大地测量仪器学1.ppt

大地测量仪器学,第一章 概述§1-1 综述一、几何光学概述 1、什么是几何光学？ 光是自然界的一种普遍现象，是物质存在和运动的一种形式研究光的发生、本质、传播规律及它在各方面应用的科学称为光学由于研究的内容不同，光学可分为量子光学，物理光学(又称波动光学)及几何光学三门学科 几何光学是以光的直线传播为基础，研究光的一些基本现象、通过光学系统时的成象原理及其应用，而不考虑光的波动本性，如光在传播过程中产生的干涉和绕射现象以及能量分布等问题因此，从整个光学的角度来衡量，几何光学有它的局限性、近似性但在大多数情况下，用几何光学来解释日常生活中经常、大量地遇到的各种问题已有足够的精度大地测量仪器学,大地测量仪器学,2、测量人员为什么要学几何光学（图）3、几何光学的四个基本定律 不管几何光学中所研究的现象如何千变万化，归根到底，都离不开下述四个基本定律： ⑴光的直线传播定律；⑵光的独立传播定律；⑶光的反射定律；⑷光的折射定律 这四个定律构成了整个几何光学的理论基础测量人员主要是要学会用这些定律去解释仪器中所出现的各种光学现象。

4、关于光的直线传播定律 在看电影时，从放映机射出来的光是沿直线射到银幕上的；黑夜，探照灯射出来的光也是笔直的这都是光沿直线传播的现象从大量的现象中，总结出一条规律：光在均匀介质中，是按直线传播的这就是光的直线传播定律光所通过的物质称为光的传播介质如探照灯的光射向天空，则空气就是介质，光射到水里，水就是介质，射到玻璃里，玻璃就是介质等而光在非均匀介质中传播的方向就不再是直线了并且，在两种不同的介质的分界面上还产生反射、折射等现象因此，用来作光学仪器中的光学玻璃，对其所含的气泡、条纹、杂质等都应作严格的限制 当光线通过很小很小的孔或缝隙时，会改变直线传播的方向而形成明显的绕射，也称“衍射”现象这时，就只能用光的波动理论才能解释清楚5、关于光的独立传播定律 如果房子里同时亮着两盏电灯，尽管两盏灯的光同时射到眼睛里，我们感到的不是一盏灯的光，而是两盏灯的光，因为它们在射入眼睛后，是互不干扰的这种不同光源发出的光线相交后其方向和颜色不发生改变的规律称为光的独立传播定律大地测量仪器学,大地测量仪器学,二、光学基本原理 （一）光的反射定律及平面反射镜 1、光的反射定律 当光线穿过两种均匀介质的分界面时，其中一部分光线，在分界面上将反射回原来的介质，这部分反射光线的传播规律，就是光的反射定律。

则我们得到反射定律如下： 1)反射光线和入射光线位于法线的两侧，且这三条线在同一平面之内； 2)反射角i′与入射角i的绝对值相等 由反射定律我们还可以推出以下两个规律： 1）若有一条光线沿P′O方向射到MM′的O点，则其反射光线必定会沿OP方向射出这种光的传播方向倒转而光路不变的现象，称为光的可逆性2) 一组平行的光线，射到表面平整的介质分界面MM′时，其反射光线也互相平行，仅各自的入射点O不同而已但若分界面粗糙，尽管入射光线彼此平行，而反射光线的方向则是散乱的这种现象称为乱反射，或称漫反射大地测量仪器学,2、平面反射镜 利用光的反射定律而制成的平面反射镜(又称平面镜或反射镜、反光镜等)应用极广如家庭日常用的梳妆镜子，水准仪上照亮长水准器用的反射镜及光学经纬仪上用来照亮，读数设备的照明反射镜等等这些反射镜，大多是在玻璃平板的一个面上，镀上一层反射率较高的材料，如银、铝等平面反射镜有两个作用，即反光和成象大地测量仪器学,（二）光的折射定律及全反射 1、光的折射定律 当光线穿过两种透明介质时，其中有一部分光线将在分界面处改变其方向而进入第二种介质内，这种现象叫做光的折射。

