначала
основной плоскости симметрии поворотом корпуса ракеты с помощью
пускового стола, а затем основной плоскости стабилизации разворо-
том ГСП по азимуту относительно корпуса ракеты.
При наличии ошибки азимутального прицеливания ДД плоскость пуска откло-
няется от расчетной на угол, равный угловой ошибке прицеливания, в результате
чего точка падения ракеты отклоняется от цели в боковом направлении на вели-
чину Дг (см. рис. 18.13). Определим связь между величинами ДД и Дг. На рис. 18.13
изображены проекции расчетной (а) и реальной (в) траекторий движения ракеты
по поверхности Земли. На основании теоремы косинусов для сферического треуголь-
ника ОЦЦ' можем записать, что
cos (Дг/7?з) = cos (L//?3) cos (LjRa) +
Д- sin (L/R3) sin (LjRs) cos ДД, (18.21)
где L и Lj — сферические дальности полета ракеты; Дг — сферическое отклонение
точки падения ракеты от цели.
Полагая, что L ~ Lr для (18.21) получим
cos (Дг/Я3) = cos2 (L/R3) + sin2 (L/R3) cos ДД. (18.22)
Выражая cos2 (L/R3) через 1 — sin2 (L/R3) и учитывая, что 1 — cos ДД = 2 sin2 (ДД/2)
и 1 — cos (Дг//?з) = 2 sin2 (Дг/2/?3), после несложных преобразований для Дг по-
лучим следующее выражение:
Дг = 2P3arcsin [sin (LlR3) sin (ДД/2)[. (18.23)
'Зависимость (18.23) показывает, что Дг при любом значении ДД будет максималь-
ным, если отношение L/R3 = л/2 или Зл/2, т. е. при сферических дальностях полета
L = 10 000 км н 30 000 км. Если L/R3 = л или 2л (L = 20 000 км илн 40 000 км),
то при любой величине ДД боковое отклонение Дг равно нулю. Расчеты показывают,
что при L = 10 000 км и ДД = 60" величина Дг = 1,85 км.
Пуск ракет может осуществляться из шахт, с неподвижных на-
земных установок или другим способом. Независимо от вида
старта ракеты, сущность прицеливания остается одной и той же,
поэтому рассмотрим систему прицеливания из шахты на примере
ракеты «Минитмен».
262
Размещение основных блоков си-
стемы прицеливания, управления
и контроля показано на рис. 18.16.
В основном стволе шахты поме-
щается пусковой стол 1, на ко-
торый устанавливается ракета 2.
В боковых бункерах устанавли-
ваются автоколлимационный угло-
мер 4, который может переме-
щаться по кольцевому рельсу 5, и
система управления и контроля ра-
кеты 3. На самой ракете находится
герметический отсек системы наве-
дения 7. В нем расположены гиро-
стабилизатор, электронные блоки
Рис. 18.16. Основные блоки управ-
ления ракетой
и бортовая ЭВМ. Контрольным эле-
ментом гиростабилизатора является
установленное на нем зеркало 6.
Измерительным элементом системы прицеливания является авто-
коллимационный угломер. Положение угломера на кольцевом
рельсе зависит от азимута пуска. Прицеливание ракеты произво-
дится в два этапа: вначале производится грубый разворот ракеты
с помощью поворотного устройства пускового стола, а затем точное
прицеливание разворотом ГСП по азимуту, т. е. совмещение основ-
ной плоскости стабилизации с плоскостью пуска или с плоскостью
основного геодезического направления, относительно которой за-
дается плоскость пуска.
Азимут оптической оси автоколлимационного угломера опреде-
ляется путем передачи направлений от геодезической сети или из
астрономических наблюдений. Визирование теодолитом при гео-
дезической привязке угломера производится через люк в крышке
шахты.
В качестве угломера рассмотрим схему автоколлиматора с раз-
делительной призмой, установленной в фокальной плоскости объек-
тива.
Принципиальная схема автоколлимационного угломера показана
на рис. 18.17 (вид сверху).
При включении источника излучения 10 его изображение с по-
мощью конденсора 9 проектируется на срезанную грань прямоуголь-
ной призмы 7, равномерно освещая ее. Боковые грани а и b призмы 7
имеют зеркальные покрытия и служат для отражения потоков
излучения в верхний и нижний каналы. Срезанная грань располо-
жена в фокальной плоскости объектива 6, поэтому лучи, проходящие
через срезанную грань, выходят из объектива параллельным пучком
и попадают на контрольную призму (зеркало) 5, расположенную
на ГСП 4. Если ГСП занимает такое положение, что нормаль к грани
cd призмы 5 параллельна оптической оси автоколлиматора, то лучи,
войдя в призму параллельно оптической оси, выйдут обратно по тому
же направлению и дадут изображение срезанной грани в фокальной
263
Рис. 18.17. Схема автоколлимационного угломера с разделительной призмой
плоскости объектива без смещения с оптической оси. При этом по-
токи излучения в правом и левом каналах будут равны нулю и сиг-
нал, снимаемый с приемника лучистой энергии, также равен нулю.
На ГСП не подается никакого сигнала и ГСП остается неподвижной.
Если нормаль к грани cd призмы 5 имеет угол АА с оптической
осью автоколлиматора, то пучок лучей, вошедший в призму 5 парал-
лельно оптической оси, выйдет из нее отклоненным в плоскости чер-
тежа на угол 2АА. При этом изображение срезанной грани в фокаль-
ной плоскости сместится относительно оптической оси в плоскости
чертежа на величину Ах = Дб2АА. Лучистый поток в правом канале
будет равен нулю. В левом канале поток будет модулироваться
с некоторой частотой и на выходе ПЛЭ 15 получим переменный
электрический сигнал, напряжение которого будет пропорциональ-
но амплитуде модулированного потока.
Напряжение с ПЛЭ 15 будет усиливаться избирательным усили-
телем 16 и поступать на фазочувствительный детектор (ФЧД) 17.
Одновременно на ФЧД поступает сигнал с генератора опорных на-
пряжений (ГОН) 18. В ФЧД происходит сравнение фазы сигнала,
снимаемого с усилителя 16, с фазой сигнала с ГОН и таким путем
определяется направление угла АА. Сигнал с ФЧД поступает на
моментный датчик (МД) 3 гироскопа 2, который под действием по-
ступающего сигнала начинает прецессировать вокруг вертикальной
оси. С датчика прецессии (ДП) 1 снимается сигнал, пропорциональ-
ный скорости прецессии гироскопа, и поступает на привод азиму-
264
тального наведения (ПАН) 19, который разворачивает ГСП до сов-
мещения нормали к грани призмы 5 с оптической осью автоколли-
матора. Объективы 8, зеркала И и призма 14 служат для направле-
ния лучистых потоков на ПЛЭ. Двигатель 13 приводит во вращение
модулирующие диски 12.
ГЛАВА 19
АВИАЦИОННЫЕ СТРЕЛКОВЫЕ ПРИЦЕЛЫ
И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫЕ ИНДИКАТОРЫ
19.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРЕЛКОВОМ
ВООРУЖЕНИИ САМОЛЕТОВ
Стрелковое вооружение самолетов и вертолетов состоит
из ракетных, пулеметных и пушечных установок. Тип установки, ее
конструкция и размещение во многом определяются типом самолета
и теми боевыми задачами, которые он должен решать.
Направляющие для запуска управляемых и неуправляемых ра-
кет класса «воздух—воздух» закрепляются, как правило, неподвижно
под фюзеляжем или крыльями самолета параллельно его продоль-
ной оси (рис. 19.1 и 19.2). Пулеметно-пушечное вооружение состоит
из установок неподвижного или подвижного типа. Ось канала ствола
неподвижного оружия, применяемого обычно на истребителях,
также параллельна продольной оси самолета и направлена вперед.
Прицеливание при стрельбе из неподвижных ракетных или артил-
лерийских установок осуществляется разворотом всего самолета.
Самолеты бомбардировочной авиации, военно-транспортные само-
леты для защиты от нападения истребителей снабжаются
подвижными установками турельного типа. Ствол оружия такой
установки (рис. 19.3) может поворачиваться относительно двух
взаимно перпендикулярных осей. Поворот вокруг одной из осей
(в плоскости, параллельной плоскости крыльев самолета) неограни-
чен, а второй поворот (вверх—вниз) имеет ограничения.
Подвижные установки размещаются на фюзеляже самолета.
Наиболее мощной из них является кормовая установка, имеющая
ограниченный сектор обстрела в задней полусфере самолета, откуда
наиболее реальна атака истребителя.
Для лучшей обороны самолета иногда бывает необходимо распо-
лагать установки в таких местах, где невозможно поместить стрелка
для непосредственного управления оружием. В этих случаях стрелок
вместе с прицельным устройством (прицельной станцией) разме-
щается в месте наилучшего обзора пространства сектора обстрела,
а управление оружием осуществляется дистанционно (установки с ди-
станционным управлением).
Вооружение самолетов максимально автоматизировано. Так,
например, при наведении ствола пушки подвижной установки на
части собственного самолета она автоматически прекращает стрельбу.
265
Рис.
19.1. Подвеска
управляемых ракет под крыльями самолета

Рис. 19.2. Опускающаяся кас-
сета самолета с неуправляемыми
реактивными снарядами
Рис.
19.3. Типовая турельная установка
266
Неподвижная установка американского истребителя F104G
имеет следующие характеристики: шесть стволов, калибр снаряда
20 мм, темп стрельбы — 6000 выстрелов в минуту.
19.2. ПРИЦЕЛИВАНИЕ ПРИ ВОЗДУШНОЙ СТРЕЛЬБЕ
Как известно, задача прицеливания при стрельбе неуправ-
ляемыми снарядами состоит в том, чтобы придать оси канала ствола
оружия такое направление, которое обеспечило бы попадание сна-
ряда в цель. При стрельбе из наземных установок (см. разд. 18.2)
это направление достигается с помощью поворота оружия в двух
взаимно перпендикулярных плоскостях: на азимутальный угол в го-
ризонтальной плоскости и угол возвышения — в вертикальной.
Для определения этих плоскостей на самолете необходимо исполь-
зовать специальное устройство (например, гировертикаль), что свя-
зано с увеличением массы и габаритов прицельной аппаратуры.
Погрешности работы гировертикали, естественно, скажутся на точ-
ности прицеливания. Поэтому при воздушной стрельбе в качестве
начала отсчета угла, определяющего правильное положение оружия,
принимают линию визирования на цель в момент выстрела.
Рис. 19.4 показывает, что, если на самолете, двигающемся со ско-
ростью Vc, отклонить ось канала ствола оружия (т. е. вектор Vo
начальной скорости снаряда относительно самолета) на угол
от линии визирования ОЦ, то задача прицеливания будет решена.
Снаряд начнет движение с абсолютной скоростью Vo. = Vo + Vc,
полетит по траектории, показанной пунктирной линией, понизится
на этой траектории под действием силы тяжести и поразит цель
в упрежденной точке Лу.
Угол фх» являющийся геометрической суммой углов упрежде-
ния фу, прицеливания а и угла скольжения снаряда pCIJ, в дальней-
шем будем называть суммарной угловой поправкой. Углы гру, а и РС!,
являются составляющими этой суммарной поправки. В общем слу-
чае плоскости построения составляющих не совпадают: фу должен
строиться в плоскости упредительного треугольника ОЦА?, а —
в вертикальной плоскости, а рсн — в плоскости векторов Vc и Vo.
На рис. 19.5 приведена схема прицеливания при стрельбе из не-
подвижных стрелковых установок
представляющий собой коллима-
торную систему, формирует изо-
бражение сетки прицела. Полу-
прозрачная плоскопараллельная
пластина-отражатель 7 отклоняет
лучи, выходящие из объектива
коллиматора, направляя их в глаз
стрелка 9. Таким образом, стре-
лок видит удаленное в бесконеч-
ность светящееся изображение
сетки прицела, состоящее из
прицельной марки 3 и точечного
. Оптический визир прицела 8,
Рис. 19.4. Суммарная угловая поправка
и ее составляющие
267
Рис. 19.5. Схема прицеливания при воздушной стрельбе из неподвижных установок
неуправляемыми снарядами
кольца 2. Поскольку отражатель 7 полупрозрачный, то стрелок
видит также пространство предметов, расположенное впереди.
Воображаемая линия, соединяющая глаз стрелка с изображе-
нием прицельной марки, называется линией визирования прицела.
В начальном положении, когда прицел не вырабатывает угловых
поправок, эта линия совпадает с оптической осью коллиматора и
называется нулевой визирной линией 5. Прицел устанавливается на
самолете так, что нулевая визирная линия параллельна оси 4 ка-
нала ствола оружия 6. (Строго говоря, между линиями 4 и 5 может
быть некоторый угол, необходимость которого определяется при при-
стрелке оружия. Однако этот угол очень мал и будем считать,
что нулевая визирная линия паралле'льна оси канала ствола
оружия.)
При выработке прицелом угловых поправок изображение сетки
прицела смещается, что вызывает поворот визирной линии. Между
нулевой 5 и смещенной 10 визирными линиями прицела появляется
некоторый угол, который при правильном вводе в прицел всех
исходных данных и правильной работе самого прицела равен суммар-
ной угловой поправке. При совмещении прицельной марки с целью 1
такой же угол образуется между направлением на цель и осью
канала ствола оружия, т. е. задача прицеливания решена.
Прицеливание при стрельбе из подвижных пулеметно-пушечных
установок производится аналогично. Разница состоит лишь в том,
что наложение прицельной марки на цель производится не разворо-
том всего самолета, а поворотом оружия вместе с установленным
на нем прицелом.
Таким образом, авиационный стрелковый прицел представляет
собой . комбинацию системы автоматических измерительных дат-
чиков, вычислителя и оптического визира. Датчики измеряют и
268
вводят в прицел все исходные
данные для стрельбы (дальность
до цели, высоту полета, углы
скольжения самолета и т. д.).
На базе введенных данных вы-
числитель вырабатывает сум-
марную угловую поправку, ко-
торая трансформируется визи-
ром в смещение прицельной
марки.
В нормальных условиях един-
ственной функцией стрелка
является непрерывное совмеще-
ние прицельной марки с целью.
Однако в том случае, если авто-
Рис. 19.6. Схема прицеливании при воз-
душной стрельбе из подвижных установок
матический канал измерения с дистанционным управлением
дальности с помощью дально-
мера активного типа по каким-либо причинам вышел из строя,
стрелку приходится выполнять еще одну операцию — обрам-
лять контуры цели изображением точечного кольца 2. Диа-
метр этого кольца, называемого дальномерным кольцом,
может изменяться с помощью соответствующей рукоятки при-
цела.
Несколько иначе может решаться задача при стрельбе из подвиж-
ных стрелковых установок дистанционного управления. В этом
случае орудие 3 и визир прицела 2 закрепляются в двухстепенных
кардановых подвесах, находящихся друг от друга на расстоянии р
(рис. 19.6). Линия визирования 1 прицела жестко фиксирована от-
носительно его корпуса и может поворачиваться лишь вместе с при-
целом. В течение нескольких секунд стрелок ведет прицельное сле-
жение за целью, управляя разворотом визира. При этом с прицель-
ного поста в вычислитель системы управления оружием поступают
данные об угловых координатах и угловой скорости цели. Одновре-
менно туда подаются также все остальные параметры, определяю-
щие условия стрельбы. Вычислитель определяет положение ствола
оружия, необходимое для попадания в цель. Оружие автоматически
устанавливается в это положение с помощью специальных при-
водов.
Прицел с неподвижной относительно корпуса линией визиро-
вания значительно более прост по устройству, хотя он также может
иметь внешнебазный дальномер. Такие прицелы применяются не
только при стрельбе из установок с дистанционным управлением,
а часто используются, например, при решении задачи запуска
управляемых снарядов класса «воздух—воздух» с оптическими го-
ловками самонаведения.
Естественно, что оптические прицелы могут использоваться лишь
в условиях видимости цели. Ночью, а также при прицеливании на
больших дальностях используются инфракрасные или радиолока-
ционные прицелы.
269
19.3. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПРИЦЕЛОВ
ВОЗДУШНОЙ СТРЕЛЬБЫ
В современных прицелах применяются оптические си-
стемы коллиматорного типа. Схема простейшего коллиматорного
прицела приведена на рис. 19.7. Сетка прицела 3, установленная
в фокальной плоскости объектива 2, подсвечивается малогабарит-
ной лампой 4. Сетка представляет собой стеклянную пластинку,
одна из сторон которой, обращенная к объективу, имеет непрозрач-
ное покрытие с вытравленными на нем перекрестием и несколькими
кольцами (рис. 19.8). Вторая сторона пластинки матирована, что
обеспечивает равномерное освещение сетки. Пройдя сетку, лучи
света поступают в объектив 2 и, отразившись от полупрозрачного
отражателя 1, попадают в глаз наблюдателя параллельным пучком.
Наблюдатель видит светящееся изображение перекрестия и колец,
удаленное в бесконечность.
Сетка прицела может быть сделана также из фольги с прорезан-
ными перекрестием и кольцами. Для равномерности освещения
металлической сетки между ней и лампой 4 ставят матовое стекло.
При выполнении габаритного расчета оптической системы при-
цела обычно требуется определить диаметры колец сетки, исходя
из данного углового размера каждого кольца. Расчетная формула
имеет вид:
£»K = 2/;6tg-^,
где Z)K — диаметр кольца; 6К — угловой размер кольца.
Особенности работы стрелка на борту самолета требуют, чтобы
его голова находилась на достаточном расстоянии от прицела (по-
рядка 200 ... 400 мм). При этом он должен видеть всю сетку прицела.
1
Рис. 19.7. Оптическая схема
коллиматорного прицела
Рис. 19.8. Сетка прицела
270
Из рис. 19.9 видно, что если поместить центр зрачка глаза
в точку А, то стрелок увидит кольцо сетки, диаметр которого ра-
вен DK. Причем в формировании изображения кольца на сетчатке
глаза будут участвовать лишь те лучи, которые находятся в заштри-
хованной области. При смещении зрачка глаза вверх на вели-
чину Z)3p. гл/2 наблюдатель не увидит край кольца, так как все лучи,
исходящие из точки Ь, не попадут в глаз. При смещении глаза вниз
на ту же величину стрелок не увидит другой край кольца (точку а).
Чем правее точки А находится глаз, тем меньше лучей от каж-
дой точки кольца попадает в глаз и тем меньше видимая яркость
кольца. При малейшем поперечном смещении глаза один из краев
кольца исчезает из поля зрения. Наконец, при расположении
центра зрачка глаза в точке At наблюдатель вообще не увидит кольца,
имеющего диаметр D,:.
Техническим заданием на разработку визира задается величина
углового размера наибольшего из колец сетки бках, определяемая
расчетным путем из условий применения прицела. При заданном
значении 8™ах максимально возможное удаление глаза стрелка
от прицела зависит от светового диаметра объектива. Чем больше
диаметр объектива, тем большее удаление глаза можно допустить.
Однако увеличение диаметра не должно вести за собой увеличение
фокусного расстояния объектива, так как это неблагоприятно ска-
жется на габаритах прицела. Поэтому в тех случаях, когда тре-
буется обеспечить большое удаление глаза стрелка от прицела, объ-
ектив должен быть достаточно светосильным.
Простейшие коллиматорные прицелы широко использовались
при воздушной стрельбе вплоть до второй мировой войны. Изобра-
жение перекрестия сетки использовалось как прицельная марка
271
Рис. 19.10. Оптическая схема полу-
автоматического прицела
Рис. 19.11. Схема для расчета переда-
точного коэффициента оптической си-
стемы прицела
при стрельбе, а кольца служили для приближенного учета поправ-
ки на упреждение. В настоящее время их применение ограничи-
вается задачами, решаемыми прицелами с неподвижной относи-
тельно прицела линией визирования (см. разд. 19.2).
На рис. 19.10 изображена оптическая схема полуавтоматиче-
ского прицела.
Зазор между тонкими металлическими сетками 3 и 4 дальномер-
ного механизма минимальный. Фокальная плоскость объектива 8
находится между сетками. Сетки устроены таким образом, что,
наблюдая в отражатель 9 прицела, видно в бесконечности светящееся
точечное кольцо с точкой в центре, причем диаметр кольца может
изменяться. При работе в условиях яркого фона оператор исполь-
зует откидной нейтральный светофильтр-/.
Зеркало 2 закреплено на роторе гироскопа построителя угловых
поправок (см. разд. 19.5) и имеет возможность поворачиваться
вокруг двух взаимно перпендикулярных осей на углы фв и <рг. На-
пример, при повороте зеркала на угол фв визирная линия прицела
поворачивается на угол фв в плоскости чертежа. Отношение фв/фв =
= и называется передаточным коэффициентом оптической системы
прицела. Для нахождения связи между передаточным коэффициен-
том и параметрами оптической системы воспользуемся рис. 19.11.
В целях упрощения расчетной схемы зеркало 7 и полупрозрач-
ный отражатель 9 из схемы, изображенной на рис. 19.10, исключены,
так как они изменяют лишь направление хода лучей, не влияя
на построение положения визирной линии прицела.
Нулевое положение этой линии определяется отрезком OAlt
соединяющим главную точку объектива (точку О) с изображением
центральной точки сетки прицела, формируемым поворотным зер-
калом при фв = 0. Поворот зеркала приводит к смещению изобра-
жения в точку Аг по дуге окружности с центром в точке В.
-пч
Угол AiBA-2 равен 2ф„. Соединив точку А2 с главной точкой объ-
ектива, получим новое положение визирной линии прицела, повер-
нутое относительно нулевого положения на угол фв. Из треуголь-
ника ОА2С найдем
, Л2с _ Rsin2(pB _ 7?sin2(pB
oAi — CAt ~ OAi — R(1 — cos 2<pB) ’
Поскольку AB BAlt to OAt = OB + BA ~ f'O6, а поэтому
'«*=?—, <I9J)
/об~ Л (1 — СО5 2фв)
откуда
фв = arctg lS,in2<P?9 - (19-2)
/об- K(i - cos2(pB)
Формула (19.2) показывает, что связь между углами <рв и фв
нелинейна. Однако при малых углах можно получить приближенную
формулу. Для этого выражение (19.1) представим в виде
. . ___ 2R sin фв cos <рв _ 2R tg <рв cos2 фв
/^-^(^^^в) fo6-R 0 ~ cos2<Pb) ’
Откуда найдем
tgyB _ /<^б ~ Q ~ cos 2ФВ)
tg Фв 2R COS2 фв
При малых углах, полагая tg <рв ~ <рв, tg фв ~ фв, cos 2фв ~
~ cos2 фв ~ 1,0, получим
9 = -х2- = -fe = const,
фв = ^ = -^-Фв. (19.3)
И /об
Таким образом, при малых углах
циент можно считать постоянным и
оптической системы.
Рассмотренная схема прицела
имеет весьма существенный недо-
статок. Он заключается в следу-
ющем. Если при повороте зеркала
на угол фв визирная линия прицела
смещается в плоскости чертежа, то
при повороте на угол фг ее пере-
мещение происходит по криволи-
нейной поверхности. Последнее
без принятия специальных мер
приводит к погрешностям построе-
ния суммарной угловой поправки.
Однако, если несколько видоиз-
менить оптическую схему прицела,
то эти погрешности могут быть
устранены. Такая схема изображе-
на, на рис. 19.12. Лучи света,
фв и фв передаточный коэффи-
зависящим только от параметров
Рис. 19.12. Измененный вариант опти-
ческой схемы полуавтоматического при-
цела
273
пройдя матовое стекло 5 сетки 4, 3 и полупрозрачное зерка-
ло 7, попадают на подвижное зеркало 2. Отразившись в обрат-
ном ходе от полупрозрачного зеркала 7, лучи попадают в объек-
тив 8. Таким образом, зеркало 7 работает дважды: в прямом
ходе лучей — на пропускание и в обратном — на отражение. По-
лезная световая энергия уменьшается в 4 ... 5 раз по сравнению со
схемой на рис. 19.9, поэтому осветитель здесь должен быть более
мощным. Кроме того, следует иметь в виду, что полупрозрачное
зеркало 7 в расходящемся пучке лучей вносит астигматизм. Для
его уменьшения подложку зеркала делают достаточно тонкой.
