/
Текст
С. Г. БАБУШКИН, М. Г. БЕРКОВА, К- Р. ГОЛЬДИН
Н. я. КРУПП, к. А. МУНИЦ, С. А. СУХОПАРОВ, к. и. ТАРАСОВ
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
ПРИБОРЫ
Допущено Министерством
высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для техникумов
по специальности «Оптико-механические приборы»
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Москва 1965
УДК 681.4 : 535.8(075.3)
В книге изложены основы теории, расчет и устройство типо¬
вых оптико-механических приборов. Рассмотрены принципи¬
альные оптические и кинематические схемы приборов и кон¬
струкции их узлов. Приведены основные оптические характе¬
ристики, измерительные свойства и другие данные, характерные
для рассматриваемых приборов.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для
учащихся техникумов по курсу «Оптико-механические при¬
боры». Она может быть также полезна студентам приборо¬
строительных вузов и специалистам приборостроительной про¬
мышленности.
Рецензенты канд. техн. наук М. Д. Мальцев и инж. Ф. И. Аронова
Редактор инж. М. Я. Кругер
3-13-6
66-65
ПРЕДИСЛОВИЕ
Отечественная оптическая промышленность получила особенно
широкое развитие в послевоенный период. Наши оптические при¬
боры по достоинству высоко оцениваются на международных вы¬
ставках и ярмарках и пользуются широким спросом на мировом
рынке.
Оптические приборы, выпускаемые советской промышленно¬
стью, применяются в самых разнообразных областях науки, тех¬
ники и народного хозяйства. С каждым годом расширяется номен¬
клатура выпускаемых приборов, создаются новые конструкции,
непрерывно совершенствуются серийные образцы. В связи с этим
вопросы расчета типовых оптико-механических приборов и изу¬
чение кинематических схем приборов и конструкций их узлов при¬
обретают особую актуальность.
В настоящем учебном пособии, составленном в соответствии
с программой курса «Оптико-механические приборы» для технику¬
мов, авторы стремились систематизировать имеющийся обширный
материал.
В первой главе излагаются некоторые теоретические положе¬
ния из области микроскопов. Рассматриваются основные элементы
микроскопов, их объективы, окуляры и осветительные устройства,
принципиальные и оптические схемы микроскопов.
В заключение главы даны сведения об устройстве и конструк¬
тивных особенностях наиболее распространенных типов микроско-,
пов — биологических, люминесцентных, стереоскопических, а так¬
же микроскопов, работающих в ультрафиолетовой и инфракрасной
областях спектра.
Вторая глава посвящена оптико-механическим измерительным
приборам. В ней даны основные понятия из области метрологии и
некоторые сведения об общих элементах оптико-механических
приборов. Рассматриваются принципиальные и конструктивные
схемы различных типов приборов для линейных и угловых измере¬
ний. Анализируются параметры оптических приборов, основанных
на различных принципах.
Специальный раздел второй главы содержит описание оптико¬
механических устройств для автоматического контроля. Рассмот-
805
3
рены особенности конструкции фотоэлектрических датчиков линей¬
ных и угловых размеров.
В третьей главе даны понятия о спектральном анализе и изло¬
жены основы устройства и работы спектральных приборов. Приве¬
дены основные характеристики наиболее распространенных серий¬
ных отечественных спектрографов.
В четвертой главе излагаются негативный и позитивный про¬
цессы, даны краткие сведения о фотоматериалах. Рассмотрены
основные оптические и механические узлы и детали фотоаппа¬
ратов.
Приведены типовые схемы и описание конструкции современ¬
ных фотоаппаратов.
В пятой главе дано понятие о кинопроцессе, рассмотрены основ¬
ные элементы, схемы и конструкции киносъемочных и кинопроек¬
ционных аппаратов.
Краткие теоретические основы применения и особенности кон¬
струкции геодезических приборов излагаются в шестой главе. Рас¬
смотрены принципиальные схемы важнейших видов геодезических
приборов —теодолитов, нивелиров, кипрегелей.
В седьмой главе содержатся сведения о наиболее распростра¬
ненных приборах наблюдения, визирования и прицеливания. Даны
основы конструкции биноклей, стереотруб, артиллерийских пано¬
рам, винтовочных и танковых прицелов. Наряду с приборам ( ви¬
димой области спектра, рассматриваются приборы, работающие
в инфракрасной области.
Восьмая глава полностью посвящена дальномерам. В ней рас¬
смотрены теоретические и принципиальные основы измерения
расстояний, схемы и конструкции различных дальномеров, в том
числе и работающих в инфракрасной области спектра. Особое
внимание уделено оптическим микрометрам и измерительным ком¬
пенсаторам дальномеров.
В Девятой главе рассматриваются различные авиационные
юптические приборы — тахометрические прицелы, прицелы для
бомбометания, астронавигационные приборы. Приведены принци¬
пиальная схема устройства астрокомпаса, оптическая и кинема¬
тическая схемы перископического авиационного секстанта.
Гл. I книги написал инж. К. А. Муниц, гл. II —инж. Н. Я. Крупп,
гл. III — канд. физ.-мат. наук К. И. Тарасов, гл. IV — инж.
К. Р. Гольдин, гл. V — канд. техн. наук С. Г. Бабушкин, гл. VI —
преподаватель М, Г. Беркова. В работе над гл. VII участвовали
М. Г. Беркова (разд. 7.1; 7.2; 7,3 и 7.5) и канд. техн. наук
С. А. Сухопаров (разд. 7.4 и 7.6). Гл. VIII и IX написал также
.С. А. Сухопаров за исключением разд. 9,6, автором которого
является научный редактор книги инж. М. Я. Кругер.
Авторы с благодарностью примут советы и замечания по со¬
держанию книги, которые следует адресовать в издательство «Ма¬
шиностроение», Москва, И-51, Петровка, 24.
Глава 1
МИКРОСКОПЫ
1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ МИКРОСКОПА
Небольшие объекты наблюдения образуют на сетчатке глаза
изображение незначительных размеров, поэтому подробности на¬
блюдаемого объекта воспринимаются с недостаточной отчетли¬
востью. Для создания на сетчатке глаза изображения минимально
необходимой величины надо увеличить угол, под которым виден
предмет; для этого следует приблизить предмет к глазу.
Известно, что для нормального (эмметропического) глаза рас¬
стояние наилучшего зрения равняется в среднем 250 мм. Если пред¬
мет приблизить более, чем на 250 мм, его подробности расплыва¬
ются, и глаза быстро устают.
Для увеличения угла, под которым наблюдается близко распо¬
ложенный предмет, применяют лупу или микроскоп.
Лупа образует мнимое увеличенное изображение предмета, по¬
мещенного в ее фокусе или вблизи от него. Применяются лупы не¬
большого увеличения, обычно не более 15х. Для получения боль¬
шего увеличения пользуются микроскопом.
Микроскоп представляет собой оптическую систему, состоящую,
как минимум, из двух частей — объектива и окуляра (рис. 1.1).
Наблюдаемый объект помещают вблизи переднего фокуса объ¬
ектива, который дает действительное увеличенное перевернутое
изображение предмета на некотором расстоянии от его заднего фо¬
куса. Окуляр устанавливается так, чтобы изображение предмета,
даваемое объективом, находилось в его фокальной плоскости. Оку¬
ляр действует как лупа и образует мнимое увеличенное изображе¬
ние объекта на расстоянии наилучшего зрения, т. е. на 250 мм от
глаза.
Расстояние от заднего фокуса объектива до переднего фокуса
окуляра носит название оптической длины тубуса, или оптического
интервала и обозначается А.
Увеличение микроскопа Гм можно представить как увеличение
объектива Гоб, умноженное на увеличение окуляра Гок :
5
Увеличение объектива
Рис. 1.1. Принципиальная
схема микроскопа:
/—предмет, 2—объектив, 3— оку¬
ляр, 4—выходной зрачок
Рис. 1.2. Принципиальная схема
микроскопа с дополнительной
линзой:
У—предмет, 2—объектив, 3—дополнитель¬
ная линза, 4—окуляр, 5—выходной
зрачок
Общее увеличение микроскопа
Обычно объективы рассчитывают для длины тубуса 160 мм или
190 мм, а в некоторых случаях — для длины тубуса, равной беско¬
нечности. Если объектив имеет длину тубуса, равную бесконеч-
где /^ — фокусное расстояние объектива,
д —оптическая длина тубуса.
Увеличение окуляра
ности, то он проектирует изображение в бесконечность: в этом
случае объектив в микроскопе используется совместно с дополни¬
тельной линзой, которая устанавливается за объективом и перено-
сит изображение с бесконечности в фокальную плоскость окуляра.
Схема микроскопа с объективом тубус-бесконечность представ¬
лена на рис. 1. 2.
В случае применения объектива с тубусом-бесконечностью сов¬
местно с дополнительной линзой его увеличение будет
где 1~*о@оо увеличение объектива с тубусом-бесконечностью;
/т~ фокусное расстояние дополнительной линзы;
/^ — фокусное расстояние объектива.
Увеличение микроскопа в этом случае будет
Поле зрения микроскопа зависит от поля зрения окуляра и уве¬
личения микроскопа и определяется выражением
где I — линейное поле зрения микроскопа.
до'— половина углового поля зрения окуляра.
Разрешающая способность микроскопа определяется разре¬
шающей способностью объектива, так как окуляр только увеличи¬
вает изображение, образованное объективом. Разрешающая спо¬
собность объектива ограничивается явлениями дифракции и зави¬
сит от апертуры объектива и длины волны света, при которой
производится наблюдение.
Разрешающая способность микроскопа может быть вычислена
по формуле
где к — длина волны света, в котором производится наблюдение;
А — апертура объектива.
Для того чтобы увидеть раздельно изображение двух точек, от¬
стоящих одна от другой на расстоянии а, необходимо соответствую¬
щее увеличение всей системы микроскопа. Это увеличение должно
быть таким, чтобы видимая угловая величина изображения а была
не менее 2'—4'. Угловой размер со этой величины при рассматрива¬
нии ее на расстоянии наилучшего зрения (250 мм) определяется
в радианах по формуле
7
Угловая величина со' изображения, наблюдаемого через микро¬
скоп, будет в Гм раз больше, т. е.
Подставим значение а и выразим величину угла в минутах, тогда
3438 (3438 —число минут в радиане).
Как уже было сказано, необходимые пределы для о/ устанавли¬
ваются выражением 2'<Ъ<4'; полагая Л = 0,00055 мм и подставляя
вместо со его значение, можно с достаточной степенью точности на¬
писать 500 А <ГМ < 1000 Л.
Значение ГМ9 удовлетворяющее указанному неравенству, назы¬
вается полезным увеличением микроскопа.
Применение большего увеличения бесполезно, так как это не
может выявить каких-либо новых деталей предмета по сравнению
с тем, какие различаются при полезном увеличении.
При наведении микроскопа на некоторую плоскость в поле зре¬
ния видны также и части пространства, лежащие впереди и сзади
плоскости наведения. Расстояние между двумя крайними положе¬
ниями плоскостей, при котором изображение будет казаться удов¬
летворительным, называется глубинной резкости изображения. Глу¬
бина резкости изображения определяется формулой *
Входным зрачкам микроскопа является изображение оправы
одной из последних линз объектива или особой диафрагмы, распо¬
ложенной сзади объектива вблизи его фокальной плоскости или
даже в фокальной плоскости.
Если выходной зрачок микроскопа находится точно в фокаль¬
ной плоскости объектива, то входной зрачок всей системы микро¬
скопа расположен в бесконечности.
Обычно выходной зрачок всей системы микроскопа расположен
вблизи второго фокуса окуляра микроскопа. Радиус выходного
зрачка микроскопа определяется приближенно из формулы
где рг — радиус выходного зрачка микроскопа,
А — апертура объектива микроскопа,
— фокусное расстояние микроскопа.
Микроскопы применяются для наблюдения различных объек¬
тов— прозрачных и непрозрачных в обыкновенном свете или поля¬
ризованном, в ультрафиолетовых или инфракрасных лучах.
* Более подробно см. в книге: А. И. Тудоровский, Теория оптических
приборов, Изд. АН СССР, 1952.
В зависимости от назначения микроскопа и условий его работы
меняется устройство микроскопа.
В разделах 1.2—1. 11 дано описание принципов устройства
основных частей микроскопа и основ конструкции наиболее часто
применяемых микроскопов.
1.2. ОБЪЕКТИВЫ
Наиболее часто применяемые объективы имеют увеличение от
3х до 95х, апертуру до 1,4 (редко — до 1,6). В зависимости от сте¬
пени коррекции (исправления) хроматической аберрации объек¬
тивы разделяются на три группы: а) ахроматические, б) апохро-
матические и в) полуапохроматические.
В ахроматических объективах хроматическая разность сфери¬
ческой аберрации не устранена, имеется отступление от закона си¬
нусов и не устранен вторичный спектр.
В апохроматических объективах практически полностью устра¬
нены вторичный спектр, отступление от закона синусов и хромати¬
ческая разность сферической аберрации. В апохроматах остается
не вполне исправленной разность увеличений для лучей различных
волн. Для устранения этого недостатка апохроматы применяются
совместно со специальными окулярами, которые называются ком¬
пенсационными.
В полуапохроматических объективах хроматизм исправлен луч¬
ше, чем у ахроматов (по коррекции хроматизма они занимают про¬
межуточное положение).
Объективы с исправленной кривизной поля называются план-
объективами. Существуют планахроматические и планапохромати-
ческие объективы. Эти объективы имеют соответствующее исправ¬
ление хроматизма и плоское поле, в то время как у соответствую¬
щих объективов ахроматов, полуапохроматов и апохроматов имеет¬
ся кривизна поля зрения.
Кроме указанной существует классификация объективов и по
другим признакам. Например, объективы рассчитываются для дли¬
ны тубуса 160, 190 мм и бесконечность. Объективы, которые рассчи¬
таны для длины тубуса 190 мм и бесконечность, имеют на своем
корпусе соответствующие обозначения. Объективы разделяются на
сухие и иммерсионные системы в зависимости от среды, которая на¬
ходится между объективом и объектом. Иммерсионные объективы
имеют на корпусе темную кольцевую полоску. Наиболее часто в ка¬
честве иммерсии применяется кедровое масло. Если объектив рас¬
считан на другую иммерсию, то об этом делается указание на кор¬
пусе объектива.
В зависимости от препаратов, с которыми работают объективы,
они разделяются на две группы: для работы с препаратами без по¬
кровного стекла и для работы с препаратами с покровным стеклом.
Объектив, рассчитанный для работы с препаратом, закрытым по¬
кровным стеклом, нельзя применять для работы без покровного
стекла, так как в этом случае значительно ухудшается качество
9
изображения. Исключение составляют только объективы малых
увеличений. Имеются группы объективов для работы в ультрафио¬
летовом свете, в поляризованном свете, фазово-контрастные объек¬
тивы, предназначенные для работы с 'малоконтрастными препара¬
тами методом фазового контраста, эпиобъективы, применяемые
для наблюдения в отраженном свете по методу «темного поля»
и другие объективы специального назначения.
Все оправы объективов имеют стандартную резьбу для крепле¬
ния их в микроскопе.
Некоторые объективы имеют коррекционные кольца, при вра¬
щении которых изменяются воздушные промежутки между линза¬
ми. Служат они для устранения сферической аберрации, вызывае¬
мой отклонением толщины покровных стекол от стандартной вели¬
чины 0,17 мм.
1.3. ОКУЛЯРЫ
В микроскопах применяются окуляры нескольких типов. Выбор
типа окуляра в значительной степени определяется типом объек¬
тива микроскопа. Наиболее часто применяются окуляры типа Гюй¬
генса и компенсационные. Окуляры Гюйгенса употребляются
в соединении с объективами-ахроматами. Окуляры этого типа
состоят из двух простых плосковыпуклых линз, находящихся
на некотором расстоянии друг от друга и обращенных выпуклыми
поверхностями к объективу.
Наиболее часто применяются окуляры Гюйгенса с увеличением
4х, 7х, 10х, 15х. :
Компенсационные окуляры применяются при работе с объ¬
ективами-апохроматами. Они компенсируют оставшуюся неис¬
правленной хроматическую разность увеличения объектива и дают
более сильное увеличение красных лучей, чем синих. Объективы
дают более сильное увеличение синих лучей. Таким образом изо¬
бражение получается почти бесцветным. Компенсационные окуляры
обозначаются буквой «К» на оправе глазной линзы.
Если- при наблюдении в микроскоп требуется производить изме¬
рения, то применяют измерительные окуляры. В измерительных оку¬
лярах в плоскости изображения установлена шкала или сетка
с маркой. Для получения резкого изображения сетки или шкалы
в конструкции окуляра предусмотрено перемещение глазной линзы
или всего окуляра относительно сетки.
В качестве измерительных могут применяться окуляры типа
Гюйгенса, компенсационные, ортоскопические и др.
1.4. ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОСКОПОВ
На качество изображения и разрешающую способность микро¬
скопа в значительной степени влияет способ освещения наблюдае¬
мого объекта, которое производится специальными осветительными
устройствами.
10
Осветительные устройства микроскопов можно разделить на
три группы:
а) осветители для наблюдения прозрачных объектов в проходя¬
щем свете;
б) осветители для наблюдения непрозрачных объектов;
в) осветители для наблюдения объектов в темном поле.
Простейшим осветительным устройством для наблюдения в про¬
ходящем свете может служить источник света и зеркало. Зеркало
имеет большинство микроскопов. Обычно микроскопы снабжаются
двумя зеркалами (плоским и выпуклым), которые закреплены в од¬
ной оправе с двух сторон.
Аббе в 1872 г. разработал осветитель для микроскопа, конструк¬
ция которого почти без значительных изменений применяется до
настоящего времени и носит название конденсора микроскопа.
Конденсор (рис. 1.3) состоит из двух линз: верхней — плоско-
выпуклой 1 и нижней — двояковыпуклой 2. В фокальной плоско-
Рис. 1.3. Конденсор:
/—верхняя линза конденсора, 2—нижняя линза конден¬
сора, 3—ирисовая диафрагма, 4—юправа для светофильтра
сти конденсора, расположенной несколько ниже второй линзы,
находится ирисовая диафрагма 3, которая изображается конденсо¬
ром в бесконечности. Как известно, входной зрачок объектива мик¬
роскопа также находится на бесконечности; таким образом имеется
возможность совместить входной зрачок конденсора микроскопа
с входным зрачком объектива микроскопа и получить равномерное
освещение зрачка.
При уменьшении отверстия диафрагмы конденсора будет умень¬
шаться апертура осветителя. Диафрагма конденсора микроскопа
носит название апертурной диафрагмы. Изображение поверхности
светящегося тела конденсором иногда получается неравномерным
11
вследствие резко выраженной мелкой структуры тела накала, обыч¬
но нити лампы.
Структура некоторых наблюдаемых в микроскоп препаратов ча¬
сто требует применения источников большой яркости. Приближение
их на близкое расстояние к препарату для заполнения светом всей
апертуры объектива не всегда бывает возможно, поэтому плоское
и вогнутое зеркала применяют только при работе с объективами
небольшого увеличения, которые имеют небольшую апертуру.
При работе с объективами, имеющими большую апертуру, для
заполнения светом всей апертуры объектива при большой яркости
света пользуются специальными оптическими осветительными си¬
стемами, предложенными Келлером.
Схема освещения препарата по методу Келлера представлена
на рис. 1.4.
Лучи от источника света 1 проходят через линзу 2, после кото¬
рой расположена диафрагма 3. Линза 2 изображает источник света
в плоскости ирисовой диафрагмы 4. Конденсор 5 изображает диа¬
фрагму 3 в плоскости предмета 6 и диафрагму 4 во входном зрачке
объектива. Этот способ дает возможность получить равномерное
Рис. 1.4. Схема освещения препарата по методу Келлера:
1—источник света, 2—линза осветителя, 3—диафрагма поля зрения, 4—апертурная диа¬
фрагма, 5—конденсор, 6—предмет, 7—объектив, 8—окуляр.
освещение поля зрения и ограничить при помощи диафрагмы 3 пу¬
чок лучей, освещающих это поле, что уменьшает количество рассе¬
янного света.
Изменяя отверстие ирисовой диафрагмы 4, можно сделать апер¬
турный угол пучка лучей, выходящих из конденсора, равным апер¬
турному углу объектива, что устраняет лишний рассеянный свет.
Таким образом увеличивается контрастность изображения.
Если наблюдаемые объекты непрозрачны, то их освещают
сверху. Для освещения предметов сверху применяют осветители
Бека или Наше.
На рис. 1.5 показана схема осветителя Бека. Пучок лучей от
источника 1 падает на полупрозрачное зеркало 2, которое распо¬
ложено над объективом 3. Отраженные от зеркала лучи проходят
через объектив и дают на поверхности предмета 4 изображение ис¬
точника света. Лучи, отраженные от предмета, попадают в объ¬
12
ектив 3 и дают в плоскости 5 изображение предмета. Из схемы вид¬
но, что объектив выполняет функцию конденсора. Недостатком ос¬
ветителя Бека является наличие в поле зрения значительного коли¬
чества рассеянного света.
На рис. 1.6 показана схема осветителя Наше. Над объективом 3
помещается маленькое зеркало или маленькая прямоугольная
призма 2, которая занимает половину выходного зрачка объектива.
Пучок лучей от источника 1 падает на призму 2. Лучи, отраженные
призмой, попадают в объектив 3, который дает изображение источ-
чика света на поверхности предмета 4. Лучи, рассеянные освещен¬
ной частью поверхности, проходят через вторую половину объек¬
тива и дают изображение предмета в плоскости 5. Недостатком ос¬
ветителя Наше является уменьшение апертуры объектива, так как
половина объектива диафрагмируется призмой или зеркалом,
вследствие чего-разрешающая способность объектива уменьшается
почти вдвое.
Осветители Бека применяются в тех случаях, когда разрешаю¬
щая способность объектива имеет важное значение.
Осветители Наше применяются большей частью при микрофо¬
тографии, так как изображение предмета получается при этом ме¬
тоде освещения контрастным.
Рис. 1.5. Схема осветителя
Бека:
Рис. 1.6. Схема осветителя
Наше:
1—источник света, 2— полупрозрач¬
ное зеркало, 3—объектив, 4—поверх¬
ность предмета, 5—плоскость изо¬
бражения предмета. 6—дополнитель¬
ная линза
1—источник света, 2—прямо¬
угольная призма, 3—объектив,
4— поверхность предмета, 5—
плоскость изображения предме¬
та, 6—дополнительная линза
13
При небольших увеличениях объективов, когда расстояние
между предметом и объективом не очень мало, для освещения ис¬
следуемой поверхности помещают осветители, расположенные
сбоку тубуса.
Для получения изображения прозрачных или слабоконтрастных
препаратов, а поэтому невидимых при наблюдении в проходящем
или отраженном свете, применяют освещение по методу «темного
поля». При этом методе освещения в поле зрения микроскопа вид¬
ны светлые изображения мелких деталей на темном фоне.
Для освещения предметов по методу «темного поля» нужно,
чтобы прямые лучи освещающего препарат пучка лучей не попа¬
дали непосредственно в объектив. В этом случае изображение соз¬
дается только светом, который рассеивается мелкоструктурными
элементами препарата. По такому изображению можно обнару¬
жить присутствие мелких частиц, но нельзя с полной определен¬
ностью представить себе истинную форму наблюдаемых частиц.
Освещение по методу «темного поля» достигается при помощи
специального конденсора, который называется конденсором тем¬
ного поля.
Такой конденсор (рис. 1.7) состоит из сферического зеркала /
и линзы 2 с отражающей поверхностью, образованной кардиоидой.
Входящий в конденсор пучок лучей выходит из конденсора узким
пучком, пересекающимся вблизи предметной плоскости. Апертура
конденсора должна быть больше апертуры объектива. Лучи, выхо¬
дящие из конденсора, не попадают в объектив, а проходят мимо
него. При отсутствии объектов наблюдения поле зрения микроско¬
па темное. При наличии препарата отраженный от него диффузный
свет попадает в объектив и в поле зрение микроскопа. Образуется
светлое изображение объектов на темном поле.
На рис. 1.8 представлен конденсор темного поля ОИ-13
для проходящего света. Конденсор состоит из наружного кольца 1,
в котором находится внутреннее кольцо с цилиндром 2 и закреп¬
ленной на нем оправой с оптической частью конденсора 3. Оптиче¬
ская часть конденсора может перемещаться в плоскости, перпенди¬
кулярной к оптической оси для совмещения оптической оси конден¬
сора с осью микроскопа.
Конденсор перемещают с помощью двух регулировочных вин¬
тов 4 и пружинного устройства, которое упирается во внутреннее
кольцо цилиндра 2.
На рис. 1.9 представлено освещение препарата в отраженном
свете по методу темного поля. Узкий параллельный кольцевой пу¬
чок света, «вырезанный» диафрагмой 1, падает на кольцевое зер¬
кало 2, которое расположено над объективом 3. Зеркало 2 отражает
пучок света на зеркало 4 параболической формы, которое располо¬
жено вокруг объектива. Лучи, вышедшие из параболического зер¬
кала, называемого эпиконденсором, при зеркальном отражении от
объекта в объектив не попадают. Изображение создается только
14
лучами, рассеянными препаратом 5, в результате чего на более тем¬
ном фоне видны светлые изображения мелких деталей препарата.
Более совершенное представление о неконтрастном препарате
дает наблюдение методом фазовых контрастов. Этот метод позво¬
ляет наблюдать неконтрастные и неокрашенные препараты, полу-
Рис. 1.7. Схема конден¬
сора темного поля:
У—сферическое зеркало, 2—
линза кардиоид, 3—предмет,
4—объектив
Рис. 1.8. Конденсор
темного поля:
1—наружное кольцо, 2—по¬
садочный цилиндр, 3—опти¬
ческая часть конденсора,
4 и 5—регулировочные винты
чать контрастные их изображения и обнаруживать такие детали
препарата, которые совершенно невидимы с помощью других мето¬
дов микроскопирования.
Темные и светлые места препарата при фазово-контрастном ме¬
тоде наблюдения соответствуют различной толщине или оптической
плотности препарата.
Объекты, изучаемые в
микроскопии, можно разде¬
лить на два типа:
1. Объекты, светопогло-
щение которых на разных
участках различно. Такие
объекты меняют интенсив¬
ность прошедшего через
них света, т. е. меняют ве¬
личину амплитуды колеба¬
ния света, которая опреде¬
ляет интенсивность, и по¬
этому называются ампли¬
тудными объектами. К та¬
ким объектам относятся все
окрашенные препараты, ко¬
торые изображаются с той
или иной контрастностью.
2. Объекты, отдельные элементы которых одинаковы по погло¬
Рис. 1.9. Схема освещения препарата
в отраженном свете в темном поле:
/—диафрагма, 2—кольцевое зеркало, 3—объ¬
ектив, 4—параболическое зеркало, 5—плос¬
кость препарата
15
щению света, но имеют различную оптическую плотность. Такие
объекты не меняют интенсивности прошедшего через них света,
а меняют лишь фазу его колебания. Изменение фазы колебания
не может быть замечено глазом или снято на фотопластинку, по¬
этому объекты невидимы и их называют фазовыми.
Фазы колебания прошедшего через объект света изменяются
пропорционально разности оптических тол¬
щин различных участков. К фазовым препа¬
ратам относятся все неокрашенные неконт¬
растные объекты.
Разделение объектов на амплитудные и
фазовые — условное, так как в природе чисто
фазовых или чисто амплитудных объектов
не существует. В действительности микро¬
скопические препараты сочетают свойства
■фазовых и амплитудных препаратов и могут
быть отнесены к тому или иному типу в за¬
висимости от степени контрастности давае¬
мого ими изображения.
Глаз человека и фотографическая пла¬
стинка воспринимают только изменение ин¬
тенсивности света, т. е. изменение амплитуды
световой волны.
"При наблюдении методом фазового.,конт¬
раста фазовые изменения световой волны,
прошедшей через препарат, с помощью спе¬
циального оптического устройства преобра¬
зуются в амплитудные, что приводит к уси¬
лению или ослаблению интенсивности света,
прошедшего через объект. В результате по¬
лучается видимое изображение структуры
препарата, в котором распределение яркости
соответствует распределению разности фаз
колебания в рассматриваемом объекте.
Для наблюдения препаратов методом
фазового контраста применяют устройство,
состоящее из специальных объектива и кон¬
денсора.
Принципиальная схема фазово-контрастного устройства пред¬
ставлена на рис. 1. 10.
В фокальной плоскости конденсора вместо апертурной диа¬
фрагмы устанавливается кольцеобразная диафрагма которая
конденсором 2 и объективом 4 изображается в задней фокальной
плоскости объектива.
На поверхности линзы объектива, обращенной к заднему фоку¬
су, наносится тонкое прозрачное кольцо. Это кольцо сдвигает фазу
проходящего через объектив света, т. е. вызывает запаздывание
Рис. 1. 10. Схема
фазово-контраст¬
ного устройства:
/—кольцеобразная
диафрагма конденсо¬
ра, 2—конденсор, 3—
предмет, '4—объектив
с фазовым кольцом,
5—плоскость изобра¬
жения
16
или опережение на четверть длины световой волны и значительную
часть света поглощает.
Свет, рассеянный препаратом, проходит мимо фазового кольца.
Благодаря этому в неокрашенных прозрачных объектах становится
хорошо видна их структура.
1.5. БИОЛОГИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП МБР-1
Биологический микроскоп МБР-1 применяется в медицине, зоо¬
логии, бактериологии, в сельскохозяйственных лабораториях, во
многих отраслях промышленности и в учебных заведениях. Комп¬
лект объективов и окуляров, прилагаемых к микроскопу, позволяет
наблюдать объекты с увеличением от 56х до 1350х. Оптическая
схема микроскопа представлена на рис. 1.11.
Пучок лучей от естественного или искусственного источника
света падает на зеркало У, которое и направляет его на конденсор 2.
Пучок лучей проходит через конденсор, рассматриваемый объ¬
ект и идет в объектив 3. За объективом расположена призма 4, ко¬
торая изменяет ход лучей, идущих из объектива, направляя ось
пучка под углом 45° к вертикали в фокальную плоскость окуляра 5,
при помощи которого рассматривают увеличенное изображение
объекта.
Внешний вид микроскопа представлен на рис. 1. 12.
Основанием микроскопа служит башмак 1 подковообразной
формы. К башмаку прикреплена коробка с микромеханизмом 2,
при помощи которого точно фокусируется микроскоп. К коробке
с микромеханизмом с двух сторон прикреплены направляющие, на
которых установлены с одной стороны тубусодержатель 3, с дру¬
гой— кронштейн конденсора. Микромеханизм при помощи систе¬
мы зубчатых колес связан с рукояткой 4. Вращением рукоятки при¬
водится в действие микромеханизм. На рис. 1.13 показана схема
микромеханизма. При вращении рукоятки микромеханизма прихо¬
дит во вращение зубчатый сектор, связанный при помощи ряда
зубчатых колес с осью трибки, на которой установлены рукоятки
и барабан с делениями.
Зубчатый сектор установлен на опору, которая имеет вид ножа
с углом в 30°. В гнездо сектора поставлен штифт, который вторым
концом упирается в направляющую микромеханизма. Направляю¬
щая микромеханизма соединена с тубусом. При вращении рукоят¬
ки микромеханизма вращается сектор, а штифт, который упирается
в сектор, поднимается или опускается вместе с направляющей ту¬
буса микроскопа. Таким образом, тубус микроскопа перемещается
по направляющим. Величина перемещения тубуса определяется по
шкале барабана, на которой нанесены 50 делений. При враще¬
нии рукоятки микромеханизма на одно деление барабана тубус
2 805
17
18
Рис. 1.11. Оптическая схема микро¬
скопа МБР-1:
1—зеркало, 2—конденсор, 3— объектив,
4—призма, 5—окуляр
микроскопа переместится на 0,002 мм. Связь между углом поворо¬
та барабана и перемещением тубуса определяется формулой *
Н = г
п
где Н — перемещение тубуса;
Ф — угол поворота барабана;
п—передаточное число между барабаном и зубчатым секто¬
ром микромеханизма;
г—радиус вращения сектора.
Рис. 1. 12. Микроскоп МБР-1:
1—основание микроскопа («баш¬
мак»), 2—коробка микромеханизма,
З—1'тубусодержатель, 4—рукоятка
микромеханизма, 5—рукоятка гру¬
бой фокусировки, 6—столик, 7—го¬
ловка, 8—револьвер, 9—наклонный
тубус, 10—винт крепления тубуса,
11—зеркало микроскопа
Рис. 1 13. Микромеханизм микро¬
скопа:
1—микромеханизм, 2— направляющая
микромеханизма, 3—шестеренчатый
сектор, 4—штифт микромеханизма,
5—упор направляющей микромеханизма
Общая величина перемещения тубуса при помощи микрометрен-
ного механизма равна 2,4 мм. При вращении рукоятки грубой
фокусировки 5 (см. рис. 1.12) тубус микроскопа перемещается по
направляющим типа ласточкина хвоста. Рукоятка грубого переме¬
щения закреплена на оси кремальерного механизма. Трибка кре¬
мальеры сцеплена с шестерней, которая соединена с рейкой кре¬
мальеры, закрепленной на направляющей тубуса. Таким образом
при вращении рукоятки грубой подачи вращается ось трибки, ко¬
* Эта формула приближенная. Более точная формула микромеханизма и
расчет теоретической ошибки механизма приведены в книге: М. Я. К р у г е р
и Б. М. К у л и ж н о в, Конструирование оптико-механических приборов, Маш-
гиз, 1948
2*
19
торая вращает промежуточную шестерню, сцепленную с рейкой.
В результате этого тубус с направляющей перемещается относи¬
тельно коробки микромеханизма.
На коробке микромеханизма закреплен кронштейн, к которому
прикреплен предметный столик микроскопа 6. Верхняя плоскость
предметного столика установлена перпендикулярно оптической оси
микроскопа, она может перемещаться в горизонтальной плоскости
и вращаться. Перемещение стола производится при помощи двух
винтов. На поверхности стола имеются отверстия для крепления
клемм и препаратоводителя. Под столом находится кронштейн,
в котором установлен конденсор. Кронштейн конденсора установ¬
лен на направляющей, закрепленной на коробке микромеханизма.
Вращением рукоятки кронштейн конденсора может опускаться или
подниматься. Верхнее положение кронштейна конденсора ограничи¬
вается упором. Кронштейн конденсора имеет гильзу, в которую
устанавливается конденсор с диафрагмой.
Гильза конденсора при помощи винтов устанавливается так,
чтобы оптическая ось конденсора совпала с оптической осью мик¬
роскопа.
Конденсор двухлинзовый. Верхняя линза — плосковыпуклая.
Оправа с верхней линзой конденсора может свинчиваться с конден¬
сора, при эгом изменяется апертура конденсора. Апертура конден¬
сора в случае применения иммерсионного масла равна 1,2, без
иммерсионного масла равна 1. Конденсор имеет ирисовую диафраг¬
му, которая при помощи рукоятки может закрываться и открывать¬
ся. Наименьший размер открытия диафрагмы 1,8, наибольший
30 мм.
К корпусу диафрагмы прикреплена откидная обойма, в кото¬
рую устанавливаются светофильтры. На верхней части тубусодер-
жателя 3 закреплена головка 7. Головка имеет направляющую для
крепления револьвера 8 и гнездо для крепления наклонного тубу¬
са 9.
Винт 10 крепит наклонный тубус в гнезде головки. Револьвер
представляет собой сферическую чашу с четырьмя отверстиями для
ввинчивания объективов. Чаша закреплена на оси и может вра¬
щаться. Объективы устанавливаются в чаше таким образом, что
оказываются строго центрированными относительно тубуса. Чаша
револьвера фиксируется фиксатором. Фиксатор установлен так, что
при повороте чаши по часовой стрелке точка препарата, установ¬
ленная на столике и наблюдаемая через объектив слабого увели¬
чения, будет находиться в поле зрения более сильного объектива.
В наклонный тубус 9 устанавливаются окуляры. Оптическая
схема микроскопа позволяет вращать в гнезде головки тубус
и устанавливать его в положение, удобное для наблюдателя.
Зеркало микроскопа 11 имеет две отражающие поверхности —
плоскую и вогнутую. Зеркало может быть установлено в удобное
для работы положение.
20
1.6. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МИКРОСКОП МБИ-6
Универсальный исследовательский микроскоп МБИ-6 предназ-*
начен для проведения исследований в медицине, биологии, бота¬
нике, зоологии и других областях науки.
С помощью микроскопа можно изучать различными современ¬
ными методами прозрачные и непрозрачные объекты, производить
наблюдения и фотографирование в проходящем свете, в светлом
и темном поле, при прямом и косом освещении, в поляризованном
свете, с фазовым контрастом.
Прилагаемый к микроскопу набор объективов позволяет полу¬
чить увеличение от 17,5х до 2250х при наблюдении в проходящем
свете и от 45х до 2375х при наблюдении в отраженном свете. По¬
средством микроскопа можно одновременно производить наблюде¬
ние и фотографирование.
Источником света служит лампа накаливания К-30 мощностью
170 вт 17 в.
Оптическая схема микроскопа представлена на рис. 1. 14. Нить
лампы 1 проектируется коллектором 2, линзой 4, призмой 5, лин¬
зами 6 и 8 на апертурную ирисовую диафрагму 9, которая аплана-
тическим конденсором 10 проектируется в выходном зрачке объек¬
тива 11. Апланатический конденсор имеет панкратическую систему,
которая обеспечивает плавное изменение апертуры от 0,16 до 1,4;
требуемая апертура устанавливается по шкале конденсора.
Полевая диафрагма 7 проектируется линзой 8 и панкратичес-
кой системой с апланатическим конденсором на плоскость объекта
12. 'В осветительную систему включены набор светофильтров 3 и
теплопоглотительная кювета 16 с дистиллированной водой или рас¬
твором медного купороса.
От объекта лучи/ пройдя объектив, падают на выключающееся
зеркало 13 и далее в фокальную плоскость окуляра 14 бинокуляр¬
ной насадки 15 или визуальной насадки, которая имеется в комп¬
лекте микроскопа.
При выключении зеркала 13 лучи направляются на призму 18,
которая направляет их в фокальную плоскость фотоокуляра 19, где
получается изображение предметов. Фотоокуляр проектирует изо¬
бражение на зеркало 20 и фотопластинку 21 фотокамеры 9X12.
При фотографировании на пленку фотокамеры 24X36, которая мо¬
жет быть установлена вместо фотокамеры 9X12, между фотоокуля¬
ром и пленкой включается призма-куб 22 со светоделительным по¬
крытием, которая направляет часть света на пленку фотокамеры,
а часть света (около 10%) —в оптическую систему наблюдатель¬
ного тубуса.
Фотоокуляр 19 и линза 23 проектируют изображение объекта
на поверхность коллективной линзы 24, на которой нанесена рамка,
соответствующая размерам кадрового окна пленочной камеры.
21
22
Рис. 1. 14. Оптическая схема микроскопа МБИ-6 при работе
в проходящем свете-
/—осветитель, 2—коллектор, 3—светофильтры, 4—линза, 5—призма, 6—
линза, 7—полевая диафрагма, 8—линза, 9— апертурная диафрагма,
10—конденсор, И—объектив, 12—плоскость объекта, 13—зеркало, 14—
окуляр, 15—бинокулярная насадка, 16—кювета, 17—линза, 18—призма,
19—фотоокуляр, 20—зеркало. 21—фотопластинка, 22—призма-куб, 23—
линза, 24—коллективная линза, 25—зеркало, 26—призма
Рамка кадра вместе с изображением объекта зеркалом 25, приз¬
мой 26 и линзой 17 проектируется в фокальную плоскость окуля¬
ров 14 бинокулярной насадки 15.
Таким образом при фотографировании на пленку можно одно¬
временно наблюдать за объектом.
При работе в темном поле для проходящего света в систему
вместо конденсора с панкратической системой устанавливается
конденсор темного поля. Диафрагма 9 вместе с линзой 8 вынима¬
ются и на их место устанавливается телескопическая система. Кон¬
денсор темного поля и телескопическая система входят в комплект
прибора.
При работе в отраженном свете (рис. 1. 15) в ход лучей вклю¬
чается призма 4. Нить лампы 1 проектируется коллектором 2, приз¬
мой 4, линзой 5 на плоскость апертурной диафрагмы 6, которая
проектируется линзой 7, призмой 8, бифокальной линзой 9 и полу¬
прозрачным зеркалом 10 в выходной зрачок эпиобъектива 11. По¬
левая диафрагма 12 проектируется бифокальной линзой 9, зерка¬
лом 10 и эпиобъективом 11 на плоскость объекта 13. Таким обра¬
зом производится освещение объектов в светлом поле.
Для работы -в темном поле в ход лучей включается кольцевая
диафрагма 14. Апертурная и полевая диафрагмы при этом откры¬
ваются полностью. Лучи от источника света проходят через бифо¬
кальную линзу 9 широким пучком. Центральная часть пучка сре¬
зается кольцевой диафрагмой 14, а остальная часть пучка падает
на кольцевое зеркало 15, которое направляет пучок света на зерка¬
ло эпиобъектива И и далее на объект.
Отраженные от объекта лучи, пройдя эпиобъектив 11, падают
на зеркало 16, направляются в бинокулярную насадку и создают
изображение предмета в фокальной плоскости окуляров. Если зер¬
кало 16 выключено, то лучи попадают на призму 17, которая на¬
правляет их в фокальную плоскость фотоокуляра 18, где получает¬
ся изображение предметов. Фотоокуляр 18 проектирует изображе¬
ние объекта в плоскость фотопластинки (пленки) 19 так же, как
при работе в проходящем свете.
Внешний вид микроскопа показан на рис. 1. 16. Микроскоп
смонтирован на специальном столе, который имеет амортизацион¬
ное устройство для уменьшения влияния вибраций при работе.
Осветитель микроскопа 1 закреплен на основании 2. В осветителе
установлен фонарь с лампой. При помощи винтов 3 фонарь может
центрироваться относительно осветительной системы, которая смон¬
тирована в основании микроскопа. В основание фонаря вмонтиро¬
ваны коллектор и кювета, наполненная дистиллированной водой или
раствором медного купороса. На осветителе закреплен диск 4 с на¬
бором светофильтров, которые переключаются вращением диска.
На основании 2 укреплен корпус микроскопа 5 и узел 6 полевой
и апертурной диафрагм, который имеет рукоятки для изменения
диаметра отверстий диафрагмы. Апертурная диафрагма может
23
Рис 1. 15. Оптическая схема микроскопа МБИ-6 при работе в отраженном
свете:
/—источник света, 2—коллектор, 3—светофильтр, 4—призма, 5—линза, 6—апертурная
диафрагма, 7—линза, 5—призма, 9—бифокальная линза, 10—полупрозрачное зеркало,
11—зпиобъектив, 12—полевая диафрагма, 13—объект, /4—кольцевая диафрагма, 15—
кольцевое зеркало, 16—зеркало, /7—призма, 18—фотоокуляр, 19—фотопластинка, 20—
фотоокуляр, 21—кювета
24
поворачиваться на 360° и имеет возможность смещаться от оси на
5 мм для создания косого освещения.
На корпусе микроскопа 5 помещается механизм 7 подъема сто¬
лика 12. Механизм подъема 7 имеет барашек грубой и тонкой по¬
дачи 9; грубая подача микроскопа может быть застопорена при
помощи рукоятки 10. На механизме подъема столика закреплен
кронштейн с конденсо¬
ром 11.
Столик микроскопа 12
может поворачиваться
на 360° и имеет препара-
товодитель, при помощи
которого производится
продольное и поперечное
перемещение исследуе*
мого препарата. На кор¬
пусе микроскопа закреп¬
лены салазки с четырех-
гнездным револьвером 13
для объективов, бино¬
кулярная насадка 14, фо¬
токамера 15; вместо би¬
нокулярной насадки мо¬
жет быть установлена
монокулярная насадка.
На верхней части
корпуса имеется крышка
16, закрывающая отвер¬
стие, в котором установ¬
лена оправа со сменными
фотоокулярами. В верх¬
ней части корпуса11 нахо¬
дится также механизм
17, при помощи которого
выключается из хода лу¬
чей зеркало при пере¬
ходе от визуального
наблюдения к фото¬
съемке.
Рукояткой 18 выключается из хода лучей призма-куб для пере¬
хода на фотографирование при помощи фотокамеры 9X12, кото¬
рая ставится вместо пленочной камеры.
При переходе к наблюдению в отраженном свете необходимо
при помощи рукоятки 19 включить призму, которая направит све¬
товой пучок в оптическую систему отраженного света, снять салаз¬
ки с револьвером и на их место установить осветитель отражен¬
ного света, который входит в комплект микроскопа. Освещение ре¬
гулируется с помощью барашка 20, при вращении которого из>ме¬
Рис. 1. 16. Универсальный исследователь*
ский микроскоп МБИ-6:
/—осветитель, 2—основание, 3—винты центриро¬
вания фонаря, 4—диск со светофильтрами, 5—кор¬
пус микроскопа, 6—узел полевой и апертурной
диафрагм, 7—механизм подъема столика, 8—ба¬
рашек кронштейна конденсора, 9—барашек гру¬
бой и тонкой подачи, 10— рукоятка, 11—кронштейн
с конденсором, 12—столик микроскопа, 13—ре¬
вольвер для объективов, /4—бинокулярная на¬
садка, 15—фотокамера, 16—крышка, 17—механизм
выключения зеркала, 18—рукоятка выключения
призмы-куба, 19—рукоятка включения призмы-
куба, 20— барашек регулировки освещения, 21—
рукоятка полевой диафрагмы
25
няется диаметр апертурной диафрагмы. Посредством рукоятки 21
изменяется диаметр полевой диафрагмы.
1.7. СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП МБС-1
Стереоскопический микроскоп МБС-1 предназначен для наблю¬
дения мелких предметов обоими глазами. Микроскоп дает прямое
и объемное изображение рассматриваемых предметов.
Работать с микроскопом можно при естественном (дневном)
свете, при искусственном освещении, а также в проходящем и от¬
раженном свете.
Наблюдаемые в микроскопе объекты могут быть сфотографиро¬
ваны при помощи специальной микрофотонасадки.
Микроскоп позволяет получить пять ступеней увеличения от 3,5
до 88х. Поле зрения микроскопа при этом будет изменяться от 42
до 2,6 мм. Свободное расстояние микроскопа при всех увеличениях
постоянно и равно 64 мм.
Оптическая схема микроскопа ‘МБС-1 показана на рис. 1. 17.
Электролампочка 1 при помощи конденсора 2 и отражателя 3 осве¬
щает объект, установленный на стеклянной пластинке предметного
столика. При работе с непрозрачными объектами электролампочка
1 с конденсором 2 освещает предмет сверху под углом, для чего
лампочка с конденсором устанавливается в специальный держа¬
тель, закрепленный на оправе объектива, Кроме того, рассматри¬
ваемый в микроскопе предмет может быть освещен естественным
светом.
Объектив 4 микроскопа состоит из четырех линз и имеет фокус¬
ное расстояние 80 мм. Объектив проектирует изображение объекта
в бесконечность.
За объективом на общей оси вращения расположены под углом
две пары систем Галилея 5 и 6} которые можно вводить на пути лу¬
чей, выходящих из объектива 4. Каждая пара систем Галилея мо¬
жет давать увеличение при работе в прямом ходе и уменьшение
при работе в обратном ходе. Таким образом, устанавливая систему
Галилея в различные положения или выключая ее, можно получить
пять вариантов увеличений. Система Галилея 5 дает увеличение
3,5 или 1 /3,5х, а система Галилея 6 дает увеличение 2 и 1/2х.
При изменении увеличения не происходит расфокусировки си¬
стемы. За системами Галилея находятся линзы 7, образующие изо¬
бражение объекта в фокальной плоскости окуляров 8. Окуляры 8—
сменные широкоугольные дают увеличение 6х, 8х и 12,5х.
За линзами 7 находятся призмы 9, позволяющие поворачивать
окулярные трубки на угол в соответствии с расстоянием между
глазами наблюдателя без разворота изображения объекта.
Внешний вид микроскопа МБС-1 представлен на рис. 1. 18. Ос¬
нование 1 микроскопа имеет вид круглого корпуса. Внутри корпуса
вмонтирован отражатель (зеркало) 2, который при помощи бараш¬
ка 3 может быть установлен под необходимым углом. Отражатель
26
Рис. 1. 17. Оптическая схема микроскопа МБС-1.
/—источник света, 2—конденсор, 3—зеркало, 4—объектив, 5 и б-—системы
Галилея, 7—линза, 8—окуляр, 9—^призма
27
имеет с одной стороны плоское зеркало, а с другой — матовое мо¬
лочное стекло.
В основании микроскопа имеется гнездо для установки патрона
осветителя с коллектором. Патрон осветителя ввертывается в резь¬
бовое отверстие, расположенное с задней стороны корпуса столика.
В передней части корпуса основания имеется вырез, через ко¬
торый свободно проходит свет при работе с естественным освеще¬
нием. На основании микроскопа крепится стойка 4, служащая шта¬
тивом микроскопа. Основание стойки заканчивается диском с круг¬
лым окном, в которое устанавливается стеклянная пластинка 5
(при работе в проходящем свете) или же металлическая шайба
(при работе в отраженном свете).
На наружной поверхности основания стойки имеются отверстия
для установки клемм 6 и отверстия для установки препаратоводи-
теля. Верхняя часть стойки имеет стер¬
жень, на который устанавливается
оптическая головка 7 с механизмом зуб¬
чатой подачи.
Внизу корпуса головки ввернута
оправа с объективом 9. На оправе объ¬
ектива установлен поворотный крон¬
штейн 10 с резьбовым отверстием, в ко¬
торое ввертывается осветитель при ис¬
следовании объектов в отраженном
свете.
Внутри корпуса оптической головки
находится барабан с системами Галилея.
Этот барабан имеет ось, которая выве¬
дена из корпуса головки. На оси бара¬
бана закреплены барашки 11. Враще¬
нием барашков вводятся в ход лучей
системы Галилея с разными увеличе¬
ниями. На гладкой поверхности бараш¬
ков нанесены цифры 7, 4, 2, 1, 0, 6. При
вращении барабана происходит фикса¬
ция его в шести точках при помощи спе¬
циального пружинного фиксатора; каж¬
дому положению барабана соответствует
определенное увеличение объектива.
Для определения общего увеличения ми¬
кроскопа надо увеличение окуляра
умножить на цифру, на которой зафиксирован барабан. Так, на¬
пример, если барабан зафиксирован на цифре 7 при окуляре 8х,
то общее увеличение микроскопа будет 56х.
В верхней части корпуса головки имеется гнездо, в котором при
помощи винта 13 закреплена окулярная насадка 12.
Головка микроскопа имеет реечный механизм, при помощи кото¬
рого производится фокусировка микроскопа. Оптическая головка
Рис. 1. 18. Стереоскопиче¬
ский микроскоп МБС-1:
/—основание, 2—зеркало, 3— ба¬
рашек установки зеркала, 1—
стойка, 5—пластинка, 6— клемма,
7—оптическая головка, 8—бара¬
шек подъема оптической голов¬
ки, 9—объектив. 10—кронштейн
с осветителем, 11—барашек пе¬
реключения систем Галилея,
12—окулярная насадка. 13 и
14—винты
28
поднимается и опускается вращением барашков 8. Кроме того, вся
оптическая головка может перемещаться по стойке и крепиться
в необходимом положении винтом 14.
Окулярная насадка 12 имеет плато, на котором закреплены два
объектива, призмы и корпус с трубками, куда устанавливаются
окуляры. На плато имеется шестеренчатый механизм, позволяющий
изменять расстояние между осями окулярных трубок в пределах от
56 до 75 мм.
Вместо окулярной насадки можно установить микрофотонасад¬
ку; это позволит получить стереоскопические снимки объектов с не¬
большими увеличениями до 7х.
1.8. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МИКРОСКОП МИН-8
Поляризационный микроскоп МИН-8 используется для изуче¬
ния различных объектов в минералогии, петрографии, биологии,
химии и т. п. С помощью различных принадлежностей на микро¬
скопе можно исследовать прозрачные и непрозрачные объекты
в обыкновенном или поляризованном свете и вести наблюдения
в темном поле и методом фазового контраста.
Оптическая схема микроскопа позволяет вести наблюдение в ор-
тоскопическом и коноскопическом ходе лучей. Изучение объек¬
тов в поляризованном свете производят в ортоскопическом ходе лу¬
чей, т. е. в параллельных лучах, и в коноскопическом ходе лучей,
т. е. в сходящихся лучах. При наблюдении в ортоскопическом ходе
лучей изучают сам объект, рассматривая его изображение. При на¬
блюдении в коноскопическом ходе лучей объект освещается сильно
сходящимся пучком лучей, благодаря чему в выходном зрачке
объектива происходит интерференция лучей, характерная для дан¬
ного изучаемого кристалла. Это позволяет получить данные о фи¬
зическом строении кристалла. Переход от одной схемы наблюдения
к другой достигается включениеАм или выключением линзы, поме¬
щающейся после анализатора. Эта линза называется линзой Берт¬
рана.
Оптическая схема микроскопа изображена на рис. 1. 19. От ис¬
точника света 1 линзами 2 и 4, а также призмой 5 свет направляет¬
ся на поляризатор 7, далее выходит поляризованным пучком и на¬
правляется в конденсор 9, который освещает препарат 10. От пре¬
парата свет направляется в объектив 12, линзу 13, анализатор 14
и линзу 15, после чего он попадает на призму 16, которая изменяет
направление оптической оси микроскопа. Пройдя призму, свет по¬
падает непосредственно в окуляр 19 (при ортоскопическом наблю¬
дении) или через включающуюся линзу Бертрана 17 (при коио-
скопическом наблюдении).
Между линзой 13 и анализатором 14 может быть введена плас¬
тинка 1/4 Ху компенсационная красная пластинка или кварцевый
компенсационный клин.
29
30
Рис. 1. 19. Оптическая схема поляризационного микроскопа МИН-8:
1—источник света, 2—линза, 3— полевая диафрагма, 4—откидная линза,
5—призма, 6—'апертурная диафрагма, 7—поляризатор, 8—апертурная диа¬
фрагма, 9—конденсор, 10—препарат, 11—покровное стекло, 12—объектив,
13—линза, 14— анализатор, 15—линза, 16—1‘призма, 17—линза Бертрана, 18—диа¬
фрагма, 19—окуляр
В комплект микроскопа входят сменные конденсоры, которые
устанавливаются в зависимости от апертуры объектива.
Диафрагма 3 является полевой диафрагмой; диафрагмы 6 я 8 —
апертурные. Диафрагма 6 является апертурной диафрагмой при ра¬
боте с объективами до 9х; в этом случае диафрагма 8 должна быть
полностью открыта. Диафрагма 8 является апертурной диафрагмой
для объективов с увеличением 9х и выше; при работе с этими объ¬
ективами диафрагма 6 должна быть полностью открыта. Диафраг¬
ма 18 применяется при коноскопическом наблюдении и служит для
ограничения зерна минерала при исследовании. При ортоскопичес-
ком наблюдении эта диафрагма должна быть полностью открыта.
Откидная линза 4 включается при работе по методу фазового
контраста со столиком Федорова или в темном поле.
Анализатор и поляризатор можно выключить из хода лучей;
в этом случае микроскопом можно пользоваться как биологи¬
ческим.
При работе с микроскопом можно пользоваться естественным
освещением или применять более мощный осветитель. Для это надо
специально настроить микроскоп. Настройка заключается в уста¬
новке и закреплении отражательного зеркала, которое имеется
в комплекте микроскопа. Зеркало устанавливается на фланец осно¬
вания и направляет пучок света на апертурную диафрагму; при
этом диафрагма осветителя должна резко проектироваться на плос¬
кость объекта. Для получения более контрастного изображения
применяют светофильтры. Для работы в монохроматическом свете
включаются соответствующие фильтры, которые установлены
в диске тубуса.
Внешний вид микроскопа представлен на рис. 1.20. На массив¬
ном основании 1 укреплен тубусодержатель 2, на верхней части ко¬
торого закреплен тубус микроскопа 3. На верхнем торце тубуса ук¬
реплена наклонная насадка 4. На задней стенке основания закреп¬
лен фонарь 5. В фонаре помещается патрон с лампочкой в 20 втг
которая питается через трансформатор от сети переменного тока.
Нить лампочки центрируется при помощи рукояток 6. Изменение
светового отверстия полевой диафрагмы осуществляется враще¬
нием рукоятки 7. При помощи рукоятки 5 выключается или вклю¬
чается вторая линза конденсора осветителя.
Фокусировка микроскопа осуществляется перемещением столи¬
ка при помощи маховичков грубой подачи 9 и барабанчиков микро-
метренного механизма 10, которые расположены с двух сторон ос¬
нования.
Микрометренный механизм дифференциальный. При вращении
одной рукоятки в одном направлении столик перемещается. Если
вращать в том же направлении обе рукоятки, скорость подъема
столика увеличивается. Если рукоятки вращать в разных направ¬
лениях, перемещение столика замедляется. Поворот правой или
левой рукоятки микромеханизма на одно деление соответствует
подъему или опусканию столика на 0,002 мм.
31
На верхней плоскости основания имеется крышка 11, которая
снимается при исследовании крупных непрозрачных объектов, а
также при работе со столиком Федорова. Под крышкой находится
люк, в который опускается кронштейн направляющей столика.
/—основание, 2—тубусодержатель, 3—тубус, 4—
монокулярная насадка, 5—фонарь, 6—рукоятка,
центрирования лампочки, 7—рукоятка полевой
диафрагмы, 8—рукоятка, 9—рукоятка грубой по¬
дачи, 10—рукоятка микрометренного механизма,
//—крышка, 12—предметный столик, 13—нониус
столика, /4—направляющая, /5—рукоятка пере¬
мещения конденсора, 16—компенсационная пла¬
стинка, 17—салазки анализатора, 18—диск со
светофильтрами, 19—механизм центрирования
линзы Бертрана, 20—механизм выключения лин¬
зы Бертрана, 21—кольцо ирисовой диафрагмы,
22—окулярная трубка, 23— конденсор
Предметный столик 12 — вращающийся; по его окружности
нанесено 360 делений через Г. На неподвижной части столика
закреплены два нониуса 13, которые позволяют отсчитывать угол
поворота стола с точностью 6'. Столик может быть зафиксирован
в любом положении тормозной рукояткой. Конструкция столика
обеспечивает большую точность центрирования при вращении.
Столик закреплен на кронштейне, который может перемещаться
по направляющей 14 при помощи маховичку кремальерного меха¬
низма. На верхней части столика имеются отверстия для клемм,
препаратоводителя и столика Федорова.
Тубус микроскопа имеет направляющую типа ласточкина
в
Рис. 1.20. Поляризационный микроскоп
МИН-8:
32
хвоста для установки салазок с щипцовым устройством, в который
ввертывается объектив. В направляющую тубуса может быть уста¬
новлен поляризационный осветитель для исследования непрозрач-
ных объектов в отраженном свете. В тубусе имеется прорезь, рас¬
положенная под углом 45° к плоскости симметрии микроскопа, для
введения кварцевого клина или компенсационной пластинки 16.
Над прорезью для компенсатора имеется паз, в который вставля¬
ются салазки 17 с оправой анализатора. Анализатор может пово¬
рачиваться на 90° при помощи специального устройства. На салаз-
ке с оправой анализатора нанесена шкала с делениями через 5°.
На рукоятке разворота анализатора имеется индекс. При установке
этого индекса на «0» анализатор будет скрещен с поляризатором,
если он установлен на деления 90 или 180° шкалы поляризатора.
В тубусе установлен поворотный диск 18 с тремя светофильтра¬
ми. Одно гнездо диска свободно. Светофильтры пропускают свет
с длиной волны 486, 589 и 620 ммк. Съемная монокулярная насад¬
ка 4 должна быть установлена так, чтобы были совмещены риски,
которые имеются на фланце насадки и на тубусе. В насадке нахо¬
дятся преломляющая призма, линза Бертрана и ирисовая диафраг¬
ма. Линза Бертрана имеет механизм центрирования 19 и механизм
20 выключения ее из хода лучей. Кольцо 21 служит для изменения
диаметра отверстия ирисовой диафрагмы. На тубусе имеется коль¬
цо с накаткой, при вращении которого перемещается подвижная
трубка 22 с окуляром. Это необходимо для получения резкого изо¬
бражения коноскопической картины. На подвижной окулярной
трубке 22 имеются два паза для установки перекрестия окуляра
симметрично к микроскопу или под углом 45°.
В осветительную систему входят конденсор 23 и поляризатор,
установленный в корпусе конденсора. Поляризатор поворачивается
на 360°.
Для получения правильного освещения можно перемещать кон¬
денсор вертикально вдоль оптической оси при помощи барашка
кремальерного механизма.
Апертура конденсора А = 1,25, но она может меняться путем вы¬
ключения верхней линзы и установки сменных конденсоров в паз
корпуса конденсора. Выключением верхней линзы и установкой
сменных конденсоров можно получить несколько значений апертур
в пределах от А = 0,22 до А = 1,25. Изменение отверстия апертур¬
ной диафрагмы, которая находится в корпусе конденсора, произ¬
водится при помощи рукоятки диафрагмы. Под поляризатором
в корпусе конденсора помещается вторая диафрагма, которая слу¬
жит апертурной диафрагмой при работе с объективом 3,5х. Отвер¬
стие этой диафрагмы изменяется путем вращения нижней накатан¬
ной части оправы. На корпусе конденсора имеется индекс, относи¬
тельно которого определяется угол поворота поляризатора. На оп¬
раве поляризатора награвирована шкала на 360° через 5°. Повора¬
чивая оправу, можно развернуть поляризатор на требуемый угол
по отношению к анализатору.
3 805
33
1.9. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МИКРОСКОП МЛ-2
Микроскоп МЛ-2 применяется в гистологических, микробиоло¬
гических, химических и других лабораториях для изучения веществ
в люминесцентном свете. Благодаря люминесценции можно изучать
характерные свойства некоторых веществ, связанных с их химичес¬
ким составом. Для возбуждения люминесценции исследуемый пре¬
парат освещается сине-фиолетовым и ультрафиолетовым участком:
спектра с длиной волны до 360 нм, который выделяется из спектра
источника света с помощью светофильтров.
Увеличение микроскопа при визуальном наблюдении — от 53х
до 1350х, при фотографировании — от 20х до 540х. Препараты
можно освещать сверху, через объектив, снизу, через конденсор или
применять смешанное освещение. Источником света в микроскопе
служит ртутно-кварцевая лампа ДРШ-250.
Микроскоп позволяет производить исследования в обычном про¬
ходящем свете, в отраженном свете, методом темного поля и мето¬
дом фазового контраста или же комбинированным методом. При
помощи микроскопа можно фотографировать объекты, применяя
микрофотонасадку.
Оптическая схема микроскопа МЛ-2 приведена на рис. 1.21.
При наблюдении объектов в проходящем свете источник света 1
проектируется коллектором 2 в плоскость апертурной диафрагмы
конденсора 4, а затем через линзы конденсора и объектива 5 про¬
ектируется в выходной зрачок объектива.
Полевая диафрагма 6 проектируется зеркалом 3 и конденсором
4 в предметную плоскость бинокулярной насадки 7.
Микроскоп работает объективами с тубусом 190 и 160 мм. Для
сохранения коррекции системы при работе объективами с тубусом
160 мм вводится дополнительная ахроматическая линза 8, которая
повышает общее увеличение в 1,2 раза.
При освещении объектов сверху в ход лучей включаются свето¬
делительная пластинка (полупрозрачное зеркало) 9 и зеркало 10
с наружным покрытием. Источник света проектируется коллекто¬
ром 2, зеркалом 10 и линзой 11 в плоскость апертурной диафрагмы
12, которая призмой 13, линзами 14 и 15 и светоделительной пла¬
стинкой 9 проектируется в выходной зрачок объектива. Светодели¬
тельная пластинка 9 отражает лучи с длиной волны 360—440 нм
и пропускает лучи с длинен волны 440—700 нм.
Полевая диафрагма 16 проектируется линзами и объективом
в плоскость предмета.
Свет флюоресценции объекта, возбужденный источником света,
проходит через объектив 5, пластинку 9 и проектируется в предмет¬
ную плоскость бинокулярной насадки 7. При работе в темном поле
включаются кольцеобразная диафрагма 17 и кольцевое зеркало 18.
При наблюдении в смешанном освещении сверху и снизу зерка¬
ло 10 выключается, в ход лучей включается зеркало 19 со специаль¬
ным светоделительным покрытием, которое аналогично покрытию
зеркала 9.
34
Для выделения из общего излучения источника света опреде¬
ленных участков спектра в комплект микроскопа добавляется на¬
бор светофильтров 20, 21 и кювета 22, заполненная 4-процентным
раствором медного купороса или дистиллированной водой. Кювета
предохраняет наблюдаемые объекты от нагрева ртутной лампой.
Рис. 1.21. Оптическая схема люминесцентного микроскопа МЛ-2:
/—источник света, 2—коллектор, 3—зеркало, 4—конденсор, 5—эпиобъектив, 6—диа-
фоагма, 7—бинокулярная насадка, 8—ахроматическая линза, 9—полупрозрачное
зеркало, 10—зеркало, //—линза, 12—апертурная диафрагма, 13—призма, 14—линза,
/5—бифокальная линза, 16—полевая диафрагма, 17—кольцеобразная диафрагма,
18—^кольцевое зеркало, 19—зеркало, 20—светофильтры, 21—светофильтр, 22— кювета,
23—светофильтр
При фотографировании бинокулярная насадка заменяется мик¬
рофотонасадкой.
Внешний вид микроскопа МЛ-2 приведен на рис. 1.22. К осно¬
ванию микроскопа 1 прикреплен осветитель 5, в котором находят¬
ся ртутная лампа, коллектор, полевая ирисовая диафрагма и кю¬
вета.
3*
35
Осветитель имеет винты 3 для центрирования лампы, рукоятку
4 для перемещения конденсора вдоль оптической оси и рукоятку 5
для изменения, отверстия полевой диафрагмы.
В основании слева и справа имеются рукоятки 6, которые слу¬
жат для включения зеркала при переходе от проходящего света
к отраженному. При выдвинутой правой рукоятке включается зер-
кало и работа ведется при возбуждении люминесценции сверху или
в отраженном свете в темном поле. При выдвинутой левой рукоятке
Рис. 1.22. Люминесцентный микроскоп МЛ-2:
1—основание, 2—осветитель, 3—винты центрирования лампы,
4—рукоятка перемещения конденсора, 5—рукоятка изменения
отверстия полевой диафрагмы, 6—рукоятка включения зер¬
кала, 7—винты, 8—'тубусодержатель, 9—бинокулярная на-
. садка, 10—револьвер с объективами, 11—коробка с механиз¬
мами перемещения столика, 12—столик, 13—рукоятка грубого
перемещения столика. 14—рукоятка микрометренного пере¬
мещения столика, 15—барашек полевой диафрагмы, 16— вин¬
ты, 17—рукоятка переключения, 18—рукоятка включения
дополнительных линз, 19—револьвер с набором светофильтров,
20—диски смены увеличения, 21—барашки столика, 22—на¬
правляющие столика, 23—кронштейн конденсора
включается светоделительная пластинка и наблюдение ведется при
смешанном освещении. При выдвинутых до упора обеих рукоятках
исследование ведется в проходящем свете.
Винты 7, находящиеся на основании, служат для центрирования
изображения полевой диафрагмы.
К основанию микроскопа прикреплен тубусодержатель 8, на ко¬
тором закреплены бинокулярная насадка 9, револьвер с объекти¬
вами 10 и направляющие для крепления коробки 11 с механизмами
грубого и микрометренного перемещения столика 12 в вертикаль¬
ной плоскости. Столик установлен на направляющей, закрепленной
на коробке- микромеханизма. Вертикальное перемещение столика
осуществляется рукояткой грубого перемещения 13 и рукояткой
36
микрометронного перемещения 14, которые смонтированы на одной
оси.
При помощи барашка .15 изменяется отверстие полевой диа¬
фрагмы. Для центрирования полевой диафрагмы служат винты 16,
находящиеся с двух* сторон тубуса. Рукояткой 17 переключаются
светоделительная пластинка и кольцевое зеркало.
Рукоятка 18 служит для включения в оптическую систему до¬
полнительных линз, применяемых при работе с объективами для
тубуса 160 мм. В верхней части тубуса находится револьвер 10 с на¬
бором светофильтров.
На головке тубуса крепится бинокулярная насадка или микро¬
фотонасадка. Оптическая схема бинокулярной насадки позволяет
устанавливать насадку в любом положении вокруг вертикальной
оси. Насадка имеет три сменных увеличения: 1,1х, 1,6х и 2,5х; уве¬
личение устанавливается вращением диска 20, на котором закреп¬
лены сменные линзы.
Столик микроскопа имеет верхнюю подвижную часть; эта часть
при помощи двух барашков 21, смонтированных на одной оси, мо¬
жет перемещаться вместе с препаратом в двух взаимно перпенди¬
кулярных направлениях.
В зависимости от размера препарата держатели могут переме¬
щаться относительно друг друга. Отсчет величины перемещения
препарата со столиком производится по шкалам и нониусам с точ¬
ностью до 0,1 мм. Столик может вращаться вокруг своей оси. Сто¬
лик имеет паз типа ласточкина хвоста, который позволяет устанав¬
ливать его на направляющей коробке микромеханизма на любой
высоте. Столик крепится на направляющей винтом.
Конденсор микроскопа устанавливается в кронштейне 23, ко¬
торый крепится на той же направляющей, что и столик.
1.10. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ МИКРОСКОП МУФ-ЗМ
Ультрафиолетовый микроскоп МУФ-ЗМ предназначен для ис¬
следования микропрепаратов, имеющих избирательное поглощение
в невидимой ультрафиолетовой области спектра при освещении
проходящими ультрафиолетовыми лучами. Этот микроскоп позво¬
ляет также изучать объекты в свете их люминесценции, возбуж¬
даемой сине-фиолетовым участком спектра и ультрафиолетовыми
лучами, при освещении снизу и в свете люминесценции, возбуждае¬
мой сине-фиолетовым участком спектра, при освещении сверху, че¬
рез объектив, с помощью специального люминесцентного освети¬
теля.
Оптические детали микроскопа прозрачны для ультрафиолето¬
вых лучей. Микроскоп снабжен объективами и окулярами для ра¬
боты и в видимом свете, а также специальными фотоокулярами для
фотографирования в ультрафиолетовых лучах с помощью фотона¬
садки.
Увеличение микроскопа при наблюдении люминесценции через
окуляр в проходящем свете 70х—1350х? при наблюдении на люми-
37
несцирующем экране в проходящих ультрафиолетовых лучах —
96х—980х, при наблюдении люминесценции в отраженном свете
со специальным осветителем — 114х—1470х, при наблюдении в про¬
ходящем видимом свете — 70х—1350х.
Рис. 1.23. Оптическая схема ультрафиоле¬
тового микроскопа МУФ-ЗМ для работы
в проходящем свете:
/—источник ультрафиолетовых лучей, 2—коллектор,
3—призма, 4—апертурная диафрагма, 5—кварце¬
вый конденсор, 6—объектив, 7—полевая диа¬
фрагма, 8—линзы, 9—флюоресцирующий экран,
10—объектив, //—‘призма, 12—окуляр, 13— фильт¬
ры, 14—кварцевая кювета
Источником света в микроскопе является ртутная кварцевая
лампа СВД-120А.
Оптическая схема микроскопа МУФ-ЗМ для работы в проходя¬
щем свете показана на рис. 1.23. Источник ультрафиолетовых лу¬
чей 1 при помощи коллектора 2 и призмы 3 проектируется на плос¬
кость апертурной диафрагмы 4, которая проектируется кварцевым
конденсором 5 и объективом 6 в выходной зрачок объектива. Поле¬
38
вая диафрагма 7 проектируется призмой 3 и конденсором 5 на
плоскость предмета.
Для визуального наблюдения объектов в ультрафиолетовых лу¬
чах включается люминесцентный преобразователь, состоящий из
линз 8 и флюоресцирующего экрана 9. Изображение предмета объ¬
ективом 6 и линзами 8 переносится на флюоресцирующий экран 9
и рассматривается с помощью вспомогательного микроскопа, кото¬
рый состоит из объектива 10, призмы И и окуляра 12.
Для наблюдения предметов в видимом проходящем свете люми¬
несцентный преобразователь с объективом 10 снимают со штатива
и окуляр с призмой занимает положение, указанное на схеме штри¬
ховой линией.
При наблюдении в ультрафиолетовом свете для выделения не¬
обходимой длины волны применяются специальные фильтры 13
и кварцевая кювета 14 с парами хлора или парами хлора и брома.
При работе в видимом свете из системы выключаются светофильт¬
ры, предназначенные для выделения ультрафиолетовых лучей,
и применяются обычные светофильтры. Для наблюдения люмине¬
сценции объектов при освещении их сверху через объектив приме¬
няется специальный люминесцентный осветитель.
Оптическая схема микроскопа МУФ-ЗМ, настроенная для на-
наблюдения люминесценции при освещении сверху, представлена
на рис. 1.24. Источник света 1 изображается коллектором 2, зерка¬
лами 15 и 13, линзами 7 и 8 и полупрозрачным зеркалом 9 во вход¬
ном зрачке объектива. Полупрозрачное зеркало 9 отражает лучи
с длиной волны 360—440 нм и почти полностью пропускает лучи
с длиной волны 440—700 нм.
Полевая диафрагма 3 проектируется зеркалами 15 и 13, линза¬
ми 7 и 8, полупрозрачным зеркалом 9 и объективом 6 на плоскость
объекта.
Наблюдение объектов в свете люминесценции ведется с по¬
мощью объектива 6/ зеркала 9, линзы 10 и визуального тубуса, со¬
стоящего из призмы 11, окуляра 12 и светофильтра 14, который на¬
девается на окуляр. Между линзами 7 и 8 устанавливается свето¬
фильтр 5.
Фотографирование производится при помощи микрофотонасад-
ки.*Для этого вместо наклонной насадки устанавливается верти¬
кальная, а хмикрофотонасадка устанавливается в специальную
штангу.
Внешний вид микроскопа МУФ-ЗМ представлен на рис. 1.25.
На основании 1 закреплены штатив биологического микроскопа 2,
осветитель 3 с источником ультрафиолетового излучения, диск 4
с набором светофильтров, коробка 5 с кюветой и штанга 6 с крон¬
штейном.
Штатив микроскопа 2 состоит из основания 7, имеющего виц
башмака, коробки 8 и тубусодержателя с механизмом грубой по¬
дачи, щипцового устройства 10 для установки и центрирования
микрообъектов, тубуса с люминесцентным преобразователем 11,
39
наклонной насадки 12, предметного столика 13 и осветительной си¬
стемы 14, имеющей кварцевый конденсор с апертурой А =
Внутри коробки 8 установлен микромеханизм для точной фоку¬
сировки микроскопа на объект. Механизм точной фокусировки при-
Рис. 1.24. Оптическая схема ультрафиолетового микроскопа
МУФ-ЗМ, настроенного для работы в отраженном свете:
/—источник света, 2—коллектор, 3—полевая диафрагма, 4—светофильтр,
5—светофильтр, 6—объектив, 7—«линза, 8—линза, 9—полупрозрачное зеркало,
10—линза, //—призма, 12—окуляр, 13—зеркало, /4—светофильтр,
/5—зеркало
водится в действие барашками 15, расположенными справа и слева.
Справа на оси барашков закреплена шкала, разделенная на 50 ча¬
стей с ценой деления 0,002 мм. Общая величина перемещения ту¬
буса с помощью микромеханизма равна 2,4—2,6 мм. На тубусодер-
жателе имеется трибка с двумя барашками 9, вращением которых
производится грубая фокусировка микроскопа. В верхней части
тубусодержателя имеется гнездо, в которое устанавливается тубус
с люминесцентным преобразователем 11. В нижней части тубусо¬
держателя установлено щипцовое устройство 10 для крепления
40
и центрирования объективов. В верхней части тубуса 11 сделано
• гнездо для крепления наклонной или прямой насадки. Внутри ту¬
буса смонтирован люминесцентный преобразователь. В тубусе
имеется барашек 16, при помощи которого в ход лучей включается
люминесцирующий экран.
Внутри наклонной насадки 12 находится призма с двукратным
отражением. Наклонная насадка имеет механизм диоптрийной на-
Рис. 1.25 Ультрафиолетовый микроскоп
МУФ-ЗМ:
/—основание, 2—штатив микроскопа. 3—осветитель,
4—диск с набором светофильтров, 5—коробка с кю¬
ветой, 6—штанга с кронштейном, 7—основание шта¬
тива, 8—коробка микромеханизма, 9—барашек гру¬
бой подачи, 10—щипцовое устройство, 11—тубус с лю¬
минесцентным преобразователем, 12—‘наклонная на¬
садка, 13—предметный столик, /4—осветительная си¬
стема, /5—барашек микрометренного механизма,
16— барашек включения люминесцирующего экрана
водки. Насадка может поворачиваться вокруг вертикальной оси
в любое положение для удобства наблюдения и закрепляться вин¬
том.
Исследуемые объекты закрепляются на столике 13, Верхняя
часть столика вращается. Кроме того, столик при помощи двух вин¬
тов может перемещаться в горизонтальной плоскости на 8 мм.
На столике устанавливаются клеммы для крепления препарата или
препаратоводитель.
Конденсор осветительной системы 14 установлен в кронштейн,
который при помощи барашка на оси кремальерного механизма
может перемещаться по высоте в пределах 20 мм. Конденсор микро¬
скопа— кварцевый, четырехлинзовый, со съемными оправами. При:
удалении оправы с фронтальной линзой конденсора последний бу-
41
дет иметь апертуру Л = 0,52. Если снять с конденсора следующую
оправу с находящейся в ней линзой, то апертура будет А =0,33
Снизу конденсора вмонтирована апертурная диафрагма, которая
открывается и закрывается рукояткой.
Для выделения различных участков ультрафиолетового и види¬
мого спектра и для возбуждения люминесценции объектов имеется
набор сменных газовых кювет и светофильтров с различными
спектральными характеристиками. Сменная газовая кювета пред¬
ставляет собой кварцевый цилиндр, заполненный хлором или бро¬
мом. Такой фильтр пропу¬
скает участок ультрафиоле¬
товых лучей. Кювета, за¬
полненная хлором или бро¬
мом, пропускает участок
ультрафиолетового спектра
от 250 до 285 нм. Она при¬
меняется при фотографиро¬
вании объектов в ультра¬
фиолетовых лучах и одно¬
временно может служить
светофильтром для видимой
области спектра.
Набор светофильтров,
прилагаемых к микроскопу,
позволяет проводить все
исследования в ультрафио¬
летовой области спектра и
в свете люминесценции.
В комплект микроско¬
па входит специальный
люминесцентный освети¬
тель.
На рис. 1.26 показан микроскоп МУФ-ЗМ с установленным лю¬
минесцентным осветителем. Осветитель представляет собой прямо¬
угольный корпус, установленный вместо кожуха с кюветой, состоя¬
щий из нижней и верхней частей. Нижняя часть имеет форму
прямоугольного корпуса 1, внутри которого расположено прямо¬
угольное заркало. Положение зеркала регулируется винтами 2 для
настройки освещения. В нижнем торце корпуса сделаны два ци¬
линдрических отверстия для установки корпуса на штифты осно¬
вания микроскопа. Верхняя часть люминесцентного осветителя
представляет собой цилиндрическую втулку 3, внутри которой на¬
ходятся полупрозрачное зеркало и ахроматическая линза. Нижний
торец втулки 3 имеет коническое кольцо, при помощи которого вся
верхняя часть осветителя закрепляется в головке тубуса микроско¬
па. Верхний торец втулки служит для закрепления в ней наклонной
насадки.
В цилиндрической втулке 3 закреплена трубка 4, внутри кото-
Рис. 1.26. Ультрафиолетовый микроскоп
МУФ-ЗМ с люминесцентным осветителем:
/—корпус осветителя, 2—винты, 3—втулка, 4—труб¬
ка, 5—^светофильтры, 6—корпус, 7—светозащитная
трубка
42
рой расположены линзы. Между линзами устанавливаются смен¬
ные светофильтры 5. На трубке 4 установлен сферический корпус 6,
внутри которого расположено зеркало. В сферический корпус 6
ввернута светозащитная трубка 7.
1.11. ИНФРАКРАСНЫЙ МИКРОСКОП МИК-1
Инфракрасный микроскоп МИК-1 предназначен для наблюде¬
ния объектов, прозрачных в лучах инфракрасной области спектра
с длиной волны 0,8—1,3 мк.
Некоторые вещества, например германий и кремний, не прозрач¬
ные для лучей видимой части спектра, пропускают довольно хорошо
невидимые для глаза лучи инфракрасной области спектра с длиной
волны от 0,8 до 1,3 мк. Обычная стеклянная оптика также прозрач¬
на для лучей этой области спектра, что дает возможность исполь¬
зовать ее для таких наблюдений.
Чтобы увидеть изображение в лучах указанной длины волны,
применяют электронно-оптический преобразователь (ЭОП).
Источником света служит лампа накаливания ОП-ЮО-12.
Микроскоп позволяет наблюдать и фотографировать объекты
в проходящем и отраженном свете. Микроскоп может быть исполь¬
зован также для наблюдения и фотографирования объектов в ви¬
димой части спектра в проходящем и отраженном свете, в светлом
и темном поле или с фазово-контрастным устройством.
Прилагаемый к микроскопу комплект объективов и окуляров по¬
зволяет получить следующие увеличения:
1) в проходящем инфракрасном свете на фотокатоде электрон¬
но-оптического преобразователя — до 33х;
2) в отраженном инфракрасном свете при визуальном наблюде¬
нии изображения на экране электронно-оптического преобразова¬
теля— 19х. Этот предел ограничивается яркостью изображения
на экране;
3) при фотографировании в видимых и инфракрасных лучах
в проходящем свете — до 180х, в отраженном свете — до 720х.
Оптическая схема микроскопа МИК-1 представлена на рис. 1. 27.
Свет от лампы 1 проектируется коллектором 2 и зеркалом 3 в плос¬
кость апертурной диафрагмы конденсора 4. Диафрагма проекти¬
руется конденсором и объективом 5 в выходной зрачок объектива,
а полевая диафрагма 6 — зеркалом 3 и конденсором 4 в плоскость
объекта 7.
При наблюдении в инфракрасных лучах в проходящем свете изо¬
бражение объекта 7 с помощью объектива 5, зеркала 8, проекти¬
рующего окуляра 9, зеркала 10 проектируется на фотокатод элек¬
тронно-оптического преобразователя 11. С экрана электронно-опти¬
ческого преобразователя изображение с помощью зеркала 12,
объектива 13 и зеркала 14 проектируется в фокальную плоскость
окуляра 15.
_ При наблюдении в лучах видимого света объектив 5 и зеркало
16 проектируют изображение в фокальную плоскость окуляра 15.
43
При наблюдении в отраженном свете в ход лучей включаются зер¬
кало 17 и полупрозрачное зеркало 18. Коллектор 2 и линза 19 про¬
ектируют источник света в плоскость апертурной ирисовой диа¬
фрагмы 20, которая с помощью прямоугольной призмы 21, линз 22
Рис. 1.27. Оптическая схема инфракрасного микроскопа МИК-1:
1—источник света, 2—коллектор, 3—зеркало, 4—конденсор, 5—объектив, 6—полевая
диафрагма, 7—объект, 8—зеркало, 9—проектирующий окуляр, 10—зеркало, 11—элек¬
тронно-оптический преобразователь, 12—зеркало, 13— объектив, 14—зеркало, 15—оку¬
ляр, 16—зеркало, /7—зеркало, 18— полупрозрачное зеркало, 19—линза, 20—ирисовая
диафрагма, 21—призма, 22—линза, 23—линза, 24—дополнительная линза. 25—кольцевое
зеркало, 26—диафрагма
и 23, полупрозрачного зеркала 18 проектируется в выходной зрачок
объектива 5.
Полевая диафрагма 6 проектируется линзой 19, приз¬
мой 21, линзами 22 и 23, полупрозрачным зеркалом 18, объективом
5 в плоскость объекта 7.
При наблюдении в инфракрасных лучах в отраженном свете луч,
отраженный от объекта, проходит через объектив 5, полупрозрач-
44
ное зеркало 18 и направляется зеркалом 8 в проекционный окуляр
9 и далее зеркалом 10 на фотокатод электронно-оптического преоб¬
разователя 11. Изображение объекта, полученное на экране элек¬
тронно-оптического преобразователя зеркалом 12, объективом 13
и зеркалом 14 направляется в фокальную плоскость окуляра 15.
Рис. 1.28. Инфракрасный микроскоп МИК-1:
/—'основание, 2—осветитель, 3—патрон с лампочкой,
4—винты, 5—рукоятка коллектора, 6—рукоятка, 7—руко¬
ятка включения зеркала, 8—корпус прибора, 9—коробка
механизмов перемещения столика, 10—электронно-оптиче¬
ский преобразователь, //—крышка узла смены проекцион¬
ных окуляров, 12—оптическая головка, 13—столик, 14— ба¬
рашек микрометренной подачи, /5—барашек грубой подачи,
16—стопор, 17—барашки движения столика, 18—подвижные
планки для крепления объекта, 19—кронштейн, 20—ре¬
вольвер с объективами, 21—монокулярный тубус, 22-
кольцо фокусировки, 23—рукоятка включения и выклю¬
чения узла с зеркалами, 24—рукоятка включения зеркала
При наблюдении в видимых лучах в отраженном свете свет, от¬
раженный от объектива, проходит через объектив 5, полупрозрач¬
ное зеркало 18 и зеркалом 16 направляется в фокальную плоскость
окуляра.
Объективы, входящие в комплект прибора, рассчитаны для ра¬
боты с тубусом 190 мм. При работе с объективами с тубусом 160 мм
для сохранения коррекции вводится дополнительная линза 24.
45
Для получения темного поля при работе в отраженном свете
вместо полупрозрачного зеркала 18 'включаются кольцевое зеркало
25 и диафрагма 26.
Для фотографирования на окулярный тубус устанавливается
фотонасадка со специальным фотоокуляром. Фотографирование мо¬
жет производиться в проходящих инфракрасных и видимых лучах.
Внешний вид микроскопа МИК-1 показан на рис. 1.28. На осно¬
вании 1 закреплен осветитель 2. В гнездо осветителя установлен
патрон 3 с лампочкой. Патрон с помощью двух винтов 4 может цент¬
рироваться относительно оси коллектора. Перемещение коллектора
производится рукояткой 5, которая ходит по спиральному пазу. При
помощи рукоятки 6 производится изменение диаметра осветителя
полевой диафрагмы. В осветителе 2 имеются гнезда для установки
светофильтров.
Рукоятка 7 служит для включения зеркала, находящегося внут¬
ри основания, при работе с отраженным светом. При выдвинутой
до упора рукоятке зеркало включается, при задвинутой до упора —
выключается.