这部分折射光线的传播规律，就叫做光的折射定率折射定律如下： 1）折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，且这三条线在同一平面之内； 2)入射角的正弦和折射角的正弦之比为一常数即,大地测量仪器学,,这个常数K称为第二介质对于第一介质的相对折射率假如光线是由真空进入某一种透明的介质，那么，入射角正弦和折射角正弦的比值，就叫做绝对折射率（常用符号n来表示）因为在这种情况下，折射角一般均较入射角为小，所以各种透明介质的绝对折射率都大于1这里我们列举一些常见介质的绝对折射率如下：,,大地测量仪器学,因为空气的绝对折射率近于1，故在研究光线由空气进入介质的现象时，均可采用该介质的绝对折射率以代替相对折射率折射定律用数学公式来表达，可写成以下形式大地测量仪器学,式中 n1、n2分别为第一，第二种介质的绝对折射率 例1：已知入射光线以30°的入射角从空气射入K9号玻璃中，求折射角的大小 解法1：当采用较为严格的计算法时，就得取空气的折射率n1=1．00029已知K9号玻璃的折射率n2=1．5163，i=30°，所以sin30°=1／2，代入公式(1—3)中得：,,得i′=19°15′34″ 解法2：通常进行近似计算时，可以取空气的折射率n1=1，这时候的计算就简便得多,,得 i′=19°15′13″,大地测量仪器学,2、光的全反射 光在两种介质分界面上产生折射的原因，是由于光在两种介质中传播的速度不同。

光在其中传播速度较快的一种介质(即折射率较小)，称为光疏介质，传播速度较慢的一种介质，称光密介质例如，空气对玻璃来讲称为光疏，玻璃对空气来讲称为光密如果光线由光密介质射向光疏介质时(如图所示)，由于n1>n2，就有 即折射角反而比入射角要大当折射角为90°时的入射角，称为该介质的临界角i0 大地测量仪器学,,例如，K9号玻璃对于空气的临界角为：sini1／1．5163，即i41°16′各种光学玻璃对于空气的临界角范围，大致是32～42° 当入射角大于临界角时，折射光线将会消失，入射光线从分界面处全部反射回来，这种现象叫做全反射其反射的规律，则服从于反射定律由折射定律公式可以推得，某介质对应于空气(看作真空)的临介角值为：,大地测量仪器学,全反射现象的特点，首先是光量100％的反射，而利用平面反射镜反射时，光量要损失掉6～10％，其次是全反射并不需要镀反射材料因此，利用光的全反射现象制成的各种光学器件，已普遍代替了平面镜，在测量仪器上得到广泛的应用然而，对全反射面的要求却比较严格如果反射面上有油迹、水汽、霉斑及其他脏物时，分界面就不再是玻璃和空气了，其全反射效率也就要大大下降。

因此，全反射的反射面，必须保持干净大地测量仪器学,§1-2 光学零件一、平面光学零件 测量仪器上常用的平面光学零件有以下几种： 1、全反射直角棱镜 这种形式的棱镜，在测量仪器的光路上应用得最多 由二个以上相交的折射平面或反射平面所组成的透明体称为棱镜两个平面的交线称为棱，垂直于棱的截面称为主截面若主截面为等腰直角三角形，则称这种形状的棱镜为直角棱镜由于入射光线在主截面内时，出射光线也在主截面内，所以，研究光线通过整块棱镜的折射情况时，只要研究光在主截面内折射的情况就可以了大地测量仪器学,2、全反射菱形棱镜 全反射菱形棱镜主截面形状如图所示当入射光线P1及P2通过它之后： 1)出射光线P1′及P2′前进的方向不变； 2)出射光线平行移动了一段距离h； 3)垂直或平行于棱AA′的物体ab及cd，其箭头方向都不变； 4)若棱镜转动某一小角度，也不会影响出射光线和入射光线的平行性在光学经纬仪上，利用菱形棱镜，能使光线平行移动一段距离，以避开障碍仍按原方向继续前进由于这种棱镜的AB和CD两面闲罩不用，因此有时也做成两对角为45°的平行四边形的形状，但其作用仍然不变。