19.4. ДАЛЬНОМЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИЦЕЛОВ
ВОЗДУШНОЙ СТРЕЛЬБЫ
Дальность до цели является одним из важнейших пара-
метров, подлежащих определению при решении задачи прицелива-
ния. Поэтому быстрое и достаточно точное определение дальности
до цели во многом определяет эффективность воздушной стрельбы.
В основном режиме работы полуавтоматического прицела даль-
ность до цели вводится в вычислитель прицела от самолетного радио-
дальномера в виде электрического напряжения, пропорционального
этой дальности. При отказе радиодальномера включается в работу
оптический дальномер.
Оптические дальномерные устройства прицелов воздушной
стрельбы относятся к типу внешнебазных дальномеров. Схема, пояс-
няющая принцип действия внешнебазного дальномера применительно
к коллиматорному визиру прицела воздушной стрельбы, изображена
на рис. 19.13.
Наблюдая через отражатель прицела, стрелок видит цель, имею-
щую на расстоянии L угловой размер бц. Одновременно он видит
изображение кольца сетки прицела, имеющее угловой размер бк.
Изменяя размер изображения кольца так,.чтобы обрамить им кон-
туры цели (рис. 19.14), стрелок обеспечивает выполнение равенства
6Ц — бк, которое можно записать в виде
.6 :L — DK:f06-
Рис. 19.13. Схема работы внешнебазного даль- Рис. 19.14. Обрамление цели
номера прицела воздушной стрельбы дальномерным кольцом
274
Поскольку Б' = Б cos q, то получаем формулу, аналогичную (42.3),
4- = -^-/об cos q. (19.4)
В правую часть выражения (19.4) входят четыре величины.
Значение фокусного расстояния объектива прицела известно. Для
того, чтобы найти дальность до цели, необходимо определить базу
цели Б, курсовой угол цели q и диаметр DK кольца сетки.
Величина Б определяется по типу цели. Обнаружив цель и опре-
делив по характерным особенностям силуэта ее тип, оператор вруч-
ную вводит в прицел величину базы цели Б еще до начала прицели-
вания.
Величина D,: измеряется автоматически с помощью специаль-
ного датчика (например, потенциометра) в кинематической цепи ме-
ханизма изменения диаметра кольца сетки.
Наиболее трудно поддается измерению курсовой угол цели.
Ранние образцы прицелов воздушной стрельбы для определения
курсового угла были снабжены специальными устройствами — кур-
сомерами. Однако эти устройства имели чрезвычайно низкую точ-
ность.
Задача точного измерения курсового угла цели не решена и до
настоящего времени. Дальномер прицела рассчитывается на среднее
значение курсового угла qcv, что ведет к погрешностям в определе-
нии дальности. При расчете дальномера среднее значение курсового
угла подбирают так, чтобы эти погрешности были минимальны во
всем диапазоне возможных курсовых углов.
Поскольку на практике атака истребителя наиболее эффективна
для задней полусферы самолета-цели при небольших значениях
курсового угла, то значение cos qcp принимается близким к единице.
Найти относительную погрешность в определении дальности,
вызванную усреднением курсового угла цели, можно по формуле
AL __ L — L' __ cos q — cos gCp
L L cos q ’
где L — дальность, рассчитанная по формуле (19.4); L' — дальность,
рассчитанная по формуле (19.4) при q = </ср.
На рис. 19.15 приведена схема двухсеточного дальномерного
устройства.
Сетки 1 и 2 представляют собой непрозрачные диски с централь-
ным отверстием и прорезями. На сетке 1 нанесены радиальные про-
рези, а на сетке 2 — криволинейные (рис. 19.16), выполненные по
закону
r = roea<’1, (19.5)
где г0 и а — постоянные величины.
Сетка 1 связана с рукояткой 7 установки базы Б, а сетка 2.—;
с рукояткой 5 дальности и движком (щеткой) потенциометра 3.
При такой конструкции сеток в поле зрения прицела видны све-
тящееся точечное кольцо и центральная точка. Поскольку каждая
275
Рис. 19.16. Сетки дальномерного устрой-
ства
точка (точнее ромбик) образована пересечением радиальной и криво-
линейной прорези, то число точек кольца равно числу прорезей на
сетках. Относительный поворот сеток вызывает изменение диа-
метра точечного кольца.
Работа с таким дальномерным устройством сводится к следую-
щему. Определив тип цели, оператор рукояткой 7 по шкале 8 уста-
навливает базу цели, а вращением рукоятки 5 изменяет диаметр то-
чечного кольца, непрерывно обрамляя им цель.
Приведенные ниже расчеты показывают, что при соблюдении
этих требований угол поворота сетки 2, а следовательно, и угол
поворота движка потенциометра 3, функционально связаны с даль-
ностью до цели. Если потенциометр нелинейный, то с него можно
получить электрический сигнал, пропорциональный дальности.
Расчет двухсеточного дальномера содержит следующие этапы:
а) определение значений г0 и а\
б) определение связи между углом поворота сетки 1 и значе-
нием базы Б;
в) определение связи между углом поворота <р2 сетки 2 и значе-
нием дальности до цели L.
Для расчета задают 5га1п и 5п,ах цели; Lmln и Lfflax До цели; фокусное расстоя-
ние объектива f'0&, средний курсовой угол цели qcp, число прорезей на сетках k.
Для определения г0 и а необходимо найти минимальное н максимальное значе-
ния диаметра точечного кольца (£>min и Dmax). В соответствии с формулой (19.4)
имеем
^mln = P^/;6COSqc (19.6)
^max н
^max = 4T-^C0SW <19-7)
bmln 1
В соответствии с формулой (19.5) минимальный диаметр кольца получим при
<р = 0:
Ptnin = 2rmin — 2г0. (19.8)
Из выражений (19.6) и (19.8) имеем
fo = 2Lraax ^o6cos?cp' (19-9)
276
Максимальный диаметр дальномерного кольца будет иметь место при максималь-
ном угле взаимного разворота сеток, который ограничивается числом прорезей
2л Фтах — >
поэтому 2па п _2г _2гр— (19.10) ^тах — max —
Из выражений (19.8) ... (19.10) найдем „ 1м ^тах^'тах 9тт ft К Т zji A>minLmin
Таким образом, величины г0 и а найдены, т. е. уравнение криволинейных про-
резей сетки 2 определено.
Для нахождения зависимостей вида фг = / (Б) и q>2 = f (L) прологарифмируем
выражение (19.4) с учетом того, что q = gcp,
In DK = In Б — In L + In (/об cos gCp). (19.11)
Формулу (19.5) можно записать как
DK = 2r0ea<₽.
Логарифмируя это выражение, получим
In DK = In 2r0 + aq>.
Полный угол сдвига сеток <р есть не что иное как сумма углов <Pi и <р2, а поэтому
1п £>к = In 2г0 + Оф1 + а<р2- (19.12)
Приравнивая друг другу выражения (19.11) и (19.12), получим
1п Б — In I. 4- In (/об cos gCp) = In 2r0 + афт + яф2-
При Б — Бт1п угол ф1 = 0, а поэтому
1 . ^mln^o6cos^cp 1 । /-max (19.13)
ф2==~'П 27^ а ~Г"
При L = Ттах угол ф2 = 0, следовательно
m 1 , Ь(обс°Мср 1 . Б (19.14)
Ф1 =----In---57------— = — In -=-------- '
а ^тахГо « Oniln
Выражения (19.13) и (19.14) устанавливают связь между углами поворота сеток
и значениями Би/.. Имея этн зависимости и выбрав передаточные отношения кине-
матических цепей от сеток к рукояткам 5 и 7, можно рассчитывать шкалы баз н
дальностей.
Основной недостаток двухсеточного дальномерного устройства
заключается в том, что точность обрамления цели невысока, ввиду
малого количества точек в кольце (обычно их 8). Увеличить число
точек в двухсеточном дальномерном устройстве можно лишь за счет
увеличения числа прорезей сеток. Однако при этом уменьшается
значение <ртах. Если сохранить передаточные числа кинематических
цепей от сеток к рукояткам и реостату прежним, то ухудшается точ-
ность измерения дальности вследствие уменьшения масштабов ввода
277
Рис. 19.17. Схема построения
сплошного дальномерного
кольца
величин Б и L. Увеличение передаточ-
ных отношений приводит к росту габа-
ритов механизмов и появлению допол-
нительных погрешностей в кинематиче-
ских цепях.
Для увеличения числа точек в коль-
це (до 30) применяются трехсеточные
дальномерные механизмы. Однако наи-
лучшие условия для измерения даль-
ности обеспечиваются при сплошном
дальномерном кольце.
На рис. 19.17 приведена схема устрой-
ства, дающая возможность получить
изображение сплошного кольца. В фокаль-
ной плоскости объектива 1 прицела уста-
новлена ирисовая диафрагма 2 с поли-
рованной внутренней фаской. Фаска подсвечивается с помощью
торического рефлектора 3 несколькими лампами 4. Нерабочие по-
верхности диафрагмы 2 и шторки 5 покрыты матовой черной крас-
кой.
19.5. ГИРОМАГНИТНЫЕ ПОСТРОИТЕЛЕ
УГЛОВЫХ ПОПРАВОК
Гиромагнитные построители угловых поправок приме-
няются в прицелах воздушной стрельбы для отклонения визирной
линии прицела от ее нулевого положения на величину суммарной
угловой поправки. Конструкция гиромагнитного построителя по-
казана на рис. 19.18.
Корпус 18 построителя имеет форму стакана и изготовлен из
материала, имеющего хорошую магнитную проводимость. В дно
стакана вставляется диск 15 с четырьмя пермаллоевыми сердечни-
ками 16. Крышка 19 корпуса имеет четыре выступа 13, каждый из
которых располагается напротив своего сердечника. Между стенкой
корпуса и сердечниками 16 помещена обмотка 12. Вторая часть об-
мотки 12 размещается на выступах 13. Обе части обмотки соединены
между собой последовательно и образуют основную обмотку гиро-
скопического построителя.
На каждом из четырех сердечников 16 размещены обмотки 14.
Они соединены между собой попарно последовательно. Пара последо-
вательно соединенных обмоток 14 на верхнем и нижнем сердечниках
образуют вертикальную дополнительную обмотку построителя, а пара
соединенных таким же образом обмоток на боковых сердечниках —
горизонтальную дополнительную обмотку.
Между сердечниками 16 и выступами 13 есть зазор (~1,5 .мм),
в котором помещается сферическая чашка 17, жестко закреплен-
ная на одном конце валика 1. Другой конец валика заканчивается
лапками 8, к которым крепится зеркало 6. В лапки 8 ввернуты два
подшипника 5. В конические углубления подшипников входит
своими концами крестовина 7. Боковые концы крестовины таким же
278
образом входят в подшипни-
ки 9, закрепленные в щечках 10
шкива 11. Шкив крепится
к внутреннему кольцу 3 ша-
рикового подшипника. Наруж-
ное кольцо 2 этого подшипника
закреплено на крышке корпуса
построителя поправок. Через
тросик 4 валик 1 приводится
во вращение вокруг оси х от
электродвигателя. Помимо этого
валик вместе с крестовиной
может поворачиваться в под-
шипниках 9 вокруг оси z и от-
носительно крестовины вокруг
оси у в подшипниках 5.
Рис. 19.18. Гиромагнитный построи-
тель угловых поправок
Описанное устройство является гироскопом с тремя степенями
свободы (трехстепенный гироскоп). Вращающиеся с большой ско-
ростью относительно оси х элементы составляют ротор гироскопа.
Ось х называется осью ротора, а вращение вокруг нее — собствен-
ным вращением гироскопа. Система подвижного закрепления ротора
гироскопа называется трехстепенным кардановым подвесом. Точка
пересечения осей х, у, z (точка О) является центром подвеса, относи-
тельно которой гироскоп статически и динамически сбалансирован.
Центр шаровой поверхности чашки 17 находится в центре подвеса.
Зеркало 6 является частью оптической системы прицела (см.
поз. 2 на рис. 19.10 и 19.12). Вращение зеркала вокруг оси х, пер-
пендикулярной его отражающей поверхности, не вызывает измене-
ния направления отраженных зеркалом лучей, в то время как по-
ворот вокруг осей у и z к такому изменению приводит, т. е. визир-
ная линия прицела поворачивается в пространстве. Задачей гиро-
магнитного построителя угловых поправок является построение
такого угла поворота оси ротора гироскопа (а следовательно, и зер-
кала 0, чтобы поворот визирной линии был равен суммарной уг-
ловой поправке.
Поскольку принцип работы построителя базируется на основных свойствах
трехстепенного гироскопа, то прежде чем переходить к рассмотрению построения
суммарной угловой поправки, кратко остановимся на этих свойствах.
Если на ротор гироскопа не действует никакого внешнего момента относительно
любой оси, не совпадающей с осью собственного вращения, то ось вращения ротора
сохраняет свое направление в пространстве неизменным. Это положение отражает
стабилизирующее свойство гироскопа и широко используется при создании гиро-
стабилизаторов для систем навигации и ориентации летательных аппаратов, головок
самонаведения, гировертикалей прицелов бомбометания и т. д.
При наличии внешнего воздействия ось ротора гироскопа изменяет свое поло-
жение в пространстве. Это изменение, называемое вынужденным движением или
прецессией, происходит в течение всего времени, пока существует внешнее воздей-
ствие. С его прекращением ось гироскопа останавливается и вновь стабилизируется,
но уже в новом положении, соответствующем моменту прекращения воздействия.
Плоскость прецессии гироскопа всегда перпендикулярна плоскости действия
внешнего момента. На рис. 19.19 показано, что на чашку ротора гироскопа построи-
теля поправок воздействует некоторая сила R, вызывающая момент М — Rr отно-
279
Рис. 19.19. Схема определения направ-
ления прецессии гироскопа
мента обычно направляется так, чтобы,
этим моментом вращение против часово
сительно центра подвеса ротора 0. Пло-
скость действия момента совпадает с пло-
скостью хОу. и если бы ротор не имел вра-
щения со скоростью Q (т. е. не являлся
бы ротором гироскопа), то он повернулся
бы также в этой плоскости и чашка опу-
стилась бы вниз.
При воздействии такого же момента
на вращающийся ротор его прецессия про-
исходит в плоскости хОг. Общее правило
нахождения направления прецессии со-
стоит в следующем. Вначале определяют
направление вектора И момента собствен-
ного вращения ротора (кинетического мо-
мента ротора). (Напомним, что вектор мо-
глядя с конца вектора, видеть вызываемое
г стрелки.) Затем определяют аналогичным
образом направление вектора Л4 внешнего момента. Прецессия ротора гироскопа
всегда происходит в направлении совмещения вектора Н с вектором /И по кратчай-
шему пути, т. е. в данном случае ротор прецессирует в плоскости хОг в направлении,
указанном на рис. 20.19 стрелкой <опр-
Величина угловой скорости прецессии тем больше, чем больше внешний мо-
мент М и меньше кинетический момент И. В общем случае она зависит также от угла
между векторами М и Н и определяется формулой
<°пр = sin (М Н).
В гиромагнитном построителе угловых поправок сила R, действующая на ротор
гироскопа, возникает при взаимодействии вращающейся чашки с магнитным полем
и всегда приложена к центру чашки, поэтому угол между векторами МнН равен
909 и, следовательно,
М.
®np~ Н ‘
Построение угла упреждения. Основная обмотка построителя 12
(см. рис. 19.18) подключена к источнику питания. Ток 10 основной
обмотки создает магнитное поле, которое имеет форму четырех
(по числу сердечников 16) замкнутых магнитных потоков. Каждый
из потоков пронизывает сердечник, пересекает воздушный зазор,
в котором вращается чашка 17 ротора гироскопа, проходит вы-
ступ 13, крышку 19 и замыкается через корпус 18 и диск 15.
Вращаясь, чашка пересекает магнитные потоки и в ней наводятся
короткозамкнутые вихревые токи, которые создают еще одно магнит-
ное поле. Взаимодействие этого поля с основным полем приводит
к возникновению четырех сил Pt (i = 1, 2, 3, 4), тормозящих враще-
ние чашки. Величина каждой из сил зависит оттока /0 и расстояния at
от центра чашки до оси соответствующего сердечника.
В нулевом положении, когда ось ротора параллельна осям
сердечников, все расстояния at равны между собой, т. е. ах = а2 =
= а3 = ai = а (рис. 19.20). Следовательно, Рг = Р2 = Р3 = =
= Р и на чашку действует тормозной момент Л4Т — 47э<з, преодоле-
ваемый электродвигателем.
В режиме прицеливания по цели, перемещающейся в относитель-
ном движении с угловой скоростью, прицел разворачивается. Магнит-
280
ная система поворачивается вместе с
прицелом, а ось ротора гироскопа в си-
лу его стабилизирующего свойства
стремится сохранить свое положение.
Между осью ротора и осями сердечни-
ков появляется некоторый угол рассо-
гласования <р и взаимное расположение
сердечников и чашки изменяется. Нару-
шается равенство расстояний ait а сле-
довательно, и сил Pt. Помимо тормоз-
ного момента появляется равнодейству-
ющая R сил Pt, которая создает внеш-
ний момент М относительно центра под-
Z
Рис. 19.20. Начальное взаим-
ное расположение сердечни-
ков и чашки ротора гироскопа
веса ротора.
Плоскость действия момента всегда перпендикулярна плоскости
разворота прицела, а прецессия гироскопа под действием этого
момента происходит в плоскости разворота и направлена в ту же
сторону. Величина силы R, момента М, угловой скорости пре-
цессии (£>пр пропорциональны углу гр и обратно пропорцио-
нальны квадрату тока /0.
В начальный момент разворота возникает небольшой угол рас-
согласования ф (например, равный фх) и ротор начнет прецессиро-
вать также с небольшой скоростью <впр = а>х. Если угловая скорость
разворота прицела соп > (щ, то угол ф, а следовательно и <опр уве-
личиваются, достигая в следующий момент времени значений ф2
и <в2. При <вп = const и /0 = const процесс увеличения ф и <впр про-
исходит до тех пор, пока при некотором вполне определенном зна-
чении ф = ф* скорость прецессии ®пр не сравняется со скоростью
разворота прицела <вп. В дальнейшем прицел и ротор гироскопа бу-
дут поворачиваться с одинаковыми угловыми скоростями в одном
и том же направлении, причем ротор отстает от прицела на постоян-
ный угол ф*. Величина ф* тем больше, чем больше <вп и чем меньше /0.
Режим работы прицела, в котором ипр = = const и ф =
= Ф* = const, назовем установившимся режимом в отличие от
неустановившегося режима, когда ф и <вггр непрерывно изменяются.
Таким образом, в установившемся режиме подвижное зеркало
визира (см. поз. 2 на рис. 19.10 и 19.12) оказывается повернутым
на угол ф*, а визирная линия прицела— на угол гр* = ф*/р 1см.
формулу (19.13)] относительно своих нулевых положений. Для того
чтобы угол ф* был равен углу упреждения, определяемому форму-
лой (18.6), необходимо выполнить два условия:
— разворачивать прицел так, чтобы непрерывно совмещать при-
цельную марку с целью;
— ток /0 должен определенным образом соответствовать величине
фиктивного полетного времени
При выполнении этих условий
ф* = фу = <Оц/ф,
(19.15)
т. е. равен требуемому значению угла упреждения (см.формулу (18.6)].
281
Установившийся режим работы прицела возможен лишь при по-i
стоянных значениях ип и /0. Однако в реальных условиях угловая]
скорость цели ®ц и полетное время переменны, а следовательно,]
при прицеливании (оп const и /0 =7^ const. Угол <р и скорость пре-.'
цессии о)„р непрерывно изменяются, т. е. в течение всего этапа при-
целивания и стрельбы сохраняется неустановившийся режим работы
прицела. В этих условиях рабочая формула прицела при построе-
нии угловой поправки ф с помощью основных обмоток имеет вид
дифференциального уравнения
ф = 1®ц — (р — 1) фПф. (19.16)
Сравнение (19.16) с (19.15) показывает, что угловая поправка*
равна углу упреждения только в том случае, когда передаточный-
коэффициент ц визира прицела равен единице. При р =^= 1 прицел
строит угол упреждения с погрешностью, называемой динамиче-,
ской ошибкой.
В установившемся режиме (когда <р = <р* = const, ф = ф* =:
— const) ф = 0 и ошибка отсутствует при любом значении р.
Построение угловых поправок при помощи дополнительных;
обмоток. С помощью основной обмотки угловая поправка строится-
лишь в том случае, когда ®ц 0, и при прицеливании прицел раз-1
ворачивается. С точки зрения построения угла упреждения такой
принцип выработки поправок вполне оправдан, так как при ®ц = О
(атака в хвост или лобовая атака) строить угол упреждения не нужно.
Однако для решения задачи воздушной стрельбы прицел должен
вырабатывать и другие поправки, причем независимо от того, раз-
ворачивается прицел в режиме прицеливания или нет. К таким по-
правкам относится угол прицеливания а и угол скольжения сна-
ряда рсн.
Для построения этих поправок служат дополнительные обмотки 14
(см. рис. 19.18), размещенные на каждом из четырех сердечников 16.
Обмотки верхнего и нижнего сердечников (рис. 19.21, а) соединены
последовательно и имеют противоположную намотку (на нижнем
цо часовой стрелке, на верхнем — против), поэтому при токе /д
в них магнитный поток, создаваемый основной обмоткой, в одном
сердечнике увеличивается, а в другом уменьшается. При изменении
направления тока ГД его влияние на потоки в сердечниках изме-
няется на обратное. Аналогичное действие на потоки в боковых
(горизонтальных) сердечниках оказывает ток ГД в обмотках этих
сердечников.
Рис. 19.21, а соответствует случаю, когда /® 0, а 1Д = 0.
Магнитные потоки в боковых сердечниках одинаковы иопреде-
ляются током /0 в основной обмотке. Потоки в верхнем и нижнем
сердечниках неодинаковы: в верхнем — меньше, в нижнем — больше.
Следовательно, на чашку действуют силы Р2 = и Р» > Р±. Они
дадут равнодействующую, направленную по оси z и создающую внеш-
ний момент относительно центра подвеса ротора гироскопа, и ро-
тор начнет прецессировать.
282
Рис. 19.21. Схема работы дополнительных обмоток построителя угловых поправок
При наличии тока в дополнительных обмотках одной пары сер-
дечников прецессия гироскопа происходит всегда в плоскости, про-
ходящей через оси этих сердечников. Направление прецессии та-
ково, что чашка смещается в сторону сердечника, где магнитный
поток больше.
При /д = 0 и /д =т^= 0 (рис. 19.21, б) чашка сместится в сторону
нижнего сердечника. Поскольку величина каждой силы зависит не
только от потока в сердечнике, но и от расстояния от центра чашки
до центра сердечника, то сила Ps уменьшается, а сила Рг увеличи-
вается. Силы Р.х и /54, оставаясь равными друг другу, несколько из-
менят свои направления (так как силы всегда действуют перпендику-
лярно отрезкам, соединяющим центр чашки с центрами сердечни-
ков). При некотором вполне определенном и зависящем от тока /д
смещении А чашки (а следовательно, и угле поворота ротора гиро-
скопа) равнодействующая исчезнет и прецессия прекратится.
Если /д = 0, а /д =7^= 0, чашка в зависимости от направления
тока /д смещается в сторону одного из боковых сердечников. При
пропускании тока в обеих парах обмоток ротор гироскопа прецес-
сирует в наклонной плоскости, положение которой зависит от со-
отношения токов /д и /д. Величина этих токов автоматически из-
меняется так, чтобы поворот ротора привел к построению нужной
поправки по ее двум ортогональным составляющим в плоскостях,
проходящих через оси каждой пары сердечников.
При одновременной работе основной и обеих пар дополнитель-
ных обмоток ротор гироскопа поворачивается на такой угол, ко-
торый обеспечивает построение суммарной угловой поправки ф2,
19.6. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПРИЦЕЛА
ДЛЯ НЕПОДВИЖНОГО ОРУЖИЯ •
Для уяснения взаимодействия всех узлов прицела рас-
смотрим функциональную схему прицела для неподвижного оружия,
изображенную на рис. 19.22. Неподвижное стрелково-пушечное
283
Рис. 19.22. Функциональная схема прицела для неподвижного оружии
вооружение применяется на истребителях, где летчик одновременно
является и стрелком, а прицеливание осуществляется разворотом
всего самолета.
