Интерферометр для определения длин при геодезических работах Советский патент 1936 года по МПК G01C3/08 G01B9/02 

Изобретение относится к интерферометру, специально приспособленному для измерения длин при геодезических работах.

На чертеже фиг. 1 поясняет схему интерферометра; фиг. 2-10 представляют детали интерферометра; фиг. 11-установку с одним из вариантов призм; фиг. 12 и 13-детали; фиг. 14-один из вариантов интерферометра; фиг. 15- устройство для измерения расстояния между призмами; фиг. 16-вариант с несколькими рейками; фиг. 17-схему второго варианта; фиг. 18-стеклянную шкалу для отсчета.

Пусть в точке S (фиг. 1) имеется источник света, от которого используются два пучка лучей- / и //.

Пучок / проходит по прямой SO через компенсатор К и объектив D к точке О, где образует действительное изображение источника 5 и рассматривается через окуляр О.

Пучок // проходит через призму Р, находящуюся примерно на равных расстояниях от S и второй призмы Р,; последняя отклоняет его вторично и луч, пройдя через объектив D, в точке О соединяется с пучком /.

Если расстояние от Pj до луча / равно ft, то в точке 5i получается мнимое изображение источника S, причем SiS H 2h, а угол SP будет прямым.

Поэтому справедливо равенство

(S,F,r(SP, откуда

н

SiP-i - SPj + -

8 (5А)

28Рг

7 го/-/

5,Р2 i (1) где через L обозначена длина SP,.

Пусть призма Р, увеличивает оптическую длину луча на Cj, призма PZ-на С-,, объектив D-на Сз, компенсатор К- на Q; тогда оптические длины обоих пучков составят (имея в виду ур. 1 и равенство SPi SPi)

I пучок 5Р2 + РЮ + О + Сз + Q

Л 4-Р2 + ОО-f Сз-}-С4

// пучок SPi-f PiP2-f 2/ + jDO +

114f м

Т 1 Is Cz -{- Су L -f- -f8L

2L

-fPaD + DO + Cj + Cj-bCg.

Составляют разницу, вычитая первое из второго

A + C, + Q-Q(2)

В приборе все входящие в формулу (2) величины подобраны таким образом, что для определенной, наперед заданной

длины L выражение (2) равно нулю, т. е. оптические длины обоих пучков одинаковы. Тогда при условии, что источник 5 достаточно мал и что у объектива D пучки проходят через небольшие близлежащие диафрагмы d, в точке О можно наблюдать интерференционные полосы; причем полосы видны в бепом свете при разности хода двух пучков не более нескольких микрон; при помощи же спектроскопа их можно обнаружить в пределах до 150 микрон.

Источником света может служить либо точечная лампа, дибо небольшой отрезок нити обыкновенной электрической лампы, выделенный при помощи экранчика, либо выделенная таким же образом часть светящейся поверхности какого-либо другого источника света, либо, наконец, изображение солнца, полученное при помощи короткофокусной линзы или сферического зеркальца.

Призма PI может осуществляться в разных видах согласно фиг. 2, 3 или 4; она может быть заменена зеркалом или лупой-фиг. 5 и 6.

В виду того, что сохранение величины А с требуемой точностью затруднительно, измерения производятся при помощи трех пучков /, // и /// (фиг. 7), причем вместо одной призмы на инварном или кварцевом жезле закреплены две призмы PI и РЗ; расстояние между ними равно 2А // и определяется на суммы двух измерений. Жезл с призмами хранится в деревянном футляре, устанавливается на щтативе и снабжен уровнем и небольшой трубой для установки его перпендикулярно к SP, кроме того, здесь же можно поместить компенсатор К. При небольших значениях последний представляет собой плоско-параллельную стеклянную пластинку (фиг 8); при больших значениях C можно применять одну или несколько призм (фиг. 9 и 10).

Призма P-f может быть выполнена либо согласно фиг. 2, либо фиг. 3.. Можно применять одну призму Ра, и при наведении на пучки / и // поворачивать ее на 180°, или неподвижно к трубе прикрепить две призмы, как это показано на фиг. 11.

Ахроматический объектив D имеет фокусное расстояние порядка 500-

1000 мм, окуляр О -обычный астрономический с фокусом 10-20 мм.

На фиг. П показана схема установки с одним ИЗ возможных вариантов призм.

Как уже было указано, интерференция наблюдается при определенной длине , так как только в этом случае разность хода пучков равна нулю.

Для нахождения того места, где разность хода равна нулю, сначала определяют примерное расстояние L при помощи дальномера или мерной лентой; таким же образом устанавливается рейка/с призмами. После этого производят наблюдения в трубу и при помощи спектроскопа отыски вают интерференционные полосы; затем труба передвигается вдоль оси SOi до тех пор, пока полосы не появятся в белом свете. Есяи труба находится точно на оси SOj, этот момент наступит для обеих пар пучков одновременно; если она немного в стороне, интерференция наступает в разных положениях труб, которые отмечаются по масштабной линейке уИ (фиг. 11) и приводятся к среднему отсчету.

В месте передвижения вдоль оси SOi можно трубу передвигать в поперечном направлении и отмечать моменты интерференции вдоль прямой г 1 в местах ее пересечений с рейками /i и 4, вдоль которых обе пары пучков находятся в одинаковой фазе.

Тогда поправка к длине L равна

(3)

V где п-расстояние между местами интерференции двух пар пучков (фиг. 11).