На основании 1 жестко закреплен корпус прибора 8. На корпусе
закреплена коробка 9 с механизмами грубого и микрометренного
перемещения столика, узел с электронно-оптическим преобразова¬
телем 10, узел смены проекционных окуляров 11 и оптическая го¬
ловка микроскопа 12.
На коробке 9 закреплен столик 13, который устанавливается на
направляющей типа ласточкина хвоста и крепится винтом.
При помощи двух барашков 14 и 15, смонтированных на одной
оси, осуществляется грубое и микрометренное вертикальное переме¬
щение столика. Вращением барашка 14 осуществляется грубое пе¬
ремещение столика; вращением барашка 15 — тонкая фокусировка
препарата. Грубое перемещение может быть застопорено бараш¬
ком 16 на корпусе 8. С левой стороны от наблюдателя расположен
барашек (на рис. 1.28 не виден) для изменения диаметра апертур¬
ной диафрагмы.
Предметный столик 13 имеет два взаимно перпендикулярных
движения, которые осуществляются вращением двух барашков 17,
смонтированных на одной оси. Величина перемещения отсчиты¬
вается по шкалам столика. Предметный столик может вращаться
вокруг своей оси на 180° и имеет механизм для центрирования, т. е.
для совмещения оси вращения столика с оптической осью микро¬
скопа. Поворотная часть столика может быть зафиксирована вин¬
том, который находится на неподвижной части столика. На верхней
плоскости столика имеются подвижные планки 18 для крепления
препарата.
Конденсор устанавливается© кронштейн 19, закрепленный на ко¬
робке 9. Кронштейн с конденсором имеет вертикальное перемеще¬
ние по направляющей. Перемещение кронштейна осуществляется
вращением барашка, соединенного с кремальерным механизмом
кронштейна. Конденсор крепится в кронштейне винтом.
46
На оптической головке 12 закреплены револьвер 20 с объекти¬
вами, узел с объективами для наблюдения изображения на экране
электронно-оптического преобразователя и монокулярный тубус 21.
Монокулярный тубус закреплен в гнезде и имеет кольцо с накаткой
22 для фокусировки при наблюдении изображения на экране элек¬
тронно-оптического преобразователя. Монокулярный тубус съем¬
ный, вместо него может быть установлена бинокулярная насадка.
На монокулярный тубус при фотографировании устанавливается
микрофотонасадка.
При помощи рукоятки 23. расположенной на оптической голов¬
ке, включается и выключается узел с зеркалами, которые нахо¬
дятся внутри головки.
Рукоятка 24 служит для включения полупрозрачного зеркала
или кольцевого зеркала при работе в отраженном свете, в темном
или светлом поле.
Разрешающая способность микроскопа соответствует теорети¬
ческой. Электронно-оптическая система ЭОП имеет большие абер¬
рации, вследствие чего разрешающая способность в центре экрана
больше, чем на краях. У применяемых в инфракрасных микроско¬
пах преобразователей имеется большая дисторсия, достигаю¬
щая 11%.
Электронно-оптический преобразователь питается от специаль¬
ного высоковольтного блока, входящего в комплект микроскопа.
Напряжение питания 17 кв.
Глава II
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИН И УГЛОВ
2.1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Методы измерения
Измерения могут быть прямыми, когда результат выражается
непосредственно в тех же единицах, что и измеряемая величина,
и косвенными, когда искомая величина определяется по результа¬
там измерений других величин, связанных с измеряемой определен¬
ными зависимостями. Косвенные измерения производят, например,
синусной линейкой или специальной конической иголкой. Синусная
линейка служит для измерения сторон треугольника, по значению
которых и по синусу вычисляется угол. По величине перемещения
конической иголки определяется диаметр малых отверстий. К кос¬
венным измерениям прибегают в тех случаях, когда они могут дать
более точные результаты, чем прямые, или когда прямые изме¬
рения невозможны.
Прямые измерения в свою очередь делятся на абсолютные и от¬
носительные. Абсолютные измерения дают непосредственно изме¬
ряемую величину, а относительные — только отклонение измеряемой
величины от размера образца. При определении полного размера
в последнем случае учитывается размер образца. Применение отно¬
сительного метода позволяет использовать высокоточные приборы
с небольшим пределом измерения совместно с концевыми мерами
длины, что обеспечивает большую точность измерения по сравнению
с абсолютным методом.
Измерения могут производиться дифференциально (поэлемент¬
но), когда каждый размер измеряется отдельно, и комплексно,
когда определяются сразу несколько параметров. Например, зуб¬
чатое колесо может измеряться поэлементно (шаг, диаметры, про¬
филь и т. д.) или комплексно (например, сравнением проекции кон¬
тура колеса с чертежом, проверкой биения по среднему диаметру
и т. д.).
48
Основные параметры измерительных приборов
и их определения
Пределы измерения — наибольшее и наименьшее значения вели¬
чин, которые могут быть измерены на данном приборе.
Диапазон измерения — разность между пределами. Например,
микрометр с пределами измерения 50—75 мм имеет диапазон 25 мм.
Цена деления шкалы прибора — значение измеряемой величины,
соответствующее одному делению шкалы.
Интервал деления шкалы — расстояние между осями двух со¬
седних штрихов шкалы.
Чувствительность — отношение величины перемещения указа¬
теля к изменению измеряемой величины, вызвавшей это перемеще¬
ние.
Порог чувствительности — изменение измеряемой величины,
способное вызвать наименьшее заметное изменение показания при¬
бора.
Погрешности измерения
Никакое измерение не может быть произведено абсолютно точ¬
но. Присутствие различных погрешностей приводит к отклонению
результата от истинного значения измеряемой величины. Поэтому
одной из основных задач техники измерения является определение
погрешностей и источников их возникновения, а также изыскание
средств для уменьшения влияния последних на точность измерения.
Причины, вызывающие эти погрешности, весьма разнообразны.
Погрешности, имеющие постоянную величину и знак, или изме¬
няющиеся по определенному закону, называются систематическими.
Они определяются измерением одной и той же заранее известной
величины при искусственном изменении отдельных параметров про¬
цесса измерения. Например, для определения погрешностей, возни¬
кающих от изменения температуры, проводят ряд измерений при
различных температурах окружающей среды. Систематические по¬
грешности определяют правильность измерения, и их влияние мо¬
жет быть исключено введением соответствующих поправок. Напри¬
мер, погрешности неправильной градуировки шкалы учитываются
аттестатом прибора.
Погрешности второй группы непостоянные по величине и знаку,
неопределенные по природе возникновения, не могут быть исклю¬
чены из результатов измерения и называются случайными. Однако
они обладают определенными свойствами, зная которые можно
учесть и уменьшить их влияние путем многократных измерений
и определенной (математической обработкой, основанной на законах
теории вероятности.
Случайные погрешности характеризуются следующими основ¬
ными особенностями.
4 805
49
Равные по абсолютной величине, но разные по знаку погрешно¬
сти встречаются одинаково часто.
Малые по величине погрешности встречаются чаще, чем боль¬
шие.
При большом количестве измерений среднее арифметическое
случайных погрешностей стремится к нулю.
Случайные погрешности для данного метода измерения не пре¬
вышают определенной величины.
Точность ряда измерений оценивается по средней квадратичес¬
кой, вероятной и предельной погрешностям и другим параметрам
точности.
Можно рекомендовать следующий порядок обработки ряда из¬
мерений.
1. Найти среднее арифметическое X ряда измерений и остаточ¬
ные погрешности Ах* каждого измерения из выражений
где Хг — значение отдельного измерения;
п — число измерений.
2. Определить среднюю квадратическую погрешность а ряда из¬
мерений по формуле
Вероятная погрешность соответствует величине, относительно
которой одна половина всех случайных погрешностей будет боль¬
ше по величине, а вторая — меньше. Предельная погрешность для
большинства случаев соответствует
Для оценки точности среднего арифметического все вышеука¬
занные параметры умножаются на величину 1 /V п\ тогда квадрати¬
ческая 5, вероятная Я и предельная Ацт погрешности среднего
арифметического будут
3. Найти вероятную погрешность р из соотношения
50
Случайные погрешности определяют точность измерения. При¬
ведем пример обработки результатов измерения.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
И
5.21
5.20
5.23
5.22
5.21
5.21
5.19
5.22
5,21
5.23
5.20
—2
—12
+ 18
+ 8
—2
-2
—22
+8
—2
+ 18
—12
4
144
324
64
4
4
484
64
4
324
144
2.2. ОБЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
Оптические отсчетные устройства
Наиболее простым оптическим устройством является лупа, с по¬
мощью которой производится отсчет по индексу или нониусу. Лупой
можно пользоваться в том случае, если шкала, по которой произво¬
дится отсчет, и индекс или нониус находятся в одной плоскости.
Микроскоп даже небольшого увеличения имеет перед лупой то пре¬
имущество, что позволяет производить отсчет и в случае, когда шка¬
ла и индекс расположены в разных далеко разнесенных плоскостях.
Основная шкала расположена в предметной плоскости микроскопа,
объектив которого проектирует ее изображение в плоскость изобра¬
4*
51
жения микроскопа, где расположена сетка с индексом или отсчет-
ной шкалой. Предметное расстояние может меняться в зависимости
от примененного объектива в пределах от долей миллиметра до де¬
сятков (более сотни) миллиметров.
Для получения необходимой точности объектив должен давать
хорошее качество изображения, что легче достигается при неболь¬
шом увеличении. Поэтому обычно большую часть увеличения от-
счетного микроскопа перекладывают на окуляр.
Аберрации, вносимые окуляром, искажают в одинаковой степе¬
ни изображения основной шкалы и сетки, что лишь косвенно вли¬
яет на точность отсчета.
К отсчетному микроскопу предъявляется, помимо обычных, тре¬
бование высокой точности величины увеличения объектива в слу¬
чае наличия в нем отсчетной шкалы или нониуса. Отклонения этой
величины от номинальной приводит к погрешности значения цены
деления шкалы на сетке микроскопа. Это требование удовлетво¬
ряется введением специальной юстировки, которая заключается
в изменении положения объектива относительно окуляра, т. е. в из¬
менении оптического интервала микроскопа (юстировка увеличе¬
ния), и перемещении всего микроскопа относительно объекта (шка¬
лы) (юстировка положения).
В некоторых конструкциях не представляется возможным пере¬
мещать весь микроскоп. Тогда необходимо применять двухкомпо¬
нентный объектив; при этом юстировка увеличения производится
изменением расстояния между компонентами, а юстировка положе¬
ния— перемещением всего объектива относительно окуляра. Сле¬
дует иметь в виду, что при юстировке положения несколько изме¬
няется увеличение микроскопа, поэтому обе операции выполняют
совместно, добиваясь необходимого результата методом постепен¬
ного приближения.
В зависимости от конструкции окулярной части отсчетные ми¬
кроскопы могут быть разделены на три группы:
а) штриховые микроскопы;
б) шкаловые микроскопы;
в) микроскопы-микрометры.
На сетке штрихового микроскопа нанесен индекс в виде штриха,
двух параллельных штрихов (биссектора) или марки.
Определим параметры такого микроскопа, приняв величину ви¬
димого интервала с' = 2 мм. Если основная шкала миллиметровая
(интервал с= 1 мм), то увеличение микроскопа
При таком малом увеличении целесообразнее ограничиться при¬
менением лупы и индекса.
' Если с = 0,1 мм, то
Положим увеличение объектива 2х, тогда увеличение окуляра
определится из соотношения
а фокусное расстояние окуляра
В шкаловом микроскопе на сетке нанесена отсчетная шкала,
с помощью которой определяются доли интервала основной шкалы.
Отсчет по шкаловому микроскопу делается в два приема. При от¬
счете целых делений основной шкалы индексом является нулевое
деление отсчетной шкалы. При отсчете же доли интервала основной
шкалы индексом является штрих основной шкалы, расположенной
в пределах отсчетной шкалы.
Увеличение шкалового микроскопа определяется следующим
образом.
Если с' — видимый интервал деления основной шкалы, а п —
число делений отсчетной шкалы, то
где /' — видимый интервал деления отсчетной шкалы. Учитывая, что
с' = с-Гм, получим
откуда
Приняв /' = 1,5 мм, найдем
Оцифровка отсчетной шкалы должна быть обратной по отноше¬
нию к изображению оцифровки основной шкалы.
Отсчетный микроскоп типа МИР-2 (рис. 2. 1) выпускается с хо¬
мутиком 2, предназначенным для его крепления в различных изме¬
рительных устройствах. Микроскоп имеет сменные объектив 1
и окуляр 5, что позволяет получать различные увеличения при на¬
личии стандартных объективов и окуляров. Микроскоп укомплекто¬
ван ахроматическим объективом с апертурой 0,11 и увеличением
3,7х и окуляром типа Гюйгенса с увеличением 7х. Таким образом
увеличение микроскопа Гм =3,7 -7 = 25,9х.
Окуляр снабжен сеткой со шкалой, состоящей из 100 делений
с интервалом в 0,1 мм. Микроскоп состоит из двух тубусов 3 и 4%
входящих один в другой. Внутренний тубус 4 имеет на наружной
53
поверхности миллиметровую шкалу, оцифрованную в пределах
130—190 мм, что соответствует величине механической длины ту¬
буса. При установке тубуса на 160 мм цена одного деления равна
0,045 мм.
Микроскоп-микрометр отличается от других видов отсчетных ми¬
кроскопов наличием в окулярной части отсчетного устройства
в виде окулярного или оптического микрометра. Эти микро¬
метры в сочетании с микроскопом служат для точного изме¬
рения долей интервала основной шкалы, а в сочетании со зритель¬
ными трубами — для точного измерения весьма малых угловых или
линейных смещений.
Рис. 2. 1. Отсчетный микроскоп МИР-2:
1—объектив, 2— хомутик, 3 и 4—тубусы, 5—окуляр
Окулярные микроскопы предназначены для измерения изобра¬
жения интервалов основной шкалы, проектируемой объективом
в плоскость изображения микроскопа. Принцип работы оптиче¬
ских микрометров, в отличие от окулярных микрометров,
где изображение неподвижно, заключается в перемещении
оптической детали, приводящем к перемещению изображения из¬
меряемого объекта. Величина перемещения оптической детали пре¬
вышает величину перемещения изображения, что позволяет полу¬
чать точность измерения, превышающую точность определения
перемещения оптической детали. Окулярные микрометры выпус¬
каются в виде отдельных унифицированных узлов.
Винтовой окулярный микрометр. Этот тип микро¬
метра представляет собой сочетание микрометрической винтовой
пары с оптическим устройством (окуляром и сетками). Принцип
работы микрометра следующий (рис. 2.2,а). В фокальной плос¬
кости окуляра 8 помещены две сетки: неподвижная 5 со шкалой
и подвижная 4 с визирными отсчетными штрихами. При помощи
винта 2 и гайки 3 подвижная сетка перемещается относительно
неподвижной. Микрометр устанавливается на тубусе микроскопа
взамен обычного окуляра таким образом, чтобы плоскость М изо¬
бражения основной шкалы 7, проектируемого объективом 6 микро-
54
скопа расположилась между плоскостями обеих сеток. Перемеще¬
ние сетки определяется зависимостью
1=1-3- (2.1)
где I — шаг винта; 2я
Ф — угол поворота винта в рад.
О
Рис. 2.2. Винтовой окулярный микрометр МОВ-1-15х:
а—принципиальная схема;
1—барабанчик со шкалой, 2—микрометрический винт, 3—микрометрическая гайка,
4—подвижная сетка, 5—неподвижная сетка, 6—объектив, 7—основная шкала,
8—окуляр,
б—общий вид;
/—подвижная сетка, 2—хомутик, 3—винт, 4—барабанчик со шкалой, 5—корпус,
6—неподвижная сетка в оправе, 7—окуляр
Для исключения систематических погрешностей микроскопа (та¬
ких,, например, как отклонение увеличения объектива от номиналь¬
ного), перед измерением определяют фактическую цену деления
барабанчика по специальной аттестованной шкале, называемой
объект-микрометром.
55
Рассчитаем цену деления барабанчика микрометра. Цена деле¬
ния всякого измерительного механизма определяется отношением
где с — интервал деления;
К—‘Передаточное отношение от отсчетной системы к измери¬
телю.
Для нашего механизма
где ЛГ0 —передаточное отношение от барабанчика с делениями до
сетки;
Vоб — увеличение объектива.
Очевидно
где ^ — шаг микрометрического винта;
О — диаметр барабанчика.
Тогда
Приравняв выражения (2.2) и (2.3), получим
откуда
Можно представить, что
где п число делений на барабанчике, тогда
или
Конструкция винтового окулярного микрометра МОВ-1-15х
(ГОСТ 7865—56) показана на рис. 2.2,6. Посадочный диаметр
микрометра 25 мм. Микрометр состоит из компенсационного окуля¬
ра 7 с увеличением 15х и измерительного механизма. Окуляр мо¬
жет устанавливаться в пределах ±5 диоптрий по глазу наблюда¬
теля. Измерительный механизм, расположенный в корпусе 5, со-
стоит из микрометрической винтовой пары и двух сеток — под¬
вижной 1 и неподвижной 6. На неподвижной сетке нанесена шка¬
ла с ценой деления 1 мм, по которой отсчитывается число оборо¬
тов барабанчика 4. Пределы шкалы 8 мм. На подвижной сетке на¬
несены наклонное перекрестие и биссектор. При повороте винта 3
на один оборот подвижная сетка перемещается на 1 мм. Барабан¬
чик 4 винта разделен на 100 делений, следовательно, цена одного
деления равна 0,01 мм. Хомутик 2 служит для крепления микро¬
метра на тубусе микроскопа. Зазор между сетками должен быть
мал, чтобы не вызывать явление параллакса. Обычно зазор этот
выдерживается в пределах 0,04—0,06 мм.
Спиральный окулярный микрометр. Окулярный
микрометр этого типа встраивается в микроскоп также взамен
обычного окуляра (рис. 2.3,а). Он отличается от винтового тем,
что в нем вместо микрометрической пары применена спиральная
сетка для отсчета долей интервала основной шкалы. Спиральные
окулярные микрометры типа ОМС применяются в ряде отсчетных
микроскопов оптико-механических измерительных приборов (дли¬
номеров, компараторов, рефрактометров, универсальных измери¬
тельных микроскопов и т. д.).
Рассмотрим принцип устройства микрометра. На стеклянной по¬
воротной пластинке нанесена двойная (биссекторная) спираль Ар¬
химеда. Спираль состоит из 11 витков. С внутренней стороны спи¬
рали нанесена круговая шкала, состоящая из ста равномерных де¬
лений. Цена одного деления обычно равна 1 мк, тогда цена шага
спирали 0,1 мм и за один оборот пластинки любая точка спирали
переместится для наблюдателя на 0,1 мм по радиусу в направлении
от центра или к центру. В непосредственной близости от поворот¬
ной пластинки расположена неподвижная стеклянная пластинка,
на которой по радиусу спирали нанесены два параллельных крас¬
ных штриха; вдоль ^их нанесена линейная равномерная шкала из
десяти делений, цейа каждого деления 0,1 мм.
Оптическая схема спирального микроскоп-микрометра состоит
из поворотной сетки 2 со спиралью, неподвижной сетки 1 с линей¬
ной шкалой и окуляра 12. Оправа сетки 2 имеет зубчатый кониче¬
ский обод 9, входящий в зацепление с коническим трибом, который
жестко сидит на одной оси с накатанной головкой 3. Одной
из цапф вращения пластинки служит стальной шарик диаметром
3 мм, сидящий в специальном гнезде 11 над пластинкой. Снизу
пластинка поддерживается шестерней и роликами 8. Сверху она
прижимается двумя роликами 10, сидящими эксцентрично. В поле
зрения, помимо указанных шкал, видны штрихи основной шкалы.
Винт 7 служит для установки цулевого положения. Внутри тубуса 5
микроскопа помещены диафрагмы 6 для устранения рассеянного
света. В нижней части тубуса крепится объектив 4.
Измерение с помощью микрометра производится следующим
образом. В поле зрения микроскопа видны одновременно два-три
штриха основной шкалы. Вращением головки 3 (следовательно,
57
Рис. 2. 3. Микроскоп со спиральным окулярным микрометром ОМС:
а-—общий вид, б—вид поля зрения,
/—неподвижная сетка, 2—поворотная сетка со спиральными штрихами, 3—головка,
4—объектив, 5—тубус микроскопа, 6—диафрагмы, 7—регулировочный винт, 8—ролик,
9— зубчатый конический обод, /0—прижимной ролик, //—гнездо шарика, 12—окуляр
58
и поворотной пластинки со спиралью) подводят к штриху основ¬
ной шкалы, находящемуся в зоне двойных витков спирали, бли¬
жайший виток таким образом, чтобы штрих расположился точно
посередине двойного витка внутри двойного красного штриха
(со шкалой десятых долей миллиметра). После этого производят
отсчет. Отсчетным штрихом является штрих, прошедший нулевое
деление красной шкалы. Десятые доли интервала отсчитываются
‘ по этой шкале (индексом служит отсчетный штрих), а сотые и ты¬
сячные доли — по круговой шкале и специальному индексу. На
рис. 2.3,6 показано поле зрения окулярного спирального микро¬
метра, отсчет равен 12,2725 (последняя цифра взята на глаз).
Интервал между делениями красной шкалы (шаг спирали) —
0,5 мм. Длина всей шкалы, следовательно, 5 мм.
Окулярная угломерная (штриховая) головка.
Угломерная головка типа ОГУ-21 также является окулярным мик¬
рометром и применяется в комплекте с визирным микроскопом
в универсальных измерительных и инструментальных микроскопах.
Головка 3 (рис. 2.4) состоит из двух основных частей: визирной
и угломерной. Визирная часть содержит окуляр 1 и визирную
сетку 2, служащую для наведения микроскопа на измеряемый
объект. Угломерная часть состоит из стеклянного лимба 4 с градус¬
ными делениями, отсчетного микроскопа 10 и осветительного зер¬
кала 8. Лимб вместе со штриховой сеткой может поворачиваться
в пределах 360°. Отсчетный микроскоп состоит из объектива, оку¬
ляра и сетки со шкалой 9. Сетка имеет 60 делений с ценой деле¬
ния Г. Увеличение отсчетного микроскопа 42х.
Объектив отсчетного микроскопа проектирует изображение
штрихов лимба 4 в плоскость минутной сетки 9. Изображение гра¬
дусного интервала точно совпадает с длиной шкалы этой сетки.
Поле зрения отсчетного микроскопа показано на рис. 2.4, в. Число
градусов определяется по штриху лимба, находящемуся в преде¬
лах минутной шкалы, относительно нулевого деления шкалы. Ми¬
нуты определяются по шкале: индексом при этом является тот же
штрих лимба. На рисунке отсчет соответствует 121°34'. Допу¬
скается на глаз определение до 0',5 (половина деления).
На рис. 2.4, б микроскоп показан с установленным на нем верх¬
ним осветителем 6. Защитные стекла 5 служат для предохранения
от загрязнения оптической системы при смене головки.
На рис. 2.4, г показана визирная сетка, применяемая в голов¬
ках, предназначенных для работы с инструментальным микроско¬
пом большой модели и универсальным измерительным микроско¬
пом. Дополнительные штрихи на сетке служат для измерения ме¬
тодом осевого сечения с применением специальных измерительных
• ножей. Расстояния Мх = 0,9 мм, а М2 = 2,7 мм в плоскости сетки.
Лимб и визирная сетка жестко соединены между собой, имеют
общую ось, которая поворачивается с ними во втулке при враще¬
нии головки 11. Геометрическая ось вращения совпадает с центром
59
Рис. 2.4. Окулярная угломерная головка ОГУ-21:
а—общий вид, б—оптическая схема совместно со схемой визирного
микроскопа, в—поле зрения отсчетного угломерного микроскопа, г—вид
визирной сетки,
/—окуляр, 2—визирная сетка, 3—головка, 4—стеклянный лимб, 5—за¬
щитные стекла, 6—верхний осветитель, 7—объектив визирного микро¬
скопа, 8—осветительное зеркало, 9—сетка с угломерной шкалой, /0—от-
счетный микроскоп, //—накатанная головка для поворота визирной сетки
и лимба
60
пересечения штрихов сетки 2 и центром окружности делений
лимба 4.
Профильная окулярная головка. Одним из видов
окулярных микрометров является профильная окулярная головка,
предназначенная для контроля различных профилей резьб и дуг
окружности путем сравнения контуров изображения профиля объ¬
екта с контуром, нанесенным на сетке головки. Часто на сетке,
помимо самих профилей, наносятся допусковые штрихи. Обычно
ось вращения такой головки не совпадает с оптической осью визир¬
ного микроскопа, а смещена таким образом, что в поле зрения
попадает периферийная часть вращающегося диска с сеткой, на ко¬
торой нанесены конфигурации различных профилей.
На рис. 2. 5 показана сетка с дюймовыми и метрическими про¬
филями резьб и допусковыми штрихами (а) и с тремя радиусными
секторами (б). Проверка профиля производится совмещением
штриховых профилей сетки с профилями изображения объектов
в поле зрения микроскопа.
2.3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Рычажно-оптические приборы
Оптический рычаг применяется в автоколлимационной схеме в со¬
четании с механическим рычагом. Одно плечо (большое) в таком
рычаге оптическое, другое (малое)—механическое. Длина опти¬
ческого рычага равна фокусному расстоянию объектива (автокол¬
лимационной системы), умноженному на удвоенное число отра¬
жений от качающегося зеркала. Одна из таких схем показана
на рис. 2. 6. Перемещение измерительного штифта, находящегося
на расстоянии Ь от оси О поворота зеркала, на величину у вызовет
поворот последнего ‘на угол а. Отраженный пучок света повер¬
нется на угол 2а. Определим масштаб М такой системы. При пере¬
мещении штифта на величину у автоколлимационное изображение
в фокальной плоскости оптической системы переместится на вели¬
чину у'. Как видно, у/ = !'1& 2а, а у=Ы§а, где /' — заднее фокус¬
ное расстояние объектива оптической системы. Тогда
для малых углов величиной {§2а можно пренебречь и тогда
Большим преимуществом оптического рычага перед механи¬
ческим является возможность увеличить оптическое плечо (боль¬
шое)' в несколько раз при помощи зеркал (во столько раз, сколько
имеется отражений от качающегося зеркала, умноженное на два).
Это позволяет получать большие масштабы при сравнительно ма-
61
62
Рис. 2.5. Профильная
окулярная головка:
а—профили дюймовых и
метрических резьб, б— ра¬
диусные профили
лых габаритах, абсолютной жесткости и невесомости самого опти¬
ческого рычага. Возможность применения большого плеча доста¬
точной длины позволяет и малое плечо не делать чрезмерно
коротким, что упрощает конструкцию и технологию изготовления
измерительного прибора.
Приборы, в измерительную' цепь которых входит оптический
рычаг, называют рычажно-оптическими. Рычажно-оптические при¬
боры имеют большое передаточное число, что повышает точность,
но приводит к ограничению пределов измерения. Поэтому рычажно¬
оптические приборы применяются главным образом для относи¬
тельных измерений. Весьма часто эти приборы используются в ка¬
честве индикаторных устройств. В качестве примера приборов ры¬
чажно-оптической группы рассмотрим два наиболее распростра¬
ненных и удачных по конструкции прибора — оптиметр и опти-
катор.
Оптиметр. Оптиметр предназначен для относительных линейных
измерений, контроля отклонения объекта от правильной геометри¬
ческой формы, контроля наружных и внутренних диаметров и дру¬
гих работ. Принцип действия прибора основан на описанной вышр
схеме оптического рычага. Оптическая система состоит из колен¬
чатой автоколлимационной зрительной трубки и качающегося зер¬
кала, механически связанного с измерительным стержнем. Трубка
оптиметра может устанавливаться как на вертикальном, так и на
горизонтальном штативах.
Технические условия на работу оптиметра определяются
ГОСТом 5405—54.
Принципиальная схема трубки типа ИК оптиметра показана на
рис. 2.7, а. Дневной свет или свет от лампочки направляется зер¬
калом 6 и осветительной прямоугольной призмой 7 на сетку 4 и ос¬
63
Рис. 2. 6. Принцип действия оптического рычага.
вещает шкалу, нанесенную на сетке. Шкала (см. рис. 2. 7, б) рас¬
положена в фокальной плоскости объектива 2, поэтому пучок
света, несущий изображение шкалы, выйдет из объектива парал¬
лельным пучком, отразится от плоского зеркала 1 и снова, пройдя
объектив 2, даст изображение шкалы в плоскости самой шкалы.
Прибор отъюстирован таким образом, чтобы изображение шкалы
Рис. 2. 7. Оптиметр:
а—оптическая схема, б—шкала,
/—автоколлимационное зеркало, 2—объектив, 3—поворачивающая призма,
4—сетка, 5—окуляр, 6—осветительное зеркало, 7—осветительная призма,
5—цветные шторки для установки допусков
проектировалось в поле зрения окуляра 5 рядом со шкалой в зоне
сетки, не закрытой призмой 7. На сетке нанесен индекс, по которо¬
му производится отсчет перемещения автоколлимационного изоб¬
ражения сетки. Цветные прозрачные шторки 8 служат для быст¬
рого определения соответствия измеряемого размера изделия уста¬
новленным допускам без снятия отсчета. Шторки предварительно
устанавливают на требуемые размеры, перемещая их в соответст¬
вии с допусками измеряемой величины. Измерительный штифт
поворачивает зеркало на угол ср, смещая тем самым автоколлима¬
ционное изображение шкалы относительно индекса.
Определим передаточное отношение К прибора. В данном слу¬
чае оно будет равно масштабу оптического рычага. Согласно фор¬
64
Увеличение окуляра Гок=12х,
с' = 0,08 • 12х = 0,96я^1 мм.
Трубки оптиметра изготов¬
ляются двух типов: ИК-7 —
с цветными шторками в поле зре¬
ния окуляра и ИК-8 — без што¬
рок. На рис. 2.8 показан опти¬
метр ИКВ, представляющий со¬
бой трубку ИК, установленную
на вертикальном штативе. Вся
оптическая часть помещена вну¬
три трубки 9. Зеркало 8 с одной
стороны имеет зеркальную отра¬
жающую поверхность для рабо¬
ты с дневным светом или искус¬
ственным рассеянным светом и
матовую белую поверхность с
другой — для работы с электри¬
ческой лампочкой. Крепление
зеркала позволяет устанавливать
его в любое положение.
Измерительная головка с ко¬
лебательной системой располо¬
жена в вертикальной части
трубки, из которой выступает
стержень с наконечником 10. На
верхнем конце измерительного
стержня укреплен шарик, при
помощи которого наклоняется
зеркало (при перемещении
штифта). Два других неподвиж¬
ных шарика образуют ось, отно¬
сительно которой зеркало на¬
клоняется. Две пружины при¬
тягивают зеркало к шарикам и
создают измерительное усилие.
Шторки перемещаются при по¬
мощи винтов 7.
тогда видимый интервал
Рис 2 8. Оптиметр ИКВ на вер¬
тикальном штативе:
/—основание, 2—колонка с резьбой,
3—держатель, 4—гайка для тонкого
перемещения кронштейна с трубкой
по колонке, 5—зажимной винт, 6—крон¬
штейн, 7—винты для установки огра¬
ничительных шторок. 8—осветительное
зеркало, 9—трубка оптиметра, 10— из¬
мерительный наконечник, 11—упор арре¬
тира, 12—арретир, 13—зажим упора,
14—штифт, 15—предметный столик, 16—
основание столика с подъемными вин¬
тами, /7—стопорный винт столика,
18— гайка микрометренного подъем¬
ного механизма столика
5 805
65
муле (2.4) К=М = 2{'/Ь. У оптиметров отечественного производ¬
ства /' = 200 мм и Ь=5 мм. Тогда передаточное отношение
О О ПА
Найдем цену деления и величину видимого интервала. Если
интервал шкалы с = 0,08 мм, то цена деления определится из выра¬
жения
Для отвода 'измерительного штифта при установке измеряемого
объекта или повторного измерения служит арретир 12 с упором И.
Вертикальный штатив состоит из основания 1 с колонкой 2, пред¬
метного столика 15 с гайкой 18 микрометренного подъемного
механизма со стопором 17, кронштейна 6 и держателя 3 с упорным
штифтом 14.
Вращением гайки 4 можно перемещать кронштейн с установ¬
ленной в нем трубкой вдоль колонки. Крепление кронштейна 6 на
колонке производится винтом 5. Установочная поверхность
Рис. 2.9. Оптиметр ИКГ на горизонтальном штативе:
/—основание, 2—подъемные винты, 3—стальной вал, 4—кронштейн
трубки, 5—трубка оптиметра, 6—предметный стол, 7—задний кронштейн
с упором, 8—упор, 9—пиноль, 10—кронштейн пиноли, //—уровень
предметного столика при помощи подъемных винтов может накло¬
няться относительно горизонтальной плоскости. К прибору прила¬
гаются приспособления для измерения резьбовых колец (ИП-4)
и диаметра проволочек (ИП-1). Проекционная насадка типа ПН-6,
являющаяся дополнительной принадлежностью оптиметра, позво¬
ляет производить отсчеты на специальном матовом экране, не
пользуясь окуляром. При работе с экраном глаз наблюдателя
меньше утомляется, чем при пользовании окуляром. Резкость изоб¬
ражения на экране достигается вращением окуляра.
Горизонтальный оптиметр ИКГ (рис. 2.9) представляет собой
трубку ИК, установленную на горизонтальном штативе, и предназ¬
начается для измерения наружных и внутренних линейных раз¬
меров.
66
Основные части прибора: массивное чугунное основание 1 са
стальным валом 5, на котором укреплены два передвижных крон¬
штейна. В одном кронштейна 10 крепится пиноль 9, в другом крон¬
штейне 4 — трубка оптиметра 5. В середине (на колонке) укреплен:
стол 6, а сзади кронштейн 7 с упором 8. Подъемные винты 2 слу¬
жат для установки основания 1 по уровню 11. Стол можно пере-
а—принципиальная схема, б—внешний вид;
1—измерительная пружина, 2—зеркальце, 3—шкала, 4—лам¬
почка накаливания, 5—конденсор, 6—марка, 7—объектив,
8—измерительный стержень, 9—мембрана, 10—осветитель, 11—
стойка, 12—тросик, 13—трансформатор
мещать и поворачивать в различных направлениях. Верхняя пло¬
щадка стола опирается на четыре шарика, которые могут
перемещаться по направляющим параллельно линии измерения.
Свободное перемещение (с малым трением) стола в этом направ¬
лении позволяет измеряемому объекту, установленному на столе,
находиться в постоянном контакте с измерительными наконечни¬
ками.
Для обеспечения наименьшей площади касания применяют
сферический наконечник при плоской измеряемой поверхности5
и плоский наконечник при сферической измеряемой поверхности:
Если измеряемая поверхность цилиндрическая, то применяют но-^
жевидный плоский наконечник, располагая длинную его сторону
перпендикулярно к образующей цилиндрической поверхности.
Рис. 2. 10. Оптикатор:
5*
67
Оптикатор. К рычажно-оптическим измерительным приборам
относятся и оптикаторы (рис. 2. 10), в измерительную цепь которых
входит пружина. Эти приборы являются одними из наиболее со¬
вершенных в рассматриваемой группе и отличаются высокой точ¬
ностью и стабильностью. В механизме оптикадюра вместо обычных
шарниров с опорами качения и скольжения применены пружинные
шарниры. Принцип действия прибора основан на упругих свойст¬
вах закрученной вдоль своей (продольной) оси плоской пружин¬
ной ленты. Поворот среднего сечения такой пружины относительно
своей продольной оси пропорционален усилию, растягивающему
эту пружину.
Измерительный стержень 8 оптикатора (рис. 2. 10), нижний ко¬
нец которого укреплен в пружинной мембране 9, перемещается
внутри стального цилиндра. Скрученная измерительная пружина 1
крепится одним концом на неподвижной пластинке, а другим —
прикреплена к пружинам, связанным с измерительным стержнем.
Пружина 1 крепится после предварительного закручивания от
середины. При перемещении измерительного стержня вверх, пру¬
жины, связанные с измерительным стержнем, изгибаются и растя¬
гивают пружину 1, которая при этом поворачивается вокруг оси
скручивания. Вместе с ней поворачивается укрепленное на ней по¬
середине зеркальце 2, которое проектирует на шкалу 3 световую
марку. Световая марка создается осветителем 10, состоящим из
лампы накаливания 4, конденсора 5, марки 6 и объектива 7. Пе¬
ремещение индекса по шкале пропорционально^ перемещению из¬
мерительного стержня 8. Ввиду высокой чувствительности прибора
арретирование производится с помощью тросика 12. Оптикатор
может быть использован в качестве индикаторной головки и кре¬
пится в любом измерительном приспособлении. На рис. 2. 10,6 по¬
казан оптикатор, установленный на стандартную стойку тяжелого
типа 11. Оптикаторы выпускаются с ценой деления 0,0005, 0,0002
и 0,0001 мм. Питание лампочки осветителя производится через
трансформатор 13.
Приборы компараторного типа
Само слово «компаратор» (от латинского сошрага!ог — сравни¬
вающий) означает, что прибор предназначен для измерения срав¬
нением. И хотя всякий процесс измерения заключается в сравне¬
нии двух величин, компараторами в технической литературе
называют измерительные приборы, имеющие некоторые общие
конструктивные признаки. Рассмотрим эти* признаки.
1. Прибор 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.
68
2. В процессе измерения два из четырех названных компонен¬
тов подвижны, а два других — неподвижны. При этом могут иметь
место различные варианты. Например, у горизонтального компа¬
ратора типа ИЗА-2 перемещаются жестко связанные между собой
объект и образцовая шкала, а визирный и отсчетный микроскопы
неподвижны. У вертикального компаратора типа ИЗВ-1 перемеща¬
ются жестко связанные между собой наводящее устройство (изме¬
рительный стержень) и образцовая шкала, а объект и отсчетный
микроскоп неподвижны. Могут быть и другие сочетания. Некото¬
рые приборы, хотя и имеют в своем названии слово «компаратор»,
по сути дела должны быть отнесены к другим группам приборов.
Например, прибор, построенный по схеме Кбстерса и называемый
«интерференционным компаратором», может быть отнесен к груп¬
пе интерферометров.
Компараторы в зависимости от рода измеряемого объекта мо¬
гут быть разделены на две большие группы — штриховые и кон¬
цевые. Штриховые — служат для измерения расстояний между
штрихами, а концевые—между поверхностями, линиями и точка¬
ми, ограничивающими размер объекта. Штриховые компараторы
обычно имеют кронштейны, на которых укреплены микроскопы
и салазки с установленной на них образцовой шкалой и площад¬
кой для измеряемого объекта. По одному из микроскопов (визир¬
ному) определяется необходимая величина перемещения салазок
(или микроскопа) в зависимости от измеряемых параметров объ¬
екта, а по другому микроскопу (отсчетному) отсчитывается по шка¬
ле величина перемещения салазок (или микроскопа), равная из¬
меряемой величине.
Штриховые компараторы (рис. 2. Г1) могут быть разделены на
две основные группы: поперечные (трансверсальные) и продольные
(лонгитудинальные). Последние, в свою очередь, могут иметь пос¬
ледовательное или параллельное расположение шкал. Штриховые
компараторы с кинематической точки зрения также можно разде¬
лить на две группы: с перемещающимися микроскопами (жестко
соединенными между собой) при неподвижных шкалах и с непод¬
вижными микроскопами и перемещающимися салазками, несущими
шкалу и объект.
Анализ различных схем построения компаратора* позволяет
сделать вывод, что приборы с неподвижными микроскопами дают
более высокие точности измерения при одинаковой точности изго¬
товления направляющих. Приборы, в конструкцию которых зало¬
жен принцип компарации (принцип Аббе), при одной и той же точ¬
ности изготовления направляющих, также значительно точнее
приборов, где этот принцип не соблюден. Принцип компарации
заключается в том, что линия, вдоль которой производится измере¬
* См. Н. Я- К Р у п п , Оптико-механические измерительные приборы,
Машгиз, 1962.
69
ние объекта, и ось образцовой шкалы расположены последователь¬
но на одной прямой.
При перекосах салазок в приборах, где указанный выше прин¬
цип не соблюден, возникают прогрешности первого порядка малос¬
ти, а там, где соблюден, — второго порядка. (Под порядком
малости обычно понимают показатель степени величины погрешно¬
сти). В измерительных машинах типа ИЗМ компараторный прин¬
цип не соблюден, однако благодаря особенностям оптической схемы
Рис. 2.11. Типы штриховых компараторов:
а—поперечный компаратор, б—продольный компаратор с последовательным распо¬
ложением шкал, в—продольный компаратор с параллельным расположением шкал
погрешности, возникающие вследствие перекоса салазок, не превы¬
шают погрешностей второго порядка малости.
Горизонтальный штриховой компаратор типа ИЗА-2. Этот прибор
имеет хорошие эксплуатационные свойства. Высокая точность,
удачная конструкция, сравнительно небольшие габариты и вес, до¬
статочные пределы измерения и т. д. принесли компаратору боль¬
шую популярность. Его можно встретить в лабораториях научных
институтов, учебных заведений и промышленных предприятий.
Предназначается прибор для линейных измерений по одной коор¬
динате. С его помощью измеряются и аттестуются различные шка
лы, сетки оптических приборов, измеряются расстояния между
точками на фотоснимках и т. д. Прибор построен по принципу про¬
дольного компаратора с последовательно расположенными пере¬
мещающимися шкалами и неподвижными микроскопами.
Оптическая схема отсчетного микроскопа компаратора пред¬
ставлена на рис. 2. 12, а. Освещение шкалы 2 производится искус¬
ственным или дневным светом при помощи зеркала 1. Микроскоп
состоит из объектива 3 и окуляра 6. Неподвижная сетка 5 и под¬
вижная 4 составляют с окуляром спиральный окулярный микро¬
метр типа ОМС. Шкала состоит из двух склеенных стеклянных
пластинок. На одной из пластинок нанесена шкала, а другая,
склеенная с первой со стороны шкалы, является защитной. Компа¬
ратор (см. рис. 2.12,6) состоит из следующих основных частей:
70
массивного основания 2, подвижных салазок 7, визирного 12 и от-
счетного 8 микроскопов. Основание имеет прилив 1, позволяющий
для удобства наблюдения устанавливать прибор с наклоном в 45°
в сторону наблюдателя.
В нижней части основания укреплены вал 5 и прямо¬
угольная направляющая, на которых по шарико¬
подшипникам перемещаются салазки. Микро¬
скопы укреплены на траверсе, расположенной
в верхней части основания. Траверса закрыта
хромированным экраном 10, предохраняющим
ее от тепловых лучей, идущих от наблюдателя.
Зеркала для освещения объекта и шкалы укреп¬
лены в нижней части основания. На салазках
устанавливается испытуемый объект, который
упирается в планку 14. При помощи головки 16
с кремальерой планка с объектом может пере¬
мещаться перпендикулярно линии измерения.
Кроме того, планка 14 с объектом может пово¬
рачиваться на небольшой угол для правильной
установки объекта при помощи микрометриче¬
ского винта 13. В другой части салазок закреп¬
лена аттестованная 200-миллиметровая шкала 6
и термометр 3 для контроля температурного ре¬
жима прибора. Перемещение салазок произво¬
Рис. 2. 12. Горизонтальный компаратор ИЗА-2:
а—оптическая схема отсчетного микроскопа,
1—осветительное зеркало, 2—основная шкала, 3—объектив, 4—подвижная сетка
со спиральными штрихами, 5—неподвижная сетка, 6— окуляр,
б—внешний вид компаратора,
1—прилив, 2—основание, 3—термометр, 4—микрометрический винт перемещения
салазок, 5—вал, 6—основная миллиметровая шкала, 7—подвижные салазки,
8—отсчетный микроскоп, 9—накатанная головка спирального окулярного ми¬
крометра, 10—хромированный экран, 11—маховичок кремальеры наводки визир¬
ного микроскопа, 12—визирный микроскоп, 13—микрометрический винт пово¬
рота объекта, 14— планка для установки объекта измерения, /5—стопорный
винт, 16—головка для перемещения объекта измерения
71
дится от руки (грубое перемещение) при отжатом стопорном
винте 15 и микрометрическим винтом 4 (тонкое перемещение)
при зажатом стопорном винте. Отсчетный микроскоп всегда наве¬
ден на резкое изображение миллиметровой шкалы. Отсчет произ¬
водится при помощи рукоятки 9 спирального окулярного микро¬
метра. Наводка визирного микроскопа 12 на резкость по объекту
производится при помощи маховичка 11 кремальеры. Испытуемый
объект устанавливается таким образом, чтобы линия измерения
была расположена параллельно движению салазок и на одной
линии со шкалой для соблюдения принципа компарации. При
точных измерениях в отсчеты необходимо вводить поправки по
прилагаемому к прибору аттестату шкалы.
Основные технические данные прибора
Пределы измерения О—200 мм
Цена деления основной шкалы 1 мм
Цена деления спирального окулярного микрометра 0,001 мм
Линейное поле зрения микроскопа 12 мм
Увеличение визирного микроскопа переменное 7—10,5х
Вертикальный концевой компаратор (вертикальный длиномер)
типа ИЗВ-1. В этом приборе объект и^ отсчетный микроскоп
неподвижны, а жестко связанные между* собой измерительный
стержень и образцовая шкала перемещаются при -измерении.
Принцип действия прибора заключается в следующем. Измери¬
тельный стержень со шкалой перемещается в вертикальном на¬
правлении под действием измерительного усилия до соприкоснове¬
ния со столом прибора или с измеряемым объектом,
установленным на столе. Отсчетный микроскоп фиксирует оба по¬
ложения. Разность отсчетов обоих положений определяет .измеря¬
емую длину. Прибор (рис. 2. 13) представляет собой измеритель¬
ную головку, укрепленную на вертикальном штативе со столом.
Головка 8 имеет отверстие, сквозь которое проходит измеритель¬
ный шток 4 с наконечником 3. Шток подвешен на стальной ленте
И с грузом 15, перекинутой через шкивы 12 и 13. Шток имеет
сквозное окно, в котором расположена образцовая миллиметровая
шкала 5. Груз помещен в камере демпфера 16, заполненной вазе¬
линовым маслом. Регулировка измерительного усилия и времени
опускания измерительного шпинделя до соприкосновения с изме¬
ряемым объектом 2, расположенным на столе 1, производится
съемными грузовыми шайбами 10. Шайбы устанавливаются на
верхний торец измерительного штока, который поднимается при
помощи тросика 9 и может быть закреплен в требуемом положе¬
нии стопорным винтом 18. Отсчетный микроскоп 7 снабжен оку¬
лярным спиральным микрометром 6. Подсветка шкалы осуществ¬
ляется осветителем, состоящим из миниатюрной лампочки накали¬
вания 17 типа МН-13 (3,5 в, 0,28 а) и конденсора 14. Вся изме¬
72
рительная головка может перемещаться по стойке при помощи
резьбового кольца 19.
Другая модель вертикального длиномера представлена на
рис. 2. 14. Отличие этой модели от предыдущей заключается в том,
что в оптическую схему введены две призмы, отклоняющие пучок
света на 45°. Это позволило применить конструкцию более удобно¬
го для наблюдения наклонного окуляра 2. Внутри корпуса поме-
Рис. 2. 13. Вертикальный длиномер ИЗВ-1:
а—принципиальная схема, б—внешний вид,
/—предметный стол, 2—-измеряемый объект, 3—измерительный наконечник, 4—измерительный
шток, 5—основная измерительная шкала, 6—спиральный окулярный микрометр, 7—отсчетный
микроскоп, 8— измерительная головка, 9—тросик, 10—съемные грузовые шайбы, 11—стальная
лента, 12 и /с*—шкивы, /4—конденсор, 15—груз, 16—камера демпфера, 17—лампочка накали¬
вания, 18—стопорный винт, 19—резьбовое кольцо для перемещения измерительной головки
по стойке
щен регулятор равномерной скорости опускания стержня и меха¬
низм, стабилизирующий измерительное усилие по всей длине хода
стержня. Перемещение стержня вверх осуществляется махович¬
ком 1. Эта модель позволяет производить наводку на объект и бес¬
контактным способом, для чего предназначен центрировочный
микроскоп 4, который закрепляется на измерительном стержне
гайкой 3 вместо измерительного наконечника.
Основные технические данные вертикального длиномера
Цена деления образцовой шкалы 1 мм
Длина образцовой шкалы - 100 „
Цена наименьшего деления отсчетного микроскопа
Наибольший размер объекта вдоль линии измерения
0,001 мм
250 „
Рис. 2. 14. Вертикальный длиномер
ИЗВ-2:
/—маховичок для перемещения измери¬
тельной головки по стойке, 2— наклонный
окуляр, 3—гайка для закрепления центри-
ровочного микроскопа на измерительном
стержне, 4—центрировочный микроскоп
Катетометры
Катетометры служат для измерения длины вертикальных от¬
резков, находящихся на некотором расстоянии от измерителя и не¬
доступных для непосредственного измерения. Принцип работы ка¬
тетометра заключается в следующем. Зрительная труба,
перемещаясь строго поступательно по вертикальной направляю¬
щей, наводится на крайние точки измеряемых отрезков. Величина
перемещения трубы равна величине измеряемого отрезка.
На рис. 2. 15 представлен катетометр типа КМ-6. Оптическая
схема прибора состоит из трех частей: зрительной трубы, отсчет¬
ного микроскопа и осветителя.
Зрительная труба и отсчетный микроскоп жестко связаны меж¬
ду собой и перемещаются одновременно.
74
Рис. 2. 15. Катетометр КМ-6:
/—основание, 2—рукоятка для грубого поворота прибора
вокруг вертикальной оси, 3—колонка, 4—маховичок для
фокусировки зрительной трубы, 5—цилиндрический уро¬
вень, 6—лупа для наблюдения за пузырьком уровня,
7—зрительная труба, 8—механический визир, 9— отсчетный
микроскоп, 10—стальная лента, //—ролик, 12—измеритель¬
ная головка, перемещающаяся по колонке, 13—микромет-
ренчый винт для перемещения головки, 14—микромет-
ренный винт для установки уровня, 15—круглый уровень,
/5—‘подъемные винты, 17—маховички микрометренного
поворота прибора вокруг вертикальной оси, 18—транс¬
форматор
75
Основные части катетометра (см. рис. 2.15): основание 1
колонка 3 и измерительная головка 12 со зрительной трубой 7
и отсчетным микроскопом 9. Колонка может поворачиваться во¬
круг вертикальной оси: грубо — рукояткой 2 и микрометрически —
маховичком 17. Основная стеклянная шкала вмонтирована в ко¬
лонку строго параллельно оси колонки. Каретка может переме¬
щаться по колонке грубо от руки и микрометрически махович¬
ком 13 по роликам. Для облегчения движения каретка уравнове¬
шена противовесом, помещенным внутри колонки и связанным
с кареткой стальной лентой 10, перекинутой через ролик 11, Гру¬
бая установка прибора производится подъемными винтами 16 по
круглому уровню 15.
Фокусировка трубы в пределах диапазона установленной
в каждом случае насадочной линзы осуществляется маховичком 4.
Грубая наводка в горизонтальной плоскости производится по ме¬
ханическому визиру (целик и мушка) <§, укрепленному на зри¬
тельной трубе. Сбоку на этой трубе укреплен цилиндрический уро¬
вень 5, ось которого параллельна визирной оси зрительной трубьь
Установка уровня в горизонтальное положение производится мик-
рометренным винтом 14 при наблюдении в лупу 6, в поле зрения
которой при помощи оптического призменного блока 15 приводятся
изображения концов пузырька. Визирная ось зрительной трубы при
этом также принимает горизонтальное положение. Отсчет
положения зрительной трубы, наведенной на измеряемый
объект, производится по отсчетному микроскопу с транс-
версальной сеткой. Основная шкала снабжается аттестатом для
введения поправок. Питание электролампочки осуществляется че¬
рез трансформатор.
Основные технические данные прибора
Пределы удаления объекта от прибора
Пределы измерения по вертикали
Увеличение зрительной трубы при различных удалениях
объекта от прибора с применением насадочных линз . .
Увеличение отсчетного микроскопа
Цена деления цилиндрического уровня
Интерферометры
Интерферометрами называются измерительные приборы, в ко¬
торых для измерительных целей использовано явление интерферен¬
ции света. Многие интерферометры, применяемые в измерительной
технике, построены по принципиальной схеме, предложенной Май-
кельсоном. Преимущества данной схемы заключаются в простоте,
возможности расположения обоих интерферирующих пучков на
некотором расстоянии друг от друга и применении широких пуч¬
340—380 мм
500—650 „
730—969 .
0—200 „
20,5х, 12х и 8х
62,5х
20"
76
ков света, что позволяет использовать светосильные оптические
приборы и маломощные источники света.
Контактный интерферометр типа ИКПВ (ПИУ-2). Прибор дан¬
ного типа (ГОСТ 8290—57), разработанный советским инженером
И. Г. Уверским, предназначен в основном для относительного из¬
мерения плоскопараллельных концевых мер длины. Чувствитель¬
ным элементом прибора является механический штифт, а собст¬
венно интерферометр служит передаточным механизмом высокой
чувствительности. Отсчетная система представляет собой шкалу
с переменной ценой деления, в зависимости от ширины интерфе¬
ренционной полосы. Указателем служит ахроматическая полоса
при работе в белом свете. Прибор представляет собой оптическую
интерференционную трубку, установленную на универсальной
стойке типа СУ. Линия измерения вертикальна.
Прибор ИКГП представляет собой ту же трубку, установлен¬
ную на специальной станине, причем линия измерения здесь гори¬
зонтальна.
Оптическая схема трубки представлена на рис. 2. 16, а. Свет от
источника 1 направляется конденсором 2 через щель 3 либо непо¬
средственно, либо через светофильтр За на разделительную пло¬
скопараллельную пластинку 4. Часть пучка света проходит через
нее, через компенсатор 5 и направляется к зеркалу 6, отражается
от него и вновь проходит через компенсатор 5 к пластинке 4. Дру¬
гая часть пучка отражается от задней поверхности 'пластинки 4,
отразившись от зеркала 7, вновь проходит через пластинку 4 и по¬
падает на заднюю поверхность этой пластинки, где обе части пучка
встречаются с определенной небольшой разностью хода и интерфе¬
рируют. Объектив <5 проектирует интерференционную картину
в виде полос равной толщины в плоскость сетки 9, где последние
рассматриваются через окуляр 10.
Зеркало 6 жестко связано с измерительным штифтом 11, ко¬
торый при измерении перемещает зеркало вверх или вниз в зави¬
симости от величины объекта, тем самым меняя разность хода
между интерферирующими частями светового пучка. Обе пластин¬
ки 4 и 5 имеют одинаковую толщину и изготовлены из стекла с оди¬
наковым показателем преломления. Зеркало 7 служит для созда¬
ния воздушного клина; с этой целью его слегка наклоняют спе¬
циальными винтами. Степень наклона определяет угол преломле¬
ния этого мнимого клина, а тем самым и ширину полосы, которая
устанавливается наблюдателем в зависимости от необходимости
получить ту или иную цену деления шкалы. При наблюдении в бе¬
лом свете (без светофильтра) интерференционная картина пред¬
ставляет собой черную ахроматическую полосу, соответствующую
нулевой разности хода интерферирующих пучков, по обе стороны
которой расположено несколько цветных полос убывающей интен¬
сивности (см. фиг. 2. 16,6). При включенном светофильтре все поле
зрения заполнено полосами одинаковой интенсивности (черными
и светлыми). При перемещении зеркала 6 интерференционная кар-
77
78
Рис. 2. 16. Контактный интерферометр ИКПВ:
а—оптическая схема, б—вид поля зрения,
/—источник света, 2—конденсор, 3—щель, За—светофильтр, 4—разделительная
плоскопараллельная пластинка, 5—компенсатор, 6—плоское подвижное зеркало,
7—неподвижное плоское зеркало, 8—объектив, Р—«сетка, 10—окуляр, 11—изме¬
рительный штифт;
в—внешний вид;
/—маховичок для перемещения интерференционной головки по вертикальной
стойке, 2—универсальная стойка, 3—трансформатор, 4—стопорный винт, 5—ми¬
крометрический винт для перемещения измерительного штока по вертикали,
6—термозащитный экран, 7—интерференционная головка
тина будет перемещаться в поле зрения вдоль шкалы. Ахроматиче¬
ская полоса, являясь указателем, переместится по шкале на вели¬
чину, пропорциональную в определенном масштабе перемещению
измерительного стержня.
Перед измерением необходимо установить требуемую цену деле¬
ния. Цена деления шкалы в длинах волн определится отношением
К1п, где К — число полос, поместившихся на участке шкалы в п де¬
лений. Одна полоса соответствует половине длины волны света,
пропускаемого светофильтром, следовательно, если вместо К взять
К у, то цена деления в микронах будет
где К — в микронах.
Для получения определенной цены деления задаются величи¬
ной К и определяют п по формуле
Вертикальный интерферометр ИКПВ (см. рис. 2. 16, в) состоит
из интерференционной головки 7 и универсальной стойки 2. Смен¬
ные столы укрепляются на штоке, ось которого совпадает с осью
измерительного стержня головки. Перемещение штока со столом
в вертикальном направлении осуществляется микрометрическим
винтом 5 и стопорится в требуемо!м положении стопорным
винтом 4. Перемещение всей головки по вертикальному направле¬
нию осуществляется маховичком 1 через зубчатые колесо и рейку
по направляющим типа ласточкина хвоста. Экран 6 служит для
предохранения прибора от температурного влияния наблюдателя.
Основные технические данные интерференционной головки
Цена деления переменная в пределах 0,2—0,05 мк
Увеличение микроскопа 37,5х
Число делений шкалы 100 (±50)
Пределы осевого перемещения измерительного стержня . . 0,5 мм
Предельная погрешность прибора определяется эмпирической
формулой
где п — количество делений, считая от нулевого штриха, ис¬
пользуемых в данном измерении;
79
X — длина волны применяемого света в мк (обычно берут
Х = 0,550 мк);
I—цена деления шкалы в мк, определенная для данного
измерения;
АХ— погрешность измерения длины волны в мк (берется по
аттестату).
2.4. УГЛОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ
Элементы угловых измерений
В последнее время расширилось применение угловых измере*
кий в приборостроении и повысились требования к точности этих
измерений. Это объясняется развитием средств автоматики для
контроля и управления различными процессами, связанное с при¬
менением кодированных дисков и различных датчиков, базирую¬
щихся на использовании весьма точно разделенных кругов и ди¬
сков (так называемой дискретной техники).
Для отсчетов непосредственных угловых измерений применя¬
ются лимбы — круговые шкалы, наносимые на металлические,
пластмассовые или стеклянные диски или барабаны. Цена деления
такой шкалы выражается в определенной угловой мере. Отсчет
производится по указателю, который может представлять собой
индекс, нониус или отсчетную шкалу. Поверхность, на которую
наносят шкалу, может быть плоской, цилиндрической или кони¬
ческой. В точных приборах в последнее время чаще всего стали
З'потребляться стеклянные лимбы, позволяющие использовать
точные оптические отсчетные системы.
При заданной цене деления Iо и диаметре лимба И интервал
деления определится по формуле
где п — число всех делений.
Точность делений во многом зависит от диаметра лимба. Чем
больше диаметр лимба, тем точнее могут быть на нем нанесены
деления. Ширина штриха колеблется от 0,1 мм до 2—3 мк. При
малых интервалах применяют оптическую отсчетную систему —
лупу или микроскоп. Увеличение системы определяется следующим
соотношением:
где с' — видимый интервал деления;
с — фактический интервал деления.
Обычно задаются с' = 1,5-^-2 мм.
80
Если используется лупа, то ее фокусное расстояние определя¬
ется по формуле
В качестве индексов для отсчета по лимбу могут быть приме¬
нены штрихи, нониусы или отсчетные микроскопы. Погрешности
делений и диаметров разделенных кругов могут быть определены
различными способами: например, сличением с эталонным лим¬
бом, измерением различных эталонных аттестованных углов, за¬
данных оптическими призмами и т. д. Наиболее распространенным
методом проверки лимбов является метод многократного измере¬
ния одного и того же угла на разных участках лимба. Часто этот
угол образуется при помощи двух или более пар микроскопов,
установленных по концам двух воображаемых диаметров. Угол
между этими диаметрами и является постоянным углом, о котором
было сказано выше. Микроскопы должны быть жестко закреплены
между собой. Поворотом лимба и отсчитыванием величины по¬
ворота по всем микроскопам вычисляют погрешности нанесения
делений. По результатам вычислений определяют систематические
и случайные погрешности делений лимбов *.
Гониометры
Методы измерения углов. Угловые размеры изделий в машино¬
строении и приборостроении измеряются в основном двумя мето¬
дами: тригонометрическим и гониометрическим. Тригонометричес¬
кие методы являются относительными и заключаются в измерении
линейных величин и вычислении угла по тригонометрическим фор¬
мулам (например, измерение угловых плиток при помощи синус¬
ной линейки).
Гониометрические методы, в свою очередь, могут быть абсо^
лютными и относительными. Абсолютные методы основаны на не¬
посредственном измерении угла при помощи лимбов приборов, на¬
зываемых гониометрами **. Относительные методы основаны на
сравнении угла измеряемого объекта с углом образца по сетке
зрительной трубы или автоколлиматора. Гониометры позволяют
измерять углы двумя способами — коллимационным и автоколли-
мационным. Первый способ применим, если объект измерения
прозрачный (например, оптическая призма), а второй пригоден
* Методы вычислений см. в журнале «Измерительная техника», 1955, № 3.
** От греческого ^ота — угол и те1го — мера.
6 805
81
и в случае непрозрачного объекта, если 1Мсжно получить отражен¬
ное изображение от граней измеряемого угла.
Каждый гониометр состоит из следующих основных частей:
лимба, предметного столика, коллиматора, зрительной (или авто-
коллимационной) трубы и отсчетного устройства. Повороты лим-
Рис. 2. 17. К способам измерения угла:
а— автоколлимационный, б—коллимационный
ба, предметного столика, зрительной трубы и коллиматора произ¬
водятся вокруг одной и той же вертикальной оси. Величина
поворота столика вместе с измеряемым объектом, зрительной
трубы или коллиматора отсчитывается по лимбу при помощи от¬
счетного устройства.
Коллимационный способ измерения по углу отклонения
(рис. 2.17,6) заключается в следующем. Для установки испытуе¬
мого объекта зрительная труба Т наводится на коллиматор К (их
визирные линии устанавливаются параллельно друг другу) и по
лимбу снимается отсчет положения II зрительной трубы. Колли¬
матор закреплен. Затем на столик устанавливается испытуемая
призма. Зрительная труба перемещается в положение /, чтобы
снова совместить центр сетки зрительной трубы с изображением
82
центра сетки коллиматора. Поворот трубы соответствует углу
отклонения б испытуемой призмы. По лимбу снимают отсчет но¬
вого положения зрительной трубы. Разность отсчетов даст угол
отклонения призмы,б».
Поскольку величина угла отклонения б зависит, помимо пока¬
зателя преломления п и преломляющего угла а призмы, еще о г
угла падения I, то при измерении угла отклонения последний дол¬
жен быть обусловлен. Обычно призма становится в положение
минимума отклонения, а иногда входная грань устанавливается
перпендикулярно визирной оси коллиматора.
Практически положение призмы в минимуме отклонения опре¬
деляется следующим образом. Наблюдая в зрительную трубу, по¬
ворачивают столик с призмой до тех пор, пока изображение сетки
коллиматора в поле зрения зрительной трубы не перестанет пере¬
мещаться в одну сторону; после остановки оно начнет перемещать¬
ся в другую сторону. Момент остановки соответствует минималь¬
ному значению угла отклонения бып-
Прелоглляющий угол в этом случае определяется из выражения
причем показатель преломления должен быть известен. При изме¬
рении призм с малыми углами (оптических клиньев) преломля¬
ющий угол определяется по приближенной формуле
Наиболее удобный способ измерения преломляющего угла —
автоколлимационный (см. фиг. 2. 17,а), при котором применяется
только одна автоколлимационная зрительная труба. Вначале ав-
токоллимационное изображение4, полученное в трубе от одной гра¬
ни призмы, совмещают с сеткой трубы (положение /). Затем трубу
переводят в положение II и производят аналогичную наводку.
Разность отсчетов обоих положений труб дает не искомый угол
а, а — угол а, дополняющий искомый до 180°. Угол а определится
из выражения а=180°—а. Другие способы измерения употребля¬
ются реже и здесь не приводятся.
Отечественной промышленностью выпускаются гониометры
типа ГС.
Гониометры типа ГС. Приборы этого типа выпускаются с точ¬
ностью показаний 30", 10" и 5" Соответственно они имеют шифры
ГС-30, ГС-10 и ГС-5.
С помощью этих гониометров производятся:
1) измерения двугранных углов прозрачных и непрозрачных
твердых тел с плоскими полированнными поверхностями;
2) измерение пирамидальности призм;
3) определение показателя преломления по измеренным углам
и дисперсии призм;
6*
83
4) различные лабораторные измерения углов.
Конструкция данного типа гониометра имеет следующие осо¬
бенности.
1. Зрительная труба и гониометр съемные одинаковыми оп¬
тическими характеристиками и одинаковыми посадочными места¬
ми для сменных окуляров, сеток, щелей и т. п. Все это позволяет
при помощи сменных приспособлений превращать любую трубу
в коллиматор, зрительную трубу или автоколлиматор. В трубах
применен механизм внутренней фокусировки.
2. Отсчет производится по двум диаметрально расположенным
участкам лимба, изображения которых проектируются отсчетной
системой в поле зрения одного отсчетного микроскопа. Таким об¬
разом исключается погрешность от эксцентриситета.
3. В отсчетной системе применен оптический микрометр.
Техническая характеристика гониометров
ГС-30 ГС-10 ГС-5
Увеличение трубы с основным окуляром 25х 25х 41х
Световой диаметр объективов труб в мм 40 40 50
Цена деления шкалы микроскопа Г — —
Цена деления оптического микроскопа — 1" 1"
Прибор имеет сменные части: окуляры разного увеличения,
автоколлимационные окуляры типов Аббе, Гаусса и с кубиком,
сетки со шкалой, щель переменной ширины (раздвижную) и на¬
бор точечных диафрагм.
Оптическая схема прибора представлена на рис 2.18, а. Объ¬
ективы 1 зрительной трубы и коллиматора одинаковы. Окуляры
2 сменные; на фигуре показан автоколлимационный окуляр с ку¬
биком. Отсчетная система состоит из двух частей: осветительной
и проекционной; осветительная — состоит из лампочки накалива¬
ния 17 типа МП-13, свет от которой проходит зеленый светофильтр
15 и направляется на лимб 13 прямоугольной призмой 14. Изобра¬
жение освещенного участка лимба проектируется призмами 16, 10
и объективом 12 в плоскость диаметрально противоположного
участка этого же лимба и изображается рядом со штрихами этого
участка, но в перевернутом виде. Затем изображения этих диамет-
Рис. 2. 18. Гониометр ГС-10:
а—оптическая схема, б—поле зрения отсчетного микроскопа,
/—объективы зрительной трубы и коллиматора, 2—сменные окуляры, 3—призма, 4—объ¬
ектив отсчетного микроскопа, 5—окуляр микроскопа, 6, 10, 11 и 16—призмы, 7, З^оптиче-
ский микрометр, 9 и 12—объективы отсчетной системы, 13—*лимб, 14— призма осветительной
системы, 15—светофильтр, /7—лампочка накаливания,
в—общий вид гониометра,
1—зрительная труба, 2—шкала фокусировки зрительной трубы, 3—осветитель сетки зри¬
тельной трубы, 4—автоколлимационный окуляр, 5—ютсчетный микроскоп, 6—колонка зри¬
тельной трубы, 7—шестерня лимба, 8—вертикальная ось, 9—основание гониометра, 10—ко¬
лонка коллиматора, 11—ось наклона коллиматора, 12—узел щели, 13—коллиматор, 14— ма¬
ховичок установки коллиматора на «бесконечность», 15—регулировочный винт наклона
коллиматора (в вертикальной плоскости), 16—регулировочный винт предметного столика,
17—предметный столик, 18—ось столика, 19—алидада гониометра, 20—лимб в оправе,
21—набор шайб для измерения высоты столика
84
85
рально противоположных участков лимба совместно проектируют¬
ся объективом 9 через призмы 11 и 6 и оптические детали опти¬
ческого микрометра-7 и 8 в плоскость диафрагмы последнего.
Клинья 7 ахроматизированы и имеют одинаковые преломляю¬
щие углы, вершины которых взаимно противоположны. Клинья
расположены так, что через один из них проходит обратное изоб¬
ражение первого участка лимба, а через другой — прямое изобра¬
жение второго участка (диаметрально противоположного перво¬
му). Если перемещать клинья вдоль оптической оси, то оба изоб¬
ражения будут перемещаться в противоположных направлениях
перпендикулярно оптической оси. Каждое последующее совмеще¬
ние штрихов обоих изображений делений лимба будет происхо¬
дить при повороте лимба на 10', хотя он разделен на 2'0-м'инутные
интервалы, что объясняется движением обоих изображений в про¬
тивоположные стороны с одинаковой скоростью.
Наглядно это можно себе представить следующим образом:
лимб поворачивается на 10', при этом прямое изображение деле¬
ний пройдет путь, соответствующий десяти минутам дуги; обрат¬
ное изображение пройдет навстречу прямому путь, тоже соответ¬
ствующий десяти минутам. Поэтому каждое деление лимба при
таком отсчете будет иметь дену деления 10'. Шкала микрометра
нанесена на стеклянную пластинку и механически связана с одним
из клиньев. Предел перемещения клиньев 10'; это соответствует
перемещению всей шкалы, имеющей 600 делений. Таким образом
цена одного деления шкалы микрометра равна 1".
Изображение делений лимба и шкала микрометра расположе¬
ны в одной плоскости и рассматриваются через отсчетный микро¬
скоп, состоящий из объектива 4 с призмой 3 и окуляра 5. Каждый
из объективов 12, 9 и 4 состоит из двух отдельных положительных
компонентов. Это сделано для того, чтобы можно было юстиро¬
вать прибор при сборке по двум параметрам: резкости изображе¬
ния в определенной плоскости и величине увеличения.
Вид поля зрения показан на рис. 2.18, б. В большом окне — пря¬
мое и.обратное изображение лимба. Число градусов определяется
по прямому изображению. Число десятков минут определяется по
числу штрихов между оцифрованными делениями — прямыми (на
рисунке 100°) и обратными (280°), различающимися на 180°. Цена
деления 10'. Единицы минут и секунды отсчитываются по шкале
микрометра и риске в малом окне. Полный отсчет на фигуре со¬
ставляет 100°15'57,5". Перед отсчетом, перемещая клинья (а сле¬
довательно, и шкалу микрометра), необходимо совместить изобра¬
жения прямых и обратных штрихов лимба.
Конструкция прибора представлена на фиг. 2. 18, в. Основные
части гониометра: коллиматор 13, зрительная труба 1, основание 9,
осевая система 8 и предметный столик 17. Коллиматор, установ¬
ленный на неподвижной колонке 10, может наклоняться в верти¬
кальной плоскости относительно оси И при помощи регулировоч¬
ного винта /5. Фокусировка производится при помощи маховичка 14.
Положение фокусировочной линзы определяется по шкале, ана¬
логичной шкале 2 в зрительной трубе. На рисунке показаны смен¬
ный узел щели 12, установленный на коллиматоре, и зрительная
труба с установленным автоколлимационным окуляром 4 и освети¬
телем 3. Зрительная труба помещается на колонке 6, укрепленной
на алидаде 19. На этой же колонке крепится отсчетный микроскоп
5. На основании 9 укреплена вертикальная цилиндрическая ось 8,
несущая на себе оправу 20 со стеклянным лимбом и шестерней 7.
На эту же ось надета алидада 19, которая может вращаться вокруг
нее совместно с лимбом или отдельно. Предметный столик 17 по¬
сажен на ось 18. Лимб может вращаться относительно столика при
помощи трибки, сцепленной с шестерней 7. Столик может вращать¬
ся самостоятельно, совместно с лимбом при неподвижной зритель¬
ной трубе и совместно с лимбом и зрительной трубой.
Рабочая поверхность столика может регулироваться относи¬
тельно горизонтальной плоскости двумя винтами 16. Высота столи¬
ка изменяется набором сменных шайб 21. Для проверки правиль¬
ности показаний гониометра служит многогранная стеклянная
призма (полигон) с полированными гранями. К этой призме прила¬
гается аттестат с точными значениями углов между гранями.
2.5. ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ
Общие понятия об автоматических устройствах
Автоматизация технологических процессов внедряется во все
отрасли народного хозяйства и особенно интенсивно в машино¬
строение и приборостроение. Развитие автоматизации непосредст¬
венно связано с разработкой средств автоматического контроля,
без которого осуществление автоматизации невозможно. В про¬
цессе автоматизации решаются три задачи: контроля, управления
и регулирования. Мы остановимся только на задаче контроля (из¬
мерения). Теория автоматических измерений рассматривает вопро¬
сы, связанные с автоматическим сравнением действительных значе¬
ний переменных параметров контролируемого процесса с их задан¬
ным значением. Результаты такого сравнения могут непосредст¬
венно наблюдаться, регистрироваться или передаваться в виде сиг¬
налов на исполнительный механизм.
При разработке автоматического прибора должна быть опреде¬
лена элементная схема, из которой после дальнейшей разработки
вырастает конструктивная схема.
Структурные части автоматического прибора функционально
подразделяются на следующие элементы: чувствительный, задаю¬
щий, сравнивающий (или нуль-орган), преобразующий и исполни¬
тельный.
Чувствительный элемент воспринимает извне измеряемую вели¬
чину и вводит ее в автоматический прибор. Примером чувствитель¬
87
ного элемента может служить измерительный стержень, электри¬
ческий контакт, пучок света, падающий на фотоэлемент и т. д.
Задающий элемент устанавливает величины или законы, опре¬
деляющие параметры управляемого процесса. К задающим эле¬
ментам относятся регулировочные винты или другие устройства,
устанавливающие требуемые размеры или допуска; стабилизато¬
ры, обеспечивающие постоянство отдельных параметров, влияю¬
щих на точность измерения (напряжение, скорость, освещенность
и т. д.). Программные задающие устройства определяют закон из¬
менения управляемого процесса или порядок влияния на него по
времени (кулачки, перфокарты, магнитные ленты и пр.). Следящие
задающие элементы действуют в зависимости от изменения какой-
либо другой величины. Таким образом задающие элементы могут
быть стабилизирующими, программными или следящими.
Сравнивающий элемент оценивает значения измеряемых вели¬
чин, сравнивая их с заданными.
Преобразующие элементы, находясь в различных частях авто¬
матического прибора, приводят сигналы различных элементов
к виду, удобному для дальнейшего использования. Преобразование
может производиться по величине, форме, физическому параметру
и т. д. В связи с этим преобразователи делятся на усилительные,
стабилизирующие, распределительные, вычислительные, физическо¬
го преобразования и т. д. Примером последнего могут служить фо¬
тоэлементы, преобразующие световой лоток в электрический ток
(фототок), или электроконтактные устройства, преобразующие ме¬
ханическое движение в электрический ток. Преобразованный сиг¬
нал поступает на исполнительный элемент, где фиксируется резуль¬
тат измерения. По способу фиксации исполнительный элемент мо¬
жет быть показывающим, регистрирующим или сортирующим. По¬
казывающие элементы имеют отсчетные или сигнализирующие
устройства (циферблат или шкала с указателем, счетчик или сема¬
форный сигнализатор).
Регистрация может производиться на бумажной ленте, свето¬
чувствительном материале или перфокарте. Сортирующее устрой¬
ство распределяет контролируемые объекты на группы, соответст¬
вующие установленным интервалам по величинам измеряемых па¬
раметров.
Исполнительный элемент может и непосредственно воздейство¬
вать на рабочие органы управляемого процесса, сам осуществляя
конечное преобразование сигнала.
Фотоэлектрические датчики размера
Одной из существенных частей автоматического устройства яв¬
ляется датчик, обычно включающий в себя чувствительный, задаю¬
щий и преобразующий элементы. По виду чувствительного элемен¬
та датчики могут быть контактными и бесконтактными; по виду
задающего элемента — одно-, двух- и многопредельные, а по виду
преобразователя — с непосредственным или промежуточным
преобразованием. Контактные датчики осуществляют механиче¬
ский контакт своего чувствительного элемента (например, измери¬
тельного стержня) с измеряемым объектом; бесконтактные — вос¬
принимают измерение размера объекта по изменению величины
зазора (или угла) между объектом и чувствительным элементом.
Однопредельный датчик контролирует величину размера с одной
стороны (например, ограничивает его максимальную величину),
двухпредельный — с двух сторон, а многопредельный — учитывает
несколько групп размеров в пределах поля допуска.
В случае непосредственного преобразования величина измене¬
ния размера вызывает перемещение конструктивного элемента дат¬
чика, преобразующегося в соответствующие параметры электричес¬
кого сигнала. В датчике с промежуточным преобразованием изме¬
рение измеряемой величины преобразуется в промежуточную фи¬
зическую величину (не механическую и не электрическую), напри¬
мер, в давление газа или жидкости, в излучение — тепловое, свето¬
вое или радиоактивное.
К датчикам с промежуточным преобразованием относятся и фо¬
тоэлектрические датчики, в которых преобразуются изменения
измеряемых величин в изменения параметра светового пучка (на¬
правления его, площади его сечения, интенсивности и т. д.).
Фотоэлектрический датчик состоит из следующих основных ча¬
стей:
а) источника света (лампы накаливания, газоразрядной лампы^
и т. д.);
б) оптической системы, формирующей световой пучок и направ¬
ляющей его на измеряемый объект;
в) фотоприемника (фотоэлемента, фотосопротивления и т. п.),
воспринимающего изменение светового потока, которое связано
с изменением измеряемой величины, и преобразующего световун>
энергию в электрическую;
г) вспомогательного устройства (модуляторов, усилителей фо¬
тотоков и др.).
Медленно меняющиеся световые сигналы обычно модулируются
с целью применения усилителей переменного тока, которые обла¬
дают рядом преимуществ перед усилителями постоянного тока.
Наиболее характерной частью фотоэлектрического датчика яв¬
ляется фотоэлемент. По принципу действия фотоэлементы могут'
быть основаны на внешнем фотоэффекте (вакуумные и газонапол¬
ненные), на внутреннем фотоэффекте (фотосопротивления) и на.
вентильном действии (фотоэлементы с запорным слоем — селено¬
вые, серносеребряные и др.). Первые две группы фотоэлементов-
требуют применения усилительных устройств, последняя может
работать без усиления.
Фотоэлектрические датчики используют как проходящий, так_
и отраженный свет. В первом случае пучок света диафрагмируется
экраном (или другим путем), причем величина диафрагмирования
89
должна являться функцией величины измеряемого параметра.
На рис. 2. 19,а показана схема такого датчика,.где 1 источник све¬
та, 2 и 3— объективы, 4—фотоэлемент, 5—диафрагма и 6—изме¬
ряемый объект. При изменении диаметра измеряемого объекта ме¬
няется степень диафрагмирования светового пучка, а следователь¬
но и величина фототока, создаваемого фотоэлементом. Примене¬
ние параллельного пучка света более рационально, чем гомоцент¬
рического (см. рис. 2.19,6), поскольку в первом случае
погрешности от перемещения диафрагмы вдоль оси пучка незначи¬
тельны.
Рис 2. 19. Схемы фотоэлектрических датчиков размера, основанных
на диафрагмировании светового пучка:
—диафрагма установлена в параллельном пучке света, б—диафрагма установлена
в расходящемся пучке,
источник света, 2—проекционный объектив, 3—приемный объектив, 4—фотоэлемент,
5—диафрагма, 6—измеряемый объект
На рис. 2.20 показаны схемы, где диафрагмирование произво¬
дится самим измеряемым объектом. Применение отражения свето¬
вого пучк^ показано на рис. 2.21, где дана схема селективного
контроля шариков. В зависимости от диаметра шарика 1 зеркало 2
поворачивается вокруг точки О и направляет отраженный пучок
света от источника 3 на соответствующий фотоэлемент 4. Если фо¬
тоэлементы соединить через усилители и реле с исполнительным
механизмом, можно сортировать шарики по группам в зависимости
от допусков на диаметры.
Отечественной промышленностью освоен серийный выпуск вы¬
сокочувствительных многопредельных датчиков ДФМ с использо¬
ванием фотосопротивлений ФСК-1. Фотосопротивления этого типа
высокочувствительны, стабильны и позволяют получать сигналы,
мощность которых достаточна для срабатывания высокоомных те¬
лефонных реле без электронных усилителей. Датчики эти имеют
различные интервалы между пределами от 0,0005 до 0,005 мм. Ав¬
томатический контроль может быть дублирован визуальным отсче¬
том. Число рабочих групп доходит до 50. Принципиальная схема
датчика основана на схеме оптикатора, описанного выше. Пучок
света, отраженный от зеркальца, скользит по щелям, расположен¬
ным в районе отсчетной шкалы. За каждой щелью расположено
фотосопротивление, соединенное каждое со своим реле. Реле сра-
90
Рис. 2. 20. Схемы фотоэлектрических датчи¬
ков размера, основанных на диафрагмиро¬
вании светового пучка самим измеряемым
объектом:
а—измерение отверстия, б—измерение вала
Рис. 2.21. Схема фотоэлектрического
датчика размера, основанного на отра¬
жении пучка света:
/—измеряемый объект, 2—подвижное зеркало,
3—источник света, 4—фотоэлементы, О—ось
поворота зеркала
91
батывает при засветке половины фотосопротивления. Сигнал реле
приводит в действие соответствующий орган сортировочного испол¬
нительного механизма.
Высокую точность измерения перемещения могут дать фото¬
электрические датчики с растровой системой, находящие сейчас
применение в высокоточных металлорежущих станках. Принцип
работы такой системы показан
на рис. 2.22. С контролируе¬
мым перемещающимся орга¬
ном станка жестко связана
решетка 3, представляющая
собой стеклянную пластинку,
с нанесенными на ней чере¬
дующимися прозрачными и
непрозрачными полосами рав¬
ной ширины. Число полос до¬
ходит до ста и более на 1 мм.
За этой решеткой находится
другая — неподвижная решет¬
ка 4. Свет от источника света
1 через конденсор 2 направ¬
ляется через обе решетки на
разделительную призму 5, ко¬
торая верхнюю часть пучка
направляет на фотоэлемент 6У
а нижнюю — на фотоэлемент 7. У решетки 4 верхняя часть полос,
через которую идет свет на фотоэлемент 6, сдвинута по отношению
к нижней части, пропускающей свет к фотоэлементу 7, на четверть
шага. Таким образам импульсы обоих фотоэлементов сдвинуты
по фазе на 90°. Это обстоятельство позволяет, помимо счета полос,
определяющих величину перемещения, учитывать направление (по
последовательности сигналов) и скорость перемещения (по частоте
следования импульсов).
Рис. 2.22. Фотоэлектрические дат¬
чики с растровым устройством:
/—источник света. 2—конденсор, 3—по¬
движный растр (решетка), 4—неподвижный
растр (решетка), 5—разделительная приз¬
ма, 6 и 7—фотоприемники
Глава III
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Спектральными называются приборы, предназначенные для ис¬
следования света, испускаемого самыми различными физическими
телами: звездами, раскаленными парами металлов в электрической
дуге или искре, газами при электрическом разряде и т. д. Эти при¬
боры разлагают, рассортировывают свет по длинам волн или же
по частотам колебаний. Такой, расположенный в порядке длин
волн, свет называется спектром.
Спектральные приборы позволяют:
— разложить интересующий нас свет в спектр и зафиксировать
положение отдельных спектральных линий;
— измерить интенсивность того или иного участка спектра, той
или иной спектральной линии.
Таким образом, если большинство оптических приборов пред¬
назначается для исследования размеров, формы или положения
различных физических тел друг относительно Друга, то спектраль¬
ными приборами исследуется самый свет, как сигнал, посылае¬
мый нам материей и свидетельствующий о ее строении.
3. 1. ПОНЯТИЕ О СПЕКТРАЛЬНОМ анализе
Спектральным анализом называют определение хими¬
ческого состава вещества, а также исследование строения его ато¬
мов и молекул по положению и относительной интенсивности спек¬
тральных линий этого вещества.
Различают следующие виды спектрального анализа: эмиссион¬
ный, абсорбционный, комбинационный и люминесцентный.
Эмиссионный анализ — есть анализ вещества по спек¬
тру его излучения. При эмиссионном анализе исследуемое вещество
{пробу) вводят в электрическую дугу или искру, в которой пары
пробы, нагретые до температуры в несколько тысяч градусов, из¬
лучают линейчатый спектр, испускаемый атомами этого вещества.
В атомах электроны не всегда вращаются вокруг атомного ядра
по одной и той же орбите: при определенных условиях они пере¬
скакивают с одной орбиты на другую. А так как полная энергия
электранов на удаленных орбитах больше, чем на ближних, то при
93
переходе электрона с дальней орбиты на более близкую к ядру
происходит излучение света. .Энергия излучения численно равна
разности энергии электрона на обеих орбитах. Чем больше эта
разность, тем выше частота или, что то же самое, тем короче длина
световой волны. Разность энергий е и длина волны % связаны меж¬
ду собой соотношением
где с — скорость света в пустоте;
к — величина, одинаковая для атомов всех веществ, называе¬
мая постоянной Планка.
Рис. 3. 1. Участок спектра железа в ближнем ультрафиолете
Если одинаковый переход электронов происходит одновременно
во многих атомах вещества, то излучаемый этими атомами свет
формируется в приборе в виде одной спектральной линии.
Каждый атом имеет свой набор орбит, на которых могут нахо¬
диться электроны, поэтому каждый атом обладает своим собствен¬
ным линейчатым спектром, одинаковым для всех атомов одного
и того же вещества. Таким образом, каждый химический элемент
обладает своим спектром, что дает возможность по положению ли¬
ний в спектре неизвестного вещества определить, какие атомы вхо¬
дят в состав этого вещества. В качестве примера на рис. 3. 1 пред¬
ставлен участок спектра железа.
Интенсивность спектральных линий пропорциональна числу из¬
лучающих атомов. Это дает возможность по интенсивности ли¬
ний определить процентное содержание отдельных элементов,
входящих в состав исследуемого вещества, используя для сравне¬
ния образцы с известным содержанием этих элементов.
Кроме того, поскольку положение спектральной линии в спект¬
ре (ее длина волны) зависит от разности энергетических уровней
прежней (дальней) и новой (ближней) орбит электрона, то по на¬
бору спектральных линий можно судить об уровнях энергии и внут¬
реннем строении атома.
В том случае, когда исследуемое вещество в обычных лабора¬
торных условиях не излучает, но способно пропускать свет, прибе¬
гают к абсорбционному анализу — исследованию состав?