При обнаружении цели летчик определяет ее тип и устанавливает
в дальномерном механизме базу цели Б. Затем производит сближение
с целью на дальность огня и, воздействуя на органы управления
самолетом, совмещает центральную точку сетки прицела с целью.
Одновременно производится обрамление цели дальномерным коль-
цом. Чтобы не усложнять пилотирование, рукоятка изменения
диаметра DK дальномерного кольца устанавливается на одном из
органов управления самолетом. При введенных Б и DK дальномер-
ный механизм вырабатывает дальность цели L, которая при соответ-
ствующем положении переключателя П поступает в вычислитель
прицела.
Второе положение переключателя обеспечивает автоматический
(основной) режим ввода дальности в прицел от радиодальномера.
Датчики высоты и скорости полета самолета непрерывно изме-
ряют и вводят в вычислитель значения Н и Vc. Баллистические
параметры оружия введены в вычислитель заранее, при установке
прицела на борт самолета.
Необходимость ввода в вычислитель величины L и Vc объясняется тем, что они
непосредственно входят в формулу (18.6) для фиктивного полетного времени сна-
ряда (ф, в функции которого должны изменяться токн в обмотках построителя по-
правок. Баллистические параметры оружия и высота полета (в силу изменения плот-
ности воздуха с высотой) влияют на полетное время t0, также входящее в эту формулу.
На базе введенных данных вычислитель управляет величиной
токов обмоток построителя поправок. В основную обмотку 1^о посту-
пает ток /0, а в дополнительные обмотки и —токи /д и /д.
284
Корпус построителя вместе с прицелом разворачивается при при-
целивании с угловой скоростью ип, равной при стрельбе из непо-
движного оружия угловой скорости разворота самолета. В этих
условиях построитель обеспечивает поворот подвижного зеркала
оптической системы прицела на такой угол <р, который приводит
к отклонению визирной линии прицела на величину суммарной
угловой поправки ф2.
19.7. АВИАЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
Эффективное и надежное использование автоматических
систем во многих случаях невозможно без участия человека. Осо-
бенно это относится к авиации и космонавтике, где оператор по
праву занимает центральное место в сложных системах управления.
Его логическая способность, высокая селективность, дар предвидения
событий, способность планировать действия и оперативно принимать
решения в условиях резко изменяющихся ситуаций являются опре-
деляющими факторами успешного выполнения поставленной задачи.
Включение человека-оператора в контур управления означает,
что он должен иметь возможность активно участвовать в процессе
управления на любом режиме работы автоматической системы.
Для решения этой проблемы оператор должен получать всю
необходимую ему информацию, причем в той форме, которая для него
наиболее удобна, т. е. обеспечивает наилучшие условия взаимо-
действия человека с управляемой им машиной. Отображение инфор-
мации, предназначенной для оператора, осуществляется с помощью
индикатора, расположенного на приборной панели кабины. Рост
скоростей, расширение диапазона высот полета самолетов, усложне-
ние тактики их применения —все это потребовало увеличения инфор-
мации о состоянии объекта управления и его взаимодействия с окру-
жающей средой и, как следствие, увеличения числа индикаторов.
Приборная панель современного самолета занимает практически
всю переднюю стенку кабины под ее остеклением (рис. 19.23).
Рис. 19.23. Приборная панель и органы управлении самолета
285
Рис. 19.24. Принципиальная схема кол-
лиматорного авиационного индикатора
В то же время практика показы-
вает, что npif выполнении конкрет-
ного режима полета вся инфор-
мация, сосредоточенная на при-
борной панели, летчику не нужна.
Избыточность ее представления
затрудняет отбор нужных сведе-
ний и резко снижает темп работы
оператора, что в условиях острого
дефицита времени на скоростном
самолете чревато возникновением
аварийных ситуаций.
Одним из путей решения этой
важной проблемы является при-
менение оптических индикато-
ров. Наибольшее распространение
в авиации получили коллиматор-
ные и проекционные индикаторы.
Основой первого из них, полу-
чившего за рубежом наименование
«индикатор на лобовом стекле»,
является коллиматорный визир,
применяемый в прицелах воз-
душной стрельбы. Индикатор
(рис. 19.24) состоит из отражате-
ля 1,объектива 2, полупрозрачного
зеркала-смесителя 3, наборных
полей 4 и И, представляющих
собой оправы, в которых закреплены выходные торцы гибких жгу-
тов 10 оптических волокон. Входные торцы этих жгутов установлены
вплотную к элементам, непосредственно определяющим вид отобра-
жаемой информации. Такими элементами могут быть, например,
шкала 9 или пластинка 5. Шкала имеет прозрачную оцифровку
и может поворачиваться с помощью следящей системы, управляемой
от измерителя соответствующего информационного параметра (ско-
рости или высоты полета, скорости снижения или набора высоты,
курса самолета и т. д.). Пластинка 5 непрозрачна и имеет два фикси-
рованных положения, в одном из которых у входного торца одного
из жгутов (10) устанавливается вырез специальной геометрической
формы, символизирующий определенную ситуацию (выпуск шасси,
недостаток горючего, достижение критической высоты й т. д.). Под-
светка элементов осуществляется от одного источника 6 через кон-
денсор 7 и жгуты световодов 8.
Кратко остановимся на работе оптических волокон, из которых состоят жгуты.
Каждое волокно (рис. 19.25) представляет собой очень тонкую нить, состоящую из
световедущего сердечника (жилы) и тонкостенной оболочки. Показатель преломле-
ния материала нити щ больше показателя преломления материала оболочки п2.
Поэтому луч, входящий в световод под углом и, не превышающим некоторого пре-
дельного значения umax, при попадании на границу раздела жила—оболочка испы-
тывает полное внутреннее отражение. Величина щ sin итах, где пс — показа-
286
Рис. 19.25. Ход лучей в оптическом волокне
тель преломления среды,
апертурой волокна. Она
с которой граничит входной торец, называется числовой
определяется формулой

Волокна изготавливаются из обычного или специального (для световодов ИК
приборов) оптического стекла, кварца, кристаллических материалов (например,
сапфира), а также различных полимеров.
Диаметр сердечника нити обычно колеблется от 5 до 50 мкм при толщине обо-
лочки от 0,5 до 5 мкм. Такие волокна, изготовленные даже из стекла или кварца,
обладают гибкостью и могут изгибаться с минимальным радиусом закругления по-
рядка 100 ... 200 радиусов поперечного сечения волокна. Механическая прочность
гибких волокон допускает до миллиона циклов изгиба. Числовая апертура изогну-
того волокна несколько меньше, чем прямого и определяется формулой
Аи Л0-2п2-^->
где D — диаметр волокна; R — радиус изгиба.
В гибком жгуте может быть до нескольких десятков миллионов нитей. Концы
нитей вблизи входного и выходного торцев прочно скрепляются между собой с по-
мощью эпоксидных смол или спекания и заключаются в специальную оправу, а сами
торцы после этого шлифуются и полируются. По числу торцев жгуты могут быть
простыми (рис. 19.26, а) и расщепленными, когда есть один входной (выходной) и
несколько выходных (входных) торцев (рис. 19.26, б) или несколько входных и не-
сколько выходных торцев (рис. 19.26, в).
Форма торцев жгута может быть одинаковой (рис. 19.27, а, б, г) и разной
(рис. 19.27, д, е). По характеру укладки волокон жгуты делятся на регулярные
(когда концы каждого волокна на входном и выходном торцах занимают строго оди-
наковые места, а волокна, как правило, лежат в жгуте правильными слоями), не-
регулярные (соответствия между положением волокна на входном и выходном тор-
нах нет) и жгуты, у которых волокна на входном и выходном торцах расположены
но вполне определенным закономерностям.
Нерегулярные жгуты могут лишь передавать электромагнитную энергию и
служат обычно для подсветки. По регулярным жгутам можно передавать изображение
с входного торца на выходной с соответствующим уменьшением или увеличением
изображения, при использовании, например, конического жгута (рис. 19.27, б).
С помощью жгутов третьего типа осуществляют уже более сложное преобразование
изображения, сформированного на входном торце.
Рис. 19.26. Типы жгутов оптических волокон
287
Рис. 19.27. Формы торцев жгутов оптических волокон
Рис. 19.28. Принципиальная схема
прицельно-пилотажного индикатора
288
[ JB авиационных оптических индикаторах на самолетах «Трис-
тар», F-14 применяются I как [нерегулярные жгуты (жгуты 8 на
рис. 19.24), обеспечивающие подсветку, [так иррегулярные жгу-
ты (10). Изображение на”входных торцах жгутов 10 образуется
так же, как при контактной фотопечати, поскольку эти торцы распо-
ложены практически вплотную к шкале 9 и транспаранту 5. Выход-
ные торцы этих жгутов объединены в наборные поля 11 и
установлены в совмещенных фокальных^плоскостях[объектива 2.
На военных самолетах «Ягуар», F-111A применяются комбиниро-
ванные прицельно-пилотажные индикаторы (рис. 19.28). Верхняя
часть прибора представляет собой
прицел воздушной стрельбы (срав-
ните с рис. 19.12), а в нижней части
установлены дополнительное полу-
прозрачное зеркало и два поля для
отображения пилотажной инфор-
мации.
На основании изложенного основ-
ные преимущества применения кол-
лимационных индикаторов на борту
самолета можно сформулировать
следующим образом:
— вся необходимая оператору
информация сосредоточена в пре-
делах поля обзора, значительно
меньшего, чем поле обзора прибор- V
ной доски кабины;
—возможность отображения лишь
той информации, которая необхо- \
дима оператору при выполнении
данного режима полета, с соответ-
ствующим изменением ее содер-
жания при переходе к другому
режиму;
Рис. 19.29. Принципиальная схема проекционного индикатора навигационной об-
становки
— отпадает необходимость в переводе взгляда с находящейся
впереди окружающей обстановки на приборную доску и обратно
с соответствующей переаккомодацией глаза.
Самолетный проекционный индикатор представляет собой
(рис. 19.29) специализированный малогабаритный проектор с про-
светным’экраном 10, укрепленным на приборной панели кабины.
Проекционный объектив 7 с помощью осветителя, состоящего из
лампы 2, рефлектора 1, конденсора 3 и теплофильтра 5, формирует
на экране цветное изображение карты местности, над которой про-
летает самолет. Носителем информации является замкнутая кино-
пленка 14, реверсивно перемещающаяся в кадровом'окне 6 с помощью
лентопротяжного механизма, состоящего из зубчатых барабанов 4
с электроприводом и натяжного ролика 15. В свою очередь, ленто-
протяжный механизм вместе с пленкой имеет возможность реверсив-
ного перемещения в направлении, перпендикулярном чертежу.
Вращающаяся вокруг оси объектива призма Пехана 8 обеспечивает
поворот изображения в соответствии с изменением курса самолета.
Таким образом, глядя на экран, летчик в любой момент времени
может определить местоположение самолета относительно земной
поверхности.
Второй проекционный канал индикатора состоит из электронно-
лучевой трубки (ЭЛТ) 13, зеркального объектива 11 и полупрозрач-
ных зеркал 9 и 12. Этот канал служит для наложения на изображение
карты местности информации, формируемой на экране ЭЛТ (сигна-
лов станций наземного наведения, информации об изменении теку-
щей обстановки на маршруте и т. д.).
Существуют индикаторы, в которых наложение изображе-
ний осуществляется непосредственно на экране ЭЛТ. В этом
случае колба трубки имеет с тыльной стороны герметизиро-
ванное окно, через которое на экран проецируется изображение
карты.
10 С. В. Кулагин и др. 289
ГЛАВА 20
ОПТИЧЕСКИЕ ИМИТАТОРЫ ВИЗУАЛЬНОЙ ОБСТАНОВКИ
АВИАЦИОННЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ
20.1. ЗНАЧЕНИЕ МОДЕЛИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ
В СОЗДАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
Тренажером называется комплекс устройств, предна-
значенный для тренировки операторов по управлению различными:
объектами (самолетами, космическими кораблями, автомобилями
и т. д.). Эта тренировка проводится в лабораторных условиях, кото-:
рые, однако, должны быть максимально приближены к условиям
реальной эксплуатации того или иного объекта управления. Поэтому
тренажер включает в себя кабину оператора, которая полностью
подобна реальной. Воздействия оператора на органы управления
передаются в счетно-решающее устройство тренажера, воспроиз-^
водящее динамику поведения объекта, которая отражается в показа-
ниях приборов. В тренажерах с подвижной кабиной (она устанавли-
вается в этом случае на динамическом стенде, обеспечивающем
линейные и угловые перемещения кабины в ограниченных диапазо-
нах)_счетно-решающее устройство управляет также работой всех
приводов стенда. Как правило, в состав тренажера входит пульт
для инструктора, который оперативно контролирует действия опе-
ратора по управлению объектом.
Поскольку поведение объекта в реальных условиях восприни-.,
мается и оценивается оператором прежде всего как изменение поло-
жения наблюдаемых им элементов внешней среды, то одной из важ-
нейших составных частей тренажера является имитатор визуальной
обстановки (ИВО). Задачами ИВО в зависимости от назначения
тренажера могут являться имитация участков Земли, Луны или
планет, звездного неба, облачности, линии видимого горизонта,
быстродвижущихся малоразмерных объектов, перемещающихся в ши-
роких пределах изменения их относительных координат. Имитатор
должен обеспечить возможность изменения условий видимости по
причинам метеорологического характера, из-за солнечных засветок,
измепения психофизиологического состояния оператора (например,
вследствие воздействия перегрузок).
Таким образом, тренажер воспроизводит (моделирует) целый ряд
физических явлений, сопровождающих процесс управления движу-
щимся объектом, т. е. является моделирующим комплексом. Область
применения таких комплексов не ограничивается задачами трени-
ровки операторов. Они широко используются также для решения
следующих проблем:
1) лабораторной отработки выпускаемых промышленностью си-
стем управления с целью повышения их качества, сокращения сроков
изготовления и времени на проведение дорогостоящих испытаний
в реальных условиях их эксплуатации;
290
2) постановку широких экспериментальных исследований,
направленных на создание перспективных систем управления;
3) проведение исследований в области эргономики, т. е. науки,
изучающей и оптимизирующей процессы взаимодействия оператора
с управляемой им машиной.
Экономическая эффективность тренажерных моделирующих
комплексов ’характеризуется независимостью тренировки от метео-
рологических условий, времени суток и года, т. е. сокращением ее
сроков, меньшим обслуживающим персоналом, отсутствием износа
материальной части реальных объектов управления, экономией
энергоресурсов. На тренажере можно многократно повторять нуж-
ный этап тренировки и проводить тренировки в аварийных ситуациях
при практической безопасности оператора, объективно контролиро-
вать процесс обучения и т. д.
20.2. ИМИТАТОРЫ ВИЗУАЛЬНОЙ ОБСТАНОВКИ
АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ
ИВО авиационных тренажеров можно разделить на две
группы: проекционные и коллимационные. Первые из них создают
изображение визуальной обстановки на экране, устанавливаемом
перед кабиной оператора. Во втором случае изображение коллими-
руется и наблюдается оператором в бесконечности, что более соот-
ветствует реальным условиям.
На рис. 20.1 изображена схема проекционного имитатора для
моделирования относительного перемещения самолета-цели. Ими-
татор включает в себя трехстепенный кардановый подвес 1, в котором
установлена небольшая (в несколько миллиметров) объемная мо-
дель 2 самолета, геометрически подобная реальной цели. Несколько
осветителей 3 подсвечивают модель так, что отраженные ею световые
лучи поступают в оптическую проекционную систему 4 и далее,
отражаясь от неподвижного 5 и поворотного 6 зеркал, создают на
Экране 7 изображение 8 модели.
Таким образом, имитатор использует принцип эпископической
проекции. Для повышения светотехнических характеристик имита»
тора модель имеет покрытие с высоким коэффициентом диффузного
отражения. Поворот модели по трем осям подвеса воспроизводит
развороты корпуса цели вокруг ее центра тяжести, а поворот
зеркала 6 вокруг двух взаимно перпендикулярных осей вызывает
перемещение изображения по экрану.
, Компоненты проекционной системы имеют возможность пере-
мещаться в осевом направлении, чем обеспечивается изменение
размеров изображения, т. е. имитация дальности.
Поскольку перемещение изображения по экрану должно осуще-
ствляться в достаточно широком диапазоне, то в авиационных тре-
нажерах обычно используется сферический экран. Причем кабина 9
относительно экрана устанавливается так, что голова оператора
находится вблизи центра сферы. Это обстоятельство накладывает
специфические особенности на работу проекционной системы- Так
ПО* , 281
Рис. 20.1. Принципиальная схема
проекционного имитатора цели
Рис. 20.2. Принципиальная^* схема
коллимационного имитатора ви-
зуальной обстановки
как зеркало 6 оказывается смещенным из центра сферы (величина
этого смещения определяется габаритами кабины), то при его вра-
щении изменяется расстояние от центра подвеса зеркала до изобра-
жения. При использовании в имитаторе обычной панкратической
проекционной системы неизбежно возникнет расфокусировка изоб-
ражения. Поэтому осевое перемещение компонентов панкратики
осуществляется так, что одновременно с изменением ее увеличения
компенсируется возникающая дефокусировка, т. е. оптическая
система имитатора является системой переменного увеличения с изме-
няющимся проекционным расстоянием. Отметим, что в некоторых
схемах имитаторов для реализации такой системы, наряду с осевым
перемещением оптических компонентов проектора, используется
также осевое перемещение всей системы подвеса модели вместе с осве-
тителями.
Управление перемещением всех подвижных элементов имитатора
осуществляется от счетно-решающего устройства тренажера. На вход
этого устройства поступают сигналы из кабины от органов управле-
ния самолетом, а также параметры движения цели, которые задает
и может изменять в процессе тренировки инструктор. Таким образом,
перемещение изображения по экрану воспроизводит картину отно-
сительного движения цели, наблюдаемую оператором в реальных
условиях.
Для имитации фоновой обстановки (облачности, горизонта, уча-
стков земной поверхности) в состав проекционного ИВО входят
другие имитаторы, использующие принципы диаскопической или
теневой проекции; они расположены также вне кабины.
Схема коллимационного ИВО показана на рис. 20.2. Изображе-
ние визуальной обстановки с помощью одного или нескольких про-
екторов 1 формируется на диффузно-отражающем экране 2. Отражен-
ные экраном лучи попадают на большое зеркало 3, радиус кривизны
которого достигает нескольких метров. Зеркало коллимирует изоб-
ражение, и оно наблюдается оператором в бесконечности. Попереч-
?92
ные размеры зеркала и экрана 2 определяются размерами поля
обзора, которое может наблюдать оператор в реальных условиях
через переднее и боковое остекление кабины самолета.
20.3. ОПТИЧЕСКИЕ ИМИТАТОРЫ КОСМИЧЕСКИХ
ТРЕНАЖЕРОВ
В космических тренажерно-исследовательских ком-
плексах оптические имитаторы применяются при моделировании
различных этапов полета космического корабля. К ним относятся
такие этапы, как полет по орбите Земли, маневрирование, причали-
вание и стыковка двух космических кораблей, взлет и посадка на
Землю или другую планету и т. д.
По способу представления визуальной информации оператору
ИВО космических тренажеров можно разбить на три группы. Если
в реальных условиях оператор осуществляет ручное управление
кораблем или контроль за действием автоматической системы на-
ведения, используя телевизионную информацию, выходным устрой-
ством имитатора является электронно-лучевая трубка (кинескоп),
а сам имитатор относится к типу оптико-телевизионных ИВО. При
управлении или контроле с использованием оптических приборов-
(например, секстантов, визиров и т. п.) изображение, формируемое
ИВО, должно вводиться в поле зрения такого прибора. К третьей
группе относятся ИВО, которые формируют изображение визуаль-
ной обстановки, наблюдаемое оператором через иллюминатор кабины
тренажера. В последних двух случаях ИВО могут быть как оптико*.
механическими, так и оптико-телевизионными.
ИВО первой группы широко используются, например, при моде*
лировании этапа стыковки космических кораблей. Модель 1 ко-
рабля, уменьшенная в 100... 150 раз по сравнению с его истинными
размерами, устанавливается в стенде, имеющем пять степеней сво-
боды (рис. 20.3). Изображение модели формируется объективом 2
на фотокатоде ЭЛТ передающей телевизионной камеры 3 и далее
по телеканалу передается на экран кинескопа 4, установленного перед
оператором в кабине тренажера. Модель вместе с передающей каме-
рой размещена в удлиненном закрытом коробе 5, внутренняя по-
верхность которого имеет покрытие с высоким коэффициентом свето-
поглощения (например, оклеена черным бархатом). Подсветка модели
осуществляется с помощью нескольких осветителей 6. Вращение
Рис. 20.3. Принципиальная схема имитатора для моделирования ’ этапа сты<ЮВДИ
космических кораблей
Рис. 20.4. Принципиальная схема Ими-
татора звездного неба
модели относительно трех орто-
гональных осей имитирует разво-
роты корпуса, а два ортогональ-
ных линейных смещения модели—
перемещения центра тяжести ко-
рабля, с которым стыкуется упра-
вляемый корабль. Моделирование
изменения расстояния между
кораблями достигается за счет
изменения размеров изображения:
на экране кинескопа 4, что обе-
спечивается осевым перемеще-
нием передающей камеры 3, из-
менением фокусного расстояния
вариообъектива 2, а также изменением размеров телевизионного
растра. Диапазон имитируемых расстояний в описываемой схе-
ме ИВО при одном вариообъективе характеризуется перепа-
дом 500...600 крат, а при использовании двух сменных варио-
объективов — до нескольких тысяч крат.
На рис. 20.4 изображена схема имитатора звездного неба. Сфера 1,
имеющая возможность поворачиваться вокруг трех ортогональных
осей, оклеена черным бархатом и имеет на поверхности углубления,
в которых закреплены полированные металлические шарики. Их
диаметры и взаимное расположение с высокой степенью точности
соответствуют картине звездного неба. Сфера подсвечивается не-1
сколькими осветителями 3, число и размещение которых подбирается
таким образом, чтобы, с одной Стороны, яркость Каждого шарика
Йозволяла имитировать звезду определенной звездной величины,
и с другой —* чтобы яркость фона (космического пространства)
Не превышала допустимых пределов. Лучи от шариков отражаются
Полупрозрачным зеркалом 4, коллимируются зеркальным объекта*
вом 2 и в обратном ходе поступают во Входной зрачок 5 навигацион*
Него прибора, с которым работает оператор. Коллимированное
Изображение сферы с шариками может наблюдаться оператором
и непосредственно через иллюминатор кабины тренажера.
В ИВО такого типа на сфере диаметром 700 мм размещается
до 1000 шариков, имеющих размеры от 0,1 до 1,0 мм. Шарики могут
тонироваться красным, желтым или голубым цветом Для имитации
спектрального состава излучения звезд.
За счет некоторого усложнения схемы и дополнения ее еще одним
коллимирующим зеркалом и полупрозрачным зеркалом-смеси-
телем в поле изображения имитатора можно вводить видимый гори-
зонт и участки поверхности Луны, Земли или другой планеты.
В связи с исключительной важностью создания качественных
и разнообразных тренажерно-исследовательских моделирующих
комплексов схемные и конструктивные решения имитаторов непре-
рывно совершенствуются. Исследуются новые пути построения ИВО,
С высокой степенью подобия отражающих картину визуальной обста-
новки, наблюдаемой оператором в реальных условиях. Ведутся
894
большие работы по созданию ИВО, использующих голографические
принципы формирования объемных изображений. Для телевизион-
ных ИВО перспективна разработка систем с электронным генериро-
ванием изображений, когда для создания картины на экране кине-
скопа на него подается видеосигнал, формируемый в электронно-
вычислительной машине. Этот сигнал изменяется в соответствии
с динамикой поведения объекта управления, что приводит к изме-
нению наблюдаемой оператором картины визуальной обстановки.
Еще одним путем решения проблемы является создание ИВО с так
называемым синтезированным изображением, где в качестве источ-
ника визуальной информации вместо макетов используется поле
светящихся точек (световое табло), управляемое также от ЭВМ.