Наконец, можно трубу соверщенно не передвигать, а определять разность хода пучков при помощи клинового или поворотного комренсатора (фиг. 12 и 13). Вставив найденное таким образом значение в формулу (2), можно вычислить значение L.

Для производства геодезических работ необходимо иметь либо несколько реек, либо одну рейку с набором призм для разных расстояний-100, 200, 500 м и т. д. (фиг. 14).

Метод интерф еренции дает возможность со значительной степенью точности определять разность хода двух однородных пучков, т. е. Д; для вычисления связи между ошибками и определениями Д и Z. следует продиференцировать уравнение (2) по Д и L, ограничиваясь членами 2-го порядка.

ЙД dL (4).

Н

2i2

Из ряда опытных измерений для ЙД получено значение+0,2 микрона, а потому на основе формулы (4) можно составить следующую таблицу ошибок измерения длины:

Как видно при постоянном соотноше

г т

НИИ -7- абсолютное значение ошибки dL

постоянно и равно для приводимого случая + 1 мм.

При Н, не превышающем 2 метров, целесообразно применять рейку или жезл; при больших Н лучше определять расстояние между призмами Pj и РЗ прибором Едерина или инварной лентой с грузами (фиг. 15). Можно призмы скрепить неподвижно с проволокой или лентой.

Из формулы (4) видно, что точность возрастает вместе с возрастанием Н; с другой стороны во время работы удобнее иметь небольшие размеры Н; выход может быть найден путем применения двух или более реек с призмами (фиг. 16); тогда общая длина Н получается как сумма дпин всех реек. Применяя, например, для расстояния в 200 метров две рейки по 2 метра , получают ошибку в +1 мм или 20 Наконец, следует заметить, что некоторые другие источники ошибок-неточная установка рейки в центре, ее наклон к оси и т. д. несколько увеличат выведенные значения dL. Конечно, во время работ необходимо произвести нивеллировку 5 и Oj и ввести поправку на наклон.

Второй вариант принципиально мало отличается от первого, но здесь объектив с диафрагмой и призмой Р., помещается у источника света, вследствие чего получают три пучка /, // и ///, сходящихся в точке О и рассматриваемых через окуляр О,. Если оптическая длина всех трех пучков одинакова, в точке О, где пересекаются линии интерференции, получают совпадение интерференции от обеих пар пучков (фиг. 17).

Однако, можно и не добиваться совпадения обеих интерференционных картин, даже точнее определить разность п между ними и по формуле (3) вычислить поправку к длине L.

Для этого в фокальной плоскости окуляра на линии гг (фиг. 17) помещена стеклянная пластинка со шкалкой (фиг. 18), по которой можно отсчитать положение каждой интерференционной полосы. Для наглядности полосы также показаны на фиг. 18. Разность между средними арифметическими значениями этих двух групп полос равна п, по которому и вычисляют V.

в остальном устройство второго варианта и способ работы тождественны с первым вариантом.

Предмет изобретения.

1. Интерферометр для определения длин при геодезических работах, основанный на измерении положения интерференционных полос, наблюдаемых в местах схода двух световых пучков с небольшой разностью хода, отличающийся тем, что на определенной высоте А в направлении, перпендикулярном к измеряемому расстоянию SO, в одном конце которого расположен источник света, а в другом-воспринимающая оптическая система, помещена отражающая или преломляющая система, например, в виде призмы РЬ служащая для получения удлиненного светового пучка.

удлинение которого при постоянной высоте зависит только от измеряемого расстояния SO и который интерферирует со световым пучком, непосредственно идущим от источника света к воспринимающей оптической системе (фиг. 1).

2.Видоизменение интерферометра по п. 1, отличающееся тем, что с целью сохранения с возможно большей точностью высоты /г применены две отражающие или преломляющие системы, например, в виде призм Pj и Р, расположенные симметрично относительно измеряемого расстояния SO (фиг. 7).

3.Форма выполнения интерферометра по п. 2, отличающаяся тем, что отражающие или преломляющие системы, например, в виде призм Pj и РЗ в виде соответствующих зеркал или призмы установлены на рейке /, изготовленной из материала с малым коэфициентом теплового расширения и расположенной перпендикулярно к измеряемому расстоянию SO (фиг. П),

4.Видоизменение интерферометра

по п, 3, отличающееся тем, что при больших размерах высоты h отражающие или преломляющие системы, например, в виде призм PI и РЗ установлены на отдельных штативах (фиг. 15).

5.Видоизменение интерферометра по п. 3, отличающееся тем, что с целью повышения точности при измерении больших расстояний при одновременном сохранении малых размеров высоты It применены несколько параллельно расположенных реек /3 /2 с зеркалами

илиПризмами (фиг. 16).

6.Видоизменение интерферометра по п. 3, отличающееся тем, что с целью сохранения постоянной точности при измерении расстояний .SO различной длины, применена рейка / с несколькими отражающими или преломляющими системами (фиг. 14).

7.При интерферометре по пп. 1--б применение компенсирующей системы К, служащей для изменения оптической длины прямого пучка 50 лучей (фиг. 8, 9 и 10).

Р

ii

к

-И

Фиг. 1

I 0.

-D

Фип2 ФипЗ. Фиг.

:-- -----Фиг.5 Фиг. 6

- Ц-|-- --

Фиг:13

Фиг 12

Фиг.1А