и строения вещества по его спектру поглощения. Яркий пучок света
от источника со сплошным спектром пропускают через исследуемое
94
вещество. При этом часть световой энергии пучка будет поглощена
электронами, атомами, ионами или молекулами вещества. В резуль¬
тате этого в сплошном спектре произойдут характерные изменения,
появятся темные линии и полосы поглощения. Положение линии
поглощения в спектре такое же, как и линий излучения этого веще¬
ства (если бы они были получены), так как каждый атом погло¬
щает избирательно тот же спектр частот, который способен испус¬
кать сам. Следовательно, по положению, строению и интенсивности
линий поглощения можно узнать состав и строение исследуемого
вещества.
Частичное поглощение света происходит также и при отраже¬
нии его от поверхности различных тел. Анализ света, отраженного*
некоторыми порошками, дает возможность судить об их составе.
Анализ по отраженному свету не получил еще особого названия
и его считают разновидностью абсорбционного спектрального ана¬
лиза.
Взаимодействие светового излучения с материей не ограничи¬
вается явлениями поглощения и отражения. Если атом или молеку¬
ла поглощают только часть падающей на них световой энергии, то
в некоторых случаях наблюдается новое физическое явление. Оно
характеризуется тем, что при рассеянии света происходит измене¬
ние длины световой волны, чего не было при поглощении и отраже¬
нии, когда изменялась только интенсивность света, по-разному для
разных длин волн. По величине изменения длины световой волны
можно судить о составе и строении рассеивающего вещества. Та¬
кой вид спектрального анализа называется комбинационным.
В заключение упомянем еще один вид спектрального анализа —
люминесцентный, основанный на явлении люминесценции,
которое вкратце заключается в следующем. Коротковолновое излу¬
чение, падающее на некоторые вещества, может перевести электро¬
ны на неустойчивые орбиты; попав на эти орбиты, электроны сразу
же возвращаются назад, излучая световую энергию («холодное»
излучение).
Свет, излучаемый при комбинационном рассеянии и при люми¬
несценции, очень слаб и требует для выполнения анализа примене¬
ния приборов большой светосилы.
Наиболее широко распространены эмиссионный и абсорбцион¬
ный виды спектрального анализа; комбинационный и люминесцент¬
ный анализы применяются значительно реже, для решения отдель¬
ных специальных задач.
В первых спектральных приборах спектр наблюдался непосред¬
ственно глазом — на экране, установленном за призмой, разлагаю¬
щей световой пучок в спектр, или с помощью спектроскопа. Такой
метод наблюдения спектра называют «визуальным методом реги¬
страции спектра». Позже появились спектрографы — приборы, по¬
зволяющие снимать спектр на фотопластинку (фотографический
метод регистрации спектра). После открытия фотоэффекта появил¬
ся новый‘Метод регистрации спектра — фотоэлектрический.
95
При визуальном методе интенсивность спектральных линий ис¬
следуемой примеси сравнивают с интенсивностью линии сравнения,
за которую можно принять одну из линий основного вещества, вхо¬
дящего в образец; для этого интенсивности обеих линий выравни¬
вают, устанавливая против одной из них заранее проградуирован¬
ный поглощающий клин. Этот метод анализа является
полуколичественным. Он позволяет определять содержание приме¬
си с точностью до 50%.
При фотографическом методе регистрации спектра интенсив¬
ность исследуемой спектральной линии определяют по величине
вызываемого ею почернения фотопластинки в месте изображения
линии. Плотностью почернения 5 называют величину, численно рав¬
ную логарифму обратной величины светопропускания Т при про¬
свечивании обработанной пластинки светом постороннего источ¬
ника света:
где 1о — интенсивность света, прошедшего через незасвеченный
участок фотопластинки;
I — интенсивность света, прошедшего через почерненный слой
эмульсии фотопластинки.
Опыт показывает, что величина почернения фотоэмульсии под
воздействием монохроматического света пропорциональна лога¬
рифму общего количества лучистой энергии, упавшей на нее при
фотографировании спектра:
где V — коэффициент контрастности фотоэмульсии;
Е — освещенность фотопластинки в месте изображения спект¬
ральной линии, пропорциональная концентрации излучаю¬
щих атомов;
I — время выдержки при фотографировании;
с — величина, постоянная для данной фотопластинки*.
Следует заметить, что соотношение (3. 2) перестает соблюдаться
при очень малых и очень больших значениях Е1 (в области недо¬
держек и передержек). Это соотношение показывает, что почерне¬
ние фотоэмульсии пропорционально логарифму концентрации ис¬
следуемой примеси; следовательно, возможно по образцам с изве¬
стным содержанием примеси (определенным, например, методом
химического анализа) построить на графике прямолинейную зави¬
симость почернения 5 от логарифма концентрации примеси, по ко¬
торой можно определить затем содержание примеси в неизвестном
образце. Точность фотографического метода — до 1%.
* Величина с зависит от контрастности фотопластинки; так, например, для
малоконтрастной пластинки с V = 0,75 она составляет около 0,3, а для контраст¬
ной пластинки ^=2,5) — около 3,0.
(3.1)
(3.2)
96
При фотоэлектрическом методе регистрации спектра в месте
изображения исследуемой спектральной линии устанавливают
щель, выделяющую излучение только этой линии. За щелью уста¬
навливают фотоприемник (фотоэлемент, фотоумножитель или фо¬
тосопротивление). Возникающий в фотоприемнике фототок пропор¬
ционален интенсивности падающего на него света, а следовательно,
пропорционален и концентрации исследуемой примеси: коэффициент
пропорциональности определяется по эталонным образцам. Точ¬
ность этого метода до 3—5%.
Спектральный анализ дает возможность определять не только
процентный состав взятого вещества, но также позволяет решать
задачи, связанные со строением атомов и молекул. Он дает воз¬
можность определить процентное содержание отдельных изотопов
химического элемента, определить положение и характер электрон¬
ных орбит, окружающих атомное ядро, определить вероятность
перехода электронов с одних орбит на другие и решить целый ряд
других задач.
3.2. ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА И ЕГО
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
Каждый спектральный прибор состоит из осветительной систе¬
мы, коллиматора (иногда отсутствует), диспергирующего узла
и приемной части.
В осветительную систему (рис. 3. 2) входят источник света и кон¬
денсоры, проектирующие изображение источника на входную
щель коллиматора или в плоскость диспергирующего узла. При
эмиссионном спектральном анализе источником света служит элек¬
трическая дуга (или искра) между электродами, установленными
в специальном штативе; дуга (искра) питается генератором, кото¬
рый представляет собою отдельный электрический блок и часто
в комплект спектрального прибора не входит. При абсорбционном
анализе источником сплошного спектра в ультрафиолете служит
ртутная лампа, в видимой области — лампа накаливания, в инфра¬
красной ‘области—штифт Нернста или же глобар (стержень из
7 805 97
Рис. 3.2. Общая оптическая схема спект¬
рального прибора:
/—осветительная система, 2—входной коллима¬
тор, <?—диспергирующий узел (призма), 4— прием¬
ная часть (фотокамера или выходной колли¬
матор)
спрессованного карборунда, разогреваемый электрическим током
до температуры около 1200°С).
Конденсорные системы бывают большей частью однолинзовые
и трехлинзовые. При однолинзовом конденсоре изображение источ¬
ника света проектируется на входную щель коллиматора, которая
в силу этого освещается наиболее ярко. Недостаток этого способа
освещения — неравномерность освещенности щели по высоте в том
случае, когда источник света обладает неравномерной яркостью;
этот недостаток препятствует установке на щели калиброванного
нейтрального фильтра, обладающего различным светопропуска-
нием вдоль щели (ступенчатый ослабитель). Поэтому более широ-
Рис. 3. 3. Оптическая схема трехлинзовой конденсорной системы
кое распространение получила трехлинзовая конденсорная система
(рис. 3.3), первая линза которой проектирует изображение источ¬
ника света на вторую, а вторая линза проектирует заполненное све¬
том отверстие первой линзы на входную щель, равномерно ее осве¬
щая. Третья линза, надетая на оправу входной щели, проектирует
изображение второй линзы, а вместе с нею и изображение источ¬
ника света на диспергирующий узел. Последний при этом освещает¬
ся- неравномерно, что несколько снижает качество изображения.
Если третью линзу убрать, то диспергирующий узел будет освещен
более равномерно, но зато увеличатся потери света в приборе.
Коллиматор состоит из входной щели и объектива (см. рис. 3. 2).
Назначение его — превращать расходящийся пучок лучей, прохо¬
дящий через входную щель прибора, в параллельный, направляй
последний на диспергирующий узел. Щель конструктивно оформ¬
ляется в виде небольшого отдельного узла, состоящего из основа¬
ния, двух ножей и микрометренного устройства, позволяющего из¬
менять расстояние между лезвиями этих ножей с точностью' до 1 мк.
Объектив коллиматора должен обладать достаточно хорошим изо¬
бражением. Это условие легче выполнить при помощи зеркальной
оптики. Требования к качеству изображения спектральных прибо¬
ров непрерывно возрастают и, вследствие этого, зеркальная оптика
все более вытесняет линзовую.
Назначение диспергирующего узла (призма или дифракционная
решетка) — разложение в спектр светового пучка, прошедшего че¬
рез коллиматор. Вопрос о выборе диспергирующих элементов бу¬
дет подробно рассмотрен дальше.
Приемная часть прибора определяется методом регистрации
спектра. При визуальной регистрации (наблюдение глазом) она
98
представляет собою зрительную трубу, при фотографической — фо¬
токамеру. При фотоэлектрическом методе регистрации приемная
часть выполняется как коллиматор с одной или несколькими выход¬
ными щелями и установленными за ними фотоэлементами или фо¬
тоумножителями, фототок которых измеряется стрелочным прибо¬
ром или записывается самописцем. Устройство приемной части за¬
висит от назначения прибора и будет рассмотрено при описании
конкретных типов спектральных приборов.
Конструкция спектрального прибора должна быть подчинена
основному требованию — обеспечению хорошего качества изобра¬
жения спектральных линий. Это достигается удобной и точной
юстировкой основных узлов и элементов конструкции и надеж¬
ным их закреплением. Юстировка должна удовлетворять следую¬
щим двум условиям:
— юстировка отдельных элементов должна быть (где это воз¬
можно) независимой, т. е. такой, чтобы при юстировке одного эле¬
мента не нарушалась юстировка другого;
— котировочные перемещения должны быть обеспечены отсче¬
том, хотя бы грубым, чтобы можно было фиксировать положение
каждого элемента конструкции во время юстировки и выбирать наи¬
лучшее положение; чем точнее отсчет, тем точнее и юстировка.
Постоянство положения отдельных элементов прибора друг от¬
носительно друга может нарушаться при вибрациях стен и пола по¬
мещения, где установлен прибор, особенно, когда в здании рабо¬
тают станки. Для предотвращения этого серийные спектральные
приборы, выпускаемые нашей промышленностью, как правило,
снабжаются массивной чугунной станиной (или корпусом), на ко¬
торой монтируются основные оптические узлы. Сверху эти узлы
закрываются чугунным литым кожухом. Приборы с большими га¬
баритами, кроме того, устанавливают на пружинных амортизато¬
рах. Для удобства транспортировки большие приборы делают
разъемными. .
В спектрографах к станине прикрепляется болтами стандартный
массивный рельс специального профиля, на котором устанавлива¬
ются штатив для электродов дуги и линзы конденсорной системы,
закрепленные на рейтерах.
Крепление оптических деталей и узлов прибора должно быть
достаточно надежным, чтобы не вызвать разъюстировки прибора
при его переноске или транспортировке (в тех случаях, когда эти
части при транспортировке не снимаются). Вместе с тем следует
избегать пережатий оптических деталей, вызывающих напряжения
в материале деталей, деформацию оптических поверхностей и ухуд¬
шение вследствие этого качества изображения.
Сменные коллиматоры и камеры конструируются в виде труб,
прикрепленных к станине в обоймах или на кронштейнах. Входная
щель изготовляется в виде отдельного стандартного узла типа
УФ-2 (рис. 3.4), идущего во все спектральные приборы. Точное
перемещение ножей 6 щели обеспечивается совместной работой
99
клиновых выступов 4 и микрометренного винта. Поворот барабан¬
чика 1 вызывает перемещение штыря 2, упирающегося в колодку 3.
Клиновые выступы 4, опираясь на упоры 5, плавно перемещают
ножи щели 6.
Обратное перемещение ножей при закрытии щели осуществляет¬
ся пластинчатыми пружинами 7 и 8 при обратном вращении бара¬
банчика 1. Эти пружины не допускают большого давления ножей
друг на друга при закрывании щели, а приводят их лишь в легкое
соприкосновение.
Узел входной щели должен обладать
плавным перемещением вдоль оптической
оси прибора (с отсчетом), необходимым
для точной фокусировки прибора. В неко¬
торых приборах обеспечивают плавный
поворот входной щели вокруг оптической
оси с целью облегчить согласование на¬
правления щели с направлением прелом¬
ляющего ребра призмы (или с направле¬
нием штрихов дифракционной решетки),
необходимое для получения хорошего ка¬
чества изображения спектральных линий.
Щель обычно снабжается фигурной
диафрагмой для ограничения высоты
спектра.
Рис. 3. 4. Входная щель УФ-2:
а—схема, б—конструкция:
/—барабанчик микрометренного винта, 2—штырь, 3—ко¬
лодка, 4—клиновые выступы, 5—упор, 6—нож щели,
7 и 8—пружины
Правильная установка линзового объектива в коллиматорной
трубе обеспечивается технологией изготовления механических де¬
талей и центрировкой объектива при склейке или сборке. Линзы
обычно крепятся в металлической оправе резьбовым кольцом с на¬
ружной резьбой.
Стеклянные и кварцевые оптические детали не должны подвер¬
гаться непосредственному воздействию крепежных или установоч¬
100
ных винтов. Призмы, как правило, крепятся на столиках планками.
Дифракционные решетки, нарезанные на круглых заготовках,
и круглые зеркала могут быть закреплены плоским пружинным
кольцом (рис. 3.5) или установлены в оправе со спиральной пру¬
жиной (рис. 3.6). Некруглые зеркала и решетки крепятся к опор¬
ным площадкам с помощью лапок; между лапками и оптической
деталью вкладываются эластичные прокладки.
Призмы, дифракционные решетки и зеркала, как правило, тре¬
буют юстировки вокруг всех трех пространственных осей. Там, где
не требуется большой точности или плав
ности поворота, это достигается установкой тре*
крепежных и трех установочных винтов. В приз
менных спектрографах, где весь рабочий диапа
зон спектра фотографируется за одну экспози
цию, призма крепится неподвижно. В приборах
большой дисперсии, где поочередно фотографируется несколько
участков спектра, призма должна обладать рабочим поворотом
вокруг оси, параллельной ее преломляющему углу для выведения
в поле зрения различных участков спектра. В таких приборах
обычно применяется трехпризменная система с призмой Аббе
посередине. Основное достоинство этой призмы — постоянство
угла отклонения (любой проходящий через нее луч отклоняется
ею под углом 90° к первоначальному направлению при повороте
призмы на любой угол), что значительно облегчает конструкцию
узла крепления трехпризменной системы.
Призма Аббе склеивается из двух флинтовых призм с прелом¬
ляющим углом 30° и прямоугольной призмы из стекла К8, от гипо-
тенузной грани которой происходит полное внутреннее отражение
светового пучка. Иногда призма Аббе изготовляется из одного кус¬
ка стекла в виде четырехгранной призмы. Пример крепления трех¬
призменной системы с призмой Аббе показан на рис. 3.7. Движе¬
ние от микрометренного винта 1 передается на столик 2 призмы
Аббе и далее с помощью стальных лент на столики 3 и 4.
В большинстве дифракционных приборов крепление дифракци¬
онной решетки должно обеспечивать поворот ее вокруг оси, парал¬
Рис. 3.5. Крепление
зеркала плоским пру¬
жинным кольцом
Рис. 3.6. Крепле¬
ние зеркала в оп¬
раве со спираль¬
ной пружиной
101
лельной ее штрихам; это необходимо для выведения рабочего диа¬
пазона спектра в поле зрения прибора. Кроме того, должны быть
обеспечены два котировочных поворота решетки: вокруг оптичес¬
кой оси— с целью согласования штрихов решетки с входной щелью
прибора, и вокруг горизонтальной оси, лежащей в плоскости решет¬
ки— для установки спектра в поле зрения по высоте.
Узел крепления дифракционной решетки показан на рис. 3.8.
Решетка в оправе 1 устанавливается в стойке 2. Котировочный по¬
ворот решетки вокруг вертикальной оси осуществляется с помощью
зубчатой пары 3. Установка штрихов решетки параллельно входной
щели производится при помощи винтов 4.
Рис. 3. 7. Крепление трехпризменной системы:
1—микрометренный винт, 2—столик с призмой Аббе, 3 и 4—сто¬
лики с призмами
Кассетная часть призменных спектрографов должна иметь рабо¬
чий поворот вокруг оси, параллельной спектральным линиям, не¬
обходимый при переходе от одноп> участка спектра к другому, когда
изменяется угол падения лучей на фотопластинку. Этот поворот,
составляющий несколько градусов, должен контролироваться от¬
счетом. Для дифракционных приборов, в которых спектр располо¬
жен всегда перпендикулярно оптической оси прибора, нужно иметь
только котировочные повороты кассетной части вокруг трех осей,
часто осуществляемые при помощи прокладок.
Кассетная часть должна обладать котировочным перемещением
(допустимы прокладки) для грубой фокусировки прибора. Кассета
или адаптер для пленки вкладываются в кассетную часть или де¬
лаются вдвижными. Должно быть обеспечено рабочее перемеще¬
ние кассеты (или адаптера) по высоте для фотографирования
спектра на разных участках фотопластинки. Это перемещение мо-
102
Рис 3. 8. Узел крепления дифракционной решетки:
/—оправа решетки, 2—«стойка, 3—зубчатая пара, 4—винты
103
жет производиться по направляющим колонкам маховичком, снаб¬
женным роликовым или шариковым фиксатором, одно положение
которого соответствует перемещению рамки с кассетой на заданное
расстояние (например, 1,5 мм).
Поворот призмы или решетки при смене рабочего' участка спек¬
тра осуществляется с помощью маховичка, соединенного с ходовым
винтом и расположенного для удобства работы у кассетной части;
маховичок в любом положении может быть закреплен винтом.
Различные механизмы, необходимые при работе прибора, при¬
емно-усилительные и другие устройства, трансформаторы, электри¬
ческие блоки и прочее обычно помещают в корпусе прибора, под
его оптической системой. При больших габаритах прибора электри¬
ческие блоки делают отдельными, а сам прибор, когда это возмож¬
но, делают разъемным.
Следует отметить, что обеспечение жесткости конструкции спек¬
трального прибора применением массивного литого корпуса приво¬
дит к тому, что вес прибора (возрастает до нескольких сотен кило¬
граммов (см. ниже табл. 3. 1), что создает трудности при переноске
приборов и при их установке на место. Это утяжеление приборов
не является достаточно оправданным. При изготовлении спектро¬
графа СТЭ-1 была применена более прогрессивная конструкция:
каркасом для оптических узлов служили две стенки, скрепленные
четырьмя тягами, а кожух состоял из тонких металлических ли¬
стов. Это обеспечило необходимую жесткость конструкции при от¬
носительно небольшом весе прибора. Не менее важное значение
имеет переход на конструкции из пластмасс.
3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Если рассматривать только оптическую часть каждого спект¬
рального прибора, то все приборы можно разделить на две боль¬
шие группы: полихроматоры и монохроматоры.
Под полихроматором будем понимать спектральный прибор,
дающий возможность регистрировать некоторый, достаточно широ¬
кий участок спектра; частными случаями полихроматора являются:
— спектроскоп, прибор с визуальной регистрацией спектра (на¬
блюдение спектра глазом, с помощью окуляра);
—■ спектрограф, прибор с фотографической регистрацией спек¬
тра;
— квантометр, прибор с фотоэлектрической регистрацией спек¬
тра.
Под монохроматором понимают прибор, дающий возможность
регистрировать только одну спектральную линию одновременно
или один, достаточно узкий, спектральный интервал; монохрома¬
торы выпускаются в виде самостоятельных спектральных приборов,
а также входят в качестве основного оптического блока в схему
других спектральных приборов (стилоокопы, стилометры, спектро¬
метры, спектрофотометры и т. д.).
104
Конструкция и оптическая схема спектрального прибора опре¬
деляется его назначением.
По своему назначению все спектральные приборы можно разде¬
лить на следующие типы:
1. Спектрографы — служат для фотографирования спектра на
фотопластинке или пленке при эмиссионном спектральном анализе.
2. Монохроматоры — служат для выделения одной какой-либо
спектральной линии или узкого участка спектра излучения.
3. Стилоскопы — служат для визуального, грубо приближенного
(с ошибкой до 50%) определения содержания различных элемен¬
тов в сталях и сплавах по относительной интенсивности линий излу¬
чения этих элементов.
4. Стилометры—служат для определения процентного содер¬
жания различных элементов в стали и сплавах по относительной
интенсивности линий, определяемой по величине возбуждаемого
ими фототока при падении монохроматического светового пучка на
фотоэлемент.
5. Квантометры — служат для эмиссионного количественного
анализа одновременно нескольких элементов, входящих в состав
сталей или сплавов. В отличие от стилометров, вместо монохрома¬
тора в них установлен полихроматор, выделяющий несколько ли¬
ний излучения одновременно; за выходными щелями полихромато-
ра установлен набор фотоэлементов или фотоумножителей.
6. Спектрометры — служат для измерения интенсивностей ли¬
ний излучения или поглощения при непрерывном изменении длины
волны участка спектра, пропускаемого монохроматором. В отличие
от стилометров, фототок в спектрометрах регистрируется самопис¬
цем. Кроме того, на спектрометрах можно также записывать интен¬
сивность линий поглощения, наблюдаемых на фоне сплошного спек¬
тра вспомогательного источника света.
7. Спектрофотометры — служат для абсорбционного количе¬
ственного анализа путем сравнения двух прошедших через моно¬
хроматор пучков, один из которых прошел через исследуемое веще¬
ство, а второй — через эталон.
8. Спектральные интерферометры — служат для анализа ве¬
ществ с очень узкими и очень близко расположенными спектраль¬
ными линиями (так называемая сверхтонкая структура линий).
С их помощью производится также изотопический анализ химичес¬
ких элементов — определение процентного содержания отдельных
изотопов. Интерферометры могут работать только в относительно
узком спектральном интервале и поэтому применяются, как прави¬
ло, только вместе с другими спектральными приборами. К интер¬
ферометрам, служащим для спектрального анализа, относятся:
эшелон Майкельсона, пластинка Люммера—Герке, эталон Фабри—
Перо, сисам и Фурье—спектрометр. Первые два прибора в настоя¬
щее время применяются очень редко и рассматриваться в дальней¬
шем не будут. Общие сведения о них приводятся в любом курсе
оптики или спектроскопии.
105
Отдельную группу приборов составляют вспомогательные при¬
боры, применяющиеся при фотографической регистрации спектра.
К ним относятся:
1. Микрофотометры — служат для определения интенсивностей
спектральных линий по почернению их изображений на фотопла¬
стинке или пленке.
2. Спектропроекюры — служат для рассматривания спектро¬
грамм.
3. Компараторы и измерительные микроскопы — служат для
определения длины волны неизвестной линии излучения по ее поло¬
жению относительно известных линий. Эти приборы подробно рас¬
сматриваются в гл. II данного пособия.
Приборы каждого из упомянутых типов можно в свою очередь
разделить на две—четыре группы по каждой из основных оптичес¬
ких характеристик:
1. По рабочему диапазону спектра: дальний и ближний ультра¬
фиолет (длина волны ^ = 60-^2000 А и 2000-^4000 А соответствен¬
но), видимая область спектра (А, = 4000ч-6500 А), ближняя и даль¬
няя инфракрасные области (Х = 6500ч-10 000 А и 1ч-25 мк соответ¬
ственно).
2. По дисперсии (иногда — по разрешающей силе): приборы ма¬
лой, средней, большой и высокой дисперсии; это подразделение до
некоторой степени условно, поскольку призменные приборы могут
обладать в ультрафиолете высокой дисперсией, а в ближней ин¬
фракрасной области — 'малой.
3. По диспергирующему элементу: призменные, дифракционные
(с дифракционной решеткой) и интерференционные приборы.
Выбор диспергирующего элемента 1в значительной степени опреде¬
ляется заданными двумя предыдущими характеристиками.
4. По светосиле: приборы малой, средней и большой светосилы.
5. По методу регистрации спектра: визуальный, фотографичес¬
кий и фотоэлектрический.
6. По характеру оптики: линзовая и зеркальная.
3.4. РАБОЧИЙ ДИАПАЗОН СПЕКТРА
И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При излучении с длиной волны короче 1800—1900 А воздух яв¬
ляется почти непрозрачным, поэтому приборы для дальнего ультра¬
фиолета делают вакуумными, откачивая воздух из корпуса при¬
бора. Материалом для линз и призм может служить только флю¬
орит или фтористый литий (кварц уже непрозрачен). Металличес¬
кие покрытия в этой области спектра обладают крайне низким
коэффициентом отражения, поэтому дифракционные решетки наре¬
зают не на алюминии, а непосредственно на стекле, используя их
при углах падения и дифракции, близких к 90°; формулы Френеля
показывают, что при таких углах коэффициент отражения неметал¬
лических полированных материалов близок к единице.
106
В ближнем ультрафиолете в качестве прозрачного материала
применяют только кварц. Сейчас изготовляют плавленый кварц,
по прозрачности и однородности почти не уступающий природному
кристаллическому; при расчетах следует иметь в виду, что показа¬
тели преломления их не одинаковы. Для отражающих покрытий
используют алюминий, нанося его на стеклянную подложку испа¬
рением в вакууме.
В видимой и ближней инфракрасной области спектра для про¬
зрачных оптических деталей применяют оптическое стекло; для
призм и флинтовых линз — стекло марок ТФ1 и ТФЗ, реже — ФЗ,
для остальных деталей обычно применяют стекло К8, наиболее
прозрачный и дешевый сорт, хорошо полирующийся и устойчивый
против налетов. Из металлических покрытий наиболее высоким
коэффициентом отражения обладает серебро, нанесенное испаре¬
нием в вакууме или, реже, методом катодного распыления; серебря¬
ные покрытия, полученные химическим путем из раствора, обла¬
дают более низким коэффициентом отражения. Однако серебро
очень легко поддается воздействию газов и влаги, содержащихся
в атмосферном воздухе и снижает коэффициент отражения в тече¬
ние первых же дней. Хороший защитный слой на серебре можно
получить напылением очень тонкого слоя алюминия в вакууме,
в атмосферном воздухе такой слой полностью окисляется,
образуя совершенно прозрачную пленку А1203 толщиной порядка
10—20 А.
Для повышения коэффициента отражения металлических по¬
крытий на них наносят тонкие пленки фтористого магния и серни¬
стого цинка испарением в вакууме, подбирая толщины пленок та¬
ким образом, чтобы лучи, отраженные от их трех границ раздела
(воздух — 2п5, 2п5—М^Р2, М^Р2— металл), были в одной фазе
и, интерферируя, образовали лучи максимальной интенсивности.
Эти интерференционные покрытия механически более прочны и хи¬
мически более устойчивы, чем чисто металлические. Еще более вы¬
сокими качествами обладают интерференционные покрытия из дву¬
окиси кремния и двуокиси титана, полученные химическим путем—
нанесением капель эфирных растворов ортокремниевой и
ортотитановой кислоты на вращающуюся оптическую деталь.
Неудобство такого метода — необходимость последующего прогре¬
ва детали в термостате при температуре не ниже 200° С (а еще
лучше — при 400° С).
Общий недостаток интерференционных покрытий — зависимость
коэффициента отражения от длины волны. В тех случаях, когда
отражающее покрытие используется в узком спектральном диапа¬
зоне, применяют интерференционные зеркала без металлической
подложки, нанося на полированную стеклянную поверхность пооче¬
редно тонкие слои диэлектриков с возможно большим и меньшим
показателями преломления (2п5—М^Р2 или ТЮ2—5Ю2); общее
число слоев должно быть нечетным при оптической толщине каж¬
дого слоя в четверть длины световой волны.
107
При 7—9 слоях можно получить коэффициент отражения 88—
95%.
В дальней инфракрасной области для изготовления призм при¬
меняют: в области 0,75—2,5 мк— стекло Ф1, 2,0—5,5 мк— фтори¬
стый литий, 3,0—15,4 мк— каменную соль, 15—25 мк— бромистый
калий.
Металлические зеркальные покрытия наносят из алюминия, об¬
ладающего в этой области
высоким коэффициентом от¬
ражения. Интерференцион¬
ные покрытия не применя¬
ют вследствие трудностей
нанесения и малой проч¬
ности пленок диэлектриков
при толщине в несколько
микрон.
Зависимость коэффици¬
ента отражения металличе¬
ских покрытий от длины
световой волны представ¬
лена на рис. 3.9. Рабочий
диапазон прибора опреде¬
ляет собой выбор прозрач¬
ных материалов для линз
и призм, выбор отражаю¬
щих покрытий и необходи¬
мость снабжения прибора
аппаратурой для получения
вакуума.
Эмиссионный анализ не¬
применим в дальней инфра¬
красной области спектра из-за малой интенсивности линий излу¬
чения. Что касается линий поглощения, то интенсивность их в твер¬
дых телах и жидкостях нетрудно повысить, увеличивая длину
пути, проходимого световым пучком. Таким образом, рабочий диа¬
пазон спектра определяет не только оптическую схему прибора
и ее отдельные элементы, но иногда задает и тип спектрального
прибора, который следует применить в этом диапазоне.
3.5. ДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
Говоря о дисперсии, следует различать дисперсию материала
и дисперсию прибора. Показатель преломления прозрачных мате¬
риалов зависит от длины волны проходящего светового пучка. Эта
зависимость будет различной для разных материалов и даже для
одного и того же материала в разных участках спектра. Как пра¬
вило, показатель преломления изменяется быстрее в коротковолно¬
вой области спектра. Скорость изменения этого показателя при из¬
108
Рис. 3. 9. Зависимость коэффициента отра¬
жения алюминиевых и серебряных зеркал
от длины световой волны
менении длины волны характеризуют величиной, называемой дис¬
персией материала. Она численно равна Ап/ДА,, где Ап—
изменение показателя преломления материала при изменении дли¬
ны световой волны на величину АХ. Дисперсия прибора яв¬
ляется величиной, характеризующей скорость изменения угла от¬
клонения светового пучка в приборе при изменении длины волны.
Угловой дисперсией прибора (а также диспергирующего элемен¬
та— призмы, дифракционной решетки и т. п.) называют отношение
Аср/ДЯ, где Дф — угол между лучами с длинами волн X и Х-\-А%. Ли¬
нейной дисперсией прибора называют величину АН АХ, где А/ —рас¬
стояние между изображениями спектральных линий с длинами волн
X и Х + АХ в фокальной плоскости прибора. Угловая и линейная
дисперсия прибора связаны соотношением
где I — фокусное расстояние объектива, рисующего спектр.
На практике чаще всего пользуются понятием обратной линей¬
ной дисперсии ДАУД/, выражая ее в А/мм.
Естественно, что чем выше дисперсия прибора, тем больше рас¬
стояние между спектральными линиями, что дает возможность де¬
тальнее изучить спектр. Однако значения одной дисперсии прибора
еще недостаточно для того, чтобы определить — будут ли две со¬
седние линии наблюдаться раздельно. В приборе с нечетким раз¬
мытым изображением линий они представляются в виде одной ли¬
нии, тогда как в другом приборе, с хорошим изображением, они бу¬
дут «разрешены» (видны раздельно), хотя дисперсия этого при¬
бора может быть значительно меньшей.
Необходимо ввести новое понятие — разрешающая спо¬
собность прибора. Под ней понимают отношение УДА,, где
ДА, — расстояние (в длинах волн) между двумя соседними линиями,
которые еще наблюдаются раздельно или, как говорят, «разре¬
шаются»; величину ДА, называют пределом разрешения. Иногда
пользуются термином «линейное разрешение», понимая под этим
максимальное число линий на одном миллиметре, видимых раз¬
дельно. Линейное разрешение пм связано с пределом разрешения
и линейной дисперсией прибора очевидным соотношением
Основные причины ухудшения качества изображения спектраль¬
ных линий, влияющие на величину предела разрешения прибора:
— проявление волновой природы света — дифракция света;
— несовершенство расчета оптической системы прибора и на¬
личие аберраций;
109
— несовершенство изготовления оптических деталей и юстиров¬
ки отдельных узлов и всего прибора в целом.
Рассмотрим подробнее первую причину. Световая волна, встре¬
чая на пути препятствие, огибает его, «дифрагирует» так же, как
это имеет место с волнами на воде. В оптическом приборе препят¬
ствием для световой волны является оправа оптической детали^
стоящей на пути светового пучка. В результате дифракции каждая
светящаяся точка источника света изображается прибором в виде
светлого пятна, окруженного светлыми дифракционными кольца¬
ми. Радиус р первого темного кольца, окружающего центральное
светлое пятно, будет
где Я — длина световой волны;
/—фокусное расстояние объектива, создающего изображе¬
ние точки;
О — диаметр объектива;
А = И : / — относительное отверстие объектива.
Когда расстояние между центрами двух дифракционных пятен
равно р, освещенность их суммируется таким образом, что посре¬
дине между ними образуется провал — освещенность составляет
80% освещенности в центре каждого из дифракционных пятен. При
таком провале два пятна еще видны раздельно, но уже находятся
на пределе разрешения. Таким образом величина р является линей¬
ным пределом разрешения, равным 1/пмв тех случаях, когда «раз¬
решение» определяется только дифракцией.
Соотношения (3.4) и (3. 5) дают возможность установить связь
между разрешающей способностью' А/ДА, и линейной дисперсией
Д/УДА, идеально рассчитанного и изготовленного спектрального при¬
бора:
Соотношение (3.6) связывает между собой основные характе¬
ристики идеального спектрального прибора — его разрешающую
способность, относительное отверстие и линейную дисперсию.
Для реального прибора, обладающего аберрациями и дефекта¬
ми изготовления, имеет место отклонение от этого- соотношения.
Чем больше величина А, тем ниже реальная разрешающая способ¬
ность прибора. Соотношение (3. 6) указывает значение максималь¬
но возможной разрешающей способности (так называемое ее
«теоретическое значение») при заданном относительном отверстии
и линейной дисперсии. Однако это еще не означает, что прибор, не
удовлетворяющий соотношению (3.6), — плохой прибор, не от
каждого прибора требуется получить максимальную разрешающую
способность.
110
Предъявление слишком высоких требований к качеству изобра¬
жения прибора может необоснованно усложнить его оптическую
схему и удорожить прибор. Необходимо учитывать способ регистра¬
ции спектра.
В том случае, когда спектральные линии наблюдаются визуаль¬
но (с помощью микроскопа, лупы, окуляра) к линейной величине
ошибок изображения могут быть предъявлены наиболее высокие
требования; допустимая величина этих ошибок может быть одного
порядка с размерами дифракционного пятна или даже несколько
менее его (порядка 0,001—0,003 мм). При фотографической реги¬
страции следует исходить из размеров зерен фотоэмульсии — ошиб¬
ки не должны превышать 0,01 мм за исключением некоторых осо¬
бых случаев.
Наименее чувствителен фотоэлектрический метод регистрации
спектра. По энергетическим соображениям ширина выходной щели
прибора может достигать несколько десятых долей миллиметра,
такого же порядка могут быть и ошибки изображения.
При определении требований к качеству поверхности оптичес¬
ких деталей и юстировке оптических узлов исходят из того, чтобы
размытие изображения, вызываемое ими, было несколько меньше
допустимых по расчету аберраций. При расчете допусков исходят
из предположения, что суммарная ошибка будет равна корню
квадратному из суммы квадратов отдельных ошибок.
3.6. ВЫБОР ДИСПЕРГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
Основными диспергирующими элементами в спектральных при¬
борах являются призма, дифракционная решетка и эталон Фабри—
Перо. Призма и решетка применяются как по отдельности, так
и вместе — в приборах со скрещенной дисперсией, о которой будет
сказано ниже. Эталон Фабри—Перо, обладающий очень высокой
разрешающей силой, как правило, применяется вместе с решеткой
или призмой. В последнее время вместе с решетками начал приме¬
няться интерферометр Майкельсона.
Известно, что световой пучок, проходя через трехгранную приз¬
му и отклоняясь к ее основанию, разлагается на отдельные цветные
пучки; при этом пучки с меньшей длиной световой волны откло¬
няются сильнее. В основе этого явления лежит зависимость пока¬
зателя преломления материала призмы от длины световой волны,
т. е. существование дисперсии материала.
Световой пучок, падая на призму, преломляется на ее поверх¬
ности по разному для разных длин волн. Уже на первой грани
призмы происходит разложение пучка сложного состава в спектр.
Выходя из призмы, разложенный пучок еще раз отклоняется от
своего пути и еще раз разлагается в спектр.
Призма из любого материала имеет наибольшую дисперсию
в коротковолновой области спектра; в длинноволновой области ее
дисперсия в 20—30 раз меньше; это вызывает необходимость при¬
менения в приборах сменных призм. Призмы больших размеров
111
трудно подобрать с достаточно хорошей оптической однородностью
материала; такие призмы дороги, поэтому их невыгодно устанавли¬
вать в приборах с большим сечением пучка.
Линейная дисперсия призмы и ее разрешающая способность
связаны с дисперсией материала призмы следующими соотноше¬
ниями:
где I — максимальная длина пути светового пучка в призме, когда
пучок полностью освещает переднюю грань призмы вплоть
до ее преломляющего угла; если этого нет, то под I следует
понимать разность длин пути крайних лучей светового пуч¬
ка в призме;
А — относительное отверстие объектива, «рисующего спектр».
Разрешающая способность призмы зависит только от разности
длин путей через нее крайних лучей пучка и дисперсии материала
призмы.
Обычно преломляющий угол призмы выбирают близким к 60°
при симметричном ходе лучей через нее, так как это соответствует
наилучшему соотношению между дисперсией призмы и потерями
на отражение от ее граней (угол 60° близок к углу полной поляри¬
зации Брюстера). Это особенно существенно при установке несколь¬
ких призм подряд, когда хотят получить большую дисперсию.
Линейная дисперсия нескольких призм складывается по сле¬
дующему правилу:
где • • • > ^ —сечение пучка после выхода из 1-й, 2-й,
к-й призм соответственно.
При симметричном ходе лучей через все к одинаковых призм
Число призм ограничивается величиной поглощения света в них,
быстро возрастающей при увеличении значения Ы.
Следует отметить, что в коротковолновой области спектра, где
дисперсия призмы велика, также велико и поглощение. Это обстоя¬
тельство и неравномерность дисперсии призмы по спектру явля¬
ются существенными недостатками призменных приборов, которые
(3.9)
(3.10)
112
в настоящее время все более и более вытесняются дифракцион¬
ными.
Разложение сложного излучения в спектр можно получить так¬
же с помощью дифракционной решетки, состоящей из
большого числа ступенек одинаковой ширины, выдавленных алмаз¬
ным резцом в слое алюминия, нанесенного на стеклянную пластину.
Световой пучок, падающий на эти ступеньки, разбивается на от¬
дельные элементарные пучки, которые, отражаясь от ступенек, ин¬
терферируют между собой, превращая световой пучок сложного
состава во множество
монохроматических (од¬
ноцветных) пучков с раз¬
личными длинами волн.
При этом в приборе с ди¬
фракционной решеткой
монохроматический свет
формируется не в виде
одной спектральной ли¬
нии, как в призменном
приборе, а в виде набора
линий, положение кото¬
рых в спектре опреде¬
ляется основным уравне¬
нием дифракционной ре¬
шетки:
к'к = Ь($\п а + зт |3), (3. 11)
где к— целое число, принимающее значения 0, +1, ±2, ±3,..., на¬
зываемое порядком спектра решетки;
Ъ — расстояние между ребрами соседних ступенек, называемое
постоянной решетки;
а — угол падения лучей на решетку;
(3 — угол отражения лучей от решетки, так называемый «угол
дифракции».
Поскольку углы аи|3 могут находиться как по одну, так и по
Другук) стороны перпендикуляра к поверхности решетки (что со¬
ответствует разным значениям к), необходимо ввести правило зна¬
ков для углов а и |3. Условимся считать угол падения а всегда по¬
ложительным; все углы (3, лежащие по ту же сторону перпендику¬
ляра, что и угол а, будут положительными, лежащие же по другую
сторону — отрицательными. В том случае, когда угол |3 отрицате¬
лен и по абсолютному значению больше угла а, соответствующий
ему порядок спектра к будет также отрицателен (рис. 3. 10).
Различные порядки спектра можно наблюдать и без установки
дифракционной решетки в спектральный прибор. Для этого нужно
решетку осветить электрической лампочкой и отраженный свет на¬
править на какой-нибудь экран (стена, лист бумаги и т. п.). Мы
увидим несколько радужных спектров разной длины, расположен¬
Рис 3. 10. Схема отражения лучей от дифрак¬
ционной решетки
8 805
ИЗ
ных в ряд, посреди которых будет находиться белое пятно, соответ¬
ствующее спектру нулевого порядка: к = 0; это будет при зеркаль¬
ном отражении света от решетки, т. е. при отражении по закону
геометрической оптики а=—р. По обе стороны от белого пятна бу¬
дут находиться спектры, соответствующие положительным и отри¬
цательным значениям к; все они будут обращены синей областью
спектра к белому пятну. Длина спектров пропорциональна номеру
к, и поэтому по мере удаления от нулевого спектра они будут все
более растянутыми, что приведет к их взаимному переналожению,
которое в видимой области будет иметь место, начиная со спектра
третьего порядка.
Из основного уравнения дифракционной решетки (3. 11) можно
получить выражение для ее дисперсии. Для длины волны Я+ДХ
уравнение (3. 11) перепишется в виде
При малых углах Д|3 можно приближенно считать созДр^1
и зтДр=Др (Др — в радианах). Учитывая это и вычитая выраже¬
ние (3.11) из (3. 1Г), получим
Величина соз р изменяется медленно при изменении угла Р; по¬
этому линейную дисперсию решетки в пределах рабочего диапазо¬
на спектра можно считать постоянной. Это относится ко всем при¬
борам, работающим в ближней ультрафиолетовой, видимой и ин¬
фракрасной областях спектра; исключение составляют лишь
приборы, работающие в дальней ультрафиолетовой области, в ко¬
торых решетка устанавливается под большими углами а и р. Та¬
ково основное отличие дисперсии дифракционной решетки от дис¬
персии призмы, которая, как указывалось выше, быстро умень¬
шается при увеличении длины световой волны.
Введем следующие обозначения: N — общее число ступенек
решетки (или, как говорят, ее «число штрихов»); А/0 — число
«штрихов» решетки, приходящееся на 1 мм; Ь — ширина нарезан¬
ной части решетки (поперек ступенек); И — сечение светового пуч¬
ка, отраженного от решетки; постоянная решетки 6, угол дифрак¬
ции р и указанные величины связаны между собою очевидными
соотношениями:
(3.1 Г)
(3.13)
114
отсюда найдем угловую дисперсию решетки
и линейную
Подставляя эти выражения в формулу (3. 13), получим новое вы¬
ражение для линейной дисперсии решетки:
В соответствии с уравнением (3.6), разрешающая способность ди¬
фракционной решетки будет
Соотношение (3. 15) применимо не только к дифракционным ре-
шеткам, но имеет и более общее значение: при интерференции мно¬
гих пучков разрешающая способность прибора равна произведению
числа пучков на порядок интерференции.
Мы нашли выражения для дисперсии и разрешающей силы ре¬
шетки. Остается выяснить условия получения максимальной
интенсивности в изображении спектральной линии.
В решетке, в отличие от призмы, излучение с длиной волны X
распределяется между несколькими порядками спектра. Возникает
вопрос, каким образом в нужном нам порядке спектра сконцент¬
рировать максимум энергии излучения этой длины волны? Теорети¬
ческое рассмотрение этого вопроса показывает, что максимум кон¬
центрации будет при зеркальном отражении падающего излучения
от рабочих поверхностей ступенек решетки, т. е. в том случае, когда
угол отражения светового пучка от поверхности ступеньки будет
равен углу падения на нее. Учитывая введенное нами правило зна¬
ков для углов аи(3 (см. рис. 3. 10), условие зеркального отражения
от ступеньки можно представить в виде
где б — угол между рабочей плоскостью ступеньки и плоскостью,
в которой лежат ребра ступенек, называемый «углом блеска» ре¬
шетки.
Выражение (3. 16) с учетом основного уравнения решетки
(3.11) является условием максимальной концентрации световой
энергии с длиной волны X в нужном нам порядке спектра к. Соот¬
ношения (3.14), (3.15) и (3.16) показывают, что дифракционная
решетка полностью характеризуется числом штрихов на миллиметр
(штр/мм), размерами нарезанной части и углом блеска.
При автоколлимационной установке решетки, когда а = р, усло¬
вие (3.16) примет вид
Основное уравнение решетки при этом можно представить в виде
Полученное выражение позволяет определить наиболее подходя¬
щие значения основных характеристик решетки (ее постоянной Ь
8*
115
и угла блеска б) при соблюдении условия максимальной концент¬
рации энергии.
Выбор N0 штр/мм и б ограничивается технологией изготовления
дифракционных решеток. При увеличении числа N0 рабочая по¬
верхность ступеньки все более отступает от плоскости, все больше
световой энергии уходит в нерабочие порядки спектра. Достаточно
хорошую концентрацию энергии (60—70%) при хорошем качестве
изображения спектральных линий получают с решетками, обла¬
дающими не более 600 штр/мм\ решетки с 1200 штр/мм получаются
значительно худшего качества. Максимальное число штрихов на
миллиметр, которое удается получить,— 2400; при этом ширина
деформированной ступеньки составляет всего 0,4 микрона.
Повышения дисперсии можно достичь увеличением угла блеска
б (при соответственном увеличении номера рабочего порядка к).
Это ограничивается усилением ложных спектральных линий, назы¬
ваемых «духами Роуланда», интенсивность которых возрастает
пропорционально квадрату порядка к спектра; причиной появления
этих «духов» является периодическая ошибка в расстоянии между
ступеньками решетки, возникающая при вращении винта, переме¬
щающего алмазный резец при нарезании решетки. В серийных ре¬
шетках угол б обычно не превышает 25—30°, в уникальных — до¬
стигает 60—65°.
Основной недостаток дифракционных решеток — переналожение
спектральных линий различных порядков к. Из уравнения решетки
(3. И) видно, что две спектральные линии Х\ и К2 будут наблюдать¬
ся под одним и тем же углом дифракции (3 в том случае, если имеет
место условие переналожения спектральных линий
Для устранения мешающей линии вводят .светофильтры. Одна¬
ко это не всегда удается. В спектрографе ДФС-13 интенсивная
линия железа с длиной волны 3100 А спектра второго порядка по¬
является на снимках длинноволновой области спектра первого
порядка.
Радикальным средством разделения порядков является приме¬
нение скрещенной дисперсии. К дифракционной решетке,
разлагающей излучение в спектр в горизонтальном направлении,
добавляют второй диспергирующий элемент, например призму, раз¬
лагающую это же излучение в спектр в вертикальном направлении.
Этот способ разделения порядков поясняется на рис. 3.11. Внизу
графика показан одномерный обычный спектр с неразделенными
порядками: ?ц = 4000 А в первом порядке налагается на Х2 = 2000 А
во втором; ^' = 6000 А в первом порядке налагается на %'2 =3000А
во втором и на 7^=2000 А в третьем порядке и т. д. При введении
призмы спектр становится двухмерным (верхняя часть рисунка);
налагающиеся линии разных длин волн разделяются теперь по
вертикали и вместо одной строчки спектра получается уже несколь¬
116
ко строчек, расположенных под разными углами наклона; каждой
строчке будет соответствовать свой порядок спектра.
Призму можно установить перед решеткой внутри прибора.
В этом случае размеры призмы и решетки должны быть одного по¬
рядка, что нежелательно, когда решетка имеет большие размеры.
При внешней установке призмы ее размеры могут быть не-
Рис. 3.11. Схема разделения порядков спектра дифракционной
решетки
большими; в этом случае спектр небольшого призменного спектро¬
графа («разделителя порядков» — огдег зог!ег) проектируется на
входную щель дифракционного прибора, которая должна для этого
иметь большую высоту, что иногда очень нежелательно. Кроме
того, добавление второго спектрографа, связанное со значитель¬
ным увеличением общего числа оптических деталей прибора, при¬
водит к большим потерям света в приборе. Где лучше установить
призму — выясняется при рассмотрении технических требований
к прибору.
Эталон Фабри—Перо состоит из двух кварцевых или стеклян¬
ных пластин, на рабочие поверхности которых нанесены полупро¬
зрачные зеркальные покрытия. При сборке и юстировке эталона
рабочие поверхности устанавливаются параллельной друг другу
с точностью до 0,01—0,02 длины световой волны. Каждый из лучей
монохроматического пучка, вошедший в эталон, расщепляется
в нем, многократно отражаясь, на бесконечное число параллельных
117
лучей (рис. 3.12), которые, интерферируя друг с другом, создают
картину резких интерференционных концентрических колец
(рис. 3. 13), когда разность хода А двух соседних лучей будет рав¬
на целому числу длин волн:
д = 2/ со§ у =
где Ь — расстояние между зеркальными пластинами («толщина»
эталона);
— угол падения лучей на пластины.
Отсюда порядок интерференции
#= ---С08у . (3.20)
X
Из этого выражения видно, что
эталон Фабри — Перо работает
Рис. 3. 12. Схема хода лучей в эта¬
лоне Фабри—Перо
Рис. 3. 13. Картина
интерференционных
колец эталона
Фабри — Перо
Величину Д'Я называют «постоянной» эталона Фабри—Перо. Она
представляет собой спектральный интервал, в пределах которого
переналожение колец соседних порядков еще не имеет места.
Разрешающая способность эталона зависит от положения диа¬
фрагмы, ограничивающей световой пучок, проходящий через эта¬
лон. Роль такой диафрагмы может играть оправа эталона или ка¬
кой-либо другой оптической детали.
Рассмотрим случай, когда диафрагма диаметром Во ограничи¬
вает выходящие из эталона световые пучки. Расстояние между со¬
седними лучами в плоскости диафрагмы будет
2^ ^ <р,
118
в высоких порядках интерференции. Условие переналожения колец
соседних порядков с длинами волн X и ^ + Д'Х:
(3. 25)
Рассмотрим другую установку диафрагмы — перед эталоном.
Такая установка диафрагмы никак не влияет на число интерфери¬
рующих лучей Ы, потому что они образуются в результате много¬
кратных отражений уже после прохождения через диафрагму.
В этом случае число N теоретически бесконечно велико, однако ин¬
тенсивность лучей вследствие потерь энергии при отражении по¬
степенно падает до нуля. Выражения (3. 24) и (3. 25) для диспер¬
сии эталона остаются в силе, но вместо числа Ы, определяемого
формулой (3.22), нужно ввести число «эффективных» лучей оди¬
наковой интенсивности действие которых в отношении раз¬
решающей способности будет такое же, как и действие бесконеч¬
ного числа лучей бесконечно убывающей интенсивности. Очевид¬
но, что число Nзфф будет тем больше, чем ближе коэффициент
отражения зеркальных покрытий Я к единице, т. е. чем меньше ве¬
личина 1—Я. Расчеты показывают, что приблизительное значение
числа «эффективных» лучей
Подставляя выражения (3.20) и (3.26) в формулу (3.15) и по¬
лагая соз ф^Л, получим приближенное значение разрешающей спо¬
собности эталона
119
а общее число интерферирующих лучей
Отсюда по формуле (3. 15) разрешающая способность эталона
будет
при условии примерно одинаковой интенсивности интерферирую¬
щих лучей. Выразим разрешающую силу через сечение О выходя¬
щего из диафрагмы пучка; так как Б=Оо созф, то
Отсюда по формуле (3.6) линейная дисперсия эталона будет
а угловая дисперсия
Это выражение справедливо только при малых углах падения, ког¬
да число «эффективных» лучей Nафф будет значительно меньше
действительного числа лучей N убывающей интенсивности, пропу¬
щенных задней оправой эталона.
Для разделения порядков в эталоне Фабри—Перо применяют
скрещенную дисперсию; при этом достоинства и недостатки внут¬
ренней и внешней установок эталона во вспомогательном спектро¬
графе такие же, как и при скрещивании призмы с дифракционной
решеткой.
Светосилой спектрального прибора называют
квадрат относительного отверстия объектива фотокамеры или вы¬
ходного коллиматора. Однако этой величины недостаточно, чтобы
определить освещенность в фокальной плоскости спектрального
прибора; последняя зависит также и от потерь света при прохож¬
дении пучка через прибор. Введем новый термин — свето про¬
пускание прибора, под которым будем понимать отношение
монохроматических световых потоков—выходящего из прибора
к вошедшему в него; очевидно, светопропускание прибора Гя будет
различным для световых пучков разной длины волны. Величина
Тъ численно равна произведению всех <7 коэффициентов отраже¬
ния /? от зеркал, стоящих на пути светового пучка, и всех к коэф¬
фициентов светопропускания Т прозрачных оптических деталей,
через которые проходит пучок:
О коэффициентах отражения металлических покрытий уже го¬
ворилось ранее. Светопропускание отдельной оптической детали
определяется потерями на отражение на внешних поверхностях де¬
тали и поглощением света материалом детали.
При нормальном падении света на поверхность детали (т. е. пер¬
пендикулярно к ее поверхности) коэффициент отражения д опре¬
деляется формулой Френеля, имеющей в данном случае следующий
вид:
где п—показатель преломления материала детали.
В случае склеенных оптических деталей с показателями пре¬
ломления П\ и п2 формула Френеля примет вид
3.7. СВЕТОПРОПУСКАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО
ПРИБОРА
(3.28)
(3. 29)
(3. 30)
120
Поглощение света материалом детали зависит от длины пути I,
светового пучка внутри детали и от показателя поглощения а ее
материала. С учетом этих величин светопропускание Г каждой
несклеенной оптической детали определится формулой
Произведение а I называют иногда оптической плот¬
ностью детали, а величину 10-ос =р — коэффициентом прозрач¬
ности, который равен единице минус коэффициент светопогло-
щения.
Поскольку освещенность на выходе спектрального прибора про¬
порциональна светосиле (квадрату относительного отверстия) вы¬
ходного объектива, целесообразно под физической светосилой при¬
бора понимать произведение его светосилы на светопропускание
всего прибора Га, определяемое формулой (3.28).
3.8. О ВЫБОРЕ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВЕТОСИЛЫ
ПРИБОРА
Хорошее качество изображения спектральных линий дости¬
гается правильным выбором оптической схемы прибора, обеспечи¬
вающим минимальное значение аберраций. Величина последних
в большей степени зависит от светосилы прибора. Зеркальная
оптика по сравнению с линзовой проще в изготовлении,
ахроматична и позволяет без особых затруднений получить хоро¬
шее качество изображения спектральных линий при плоской фо¬
кальной поверхности, что очень важно при фотографировании
спектра на пластинку. Ввиду этого схемам с зеркальной оптикой
мы уделим здесь особое внимание; схемы с линзовой оптикой будут
рассмотрены только при описании отдельных приборов.
Приборами малой светосилы условно можно назвать такие, у ко¬
торых сферическая аберрация и астигматизм настолько невелики,
что исправлять имеет смысл только кому, причем достаточно ча¬
стичного ее исправления. Такие приборы строятся по 2-образной
схеме, которую иногда называют схемой Эберта—Фасти. Эта схема
представлена на рис. 3. 14 для двух вариантов диспергирующего
узла — призмы и дифракционной решетки. Кома объектива колли¬
матора компенсируется комой объектива камеры (комы «вычита¬
ются»); так как размеры комы пропорциональны углу поля зрения
(о, то полная компенсация имеет место только для одного значения
со; при других же углах поля зрения кома будет исправлена только
частично. По такой схеме построены дифракционные спектрографы
ДФС-13 (модернизированный ДФС-3), ДФС-8 и др.
При работе со спектрофотометрами по энергетическим сообра¬
жениям приходится применять более широкие щели, чем при работе
со спектрографами. Здесь с комой можно не считаться и применять,
121
когда это выгодно, А-образную схему, при которой комы «склады¬
ваются». Так, это имеет место в автоколлимационных схемах, по¬
зволяющих использовать меньшее количество оптических деталей.
На рис. 3. 15 показана А-образная схема без автоколлимации
и с автоколлимацией.
Спектрографы средней светосилы (относительное отверстие
объектива камеры около 1 : 15—Л : 10) требуют исправления комы
и астигматизма по всему полю зрения. В этом случае хорошее каче¬
ство изображения дает схема, представленная на рис. 3. 16. Решет¬
ка 1 (или призма) помещается вблизи центра кривизны сферичес¬
кого зеркала 2 камеры; этим обеспечивается постоянство величины
комы и астигматизма по всему полю зрения, что, в свою очередь,
позволяет полностью исправить каждую из этих аберраций одним
каким-либо приемом: кома исправляется расположением зеркал
коллиматора 3 и камеры 2 по 2-образной схеме, а астигматизм мо¬
жет быть исправлен установкой цилиндрической линзы 4 недалеко
Рис. 3. 14. 2-образная оптическая схема спектро¬
графа:
/—входная щель, 2 и 3—зеркальные объективы коллима¬
тора и камеры, 4—диспергирующий узел, 5—фотопластинка
Рис. 3. 15. Д -образная оптическая схема спектрографа:
1—входная щель, 2 и 3—зеркальные объективы коллиматора
и камеры, 4—диспергирующий узел, 5—'фотопластинка
122
Рис. 3. 16. Оптическая схема спектро¬
графа средней светосилы:
1—дифракционная решетка, 2 и 3—зер¬
кала камеры и коллиматора, 4—цилиндри¬
ческая линза, 5—входная щель, 6—плоское
поворотное зеркало. 7—плоско-выпуклая
полевая линза, 8—фотопластинка
Рис. 3 17. Оптическая схема спектрографа
большой светосилы:
/—дифракционная решетка, 2—зеркальный объек¬
тив камеры, 3—мениск. 4—входная щель, 5—пло¬
ско-выпуклая линза
123
от входной щели 5. Введение поворотного плоского зеркала 6 со¬
кращает длину прибора вдвое. Недостаток этой схемы — необходи¬
мость дополнительного исправления фокальной поверхности, кото¬
рая представляет собой сферу с радиусом, равным фокусному
расстоянию зеркала камеры. Однако кривизна поля хорошо исправ¬
ляется плоско-выпуклой линзой 7, установленной в непосредствен¬
ной близости к фотопластинке 8. По этой схеме построен спектро¬
граф СТЭ-1.
1
Рис. 3. 18. Оптическая схема спектрографа высокой
светосилы СП-48:
1—дифракционная решетка, 2—объектив коллиматора, 3—
входная щель, 4—объектив камеры
В приборах большой светосилы необходимо исправлять все
виды аберраций. Для получения хорошего качества изображения
решетку (призму) 1 следует поместить в самом центре кривизны
зеркала 2 камеры (рис. 3.17). Кома и астигматизм тогда вообще
будут отсутствовать. Сферическую аберрацию можно исправить ме¬
ниском Максутова 3; его размеры будут малы, если установить его
недалеко от входной щели прибора 4. Кривизна поля исправляется
плоско-выпуклой линзой 5.
Для приборов высокой светосилы (относительное отверстие объ¬
ектива камеры порядка 1 : 1,5—1 :0,8) следует применять уже не
сферические, а параболические зеркала или же сложную линзовую
оптику типа оптики фотообъективов или микрообъективов
(рис. 3. 18). Это касается только объектива камеры 4\ объектив кол¬
лиматора 2 может иметь небольшое относительное отверстие и в со¬
ответствии с этим простую оптику. По такой схеме построен спек¬
трограф СП-48 (1:0,8).
3.9. СПЕКТРОГРАФЫ
Один из первых спектрографов, выпущенных серийно в Совет¬
ском Союзе (начало 30-годов),— ИСП-22 получил широкое распро¬
странение в промышленности благодаря своей простоте, дешевизне
и достаточно хорошему качеству изображения. После несуществен¬
124
ных изменений этот прибор получил шифр ИСП-28'. В 1961 году
в прибор было вмонтировано реле времени, автоматически закры¬
вающее затвор на входной щели после заданной экспозиции, для
сокращения габаритов было добавлено плоское зеркало (при со¬
хранении в остальном оптической схемы неизменной) и прибор стал
выпускаться под шифром ИСП-30 (рис. 3. 19). Объектив коллима¬
тора / — сферическое зеркало с / = 703 мм, 1 : 17,6. Объектив каме¬
ры 2 состоит из двух кварцевых менисков с общим фокусным рас¬
стоянием 830 мм при Я = 2573А (объектив камеры неахроматичен)
и с относительным отверстием 1 : 27 при той же длине волны. Квар¬
цевая призма 3 имеет
преломляющий угол 60°,
ее база (длина стороны,
лежащей против прелом¬
ляющего угла) равна
47 мм, а высота — 30 мм.
Линейное увеличение
прибора, равное отноше¬
нию фокусных расстоя¬
ний камеры и коллима¬
тора, меняется от 1,2х до
1,5х вдоль спектра,
вследствие неахроматич-
ности объектива камеры.
Фотопластинка устанав¬
ливается под углом 42°
к оптической оси при¬
бора.
Оптические характе¬
ристики прибора ИСП-30
(ИСП-28), так же как и других спектрографов, выпускаемых оте¬
чественными заводами, приведены в табл. 3. 1.
Трехпризменный стеклянный спектрограф ИСП-51 (рис. 3.20)
является универсальным прибором для видимой и ближней инфра¬
красной областей спектра. Благодаря сменным камерам и коллима¬
торам он может являться прибором малой или большой дисперсии,
малой или большой светосилы; кроме того, специальные приспособ¬
ления дают возможность производить на этом приборе также и аб¬
сорбционный анализ (с этими приспособлениями он носит шифр
ИСП-53). Призмы изготовлены из стекла ТФ1 и имеют одинаковые
преломляющие углы 63° при общей базе призм 210 мм. Средняя
призма является призмой с постоянным углом отклонения (призмой
Аббе). Согласованный поворот всех трех призм обеспечивает уста¬
новку призм в минимуме отклонения (для среднего луча пучка)
при любом положении призм. Призменная система смонтирована
на общем литом столе и закрыта сверху съемным кожухом. Отсчет
установки призм производится по двум шкалам около рукоятки
для поворота призм.
Рис. 3. 19. Оптическая схема спектрографа
ИСП-30:
1 и 2—объективы коллиматора и камеры,
3— призма
125
Основные характеристики наиболее распространенных серийных отечественных спектрографов
126
Коллиматор и камера прибора ИСП-51 легко снимаются. При
необходимости получения высокой дисперсии прибор работает с ка¬
мерами УФ-89 или УФ-90. В первом случае коллиматор прибора
ИСП-51 заменяется специальным коллиматором УФ-61, во втором
случае прибор работает по автоколлимационной схеме.
Большую дисперсию в широком диапазоне спектра удалось по¬
лучить только с помощью дифракционных спектрографов, дающих
практически одинаковую дисперсию во всем рабочем диапазоне.
Наиболее широкое распространение получили спектрографы боль¬
шой дисперсии ДФС-8 и ДФС-13 (бывший ДФС-3), имеющие смен¬
ные дифракционные решетки 600 и 1200 штр/мм. Оба прибора об¬
ладают хорошим качеством изображения. Их оптические схемы
почти одинаковы.
Свет от источника в приборе ДФС-8 (рис. 3.21) проходит освети¬
тельную систему, состоящую из конденсоров 1, 2 и 3, входную щель
4, с помощью поворотного зеркала 5 попадает на сферическое зер¬
Рис. 3.20. Оптическая схема спектрографа
ИСП-51
Рис. 3.21. Оптическая схема спектрографа ДФС-8:
1,2 и 3—линзы осветительной системы, 4—входная щель, 5—поворот¬
ное зеркало, 6—сферическое зеркало, 7—дифракционная решетка,
8—шкала длин волн, 9—лампочка, 10—матовое стекло, //—'проек¬
ционный объектив
127
кало 6 и, отразившись от него,— на дифракционную решетку 7.
Разложенный в спектр пучок возвращается на зеркало 6 и после
отражения от него собирается в плоскости фотопластинки. Шкала
8, нанесенная на стеклянной пластинке, освещается лампочкой 9
через матовое стекло 10 и с помощью проекционного объектива 11
изображается на фотопластинке. Для устранения наложения спек¬
тров высших порядков предусмотрены фильтры БС4, ЖС12
и КС 14. Светофильтр БС4 поглощает ультрафиолетовую область
спектра короче 3000 А, светофильтр ЖС12— часть видимой обла¬
сти спектра короче 5000 А, светофильтр КС14 — область спектра
короче 7000 А.
Рис. 3. 22. Спектрограф ДФС-8
Рассмотрим кратко конструкцию спектрографа ДФС-8
(рис. 3.22), типичную для многих дифракционных спектрографов,
выпускаемых отечественными заводами. Основные узлы прибора
укреплены на массивной литой станине и закрыты сверху кожухом.
Щель спектрографа имеет переменную ширину от 0 до 0,4 мм с це¬
ной деления 0,001 мм и высотой 15 мм. Для дополнительной фоку¬
сировки щель можно перемещать вдоль оптической оси микромет-
ренным барабанчиком, для совмещения направления щели со
штрихами решетки нужно поворачивать щель вокруг оптической
оси с помощью другого барабанчика. Кассета для пластинок
13X18 см крепится на рамке кассетной части с помощью клинового
зажима. Перемещение рамки в вертикальном направлении произ¬
водится по направляющим колонкам маховичком, снабженным ро¬
ликовым фиксатором, одно положение которого соответствует пере¬
мещению рамки с кассетой на 1,5 мм; перемещение рамки отсчиты¬
вается по миллиметровой шкале. Сферическое зеркало в оправе
устанавливается на плато при помощи установочных втулок.
Между зеркалом и дифракционной решеткой помещается узел
шкалы длин волн с подсветкой. Шкала перемещается вдоль при¬
бора (при переходе к новому участку спектра) с помощью винта
и карданного валика, связанного с узлом решетки цилиндрическими
128
шестернями и червячной парой. Для установки в кассетной части
различных областей спектра дифракционная решетка, закреплен¬
ная в оправе и установленная на специальном столе, может повора¬
чиваться вокруг вертикальной оси; угол поворота решетки — от 6°
до 37°. Маховичок механизма, управляющего поворотом решетки
и продольным перемещением шкалы длин волн, для удобства поль¬
зования выведен в сторону кассетной части. Непосредственно за
щелью помещается шторный затвор, включение и выключение ко¬
торого осуществляется специальной рукояткой. Под щелью на рас¬
стоянии 225 мм от оси прибора укреплен рельс стандартного про¬
филя, на котором устанавливается конденсорная система; рельс
может быть расположен параллельно корпусу прибора или перпен¬
дикулярно ему по усмотрению работающего на приборе. Прибор
устанавливается на четырех амортизаторах с целью исключения
влияния вибраций здания на качество изображения спектральных
линий.
Получение высокой дисперсии во всем рабочем диапазоне
спектра связано с необходимостью фотографировать спектр неболь¬
шими участками при нескольких поворотах решетки. Однако неред¬
ко требуется получение спектра высокой дисперсии в большом диа¬
пазоне длин волн за одну экспозицию. Это возможно благодаря
применению дифракционных решеток, работающих сразу в не¬
скольких порядках спектра. Такие решетки называются эшелет-
тами. Разделение порядков осуществляется призмой, разлагаю¬
щей излучение в спектр в направлении, перпендикулярном направ¬
лению дисперсии решетки. В Советском Союзе первый серийный
спектрограф со скрещенной дисперсией получил шифр СТЭ-1 (см.
рис. 3.16). Он работает в диапазоне 2200—9000 А, имеет сменные
решетки — 600 и 1200 штр/мм (для области 2200—4500 и 4500—
9000 А соответственно) и сменные призмы — кварцевую и стеклян¬
ную. Перед решеткой 1 находится не показанная на рисунке призма.
Конструктивной особенностью прибора СТЭ-1 является отсут¬
ствие литого основания, на котором в большинстве серийных при¬
боров монтируются оптические узлы. В приборе СТЭ-1 эти узлы
смонтированы на двух стенках, связанных между собой четырьмя
штангами, которые служат одновременно температурными компен¬
саторами. Такое конструктивное решение позволило значительно
снизить вес прибора (см. табл. 3.1) и уменьшить трудоемкость его
изготовления. Прибор обладает высоким качеством изображения
спектра и позволяет фотографировать весь рабочий диапазон за две
экспозиции; светосила его значительно выше светосилы других
спектрографов той же дисперсии.
В дальнем ультрафиолете применяются дифракционные решет¬
ки, нарезанные на вогнутой сферической поверхности: такие решет¬
ки фокусируют спектр и делают ненужным применение объективов
коллиматора и камеры. Это вызывает большой астигматизм в изо¬
бражении спектральных линий, но зато значительно уменьшает
потери света, очень большие в этой области спектра.
9 805
129
Вогнутые решетки обычно устанавливают по кругу Роуланда,
основное свойство которого заключается в следующем: если вход¬
ную щель и решетку установить по окружности, диаметр которой
равен радиусу кривизны решетки, то спектр будет фокусироваться
также по этой окружности; это свойство сохраняется при любых
углах падения и дифракции. Такая установка решеток применена
в вакуумных спектрографах ДФС-5М, ДФС-6 и СП-99.
Прибор ДФС-5М предназначен для области 500—2000 А. Здёсь
алюминий еще применим и нарезанные на нем решетки при малых
углах падения и дифракции дают достаточно хорошее качество изо¬
бражения спектральных линий на пленке, установленной по кругу
Роуланда. Спектрограф СП-99 работает в области 500—3000 А; при
его проектировании были учтены некоторые конструктивные недо¬
статки спектрографа ДФС-5М.
Коротковолновая граница прибора ДФС-6 достигает 60 А. При
таких длинах волн алюминий обладает слишком низким отраже¬
нием и вогнутую решетку нарезают непосредственно на стекле. Так
как коэффициент отражения стеклянной поверхности увеличивает¬
ся с увеличением угла падения, то решетку устанавливают под уг¬
лом 82°; астигматизм при этом очень велик.
3. 10. МОНОХРОМАТОРЫ
Монохроматоры служат для выделения узкого спектрального
интервала в линейчатом или сплошном спектре. Основные части
монохроматора: входной коллиматор, диспергирующий узел и вы¬
ходной коллиматор.
Для работы с монохроматором очень важно знать величину мо¬
нохроматического светового потока (мощность излучения), выхо¬
дящего из него. Введем новый термин — монохроматическая яр¬
кость 5х, под которым будем понимать световой поток определен¬
ной длины волны, заключенный в спектральном интервале, равном
единице, испускаемый единицей поверхности светящегося тела
в пространство, ограниченное телесным углом, равным единице.
В том случае, когда источником света служит ленточная лампа на¬
кала, которую допустимо считать «черным телом», ее монохрома¬
тическая яркость численно равна монохроматической светимости
черного тела (определяемой формулой Планка), деленной на п.
В соответствии с введенным определением величина монохромати¬
ческого светового потока Фх, излучаемого площадью 50 светящего¬
ся тела в пространство, ограниченное телесным углом Яо, в спект¬
ральном диапазоне 6Х будет
фх = Вх&Х5(А). (3.32)
В том случае, когда поверхность светящегося тела проектирует¬
ся однолинзовым конденсором на входную щель монохроматора,
под 50 следует понимать участок поверхности источника света, изо¬
бражение которого точно совпадает с входной щелью, а под Яо —
130
телесный угол, под которым излучение падает на поверхность кон-
денсорной линзы. Световой пучок выйдет из конденсора в телесном
угле и даст на входной щели изображение площадки 50 светяще¬
гося тела, площадь которого будет равна площади 5! входной
щели. |
Обозначим через а0 и ах—расстояние до конденсора от источ¬
ника света и от входной щели. Поскольку 51 является изображе
нием 50 можно написать
с другой стороны
где — диаметр конденсора,
кроме того
~ г\2
откуда
т. е.
Выражение (3.33) означает, что, сколько бы линз ни стояло на
пути светового пучка, произведение площади изображения на те¬
лесный угол, охватывающий лучи, строящие каждую из точек изо¬
бражения, остается величиной постоянной или, как говорят в по¬
добных случаях, инвариантной. Это дает нам возможность сразу
написать выражение для величины монохроматического свето¬
вого потока, выходящего из монохроматора. Обозначим через Т а—
светопропускание монохроматора; условимся, что монохроматичес¬
кий световой пучок, прошедший через входную щель монохромато¬
ра, не срезается ни выходной щелью, ни оправой какой-либо дру¬
гой детали внутри прибора и что дифракцией света можно прене¬
бречь.
Тогда
где 5 — площадь выходной щели;
& — телесный угол пучка сходящихся лучей выходного колли¬
матора, фокусирующихся на выходной щели.
9*
131
Учитывая, что
где Д / и А — диахметр, фокусное расстояние и относительное от¬
верстие выходного коллиматора;
/гиб/ — высота и ширина выходной щели,
получим окончательно
При определении оптимальных условий работы монохроматора
следует рассмотреть два возможных случая — источник света с ли¬
нейчатым и со сплошным сперстром.
В случае линейчатого спектра выходящий поток будет пропор¬
ционален ширине выходной щели, если изображение входной
щели ее полностью покрывает. Делать входную щель еще шире
не следует, так как это, не повышая величины выходящего потока,
увеличивает количество мешающего света других спектральных
линий, рассеянного оптическими и механическими деталями прибо¬
ра и проходящего через выходную щель.
В случае сплошного спектра величина 6Х = 61 АХ/А1 и произведе¬
ние 6Я6/, входящее в выражение (3.34), будет
Таким образом в случае сплошного спектра:
— при заданной дисперсии монохроматора, выходящий свето¬
вой поток Ф'х пропорционален квадрату ширины щели;
— при заданной дисперсии поток Ф\ пропорционален квадрату
пропускаемого спектрального диапазона;
— при заданном диапазоне 6Х поток ФI пропорционален линей¬
ной дисперсии монохроматора.
Заметим, что повышение величины светового потока Ф’х за счет
увеличения ширины б/ выходной щели часто нежелательно, так как
это вызовет расширение выделяемого спектрального диапазона: че¬
рез выходную щель пройдет излучение, ограниченное длинами волн
Условие равенства ширины изображения входной щели моно¬
хроматора ширине выходной щели должно соблюдаться в случае
сплошного спектра еще строже, чем в случае линейчатого, так как
нарушение его приведет к худшему соотношению между величиной
выделяемого спектрального диапазона и величиной выходящего
светового потока.
(3. 34)
(3.35)
132
Для работающего на монохроматоре очень существенно, чтобы
угол между входным и выходным коллиматорами можно было не
менять при 'изменении длины волны в процессе измерений. Это до¬
стигается соответствующей конструкцией диспергирующего узла.
Так, например, в монохроматоре УМ-2 (рис. 3.23) установлена
призма постоянного угла отклонения (типа Аббе); изменение дли¬
ны волны осуществляется поворотом этой призмы. Дисперсия при¬
бора с двумя сменными призмами из стекол ТФ1 и ТФЗ приводится
в табл. 3. 2.
Рис. 3. 23 Оптическая схема
монохроматора УМ-2
Рис. 3.24. Оптическая схема моно¬
хроматора ИСП-17А
В монохроматоре ИСП-17А (рис. 3.24) для обеспечения посто¬
янного угла отклонения установлено дополнительное зеркало, ко¬
торое жестко связано с призмой и при изменении длины волны по¬
ворачивается вместе с нею. Эта схема называется системой Вад-
сворта.
Таблица 3. 2
Дисперсия монохроматора УМ-2
Л в А
о
Дисперсия в А) мм с призмами из
стекла ТФ1
стекла ТФЗ
4046
' 50
33
4358
71
47
4861
110
80
5461
170
115
7865
510
335
Постоянное отклонение может быть обеспечено также автокол¬
лимацией. Так, например, в монохроматоре спектрофотометра
СФ-4 (табл. 3. 3) установлена кварцевая призма с преломляющим
133
углом 30°, задняя грань которой алюминирована и служит автокол-
лимационным зеркалом. В монохроматорах спектрофотометров
ИКС-12 и ИКС-14 автоколлимационное зеркало поставлено позади
60-градусной призмы. В этих трех приборах изменение длины вол¬
ны осуществляется поворотом автоколлимационного зеркала.
Таблица 3.3
Дисперсия спектрофотометров СФ-4, СФ-5, СФ-10 и спектрометра
ИКС-12
СФ-4
СФ-5
СФ-10
ИКС-12
X в А°
АХ/А/
о
в А/мм
X в А
АХ о
— в А/мм
X в А
АХ
А/
о
в А)мм
X в мк
АХ
— в мк/мм
2 000
7,5
4046
29
4000
16
1,3
0,102
4 000
100
4861
61
5000
40
3,5
0,035
8 000
650
9500
483
6000
78
11,8
0,186
12 000
990
—
—
7500
165
16
0,291
В тех случаях, когда приходится измерять слабые световые по¬
токи на краях рабочего диапазона прибора, большое значение
имеет неразложенный свет, рассеянный внутри призм и на зерка¬
лах прибора. Величина рассеянного света может оказаться в не¬
сколько раз больше величины измеряемого излучения; она особенно
велика в монохроматорах с автоколлимацией. Надежным средст¬
вом устранения рассеянного света является применение двойной
монохроматизации.
Двойной монохроматор состоит из двух последовательно уста¬
новленных монохроматоров, причем выходная щель первого при¬
бора является входной щелью второго; одно из условий оптималь¬
ной работы двойного монохроматора — равенство ширины всех
трех щелей.
Существует два основных типа двойных монохроматоров: со
сложением и с вычитанием дисперсий. В первом случае дисперги¬
рующие узлы монохроматоров расположены таким образом, что
излучение, пропущенное средней щелью, еще раз разлагается
в спектр во втором монохроматоре и выходит из третьей щели при¬
бора с удвоенной дисперсией. Во втором случае диспергирующий
узел второго монохроматора разлагает излучение, прошедшее
среднюю щель, в противоположном направлении, т. е. перемеши¬
вает его; в результате через третью щель прибора выходит свет
того же спектрального состава, что и через среднюю щель, и роль
второго монохроматора сводится только к устранению рассеянного
света. Расчет показывает, что при одной и той же величине спект¬
рального интервала, пропускаемого двойным монохроматором, ве¬
личина светового потока будет вдвое больше в приборе со сложе¬
134
нием дисперсий. Заметим, что прибор с вычитанием дисперсий
имеет свои некоторые конструктивные достоинства.
Двойные монохроматоры входят в конструкции спектрофото¬
метров СФ-8 и СФ-10 (см. ниже). Двойной монохроматор в виде
отдельного прибора выпускается нашей промышленностью под
шифром ДМР-4. Он предназначен для работы в области 2100—
25 ООО А и состоит из двух одинаковых призменных монохроматоров:
призмы сменные — кварцевые и стеклянные. Объективами служат
внеосевые параболические зеркала с фокусным расстоянием 150 мм
и относительным отверстием 1 :9,5. Прибор с кварцевыми призма¬
ми при Я, = 2190 А имеет дисперсию 10 А/мм, со стеклянными
при Я = 3650 А— 16 А/мм; дисперсия быстро убывает при переходе
в длинноволновую область.
3.11. СТИЛОСКОПЫ, СТИЛОМЕТРЫ И КВАНТОМЕТРЫ
Стилоскопы, стилометры и квантометры служат для экспресс-
анализа черных металлов и цветных сплавов.
Стилоскоп предназначен для быстрого визуального качествен¬
ного и полуколичественного анализа всех наиболее употребитель¬
ных сталей и цветных металлов в видимой области спектра. Он при¬
меняется при экспресс-анализах, к точности которых не предъяв¬
ляется высоких требований. Продолжительность анализа одного
образца 2—3 мин.
Анализ с помощью стилоскопа СЛ-11 заключается ов следующем.
Между анализируемым образцом и электродом зажигается элек¬
трическая дуга, излучение которой направляется трехлинзовым
конденсором в щель стилоскопа. Наблюдатель рассматривает
в окуляр прибора спектр анализируемого сплава и о концентрации
искомой примеси судит по отношению интенсивности двух линий:
линии примеси и линии сравнения, за которую принимается линия
основы сплава. В плоскости спектра помещен фотометрический
клин, светопропускание которого изменяется по определенному за¬
кону. Установив анализируемую линию примеси против клина,
а линию сравнения — вне его, уравнивают интенсивности обеих ли¬
ний перемещением клина. Процент пропускания клина отсчиты¬
вается по шкале, расположенной в поле зрения окуляра. Фотомет¬
рический клин позволяет сортировать близкие марки сплавов.
Стилоскоп СЛ-11 работает в диапазоне 3900—7000 А. Прибор
построен по автоколлимационной схеме (рис. 3.25). Свет от вход¬
ной щели 1 проходит поворотную призму 2, объектив 3 и парал¬
лельным пучком падает на призмы 4 и 5; отразившись от алюми-
нированной грани призмы 5, свет проходит в обратном ходе приз¬
мы 5 и 4, объектив 3 и поворотной призмой 6 и зеркалом 7 направ¬
ляется в окуляр 8. Фотометрический клин 9 находится в фокальной
плоскости прибора. Трехлинзовая конденсорная система 10, 11, 12
помещена внутри прибора. Щель 1 постоянной ширины 0,02 мм на¬
несена на стеклянную пластинку, склеенную с конденсором 12. Ма¬
135
ховичок, поворачивающий ЭО-градусную призму, соединен с бара¬
банчиком, на котором нанесена миллиметровая шкала, а также
шкала символов химических элементов; при повороте призмы одно¬
временно происходит перефокусировка объектива.
Фотоэлектрический стилометр ФЭС-1 предназначен для экспрес¬
сного количественного анализа низколегированных сталей и дру¬
гих сплавов. Анализ на ряд элементов производится последова¬
тельно. Процесс измерения автоматизирован с момента включения
генератора до получения отсчета. Время обжига и экспозиции, да¬
ваемое электронным реле, — от 2 до 180 сек.
Рис. 3.25. Оптическая схема стилоскопа СЛ-11:
1— входная щель, 2—поворотная призма, 3—объектив,
4 и 5—диспергирующие призмы, 5—поворотная призма,
7—'зеркало, 8—окуляр, 9—фотометрический клин, 10, 11
и 12—линзы конденсорной системы
Рабочий диапазон прибора: 3900—7000 А. Фокусные расстояния
коллиматоров для Х = 4713А составляет—304,4 мм\ дисперсия для
этой волны 32 А/мм. Фотоэлементы СЦВ-9; предусмотрена возмож¬
ность перехода на сурьмяно-цезиевые фотоумножители ВЭИ. Приз¬
менная система такая же, как у спектографа ИСП-51.
Свет от источника освещает входную щель стилометра, в кото¬
ром имеются два канала: анализирумой линии и неразложенного
света. В первом канале происходит разложение светового пучка
в спектр и выделение спектральной линии. Фотоэлемент, освещен¬
ный светом этой линии, дает фототок, который заряжает накопи¬
тельный конденсатор. Фотоэлемент второго канала освещается не-
разложенным светом, отраженным от поверхности первой призмы;
его фототок при этом заряжает второй накопительный конден¬
сатор.
Напряжения, поочередно поступающие с обоих конденсаторов,
модулируются динамическим конденсатором, звуковая катушка ко¬
торого питается от генератора опорного напряжения, усиливаются
усилителем переменного тока и детектируются. Потенциометр
ЭПВ-01, являющийся выходным прибором, показывает отношение
фототоков фотоэлементов или отношение интенсивностей в обоих
каналах. Пользуясь градуировочным графиком, построенным по
136
эталонам, можно определить концентрацию анализируемого эле¬
мента в сплаве.
Фотоэлектрическая установка (квантометр) ДФС-10 предназна¬
чена для экспрессного количественного анализа металлов и спла¬
вов-. Установка обеспечивает без перестройки определение состава
двенадцати различных типов сплавов, причем в каждом сплаве
можно определить одновременно до двенадцати элементов. Она со¬
стоит из трех основных агрегатов: спектрального прибора, усили-
тельно-регистрирующего устройства ЭПС-125 и генератора с элек¬
тронным управлением ГЭУ-1. Габариты этих агрегатов довольно
велики; они составляют соответственно для спектрального прибора,
ЭПС-125 и ГЭУ-1 —3300X900X1825; 1800X800X2000 и 500Х650><
'Х1000 мм при весе 2400, 500 и 150 кг.
В_ качестве диспергирующего элемента используется вогнутая
дифракционная решетка с радиусом кривизны 1995 мм (относи¬
тельное отверстие—1:30), имеющая 1200 штр/мм и работающая
в первом порядке. Выходные щели имеют высоту 15 мм и шири¬
ну— 0,10, 0,15 и 0,20 мм. Приемниками излучения служат 36 фото¬
элементов Ф-1 с сурьмяно-цезиевым катодом. Процесс анализа ав¬
томатизирован с момента включения генератора и до получения ре¬
зультатов измерений. Продолжительность измерения концентрации
одного элемента (без учета времени обжига и экспозиции) —7 сек.
В основу работы установки ДФС-10, так же как и в приборах
СЛ-11 и ФЭС-1, положен принятый в спектральном анализе метод
внутреннего стандарта, заключающийся в измерении отношения
интенсивности линии анализируемого элемента и линии сравнения.
Световой пучок разлагается в спектр вогнутой дифракционной ре¬
шеткой. Выходные щели, установленные по кругу Роуланда, выде¬
ляют отдельные спектральные линии, которые проектируются зер¬
калами на катоды соответствующих фотоэлементов.
Работа измерительной схемы установки основана на методе
накопления зарядов за время экспозиции на конденсаторах, вклю¬
ченных в анодные цепи фотоэлементов, с последующим измерением
этих зарядов. При этом заряд, полученный от фотоэлемента, осве¬
щенного линией сравнения, сравнивается с зарядами от фотоэле¬
ментов, освещаемых аналитическими линиями. Измерение и срав¬
нение интенсивностей спектральных линий производится поочеред¬
но с помощью электрометра и лампового вольтметра.
Представление о работе измерительной части установки дает
принципиальная блок-схема (рис. 3.26), где для упрощения пока¬
заны только два фотоэлемента. За время экспозиции токи фотоэле¬
ментов заряжают накопительные конденсаторы С{ и С2. По окон¬
чании экспозиции ключом К\ параллельно конденсатору С1 под¬
ключается сопротивление Я, являющееся входньгм сопротивлением
электрометра. Последний состоит из двух основных частей: рео¬
статного усилителя переменного тока с хорошим пропусканием низ¬
ких частот и ограничительного устройства. Усиленный электромет¬
ром /?С-импульс фототока преобразуется ограничительным устрой¬
137
ством в П-образный импульс, поступающий через ключ К2 на один
из вторичных накопительных конденсаторов большой емкости Сср
(сравнения) или Сан (анализируемой линии). Ток заряда этих кон¬
денсаторов поддерживается строго постоянным и, следовательно,
напряжение, до которого зарядится конденсатор, будет зависеть
только от длительности П-образного импульса усиленного фото¬
тока. Первым измеряется заряд конденсатора линии сравнения.