ГЛАВА 21
АСТРОНОМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Мореплавание, дальние полеты самолетов и космических кораблей
невозможны без аппаратуры, обеспечивающей проведение их по
заданной траектории в назначенное время. Эта задача решается
методами и приборами мореходной, воздушной и космической нави-
гации, которые позволяют определить местоположение, ориентацию
опорных осей аппарата относительно принятой системы координат;
величину и направление скорости движения, направление и рассто-
яние до цели и т. д.
В навигации широкое применение находят астрономические ме-
тоды, основанные на определении положения известных небесных
светил относительно выбранной системы координат. Реализация
этих методов осуществляется при помощи астрономических оптиче-
ских и оптико-электронных навигационных приборов.
Астронавигационным приборам свойственна автономность изме-
рения, ограниченная только видимостью небесных светил (в при-
земной области) и высокая точность определения координат места,
не зависящая от длительности, дальности, высоты и скорости полета.
В соответствии с назначением астронавигационные оптико-элек-
тронные приборы можно разделить на две большие группы:
— приборы для угловой ориентации опорных осей объекта в про-
странстве;
— приборы для определения координат местоположения объекта.
Чтобы определить задачи, решаемые каждой группой приборов,
и уяснить принципы устройства самих приборов, приведем краткие
сведения из основ астронавигации.
21.1. НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ
И ВРЕМЯ В НАВИГАЦИИ
Навигационные системы координат позволяют задать направление на навига-
ционный ориентир или объект, либо определить координаты их местоположения.
Для этого используются цилиндрические, сферические и декартсеы прямоугольные
295
Рис. 21.1. Экваториаль-
ная система координат
Рис. 21.2. Горизонтальная си-
стема координат
системы координат. Наиболее часто используются две последние. В сферической
системе координат обычно применяется вспомогательная сфера произвольного ра-
диуса, называемая небесной сферой, на которую проектируются светила. Центр сферы
может располагаться в месте наблюдателя (топоцентрическая система координат),
в центре Земли (геоцентрическая система_[координат) или в центре Солнца (гелио-
центрическая система координат). В зависимости от масштабов перемещения
объекта, от выбора плоскостей отсчета в астрономии и навигации применяется не-
сколько разнообразных систем^координат.
Экваториальная система координат (рис. 21.1) используется для^навигации
в околоземном и космическом пространстве. Основной определяющей плоскостью
является плоскость небесного экватора, совпадающая с плоскостью земного эква-
тора. Продолжение оси вращения Земли образует ось мира, а ее пересечение с не-
бесной сферой — Северный Р и Южный Р' полюсы мира.
Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и светило,
называется кругом склонения светила. Положение светила на небесной сфере опреде-
ляется прямым восхождением а и склонением светила 6.
Прямое восхождение отсчитывается от точки весеннего равноденствия в направ-
лении, противоположном видимому суточному вращению небесной сферы.
Склонение светила отсчитывается по кругу склонения светила в обе стороны от
небесного экватора от 0 до ±90°.
Иногда вместо склонения пользуются полярным расстоянием светила. Поляр-
ное расстояние р — это угол между осью мира и направлением из центра небесной
сферы на светило.
Видимое вращение небесной сферы из-за суточного вращения Земли происходит
относительно оси мира, а следовательно, экваториальные координаты светил ие
изменяются. Это позволяет в данной системе координат строить карты звездного неба.
Зная экваториальные координаты космического корабля, можно определить его
положение среди звезд.
Иногда положение светила определяется склонением светила и его чассвым
углом. Угол между плоскостью небесного меридиана * и кругом склонения светила
называется часовым углом светила t. Часовой угол светила измеряется дугой эква-
тора QD, отсчитывается от точки Q экватора на запад, в направлении суточного
вращения небесной сферы от 0 до 360°. Для наблюдателя, находящегося на нулевом
(гринвичском) меридиане, часовой угол светила называют гринвичским часовым
углом /гр. Вследствие видимого суточного вращения небесной сферы часовой угол
изменяется равномерно. Это позволяет выражать часовой угол не только в угловой
мере, но и в единицах измерения времени (часах, минутах, секундах).
Горизонтальная система координат (рис. 21.2) обычно располагается в месте
нахождения наблюдателя, в точке старта или финиша объекта. Основной определя-
* Меридианом (меридианом наблюдателя) называют линию пересечения не-
бесной сферы с плоскостью, проходящей через полюсы мира и линию отвеса, прове-
денную через точку ца поверхности Земли, в которой находится наблюдатель.
296
ющей плоскостью является плоскость истинного горизонта. Полюсом этой системы
координат является точка пересечения отвесной линии с небесной сферой, называемая
зенитом Z. Большой круг небесной сферы, проходящий через зенит, противополож-
ную ему точку (надир Z') и светило (или космический корабль), называется верти-
калом светила. Положение объекта в горизонтальной системе координат определяется
азимутом А и высотой h или зенитным расстоянием светила г. Азимут отсчитывается
от точки севера N на восток, а высота измеряется дугой вертикала от истинного гори-
зонта до светила в пределах от 0 до +90°.
Если спроецировать светило на поверхность Земли, получим точку, в которой
его высота равна 90°. Эта точка называется географическим местом светила (ГМС).
Из-за вращения Земли эта точка перемещается по земной поверхности. По аналогии
точка, в которой высота космического корабля равна 90°, может быть названа гео-
графическим местом космического корабля.
Рассмотренные системы координат позволяют задать положение, но не опреде-
ляют движение объекта или ориентира. Положение в пространстве плоскости, в ко-
торой лежит орбита объекта (планеты), размеры и форма этой орбиты, ее ориентация
в плоскости и, наконец, точка орбиты, где в данный момент находится объект (пла-
нета), определяются элементами планетных орбит и орбит КЛА. На рис. 21.3 пока-
заны элементы орбиты ИСЗ. Положение плоскости орбиты в пространстве опреде-'
ляется углом наклонения i — углом между плоскостью экватора и плоскостью орбиты
спутника, проходящей через центр Земли. Точка пересечения орбиты с плоскостью
экватора, в которой спутник переходит из южной в северную полусферу, называется
восходящим углом орбиты (Q), а противоположная — нисходящим. Линия, соединя-
ющая эти две точки, называется линией узлов. Угол между линией узлов и грин-
вичским меридианом определяет прямое восхождение восходящего узла орбиты.
Ближайшая к Земле точка орбиты П называется перигеем, а наиболее удаленная А —
апогеем. Положение линии, соединяющей эти две точки относительно линии узлов,
определяет ориентацию орбиты в ее плоскости. Форма орбиты определяется разме-
рами большей полуоси орбиты а (половина расстояния между перигеем и апогеем)
и малой полуоси Ь, а также эксцентриситетом орбиты, равным -5— К а3 — Ь2.
Движение спутника по орбите характеризуется его периодом обращения и
углом О между направлением на перигей и направлением на спутник.
Время в навигации. Поскольку основная задача навигации заключается в про-
ведении объекта по заданной траектории в назначенное врмя, то учет хода времени
является обязательной составной частью нави-
гационных измерений. Из-за неравномерной ско-
рости движения Земли вокруг Солнца продол-
жительность солнечных суток изменяется. Для
упрощения измерения времени введены средние
солнечные сутки, равные средней продолжи-
тельности солнечных суток за весь год. Время,
измеренное при помощи средних солнечных суток,
называется гражданским временем. Время для
нулевого (гринвичского) меридиана называется
гражданским гринвичским временем. Примени-
тельно к этому времени в астрономических
календарях указываются координаты небесных
светил.
При навигации по звездам используется
звездное время. Звездные сутки определяются
промежутком времени между двумя последова-
тельными одноименными кульминациями точки
весеннего равноденствия и их продолжитель-
ность короче гражданских суток приблизительно
на 4 минуты.
Для измерения времени иа борту какого-
либо объекта применяются часы, хронометры
и кварцевые или ядерные генераторы стабильной
частоты, имеющие погрешность хода в 1 с за
десятки и сотни миллионов лет.
Рис. 21.3. Элементы орби-
ты ИСЗ
297
21.2. ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ,
ПРИНЯТАЯ В АСТРОНОМИИ
Для характеристики
излучения
небесных
светил
в астрономии и астрофизике принята фотометрическая система еди
ниц, отличная от светотехнической.
Так,
яркость определяется
в звездных величинах, спектральный состав излучения — спектраль-
ным классом.
Остановимся более подробно на этих фотометрических единицах
измерений. .
Яркостная характеристика излучения звезд. Большинство астро-
навигационных ориентиров, в частности, звезды, являются точеч-
ными источниками излучения, поэтому, оценивая яркость, правиль-
нее говорить о блеске светила. Пока угловые размеры звезд не могут
быть измерены, освещенность, которую они создают на Земле, яв-
ляется единственной величиной, характеризующей мощность их
излучения. Под блеском понимается освещенность, которую создает
светило у границы земной атмосферы (земной поверхности или дру-
гом каком месте) на площадке, перпендикулярной направлению
распространения лучей.
Блеск звезд можно оценивать различными способами: визуально,
т. е. глазом, фотографически, с помощью фотоэлектрических прием-
ников энергии излучения. Все эти приемники излучения имеют
различную чувствительность к излучению на разных длинах волн.
Отсюда возникает различие между визуальной, фотографической,
фотоэлектрической и другими оценками блеска звезд.
Количественно блеск звезд (навигационных ориентиров) оцени-
вается в звездных величинах. Шкала звездных величин установлена
так, чтобы отношение п блеска звезды предыдущей звездной вели-
чины Ет к блеску звезды последующей звездной величины Ет+1
было постоянным:
-^2— = п = const.
^771+1
Тогда в общем виде зависимость между блеском и звездными
величинами сравниваемых звезд можно выразить формулой
Ет-,

(21.1)
В 1856 году по предложению Погсона отношение блеска любых
двух звезд при разности (mk — т,) в пять звездных величин было
принято равным 100. При этом условии отношение блеска при раз-
ности в одну звездную величину, т. е. число п равно 2,512:
-f^- = n5=100, откуда п = уЛ100 = 2,512.
Если условиться, что некоторая звезда имеет блеск, соответству-
ющий по шкале нулевой звездной величине mt = т0 = 0, то звезд-
ные величины других светил (mft = tri) можно достаточно просто
определить по отношению к этой опорной звезде: EmJEm = п"г.
298
Ёслй прологарифмировать эту зависимость, то получим
т = т = ~2’51^’ <21-2)
где Ет — освещенность в люксах или энергетическая освещенность
в Вт/м2, создаваемая звездой; Ет„ — некоторая принятая освещен-
ность или энергетическая освещенность, создаваемая звездой нуле-
вой звездной величины.
Формула (21.2) выражает связь между звездной величиной и
яркостью (блеском) звезды и позволяет в зависимости от метода
измерения освещенности рассчитать данные каталога звезд, опре-
деляющие их визуальные, фотографические, фотоэлектрические и
другие звездные величины.
Для более точной характеристики блеска светил звездные вели-
чины выражаются не только цельными, но также и дробными чис-
лами, а наиболее яркие светила имеют даже отрицательную звездную
величину.
В инженерных расчетах обычно приходится решать обратную
задачу. Зная звезду, выбранную в качестве навигационного ориен-
тира, по каталогу находят ее звездную величину и по приведенным
формулам определяют освещенность, создаваемую этой звездой на
входном зрачке астронавигационного прибора:
Ет = = Ета • 2,512~™ Ето 10-0-4"1. (21 .с)
Рассмотренная шкала звездных величин определяет блеск звезд
при наблюдении их с орбиты Земли и не позволяет судить ни об об-
щей энергии, излучаемой звездой, ни о яркости ее поверхности.
Действительно, вследствие различия в расстояниях сравнительно
холодная звезда только из-за своей относительной близости к нам
будет иметь значительно меньшую звездную величину (т. е. казаться
ярче), чем горячий гигант, удаленный на значительно большее
расстояние. Чтобы судить о действительной энергии, излучаемой
звездой, достаточно освещенность, создаваемую этой звездой, от-
нести к общему стандартному расстоянию.
Звездная величина, которую имела бы звезда, если ее наблюдать
с расстояния 10 парсек *, называется абсолютной звездной вели-
чиной М. Связь между звездными величинами, полученными с ор-
биты Земли, и абсолютными звездными величинами М определяется
по формуле
М = т + 5 — 51g г, (21.4)
где г — расстояние до звезды, выраженное в парсеках.
Поток энергии, излучаемый звездой по всем направлениям,
называется светимостью. Обычно светимость звезды L выражается
* 1 парсек = 30,857-1012 км = 206 265 астрономических единиц (а. е.) =
= ‘3,263 светового года.
299
по отношению к Солнцу и вычисляется по ее абсолютной звездно)
величине по формуле
1g= 0,4 (4,77 -М) = 1,91 -0,4М,
(21-5)
светимость (или общая радиация) Солнца, равная
и цветовая классификация звезд. Звезды ил
где — общая
3,86-Ю26 Вт.
Спектральная
непрерывный спектр, на который накладываются спектральные ли-
нии, чаще всего линии поглощения. В спектрах некоторых звезд
наблюдаются яркие (эмиссионные) линии. Важнейшие различия
спектров заключаются в количестве и интенсивности наблюдаемых
спектральных линий, а также в распределении энергии в непрерыв-
ном спектре.
Количественным критерием принадлежности звезды к тому или
иному спектральному классу является отношение интенсивностей
определенных спектральных линий.
В основу современной спектральной классификации легла Тар-
вадская классификация, согласно которой спектральные классы
"обозначаются буквами латинского алфавита: О, В, A, F, G, А, М.
Чтобы более точно охарактеризовать спектральный состав излучения
в каждом классе, звезды подразделяются еще на группы, обознача-
емые номерами от 0 до 9, которые прибавляются к буквам.
Исследования показали, что звезды, принадлежащие к различным
Спектральным классам, отличаются своими температурами. По-
скольку звезды излучают не как абсолютно черные тела, то их излу-
чение принято определять эффективной температурой.
Эффективной температурой называется температура такогс
абсолютно черного тела, каждый квадратный сантиметр которого
во всем спектре излучает такой же поток энергии, как и 1 см2 дан-
ного тела.
Таким образом, зная звездную величину, эффективную темпе-
ратуру излучающей поверхности звезды и спектральную чувстви-
тельность приемника энергии излучения, можно выполнить энерге-
тический расчет астронавигационного прибора, определить величину
входного зрачка оптической системы, обеспечивающей визирование
и пеленгацию светила.
21.3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
АСТРОНОМИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ ОРИЕНТИРОВ
Астрономические методы и приборы навигации позволяют
решить ту или иную навигационную задачу путем наблюдения и
пеленгации небесных ориентиров. Такими ориентирами являются
звезды, планеты, их естественные и искусственные спутники. При
выборе небесных светил в качестве астрономических ориентиров
важное значение имеют их положение на небесной сфере, яркость
и спектральный состав излучения. Небесные светила обладают как
собственным, так и отраженным излучением. Собственное излучение
300
Таблица 21.1
Звезды Экваториальные координаты ту Му L (Ьо - 1)
а б
Сириус (а Б. Пса) 06442,419 —16° 39' — 1,46 + 1-4 22,4
Канолус (а Киля) 13 22,8 —52 40 —0,25 —4,4 4 700
Арктур (а Волопаса) 14 13,4 —19 27 —0,05 —0,3 107
Вега (а Лиры) 18 35,2 +38 44 —0,03 +0,5 51
Капелла (а Возничего) 05 13,0 +45 57 +0,08 —0,6 141
Ригель ф Ориона) 05 12,1 —08 15 +0,13 —7,5 81 000
определяется температурой поверхности, формой, размерами и свой-
ствами излучающей поверхности. Отраженное излучение зависит
от характеристик падающего излучения и отражательных свойств
поверхности планеты и ее атмосферы.
Для наблюдения и пеленгации навигационных ориентиров ис-
пользуется их излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфра-
красной областях спектра.
Звезды. В настоящее время все небо разбито на 88 участков-со-
звездий, имеющих свои названия. Звезды в созвездиях обозначаются
буквами греческого алфавита в порядке убывания их яркости (а, р, у, 6
и т. д.). Кроме того, наиболее яркие звезды имеют свои названия.
При помощи современных оптических инструментов возможно
наблюдение звезд вплоть до 21—22 звездной величины. Однако
в качестве навигационных ориентиров используются лишь звезды,
имеющие наибольший блеск. В табл. 21.1 приведены основные
характеристики излучения некоторых навигационных звезд.
Солнце — самая близкая к нам звезда. Ее видимая звездная
величина вне атмосферы равна —26т,78. Среднее расстояние от
Земли до Солнца равно одной астрономической единице (а. е.), т. е.
149 598 500 км. Диаметр Солнца 1 390 000 км (в 109 раз больше
диаметра Земли). Средний угловой размер Солнца составляет 32'.
Самые внешние слои Солнца, излучение которых можно наблюдать,
называются солнечной атмосферой. Она состоит из трех слоев: фото-
сферы, хромосферы и короны. Фотосферой называется основная часть
солнечной атмосферы, в которой образуется видимое излучение,
имеющее непрерывный спектр.
В хромосфере и короне плотность вещества быстро уменьшается
с высотой, и внешние слои солнечной атмосферы оказываются сильно
разряженными. Поэтому даже при очень высокой .температуре,
примерно около миллиона градусов, излучение этих слоев атмосферы
Солнца сравнительно невелико.
Фотосфера излучает почти всю приходящую к нам солнечную
энергию, характеризуемую:
— солнечной постоянной *, равной 0,14 Вт/см2;
* Солнечной постоянной называют полное количество солнечной энергии, па-
дающей за 1 мин на 1 см2 поверхности, нормальной к направлению приходящих
солнечных лучей и не закрытой земной атмосферой.
301
— эффективной температурой, равной 5800 К;
— цветовой температурой, равной 6500 К (X = 0,47...0,54 мкм);
— средней яркостью, равной 2,0-10° кд/м2.
Наряду с тепловым излучением Солнце посылает в пространство
потоки заряженных частиц материи (корпускулярное излучение)
и радиоизлучение.
Земля. Геометрическая фигура Земли определяется поверхностью
воды спокойного океана и представляет собой геоид, близкий к эл-
липсоиду вращения.
При решении многих навигационных задач принимается, что
Земля — шар с радиусом 7?з = 6371 км, длина дуги меридиана
равна 40 000 км. Максимальные погрешности вследствие принятого
допущения могут составлять 0,5 % в определении длин и 12' в опре-
делении направлений.
Излучение земной поверхности и атмосферы в космическое про-
странство зависит от температуры и природы земной поверхности
и атмосферы, наличия облаков, распределения поглощающих моле-
кул в атмосфере и от того, есть или нет рассеянное излучение от
Солнца. Излучение на определенных длинах волн, как показало
наблюдение со спутников, подвержено значительным колебаниям,
связанным с изменением перечисленных факторов.
Характеристика относительной спектральной плотности ярко-
сти освещенной Солнцем стороны Земли, которая может наблюдаться
из-за пределов земной атмосферы со спутников, показана
на рис. 21.4.
На графике можно выделить три спектральных участка.
Первый участок связан с излучением отраженного солнечного
света и занимает диапазон длин волн до 3 мкм. Наблюдаемое излуче-
ние зависит от количества рассеянного солнечного света, на который,
в свою очередь, оказывает влияние природа земной поверхности.
Отражательные свойства поверхности Земли и атмосферы можно
характеризовать так называемым сферическим альбедо Ас — отно-
шением светового потока ФогР, рассеиваемого освещенной половиной
сферы, к потоку Фо, падающему на эту сферу, т. е. Ас = Фотр/Ф0.
Для Земли сферическое альбедо принимается равным 0,4. Осве-
щенность, создаваемую Землей на входном зрачке оптического
Рис. 21.4. Характеристика относи-
тельной спектральной плотности
энергетической яркости освещенной
Солнцем стороны Земли
астронавигационного прибора за
счет отраженного солнечного света,
можно также определить, зная
визуальную звездную величину
Земли.
В табл. 21.2 приведены значения
звездной величины mv и освещен-
ности £0 при наблюдении Земли
с расстояния в одну астрономиче-
скую единицу в зависимости от фа-
зы ф (ф—угол Солнце—Земля—КА).
Учитывая, что освещенность из-
меняется обратно пропорционально
302
Таблица 21.2
ф, град ту Ео, лк ф, град ту Ео. лк
0 —4,57 186-1О-® 90 —2,79 36,3-10-®
30 —4,09 120- 10 е 120 —1,82 14,9-10-®
60 —3,53 71,8-Ю-® 150 —0,51 4,45-10-®
квадрату расстояния, легко определить освещенность на входном
зрачке прибора при заданном удалении летательного аппарата от
Земли.
Второй участок, который можно выделить на графике спектраль-
ной яркости освещенной Солнцем стороны Земли, связан с излуче-
нием земной поверхности в космическое пространство. В сравни-
тельно прозрачных спектральных участках атмосферы (от 8 до 9 мкм,
от 10 до 12 мкм) в ясную погоду это излучение почти без изменений
уходит в космос. Пунктирной кривой показана яркость черного тела
при температуре 300 К, что приблизительно соответствует темпе-
ратуре земной поверхности.
Третий участок занимает диапазон длин волн от 14 до 18 мкм,
в котором излучение земной поверхности поглощается еще до выхода
в космос. Чем больше коэффициент поглощения, тем от более высо-
ких и более холодных слоев атмосферы выходит в космос излучение.
Пунктирной кривой показана яркость черного тела при темпе-
ратуре 200 К, что приблизительно соответствует температуре страто-
сферы.
Если говорить о контрасте, существующем между инфракрасным
излучением Земли и излучением космического пространства, то
можно принять, что Земля при наблюдении через слой атмосферы
со спутника имеет среднюю эффективную температуру излучения
около 250 К, а космическое пространство — 4 К-
Луна. Среднее расстояние от Земли до Луны равно 384 400 км.
Диаметр Луны равен 3476,4 км (0,27 диаметра Земли).
Из-за отсутствия атмосферы на единицу площади лунной поверх-
ности солнечной радиации приходится в 3 раза больше, чем на еди-
ницу площади поверхности Земли. Температура в центральной
части Луны равна 134 °C, в средней — 122 °C и на самом краю —
67 °C. Температура ночной стороны Луны составляет около —150 °C.
Энергетическая яркость освещенной и неосвещенной стороны
Луны соответственно составляет 0,046 и 0,0004 Вт/ср-м2.
Сферическое альбедо Луны принимается равным 0,073. По по-
верхности Луны альбедо неодинаково и колеблется от 0,054 до 0,176.
Визуальная звездная величина (в полнолунии) равна —12т,71.
Марс и Венера — самые близкие к Земле и наиболее изученные
планеты.
В табл. 21.3 приведены характеристики, определяющие излуче-
ние Марса и Венеры.
Дневное и ночное небо. Подавляющее большинство астрофизиче-
ских данных, имеющихся в настоящее время, получено при наблю-
303
Таблица 21.3
Характеристика Марс Венера
Экватори- альная зона Полярная зона Поверхность планеты Верхние слои атмосферы
Звездная величина, ту Сферическое альбедо __ 1 ,т9 —4,'л1
0,15 0,59
Температура, К 280 205 430 225
Энергетическая яркость, Вт/ср • м2 0,011 0,0032 0,063 0,6046
дении с земной поверхности. Условия наблюдения с поверхности
Земли непрерывно изменяются в зависимости от времени суток
и состояния атмосферы.
В области спектра излучения длин волн короче 4 мкм свечение
дневного небосвода интенсивно из-за рассеяния лучей атмосферным
воздухом. В области длин волн более 4 мкм рассеянная солнечная
энергия уже мала и становится заметным тепловое излучение атмо-
сферы.
Яркость безоблачного неба колеблется в пределах от нескольких
тысяч до 10 000...20 000 кд/м3. Наибольшую яркость небосвод имеет
вблизи солнечного диска. В среднем яркость ясного неба днем при-
нимается равной 4000 кд/м2 и неба, покрытого белыми облаками —•
12 000 кд/м2.
Основными причинами свечения ночного неба являются люми-
несцентные свечения верхних слоев атмосферы, зодиальный и звезд-
ный свет, солнечный свет, рассеянный в нижних слоях атмосферы
и т. д.
В среднем яркость ночного неба без Луны принимается равной
1 -10 4 кд/м2.