大地测量仪器学,3、五角棱镜 五角棱镜的主截面形状如图1-14所示当光线通过它之后： 1）光线的前进方向改变了90°； 2）垂直于棱AA′的物体ab，将调转90°，而平行于棱AA′的物体cd，其箭头方向不变 ； 3）在入射光线不变的条件下，若棱镜转动某一角度，则出射光线仍然垂直于入射光线这一点，是五角棱镜最重要的一个特性而用斜面作反射面的直角棱镜就做不到这一点大地测量仪器学,因此，往往把这种五角棱镜用在出射光线必须严格地垂直于入射光线且装调都比较困难的仪器部位有的仪器用它来作为横轴棱镜就是这个原因然而，五角棱镜的加工比较麻烦，成本高，而且五角棱镜不是全反射棱镜，它的两个反射面BC及DE必须镀上一层反射材料与保护层光量损失也较多，因此，它远不如直角棱镜应用广泛4、屋脊棱镜 图1-15为屋脊棱镜的立体图平面ADFED′及EE′F′F为光的透过面，平面ABCD及ABC′D′为光的两个反射面，两个反射面的交线AB称为屋脊棱两个反射面的夹角为90°，其中BA、CD、C′D′与底面的夹角为45°，其余各面之间，一般是互相垂直的，光线通过屋脊棱镜之后：1）光线前进的方向改变90°；2）平行于棱AB的物体ab要倒转90°，图中的箭头由向左变为箭头向下；垂直于棱AB的物体cd，其箭头方向要调转180°。

大地测量仪器学,后一点是屋脊棱镜最重要的特点屋脊棱镜常用于J2级光学经纬仪的度盘对径分划符合读数系统，如东德蔡司Theo 010型及我国苏州第一光学仪器厂的JGJ2型等对于仪器修理人员来说，要特别注意保护两个屋脊面，同时不要碰坏屋脊棱大地测量仪器学,5、三棱镜与楔镜 图1-16(a)为三棱镜的主截面图入射光线P经三棱镜的两个折射面A'B'和A'C'折射后，由P'方向射出；两折射面之间的夹角α称为折射棱角，入射光线P和折射光线P'的反向延长线的夹角δ，称为光线偏向角我们来讨论这个光线偏向角的大小与哪些因素有关大地测量仪器学,6、平板玻璃 两个折射平面互相平行的光学零件称平板玻璃，如图1-17所示当光线通过它之后： 1）出射光线P′，和入射光线P的方向一致；2）出射光线P′要平移一段距离h其值，可从下面推得的公式求出大地测量仪器学,二、球面折射光学零件——透镜 1、透镜的概念 人们所戴的眼镜上的两块透明玻璃就是两块透镜，望远镜上前后的圆形玻璃片也是透镜凡是由二个折射曲面或一个曲面和一个平面所包围的玻璃透明体称为透镜若曲面为球面，则称球面透镜，反之，为非球面透镜。

利用它来使物体(如标尺、度盘分划线)成象，这是透镜的主要作用 单块透镜的截面形状仍然是多种多样的，但可归纳为两大类：凸透镜和凹透镜凡是中央比边缘厚的透镜都称为凸透镜，如图l-18中的(a)、(b)、(c)三种其中，它又可分为双凸、平凸、凹凸(又称弯月)等几种形式中央比边缘薄的透镜，则称凹透镜，如图1-18中的(d)，(e)，(f) 三种它又可分为双凹，平凹，凸凹等几种形式大地测量仪器学,通过透镜两个球面曲率中心(即球心)C1和C2(如图1-18中(a))的直线称为透镜的主光轴，简称主轴或光轴主光轴和球面的交点称为透镜的顶点光轴上有一点，光线通过该点时，其方向不变，这一点称为透镜的光心光心是光轴上的一个特殊点对两个折射面对称的透镜来说，光心即是两顶点联线的中点O大地测量仪器学,光线通过透镜的两个曲面时，其折光情况仍然符合光的折射定律对单块透镜来说，凸透镜对光起会聚作用，凹透镜对光起发散作用这是单块透镜折光的总趋势当然，对由多块透镜组成的光学系统来说，其折光趋势就不一定是这样了为什么凸透镜对光线有会聚作用）,。