Соответствующий ему П-образный импульс поступает на конденса¬
тор Сср. Затем к входу подключается один из конденсаторов анали¬
зируемой линии и полученный при этом П-образный импульс заря¬
жает конденсатор С ан.
Рис. 3.26. Блок-схема измерительной части квантометра
ДФС-10
Конденсаторы Сср и Сан включены так, что на ламповый вольт¬
метр поступает разность напряжений на этих конденсаторах; в ка¬
честве такого вольтметра используется балансный усилитель посто¬
янного тока с высокоомным входом и стопроцентной отрицательной
обратной связью. Сравнительно низкое выходное сопротивление
лампового вольтметра позволяет использовать в качестве регистри¬
рующего устройства низкоомный самописец ЭПП-09.
Заряд, возникающий за время экспозиции на накопительном
конденсаторе Сь пропорционален яркости спектральной лини.и.
Таким образом, измеряя и сравнивая заряды на накопительных
конденсаторах, измеряют и сравнивают яркости соответствующих
спектральных линий.
В вакуумной области спектра применяется фотоэлектрическая
установка ДФС-31, на которой производится анализ чугуна и стали
на серу, фосфор, углерод и другие элементы. Измерительная схема
в основном такая же, как у ДФС-10. Элементы оптической схемы,
выходные щели и приемные блоки размещены в герметичном кор¬
пусе установки, в основании которой помещается вакуумная систе¬
ма с блоками питания. Фотоприемниками служат торцовые фото¬
умножители с кварцевым окном, питаемые от выпрямителя с элек¬
тронным стабилизатором. Форвакуумный насос РВН-20 создает
разряжение порядка 10_3 мм рт. ст. Электромагнитный клапан и по¬
лупроводниковая ловушка предохраняют прибор от попадания
масла из насоса.
138
Штатив предназначен для работы с плоскими и цилиндричес¬
кими образцами и на время анализа заполняется аргоном, прозрач¬
ным для коротковолнового излучения.
Процесс анализа автоматизирован с момента включения про¬
дувки штатива аргоном до получения результатов анализа. Уста¬
новка работает в диапазоне 150—3300 А. Вогнутая дифракционная
решетка с радиусом кривизны 1000 мм и 1200 штр/мм установлена
по схеме Пашена—Рунге и работает в 1-м порядке; дисперсия —
8,3 А/мм. Одновременно анализируется девять элементов с продол¬
жительностью времени определения концентрации одного элемента
(без учета времени обжига и экспозиции) — 7 сек. Питание от сети
как трехфазного, так и однофазного тока. Габариты и вес: спект¬
рального прибора— 1700X800X1360 мм и 700 кг, электроннореги-
стрирующего устройства — 2100X1000X1750 мм и 850 кг, генера¬
тора— 650X460X1200 мм и 120 кг.
3. 12. СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ И СПЕКТРОМЕТРЫ
Основным методом измерения поглощения света в веществе
в настоящее время является фотометрический метод, обладающий
точностью отсчета до 0,1%. Визуальный и фотографический методы
обладают значительно меньшей точностью (порядка 10%) и при¬
меняются очень редко. Спектрофотометрами называют двухканаль¬
ные (или, как иначе говорят, двухлучевые) приборы, в которых
монохроматические световые потоки, прошедшие через вещество,
сравниваются с такими же потоками, прошедшими через эталон.
Так, например, световой поток, прошедший через раствор, может
сравниваться при той же длине световой волны с потоком, прошед¬
шим через чистый растворитель; отношение этих потоков численно
равно светопропусканию Т растворенного вещества при данной
длине волны, а поглощение растворенного вещества А = 1—Т.
Спектрометрами называют одноканальные (однолучевые) при¬
боры, в которых монохроматические световые потоки сравниваются
с эталонным потоком неразложенного света. Рассмотренный выше
стилометр является частным случаем спектрометра, предназначен¬
ного для эмиссионного анализа; здесь будут вкратце рассмотрены
спектрометры, предназначенные для абсорбционного и комбинаци¬
онного анализов.
Спектрофотометр (и абсорбционный спектрометр) состоит из
источника света со сплошным спектром, монохроматора, кюветной
части, где устанавливаются исследуемый и эталонный образцы,
и приемника световой энергии. Все спектрофотометры (и спектро¬
метры) делятся на два основных типа — нерегистрирующие и реги¬
стрирующие, или автоматические. В приборах первого типа опреде¬
ление поглощения производится «по точкам»: измеряют поочеред¬
но монохроматические световые потоки, прошедшие через исследуе¬
мое вещество и через эталон, изменяют длину волны проходящего
света на некоторую небольшую величину, снова производят изме¬
рение и т. д.; по полученным точкам строят кривую поглощения.
139
В приборах второго типа изменение длины волны и запись отсчетов
производятся автоматически, обычно пером на бумаге. В настоя¬
щее время все более широкое распространение получают скорост¬
ные спектрофотометры и спектрометры — спектровизоры, которые
записывают до 60 спектров в 1 оек\ запись спектров производится
электронным лучом на экране телевизионной лампы. Такие прибо¬
ры позволяют наблюдать на экране изменение спектрального
состава проходящего света в процессе химической реакции. По же¬
ланию спектр на экране может быть сфотографирован.
Рис. 3. 27. Оптическая схема спектрофотометра СФ-4:
/—источник света, 2—эллиптическое конденсорное зеркало, 3—поворотное зеркало,
4—входная щель, 5—защитная пластинка, 6—зеркальный объектив, 7—призма, 8—>вы¬
ходная щель, 9—линза, /0—фильтр, 11—образец, 12—защитная пластинка. 13— фото¬
элемент
Из нерегистрирующих спектрофотометров наиболее широко из¬
вестен кварцевый спектрофотометр с зеркальной оптикой СФ-4,
предназначенный для измерения светопропускания твердых и жид¬
ких веществ в области спектра 2100—11 ООО А. Прибор — однолуче¬
вой. На пути монохроматического светового пучка поочередно
устанавливается измеряемый образец и эталон; отношение прошед¬
ших через них световых потоков определяется по шкале пропуска¬
ния отсчетного потенциометра. Прибор СФ-4 со стеклянной приз¬
мой получил шифр СФ-5.
Прибор СФ-4 работает по автоколлимационной схеме
(рис. 3.27). Изображение источника 1, установленного в фокусе
эллиптического зеркала 2, после поворота светового пучка плоским
зеркалом 3, проектируется на входную щель 4, установленную во
втором фокусе эллиптического зеркала; щель защищена пластин¬
кой 5. Параллельный пучок лучей, отраженный от сферического
зеркала 6 (/=500 мм, 1:10), падает на 30-градусную кварцевую
призму 7, разлагается ею в спектр и, отразившись от ее задней
алюминированной грани, идет назад, фокусируясь зеркалом 6 на
выходной щели 8, расположенной под входной щелью. Пройдя
щель 8, световой пучок попадает в кюветное, отделение, проходит
140
здесь через кварцевую линзу 9, фильтр 10 (поглощающий рассеян¬
ный свет), образец 11, защитную пластинку 12 и попадает на фото-
элемент 13. В приборе используются два сменных фотоэлемента:
сурьмяно-цезиевый (в спектральном интервале 2200—6500 А) и кис¬
лородно-цезиевый (в интервале 6000—11 000А). Дисперсия моно¬
хроматора приведена в табл. 3.3.
Рис. 3. 28. Электрическая схема спектрофотометров СФ-4 и СФ-5
Схема усилителя с отсчетной частью показана на рис. 3.28.
Свет, выходящий из монохроматора, попадает на фотоэлемент ФЭ1
(или ФЭ2). Аноды фотоэлементов соединены между собой; к ним
подвюдится напряжение «+30 в» от батареи БАС-Г-60; катод рабо¬
тающего фотоэлемента присоединяется к сетке первой усилитель¬
ной лампы 2К2М, к ней же присоединяется один конец высокоом¬
ного сопротивления 2,2 Гом. Другой конец сопротивления присо¬
единен к катоду первой лампы через сопротивление 150 ком. Фото¬
141
ток, протекающий по сопротивлению 2,2 Гом, создает на нем паде¬
ние напряжения, пропорциональное величине измеряемого свето¬
вого потока. Измерение на приборе сводится к трем последователь¬
ным установкам стрелки миллиамперметра МЛ на условный нуль:
1. При неосвещенном фотоэлементе стрелка приводится в нуле¬
вое положение потенциометром ТТ (темнового) тока П2.
2. При освещении фотоэлемента по сопротивлению 2,2 Гом по¬
течет фототок и создаст падение напряжения, которое подается на
сетку первой лампы 2К2М усилителя и изменяет ее анодный ток.
В связи с этим изменится и анодный ток второй лампы, на что ука¬
жет отклонение стрелки МА. Когда на пути светового пучка, выхо¬
дящего из монохроматора, установлен эталонный образец, отсчет¬
ный потенциометр ПЗ должен быть установлен по отсчетной шкале
на 100% пропускания, причем стрелка МА должна находиться на
нуле. Это достигается изменением ширины щелей монохроматора
и, более точно, потенциометром чувствительности П1.
3. При замене эталона на измеряемый образец количество све¬
та, падающего на фотоэлемент, уменьшится и стрелка отклонится
вправо; в нулевое положение она приводится отсчетным потенцио¬
метром ПЗ, по которому и снимается отсчет.
Все основные элементы монохроматора прибора СФ-4 помещены
внутри литого чугунного корпуса, закрытого кожухом. Призма
крепится в оправе, ось которой соединена специальным механиз¬
мом со шкалой длин волн, нанесенной по спирали Архимеда. Пово¬
рот призмы осуществляется вращением выведенной наружу руко¬
ятки. Входная и выходная щели конструктивно составляют одно
целое и расположены одна под другой. Для компенсации кривизны
спектральных линий ножи щели изготовлены с радиусом 700 мм;
рабочая высота каждой щели — 13 мм. Раскрытие щелей осуще¬
ствляется в пределах от 0 до 2 мм вращением специальной руко¬
ятки.
В лабораторной практике широко применяется регистрирую¬
щий спектрофотометр СФ-10 (прежний шифр СФ-2М), предназна¬
ченный для измерения коэффициентов пропускания и диффузного
отражения твердых и жидких образцов в видимой области спектра
(4000—7000А). Прибор состоит из осветителя, двойного призмен¬
ного монохроматора, фотометра поляризационного типа, приемно¬
усилительной части и записывающего механизма.
Принцип действия прибора СФ-10, как и СФ-4, основан на ну¬
левом методе и заключается в следующем. Вышедший из монохро¬
матора (рис. 3.29) пучок света делится призмой Рошона 1 на два
плоскополяризованных пучка, один из которых экранизируется диа¬
фрагмой 2, а второй падает на призму Волластона 3 и снова делит¬
ся на два пучка, плоскополяризованных и взаимно перпендикуляр¬
ных. Угол, образованный между плоскостями поляризации призм
Рошона и Волластона, определяет распределение интенсивности
в обоих этих пучках. После призмы 3 пучок поочередно перекры¬
вается модулятором 4, проходит через передние окна интегрирую¬
142
щего шара 5 и падает на задние окна, к которым прижимаются
образец и эталон в случае определения коэффициента отражения
или два эталона в случае определения коэффициента пропускания
(в последнем случае, на пути одного из лучей в кюветном отделе¬
нии перед шаром 5 устанавливается образец). Свет, отраженный
от образца и эталона, после многократных отражений от стенок
шара, освещает фотоэлемент 6, расположенный за окном шара,
закрытым молочным стеклом. При неравенстве световых потоков
от образца и эталона усиленный переменный фототок, поданный
на электродвигатель отработки, поворачивает призму Рошона до
тех пор, пока световые потоки не уравняются. Одновремено с пово¬
ротом призмы происходит перемещение пера по бланку, фиксирую¬
щее светопропускание (или отражение) образца.
Средняя щель прибора СФ-10 имеет несколько необычную кон¬
струкцию. Она представляет собой зазор между плоским зеркалом
7 и поставленным перпендикулярно к нему стальным ножом 8. Вы¬
деление различных участков спектра производится перемещением
средней щели вдоль направления дисперсии первого монохромато¬
ра. В этом приборе дисперсии обоих монохроматоров складываются.
Профили кулачков, управляющих раскрытием всех трех щелей
и перемещением средней щели, рассчитаны так, что в разных участ¬
ках спектра монохроматором выделяется спектральный участок
одной и той же ширины при равномерной дисперсии по длинам
волн.
Объективы монохроматора имеют относительное отверстие 1 :7.
Дисперсия монохроматора дана в табл. 3.3. Продолжительность
Рис. 3.29. Оптическая схема спектрофотометра СФ-10:
1—призма Рошона, 2—диафрагма, 3—призма Волластона, 4—барабанный моду¬
лятор, 5—интегрирующий шар, 5—фотоэлемент, 7—плоское зеркало средней
щели, 8—нож щели
143
записи всего рабочего диапазона на разных скоростях: 3,5; 2,4; 2,0
и 1,5 мин. Вес прибора около 300 кг.
Первый советский регистрирующий спектрофотометр, работаю¬
щий в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, получил
шифр СФ-8. Прибор построен по двухлучевой схеме с двойным мо¬
нохроматором, некоторая необычность которого состоит в том, что
отдельные монохроматоры, составляющие двойной монохроматор,
существенно неодинаковы. Первый монохроматор (призменный)
обладает небольшой дисперсией и предназначен для устранения
рассеянного света и спектров высших порядков второго (дифракци¬
онного) монохроматора, дисперсия которого и определяет диспер¬
сию прибора в целом. Во втором монохроматоре устанавливаются
поочередно две сменные дифракционные решетки с 600 штр/мм,
работающие в 1-м и во 2-м порядках. Рабочий диапазон прибора:
2200—25 000 А. Относительное отверстие 1 : 8. Фокусные расстояния
зеркальных объективов: призменного монохроматора—240 мм,
дифракционного — 600 мм. Дисперсия прибора при Я = 2500А—
около 10 А/мм. Фотоприемники — сурьмяно-цезиевые фотоумножи¬
тели и сернисто-свинцовые фотосопротивления.
Первый спектровизор, выпущенный нашей промышленностью,
получил шифр СПВ-1. В нем применен фазовый метод измерения
отношения интенсивностей двух световых пучков — эталонного
и прошедшего через исследуемый образец. Диск с отверстиями
прерывает оба пучка с частотой 800 гц; угол сдвига по фазе между
обоими пучками составляет 105°. Пройдя монохроматор, оба пучка
попадают на катод фотоумножителя; усиленный фототок подается
на фазовый детектор, к которому подводится опорное напряжение
от генератора, жестко связанного с диском. Выходное напряжение
фазового детектора подводится к вертикально-отклоняющим пла¬
стинам электроннолучевой трубки, на горизонтально-отклоняющие
пластины которой подается напряжение с потенциометра, связан¬
ного с механизмом поворота дифракционной решетки монохромато¬
ра. На экране трубки наблюдаются кривые зависимости отношения
интенсивностей сравниваемых световых потоков от длины волны.
Подключение электронного потенциометра ЭПП-09 превра¬
щает спектровизор в регистрирующий спектрофотометр. В моно¬
хроматоре, построенном на автоколлимационной схеме, исполь¬
зуется реплика дифракционной решетки с 600 штр/мм. Основные
данные прибора: рабочий диапазон 2200—10 000 А, относительное
отверстие 1: 10, фокусное расстояние зеркального параболического
объектива 500 мм, дисперсия 32 к/мм, скорости развертки спектра 40,
75 и 150 А/сек, питание — от сети переменного тока, вес трех состав¬
ных частей прибора 190 кг.
Для получения и автоматической регистрации спектров слабых
свечений в видимой области спектра, в частности спектров комби¬
национного рассеяния сильно рассеивающих веществ, применяется
спектрометр ДФС-12. Оптическая схема прибора построена по
принципу двойного монохроматора со сложением дисперсий.
144
В монохроматоре на одном столике установлены две одинако¬
вые дифракционные решетки, вращающиеся вследствие этого с по¬
стоянной угловой скоростью вокруг общего центра; центральный
луч пучка падает на обе решетки под одним и тем же углом. В том
случае, когда основным требованием к прибору является светоси¬
ла, может быть использована только первая половина монохрома¬
тора. Образец, обладающий комбинационным рассеянием, поме¬
щают в осветительное устройство ИСК-1, которое устанавливают
на рельсе перед входной щелью прибора.
Оптическая схема прибора ДФС-12 представлена на рис. 3.30.
Входная щель 1 расположена в фокальной плоскости зеркального
Рис. 3.30. Оптическая схема спектрометра ДФС-12
/—входная щель, 2—поворотное зеркало, 3—объектив, 4—дифракционная решетка,
5—объектив, средняя щель, 7—откидное поворотное зеркало, 5—'выходная щель,
9—объектив, /0—дифракционная решетка, //—объектив, 12—поворотное зеркало,
13—выходная щель
параболического объектива, который освещается с помощью плос¬
кого поворотного зеркала 2. Объектив 3 направляет параллельный
пучок света на дифракционную решетку 4. Разложенный свет фо¬
кусируется объективом 5 на средней щели 6. При включении откид¬
ного зеркала 7 свет фокусируется на средней выходной щели 8
и прибор работает как ординарный монохроматор. При отсутствии
зеркала 7 свет, пройдя щель 6, направляется объективом 9 на ре¬
шетку 10 и после вторичного разложения в спектр — объективом 11
и поворотным зеркалом 12 на выходную щель 13. Проектирующая
система направляет световой поток на катод фотоумножителя. Для
разделения пучков и уменьшения рассеянного света в монохрома¬
торе предусмотрены диафрагмы.
Основные данные прибора: диапазон работы 3600—6400 А; фо¬
кусное расстояние объективов 800 мм; их относительное отверстие
1 :5,3; дисперсия на выходной щели 5,2А/жж; дифракционные ре¬
щетки с 600 штр/мм работают во 2-м порядке; приемник—фотоум¬
ножитель ФЭУ-17 с сурьмяно-цезиевым катодом; усилитель посто¬
янного тока имеет максимальный коэффициент усиления по току —
106; сигнал регистрируется самопишущим потенциометром ПС 1-02;
габариты спектрометра ДФС-12 и записывающего устройства
10 805
145
ЭПС-157 — 2500X1150X550 мм и 550X410X620 мм соответствен¬
но; их веса— 455 и 55 кг.
Для регистрации спектров поглощения в инфракрасной области
спектра нашей промышленностью выпускаются автоматические
приборы — одноканальные спектрометры ИКС-12 и ИКС-21 и двух¬
канальные спектрофотометры ИКС-14 и ИКС-22.
Прибор ИКС-12 состоит из монохроматора, фотоэлектронно-оп¬
тического усилителя ФЭОУ-18, записывающего устройства ЭПС-152
и агрегата электропитания ЭПС-131. Пучок инфракрасных лучей,
испускаемых глобаром, проходит исследуемый образец и поступает
в монохроматор, построенный по автоколлимационной схеме
(рис. 3.31). Вышедший из монохроматора пучок попадает на при¬
емную площадку термоэлемента. В результате теплового воздей¬
ствия инфракрасных лучей на спае термоэлемента возникает элек¬
тродвижущая сила, которая после усиления вызывает смещение
пера самописца; запись кривой спектрального поглощения иссле¬
дуемого вещества получается на фоне сплошного спектра глобара.
Основные данные прибора ИКС-12: рабочий диапазон 0,75—
25 мк; фокусное расстояние параболического зеркального объекти¬
ва 270 мм; его действующее относительное отверстие 1 :4,5;
чувствительность приемного устройства 2—4 • 10-9 вт/дел; вели¬
чина рассеянного света при использовании матированных зеркал
во всем рабочем диапазоне — не более 4%; время записи спектра —
от 0,10 до 12,5 час; габариты монохроматора, ФЭОУ-18, ЭПС-152
и ЭПС-131—925X592X280 мм; 386X325X220 мм, 565Х525Х
Х493 мм и 565X364X302 мм соответственно; их веса — 95 кг,
17,5 кг, 70 кг и 70 кг. Дисперсия монохроматора приведена
в табл. 3. 3.
В последние годы наша промышленность начала выпускать
вариант прибора ИКС-12 под шифром ИКС-21 с рабочим диапа¬
зоном 2—15 мк. Вместо четырех призм прибор снабжен только
одной призмой из каменной соли и репликой с 200 штр/мм, уста¬
навливаемой на место автоколлимационного зеркала и работающей
вместе с призмой в диапазоне 2,5—6 ж/с; спектры высоких поряд¬
ков реплики срезаются двумя интерференционными фильтрами.
Рис. 3.31. Оптическая схема спектрометра ИКС-12
146
Термоэлемент заменен висмутовым болометром *. Усиленный фото¬
ток регистрируется электронным потенциометром ЭПП-09.
Монохроматор спектрометра ИКС-21, сконструированный
в виде отдельного прибора, выпускается под шифром ИКМ-1.
Автоматический инфракрасный спектрофотометр ИКС-14
(рис. 3. 32) может работать как по двухманальной (или двухлуче¬
вой), так и по одноканальной схеме. Прибор состоит из автокол-
лимационного монохроматора, двухлучевого осветителя, предвари¬
тельного усилителя, усилительного устройства ЭПС-156 и ферро-
резонансного стабилизатора. Радиация от источника света
Рис. 3.32. Спектрофотометр ИКС-14
(силитовый стержень) направляется по двум одинаковым каналам:
в одном помещается кювета с исследуемым веществом, в другом—
кювета сравнения и фотометрический клин, служащий для ослаб¬
ления светового пучка по заданному закону. Радиация от обоих
каналов попадает на модулятор, который поочередно пропускает
лучи обоих каналов.
При наличии поглощения на приемник (висмутовый болометр)
будут попадать пучки лучей различной интенсивности, в резуль¬
тате чего появится переменный сигнал. После усиления этот сиг¬
нал подается на обмотку электродвигателя отработки, который
перемещает фотометрический клин, уменьшая до нуля возникшую
разность интенсивностей пучков. Клин механически связан с пе¬
ром, которое, перемещаясь, отмечает на бумажной ленте пройден¬
ное клином расстояние, пропорциональное поглощению.
При работе прибора по одноканальной схеме используется тот
же нулевой принцип, что и при работе по двухканальной. Разни¬
* Висмутовая ленточка, сопротивление которой увеличивается при нагрева¬
нии инфракрасными лучами, что вызывает изменение напряжения на ней.
10*
147
ца заключается в том, что радиация из канала сравнения попадает
на болометр, минуя монохроматор. Таким образом сигнал из ка¬
нала, где помещается кювета с исследуемым веществом, сравни¬
вается с постоянным по величине неразложенным сигналом.
Основные данные прибора ИКС-14: рабочий диапазон 0,75—
25 мк\ фокусное расстояние параболического зеркала 270 мм\ его
относительное отверстие 1:4—1:5,3; величина рассеянного света
по всему рабочему диапазону при работе с матированными зерка¬
лами— до 5%; время записи спектра — от 4 до 824 мин\ порог
чувствительности приемного устройства 6 * 10-10 вт\ потребляемая
мощность 650 вт\ общий вес всех четырех агрегатов прибора
201 кг. Дисперсия прибора с четырьмя 60-градусными сменными
призмами из стекла Ф1, фтористого лития, каменной соли и бро¬
мистого калия — та же, что у прибора ИКС-12. Как видно из
рис. 3.32, монохроматор и осветитель смонтированы на общем
чугунном основании; их разделяет открытое кюветное отделение.
В новом варианте спектрофотометра ИКС-14, выпускаемом под
шифром ИКС-22, рабочий диапазон уменьшен до 2—15 мк (одна
призма из каменной соли). Время записи рабочей области спект¬
ра— 15 и 120 мин. Общий вес прибора уменьшен до 156 кг.
В приборах, предназначенных для работы в инфракрасной об¬
ласти спектра, наряду с излучением исследуемой длины волны, на¬
чиная с 6 мк, присутствует некоторое количество рассеянного света
более коротких длин волн. Этот паразитный свет возникает вслед¬
ствие рассеяния входящего излучения на оптических и механиче¬
ских деталях и образования вторичных спектров, попадающих
затем на выходную щель. Основную долю в рассеянном свете
составляет излучение с длиной волны 1—3 мк, где лежит макси¬
мум излучения источника. С удалением в длинноволновую область
излучение источника уменьшается, а процент паразитного излу¬
чения возрастает, что может привести к большим ошибкам при
фотометрических работах.
Для устранения рассеянного света в области 7—15 мк в при¬
борах ИКС-12 и ИКС-14 матируют сменные плоские зеркала, об¬
рабатывая их шлифпорошками М10 и М14. Такие зеркала рассеи¬
вают свет малых длин волн и хорошо отражают свет больших
длин волн. Для работы в области спектра % = 7-^12 мк рекомен¬
дуется использовать зеркала, обработанные шлифпорошком М10,
для работы в области 12—15 мк — обработанные шлифпорошком
М14. Для устранения рассеянного света в области 15—25 мк
используется избирательное отражение кристалла фтористого ли¬
тия («остаточные лучи»), из которого изготовляется пластинка,
помещаемая на место одного из плоских зеркал. Если этого ока¬
зывается недостаточно, можно одновременно установить в освети¬
теле зеркало, обработанное шлифпорошком М10.
При работе с матированными зеркалами рассеянный свет во
•всем рабочем диапазоне ^ = 0,75ч-25 мк не превышает 5%. Помут¬
нение поверхностей призм и запыление зеркал приводит к увели¬
448
чению рассеянного света. Следует иметь в виду, что работа
в длинноволновой области спектра без учета и внесения поправок
на рассеянный свет приводит к сильному искажению результатов
количественных измерений.
3.13. ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Эталон Фабри — Перо является основным спектральным прибо¬
ром высокой разрешающей силы, предназначенным для изучения
сверхтонкой структуры спектральных линий при изотопическом
анализе и при исследовании энергетических уровней атомов. На¬
шей промышленностью этот прибор выпускается под двумя шиф¬
рами— ИТ-28 и ИТ-51.
Интерферометр ИТ-28 выпускается как самостоятельный при¬
бор, но может быть также использован вместе со спектрографом
ИСП-28 во внешней установке. В этом случае интерференционная
картина прибора ИТ-28 проектируется на входную щель спектро¬
графа с помощью сменных сферических зеркал с фокусными рас¬
стояниями 150, 250 или 500 мм. Специальная двухлинзовая кон-
денсорная система, устанавливаемая перед прибором ИТ-28,
позволяет получить равномерную освещенность этой интерферен¬
ционной картины; при желании интерференционная картина может
быть спроектирована на входной щели спектрографа ИСП-28 на
фоне изображения источника света (при помощи одной конденсор-
ной линзы). На фотопластинку снимается только узкая средняя
часть интерференционной картины, пропущенная входной щелью
спектрографа.
Прибор ИТ-28 выпускается в двух вариантах:
1. ИТ-28-30 — с набором из 18 промежуточных колец (толщи¬
ной 0,3; 0,6; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 25
и 30 мм) — предназначается для широкого применения в научно-
исследовательских институтах при исследовании сверхтонкой
структуры спектральных линий, испускаемых обычными источни¬
ками света.
2. ИТ-28-150 — с набором из 5 колец (толщиной 40, 50, 75, 100
и 150 мм)—предназначается для специальных исследований
сверхтонкой структуры линий, испускаемых источниками света,
охлаждаемыми жидким воздухом, а также для исследований
сверхтонкой структуры линий, испускаемых атомными пучками.
Оптическая схема интерферометра ИТ-28 (а также и ИТ-51)
крайне проста: два полупрозрачных зеркала, повернутые отражаю¬
щими поверхностями друг к другу, разделенные промежуточным
кольцом (см. рис. 3.12). Коэффициент отражения 7? этих зеркал
вместе с толщиной I промежуточного кольца полностью опреде¬
ляют разрешающую способность интерферометра:
149
Однако при использовании металлических зеркал с увеличением
коэффициента отражения Я уменьшается коэффициент пропуска¬
ния Т (коэффициент поглощения А меняется мало), что ведет
к уменьшению яркости интерференционной картины, определяемой
соотношением
где В — яркость в максимуме интерференционных колец;
В о — яркость поля зрения при отсутствии интерферометра.
Чтобы исключить возможность уменьшения яркости на метал¬
лическую подложку наносят тонкие непоглощающие слои диэлек¬
триков. Расчет показывает, что при этом отношение А/Т не ме¬
няется, хотя величина существенно возрастает. В области 3400—
6000 А в качестве подложки используется слой алюминия с мини¬
мальным значением А]Т, хотя и с невысоким коэффициентом Я.
На этот слой наносится по одной интерференционной пленке дву¬
окиси кремния и двуокиси титана, повышающих коэффициент Я
до необходимой величины. Это дает возможность получить зерка¬
ла с достаточно широким максимумом отражения в диапазоне
3400—6000 А, у которых поглощение света вдвое меньше, чем
у чисто алюминиевых зеркал с тем же отражением.
В области 2000—3600 А применяются обычные алюминиевые
зеркала, так как начиная с 3200 А двуокись титана сильно погло¬
щает свет.
Следует отметить, что, кроме повышения отражения пленки,
двуокиси кремния и двуокиси титана значительно повышают ме¬
ханическую прочность зеркал и их химическую стойкость.
Учитывая все это, к каждому из интерферометров ИТ-28-30 и
ИТ-28-150 прилагается по две пары зеркальных кварцевых пла¬
стин для спектральных участков 2200—3600 А (А1) и 3400—6000 А
(А1+5Ю2 + ТЮ2) с коэффициентами отражения 80—86% и 85—
90% соответственно. Диаметр светового отверстия зеркал 50 мм.
Взаимопараллельность зеркал — до «0,02 полосы», как говорят оп¬
тики (до 0,005 мк).
Интерферометр ИТ-51 предназначен для исследований в обла¬
сти 4000—8000 А и имеет приспособления для совместной работы
со спектрографом ИСП-51. Так же, как и прибор ИТ-28, он вы¬
пускается в двух вариантах: ИТ-51-30 и ИТ-51-150 — с теми же
наборами промежуточных колец. Прибор ИТ-51-30 устанавливает¬
ся внутри спектрографа между коллиматором и призменной систе¬
мой, прибор ИТ-52-150 — во внешней установке.'Для повышения
разрешающей способности и яркости интерференционной картины
на серебряный слой стеклянных зеркальных пластин наносятся
интерференционные слои фтористого магния и сернистого цинка;
коэффициент отражения таких зеркал 85—90%. Диаметр свето¬
(3. 36)
150
вого отверстия зеркал и допуск на взаимопараллельность — те же,
что и у ИТ-28.
Конструкция эталона Фабри — Перо ИТ-17, использованная при
выпуске интерферометров ИТ-28-150 и ИТ-51-150, показана на
рис. 3. 33.
Рис. 3.33. Конструкция эталона Фабри—Перо ИТ-17:
/—корпус, 2—зеркальные пластины, 3—промежуточное
кольцо, 4—дополнительное кольцо, 5—опорное кольцо,
6, 12—винты, 7—разрезная планка, 8—пластинчатая пружина,
9—палец, 10—котировочный винт, И—штифт, 13—рейтер, 14—
гайка, 15—стопорный винт
Сборка оптических деталей производится в корпусе 1. Зеркаль¬
ные пластины 2 разделены промежуточными кварцевыми кольца¬
ми 3, которые имеют с каждого торца по три опорных выступа,
расположенных под углом 120° друг к другу; кольца толщиной до
6 мм делаются из инвара. Каждое промежуточное кольцо нахо-
151
дится в паре с соответствующим ему дополнительным инварным
кольцом 4, причем их суммарная длина (по оси прибора) является
постоянной величиной для всех пар колец, что позволяет собирать
все пары в одном корпусе. Дополнительные кольца опираются на
опорное стальное кольцо 5, закрепляемое на корпусе 1 винтами 6.
С другой стороны корпуса, на его переднем фланце, укреплены
под углом 120° друг к другу три разрезные планки 7, в которых
помещаются пластинчатые пружины 8 с пальцами 9. При завин¬
чивании котировочных винтов 10 разрезные пластинки 7 повора¬
чиваются вокруг штифтов 11,
и пальцы 9 нажимают на зер¬
кальные пластины 2. При этом
выступы промежуточных ко¬
лец 3 и участки пластин 2.
прилегающие к ним, слегка^
деформируются, позволяя
установить отражающие по¬
верхности пластин 2 парал¬
лельно друг другу с точностью
до «0,01 полосы» (до
0,0025 мк). Наклон корпуса
интерферометра осуществляет¬
ся при помощи винта 12, а
установка по высоте в рей¬
тере 13 — при помощи гайки
14 и стопорного винта 15.
В последнее десятилетие
интерференционная спектро¬
скопия обогатилась новыми
приборами, электрическая часть которых является уже не вспомо¬
гательной, как в рассмотренных ранее спектрометрах и спектро¬
фотометрах, а почти такой же полноправной, как и оптическая
часть, приобретая не менее важное значение при определении
основных характеристик прибора; эти новые приборы основаны
на амплитудной и частотной модуляции светового потока.
Первый из них — спектрометр с интерференционной селектив¬
ной амплитудной модуляцией, получил сокращенное название «си-
сам». Основное отличие его от прежде существовавших спектро¬
метров состоит в том, что в основу его положен не монохроматор,
а селективный (избирательный) модулятор—устройство, вносящее
в постоянный по величине световой поток переменную составляю¬
щую, амплитуда которой достигает максимума для выбранной
длины световой волны; приемно-усилительная часть прибора реги¬
стрирует только эту переменную составляющую.
Первый сисам, предложенный П. Коном, был построен на базе
интерферометра Майкельсоиа (рис. 3. 34). Неразложенный в спектр
световой пучок проходит через круглую входную диафрагму 1,
Рис. 3.34 Оптическая схема интерферо¬
метра Майкельсона:
/—круглая входная диафрагма, 2—объектив,
3—полупрозрачное плоское зеркало, 4—плоское
зеркало, 5—объектив, 6— фотоприемник, 7—
плоское зеркало
152
объектив входного коллиматора 2 и падает на полупрозрачное
зеркало 3, на котором он расщепляется на два пучка — проходя¬
щий и отраженный. Первый из них отражается от зеркала 4, идя
обратно отражается от зеркала 3 и направляется объективом 5
выходного коллиматора на фотоприемник 6. Второй пучок падает
на зеркало 7, отражается от него и, возвращаясь обратно, прохо¬
дит через зеркало 3, идя далее по одному пути с первым пучком,
интерферирует с ним, создавая на фотоприемнике интерференцион¬
ную картину, соответствующую разности хода обоих пучков. Это
будет система колец с синусоидальным распределением интенсив¬
ности, максимумы и минимумы которой будут соответствовать
разностям хода, равным целому и половинному числу длин волн.
Разность хода А между лучами, прошедшими разные ветви
интерферометра, можно изменять, покачивая, например, плоско-
параллельную стеклянную пластинку, введенную в одну из ветвей.
Если А изменяется со скоростью V, т. е. если
то величина светового потока, выходящего из интерферометра, бу¬
дет меняться по закону
В этом случае говорят, что поток модулирован с частотой /= —•
X
Выражение (3.38) справедливо только тогда, когда лучи па¬
дают на зеркала 4 и 7 перпендикулярно. Если же оба зеркала по¬
вернуть в одном направлении на малый угол е/2, то отраженные
от них лучи отклонятся каждый на угол е и, после прохождения
через светоделительное зеркало 3, образуют между собой угол 2е.
При этом будет наблюдаться явление, сходное с интерференцион¬
ными полосами равной толщины, которые образовались бы при
отражении лучей от двух плоскостей, установленных под углом е
друг к другу; расстояние между серединами этих полос будет рав¬
но Я/2е. Наличие этой интерференционной картины приводит
к тому, что величина светового потока будет определяться уже не
формулой (3.38), а новой —
в которой величина Р (называемая амплитудой модуляции) зави¬
сит от формы и размеров зеркал 4 и 7; в случае, когда они имеют
форму квадратов со стороной Ь:
(3. 37)
(3. 39)
(3.40)
153
Очевидно, что при угле е, равном нулю, величина Р становится
равной единице и формула (3.39) переходит в формулу (3.38).
Из формулы (3.40) видно также, что величина Р быстро падает
с ростом е и становится равной нулю при е=
Заменим зеркала 4 и 7 совершенно одинаковыми дифракцион¬
ными решетками. Из выражения (3. 18) следует, что автоколлима¬
ция от решеток будет* иметь место только для лучей с длиной
волны
где Ъ — постоянная решетки;
ра — угол дифракции лучей от решетки (в данном случае рав¬
ный углу падения на нее);
к — порядок спектра.
Лучи с длиной волны ХФХа после дифракции от решетки со¬
ставят с оптической осью прибора угол е, пропорциональный вели¬
чине (X—Яа); с увеличением разности (X—Ха) амплитуда модуля¬
ции Р будет убывать в соответствии с формулой (3.40).
Фототок, вызванный в приемнике 6 световым потоком Ф, про¬
шедшим через прибор, подадим на усилитель, а затем на выпря¬
митель. Величина сигнала на выходе выпрямителя будет полностью
определяться амплитудой модуляции Р. Подадим этот сигнал на
самописец. Изменяя длину световой волны одновременным пово¬
ротом обеих дифракционных решеток, получим запись спектра,
причем контур каждой спектральной линии определится зависи¬
мостью амплитуды модуляции Р от длины световой волны.
Построенный таким образом спектрометр и получил название
сисама.
Определим разрешающую способность этого прибора. По ана¬
логии с соображениями, имевшими место в случае с дифракцион¬
ной решеткой, примем, что длины волн %а и %б находятся на пре¬
деле разрешения, если при амплитуде модуляции Ра= 1 для Ха,
длине волны Хб соответствует амплитуда модуляции, равная нулю;
тогда при подаче усиленного и выпрямленного фототока на само¬
писец смещение пера самописца, пропорциональное амплитуде
модуляции Р, достигнет максимума при длине волны Ха и первого
минимума (равного нулю) при Яб. Выразим математически это
условие. Угол е между лучами с К и %а равен е = р—(V, из уравне¬
ний (3.11) и (3.41) следует
154
но
откуда
подставляя сюда значения (3.42), получим
Подставляя далее выражение (о. 43) в (3.40), получим форму¬
лу для амплитуды модуляции
которая описывает инструментальный контур прибора. В соответ¬
ствии с введенным нами определением предела разрешения для
сисама, получим Р = 0 при
откуда
Но из выражения (3.44) видно, что Р = 0 не только при усло¬
вии (3.45), но и при
где к— любое целое число; это означает, что, кроме главного^ мак¬
симума при к = 0 (условие 3.45), имеются побочные максимумы,
находящиеся между минимумами, определяемыми условием
(3.47).
Величина побочных максимумов обратно пропорциональна ку
что очень неудобно, так как они могут помешать разрешению
сильной и слабой спектральных линий. Здесь на помощь прихо¬
дит одно обстоятельство, которое ранее не упоминалось. Если, как
мы видели ранее, положение решетки относительно центра
кривизны зеркала камеры определяет кривизну поля зрения, то
форма ее заштрихованной поверхности определяет форму ее ин¬
струментального контура.
До сих пор, говоря о решетке, мы подразумевали, что она имеет
прямоугольную форму. Однако оказывается, что если уменьшать
длину штрихов решетки по мере удаления от ее середины, то про¬
изойдет уменьшение разрешающей способности, но зато и высота
побочных максимумов уменьшится; при уменьшении длины сред¬
них штрихов имеет место обратное явление. Операция уменьшения
побочных максимумов (связанная с ухудшением разрешающей
силы) носит название аподизации. Если на решетки сисама надеть
диафрагмы в виде ромбов, диагонали которых параллельны и пер¬
пендикулярны штрихам решетки, то инструментальный контур
опишется уже не выражением (3.44), а новым
которое оказывается ничем иным, как выражением для инструмен¬
тального контура дифракционной решетки с теми же данными, что
и решетки сисама, но при полном отверстии (без ромбических диа¬
фрагм); при этом разрешающая способность будет вдвое меньше,
чем у сисама без диафрагм, но зато и побочные максимумы ока¬
жутся в несколько раз меньше и будут обратно пропорциональны
квадрату величины к.
Следует заметить, что разрешающая способность сисама могла
бы быть значительно повышена, если бы удалось создать электри¬
ческие фильтры, пропускающие очень узкую полосу частот АД Как
видно из выражения (3.39), частота колебаний фототока равна
^: = V/X1 поэтому разрешающая способность прибора, обусловленная
фильтром была бы равна
Однако в настоящее время значения //А/ на несколько порядков
меньше А,/6Я, и поэтому электрический фильтр не определяет разре¬
шающей способности сисама.
Итак, мы видим, что дифракционная решетка, установленная
в сисаме, не дает большего разрешения, чем в обычном спектромет¬
ре. В чем же выгода сисама? Оказывается, он значительно более
светосилен. Сравним размеры входных отверстий щелевого спектро¬
метра и сисама.
В щелевом приборе телесный угол Шщп входной щели равен
где — угловая ширина входной щели;
у — ее угловая высота.
Чтобы разрешающая способность дифракционного спектромет¬
ра была равна разрешающей силе его решетки, ширина входной
(3.48)
(3. 50)
156
щели должна быть равна линейному пределу разрешения [см. фор-
мулу (3.5)]:
где О — ширина сечения светового пучка, идущего от решетки;
I — фокусное расстояние выходного коллиматора.
подставляя это выражение в формулы (3.51) и (3.50), получим
С расчетом допустимой входной диафрагмы сисама дело обстоит
сложнее. При освещении прибора монохроматическим светом,
в фокальной плоскости выходного коллиматора образуется систе¬
ма интерференционных концентрических колец равного наклона.
При изменении разности хода интерференционных лучей враще¬
нием пластинки — модулятора эти кольца будут сужаться к центру
(или, наоборот, расширяться), пересекая таким образом площадь
круглой выходной диафрагмы. Увеличение радиуса диафрагмы ве¬
дет сначала к уменьшению амплитуды модуляции Р подобно тому,
как это имело место при увеличении разности %—%а. Когда диафраг¬
ма охватит точно одно интерференционное кольцо, величина Р ста¬
нет равной нулю; при дальнейшем увеличении радиуса диафрагмы
будут иметь место побочные максимумы и минимумы (при целом
числе колец) амплитуды модуляции Р. Расчет показывает, что уг¬
ловой размер 0 круглой входной диафрагмы сисама связан с его
разрешающей способностью простым соотношением
Отсюда
(3.51)
Учитывая, что
получим
(3. 52)
(3. 53)
и телесный угол входной диафрагмы равен
(3.54)
157
Светосила сисама больше светосилы щелевого прибора (с такой
же решеткой) в р раз, где
множитель 7г учитывает наличие ромбических диафрагм на решет¬
ках сисама. Установкой специальных компенсирующих призм пе¬
ред решетками сисама, его светосила может быть еще более повы¬
шена.
Следует отметить, что соотношения (3. 53) и (3. 54) справедли¬
вы также и для эталона Фабри—Перо. Однако это еще не означает,
что выигрыш в светосиле у эталона такой же, как и у сисама. Дело
в том, что зеркальные пластины эталона Фаби—Перо по техноло¬
гическим сображениям обычно делают диаметром не более 50 мм>
тогда как дифракционные решетки нетрудно получить с нарезан¬
ной частью до 180X180 мм, что позволяет использовать световые
пучки значительно большего сечения, чем с эталоном Фабри—Перо,
а следовательно, и получить больший выигрыш в светосиле. Кроме
того, металлические покрытия, применяемые для зеркал эталона
Фабри—Перо, значительно снижают физическую светосилу этого
прибора.
В Советском Союзе первый опытный образец сисама выпущен
в ГОИ (Государственном оптическом институте) в 1962 г. под
шифром СП-101. Прибор построен по схеме с обратно-круговым
ходом лучей, предложенной Архиповым. В этой схеме, в отличие от
автоколлимационной схемы Майкельсона, оба интерферирующих
луча проходят по одному и тому же пути, но в противоположных
направлениях; обратно-круговые схемы во много раз менее чувст¬
вительны к расстройству интерференционной картины из-за разъ-
юстировки прибора.
Ход лучей в приборе СП-101 ясен из рис. 3.35. Диаметр круглой
входной диафрагмы 1 — в пределах 1-М,5 мм. Зеркальные объек¬
тивы 3 входного и выходного коллиматоров представляют собой
внеосевые параболы’ с фокусным расстоянием 500 мм. Решетки 5
имеют 600 штр/мм при угле блеска 6 = 30° и при размере нарезан¬
ной части 110X100 мм; они работают в 3-м порядке. Плоское зер¬
кало 6 необходимо для одновременного выполнения двух условий:
чтобы дисперсии решеток складывались и чтобы сканирование
спектра (изменение длины волны) производилось при повороте ре¬
шеток в одну сторону; выполнение второго условия позволяет
значительно упростить конструкцию механизма поворота решеток.
Роль этого зеркала в схеме Майкельсона выполняет светодели-
гельная пластинка — полупрозрачное зеркало 3 (см. рис. 3.34).
Ввиду того, что полный угол поворота решеток не превышает
3°, оказалось возможным применить систему двух шарнирно за¬
крепленных рычагов, поворот которых производится за счет упругой
деформации шарниров. Оптическая модуляция осуществляется
158
периодическим наклоном на Г—3° плоско-параллельной пластинки;
воспроизводимость поворотов пластинки порядка 1".
Как указывалось выше, размеры входной диафрагмы зависят
от разности хода интерферирующих лучей. Для увеличения этих
размеров введена плоско-параллельная пластинка 7, компенсирую¬
щая разность хода, вносимую модулятором 8 (см. рис. 3.35).
Все основные узлы прибора СП-101 крепятся на жестком чугун¬
ном основании. Параболические зеркала устанавливаются на вы-
Рис. 3.35. Схема хода лучей в сисаме СП-101.
1—входная диафрагма, 2—плоское поворотное зеркало,
3—'зеркальные объективы, 4—светоделительное зеркало,
5—дифракционные решетки, 5—-плоское поворотное зер¬
кало, 7—плоско-параллельная пластинка-компенсатор,
8—модулятор, 9—фотоприемник
носных кронштейнах, закрепленных на вертикальной поверхности
основания. На двух противоположных плоскостях основания за¬
креплены два других кронштейна: с осветителем и с механизмом хо¬
дового винта сканирующего устройства и кулачковым механизмом
модулятора 8. Оба эти механизма с помощью карданных валов
связаны с удаленным от прибора приводным механизмом. В каче¬
стве амортизаторов прибора используются теннисные мячи, распо¬
ложенные по контуру основания.
Прибор должен быть заранее настроен на исследуемый участок
спектра, который составляет около 10 000 разрешаемых интерва¬
лов; величина каждого из них равна 0,010 см~1 почти во всей види¬
мой области спектра.
Применение инерционного узкополосного приемно-регистрирую-
щего устройства приводит к тому, что время регистрационного раз¬
решаемого спектрального интервала составляет 20—50 сек. Если
159
учесть при этом, что для записи одного интервала требуется сме¬
щение конца рычага, поворачивающего решетки, равное 1,25 мк
(при длине рычага 500 мм), то становятся понятными особо высо¬
кие требования, предъявляемые к кинематической схеме сканиро¬
вания спектра: поворот сканирующих элементов в интервале
3°ч-5° должен осуществляться с воспроизводимостью 0",05 в диа¬
пазоне 30—200 разрешаемых интервалов и с воспроизводимостью
Г',5—2" во всем рабочем диапазоне спектра в течение 6 час, при¬
чем постоянство температур должно выдерживаться до 0°,5. Плос¬
кость дифракционных решеток перпендикулярна горизонтальной
плоскости основания с точностью до 5" в пределах поворота 3°ч-5°.
Скорость регистрации спектра меняется ступенями.
Для спектров поглощения отношение сигнала к шуму не хуже
100 при постоянной времени т^1 сек и скорости регистрации одно¬
го разрешаемого интервала 4 сек. Поскольку прибор предназначен
для работы в инфракрасной области, вакуум в нем порядка
0,01 мм рт. ст.
Рассмотрим еще один интерференционный прибор, основанный
на частотной модуляции света. Его электрическая часть производит
расшифровку информации, полученной от его оптической части
путем преобразований Фурье (особый вид математического анали¬
за), поэтому за этим прибором закрепилось название Фурье-спек-
трометра. В первоначальном виде он представлял собой обычный
интерферометр Майкельсона, без каких-либо изменений, с прием¬
но-усилительной частью.
При освещении интерферометра монохроматическим светом, по¬
лучим в фокальной плоскости выходного коллиматора систему
концентрических колец равного наклона, положение максимумов
которых определяется условием
где к— порядок интерференции;
I — разность расстояний зеркал от светоделительной плас¬
тинки;
О —угол интерферирующего луча с оптической осью прибора.
При равномерном изменении разности хода (например, враще¬
нием пластинки—'Модулятора, как в сисаме) частота модуляции
светового потока будет пропорциональна частоте световых коле¬
баний (т. е. обратно пропорциональна длине световой волны). Эта
пропорциональность играет здесь основную роль, тогда как в си¬
саме основной была амплитуда модуляции.
Осветим интерферометр неразложенным светом. Промодулиро-
ванный световой поток вызовет в приемнике фототоки разных ча¬
стот. Анализируя специальным устройством содержание этих ча¬
стот, получим информацию о спектральном составе излучения.
Разрешающая способность прибора будет
Инструментальный контур такой же, как в случае сисама без
аподизации; уменьшив величину побочных максимумов ромбичес¬
кими диафрагмами на зеркалах, уменьшим вдвое разрешающую
способность прибора:
Размеры телесного угла круглой входной диафрагмы так же,
как и в случае сисама, связаны с разрешающей силой соотношения¬
ми (3.53) и (3.54).
Таким образом, Фурье-спектрометр совмещает в себе преимуще¬
ства фотографического метода, заключающиеся в одновременной
регистрации всего спектрального диапазона, с выигрышем в телес¬
ном угле, даваемом методами Фабри—Перо и сисама. Правда, это
достанется дорогой ценой — все трудности расшифровки спектра
с оптического устройства перекладываются на электронно-вычисли¬
тельное.
Первый Фурье-спектрометр в Советском Союзе был выпущен
ГОИ под шифром ИТ-69 для области спектра 20—100 мк. Он по¬
строен по схеме с обратно-круговым ходом лучей, сходной с изобра¬
женной на рис. 3.35. Преобразование полученной интерферограм-
мы в спектрограмму по методу Фурье производится электронной
цифровой вычислительной машиной типа Урал-П.
И 805
Глава IV
ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
4.1. ВВЕДЕНИЕ В ФОТОТЕХНИКУ
Фотография основана на способности галлоидного серебра и дру¬
гих веществ изменять под действием света свои химические свой¬
ства. Такие вещества называются светочувствительными. Под дей¬
ствием света при фотосъемке, которая осуществляется фотографи¬
ческим аппаратом, в слое галлоидного серебра, нанесенного на
пленку или пластинку, образуется скрытое изображение предмета
съемки. Химической обработкой (проявлением, закреплением)
и последующей промывкой и сушкой скрытое изображение пре¬
вращают в видимое. Этот процесс называют негативным, а изо¬
бражение на пленке или пластинке — негативом. На негативе по¬
лучается обратное яркостям предмета съемки распределение тонов:
светлые места получаются темными, а темные — светлыми.
С помощью копировального станка или фотоувеличителя печа¬
тают с негатива на фотобумаге (также покрытой светочувствитель¬
ным материалом) в любом количестве фотоотпечатки, которые на¬
зываются позитивами. При этом в светочувствительном слое по¬
зитивного фотоматериала также образуется скрытое изображение,
которое превращают в видимое проявлением и закреплением. Этот
процесс называется позитивным. На позитиве соотношение
тонов соответствует соотношению яркостей деталей предмета
съемки.
Краткие сведения о фотоматериалах
Светочувствительный фотографический материал состоит из
ряда тонких желатиновых слоев, нанесенных на пленку, бумагу
или стекло (пластинку). Материал, на который нанесены желати¬
новые слои, называется подложкой.
В фотографии наибольшее распространение нашли следующие
формы и размеры фотографических материалов:
1. Пластинки размером 9X12; 13X18; 18X24 см и др.
2. Плоские фотопленки размером 9X12; 13X18 и 18X24 см.
3. Рулонные перфорированные кинопленки шириной 35 и 16 мм.
162
4. Рулонные неперфорированные пленки шириной 60 мм.
Различают следующие виды фотоматериалов (пленок и пласти¬
нок) :
1. Чернобелые, передающие различные яркости и цвета предме¬
та съемки разной плотностью черно-белого изображения.
2. Цветные негативные, передающие различные яркости и цвета
предмета в виде цветных изображений, которые при печати на
цветную фотобумагу дают близкую к натуральной цветопередачу.
3. Цветные позитивные (с обращением), передающие близкие
к натуральным яркости и цвета объекта. Эти пленки пригодны для
непосредственного рассматривания или проектирования на экран
с помощью увеличительного прибора, который называется проек¬
тором.
Таблица 4.1
Марки фотографических пленок
Обозначения
марок
Наименование и характеристика пленок
Номинальная
светочувстви¬
тельность в еди¬
ницах ГОСТа
Черн о-б е л ы е
Фото-32
Негативная малой светочувствитель¬
ности, мелкозернистая
32
Фото-65
Негативная средней светочувствитель¬
ности
65
Фото-130
Негативная высокой светочувствитель¬
ности
130
Фото-250
Негативная высшей светочувствитель¬
ности
Цветные
250
ДС-2
Негативная для съемок при дневном
освещении
22
ЛН-3
Негативная для съемок при освещении
лампами накаливания
32
ЦО-2
Обращаемая для съемок при дневном
освещении
16
Фотографические материалы различаются также по светочув¬
ствительности и по спектральной чувствительности. Светочув¬
ствительностью называется чувствительность фотографичес¬
кого слоя к воздействию белого света. Светочувствительность опре¬
деляется в единицах ГОСТа. В зависимости от назначения фотома¬
териала она колеблется в больших пределах.
Фотоматериалы очень низкой чувствительности применяются
И*
163
для технических целей, например для репродукций, малой, средней
и высокой чувствительности — для любительской и профессиональ¬
ной фото-киносъемки, высшей чувствительности — для различных
съемок при неблагоприятных световых условиях.
Спектральной чувствительностью фотоматериала
называется его чувствительность к лучам различной длины волны.
Бромо-серебрянные слои наиболее чувствительны к сине-фиолето¬
вой части спектра. Чтобы правильно передать все цвета и яркост^
снимаемого объекта в различных плотностях черно-белого негати¬
ва в фотослои добавляют органические красители. Они увеличи¬
вают чувствительность фотоматериала к желто-зеленым, красно¬
оранжевым и другим лучам.
Наиболее часто применяемые пленки выпускаются в соответст¬
вии с требованиями ГОСТа 5554—63, «Пленки фотографические»,
который распространяется на негативные черно-белые, негативные
цветные и обращаемые цветные фотографические пленки, предназ¬
наченные для художественной, любительской и репортажной фото¬
графии.
ГОСТ определяет марки, типы и размеры пленок и технические
требования, предъявляемые" к ним (табл. 4.1).
4.2. ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ФОТОАППАРАТА
Внешний вид фотоаппарата «ФЭД-10» показан на рис. 4. 1.
На оправе объектива гравируется: 1) тип объектива (название);
2) фокусное расстояние; 3) относительное отверстие. Фокусное рас¬
стояние объектива определяет масштаб съемки. Чем больше фо¬
кусное расстояние объектива, тем большим получается изображе¬
ние-на кадре Эта зависимость может быть записана формулой
где у' — размер изображения предмета;
/'—фокусное расстояние объектива;
5 — расстояние от предмета до объектива;
у — размер предмета.
Отношение размера изображения к размеру предмета у'!у назы¬
вается масштабом изображения.
Важной характеристикой объектива является его способность
создавать большую или малую освещенность изображения. Эта
способность называется светосилой.
Светосила зависит от диаметра действующего отверстия объек¬
тива. Если взять два аппарата, объективы у которых имеют одина¬
ковые фокусные расстояния, но разные диаметры, и навести их на
один и тот же объект, то изображение будет иметь меньшую осве¬
щенность в том аппарате, объектив которого имеет меньший диа¬
метр, так как, естественно, что сквозь него пройдет меньше света.
Освещенность изображения, даваемого фотографическим объ¬
164
ективом, прямо пропорциональна квадрату диаметра действующе¬
го отверстия объектива (площадь отверстия пропорциональна
квадрату его диаметра). Освещенность изображения так же
зависит от величины фокусного расстояния.
Если один объектив по сравнению с другим имеет фокусное
расстояние в два раза большее, то он дает изображение вдвое
больше по линейным размерам и вчетверо большее по площади.
Освещенность изображения у объектива с большим фокусным
расстоянием будет в четыре раза меньшей, потому что такой же
световой поток распределится по площади, вчетверо большей
Рис. 4. 1. Фотоаппарат ФЭД-10:
/--корпус, 2—объектив, 3—затвор, 4— рычаг уста¬
новки механизма синхронизации и автоспуска,
5—замок задней крышки, 6—спусковая кнопка,
7—курок взвода затвора и перемотки пленки,
8— окно фотоэлемента, 9—шкала установки чув¬
ствительности пленки, 10—окно со стрелками для
полуавтоматической установки значения выдержки
или диафрагмы, //—обойма для крепления лам¬
пы-вспышки, 12—визир-дальномер, 13—головка
обратной перемотки пленки
Таким образом, освещенность изображения, даваемого объекти¬
вом, обратно пропорциональна квадрату фокуснбго расстояния
объектива. ;
Объединяя обе зависимости, можно написать, что светосила
прямо пропорциональна квадрату действующего отверстия и об¬
ратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния (с1/[)2. Ве¬
личина Л!] называется относительным отверстием объектива и за¬
писывается обычно в виде дроби с числителем, равным единице:
(рис. 4.2).
(4.2)
165
Рис. 4.2. Освещение изображения в объективе
В практике объективы характеризуют чаще всего не светосилой,
а относительным отверстием, которое указывается на оправе объ
ектива.
Более светосильные объективы позволяют снимать при менее
благоприятных советовых условиях и с более короткой выдержкой.
Глубина резкости
На светочувствительном слое в фотоаппарате могут быть резко
изображены лишь предметы, находящиеся в одной определенной
плоскости. Любая другая точка, лежащая вне этой плоскости, изо¬
бразится уже не в виде точки, а в виде кружка. Чем дальше точка
лежит от плоскости наведения, тем большего размера будет
диаметр ее изображения. Поэтому точка будет изображаться
в виде размытого пятна и будет казаться при рассматривании
нерезкой.
Опытами установлено, что при рассматривании с расстояния
25 см, которое считается для нормального человеческого глаза рас¬
стоянием наилучшего зрения, кружки, диаметр которых не превы¬
шает 0,1 мм, воспринимаются как точки. Вследствие этого при рас¬
сматривании снимков нам кажутся резкими не только те предметы,
которые действительно изображены резко, но и те, которые изо¬
бражены нерезко, учитывая, что эта нерезкость не превосходит ве¬
личины, замечаемой глазом.
На рис. 4.3 видно, что точка А изобразится в виде точки Аи
а точки В и С—в виде кружков рассеяния. Если их диаметр 1 не
превышает 0,1 мм, то глаз человека воспринимает их как точки.
Следовательно, любая точка в пространстве между перпендикуляр¬
ными оптической оси двумя плоскостями, на которых лежат точ¬
ки В и С, будет казаться резкой, а точки, лежащие за пределами
этого пространства, будут нерезкими. Пространство между ука¬
занными плоскостями называется резко изображенным, а сами
166
Например, если
или 1 :2.
плоскости — задним и передним планом. Протяженность это¬
го пространства вдоль оптической оси называется его глу¬
биной.
Глубина резко изо¬
бражаемого пространст¬
ва зависит также от фо¬
кусного расстояния, от¬
носительного отверстия
объектива и расстояния
до предмета съемки. Глу¬
бина резкости тем боль¬
ше, чем больше диаметр
допустимого кружка рас¬
сеяния, чем больше рас¬
стояние от объектива до
плоскости наведения и
чем меньше диаметр дей¬
ствующего отверстия объ¬
ектива и фокусное рас¬
стояние. При фотографи¬
ровании нужную глубину
резкости подбирают, из¬
меняя относительное от¬
верстие объектива.
В фотоаппаратах
имеются специальные
шкалы, которые позво¬
ляют определить, глубину резкости в зависимости от дистанции
съемки и значения относительного отверстия.
Основные типы объективов
Положительная линза может быть применена в качестве фото¬
графического объектива. Качество изображения, даваемого линзой,
резко ухудшается от центра к краю: оно становится нерезким, иска¬
женным, появляется цветная кайма. Это объясняется наличием
всех видов аберраций у одной положительной линзы. Поэтому
в фотоаппаратах одиночная линза применяется редко.
Чтобы обеспечить получение высококачественного изображе¬
ния современные фотообъективы конструируются из нескольких
линз и представляют собой сложные оптические системы. Известны
объективы с числом линз более десяти. Некоторые линзы объекти¬
ва бывают склеены межд^ собой. Собранный объектив имеет еди¬
ную оптическую ось, благодаря тому, что все линзы центрированы.
Конструктивные параметры каждой линзы, их материал, расстоя¬
ния между линзами рассчитываются и подбираются с учетом ис¬
правления аберраций. Однако полностью все аберрации устранить
невозможно.
167
Рис. 4.3. Глубина резкости
Все фотографические объективы можно разделить на две боль¬
шие группы: астигматы и анастигматы.
Астигматами называются объективы простой конструкции
с недостаточным исправлением аберраций. Они применяются в. уп¬
рощенных фотоаппаратах, а также в профессиональной фотогра¬
фии для съемки портретов или пейзажей.
Анастигматами называются объективы, в которых абер¬
рации в значительной степени исправлены (особенно астигматизм
и кривизна поля). Они применяются в большинстве современных
фотоаппаратов.
Конструктивные особенности и характеристики различных ти¬
пов фотографических объективов приведены в табл. 4. 2.
Таблица 4.2
Фотографические объективы
Триплет склеенный
168
Мениск
Ахромат
Перископ
Триплет
Конструкция
Число линз
Относитель¬
ное отвер¬
стие
Название типа объектива
Продолжение
Конструкция
Название типа объектива
Триплет типа „Юпитер“
Руссар
Объектив с переменным
фокусным расстоянием
Астигматы
Мениск. Простая вогнуто-выпуклая линза. В качестве объектива
наиболее подходящим является положительный мениск, диафрагма
у которого расположена впереди. Такие объективы могут быть при¬
менены для портретной съемки при относительном отверстии 1:11.
Ахромат. Положительная линза, склеенная из двух линз. Линзы
сделаны из разных сортов стекла для того, чтобы исправить хрома¬
тические аберрации.
Перископ. Объектив, состоящий из двух положительных линз, рас¬
положенных на одинаковом расстоянии от диафрагмы. Хромати¬
ческая аберрация и кома в них несколько уменьшены. Остальные
аберрации можно уменьшить путем диафрагмирования объектива.
Фотоаппарат «Юнкор» снабжен объективом такого типа с фокус¬
ным расстоянием 6,5 см. Перископы обычно устанавливаются в уп¬
рощенных фотоаппаратах.
Анастигматы
Триплет. Объектив, состоящий из трех компонентов. Компоненты
могут быть в виде отдельной линзы или группы линз. Несклеенный
триплет состоит из двух положительных линз, между которыми
расположена отрицательная линза.
Объективы типа триплет («Т») широко применяются в совре¬
169
Число линз
Относи¬
тельное
отйерстие
менных фотоаппаратах, благодаря хорошему исправлению аберра¬
ций и высокой разрешающей способности.
В фотоаппаратах «Любитель» и «Смена» объективы «Т» обеспе¬
чивают возможность получения изображения высокого качества,
пригодного для многократного увеличения.
Объективы «Т» бывают как с неподвижными компонентами, так
и с передвижной передней линзой для наводки на резкость. В фото¬
аппаратах «Смена» при фокусировке передвигается весь объектив,
в фотоаппаратах «Любитель» — только передняя линза.
Триплет типа «Индустар» состоит из четырех линз (последняя
пара склеена). Он является совершенным фотографическим объек¬
тивом и пригоден для любительской и профессиональной фото¬
съемки. Объективы «Индустар» применяются в фотоаппаратах
«Зоркий», «ФЭД», «Москва» и в различных увеличителях.
«Юпитер»—многолинЗовые системы типа Триплет (за исклю¬
чением объектива «Юпитер-12») различной светосилы и фокусного
расстояния. Эти объективы характеризуются хорошим исправле¬
нием аббераций и высоким качеством снимков. Они пригодны для
любительских и специальных съемок. Ими снабжаются сложные
камеры типа «Киев», «Ленинград» и др.
«Руссар» (МР-2) — шестилинзовый широкоугольный объектив.
Фокусное расстояние его равно 20 мм. Объектив предназначен для
фотоаппаратов «Зоркий» и применяется для панорамных, архитек¬
турных съемок и съемок в тесных помещениях. Объектив характе¬
ризуется высокой разрешающей способностью по всему полю изо»
бражения.
«Рубин-1Ц» — объектив с переменным фокусным расстоянием.
Подобный объектив является сложной оптической системой с боль¬
шим числом линз. Он может заменить собой несколько сменных
объективов, так как плавно изменяет фокусное расстояние более
чем в два раза. Объектив «Рубин-1Ц», установленный в зеркаль¬
ном фотоаппарате «Зенит-6», изменяет фокусное расстояние в диа¬
пазоне от 37 до 80 мм при постоянной светосиле 1 : 2,8. Достигается
это перемещением блока линз. Объективы с переменным фокусным
расстоянием находят с каждым годом все большее распростране¬
ние -в фото- и кинотехнике, а также в телевидении.
Зеркально-линзовые объективы
Объективы «МТОМ-500» и «МТО-ЮОО» имеют соответственно
фокусные расстояния 500 и 1000 мм. Светосила первого равна 1: 8,
второго— 1 : 10. Объективы предназначены для съемки с помощью
фотоаппарата «Зенит» значительно удаленных объектов.
Небольшие наружные размеры объективов достигаются благо¬
даря тому, что прямой ход лучей у них преобразуется в зигзагооб¬
разный. Схема объектива «МТОМ-500» приведена на рис. 4. 4.
170
Основными оптическими элементами являются сферические зер¬
кала. Положительным компонентом служит вогнутое зеркало Л
а отрицательным — выпуклое зеркало 2. Линза 3 наряду с оптиче¬
скими функциями выполняет защитную роль — предохраняет внут-:'
ренность объектива и поверхности зеркал от воздействия пыли
и влаги.
Рис. 4.4. Схема зеркально-линзового объ¬
ектива «МТОМ-500»:
1—вогнутое зеркало, 2—выпуклое зеркало, 3—
линза
Коническая диафрагма устраняет возможность засветки изобра¬
жения. Наводка на резкость осуществляется путем перемещения
второго компонента.
Оправы объективов
По конструктивному оформлению объективы и их оправы мож¬
но разделить на две большие группы: а) сменные объективы;
б) жестковстроенные объективы.
Сменные объективы состоят из собственного объектива с его
оптическими узлами, корпуса, механизма диафрагмы, механизма
фокусировки и механизма привода дальномера (сменные объекти¬
вы зеркальных камер не имеют этого механизма). Фотоаппараты
«ФЭД», «Зоркий», «Ленинград» и «Киев» снабжены сменными объ¬
ективами. Крепление объектива в камере с помощью байонетного
соединения применяется в фотоаппарате «Киев»; у остальных на¬
званных камер резьбовое крепление.
К оправам объективов предъявляют большие и разнообразные
требования: центрировка всех линз объектива относительно друг
друга; большая точность расчетных промежутков между линзами;
большая точность перемещения всего объектива или его части при
фокусировке; надежное крепление всех деталей в объективе; умень¬
шение светорассеяния и др.
Объектив «Индустар-22» (рис. 4. 5) имеет убирающийся тубус /
с байонетной фиксацией в рабочем положении. Штрих-пунктиром
на рисунке показано положение объектива при убранном тубусе.
Оправы с линзами 3 и 6 установлены на резьбе в оправе 2. Послед¬
няя крепится резьбовым кольцом 7 в тубусе 1. Подбором толщины
171
прокладного кольца 8 или его подрезкой выдерживают рабочий
отрезок при сборке объектива. Рабочим отрезком объектива назы¬
вается расстояние от базового торца оправы до фокальной плос¬
кости объектива. Фокусировка осуществляется перемещением
кольца 5 по резьбе кольца 4. Связь с дальномером камеры осуще¬
ствляется торцом кольца 5.
Жестковстроенные объективы обычно монтируются
в центральные затворы. В такой конструкции разъемные детали за¬
твора отрицательно влияют на качество центрировки оптических
компонентов объектива. Поэтому качество изображения, даваемое
такими объективами, может быть ниже, чем у объективов, собран¬
ных в отдельной оправе. На рис. 4.6 приведен разрез центрального
фотозатвора с объективом.
Диафрагмой в фотоаппарате называется устройство, служащее
для ограничения диаметра действующего отверстия объектива.
Изменение диаметра диафрагмы приводит к изменению освещен¬
ности в фокальной плоскости объектива, а также к изменению глу¬
бины резко изображаемого пространства. В современных объекти¬
вах применяются ирисовые диафрагмы (рис. 4.7) из нескольких
подвижных лепестков, образующих круглый просвет, диаметр ко¬
торого может плавно изменяться; при этом сохраняется круглая
или почти круглая форма просвета.
Лепестки ирисовой диафрагмы имеют на концах штифты. Один
штифт (осевой) каждого лепестка входит в отверстие оправы, дру¬
гой (ведомый)—в соответствующий радиальный паз поворотной
коронки. При повороте коронки все лепестки поворачиваются в
оправе, изменяя диаметр отверстия диафрагмы.
Расчет параметров ирисовой диафрагмы. Зададимся диаметрами
наибольшего и наименьшего световых отверстий диафрагмы 2дтах
и 2дти1. Определим: а) внутренний и наружный радиусы кривизны
лепестка г вн и гн; б) радиус окружности г, по которой расположены
отверстия под штифты; в) угол между штифтами лепестка у.
Внутренний радиус лепестка ратзен радиусу наибольшего свето-
вого диаметра диафрагмы: гб„=дтах- Расстояние между штифта¬
ми лепестка должно удовлетворять условию 0\02>г-\-г вн
(рис. 4.8), иначе при некотором угле поворота коронки штифт
выйдет из паза.
Радиус окружности расположения отверстий под штифты опре¬
деляется из треугольника 020В (см. рис. 4.8, а):
Диафрагма
После извлечения корня и преобразования получим
(4.3)
172
Рис. 4. 5. Объектив «Индустар-22»:
/—убирающийся тубус, 2—оправа, 3, 5—оправы с линзой, 4, 7—
резьбовые кольца, 5—кольцо, 8—прокладное кольцо
173
Рис. 4. 6. Объектив в центральном затворе
Рис. 4. 7. Ирисовая диафрагма из двенадцати лепестков.
У—ведущее кольцо, 2—осевой штифт, 3— коронка, 4—ведущий
штифт, 5—оправа
174
Рис. 4. 8. Схема к расчету ирисовой диафрагмы
Радиус закругления края лепестка г{ = г—гвн.
Размеры штифтов, толщина лепестков и другие параметры опре¬
деляются из конструктивных соображений, а также графическим
способом.
Фотографические затворы
Фотографическим затвором называется механизм, открываю¬
щий действующее отверстие объектива для прохождения через
него света в течение определенного промежутка времени, именуемо¬
го выдержкой. Под выдержкой подразумевается время прохожде¬
ния лучей через объектив на одну какую-либо точку эмульсионно¬
го слоя пластинки или пленки. Как правило, все фотографические
затворы имеют ряд выдержек, отрабатываемых автоматически,
и выдержек, регулируемых от руки.
Затворы делятся на две основные группы: центральные и штор¬
но-щелевые.
Центральные затворы имеют круглое световое отверстие,
открывающееся от центра затвора к краям и закрывающееся от
краев к центру. Такие затворы располагаются, как правило, между
линзами, а иногда впереди или сзади объектива.
Ш т о р н о-щ елевые затворы имеют прямоугольное или квад¬
ратное световое отверстие, открывающееся постепенно от одного
края к другому. Мимо светового отверстия проходят шторки,
образующие щель, сквозь которую свет попадает на светочувстви¬
тельный материал. Такого типа затворы располагаются в непосред¬
ственной близости от фотопленки или пластинки.
В современной фотоаппаратуре применяются как центральные,
так и шторно-щелевые затворы.
Центральные затворы. Центральные затворы (рис. 4.9) имеют
несколько лепестков, симметрично расположенных относительно
светового отверстия. В нерабочем состоянии лепестки перекрывают
световое отверстие затвора.
Оси 1, 2 и 3 расположены на плато 4. Вокруг осей вращаются
три лепестка 5 (на схеме показан один). На лепестках имеются
столбики 6, которые входят в шлицы 7 кольца лепестков 8. Послед¬
нее совершает при закрытии затвора поворот по часовой стрелке,
а при открытии — против часовой стрелки.
Вращаясь, кольцо 8 захватывает шлицем 7 столбик 6 лепестки
и поворачивает его относительно неподвижной оси 1. Происходит
открытие или закрытие затвора. Открытие затвора осуществляется
175
Наружный радиус лепестка гн берется равным 2г—гвн. Угол у
между штифтами лепестка находится из треугольника ООгО':
под действием заводной пружины, которая не показана на схеме.
Закрытие затвора происходит под действием пружины 9, которая
поворачивает кольцо до упора 10.
На рис. 4. 10 показаны отдельные фазы работы затвора, полу¬
ченные методом фотографирования его отверстия в пульсирующем
свете (частота пульсации равна 1000 в сек).
Положительной особенностью центрального затвора являет¬
ся его свойство пропускать свет на весь снимаемый кадр с момента
Рис. 4. 9. Схема работы центрального затвора:
а—затвор открыт, б—затвор закрыт;
1, 2 и 3—«оси, 4—плато, 5—лепесток, 6—столбик, 7—шлиц, 8—кольцо, 9—пружина,
10—упор
начала открытия действующего отверстия объектива. При этом
сначала получается изображение небольшой яркости. С увеличе¬
нием отверстия объектива яркость изображения возрастает. При
закрытии отверстия объектива затвором процесс идет в обратном
порядке. Количество света, попадающего на светочувствительный
слой, в каждый момент времени пропорционально открытой площа¬
ди Р отверстия объектива.
На рис. 4.11 приведена зависимость Р=/(^) для выдержки
0,008 (1/125) сек. Здесь 1\ — время открытия затвора; — время
закрытия затвора; 1Ъ — время полного открытия затвора; Т—полное
время действия затвора.
На шкале затворов обозначается эффективная выдержка Цэфф),
которая может быть получена из уравнения
где т] — коэффициент полезного действия затвора:
176
где Р0 — площадь, ограниченная кривой «идеального» затвора, у ко¬
торого 1\ и $2 равны нулю. «Идеальным» считают такой затвор, ко¬
торый мгновенно открывает и закрывает световое отверстие и бы¬
вает полностью открыт в течение всего времени Т. Коэффициент
полезного действия может быть определен графически, как
Рис. 4. 10. Фотограмма отдельных фаз работы затвора
отношение площади, ограниченной кривой АВСБ, к площади
прямоугольника АЕОИ:
Величина коэффициента т] зависит от числа лепестков, от их
формы, от времени, в течение которого затвор открывает и закры¬
вает световое отверстие, от значения установленной выдержки
и диафрагмы. Значение г\ для центральных затворов колеб¬
лется в пределах от 0,5 до 0,999..., но никогда не достигает еди¬
ницы.
Из формулы (4. 5) видно, что чем больше т] затвора, тем мень¬
ше будет значение Т, т. е. тем меньше времени будет продолжаться
процесс фотографирования. Это бывает важно для получения рез¬
ких (не смазанных) снимков быстропротекающих явлений.
Устройство центрального затвора, его основные узлы и их вза¬
имодействие рассмотрим на при¬
мере затвора фотоаппарата «Сме-
на-8». Затвор (рис. 4. 12) имеет
диапазон моментальных выдер¬
жек от 1/15 до 1/250 сек, вы¬
держку, регулируемую от руки
(обозначенную буквой «В» на шка¬
ле выдержек); механизм синхро¬
контакта для зажигания ламп-
вспышек, механизм автоспуска,
работающий 7-ь 10 сек и затем
включающий затвор. Три лепестка
затвора открывают и закрывают
его отверстие, равное 14 мм.
Завод затвора осуществляется поворотом против часовой стрелки
заводного рычага 8} на оси которого закреплена витая пружина 9
привода затвора. Заводной рычаг защелкивается за выступ а спус¬
кового рычага 10. Спуск затвора осуществляется после нажима на
спусковую кнопку камеры, движение от которой передается через
Рис. 4. 11. Графическое изобра¬
жение работы центрального за¬
твора
12 805
177
систему рычагов на палец б рычага 10. Последний поворачивается
вокруг оси против часовой стрелки и освобождает заводной рычаг.
Рис 4. 12. Фотозатвор.
а—общий вид, б—узлы и детали:
1—узел завода и спуска затвора, 2—узел торможения, 3—детали синхроконтакта, 4—узел
автоспуска, 5—детали механизма выдержки «В», б-—верхняя крышка, 7—кольцо регулировки
выдержек, 8— заводной рычаг, 9—пружина привода затвора, 10—спусковой рычаг, //—шатун,
12—кольцо отсекателей, 13—зубчатый сектор, 14—кулачок сектора, 15—трибка, 16—анкерное
колесо, /7—анкер, /3--пружина, 19—контакт, 20—рычаг выдержек, 21—рычаг-кулачок, 22—за¬
водная пружина автоспуска
Заводной рычаг под действием витой пружины привода развора¬
чивается по часовой стрелке и шатуном 11 (который закреплен
шарнирно на заводном рычаге) толкает отгибку а кольца 12 отсе¬
кателей; при этом затвор открывается. Дальнейшее вращение за¬
178
водного рычага вызывает закрытие затвора, так как шатун 11
своим зевом б захватывает отгибку а кольца 12 отсекателей и тя¬
нет ее в обратную сторону. В процессе закрытия затвора принимает
участие и возвратная пружина (на рисунке не показана), которая
давит на винт б, укрепленный на кольце 12 отсекателей. Таким об¬
разом осуществляется работа механизмов затвора при установке
его на выдержку 1/250 сек.
Для получения более длительных выдержек необходимо движе¬
ние заводного рычага с шатуном задержать в момент полного от¬
крытия затвора. Это осуществляется включением инерционного
узла торможения анкерного типа путем поворота кольца регули¬
ровки выдержек на одно из значений шкалы. Палец а зубчатого
сектора 13 разворачивается, скользя по ступенчатому профилю ре¬
гулировочного кольца. Вместе с ним кулачок 14 сектора поворачи¬
вается и становится на пути отгибки а заводного рычага 8; который
при своем движении ударяет по кулачку и начинает его поворачи¬
вать совместно с сектором. Встреча кулачка сектора с отгибкой
заводного рычага происходит в момент полного открытия затвора.
От сектора вращение передается на трибку 15, которая жестко
связана с анкерным колесом 16. При его вращении анкер 17 начи¬
нает совершать колебательные движения, замедляя работу всей
зубчатой системы. Затвор остается открытым в течение работы
тормозного механизма. Торможение прекращается в тот момент,
когда сектор развернется на угол, достаточный для прохождения
мимо него спускового рычага. Рычаг проскальзывает по торцу ку¬
лачка сектора и закрывает отверстие затвора. Затем сектор, под
действием пружины 18, снова занимает первоначальное положение.
При установке регулировочным кольцом той или иной выдержки
ступенчатый профиль его определяет угол поворота сектора. Чем
меньше угол поворота сектора, тем меньше его зубцов участвует
в работе, тем меньше колебаний совершает анкер и тем быстрее
спусковой рычаг освободится и закроет затвор. При установке на
индекс 1/125 сек работают только три зубца сектора, а на индексе
1/15 сек — десять зубцов.
Для соединения лампы-вспышки с затвором служит ниппель
синхроконтакта. Один провод от лампы соединяется с наружной
частью ниппеля, а второй — с пальцем, находящимся внутри нип¬
пеля. Палец отделен электроизоляционными деталями от деталей
затвора. При полном открытии затвора винт б кольца 12 отсекате¬
лей поворачивает контакт 19 против часовой стрелки до тех пор,
пока он не прижмется к пальцу синхроконтакта. Произойдет замы¬
кание электроцепи и лампа вспыхнет. При обратном ходе кольца
отсекателей происходит размыкание цепи, так как контакт находится
под действием спиральной пружины, которая его разворачивает.
Выдержка, регулируемая от руки, отрабатывается затвором при
установке регулировочного кольца на индекс «В»; при этом отгиб¬
ка а рычага 20 выдержек попадает в зону выреза а кольца 7; под
действием своей пружины рычаг разворачивается против часовой
12*
179
стрелки. После нажима на спусковую кнопку в момент полного от¬
крытия затвора отгибка в заводного рычага 8 встречает отгибку &
рычага выдержек 20 и заводной рычаг совместно с шатуном оста¬
навливается. Затвор остается открытым, пока спусковой рычаг на
ходится под действием усилия спуска фототросика или пальца
фотографа. После освобождения рычаг 10 под действием своей пру¬
жины вращается и отгибкой в разворачивает рычаг выдержек, тем
самым освобождая путь заводному рычагу; при этом затвор закры¬
вается.
Механизм автоспуска заводится поворотом рычага-кулачка 21
по часовой стрелке. Одновременно растягивается его заводная пру¬
жина 22. После спуска затвора заводной рычаг начинает толкать
через шатун кольцо 12 отсекателей, но оно сразу же упирается
своей отгибкой в в торец рычага-кулачка и останавливается. От¬
верстие затвора не открывается, так как лепестки несколько пере¬
крывают друг друга. Одновременно начинает работать механизм
автоспуска, который по конструкции аналогичен инерционному тор¬
мозному механизму. В автоспуске применено большее число зубча¬
тых колес, поэтому он обеспечивает предварительный ход до \Ьсек.
При работе механизма автоспуска его рычаг-кулачок вращается
против часовой стрелки, а отгибка в кольца 12 отсекателей сколь¬
зит по его торцу. В конце работы механизма она попадает в вырез
а рычага-кулачка 21, и кольцо отсекателей начинает двигаться под
действием шатуна, как обычно при работе затвора: происходит его
срабатывание на той выдержке, на которой он был предварительно
установлен.
В новых автоматизированных фотоаппаратах применяются за¬
творы, схемы которых имеют много общего с затворами неавтома¬
тизированных камер. Так, например, затвор полуавтоматического
фотоаппарата «Восход» имеет ряд узлов, принципиально аналогич¬
ных затвору «Смена-8». Это узлы привода лепестков, заводной
и спусковой рычаги, механизмы торможения и др.
Отличаются новые затворы тем, что они имеют узлы для связи
шкал выдержек и диафрагм с узлом фотоэкспонометра, шкалами
значений диафрагм и выдержек, углы между индексами которых
равномерны.
Развитие современных затворов идет в направлении уменьше¬
ния выдержек. В настоящее время известны центральные затво¬
ры с выдержками до 1/2000 сек.
Шторно-щелевые затворы. В отличие от центральных затворов
шторно-щелевые освещают светочувствительный слой кадра не од¬
новременно, а частями. Наибольшее распространение в любитель¬
ских фотоаппаратах нашли шторно-щелевые затворы, у которых
щель проходит от одного края кадра к другому и постепенно экспо¬
нирует его.
На рис. 4. 13 схематически изображены объектив и затвор, щель
которого имеет ширину 50 и движется равномерно со скоростью V
справа налево. Расстояние от плоскости шторки до фокальной плос-
180
кости равно а. Рассмотрим точку Р, расположенную в фокальной
плоскости (на пленке). Эту точку проектирует конус лучей Н{Н2Р.
Если рассечь плоскостью шторки этот конус, то образуется круг
с диаметром АВ=Р. Очевидно, что за время прохождения шторки
мимо конуса лучей, ее путь 5 будет
(4. 7)
Величину О можно определить из подобия треугольников #1#2Р
и АВР:
Шторма,
Рис. 4.13. Схема шторно-щелевого
затвора
Если изобразить графиче¬
ски зависимость Р=[(1)
шторно-щелевого затвора (для
одной точки на кадре),
то она окажется аналогичной графику этой зависимости для
центрального затвора.
Коэффициент полезного действия для шторно-щелевых затво¬
ров определяется формулой
(4.11)
Из формулы (4. 11) следует, что ц тем больше, чем больше зна¬
чение х и 50 и чем меньше значение а. При конструировании штор¬
но-щелевых затворов стремятся уменьшить значение а, т. е. при¬
близить плоскость шторок к фокальной плоскости.
181
где к — высота конуса лучей;
й — диаметр основания
конуса лучей.
Величину й можно опреде¬
лить из формулы (4.2) отно¬
сительного отверстия объек¬
тива. На оправах объективов
всегда указывается значение
г и /. Величина к находится
из схемы.
Выдержка I в точке кадра
определяется по формуле
Подставляя в эту формулу
значение 5, получим
Открытие и закрытие светового отверстия шторно-щелевого за¬
твора «Зоркий» и «ФЭД» (рис. 4. 14) осуществляется прорезинен¬
ной шелковой заслонкой, состоящей из двух шторок. Выдержки ре¬
гулируются изменением ширины щели между шторками.
Рис. 4. 14. УстройсгБО шторно-щелевого затвора:
1, 5—шторки, 2, 8—валики, 3, 7—тесемки, 4—шкив, 6—ба¬
рабан, 9—собачка, 10, 12—кулачки, //—ось, 13—диск
экспозиций
Первая шторка 1 одним концом укреплена на натяжном вали¬
ке 2 (который стремится навернуть на себя шторку, так как он на¬
ходится под действием пружины), а другим связана тесемками 3
со шкивами 4. Вторая шторка 5 одним концом укреплена на сво¬
бодно вращающемся барабане 6, а другим соединена тесемками 7
с натяжным валиком 8, внутри которого также находится пружина.
При взводе затвора шторки накладываются одна на другую,
обеспечивая необходимую светонепроницаемость. В момент спуска
собачка 9 опускается вниз и захватывает своим зубцом кулачок 10.
Этот кулачок связан штифтом а с барабаном 6, свободно сидящим
на оси 11, на которой жестко укреплены шкивы 4. Под действием
пружины натяжного валика 2 через шторку 1 и тесемки 3 ось 11
начивает вращаться. Шторка 1 открывает часть кадра. Укреплен¬
ный на вращающейся оси кулачок 12 ударяет по собачке 9, чем
обеспечивает освобождение кулачка 10, при этом вторая шторка,
закрепленная на барабане 6, закрывает кадровое окно.