21.4. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ УГЛОВОЙ
ОРИЕНТАЦИИ ПИЛОТИРУЕМЫХ
КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ (ПКК)
Оптические приборы для управления движением косми-
ческих кораблей (КК) нашли широкое применение как в автомати-
ческих, так и в пилотируемых системах. С их помощью обеспечи-
вается заданное расположение осей КК относительно опорной си-
стемы координат (ориентация) путем управления его движением
относительно центра масс. Это необходимо, во-первых, для вывода
КК на заданную орбиту, для посадки на планету, для встречи и сты-
ковки с другим объектом на орбите и, во-вторых, для выполнения
научных задач, связанных с исследованием Солнца, звезд, планет
и т. д.
Оптические приборы при ориентации КК используются в первую
очередь как измерительные устройства. Они позволяют определять
304
положение осей корабля относи-
тельно заданного опорного направле-
ния. В качестве таких опорных на-
правлений в зависимости от кон-
кретных условий выбирают напра-
вление на звезду, Солнце, край
или центр планеты.
Рассмотрим только оптические
приборы, входящие в ручную си-
стему управления ПКК, так как
автоматические оптико-электронные
приборы изучаются учащимися в
Рис. 21.5. Принципиальная опти-
ческая схема звездного ориентатора
других курсах.
Возможности наблюдения навигационных ориентиров в косми-
ческом полете зависят от многих факторов: прозрачности иллюмина-
торов ПКК и скафандра, параметров оптических приборов, условий
освещенности.
На ведение наблюдений как невооруженным глазом, так и через
оптический прибор существенное влияние оказывает яркость фона,
возникающего под суммарным воздействием посторонних световых
потоков. Так, обнаружение звезд яркостью до 6т возможно только
после начала сумерек (высота Солнца равна —18°), а наличие за-
светок от прямых лучей Солнца и элементов конструкции КК вообще
не позволяет вести наблюдение звезд.
Звездные ориентаторы. Космонавт может контролировать по-
ложение осей ПКК, осуществляя визирование звезды или одно-
временно нескольких звезд, обеспечивая соответственно ориентацию
корабля относительно двух или трех осей. Принципиальная опти-
ческая схема звездного ориентатора показана на рис. 21.5.
Ориентация с помощью такого прибора основана на совмещении
искусственных ориентиров, имитируемых в приборе в виде светя-
щихся меток, со звездами, наблюдаемыми на небе через полупро-
зрачный отражатель прибора. Положение искусственных ориенти-
ров в поле зрения астроориентатора задается в зависимости от тре-
буемого положения в пространстве осей ПКК. Удерживая
изображения звезд в метках с помощью ручки управления ПКК,
космонавт обеспечивает заданную ориентацию его осей. Для имита-
ции искусственных ориентиров в приборе используют звездный
глобус.
Построители местной вертикали. Одним из способов ориента-
ции космического объекта является ориентация его опорной оси по
местной вертикали. Под местной вертикалью понимается направле-
ние силы притяжения к планете (спутнику планеты) в данной точке.
Для сферической и однородной по плотности планеты можно счи-
тать, что местная вертикаль совпадает с направлением на центр
тяжести и центр видимого диска планеты.
Для определения местной вертикали применяются гравитацион-
ные, инерциальные, радиолокационные и оптические методы. Опти-
ческие методы наиболее просты, надежны и точны. Оптические
305
построители местной вертикали (ПМВ) можно разделить на две
группы:
ПАШ с использованием видимого излучения;
ПМВ инфракрасного диапазона (ИК ПМВ).
Построители местной вертикали с использованием видимого
излучения в свою очередь делятся на визуальные визиры-ориента-
торы и автоматические построители местной вертикали.
Визуальные построители вертикали. Эти.
приборы позволяют космонавту, наблюдая за линией горизонта!
определять направление на центр видимого диска планеты, а следов
вательно, ориентировать опорную ось системы координат корабл?|
по направлению местной вертикали. Кроме того, с их помощью
определяется высота полета ПКК над поверхностью планеты и его
ориентация относительно линии пути. На рис. 21.6 приведена схема
визира-ориентатора космического корабля «Восток». При полете
космического корабля на высоте около 300 км над поверхностью
Земли, ее угловой размер составляет примерно 145°. Следовательно,
космонавт не видит полного диска планеты и не может определить
направления на центр ее. При наблюдении через ориентатор космо-
навт может видеть полностью горизонт планеты при визировании
через зеркала (поле зрения I) и поверхность планеты при визиро-
вании непосредственно через иллюминатор 5 (поле зрения II). Лучи,
идущие от линии горизонта, попадают на отражатель 6 и через стекло
иллюминатора и светофильтр 4 проходят на отражатель 3, который
направляет их через сетку 2 в глаз космонавта 1. При правильной
ориентации корабля относительно вертикали космонавт видит гори-
зонт в форме кольца, концентричного полю зрения I. Через цен-
тральную часть иллюминатора он просматривает находящийся под
Рис. 21.6. Принципиальная схема
визира-ориентатора
Рис. 21.7. Оптический проекци-
онный ориентатор (вид со сто-
роны экрана)
3W
ним участок земной поверхности. Положение продольной оси ко-
рабля относительно направления полета наблюдается по «бегу»
земной поверхности в поле зрения ориентатора.
При необходимости визир-ориентатор можно закрывать шторкой.
Оптический проекционный визир-ориентатор (рис. 21.7) имеет
две оптические системы: центральную и периферийную, которые
обеспечивают одновременное наблюдение Земли. Изображение Земли
проектируется этими системами на одну плоскость, в которой уста-
навливается экран прибора. Изображение на экране можно
рассматривать с любого расстояния и под различными углами, что
дает возможность следить за изображением Земли нескольким
наблюдателям. Центральная система проектирует наблюдаемую по-
верхность Земли в центральной зоне 2, ограниченной круговой шка-
лой с оцифровкой. Периферийная система состоит из отдельных
оптических трубок, причем каждая трубка проектирует изображение
своей части горизонта Земли на соответствующие окна экрана 1.
ПКК ориентируется с помощью рассматриваемого прибора следу-
ющим образом. Космонавт сначала поворотом корабля добивается
того, чтобы видимый горизонт Земли перекрыл внутренние края
всех периферийных окон ориентатора, т. е. выставляет оптическую
ось прибора в направлении местной вертикали. Затем, пользуясь
центральным оптическим окном, на котором нанесены продольные
линии, он добивается такого положения, чтобы движение видимых
ориентиров на земной поверхности совпадало с этими линиями и
стрелкой 3, указывающей направление движения.
Автоматические оптико-электронные по-
строители местной вертикали видимого диапазона
позволяют определить направление на центр диска планеты, на-
пример, путем автоматической индикации в трех точках горизонта
частично освещенного диска планеты (серпа) и осуществить ориен-
тацию КК по этому направлению.
Инфракрасные построители местной вертикали решают эту за-
дачу либо путем сравнения потоков излучения от противоположных
краев диска планеты (статические ИК ПМВ), Либо путем сканиро-
вания малым полем зрения линии инфракрасного горизонта (скани-
рующие ИК ПМВ).
Для автоматической ориентации КК также широко исполь-
зуются оптико-электронные приборы, работающие по излучению
Солнца. Они обеспечивают автоматический поиск, «Захват» и при-
ведение изображения Солнца на оптическую ось прибора.
Самостоятельную группу составляют автоматические оптико-
электронные датчики звездной ориентации.
21.5. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ КУРСОВЫЕ ПРИБОРЫ
Астрономические курсовые приборы (АКП) предназна-
чены для измерения курса самолета или другого летательного аппа-
рата, выполнения разворота на заданный курс и осуществления
полета по заданному маршруту. Они позволяют определить истинный
307
курс, т. е. угол между истинным меридианом и вектором скорости
летательного аппарата как разность между значением азимута свЯ
тила и значением курсового угла светила (рис. 21.8): -Я
ИК = Л-КУ. (21.6?
Вычисление азимута выполняется аналитически или моделиро-
ванием сферического треугольника. Если на небесной сфере через
светило <5 провести круг склонения светила PSD и вертикаль ZSB
(рис. 21.9), то они вместе с меридианом наблюдателя PZP'Z' обра-
зуют сферический треугольник PZB, называемый иногда парал-
лактическим. В этом треугольнике дуги ZS и PS равны соответ-
ственно дополнению высоты светила h до 90° и дополнению склонения
светила 6 до 90°. Так как высота полюса мира hP равна широте места
наблюдателя ср (рис. 21.10), то дуга PZ равна дополнению широты
до 90°. Угол ZPS равен часовому углу t, а угол PZS — дополнению
азимута светила А до 360°. Угол ZSP называется параллактическим
и обычно обозначается через q. Из треугольника PZS с помощью
формул сферической тригонометрии можно определить значение
азимута светила
ctg А = sin ср ctg (ZrP ± /.) — cos <р tg 6 cosec (trp ± X,). (21.7)
Для этого необходимо знать географические координаты самолета,
склонение светила и его гринвичский часовой угол.
Курсовой угол светила измеряется путем совмещения плоскости
пеленгации (плоскости визирования) с вертикалом светила. В этом
случае ось вращения плоскости пеленгации совпадает с направле-
нием отвесной линии. АКП, построенные по такой схеме, называются
горизонтальными. Если ось вращения плоскости пеленгации парал-
лельна оси мира и измерения производятся путем совмещения этой
плоскости с кругом склонения светила, то такие АКП называются
экваториальными.
В качестве примера рассмотрим экваториальный астрокомпас
АК-59П. Оптико-механический астрокомпас АК-59П применяется
для определения истинного курса путем пеленгации Солнца, Луны,
308
планет и звезд. Пеленгование неавтоматизированное, в видимой
части спектра излучений.
Конструкция астрокомпаса показана на рис. 21.11. Пеленгатор
астрокомпаса содержит три вида визирных устройств: визир 12
для пеленгации Солнца, визирную рамку 2 для пеленгации звезд,
,Луны и планет и визирное устройство 3 для пеленгации Солнца
в поляризованном свете. В астрокомпасе моделируется сферический
треугольник (см. рис. 21.9).
Ось вращения плоскости пеленгации, совпадающая с осью мира,
наклоняется относительно горизонтальной плоскости на угол q> —
широту места самолета. Углы ср отсчитываются по шкале 4. Солнеч-
ное визирное устройство 12 вращается часовым механизмом. Часовой
механизм позволяет установить гринвичский часовой угол 4р п0
шкале 11, а в дальнейшем этот угол механизмом изменяют со ско-
ростью 360° за 24 часа среднего солнечного времени. Визир вместе
с часовым механизмом может поворачиваться в кардановом кольце 5
на угол долготы места самолета, отсчитываемый по шкале долготы 10.
В результате этого визирное устройство 12 поворачивается относи-
тельно плоскости круга склонения Солнца на часовой угол
t = tTP ± X. (21.8)
Звездная визирная система не имеет связи с часовым механизмом,
поэтому гринвичский часовой угол устанавливают вручную по
Рис. 21.10. Связь между высотой
полюса мира и географической
широтой
Рис. 21.11. Оптико-механиче-
ский астрокомпас АК-5ЭП
309
Шкале 13. Склонение СвётИла задается поворотом вйзирного устрой- !
ства вокруг горизонтальной оси, а углы склонения отсчитываются i
по шкале 1. Механизм астрокомпаса укреплен на основании 8. Пра-
вильность положения определяется по уровням 7. Поисковое движе-
ние при совмещении плоскости пеленгации со светилом осущест-
вляется вокруг вертикальной оси. Отсчет курса самолета
производится против индекса 6 («курс») по шкале азимутального
круга 9.
Инструментальная погрешность определения курса по солнеч^Ы
ному и звездному визирным устройствам составляет не более ±2‘^И
а по поляризационному визирному устройству — не более
при визировании Солнца в сумерках.
21.6. ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ОБЪЕКТА
Рассмотренные выше приборы позволяют определить
только ориентацию осей объекта относительно какого-либо напра-
вления. Решение же подавляющего большинства задач навигации
требует знания положения объекта (наземного, надводного, подвод-
ного или летательного) на поверхности планеты или в пространстве.
Задача определения координат места объекта решается различ-
ными методами навигации, использующими данные об измеренных
высотах светил, угловых расстояниях между навигационными ориен-
тирами, дальностях до них. Вычисление координат места може^Ь
осуществляться оператором или автоматическими астронавигацион^И
ными системами.
Так, например, для определения географических координавИ
места объекта можно воспользоваться результатами измерений высот^
двух светил. Из параллактического треугольника PZS (см.
рис. 21.9), используя формулы сферической тригонометрии, получим
sin h = sin 6 sin <f + cos 6 cos <p cos t, (21.9)
где t = /гр ± X; ср и X — географическая широта и долгота места
объекта (их требуется определить); 6 и irp — экваториальные коор-
динаты светила в момент его наблюдения (берутся из астрономиче-
ского ежегодника); h — высота светила, измеряемая оператором
или каким-либо автоматическим устройством.
Поскольку в уравнении (21.9) два неизвестных ф и X, то чтобы их,
найти, необходимо составить систему из двух уравнений, т. е. для
определения координат места объекта следует воспользоваться двумя
светилами, измерив их высоты Ах и /г2: I
sin hr = sin \ sin <p + cos cos <p cos (/rP1 ± X), (21.101
sin A2 = sin 62 sin <p + cos 62 cos <p cos (/rp2 -+- X). I
Измерение высот светил осуществляется с помощью приборов^
которые называются секстантами.
Морские и авиационные секстанты. Секстанты применяют для;
решения навигационных задач как при мореплавании, так и при*
310
Рис. 21.12. Принципиальная оптическая схема морского секстанта
полетах в приземном пространстве и в космосе. Секстант предста-
вляет собой угломерный прибор. Существенной особенностью его
является то, что визирование обоих предметов, между которыми
измеряется угол, осуществляется не последовательно, а одновре-
менно и заключается в совмещении изображений обоих наблюдаемых
объектов в поле зрения прибора. Для определения географических
координат места судна или летательного аппарата, с помощью сек-
станта измеряют высоты небесных светил относительно искусствен-
ного или видимого горизонта. Для определения направления
вертикали (искусственного горизонта) в секстантах используется
жидкостной уровень или гироскоп.
На рис. 21,12 приведена оптическая схема морского секстанта.
При наблюдении в ночное время уровень 1 освещается электри-
ческой лампой 2, от которой лучи света, пройдя через светофильтр 3,
попадают на откидное зеркало 7 и на грань призмы 8. Уровень рас-
положен в фокальной плоскости объектива 12, поэтому после него
параллельный пучок лучей попадает на главное зеркало 11. Изме-
рение высот светил можно производить в двух (относительно глаза
наблюдателя) положениях секстанта: нижнем (положение 1) и верх-
нем (положение 2). Наблюдение Солнца обычно ведут в положении 1.
Ночные наблюдения звезд и планет лучше вести в положении 2,
,наблюдая светило в проходящих через главное зеркало лучах,
а пузырек уровня — в отраженных от главного зеркала. При этом
облегчается опознавание светила и повышается яркость его изобра-
жения.
Зрительная труба 10 служит для повышения точности совмещения
изображений пузырька уровня и наблюдаемого светила.
При наблюдении Солнца или Луны в дневное время уровень
освещается солнечным светом при помощи линзы 6, матового стекла 5
и светофильтра 4. Зеркало 7 должно быть откинуто в положение,
показанное пунктиром. Светофильтры 4 и 9 обеспечивают контраст
зп
между изображениями светила и пузырька уровня. При измерении
высоты светила относительно видимого горизонта из оптической
системы выводится матовое стекло 5 и наблюдение ведется через
телескопическую систему, в которой линза 6 является объективом,
а объектив 12 — окуляром.
Отсчет углов высоты светила осуществляется следующим образом.
Лучи от светила, отразившись от главного зеркала 11, попадают
в глаз наблюдателя. Лучи от пузырька уровня или линии видимого
горизонта отражаются от грани неподвижной призмы 13 и попадают
на главное зеркало 11. Если качанием последнего совместить изобра-
жение светила и пузырька, то при этом угол поворота главного
зеркала 11 относительно отражающей грани призмы 13 будет опре-
делять зенитное расстояние светила. Покажем это (рис. 21.13). Чтобы
совместить^изображение светила с центром пузырька уровня, глав-
ное зеркало 11 (см. рис. 21.12) необходимо поместить в положение,
указанное на этом'рисунке. Из треугольников АКВ и ADB получим
z = 180° — 2а — (180° — 2Ь) = 2 (Ь — а);
(21.11)
р = 180° — (90° — а) — (90° — 6) = 6 — а.
Откуда г = 90°—й = 2р, т. е. измеренное зенитное расстояние
равно удвоенному углу между плоскостями неподвижного и главного
зеркала.
В настоящее время применяются также перископиче-
ские панорамные секстанты с ручной наводкой и неавтома-
тическим слежением за светилом. Главная отличительная особен-
Рис. 21.13. Свизь между высотой
светила и углом поворота глав-
ного зеркала секстанта
Рис. 21.14. Оптическая схема
авиационного перископического
панорамного секстанта
312
/ 2 21 20
Рис. 21.15. Кинематическая схема авиационного перископического панорамного
секстанта
ность этих секстантов состоит в том, чтО/Во время маневрирования
самолета штурману не требуется поворачиваться вместе с прибором
в направлении выбранного светила.
На рис. 21.14 и 21.15 даны соответственно оптическая и кинема-
тическая схемы авиационного перископического панорамного сек-
станта СП-1М. Секстант имеет перископическую зрительную трубу
с дополнительной оптической системой, проектирующей изображение
пузырька уровня в поле зрения прибора. Спереди расположены два
склеенных под углом защитных стекла 1 поворотной головки при-
бора, в которой находится визирная куб-призма 2. Куб-призма на-
правляет лучи в объектив 3. В фокальной плоскости установлен
коллектив 4. Между линзами 5 и 9 оборачивающей системы в парал-
лельном ходе лучей расположены разделительная призма 7, пред-
назначенная для ввода изображения пузырька уровня, призма
Дове 8, служащая для компенсации поворота изображения при вра-
щении головной куб-призмы по горизонту, и светофильтр 6. За обо-
313
рачивающей системой расположены пеитапризма 10, сетка 11 и оку-
ляр 12.
Пузырек уровня 16 находится в фокальной плоскости проектиру-
ющих объективов 13 и 15. Уровень подсвечивается лампой 19 через
конденсор 17 и фильтр 18. Призма 14 направляет лучи от уровня
в основную оптическую систему.
Поворот куб-призмы в вертикальной плоскости для измерения
угловой высоты светил производится с помощью угломерного меха-
низма. Маховичок 13 угломерного механизма (см. рис. 21.15) имеет
на оси коническую шестерню 15, которая сцеплена с конической
шестерней 16, закрепленной на ходовом винте 17. При вращении
винта перемещается гайка 18, на которую замыкается тяга 19. Тяга
вместе с гайкой перемещается (по вертикали) на шариках, при этом
фланец стакана толкает червячную рейку 20, которая сцеплена
с червячным сектором 21, закрепленным на оправе куб-призмы 2,
и поворачивает ее.
Отсчет вертикальных углов: десятки градусов отсчитывают по
грубой шкале 22, градусы и минуты — по шкале 14 угломерного
барабана. Поворот визирной головки 30 с куб-призмой по горизонту
(азимуту) производится с помощью маховичка 24 шестернями 25,
26 и 27. При повороте визирной головки в ту же сторону, но с вдвое
меньшей скоростью, с помощью шестерен 28 и 29 поворачивается
оправа с призмой Дове 8, чем обеспечивается отсутствие наклона
изображения.
Одиночные измерения высоты светила с помощью секстанта не
всегда позволяют получить достаточно точный результат из-за
воздействия ускорений на пузырек сферического уровня. При этом
величины случайных погрешностей измерения достигают нескольких
десятков угловых минут. Погрешности значительно уменьшаются
при использовании осредняющего механизма 31. С его помощью
определяется среднее значение высоты при непрерывном измерении
в течение заданного периода осреднения. 'Осредняющий механизм
приводится в действие часовым механизмом 32.
Главный недостаток панорамного секстанта — трудность удер-
жания вблизи центра поля зрения совмещенных изображений светил
* и пузырька уровня.
i Современные секстанты обеспечивают пеленгацию светила по
высоте без учета ошибок вертикали с точностью до 0,5', с учетом —
2'; азимут светила определяется с точностью до 30'.
Основные недостатки секстантов: значительная затрата времени
на измерение и обработку результатов, дискретность измерений,
необходимость специальной подготовки операторов.
Космические секстанты [9]. Современные космические секстанты
разрабатывались на базе авиационных и морских секстантов. Моди-
фикация и совершенствование их направлены главным образом
на учет специфических условий применения в космическом полете
и повышение точностных характеристик. Чтобы получить три коор-
динаты местоположения космического корабля, необходимо одно-
временно измерить не менее трех навигационных параметров: види-
314
мых угловых размеров пла-
нет, углов между направле-
ниями на звезды, Луну и
линию видимого горизонта
планеты, угловых положений
звезд относительно навига-
ционного зонда, выпуска-
емого с пилотируемого косми-
ческого корабля. Поскольку
произвести одновременно три
измерения очень трудно, в си-
стемах астронавигации ПКК
используются схемы с по-
Рис. 21.16. Принципиальная схема космиче-
ского ручного секстанта СПТ-2
следовательным измерением угловых параметров, которые, как
и точное время их измерения, вводятся в бортовой вычисли-
тель. В связи с этим космический секстант должен обеспечивать
не только измерение угловых величин, но и позволять фикси-
ровать время их проведения. При измерении высот светил в мор-
ской и воздушной навигации из-за больших погрешностей в по-
строении вертикали при помощи пузырьковых уровней не было
смысла создавать секстанты с точностью, превосходящей 1...2 угл.
мин. Измерение же угловых расстояний между звездами может быть
достигнуто с более высокой точностью. Поэтому точность космиче-
ских секстантов на один-два порядка выше, чем морских и авиа1
ционных.
. Применяемые в настоящее время в космической навигации сек-
станты и могут быть подразделены на две группы: ручные и высо-
коточные секстанты.
Секстант повышенной точности типа СПТ-2.
Для измерения угла между направлениями на два ориентира исполь*
зуется оптическая система, принципиальная схема которой пред*
ставлена на рис. 21.16. При измерении угла а между ориентирами Sj
й S2 Визирную ось зрительной трубы 1 направляют на ориентир Sj
и изображение ориентира разворотом подвижного зеркала 2
вводят в поле зрения зрительной трубы и совмещают с изображе-
нием ориентира Sx. При этом угол поворота зеркала от нулевого
положения, отсчитываемый по лимбу 3, будет равен половине угла
между направлениями на ориентиры, т. е. будет равен а/2. На
рис. 21.17 дан общий вид секстанта СПТ-2. Оптическая схема состоит
из телескопической зрительной трубы, системы зеркал и отсчетного
устройства. Зрительная труба состоит из объектива 1, коллектива,
оборачивающей системы и окуляра 7. Зеркала 10, 11, расположенные
между объективом и оборачивающей системой, уменьшают габариты
зрительной трубы по длине. Полупрозрачное зеркало 2 обеспечивает
пропускание лучей по линии визирования зрительной трубы и одно-
временно отражает в зрительную трубу лучи, направленные на его
поверхность подвижным зеркалом 5. Отсчетное устройство состоит
из лимба, поворачивающегося вместе с подвижным зеркалом, и ми-
кроскопа б. Микроскоп состоит из объектива, который проецирует
313
Рис. 21.17. Общий вид секстанга СПТ-2
изображение штрихов лимба в плоскость Б сетки окуляра зритель-4
ной трубы, который является также окуляром микроскопа. Ввод-1
изображения делений лимба в поле зрения окуляра осуществляется. '
поворотом зеркала 9. Отсчетное устройство выполнено по типу’
шкалового микроскопа. Сменные светофильтры 3, установленные'
перед системой прямого направления, и светофильтры 12, располо-
женные между подвижным и полупрозрачным зеркалами, улучшают1
условия наблюдения. Вращением рукоятки, расположенной с пра-
вой стороны, осуществляется поворот подвижного зеркала 5. Ось
вращения зеркала выполнена в виде «разнесенных» опор, которые
обеспечивают большую точность измерения углов, чем цилиндри-
ческие и конические опоры. Спереди секстант защищен резиновым
подковообразным кожухом 4, которым он прижимается к иллюмина-
тору ПКК в период наблюдений. В нем же располагается револьвер-
ная головка с тремя светофильтрами 3 и свободным отверстием. Ря-
. дом с кожухом, на левой стороне корпуса, расположена рукоятка
для ввода светофильтров 12 переменной плотности в систему с отра-
жающими зеркалами. Секстант имеет следующие основные техни-
ческие данные:
угол поля зрения зрительной трубы, град.................... 15
увеличение зрительной трубы................................... 6^
диапазон измерения углов, град ..............................от —2 до -|-62
средняя квадратическая ошибка, уг. сек...................... не более 15
Визуальный высокоточный секстант С-2.