182
Диапазон перемещений кулачка 12, который фиксируется в от¬
верстиях диска экспозиций 13 с помощью штифта, позволяет изме¬
нять ширину щели между шторками от 1 до 40 мм. Это обеспечи¬
вает получение автоматических выдержек в пределах от 1/1000 до
1/25 сек.
Современные затворы снабжаются механизмами зажигания
и синхронизации работы затвора с лампами-вспышками.
Для яркого освещения предмета съемки в фотографии приме¬
няют мощные источники све¬
та, которые называются лам-
пами-вспышками. Они делят¬
ся на две группы: одноразо¬
вые и импульсные.
Одноразовые лампы-
вспышки выполняются из
стекла в виде небольшой про¬
зрачной колбочки, внутри ко¬
торой помещено сгорающее
с большой яркостью веще¬
ство (магний, алюминий и
др.). Чтобы лампы загорелись
необходимо замкнуть электри¬
ческую цепь, питающую лам¬
пу. Это осуществляет меха¬
низм синхронизации и зажигания лампы-вспышки, расположенный
внутри камеры или затвора.
Одноразовая лампа-вспышка не мгновенно разгорается до наи¬
большей яркости. Время разгорания ее достигает величины 20 мил¬
лисекунд. Горит лампа сравнительно долго (до 100 миллисекунд).
Импульсная лампа-вспышка является электронным прибором,
который рассчитан на несколько тысяч вспышек. Время разгорания
импульсной лампы не превышает 0,5 миллисекунды, время горения
ее около 1,2 миллисекунды.
Механизм зажигания и синхронизации должен обеспечить за¬
жигание лампы-вспышки и синхронизацию момента наибольшей
светоотдачи лампы с моментом полного открытия затвора.
В фотокамерах имеется один или два контакта, к одному из ко¬
торых присоединяется лампа-вспышка. Они обозначаются буквами
М и X (рис. 4. 15). При установке на контакт М электрическая цепь
лампы-вспышки будет замкнута за 20 миллисекунд до момента пол¬
ного открытия затвора. Это требуется для одноразовой лампы-
вспышки. Чтобы обеспечить сперва замыкание контакта и лишь че¬
рез 20 миллисекунд полное открытие затвора применяют тормоз¬
ные механизмы (в центральных затворах) и механизмы регулиров¬
ки (в шторно-щелевых затворах).
Установка на контакт X обеспечивает замыкание электрической
цепи лампы-вспышки в момент полного открытия затвора. Это тре¬
Рис. 4. 15. Схема работы узла синхро¬
контакта
183
буется для импульсной лампы-вспышки, так как она разгорается
очень быстро.
Поскольку центральные затворы открываются от центра объек¬
тива к краям, импульсными лампами можно пользоваться при уста¬
новке затвора на любой выдержке. Контакт X обеспечит зажигание
лампы в момент полного открытия затвора.
Шторно-щелевые затворы не на всех выдержках одновременно
освещают весь кадр (так как щель затвора на выдержках от
1/1000 до 1/50 сек меньше ширины кадра), поэтому затвор следует
устанавливать на выдержку 1/25 сек или более длительную, на ко¬
торых щель затвора открывает весь кадр одновременно.
В настоящее время наибольшее распространение получают
центральные затворы, благодаря удобству работы с различными
лампами-вспышками, малым габаритам и малой зависимости от
низких температур. Шторно-щелевые затворы предпочитают в тех
случаях, когда надо применять сменные объективы на одном фото¬
аппарате.
Дальномер
Дальномером фотоаппарата называется оптико-механическое
устройство, с помощью которого производится фокусировка объек¬
тива на предмет съемки. В случае наличия дистанционной шкалы
у объектива одновременно определяется расстояние от фотоаппара¬
та до предмета съемки.
В фотоаппаратах фокусировка (наводка на резкость) осуще¬
ствляется тремя способами: визуальным (по матовому стеклу),
глазомерным (с помощью шкалы расстояний) и оптико-механиче¬
ским (с помощью дальномера). Наиболее точно фокусировка осу¬
ществляется с помощью оптического дальномера.
Дальномеры, применяемые в фотоаппаратах, разделяются на
несколько групп, среди которых наиболее распространены дально¬
меры с призмой (см. гл. VIII).
Видоискатель
Видоискателем называется узел фотоаппарата, служащий для
ориентации его относительно объекта съемки с целью выбора не¬
обходимых границ кадра. Видоискатели подразделяются на рамоч¬
ные и оптические.
Рамочный видоискатель имеет две рамки прямоугольной
формы, расположенные на определенном расстоянии друг от дру¬
га. Рамочный видоискатель прост по конструкции, позволяет ви¬
деть снимаемый объект в натуральную величину без искажений.
В настоящее время применяется редко из-за больших ошибок при
визировании.
Среди оптических видоискателей наибольшее распростра¬
нение получили визиры прямого зрения, которые состоят из отри-
184
дательной линзы — объектива и положительной линзы — окуляра.
Визир дает четкое прямое изображение, но сильно уменьшенное.
Для обеспечения более точного визирования и возможности на¬
блюдать движущийся объект съемки еще до того момента, как он
попадает в поле зрения съемочного объектива, разработаны видо¬
искатели со светящимися рамками. Рамки ограничивают угол поля
зрения, соответствующей съемочному объективу. Наблюдатель
может видеть предмет съемки
и за рамками, так как угол поля
зрения визира больше.
Рамка видоискателя (рис.
4.16) находится в фокальной
плоскости линзы 4 и поэтому
кажется наблюдателю удаленной
на плоскость наведения. В каме¬
рах высокого класса визир и
дальномер объединяют в один
узел с единым окуляром.
В современных камерах с ме¬
ханизмами полуавтоматической
или автоматической установки
значений выдержек и диафрагм
часто вводят в поле зрения ви¬
зира стрелку экспонометра, шка¬
лы диафрагм, выдержек и другие
сигналы, которые помогают любителю быстро произвести съемку,
не отрывая глаза от окуляра.
Фотоэкспонометр
Плотность проявленного фотографического слоя зависит от экс¬
позиции, которая выражется произведением освещенности на
время действия света на фотоматериал:
где Н — экспозиция в люкс-секундах:
Е — освещенность в люксах;
I — время освещения фотоматериала в секундах.
При фотографировании значение I определяется затвором, а Е—
яркостью объекта съемки и величиной эффективного относительно¬
го отверстия объектива. Чтобы в результате съемки и последующей
обработки получить негатив нормальной плотности, следует перед
съемкой установить на фотоаппарате определенное сочетание зна¬
чений выдержки и диафрагмы.
Негативом нормальной плотности следует считать такой нега¬
тив, который тонально правильно передает на позитиве яркости
снимаемого предмета.
Рис. 4. 16. Схема видоискателя:
1—объектив, 2—полупрозрачное зер¬
кало, 3— окуляр, 4—линза, 5—зеркало,
6—рамка, 7—окно видоискателя
185
Условия правильного экспонирования определяются формулой
где б—яркость снимаемого объекта в нитах;
г — знаменатель относительного отверстия;
I — время выдержки;
5 — светочувствительность фотоматериала;
К — коэффициент (принимается равным 12,8).
Значение коэффициента К устанавливается опытным путем по
результатам большого числа пробных съемок на различных фото¬
материалах с учетом единиц измерения величин, вводящих в урав¬
нение, и др.
Из формулы (4. 13) видно, что значение г2И в каждом конкрет¬
ном случае непосредственно перед съемкой должно иметь опреде¬
ленную величину, так как остальные члены формулы (В, 8 и К)
принимаются постоянными.
Искомое отношение можно записать в виде
где Ь—'Экспозиционное число. Подставим значение 21 в формулу
(4. 13). После ее логарифмирования и преобразования получим
Экспозиционное число устанавливает условие правильного экс¬
понирования при фотографировании, т. е. соотношение между эф¬
фективной выдержкой 1эфф и относительным отверстием 1 : г объек¬
тива при определенных значениях В, 5 и К.
Экспозиционные числа образуют (с округлением) следующий
ряд: ... —2; —1; 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; И; 12; 13; 14; 15;
16; 17; 18; 19; ... . Этот ряд может быть получен, если подста¬
вить в формулу (4. 16) значения эффективных выдержек, даваемых
затвором, из ряда 1; 1/2; 1/4; 1/8; 1/15; 1/60; 1/125; 1/250; . . . сек
(см. ГОСТ 3268—57) и знаменателей относительных отверстий,
создаваемых диафрагмой объектива: 1; 1,4; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16;
22; . . . (см. ГОСТ 2600—44).
Ряд эффективных выдержек получен из зависимости
эфф
где п — целое положительное или отрицательное число.
Ряд относительных отверстий можно определить по формуле
где т — целое положительное или отрицательное число.
186
Увеличение экспозиционного числа на единицу указывает на
необходимость уменьшить вдвое выдержку (на одно деление
шкалы затвора) или увеличить на одно деление шкалы относитель¬
ное отверстие объектива.
Каждому экспозиционно¬
му числу соответствует
группа сочетаний относи¬
тельных отверстий и вы¬
держек, дающих для дан¬
ного объекта фотографи¬
рования неизменную со¬
вокупность экспозиций.
Номограмма экспози¬
ционных чисел (рис. 4. 17)
для фотоаппаратов позво¬
ляет установить диапазон
экспозиционных условий,
которые могут быть осу¬
ществлены данным фото¬
аппаратом.
Например, прямоуголь¬
ник, показанный на номо¬
грамме штриховой лини¬
ей, охватывает диапазон
относительных отверстий
от 1 :2,8 до 1 : 22 и вы¬
держек от 1/30 до 1/500
в фотоаппарате «Зор¬
кий-10». В прямоуголь¬
ник входят И экспо¬
зиционных чисел от 8
до 18.
Число ступеней шкалы экспозиционных чисел на фотографичес-
ком аппарате должно соответствовать количеству автоматических
выдержек на затворе а и количеству делений шкалы относительных
отверстий объектива б. Минимальное число ступеней
1
Рис. 4. 17. Номограмма экспозиционных чисел
(4.18)
Введение шкал экспозиционных чисел на затворы (например,
фотоаппарат «Юность») и применение экспонометров значительно
упрощают установочные операции перед съемкой. Это дает воз¬
можность во многих случаях устанавливать одно значение Ь вместо
двух значений г и I. Необходимо иметь в виду, что с появлением
механизмов, устанавливающих полуавтоматически или автомати¬
чески эти значения, в литературе и в любительской практике широ¬
кое распространение нашли неточные термины «полуавтоматичес¬
кая или автоматическая установка экспозиции», под которыми под¬
187
разумевается установка значений г и I. Такие механизмы будем
называть «механизмами полуавтоматической или автоматической
установки экспозиционных параметров».
Подбор правильного сочетания выдержки и диафрагмы (экспо¬
зиционных параметров) осуществляется в фотографии различными
способами: а) опытным путем; б) по таблицам; в) с помощью фо¬
тоэкспонометра. Определение этих величин опытным путем или
с помощью таблиц не гарантирует быстрого и успешного решения
задачи.
Рис. 4. 18. Схема экспонометра:
/—окно, 2— фотоэлемент, 3—магнит, 4—*рамка гальванометра. 5—стрелка, 5—по¬
тенциометр, 7—шкала выдержек, 8—шкала чувствительности пленки, 9—шкала
диафрагм
Наиболее распространен метод определения экспозиционных па¬
раметров с помощью экспонометра. Он определяет сочетания значе¬
ний выдержек и диафрагмы для данной яркости объекта съемки
с учетом значения чувствительности пленки.
Фотоэкспонометры применяются отдельно от фотоаппарата или
встраиваются в него. Наша промышленность выпускает экспоно¬
метры типа «Ленинград-2».
В фотоаппарате «Киев-Ш» экспонометр (рис. 4. 18) встроен
в камеру, но не связан с механизмом установки выдержки и диа¬
фрагмы. Лучи света, идущие от объекта съемки, проходят череч
рифленую прозрачную пластинку 1, ограничивающую поле зрения
экспонометра, падают на фотоэлемент 2 и возбуждают в нем фо¬
тоток.
Сила фототока зависит от степени освещенности фотоэлемента
и измеряется при помощи гальванометра, который состоит из маг¬
нита 3 и подвижной рамки гальванометра 4 со стрелкой 5.
В цепь между гальванометром и фотоэлементом включен рео¬
стат 6, ползунок которого соединен с диском 7, вращающимся на
оси; диск снабжен шкалой выдержек. На этой же оси жестко за¬
188
креплен диск 8 со шкалой чувствительности заряженной пленки
и свободно вращающийся диск 9 со шкалой относительных отвер¬
стий объектива и индексом (на рисунке диски изображены схема¬
тически в развернутом виде). Эта система шкал носит название
калькулятора.
Для определения выдержки фотоаппарат с экспонометром на¬
правляют на объект съемки. Вращением диска относительных от¬
верстий совмещают имеющийся на нем индекс с одной из цифр на
шкале чувствительности, соответствующей заряженной в камере
пленке, после чего вращением нижнего диска (со шкалой выдер¬
жек) добиваются такого положения, при котором стрелка будет
совмещена с ромбическим знаком на шкале гальванометра. В этом
случае каждому значению диафрагм, обозначенному на шкале от¬
носительных отверстий, будет соответствовать выдержка, нанесен¬
ная на диске 7.
Выбрав нужные по сюжету съемки значения I и г, устанавли¬
вают их на затворе и объективе и производят съемку.
Механизмы полуавтоматической установки
экспозиционных параметров
Описанный выше способ определения экспозиционных парамет¬
ров не удовлетворяет многих любителей и профессионалов, так как
требует проведения дополнительных операций по установке значе¬
ний выдержек и диафрагм на фотоаппарате перед съемкой.
Для сокращения времени, необходимого для подготовки к съем¬
ке, а также упрощения пользования фотоаппаратом, в настоящее
время выпускаются камеры с механизмами полуавтоматической ус¬
тановки экспозиционных параметров. Это потребовало изменения
конструкции затвора и диафрагмы. Шкалы затворов и диафрагм
изменены таким образом, чтобы при переходе от одного соседнего
значения к другому выдержка и диафрагма изменялась в два раза.
Шкала* чувствительности пленки так же имеет равномерный ряд.
Равномерные ряды шкал позволили разработать весьма простые
конструкции механизмов полуавтоматической установки экспози¬
ционных параметров.
На рис. 4. 19 приведена схема механизма полуавтоматической
установки одного из экспозиционных параметров, работающих по
принципу совмещения двух стрелок. Стрелка 1 принадлежит фото¬
экспонометру, встроенному в фотоаппарат и кинематически с его
узлами не связанному. Стрелка 2 принадлежит механизму полуав¬
томатической установки.
В этот механизм входят: вращающиеся шкалы выдержек 3
и диафрагм 4, кулачок 5} механически с ними связанный, штифт 6,
рычаг 7, штифт 8 и зубчатая пара 9 и 10. На оси последнего колеса
закреплен кулачок 11, который поворачивает стрелку 2. Вращая
шкалу выдержек или диафрагм, совмещают стрелку 2 с индексом 1.
189
В момент их совмещения экспозиционные параметры будут пра¬
вильно установлены.
С целью учета в работе фотоэкспонометра чувствительности за¬
ряженной в фотоаппарате пленки применяют различные способы,
Рис. 4. 19. Схема полуавтомата с центральным за¬
твором:
/—индекс, 2—стрелка, 5—‘кольцо выдержек, 4—шкала диа¬
фрагм, 5—профиль кулачка, 6—щуп, 7—рычаг, 8—толка¬
тель, 9 и 10—шестерни, И—«кулачок
например диафрагмирование фотоэлемента или предварительный
разворот корпуса экспонометра со стрелкой. Для этого на фотоап¬
паратах имеется шкала установки чувствительности пленки
Механизмы автоматической установки
экспозиционных параметров
В полуавтоматических фотоаппаратах необходимо выполнять
операции по совмещению стрелок, а также заранее устанавливать
значение выдержки или диафрагмы.
В автоматических фотоаппаратах экспонометрическая формула
решается механизмами камеры без участия снимающего. Чтобы
сфотографировать таким фотоаппаратом, достаточно посмотреть
в визир и убедиться, что там, например, виден зеленый сигнал
(марка), который свидетельствует, что съемка возможна. Если све¬
товые условия не подходят для пленки той чувствительности, ко¬
торой заряжен фотоаппарат, то появится красный сигнал — сни¬
мать нельзя.
В некоторых автоматических фотоаппаратах нет шкал выдер¬
жек. Снимающий не знает какая выдержка была в момент съемки.
Известны камеры с автоматической установкой значения диафраг¬
мы при условии предварительного выбора значения выдержки. Су¬
ществует много схем автоматической установки экспозиционных
190
параметров в фотоаппарате. Рассмотрим наиболее распростра¬
ненные.
Установка диафрагмы объектива экспонометром. Отраженный
объектом съемки свет попадает на фотоэлемент 1 (рис. 4.20), обес¬
печивающий поворот рамки гальванометра 2. При этом происходит
вращение двух сцепленных с ней диафрагмирующих дисков 3, рас¬
положенных позади объектива 4. В дисках имеются серповидные
отверстия переменной ширины, которые в зависимости от угла по¬
ворота рамки образуют световое отверстие различной величины.
Стрелка-индекс 5 служит указателем величины диафрагмы на
шкале.
Как правило, такая схе¬
ма применяется в упрощен¬
ных любительских фотоап¬
паратах с одной выдержкой.
Механический способ
автоматической установки
экспозиционных параметров
заключается в фиксации
стрелки гальванометра в по¬
ложении, соответствующем
средней яркости фотографи¬
руемого объекта, в пере¬
даче этого положения неко¬
торым ступенчатым профи¬
лем (кулачком) установоч¬
ным кольцам выдержек и
диафрагм. Принципиальная
схема устройства, основан¬
ного на этом методе, приве¬
дена на рис. 4.21. Здесь показан ступенчатый движок, который
для установки диафрагмы и выдержки движется к стрелке. В за¬
висимости от отклонения стрелки экспонометра движок стопо¬
рится раньше или позже. На движке имеется две зубчатые рейки,
передающие движение одновременно на установочные кольца вы¬
держек и диафрагм.
На рис. 4. 22 показана одна из возможных схем автоматической
установки экспозиционных параметров с центральным затвором.
При нажатии спусковой кнопки 1 затвора освобождается пружина
2У и ступенчатый рычаг 3 зажимает стрелку 4 гальванометра. Дви¬
жение штока 5 через рычаг 6 передается на улавливающий рычаг
7, который разворачивается по направлению центра затвора и за¬
нимает положение, соответствующее отклонению стрелки гальва¬
нометра.
При нажатии спусковой кнопки начинает вращаться также про¬
граммное кольцо 8, которое движется до встречи с улавливающим
рычагом 7 ступенчатого профиля 8а. Кулачки 86 и 8в на програм¬
мном кольце устанавливают регулировочные штифты 9 и 10 выдер¬
Рис. 4.20. Схема автоматической уста¬
новки экспозиции:
1—фотоэлемент, 2—гальванометр, 3—диски, 4—объ¬
ектив, 5—стрелка-индекс
191
жек и диафрагм. Пользование фотоаппаратом, имеющим подобный
механизм значительно упрощено. Чтобы подготовиться к съемке
достаточно после зарядки аппарата пленкой установить ее чувст¬
вительность по специальной шкале.
На рис. 4. 23 приведена кинематическая схема механизма авто¬
матической установки экспозиционных параметров в фотоаппарате.
Установка чувствительности плен¬
ки осуществляется разворотом галь¬
ванометра. При вращении головки
со шкалой Л при отжатой собачке 2,
через эксцентрик 3 гальванометр 4
разворачивается против часовой
стрелки (если смотреть на него сверху). Под действием тока,
возникающего в фотоэлементе, стрелка 5 поворачивается по часо¬
вой стрелке. Таким образом создается дополнительный противо¬
действующий момент у пружины гальванометра (при переходе
к меньшей чувствительности), который нужно преодолеть фото¬
току до момента начала движения стрелки. При невзведенном за¬
творе стрелка гальванометра зажата между неподвижными
кольцами 6 и подвижными рифлеными кольцами 7.
Взвод затвора осуществляется курком 8. При взводе спусковой
шток 9 поднимается вверх и коромысло 10, поворачиваясь вокруг
192
Рис. 4.21. Схема автомати
ческой установки г ъ I
Рис. 4.22. Схема автоматиче¬
ской установки г и I в цент¬
ральном затворе:
а—положение деталей до спуска
затвора, б—положение деталей
в момент спуска:
1—кнопка, 2—пружина, 3—рычаг,
4—стрелка гальванометра, 5—шток,
6 и 7—рычаги, 8—кольцо, 8а—сту¬
пенчатый профиль, 86 и 8в— кулач¬
ки, 9 и Ю—штифты
своей оси, отводит кольца 7 по направляющим прорезям от обоих
колец 6. Стрелка гальванометра освобождается и устанавливается
в положении, соответствующем световым условиям. Взвод затвора
производится через шестерни 11, 31, рейку 12, шестерни 13 и 14
и шестеренчатое кольцо 15, которое удерживается собачкой 16 во
взведенном положении. Кольцо 15 своим выступом толкает штифт
17 кольца диафрагмы 18, которое, разворачиваясь, открывает пол¬
ностью отверстие объектива. От кольца 18 через шестерни 19 и 20
Рис. 4.23. Схема автоматического фотоаппарата:
/—головка со шкалой, 2—собачка, 3—эксцентрик, 4—гальванометр,
5—стрелка, 6—неподвижные кольца, 7—^подвижные кольца, 5—курок,
9—шток, 10—коромысло, 11, 13, 14, 19, 20, 24, 25, 26, 30 и 31—шестерни,
12— рейка, 15—кольцо, 16—собачка, 17—штифт, 18—кольцо диафрагмы,
21—кольцо, 22—кольцо выдержек, 23—каретка, 27—рейка, 28—штифт,’
29—чцуп
вращение передается на кольцо 21, которое устанавливает кольцо
выдержек 22 в положении максимальной выдержки (1/30). При
этом каретка 23 устанавливается в крайнее левое положение через
передачу из шестерен 24, 25, 26. Каретка 23 тянет рейку 27 при по¬
мощи штифта 28. Щуп 29, жестко укрепленный на шестерне 30, ус¬
танавливается в крайнее правое положение. В этом положении
фотоаппарат подготовлен к съемке.
При нажиме на спусковой рычаг (на схеме не показан) прежде
всего опускается шток 9 и освобождается коромысло 10. Освобо¬
жденные кольца 7 под действием пружины прижимаются к коль¬
цам 6, зажимая стрелку гальванометра 5 в положении, соответст¬
вующем световым условиям.
13 805
193
При дальнейшем движении штока 9 вниз разворачивается со¬
бачка 16, освобождая кольцо 15, которое под действием пружины
вращается в обратном направлении. За кольцом 15 под дей¬
ствием пружины разворачивается кольцо диафрагмы 18, закрывая
диафрагму. Связанное с кольцом 18 кольцо. 21 также поворачи¬
вается в обратную сторону, а за ним под действием пружины сле¬
дует кольцо регулировки выдержек 22. Каретка 28 при этом дви¬
жется также в обратном направлении (вправо), но ее перемещение
ограничивается положением щупа 29, который при соприкоснове¬
нии с зажатой стрелкой гальванометра останавливается. Одновре¬
менно прекращается движение колец 18 и 22. Таким образом авто-
Рис. 4. 24. Программа работы автоматического
фотоаппарата
матически выбираются правильные величины диафрагмы и вы¬
держки.
Большинство фотоаппаратов с автоматической установкой экс¬
позиционных параметров работают по рассчитанным программам
(«Зоркий-10», «Зоркий-11» и др.).
На рис. 4. 24 представлена программа работы автоматического
фотоаппарата. По оси ординат отложены выдержки затвора, по оси
абсцисс — относительные отверстия. Программа, заложенная в ос¬
нову действия автомата, построена в следующем порядке. Нач-иная
от экспозиционного числа 8, соответствующего выдержке 1/30 сек
и относительному отверстию 1 : 2,8, выдержка и диафрагма плавно
и одновременно уменьшаются до значений 1/250 сек и
1:8, а затем при постоянной выдержке 1/250 сек значение диа¬
фрагмы уменьшается до 1 :22, что соответствует экспозиционному
числу 17. Быстрое и одновременное уменьшение выдержки и диа¬
фрагмы хорошо тем, что при этом маловероятны как «смазывание»
при съемке быстродвигающихся объектов, так и малая глубина рез¬
кости при съемке пейзажей. При достаточно высоком уровне осве¬
щенности можно с большей вероятностью рассчитывать на получе¬
ние резких и правильно экспонированных снимков.
Автоматическая установка экспозиционных параметров очень
удобна для лиц, не имеющих опыта фотографирования, так как га¬
рантирует получение правильно экспонированных снимков.
194
Описанные выше методы установки экспозиционных параметров
основаны на экспонометрических устройствах, в состав которых
входят селеновые фотоэлементы. Селеновые фотоэлементы имеют
ряд недостатков: небольшой диапазон чувствительности, резкое из¬
менение чувствительности в зависимости от температуры. В настоя¬
щее время разработаны системы, в которых фотоэлементы замене¬
ны сернисто-кадмиевыми фотосопротивлениями, имеющими боль¬
шие преимущества по сравнению с фотоэлементами.
В отечественной автоматической кинокамере «Лада» применено
сернисто-кадмиевое фотосопротивление.
4.3. СОВРЕМЕННЫЕ ФОТОАППАРАТЫ
Оптико-механическая промышленность выпускает десятки моде¬
лей фотоаппаратов, предназначенных для любительской, профес¬
сиональной и специальной фотосъемки. Наибольшее число фотоап¬
паратов выпускается для любительских целей.
Одной из важнейших характеристик фотоаппаратов являете#
размер кадра (табл. 4.3).
Таблица 4. 3
Размеры кадрового окна и классификационная терминология
фотоаппаратов
Миниатюрные
мм
Малоформатные
мм
Среднеформат¬
ные
мм
Крупноформат¬
ные
мм
10X14; 14X21
18X24; 24X24;
40X40; 45X60;
90X120; 130x180
24X36
60X60; 60X90;
180X240
65X90
Основные характеристики наиболее распространенных совре¬
менных отечественных фотоаппаратов приведены в табл. 4. 4.
К миниатюрным фотоаппаратам относится самая маленькая
отечественная камера «Киев-Вега» (рис. 4.25).
Объектив аппарата, благодаря малому фокусному расстоянию,
имеет большую глубину резкости, поэтому им можно фотографи¬
ровать на расстояниях от 2 ж до «бесконечности», не наводя на рез¬
кость. Взвод затвора сблокирован с перемоткой пленки. Кассета
фотоаппарата заряжается пленкой шириной 16 мм и позволяет по¬
лучить 20 снимков.
К малоформатным фотоаппаратам относятся камеры «Ленин¬
град», «Восход», «Старт» и все модификации фотоаппаратов «Сме*
на», «Зоркий», «Киев», «ФЭД», «Зенит», «Весна» и др.
Фотоаппарат «Восход» (рис. 4. 26) является полуавтоматичес¬
кой камерой, предназначенной для начинающих и опытных фотолю¬
бителей. Отличительной особенностью фотоаппарата является
13*
195
Основные типы современных
Наименова¬
ние фото¬
аппарата
Формат
кадра
мм
Съемочный
объектив
(основной)
Визир
Устройство
для наводки
на резкость
Тип затвора
„Киев-
Вега“
10X14
„Индустар-М*
3,5/23,1
Оптичес¬
кий
Нет
Шторный
„Смена-8“
24X36
„Т-22-
4,0/40
То же
Шкала
расстояний
Центральный
Восход"
24x36
„Т-48“
2,8/45
п
То же
»
,ФЭД-3“
24X36
*Индустар-26М“
2,8/50
Объединенный опти¬
ческий визир-дальномер
Шторный
жЗоркий-6“
24X36
„Индустар-26М“
2,8/50
То же
Шторный
,3оркий-10“
24X36
„Индустар-63“
2,8/40
-
Центральный
„Ленин¬
град"
24X36
„Юпитер-8“
2/50
»
Шторный
„Киев-4“
24X36
„Юпитер-8“
2/50
»
•
„3енит-3“
24X36
„Индустар-26М*
2,8/50 или „Ге-
лиос-44“, 2/58
Зеркальный визир-
дальномер. Наводка на
резкость по матовому
стеклу
•
,Зенит-5“
24X36
„Вега-3“
2,8/50
Зеркальный визир-
дальномер
Центральный
„Зенит-6“
24X36
„Рубин-1Ц“
2,8/37—80
То же
я
жСтарт“
24X36
„Г елиос-44“
2/58
Зеркальный визир-
дальномер. Наводка на
резкость по матовому
стеклу
Шторный
„Люби¬
тель-2"
60X60
»„Т-22“
4,5/75
То же
Центральный
■
196
4.4
о
<ы
СО «V»
180
350
750
900
675
750
900
1065
960
1160
1700
1300
570
197
отечественных фотоаппаратов]
Неавтоматичес¬
кий
То же
Полуавтомати¬
ческий
Неавтоматичес¬
кий
То же
Автоматический
Неавтоматичес¬
кий
То же
Полуавтомати¬
ческий
То же
Неавтоматичес'
кий
То же
Обозначе¬
ния на шка¬
ле выдер¬
жек
Синхронизация
с лампами-
вспышками
2 «
Ь о
3 ^
< в
Г абаритные
размеры
мм
В, 30, 60,
200
Х-контакт
Нет
24,5X43,5X83
В, 15, 30,
60, 125, 250
Есть
64X82X121
В, 1,2,4,
8, 15, 30,60,
125, 250
•
Нет
68X80X140
В, 1,2,4,
8, 15, 30,
60, 125, 250,
500
*
Есть
90X95X175
В, 30, 60,
125, 250, 500
X и М-контак-
ты
•
70X80X136
В,30... 500
(бесшкаль-
ный)
Аг-контакт
»
76X77X129
Д,В, 1,2,
4, 8, 15, 30,
60, 125, 250,
500, 1000
Регулируемый
контакт с упреж¬
дением от 0 до
20 миллисекунд
»
70X90X150
В, 2, 5, 10,
25, 50, 125,
250, 500,
1250
АГ-контакт
60X89X150
В, 30, 60,
125, 250, 500
Регулируемый
контакт от 0 до
25 миллисекунд
»
100X106X153
В, 1,2, 4,
8, 15, 30,
60, 125,250,
500
X и М-коитак-
ты
84x114x141
В, 1,2,4,
8, 15, 30,
60, 125, 250,
500
То же
»
104X141X179
В, 1,2,5,
10, 25, 50,
100,250, 500,
1000
»
114X133X176
В, 15,30,
60, 125, 250
А'-контакт
п
90X95X125
Наименова¬
ние фото¬
аппарата
Формат
кадра
мм
Съемочный
объектив
(основной)
Визир
Устройство
для наводки
на резкость
Тип затвора
„Салют"
60X60
„Индустар-29“
2,8/80
Линза Френеля (в
системе зеркальной на¬
водки) с дальномерны-
ми клиньями
Шторный
„Искра"
60X60
„Индустар-58“
3,5/75
Объединенный опти¬
ческий визир-дальномер
Центральный
„ФК 13X18“
130Х
Х180
„Индустар-51“
4,5/210
По матовому стеклу
Нет
вертикальная компоновка корпуса камеры, визира и шкал, что соз¬
дает большие удобства при съемке вертикально расположенного
кадра.
Камера снабжена объективом типа «Т-48» с относительным от¬
верстием 1 :2,8 и фокусным расстоянием 45 жж. Наводка на рез¬
кость осуществляется по шкале расстояний. Затвор — центральный,
с выдержками от 1 до 1/250 сек. Завод затвора и протягивание
пленки производятся одним движением рычага. Камера снабжена
механизмом обратной перемотки и шкалой-памяткой типа заря¬
женной пленки.
В поле зрения визира имеется светящаяся рамочка для точного
определения границ кадра и стрелка экспонометра. Чтобы правиль¬
но установить экспозиционные параметры, необходимо, наблюдая
в визир, вращать шкалу выдержек или диафрагм до момента уста¬
новки стрелки экспонометра в центре светящейся рамки.
Возможность осуществления этой операции, не отрывая глаза
от фотоаппарата, создает дополнительные удобства для быстрого
получения снимка.
Фотоаппарат «Ленинград» (рис. 4.27) является любительской
камерой высокого класса и рассчитан для работы со сменными
объективами типа «Юпитер». Основной объектив — «Юпитер-8»,
относительное отверстие 1 :2, фокусное расстояние 50 мм.
В набор объективов входят: 1) «Юпитер-3»,относительное от¬
верстие 1 : 1,5 фокусное расстояние 50 мм; 2) «Юпитер-9», относи¬
тельное отверстие 1 : 2, фокусное расстояние 85 жж; 3) «Юпитер-11»,
относительное отверстие 1 :4, фокусное расстояние 135 жж;
4) «Юпитер-12», относительное отверстие 1 :2,8, фокусное расстоя¬
ние 35 жж. В поле зрения светосильного визира-дальномера име¬
ются рамочки, соответствующие полю зрения каждого сменного
объектива.
Отличительной особенностью фотоаппарата «Ленинград», яв¬
ляется механизм автоматического завода затвора и протягивания
198
Продолжение
Способ уста¬
новки экспо¬
зиционных
параметров
Обозначе¬
ния на шка¬
ле выдер¬
жек
Синхронизация
с лампами-
вспышками
Авто¬
пуск
Габаритные'
размеры
мм
Вес
г
Неавтоматичес¬
кий
В, 2, 4, 8,
15, 30, 60,
125, 250,500,
1000, 1500
X и М-контак-
ты
Есть
102X105X180
1600
То же
В, 1,2, 4,
8, 15,30,60,
125, 250, 500
X и М-контак-
ты
Есть
48X110X152
850
-
Нет
Нет
Нет
100X270X275
5700
пленки. Этот механизм позволяет производить скоростную съемку
с частотой до трех кадров в секунду. Двигателем служит плоская
пружина часового типа. Полный завод пружины позволяет вести
автоматическую съемку 10—15 кадров подряд.
Быстрая подготовка аппарата к работе обеспечивает успешную
съемку спортивных, научных и других сюжетов.
К среднеформатным фотоаппаратам относятся следующие ка¬
меры: «Салют», «Спутник», «Эстафета», «Любитель», «Москва»,
«Искра» и др.
Фотоаппарат «Любитель-2» (рис. 4. 28) является двухобъектив¬
ной зеркальной камерой, предназначенной для любительских съе¬
мок. Отличительной особенностью камеры является узел визирова¬
ния и наводки на резкость. Визир обеспечивает крупное и яркое
изображение. Наводка на резкость осуществляется вращением пе¬
редней линзы съемочного объектива и всего объектива визира, ко¬
торые связаны двумя зубчатыми колесами и поэтому вращаются
одновременно.
Наблюдение за резкостью производится с помощью установоч¬
ной лупы путем выбора наибольшей резкости изображения на ма¬
товом кружке коллективной линзы видоискателя.
К крупноформатным камерам относятся фотоаппараты «ФК
13X18» и «ФК 18X24».
Профессиональная камера «ФК 13X18» (рис. 4.29) предназна¬
чена для технических съемок и лабораторных работ. Камера по¬
зволяет производить двойное растяжение меха, что обеспечивает
съемку в масштабе 1:1. Наводка на резкость производится по ма¬
товому стеклу на задней стенке камеры. В комплект камеры вхо¬
дят двойные кассеты и штатив.
4.4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ФОТОГРАФИРОВАНИЯ. АППАРАТУРА
К специальным видам фотографии относятся стереоскопическая,
одноступенная, подводная и другие виды съемки.
199
Рис. 4. 25. Фотоаппарат «Киев-вега»:
/—съемочный объектив, 2—спусковая кнопка,
3—видоискатель, 4— гнездо синхроконтакта
Рис. 4.26. Фотоаппарат «Вос¬
ход»
200
Рис. 4. 27. Фотоаппарат «Ленинград»
Рис. 4. 28. Схема фотоаппарата
«Любитель-2»
1—установочная лупа, 2—коллек¬
тивная линза видоискателя с ма¬
товым кружком внизу, 3—фото¬
пленка, 4—фотообъектив, 5—объек¬
тив видоискателя. 5—зеркало
201
Рис. 4.29. Фотоаппарат «ФК 13X18»
202
Рис. 4. 30. Фотоаппарат «Спутник»
Стереоскопическая фотография
При рассмотрении пары стереоскопических снимков через сте¬
реоскоп у наблюдателя возникает эффект объемного, пространст¬
венного изображения. Стереофотосъемка находит большое приме¬
нение в научных исследованиях, технике и любительской фото¬
графии.
Стереоскопический фотоаппарат «Спутник» (рис. 4.30) отно¬
сится к среднеформатным камерам с размером одиночного кадра
6X6 см. Аппарат снабжен двумя съемочными объективами «Т-22»,
которые имеют фокусное расстояние 75 мм и относительное отвер¬
стие 1 : 4,5. Затворы центральные, трехлепестковые с автоматичес¬
кими выдержками от 1/125 до 1/10 сек и выдержкой «В», регули¬
руемой от руки.
Наводка на резкость может осуществляться двумя способами:
1) установкой объектива по шкале расстояний; 2) путем выбора
наилучшей резкости изображения на матовом пятне видоискателя
при вращении передней линзы объектива.
Обе передние линзы съемочных объективов и объектив визира
соединены друг с другом с помощью трех зубчатых колес, которые
обеспечивают синхронную наводку на резкость. Затворы снабжены
механизмами автопуска и синхронизации. Одна зарядка пленки
позволяет производить шесть стереоскопических или двенадцать
одиночных снимков.
Одноступенный фотографический процесс
Этот процесс позволяет получить через одну минуту после
съемки готовый позитив непосредственно в фотоаппарате «Момент»
(рис. 4.31). Все операции по проявлению и фиксированию фото¬
материала осуществляются одновременно благодаря фотокомплек¬
ту, названному также «Момент».
Получение готовой карточки с помощью одноступенного процес¬
са сводится к следующему. Произведя съемку того или иного объ¬
екта фотоаппаратом «Момент», как и обычным фотоаппаратом, не¬
обходимо вытянуть выступающий из аппарата конец бумаги, подо¬
ждать одну минуту, открыть заднюю крышку фотоаппарата и вы¬
нуть из него готовую фотокарточку.
Внутри фотоаппарата происходит следующее. Во время съемки
свет отражается от снимаемого предмета и, пройдя объектив фото¬
аппарата, попадает на светочувствительную негативную бумагу 4.
При вытягивании конца бумаги из аппарата оба рулона — нега¬
тивный и позитивный — раскручиваются, при этом негативная лен-
лента прижимается эмульсионной стороной к позитивной и о-бе они
одновременно проходят мимо массивных роликов 3, которые при¬
жимаются друг к другу сильной пружиной.
При прохождении между роликами ампула 1 раздавливается
и проявляющая паста равномерно распределяется по соприкасаю¬
щемся поверхностям обеих лент. После этого обе ленты неподвиж-
203
Рис. 4.31. Схема фотоаппарата
«Момент»:
У—ампулы с проявителем, 2— пози¬
тивный материал, 3—ролики, вы¬
давливающие проявитель из ам¬
пулы, 4—-негативный материал
Рис. 4.32. Фотобокс «УКП»
204
но лежат, прижатые друг к другу, в течение одной минуты. За это
время происходит проявление негатива и перенос изображения
с негатива на позитив путем диффузии. Изображение получается
благодаря выделению металлического серебра на позитивной лен¬
те, поэтому фотография не требует никакой дополнительной обра¬
ботки и может сохраняться долгое время.
Фотоаппарат «Момент» имеет объектив с фокусным расстоя¬
нием 135 мм и относительным отверстием 1:6,8'. Диапазон выдер¬
жек затвора — от 1/10 до 1/200 сек. Наводка на резкость осущест¬
вляется по метражной шкале, визирование—по зеркальному и ра¬
мочному видоискателю. Комплект «Момент» позволяет получить
восемь позитивов размером 8,5X10,5 см.
Подводная фотография
Подводная фотография имеет большое значение для изучения
водных бассейнов, их животного и растительного мира. Велико ее
значение также для строительных, ремонтных и других работ под
водой.
Для съемки под водой применяются водонепроницаемые боксы,
в которые вставляется^фотоаппарат. Боксы защищают фотоаппарат
от воздействия воды и позволяют производить все необходимые для
фотосъемки операции под водой: наводку на резкость, визирова¬
ние, съемку, перемотку пленки, отсчет кадров, завод затвора.
Внешний вид фотобокса «УКП» для фотоаппаратов типа «Зор¬
кий», «ФЭД» и «Ленинград» показан на рис. 4.32.
Любительские фотобоксы расчитаны для работы на глубине до
40 м.
Глава V
КИНОАППАРАТУРА
5.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИНОПРОЦЕССА
Отправным моментом для широкого развития техники кино яви¬
лось открытие в конце прошлого столетия кинематографического
эффекта. Сущность этого эффекта состоит в том, что зритель, рас¬
сматривая на экране ряд быстросменяющихся статических изобра¬
жений последовательных фаз движения объекта, вопринимает их
как непрерывное, слитое движение изображения объекта.
Таким образом, чтобы показать зрителю движущееся изображе¬
ние (кино), необходимо зафиксировать на каком-либо материале
и затем спроецировать на экран изображения последовательных
фаз движения объекта. Такие отдельные изображения называются
кинокадрами или просто кадрами, а совокупность всех кадров —
кинофильмом.
Фиксация кадров кинофильма осуществляется фотографичес¬
ким-путем на кинопленке. Кинопленкой называется длинная тонкая
лента, состоящая из нескольких слоев, главными из которых явля¬
ются: основа — прозрачный, гибкий и механически прочный мате¬
риал и эмульсионный светочувствительный слой, в котором осуще¬
ствляется фиксация изображения. Толщина основы — около 0,1 ммь
при общей толщине кинопленки 0,13—0,17 мм. Для облегчения
транспортирования кинопленки в киноаппаратах она имеет па
краям перфорации — прямоугольные отверстия.
Кинопленка в процессе хранения и эксплуатации немного мге-
няет свои размеры. Это свойство кинопленки называется усадкой.
Величина усадки кинопленки на разных стадиях ее использования
в основном имеет значение от 0,2% до 0,8%.
Процесс фиксации на кинопленку кадров кинофильма называет¬
ся киносъемкой, а аппарат, применяемый для этой цели — кино¬
съемочной камерой (рис. 5. 1). Кинопленка 1 с помощью специаль¬
ного устройства 2, называемого фильмовым каналом, фик¬
сируется в определенном положении.
Объектив 3 через кадровое окно — прямоугольное отверстие
в фильмовом канале — проецирует на эмульсионный слой кино¬
пленки изображение снимаемого объекта А. Для того чтобы изо¬
206
бражение движущегося объекта получилось резким, время экспо¬
нирования кинопленки должно быть очень малым, таким, чтобы за
это время изображение объекта не успело заметно сместиться
относительно кинопленки. В результате такой экспозиции на кино¬
пленке зафиксируется определенная фаза движения объекта.
Для съемки следующей фазы кинопленку необходимо продви¬
нуть на такую величину, чтобы экспонированный участок вышел
из зоны кадрового окна. Продвижение кинопленки в фильмовом
канале осуществляется специальным механизмом 4, носящим на¬
звание скачкового механизма, или механизма преры¬
вистого движения
кинопленки. Во вре¬
мя продвижения кино¬
пленки на нее не должен
попадать свет. Перекры¬
тие света на время дви¬
жения кинопленки осу¬
ществляется специаль¬
ным затвором 5, который
называется обтюрато¬
ром. Таким образом
прерывистое продвиже¬
ние кинопленки в филь¬
мовом канале в сочета¬
нии с соответствующим
перекрытием света обтю¬
ратором обеспечивает
фиксацию на кинопленке
последовательных фаз
движения снимаемого
объекта.
Разматывание неэкспонированной кинопленки с рулона 6 и по¬
дача ее в фильмовый канал осуществляются зубчатым барабаном
7. Экспонированная кинопленка после скачкового механизма посту¬
пает на зубчатый барабан 8, а затем наматывается в рулон 9.
Совокупность узлов, обеспечивающих размотку, прерывистое
и непрерывное транспортирование и намотку кинопленки, назы¬
вается лентопротяжным механизмом, или лентопро¬
тяжным трактом.
Количество кадров, снимаемых в одну секунду, называется ч а-
стотой съемки. Для обычного 35-мм фильма нормальная
частота съемки принята равной 24 кадр/сек, а для 16-мм филь¬
ма — 16 кадр!сек:
Съемка фильмов с частотой, меньшей, чем нормальная, назы¬
вается замедленной, или цейт р а ф ер н о й. При демонстра¬
ции с нормальной частотой полученного таким образом фильма
движения на экране будут казаться ускоренными.
Съемка фильмов с частотой большей, чем нормальная, назы¬
Рис. 5. 1. Схема устройства киносъемочной
камеры:
/—кинопленка, 2—фильмовый канал, 3—'объектив,
4—скачковый механизм, 5—обтюратор, 6—рулон
неэкспонированной пленки, 7—тянущий зубчатый
барабан, 8—задерживающий зубчатый барабан,
9—рулон экспонированной пленки
207
вается скоростной. При демонстрации с нормальной часто¬
той полученного таким образом фильма движения на экране будут
казаться замедленными.
Замедленная и скоростная съемки применяются в основном для
исследования различных очень медленно или очень быстро проте¬
кающих явлений (рост растений, движения спортсмена, распрост¬
ранение взрывной волны, разряд молнии и т. д.). В некоторых совре¬
менных специальных сверхскоростных камерах частота съемки до¬
стигает нескольких сот тысяч и даже нескольких миллионов
кадр/сек. Схемы устройства таких камер отличны от схемы, пока¬
занной на фиг. 5. 1.
Рис. 5. 2. Схема получения фотографической фонограммы:
/—микрофон, 2—усилитель, 3—модулятор света, 4—конденсор, 5—диа¬
фрагма, 6—микрообъектив, 7—кинопленка
Отснятая кинопленка проявляется в специальных проявочных
машинах. В результате проявления получается негатив кино¬
фильма. Для получения позитивного изображения на специальном,
так называемом копировальном аппарате с негатива осуществляют
печать позитива кинофильма.
Одновременно со съемкой изображения осуществляют запись
звука. Для удобства последующего монтажа фильма запись звука
производят на другую пленку фотографическим или магнитным
способом. Лишь при массовой печати копий кинофильма, посту¬
пающих в эксплуатацию, звук и изображение объединяются на
одной кинопленке, причем запись звука осуществляется на узкой
полосе, идущей рядом с перфорационной дорожкой. Участок кино¬
фильма, на котором осуществлена запись звука, называется фоно¬
граммой.
На рис. 5. 2 показана одна из схем получения фотографической
фонограммы. Распространяющиеся от источника звука звуковые
колебания воздушной среды достигают 'микрофона 1, который пре¬
образует их в соответствующие колебания электрического напря¬
жения. Усиленное с помощью усилителя 2 переменное электричес¬
кое напряжение подается на модулятор света,.* — специальную
лампу 3. Яркость свечения этой лампы пропорциональна подавае¬
мому на нее напряжению. Конденсор 4 собирает световой пучок на
диафрагме 5, имеющей форму узкой щели. Микрообъектив 6 изо-
* Модулятором света называется устройство, преобразующее колебания элек¬
трического напряжения в колебания светового луча.
208
бражает эту щель на кинопленке 7 в виде яркого и узкого (шири¬
ной около 0,015 мм) штриха. Кинопленка 7 равномерно переме¬
щается относительно этого штриха.
Таким образом, звуковые колебания воздушной среды с помо¬
щью микрофона, усилителя, специальной лампы и оптики преобра¬
зуются в колебания освещенности узкого штриха, располагающе¬
гося на кинопленке. При движении кинопленки на ней получается
засвеченная полоса, по ширине равная длине светового штриха.
Так как величина освещенности штриха изменяется по закону зву¬
ковых колебаний, после проявления пленки эта полоса будет иметь
различную плотность почернения по своей длине, при этом закон
изменения плотности будет соответствовать записываемым звуко¬
вым колебаниям. Полученная
фонограмма (рис. 5.3,6) носит
название интенсивной фо¬
нограммы, или фонограм¬
мы переменной плот¬
ности.
Фонограммы, у которых по
закону звуковых колебаний из¬
меняется не плотность почерне¬
ния, а ширина черной, непрозрач¬
ной дорожки (см. рис. 5.3,а),
носят название фонограмм
переменной ширины (ино¬
гда их называют поперечными
фонограммами). Для получения
фонограмм переменной ширины
используются более сложные модуляторы света — зеркальные
гальванометры.
Благодаря ряду существенных преимуществ наибольшее рас¬
пространение получили фонограммы переменной ширины.
Кинофильм проецируется на экран с помощью' аппарата, кото¬
рый называется кинопроектором, или кинопроекционным- аппара¬
том (рис. 5.4). Если кинопроектор имеет устройство для воспроиз¬
ведения звука, он называется звуковым кинопроектором.
Кинофильм 1, намотанный на специальную катушку 2г называе¬
мую бобиной, разматывается зубчатым барабаном 3, на кото¬
ром он удерживается роликом 4, и поступает в фильмовый канал 5.
Прерывистое продвижение кинофильма в фильмовом канале осу¬
ществляется зубчатым барабаном 6 скачкового механизма. После
скачкового механизма кинофильм поступает на зубчатый барабан
7 и затем наматывается на приемную бобину 8 с помощью устрой¬
ства, называемого наматывателем.
Осветительная система 9 через кадровое окно фильмового ка¬
нала освещает кадр, а объектив 10 проецирует его на экран в уве¬
личенном виде. На время продвижения кинофильма световой поток
перекрывается обтюратором 11.
Рис. 5.3. Фотографические фоно¬
граммы переменной ширины (а)
и переменной плотности (б)
14 805
209
Схема устройства для воспроизведения звука с фотографичес¬
кой фонограммы показана на рис. 5. 5. Непрерывно вращающийся
зубчатый барабан 1 равномерно продвигает звуковой фильм 2, ко¬
торый на своем пути огибает направляющий ролик 3, гладкий ба¬
рабан 4 и прижимной поперечно-направляющий ролик 5. Последний
фиксирует кинофильм в поперечном направлении и одновременно
прижимает его к гладкому барабану, обеспечивая тем самым их
лучшее сцепление. Длина гладкого барабана меньше ширины ки¬
нофильма, так что край кино¬
фильма с фонограммой свеши¬
вается с него.
Светооптическая система 6,
называемая читающей, или
звуковой оптикой, создает
на фонограмме узкий световой
(читающий) штрих. Световой по¬
ток читающего штриха модули¬
руется фонограммой, а затем
с помощью линзы 7 собирается и
направляется на фотоэлемент 8.
Модулированный фонограммой
световой поток вызывает соот¬
ветствующие колебания тока и
напряжения в цепи фотоэлемен¬
та. Переменная составляющая
напряжения после усиления уси¬
лителем 9 подается на громкого¬
воритель 10.
Кинофильмы различаются
между собой как по ширине ис¬
пользуемой киноленты, так и по
размерам и расположению кад¬
ров и фонограммы.
Для профессионального кинопоказа наибольшее распростране¬
ние получили киноленты шириной 35 мм и 16 мм с так называемым
обычным (нормальным) кадром. Для такого кадра соотношение
ширины изображения к его высоте составляет 1,37. При обычной
системе кинопоказа используется только центральное зрение, т. е.
изображение, рассматриваемое зрителем на экране, занимает
только незначительную часть всего поля зрения глаза. Угловые раз¬
меры изображения при обычном кадре составляют в горизонталь¬
ной плоскости около 40°, а в вертикальной — около 22°, в то время
как угол зрения глаза соответственно около 150° и около 80°. Ис¬
пользование только центрального зрения в сочетании с темным об¬
рамлением экрана создает у зрителя впечатление рассматривания
«через окно», то есть некоторую искусственность восприятия.
Стремление приблизить кинопоказ к естественному восприятию
привело к созданию новых систем кинопоказа — широкоэкран-
Рис. 5.4. Схема устройства кино¬
проектора:
1—кинофильм, 2—бобина, 5—тянущий зуб¬
чатый барабан, 4—придерживающий ро¬
лик, 5—фильмовый канал, 6— скачковый
зубчатый барабан, 7—задерживающий
зубчатый барабан, 8—бобина, 9—освети¬
тельная система, 10—объектив, 11—обтюра¬
тор
210
н о г о кино, широкоформатного кино, панорамного
кино и др. Для каждой из этих систем характерно расширение угло¬
вых размеров изображения на экране, т. е. использование перифе¬
рического зрения. При увеличении угловых размеров изображения
на экране до 50—60° (по горизонтали) и ширине экрана не менее
10—20 м на некоторых планах у зрителя возникает так называемый
эффект участия, т. е. создается впечатление непосредственного уча¬
стия в событиях, происходящих на экране.
Созданию у зрителя впечатления непосредственного участия
в показываемых событиях способствует также стереофоническое
Рис. 5.5. Схема воспроизведения звука с фо¬
тографической фонограммы:
У—зубчатый барабан, 2—звуковой фильм, 3—направ¬
ляющий ролик, 4—гладкий барабан. 5—прижимной
ролик, 6—читающая оптика, 7—линза, 8—фотоэле¬
мент, 9—усилитель, 10—громкоговоритель
воспроизведение звука, при котором звук перемещается вдоль
экрана синхронно с перемещением изображения источника
звука и создаются звуковые эффекты непосредственно в зритель¬
ном зале.
Среди новых систем кинопоказа наибольшее распространение
на сегодня получило широкоэкранное кино на 35-мм киноленте
с анаморфированным кадром. В этой системе съемка филь¬
ма производится обычной киносъемочной камерой, перед объекти¬
вом которой установлена анаморфотная насадка — оптическая при¬
ставка, обеспечивающая различное линейное увеличение снимаемо¬
го объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Увеличение
по горизонтали значительно меньше, чем по вертикали, поэтому
изображение объекта выглядит как бы вытянутым по вертикали.
Отношение линейного увеличения по горизонтали к линейному
увеличению по вертикали носит название коэффициента а н а-
морфирования. Звук для такого фильма обычно записывает¬
ся на четырех магнитных фонограммах, расположенных по обе сто¬
роны от перфорационных дорожек. Три из них управляют
громкоговорителями, расположенными за экраном, четвертая —
громкоговорителями, расположенными в зале (на боковых и зад¬
ней стенках зрительного зала).
14*
211
Демонстрация такого фильма производится с помощью кино¬
проектора, снабженного устройством для воспроизведения магнит¬
ных фонограмм и анаморфотной насадкой перед объективом. Эта
насадка обеспечивает различное увеличение изображения по гори¬
зонтали и вертикали, в результате чего на экране восстанавливает¬
ся нормальное соотношение горизонтальных и вертикальных раз¬
меров.
В описанной выше системе кинопоказа соотношение ширины
изображения на экране к его высоте равно 2,55 (вместо 1,37 при
обычной системе кинопоказа).
Рассмотренная система сравнительно проста для технического
исполнения, однако не обеспечивает высокого качества кинопоказа
на большие экраны (при большом увеличении).
Для показа на очень большие экраны разработана система, ис¬
пользующая при сьемке и кинопроекции три киноленты. Стереофо¬
нический звук (9-канальный) записывается на отдельную 35-мм
магнитную ленту. Такая система получила название панорам¬
ного кино. Съемка одновременно^ на три пленки осуществляет¬
ся специальной камерой с тремя объективами, обеспечивающими
угол поля зрения по горизонтали 146°.
При демонстрации фильма используются три кинопроектора
и фильмфонограф, которые обеспечивают синхронное и синфазное
движение всех четырех кинолент. Чтобы вертикальные стыки изо¬
бражений с разных кинопроекторов были менее заметны, в зоне
стыка происходит незначительное наложение одного изображения
на соседнее с одновременным уменьшением в зоне наложения яр¬
кости от каждого кинопроектора в два раза.
Достоинствами панорамного кино являются большой угол съем¬
ки и большая суммарная площадь кадра, что позволяет получить
значительные размеры изображения на экране при достаточно хо¬
рошем качестве его. В то же время три кинопроектора обеспечи¬
вают достаточное количество света для создания необходимой
освещенности на экране больших размеров. С другой стороны, ис¬
пользование трех кинопроекторов неизбежно приводит к разности
в яркости и цветности трех частей изображения на экране и вза¬
имному их смещению вследствие неточности перемещения каждой
киноленты» Зоны наложения хорошо просматриваются на экране.
Отмеченные недостатки отсутствуют в системе широкофор¬
матного кино, которое начало развиваться в последние годы.
Широкоформатный фильм снимается на пленку шириной 70 мм.
Угол поля зрения съемочного объектива около 120°. Вдоль перфо¬
рационных дорожек размещаются шесть фонограмм. Кинопроек¬
ция такого фильма осуществляется с помощью одного специаль¬
ного кинопроектора на большой экран вогнутой формы. Эта систе¬
ма обеспечивает получение высококачественного изображения на
большом экране, однако требует создания совершенно нового пар¬
ка киноаппаратуры для производства и демонстрации кинофильма.
212
Для создания любительских кинофильмов распространение по¬
лучил формат пленки 2X8 мм. Съемка производится сначала на
одну половину этой пленки, затем — после перезарядки — на втси
рую. Для демонстрации такого фильма пленка после проявления
разрезается специальным ножом пополам; получается фильм 8 мм
ширины.
Размеры кинопленки, размеры и расположение кадров (табл.
5.1) и фонограмм на кинофильме должны удовлетворять требова¬
ниям государственных стандартов и нормалей.
Таблица 5.1
Основные размеры обычных кинофильмов
Величина в мм
Наименование размера
ЪЬ-мм
16-мм
8-мм
фильм
фильм
фильм
Ширина фильма
35
16
8
Толщина фильма
0,15
0,15
0,13
Высота перфорации
1,98
1,27
1,27
Ширина перфорации
2,8
1,83
1,83
Шаг перфорации
4,75
7,62
3,81
Высота кадра
16,1
7,6
3,55
Ширина кадра
22,1
10,5
4,90
Шаг кадра
19
7,62
3,81
Таким образом, в процессе производства кинофильма и при его
демонстрации используется различная киноаппаратура: съемочная,
проявочная, копировальная, звукозаписывающая, звуковоспроизво¬
дящая, проекционная. Несмотря на значительное различие в назна¬
чении этой аппаратуры, она имеет много общих по принципу пост¬
роения узлов: механизмы прерывистого движения, фильмовые ка¬
налы, наматыватели, зубчатые барабаны, ролики, бобины, обтюра¬
торы и другие.
5.2. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ КИНОАППАРАТУРЫ
Зубчатые барабаны
Транспортирование киноленты* в киноаппаратуре осущест¬
вляется с помощью зубчатых барабанов. При вращении барабана
его зубья входят в зацепление с перфорациями киноленты и осуще¬
ствляют ее перемещение.
Для того чтобы зацепление киноленты с зубчатым барабаном
было правильным, т. е. обеспечивало максимальную точность пере¬
* Слово «кинолента» объединяет понятия «кинопленка» и «кинофильм».
213
мещения киноленты при минимальном усилии на перфорационные
перемычки, зубчатый барабан должен иметь определенные разме¬
ры (рис. 5. 6).
Диаметр О окружности, совпадающей с нейтральным слоем
киноленты, называется диаметром начальной окружно¬
сти. Этот диаметр является исходным при расчете основных раз¬
меров барабана. Окружность, проходящая через вершины зубьев,
называется наружной окружностью (Д*), а окружность, сов¬
падающая с цилиндрической поверхностью, к которой прилегает ки¬
нолента,— окружностью впадин (Ов). Расстояние 1б между соот¬
ветствующими точками соседних зубьев, измеренное по начальной
окружности, называется шагом зубьев барабана. Расстояние меж-
Рис. 5.6. Основные размеры зубчатого бара¬
бана
ду боковыми по-верхыостями зуба, измеренное по начальной окруж¬
ности, называется толщиной зуба (Н3). В осевом направлении наи¬
более важными размерами являются ширина зуба N и расстояние
М между осевыми линиями зубьев в направлении оси барабана.
Профиль зуба барабана представляет собой обычно эвольвенту
окружности, диаметр которой немного меньше диаметра начальной
окружности барабана.
По своему назначению в аппаратуре зубчатые барабаны под¬
разделяются на тянущие, задерживающие и комбинированные.
Тянущим называется зубчатый барабан, который вытяги¬
вает киноленту из фильмового канала, с бобины и т. д. У тянущего
зубчатого барабана поступающая ветвь киноленты натянута, а ухо¬
дящая— свободна. Тянущий зубчатый барабан, расположенный на
выходном валу механизма прерывистого движения и осуществляю¬
щий прерывистое транспортирование киноленты через фильмовый
канал, называется скачковым зубчатым барабаном.
Задерживающим называется зубчатый барабан, который
на каком-либо участке удерживает киноленту от слишком быстро¬
го движения. У задерживающего барабана поступающая ветвь ки¬
ноленты свободна, а уходящая — натянута. Примером задерживаю¬
щего зубчатого барабана является барабан, расположенный перед
наматывающим устройством.
214
К комбинированному зубчатому барабану кинолента
подходит дважды: одной стороной он работает как тянущий, а дру¬
гой— как задерживающий.
В зависимости от назначения зубчатых барабанов, а также в за¬
висимости от типа аппаратуры, в которой они используются (съе¬
мочная, проекционная и т. д.) производится выбор шага зубьев
барабана. Так, в кинопроекционной аппаратуре для получения наи¬
меньших усилий на перфорационных перемычках и облегчения ус¬
ловий входа зуба в зацепление с перфорацией шаг зубьев тянущего
барабана должен быть всегда больше шага перфораций кинолен¬
ты, а шаг зубьев задерживающего барабана — всегда меньше
шага перфораций.
Конструкции зубчатых барабанов очень многообразны. Для
35-мм киноленты существуют барабаны 16-, 24-, 48'-, 64- и 128-зубые.
В кинопроекционной аппаратуре преимущественное распростране¬
ние получили 16- и 24-зубые барабаны. Зубчатые барабаны для
8-мм и 16-мм звуковой киноленты обычно имеют зубья с одной сто¬
роны.
Особое внимание должно уделяться конструкции скачковых
зубчатых барабанов. Для уменьшения инерционных усилий в меха¬
низме прерывистого движения момент инерции скачкового бараба¬
на должен быть по возможности меньшим. Для обеспечения необ¬
ходимой точности расположения кадра в кадровом окне кинопроек¬
тора геометрические размеры скачкового барабана, особенно диа¬
метр впадин и шаг зубьев барабана, должны выполняться с боль¬
шой точностью.
Механизмы прерывистого движения киноленты
Механизмами прерывистого движения или скачковыми механиз¬
мами называются механизмы, осуществляющие прерывистое про¬
движение киноленты в фильмовом канале киноаппарата.
Критерием для оценки качества различных механизмов преры¬
вистого движения и рациональности их применения в том или ином
виде киноаппаратуры служит ряд основных технических показа¬
телей.
1. Величина усилия, действующего на перфорационную пере¬
мычку киноленты со стороны ведущего зуба скачкового механизма
во время ее перемещения. Это усилие называется усилием транспор¬
тирования киноленты. Величина его определяется кинематическими
характеристиками механизма, т. е. характером изменения пути,
скорости и ускорения ведущего зуба во время передвижения кино¬
ленты.
Величина усилия транспортирования не должна превышать до¬
пускаемой величины усилия на перфорационную перемычку, кото¬
рая зависит от типа киноаппаратуры. В киносъемочной аппаратуре,
где пленка проходит лентопротяжный тракт один раз, нагрузка на
перемычку может бьгть допущена несколько большей, чем в кино¬
215
проекционной, где один и тот же фильм проходит через аппарат
многократно.
2. Величина усилий, действующих между отдельными деталями
механизма прерывистого движения. Эти усилия определяют износ
деталей механизма и шум при его работе.
3. Соотношение времени движения киноленты и времени ее по¬
коя. Это соотношение характеризует свойства механизмов преры¬
вистого движения киноленты с точки зрения рационального ис¬
пользования светового потока при киносъемке, печати и кинопро¬
екции.
Отношение времени покоя киноленты к периоду работы назы¬
вается световым коэффициентом, или коэффициентом
рациональности механизма прерывистого движения киноленты.
В большинстве случаев желательно иметь как можно большее
время покоя киноленты (для увеличения количества света, прохо¬
дящего через кадровое окно киноаппарата). Однако, так как период
прерывистого продвижения киноленты, определяемый частотой ки¬
носъемки или кинопроекции, остается постоянным, увеличение вре¬
мени покоя может осуществляться только за счет уменьшения вре¬
мени движения, что приводит к увеличению усилия транспортиро¬
вания киноленты. Поэтому при выборе скачковых механизмов
приходится искать компромиссные решения — ограничивать соот¬
ношение времени покоя и времени движения величиной, при кото¬
рой усилия транспортирования киноленты и усилия в механизме
еще остаются допустимыми.
4. Точность транспортирования киноленты, т. е. постоянство ве¬
личины перемещения киноленты при каждом цикле движения.
Точность перемещения определяет так называемую неустойчивость
изображения на экране — величину смещения изображения на эк¬
ране относительно неподвижных границ кадра. Величина допускае¬
мой неточности перемещения киноленты в кадровом окне различна
для различных типов и классов киноаппаратов и колеблется в пре¬
делах от 0,005 мм до 0,04 мм.
5. Простота в изготовлении и удобство в эксплуатации.
Имеется очень много разнообразных механизмов прерывистого
движения. Однако наибольшее распространение получили две груп¬
пы механизмов: мальтийские системы и грейферные механизмы.
Так называемая фиксирующая шайба 1 мальтийской системы
(рис. 5.7), имеющая вырез, несет на себе палец 2, который при
вращении шайбы входит в шлиц мальтийского креста 3 и поворачи¬
вает его. Вместе с валом мальтийского креста поворачивается
скачковый зубчатый барабан, закрепленный на другом конце
вала, а следовательно, осуществляется и перемещение киноленты
4 в фильмовом канале 5.
После поворота на соответствующий угол палец выходит из
шлица (как показано на рисунке), а мальтийский крест фиксирует¬
ся в данном положении благодаря прилеганию цилиндрической по¬
верхности фиксирующей шайбы к выемке мальтийского креста.
216
С целью получения желательных характеристик мальтийские
системы выполняются в различных вариантах с постоянной и пере¬
менной скоростью вращения вала фиксирующей шайбы и с раз¬
личным числом лопастей 'мальтийского креста
Рис. 5.7. Схема устройства
мальтийской системы:
/—фиксирующая шайба, 2—палец,
3—‘шлиц мальтийского креста, 4—
кинолента, 5—фильмовый канал
Рис. 5.8. Схема
работы грейфер¬
ного механизма
Однако наибольшее распространение получила мальтийская си¬
стема с постоянной скоростью вращения вала фиксирующей шай¬
бы и четырехлопастным крестом. Эта система вызывает вполне до¬
пустимые нагрузки на перфорационную перемычку киноленты, име¬
ет удовлетворительное соотношение времени движения и времени
покоя, долговечна и надежна в работе. Эти качества, а также вполне
допустимая для условий
кинопроекции точность пере¬
мещения фильма обуслови¬
ли преимущественное при¬
менение мальтийской систе¬
мы в стационарных кино¬
проекционных аппаратах.
Вторая группа механиз¬
мов прерывистого движе¬
ния — грейферные механиз¬
мы (рис. 5.8). Эта группа
включает в себя очень
много типов, однако прин¬
цип действия всех грей¬
ферных механизмов основан
на том, что транспортирова¬
ние киноленты осущест¬
вляется зубом (или несколь¬
кими зубьями), совершаю¬
щим движение по траекто¬
рии, в некоторой своей ча-
217
Рис. 5.9. Схема грейферного меха¬
низма 16-мм кинопроектора ПП-16-3:
/—кулачок, 2—рамка, 3—направляющие,
4—гребенка, 5—пространственный кулачок,
6—лапка
сти совпадающей с формой направляющей поверхности фильмо¬
вого канала. Зуб грейфера, войдя в перфорацию, осуществляет
перемещение киноленты на шаг кадра (рабочий ход), а затем вы¬
ходит из перфорации и возвращается уже другим путем — не ка¬
саясь киноленты — в исходное положение (холостой ход).
На рис. 5.9 изображена схема устройства грейферного меха¬
низма 16-мм кинопроектора ПП-16-3, представляющего собой ра¬
мочно-кулачковый грейферный механизм с прямолинейным движе¬
нием грейферной рамки. Ведущим звеном грейферного механизма
такого гипа является плоский профилированный кулачок 1, кото¬
рый обеспечивает рабочий и холостой ходы механизма. Кулачок 1
входит в вырез грейферной рамки 2 и при своем вращении сообща¬
ет ей возвратно-поступательное движение по направляющим 3.
Грейферная рамка имеет трехзубую гребенку 4. Для ввода
зубьев гребенки в перфорации и вывода из них применен простран¬
ственный кулачок 5, жестко укрепленный на валу плоского кулач¬
ка 1. Пространственный кулачок 5 пред¬
ставляет собой специальным образом
изогнутый диск. Соединение кулачка 5
с грейферной рамкой осуществляется
с помощью двух лапок 6, которые охва¬
тывают кулачок с двух сторон. Вслед¬
ствие того, что диск пространственного
кулачка изогнут, при его вращении грей¬
ферная рамка будет поворачиваться во¬
круг цилиндрических направляющих 3,
осуществляя таким образом ввод и вы¬
вод зубьев гребенки в перфорации кино¬
ленты.
При вращении плоского кулачка 1
Грейферная рамка перемещается вверх
и вниз на 7,7 мм, т. е. немногим более
чем на шаг кадра. Увеличение хода пред¬
усмотрено для того, чтобы при входе
зубьев гребенки в перфорации не проис¬
ходило повреждения их рабочих кромок.
Плоский кулачок грейфера изготовлен
из текстолита, пространственный кула¬
чок и грейферная рамка—стальные, причем шлифованные полки
рамки, которыми она соприкасается с плоским кулачком, закалены
до твердости Н#С 60—62. Срок службы грейферной рамки и про¬
странственного кулачка — 600 час, а плоского кулачка— 1800 час.
Верхний (ведущий) зуб грейферной гребенки изготовлен из твер¬
дого сплава ВК-6, а два остальных — из инструментальной стали.
Все зубья приварены к штампованной гребенке, которая припаи¬
вается к рамке. Рамочно-кулачковые грейферные механизмы с пря¬
молинейным движением грейферной рамки получили широкое рас¬
пространение в кинопроекционной и киносъемочной аппаратуре.
Рцс. 5. 10. Схема криво-
шипно-балансирного
грейферного механизма:
/—кривошип, 2— балансир,
3—шатун, 4—грейфер
21*8
Другой широко распространенной группой грейферных меха¬
низмов являются кривошипные грейферные механизмы. Ведущим
звеном в кривошипном грейферном механизме является кривошип,
который обеспечивает рабочий и холостой ходы механизма.
Ведущий кривошип 1 (рис. 5.10) кривошипно-балансирного
грейферного механизма вращается с постоянной угловой скоростью
вокруг оси О. Коромысло, или балансир 2, соединенное шарнирно
с шатуном 3, совершает качательное движение вокруг оси 0\. При
этом конец шатуна 3, выполненный в виде зуба грейфера 4, совер¬
шает плоское движение по некоторой замкнутой траектории. Траек¬
тория конца зуба грейфера напоминает латинскую букву Д по¬
этому рассмотренный грейферный механизм иногда называют
Д-грейфером.
Кривошипно-балансирные грейферные механизмы отличаются
простотой устройства, но имеют небольшое значение коэффициен¬
та рациональности (около 0,5), вследствие чего этот тип грейфер¬
ных механизмов получил, преимущественное распространение
в любительской киносъемочной аппаратуре.
Фильмовые каналы
Фильмовым каналом называется устройство, которое служит
для удержания киноленты в необходимом положении относительно
объектива.
Конструктивно фильмовый канал (рис. 5. 11) состоит обычно из
неподвижного основания 1, в . ко¬
тором оформляется направление
для киноленты, и открывающейся
дверцы 2 с подпружиненными при¬
жимными полозками 3, или планкой,
обеспечивающими прижим киноленты
к неподвижному основанию. Во избе¬
жание повреждения поверхности кино¬
ленты в зоне изображения контакт
киноленты с направляющими поверх¬
ностями основания и дверцы осущест¬
вляется только по перфорационным
дорожкам.
Прижимное устройство выполняет
две функции: выравнивает киноленту,
которая в свободном состоянии обыч¬
но имеет желобчатую форму, и со¬
здает силу трения в фильмовом ка¬
нале, препятствуя инерционному про¬
движению киноленты и обеспечивая
тем самым необходимую стабильность
ее расположения. Многие конструкции
фильмовых каналов, особенно в стационарной кинопроекционной
аппаратуре, допускают регулировку силы прижима, что позволяет
219
Рис. 5. 11. Фильмовый ка¬
нал кинопроектора КПТ-2:
1—основание, 2—дверца, 3—по¬
лозки, 4—ролик
добиться ее оптимального значения. С целью лучшего выравнива¬
ния киноленты применяют криволинейные фильмовые каналы. У та¬
ких каналов неподвижная направляющая выполнена по кривой,
чаще всего цилиндрической, поверхности.
Ширина направляющей части фильмового канала выполняется
по максимально возможной ширине киноленты данного формата.
Так, для 35-мм киноленты ширина канала принимается равной
35+0’1 мм. Так как ширина киноленты вследствие неточности изго¬
товления и последующей усадки является величиной переменной
(для 35-мм кинофильма ширина колеблется в пределах 35—
34,5 мм), то между кромками киноленты и боковыми направляю¬
щими фильмового канала может быть достаточно большой зазор,
обусловливающий поперечное смещение киноленты. Для предот¬
вращения такого смещения в фильмовых каналах многих аппара¬
тов одна из боковых направляющих делается подвижной,
подпружиненной, или перед фильмовым каналом ставят поперечно¬
направляющий ролик 4 (см. рис. 5.11).
Для пропускания светового потока к киноленте и ограничения
проецируемой части в фильмовом канале имеется прямоугольное
отверстие — кадровое окно. Размеры кадровых окон и их располо¬
жение относительно края киноленты и близлежащих перфораций
различны для разных типов киноаппаратуры и нормируются тре¬
бованиями соответствующих стандартов.
При прохождении через фильмовый канал киноленты (особенно
свежей) на направляющих полозках часто происходит образование
так называемого нагара — твердых скоплений из эмульсии
и пыли. Центрами таких скоплений обычно являются местные по¬
вреждения поверхности направляющих — царапины, лунки и т. п.
Нагар приводит к увеличению силы трения в фильмовом канале
(и как следствие — нагрузки на киноленту) и изменению положе¬
ния киноленты относительно объектива, т. е. к нерезкости изображе¬
ния. Поэтому образование нагара является нежелательным явле¬
нием. Для предотвращения образования нагара поверхность на¬
правляющих должна быть чистой, без каких-либо повреждений.
В стационарной кинопроекционной аппаратуре для предотвра¬
щения образования нагара при работе с новыми фильмами исполь¬
зуют направляющие, покрытые пропарафиненной замшей. Для об¬
легчения своевременной чистки конструкция фильмового канала
должна обеспечивать удобный доступ к направляющим элементам.
Обтюраторы
Обтюратором называется устройство, перекрывающее световой
поток на время продвижения киноленты. Движение обтюратора
должно быть сфазировано с работой механизма прерывистого дви¬
жения таким образом, чтобы кадровое окно было полностью пере¬
крыто лопастью обтюратора к моменту начала движения кинолен¬
ты в фильмовом канале и начало открываться сразу после оста¬
новки киноленты.
220
В кинопроекционной аппаратуре обтюратор, кроме того, должен
обеспечивать необходимую частоту перекрытия светового потока.
Дело в том, что если смена света и темноты на экране происходит
с частотой, меньшей некоторого определенного для данных усло¬
вий значения, то зритель видит изображение мелькающим. Мель¬
кания сильно утомляют зрителя. С повышением частоты перекры¬
тия светового потока мелькания становятся незаметными. Мини¬
мальная частота перекрытия светового потока, при которой мелька¬
ния становятся незаметными, называется критической ча¬
стотой слияния. Критическая частота слияния зависит от яр¬
кости экрана, спектрального состава света и ряда других факторов
и для условий кинопроекции составляет примерно 50 гц. Так как
нормальная частота проекции для стационарных кинопроекторов
составляет 24 кадр/сек, то для достижения критической частоты
слияния обтюратор имеет добавочную, так называемую холостую
лопасть, перекрывающую свет в середине времени стояния кадра.
При частоте проекции 16 кадр/сек число холостых лопастей должно
быть равно двум.
По характеру движения обтюраторы подразделяются на две
группы: с вращательным движением и с возвратно-поступательным
движением перекрывающей лопасти.
Благодаря своей простоте наибольшее распространение получи¬
ли обтюраторы с вращательным движением (рис. 5.12). По конст¬
руктивному решению они подразделяются на дисковые, конические
и цилиндрические, а по числу лопастей — на однолопастные, двух¬
лопастные и трехлопастные.
Основным показателем обтюратора является его коэффициент
пропускания хоб, равный отношению светового потока, прошедше¬
го обтюратор, к световому потоку, падающему на него за период
работы скачкового механизма. Коэффициент пропускания зависит
от углового размера лопасти обтюратора и числа лопастей:
Рис. 5. 12. Типы обтюраторов с вращательным движением:
а—дисковые, б—'конические, в—цилиндрические
где ар — угол лопасти обтюратора;
221
он—угол выреза в обтюраторе;
г — число лопастей в обтюраторе.
Бобышки и бобины
После прохождения лентопротяжного тракта того или иного
киноаппарата кинолента наматывается на бобышки или бобины.
Бобышка представляет собой втулку, которая фиксируется на
соответствующем валу киноаппарата и имеет то или иное устрой¬
ство для закрепления конца киноленты. Бобышки не предотвра¬
щают смещения витков киноленты в поперечном направлении, при¬
водящего к распаданию рулона, и поэтому обращение с рулоном,
намотанным на бобышку, очень неудобно. Бобышки используются
обычно при одноразовой намотке рулона, например для намотки
неэкспонированной пленки, т. е. в тех случаях, когда рулон после
намотки укладывается в
транспортную тару — же¬
стяную коробку.
В тех случаях, когда ру¬
лон киноленты имеет доста¬
точно большие размеры и
предназначен для много¬
кратного использования,
как например рулоны филь¬
ма в кинотеатре, для его
намотки используют боби¬
ны. Бобина представляет
собой сердечник, по обоим
торцам которого прикреп¬
лены диски (рис. 5. 13),
предотвращающие смеще¬
ние витков рулона в поперечном направлении и его рас-
падание.
Диаметр дисков бобины делается обычно несколько больше
диаметра Ь рулона, который зависит от толщины Ь и длины Ь на¬
матываемой киноленты и диаметра й сердечника бобины:
Емкость, размеры и конструкции бобин для различной кино¬
аппаратуры и различных форматов кадра весьма разнообразны.
Так, бобины для 8-мм любительской киносъемочной аппаратуры
вмещают 10 м киноленты и имеют диаметр 52 мм, а бобины для
стационарных кинопроекторов вмещают до 1500 м и киноленты и
более и имеют диаметры порядка 600—700 мм.
Бобины должны быть достаточно прочными, для чего диски бо-
222
Рис. 5. 13. Бобина для 35-мм кинофильма
бин большого диаметра имеют ребра жесткости, а наружный край
их закатывается. Для облегчения бобин в дисках делаются вырезы.
Основные размеры и параметры бобин определяются требова¬
ниями ГОСТа 9615—61 «Аппараты киносъемочные для 8- и 16-мм
кинофильмов. Бобины» и ГОСТа 7381—61 «Кинопроекторы для
35-, 16-и 8-мм кинофильмов. Бобины».
5.3. КИНОАППАРАТУРА
Большая часть многих различных типов киноаппаратуры в прак¬
тике встречается сравнительно редко — лишь в условиях специаль¬
ного производства. Рассмотрим два основный, наиболее распрост¬
раненных типа киноаппаратов, производство которых является
крупносерийным или массовым. Это — профессиональная и люби¬
тельская кинопроекционная и киносъемочная аппаратура.
Киносъемочная аппаратура
По своему назначению киносъемочные камеры подразделяются
на павильонные, хроникальные и любительские.
Павильонные камеры используются в основном для кино¬
съемки в условиях киностудий и съемочных площадок. К ним
предъявляются очень высокие требования с точки зрения резкости
и качества изображения, точности транспортирования пленки, бес¬
шумности в работе, удобства визирования и обслуживания каме¬
ры. Павильонные камеры обычно громоздки и тяжелы (до 90 кг).
Они конструируются, как правило, для пленки шириной 35 мм.
В последнее время в связи с развитием широкоформатного кино
разработаны и выпускаются киносъемочные камеры для пленки
шириной 70 мм.
Среди отечественных павильонных киносъемочных камер наи¬
большее распространение получили камеры «Москва», ПСК-21,
ПСК-29.
Хроникальные камеры предназначены для репортерских и экс¬
педиционных съемок. Они должны быть компактными и легкими,
удобными для съемки, переноски и транспортировки. Эти камеры
также в основном рассчитаны на использование пленки шириной
35 мм. Наиболее распространенные отечественные камеры этого
типа — КС50Б и «Конвас автомат».
Любительские киносъемочные камеры предназначаются в ос¬
новном для кинолюбителя. Основная масса любительских кинокамер
выпускается для пленки формата 2X8 мм, но имеются образцы
и для формата 1X8 мм и 16 мм.
Согласно ГОСТам 9380—60 и 9379—60 все отечественные люби¬
тельские 8-мм и 16-мм киносъемочные камеры разделяются на три
группы: простые КС-8-1 и КС-16-1, средней сложности КС-8-2
и КС-16-2 и сложные КС-8-3 и КС-16-3. К 1-й группе, например,
223
относятся камеры «Экран», «Спорт-2» и «Спорт-3», к 2-й группе
«Кварц-2», «Кварц-3», «Нева-2» и «Лада».
По типу применяемого двигателя любительские киносъемочные
камеры подразделяются на камеры с пружинным двигателем и ка¬
меры с электродвигателем.
До последнего времени преимущественное распространение
имели камеры с пружинным двигателем. Наиболее распространен¬
ным типо'м такого двигателя является плоская спиральная пружи¬
на, вложенная в круглый заводной барабан. Один из концов пру¬
жины закреплен на оси, расположенной концентрично в барабане,
другой — к внутренней стенке барабана. Барабан может вращать¬
ся относительно своей оси и снабжен зубчатым венцом, с помощью
которого сцепляется с шестернями механизма камеры. Если меха¬
низм камеры застопорен, то при заводе такого двигателя (враще¬
нии оси двигателя) пружина наматывается на ось, накапливая та¬
ким образом энергию. При пуске (освобождении) механизма пру¬
жина, стремясь раскрутиться, приводит во вращение заводной ба¬
рабан и через системы передач приводит в движение все механиз¬
мы камеры, отдавая при этом накопленную при заводе энергию.
Теоретический вращающий момент заведенного пружинного
двигателя выражается формулой
где Е — модуль упругости материала пружины;
Ь — ширина пружины;
к -г- толщина пружины;
Ь-—длина пружины;
п — число витков пружины в рассматриваемом заведенном со¬
стоянии;
псв — число витков пружины в состоянии покоя вне барабана.
В пружинных двигателях для 8-мм киносъемочных камер тол¬
щина пружины равна 0,4—0,6 мм, ширина 8—16 мм, длина —
2,5-^4 м, внутренний диаметр заводного барабана 50ч-60 мм, рабо¬
чее число оборотов двигателя обычно не превышает 12. Заводные
пружины изготовляются из высококачественной термообработан¬
ной стали (например, 70С2ХА) или из специальных высокопрочных
нержавеющих сплавов (например, К40НХМ). Для уменьшения
влияния трения витков пружины друг о друга пружина обычно
смазывается невысыхающими графитосодержащими смазками.
По мере возвращения заведенной пружины в исходное состоя¬
ние ее вращающий момент уменьшается. Соотношение величины
начального и конечного вращающих моментов обычно составляет
1,5ч-2,5. В то же время момент сопротивления механизма остается
примерно постоянным. В результате по мере раскручивания пру¬
жины скорость механизма будет изменяться соответственно изме¬
нению вращающего момента пружины. Для предотвращения тако¬
го явления и обеспечения равномерности воашения механизма в си-
224
стему передач камеры вводится специальное устройство — регуля¬
тор скорости.
В киносъемочных камерах с пружинным двигателем обычно
применяются регуляторы скорости тормозного типа. В основу их
устройства положено действие центробежной силы вращающихся
грузиков. По мере достижения определенного числа оборотов гру¬
зики регулятора скорости, преодолевая сопротивление пружины
регулятора, отклоняются и непосредственно сами или через посред¬
ство вращающегося диска прижимаются к неподвижной поверхно¬
сти. Возникающее при этом трение поглощает избыток энергии
пружинного двигателя, поддерживая постоянным вращающий мо¬
мент, подводимый к исполнительным механизмам камеры.
Изменяя жесткость пружин регулятора скорости или положе¬
ние неподвижной поверхности трения, можно изменять число обо¬
ротов регулятора, при котором осуществляется требуемое притор¬
маживание механизма и, следовательно, изменять частоту съемки.
Существующие конструкции регуляторов скорости позволяют изме¬
нять частоту съемки в пределах 8’—64 кадр!сек.
Преимуществом пружинных двигателей является то, что они
не требуют источника питания (как электродвигатели), имеют про¬
стую конструкцию и достаточно надежны в работе. К недостаткам
пружинных двигателей со спиральной пружиной относятся боль¬
шой перепад величин вращающих моментов в начале и конце за¬
вода, что приводит к большим потерям энергии на регуляторе ско¬
рости, и малый запас энергии при одном полном заводе пружины,
обычно обеспечивающий протягивание не более 2—3 м кинопленки.
В последнее время все более широкое распространение полу¬
чают миниатюрные электродвигатели, питающиеся от батарей элек¬
трических аккумуляторов или сухих элементов. Небольшие разме¬
ры таких электродвигателей и батарей позволяют создавать не¬
большие по габаритам и весу киносъемочные камеры. Преимуще¬
ством киносъемочных камер, использующих в качестве привода
электродвигатель, являются также их постоянная готовность
к съемке и возможность производить любые по длительности съем¬
ки в пределах емкости применяемых катушек с кинопленкой.
В 8-мм киносъемочных камерах обычно применяются коллек¬
торные электродвигатели постоянного тока. Напряжение питания
электродвигателя 3—6 в, потребляемый ток 150—500 ма.