Секстант типа С-2, оптико-кинематическая схема которого приведена
на рис. 21.18, а внешний вид на рис. 21.19, обеспечивает как изме-
рение навигационных параметров, так и точную трехосную ориен-
тацию ПКК, используя в качестве .опорных ориентиров звезды,:
В первом случае лучи от одного навигационного ориентира попадают
через защитное стекло 63 в зрительную трубу прямого наблюдения,
которая состоит из следующих элементов (по ходу луча): блока смен-
ных светофильтров 9, переключающихся с помощью рукоятки 20\
пары ахроматических оптических вращающихся клиньев 7 и 8\
неподвижного полупрозрачного зеркала 2; объектива 3 с фокусиру-
ющей линзой 5; призмы 4, обеспечивающей получение прямого
Рис. 21.18. Оптико-кинематическая схема высокоточного секстанта С-2
ЗЮ
317
Рис. 21.19. Внешний вид высокоточного секстанта С-2
изображения и сокращение габаритов оптической системы; оку-
ляра 6. При проведении навигационных измерений оптические
клинья с помощью точных червяков 16 и 17 выставляются путем
вращения маховичков 18 и 19 в плоскопараллельную пластину.
«Базовая» визирная ось секстанта в этом случае выставляется парал-
лельно оси вращения всего прибора. При навигационных измерениях
совмещение изображений ориентиров в поле зрения окуляра осуще-
ствляется за стет поворота подвижного зеркала 1 с помощью меха-
низма, включающего в себя: червячное зацепление 10, цилиндриче-
ские шестерни 11 и шариковый редуктор с двумя маховичками 12
и 13 грубого и Точного совмещения. Момент времени точного совме-
щения изображений ориентиров фиксируется путем нажатия кнопки
«Время», расположенной на специальном устройстве, в котором
крепится секстант в кабине ПКК.
Для защиты оптической системы от световых помех перед по-
движным зеркалом установлена светозащитная бленда 14. Ее поворот
обеспечивается через шестерни 11 и червячное зацепление 15 на угол,
в два раза больший угла поворота зеркала.
Визуальная оптическая система отсчетного устройства включает
в себя следующие элементы: лампу подсветки 21; призменно-линзо-
вый блок 22; волоконный световод 23; линзовую систему 24; опти-
ческий мостик 25, передающий изображение штрихов одной части
лимба 26 в плоскость штрихов диаметрально противоположной его
части; призменно-линзовый блок 27; оптический микрометр, включа-
ющий подвижные и неподвижные оптические клинья 28 и отсчет-
ную шкалу 29; призменно-линзовые передающие блоки 30 и 31;
призмы 32 и 33; объектив 34. Далее изображение диаметрально
противоположных штрихов лимба 26 и оптического микрометра пере-
318
дается этим объективом на полупрозрачное зеркальное покрытие,
расположенное в центре плоскопараллельной прозрачной пластины
35. Отразившись от него, лучи попадают на полупрозрачное зеркало 2
и далее попадают в оптическую систему зрительной трубы прямого
наблюдения. Визуальный отсчет величины измеренного угла про-
водится космонавтом после точного совмещения в поле зрения оку-
ляра изображений диаметрально противоположных штрихов
лимба 26, которое осуществляется путем перемещения подвижных
клиньев оптического микрометра при помощи микрометренного
винта 36. Вращение винта осуществляется через редуктор махович-
ком 37.
При выполнении совмещения изображений штрихов лимба и от-
счете измеренного угла по лимбу и шкале оптического микрометра
диафрагма 41 полностью закрывается с помощью рычажно-кулачко-
вого механизма 42, 43 переключением маховичка «Род работы» 44.
Автоматический съем величины измеренного угла осуществляется
с многооборотных контактных преобразователей угол — код 38
и 39, кинематически связанных между собой. Операция введения
в бортовую ЦВМ осуществляется путем нажатия специальной
кнопки.
Точная трехосная ориентация ПКК осуществляется по спе-
циальной сетке, имеющей светлые тонкие концентрические окруж-
ности и биссектор. Оптическая система, с помощью которой изобра-
жение сетки передается в фокальную плоскость объектива зрительной
трубы, включает в себя следующие элементы: лампу подсветки 21;
коллектив 45; сетку ориентации 46; призму 47. Далее лучи от сетки
при помощи переключающего блока зеркал 48, образующих пенто-
призму, передаются на призмы 32 и 33 и, пройдя объектив 34, уже
в виде параллельного пучка отражаются от центрального полупро-
зрачного покрытия пластины 35 и попадают в зрительную трубу.
При этом изображение биссектора сетки строится параллельно
измерительной плоскости секстанта. При выполнении ориентации
ПКК изображение одного из ориентиров (звезды) вводится в бис-
сектор сетки поворотом подвижной части секстанта вокруг оси вра-
щения при помощи механизма 49 и вращением подвижного зеркала 1.
При этом угловое положение измерительной плоскости секстанта
относительно осей гироскопа ПКК определятся с помощью шкало-
вого микроскопа 50 по шкале 51, закрепленной на вращающейся
части секстанта, с точностью ±1'- Привязка нулевого положения
измерительной плоскости и «базовой» оси секстанта к осям гиро-
блока ПКК осуществляется визуально с помощью специальной
зрительной трубки (на рис. 21.19, поз. И и 13).
Угловая ориентация «базовой» визирной оси относительно ее
нулевого положения, на которой должен находиться второй ориен-
тир, задается по специальной программе путем разворота клиньев
на заданные углы по отсчетным лимбам 52 и 53 (см. рис. 21.18).
Отсчет углов по лимбам осуществляется с помощью оптической си-
стемы, включающей в себя следующие элементы: лампу подсветки 54;
коллектив с волоконным световодом 55; призменно-линзовый блок 56;
ЗГО
оптический мостик 57, строящий изображение штрихов лимба 52
в плоскости штрихов лимба 53\ призму 58\ объектив 59, передающий
изображение штрихов лимбов через призму 60 и светофильтр 61
в плоскость шкаловой сетки 62. Далее пучок лучей передается с по-
мощью переключаемого зеркального блока 48, призм 32 и 33 в объек-
тив 34 и, отразившись от пластины 35 и зеркала 2, направляется
в зрительную трубу (поз. 3...6).
Выполняя точную трехосную ориентацию ПКК космонавт удер-
живает изображение одного из ориентиров в центре сетки, а изобра-
жение другого в ее диссекторе. При этом информация об углах про-
качки со специальных датчиков выдается в систему управления
двигателями точной ориентации. Все рабочие органы управления
для удобства эксплуатации вынесены на переднюю панель секстанта
(см. рис. 21.19). Блок окуляра 1 может поворачиваться относительно
вращающейся части 8 секстанта, что позволяет устанавливать его
в наиболее удобное положение. Секстант имеет следующие основные
технические данные:
пределы измерения углов между ориентирами ...................от 1° до 40°
предельная ошибка измерения углов (на стенде без иллюминатора
ПКК)............................................................ ±8*
угловое поле ................................................... 6°
увеличение с основным окуляром ................................ 14х
ГЛАВА 22
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИЦЕЛЫ БОМБОМЕТАНИЯ
22.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БАЛЛИСТИКЕ
НЕУПРАВЛЯЕМЫХ БОМБ
Чтобы осуществить попадание сброшенной с самолета
бомбы в цель, необходимо знать траекторию ее падения. Изучением
законов движения бомбы занимается наука, называемая баллистикой
авиационных бомб.
После отрыва бомбы от самолета ее центр тяжести описывает
в пространстве некоторую траекторию, а сама бомба совершает коле-
бательные движения около своего центра тяжести. Баллистика
неуправляемой бомбы изучает движение ее центра тяжести. При
движении бомбы в воздушной среде на нее действует сила тяжести Q
и сила сопротивления воздуха 7? (рис. 22.1). Сила тяжести в опре-
деленных широтных поясах обычно принимается постоянной и
основное внимание уделяется изучению силы сопротивления воздуха.
Зная силы и ускорения, действующие на бомбу, сброшенную
е самолета, можно составить уравнение ее движения.
Пусть бомба сбрасывается в некоторой точке О с начальной ско-
ростью Кс, совпадающей по направлению с осью ОХ (горизонталь),
равная скорости самолета. Скорость Кс -и высота Н определяют на-
чальные условия бомбометания. Так как нет никаких боковых сил,
действующих на бомбу (влияние ветра будет учитываться при со-
320
ставлении прицельной схемы бом-
бометания), то она падает в пло-
скости XOY, называемой плоско-
стью бомбометания.
В момент сбрасывания бомбы
х0 = у0 = г0 = 0; Xq = Vc;
yo = zo = O. (22.1)
Проектируя силы, действу-
ющие на бомбу, на оси ОХи OY,
получим уравнения движения:
тх" = —7? cos А;/ш/" = mg—7? sin А
или
х" = —/ cos А;
У" = g —j sin X;
Рис. 22.1. Траектория падения бомбы,
сброшенной с горизонтально летя-
щего самолета
где т — масса бомбы; g — ускорение силы тяжести бомбы; / =
= R/m — ускорение силы сопротивления воздуха; обычно записы-
вается в виде / = EV. Здесь Е —зависимость, учитывающая аэро-
динамические свойства бомбы, изменение плотности воздуха по
высоте и изменению сопротивления воздуха от текущей скорости
бомбы V.
Принимая во внимание, что
cosA. = ^7-, sin А = j = EV,
получим
х" = —Ex', у" = g — Еу'.
Решив эту систему уравнений, можно определить время падения
бомбы /б, относ бомбы Ао, т. е. проекцию траектории движения
бомбы за время /б на горизонтальную плоскость, и другие величины.
• При бомбометании с горизонтального полета время падения и от-
нос бомбы являются функциями Н, Vc, т. е. параметров, определя-
ющих начальные условия бомбометания, и характеристического
времени падения бомбы 0, определяющего аэродинамические каче-
ства бомбы. Характеристическим временем падения бомбы назы-
вается время падения бомбы, сброшенной с горизонтально летящего
самолета с высоты 2000 м при скорости полета 40 м/с в условиях
стандартной атмосферы.
В результате вычисления этих величин составляются баллисти-
ческие таблицы. Для бомбометания с горизонтального полета бал-
листические таблицы для каждого типа бомбы с заданным 0
в зависимости от Н и Vc определяют время падения и линейное от-
ставание бомбы А = УДб — Ао или угловое отставание
(22.2)
Таблицы рассчитываются для бомбометания в условиях стандарт-
ной атмосферы, поэтому в реальных условиях t6 и Д будут несколько
11 С. В. Кулагин н др. 321
L
отличаться от табличных. Кроме того, они зависят от вращения
и кривизны поверхности Земли.
При бомбометании с негоризонтального полета в начальные усло-
вия бомбометания войдет угол %, т. е. угол между горизонтальной
осью ОХ и направлением вектора скорости самолета. В этом более
общем случае время падения, относ и отставание бомбы являются
функциями Н, 1/с, % и 9.
22.2. ПРИЦЕЛИВАНИЕ ПРИ БОМБОМЕТАНИИ
С ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПОЛЕТА
Прицельной схемой называется геометрическое по-
строение, определяющее положение самолета относительно цели
в момент сбрасывания бомбы при условии, что траектория падения
бомбы проходит через цель.
Рассмотрим некоторые схемы прицеливания при бомбометании
с горизонтального полета.
Бомбометание по неподвижной цели при боковом ветре. При
ветре скорость движения самолета относительно поверхности Земли
(абсолютная скорость) может быть найдена из навигационного тре-
угольника скоростей (рис. 22.2). Она складывается из вектора
воздушной скорости самолета Vc (движение самолета относительно
воздуха) и вектора ветра U (переносное движение самолета вместе
с воздухом). Абсолютное движение самолета характеризуется векто-
ром путевой скорости W, определяемым как W = Vc + U. Положе-
ние этих векторов в горизонтальной плоскости определяется соот-
ветствующими углами, отсчитываемыми от направления, принятого
за начальное. Угол между векторами Vc и W называется углом сноса
и обычно обозначается буквой а. Угол между векторами воздушной
скорости самолета и вектором ветра называют курсовым углом ветра
(КУВ) и обозначают буквой е.
Рис. 22.2. Навигационный
треугольник скоростей:
КУ — курсовой угол; ПУ —
путевой угол; УС — угол сно-
са; КУВ — курсовой угол вет-
ра; K(j — направление ветра
322
Рис. 22.3. Схема прицеливания по неподвижной
цели при боковом ветре
Схема прицеливания при боковом ветре приведена на
рис. 22.3. При отсутствии ветра самолет после сбрасывания
бомбы, двигаясь в направлении линии ОО1У называемой
линией курса, за время падения бомбы пролетел бы расстояние
00. = Vct6. При ветре он пролетит в направлении ОО2 (линия пути)
расстояние WT6. Совершенно очевидно, что при отсутствии ветра
бомба упала бы в точке С и отстала бы от самолета на величину линей-
ного отставания А. Так как при ветре бомба после отрыва от самолета
в горизонтальном направлении перемещается относительно воздуха
только в направлении вектора Vc (в боковом направлении она пере-
мещается совместно с воздухом), то в этом случае на нее будет дей-
ствовать только сила сопротивления, направленная в противопо-
ложную сторону. Поэтому отставание бомбы следует откладывать
от точки О2' в направлении, параллельном проекции линии курса
О'О/. При этом отставание по величине будет таким же, как и при
отсутствии ветра, т. е. О2Ц = O'jC = А. В результате бомба упадет
в точку прицеливания Ц. Линия МЦ, проходящая через цель па-
раллельно проекции линии пути, называется линией разрывов.
Расстояние О'К определяет продольный относ бомбы Лпр, а от-
резок ЦК — боковой относ бомбы Лбок.
Рассмотрим возможные варианты определения положения точки
сбрасывания относительно цели.
Вариант 1. Положение самолета в момент сбрасывания
бомбы определяется высотой Н, углом сноса а, углом прицелива-
ния ср, измеряемым в вертикальной плоскости OO2O2O' (плоскости
пути самолета), и углом бокового смещения визирного луча р. Из
схемы на рис. 22.3 видно, что
О'О2-°2К Лпр W76-Acosa Wt6
tg<p=-----оо>---=---------------H------= — — tgycosa,
(22.3)
= = 77^:=4FcoS> = t^sinacoscp. (22.4)
Таким образом, прицел должен вычислять и осуществлять по-
строение углов ф и р, при этом сам прицел необходимо развернуть
относительно продольной оси самолета на угол сноса а.
Вариант 2. Когда разворот прицела на угол сноса нежела-
телен, положение самолета определяется высотой бомбометания Н
и углами прицеливания фх и q>z, измеряемыми соответственно в про-
дольном и боковом направлениях. Углы прицеливания находятся
согласно следующим зависимостям (рис. 22.4):
™ = (22.5)
где Wx = W cos а — Vc + U cos в;
= = COST.. (22.6)
где №г = U sin в.
ц» 323
Рис. 22.4. Определение положения са-
молета относительно цели в системе
координат Н, ф.г, <Pz
Рис. 22.5. Связь между прямо-
угольными и полярными коор-
динатами цели
Таким образом, задача сводится в основном к определению со-
ставляющих ветра, а затем к решению полученных зависимостей
и построению рассчитанных углов <рх и ф2.
Вариант 3. Положение самолета определяется высотой бом-
бометания Я, наклонной дальностью до цели Лпак и курсовым пе-
ленгом цели Яц, т. е. в полярной системе координат. В этой системе
работают бортовые радиолокационные станции. Между оптическим
прицелом и радиолокатором осуществляется связь, обеспечивающая
пересчет прямоугольной системы координат в полярную. Из
рис. 22.5 следует, что
L“a« = cos <р cos р ’ <22,7)
Яц = а + ф;
(22.8)
tg ф = =s t 1 _ tgp = tg ро cos <р = tg ро .
О'К cos <р ®^/ftg<p sin <р sin tp tg q>
Схема прицеливания при бомбометании по горизонтально дви-
жущейся цели. На рис. 22.6 изображена проекция на земную поверх-
ность движения самолета, летящего на высоте Я. Для попадания
бомбы в цель необходимо, чтобы в момент сбрасывания бомбы цель
находилась на расстоянии U,D ~ от точки падения бомбы D.
Для определения прицельных данных воспользуемся принципом
обращенного движения, т. е. будем считать цель неподвижной,
а самолету сообщим дополнительную скорость, равную скорости
цели, но противоположного направления. Для этого вектор скорости
ветра Я суммируем с вектором — Уц. Результирующий вектор Я„р
называется приведенным вектором ветра. Таким образом, вводя
понятие приведенного ветра, приходим к прицельной схеме
324
бомбометания по неподвижной цели. Из схемы легко получить, что
tg <рц 1|У^^£08 “Ц; (22.9)
tg^=tgYsinallcos(pn, (22.10)
где ИТц и ац — путевая скорость и угол сноса самолета относительно
цели; фц и |хц — соответственно углы прицеливания и бокового сме-
щения визирного луча при бомбометании по горизонтально движу-
щейся цели.
Ввод поправок в угол прицеливания при бомбометании серией
и строем. Бомбометание серией из п бомб применяется, если цель
имеет малую протяженность в направлении линии пути самолета.
Расстояние между точками разрывов первой и последней бомбы назы-
вается линейной длиной серии Lcep, расстояние между точками раз-
рыва двух соседних бомб — линейным интервалом серии /сер, а вре-
менной промежуток между разрывами двух соседних бомб — времен-
ным интервалом серии Д/сер.
Величины Lcep и /сер обычно задаются штурману в зависимости от
протяженности цели, тогда временной интервал серии рассчиты-
вается как Д^сер = 1)' Бомбометание серией осуществляется так,
чтобы цель располагалась в середине линейной длины серии. Учиты-
вая, что прицеливание ведется по цели, а не по точке падения бомбы,
из рис. 22.7 легко получить, что
А -4- ^"сер
<8Ф..Р = . 4 2- = ^~lgTcosg + ^, (22.11)
где Феер — угол прицеливания при бомбометании серией.
Бомбометание строем производится по площадным целям одно-
временно несколькими самолетами. При этом прицеливание осущест-
вляет только головной самолет и бомбы сбрасываются по его
команде. При бомбометании строем цель должна находиться сзади
Рис. 22.6. Схема прицеливания при
бомбометании по горизонтально
движущейся цели ,
Рис. 22.7. Схема прицеливания при
серийном бомбометании
325
точки разрыва бомбы, сброшенной с головного самолета, на расстоя-
нии, равном половине глубины строя Г (глубина строя измеряется
в направлении курса). Из
можно получить, что
Й Г
Дпр---2~cosa
1g Фетр =
схемы прицеливания (рис. 22.8)
И-----" ~ПГ ~ Y cos а — cos а. (22.12)
Задачи и основные способы прицеливания. Задача прицеливания
при бомбометании состоит в том, чтобы к моменту бросания бомбы, '
выполнив совокупность операций по управлению самолетом, при-
дать самолету и вектору воздушной скорости такое положение, кото-
рое обеспечивало бы попадание сброшенной бомбы в намеченную
точку (цель). При всех способах бомбометания процесс прицелива-
ния распадается на два этапа: прицеливание по направлению (боковая
наводка) и прицеливание по дальности (продольная наводка).
Прицеливание по направлению сводится к тому,
некотором отрезке времени движения
Прицеливание
чтобы обеспечить на
самолета, включающем и момент сбрасывания бомбы (точка О на
рис. 22.9), такое направление его воздушной скорости, при котором \
линия пути самолета проходит в стороне от цели с наветренной сто-
роны на расстоянии бокового относа бомбы, т. е. задача сводится
к определению необходимого (требуемого) для прицельного бомбо-
метания курса самолета Дт.
Из сказанного вытекает, что задачу прицеливания по направле-
- состоящей из двух основных
нию можно рассматривать как бы
частей:
— определения требуемого угла
изменения курса самолета =
= Ко- Кг,
— выполнения разворота само-
лета на данный угол, с требуе-
мой для прицельного бомбоме-
тания точностью, до наступления
момента сбрасывания.
Величина' АДТ зависит от усло-
вий бомбометания: Lo, Н, Fc, 0,
Рис. 22.9. Схема прицеливания по
направлению
при
Рис. 22.8. Схема прицеливания
групповом бомбометании
326
U, Ко и траектории разворота самолета при выходе на боевой курс.
Определить А/<т довольно сложно, поэтому применяют ряд способов,
которые при некоторых допущениях упрощают практическое реше-
ние задачи прицеливания.
Все основные способы прицеливания по направлению могут быть
разделены на две группы:
1) способы, основанные на подборе угла сноса а. При этом не
требуется знать величину и направление ветра;
2) векторные способы прицеливания по направлению позволяют
с большей точностью и в меньшее время выполнить прицеливание по
направлению, но требуют предварительного определения вектора
ветра.
Прицеливание по дальности. После осущест-
вления боковой наводки выполняется второй этап прицеливания —
прицеливание по дальности. Задача этого этапа заключается в том,
чтобы определить на линии боевого пути такую точку, расстояние от
которой до проекции цели на плоскость пути равнялось бы продоль-
ному относу бомбы, т. е. задача сводится к определению момента
(точки) сбрасывания бомбы. Эта точка чаще всего определяется мо-
ментом наступления равенства текущего угла визирования срг углу
прицеливания, т. е. <рг = ср.
Для определения значения угла прицеливания ср в первую оче-
редь требуется знать величину путевой скорости IF. Поэтому в соот-
ветствии со способами определения величины W различают и спо-
собы осуществления прицеливания по дальности: навигационный,
базисный, синхронный и векторный. Наибольшее распространение
в настоящее время получили два последних способа.
Навигационный способ прицеливания по дальности позволяет
определить величины IF и а, а следовательно, рассчитать и угол
прицеливания ср, для заранее выбранного направления подлета
к цели (путевого угла) по известным значениям Ft, U и Ко-
Базисный способ позволяет определить вектор путевой скорости
измерением времени пролета базы, а на основании IF рассчитать и <р;
при этом необходимо, чтобы в процессе измерений курс самолета сов-
падал с боевым курсом, так как для других курсов значение IF,
а следовательно, и ср будет другим. При известной базе и времени
ее пролета IF = Б/t^.
Синхронный способ прицеливания по дальности на основе непре-
рывного (синхронного) слежения визирным лучом за целью состоит
в определении основной составляющей угла прицеливания, которая
равна WtJH.
Для осуществления синхронного слежения за целью и определе-
ния этой величины служит специальный механизм синхронизации.
Принципиальная схема и расчет одного такого механизма представ-
лены ниже, при рассмотрении устройства бомбардировочного при-
цела.
Векторный способ прицеливания по дальности состоит в опреде-
лении величины путевой, скорости из векторного построителя, а за-
327
тем угла прицеливания. Так как линейка вектора ветра векторного
построителя, при помощи которого определяется W, стабилизиро-
вана в пространстве, то прицелы, работающие по данному способу,
позволяют производить бомбометание с любого направления подлета
к цели. В этом и заключается основное отличие и преимущество век-
торного способа прицеливания от навигационного.
22.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
ДЛЯ ПРИЦЕЛИВАНИЯ ПРИ БОМБОМЕТАНИИ
Для выполнения прицельного бомбометания необходимо
иметь следующие исходные данные: Н, Vc, U, 9, Lcep, п, Г, Уц. Неко-
торые из них 9, Lcep, п, Г обычно определяются заданием на бомбо-
метание. Вектор скорости цели Уц определяется штурманом по типу
цели. Рассмотрим способы определения H,WC, U.
Измерение высоты полета. Приборы, измеряющие высоту полета,
называются высотомерами. В зависимости от того, какие физические
явления используются для определения высоты, они делятся на
барометрические, звуковые, световые и радиовысотомеры. При бомбо-
метании различают следующие высоты (рис. 22.10): Яабс— абсо-
лютную высоту, т. е. высоту полета относительно уровня моря;
Диет — истинную высоту, т. е. высоту самолета над пролетаемой
местностью. Для прицеливания при бомбометании необходимо зна-
ние истинной высоты.
Световые, звуковые высотомеры и радиовысотомеры измеряют
непосредственно истинную высоту полета. Барометрические высото-
меры измеряют абсолютную высоту полета. Истинная высота в этом
случае определяется как разность между абсолютной высотой и вы-
сотой местности (цели) над уровнем моря Яц0, т. е.
Диет Дабе ДцО-
(22.13)
Принцип устройства барометрических высотомеров, входящих
обычно в комплект бомбардировочного оборудования самолета, ос-
нован на измерении давления воздуха в атмосфере, которое изме-
няется с увеличением высоты. Связь между высотой, давлением и
Рис. 22.10. Определение высоты полета са-
молета
Рис. 22.11. Принципиальная
схема высотомера
328
другими параметрами атмосферы определяется довольно сложной за-
висимостью и является функцией пяти величин:
рн, Ро — абсолютное давление соответственно на высоте полета и
уровне, принимаемом за начало отсчета высоты;
То — абсолютная температура на начальном уровне;
т — температурный градиент, характеризующий изменение тем-
пературы при изменении высоты;
R — газовая постоянная воздуха.
Чтобы иметь однозначную зависимость высоты и давления воз-
духа на высоте полета, величины рд, Тд, т, R должны иметь вполне
определенные значения. Обычно в качестве начального уровня при-
нимается уровень моря и градуировка высотомера производится для
условий международной стандартной атмосферы (MCA), для которой
принято рд = 1 Па, Тд = 288 К; т = 0,0065 град-м-1 и, следова-
тельно, при изменении температуры по высоте Тн~Тд—тН =
= 288 — 0,0065 Н для Н < 11 000 м и Тн = 216,5 К для Н >
> 11 000 м. В этом случае высота однозначно связана с давлением,
т. е. Н = f (рн), и для ее определения следует измерить давление на
высоте полета.
Конструктивно барометрические высотомеры выполняются по
следующей принципиальной схеме (рис. 22.11). Анероидные коробки
1 укреплены на основании 2 и несут на себе иголку 3, на которую опи-
рается пружина 4. Так как внутри анероидных коробок имеется дав-
ление рд, а в полость высотомера подается воздух, имеющий давление
рн, то они под действием избыточного внутреннего давления будут
расширяться, перемещать иголку, пружину и через рычажную си-
стему 5, стрелку 6 указателя и движок 7 потенциометра датчика вы-
соты на величину 6, пропорциональную разности давлений, т. е.
6 = k (р0 — рн) = F (И).
Если давление на уровне моря отличается от стандартного, то
истинная высота определяется по следующей формуле:
Диет == FIпр. абс (Яцо i ^бар) ^пр. абс (22.14)
где = Яц0 ± Ябар — высота цели над уровнем, соответствующим
давлению рд; Япр. абс — приборное значение абсолютной высоты;
Ябар — барометрическое превышение цели над уровнем моря.
Отклонение распределения температуры по высоте от стандарт-
ного приводит к изменению плотности и давление в различных слоях
воздуха. Поэтому температурная погрешность высотомера не может
быть скомпенсирована простым смещением начала отсчета и чаще
всего учитывается пересчетом приборных значений высоты по зави-
симости
Яабе — ^б-сГср., (22.15)
t СР. ст
где Тор и Тер. ст — соответственно средняя температура воздуха
при реальном и стандартном ее распределении по высоте.
Измерение воздушной скорости. Для измерения воздушной ско-
рости применимы манометрический, термодинамический, тепловой,
329
Рис. 22.12. Принципиальная схема указа-
теля воздушной скорости
турбинный и ультразвуковой
методы. Обычно в комплект
прицела входят манометри-
ческие датчики.
Манометрические указа-
тели воздушной скорости
основаны на определении
разности статического и дина-
мического давлений. Прин-
ципиальная схема указателя
воздушной скорости приве-
дена на рис. 22.12. Прием-
ник воздушного давления
(ПВД) устанавливается во
встречном потоке воздуха
и представляет собой двой-
ной цилиндр. Внутренний
цилиндр открыт с торца и в нем создается динамическое давле-
ние рдин тем большее, чем больше скорость полета Уг. Внешний
цилиндр закрыт с торца и имеет на удалении порядка 10с/ от своей |
головной части отверстия, благодаря которым внутри его полости
устанавливается статическое давление рст, равное давлению на высоте
полета. Легко видеть, что перемещение иглы 3 анероидных коробок 4
и связанной с ней пружины 5 через рычажную систему 6 будет пере-
дано на стрелку 7 указателя и движок 8 потенциометра датчика ско-
рости ПДу пропорционально разности давлений, поданных от ПВД |
в полости анероидных коробок и указателя, т. е. 6 = k (рлиа — рст).
Так как (рдия — рст) = f (Ус), то 6 = б (Ус).
Так же как и барометрические высотомеры, указатели скорости
имеют методические погрешности, которые связаны с искажением
воздушного потока в зависимости от места установки на самолете j
ПВД и с отклонением распределения температуры в реальной атмо- ]
сфере от стандартной. Поэтому приборное значение скорости полета J
Ус. пр пересчитывается по зависимости вида
vc = (Ус. пр + дУс) , (22.16)
V J н ст
где Ус — истинная скорость самолета; ДУС — аэродинамическая
поправка на место установки ПВД, определяемая экспериментально;
Ти, ТИ(...— температура на высоте полета соответственно для реаль-
ной и стандартной атмосферы (Тн измеряется по термометру, а Ти ст
вычисляется в зависимости от высоты полета).
Определение ветра. Данные о векторе ветра экипаж получает
либо на основании метеорологической разведки района предпола-
гаемого бомбометания, либо определяет (измеряет) сам в районе цели,
что, очевидно, более точно. Экипаж может определить вектор ветра,
например, способом штилевой синхронизации. Способ штилевой син-
хронизации основан на измерении величины и направления смеще-
ния изображения наземного ориентира от перекрестия сетки визир-
ззо
ной системы прицела в его поле зрения при непрерывном слежении
визирным лучом за ориентиром при отсутствии ветра.
В точке А (рис. 22.13) штурман совмещает перекрестие визирной
системы прибора с ориентиром D и задает визирному лучу скорость
штилевой синхронизации. При отсутствии ветра и полете самолета
с неизменным курсом в течение времени ^баз он придет в точку В,
а визирный луч по-прежнему будет направлен на ориентир D. При
ветре самолет будет снесен в точку С, а перекрестие будет направлено
в точку М. При этом в его поле зрения ориентир D сместится относи-
тельно перекрестия в направлении, обратном направлению вектора
ветра. Бортовой угол ветра измеряется по круговой шкале 1, на оп-
раве окуляра прибора в плоскости, перпендикулярной линии визиро-
вания. Поэтому угол измеряется в плоскости NKD, параллельной
плоскости сетки и перпендикулярной визирному лучу СМ. Следо-
вательно,
tg 8' = -______= . (22 17)
ё KN МК sin (90° — ₽к) cospK v ’
Легко видеть, что 8 измеряется без ошибок при 0. Это условие
выполнить не удается, так как при встречном ветре ориентир будет
экранироваться фюзеляжем самолета. Поэтому чаще всего принимают
= 10° и при этом полагают е' ~ е.
Величина смещения изображения ориентира в поле зрения при-
цела (отрезок D' М') может быть определена как
г\< ц»'_1_е ND er С/баз sin s/sin e_ /99 . q.
DM — I — fo6 tg г] — /об Nc - /об H/cos __ Шбаз cos e sin • (22. 8)
Из этой зависимости следует, что при Hlt^ ~ const (/об и
также имеют постоянные значения), величина угла ц зависит только
Рис. 22.13. Определение ветра способом штилевой синхронизации
331
от U, а следовательно, отрезок I в масштабе шкалы ветра определяет
величину скорости ветра.
Для выполнения условия Я//баз = const необходимо определен-
ным образом задать начальный угол визирования ро. Так как
tgp»= H^K+yct6a3 =tgpK+^vc,
(22.19)
то при t6a3lH = const и’ = const начальный угол визирования яв-
ляется функцией скорости полета самолета. Таким образом, процесс
измерения вектора скорости ветра осуществляется следующим
образом. По специальной шкале, проградуированной как ро =
= /0 (Ус), устанавливается р0 и при наложении перекрестия на ориен-
тир включается двигатель путевой скорости, который обеспечивает
угловую скорость визирному лучу, соответствующую штилевой син-
хронизации. По мере отхода изображения ориентира с перекрестия
штурман непрерывно совмещает в поле зрения прибора шкалу изме-
рения ветра с изображением ориентира и в момент достижения р =
= Рд производит отсчеты величины и направления ветра. Точность
данного способа измерения ветра равна 2 ... 4 % от величины воз-
душной скорости.
22.4. ОПТИЧЕСКИЙ ВЕКТОРНО-СИНХРОННЫЙ
БОМБАРДИРОВОЧНЫЙ ПРИЦЕЛ
Бомбардировочным прицелом называется комплекс уст-
ройств, при помощи которого осуществляется прицельное сбрасы-
вание бомб. Оптический прицел бомбометания (ОПБ) в общем случае
состоит из следующих блоков или механизмов: 1) визирной системы,
при помощи которой осуществляется поиск, наблюдение и слежение
за целью в процессе прицеливания; 2) механизма стабилизации, вы-
полняющего построение вертикали, принятой в качестве начала
отсчета всех углов при бомбометании, и стабилизацию визирной
линии относительно поверхности земли при колебаниях самолета;
> 3) счетно-решающего устройства, обеспечивающего построение необ-
ходимых прицельных данных; 4) механизма боковой наводки, кото-
рый вырабатывает требуемую величину изменения курса и выдает
команду в автопилот на разворот самолета на вычисленный угол;
5) механизма автоматического сбрасывания; 6) вспомогательных ме-
ханизмов.
Общие сведения. Векторно-синхронный бомбардировочный при-
цел предназначается для прицеливания при бомбометании с гори-
зонтального полета по подвижным и неподвижным целям с произ-
вольного направления выхода на цель. Прицел обеспечивает построе-
ние угла прицеливания векторным и синхронным способами, прице-
ливание по направлению векторным и всеми способами, основанными
на подборе угла сноса, свободу маневрирования самолета по высоте,
скорости и курсу путем автоматического ввода этих параметров в при-
цел, непрерывный и автоматический ввод баллистических данных,
332
Рис. 22.14. Оптическая схема
телескопической визирной системы
прицела
измерение вектора ветра способом штилевой синхронизации, автома-
тический сброс бомб.
Визирование цели при наличии видимости осуществляется через
телескопическую или коллиматорную оптические системы. При от-
сутствии видимости цели прицеливание производится при помощи
экрана индикаторной трубки самолетной радиолокационной станции.
Электрическая связь между ними позволяет осуществлять переход
от прямоугольной системы координат к полярной в соответствии с за-
висимостями (22.7), (22.8).
Оптическая схема и поле зрения телескопической визирной си-
стемы прицела представлены на рис. 22.14 и 22.15.
Оптическая схема состоит из защитного окна 1 (см. рис. 22.14),
куб-призмы углов визирования 2, куб-призмы бокового смещения
визирного луча 5; объектива 5, башмачной призмы 4; светофильтра
6\ сетки для прицеливания и измерения вектора ветра 7; окуляра 8.
В поле зрения этой оптической системы наблюдаются петельки углов
визирования 1 (см. рис. 22.15); шкала угла визирования и прицели-
вания 2; индекс углов прицеливания 5; двойной штрих, указывающий
момент окончания измерения вектора ветра 4; шкала для измерения
скорости ветра 5.
Стабилизация поля зрения прибора обеспечивается гироскопи-
ческой системой, имеющей механическую связь через цилиндриче-
ские дифференциалы, с головными куб-призмами. Удержание гиро-
скопа в вертикали осуществляется механизмом автокоррекции.
Сам прицел устанавливается на курсовом стабилизаторе автопилота
и имеет с ним механическую и электрическую связь.
Конструктивно прицел выполнен в виде отдельных агрегатов,
электрически связанных между собой. Собственно прицел является
основным агрегатом, в котором непосредственно вырабатывается
угол прицеливания <р'и угол бокового смещения визирного луча ц,
333
а также команды на автопилот, необходимые для выполнения при-
целивания по направлению.
Ввод исходных данных. Для построения угла прицеливания, угла
бокового смещения визирного луча и выполнения прицеливания по
направлению, необходимо ввести в прицел следующие данные: при-
борное значение абсолютной высоты, скорости самолета и изменение
курса самолета, которые поступают в решающий прибор (РП) авто-
матически от соответствующих датчиков; величину и направление
ветра, температурные поправки, поправки на показания ПВД,
высоту цели, характеристическое время падения бомбы и поправки
в угол прицеливания на серию и строй, которые также вводятся
в РП штурманом вручную по соответствующим шкалам. На основа-
нии этих исходных данных в РП вырабатываются истинная высота и
истинная воздушная скорость самолета, время падения и угловое от-
ставание бомбы и другие величины, позволяющие вычислить при-
цельные данные.
Истинная высота полета вырабатывается при по-
мощи потенциометрических счетно-решающих устройств в соответ-
ствии с формулами (22.14), (22.15).
Приборная высота Я11р.a6s поступает в РП от указателя высоты,
а температура на уровне цели Тз и на высоте полета Тн вводятся
штурманом вручную. Так же вручную в РП вводится поправка на
высоту цели над уровнем моря.
Истинная воздушная скорость вычисляется
в РП по формуле (22.16). Приборное значение скорости ПР г,°"
ступает от указателя скорости в электрическое суммирующее и мно-
жительное устройство. Сюда же вручную вводится аэродинамическая
поправка ДУС. Величина у Т,, снимается с функционального потен-
циометра, движок которого поворачивается пропорционально Тн
при вводе в РП температуры воздуха на высоте полета самолета для
получения истинной высоты. Значение / Д/ ст вырабатывается в за-
висимости от абсолютной величины высоты полета, которая строится
в РП по формуле (22.15).
Величина воздушной скорости самолета может быть также вве-
• дена в РП вручную.
Вектор ветра вводится в РП и стабилизируется в про-
странстве благодаря связи линейки ветра векторного построителя
дистанционной передачей с компасом. Предварительно вектор ветра
может быть определен способом штилевой синхронизации. Для уста-
новки начального угла визирования при измерении ветра в прицеле
предусмотрена специальная шкала 16, которая кинематически свя-
зана с рукояткой визирования 7 и проградуирована в функции 60 =
= f(Vc) (рис. 22.16).
Баллистические величины (время падения и угло-
вое отставание бомбы) вырабатываются автоматически, но могут быть
введены в прицел по соответствующим шкалам и вручную.
Время падения бомбы вырабатывается при помощи коноида
в функции лишь истинной высоты полета и характеристического
времени падения бомбы: tl = f (Н, 0).
334
Рис. 22.16. Кинематическая схема прицела
Для компенсации ошибки в построении угла прицеливания, воз-
никающей вследствие ввода в прицел приближенного значения tt,
(не учитывается влияние Ус), в РП вырабатывается фиктивное (изме-
ненное) угловое отставание.
Угловое отставание определяется по зависимости у* = (Рс,0)
в трех диапазонах высоты, внутри которых Н принимается некото-
рым средним значением, обеспечивающим минимум ошибки в по-
строении у*. Угловое'отставание вырабатывается в РП при помощи
335
/5
Рис. 22.17. Принципиальная схема механизма синхронизации
трехлопастного коноида, каждая лопасть которого соответствует
тому или иному диапазону высоты.
Построение прицельных данных. Угол прицеливания
строится по зависимости
tg Ф* = (- tg у* + , (22.20)
где слагаемое ( /f-) определяется либо синхронным, либо век-
торным способом, а затем суммируется в механизме сбрасывания
с поправками на угловое отставание, серию и строй.
При синхронном способе прицеливания величина ( —ур) .стро-
ится при помощи механизма синхронизации, схема которого
приведена на рис. 22.17 (здесь элементы имеют такие же обозначения,
как и на рис. 22.16). Электродвигатель 1 с постоянной скоростью
.вращения вращает ведущий ролик 2, который устанавливается от
центра фрикционного диска 3 на расстоянии pj = kite либо автома-
тически от электромагнитной муфты «й», либо вручную при помощи
рукоятки 9. Тогда угловая скорость фрикционного диска будет
обратно пропорциональна времени падения бомбы:
и3 = Й2_!_= (о _Г__ = (22.21)
_ (ОоГ
где г — радиус ведущего ролика; ----постоянная величина.
"“i
Из рис. 22.17 видно, что для непрерывного слежения за целью
визирный луч при вращении куб-призмы углов визирования 18 дол-
жен иметь угловую скорость
Ыв.л = 4-сО5Ч, (22.22)
336
Если выполнить профиль кулачка 26 таким, чтобы обеспечива-
лось изменение скорости визирного луча в функции cos2 фг, то кула-
чок, а следовательно, и распределительный вал 17 и ведомый ро-
лик 4, должны иметь угловую скорость, пропорциональную W/H.
Установка необходимой скорости ведомого ролика 4 осуществляется
путем его перемещения относительного центра фрикционного диска
с помощью рукоятки синхронизации (PC), винта 5 и каретки 6 на
величину р2 = ^Фрс, где фрс — угол поворота PC.
Легко видеть, что угловые скорости ведомого ролика 4 и распре-
делительного вала 17 будут пропорциональны W/H, если
(22.23)
* W
фрв - = ^6 ~’
Таким образом, получим, что при синхронизации визирного луча
с целью, поворот рукоятки синхронизации 8 будет пропорционален
т. е. искомой величине, которая и может быть передана на механизм
автоматического срабатывания 15, где она для построения полного
угла прицеливания суммируется с поправками на отставание, серию
и строй, поступающими с дифференциала 14. Поправка на угловое
отставание, как уже было показано выше, вырабатывается в РП и
автоматически при помощи потенциометрической следящей системы
вводится в прицел (электромагнитная муфта «у», принимающий по-
тенциометр «tg у*») или так же, как поправка на серию и строй, вво-
дится в механизм автоматического сбрасывания вручную при по-
мощи рукояток 12 и 10 по шкалам 13 и 11. В результате один из элек-
трических контактов механизма автоматического сбрасывания пово-
рачивается на угол, пропорциональный тангенсу угла прицелива-
ния ф*. Второй контакт механизма автоматического сбрасывания
связан с распределительным валом 17 и его угол поворота будет про-
порционален текущему времени t, т. е.
• wt
ФрВ = W = ~fj~ »
(22.24)
при k9 == 1.
Из рис. 22.17 видно, что WtIH = tg ф(, т. е. угол поворота рас-
пределительного вала 17 пропорционален тангенсу текущего угла
визирования фг. Следовательно, момент сбрасывания будет опреде-
ляться достижением равенства tg ф( = tg ф*, т. е. моментом совме-
щения контактов механизма автоматического сбрасывания
337
При векторном способе прицеливания величина выра-
батывается как результат деления значения путевой скорости IF* на
величину (H/ts), т. е.
Величина путевой скорости вырабатывается в векторном по-
строителе решающего прибора (РП) приближенно (IF*) в зависимо-
сти от истинной воздушной скорости самолета, величины и направле-
ния ветра. Отношение (Я/tg)* вырабатывается в РП в зависимости от
истинной высоты полета самолета и характеристического времени 9
падения бомбы.
Операция деления IF* на (НИ5)* осуществляется при помощи элек-
трического счетно-решающего механизма. Величина отра-
батывается на потенциометре П tg <р0, расположенном в прицеле.
При этом в соответствующее положение устанавливается ведомый
ролик фрикционного механизма, индекс углов прицеливания и кон-
такт механизма сбрасывания. Ввод поправок на отставание, серию и
строй, а также автоматическое сбрасывание бомб осуществляется
так же, как и при синхронном способе прицеливания.
Угол бокового смещения визирного луча
в прицеле строится по зависимости tg ц* = tg у* sin a* cos ф*
при помощи двух коноидов 19 и 20. Коноид 19 в осевом направлении
перемещается пропорционально tg у* при автоматическом или руч-
ном вводе в прицел величины углового отставания и поворачивается
на угол сноса при развороте прицела вокруг неподвижной шестерни
31. Величина, пропорциональная произведению tg у* sin а*, полу-
чаемая в виде поперечного перемещения щупа 21, умножается на
cos ф*, так как коноид 20 поворачивается от распределительного
вала 17 в зависимости от ф*. Тогда осевое перемещение щупа 21 будет
пропорционально tg р.* и через систему рычагов 22 и дифференциал
23 поступит на призму 24, посредством которой визирный луч от-
клоняется на угол [х*. Наличие дифференциала и связи призмы 24
с рамкой гироскопа 27 обеспечивает стабилизацию визирного луча
при поперечных кренах самолета.
' Боковая наводка. При помощи механизма боковой наводки осу-
ществляется прицеливание по направлению. Механизм боковой на-
водки осуществляет механическую и электрическую связь прицела
с автопилотом и предназначен для выработки требуемых для выпол-
нения прицеливания по направлению команд на разворот самолета,
а также разворота прицела относительно продольной оси самолета
на угол сноса. Прицел связан с барабаном стабилизатора курса
автопилота, благодаря чему он может стабилизироваться в азиму-
тальной плоскости. Эта связь осуществляется через муфту прицела,
которая замыкается на барабан и тягу 36 (см. рис. 22.16), связанную
с сектором прицела 32. На барабан стабилизатора курса автопилота
может также замыкаться муфта автопилота, которая, в свою очередь,
через тягу 35 связана с шестерней сноса 34. Муфта автопилота также
связана с движком потенциометра курса автопилота, при помощи
338
Рис. 22.18. Схема боковой иаводки векторным способом
которого задается команда на разворот самолета
в горизонтальной плоскости. Обе муфты в зави-
симости от применяемого способа боковой наводки
могут либо свободно проворачиваться относи-
тельно барабана, либо жестко на него замы-
каться. Для управления разворотом самолета и
прицела имеются две рукоятки: рукоятка разво-
рота 28 и рукоятка сноса 29. Определенная после-
довательность включения муфт автопилота и при-
цела и поочередная работа рукоятками позволяют
осуществить прицеливание по направлению как
способами, основанными на подборе угла сноса,
так и векторным способом. Поскольку векторный
способ обеспечивает большую точность прицелива-
ния за меньшее время, хотя и требует знания
величины и направления ветра, то рассмотрим
этот способ.
Схема прицеливания по направлению векторным
способом при*
ведена на рис. 22.18. Из приведенной схемы следует, что для выпол-
нения боковой наводки самолет необходимо развернуть (изменить
его курс) на угол A/fT, равный
АКГ = Д77У + ак — а0 = Д77У + Да, (22.26)
где Да — изменение угла сноса за время разворота самолета, ДПУ —
изменение путевого угла. Последняя зависимость решается при
одновременном построении и учете изменения угла р*.
Для измерения угла ЬПУ необходимо знать положение вектора
путевой скорости W в пространстве. С этой целью в процессе боковой
наводки прицел стабилизируют по вектору путевой скорости или,
как говорят, по углу сноса. Для этого в каждый момент времени
определяется текущее значение угла сноса и прицел разворачивается
на его величину относительно продольной оси самолета. Величина
угла сноса вырабатывается по зависимости
sin а* = U sin e/IF* (22.27)
с помощью потенциометрического мостового счетно-решающего уст-
ройства.