Для поддержания постоянного числа оборотов электродвигате¬
лей применяют центробежные тормозные и электроконтактные ре¬
гуляторы, находящиеся обычно на одном валу с двигателем. Цент¬
робежные электпоконтактные регуляторы скорости электродвига¬
телей принципиально устроены так же, как и тормозные центро¬
бежные регуляторы для кинокамер с пружинным двигателем. При
превышении определенного числа оборотов грузики регулятора не¬
посредственно сами или через передаточный механизм размыкают
электрические контакты цепи питания электродвигателя. При этом
либо уменьшается ток цепи якоря, так как подключается добавоч¬
15 805
225
ное сопротивление, либо вообще размыкается цепь питания элек¬
тродвигателя, что приводит к уменьшению числа оборотов регуля¬
тора. При уменьшении скорости контакты снова замыкаются и про¬
цесс повторяется. При работе электродвигателя контакты все
время колеблются с большой частотой около среднего положения,
обеспечивая постоянство среднего значения числа оборотов.
В отечественных 8-мм киносъемочных камерах «Спорт-2»
и «Спорт-3» применен электродвигатель ДРВ-0,2Г упомянутого
типа. Напряжение питания электродвигателя 3,3—4,0 в, потребляе¬
мый ток при нагрузке 6 Г- см не более 350 ма, число оборотов вала
электродвигателя 4000 об/мин ± 10% в указанном интервале на¬
пряжения питания. Регулятор скорости — центробежный электро-
контактный.
В табл. 5.2 приведены основные технические характеристики
наиболее распространенных отечественных любительских кино¬
съемочных камер.
Рассмотрим более подробно характеристики отечественных лю¬
бительских киносъемочных камер «Нева-2» и «Лада».
Общий вид камеры «Нева-2» представлен на рис. 5. 14. Ка¬
мера состоит из корпуса 1, в котором смонтированы пружинный
двигатель, приводной и лентопротяжный механизмы и объектив,
опоры турели 2 с размещенным в ней экспонометрическим устрой¬
ством, поворотной турели 3 с широкоугольной и теленасадками,
крышки 4 со счетчиком метража пленки и рукоятки 5.
Камера «Нева-2» рассчитана на применение двойной 8-мм
(2X8) кинопленки (по ГОСТу 8761—58), намотанной на бобину.
Полезная емкость бобины при зарядке камеры на свету — 7,5 м
при съемке на одну сторону. Формат кадра — 3,55X4,9 мм (ГОСТ
9216—59).
Основной объектив камеры — просветленный 4-линзовый ана¬
стигмат Ш-1 имеет фокусное расстояние 13 мм, относительное от¬
верстие 1 : 1,9; коэффициент светопропускания объектива 0,85. Фо¬
кусировка объектива осуществляется с помощью дистанционного
кольца.
Для того чтобы иметь возможность менять масштабы съемки,
камера снабжена двумя оптическими насадками. Широкоугольная
насадка уменьшает фокусное расстояние объектива до 6,5 мм.
а телескопическая увеличивает до 26 мм. Относительное отверстие
системы остается при этом постоянным — 1 : 1,9. Насадки располо¬
жены на турели, что позволяет быстро их менять. На той же туре¬
ли расположены три различных объектива визира, благодаря чему
увеличение и поле зрения визира при смене насадок меняется
автоматически.
Для регулировки по глазу оператора окуляр визира имеет
диоптрийную подвижку.
Диафрагма объектива устанавливается полуавтоматически
с помощью фотоэкспонометра, встроенного в камеру. Кольцо диа¬
фрагмы объектива и кольцо диафрагмы перед фотоэлементом
226
кинематически связаны между собой. При вращении кольца
диафрагмы объектива стрелка гальванометра, видимая в поле зре¬
ния визира, меняет свое положение. Для получения правильной
экспозиции вращением кольца диафрагмы добиваются совмеще¬
ния стрелки гальванометра с прорезью в рамке визира.
Система полуавтоматической установки диафрагмы работает
при всех имеющихся в камере частотах съемки и с пленками чувст¬
вительностью от 11 до 90 единиц ГОСТа.
Привод лентопротяжного ме¬
ханизма камеры осуществляется
от пружинного двигателя. За
один завод пружины транспорти¬
руется 2,4 м пленки. Механизм
камеры обеспечивает четыре ско¬
рости съемки — 8, 16, 24 и
48 кадр [сек, а также покадро¬
вую съемку.
Для осуществления повторной
съемки на одни и те же кадры
(т. е. для получения эффекта
«наплыва» ит. д.) в камере имеет¬
ся возможность обратной отмот¬
ки пленки длиной до 50 кадров’
На крышке камеры имеется счет¬
чик, показывающий количество
оставшейся неэкспонированной
пленки в метрах.
Камера «Нева-2» комплек¬
туется нейтральными и цветными
фильтрами, что позволяет произ¬
водить правильную съемку в раз¬
ных световых условиях. Для
удобства съемки камера имеет
приставную рукоятку, а для удоб¬
ства переноски на плече или
в руке на ней могут закрепляться
соответственно длинный или ко¬
роткий ремень (темляк).
Развитие любительских кино¬
съемочных камер в последние
годы характеризуется главным образом применением объективов
с переменным фокусным расстоянием, беспараллаксных визиров
и систем полной автоматической установки диафрагмы. Предста¬
вителем такого класса камер является недавно поставленная на
производство отечественная кинокамера «Лада» (рис. 5. 15 и 5. 16).
Камера снабжена высококачественным светосильным объекти¬
вом с переменным фокусным расстоянием. Относительное отверстие
объектива — 1: 1,7; фокусное расстояние может изменяться от 9 до
Рис. 5. 14. Киносъемочная камера
«Нева-2»:
1—корпус, 2—опора турели, 3—пово¬
ротная турель, 4—«крышка, 5—рукоятка
15*
227
Основные параметры люби
Наиме¬
нование
камеры
Формат кинопленки,
мм
Система
зарядки
кино¬
пленки
Емкость катушек или
кассет, м
Съемочная
оптика
Визир
Двига¬
тель
Спорт-2
2X8
Катушеч¬
ная
10
Один жест-
ковстроенный
объектив 2,8/10
Телескопи¬
ческий, увели¬
чение 0,35х
Элек¬
тричес¬
кий
Спорт-3
2X8
То же
10
То же
То же
То же
Нева
2X8
”
10
Один объек¬
тив 1,9/13 и две
афокальные
насадки на
вращающейся
турели
Встроенный,
увеличение
0,96х (при ос¬
новном объек¬
тиве)
Пру-
жинный
Нева-2
2X8
-
10
То же
То же
То же
Лада
2X8
-
10
Объектив с
переменным
фокусным рас¬
стоянием
1,7/9—37
Беспарал-
лаксный, с от¬
водом лучей
из объектива,
увеличение
0,5х—2х
-
Кварц
2X8
”
10
Один жест-
ковстроенный
объектив
1,9/12,5
Телескопи¬
ческий, увели¬
чение 0,8х
79
Кварц-2
2X8
»
10
То же
То же
■
Кварц-3
2X8
”
10
Объектив с
переменным
фокусным рас¬
стоянием
2,4/9—36
Оптический
с переменным
увеличением
0,28Х-МД5Х
228
Таблица 5,2
тельских киносъемочных камер
Количество киноплен¬
ки, протягиваемой за
один завод пружинно¬
го двигателя, м
Режим
съемки
Обратная
перемотка
пленки
Обтю¬
ратор
Управление
диафрагмой
объектива
Г абариты
мм
Вес
кг
—
16 кадр!сек
Нет
Штор¬
ный
Ручное
123X58X112
0,610
—
16 кадр)сек
и покадро¬
вая съемка
-
Диско¬
вый
-
123X58X112
0,610
2
8, 16, 24 и
48 кадр!сек
и покадро¬
вая съемка
То же
Ручное и
полуавто¬
матические
160ХЮ0Х150
1,450
2,4
То же
На длине
не менее
48 кадров
”
То же
160X100X150
1,500
2,7
*
То же
”
Ручное и
автомати¬
ческое
140X155X63
1,500
2
8, 16 и 32
кадр!сек и
покадровая
съемка
»
*
Ручное
120X62X145
1,000
2
То же
-
Ручное и
полуавто¬
матическое
118X60X145
1,070
2
12,16,24,48
кадр!сек и
покадровая
съемка
Неогра¬
ниченная
То же
229
Наимено¬
вание
камеры
Формат кинопленки,
мм
Система
зарядки
кино¬
пленки
Емкость катушек или
кассет, м
Съемочная
оптика
Визир
Двига¬
тель
Кама
1X8
Кассет¬
ная
10
Один жест-
ковстроенный
объектив
2,8/12,5
Телескопи¬
ческий
Пру-
жинный
Экран
1X8
То же
10
То же
То же
То же
Киев-16С-2
16
1
1
15
Турель с
двумя объекти¬
вами „РО-51“—
2,8/20 „Индус-
тар-50“—3,5/50
1
Оптический
со сменными
объективами
п
37 мм. Наводка на резкость осуществляется с помощью дистанци¬
онного кольца, имеющего две шкалы — в метрах и футах.
Для уменьшения габаритов киносъемочной камеры большая
часть объектива располагается внутри корпуса камеры между
верхней и нижней бобинами (рис. 5. 17).
Управление изменением фокусного расстояния объектива осу¬
ществляется с помощью рукоятки, вынесенной на боковую стенку
корпуса камеры (см. рис. 5.15). На этой рукоятке размещаются
также пусковые кнопки камеры: верхняя — для непрерывной съем¬
ки, нижняя — для покадровой съемки. При нажатии на верхнюю
пусковую кнопку производится съемка, а при одновременном пово¬
роте рычага относительно оси, совпадающей с осью нижней кноп¬
ки,— изменение фокусного расстояния объектива.
Такое решение органов управления позволяет осуществлять
пуск кинокамеры и изменение фокусного расстояния объектива од¬
ной рукой; вторая рука используется для дополнительного надеж¬
ного удержания кинокамеры в устойчивом положении. Это осо¬
бенно необходимо, когда изменение масштаба изображения осуще¬
ствляется в процессе съемки — при выполнении так называемых
«наездов» и «отъездов».
Диафрагма объектива может устанавливаться как автоматичес¬
ки, так и вручную. Автоматическая установка диафрагмы осуще¬
ствляется с помощью фотосопротивления, регулирующего ток
в цепи гальванометра, разворачивающего лепестки диафрагмы.
230
Продолжение
Я сз О
0) со Я
Количество кинош
ки, протягиваемой
один завод пружю
го двигателя, м
Режим
съемки
Обратная
перемотка
пленки
Обтюра¬
тор
Управление
диафрагмой
объектива
Г абариты
мм
Вес
кг
2
16 и 32
кадр)сек и
покадровая
съемка
Нет
Диско¬
вый
Ручное
105X42X96
0,670
2
8, 16, 24 и
48 кадр/сек
и покадро¬
вая съемка
Не менее
48 кадров
Штор¬
ный
105X43X95
0,605
3,5
16, 24, 32, 48
64 кадр/сек
и покадро¬
вая съемка
Нет
Диско¬
вый
С объекти¬
вом „Индус-
т а р-50"
215x130x65
1,700
Источником тока служит батарея из трех ртутно-цинковых элемен¬
тов типа РЦ-53.
Для оценки величины установившейся диафрагмы на рамке
гальванометра имеется шкала, изображаемая в нижней части поля
зрения визира. Подсветка шкалы осуществляется через небольшое
отверстие на передней стенке корпуса камеры.
Система автоматической установки диафрагмы рассчитана на
четыре частоты съемки и на использование кинопленки светочувст¬
вительностью от 11 до 90 единиц ГОСТа.
Ввод поправок в систему автоматики на установленную частоту
съемки и светочувствительность применяемой кинопленки, а так¬
же на кратность установленного на объективе фильтра осущест¬
вляется с помощью специального корректирующего устройства.
Это устройство расположено на передней стенке камеры и кон¬
структивно выполнено в виде оправы линзы фотосопротивления
(рис. 5. 18).
Установка необходимой частоты съемки осуществляется поворо¬
том устройства за накатку на наружной втулке. При этом происхо¬
дит необходимое изменение скорости механизма камеры и одновре¬
менно— ввод поправки в систему автоматики на это изменение ско¬
рости. Выполнение этих двух операций одной рукояткой, с одной
стороны, не позволяет забыть произвести одну из них при спешном
231
Рис. 5. 15. Киносъемочная камера
«Лада» со стороны заводной руко¬
ятки
Рис. 5. 17. 'Киносъемочная камера «Лада» с открытой крышкой
переходе на другую частоту съемки, а с другой — дает возмож¬
ность произвести этот переход очень быстро.
Установка светочувствительности кинопленки осуществляется
поворотом за ту же накатку на наружном кольце, но только при
его оттянутом положении. Ввод поправки в систему автоматики на
232
Рис. 5. 16. Киносъемочная камера
«Лада» со стороны крышки
кратность установленного фильтра осуществляется поворотом внут¬
ренней втулки за торцовую накатку.
В камере также обеспечена возможность ручного управления
диафрагмой. Это управление осуществляется с помощью поводка
ручной диафрагмы, располагающегося в нижней части объектива.
Значение установленной вручную диа¬
фрагмы также наблюдается в поле ви¬
зира.
С помощью поводка ручной установ¬
ки диафрагмы осуществляется также
контроль напряжения электрических ба¬
тарей. Для этого поводок устанавливает¬
ся в положение контроля. Годность ба¬
тарей определяется по величине хода
шкалы диафрагм в поле визира. Если
мимо индекса проходит вся шкала, бата¬
рея пригодна для дальнейшего использо¬
вания, если не вся шкала — батарею
надо сменить.
Визир камеры — беспараллаксный,
с отводом лучей из объектива. Размеры
рамки визира соответствуют полю про¬
екционного кадра. Общее поле визира
несколько больше поля рамки. Участки
поля визира, расположенные за рамкой,
просматриваются через красный свето¬
фильтр. Такое решение позволяет на¬
блюдать в визире не только снимаемое
поле, но и часть окружающего простран¬
ства, что облегчает компановку кадра.
Окуляр визира имеет диоптрийную наводку по глазу в преде¬
лах ±5 диоптрий.
Привод механизма камеры «Лада» осуществляется от пружин¬
ного двигателя. Один полный завод пружины обеспечивает транс¬
портирование 2,7 м кинопленки. Заводная рукоятка связана с ва¬
лом пружины роликовой муфтой, позволяющей осуществлять завод
пружины возвратно-вращательными движениями, без перехвата
заводной рукоятки. Благодаря применению анкерного храпового
механизма завод пружины происходит бесшумно.
Приводной механизм обеспечивает четыре частоты съемки — 8,
16, 24 и 48 кадр!сек, а также покадровую съемку. Пуск при работе
сериями и покадровой съемке может осуществляться как от руки,
так и с помощью пускового тросика, имеющегося в комплекте ка¬
меры. Тросик ТФ-3 и запирающее устройство позволяют оператору
самому участвовать в снимаемой сцене. Пусковые кнопки во избе¬
жание случайного нажатия и самопроизвольного пуска могут ар-
ретироваться.
Грейферный механизм обеспечивает возможность обратной от-
Рис. 5. 18. Устройство
для ввода в систему
автоматики поправок на
частот/ съемки, чувстви¬
тельность пленки и крат¬
ность фильтра
233
мотки около 50 кадров кинопленки, что позволяет осуществлять
различные трюковые съемки. Отмотка осуществляется с помощью
рукоятки, навинчиваемой на конец вала грейфера через отверстие
в боковой стенке корпуса камеры. При снятой рукоятке это отвер¬
стие закрывается щитком.
Кинокамера имеет счетчик метров и кадров, приводимый в дви¬
жение кинопленкой на участке между фильмовым каналом и при¬
емной бобиной. Благодаря такому расположению и принципу ра¬
боты счетчик является одновременно и указателем хода киноплен¬
ки. Счетчик расположен на откидной крышке камеры. Шкала кад¬
ров имеет оцифровку до 260 кадров, т. е. количество кадров при¬
мерно соответствует одному метру кинопленки. Счетчик позволяет
оценивать количество отснятой кинопленки с большой точностью —
порядка 5 кадров — на всей длине в 10 м кинопленки. При обрат¬
ной отмотке кинопленки счетчик работает в обратном направлении,
позволяя точно определять число отмотанных кадров. При откры¬
вании крышки камеры показания счетчика автоматически устанав¬
ливаются в исходное положение.
Для переноски камеры она может быть уложена в мягкий, либо
в жесткий футляры. Мягкий футляр используется в тех случаях,
когда по условиям съемки не требуется брать с собой различные
принадлежности. В мягком футляре имеются гнезда для двух све¬
тофильтров.
Жесткий футляр служит для размещения камеры (в мягком
футляре) и всех принадлежностей, а также запаса кинопленки.
Камера комплектуется следующими принадлежностями:
1. Цветным и нейтральными (2х и 4х) фильтрами.
2. Тремя насадочными линзами (+2, +3 и |+5 диоптрий) для
съемки с коротких дистанций.
3. Насадочной ирисовой диафрагмой для съемки с «окруже¬
нием».
4. Насадочной втулкой с выдвижными шторками.
5. Блендой на объектив.
6. Резиновой блендой на окуляр.
7. Пусковым тросиком ТФ-3 с запирающим устройством.
8. Рукояткой для обратной отмотки кинопленки.
9. Короткой петлей — темляком для ношения камеры в руке.
10. Длинной петлей—темляком для ношения камеры на плече.
Кинопроекционная аппаратура
Киноаппарат, предназначающийся для проецирования кино¬
фильма на экран, называется кинопроектором. По своему назначе¬
нию все кинопроекторы подразделяются на стационарные, пере¬
движные и любительские.
Стационарные кинопроекторы устанавливаются в кино¬
театрах и больших клубах. Так как полный фильм состоит обычно
из нескольких частей (рулонов), то для обеспечения непрерывности
234
киносеанса стационарная киноустановка имеет в большинстве слу¬
чаев три кинопроектора: два рабочих и третий — резервный. Ста¬
ционарные кинопроекторы в основном рассчитаны на демонстра¬
цию 35-мм кинофильмов — обычных, широкоэкранных и панорам¬
ных. В настоящее время изготовлены и успешно работают стацио¬
нарные широкоформатные кинопроекторы — для демонстрации
фильмов, изготовленных на пленке шириной 70 мм.
Передвижные кинопроекторы служат для демонстрации
кинофильмов в школах, колхозных клубах, пионерских лагерях
и других местах, где нет стационарных киноустановок. Передвиж¬
ные кинопроекторы должны быть приспособлены для удобной пе¬
ревозки и переноски их, а также для быстрого развертывания
и свертывания, т. е. должны быть компактны, иметь небольшой вес,
быть удобными в обслуживании. Передвижные кинопроекторы из¬
готовляются как для 35-мм, так и для 16-мм кинофильмов.
Любительские кинопроекторы предназначены для использо¬
вания кинолюбителями в домашних условиях, в школьных и завод¬
ских кинокружках и т. д. Они рассчитаны преимущественно на де¬
монстрацию 8-мм кинофильмов. Любительские кинопроекторы дол¬
жны быть легкими, малогабаритными и для своего обслуживния не
должны требовать специальной подготовки.
Основной характеристикой кинопроектора любого типа являет¬
ся его полезный световой погок. Полезным световым потоком ки¬
нопроектора называется световой поток, выходящий из объектива
работающего кинопроектора при отсутствии фильма в фильмовом
канале. Чем больше полезный световой поток, тем больший экран
может осветить кинопроектор с требуемой освещенностью, т. е.
тем большее количество зрителей он может обслужить.
Величина полезного светового потока кинопроектора при вы¬
бранном механизме прерывистого движения определяется его све¬
тооптической системой*. Светооптическая система включает
в себя источник света, осветительную оптику и проекционный объ¬
ектив.
В качестве источника света в кинопроекторах применяются лам¬
пы накаливания, ксеноновые лампы и дуговые лампы с угольными
электродами.
Кинопроекционные лампы накаливания обычно бывают низко¬
вольтные (от 8 до 30 в). Они имеют форму спирали, подобную фор¬
ме кадрового окна, что делается для уменьшения потерь света на
кадровом окне. С целью повышения светового потока и цветовой
температуры лампы работают с перекалом, поэтому срок службы
их невелик — около 20 час. Габаритная яркость тела накала состав¬
ляет 25—27 Мнт.
Для быстроты и удобства смены перегоревшей лампы на новую
кинопроекционные лампы имеют фокусирующий цоколь. Кинопро¬
* Подробно расчет величины полезного светового потока и конструкция уз¬
лов светооптической системы кинопроектора изложены в книге С. М. П р о в о р-
нов, Кинопроекционная аппаратура, «Искусство», М, 1954.
235
екционные лампы накаливания удобны в эксплуатации, но даже
в условиях форсированного режима и при правильно выбранном
механизме прерывистого движения они не могут обеспечить полез¬
ный световой поток более 800 люмен. Поэтому кинопроекционные
лампы накаливания применяются преимущественно в любитель¬
ских и передвижных 35-мм и 16-мм кинопроекторах.
Ксеноновые кинопроекционные лампы получили широкое распро¬
странение лишь в последние годы. Они имеют яркость светящегося
тела около 250 Мнт. Отечественные ксеноновые лампы переменного
или постоянного тока выпускаются мощностью 1000 вт (ДКсШ-
1000) и 3000 вт (ДКсШ'3000) и обеспечивают полезный световой
поток, соответственно 1000-^3000 лм и 7000-=-10 000 лм. Срок служ¬
бы ксеноновых ламп около 200 час.
Для электропитания и зажигания ксеноновых ламп необходи¬
мы специальные электрические устройства. Ксеноновые лампы ме¬
нее удобны в эксплуатации, чем лампы накаливания, но зато они
позволяют получить значительно большие световые потоки
(до 10 000 лм); благодаря этому они находят применение в новых
разработках стационарных кинопроекторов.
Дуговые угольные лампы являются в настоящее время основ¬
ным источником света в стационарных кинопроекторах. Преимуще¬
ственное распространение получили дуги интенсивного горения, ра¬
ботающие на постоянном токе от 60 а и выше. Достоинствами дуги
высокой интенсивности, обусловившими ее преимущественное при¬
менение в качестве источника света стационарных кинопроекторов,
является большая яркость светящегося тела (500—800 Мнт) и хо¬
роший (близкий к дневному свету) спектральный состав излучения.
Дуговые лампы обеспечивают получение световых потоков от
4000 лм до 30 000 лм, что достаточно для обслуживания как сред¬
них, так и очень крупных кинотеатров.
Основной недостаток дуговых ламп — сложность их эксплуата¬
ции, обусловленная быстрым сгоранием углей и необходимостью
их частой смены, необходимостью интенсивного воздушного, а для
мощных ламп и водяного охлаждения угледержателей и зеркала,
необходимостью удаления продуктов сгорания.
Осветительная оптическая система кинопроектора служит для
того, чтобы собрать и направить на кадровое окно как можно боль¬
шую часть светового потока, излучаемого источником света.
Различают зеркальную (катоптрическую), конденсорную (диоп¬
трическую и зеркально-конденсорную (катодиоптрическую) осве¬
тительные системы, в зависимости от того, какой оптический эле¬
мент — вогнутое зеркало, линзы или то и другое вместе использует¬
ся для собирания света от источника света.
Зеркальная система позволяет лучше использовать свет, излу¬
чаемый источником света, однако для этого зеркало должно иметь
большие габариты. Поэтому зеркальная система нашла преимуще¬
ственное применение в стационарных кинопроекторах, где габари¬
ты не имеют большого значения.
236
В передвижных и любительских кинопроекторах используется,
как правило, зеркально-конденсорная осветительная система, по¬
зволяющая при небольших габаритах получить удовлетворительное
использование светового потока источника света.
В любительской 8-мм киноаппаратуре в последнее время все
чаще находит применение осветительная система в виде зеркала,
встроенного в колбу лампы накаливания. Будучи близко располо¬
женным к телу накала, зеркало при небольших размерах захваты¬
вает большую часть его излучения. Световой поток системы значи¬
тельно возрастает (до 100 лм и более), а благодаря объединению
зеркала с источником света в одной колбе с фокусирующим флан¬
цем исключается необходимость юстировки осветительной системы
при замене лампы, т. е. резко повышаются эксплуатационные свой¬
ства кинопроектора.
Кроме полезного светового потока, качество кинопроектора оп¬
ределяется рядом других характеристик (табл. 5.3).
Рассмотрим два наиболее распространенных типа кинопроек¬
торов.
Звуковой стационарный кинопроектор КПТ-2 (рис. 5. 19) пред¬
назначается для демонстрации 35-мм звуковых фильмов с фотогра¬
фической записью звука (ГОСТ 4896—49 и ГОСТ 2944—59). Ос¬
нованием кинопроектора служит массивная чугунная станина 1,
внутри которой расположено клеммное плато для подключения
проводов от источника питания. На колонке с помощью шарниров
и регулировочного винта закреплен стол 2. Шарнирное крепление
стола позволяет выставить необходимый наклон оптической оси ки¬
нопроектора (вверх — до 6°, вниз — до 17°) при его монтаже в ки¬
нотеатре. Внутри стола смонтированы электрические элементы, ру¬
коятки управления которыми выведены на лицевую сторону.
На столе крепятся фонарь 3, проекционная головка 4 и электро¬
двигатель. В фонаре размещаются механизм подачи углей, угле-
держатели, сфероэллиптическое зеркало в оправе с котировочны¬
ми устройствами, противопожарные заслонки. В верхней части фо¬
нарь имеет патрубок для отвода продуктов сгорания углей. На бо¬
ковой стенке фонаря смонтировано проекционное устройство для
наблюдения за правильностью расположения углей.
Фонарь имеет три дверцы — две боковые и одну заднюю, что
обеспечивает свободный доступ внутрь для^замены и регулировки
углей и зеркала, а также для чистки и смазки механизма подачи
углей.
Проекционная головка несет на себе противопожарные кассе¬
ты для размещения бобин с кинофильмом, проекционный объектив,
узлы для звуковоспроизведения. На лицевой стороне головки рас¬
положены все элементы лентопротяжного тракта (рис. 5.20). Из
верхней кассеты 1 через противопожарный канал 2 фильм вытяги¬
вается тянущим зубчатым барабаном 3, образует петлю и посту¬
пает в фильмовый канал 4.
237
Основные параметры
Шифр
кинопроек¬
тора
Тип
кинопроек¬
тора
Назначение
кинопроектора
1 Полезный
световой
поток, лм
Источник
света
Осветительная
система
КПЗО-А
Стацио¬
нарный
Для демон¬
страции нор¬
мальных и ши¬
рокоэкранных
35-мм кино¬
фильмов и ши¬
рокоформат¬
ных 70 мм
кинофильмов
30 ООО
Дуговая
лампа высокой
интенсивности
Д-2006 посто¬
янного тока
85 в, 180 а
Эллиптичес¬
кое зеркало
0 600 мм и
сферический
контротража¬
тель
КПТ-3
То же
Для демон¬
страции нор¬
мальных и ши¬
рокоэкранных
35-мм кино¬
фильмов
7 000
Дуговая лам¬
па высокой ин¬
тенсивности
постоянного
тока, 90 а
Сфероэллип¬
тическое зер¬
кало 0 350 мм
К ПТ-2
Для демон¬
страции нор¬
мальных 35-л/л*
кинофильмов
4000
Дуговая лам¬
па высокой
интенсивности
постоянного
тока 60 а
Сферичес¬
кое зеркало
0 350 мм
35СКПШ-2
То же
2 500
Ксеноновая
лампа
ДКсШ-1000
Асферичес¬
кое зеркало и
контротража¬
тель
КН-11
Пере¬
движной
9
250
Лампа нака¬
ливания К-22;
30 в, 400 вт
Трехлинзо¬
вый конденсор
ПП-16-3
То же
Для демон¬
страции 16-мм
звуковых ки¬
нофильмов
250
То же
Трехлинзо¬
вый конденсор
и рефлектор
Луч-2
Люби¬
тельский
Для демон¬
страции 8-мм
кинофильмов
25
Лампа нака¬
ливания 12 в,
90 вт
Четырехлин¬
зовый конден¬
сор и рефлек¬
тор
238
Таблица 5.3
кинопроекционных аппаратов
Проекционная
оптика
Механизм пре¬
рывистого дви¬
жения
Обтюратор
Емкость
бобин
м
Г абариты
кинопроектора
мм
Вес
кг
Объектив с
относительным
отверстием
1:1,8; анамор¬
фотная насад¬
ка
Мальтийская
система
Дисковый
однолопаст¬
ный 2880
об/мин
1500
2325X2260X890
Объективы
типа П-5 с от¬
носительным
отверстием 1:2;
анаморфотная
насадка типа
НАП-1-1
То же
Конический
двухлопаст¬
ный
600
1
2025X1600X1100
350
Объективы
типа П-5 с от¬
носительным
отверстием 1:2
п
То же
600
1990X1450X1100
300
Объективы
типа ОП-5 и
Р0-500 с отно¬
сительным от¬
верстием 1:2,
анаморфотная
насадка типа
НАП-1-1
600
2060X1360X630
260
Объектив
К0-120 с отно¬
сительным от¬
верстием 1 :2,1
»
»
400
28
Объективы
РО-Ю9-1 и РО-
110 с относи¬
тельным от¬
верстием 1:1,2
Г рейферный
механизм
*
600
24,5
(в че
мода-
не)
Объектив ти¬
па Н-2 с отно¬
сительным от¬
верстием 1:1,4,
фокусное рас¬
стояние 1,8 см
То же
Дисковый
однолопаст¬
ный
120
206X208X180
5,6
239
Прерывистое движение фильма в фильмовом канале (см. рис.
5.11) осуществляется скачковым зубчатым барабаном 5 (см.
рис. 5.20). Пройдя скачковый барабан, фильм образует петлю и по-
Рис. 5. 19. Звуковой стационарный кинопроектор
КПТ-2:
1—станина, 2—стол, 3—''фонарь, 4—проекционная головка
ступает на успокаивающий зубчатый барабан 6, предотвращающий
распространение колебаний скорости фильма, вызванных его пре¬
рывистым движением, в звуковую часть лентопротяжного меха¬
низма.
Через звуковую часть, состоящую из полого (гладкого) бараба¬
на 7, прижимного ролика 8 и направляющего ролика 9, фильм про-
240
тягивается звуковым зубчатым барабаном 10; при этом перед при¬
жимным роликом нужно образовать петлю. После звукового бара¬
бана фильм, сделав небольшую петлю, поступает на задерживаю-
Рис. 5.20. Схема лентопро¬
тяжного такта кинопроек¬
тора КПТ-2:
/—верхняя кассета, 2— противо¬
пожарный канал, 3—тянущий
зубчатый барабан, 4—фильмо¬
вый канал, 5—скачковыи зубча¬
тый барабан, 6—успокаиваю¬
щий зубчатый барабан, 7—по¬
лый барабан, 8—прижимной ро¬
лик, 9—направляющий ролик,
10—звуковой зубчатый барабан,
//—задерживающий зубчатый
барабан, 12—противопожарный
канал, 13—приемная кассета
Рис. 5.21 Схема приводного механизма кино¬
проектора КПТ-2:
/—электродвигатель, 2, 3, 6, 7, 9, 10, 11, 17, 18, 19, 20,
21, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 32, 33, 34—шестерни, 4—вер¬
тикальный вал, 5—тянущий зубчатый барабан,
8—скачковый зубчатый барабан, 12—эксцентричная
шайба, 13—мальтийский крест, /4—успокаивающий
зубчатый барабан, /5—звуковой зубчатый барабан,
16—задерживающий зубчатый барабан, 22—вал нама-
тывателя, 23—карданный вал, обтюратор, 31—ру¬
коятка, 35—зубчатая рейка, 36—обойма
щий зубчатый барабан 11, который предотвращает распростране¬
ние в звуковую часть колебаний скорости фильма, вызываемых на-
матывателем. Затем через нижний противопожарный канал 12
фильм проходит в приемную кассету 13.
16 805
241
На полом барабане 7 происходит «чтение» фонограммы с помо¬
щью так называемой читающей оптики. Читающая оптика обеспе¬
чивает получение на фонограмме читающего штриха (тонкой све¬
товой полоски). Она состоит из источника света —просвечивающей
(звуковой) лампы, освещающей через конденсор специальную диа¬
фрагму— механическую щель, и микрообъектива, проецирующе¬
го механическую щель на фонограмму фильма в виде светового
штриха. За фильмом установлен фотоприемник — фотоэлектронный
умножитель ФЭУ-1. Световой поток, прошедший через фонограмму
фильма и промодулированный ею, падает на катод фотоумножи¬
теля, напряжение от которого после усиления подводится к гром¬
коговорителям.
Детали лентопротяжного тракта приводятся в движение с по¬
мощью приводного механизма (рис. 5.21), расположенного внутри
головки кинопроектора. Движение от электродвигателя 1 посредст¬
вом шестерен 2 и 3 передается вертикальному валу 4, а от него —
всем элементам лентопротяжного тракта: верхнему тянущему зуб¬
чатому барабану 5 с помощью шестерен 6 и 7; скачковому зубча¬
тому барабану 8 с помощью шестерен 9, 10, 11, эксцентричной шай¬
бы 12 с 'пальцем и мальтийского креста 13; успокаивающему зуб¬
чатому барабану 14, звуковому зубчатому барабану 15 и задержи¬
вающему зубчатому барабану 16 соответственно с помощью ше¬
стерен 17, 18, 19, 20 и 21; валу наматывателя 22 с помощью кардан¬
ного вала 23 и шестерен 24, 25, 26, 27\ с помощью шестерен 28 и 29
приводится во вращение обтюратор 30.
Рукоятка 31, зубчатые пары 32, 33 и 34, 35 и обойма 36 служат
для установки кадра в рамку разворотом всей мальтийской систе¬
мы и соответствующей компенсацией угла поворота обтюратора.
Кинопроектор КПТ-2 имеет следующие основные технические
характеристики. Полезный световой поток кинопроектора при объ¬
ективе типа П-5 и углях интенсивного горения 8—60 — не менее
4000 лм. Равномерность освещенности экрана при этом — не менее
70%.
Проекционный объектив типа П-5 с относительным отверстием
1 : 2 и коэффициентом пропускания 0,88—0,90. Объективы выпус¬
каются с фокусными расстояниями 9, 10, И, 12, 13, 14, 15, 16
и 18 см. Ход фильма — открытый. Размеры кадрового окна —
20,9X15,2 мм (ГОСТ 2944—59).
В кинопроекторе предусмотрено водяное охлаждение фильмо¬
вого канала и теплозащитной бленды. Скорость движения филь¬
ма— 24 кадр!сек. Обтюратор — конический, двухлопастный.
Лампа просвечивания (звуковая)—К27 (10 в, 50 вт постоян¬
ного тока, цоколь Р-14). Микрообъектив с фокусным расстоянием
15,6 мм, апертура 0,25. Длина читающего штриха — 2,15 мм, шири¬
на— 0,02 мм. Расстояние от центра кадрового окна до-читающего
штриха — 19 кадров (ГОСТ 2639—62). Фотоэлектронный умножи¬
тель ФЭУ-1.
242
Приводом механизма головки кинопроектора служит трех¬
фазный асинхронный электродвигатель напряжением 220/380 в,
мощностью 0,27 кет, с числом оборотов 1400 общин. Смазка меха¬
низма головки кинопроектора — автоматическая, принудительная—
от шестеренчатого насоса. Наматыватель первого рода — с по¬
стоянным моментом сил сухого трения. Высота от пола до оптиче¬
ской оси — 1250—1275 мм.
Рис. 5 22. 8-мм кинопроектор «Луч-2»-
/—угольник, 2—ось, 3—задняя крышка, ^—крон¬
штейн, 5—передняя крышка
Любительский кинопроектор «Луч-2» (рис. 5.22) предназна¬
чается для демонстрации черно-белых и цветных 8-мм фильмов
как со звуковым сопровождением с помощью магнитофона и элек¬
трического синхронизатора, так и без звукового сопровождения.
Кинопроектор состоит из угольника 1 с размещенными на нем
лентопротяжным и приводным механизмами и осветительно-проек-
ционной системой, открывающейся на осях 2 задней крышки 3 со
смонтированными на ней трансформатором, переключателями
и другими электрическими элементами, откидывающегося крон¬
штейна 4 с фрикционами для бобин емкостью 120 ж и передней
крышки 5.
Питание кинопроектора осуществляется от сети переменного
тока напряжением 127 или 220 в. Механизм приводится в движе¬
16*
243
ние специальным коллекторным электродвигателем ДУ-15 пере¬
менного тока напряжением 127 в, мощностью 15 вт. В цепь элек¬
тродвигателя включен помехозащитный фильтр.
Транспортирование фильма осуществляется с помощью комби¬
нированного зубчатого барабана, грейферного механизма и нама¬
тывающих устройств.
Грейферный механизм кривошипно-шатунного типа. Вал с экс¬
центриком, несущим грейфер, вращается с утроенной скоростью—
48 об/сек при частоте проекции 16 кадр/сек. В качестве рабочего
движения используется каждый третий оборот, причем ввод грей¬
фера в зацепление с фильмом осуществляется с помощью кулачка,
кинематически связанного с валом грейфера и вращающегося со
скоростью 16 об/сек. Грейферный механизм имеет угол движения
порядка 55°, т. е. коэффициент рациональности составляет 0,85.
Частота проекции фильма регулируется с помощью реостата
в пределах от 12 до 26 кадр/сек. При остановке механизма кино¬
проектора, либо при снижении частоты проекции фильма ниже
12 кадр/сек в световой поток вводится заслонка-теплофильтр.
Управление заслонкой осуществляется с помощью центробежного
устройства, размещенного на валу грейфера. Наличие теплофильт-
ра позволяет производить просмотр кинофильма на пониженной
скорости и даже при остановленном кадре без опасения, что он
загорится.
Конструкция механизма кинопроектора обеспечивает транспор¬
тирование фильма как в4 прямом, так и в обратном направлении
с просмотром изображения на экране, а также ускоренную пере*
мотку фильма. При переключении направления хода фильма с пря¬
мого на обратный, и наоборот, фрикционные устройства верхней и
нижней бобин автоматически переключаются на работу, соответ¬
ственно, в качестве наматывателя, либо тормозного устройства.
Натяжение кинофильма при намотке в случае необходимости мо¬
жет регулироваться. При желании перемотка фильма может быть
осуществлена вручную; для этого к кинопроектору прикладывает¬
ся рукоятка, а в бобине имеется соответствующее отверстие.
Синхронизация движения фильма в кинопроекторе с движе¬
нием магнитной ленты в магнитофоне осуществляется с помощью
специального устройства — синхронизатора СЭЛ-1 и нескольких
простых узлов в кинопроекторе.
Осветительная система кинопроектора состоит из проекционной
лампы К12-90* (12 в, 90 вт), четырехлинзового конденсора и сфе¬
рического отражателя. Для получения при данной схеме наиболь¬
шего светового потока и равномерной освещенности экрана лампа
и контротражатель имеют котировочные подвижки в вертикаль¬
ном и двух горизонтальных направлениях, причем одна из них —
подвижка лампы перпендикулярно оптической оси в горизонталь¬
ном направлении, сделана оперативной и осуществляется с по¬
мощью рукоятки, выведенной наружу с задней стороны кинопро¬
ектора.
244
Значительное повышение светового потока кинопроектора мо¬
жет быть получено включением лампы на повышенное напряже¬
ние (переключатель лампы устанавливается в положение «Ярче»).
Однако нужно иметь в виду, что при таком режиме работы срок
службы лампы сокращается, поэтому пользоваться им следует
только в том случае, если напряжение сети понижено, либо при
демонстрации очень плотных фильмов.
Обтюратор кинопроектора с целью повышения коэффициента
пропускания сделан однолопастным и имеет утроенную скорость
вращения 48 об/сек при частоте 16 кадр/сек. Угол лопасти обтюра¬
тора 130°, коэффициент пропускания 0,64.
Кинопроекционный объектив Н-2 — просветленный четырехлин¬
зовый анастигмат с фокусным расстоянием 1,8см и относительным
отверстием 1:1,4 — имеет светопропускание около 85% и разре¬
шающую способность не менее 90 линий/мм.
В целом осветительно-проекционная система кинопроектора
обеспечивает получение полезного светового потока около 25 лм
при равномерности освещенности экрана не менее 70%.
Глава VI
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
6.1. ПРИМЕНЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Краткие сведения о применении геодезических приборов
Измерение горизонтальных углов производится
при помощи теодолита. Теодолит устанавливают в вершине изме¬
ряемого угла, выставляют по уровню, закрепляют лимб. Враще¬
нием алидады наводят перекрестие зрительной трубы поочередно
на правую и левую марку, которые определяют стороны угла. Раз¬
ность отсчетов по лимбу определяет величину измеряемого угла.
Измерение вертикальных углов осуществляется
с помощью вертикального круга теодолита, который, будучи свя¬
зан с трубой, вращается вместе с ней. Отсчет берется с помощью
индекса на неподвижной алидаде вертикального круга. Отсчет мо¬
жет быть положительным или отрицательным в зависимости от
положения линии визирования относительно горизонта.
Геометрическое нивелирование определяет раз¬
ность высот двух точек. Производится нивелирование с помощью
нивелира, визирная ось которого установлена горизонтально. Раз¬
ность отсчетов по вертикальным рейкам, установленным в двух
точках А и В, определяет величину превышения
к = а—Ь,
где а и Ь отсчеты по двум рейкам.
Тригонометрическое нивелирование может вы¬
полняться и с помощью теодолита, если высота будет определена
из решения прямоугольного треугольника, в котором известными
величинами (измерениями) будут дистанция до рейки и вертикаль¬
ный угол наклона визируемого направления к горизонту. Точность
тригонометрического нивелирования ниже, чем геометрического.
Мензульная съемка — графическая съемка местности,
производится непосредственно в поле. Мензула — планшет со спе¬
циальным основанием — устанавливается на треноге. На планшет
246
приклеивается бумага, на которую во время работы наносятся
ориентиры местности. Кипрегель — прибор, имеющий зрительную
трубу и линейку, параллельную визирной оси трубы, направляется
на объект. Это направление отмечается карандашом по ребру ли¬
нейки, дистанция до точек измеряется и откладывается в масшта¬
бе. Высоты их определяются тригонометрическим нивелированием.
В результате съемки на бумаге получится план местности.
Классификация геодезических приборов
Обычно геодезические приборы (табл. 6. 1) классифицируют по
назначению и точности.
Таблица 6. 1
Отечественные геодезические приборы
Нивелиры
Марки нивелиров
(ГОСТ 10528—63)
Н1
Н2
НС2
(са-
мо-
уст.)
нз
нсз
НС4
НТ
нлс
Средняя квадрати¬
ческая ошибка на 1 км,
в мм не более
±0,5
±1,0
±1,0
±4,0
±4,0
±8,0
±15,0
±30,0
рх
45
40
40
30
30
30
20
30
Цена деления уров¬
ня в сек
10
10
—
—
—
30
—
15
Теодолиты
Марки теодолитов
(ГОСТ 10529—63)
Т05
Т1
Т2
Т5
Т10
Т15
, Т20
ТЗО
Допустимое значение
средней квадратичес¬
кой ошибки угла в сек
±1,0
±1,5
±3,0
1
±7,0
±10,0
±15,0
±20,0
±30,0
Гх
37
50
66
30
40
25
25
25
25
20
18
Диаметры кругов в мм
горизонтального
вертикального
200
100
140
90
90
75
100
70
90
70
80
70
65
65
70
70
По назначению можно выделить следующие группы приборов:
1. Инструменты и приборы для линейных измерений: 1) сталь-
247
ная лента; 2) инварная мерная проволока; 3) рулетка; 4) дально¬
меры.
2. Приборы для измерения углов: 1) теодолит; 2) теодолит
специального назначения; 3) вертикальный круг; 4) буссоль;
5) гироскоп-компас.
3. Приборы для определения высот и превышений: 1) нивелир,
2) профилограф; 3) барометр.
4. Приборы для графической съемки местности и фотографиче¬
ские приборы: 1) мензула с кипрегелем; 2) фотограмметр; 3) фо¬
тотеодолит.
5. Оптические проектиры: 1) оптический отвес; 2) оптический
проектир направления; 3) световой указатель.
6. Приборы для камеральных работ: 1) планиметр; 2) панто¬
граф; 3) светокопировальный аппарат и т. д.
Приведенная классификация — условна, так как отдельные ин¬
струменты служат для нескольких видов измерений.
Инструменты одного назначения образуют ряд в зависимости
от точности. Точность измерения изменяется постепенно, приборы
же по точности делятся на три группы: высокоточные, точные
и технические. Высокоточные инструменты и приборы конструи¬
руются для отдельных видов и даже способов измерений (триангу¬
ляционный теодолит и т. п.). Точность обеспечивается в этих при¬
борах иногда даже за счет веса и габарита. Приборы этой группы
(см. табл. 6.1) являются преимущественно астрономо-геодезиче-
скими и предназначаются для астрономических определений ази¬
мута, широты и поправки времени и для триангуляции и нивели¬
рования I и II классов.
Обоснование параметров прибора
Геодезические приборы должны обеспечивать производство со¬
ответствующих измерений с требуемой точностью. Поэтому при их
конструировании расчеты на точность являются основными.
На выбор параметров конструкции влияют следующие исход¬
ные данные:
а) назначение прибора, условия эксплуатации, заданные вес и
габариты;
б) требуемая точность измерений;
в) физиологические возможности глаза или другого прием¬
ника;
г) технологические условия изготовления ответственных частей
инструмента.
Требуемая точность результатов измерений задается средней
квадратической ошибкой результата или предельной ошибкой.
Ошибки могут выражаться в угловой или линейной мере в зависи¬
мости от вида и характера измерений. При этом необходимо учи¬
тывать, что частью ошибки конечного результата будет ошибка от
влияния внешних условий (рефракции, прозрачности атмосферы,
колебаний подставки).
248
Физиологические возможности глаза должны быть известны
расчетчику и конструктору, так как на них основывается расчеа
увеличения зрительных труб и микроскопов, выбор схемы отсчет-
ных приспособлений. Такими параметрами, например, являются
разрешающая способность (60"), порог восприятия глазом малого
излома прямой линии (6—10 мк), наблюдение сдвига прямой
узкой полосы относительно другой полосы (с расстояния наилуч¬
шего видения — при угловой величине в 10-М2") и т. д. Повышают
возможности лучшего наблюдения наиболее выгодная окраска
поля (для черных штрихов — зеленая или желтая), удобные для
отсчитывания ширина штрихов и интервалы между штрихами.
Технологические возможности изготовления ответственных дета-
лей прибора ограничивают конструктора в его стремлении к полу¬
чению большой точности. Уровень развития техники в настоящее
время позволяет получить ошибку нанесения штрихов на лимбах
±1"; наименьшую толщину штрихов сеток 1—2 мк; колебание
цены деления уровня в 1" в пределах ±10% на разных частях
ампулы; ошибку шага микровинтов в 1 мк для минимального шага
в 0,25 мм; зазор в цилиндрических осях — 0,54-0,8 мк и т. д.
Исходные данные нужны для расчетов. Сами же расчеты, опре¬
деляющие в конечном счете допуски на изготовление деталей
и сборку узлов прибора, принципы и порядок расчетов являются
предметом специального инженерного курса.
6.2. ОБЩИЕ УЗЛЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
В геодезических приборах применяется большое количество
оптических систем самого разного назначения и сложности. Одни
системы нужны для фиксирования направления на объект: это зри¬
тельные трубы, фотографические и фотоэлектрические системы.
Другие — нужны для рассматривания измерительных шкал с боль¬
шим или меньшим увеличением. Это отсчетные микроскопы и лупы.
Третьи — нужны как системы для уточнения отсчета — оптические
микрометры. Много оптических систем применяется для подсветки
и изменения хода луча.
Рассмотрим особенности и основные конструкции оптических
систем в геодезическом приборостроении.
Зрительные трубы
Зрительные трубы (рис. 6. 1) используются для наблюдения да¬
леких предметов и визирования на них. Они представляют собой
телескопические системы типа астрономической трубы Кеплера.
Зрительные трубы имеют большое увеличение Г= 10х -т-60 х, малое
поле зрения 2|3=1°4-3°, малый выходной зрачок (1вых,3р=09
4-1,5 мм. Входным зрачком трубы обыкновенно является оправа
объектива. Относительные отверстия лежат обычно в пределах от
1 :6 до 1 : 10. В фокальной плоскости окуляра устанавливается
сетка для визирования на предметы.
Предметы могут находиться на любых расстояниях от прибо¬
249
ра, начиная приблизительно от 5 ж до бесконечности, поэтому
в конструкции зрительной трубы должны предусматриваться
фокусирующие устройства. Фокусировка в зрительной трубе, схема
которой изображена на рис. 6.1, а, осуществляется перемещением
окуляра с сеткой относительно объективной неподвижной части
трубы. Окуляр перемещается реечным механизмом (механизм
трибки и рейки) при вращении трибки. Эта конструкция получила
название трубы с внешней фокусировкой.
Если при фокусировке перекрестие сетки, находящейся в оку¬
лярном колене, переместится вследствие ошибок изготовления или
зазора в плоскости, перпендикулярной визирной оси, на какую-то
келичину х, то произойдет наклон визирной оси на угол а. Обозна¬
чив расстояние от объектива до лерекрестия будем иметь
где д = 206 265".
Если рассчитать величину х, например для нивелира с ?'об =
= 300 мм, допустив ошибку отсчета от смещения перекрестия не
больше 0,5 мм при расстояниях до рейки в 50—100 м, то окажет-
3
Рис. 6. 1. Схемы зрительных труб
а—с внешней фокусировкой, б—с внутренней фокусировкой, 1—объ¬
ектив, 2— сетка, 5—юкуляр
ся, что х^2 мк. Поэтому внешне несложный узел окуляра является
очень трудным в исполнении. Геометрический расчет габаритов
зрительной трубы, а также расчет перемещения окуляра при внеш¬
ней фокусировке может быть произведен по формулам, известным
из курса «Прикладная оптика».
В геодезических приборах широко применяются также трубы
с внутренней фокусировкой (см. рис. 6.1,6). Объектив такой трубы
состоит из двух компонентов, находящихся на определенном рас¬
стоянии друг от друга и представляющих собой телеобъектив, эк¬
вивалентное фокусное расстояние которого
где /' и /г2 — фокусные расстояния компонентов телеобъектива;
/ — расстояние между ними.
.250
Длина трубы в системах с внутренней фокусировкой будет по¬
стоянной и меньшей, чем эквивалентное фокусное расстояние. Фо¬
кусировка на близкий и далекий предмет производится перемеще¬
нием «фокусирующей» второй линзы. Она обыкновенно бывает от¬
рицательной. Для расчета перемещения фокусирующей линзы сле¬
дует пользоваться формулой, приводимой в курсах оптики:
В этом выражении Ь задается, а 5' рассчитывается по формуле
Труба с внутренней фокусировкой имеет ряд следующих преи¬
муществ перед трубой с внешней фокусировкой: а) меньшая длина
трубы при тех же увеличениях; б) меньшие колебания визирной
оси при фокусировке при тех же допусках на изготовление деталей;
в) большая герметичность трубы.
В трубе с внешней фокусировкой объектив обычно представляет
собой две склеенные линзы и крепится зажимным кольцом через
пружинное кольцо. В трубах с внутренней фокусировкой передний
компонент телеобъектива может состоять из двух склеенных линз,
двух линз с воздушным промежутком и из трех линэ. Для крепле¬
ния нееклеенных линз применяются прокладки из калиброванной
проволоки и прокладочные кольца. В современных высокоточных
инструментах оправа объектива и даже вся труба делаются во из¬
бежание деформаций линз из стали, коэффициент линейного
расширения которой (11-10-6, 12-10-6) близок к коэффициенту
расширения стекла.
В геодезических приборах применяются окуляры типа Кельне¬
ра, симметричный и ортоскопический. Окуляры выполняются
в оправах, дающих возможность производить диоптрийную навод¬
ку в пределах трех-четырех диоптрий.
В поле зрения геодезического прибора всегда имеется сетка,
вид которой зависит от назначения и точности инструмента. Сетки
наносятся на стекле. Наиболее простая сетка имеет вид перекре¬
стия. Часто в поле зрения прибора видны три полные или непол¬
ные горизонтальные нити —нитяной дальномер (рис. 6.2). Расчет
расстояния Р между двумя нитями сетки делается тто формуле
где к— коэффициент дальномера, равный 100, 200, 300 и т. п.
Для вычисления измеряемого расстояния служит формула, лег¬
ко Ёыводимая из построения хода лучей в зрительной трубе:
0 = Ы + с9
251
где I — число делений рейки между нитями дальномера;
с = }'+б;
б — расстояние от передней главной плоскости объектива до
вертикальной оси вращения инструмента, центрируемой
над точкой местности.
Для различных инструментов значение с находится в пределах
от 250 до 700 мм. Способы определения этой величины приводятся
в курсах геодезии.
В системах с внутренней фокусировкой связь параметров опти¬
ческой системы с коффициентами к и с и переменный характер
Рис. 6.2. Вид в поле зрения
трубы (нитяной дальномер)
Рис. 6. 3. Узел фокусирующей линзы:
/—гайка с накаткой, 2—резьбовое кольцо»
3—вкладыш, 4—корпус тпубы, 5—оправа фокуси¬
рующей линзы
этих величин затрудняют пользование нитяным дальномером. Од¬
нако оказалось возможным при соответствующем выборе элемен¬
тов конструкции построить трубу, для которой с = 0. Эти трубы
носят название аналлактических.
Для повышения точности визирования сетка изготовляется
с биссектором или в виде двух штрихов под малым углом. Слож¬
ность этой конструкции вызывается .необходимостью проведения
полевых поверок.
Перед началом съемки наблюдатель должен быть уверен в точ¬
ности прибора и годности его к работе, т. е. он должен провести
полевые поверки прибора. Полевые поверки прибора выявляют от¬
клонения в геометрической схеме прибора, возникающие в процес¬
се его перевозки. Порядок проведения полевых поверок в данном
пособии не рассматривается /и может быть взят из заводских опи¬
саний приборов или из любого учебника по геодезии.
Для поверки вертикальности вертикальной нити сетки и колли¬
мационной ошибки прибора необходимо иметь возможность слегка
наклонять сетку и смещать ее в горизонтальном направлении. Для
этого при слегка отпущенном верхнем винте можно покачать сетку
или сместить ее оправу работой двух горизонтальных винтов. Вся
конструкция сетки бывает обычно прикрыта защитным колпачком.
252
Конструкция зрительной трубы с внешней фокусировкой пред¬
ставляет собой реечный механизм, где рейка смонтирована на
выдвижном окулярном тубусе. Конструкция внутренней фокусиров¬
ки может быть решена тем же реечным механизмом, смонтирован¬
ным внутри трубы. Другое решение этой задачи представлено на
рис. 6.3. При вращении гайки 1 с накаткой кольцо 2 с резьбой
начинает поступательно перемещаться вдоль оси трубы. От вра¬
щения его удерживает вкладыш 3, двигающийся в пазу корпуса
трубы 4. Кольцо 2 ведет оправу 5 с линзой и диафрагмой. Сама
труба либо является частью корпуса прибора (нивелир), либо
укрепляется на горизонтальной оси инструмента (теодолит).
Отсчетные системы
Отсчетные системы — лупы и микроскопы — в геодезическом
приборостроении служат для рассматривания шкал и лимбов, для
производства измерений по ним, для уточнения этих измерений.
В современном геодезическом приборостроении применяются
три принципа отсчитывания: а) оценка десятых долей интервала;
б) оценка совмещения двух штрихов — одного на продолжении
другого; в) оценка установки штриха посредине между двумя дру¬
гими (биссектирование).
Первый из этих принципов позволяет замечать наименьшее ли¬
нейное смещение 0,1 мм с расстояния в 250 мм, второй — 0,01 —
0,02 мм, третий — 0,01—0,03 мм. Выбрав принцип отсчитывания,
можно перейти к выбору оптической системы для отсчета.
Простейшей системой для рассматривания шкалы с увеличе¬
нием является лупа. Все необходимые для расчета формулы при¬
ведены в гл. II настоящего учебного пособия. Там же даны по¬
дробные описания отсчетных приспособлений. Исходными данны¬
ми для расчета луп и микроскопов являются точность отсчитыва¬
ния и основные размеры шкал.
Осевые системы
Механические оси должны определять и взаимно сохранять
перпендикулярность или параллельность отдельных узлов и дета¬
лей прибора, а также устанавливать размеры и пределы измене¬
ния их расположения. При конструировании этих систем должны
быть обеспечены:
а) точность совмещения осей (центрированность) и их взаим¬
ная перпендикулярность или параллельность;
б) правильность вращения в пределах точности в условиях
меняющихся температуры и трения;
в) постоянство размеров и форм деталей.
По расположению оси делятся на вертикальные и горизонталь¬
ные, по форме — на конические и цилиндрические.
253
Вертикальные оси несут очень большую нагрузку — подставки
с горизонтальной осью и зрительную трубу. Алидада (линейка),
несущая индексы для отсчета, должна вращаться, независимо от
лимба. Центрировка должна быть точной и допустимый наклон
в осевой системе — очень мал. Все эти требования обусловливают
сложность конструкций вертикальных осей.
Конические вертикальные оси дают возможность регулировать
зазор в процессе работы, их можно ремонтировать, они могут
быть изготовлены с высокой точностью. Основными конструктив¬
ными элементами конических осей являются угол конуса 2а, длина
оси Ь и диаметры с1тах и с1т-т.
Наилучшая центрировка и наименьшие колебания будут при
Ьтах и малом значении 2а. Величина 2а обычно выбирается в пре¬
делах 4°-М5°. Длина оси допускается равной 3—4-кратному диа¬
метру, конусность оси выбирается в пределах от 1/10 до 1/5, вели¬
чина зазора между осью и втулкой
где т — цена деления уровня;
Ь— длина оси;
<3 = 206 265".
Материалы для конической оси и ее втулки выбираются с ми¬
нимальным коэффициентом трения, например сталь — бронза или
(в магнитных приборах) бронза — латунь. Конические оси, изго¬
товленные из материалов с разными коэффициентами линейного
расширения, чувствительны к колебаниям температуры.
Для уменьшения трения осевые пары смазываются костяным
маслом и смешанными маслами А-С, С-1, С-3, употребляемыми
для смазки часовых механизмов.
Для уменьшения трения на средних частях оси делают проточ¬
ки глубиной 0,3—0,5 мм, а на осях алидады и лимба заплечики,
которыми ось алидады опирается на втулку, а ось лимба на втулку
подъемного аппарата (рис. 6.4). Детали осевых систем, как пра¬
вило, изготовляются по 1-му классу точности и имеют строгие до¬
пуски на ошибки формы.
Цилиндрические вертикальные оси с трением скольжения
менее точны вследствие неизбежного зазора, не позволяют регу¬
лировать зазор, чувствительны к изменению температуры. Они при¬
меняются в теодолитах и получили распространение в конструк¬
циях нивелиров и мензул. В этих конструкциях неподвижны ось
или втулка (рис. 6.5). Боковые поверхности, свободные от верти¬
кальной нагрузки, обеспечивают правильное направление, нагруз¬
ка же передается на заплечики или подпятники. В вертикальной
цилиндрической осевой системе иногда вместо поверхностей сколь¬
жения вводятся подшипники качения; особенно широко применяют¬
ся шариковые подшипники в фототеодолитах.
254
Точность центрировки при применении шарикоподшипников
в осевых системах может быть достигнута до 3—5 мк для серий¬
ных и 1 мк для специальных подшипников. Подшипники качения
меньше реагируют на изменение температуры, чем подшипники
скольжения.
Расчеты, связанные с конструиро¬
ванием осевых систем, могут вестись
на «прочность» и на «жесткость» кон¬
струкции по методам, изложенным
в курсе «Детали машин и приборов».
Действующей силой будет вес верх¬
ней части прибора (нагрузка на ось).
Горизонтальные оси в угломерных
инструментах несут на себе трубу или
трубу и вертикальный круг с алида¬
дой. Труба может быть закреплена по
центру оси в так называемом кубе
или может крепиться на одном из
концов оси. Цапфы оси укладываются
в специальные гнезда подставок, ко¬
торые носят название лагеров. Ла¬
геры могут иметь цилиндрическую и
У-образную форму, обычно с уг¬
лом 90°.
Цапфы прижимаются к лагерам
пластиной с пружинным упором
(рис. 6.6). Для регулировки горизон¬
тального положения оси одна из подставок должна иметь приспо¬
собление для изменения ее высоты.
Горизонтальную ось и ее цапфы делают из латуни, бронзы, ста¬
ли. Цапфы иногда делают насадные. Форма цапф цилиндрическая,
посадочные места для круга и алидады выполняются конусными.
Горизонтальная ось иногда делается полой, в полости помещается
трубка с призмой или зеркальцем, при помощи которых освещает¬
ся сетка от источника света, расположенного против отверстия.
Лимбы
Геодезические инструменты и приборы должны иметь в конст¬
рукции какую-то рабочую меру для сравнения измеряемой величи¬
ны с единицей измерения. Рабочими эталонами для измерения
углов являются лимбы. Они входят в конструкцию приборов и
представляют собой металлические и стеклянные круги, разделен¬
ные на некоторое число равных делений. В некоторых приборах
имеются устройства, преобразующие углы и линейные меры в дру¬
гие величины: превышение, горизонтальное проложение, прираще¬
ние координат.
Рис. 6. 4. Узел вертикальных
конических осей:
1—ось алидады, 2— бакса, 3—втулка
треножника, 4— хомутик, 5—гайка,
6—головка станового винта, 7—
втулка
255
256
Рис. 6. 5. Узел вертикальных цилиндрических осей
а—на подшипниках скольжения, б—на подшипниках качения
Рис. 6. 6. Верхняя часть лагера:
/—горизонтальная ось, 2—колпачок с пружи¬
ной, 3—колонка-лагер
Конструкция лимба в виде сплошного диска выгоднее, чем
в виде кольца со спицами с точки зрения деформаций. Для исклю¬
чения ошибки эксцентриситета отсчет с лимбов берут с двух кон¬
цов алидады (линейки) с верньерами (рис. 6.7).
Конструктивными элементами лимба являются его диаметр,
цена деления, интервал деления, толщина штрихов, форма поверх¬
ности, несущей деления, а также материал детали.
Если штрихи имеют толщину 0,1 мм и более, материалом для
лимба служит латунь ЛС-59-1 или бронзы БрОФ6,5-0,4
и БрОЦС6-6-3. Для более тонких штрихов применяется нейзильбер
МНЦ 15-20 или серебряный сплав (А& 87,5% и Си 12,5%). Сереб
Рис. 6.7. Узел сопряжения алидады с лимбом-
1—«основание лимба, 2—пластинка с делениями, 3—кожух алидады, 4—ил¬
люминатор для подсветки шкалы, 5—лупа, 6—держатель, 7—алидада
с верньерами
ро или нейзильбер в виде полоски припаивается или завальцовы-
вается в латунное основание, а затем подвергается окончательной
обработке «пемзовке» и нанесению делений на делительных маши¬
нах с ошибкой не более 1"—3".
Стеклянные лимбы изготавливают из стекла БК-Ю, деления на¬
носят травлением с последующей защитой покровным стеклом.
Диаметры металлических лимбов для теодолитов колеблются
в пределах от 50 до 140 мм. Стеклянные лимбы имеют диаметр
от 50 до 90 мм при толщине 3—5 мм. Диаметры лимбов высокоточ¬
ных инструментов достигают 300 мм.
Конструктивные формы лимбов различаются по соотношению
их размеров и по форме поверхности, несущей деления. Последняя
может быть конической, цилиндрической и плоской. Стеклянные
лимбы имеют обычно плоскую поверхность. Цилиндрические лим¬
бы применяются в приборах с малой точностью. Конические лим¬
бы имеют угол от 12° до 55°, определяемый удобством наблюдения
и размещением отсчетных приспособлений, луп, микроскопов.
Во многих современных конструкциях лимб входит как деталь
в оптическую систему и представляет собой плоско-параллельную
пластинку, на которой штрихи могут освещаться в проходящем
17 805
257
(рис. 6.8, а) и отраженном (рис. 6.8,6) свете. Конструкция стек¬
лянного лимба представлена на рис. 6.9.
Ценой деления лимба называют угловую величину поворота
визирной линии прибора, заложенную в соответствующий мини-
Рис. 6. 8. Подсветка стеклянного лимба:
а—в проходящем свете, б—в отраженном свете
мальный интервал (расстояние между двумя соседними штрихами
лимба). Лимбы геодезических приборов имеют цену деления 1/2°,
1/3°, 1/6°, 1/12° и 1/15° и через 1/2^и 1/5* в градовой мере. При вы¬
боре цены деления лимба необходимо учитывать точность отсчет¬
ного приспособления (верньер, микроскоп и т. п.), а также техно¬
логические возможности нанесения данного интервала на лимбе
(табл. 6.2). Интервалом принято называть линейное расстояние
между двумя соседними штрихами. Интервал деления при задан-
Рис. 6. 9. Крепление стеклянного лимба:
/—прокладка, 2—плоскость шкалы лимба
ной цене деления лимба и диаметре В может быть определен из
формулы
где N — число делений на лимбе.
При расчете допустимой толщины штрихов исходят из требуе¬
мой точности отсчитывания, физиологических возможностей глазг,
технологических условий нанесения штрихов.
Для рассматривания невооруженным глазом толщина штриха
принимается около 0,1-1-0,2 мм, в соответствии с условием наибо¬
лее удобной оценки десятых долей интервала, равного 1,5—2 мм.
258
Характеристика лимбов
Таблица 6.2
Наименование и цена
деления отсчетного
приспособления
Цена
деления
Интервал
деления
мм
Материал
лимба
Толщина
штриха,
мм
Верньер Г—10"
1/2°—1/6°
0,7—1,0
Нейзильбер
0,08—0,1
0,3-0,7
Серебро
0,02—0,08
Микроскоп-микрометр
5"—2"
1/6°—1/12°
0,3—0,7
Серебро
0,008—0,02
Оптический микрометр
1" и меньше
1/15°
0,3—0,7
Стекло
БК-10
0,002—0,008
При пользовании лупами или микроскопами толщина штрихов
зависит от увеличения этих оптических приспособлений. Длина
штрихов, высота цифр, ширина обводки цифр, разрывы между
цифрами и штрихами выби¬
раются из соответствующих
нормативов.
Конструктор должен быть
знаком с основными ошибками
лимбов — ошибкой положения
штрихов, ошибкой диаметра,
эксцентриситетом и ошибками
от деформаций, возникающих
в процессе обработки и экс¬
плуатации лимба.
Отсчет по лимбу может быть взят по индексу, по верньеру (но¬
ниусу) или с помощью отсчетных приспособлений — луп, микро¬
скопов, оптических микрометров.
Верньер (нониус) представляет собой шкалу, расположенную
на дуге и соприкасающуюся с лимбом. Дуга шкалы верньера со¬
держит п делений и равна п—1 минимальных делений лимба.
Обозначим цену деления лимба через V, а цену деления верньера
через х)'\ тогда получим основное уравнение верньера: о(п—1) = г)'п.
Разность между ценой деления лимба и ценой деления вернье¬
ра называется точностью и может быть определена по формуле
В геодезических приборах с помощью верньера берутся отсчеты
углов с точностью 10", 20", 30" и Г. На рис. 6. 10 отсчет по лимбу
дает величину 71°39'.
Рис. б. 10. Лимб с верньером*
1—лимб. 2— верньер
17*
259
Уровни
Уровни в геодезических приборах служат для ориентирования
прибора и отдельных его частей относительно отвесной линии
в данной точке и для измерения малых углов наклона от этой ли¬
нии или перпендикулярной к ней.
Уровень состоит из ампулы с жидкостью и оправы, служащей
для крепления ампулы и защиты ее от внешних влияний. По форме
ампулы уровни подразделяются на цилиндрические и сферические
или круглые. Ампула цилиндрического уровня (рис. 6. 11, а) пред¬
ставляет собой трубку, внутренняя поверхность которой отшлифо¬
вана по дуге окружности, вращающейся вокруг своей хорды. Внут¬
ренняя поверхность ампулы круглого уровня (рис. 6. 11,6) отшли¬
фована по шаровой поверхности. Цилиндрические уровни могут
быть односторонними и двусторонними, или реверсивными, рабо¬
тающими при положении ампулы, повернутой на 180° вокруг гори¬
зонтальной оси трубки относительно первого положения.
Уровни, как правило, имеют на наружной поверхности ампулы
штрихи, по которым можно производить отсчеты малых углов на¬
клона, пользуясь пузырьком, как индексом.
Ценой деления уровня г называется угол, на который нужно
наклонить ампулу, чтобы пузырек уровня передвинулся на одно
деление. Интервал между делениями / принят равным 2 мм (рис.
6. 12), следовательно:
где Я — радиус дуги ампулы в мм\
где Ь — длина ампулы.
На сферической поверхности ампулы круглого уровня деления
наносят в виде концентрических окружностей, диаметры которых
отличаются на 4 мм.
Рис. 6.11. Цилиндрический (а) и сферический (б) уровни
6 = 206 265".
Стрелка прогиба дуги ампулы Н = , а ввиду малости а
260
Осью уровня называется касательная к дуге ампулы уровня
в наивысшей ее точке. Конструктивными элементами уровня яв¬
ляются длина ампулы Ь, диаметр трубки й, радиус кривизны труб¬
ки Н, цена деления т.
Принято характеризовать уровни еще одной величиной — чув¬
ствительностью. Чувствительностью уровня называется угол, на
который нужно наклонить ампулу, чтобы пузырек сместился на
0,1т. Чувствительность уровня зависит от цены деления, качества
шлифовки внутренней поверхности, свойств наполнителя, темпера¬
туры и длины пузырька. Чувствительность уровня возрастает с уве¬
личением диаметра ампулы; рекомендуется поэтому оптимальная
величина диаметра от 1/6 до 1/9 длины
ампулы. Диаметр ампулы колеблется в пре¬
делах от 7,5 до 18 мм, а длина ампул от 23
до 155 мм.
Рис. 6. 12. Схема
к расчету уровня
Рис 6. 13. Крепление
ампулы загипсовкой
Ампулы уровней нормализованы и делятся по точности на ам¬
пулы малой точности с ценой деления выше Г, средней точности —
от 5" до Г и высокой точности от Г' до 5" Круглые уровни по но¬
миналу не изготовляются с ценой деления ниже 10".
По конструкции ампулы делятся на простые, с запасной каме¬
рой и компенсационные. Последние два типа ампул предназначены
для поддержания постоянной длины пузырька, изменяющейся
вследствие температурных колебаний.
Для изготовления ампул уровней применяют два сорта стекла:
термометрическое, соответствующее требованиям ГОСТа 1224—41
и «жароустойчивое» (пирекс) типа МКР-1. Трубки из этих мате¬
риалов («дрот») мало деформируются при нагревании, обладают
хорошей химической стойкостью и хорошо обрабатываются.
Наполнитель ампул должен обладать химической устойчиво¬
стью по отношению к стеклу, небольшой вязкостью для получения
нужного затухания колебаний пузырька, низкой точкой замер¬
зания. В качестве наполнителя применяется метиловый спирт, эти¬
ловый спирт, серный эфир и др.
Пузырек уровня образуется из паров заполнителя, нормальная
длина его 0,3—0,4 длины ампулы при температуре +20° С. Концы
ампул после заполнения запаиваются. Крепление ампул с ценой
деления 20"—30" и более в оправах осуществляется загипсовкой
(рис. 6. 13).
261
Ампулы точных уровней предохраняются от влияния колебаний
температуры несколькими оправами, а внешнюю оправу прикры¬
вают сукном и трубкой из органического стекла. Сама ампула со¬
единяется с оправой при помощи прокладок и точечных упоров.
Испытание чувствительности и качества уровня производят на
экзаменаторе — специальном приборе для исследования уровней,
описанном во многих руководствах по геодезии (см. список лите¬
ратуры) .
Установочные приспособления
Геодезические инструменты в рабочем положении устанавли¬
ваются и закрепляются на штативе или консоли. Основными частя¬
ми штатива являются головка, три ножки и становой винт, с по¬
мощью которого инструмент укрепляется на головке штатива.
В подземных выработках вместо штатива пользуются консолью,
которая ввинчивается в деревянную крепь выработки. Перед тем,
как приступить к измерениям, геодезические приборы устанавли¬
вают над соответствующей точкой местности в совершенно опреде¬
ленное положение. Например, центр лимба теодолита должен на¬
ходиться в вершине измеряемого угла, а вертикальная ось прибо¬
ра должна занимать отвесное положение. Алидада и труба
закрепляются и медленным наведением приводятся в нужную
точку. Все приспособления, которые служат для этой цели, носят
название установочных. К ним относятся подъемные устройства,
зажимные устройства и микрометрические наводящие устройства.
Подъемное устройство (треножник, трегер) состоит из плоской
трехлопастной пластины и трех подъемных винтов. При ввинчива¬
нии винтов деформаций не возникает; замыкающей силой слу¬
жит вес инструмента или сила пружины станового винта. Подъем¬
ные винты разделяются на открытые с боковой регулировкой
и закрытые с центральной регулировкой. Первая конструкция
(рис. 6. 14, а) проста, но приводит к неправильному износу отвер¬
стия вследствие одностороннего зажима. Закрытые винты (см.
рис. 6. 14,6), ввинченные в разрезную коническую гайку, дают воз¬
можность регулировать необходимый зазор. Расчетными элемента¬
ми в даном узле являются шаг винта I и диаметр головки подъем¬
ного винта. Наименьший ощущаемый рукой поворот винта
(0,2—0,5 мм) должен вызывать наклон вертикальной оси, равный
точности установки уровня, определяемой в 0,2т.
Для трегера с тремя подъемными винтами шаг должен быть
определен зависимостью
где г — расстояние от подъемного винта до оси прибора;
т — цена деления уровня;
262
Рис. 6. 15. Зажимное и микрометренное
устройства:
/—хомутик, 2— зажимной винт, 3—наводящий
винт, 4—патрон с пружиной, 5—сухарь
263
Рис. 6. 14. Подъемные винты:
а—с боковой регулировкой, б—с центральной регулировкой
0 = 206 265";
с1 — диаметр головки винта.
В процессе производства измерений необходимо закрепить от¬
дельные детали прибора, придать им неподвижность. Это осу¬
ществляется зажимным приспособлением, носящим иногда назва¬
ние арретира.
Наиболее распространенным является зажимное приспособле¬
ние с центральным кольцевым зажимом. Надетый на баксу трегера
хомутик 1 (рис. 6. 15) затягивается зажимным винтом 2, упираю¬
щимся в сухарь 5, и останавливает вращение оси лимба.
Палец ведомой или неподвижной части помещается между на¬
водящим винтом 3 и патроном с пружиной 4. Винты 3 для микро-
метренной подачи требуют расчета. Заданной исходной величиной
при этом является наименьший угол поворота трубы прибора или
алидады, а искомыми величинами—шаг резьбы и расстояние от
оси винта до оси вращения детали.
Шаг резьбы наводящего винта
где й — диаметр головки винта;
гр — разрешающая способность трубы;
г — расстояние от оси винта до оси вращения детали;
д = 206 265"
Наименьший шаг резьбы, применяемый в -геодезическом прибо¬
ростроении, равен 0,25 мм. Поэтому иногда не удается достичь
нужной точности простым микрометренным приспособлением. Од¬
ним -из механизмов, при помощи которых можно получать малые
подачи, является дифференциальный винт.
6 3. УГЛОМЕРНЫЕ И УГЛОНАЧЕРТАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОР.Ы
Угломерные приборы
Угломерные приборы предназначаются для проведения теодо¬
литных и тахеометрических съемок на местности, т. е. измерения
горизонтальных и вертикальных углов.
На рис. 6.16 изображена схема угломерного инструмента, в ко¬
торой вертикальная ось УУ' является основой, вокруг которой вра¬
щается горизонтальный основной лимб с делениями и его алидада
(линейка с верньером). Сама ось УУ' устанавливается вертикаль¬
но при помощи подъемного устройства из трех винтов: проверка
вертикальности оси и горизонтальности круга производится по
уровню. На горизонтально расположенной алидаде укреплена под¬
ставка 11-образной формы. На подставке располагаются горизон¬
тальная ось трубы НН\ сама зрительная труба яг' и вертикальный
круг К В.
264
Угломерный инструмент центрируется по отвесу и выставляется
по уровню в вершине измеряемого угла. Зрительная труба наво¬
дится на точки визирования, а по лимбам при помощи индексов-
фиксируются отсчеты. Разность отсчетов по горизонтальному лим¬
бу даст значение горизонтального угла между двумя направления¬
ми на точки визирования. Угломерные инструменты классифици¬
руют по их точности (см. разд. 6.1), назначению и связи лимба
с трегером.
Теодолиты и теодолиты-тахеометры предназначены для измере¬
ний углов, первые—горизонтальных с большой точностью, а вто¬
рые — горизонтальных и вертикальных углов
с одинаковой точностью. Вертикальный круг
предназначен для измерений вертикальных уг¬
лов и распространен в астрономической прак¬
тике.
При классификации но способу соединения
лимба с подставкой угломерные инструменты
делятся на простые, лимбы которых наглухо со¬
единены с трегером, и поворотные, или повтори¬
тельные, лимб которых может вращаться во
втулке трегера.
С точки зрения конструкции выделились два
основных направления в развитии угломерных
приборов: одно направление—создание «клас¬
сических» форм, имеющих простоту регулировки,
доступность ремонта, устойчивость и т. д.; вто¬
рое направление — создание так называемых
«оптических» приборов со стеклянными лимба¬
ми и отсчетами, сведенными к одному рабочему месту — в поле зре¬
ния отсчетного микроскопа или зрительной трубы. Инструменты
«оптического» типа повышают производительность труда при
съемках и не менее точны, чем «классические».
ГОСТ 10529—63 предусматривает развитие теодолитов оптиче¬
ского типа, при работе с которыми средняя квадратичная ошибка
будет лежать в пределах от 0,5" до 30"
Инструменты инженерно-технической точности — преимущест¬
венно теодолиты-тахеометры повторительного типа, предназначают¬
ся для тахеометрической съемки, соединительных съемок в шахте,,
разбивок инженерно-технических и гражданских сооружений, для
лесосъемочных, дорожных и других работ. Они имеют лимбы
с верньерами 30-секундной и минутной точности. Отечественной
промышленностью выпускаются следующие марки инструментов:
ТТ-50, горный теодолит ТТ-1, малый горный теодолит МГТ-30,
малогабаритный теодолит ТМ-1, теодолит-тахеометр ТТ-5, оптиче¬
ский теодолит малый ОТМ и оптический теодолит ОТИТ
По новому ГОСТу приборы будут иметь другие марки, напри¬
мер Т1, Т2 и др., однако некоторое время выпуск перечисленных
Рис. 6. 16. Схема
угломерного ин¬
струмента
26&
приборов сохранится, да и в эксплуатации их находится очень
много.
Рассмотрим конструкцию теодолита-тахеометра повторительно¬
го' типа ТТ-5 (рис. 6. 17). В целях снижения веса прибора его оси,
€акса, втулки и другие детали изготовлены из высокопрочного алю¬
миниевого сплава В-95.
Зрительная труба 1 имеет просветленную оптику, увеличение
25х, внутреннюю фокусировку и
снабжена нитяным дальномером,
коэффициент которого к= 100 и
слагаемая с = 0. На горизонталь¬
ной оси 2 укреплены зрительная
труба и вертикальный круг 3
с верньерами. Горизонтальная
ось удерживается двумя лаге¬
рами 4, укрепленными на кожухе
алидады горизонтального лимба.
В теодолите ТТ-5 отсутствуют
исправительные винты для регу¬
лировки наклона горизонтальной
оси вращения трубы. Условие
перпендикулярности горизон¬
тальной и вертикальной осей
обеспечивается заводом при из¬
готовлении. Вертикальная ось
конического типа несет металли¬
ческий лимб, который может по¬
ворачиваться отдельно от али¬
дады или вместе с ней. Точность
отсчетов по обоим кругам с
верньерами 30".
Теодолит соединяется с под¬
ставкой при помощи втулки и
закрепляется винтом. Основа¬
нием прибора служит тренож¬
ник 6 с подъемными винтами.
Для ориентирования теодолита
по магнитному меридиану приме¬
няется съемная ориентир-бус¬
соль. Она состоит из двух индек¬
сов и магнитной стрелки.
К теодолиту ТТ-5 разработан целый ряд дополнительных при¬
способлений, увеличивающих возможность его применения: даль-
номерные насадки ДНТ-2 и ДД-3, уровень для проведения техни¬
ческого нивелирования, круговая буссоль, окулярная насадка для
работы при больших углах наклона, оптический центрир и комп¬
лект электрооборудования для работы ночью.
В отличие от приведенной выше конструкции оптические тео-
Рис. 6. 17. Теодолит ТТ-5.
-/—зрительная труба, 2—горизонталь¬
ная ось, 3—вертикальный круг, 4—ла¬
геры, 5—вертикальная ось, 6—тренож¬
ник с подъемными винтами
.266
267
Рис. 6. 18. Оптический тео¬
долит ОТШ:
а—схема оптики, б—вид в поле
зрения микроскопа, /—зритель¬
ная труба, 2—вертикальный
круг, 3— горизонтальный круг,
4—микроскоп
долиты имеют стеклянные горизонтальный и вертикальный лимбы*
изображение штрихов которых передается в поле зрения отсчетного-
микроскопа, расположенного рядом со зрительной трубой. На
рис. 6. 18 приведена развернутая в одну плоскость оптическая
схема оптического теодолита ОТШ, на рис. 6.19—его внешний вид.
Зрительная труба теодолита 1 имеет увеличение 27х и коэффи¬
циент дальномера к = 100. Свет через иллюминатор попадает на
вертикальный круг 2. Изображение делений вертикального круга
двухлинзовым объективом 061 пере¬
дается в плоскость штрихов горизон¬
тального круга 3. Изображения делений
обоих кругов с помощью двухлинзового
объектива 062 передаются в плоскость
отсчетных шкал и затем рассматривают¬
ся в поле зрения микроскопа 4.
При передаче изображения делений
вертикального круга в плоскость штри¬
хов горизонтального круга происходит
компенсация неточной установки верти¬
кальной оси инструмента. Компенсация
осуществляется одной из линз объектива*
подвешенной на тонких гибких нитях.
Принцип действия компенсатора заклю¬
чается в том, что одна из линз смещается
при наклонах вертикальной оси инстру¬
мента в пределах V и смещает изобра¬
жение делений вертикального круга
таким образом, что отсчет по кругу
всегда соответствует отвесному по¬
ложению вертикальной оси инстру¬
мента.
Для решения более точных задач, например для триангуляции*
ответственных соединительных работ и т. п., применяются инстру¬
менты повышенной точности. Отсчеты снимаются в них обяза¬
тельно с двух сторон лимбов при помощи оптических отсчетных
приспособлений и микрометров. Точность отсчетов при этом полу¬
чается 5" и I". Такими приборами являются оптические теодолиты
ТБ-1 и ОТС. Еще более точными являются инструменты для астро¬
номических наблюдений и триангуляции I и II классов. Они дают
точность до десятых долей секунды. Такими приборами являются
оптический теодолит ОТ-02, оптический теодолит большой ОТБ
и универсал У-5.
Повышение точности приборов этого класса достигается сле¬
дующими путями:
1. Выбирается наиболее правильная принципиальная схема
и высокоточные параметры прибора. Например, трубы точных при¬
боров должны иметь большое увеличение 50—60х, отсчеты должны
обязательно вестись с двух концов алидады, отсчет должен произ¬
Рис. 6. 19. Внешний вид
оптического теодолита
ОТШ
268
водиться по микроскопам с оптическими микрометрами (с точно¬
стью отсчета 0,1"), уровни должны иметь цену деления 1—2" и т. д.
2. По возможности устраняются причины деформаций и сме¬
щений. Например, устраняются неодинаковые нагрузки на лагеры,
уравновешиваются вращающиеся части прибора, центр тяжести
прибора берется в наинизшем положении и на оси вращения, по
возможности уменьшается трение.
3. На изготовление деталей и сборку узлов задаются очень
строгие допуски. Например, допустимый эксцентриситет алидады
7 мк, зазор в вертикальной оси 1—3 мк и т. д.
4. Применяются новые элементы конструкций: вводится фото¬
регистрация положения алидады, обеспечивающая точность и крат¬
кость времени фиксирования отсчета и др.
В астрономических приборах широко применяется фотоэлектри¬
ческая регистрация положения цели.
Углоначертательные приборы
В отличие от теодолит-тахеометров углоначертательные инстру¬
менты позволяют составить план местности непосредственно в поле.
Горизонтальные углы в этом случае строят графически, поэтому
такую съемку называют угло¬
начертательной, или мензуль¬
ной.
Для мензульной съемки
пользуются столиком-мензу¬
лой, на котором строят гори¬
зонтальные направления с по¬
мощью углоначертательного
прибора — кипрегеля. Мензу¬
ла состоит из планшета, под¬
ставки и штатива. Планшет
соединяется винтами с под¬
ставкой, а подставка становым
винтом — со штативом.
Кипрегель должен иметь
зрительную трубу, вращаю¬
щуюся вокруг горизонтальной
оси, вертикальный круг для
измерения углов наклона тру¬
бы и линейку, параллельную
визирной оси трубы. В прак¬
тике советских геодезистов
распространен кипрегель КБ,
полуавтоматический кипрегель
КБ-1 и кипрегель-автомат КА-2.
Кипрегель КА-2 (рис. 6. 20) оптического типа имеет вертикаль¬
ный круг 5, наглухо соединенный со втулкой, которая надета на
269
Рис. 6. 20. Кипрегель КА-2:
1—треножник, 2—стол, 3—линейка, 4—зри¬
тельная труба. 5—вертикальный круг
баксу, прикрепленную к подставке трубы и вращается на баксе.
Зрительная труба 4 — аналлактическая, с внутренней фокусиров¬
кой, нитяным дальномером и увеличением 30х.
Стеклянный лимб несет на себе окружность с делениями для
отсчета вертикальных углов с точностью до 10', а также кривые
горизонтальных проложений и превышений. Изображение штрихов
и кривых с помощью призменного блока передаются на сетку
зрительной трубы, где и рассматриваются наблюдателем совместно
с изображением рейки.
6.4. НИВЕЛИРЫ
Нивелиры предназначаются для определения превышения однойг
точки местности над другой при помощи Горизонтальной линии
визирования. Основными узлами нивелира являются зрительная
труба, уровень, треножник с подъемными винтами, осевое устрой¬
ство (рис. 6.21).
Визирная ось зрительной трубы должна быть параллельна осиг
уровня. Точность установки нивелира должна соответствовать точ¬
ности визирования, т. е. должно быть соблюдено соотношение
где 0,15т —предельная ошибка установки пузырька уровня;
60" *
——предельная ошибка визирования.
Нивелиры классифицируются по точности, взаимному располо¬
жению и соединению зрительной трубы и уровня. По точности ни¬
велиры подразделяются на высокоточные (прецизионные), точные
и технические. Каждая группа приборов предназначается для ниве¬
лирных работ данной точности и характеризуется ценой деления
уровня, увеличением, полем зрения и разрешающей способностью
трубы.
Например, высокоточные нивелиры используются для работы
со средней квадратической ошибкой на 1 км не более ±0,5 мм,
должны быть глухими, иметь плоско-параллельную пластину, уве¬
личение 45х, цену деления уровня не менее 8-ь 10" на 2 мм в поле
зрения трубы.
У приборов технической точности средняя квадратическая
ошибка должна быть не более 15,0—30,0 мм на 1 км, увеличение
20х—30х, уровень 30-секундной точности и т. д.
По способу соединения трубы с уровнем нивелиры подразде¬
ляются на глухие, нивелиры с перекладной трубой и нивелиры
с поворотной трубой. У глухих нивелиров труба и уровень соеди¬
нены наглухо между собой и с подставкой; у нивелиров с пе¬
рекладной трубой последняя может быть вынута из лагеров на
подставке и переложена объективным концом вместо окулярного.
Уровень может быть съемным, укрепленным на подставке или
270
трубе. У нивелиров с поворотной трубой уровень, расположен¬
ный сбоку, может быть повернут вместе с трубой вокруг ее оси
Наиболее распространенными являются глухие нивелиры НГГ
НВ-1, НА-1. Выпускаются еще и нивелиры с перекладной трубой
и уровнем при трубе марок НТ, НП, ПН-3. ГОСТ 10528—63 ори¬
ентирует промышленность только на выпуск глухих нивелиров.
Из приборов средней точности наиболее компактным и удоб¬
ным для инженерных работ признан глухой нивелир НВ-1, который
при испытаниях показал отличные качества. Зрительная труба /
нивелира НВ-1 (см. рис. 6.21) имеет внутреннюю фокусировку.
Сбоку трубы укреплена коробка, в которой помещается цилиндри¬
ческий уровень/ и система призм (рис. 6.22), передающая изобра¬
жение уровня в поле зрения трубы.
В данной системе призмы перекрывают половину ширины уров¬
ня, поэтому изображение концов пузырька получается половин¬
ным. Уровень имеет исправительные винты, закрытые подвижной
крышкой. Для регулировки освещения уровня на призменной ко¬
робке имеется пластинка с зеркалом на шарнирной оси.
Нивелир снабжен элевационным винтом 4 (см. рис. 6.21), позво¬
ляющим быстро устанавливать прибор в рабочее положение, т. е.
совмещать концы пузырька уровня. При вращении элевационного
винта выдвигается штифт, приподнимающий один конец трубы.
Цилиндрическая ось прибора 3 укреплена в треножнике 5 вместе
с тремя подъемными винтами. Для небольших перемещений трубы
в горизонтальной плоскости служит микрометренный винт 6. Уве¬
личение прибора Г = 31х, цена деления цилиндрического уровня
17"-=-23".
Наиболее точные нивелиры снабжаются оптическим микромет¬
ром для повышения точности отсчета по рейке. Например, нивелир
НА-1 имеет насадку с плоскопараллельной качающейся пла¬
стинкой.
на 180°.
Рис. 6.21. Нивелир НВ-1-
а—общий вид, б—поле зрения,
/—зрительная труба, 2—винт
фокусировки, 3—ось, 4—элева-
ционный винт, 5—треножник, 6—
микрометренный винт
271
Материалы для изготовления нивелира должны обладать ма¬
лым коэффициентом линейного расширения и хорошей теплопро¬
водностью, причем нужно, чтобы коэффициенты линейного расши¬
рения были близки к стеклу. Детали трубы, оправу уровня, детали,
соединяющие уровень и трубу изготовляют из стали.
Рис. 6. 22. Контактный уровень:
1 и Г—призмы, 2—прямоугольная призма
В последние годы начали конструировать и применять нивели¬
ры с самоустанавливающейся линией визирования. Их преимуще¬
ство заключается в том, что не нужно раздельно оценивать поло¬
жение пузырька уровня и брать отсчет по рейке, т. е. оценивать
положение линии визирования, вводя при этом в измерение две
ошибки: ошибку установки уровня и ошибку наведения.
В нивелирах с самоустанавливающейся линией визирования ви¬
зирная линия, определяемая зад¬
ней узловой точкой объектива
и отметкой на сетке нитей, авто¬
матически устанавливается гори¬
зонтально с помощью компенса¬
торов.
Рассмотрим отдельные поло¬
жения теории нивелиров с само¬
устанавливающейся линией визи¬
рования. Пусть зрительная труба
(рис. 6.23), установленная гори¬
зонтально, будет иметь ось 00'.
Если ее наклонить на некоторый угол у, то ось займет положение
АА'. При этом горизонтальная нить сетки сместится с горизонта
на величину А = 1^бу (так как рейка находится на большом расстоя¬
нии от нивелира, можно принять 5' = /^), и отсчет по рейке будет
взят с ошибкой Ь.
Чтобы отсчет был правильным, необходимо передвинуть сетку
на величину А или изменить в трубе ход лучей, чтобы он прошел
через горизонтальную нить сетки.
В последнее время создано несколько различных конструкций
самоустанавливающихся нивелиров с оптическими и оптико-меха¬
ническими компенсаторами. Зрительные трубы таких нивелиров
Рис. 6. 23. Схема расположения само¬
устанавливающейся линии визиро¬
вания
272
в плоскости изображения рейки могут иметь подвижный или непо¬
движный индекс. В первом случае наклон трубы сопровождается
перемещением индекса в поле зрения. Во втором случае одно¬
временно с наклоном трубы изображение рейки движется вместе
с индексом, связанным с трубой.
Рис. 6. 24. Схема оптики трубы и компенсатора самоустанавли-
вающегося нивелира НСМ-2:
/—линза, 2—проволочка, 3—контргруз, 4—«защитное стекло
Нашей промышленностью выпускаются два типа самоустанав-
ливающихся нивелиров: нивелир НСМ-2 с линзовым компенсато¬
ром и нивелир НЗК-1 с однозеркальным компенсатором.
Зрительная труба нивелира НСМ-2 (рис. 6.24) состоит из за¬
щитного стекла 4, объектива, фокусирующей линзы, сетки нитей
и окуляра. Компенсатор состоит из жестко укрепленной в корпусе
положительной линзы и отрицательной линзы 1, подвешенной на
четырех проволочках 2. Вес отрицательной линзы с отравой урав¬
нивается контргрузом 3. Отрицательная линза может изменять
свое положение относительно положительной и быстро успокаи¬
ваться предусмотренной в конструкции системой демпфирования.
Принцип работы компенсатора следующий. При наклоне зри¬
тельной трубы на угол а подвижная система компенсатора накло¬
няется на угол 6 а. Такое угловое увеличение наклона достигается
соответствующим подбором размеров проволочек 2 подвески. При
этом главная точка Нг отрицательной линзы сместится с оптической
оси объектива трубы на величину к, зависящую от I' и длины
плеча I
Последние подобраны таким образом, что это смещение вызо¬
вет отклонение горизонтального луча АА' на угол а в сторону,
противоположную наклону трубы, т. е. точка, лежащая на гори¬
зонтальной линии АА', будет при наклонном положении трубы
проектироваться на перекрестии сетки. Отсчет по рейке при накло¬
нах трубы будет оставаться неизменным.
При углах наклона более 2' качество изображения трубы ухуд¬
шается, так как отрицательная линза наклоняется. Поэтому ниве¬
лир приводится в рабочее положение по уровню с ценой деления 2'.
18 805
Глава VII
ПРИБОРЫ НАБЛЮДЕНИЯ,
ВИЗИРОВАНИЯ И ПРИЦЕЛИВАНИЯ
7.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Приборы наблюдения служат только для рассматривания и рас¬
познавания удаленных объектов. Поэтому от них требуется боль¬
шое увеличение, достаточное поле зрения, хорошее качество изоб¬
ражения и удобство в пользовании.
Визирные приборы (визиры) служат, кроме наблюдения, еще
и для определения с достаточной точностью направления на объект
наблюдения относительно каких-либо ориентиров (например, гори¬
зонта и линии север—юг). Поэтому, кроме требований, предъяв¬
ляемых к наблюдательным приборам, к визирам предъявляются
еще и требования к точности измерения углов.
Вертикальные углы измеряются от горизонтальной плоскости ,
вверх (положительные углы) и вниз (отрицательные). Горизонталь¬
ные углы измеряются от направления север — юг по часовой стрел¬
ке и носят название азимутов. Пределы измерения азимутов от О
Углы, измеренные от северного или южного конца магнитной
стрелки и ориентированные по странам света словами или подпи¬
сями, носят название румбов. Румбы отсчитываются в пределах
от 0 до 90°. Измерения могут вестись также от любого другого
направления, принятого за основное.
Единица измерения углов в военной практике — тысячная ди¬
станции. В этой системе окружность делится не на 360 градусов,
а на 6000 частей. Угол, опирающийся на дугу, равную 1/6000 части
окружности, принят за единицу измерения углов и носит название
тысячной дистанции. Для окружности, радиус которой В (дистан¬
ция до цели), длина дуги, соответствующая одной тысячной ди¬
станции, укладывается в радиусе В приблизительно 1000 раз.
деление соответствует 3,6'.
Удобство данной единицы угла — тысячной дистанции — опре¬
деляется следующими положениями. С помощью тысячных легко
до 360°.
2л;#
Точнее
V 6000
градусной мере каждое такое
274
и быстро можно подать команду. Число тысячных разбивают на
две группы цифр: в первой указывают сотни тысячных, во второй —
десятки и единицы тысячных. Запись углов в тысячных выглядит
так: 11-33, 50-09, что соответствует 1133 тысячным и 5009 тысяч¬
ным дистанции. Произносится эта запись: одиннадцать-тридцать
три, пятьдесят-ноль девять. В соответствии с таким обозначением
углов все отсчетные шкалы военных угломерных приборов бывают
двух типов: на одних шкалах 60 делений — больших тысячных, по¬
казывающих две первые цифры угла, а на других шкалах 100 деле¬
ний, показывающих две последние
цифры угла. Конструктивно полу¬
чение таких углов обеспечивается
червячным механизмом с 60 зубья¬
ми на червячном колесе и одно-
заходным червяком. Первая шкала
Рис. 7.1. Угломерная сетка
бинокля
Рис. 7.2. Вертикальные углы:
Р—угол места, а—угол прицеливания, V—угол
возвышения
будет связана с червячным колесом, а вторая — с барабаном
червяка.
С помощью данной системы измерения углов можно решить за¬
дачи определения дистанции. Пусть мы видим предмет, размер ко¬
торого известен и равен I м. Если удается определить угловую ве¬
личину этого предмета в тысячных (например, она будет равна п
тысячных дистанции), то дистанция до этого предмета может быть
определена соотношением
Угловую величину предмета можно определить, наведя на его
края визирную линию угломерного прибора и взяв разность от¬
счетов по шкалам, или воспользовавшись угломерной сеткой опти¬
ческого прибора. Угломерная сетка имеет деления через 0-05 или
0-10 (рис. 7.1). Истинные линейные размеры предметов
должны быть известны; например, известны размеры танков, дли¬
на фюзеляжа самолета, размах его крыльев и т. п.
К группе наблюдательных и угломерных приборов относятся
бинокли, буссоли, стереотрубы, перископы, панорамные визиры.
18*
275
Прицелы — приборы, позволяющие производить прицелива¬
ние. Прицеливание есть процесс наведения орудия таким образом,
чтобы траектория полета снаряда прошла через цель. На снаряд
сразу после вылета его из орудия начинают действовать силы, от¬
клоняющие его от первоначального направления. Этими силами
являются сила тяжести, сила сопротивления воздуха и др. В ре¬
зультате действия этих сил траектория снаряда будет иметь вид
кривой, касательная к начальной части которой (ось канала ство¬
ла) должна быть приподнята над линией визирования на цель на
некоторый угол а (рис. 7.2). Этот угол, составленный направлени¬
ем на цель и осью канала ствола орудия, носит название угла
прицеливания и зависит от дальности до цели, баллистических
свойств орудия и снаряда. Обыкновенно эти углы даются в виде
таблиц стрельбы, по которым они и устанавливаются на шкалах
приборов.
Если цель находится не в одной горизонтальной плоскости с ору¬
дием, то, кроме угла прицеливания, орудию нужно дополнительно
придавать нужный угол места цели. Углом места цели (3 на¬
зывается угол, составленный направлением на цель и горизонталь¬
ной плоскостью, проходящей через ось цапф орудия.
Сумма углов места цели и прицеливания носит название угла
возвышения у.
Прицельные приборы служат для наводки орудий на цель по
заранее известным вычисленным или определяемом с помощью
самого прицельного устройства исходным данным для стрельбы.
Такими-данными для стрельбы по видимым неподвижным целям
являются: угол прицеливания и угол деривации снаряда. Для
стрельбы по невидимым неподвижным целям исходными данными
служат угол прицеливания, угол места цели, угол наведения в го¬
ризонтальной плоскости от ориентира и угол деривации снаряда.
Для стрельбы по движущимся целям (из зенитных орудий),
помимо указанных исходных данных, должны еще вводиться дан¬
ные, учитывающие параметры движения цели (скорость, направ¬
ление полета цели и дистанцию до цели). Для этой цели служат
специальные зенитные прицелы.
7.2. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВОЕННЫМ ПРИБОРАМ
Конструкторской разработке прибора должно предшествовать
составление тактико-технических требований (ТТТ), в которых
должны быть указаны: назначение прибора, условия эксплуатации,
требования к точности, оптические характеристики, требования
к электрическим устройствам, требования к прочности и надежно¬
сти, вес и габариты, специальные требования.
Большинство военных приборов работает в различных атмо¬
сферных условиях, при значительно изменяющихся температуре
и влажности, иногда при большом перепаде давлений (авиацион¬
ные приборы) и т. п. Например, полевые приборы должны рабо¬
276
тать при температурах ±50° С, морские — от +50° до—40° С;
авиационные — от +50° до —60° С. Быстрое охлаждение прибо¬
ров может вызывать запотевание оптики, расклейку склеенных
оптических деталей, возрастание усилий в движущихся частях (не¬
которое загустевание смазки и уменьшение зазоров), ухудшение
точности, изменение сопротивлений электрических цепей и т. п.
При необходимости для предотвращения неблагоприятного
влияния охлаждения в конструкциях приборов предусматривают
обогревательные устройства (особенно для предохранения защит¬
ных стекол от запотевания). Нагрев меньше сказывается на работе
приборов (при наличии правильно подобранных материалов и смаз¬
ки) . Неблагоприятно нагрев сказывается на электронных устройст¬
вах (особенно ухудшают работу при этом полупроводниковые эле¬
менты из германия, фотоумножители и некоторые другие фотоэле¬
менты) .
Значительная часть военных приборов (прицелов) устанавли¬
вается непосредственно на орудийных или ракетных установках.
Они должны безотказно работать при возникающих ускорениях
(ударах, толчках). Перегрузка (ускорение), например, при выстре¬
лах может достигать 50^-80 и даже 100 §. Все морские и особенно
авиационные приборы испытывают длительные вибрации. Это дик¬
тует высокие требования к прочности и нерасстраиваемости при¬
боров.
Для того чтобы влага и пыль не проникали в приборы их де¬
лают влаго- и пылезащищенными, применяют осушительные
устройства (осушители постоянного действия — патроны с силика¬
гелем и клапаны для периодической осушки — продувки сухим воз¬
духом). Приборы, работающие в водной среде (морские периско¬
пы), делаются герметичными, для их изготовления применяются
антикоррозийные материалы и надежные антикоррозийные по¬
крытия.
В процессе изготовления и контроля на заводах приборы про¬
ходят комплекс проверок и испытаний, включающих так называе¬
мые механические испытания на устойчивость по всем перечислен¬
ным выше требованиям прочности и нерасстраиваемости в различ¬
ных условиях эксплуатации. Последние проводятся в специально
оборудованных камерах на имитационных устройствах и стендах.
Оптические схемы значительной части военных приборов пред¬
ставляют собой телескопическую систему (наблюдательные при¬
боры, прицелы). Увеличение приборов для наблюдения земных объ¬
ектов большей частью не превосходит 6хч-12х, а в отдельных слу¬
чаях, с насадками, достигает 20х. Исключение составляют дально¬
меры (см. гл. VIII), у которых увеличение достигает 30х. Большее
увеличение влечет увеличение габаритов и часто бесполезно, так
как изображение искажается от колебаний слоев воздуха.
Поле зрения военных приборов большое: от 4° до 10°. Диамет¬
ры зрачков выхода 3—7 мм. Наблюдательные приборы должны
иметь диоптрийную наводку окуляра в пределах ±5 диоптрий.
277
В тактико-технических требованиях указываются допуски на пе¬
речисленные характеристики и качество системы. Военные приборы
должны иметь достаточно простые, хорошо видимые органы
управления и шкалы с интервалами больше 1-ь2 мм и толщиной
штриха не менее 0,3 мм. Применение нониусов и оптических отсчет-
ных устройств не допускается. Конструкции приборов, особенно
крупносерийного или массового производства, должны быть тех¬
нологичными и экономичными.
7.3. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ И УГЛОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ
Бинокли
Бинокль — наблюдательный оптический прибор, предназначен¬
ный для наблюдения за различными объектами обоими глазами,
для отыскания и изучения целей, измерения углов и корректирова¬
ния стрельбы.
Бинокулярные приборы, как правило, обладают пластичностью,
т. е. способностью повышать радиус стереоскопического (объемно¬
го) действия человеческих глаз. Невооруженными глазами человек
видит местность стереоскопически на расстоянии до 1340 м. Эта
величина получается, если среднюю базу глаз (65 мм) поделить на
угол, равный чувствительности глаза к стереоэффекту (10"). Если
же величину базы увеличить, то можно наблюдать местность сте¬
реоскопически на соответственно больших расстояниях.
Пластичностью, или удельной пластикой, называется отношение
расстояния между входными лучами в приборе по горизонту к рас¬
стоянию между выходными лучами. У биноклей пластика прибли¬
зительно равна двум.
Каждая из трубок бинокля (рис. 7. 3) содержит объектив, си¬
стему из двух прямоугольных призм Порро и окуляр Кельнера
или Эрфле. Обе трубки прибора соединены шарниром, позволяю¬
щим устанавливать расстояние между глазами в пределах от 56
до 72 мм. В правой половине бинокля в фокальной плоскости
объектива и окуляра расположена сетка. Призменная система слу¬
жит для оборачивания изображения, уменьшает габариты трубок
по длине, создает пластику в приборе.
С помощью угломерной сетки (см. рис. 7.1) наблюдатель может
производить все основные действия по измерению углов и опре¬
делению дистанций. Интервал деления на сетке можно определить,
пользуясь формулами прикладной оптики:
где 1'0б—фокусное расстояние объектива бинокля;
а — цена деления в тысячных.
Сетка устанавливается только в одной трубке, так как при уста¬
новке двух сеток ухудшаются условия юстировки.
278
Все выпускаемые призматические бинокли имеют следующие
характеристики оптических систем. Увеличение биноклей 6х, 8х,
15х. Поле зрения у всех биноклей, кроме 15х-кратного — 8°30',
а у последнего — 4°. Окуляры имеют диоптрийную наводку ±5
диоптрий.
Конструктивное оформление биноклей однотипно (рис. 7.3).
Каждая трубка бинокля заключена в корпусе. Корпус представля-
1
Рис. 7. 3. Бинокль Б-б:
/—объектив, 2 и 3—призмы оборачивающей системы, сетка, 5—окуляр, 5—корпус би¬
нокля, 7—оправа окуляра, 8—внутренняя ось шарнира, 9—наружная ось шарнира
ет собой силуминовую отливку сложной конфигурации с мостиком
для призм внутри. Фрезерованные плоскости мостика расположены
одна под другой и по форме и размерам совпадают с гипотенуз-
ными гранями призм. Установленные на мостик призмы прижи¬
маются к нему плоскими пружинами. Внутри корпус покрыт за¬
щитной оксидной пленкой, предохраняющей детали от коррозии,
а снаружи обтянут резиной с накаткой и покрыт лаком.
Объектив бинокля помещен в эксцентриковую оправу и зака¬
тан в ней. Оправа установлена в обойму и закреплена в ней за¬
жимным кольцом. Эксцентриковая пара сделана для юстировки
параллельности оптических осей бинокля. Окуляр бинокля собран
279
на основании, которое ввинчено в отверстие корпуса и закреплено
на нем зажимным кольцом.
В приливах корпусов сделаны ушки; центры отверстий ушек
лежат на прямой, параллельной оптическим осям монокуляров.
При вращении левого корпуса внутренняя ось вращается в прили¬
ве правого корпуса, при этом изменяется расстояние между цент¬
рами окуляров. В верхнюю часть шарнира ввинчивается гайка,
которая поджимает одну ось к другой, создавая нужное трение.
Для создания водонепроницаемости под края крышек и объек¬
тивные колпачки вносится специальная замазка.
Стереотрубы
Артиллерийская стереотруба (рис. 7.4) является наблюдатель¬
ным и угломерным прибором артиллерийских подразделений.
Она представляет собой бинокулярную опти¬
ческую систему, рассчитанную на наблюдение
обоими глазами. Пользоваться стереотрубой
можно днем и ночью, в противогазе и без
него.
Основными частями стереотрубы являются
две зрительные трубы У, механизм окулярного
уровня 2, держатель 3, лимб 4.
Зрительная труба содержит оптику при¬
бора. Оптика каждой трубы (рис. 7.5) со¬
стоит из защитного стекла, зеркала, объек¬
тива, двух призм оборачивающей системы и
окуляра. В правой трубе перед окуляром по¬
мещена сетка, как и в бинокле. Увеличение
зрительной трубы 10х.
Труба изготовлена из силумина. Жесткость
ее обеспечивается ребрами в нижней части,
а для крепления оптических деталей в нуж¬
ных местах в отливку запрессована стальная
арматура. На основании правого окуляра
подвижно насажена муфта, несущая сетку.
Подвижность муфты позволяет устанавливать
сетку от руки в рабочее положение при на¬
клонах трубы.
На муфте укреплен механизм окулярного
уровня. Он представляет собою червячную
пару и уровень в оправе. Механизм служит
для измерения вертикальных углов. Оправа
уровня укреплена на червячном колесе, несу¬
щем кольцо с делениями.
Червяк вращает червячное колесо и вместе с ним уровень; при
этом на барабане червяка можно производить отсчет углов накло¬
на оси уровня от горизонта. Червячная пара имеет передаточное
Рис. 7.4. Стерео¬
труба:
1—трубы, 2—окуляр¬
ный уровень, 3—дер¬
жатель, 4—лимб
280
Рис. 7. 5. Стереотруба в раз¬
резе:
/—защитное стекло, 2—зеркало,
3—объектив, 4—призмы, 5—сет¬
ка, 6—окуляр, 7—маховик вер¬
тикальной наводки, 5—зажим¬
ной винт держателя, 9—устано¬
вочный червяк, 10—отсчетный
червяк, //—лимб
отношение 1 :60, цена деления шкалы кольца на оправе уровня
1-00, а шкалы барабана 0-01. Горизонтальной установке оси уровня
соответствуют нулевые установки шкал.
При измерении вертикальных углов необходимо тщательно вы¬
верить стереотрубу по шаровому уровню, маховичком вертикаль¬
ной наводки навести трубу на цель, маховичком механизма уровня
установить пузырек на середину, а затем снять отсчеты с меха¬
низма уровня.
Горизонтальные углы измеряются с помощью лимба. Механизм
лимба стереотрубы представляет собой два червячных механизма,
червячные шестерни которых нарезаны на одной детали. Нижний
червяк служит только для точной наводки стереотрубы без изме¬
нения установки лимба. Верхний червяк, обкатываясь вокруг за¬
торможенного червячного колеса, перемещает индекс относительно
лимба и производит отсчет.
Для соединения зрительных труб служит держатель, позволяю¬
щий разводить трубы на нужный угол. Этот же узел имеет махо¬
вичок для наводки стереотрубы в вертикальной плоскости и за¬
жимной винт для закрепления труб в приданном им положении.
Артиллерийская перископическая буссоль
Перископическая артиллерийская буссоль является прибором
батареи и дивизиона. Она предназначена для измерения магнитных
азимутов, горизонтальных и вертикальных углов на местности и
расстояний при помощи специальной рейки. Буссолью можно поль¬
зоваться нл наблюдательном пункте, огневой позиции, а также при
топографических работах по привязке отдельных точек к опорной
сети.
Углы и азимуты (углы от магнитного меридиана) отсчитывают¬
ся с точностью до одного деления угломера (0-01). Наличие пери¬
скопа позволяет вести наблюдение за целями из-за укрытия. Сетка
может подсвечиваться для обеспечения возможности использова¬
ния прибора в ночное время.
Буссоль (рис. 7.6) состоит из следующих основных узлов: вер¬
тикальной оси с шаровой пятой 1, ориентир-буссоли 2, горизонталь¬
ного угломерного узла 3 и монокуляра 4 с перископом 5.
На вертикальной оси собраны все механизмы буссоли
(рис. 7.7). Шаровая пята устанавливается в зажимную чашку тре¬
ноги и удерживает на ней прибор в вертикальном положении. Над
пятой на оси нарезана червячная шестерня. Эта шестерня и червяк
ориентир-буссоли позволяют выставить прибор по магнитному
меридиану с помощью магнитной стрелки, укрепленной в коробке
ориентир-буссоли.
На корпусе ориентир-буссоли винтами закреплена основная ше¬
стерня, имеющая форму стакана с внутренней трубчатой осью.
На этой шестерне закреплено буссольное (верхнее) кольцо отсчета
азимутов и свободно надето угломерное (нижнее) кольцо. Угло¬
мерное кольцо удерживается от поворота тормозной защелкой.
282
На кольцах нанесено по 60 делений ценой в 1-00. На буссоль¬
ном кольце деления залиты черной краской, на угломерном — крас¬
ной. Измерение горизонтальных углов от магнитного меридиана
можно вести -по буссольному кольцу, а от какого-либо другого на¬
правления— по угломерному кольцу, если последнее будет вы¬
ставлено в нужном направлении линией 30-00-0. Отсчет горизон¬
тального угла ведется в больших тысячных по одному из колец,
а в малых тысячных — по барабанам отсчетного горизонтального
червяка.
Отсчетный червяк вращается в эксцентриковом подшипнике,
соединенном с отводкой. Под усилием спираль¬
ной пружины, действующей на подшипник,
червяк сцепляется с шестерней. При нажиме на
хвостовик отводки эксцентриковый подшипник
поворачивается, червяк выходит из зацепле¬
ния, и верхнюю часть буссоли можно рукой
повернуть на любой угол. Такая конструкция
получила название «выключающегося червяка»
и широко распространена в военных приборах,
Рис. 7.6. Буссоль:
1—вертикальная ось, 2—
ориентир-буссоль, 3—узел
горизонтального отсче¬
та, 4—монокуляр, 5—пе¬
рископ
Рис. 7. 7. Разрез буссоли без
монокуляра
так как позволяет осуществлять быстрый по¬
ворот на любой угол и обеспечивает плотное
(безлюфтовое) зацейление.
В соответствии с двумя горизонтальными отсчетными кольцами
(буссольным и угломерным) червяк может работать от правого
(см. рис. 7.6) буссольного барабанчика и левого угломерного ба¬
рабанчика. На каждом из них нанесено по 100 делений ценой
в 0-01, направление и цвет оцифровки согласованы с соответст¬
вующими кольцами.
283
Угломерный барабан можно повернуть отдельно от червяка
для установки нулевого отсчета. Для этого следует нажать на
кнопку, кнопка надавит на конус, а последний нажмет пружину
и освободит барабан от червяка.
Оптика буссоли представляет собой монокуляр-зрительную тру¬
бу типа трубы бинокля. Увеличение прибора 8х, оборачивание осу¬
ществляется системой призм Порро. Прибор имеет угломерную
сетку типа сетки бинокля, на которой нанесена дополнительная
дальномерная шкала. Окуляр имеет диоптрийную наводку в пре¬
делах ±5 диоптрий. Монокуляр снабжен осушительным патроном
и окном для подсветки сетки.
На' патрубок монокуляра надевается и крепится винтом пери¬
скоп. Он применяется при работе из-за укрытия и может быть
установлен вертикально или горизонтально. Оптическая система
перископа состоит из двух зеркал и двух защитных стекол. Защит¬
ное стекло в верхней головке имеет наклон для устранения бликов,
демаскирующих прибор при наблюдении против солнца.
Для наводки монокуляра в вертикальной плоскости служит
червячный механизм. Вертикальные углы отсчитываются по отсчет¬
ной шайбе, закрепленной на корпусе монокуляра, и по барабану
червяка вертикальной наводки.
Прибор имеет сферический уровень для установки буссоли
в вертикальное положение. Материалы, из которых изготовлены
детали буссоли, должны быть антимагнитными, чтобы не вызывать
ошибок установки магнитной стрелки.
7.4 ПЕРИСКОПЫ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК
Типы и назначение перископов подводных лодок
Перископы подводной лодки выполняют функции нескольких
оптических приборов, а именно: наблюдательных приборов; прибо¬
ров для торпедной стрельбы; навигационных приборов; дально¬
меров; прицелов.
На подводных лодках различного назначения применяются сле¬
дующие типы перископов: командирский перископ, или перископ
атаки; зенитный перископ; специальный перископ. Первые два типа
перископов устанавливаются обычно на каждой подводной лодке,
последний — только на больших подводных лодках в качестве
третьего дополнительного прибора.
Перископ атаки используется для наблюдения за горизонтом
в погруженном состоянии лодки, для определения расстояния до
цели, курсового угла, скорости цели и других параметров.
Зенитный перископ служит для наблюдения как надводных,
так и воздушных целей, преимущественно в ночных условиях. Он
также используется как навигационный прибор для определения
местонахождение лодки по небесным светилам. Специальные пери¬
скопы, устанавливаемые на больших подводных лодках, предна¬
значаются для решения навигационных задач с высокой точ¬
ностью.
284
Устройство перископов
Перископ подводной лодки представляет собой оптический при¬
бор, выполненный в виде трубы большой длины диаметром от
180 мм и более с окулярной частью, расположенной внизу и голов¬
ной частью наверху. Расстояние между осями окулярной и голов¬
ной частей называется перископ и чностью.
Из лодки выступает лишь некоторая часть перископа, длина
которой колеблется в зависимости от погружения от 1,5 до 4 м
{рис. 7.8). Над водой выступает только тонкая го¬
ловная часть перископа длиной 300—400 мм. Диа¬
метр шейки головной части перископа атаки состав¬
ляет 31 мм, у зенитного—60-4-80 мм. Шейка
головки необходима для уменьшения буруна, воз¬
никающего у перископа на ходу подводной лодки,
и давления ъоды на перископ, вызывающего вибра¬
цию перископа. Величина буруна растет пропорцио¬
нально третьей степени от диаметра.
Труба перископа делается из нержавеющей
хромоникелевой стали. Защитные стекла и наруж¬
ные трубы должны выдерживать большие давле¬
ния, достигающие 30 и более атмосфер.
Вес перископов достигает 600 кг и более. По¬
этому для подъема и опускания перископов приме¬
няются специальные подъемные устройства типа
лебедки, зубчатой передачи с моторным приводом,
винтовой передачи или гидравлического привода.
Оптическая система перископа атаки (рис. 7.9)
состоит из головной призмы 1, объектива 2, трех
оборачивающих линзовых систем I, II и III, коллек¬
тивов 4 и 5 и окуляра 7 с окулярной призмой 6.
Сменное увеличение 1,5 и 6х.
Смена увеличения в этой схеме осуществляется
перемещением линзы 3 в положение За, а в других
схемах—вводом галилеевской системы перед объ¬
ективом перископа. Оптика зенитного перископа (рис. 7.10) отли¬
чается от командирского тем, что в головке применяется призма-
куб 1\ защитным стеклом служит сферический колпак 5. Для ком¬
пенсации оптической силы сферического защитного стекла между
призмой 1 и колпаком 5 помещена компенсирующая линза 6; эта
линза при повороте призмы 1 перемещается по дуге, центр которой
совпадает с осью вращения головной призмы. Углы поворота линзы
совпадают с углами визирования.
У перископов имеется два окуляра (рис. 7.11): для наблюде¬
ния 2 и дальномерный 1. В числе линз дальномерного окуляра
имеются две подвижные полулинзы / и II. Если силы этих полу-
линз равны и их оси совпадают, то действие пары линз будет равно
действию плоскопараллельной пластинки; если же передвинуть обе
285
Рис. 7.8. На¬
ружная часть
перископа
Рис. 7.9. Оптическая
схема перископа
атаки:
/—головная призма, 2—
объектив, 3 и За—по¬
движная линза. 4—пер¬
вый коллектив, 5—второй
коллектив, 6—окулярная
призма, 7—окуляр, I—
первая оборачивающая
система, II—вторая обо¬
рачивающая система,
III—третья оборачиваю¬
щая система
Рис. 7. 10. Опти¬
ческая схема зе¬
нитного перископа:
1— призма-куб, 2—
объектив, 3 и За—по¬
движная линза, 4—
коллектив, 5—сфери¬
ческий колпак, б—
компенсирующая лин¬
за, /—первая обора¬
чивающая система,
//—вторая оборачи¬
вающая система
286
полулинзы в направлении стрелки (рис. 7.12), то луч пойдет вверх
у одной пары и вниз у другой, т. е. изображение раздваивается.
Дальномершэе приспособление служит для измерения дистан¬
ции до цели и для определения курсового угла цели.
При измерении дистанции перископ используется как дально¬
мер с базой на цели. Если оптическая система перископа имеет
эквивалентное фокусное расстояние /э#г, а цель — высоту к, то из
подобия треугольников ОАВ и О А'В' (рис. 7. 13) можно написать
(7.1)
(7.2)
Рис. 7.11. Окулярная часть дальномера:
/—дальномерный окуляр, 2—основной окуляр, / и //—подвижные полулинзы
Если в уравнение (7.2) ввести величину К измеренную в фо¬
кальной плоскости окуляра, то при известном значении Н дистан¬
ция В может быть определена. Измерение величины изображения Н
при измерении дистанции производится перемещением линз окуля¬
ра, которое вызывает раздвоение изображения предмета б верти¬
кальном направлении. Одна из половинок изображения движется
вниз, другая вверх до тех пор, пока нижний край одной половинки
изображения не совместится с верхним краем другой половинки.
При этом половинки изображения расходятся на величину Н.
Механизм дальномерного приспособления устроен так, что пос¬
ле разведения половйнок изображения на подвижной шкале рас¬
стояний можно прочесть дистанцию В до предмета, если заранее
известна величина Я — высота предмета. Для этого дистанция В
и величины высот цели Н отложены в логарифмическом масштабе,
287
Рис. 7. 12. Разрезные линзы (разрез А—А, см.
рис. 7. И)
288
Рис. 7. 13. Измерение дистанции (а)
и курсового угла (б)
а перемещение половинок линз производится с помощью логариф¬
мического кулачка.
Логарифмируя уравнение (7.2), получим
(7. 3)
Вводя логарифмы 1%Н и \§Н на шкале получают дистан¬
цию до цели. Величина в уравнении (7.3) является постоян¬
ной и учитывается при расчете дальномерного окуляра.
Определение курсового угла р корабля противника основано
на измерении размера ракурсного изображения корабля (проек¬
ции) по горизонтальному направлению. Этот размер зависит от
длины корабля Ь, дистанции О и курсового
угла р.
Пусть угол, под которым виден
корабль из перископа будет а; тогда
Рис. 7. 14. Упреди¬
тельный треуголь¬
ник
Рис. 7. 15. Непо¬
движная линия
при малых
написать
значениях угла а и Ь по сравнению с О можно
С другой стороны
где I величина изображения.
Тогда
(7.4)
(7.5)
Измерение курсового угла производится сразу после измерения
дистанции Д когда на шкале установлена величина 1^/). При этом
окуляр поворачивает на 90° и раздваивает цель по длине. Устано¬
19 805
289
Логарифмируя уравнение (7.4), получим
вив по логарифмической шкале длину дели Ь, на логарифмической
шкале 1^5111 р отсчитывают угол р. Так же, как в уравнении (7.3),
1^эк введен как величина постоянная.
С помощью перископов можно также измерять скорость цели,
знать которую необходимо при торпедной стрельбе. Для торпед¬
ного выстрела нужно определить угол упреждения г|) (рис. 7. 14),
под которым следует направить торпеду на цель:
где |3 — курсовой угол цели;
— скорость цели;
т — скорость торпеды.
При торпедной стрельбе скорость торпеды т — величина извест¬
ная, курсовой угол определяется, как указано выше.
Для измерения скорости цели в фокальной плоскости окуляра
перископа атаки имеется вертикальная нить (рис. 7.15), дающая
в горизонтальной плоскости направление, стабилизированное от
гирокомпаса. Таким образом, при изменении подводной лодкой
своего курса направление визирной линии, даваемое нитью, остает¬
ся неизменным в пространстве. Если известна длина цели Ь, то
с помощью секундомера определяют время I, необходимое для того,
чтобы цель прошла путь, равный ее длине относительно непо¬
движной линии в пространстве. Тогда величина скорости цели
будет
Выражение (7.7) оказывается справедливым при любом курсо¬
вом угле (3, так как видимая длина цели и боковое перемещение
цели пропорциональны зт (3,
Если своя лодка движется со скоростью то скорость цели
в этом случае определяется выражением
где ф — курс лодки.
Измерение скорости цели производится следующим образом.
Когда изображение цели, видимое в поле зрения перископа, кос¬
нется своим краем (например, носом корабля) вертикальной нити,
пускают в ход секундомер и наблюдают, пока изображение цели
своим другим концом (например, кормой корабля) приблизится
к вертикальной нити. В этот момент останавливают секундомер.
Полученное время подставляют в формулу (7.8).
Оценим точность дальномерного устройства. Дифференцируя
выражение (7.3), получим формулу для относительной погрешно¬
сти определения дистанции:
(7. 6)
(7.7)
(7.8)
290
Как видно относительная ошибка в измерении дистанции зави¬
сит от относительной погрешности в определении высоты цели Я,
а также от погрешности перемещения линз к и эквивалентного
фокусного расстояния Последние погрешности являются тех¬
нологическими и могут быть доведены до значений, не влияющих
существенно на точность измерений. Погрешность, вызванная не¬
точностью совмещения основания одного изображения с вершиной
другого также мало влияет на точность.
Основным источником ошибки в измерении дистанции является
погрешность в определении высоты цели Я. Высота цели вводится
в зависимости от типа корабля, габаритные данные о котором
должны быть известны наблюдателю. Ошибка здесь может воз¬
никнуть из-за изменения осадки корабля, которая легко может
колебаться в пределах метра. Если высота мачты или другой части
корабля составляет, например, 20 м, то ошибка
Величина А Я/Я зависит также от крена корабля. Если разве¬
дение изображений по высоте совпадет с моментом наибольшего
наклона корабля, то уже при угле крена около 15° ошибка АН/Н
составит 5%. Таким образом общая величина ошибки АН/Н в не¬
благоприятных условиях может достигнуть 10%. Такой же вели¬
чины может достигнуть относительная погрешность в измерении
дистанции:
Оценка погрешности в определении курсового угла и скорости
цели может быть произведена аналогичным образом.
Винтовочный оптический прицел служит для точного прицели¬
вания по индивидуальным целям, угловые размеры которых неве¬
лики, а расстояния до них лежат в пределах 13 гектометров (для
винтовки). Прицел работает со снайперской винтовкой и охотни¬
чьим ружьем, на которых крепится жестко с помощью кронштей¬
нов и винтов. Прицел обеспечивает большую точность прицелива¬
ния, чем механический прицел, а также дает возможность наблю¬
дать цель с увеличением.
Оптический прицел представляет собой телескопическую трубу
с линзовой оборачивающей системой. Характеристики трубы:
Г = 3,5Х, 2р = 4°30/; йвых,зр= 6,5 мм\ р' = 72 мм. Основные узлы при¬
7.5. ПРИЦЕЛЫ
Винтовочный оптический прицел
19*
291
бора: объектив, механизм сетки, оборачивающая система и окуляр.
Все узлы монтируются в одной цельной стальной трубке, оптиче¬
ские детали крепятся завальцовкой.
Резьбовые детали ставятся на замазке, винты механизма сет¬
ки имеют сальниковые прокладки. Окуляр не имеет диоптрийной
наводки и установлен жестко на —1 диоптрию. Все стопорные вин¬
ты поставлены на специальной замазке. Для предохранения глаза
стрелка от удара при отдаче винтовки зрачок выхода удален от
последней поверхности окуляра на 72 мм.
Сетка прибора (рис. 7. 16) состоит из кольца и припаянных
к нему никелиновых проволочек диаметром 0,2 мм. Вся система
может двигаться вверх и вниз для введения углов прицеливания,
соответствующих дистанциям в пределах от 100 ж до 13 гм, и впра¬
во— влево для введения боковых поправок.
Боковые поправки вводятся на движение цели, на ветер и де¬
ривацию. Разрыв нитей по горизонту соответствует углу 0-07 и слу¬
жит для определения дальностей до целей, размер которых изве¬
стен.
Механизм сетки состоит из двух винтовых пар, винты которых
совершают только вращательное, а гайки только поступательное
движение. Движение одной гайки не мешает движению дру¬
гой, так как гайки имеют форму ползунков, перемещающихся
по своим Т-образным пазам. Разрез прибора представлен на
рис. 7. 17.
Разработана также конструкция прицела для охотничьего
ружья с панкратической линзовой оборачивающей системой, с по¬
мощью которой увеличение меняется плавно, достигая 7х.
Артиллерийская панорама
Орудийная панорама является угломерным прибором'для при¬
целов наземной артиллерии и предназначена для наводки и от¬
метки орудия. Эти задачи обеспечиваются тем, что панорама мо¬
жет давать круговое визирование по горизонту с точностью 0-01,
визирование по вертикали в пределах ±3-00 с точностью 0-01,
а также может работать ночью.
Панорама (рис. 7. 18) представляет собой коленчатую оптиче¬
скую трубу, состоящую из головки и корпуса. Корпус панорамы
закрепляется неподвижно в корзинке прицела с помощью крючка
и направляющего желобка, а головка может вращаться в горизон¬
тальной плоскости. Наблюдение ведется в окуляр 7, находящийся
в неподвижном корпусе.
В окуляре имеется окно для подсветки сетки в ночное время.
Вращение головки по горизонту осуществляется маховичком с ба¬
рабаном. В случаях, когда требуется быстро повернуть головку
панорамы на большой угол, рукояткой выводят червяк из зацеп¬
ления и рукой поворачивают головку. Для отклонения линии визи¬
рования вверх или вниз на головке панорамы имеется червячный
292
Рис. 7. 16. Сетка винтовочного при¬
цела:
/—барабан углов прицеливания, 2—винт,
3—пружина, 4—сетка с нитями, 5—барабан
боковых поправок
Рис. 7. 17. Винтовочный прицел:
/—обьехтив, 2—сетка, 3—оборачивающая система, 4—окуляр, 5—барабан углов прицели¬
вания, 6—винт
293
/—защитное стекло, 2—головная призма, 3—призма Дове, 4—объектив, 5—дах-
призма, 6—сетка, 7—окуляр, 8—червяк вертикального наведения, 9—червяк гори¬
зонтального наведения, 10—червячная шестерня, 11—коническая шестерня, 12—
нижняя коническая шестерня, 13—сателлит, 14—крючок
294
механизм, осуществляющий качание головной отражательной приз¬
мы 2. Отсчет вертикальных углов производится по барабану и
делениям на крышке с левой сто¬
роны головки.
Справа к головке прикреп¬
лено визирное приспособление
для грубого направления пано¬
рамы в точку наводки.
Оптическая система панора¬
мы (рис. 7. 19) состоит из за¬
щитного стекла 1, призмы-отра¬
жателя 2, призмы Дове 3, объек¬
тива 4, призмы с крышей 5, сет¬
ки с перекрестием 6 и окуляра 7.
Оптические характеристики па-
норамы: Г=4х; 20=10°; йвых.зр=
= 4 мм; //=18—20 мм.
Призма Дове служит для
компенсации поворота изобра¬
жения, получающегося при вра¬
щении головной призмы в гори¬
зонтальной плоскости. Для ком¬
пенсации поворота изображения
призма Дове должна поворачи¬
ваться вместе с головкой пано¬
рамы, но угол поворота ее дол¬
жен быть в два раза меньше угла
поворота головки.
Механизм, вращающий приз¬
му Дове, носит название диффе¬
ренциала. Он состоит из трех
конических шестерен: верхней,
нижней и промежуточной (сателлита) (см. рис. 7. 18). Червячная
шестерня 10 несет в верхней части корпус головки панорамы, а
в нижней — коническую шестерню 11. Нижняя шестерня 12 непо¬
движно укреплена в нижнем корпусе.
При вращении червяка 9 червячная шестерня 10 и коническая
шестерня 11 начнут двигаться и увлекут за собой промежуточную
шестерню-сателлит 13 со скоростью, равной полусумме скоростей
двух конических шестерен. При этом ось сателлита повернется на
Рис. 7. 19. Схема оптики панорамы:
1—защитное стекло, 2—головная призма,
3—призма Дове, 4—'объектив, 5—призма
с крышей, 6—сетка, 7—окуляр
?1 + ?2
<Р1
(так как шестерня 12 неподвижна) и повер-
угол фс= 2 2
нет цилиндр с призмой Дове.
Танковый шарнирный прицел
Танковые оптические приборы выполняют задачи наблюдения,
визирования и прицеливания. Они обслуживают весь танковый
экипаж: водителя, стрелка и командира.
295
Вооружение танка (пушка и пулеметы) предназначено для ве¬
дения ближнего боя. Орудие закреплено в башне танка, в так на¬
зываемой маске, которая может наклоняться на определенные
углы в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости ору¬
дие поворачивается вместе с башней. Прямая наводка орудия
на цель производится с помощью танкового телескопического шар¬
нирного прицела.
Прицел также укрепляется в маске и вместе с нею наклоняется
на нужные углы места цели. Поскольку длина орудия от маски до
казенной части достаточно велика, прибор также должен иметь
большую длину. При наклоне орудия на угол места цели окуляр
Рис. 7.20. Оптическая схема танкового придела:
1—защитное стекло, 2—объектив, 3—сетка, 4—коллектив, 5—по¬
движные зеркала, 6— неподвижные зеркала, 7—оборачивающая
система, 8—окуляр, 9—светофильтр
прицела должен описывать дугу большого радиуса, а вслед за ним*
должен перемещаться наводчик. Этот недостаток устранен в шар¬
нирном прицеле.
Оптическая схема танкового прицела (рис. 7.20) представляет
собой телескопическую систему, состоящую из защитного стекла,
объектива, сетки, коллектива, шарнира, оборачивающей системы и
окуляра. Сетка прибора — плоско-параллельная пластинка — не¬
сет на себе шкалы углов прицеливания в гектометрах и прицель¬
ные знаки в виде угольников и вертикальных штрихов (рис. 7.21).
Шкала прицельных знаков позволяет вводить боковые поправ¬
ки вправо и влево до 0-32. Неподвижным индексом для установки
углов прицеливания служит горизонтальная нить, расположенная
в непосредственной близости к сетке.
Головная часть прицела имеет обогреватель для предотвраще¬
ния запотевания защитного стекла при охлаждении. Обогреватель
представляет собой спираль из нихрома, заключенную в керамиче¬
скую оправу.
Головная часть прицела, закрепленная в маске танка, должна
качаться относительно неподвижной окулярной части. При кача¬
нии поворот изображения компенсируется работой системы четы¬
рех зеркал, носящих название оптического шарнира. Левое
зеркало 5 (см. рис. 7.20) связано с передней частью при-
296
цела и поворачивается вместе с ней на угол места цели. Блок
зеркал 6 поворачивается при этом на половину угла наклона пер¬
вого зеркала и компенсирует наклон изображения, получающийся
от поворота объективной части. Зеркала 5 связаны между собой
зубчатыми секторами.
Установка углов прицеливания производится рукояткой, р>асполо-
женной под окуляром прицела.
Рукоятка соединена валиком
карданной передачи с кониче¬
ской шестерней, находящейся
в головке прицела. Коническая
пара передает вращательное
движение гайке, последняя вы¬
зывает поступательное пере¬
мещение винта, палец кото¬
рого водит вверх и вниз ка¬
ретку сетки.
Механизм сетки состоит из
трех систем направляющих,
две из которых служат для
горизонтальной и вертикаль¬
ной выверок, а третья — для
введения углов прицеливания.
Мертвые ходы в каретках
устраняются пружинами. Сет¬
ка может быть подсвечена
специальным патроном освещения. Прицел монтируется головной
частью в маске танка, а окулярной—шарнирно подвешивается на
крыше башни.
7.6. ПРИБОРЫ НАБЛЮДЕНИЯ И ВИЗИРОВАНИЯ В ИНФРАКРАСНОЙ
ОБЛАСТИ СПЕКТРА
Выше были рассмотрены приборы, предназначенные для рабо¬
ты в видимой области спектра и рассчитанные для использования
в дневное время, а некоторые из них — в сумерки.
Для обеспечения возможности наблюдения в ночное время при¬
меняются так называемые приборы ночного видения,
работающие в ближайшей инфракрасной области спектра. Как из¬
вестно, инфракрасное излучение (ИК) является невидимым для
глаза. Приборы, работающие в ИК области спектра, используют
указанные невидимые лучи.
ИК излучение является тепловым излучением. Всякое нагретое
тело излучает ИК лучи. Интенсивность излучения нагретого тела
зависит от температуры. Согласно закону Стефана-Больцмана
интенсивность излучения пропорциональна чертвертой степени тем¬
пературы Т.
297
Рис. 7.21. Вид в поле зрения при¬
цела
Для так называемого абсолютно черного тела * закон Стефана-
Больцмана может быть выражен формулой
где а — постоянная Стефана-Больцмана, численно равная
5,67 • 10-12 вт/см • град4.
Длина волны, соответствующая максимуму излучения, опреде¬
ляется законом смещения Галицина—Вина:
где Хщ — длина волны в микронах;
Т — абсолютная температура, т. е. температура, отсчитанная
от абсолютного нуля.
По формуле (7. 10) легко определить длины волн, соответствую¬
щих максимуму излучения при различных температурах.
Приборы ночного видения используют длину волны ИК излуче¬
ния около 1 мк. Определим, при какой температуре максимум из¬
лучения будет соответствовать длине волны в 1 мк:
или
Максимум излучения естественных тел, имеющих температуру око¬
ло 20РС, будет лежать в области длин волн
Даже тела, нагретые до температуры 500° С (различные нагретые
части двигателей), будут излучать ИК лучи с длиной волны
Следовательно, для приборов ночного видения не может быть
использовано естественное тепловое излучение. Поэтому ночное ви¬
дение осуществляется с помощью специальных ИК осветителей или
ИК прожекторов, освещающих объект невидимыми ИК лучами.
Большинство приборов ночного видения работает с указанной
искусственной подсветкой цели. Такие приборы называются при¬
борами активного действия.
* Абсолютно черным телом называется тело, полностью поглощающее все
падающие на него лучи и обладающее наибольшей испускательной способностью
по сравнению с другими телами.
298
Наряду с приборами активного действия имеются приборы
ночного видения, оснащенные высокочувствительными при¬
емниками ИК излучения, позволяющие осуществить ночное виде¬
ние без искусственного освещения цели ИК осветителями. Такие
приборы называются приборами пассивного действия.
Принцип действия приборов ночного видения
Так как приборы ночного видения используют невидимые ИК
лучи, то очевидно, что изображение, образованное такими лучами,
должно быть преобразовано в видимое. Это преобразование осуще¬
ствляется с помощью так называемых электронно-оптических
преобразователей.
Таким образом, основным элементом всякого прибора ночного
видения является электронно-оптический преобразователь (ЭОП).
Невидимое изображение образуется ИК лучами с помощью
объектива. Видимое изображение, образованное ЭОПом, рас¬
сматривается с помощью оку¬
ляра. Следовательно, оптически¬
ми элементами всякого прибора
ночного видения являются объ¬
ектив и окуляр. Как будет пока¬
зано ниже, ЭОП может оборачи¬
вать изображение. Поэтому
большинство приборов ночного
видения оборачивающей системы
не имеет.
Прибор ночного видения (рис. 7.22) состоит из объектива 1,
ЭОПа 2 и окуляра 3. В качестве объективов используются свето¬
сильные линзовые, зеркально-линзовые либо зеркальные системы.
Линзы изготовляются из обычных сортов оптических стекол, так
как оптическое стекло прозрачно для ближайшей ИК области
спектра (до 2,5 мк). Объективы и другие оптические детали, стоя¬
щие до ЭОПа (в пучке ИК лучей) рассчитываются на длину волны
0,95 мк.
Окуляры представляют собой широкоугольные короткофокус¬
ные лупы. Поэтому конструкции окуляров для ЭОПов являются
сложными, многолинзовыми. На рис. 7.23 приведена оптическая
схема германского ночного прицела «Шпаннер-ПА», наглядно
иллюстрирующего сложность конструкций оптических систем для
приборов ночного видения.
Электронно-оптический (рис. 7.24) преобразователь представ¬
ляет собой электровакуумный прибор, состоящий из фотокатода 1,
управляющих электродов 2 и флуоресцирующего экрана 3. Все
указанные элементы смонтированы в стеклянном вакуумном бал¬
лоне 4.
Рис. 7. 22. Схема прибора ночного
видения:
1—объектив, 2—ЭОП. 3—окуляр
299
Фотокатод представляет собой светочувствительный слой, мак¬
симум чувствительности которого лежит в ИК области спектра.
Для электронно-оптических преобразователей обычно используют¬
ся кислородно-цезиевые фотокатоды с максимумом чувствительно¬
сти 0,76 мк и длинноволновой границей 1,2 мк.
Под влиянием ИК излучения, падающего на фотокатод 1, по¬
следний начинает испускать электроны. 1 акое испускание электро¬
нов под действием лучистой энергии называется фотоэмис¬
сией, а приемники лучистой энергии, у которых возникает фото-
— —. с внешним
эмиссия — приемниками
фотоэффектом.
Рис. 7.23. Оптическая схема ночного
прицела «Шпаннер-ПА»
Рис. 7.24. Электронно¬
оптический преобразова¬
тель:
1—фотокатод, 2—управляю¬
щие электроды, 3—экран,
4—1'вакуумный баллон
Управляющие электроды 2 обра¬
зуют ускоряющее электростатическое
поле, которое направляет поток элек¬
тронов на экран 3. При этом форма электродов и потенциал, при¬
кладываемый к ним, рассчитаны так, что траектории всех электро¬
нов, испускаемых одной точкой фотокатода, пересекаются в плос¬
кости экрана. Поток электронов как бы фокусируется электростати¬
ческим полем. Поэтому электростатические поля, образуемые элек¬
тродами при приложении к ним потенциалов, называются элек¬
тронными «линзами». Их действие на поток электронов во
многом эквивалентно действию обычных оптических линз. С по¬
мощью указанных электронных линз на экране образуется вторич¬
ное электронное изображение предмета.
Под влиянием потока электронов, падающих на экран, послед¬
ний начинает светиться (флуоресцировать). Благодаря этой флуо¬
ресценции невидимое электронное изображение превращается в ви¬
димое. Так происходит преобразование изображения, образован¬
ного невидимыми ИК лучами в видимое.
Наряду с переносом изображения, электронные линзы, также
как и оптические линзы, производят оборачивание изображения и
создают линейное увеличение. Поэтому на экране ЭОПа обра¬
зуется перевернутое уменьшенное изображение объекта (в ЭОПах
выгоднее применять увеличение меньше единицы).
Кроме того, ЭОПы являются усилителями света: яркость изо¬
бражения на экране в несколько раз больше яркости изображения
на фотокатоде. Коэффициент усиления однокамерного ЭОПа мо¬
жет быть подсчитан по формуле
300
(7.11)
где /(=6,83-102 лм!вт\
т] — к. п. д. экрана;
Е — интегральная чувствительность фотокатода;
и — ускоряющее напряжение;
V — линейное увеличение ЭОПа.
Из формулы (7.11) видно, что коэффициент усиления яркости
ЭОПа обратно пропорционален квадрату его линейного увеличе¬
ния. Поэтому, как уже указывалось, выгодно иметь увеличение
ЭОПа меньше единицы. Обычно в однокамерных ЭОПах приме¬
няют линейное увеличение от 0,5х до 0,75х. Определим коэффи¬
циент усиления света однокамерного ЭОПа с линейным увеличе¬
нием 0,7х.
Для однокамерных ЭОПов применяют кислородно-цезиевые
фотокатоды, имеющие интегральную чувствительность около
10~5 а/лм. К. п. д. экрана равен около 0,1. Ускоряющее напряжение
составляет 1,5-104 в. Подставляя указанные величины в формулу
(7.11), получим
Для еще большего усиления света в приборах ночного видения
применяют многокамерные ЭОПы.
В одном баллоне многокамерного ЭОПа последовательно со¬
единено несколько камер (рис. 7.25). Первая камера (первый
ЭОП) имеет кислородно-цезиевый фотокатод 1, управляющие
электроды 2 и экран 3, нанесенный на тонкую слюдяную пластин¬
ку 4. На другой стороне пластинки 4 нанесен второй фотокатод 5,
в качестве которого обычно используется сурьмяно-цезиевый фото¬
катод, обладающий более высокой чувствительностью, максимум
которой лежит в видимой области.
Изображение, образующееся на первом экране, контактно пе¬
реносится на второй фотокатод. Указанный контактный перенос
изображения, аналогичный переносу изображения с негатива на
фотобумагу при контактной печати, происходит благодаря близко¬
му расположению второго фотокатода от первого экрана, разде¬
ленных лишь тонкой слюдяной пластинкой. Спектральный состав
свечения первого экрана подбирается в соответствии с спектраль¬
ной чувствительностью второго фотокатода. Поэтому усиление
света последующими камерами ЭОПа, расположенными после
первой,’ значительно больше. Со второго фотокатода электроны по¬
падают на второй экран 6 и далее процесс повторяется в зависи¬
мости от числа камер. Многокамерные ЭОПы обеспечивают боль¬
шое усиление света и обладают весьма высокой чувствительностью.
301
Общий коэффициент усиления яркости изображения в многока¬
мерном ЭОПе определяется выражением
(7.12)
где К—имеет прежнее значение (/С=6,83 * 102 лм/вт)\
г] — к. п. д. экранов;
Е — интегральные чувствительности фотокатодов;
и — ускоряющие напряжения, равные около 15 кв для каж¬
дой камеры.
Определим общий коэффициент усиления
для двухкамерного ЭОПа, если т]1,2 = 0,1;
Е\ = 10-5; Е2 = 10~4; ^1 = ^2 = 15 кв:’ |ш02 =
= (6,83 • 102)2 • 10-2 • 10-9 • 152 • 106= 1100.
Действительно, двукамерные ЭОПы фир¬
мы КСА (США) имеют коэффициент усиле¬
ния, колеблющийся от 700 до 2000.
В двухкамерном ЭОПе изображение обо¬
рачивается дважды, поэтому на втором экра¬
не оно получается прямым. Вследствие этого
приборы с двухкамерными ЭОПами нуждают¬
ся в оборачивающей оптической системе.
С другой стороны, чувствительность двухка¬
мерных ЭОПов еще недостаточна для исполь¬
зования их без искусственной подсветки объ¬
ектов. С искусственной же подсветкой цели
достаточно чувствительности однокамерных
ЭОПов. По указанным причинам двухкамер¬
ные ЭОПы широкого распространения не по¬
лучили.
Трехкамерные ЭОПы обладают еще боль¬
шим коэффициентом усиления, достигающим
105 раз. Чувствительность трехкамерного
ЭОПа достаточна для осуществления ночного
видения без искусственного освещения цели.
Так же как и однокамерные, трехкамерные
ЭОПы дают оборачивание изображения. По¬
этому трехкамерные ЭОПы находят широкое
применение в приборах ночного видения пас¬
сивного действия.
Однако трехкамерные ЭОПы нуждаются
в весьма высоковольтном источнике питания,
напряжение которого должно быть около 50 кв. Получение и ис¬
пользование такого высокого напряжения связано с большими
трудностями вследствие возникновения утечки, пробоя изоляции
и т. п, Кроме того, высокая чувствительность трехкамерных ЭОПов
обусловливает появление фона, вызванного так называемой термо¬
электронной эмиссией первого фотокатода.
Рис. 7.25. Двухка¬
мерный ЭОП:
/—первый фотокатод, 2—
управляющие электроды,
3—первый экран, 4—тон¬
кая слюдяная пластин¬
ка, 5—второй фотокатод,
6—-второй экран
302
Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов
нагретыми катодами. У кислородно-цезиевого фотокатода уровень
термоэлектронной эмиссии даже при комнатной температуре на¬
столько велик, что усиление потока тепловых электронов после¬
дующими каскадами ЭОПа вызывает появление фона, сильно
понижающего контрастность изображения. Для подавления этого
фона применяется охлаждение первого фотокатода. В настоящее
время разработаны так называемые многощелочные фотокатоды,
уровень термоэлектронной эмиссии которых значительно ниже, чем
у кислородно-цезиевых фотокатодов (10-16 а/см вместо 10-12 а/см).
Такие фотокатоды применяются без охлаждения.
Приборы ночного видения
Приборы ночного видения применяются для наблюдения, визи¬
рования и прицеливания. В соответствии с этим их можно разде¬
лить на наблюдательные приборы, визиры и прицелы.
Из наблюдательных приборов ночного видения широкое распро¬
странение получили ночные бинокли, смотровые танковые прибо¬
ры, приборы для водителей.
Ночной бинокль (рис. 7. 26) состоит из объектива 1, окуляра 2
и электронно-оптического преобразователя 3. Благодаря тому, что
Фиг. 7.26. Оптическая схема
ночного бинокля:
1—объектив, 2—окуляр, 3— ЭОП
ЭОП дает оборачивание изображения, в отличие от обычного би¬
нокля в ночном бинокле нет оптической оборачивающей системы.
Поэтому оптическая схема ночного бинокля очень проста. Сетка
в ночном бинокле наносится непосредственно на 'фотокатод право¬
го ЭОПа.
303
Нашлемный ночной бинокль (рис. 7.27) состоит из двух пери¬
скопических систем, каждая из которых содержит электронно¬
оптический преобразователь, две призмы, окуляр и объектив. На¬
шлемный бинокль укрепляется на передней стороне шлема перед
глазами наблюдателя (рис. 7.28). В качестве противовеса к нему,
на задней стороне шлема расположен блок питания ЭОПов. Такое
крепление бинокля весьма удобно для водителей различных видов
транспорта, так как оставляет руки наблюдателя свободными.
Рис. 7. 27. Оптическая схема нашлемного ИК бинокля
Рис. 7.28. Нашлемный бинокль
Для ведения прицельного огня из винтовок, пулеметов и пушек
в ночное время используются ночные прицелы. Один из таких при¬
целов «Шпаннер-ПА» (рис. 7.29) был применен немцами. Его оп¬
тическая схема рассмотрена выше (см. рис. 7.23).
Ночные прицелы относятся к группе прицелов с зависимой ли¬
нией прицеливания. Угол прицеливания и боковые поправки на
деривацию устанавливаются перемещением ЭОПа в поперечном
направлении вместе с сеткой, нанесенной на фотокатоде ЭОПа.
Угол места устанавливается вместе со стволом оружия при визи¬
304
ровании на цель. Ночной прицел, установленный на легком фран¬
цузском пулемете, показан на рис. 7.30.
Следует отметить, что в настоящее время все современные
армии хорошо оснащены различными ИК приборами. В таких
Рис. 7.30. Легкий французский пулемет с ночным
прицелом
условиях применение ИК приборов активного действия становится
малоэффективным, так как ИК источники, используемые для
освещения цели, -почти в такой же мере демаскируют ИК приборы,
как и обычные прожектера видимого света. Поэтому наряду с ИК
приборами активного действия широко применяются ИК приборы
пассивного действия, снабженные трехкамерными ЭОПами в соче¬
тании со светосильными объективами.
20 805
Рис. 7. 29. Конструкция ночного прицела «Шпаннер-ИА»
Глава VIII
ДАЛЬНОМЕРЫ
8.1. НАЗНАЧЕНИЕ ДАЛЬНОМЕРОВ
Для решения различных технических задач приходится нередко
измерять расстояние до отдельных объектов на местности. Так, на¬
пример, нужно знать расстояние для наводки фотоаппарата на рез¬
кость, при выполнении геодезических работ, при постройке инже¬
нерных сооружений (мостов, переправ и др.)- В военном деле
определяют расстояние до цели при выработке углов прицелива¬
ния, упреждения и других данных для стрельбы из различных
видов оружия. Указанные задачи выполняются с помощью специ¬
альных приборов, называемых дальномерами.
8.2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ
Измерение расстояний можно производить контактным и не¬
контактным способом. При контактном способе измерения расстоя¬
ний в качестве инструмента используется, например, масштабная
линейка, рулетка, которые входят в непосредственное соприкосно¬
вение («контакт») с предметами. При неконтактном способе поль¬
зуются дальномерами, позволяющими определить расстояние до
предмета без контакта с ним.
Измерение расстояния с помощью оптических дальномеров про¬
изводится либо путем определения стороны треугольника по дру¬
гим его элементам, один из которых является постоянным, а дру¬
гой измеряется неконтактным способом, либо путем определения
времени распространения световой волны от дальномера до пред¬
мета и обратно.
Пусть в треугольнике АВС (рис. 8.1, а) известна сторона
АВ = В, противолежащий ей угол е и один из прилежащих углов
-у. Тогда сторона ВС —О может быть определена по теореме
синусов:
306
откуда
(8.1)
где й — называется дистанцией;
е — параллактическим углом;
В — базой дальномера.
В случае, когда треугольник ЛВС прямоугольный:
тогда
(8.2)
Рис. 8. 1. Базисный треугольник (а) и дальномер для определения рас¬
стояний по времени распространения световой волны (б)
/—источник света, 2, 6 и 8—оптические системы, 3, 4, 5, 9, 10 и //—зеркала, 7—
призма, 12—окуляр, 13—генератор, /4—фазовращатель, 15—усилитель, 16—блок
питания
При малых значениях угла е можно положить зте — е и, сле¬
довательно:
Таким образом, для определения дистанции О по формуле (8.3)
необходимо знать базу В и измерить параллактический угол. В ка¬
честве базы может служить известный размер предмета, например,
его длина или высота, либо расстояние между входными окнами
дальномера или расстояние между пунктами наблюдения цели.
Дальномеры, использующие в качестве базы размер предмета
(цели) называются дальномерами с базой на цели; дальномеры,
использующие в качестве базы расстояние между входными окна¬
ми, называются внутрибазными; дальномеры, использующие в ка¬
честве базы расстояние между пунктами наблюдения, называются
дальномерами с базой на местности. Наибольшее распространение
в настоящее время имеют внутрибазные дальномеры и дальномеры
с базой на цели.
20*
307
При измерении расстояния по времени распространения свето¬
вой волны определяют время в момент излучения светового им¬
пульса и в момент возвращения отраженной световой волны. Затем
находят интервал времени между этими моментами:
Дистанция до цели в этом случае, очевидно, может быть опре¬
делена по формуле
где с — скорость распространения света;
А^ — интервал времени между моментами излучения и возвра¬
щения отраженной волны.
При этом способе основной задачей является определение весь¬
ма малых промежутков времени с высокой точностью.
Дальномер для определения расстояний по времени распрост¬
ранения световой волны (см. рис. 8.1,6) работает следующим об¬
разом. Свет источника 1 направляется оптической системой 2 в мо¬
дулятор оптического передатчика, образованного зеркалами 4
и 5. Далее свет направляется оптической системой 6 на блок из
призм 7, установленный на другом конце измеряемой линии. Приз¬
мы 7, отражающие свет обратно, представляют собой равносторон¬
ние стеклянные трехгранные пирамиды с углами граней при
вершине 90°. Поэтому свет, входящий в основание призмы 7, отра¬
женный вследствие полного внутреннего отражения, выходит
параллельно первоначальному направлению, независимо от ориен¬
тировки прйз'мы 7 относительно падающих на нее лучей.
Отраженный призмой 7 свет возвращается обратно и оптиче¬
ской системой <5 направляется в приемный модулятор, образован¬
ный зеркалами 10 и 11. К зеркалам модуляторов 5 и 10 под¬
водится переменное напряжение от генератора высокой частоты 13.
Для получения светового потока, модулированного по амплитуде,
в дальномерах используются различные модуляторы. В частности,
в дальномере, схема которого приведена на рис. 8.1,6, применены
интерференционные модуляторы, использующие для модуляции
интерференцию света.
Интерференционный модулятор состоит из полупрозрачного
зеркала 3, нанесенного на гипотезную поверхность склеенных призм,
стеклянного зеркала 4 и зеркала 5, вырезанного из кварца так,
чтобы оно обладало пьезоэлектрическим эффектом.
Свет от источника 1 направляется оптической системой 2 на
полупрозрачное зеркало 3. Здесь лучи света источника разделяют¬
ся на два пучка. Один из них направляется на зеркало 4, а дру¬
гой — на зеркало 5. После отражения от зеркал 4 и 5 лучи воз¬
вращаются на зеркало 3 и здесь соединяются вместе. Оптической
системой 6 свет, образованный этими лучами, собирается в парал¬
лельный пучок и направляется на призму 7. Вследствие того,
308
что каждый из пучков лучей излучается одним источником света,
пучки лучей когерентны и могут интерферировать после их соеди¬
нения.
Вследствие интерференции лучей при периодическом изменении
воздушного промежутка между зеркалами под влиянием перемен¬
ного тока из оптической системы 6 будет исходить свет различной
силы. Оптическая система, направляющая свет от источника, бу¬
дет как бы менять свою прозрачность.
После отражения от призмы 7 свет попадает в объектив 8 и да¬
лее в модулятор приемной части 9, 10 и 11. Электрическое напря¬
жение, приложенное к кварцевому зеркалу 10 приемного модуля¬
тора, будет изменять во времени прозрачность его для поступаю¬
щего в него света. Так как посредством фазовращателя 14 фазу
электрического напряжения на зеркале можно произвольно менять,
то оказывается возможным управлять сдвигом фаз прозрачности
передающего и приемного модуляторов. Определяя величину сдви¬
га фаз и зная частоту переменного тока, питающего модуляторы,
можно определить весьма точно промежутки времени, затрачивае¬
мые светом при прохождении расстояния между дальномером
и призмой 7.
Дальномеры, определяющие расстояние по времени распрост¬
ранения световой волны, называются светолокационными, или
электрооптическими дальномерами. Последнее название таких
дальномеров связано с применением специальных электронных
устройств. Электрооптические дальномеры могут работать в раз¬
личном диапазоне волн: как в видимой, так и в невидимой обла¬
стях спектра. В последнем случае используют приемники лучистой
энергии, чувствительные к инфракрасной или ультрафиолетовой
области спектра.
Использование инфракрасной и ультрафиолетовой областей
спектра позволяет с помощью светофильтров исключить вредное
влияние дневного света. В случае применения ультрафиолетовых
лучей, электрооптические дальномеры работают на длине волны,
отсутствующей в спектре солнца.
8.3. ТОЧНОСТЬ ДАЛЬНОМЕРОВ
В зависимости от типа дальномера при измерении дистанции
определяются либо В и е, либо М с некоторыми погрешностями
А В, АС и При этом измеренная дистанция будет иметь погреш¬
ность А И. Если прологарифмировать, а затем продифференциро¬
вать формулу (8.3), то получим
Формула 8.5 выражает зависимость между относительной по¬
грешностью в измерении дистанции и относительными погрешно¬
309
стями в определении базы и параллактического угла. Как видно,
относительная погрешность в определении дистанции равна сумме
относительных погрешностей в определении базы и параллактиче¬
ского угла.
Если прологарифмировать и продифференцировать в таком же
порядке формулу (8.4), то для светолокационного дальномера по¬
лучим
где 6^ — погрешность в определении М.
Из формулы (8.6) видно, что для светолокационного дально¬
мера относительная погрешность в определении расстояния также
равна относительной погрешности в определении времени А1. Точ¬
ность измерения указанных элементов зависит от чувствительности
и инструментальной ошибки измерительных устройств, измеряю¬
щих эти элементы. К элементам, измеряемым в процессе опреде¬
ления дистанции, относятся углы или время распространения све¬
товой волны.
База считается известной и в процессе измерения дистанции не
определяется (за исключением дальномеров с переменной базой,
не получивших распространения).
Под чувствительностью измерительного устройства понимается
отношение линейного или углового перемещения указателя к изме¬
нению измеряемой величины. Пороговой чувствительностью прибо¬
ра называют наименьшее изменение измеряемой величины, способ¬
ное вызвать заметное изменение в показаниях прибора. Примени¬
тельно к дальномерам под чувствительностью понимают наимень¬
шее изменение параллактического угла е, вызываемого изменением
дистанции, которое может быть обнаружено глазом.
Если чувствительность невооруженного глаза обозначить 6,
то при увеличении дальномера Г минимальное изменение парал¬
лактического угла, обнаруживаемое дальномером, будет
Величина Де называется угловой теоретической ошибкой дально¬
мера. Изменение дистанции, соответствующее изменению парал¬
лактического угла на Де, определим из формулы (8.5), в которой
величиной — можно пренебречь:
В
(8. 7)
Подставляя значение е из формулы (8.3), получим
(8.8)
310
Чувствительность глаз к изменению параллактического угла за¬
висит от способа измерения. Если измерение заключается в нало¬
жении одного изображения на другое (способ, применяемый во
многих фотодальномерах), то чувствительность невооруженного
глаза составляет 60".
Если измерение состоит в приведении частей изображения, раз¬
деленных линией раздела, на одну прямую линию (способ, ис¬
пользуемый при снятии отсчетов по. нониусу, откуда он получил
название «нониальный»), чувствительность глаз достигает 10".
При стереоскопическом способе совмещения изображений в одну
кажущуюся плоскость также достигается чувствительность в 10".
Для способа «наложения» изображений формула (8. 8) будет
иметь следующие коэффициенты:
а для «нониального» и стереоскопического способов измерения
Величина АИ в формулах (8.8), (8.9) и (8.10) называется ли¬
нейной ошибкой дальномера (табл. 8. 1). Величина теоретической
ошибки часто принимается за единицу точности измерения дально¬
мера. Для того чтобы найти значение теоретической ошибки для
другого увеличения и базы, нужно величину теоретической ошибки,
приведенной в табл. 8. 1, умножить на коэффициент
В дальномерах с внешней базой, применение которых ограни¬
чивается геодезией, вместо противолежащего угла е (см. рис. 8. 1, а)
измеряются прилежащие углы у и |3. Дистанция определяется по
формуле (8. 1), в которой
Оценим точность дальномера с внешней базой. Логарифмируя
и дифференцируя формулу (8. 1), получим
В упомянутых дальномерах база В берется равной нескольким
сотням метров (200-4-300 м). Измеряемая дистанция составляет не-
311
Таблица 8.1
Значение теоретических ошибок внутрибазных дальномеров,
использующих чувствительность глаз 10" к изменению
параллактического угла
Дистанция
м
Ошибка в
м при базе
1 м
2 м
3 м
4 ж
X
0
1
Г=20Х
Г=30 X 1
Г=40 х
500
1,22
_
_
600
1,74
—
—
—
700
2,37
—
—
—
800
3,10
—
—
—
900
3,92
—
—
—
1000
4,84
1,21
—
—
1100
5,86
1,47
—
—
1200
6,97
1,74
0,77
—
1300
8,18
2,04
0,91
—
1400
9,50
2,38
1,05
—
1500
10,9
2,72
1,21
0,68
1600
12,8
3,20
1,42
0,80
1800
15,7
3,92
1,74
0,98
2000
19,4
4,85
2,15
1,21
2200
23,4
5,85
2,60
1,46
2400
27,8
6,95
3,09
1,74
2600
32,8
8,20
3,65
2,05
3000
43,6
10,8
4,85
2,72
3500
59,3
14,8
6,59
3,72
4000
77,5
19,3
8,73
4,91
4500
98,1
24,5
10,9
6,15
5000
—
30,3
13,5
7,55
6000
—
43,5
19,3
10,8
8000
—
77,6
34,5
19,3
10000
—
121,0
53,8
20,2
12000
—
—
76,8
29,2
14000
—
—
105,2
39,6
16000
—
—
—
51,7
18000
—
65,1
20000
-
—
80,5
25000
—
—
—
126,0
312
сколько километров. Поэтому угол у близок к 90°, {%у стремится
Ае Ае
к бесконечности, а
™ * АВ , Ав АО
Таким образом, ~~ЁГ' Т’ 6‘ относительная погРеш-
ность дальномера с внешней базой также равна сумме относитель¬
ных погрешностей в измерении базы и углов. Величина базы может
быть определена с точностью до 0,1%, величина углов значительно
грубее.
В качестве угломерных приборов в дальномерах с внешней
базой применяются стереотрубы или теодолиты. Величина угла е
при базе около 200 м для измеряемых дистанций в 10 км составит
около 20 т. д. (тысячных дистанции) или около 70'. В случае при¬
менения стереотруб ошибка в измерении углов Де может достиг¬
нуть 2 т. д. и — «10%.
8
Относительная погрешность в измерении дистанции составит
также около 10%. Абсолютная величина погрешности при дистан¬
ции 10 км составит около 1 км. Поэтому на таких дальностях при¬
менение стереотруб нецелесообразно. При дистанции 1 км Де/е
будет составлять около 1%. Абсолютная погрешность в измерении
дистанции составит около 10 м, что иногда допустимо.
В случае применения теодолитов величина Де может быть умень¬
шена до 107/ и даже до 2". В этом случае относительная погреш¬
ность измерения дистанции в 10 км составит 0,1%.
Погрешность в измерении дистанции будет определяться в рав¬
ной мере как погрешностью в определении базы, так и погреш¬
ностью в измерении углов:
При дистанции 1 км относительная погрешность в измерении
углов составит 0,01% и ею можно пренебречь. Погрешность в из¬
мерении дистанции будет определяться только погрешностью в из¬
мерении базы
Трудность определения базы, громоздкость способа, необходи¬
мость в определении двух углов вместо одного, как уже указыва¬
лось, весьма ограничивает практическое применение дальномеров
с внешней базой.
313
8. 4. ТИПЫ ДАЛЬНОМЕРОВ
В настоящее время в различных отраслях науки и техники и на¬
родного хозяйства применяются следующие типы дальномеров:
дальномеры для фотоаппаратов (фотодальномеры); геодезические
дальномеры; специальные дальномеры.
Фотодальномеры представляют собой миниатюрные внутрибаз-
ные дальномеры с базой 40-М00 мм. Геодезические дальномеры
представлены большим разнообразием моделей. Большая часть
геодезических дальномеров построена по типу дальномеров с базой
на цели. Однако имеются внутрибазные, а также и светолокацион¬
ные геодезические дальномеры.
Специальные дальномеры могут быть разделены на саперные,
армейские, зенитные и морские. Специальные дальномеры с базой
внутри прибора строятся преимущественно бинокулярными, т. е.
являются стереоскопическими, за исключением саперных дально¬
меров, являющихся монокулярными.
Кроме дальномеров, как отдельных специальных приборов, при¬
меняются различные дальномерные устройства. Они построены
по принципу дальномеров с базой на цели. Примером такого даль-
номерного устройства может служить дальномерное приспособ¬
ление перископов подводных лодок.
8.5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДАЛЬНОМЕРОВ
Основной и важнейшей частью всякого дальномера является из¬
мерительное устройство. Измерительное устройство большинства
конструкций дальномеров представляет собой оптический микро¬
метр,- часто называемый измерительным компенсатором. Компенса¬
тор вызывает весьма малые перемещения изображения, измеряе¬
мые единицами и долями микрон, при сравнительно значительном
перемещении или повороте измерительного механизма. Кроме того,
в измерительное устройство могут входить дистанционные шкалы
и привод, передающий движение на компенсатор и дистанционную
шкалу.
В оптических дальномерах можно указать следующие виды
оптических микрометров, используемых в качестве измерительных
компенсаторов: штриховая дистанционная шкала; поворотная от¬
ражающая грань зеркала или призмы; линзовые компенсаторы;
одноклиновые компенсаторы; двухклиновые компенсаторы.
Штриховая дистанционная шкала
Штриховая дистанционная шкала применяется в дальномерах
с базой на цели, у которых известной стороной (основанием) тре¬
угольника является размер предмета.
Штриховая дистанционная шкала представляет собой систему
штрихов, расстояние которых от нулевого штриха равно величине
изображения базы при заданных дистанциях (рис. 8.2). При за-
314
данном фокусном расстоянии объектива размер изображения базы
будет определяться формулой
Подставив значение е из формулы (8. 3) в (8. 12), найдем формулу
для расчета штриховой шкалы:
Пусть, например, необходимо рассчитать расстояния между
штрихами шкалы дальномера, имеющего объектив с фокусным
расстоянием 200 мм, для дистанций 100, 200, 500 и 1000 м, если
база равна 2 м.
По формуле (8. 13) после подстановки численных значений
найдем
Подставляя в это выражение указан¬
ные дистанции, получим для ,0=100 м,
а = 4 мм; для 0 = 200 ж, а = 2 мм; для
0 = 500 м, а = 0,8 мм; для 0=100 м,
а = 0,4 мм.
Из приведенного примера видно, что
штриховые дистанционные шкалы рас¬
считываются для определенной базы, т. е.
для предмета определенного размера.
Если базы (размеры предметов) будут
другими, то значения дистанций, проставленных у соответствую¬
щих штрихов, могут быть пересчитаны по формуле
где Д) — значение дистанции по шкале;
Ог — истинная дистанция;
В0 — база, для которой рассчитана шкала;
В — база, для которой определяется дистанция.
Штриховые дистанционные шкалы применяются в некоторых
военных приборах, например в артиллерийских буссолях, где зна¬
чение дистанции на шкале соответствует базе 2 м.
Гораздо чаще в дальномерах с базой, на цели используются
угломерные шкалы, расстояние между штрихами которых соответ¬
ствует определенным угловым единицам. В военных приборах де¬
ления таких шкал выражены в тысячных дистанции, или делениях
угломера.
Рис. 8.2. Штриховая
дистанционная шкала
315
Единица угла — тысячная дистанции численно равна 1/1000 ра¬
диана:
Если по указанной шкале определено число тысячных, занимае¬
мых изображением базы, то по формуле (8. 3) найдем
Я = 1000 — , (8.15)
п
где В — база (размер предмета);
п — число тысячных дистанции.
По формуле (8.15) величину дистанции легко вычислить в уме.
Угломерные шкалы, выраженные в тысячных дистанции, нахо¬
дят широкое применение, например в биноклях, стереотрубах и т. п.
Разновидностью такой шкалы является сетка геодезического при¬
бора, используемая для измерения расстояний. Расстояние между
штрихами («нитями») такой шкалы соответствует определенному
параллактическому углу. Зная его величину и значение базы, ди¬
станцию определяют по формуле
где К — коэффициент дальномера.
Например, если е0 = 0,02, то /(=50 и /) = 50В.
Качающееся зеркало или призма
В фотодальномерах и в некоторых геодезических приборах в ка¬
честве оптического микрометра применяется качающееся зеркало
или призма с одним отражением. Такими компенсаторами снабже¬
ны, например, дальномеры фотоаппаратов «ФЭД», «Зоркий», «Ле¬
нинград» и др. (см. ниже рис. 8.11 и 8.12).
При повороте зеркала или призмы на угол у луч отклонится на
двойной угол, т. е. компенсируемый параллактический угол будет
Подставляя это значение е в формулу (8.3), получим
Качание зеркала производится с помощью рычага длиной I Пере¬
мещение <7 конца рычага, вызванное его наклоном на- угол у, будет
или ввиду малости угла у
(8.19)
Подставляя значение у из формулы (8. 18), найдем
По этой формуле рассчитывают перемещение конца рычага, не¬
обходимое для компенсации параллактического угла при расстоя¬
нии до снимаемого предмета И. По вычисленному значению # мож¬
но определить профиль кулачка, с помощью которого обеспечи¬
вается необходимое перемещение Ад конца рычага при перемеще¬
нии объектива на величину х', определяемую выражением
где Ад — изменение радиуса-вектора профиля кулачка рычага.
В дальномерах применяется два вида линзовых компенсаторов:
компенсатор Босковича с качающейся линзой и компенсатор с под¬
вижной линзой. Компенсатор Босковича применяется в дальноме¬
рах фотоаппаратов (например, «Киев»),
Компенсатор Босковича представляет собой афокальную (с фо¬
кусным расстоянием, равным бесконечности) оптическую систему
из положительной и отрицательной цилиндрических линз (рис. 8. 3)
одинаковой силы, изготовленных из одного сорта стекла. Положи¬
тельная линза может поворачиваться вокруг оси, проходящей через
центр кривизны ее поверхности. При покачивании положительной
линзы плоская ее поверхность наклоняется на угол и, равный углу
поворота рычага, вызывающего покачивание. Вследствие этого
плоскопараллельная пластинка из двух линз превращается в опти¬
ческий клин.
Угол отклонения компенсатора
где и — угол между плоскими поверхностями компенсатора;
п — показатель преломления стекол линз.
Подставляя значение е из формулы (8. 22) в (8. 3), получим
(8.21)
Линзовые компенсаторы
(8.22)
(8. 23)
317
Соответствующее перемещение конца рычага, соприкасающего¬
ся с фотообъективом, будет
(8. 24)
По этой формуле рассчитывают профиль кулачка рычага, со¬
прикасающегося с объективом. При этом изменение радиуса-векто¬
ра кулачка, как разность перемещения объектива и конца рычага
при расстоянии Д определится формулой
Линзовый компенсатор с подвижной линзой отличается от ком¬
пенсатора Босковича лишь тем, что он состоит
из двух сферических линз — положительной и
отрицательной — с одинаковыми фокусными
расстояниями, образующих афокальную систему
с увеличением, равным единице. Для дально¬
меров с большими увеличениями (более 20х)
линзы компенсаторов делаются ахроматизиро¬
ванными, для дальномеров с небольшими увели¬
чениями — простыми.
Положительная линза 1 линзового компенса¬
тора с подвижной линзой (рис. 8.4) является
подвижной, отрицательная линза 2 — неподвиж¬
ная. Перемещение линзы 1 производится с по¬
мощью микрометренного винта 3, поступательное движение ко¬
торого передается рычагу 4. Последний вызывает перемещение
линзы 1, оправа которой двигается по направляющим 5. Когда
линзы компенсатора центрированы, то пучок, проходящий через
компенсатор, не меняет своего направления. Но если положитель¬
ная линза с .фокусным расстоянием / переместится на величину х,
то пучок изменит свое направление на угол е (рис. 8. 5, а). Как
видно, угол отклонения компенсатора может быть определен
формулой
Для того чтобы обеспечить необходимую точность измеритель¬
ного механизма, перемещение положительной линзы принимается
равным приблизительно 20 мм. В диапазоне изменения углов от¬
клонения компенсатора около 10/ фокусные расстояния линз ком¬
пенсатора оказываются довольно большими.