Для обеспечения стабилизации прицела по углу сноса необхо-
димо включить муфту автопилота, выключить муфту прицела и зам-
кнуть рукояткой 30 (см. рис. 22.16) кинетическую цепь «электро-
магнитная муфта (ЭММ) а* — шестерня сноса 34». Тогда, если при-
цел не развернут на угол сноса, то вращение ЭММ вызовет вращение
червяка 33, связанного с шестерней сноса 34. При этом прицел будет
разворачиваться вокруг стабилизированной шестерни сноса 34 до
тех пор, пока не наступит равновесие электрического моста отра-
ботки а*, а движок принимающего потенциометра Па* не повернется
на угол а*. Движок'потенциометра Па* вращается в этом случае
339
из-за обкатывания соединенных с ним шестеренок по стабилизиро-
ванному сектору 37, жестко связанному с шестерней сноса. Чтобы
выполнить прицеливание по направлению, необходимо при включен-
ной муфте автопилота включить муфту прицела, а затем выключить
муфту автопилота. Затем рукояткой разворота совместить продоль-
ную курсовую черту с целью, при этом прицел и самолет разворачи-
ваются на угол УПУ. Так как в процессе разворота непрерывно пере-
страивается векторный треугольник и изменяется угол сноса, то
значение Да* автоматически поступает на шестерню сноса 34 от
ЭММ а*. В итоге боковой наводки самолет изменит свой курс на
угол ДКТ — УПУ + Да*, а прицел развернется относительно про-
дольной оси самолета на угол а£ = ао + Да* (см. рис. 22.18).
22.5. БОМБОМЕТАНИЕ С НЕГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПОЛЕТА
Для увеличения зоны прицельного бомбометания, кото-
рая обычно определяется величиной продольного относа бомбы,
а также для повышения точности бомбометания могут применяться
различные виды бомбометания с негоризонтального полета. Разли-
чают два основных вида: бомбометание с пикирования и бомбомета-
ние с кабрирования.
Бомбометание с пикирования. Пикированием называется неуста-
новившийся режим полета самолета, характеризующийся непрерыв-
ным уменьшением высоты при незначительных изменениях курса.
При бомбометании с пикирования уменьшается продольный относ
бомбы, траектория ее падения спрямляется и располагается ближе
к линии визирования. Благодаря этому обеспечивается высокая
точность бомбометания. Кроме того, при бомбометании с пикирова-
ния можно производить одновременно с бомбометанием обстрел
из стрелково-пушечного и ракетного оружия.
Существенной особенностью бомбометания с пикирования яв-
ляется то, что прицеливание осуществляется при непрерывно изме-
няющихся значениях высоты
Рис. 22.19. Схема прицеливания при бом-
бометании с пикирования при безветрии
340
полета самолета и его вектора
воздушной скорости. Это суще-
ственно изменяет как теорию
бомбометания, так и методику
его выполнения.
Рассмотрим схему при-
целивания при бомбометании
с пикирования в безветрии
(рис. 22.19).
Обозначим время от мо-
мента входа самолета в пики-
рование до момента сброса
бомбы через tc и назовем его
временем совместного движения
бомбы и самолета на траекто-
рии пикирования. Очевидно,
что за это время «фиктивный» самолет пролетел бы горизонтальный
участок пути ОСф = Vc.BXtc- По аналогии с бомбометанием с гори-
зонтального полета назовем отрезки Ас и Дс соответственно продоль-
ным относом и линейным отставанием самолета. Обозначив время
падения бомбы t5, будем иметь Ofi.. = VC.BXY6; обозначим Аб и Дб
соответственно продольный относ и линейное отставание бомбы.
Из рис. 22.19 легко видеть, что полный относ бомбы от точки, соот-
ветствующей моменту входа в пикирование, будет определяться как
Ас + Аб, полное линейное отставание — как Дс + Дб- Тогда мо-
мент входа в пикирование может быть определен углом прицелива-
ния <рвх, рассчитываемым по следующей зависимости:
tg ф = fo + Лб = Ес.вх (4 +/б) - (Лс + Лб) . (22 28)
“ВХ
Эта зависимость аналогична зависимости, определяющей угол
прицеливания при горизонтальном полете, поэтому точка входа
в пикирование может быть определена с помощью простейших при-
целов для бомбометания с горизонтального полета.
Угол прицеливания в момент сбрасывания бомбы определяется
как
tg ФбР== Vc-iF-A-6 - - (22-29)
г -Пбр п бр
где = fi (^бр> t^c.ep, ^бр’ и Аб ~ ft (^бр> Vc. бр, ^бр> 9).
В процессе прицеливания при бомбометании с пикирования
удобнее строить не угол фбр, а угол упреждения в точке бросания
бомбы фбр = 90° — фбр —^бр, который измеряется между линией
визирования и вектором скорости самолета. Если пренебречь углом
атаки, то угол фбр можно задавать непосредственно от продольной
оси самолета. Таким образом, отпадает необходимость иметь в при-
целе механизм, обеспечивающий построение вертикали в условиях
неустановившегося режима полета самолета (пикирования).
При бомбометании при ветре необходимо определять фвх, фбр,
а также угол бокового смещения визирного луча рвх и р5р.
При бомбометании с пикирования различают три основных спо-
соба бомбометания: из расчетной точки, с программной траектории
и на выходе из пикирования.
При бомбометании с пикирования из расчетной точки исполь-
зуются таблицы углов упреждения, рассчитанные по зависимости
Фбр-Ы#бр, ^е.бр, ^бр, 9). , ' (22.30)
Летчик по предварительно выбранной скорости и высоте бомбо-
метания, углу пикирования в точке сбрасывания бомбы, для за-
данного типа бомбы определяет по таблицамфбр и вводит его в при-
цел. Затем он должен вывести самолет в расчетную точку сбрасыва-
ния бомбы, в которой фактическое значение параметров 14. бр, //бр,
А.бр будут равны расчетным, а визирная линия совмещена с целью.
Эта задача выполняется при помощи коллиматорных прицелов,
в которых уголфбр вводится либо при помощи сетки со шкалой, либо
Цутем поворота полупрозрачного отражателя. При осуществлении
341
Рис. 22.20. Схема прицелива-
ния при бомбометании иа вы-
ходе из пикирования
данного способа бомбометания самолет
выводится не в расчетную точку сбрасы-
вания бомбы, а в некоторую зону. От-
сюда и основной недостаток способа, —
точное бомбометание может быть выпол-
нено лишь в случаях сбрасывания бомбы
в момент нахождения самолета в расчет-
ной точке сбрасывания бомбы, что весьма
сложно реализовать.
Бомбометание с программной траек-
тории позволяет производить сбрасывание
бомбы в диапазоне определенного отрезка
времени нахождения самолета на участке
программной траектории его движения.
Движение по заданной программной траек-
тории осуществляется потому, что летчик,
управляя самолетом, непрерывно удер-
живает на цели визирную линию, которая также перемещается отно-
сительно продольной оси самолета. Поскольку на конечном участке
программной траектории самолет движется по траектории свободно
падающей бомбы, то сбрасывание бомбы может быть произведено
в любой точке этого участка траектории, что позволяет обеспечить
большую точность бомбометания, чем при сбрасывании бомб из рас-
четной точки.
Для выполнения бомбометания на выводе из пикирования у нас
в стране и за рубежом были созданы прицелы, обеспечивающие прак-
тически автоматическое прицеливание и бомбометание.
Прицельная схема бомбометания при выводе из пикирования
приведена на рис. 22.20. На участке АС траектории пикирования
вектор воздушной скорости самолета должен быть направлен на
цель. В это время в вычислитель и счетно-решающее устройство при-
цела непрерывно вводятся текущие значения высоты, скорости и
угла пикирования самолета. По этим данным, а также по расчетной
величине коэффициента перегрузки пср и по характеристическому
времени fl падения бомбы непрерывно вырабатывается некоторый
параметр сбрасывания Ррасч в виде угла поворота контакта в меха-
низме автоматического сбрасывания. Когда самолет будет находиться
в диапазоне возможного прицельного бомбометания, в вычислителе
дается сигнал и летчик может выводить самолет из пикирования.
Точка С соответствует моменту начала вывода самолета из пикиро-
вания и в этой же точке прицел прекращает вычисление параметра
сбрасывания, т. е. конечное значение ррасч вырабатывается в прицеле
для момента начала вывода самолета из пикирования [|Зрасч =
= /(Яс, Кс, К, 9, Пер)1-
Для данной схемы характерно, что вычисление параметра сбра-
сывания Ррасч происходит не по данным, относящимся к точке
сбрасывания бомбы, а по данным точки, соответствующей моменту
вывода самолета из пикирования. Это возможно потому, что пара-
метры точки В могут быть легко выражены через параметры
342
точки С, если известна траектория вывода самолета из пикиро-
вания.
При принятом расчетном значении коэффициента перегрузки
«ср и постоянной воздушной скорости самолета траектория вывода
самолета из пикирования будет частью окружности постоянного
радиуса При этом величина параметра сбрасывания Ррасч будет
соответствовать изменению угла пикирования от Хс до Хв или изме-
нению высоты Яс до Яв. Так как определение момента сбрасывания
бомбы путем измерения этих величин связано с большими ошибками,
то момент сбрасывания определяется по времени полета самолета
от точки С до точки В, которое может быть измерено со значительно
большей точностью. Для этой цели, а также для того, чтобы обеспе-
чить летчику возможность вывода самолета из пикирования с произ-
вольной перегрузкой, в прицеле имеется специальное устройство —
интегратор. В момент начала вывода самолета из пикирования осво-
бождается грузик интегратора, скорость перемещения которого
определяет скорость изменения параметра сбрасывания, а перемеще-
ние грузика — его величину 0(. В момент достижения 0( — ррасч
происходит замыкание контактов механизма автоматического сбра-
сывания и сброс бомб.
При наличии ветра и движении цели в счетно-решающем устрой-
стве вычисляется поправка к расчетному параметру сбрасывания
в зависимости от продольных составляющих векторов ветра в цели.
Одновременно в визире строится боковой угол упреждения.
Бомбометание с кабрирования. Бомбометанием с кабрирования
называют такой способ бомбометания, при котором сбрасывание бом-
бы осуществляется в режиме набора самолетом высоты полета.
Оно может осуществляться как в режиме полета с постоянным углом
кабрирования, так и с изменяющимся (как правило, увеличиваю-
щимся) углом кабрирования. Таким образом, кабрирование—это
неустановившийся режим полета, характеризующийся непрерывным
увеличением высоты при незначительном изменении курса. Как и
в случае бомбометания с пикирования Дб — / (И, Vc, X, 0). Про-
дольный относ бомбы при кабрировании больше, чем при бомбоме-
тании с горизонтального полета, а поэтому ошибки бомбометания
также будут больше. Однако бомбометание с кабрирования имеет
существенное преимущество перед другими видами бомбометания:
оно обеспечивает возможность подхода к цели на малой высоте,
что значительно увеличивает скрытность подхода к цели даже при
наличии у противника современных средств обнаружения самолетов.
В связи с этим различные способы бомбометания с кабрирования
предполагают подход к цели на малой высоте, переход на этой высоте
в кабрирование и сбрасывание бомбы либо при установившемся
режиме, либо на вертикальном маневре набора самолетом высоты.
Основную трудность при этом представляет обнаружение цели и
определение момента перехода в кабрирование.
Схема бомбометания с пологого кабрирования (Хбр < л/2) пред-
ставлена на рис. 22.21, а. Подход к цели осуществляется на мини-
мально возможной высоте Янач, в точке О2 самолет переходит в ка-
343
Рис. 22.21. Схемы бомбометания с кабрирования:
а — с пологого кабрирования; б — с отвесного кабрирования; в — при угле кабрирования
более л/2
брирование и в точке В производится сбрасывание бомбы. Горизон-
тальная дальность до цели в момент перехода в кабрирование должна
равняться сумме продольного относа бомбы Аб и горизонтального
перемещения самолета Лс за время кабрирования tK. Относ бомбы
Лб определяется по баллистическим таблицам для бомбометания
с кабрирования в основном как функции Ябр и Хбр. Горизонтальное
перемещение самолета вычисляется как
где Уср и нср — средние скорость и перегрузки самолета при кабри-
ровании.
В момент перехода в кабрирование цель обычно не видна, по-
этому для обеспечения выхода на цель и определения момента пере-
хода в кабрирование заранее должны выбраться ориентиры, в створе
которых находится цель. При этом момент выхода в кабрирование
будет характеризоваться временем пролета /баз базового расстояния
Б, по истечении которого самолет должен начинать кабрирование.
Момент сбрасывания бомбы можно задавать либо достижением
требуемой высоты Ябр, либо угла кабрирования Хбр. Однако, так
как их определение связано с большими ошибками, то момент сбра-
сывания бомбы задается временем кабрирования tK, которое может
быть рассчитано как
tK = 2л 7? -у—, (22.32)
где Я — радиус дуги траектории самолета при кабрировании.
Схема бомбометания с отвесного кабрирования (Хбр = л/2) пред-
ставлена на рис. 22.21, б. В этом случае продольный относ бомбы
равен нулю и маневр самолета должен быть рассчитан и выполнен
так, чтобы в момент, когда угол кабрирования станет равным л/2,
самолет точно находился над целью. Тогда бомба, сброшенная в этот
момент, вначале поднимается вверх, а затем по этой же траектории
опустится вниз и попадет в цель. Горизонтальная дальность до цели
344
Лс в момент начала входа в кабрирование определяется по вышепри-
веденной формуле. В свою очередь, момент начала ввода самолета
в кабрирование определяется либо визированием цели, либо по вы-
держке времени. Момент сбрасывания бомбы определяется по дости-
жении XGp = л/2, при этом даже небольшие отклонения 7.бр от л/2
в момент сбрасывания вызывают значительные ошибки бомбо-
метания.
Наконец, возможно бомбометание при угле кабрирования %бр >
> л/2. В этом случае самолет, находясь над целью, переводится
в кабрирование и выполняет петлю Нестерова (см. рис. 22.21, в).
В некоторой точке В производится сбрасывание бомбы, при этом она,
описывая крутую траекторию, попадает в цель, имея относ А6.
Момент прихода самолета в точку бросания бомбы может быть опре-
делен по углу кабрирования Хбр или времени кабрирования.
Преимущество этого способа бомбометания с кабрирования при
%бр > л/2 перед двумя предыдущими заключается в том, что ввод
самолета в кабрирование осуществляется точно над целью. Это зна-
чительно облегчает выход самолета на цель и определение момента
ввода в кабрирование.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аржанов Е. П., Ильин В. В. Аэрофотосъемочное оборудование. М.:
Недра, 1972. 184 с.
2. Гусев Н. А. Маркшейдерско-геодезические инструменты н приборы. М.:
Недра, 1968. 318 с.
3. Ефимов М. В. Прицеливание баллистических ракет. М.: Из-во МО СССР,
1968. 119 с.
4. Кулагин С. В. Проектирование фото- и киноприборов. М.: Машинострое-
ние, 1976. 304 с.
5. Лабораторные оптические приборы/Г. И. Федотов, Р. С. Ильин, Л. А. Но-,
вицкий и др. М.: Машиностроение, 1979, 448 с.
6. Лазарев Л. П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппа-
ратов. М.: Машиностроение, 1973. 567 с.
7. Малков М. А. Танковые прицелы и приборы наблюдения. М.: Воениздат,
1961. 220 с.
8. Надии В. А., Скорик И. А., Шагерян В. М. Артиллерия. М.: Изд-во
ДОСААФ, 1972. 336 с.
9. Николаев А. Г. и др. Основы проектирования космических секстантов.
М.: Машиностроение, 1978. 216 с.
10. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение,
1975. 312 с.
11. Плотников В. С., Варфоломеев Д. И., Пустовалов В. Е. Расчет и конструи-
рование оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1983. 256 с.
12. Романтеев Н. Ф., Хрунов Е. В. Астрономическая навигация пилотируемых
космических кораблей. М.: Машиностроение, 1976. 198 с.
600 13. Селезнев В. П. Навигационные устройства. М.: Машиностроение, 1974.
14. Тарасов К- И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1977, 367 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................. 3
Первый раздел. ЛАБОРАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ .......................... 5
Глава I. Микроскопы..................................................... 5
1.1. Основные характеристики микроскопа................ 5
1.2. Объективы микроскопов .................................. 9
1.3. Окуляры микроскопов.............................. 12
1.4. Методы освещения препаратов. Осветители светлого и
темного поля .......................................... 14
1.5. Механические узлы и принадлежности микроскопов. . . 18
1.6. Биологические микроскопы .............................. 22
1.7. Стереоскопические микроскопы......................26
1.8. Ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы .... 28
1.9. Металлографические микроскопы.................... 31
1.10. Поляризационные микроскопы ........................... 32
Глава 2. Общие элементы оптико-механических измерительных приборов 34
2.1. Оптические системы оптико-механических измерительных
приборов.................................................... 34
2.2. Автоколлимациоиные устройства......................... 39
2.3. Отсчетные устройства............................... 41
Глава 3. Приборы для линейных и угловых измерений...................... 50
3.1. Приборы для относительных линейных измерений .... 50
3.2. Приборы для абсолютных линейных измерений............. 55'
3.3. Приборы для измерений радиусов кривизны................ 58
3.4. Приборы для измерения углов призм и клиньев............ 60
Глава 4. Приборы для контроля формы и чистоты обработки поверхностей 64
4.1. Интерферометры ........................................ 64
4.2. Автоколлимациоиные и теневые приборы.................. 68
4.3. Приборы для контроля чистоты обработки................. 70
Глава 5. Приборы для контроля оптического стекла....................... 75
5.1. Характеристики оптического стекла..................... 75
5.2. Рефрактометры....................................... 76
5.3. Установки для измерения оптической однородности, по-
казателя светопоглощения и двойного лучепреломления 79
Глава 6. Спектральные приборы......................................... 83
6.1. Виды спектрального анализа............................ 83
6.2. Принципиальная оптическая схема спектрального прибора 85
6.3. Классификация спектральных приборов................... 87
6.4. Основные характеристики оптических систем спектраль-
ных приборов............................................... 88
• 6.5. Призменные спектральные приборы ...................... 91
347
6.6. Приборы с дифракционными р?пи-тками................... 99
6.7. Источники излучения.................................. 108
6.8. Спектроскопия высокой разрешающей силы............... 109
6.9. Основы двухлучевой интерференционной спектроскопии.
Принцип Фурье-спектрометра ............................... 113
Глава 7. Фотометрические приборы ...................................... 115
7.1. Основы фотометрии...................................... 115
7.2. Приборы визуальной фотометрии.......................... 118
7.3. Фотоэлектрические фотометры............................ 121
Второй раздел. ФОТО- И КИНОПРИБОРЫ 125
Глава 8. Основы теории фотопроцессов................................... 126
8.1. Светочувствительные материалы на основе соединений се-
ребра с галоидами ......................................... 126
8.2. Получение черно-белых фотоизображений................. 127
8.3. Получение цветных фотоизображений на многослойных
цветофотографических материалах ............................ 131
8.4. Сенситометрические, испытания фотоматериалов.......... 133
8.5. Разновидности специальных фотопроцессов............... 140
Глава 9. Фото- и кинообъективы ........................................ 141
9.1. Основные характеристики объективов ................... 141
9.2. Способы фокусировки съемочных объективов.............. 144
9.3. Оправы и диафрагмы объективов ........................ 149
Глава 10. Устройства для отработки выдержек (затворы).................. 152
10.1. Классификация затворов и их основные характеристики 152
10.2. Центральные затворы ................................. 155
10.3. Шторные затворы ..................................... 157
10.4. Другие типы затворов................................. 158
10.5. Механизмы выдержек затворов.......................... 161
Глава 11. Определение фотографической экспозиции ...................... 163
11.1. Основная экспонометрическая формула................. 163
11.2. Способы определения экспозиционных параметров. . . 164
11.3. Экспонометрические устройства съемочных аппаратов 167
'Глава 12. Фотоаппараты............................................... 171
12.1. Разновидности фотоаппаратов и их основные узлы. . . 171
12.2. Типы современных любительских фотоаппаратов .... 173
12.3. Специализированные фотоаппараты и специальные виды
съемки ................................................. 178
Глава 13. Аэрофотоаппараты........................................... 184
13.1. Назначение и особенности аэрофотосъемки.............184
13.2. Основные узлы аэрофотоаппаратов.................... 186
13.3. Разновидности аэрофотоаппаратов ................... 188
Глава 14. Киноаппараты . ............................................. 191
14.1. Типы киноаппаратов и их основные узлы ............. 191
14.2. Киносъемочные аппараты............................ 198
14.3. Кинопроекционные аппараты.......................... 200
14.4. Аппараты для скоростной киносъемки................. 205
348
Третий раздел ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ НАЗЕМНОЙ, АВИА-
ЦИОННОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ... 208
Глава 15. Геодезические и астрономические приборы.................... 208
15.1. Применение, особенности и классификация геодезиче-
ских приборов ........................................... 208
15.2. Основные узлы геодезических приборов............... 210
15.3. Угломерные приборы и нивелиры...................... 216
15.4. Астрономические оптические приборы................. 218
Глава 16. Наблюдательные и угломерные оптические приборы............. 224
16.1. Назначение и общие сведения ....................... 224
16.2. Наблюдательные и угломерные приборы................ 226
Глава 17. Оптические дальномеры ..................................... 230
17.1. Назначение, классификация дальномеров ............. 230
17.2. Оптические внутрибазные дальномеры................. 231
17.3. Измерительные устройства внутрибазных дальномеров 237
17.4. Оптиколокационные дальномеры ...................... 241
Глава 18. Прицельные устройства наземных установок................... 246
18.1. Назначение и общие сведения. Прицельные схемы стрельбы 246
18.2. Оптические прицелы ствольного и реактивного оружия 251
18.3. Перископы подводных лодок.......................... 256
18.4. Оптические устройства для азимутального прицеливания
баллистических ракет .................................... 260
Глава 19. Авиационные стрелковые прицелы и пилотажно-навигациоииые
индикаторы.......................................................... 265
19.1. Краткие сведения о стрелковом вооружении самолетов 265
19.2. Прицеливание при воздушной стрельбе................ 267
19.3. Оптические системы прицелов воздушной стрельбы . . . 270
19.4. Дальномерные устройства прицелов воздушной стрельбы 274
19.5. Гиромагнитные построители угловых поправок......... 278
19.6. Функциональная схема прицела для неподвижного ору-
жия ...................................................... 283
19.7. Авиационные оптические индикаторы.................. 285
Глава 20. Оптические имитаторы визуальной обстановки авиационных и
космических тренажеров.............................................. 290
20.1. Значение моделирующих комплексов в создании и эксплуа-
тации объектов управления ............................... 290
20.2. Имитаторы визуальной обстановки авиационных трена-
жеров ................................................... 291
20.3. Оптические имитаторы космических тренажеров........ 293
Глава 21. Астрономические иавигационные приборы...................... 295
21.1. Навигационные системы координат и время в навигации 295
21.2. Фотометрическая система единиц, принятая в астрономии 298
21.3. Краткая характеристика астрономических навигацион-
ных ориентиров........................................... 300
21.4. Астрономические приборы угловой ориентации пилоти-
руемых космических кораблей (ПКК)........................ 304
. 21.5. Астрономические курсовые приборы.................... 307
349
21.6. Приборы для определения координат местонахождения
объекта.................................................... 310
Глава 22. Оптические прицелы бомбометания............................. 320
22.1. Основные сведения о баллистике неуправляемых бомб 320
22.2. Прицеливание при бомбометании с горизонтального полета 322
22.3. Определение исходных данных для прицеливания при
бомбометании .............................................. 328
22.4. Оптический векторио-синхронный бомбардировочный
прицел .................................................... 332
22.5. Бомбометание с негоризонтального полета............. 340
Список литературы..................................................... 346
Сергей Васильевич Кулагин
Адель Сергеевна Гоменюк
Виктор Николаевич Дикарев
Вячеслав Евгеньевич Зубарев
Евгений Николаевич Лебедев
Геннадий Михайлович Мосягии
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Редактор Л. Ф. Ермилова
Художественный редактор В. В. Лебедев
Технический редактор Т. С. Ст а р ы х
Корректоры И. М. Борейша
и А. П. Сизова
ИБ № 2992
Сдано в набор 30.11.83. Подписано в печать
25.04.84. Т-07777. Формат бОХЭО1/™. Бумага
типографская № 1. Гарнитура литературная.
Печать высокая. Усл. печ. л. 22,0 Усл. кр. отт.
22,0. Уч.-изд. л. 24,92. Тираж 12000 экз.
Заказ 290. Цена 1 р. 20 к.
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство «Машиностроение»
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового
Красного Знамени Ленинградского объединения
«Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполнграфпрома прн Государственном коми-
тете СССР по делам издательств, полиграфии и
книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.