318
Найдя и подставив а из формулы (8.23), будем иметь
Рис. 8.-3. Компен¬
сатор Босковича
Рис. 8. 4. Линзовый измерительный компенсатор дальномера:
/—подвижная линза, 2—неподвижная линза, 3—микрометренный винт, 4—рычаг,
5—направляющие, 6—винт механизма выверки по дальности, 7—гайка, 5—рычаг меха¬
низма выверки по дальности
319
Из формулы (8.26) находим
Таким образом, фокусное расстояние линз компенсатора со¬
ставляет несколько метров. Но даже при таких больших фокусных
расстояниях линзу компенсатора нужно перемещать с высокой
точностью. В современных дальномерах точность изменения угла
отклонения компенсатора должна достигать до 0",25—0",3. Если
Рис. 8. 5. Схема линзового измерительного компен¬
сатора (а) и совмещение главных плоскостей
линз (б)
в диапазоне изменения угла отклонения компенсатора 10' линза
перемещается на 20 мм, то при 0",3 это перемещение составит
! Определим, с какой точностью должны быть выдержаны фокус¬
ные расстояния линз компенсатора для обеспечения точности в 0",3
во всем диапазоне перемещения. Логарифмируя и дифференцируя
выражение (8.26), получим
(8. 27)
Если Ае = 0,"3, а 8 = 600", то допустимая относительная ошибка
фокусного расстояния составит
процентах — 0,05 %.
Очевидно, что такая точность фокусного расстояния линз не
может быть получена в производственных условиях. Поэтому
в конструкциях линзовых компенсаторов всегда имеются компен¬
сационные устройства для исключения ошибок фокусных расстоя¬
ний линз, а также шага микрометренного винта.
320
Компенсирующие устройства должны давать возможность из¬
менять диапазон угла отклонения компенсатора на 1%. В линзо¬
вом компенсаторе (см. рис. 8. 4) для изменения углов отклонения
изменяется длина одного плеча рычага 4. В других конструкциях
компенсаторов для этой цели осуществляется наклон оси микро-
метренного винта к направлению перемещения линзы (рис. 8.6).
При наклоне винта на угол а уменьшается величина перемещения
линзы:
Рис. 8. 6. Коррекционное устройство линзового изме¬
рительного компенсатора
Компенсатор, изображенный на рис. 8.4, используется не только
для определения параллактических углов, но также и для выверки
по дальности. Движение от механизма выверки по дальности пере¬
дается на винт 6, вызывающий поворот рычага, который обес¬
печивает перемещение гайки, связанной с основным микромет-
ренным винтом компенсатора. Движение гайки вызывает дополни¬
тельное перемещение микрометренного винта, передающееся по¬
движной линзе компенсатора.
Как уже указывалось, положительная и отрицательная линзы
компенсатора представляют собой афокальную оптическую систе¬
му с увеличением, равным единице. Чтобы удовлетворить этому
условию, фокусные растояния линз должны быть равны, а их глав¬
ные плоскости совмещены. Поэтому линзы компенсатора пред¬
ставляют собой мениски с вынесенными главными плоскостями (см.
рис. 8.5,6).
Подвижной клин за объективом
Подвижной клин за объективом (рис. 8. 7) в качестве измери¬
тельного компенсатора применяется главным образом в специаль¬
ных внутрибазных дальномерах. Однако он применяется и в дру¬
гих случаях как оптический микрометр.
Пусть В'С — главный луч пучка, идущего от цели с параллак¬
тическим углом е. При отсутствии клина К пучок лучей собрался
бы в точке Д фокальной плоскости объектива. Отрезок Р'Д пред¬
ставлял бы собой в этот момент величину линейного параллакса.
Введем теперь в ход лучей клин К с углом отклонения а.
Расстояние клина от фокальной плоскости обозначим х и выберем
21 805
321
его так, чтобы произошла полная компенсация параллактического
угла и пучок лучей собрался на визирной оси телескопа. Так как
углы малы, можно положить
Если в выражении (8.28) положить х=0, что соответствует
положению клина в фокальной плоскости, то и е = 0, т. е. параллак¬
тический угол, который может быть компенсирован в данном поло¬
жении, равен нулю. При *=/' угол е = ог. Таким образом, предел
параллактических углов, которые можно исключить данным ком¬
пенсатором, равен углу отклонения самого клина.
Практически в фокальной плоскости находятся центральные
призмы и поместить туда клин физически невозможно, так же как
и в главную плоскость объектива. Поэтому клин передвигается
в несколько меньших пределах:
Допустим, что шкала дальномера ограничена пределами
где Ооо=оо. Пусть предельным значениям дистанции
соответствуют два положения клина х0 и Яоо, такие, что Хо<У
И Яоо>0.
Вследствие того, что при О=оо угол 8 = 0, клин не находится
в фокальной плоскости объектива, изображение цели не находит¬
ся в точке Р'. Для того чтобы привести изображение в эту точку,
322
Рис. 8.7. Подвижной клин за объективом
откуда
Но, так как
то
Заменяя на в, получим
(8.34)
Последняя формула представляет собой максимальный парал¬
лактический угол пели, измеряемый компенсатором.
Угол отклонения клина измерительного компенсатора опреде¬
лится из формулы (8. 35):
пользуются подвижкой центральных призм дальномера и другими
средствами. Это равносильно введению фиктивного клина с углом
отклонения а.
В результате при /)=оо и е = 0 получим
Здесь Хоо может иметь любое значение в зависимости от различ¬
ных конструктивных особенностей дальномера. Если *«> выбрано, то
Для наименьшей дистанции получим
где а имеет то же значение, что и в формуле (8.30).
Для промежуточных дистанций
Подставляя в формулу (8.33) выражение для а из формулы
(8.31), найдем
Из выражений (8.31) и (8.32) находим
Подставляя выражения (8.36) и (8.31) в формулу (8.33), по¬
лучим
Выражение (8.38) служит для расчета дистанционной шкалы.
Из формулы (8.37), кроме того, имеем
Эта формула показывает, что измеренная дистанция не зави¬
сит от начального положения клина, а зависит только от величины
его перемещения.
Измерительный клин К делается ахроматическим и поэтому со¬
стоит из двух клиньев, изготовленных из крона и флинта.
Углы преломления этих клиньев х)х и ь2 определяются по фор¬
мулам
где пг и п2 — показатели преломления стекол;
V! и V2 — коэффициенты средней дисперсии (числа Аббе) для
тех же стекол.
Компенсаторы этого типа устанавливаются за объективом, т. е.
в сходящемся пучке между объективом и его фокальной пло¬
скостью.
Двухклиновые компенсаторы являются наиболее распространен¬
ными из известных оптических микрометров. Они применяются
в дальномерах фотоаппаратов, в военных дальномерах в качестве
измерительных, а также вспомогательных устройств для выверки
по дальности и высоте, и в некоторых дальномерах для точной
наводки по высоте (например, в дальномере «015По!1а»). Двухкли-
новый компенсатор представляет собой оптическую систему из двух
одинаковых оптических клиньев, поворачивающихся от некоторого
среднего положения на равные углы, но в противоположные сто¬
роны.
(8.37)
(8. 38)
(8.39)
(8.40)
Двухклиновые компенсаторы
324
откуда после преобразования
Пусть отрезки 0К\ и 0К2 (рис. 8. 8) представляют собой, отло¬
женные в масштабе, смещения изображений в поле зрения, вызван¬
ные отклоняющими действиями клиньев, и пусть направления от¬
резков совпадают с направлениями главных сечений клиньев.
Смещения изображений, равные отрезкам ОКг и О/С2, можно раз¬
ложить на две составляющие: одну по оси ОХ, параллельную из¬
мерительной плоскости, и другую — перпендикулярную измеритель¬
ной плоскости.
Вертикальные составляющие ОМ\ и ОМ2 будут равны между
собой и противоположны по знаку, если углы отклонения клиньев
равны и каждый из них повернут на оди¬
наковый угол от измерительной плоско¬
сти. Эти составляющие не будут влиять
на положение изображения.
Горизонтальные составляющие сме¬
щений будут иметь одинаковые знаки.
Они сложатся и дадут общее отклонение,
используемое для исключения параллак¬
тического угла дели, равное
(8.41)
Когда угол разворота клиньев р = 0,
тогда е = 2а; при р = 180° угол 8=—2а.
Таким образом, диапазон возможного
исключения параллактического угла ра¬
вен 4ст^При (3 = 90° угол 8 = 0 — клинья образуют плоско-парал¬
лельную пластинку, которая должна в этом положении соответ¬
ствовать измерению дистанции, равной бесконечности. В действи¬
тельности же разворот клиньев происходит в других пределах.
Пусть предельным значениям дистанции соответствуют два угла
поворота клиньев р0 и такие, что Роо<90° и р01>00°. Вследствие
того, что при 1)=о© и 8 = 0 клинья не образуют плоско-параллель¬
ной пластинки, изображение цели не находится в точке Р'. Для
того чтобы привести изображение в эту точку, пользуются так же,
как и для клина, двигающегося вдоль оси, подвижкой центрального
мостика, изменением углов концевых отражателей или поворотом
защитных клиньев. Это равносильно введению в систему фиктив¬
ного клина с углом отклонения а. В результате при И = оо и 8 = 0
получим
Здесь Ре» может иметь любое значение в зависимости от различ¬
ных конструктивных особенностей дальномера.
Если Роо выбрано, то
Рис. 8.8. К определению
угла отклонения двухкли¬
нового измерительного
компенсатора
325
Подставляя формулы (8.47) и (8.43) в выражение (8.45), получим
Выражение (8. 49) служит для расчета шкалы дальномера. Рас¬
ход вращения клиньев |Зо—Р<х> никогда не берется равным 180°, так
как в этом случае исключение параллактических углов (на крайних
пределах поворота) происходит очень медленно. Обычно |30—Р«>
бёрут равным 120°. Диапазон работы компенсатора будет в этом
случае равен 3,5а.
В современных дальномерах обычные двухклиновые компенса¬
торы в качестве измерительных компенсаторов применяются редко,
так как им присущи существенные недостатки: а) высокие требо¬
вания к точности углов отклонения клиньев; б) нелинейная зави¬
симость между углом отклонения компенсатора и углом поворота
приводного валика.
326
Для минимальных дистанций
где а имеет то же значение, что в формуле (8.43).
Величины базы В и начальной дистанции И0 задаются тактико¬
техническими требованиями на дальномер, величина р0 выбирается
из конструктивных соображений, но должна быть меньше 180°.
После этого из формул (8.43) и (8. 44) могут быть определены
углы отклонения клиньев компенсатора. Для промежуточной ди¬
станции имеем
Подставляя сюда значение а из формулы (8.43), получим
Из формул (8.42) и (8.44) найдем
откуда угол отклонения отдельного клина пары будет
после преобразований
Последнее обстоятельство не только вызывает необходимость
применения специальных конверторов (преобразователей) при пе¬
редаче показаний дальномера по линии синхронной связи и лишает
возможности применения линейных механизмов, связанных с ком¬
пенсатором, но и требует точного согласования шкалы с компен¬
сатором по фазе.
В современных дальномерах применяются двухклиновые ком¬
пенсаторы с синусным механизмом (рис. 8. 9 и 8. 10), не имеющие
недостатков двухклиновых компенсаторов без синусного механиз¬
ма. При вращении микрометренного винта 1 происходит переме-
Рис. 8.9. Схема двухклинового измерительного компенса¬
тора с синусным механизмом:
/—микрометренный винт, 2—подвижная гайка, 3—ролики оправ
с Клиньями
щение подвижной части 2, которая толкает ролики 3, вызывая этим
вращение оправ с клиньями. Если обозначить через х перемещение
детали 2, через р — угол поворота клиньев и через Я — расстояние
роликов 3 от оси вращения, то аналогично одноклиновому компен¬
сатору с синусным механизмом получим для двухклинового компен¬
сатора
В формуле (8.50) угол отклонения линейно зависит* от пере¬
мещения роликов. Кроме того, в конструкции двухклинового ком¬
пенсатора с синусным механизмом предусматривается возможность
регулировки длины рычага синусного механизма. Благодаря этому
требования к сумме углов отклонения пары клиньев компенсатора
могут быть снижены настолько, насколько будет предусмотрен диа¬
пазон регулировки длины рычага Я. Компенсатор с синусным меха¬
низмом (см. рис. 8. 10) состоит из трех конических шестерен оди¬
накового диаметра — ведущей 5 и двух ведомых 4, внутри которых
расположены оправы с клиньями 2. Ведущая шестерня поворачи¬
вается с помощью синусного механизма и вызывает такой же пово¬
рот шестерен с клиньями компенсатора.
327
328
Рис. 8.10. Конструкция двухлинзового измеритель
а—продольный разрез и вид сбоку,
1— микрометренный винт, 2—-оправы с клиньями, 3—
5—рычаг синусного механизма, 7—пружина, 8—подвижная
ного компенсатора с синусным механизмом:
б—поперечный разрез и вид снизу;
ролик, 4—шестерня с клином, 5—ведущая шестерня,
гайка синусного механизма
329
Синусный механизм состоит из ходового винта 1, по которому
перемещается гайка 8 с пазом; в этот паз входит ролик 3 рычага
6 синусного механизма. Рычаг синусного механизма представляет
собой выступ на ведущей конической шестерне с Г-образным пазом,
в который входит деталь 6, несущая ролик 3. Деталь с роликом
может перемещаться по пазу, благодаря чему достигается измене¬
ние длины рычага синусного механизма, позволяющее компенси¬
ровать ошибки углов отклонения клиньев компенсатора и ошибки
ходового винта синусного механизма.
Для устранения мертвого хода синусного механизма в конструк¬
ции компенсатора предусмотрена пружина 7, благодаря которой
на ведущей шестерне возникает вращающий момент, действующий
в одну сторону. Благодаря вращающему моменту уничтожается
мертвый ход подвижной гайки относительно ходового винта синус¬
ного механизма.
Измерительный компенсатор имеет диапазон изменения углов
отклонения 400", свободное отверстие клиньев 80 мм. Клинья раз¬
ворачиваются от среднего положения, при котором они образуют
плоско-параллельную пластинку, на ±45°.
8.6. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ДАЛЬНОМЕРОВ
Фотодальномеры
Фотодальномеры используются в фотоаппаратах для наведения
на резкость изображения фотографируемого предмета. Применяют¬
ся два типа фотодальномеров — съемные и встроенные.
Съемный фотодальномер, например у фотоаппарата «Смена»
(рис. 8. И), представляет собой от¬
дельный прибор, позволяющий изме¬
рить расстояние до снимаемого объ¬
екта, величина которого затем уста¬
навливается на дистанционной шкале
фотоаппарата. Процессы измерения
расстояния и наведения на резкость
в этом случае осуществляются раз¬
дельно.
Схема фотодальномера «Смена»
предельно проста. Он состоит из двух
зеркал 1 и 2 и защитных стекол 3, 4
и 5. Зеркало 1—полупрозрачное. Оно
пропускает часть лучей, проходящих
через стекло 3 и отражает часть лучей, идущих через стекло 4
и отраженных непрозрачным зеркалом 2. Через стекло 5 наблюда¬
тель видит два изображения предмета, образованные левой и пра¬
вой ветвями дальномера. Зеркало 2 — качающееся. При повороте
зеркала 2 изображения перемещаются друг относительно друга.
В момент, соответствующий измеряемому расстоянию, изображе¬
ния должны быть совмещены друг с другом.
Рис. 8.11. Схема дально¬
мера фотоаппарата «Смена»
1 и 2—зеркала, 3, 4 и 5—за¬
щитные стекла
330
Поворот зеркала 2 производится^ помощью маховичка, имею¬
щего шкалу расстояний. Точность измерений при этом определяет¬
ся чувствительностью метода наложения.
При методе наложения глаз замечает нарушение совмещения
по уменьшению контрастности краев изображения, которое возни¬
кает вследствие смещения изображений и наложения светлого фона
на несовмещенные части изображений. При нарушении совмеще¬
ния наблюдатель видит линию, параллельную вертикальным конту¬
рам предмета, менее контрастную по сравнению с наложенными
частями изображения.
Экспериментальным путем установлено, что протяженную тем¬
ную линию на белом фоне глаз может заметить, если толщина ли¬
нии в угловой мере составляет не менее 20". Для линий, имеющих
пониженную контрастность, угловой размер видимой линии можно
оценить в 30". Наблюдатель при измерении расстояния может до¬
пустить погрешность вдвое больше ее порогового значения (30").
Таким образом, погрешность в определении параллактического угла
может быть оценена в 60". Погрешность в измерении расстояния-
при этом может быть оценена по формуле (8. 9). Фотодальномер
«Смена» имеет базу 60 мм. Подставляя численное значение базы,
получим величину погрешности АО для фотодальномера «Смена»:
Погрешность в установке на резкость Ах' при ошибке в измере¬
нии дистанции АО найдем, дифференцируя формулу Ньютона:
где }об — фокусное расстояние объектива фотоаппарата.
Подставив АО из формулы (8.9), получим
Найдем величину погрешности АО для фотодальномера «Смена»:
В = 60, Г= 1 и 6 = 60",
Из формулы (8.51) видно, что ошибка наводки объектива фо¬
тоаппарата на резкость с помощью дальномера, остается постоян¬
ной при всех расстояниях. Это объясняется тем, что увеличение
ошибки АД пропорциональное квадрату расстояния, компенсирует¬
ся уменьшением Ах' также пропорционально квадрату расстояния.
Если в фотоаппарате применен объектив с фокусным расстояни¬
ем 50 мм, то по формуле (8. 52) получим погрешность в наведении
на резкость в 0,06 мм. При относительном отверстии 1 :2 это обес¬
печит разрешающую способность 30 штр/мм.
331
Встроенные фотодальномеры позволяют совместить процессы
измерения расстояния и наводки фотоаппарата на резкость. Поэто¬
му они получили более широкое распространение.
Рис. 8. 12. Схема дальномера фотоаппарата «Киев»
Встроенные фотодальномеры применяются в фотоаппаратах
«ФЭД», «Зоркий», «Киев», «Ленинград» и др. Оптические схемы
фотодальномеров фотоаппаратов «ФЭД» и «Зоркий» аналогичны
схеме фотодальномера «Смена». Оптическая же схема фотодаль¬
номера фотоаппарата «Киев» (рис. 8.12) отличается применением
компенсатора Босковича вместо качающегося зеркала или призмы.
В перечисленных фотоаппаратах дальномеры одновременно выпол¬
няют функцию визиров.
В фотоаппарате «Ленинград»
применяется более совершенная
оптическая схема дальномера-
визира (рис. 8.13). Он состоит
из качающейся призмы 1Ч объек¬
тивов 2 и 5, центральной приз¬
мы 4 с клином 5, пентапризмы 5,
окуляра 6 и защитных стекол 7.
Сферическая грань призмы 4,
служащая коллективом, покрыта
отражающим слоем за исключе¬
нием центрального прямоуголь¬
ника, закрытого клином 8. Через
этот прямоугольник проходят
лучи от правой половины. Левая
ветвь дальномера образует изо¬
бражение фотографируемого объекта на сферической поверхности
призмы 4, где нанесены кадровые рамки для различных сменных
объективов
Нижний край прозрачного прямоугольника образует линию раз¬
дела дальномера. Изображение делится линией раздела 'на две
части. При измерении расстояния производится совмещение частей
изображения в одно изображение. Чувствительность при таком
способе совмещения составляет 10" для невооруженного глаза.
Дальномер имеет увеличение 0,7х. Таким образом, чувствитель¬
Рис. 8. 13. Схема дальномера-
визира фотоаппарата «Ленинград»
1 и 4—призмы, 2 и 3—объективы,
5—пентапризма, 6—окуляр, 7—защитные
стекла, 8—клин
332
ность дальномера будет около 14/А, т. е. в 4,3 раза выше чувстви¬
тельности дальномера «Смена».
Военные дальномеры
Военные дальномеры используются для измерения расстояния
до объектов противника. Они чаще всего строятся по типу дально¬
меров с базой внутри прибора и, за исключением саперных, яв¬
ляются бинокулярными или стереоскопическими дальномерами.
Современные военные дальномеры строятся по так называемым
нерасстраивающимся схемам. Такие дальномеры не нуждаются
в выверке по дальности при эксплуатации.
Принцип действия дальномера, не расстраивающегося по даль¬
ности, состоит в том, что процесс выверки по дальности, производи¬
мый с целью устранения расстройства, вызванного произвольным
смещением и поворотом оптических деталей, совмещен с процессом
измерения расстояния. При этом в качестве измерительных марок
стереоскопического дальномера используются знаки встроенного
коллиматора, подобно выверителю в старых расстраивающихся
дальномерах, и при измерении дистанции производится совмещение
цели в одну плоскость с указанными знаками. Для того чтобы эти
знаки были видимы на светлом фоне, они делаются светящимися
и им придается форма знаков измерительных марок стереоскопи¬
ческих дальномеров.
В оптических системах, проецирующих изображение измери¬
тельных марок в зрительную систему, применяются нерасстраиваю-
щиеся биаксиальные коллиматоры, кварцевые отражатели и дру¬
гие элементы, обеспечивающие неизменность угла между пучками
лучей, идущих в левую и правую половины дальномера.
Примером нерасстраивающейся схемы дальномера является
схема малобазного наплечного дальномера ЗДН (рис. 8. 14) с не¬
подвижными измерительными марками. Дальномер имеет биакси-
альный коллиматор, на объективах которого нанесены неподвиж¬
ные измерительные марки (рис. 8.15). Они представляют собой
стереоскопическую шкалу, каждый знак которой виден под парал¬
лактическим углом, соответствующим определенной дистанции
(рис. 8. 16). Телескоп, входящий в схему, дает в фокальной пло¬
скости окуляров изображение марок и цели.
В дальномере ЗДН (см. рис. 8. 14) лучи, идущие от цели, про¬
ходят защитные стекла 1 и попадают на концевые призмы 2. Эти
призмы отклоняют лучи в телескоп под углом 90°, Одновременно
от граней концевых призм, расположенных поперек продольной
оси дальномера, отражаются лучи, идущие от измерительных ма¬
рок, падающие на указанные грани под некоторым углом из биак-
сиального коллиматора. После этого лучи, идущие от цели и от из¬
мерительных марок, совместно проходят через объективы телеско¬
па 3 центральные призмы 4, ромбические призмы 5 и выходят из
окуляров 6. Наблюдатель в поле зрения видит одновременно изоб¬
333
ражение цели и измерительных марок. Замечая марку шкалы,
с которой цель представляется лежащей в одной плоскости, даль¬
номерщик определяет дистанцию. Измерительные марки выполнены
в виде ряда цифр, между которыми находятся ромбики (см.
рис. 8.15). Цифры означают расстояние до цели в гектометрах*
а ромбики — доли интервала между цифрами.
В биаксиальном коллиматоре лучи от измерительных марок,
освещаемые дневным светом или с помощью осветителя 10 (см.
рис. 8. 14), падают на призмы 9, наклеенные на линзы объектива 7„
Эти призмы направляют их на среднее зеркало 8, удаленное от
главных плоскостей объективов на половину фокусного расстояния.
Обе половины среднего зеркала отражают лучи от марок обратно.
Рис. 8. 14. Оптическая схема дальномера ЗДН:
Л—защитные стекла, 2—концевые призмы, 3—объективы наблюдательной системы,
4—центральные оборачивающие призмы, 5—ромбические призмы, б—окуляры. 7—объек¬
тивы биаксиального коллиматора, 8—среднее зеркало, 9—призма системы освещения,
10—осветительное устройство
Эти лучи выходят далее из линз объективов 7 параллельными пуч¬
ками и падают на отражающие поверхности призм 2. Для того
чтобы лучи, идущие от марок, падали на призмы 2 под заданными
углами и отражались от них по направлению, параллельному лучам,,
идущим от цели, среднее зеркало биаксиального коллиматора имеет
форму клина, угол которого равен углу между визирными осями
биаксиального коллиматора.
Биаксиальный коллиматор представляет собой оптическую си¬
стему с неизменным углом между визирными осями. Постоянство
угла обеспечивается тем, что измерительные марки нанесены не¬
посредственно на поверхности одной из линз объктивов, совпадаю¬
щей с главной плоскостью.
В дальномере, построенном по описанной схеме, расстройство
по дальности могут вносить лишь призмы 2 вследствие изменения
угла между преломляющими и отражающими гранями. Чтобы
уменьшить это расстройство, они изготовляются из специально
отожженного оптического стекла, свободного от напряжений. Не-
334
335
Рис. 8. 16. Вид стереоскопических марок на фоне местности
Рис. 8. 15. Стереоскопические марки
большое изменение формы таких призм дальномера ЗДН вследст¬
вие малого увеличения не вызывает чрезмерных ошибок в изме¬
рениях.
Дальномеры ЗДН характеризуются следующими данными: база
1 м; увеличение 10х; поле зрения 6°; диаметр зрачка выхода 2,5 мм;
Рис. 8. 17. Оптическая схема дальномера Я 40:
/ и 5—включающиеся светофильтры, 2—защитные стекла, 3—кварцевые отражатели.
4—концевые отражатели основной системы, 6— объективы биаксиального коллиматора,
7—призма системы освещения, 3—защитное стекло, 9—пластинка с измерительными мар¬
ками, 10—включающаяся призма освещения измерительных марок дневным светом,
11—защитные стекла вакуумной трубы, 12—коллективы системы освещения марок, 13—объ¬
ективы основной системы, /4—диафрагмы системы освещения марок, 15—конденсоры
системы освещения марок, 16—светофильтры, 17—лампочки системы освещения, 18—обо¬
рачивающие центральные призмы основной системы, 19—подвижная линза измеритель¬
ного компенсатора, 20—неподвижная линза измерительного компенсатора, 21—окуляры,
22—ромбические призмы, 23—призмы Пехана, 24—компенсационные линзы
пределы измеряемых дистанций оси 5 до 60 гектометров; вес около
5 кг.
Оптическая схема дальномера «Дизос» ^-40 фирмы К. Цейсс
(рис. 8. 17) делится на три основные части: наблюдательную си¬
стему, систему измерительных марок и осветительную систему.
Наблюдательная система состоит из защитных стекол 2, включаю¬
щихся светофильтров 1 и 5, концевых отражателей 4, объективов
13, центральных оборачивающих призм 18, ромбических призм 22,
окуляров 21 и включающейся оптической системы, состоящей из
линз 24 и призм 23.
336
Система измерительных марок состоит из кварцевых отража¬
телей 3, объективов биаксального коллиматора 6, пластинок с мар¬
ками 9 и защитных стекол вакуумной трубы 11.
Система освещения измерительных марок состоит из лампочки
17, фильтров переменной плотности 16, конденсоров 15, диафрагм
14, коллективов 12, прямоугольных призм 7, включающихся призм
дневного освещения измерительных марок 10 и защитных стекол
системы дневного освещения 8.
Лучи от цели проходят через защитные стекла 2, прозрачные
пластины кварцевых отражателей 3 и попадают на концевые отра¬
жатели 4, которые отклоняют лучи на 90° и направляют их в объ¬
ективы 13. Далее лучи проходят через центральные призмы 18,
ромбические призмы 22 и образуют изображение цели в фокальных
плоскостях объективов. Через окуляры 21 изображение цели рас¬
сматривается наблюдателем.
С другой стороны, лучи от лампочки 17, пройдя через освети¬
тельную систему 16, 15, 14, 12 и 7, попадают на пластинку с изме¬
рительными марками 9, находящимися в фокальных плоскостях
объективов 6 биаксиального коллиматора, из которых они выходят
параллельными пучками.
Далее пучки лучей попадают на кварцевые отражатели 3. На
прозрачной пластине кварцевого отражателя лучи, идущие от цели
и измерительных марок, смешиваются и далее совместно идут
в наблюдательную систему. В поле зрения дальномера образуются
изображения цели и измерительных марок, кажущиеся располо¬
женными в разных плоскостях при наблюдении обоими глазами.
При измерении расстояний видимые плоскости цели и измери¬
тельных марок совмещаются в одну с помощью измерительного
компенсатора 19 и 20.
Включающаяся оптическая система, состоящая из призмы
Пехана 23 и линз 24, служит для получения так называемого псев-
доскопического изображения, при котором удаленные предметы
кажутся ближе, а близкие — дальше, и используется для исключе¬
ния субъективных ошибок наблюдателей при измерении дистанции.
Дальномер ^-40 имеет следующие характеристики: база 4 м\
увеличение 32х; поле зрения 1°52'; диапазон шкалы измеряемых
дистанций от 1 до 50 км.
Дальномер Д-49 по своим оптическим характеристикам отли¬
чается от дальномера /?-40 только базой, которая равна 3 м.
Конструкции военных дальномеров различаются между собой
как по габаритам (преимущественно по длине базы), так и по внут¬
реннему своему устройству. Однако различные конструкции даль¬
номеров имеют и много общего. Прежде всего они оформлены
так, чтобы устранить возможность опасных перемещений отдель¬
ных частей. Например, применяются меры к уменьшению прогибов
концов под влиянием силы тяжести и одностороннего нагрева,
к уменьшению изменения угла между зеркалами концевых отра¬
22 805
337
жателей, к уменьшению смещения линз объективов, измерительных
марок и т. д.
Другой особенностью военных дальномеров является широкое
применение принципа компенсации ошибок одних деталей другими.
Например, если перемещение одного из объективов биаксиального
коллиматора вызывает изменение направления визирной оси одной
половины коллиматора, то перемещение измерительной марки,
связанной с объективом, вызывает такое же изменение направления
визирной оси другой половины коллиматора, вследствие чего угол
между визирными осями обеих половин биаксиального коллиматора
остается неизменным.
В качестве другого примера применения принципа компенсации
можно привести среднее зеркало биаксиального коллиматора. По¬
ворот среднего зеркала в измерительной плоскости вызывает сме¬
щение изображений измерительных марок в обеих половинах даль¬
номера. Это смещение марок равно по величине, и поэтому ошибка
в измерениях, вызванная смещением измерительных марок в одной
половине компенсируется таким же смещением марок в другой
половине.
Третьей особенностью конструкции дальномеров является при¬
менение малочувствительных узлов к перемещениям и поворотам
в измерительной плоскости. Малая чувствительность этих узлов
основана либо на использовании указанного принципа компенсации,
как например применение угловых зеркал и призм с четным числом
отражений, либо на особой устойчивости конструкции или свойст¬
вах материала (например, конструкция сварного кварцевого отра¬
жателя) .
•Устойчивость конструкции часто достигается применением ста¬
тически определенных систем, -а также применением конструкций
большой жесткости. Одновременно большое внимание уделяется
технологичности конструкций дальномеров, например применению
простых в изготовлении оптических и механических деталей, удоб¬
ству сборки.
Для обеспечения удобства и технологичности сборки отдельные
части и узлы дальномеров могут собираться и юстироваться само¬
стоятельно относительно своих сборочных баз и затем уже в со¬
бранном виде устанавливаться в прибор. Помимо того, что такой
способ повышает качество и производительность сборки, он зна¬
чительно упрощает и облегчает процесс сборки, так как положение
детали в отдельном узле отрегулировать и выверить значительно
легче, нежели после установки этого узла в дальномер.
В нерасстраивающихся дальномерах принцип взаимной ком¬
пенсации ошибок применяется особенно широко, поэтому они отли¬
чаются значительно большей простотой конструкции.
Особенности современных дальномеров:
1. Современные дальномеры имеют более совершенную схему
биаксиального коллиматора со средним зеркалом. В биаксиальном
коллиматоре применяются более совершенные объективы с мар¬
338
ками, нанесенными непосредственно на линзе объективов, а не на
отдельной пластинке, которая может смещаться относительно линз
объектива и тем самым вносить расстройство.
Между объективами биаксиального коллиматора помещается
среднее зеркало с механизмом выверки по высоте. Конструкция
объективов позволяет производить юстировку каждой половины
коллиматора независимо от другой, для чего предусмотрено про¬
дольное перемещение линз объектива.
2. Для исключения личных ошибок в современных дальномерах
применяются специальные механические усреднители. Они позво¬
ляют путем двукратного измерения расстояния до цели автомати¬
чески вводить поправку в измерения на величину личной ошибки
наблюдателя. В дальномере «Дизос» введение поправки на личную
ошибку производится вручную.
3. В большинстве конструкций современных дальномеров име¬
ются телескопы основной системы, упрощающие процесс сборки
и повышающие устойчивость юстировки основной системы дально¬
мера. Так как в нерасстраивающихся дальномерах прогибы трубы
телескопа не вносят ошибки в измерения, конструкция телескопа,
применяемого в нерасстраивающихся дальномерах значительно
упрощена и облегчена.
4. Современные дальномеры наряду с системой собственно
дальномера имеют встроенные вспомогательные оптические систе¬
мы— чаще всего стереотрубы, а иногда еще и визиры горизонталь¬
ной и вертикальной наводки. Встроенные стереотруба и визиры
имеют такую же базу, как и у дальномера, благодаря чему они об¬
ладают хорошей пластичностью. Их увеличение обычно меньше
дальномера. В системах со сменным увеличением оно колеблется
от 7х до 20х. Поле же зрения их значительно больше, чем у даль¬
номера.
В дальномерах, имеющих одну вспомогательную систему, опти¬
ка последней обычно располагается на вакуумной трубе, служащей
для защиты от воздушного клина.
Ночные дальномеры
Для измерения дистанций до невидимых ИК целей противника
в ночное время используются дальномеры с насадками на окуляры.
ИК цели противника могут представлять собой различные осве¬
тительные устройства ИК приборов активного действия. Для
стрельбы по таким объектам, помимо направлений на эти объекты,
определяемых с помощью приборов визирования с ЭОПами (см.
разд. 7.6), необходимо еще знать расстояние до объектов. Это рас¬
стояние измеряется ночными ИК дальномерами.
Конструкции дальномеров с ИК насадками отличаются от обыч¬
ных дальномеров, работающих в видимой области спектра, лишь
оптической системой, которая рассчитывается для длины волны
22*
339
0,95 мк. Такие дальномеры могут быть двухканальными, т. е. они
могут работать в видимой области без насадок и в ИК области
спектра — с насадками.
В нерасстраивающихся дальномерах со светящимися марками
достаточно таким образом ахроматизовать только оптическую си¬
стему, дающую изображение светящихся марок (биаксиальный
коллиматор), и измерительный компенсатор, если он расположен
в системе измерительных марок. Хроматизм основной системы даль¬
номера в этом случае может быть компенсирован изменением
диоптрийной наводки окуляров дальномера.
Окулярные насадки ночных дальномеров представляют собой
телескопические системы с ЭОПами с увеличением около Iх. Опти¬
ческая схема их аналогична
схеме ночного бинокля, приве¬
денной на рис. 7.26. В част¬
ности, половинки ночного би¬
нокля с ЭОПами без сетки
могут быть приспособлены в
качестве насадок к ночному
дальномеру.
Точность измерения ноч¬
ного дальномера несколько по¬
нижена по сравнению с даль¬
номерами видимой области
спектра вследствие низкой разрешающей способности ЭОПов.
Дальность действия зависит от мощности излучения ИК цели.
Ночные дальномеры можно использовать также для измерения
расстояния до объектов, специально освещаемых ИК прожекто¬
рами. Дальность действия в этом случае зависит от мощности ИК
прожектора.
Известны также ИК дальномеры с базой на цели (внешнебаз-
ные), используемые инженерными и саперными частями. С их по¬
мощью измеряют расстояние по двум ИК источникам, разнесенным
на некоторое (известное) расстояние В. Согласно формуле (8.3)
дистанция в этом случае будет
Оптическая схема внешнебазного ИК дальномера приведена на
рис. 8. 18. Дальномер состоит из телескопической системы 1
с ЭОПом 3 и двухклинового компенсатора 2, клинья которого име¬
ют в центре отверстия. Лучи, проходящие через центральную часть
и через клинья, дают по два изображения источника (рис. 8. 19, а).
Вращая клинья компенсатора 2 (см. рис. 8.18), можно добиться
того, что два изображения разных источников сольются, т. е. вме¬
сто четырех изображений получится три (см. рис. 8.19,6). Это
произойдет тогда, когда угол отклонения компенсатора будет ра¬
Рис. 8. 18. Оптическая схема внешне¬
базного ИК дальномера
/—оптические детали дальномера, 2—измери¬
тельное устоойство (компенсатор), 3—ЭОП
340
вен параллактическому углу. Дистанция в этом случае определится
в зависимости от угла поворота компенсаторов |3:
(8.53)
Рис. 8. 19. Вид поля зрения внешнебазного ИК дально¬
мера:
а—положение изображений до совмещения, б—совмещение изо¬
бражений при измерении расстояния
Дистанционная шкала, связанная с механизмом вращения
клиньев, рассчитывается по формуле (8.49).
Глава IX
АВИАЦИОННЫЕ И НАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
9.1. НАЗНАЧЕНИЕ АВИАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ
В авиационной и ракетной технике применяются следующие
виды оптических авиационных приборов: авиационные стрелковые
прицелы; бомбардировочные прицелы; навигационные приборы;
астронавигационные приборы; приборы авиационной разведки
(аэрофотоаппараты, телевизионные приборы авиационной развед¬
ки); наблюдательные и смотровые приборы.
Авиационные стрелковые прицелы предназначаются для опре¬
деления угла прицеливания и угла упреждения, необходимых -для
ведения прицельной стрельбы по самолетам и другим объектам
противника.
Бомбардировочные прицелы служат для определения угла при*
целивания при сбрасывании бомб с самолета.
Навигационные приборы предназначаются для решения навига¬
ционных задач: определения местонахождения самолета, курса,
скорости ветра и других данных, необходимых для обеспечения по¬
лета самолета и боевых действий.
Астронавигационные приборы используются для управления
автоматическими летательными аппаратами главным образом
управляемыми снарядами и ракетами. Они ориентируются по не¬
бесным светилам — солнцу, планетам, звездам.
Приборы авиационной разведки применяются для фотографиро¬
вания и телевизионной передачи изображения местности, занятой
противником, с самолетов, воздушных шаров и вертолетов. Фото¬
графии, полученные с помощью аэрофотоаппаратов подвергаются
последующей обработке — дешифрированию, составлению карт
и т. п. С помощью телевизионных приборов картина местности пе¬
редается непосредствено потребителю — в штаб или другой опе¬
ративный пункт, принимающий и перерабатывающий полученную
информацию. Телевизионные разведывательные приборы могут
устанавливаться также на спутниках-разведчиках.
342
9.2. АВИАЦИОННЫЕ СТРЕЛКОВЫЕ ПРИЦЕЛЫ
Конструкции авиационных стрелковых прицелов отличаются
большим разнообразием. Однако некоторые из них, такие как авиа¬
ционные кольцевые и авиационные коллиматорные прицелы (ПАК),
к настоящему времени устарели и не находят применения.
Из наиболее известных рассмотрим лишь авиационный стрелко¬
вый прицел типа АСП-1 (рис. 9. 1), в котором удачно сочетаются
Рис. 9. 1. Схема прицела АСП-1:
/—неподвижное зеркало, 2—объектив, 3—зеркало, 4—вращаю¬
щееся зеркало, 5—сетки, 6—лампочки, 7—алюминиевая чашка,
8—основная обмотка, 9—дополнительные обмотки, 10—потенцио¬
метр дальности, 11—электродвигатель, 12— приводной ремень
компактность, высокая точность и удобство работы. Он представ¬
ляет собой тахометрический коллиматорный прицел, вырабаты¬
вающий и вводящий углы упреждения и прицеливания. Углом
упреждения будем называть угол между направлением на цель
и направлением в упрежденную точку, в которую переместится
цель за время полета снаряда. Введение угла упреждения необхо¬
димо при стрельбе по быстродвижущимся целям. Углом прице¬
ливания называется угол между направлением оси канала ство¬
ла оружия и направлением на цель; несовпадение этих двух на¬
правлений объясняется снижением траектории полета снаряда
под влиянием силы земного тяготения. Угол прицеливания будет
тем больше, чем больше расстояние до цели.
Для определения и введения указанных углов в прицеле имеют¬
ся гироскопический тахометр, счетно-решающее потенциометриче¬
ское устройство и коллиматорный визир.
343
Коллиматорные визиры применяются в настоящее время во всех
авиационных стрелковых приборах. Они имеют большую величину
и удаление зрачка выхода, не закрывают поле обзора наблюдателю,
обеспечивают достаточную точность наводки.
Коллиматорный визир прицела АСП-1 состоит из полупрозрач¬
ного зеркала 1 (см. рис. 9. 1), через которое стрелок видит цель
и которое направляет лучи из объектива в глаз наблюдателя, объ¬
ектива 2, в фокальной плоскости которого располагаются сетки 5,
неподвижного зеркала 3, вращающегося зеркала 4 и осветительного
устройства 6. Прицельная марка выполнена в виде кольца из све¬
тящихся ромбиков, получающихся при пересечении прямых и кри¬
вых прозрачных линий на сетке 5. Сетка 5 состоит из двух прозрач¬
ных дисков, на одном из которых нанесены радиальные прозрачные
полосы (щели), а на другом кривые (рис. 9.2). Если теперь нало¬
жить один диск на другой и осветить их, то будут видны лишь
светящиеся ромбики, образующиеся при пересечении прямых и кри¬
вых прозрачных полос.
Если один диск поворачивать относительно другого, то светя¬
щиеся ромбики будут смещаться вдоль радиальной прорези, уда¬
ляясь или приближаясь к центру. Такое устройство используется
для измерения и введения дальности до цели. При этом коллима¬
торный прицел используется как дальномер с базой на цели (см.
гл. VIII).
При введении дальности на шкале баз устанавливается размер
цели (размах крыльев, длина самолета и др.)* При этом наблю¬
датель вращает сетку с радиальными полосами. Затем вращением
другой сетки, привод которой выведен на сектор газа, стрелок об¬
рамляет цель (рис. 9.3). Вращающееся зеркало 4 (см. рис. 9. 1)
связано с гироскопическим тахометром. При отклонении оси тахо¬
метра на некоторый угол, на такой же угол повернется зеркало 4,
Рис. 9.2. Сетки прицела
АСП-1
Рис. 9.3. Обрамление
цели
344
вследствие чего изменится направление лучей, выходящих из объ¬
ектива, на угол
где / — расстояние зеркала 4 от плоскости сеток;
/ — фокусное расстояние объектива;
а — угол наклона зеркала;
К — коэффициент демпфирования, равный 1,43 для АСП-1.
Это изменение направления лучей используется для введения
угла упреждения.
Гироскопический тахометр служит для измерения угловой ско¬
рости движения цели относительно прицела. Угловая скорость не¬
обходима для определения угла упреждения.
Угол упреждения может быть определен по формуле
где ооч — угловая скорость движения цели;
— так называемое полетное время снаряда, являющееся
функцией расстояния до цели.
Таким образом, определив угловую скорость цели соч с по¬
мощью гиротахометра и введя время 1п как функцию дальности,
определяемую как было описано выше, получим упрежденный угол
гр, на который изменится направление визирной оси прицела.
Основной частью тахометрического устройства прицела АСП-1
является гироскоп с тремя степенями свободы. Гироскоп представ¬
ляет собой круглый диск или тело вращения другой формы, быстро
вращающееся вокруг оси симметрии. Ось вращения гироскопа
может поворачиваться в пространстве. Основным свойством гиро¬
скопа является его способность сохранять в пространстве постоян¬
ным направление своей оси вращения при отсутствии внешних сил,
действующих-на ось вращения. Если направить ось гироскопа, при¬
веденного во вращение, на какую-нибудь звезду на небе, то можно
заметить, что ось гироскопа будет все время направлена на эту
звезду, несмотря на движение звезды по небосводу, вызванное вра¬
щением Земли. Так ведет себя гироскоп, если его ось может сво¬
бодно поворачиваться в любом направлении.
Совершенно иначе реагирует гироскоп на действие сил, прило¬
женных к его оси. Если попытаться отклонить ось вращающегося
гироскопа в каком-либо направлении, то можно заметить, что она
всегда отклоняется в направлении, перпендикулярном к направле¬
нию действия силы. На основании этого для гироскопа можно
сформулировать следующее правило: если какая-либо сила дей¬
ствует на конец оси гироскопа перпендикулярно к ней, то этот конец
оси отклонится по направлению вектора окружной скорости ротора
гироскопа, проведенного через конец вектора действующей силы.
Такое движение оси гироскопа носит название прецессии.
345
Гиротахометр АСП-1 представляет собой гироскоп с линейной
радиальной коррекцией. Ротором гироскопа является сферическая
алюминиевая чашка 7 (см. рис. 9. 1), с которой жестко соединено
плоское зеркало 4. Ротор гироскопа приводится во вращение при
помощи электродвигателя 11 со шкивом и гибкого ремня 12. Чашка
гироскопа вращается между четырьмя парами полюсов электро¬
магнита, магнитный поток которого создается при помощи обмот¬
ки 8, питающейся от аккумуляторной батареи через потенциометр
дальности.
Дополнительные обмотки 9, питающиеся от той же батареи,
охватывающие верхний и нижний полюса электромагнита, служат
для ввода угла прицеливания.
При вращении чашки в магнитном поле с угловой скоростью Й
на нее действуют тормозные силы, пропорциональные скорости пе¬
ресечения силовых линий чашкой. При совпадении осей вращения
чашки и магнитной системы тормозные силы равны и в сумме соз¬
дают момент
где Мт —момент тормозных сил;
г —расстояние между центрами полюсов и осью вращения;
Рт —Л |Г2;
К\ — коэффициент пропорциональности.
При изменении курса самолета в результате слежения за целью
ось гироскопа, сохраняя неизменное направление, отклонится от
оси магнитной системы.
При отклонении оси вращения чашки от оси магнитов на угол
Ф тормозные силы не будут равны. Разность тормозных сил созда¬
ет равнодействующую силу
где а — величина смещения оси вращения от оси магнитной си¬
стемы.
Момент этой силы действует на чашку гироскопа, стремясь по¬
вернуть ось гироскопа. Но по закону прецессии ось гироскопа по¬
вернется в плоскости, перпендикулярной направлению действия
силы, т. е. в данном случае плоскость прецессии будет совпадать
с плоскостью отклонения оси гироскопа. Если бы не было прецес¬
сии, то ось гироскопа сохраняла бы неизменное направление в про¬
странстве и угол поворота гироскопа не зависел бы от угловой ско¬
рости поворота самолета, а просто зависел от угла поворота
самолета.
Из уравнения (9. 4) следует, что прецессия зависит от величины
тормозных сил. Последние же, в свою очередь, зависят от величины
346
магнитного потока Ф и, следовательно, от величины тока I в обмот¬
ках электромагнита:
(9.5)
(при постоянном значении й).
Таким образом, прецессией можно управлять, меняя величину
тока в обмотках электромагнитов. Благодаря прецессии ось гиро¬
скопа следует за осью самолета, но между ними остается некото¬
рый угол рассогласования ср, зависящий от величины связи гиро¬
скопа с прицелом. Этот угол рассогласования стремятся сделать
таким, чтобы он вызывал изменение направления линии визирова¬
ния на угол упреждения гр, т. е. ф=/0ф. Для того чтобы угол пово¬
рота сделать пропорциональным полетному времени ток в об¬
мотках электромагнита необходимо менять обратно пропорцио¬
нально полетному времени:
Изменение тока в соответствии с уравнением (9. 6) производится
с помощью нелинейного сопротивления — потенциометра дально¬
сти. Изменение сопротивления производится при обрамлении цели
ромбиками, как было указано выше.
Таким образом имеем
(9.7)
где К — коэффициент
нием (9.1).
С другой стороны
демпфирования, определяемый уравне-
следовательно:
ф=
(9.9)
Входящий в уравнение (9. 8) коэффициент демпфирования К вво¬
дится из тех соображений, что угловая скорость движения оси ги¬
роскопа сог будет складываться из угловой скорости движения
цели и скорости изменения угла упреждения гр:
347
Коэффициенты ЛГ, Къ К3 и ЛГ4 подбираются так, чтобы
тогда
Тогда угол упреждения будет
Последний член уравнения (9. 10) вносит динамическую погреш¬
ность. Для исключения этой погрешности необходимо вводить по¬
правку Умножив обе части последнего равенства на
получим
Подставляя это значение в уравнение (9.10), найдем
Экспериментально определено, что для более полной компенса¬
ции динамической ошибки в опре¬
делении угла упреждения величи¬
на К должна быть несколько боль¬
ше единицы, около 1,2ч-1,5. В при¬
целе АСП-1 величина /С= 1,43.
Угол прицеливания вводится в
АСП-1 с помощью дополнительных
обмоток 9 (см. рис. 9. 1) магнитной
системы гиротахометра, также свя¬
занных с реостатом дальности. Эти
обмотки намотаны таким образом,
что при увеличении магнитного по¬
тока между одной парой полюсов электромагнита, в другой паре
происходит уменьшение магнитного потока (рис. 9.4). Вследствие
этого возникает момент добавочных тормозных сил, вызывающий
подъем или опускание чашки гироскопа.
Прицел АСП-1 работает следующим образом. Атакуя цель, лет¬
чик устанавливает размер цели на шкале баз, наводит центр сетки
на атакуемый объект, обрамляет цель ромбиками и тем самым
вводит полетное время снаряда и угол прицеливания. Затем, удер¬
живая цель в центре сетки в течение некоторого времени (1,5ч-
2 сек), определяет и вводит угловую скорость цели. За это время
прицел автоматически вводит величину угла упреждения и лет¬
чик может открывать огонь из оружия.
Прицел АСП-1 имеет следующие технические данные: даль¬
ность от 180 до 800 м; шкала баз от 10 до 35 м; наибольший угол
упреждения ортах=8,5°.
Прицел АСП-1 применяется для стрельбы из оружия, непо¬
движно установленного относительно самолета. Для подвижных
установок применяют тахометрические прицелы, в которых выра¬
батывается поправка за счет так называемого «отставания снаря¬
да». При стрельбе из подвижных установок скорость самолета мо¬
жет составлять некоторый угол # с направлением скорости снаря¬
да. Если при этом поправка на скорость цели определяется
Рис. 9.4. Дополнительные обмотки
для введения угла прицеливания
348
в системе координат, связанной с самолетом, то, кроме угла упреж¬
дения г]), необходимо учитывать упомянутую поправку на отстава¬
ние снаряда.
Примером тахометрических прицелов для подвижных устано¬
вок является прицельная станция американского самолета типа
«летающая крепость» (В-29).
9.3. ПРИЦЕЛЫ ДЛЯ БОМБОМЕТАНИЯ
Основы бомбометания с горизонтального полета
Неуправляемая авиационная бомба (в настоящее время приме¬
няются также и управляемые бомбы), сброшенная с горизонталь¬
но летящего самолета, описывает траекторию, близкую к пара¬
боле.
Обозначим скорость самолета относительно воздушной среды
буквой V. Эта скорость называется воздушной скоростью. Скорость
самолета относительно земли называется путевой скоростью и обо¬
значается т.
Путевая скорость т складывается из воздушной скорости са¬
молета V и скорости ветра и. Горизонтальный путь, пройденный
бомбой, при ее падении называется относом бомбы А. Относ бомбы
в воздушной среде вследствие сопротивления воздуха отличается
от относа бомбы в пустоте А0.
Разность между относами бомб в воздушной и безвоздушной
средах А=Л0—А называется отставанием бомбы. Угол, соответст¬
вующий ртставанию бомбы, называется углом отставания и обо¬
значается у.
При известной высоте полета самолета Я отставание бомбы
определится выражением
Угол между вертикальной линией и линией, проходящей через
начальную точку траектории полета бомбы (точку сбрасывания)
и точку падения бомбы, называется углом прицеливания ф
{рис. 9.5). Как видно, для угла прицеливания справедливо урав¬
нение
Траектория полета авиационной бомбы при боковом ветре изо¬
бражена на рис. 9. 6. В этом случае падение бомбы происходит
в плоскости ОО2ВВ2, называемой плоскостью прицеливания. По¬
следняя повернута к линии курса самолета на угол а, называемый
углом сноса. Плоскость прицеливания наклонена к вертикальной
плоскости на угол \хо-
349
Угол прицеливания дль рассматриваемого случая можно опре¬
делить из выражений
Для бомбометания необ¬
ходимы баллистические таб¬
лицы, дающие зависимости
времени падения Т и отста¬
вания Д от высоты Я и воз¬
душной скорости V.
Рис. 9. 5. Бомбометание в пло¬
скости ветра
(9.14)
Рис. 9.6. Бомбометание с боковым
ветром
В американском воздушном флоте бомбы характеризуются ве¬
личиной критической скорости Vкр. Критической скоростью паде¬
ния авиационной бомбы называется такая скорость, при которой
сила сопротивления воздуха равна весу бомбы. Следовательно,
скорость падения бомбы не может быть выше критической ско¬
рости.
Кроме Г и А, необходимо ввести также высоту Я и путевую
скорость хю (или V и и по величине и направлению). Величина Н
определяется при помощи высотомера барометрического типа или
с помощью радиовысотомеров, воздушная скорость — указателем
скорости. Ветер определяется по измерению углов сноса на раз¬
ных курсах при помощи специального прибора.
Для выхода бомбардировщика на цель необходим компас. При¬
меняют магнитный компас, гирокомпас и радиокомпас.
350
9.4. БОМБАРДИРОВОЧНЫЙ ПРИЦЕЛ ОПБ-5с
Основные характеристики прицела
В современной авиации необходимая точность бомбометания
обеспечивается применением специальных прицелов для бомбоме¬
тания, вырабатывающих углы прицеливания, а также определяю¬
щих исходные данные для определения угла прицеливания (путе¬
вую скорость и т. п.).
В настоящее время широкое распространение получили син¬
хронные прицелы для бомбометания с горизонтального полета.
Бомбардировочный синхронный прицел ОПБ-5с представляет со¬
бой комбинированный прибор, автоматически решающий задачу
боковой наводки и задачу прицеливания. По принципу решения
задачи прицеливания по дальности прицел относится к типу син¬
хронных прицелов кабинного типа, предназначенных для бомбоме¬
тания по неподвижным и подвижным целям. Для решения задач
прицеливания в этом случае нет необходимости предварительно
знать скорость и направление ветра у цели.
Прицелы допускают бомбометание при следующих вариантах
работы: с работающим автоматом; без автомата, но с включенным
стабилизатором курса; без автомата и с выключенным стабилиза¬
тором курса.
Основными механизмами прицела являются: механизм построи¬
теля (счетно-решающая часть); механизм путевой скорости; меха¬
низм стабилизации оптической системы; телескопическая визирная
система; механизм боковой наводки; механизм коррекции гироско¬
па; механизм наклона плоскости визирования.
Визирная линия прицела ОПБ-5с полностью стабилизирована
относительно трех взаимно перпендикулярных осей. Это обеспечи¬
вает высокую точность боковой наводки на цель и определения
угла прицеливания (продольной наводки).
Прицел имеет следующие характеристики: высота сбрасывания
# = 400-4-12 000 ж; воздушная скорость до 500 км/час; путевая
скорость т= до 600 км/час; угол сноса а =±30°; углы прицелива¬
ния ф от 2°50' до 59°; углы визирования фв от 0 до 70° с возмож¬
ностью увеличения его на +20°; углы отставания у от 0 до 19°48';
угол наклона плоскости прицеливания от 0 до ±10°12/.
Принцип действия прицела
Угол прицеливания определяется с достаточной точностью по
формуле
угол наклона плоскости бомбометания
л
1де а — угол сноса.
351
В синхронных прицелах член тТ/Н, входящий в формулу (9. 15),
вырабатывается по скорости сближения с целью. Скорость сбли¬
жения с целью обычно определяется синхронным способом. Способ
определения скорости сближения заключается в следующем.
Рис. 9.7. Схема механизмов синхронизации и построителя:
/—фрикционный диск, 2—фрикционный ролик, 3—кодовой винт механизма синхро¬
низации, 4—рукоятка синхронизации, 5—рукоятка со шкалой, М— мотор
Если на линейке К (рис. 9. 7) точка пг движется синхронно
с целью, т. е. таким образом, что луч визирования Ат постоянно
направлен на цель, то скорость цели может быть определена по
формуле
где Vт — скорость движения точки;
к—высота точки А под линейкой;
Н — высота полета.
При определении скорости сближения синхронным способом
обычно подбирается или скорость 1)т или высота к. В прицеле
ОПБ-5с скорость сближения определяется подбором скорости V™
которая и вводится в построитель угла прицеливания.
Механизм синхронизации
Механизм синхронизации прицела ОПБ-5с имеет мотор путе¬
вой скорости М (см. рис. 9.7), число оборотов которого задается
рукояткой 5 и поддерживается центробежным регулятором в опре¬
деленных пределах.
352
Число оборотов задается таким образом, чтобы выполнялось
условие
где К — постоянная прицела;
Т — время падения бомбы с данной высоты.
Мотор М связан с фрикционным механизмом, состоящим из
фрикционного диска 1 и фрикционного ролика 2. Ролик фрикцион¬
ного механизма с помощью ходового винта 3 может перемещаться
специальной рукояткой 4, называемой рукояткой синхронизации, и
устанавливаться в различных положениях относительно центра
фрикционного диска.
С фрикционным механизмом кинематически связан тангенсный
построитель. Движение, снимаемое с фрикционного диска роли¬
ком, передается на зубчатую рейку тангенсного построителя. Па¬
лец зубчатой рейки с точкой т будет перемещаться в горизонталь¬
ной плоскости с некоторой скоростью ют. Перемещение пальца
заставит перемещаться кулису тангенсного механизма.
Построитель углов прицеливания представляет собой обычный
тангенсный построитель, кинематически связанный с механизмом
синхронизации. Если глаз наблюдателя поместить в точке А по¬
строителя углов визирования й вращением рукоятки синхронизации
подобрать такую скорость перемещения визирной линии Лт, чтобы
при сближении с целью она не смещалась с цели, то горизонтальная
скорость юш точки т будет
где к — высота построителя.
При этом условии точка N построителя углов прицеливания пе*
реместится механизмом синхронизации в горизонтальной плоско¬
сти на величину ютТ.
■ Тогда
Построитель углов прицеливания
(9.16)
(9.17)
Подставив из формулы (9.16), получим
23 805
353
Величина VтТ передается в построитель с помощью рукоятки син¬
хронизации 4.
Ввод отставания осуществляется продольным смещением всего
механизма с ходовым винтом и фрикционным роликом на некото¬
рое добавочное расстояние от центра диска. Так как при этом сме¬
щении синхронизация нарушится, то для ее восстановления необ¬
ходимо вращением рукоятки синхронизации 4 поместить ролик на
прежнее место. Тем самым вносится поправка в угол прицелива¬
ния тангенсного построителя. Обычно поправку на отставание про¬
изводят заблаговременно.
В случае сбрасывания серии бомб вносится также поправка на
серию специальной рукояткой. Поправка на серию вводится с та¬
ким расчетом, чтобы на цель сбрасывалась средняя из бомб серии.
Следовательно, к путевой скорости надо добавить половину пути Ь,
которую самолет пролетит за время сбрасывания серии бомб. При
сбрасывании серии угол прицеливания определяется формулой
При введении поправки на отставание и серию построитель от¬
мечает угол прицеливания
Наклон плоскости визирования на угол |ы0 производится синус¬
ным механизмом при введении угла отставания Д/Я в построитель
углов прицеливания. При этом величина угла сноса а вводится
в механизм разворотом прицела при боковой наводке самолета.
Механизм вырабатывает значение тангенса угла наклона в со¬
ответствии с формулой
Величина, пропорциональная — зт а, передается кинематиче¬
ской связью на телескопическую визирную систему, которая и на¬
клоняется на угол |ыо. Отсчет углов прицеливания в прицеле
ОПБ-5с производится от вертикали, воспроизводимой с помощью
гироскопа.
Оптическая система прицела
Оптическая часть прицела ОПБ-5с представляет собой колли-
маторный визир (рис. 9.8), состоящий из трехлинзового объекти¬
ва У, полупрозрачного зеркала 2, светящейся сетки 3 и лампочки 5У
освещающей сетку через матовое стекло 4.
Для устранения кривизны поля объектива 1 сетка 3 наносится:
на сферической поверхности. Сетка 3 выполнена в виде прозрач-
354
ных штрихов, нанесенных на непрозрачном металлическом слое,
покрывающем стеклянную поверхность сетки 3. Лучи от освещен¬
ной сетки 3 проходят через объектив 1 и выходят из него парал¬
лельными пучками, так как
сетка 3 расположена в фокусе
объектива. Эти лучи отра¬
жаются от полупрозрачного
зеркала 2 и идут в глаз на¬
блюдателя.
Одновременно с этим на¬
блюдатель через зеркало 2
видит цель и может совме¬
стить цель с перекрестием
сетки. Угол визирования из¬
меняется поворотом всей
оптической системы относи¬
тельно корпуса прицела.
Рис. 9.8. Коллиматорный визир:
/-—объектив, 2—полупрозрачное зеркало,
3—сетка, 4—матовое стекло, 5—лампочка
Стабилизатор курса
Стабилизатор курса, или курсовой автомат (рис. 9.9) является
составной частью автопилота типа АП-5. Он предназначается для
определения отклонения самолета от приданного ему направления
и подачи коррекционных сигналов в систему автопилота, которая
Рис. 9.9. Кинематическая схема курсового
автомата:
/—узел гироскопа с кардановым подвесом, 2—'муфта авто¬
пилота, 3—соединительная тяга, 4—муфта механизма сноса,
5—стабилизированный рычаг подвижной каретки ползунка
курсовой коробки, 6—ползунок потенциометра руля пово¬
рота, 7—ползунки потенциометров элеронов, 8—датчик
курсового индикатора автопилота, 9—курсовой индикатор
пилота, 10— курсовая коробка
23*
355
управляет элеронами и рулем поворота. При действии этих рулей
самолет вновь принимает первоначально приданное ему направ¬
ление.
Функциями стабилизатора курса являются также стабилизация
прицела в азимутной плоскости и обеспечение возможности управ¬
ления самолетом при помощи прицела.
Стабилизатор курса состоит из гироскопа в кардановом подве¬
се 1, Муфты автопилота 2, соединительной тяги муфты автопило¬
та 3, муфты механизма сноса 4, рычага подвижной каретки пол¬
зунка курсовой коробки 5, ползунка потенциометра руля
поворота 6, ползунка потенциометра элеронов 7, датчика курсового
индикатора пилота 8, курсового индикатора пилота 9 и курсовой
коробки 10.
Гироскоп стабилизатора курса представляет собой свободный
гироскоп, ось вращения которого расположена в горизонтальной
плоскости. Корпус гироскопа установлен в кардановом подвесе,
который расположен внутри корпуса стабилизатора курса. Карда-
новый подвес имеет возможность вращаться вокруг оси, перпенди¬
кулярной полу самолета. Подшипники корпуса гироскопа располо¬
жены в горизонтальной плоскости карданового подвеса, что позво¬
ляет корпусу гироскопа поворачиваться вокруг горизонтальной
оси, расположенной под прямым углом к оси ротора гироскопа.
В верхней части карданового подвеса смонтирована муфта авто¬
пилота 2.
Порядок работы прицела ОПБ-5с
Определение момента сбрасывания бомбы с помощью прицела
ОПБ-5с производится в определенной последовательности. Уста¬
навливается величина отставания (по типу бомбы) и величина се¬
рии. Задают мотору механизма синхронизации соответствующее
число оборотов. Производят синхронизацию, подбирая скорость
рукояткой синхронизации. Сбрасывание бомб производится авто¬
матически при совмещении визирной линии с линейкой построите¬
ля углов прицеливания (путем замыкания контактов механизма
сбрасывания бомб).
9.5. АСТРОНАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия астронавигационных систем
Автономная система управления, в которой используются
астрономические приборы для определения положения снаряда
над земной поверхностью, называется астронавигационной.
В условиях высотной и скоростной авиации и для управляемых
снарядов проблема исчисления пути в настоящее время становится
наиболее актуальной. Существенное преимущество астронавига¬
ционных систем состоит в том, что точность наведения снаряда на
цель при помощи таких систем практически не зависит от дально¬
356
сти стрельбы. Поэтому большое внимание уделяется методам
астронавигации, позволяющим сравнительно точно осуществлять
полеты пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
Положение любой точки на земной поверхности определяется
ее географическими координатами: долготой X и широтой ср. По¬
этому любую траекторию движения летательного аппарата относи¬
тельно поверхности Земли можно охарактеризовать определенным
законом изменения во времени углов 1иф. Обычно различают два
маршрута полета: наикратчайший — по дуге большого круга, назы¬
ваемый ортодромией, и полет с постоянным курсом по кривой
линии, называемый локсодромией.
При использовании астронавигационной системы управления
можно обеспечить полет по любой кривой.
Местоположение точки на земной поверхности, в том числе и
снаряда, можно рассчитать по измеренным углам между направ¬
лением на небесные светила и плоскостью горизонта с учетом вре¬
мени наблюдения. Практически для определения местоположения
достаточно знать либо высоты двух светил, либо высоту и азимут
одного светила с учетом времени наблюдения.
Высоты светил определяются при помощи астронавигационных
визиров, установленных на снаряде, а отсчет времени производит¬
ся по точным часам.
Счетно-решающее устройство на основе заданной программы
полета снаряда с измеренных значений высот светил вырабатывает
управляющие команды, которые поступают на приводы рулей, кор¬
ректирующие полет снаряда таким образом, чтобы обеспечить дви¬
жение по расчетной траектории.
Астрокомпас МД-1
Для слежения за небесными светилами и непрерывной выдачи
координат светил применяются автоматические устройства. Одним
из таких устройств является астрокомпас МД-1 (рис. 9. 10). Основ¬
ными элементами автоматического фотоэлектрического астроком¬
паса являются зеркально-линзовая система объектива телеблока 1
с полудисковым модулятором 2 и светочувствительным элементом
(фотоумножителем) 3, гиростабилизированная платформа 4 для
стабилизации всей оптической системы (телеблока) в плоскости
истинного горизонта, генератор опорных напряжений 5, вращаю¬
щийся синхронно с модулятором от одного общего двигателя,
датчик 6, серводвигатели гиростабилизированной платформы 7 и 8,
генераторы сигналов ошибки 9 и 10 и блоки формирования сигна¬
лов ошибки 11 и 12.
Фотоэлектрическая система (телеблок) вырабатывает сигнал
в то время, когда небесное светило находится в поле зрения опти¬
ческой системы. Этот сигнал позволяет получить необходимые дан¬
ные для определения направления на светило и величину ошибки
по отношению к данным, поступающим от вычислительных
357
устройств 13 и 14. В качестве модулятора применяется диск с од¬
ной (полудисковый модулятор) или с несколькими радиальными
щелями (растровый модулятор).
Скорость вращения диска син¬
хронизирована сигналами от ге¬
нератора опорных напряжений 5.
Сравнение сигналов датчика 6}
вырабатывающего сигналы от
фотоумножителя <?, и опорных
сигналов позволяет получить
данные о мгновенном положении
светила. Появившееся в резуль¬
тате сравнения напряжение ге¬
нераторов ошибки 9 и 10 воздей¬
ствует непосредственно на гиро¬
стабилизирующее устройство до
тех пор, пока излучение от све¬
тила не попадает в центр поля
фотоэлектрической системы.
В этот момент сигнал обратной
связи, вырабатываемый блоками
формирования сигналов 11 и 12,
приводит в нулевое положение
генераторы сигнала ошибки по
азимуту и углу места.
К оптической системе астро¬
компаса предъявляются высокие
требования, так как для обеспе¬
чения необходимой точности из¬
мерения (наведения) система
должна обладать высокой раз¬
решающей способностью. Кроме
того, оптическая система дол¬
жна быть корригирована для
широкого диапазона длин волн, излучаемых звездами.
Для одновременного ориентирования по двум звездам приме¬
няются двухобъективные системы или системы с зеркалом.
РиСт' 9. 10. Схема астронавигации
онного компаса:
/—объектив телеблока, 2—модулятор,
3—фотоумножитель, 4—стабилизирован¬
ная платформа, 5—генератор опорных
напряжений, 6—датчик сигнала рассо¬
гласования, 7 и 8—серводвигатели,
9 и 10—генераторы сигналов ошибки,
11 и 12— блоки связи с вычислительным
устройством, 13 и /4—вычислительные
устройства
9.6. АВИАЦИОННЫЙ ПЕРИСКОПИЧЕСКИЙ ПАНОРАМИЧЕСКИЙ
СЕКСТАНТ СП-1М
Назначение и основные характеристики
Секстант предназначен для измерения с самолета высот и кур¬
совых углов небесных объектов (солнца, планет, звезд) с целью
определения географических координат (широты и долготы) на¬
хождения самолета, определения и передачи курсовых углов дви¬
жения самолета.
358
Секстант представляет собой оптический панорамного типа
прибор. Верхняя призменная головка прибора вращается, нижняя
часть с окуляром при этом остается неподвижной.
Прибор имеет пузырьковую вертикаль (фокусный уровень) и
осредняющий механизм для автоматического осреднения результа¬
тов серии измерений.
Углы визирования: в вертикальной плоскости от 0 до +85°,
в горизонтальной до 360°.
Наименьшая цена деления шкалы вертикальных углов Г, цена
деления шкалы горизонтальных углов 1°, увеличение 2х, поле зре¬
ния 40°, диаметр выходцого зрачка 6 мм, удаление выходного
зрачка 19 мм, перископичность 485 мм, предел разрешения 30 мм,
потребляемая мощность для обогрева 115 вт, габаритные размеры
605X290X275 мм, вес 29 кг.
Секстант устанавливается в герметизированных кабинах само¬
летов. Обзор производится через неподвижный стеклянный колпак.
Принцип действия секстанта
Визирная линия секстанта, проходящая через узловую точку
объектива и центр пузырька уровня, в плоскости его изображения
является постоянной вертикалью, которая не зависит от наклона
самолета и прибора. Отсчет вертикальных углов в приборе произ¬
водится от горизонтальной плоскости, принимаемой за начало от¬
счета. При измерении углов изображение светила совмещается
с центром изображения ^пузырька уровня или помещается рядом
с ним на одной горизонтальной линии; изображение пузырька
уровня, в свою очередь, должно быть в центре сетки прибора.
Оптическая схема прибора
Секстант (рис. 9.11) представляет собой перископическую зри¬
тельную трубу с дополнительной оптической системой, проекти¬
рующей изображение пузырька уровня в поле зрения прибора.
Для сохранения герметичности кабины самолета, сквозь отверстие
в которой прибор выступает наружу, установлен стеклянный кол¬
пак, состоящий из семи плоскопараллельных пластин 17, склеен¬
ных в виде шестигранника с крышей.
Дальше расположены два склеенных под углом защитных стек¬
ла 1 поворотной головки прибора, в которой находится визирная
призма-куб. Призма-куб 2 направляет лучи в объектив 3. В фо¬
кальной плоскости объектива установлен коллектив 4. Между
линзами 5 и 9 оборачивающей системы в параллельном ходе лучей
расположена разделительная призма-куб 7, предназначенная для
ввода изображения пузырька уровня, и призма Дове 8, служащая
для компенсации поворота изображения при вращении головной
призмы-куба по горизонту. Пузырек уровня расположен в фокаль¬
359
Рис. 9.11. Оптическая схема
секстанта:
/, /7—защитные стекла, 2, 7—приз¬
мы-куб, 3, 13, 15—объективы, 4—
коллектив, 5, 6, 9—оборачивающие
системы, 8—призма Дове, 10, 14—
пеитапризмы, //—сетка, 12—окуляр,
16—уровень, 18—конденсор, 19-
лампа
ной плоскости проектирующих объек¬
тивов 13 и 15. За оборачиваю¬
щей системой 6 и 7 расположена пен¬
тапризма 10, сетка 11 и окуляр 12.
Поворот призмы-куба в верти¬
кальной плоскости для измерения
угловой высоты светил производится
с помощью угломерного механизма.
Маховичок 13 угломерного механизма
(рис. 9.12) имеет на оси коническую
шестерню 15, сцепленную с кониче¬
ской шестерней 16, закрепленной на
ходовом винте 17. При вращении вин¬
та 17 перемещается гайка 18, закреп¬
ленная на тяге 19. Тяга 19 вместе
с гайкой перемещается (по верти¬
кали) на шариках, при этом фланец
стакана толкает червячную рейку 20г
которая сцеплена с червячным секто¬
ром 21, закрепленным на оправе
призмы-куба, и поворачивает призму-
куб.
Отсчет вертикальных углов: де¬
сятки градусов отсчитывают по гру¬
бой шкале 22, градусы и минуты —
по шкале 14 угломерного барабана.
Поворот визирной головки 30
с призмой-кубом по горизонту произво¬
дится с помощью маховичка 24 через
шестерни 25, 26, 27 и 28. При повороте
визирной головки в ту же сторону^
но с вдвое меньшей скоростью, с по¬
мощью шестерен 28 и 29 поворачи¬
вается оправа с призмой Довэ, чем
обеспечивается отсутствие наклона-
изображения.
Осредняющий механизм
Осредняющий механизм построен по принципу интегратора
(суммирующего механизма) фрикционного типа. Он дает среднее
значение измеряемого угла при непрерывном измерении в течение
заданного времени работы часового механизма интегратора. Вре¬
мя работы часового механизма 20, 30 и 40 сек. Осреднение произ¬
водится в пределах отклонения визирной линии на ±12' от началь¬
ного положения при измерении. С подробным описанием конструк¬
ции осредняющего механизма следует знакомиться по соответст¬
вующей литературе.
360
Рис. 9. 12. Кинематическая схема секстанта:
/—защитное стекло, 2—призма-куб, 3—объектив, 4, 5, 9—оборачивающие
линзы, 6 и 7—оборачивающая система, 8—призма Довэ, 10—пентапризма, //—
окуляр, 12—линза объектива, 13—маховичок (рукоятка), 14—шкала, 15, 16, 23,
25, 26, 27, 28, 29—шестерни, /7—винт, 18—гайка, 19—тяга, 20—рейка, 21—сек¬
тор. 22—шкала, 24—маховичок, 30—визирная головка
Устройство внутренней выверки
Вследствие значительных колебаний температуры в месте рас¬
положения прибора может происходить смещение нулевой линии
визирования из-за некоторого поворота призмы-куба, вызываемого
термическим изменением длин деталей кинематических цепей, ко¬
торые трудно полностью избежать. Этот поворот может быть изме-
361
рен в приборе автоколлимационным методом с помощью неслож¬
ных дополнительных деталей. Автоколлимационное изображение
сетки уровня достигается следующим образом.
Световой пучок, идущий от уровня 16 (см. рис. 9. И) делится
разделительной призмой 7 на два пучка: один (основной) идет
вниз в окуляр, а второй, пройдя светоделителъный слой, отразится
от посеребренной катетной грани призмы 7, возвратится к свето¬
делительному слою и, отразившись от него, пройдет вверх, через
оборачивающую линзу 5, коллектив 4 и объектив 3 на нижнюю
грань призмы-куба 2, где имеется посеребренный сегмент. При ну¬
левом положении призмы-куба свет, отразившись от сегмента,
пройдет обратно через всю систему и образует в фокальной плос¬
кости второе (автоколлимационное) изображение сетки уровня, по
Рис. 9. 13. Секстант:
1—окуляр, 2—шкала, 3—маховик, 4—за¬
щитное стекло
положению которого изме¬
ряют уход нулевой визирной
линии. Полученное смещение
нулевой линии учитывают при
измерении вертикальных углов.
В приборе имеется обогрев
защитного стеклянного колпа¬
ка с помощью токопроводя¬
щей пленки, нанесенной с внут¬
ренней стороны колпака, и кла¬
пан для осушки прибора в ви¬
зирной головке, отрегулирован¬
ный на избыточное давление
0,4—0,5 ат. Если давление в
кабине самолета становится
низким, через прибор начинает
автоматически продуваться
осушенный воздух, предохра¬
няющий от запотевания.
Подвеска прибора
Прибор (рис. 9. 13) подве¬
шен на кольцевом кардане,
дающем возможность качания
прибора в любой плоскости
в пределах ±8°. Имеется спе¬
циальное арретирующее уст¬
ройство для фиксации секстан¬
та в походном положении и
амортизационное устройство
для устранения влияния виб-
р,ации самолета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бегунов Б. И., Геометрическая оптика, Издательство МГУ, 1961.
2. КругерМ. Я. и КулижновБ. М., Конструирование оптико-меха-
нических приборов. Машгиз, 1948.
3. Михель К-, Основы теории микроскопа, Гостехтеоретиздат, 1955.
4. Т у д о р о в с к и й А. И., Теория оптических приборов, т. II. АН СССР,
1948.
5. Федин Л. А., Микроскопы, принадлежности к ним и лупы. Оборон-
гиз, 1961.
6 Ц у ке р м а н Л. И., Практическое руководство по микрофотографии, Ме-
таллургиздат, 1950.
7. Шил л аб ер Ч., Микрофотография. ИЛ, 1951.
8. Елисеев С. В., Геодезические инструменты и приборы, Геодезиздат,
1959.
9. Гукайло М. Я., Основные принципы конструирования оптических конт¬
рольно-измерительных приборов, Машгиз, 1959.
10. Захарьевский А. Н., Контроль оптических систем и приборов,
ЛИТМО, 1946.
И. Коротков В. П. и Тайц Б. А., Основы метрологии и точности ме¬
ханизмов приборов, Машгиз, 1961.
12. К р у п п Н. Я., Оптико-механические измерительные приборы, Маш¬
гиз, 1962.
13. Левинсон Е. М., Основы метрологии и технические измерения, Маш¬
гиз, 1959.
14. Пер А. Г. Производство оптико-механических приборов, Оборонгиз,
1959.
15. Рудыкин Г. А., Техника измерения размеров в машиностроении, Маш¬
гиз, 1958.
16. Э й д е с И. Г., Вышкинд Л. Я., Архипов Г. О., Миронов А. М.,
Технический контроль деталей в приборостроении, Судпромгиз, 1959.
17. Бовсуновский Я. И. и Свечников Л. В., Механизация и авто¬
матизация контрольных операций в машиностроении и приборостроении, Маш¬
гиз, 1961.
18. Добрынин Е. М., Приборы автоматического контроля размеров в ма¬
шиностроении, Машгиз, 1960.
19. Сойер Р., Экспериментальная спектрография, ИЛ, 1953.
20. Нагибина И. М., Прокофьев В. К., Спектральные приборы и тех¬
ника спектроскопии, Машгиз, 1963.
21. Толанский С., Спектроскопия высокой разрешающей силы, ИЛ, 1955.
22. Цыганов М. Н., Основы фотографии и аэрофотографии, Геодезиздат,
1960.
23. Л а п а у р и А. А., Фотографическая оптика, «Искусство», 1955.
24. Ногин П. А., Фотографический объектив, «Искусство», 1961.
25. Бунимович Д. Б., Практическая фотография, Госкиноиздат, 1952.
26. Сыров А. А., Путь фотоаппарата, «Искусство», 1954.
363
27. Андерег Г. Ф. и Барбанель С. Р., Справочная книга киномеха¬
ника и кинотехника, Лениздат, 1959.
28. Вейзе Г., Киносъемочная камера, ИЛ, 1958.
29. Голдовский Е. М., Введение в кинотехнику, Госкиноиздат, 1947.
30. Голдовский Е. М., Проблемы кинопроекции, «Искусство», 1955.
31. Голод И. С., Киносъемочная аппаратура, Госкиноиздат, 1951.
32. Мелик-Степанян А. М., Лентопротяжные зубчатые барабаны кино¬
аппаратуры, Госкиноиздат, 1947.
33. Мели к-С тепанян А. М., Наматыватели в киноаппаратуре, Госки¬
ноиздат, 1947.
34. Мелик-Степанян А. М., Проворнов С. М., Детали и механиз¬
мы киноаппаратуры, «Искусство», 1959.
35. Проворнов С. М., Детали и механизмы киноаппаратуры, Госкино¬
издат, 1947.
36. Проворнов С. М., Кинопроекционная аппаратура, «Искусство», 1954.
37. Ш м ы р е в В. И., Кинофильм и кинопроекционная аппаратура, «Искус¬
ство», 1961.
38. Гевондян Т. А., Пружинные двигатели, Оборонгиз, 1951.
39. Ар а ев И. П., Оптические теодолиты средней точности, Геодезиздат,
1955.
40. Г р е й м И. А., Маркшейдерско-геодезические дальномеры, Углетехиздат,»
1959.
41. Гришин Б. С., Высокоточные оптические теодолиты, Геодезиздат, 1954.
42. Гусев Н. А., Маркшейдерско-геодезические приборы и инструментове-
дение, Углетехиздат, 1958.
43. Елисеев С. В., Геодезические инструменты и приборы, Геодезиздат,
1959.
44. Краткий справочник по инженерной геодезии, Киев, Госиздат по строи¬
тельству и архитектуре, 1960.
45. М о д р и н с к и й Н. И., Геодезия, Гидрометеоиздат, 1960.
46. О г л о б л и н Д. И., Р е й з е н к и н д И. Я., Новые маркшейдерские
приборы, Москва, Госгортехиздат, 1961.
47. Сидоренко П. Г., Геодезические приборы, Оборонгиз, 1939.
48. Тюпкин С. Н., Маркшейдерские приборы, Углетехиздат, 1957.
49. Агафонов С. С., Перископы подводных лодок, Военмориздат, 1939.
50. Капустин С. Н., Курс артиллерии, кн. 6, Воениздат, 1947.
51. Оптика в военном деле, сб. ст. под ред. акад. Вавилова С, И. и проф,
Савостьяновой М. В., АН СССР, 1948.
52. С о л о д и л о в К. Е., Военные оптико-механические приборы, Оборон¬
гиз, 1940.
53. И в а н о в Ю. А. и Тяпкин Б. В., Инфракрасная техника в военном
деле, Советское радио, 1963.
54. Г е н р и Л. X е к ф о р д., Инфракрасное излучение, Энергия, 1964.
55. 3 а х а р ь е в с к и й А. Н., Краткое руководство для обращения с воен¬
ными оптическими дальномерами, ОНТИ, 1937.
56. К о н д р а ш к о в А. В., Электрооптические дальномеры, Геодезиздат,
1959.
57. Сухопаров С. А., Сборка и юстировка морских оптических дальноме¬
ров, Оборонгиз, 1961.
58. Ничик Г. П., Стрельба в воздухе, Оборонгиз, 1953.
59. П л а т о н о в К., Человек в полете, Воениздат, 1946.
60. Пугачев В. С., Теория воздушной стрельбы, Воениздат, 1940.
61. Эфрос Н. Е., Основания устройства прицелов для бомбометания, Воеи-
издат, 1947.
62. С о л о в ь е в М. П. и А р б у з о в А. И., Основы бомбометания, Обсг-
ронгиз, 1940.
63. М а р и с о в В. И. и Кучеров И. К-, Управляемые снаряды, Воен¬
издат, 1959.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие 3
Глава I. Микроскопы 5
1.1. Основные сведения из теории микроскопа 5
1. 2. Объективы . 9
1. 3. Окуляры 10
1.4. Осветительные устройства микроскопов 10
1.5. Биологический микроскоп МБР-1 17
1.6. Универсальный исследовательский микроскоп МБИ-6 21
1.7. Стереоскопический микроскоп МБС-1 26
1.8. Поляризационный микроскоп МИН-8 . 29
1.9. Люминесцентный микроскоп МЛ-2 34
1. 10. Ультрафиолетовый микроскоп МУФ-ЗМ 37
1.11. Инфракрасный микроскоп МИК-1 43
Г лава II. Оптические приборы для измерения длин и углов 48
2. 1. Основы технических измерений 48
2. 2. Общие элементы оптико-механических измерительных приборов . 51
2. 3. Приборы для линейных измерений 61
2.4. Угломерные приборы 80
2.5. Оптико-механические устройства автоматического контроля . . 87
^ Г лава III. Спектральные приборы 93
3. 1. Понятие о спектральном анализе 93
3.2. Основные части спектрального прибора и его конструктивные
особенности 97
3. 3. Классификация спектральных приборов 104
3.4. Рабочий диапазон спектра и применяемые материалы 106
3. 5. Дисперсия и разрешающая способность 108
3.6. Выбор диспергирующего элемента 111
3.7. Светопропускание спектрального прибора 120
3. 8. О выборе оптической системы в зависимости от светосилы прибора 121
3.9. Спектрографы 124
3. 10. Монохроматоры 130
3.11. Стилоскопы, стилометры и квантометры 135
Я. 12. Спектрофотометры и спектрометры 139
3.13. Интерферометры 149
365
Стр.
Глава IV. Фотографические аппараты 162
4. 1. Введение в фототехнику 162
4.2. Основные части фотоаппарата *164
4. 3. Современные фотоаппараты 195
4. 4. Специальные виды фотографирования. Аппаратура 199
Глава V. Киноаппаратура 206
5. 1. Основные понятия кинопроцесса 206
5. 2. Основные узлы киноаппаратуры 213
5.3. Киноаппаратура 223
Г лава VI. Геодезические приборы 246
6. 1. Применение и классификация геодезических приборов 246
6.2. Общие узлы геодезических приборов . 249
6. 3. Угломерные и углоначертательные приборы 264
6.4. Нивелиры 270
Г лава VII. Приборы наблюдения, визирования и прицеливания 274
7. 1. Основные сведения 274
7. 2. Тактико-технические требования к военным приборам 275
7. 3. Наблюдательные и угломерные приборы 278
7. 4. Перископы подводных лодок 284
7. 5. Прицелы 291
7.6. Приборы наблюдения и визирования в инфракрасной области
спектра 297
Г лава VIII. Дальномеры 306
8. 1. Назначение дальномеров 306
8.2. Принципы измерения расстояний * 306
8.3. Точность дальномеров 309
8.4. Типы дальномеров 314
8. 5. Измерительные устройства дальномеров 314
8. 6. Типовые схемы и конструкции дальномеров 330
Г лава IX. Авиационные и навигационные приборы 342
9. 1. Назначение авиационных приборов 342
9.2. Авиационные стрелковые прицелы . . *. 343
9. 3. Прицелы для бомбометания 349
9. 4. Бомбардировочный прицел ОПБ-5с 351
9. 5. Астронавигационные приборы 356
9.6. Авиационный перископический панорамический секстант СП-1М 358
Литература 363
Замеченные опечатки
Стр.
Строка
Напечатано
Следует читать
142
13 снизу
(4000—7000А)
(4000—7500А)
315
17 сверху
/)=Ю0 м
0=1000 м
Заказ 805/1843
Святослав Григорьевич Бабушкин, Мария Георгиевна Беркова.
Калман Рахмеемвич Гольдин, Наум Яковлевич Крупп,
Кус иг ль Абрамович Муниц, Серафим Александрович Сухопарое,
Константин Иванович Тарасов
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.
Редактор С. И. Бумштейн Техн. редактор Н. Н. Скотникова
Т-10212 Подписано в печать 11/Х 1965 г. Учетно-изд. л. 24,53
Формат бумаги 60X90716^ И >50 бум. л.— 23,00 печ. л., Заказ 805/1843
Цена 1 р. 01 к. Тираж 9000 экз. Сводный план 1965 г. №891 (ВУЗы и техникумы)
Московская типография № 8 Главполиграфпрома
Государственного комитета Совета Министров СССР по печати
Хохловский пер., 7.