最新大地测量仪器学1PPT课件.ppt
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1、大地测量仪器学大地测量仪器学1 1第一章第一章 概述概述1-1 1-1 综述综述一、几何光学概述一、几何光学概述 1、什么是几何光学?、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。种形式。研究光的发生、本质、传播规律及它在各方面应研究光的发生、本质、传播规律及它在各方面应用的科学称为用的科学称为光学光学。由于研究的内容不同,由于研究的内容不同,光学可分为量光学可分为量子光学,物理光学子光学,物理光学(又称波动光学又称波动光学)及几何光学三门学科及几何光学三门学科。几何光学是以光的直线传播为基础,研究光的一些基几何光学是以光
2、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。以及能量分布等问题。因此,从整个光学的角度来衡量,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。已有足够的精度。介质介质折射率折射率介质介质折射率折
3、射率空气空气100029酒精酒精13618水水13330K9牌号冕牌牌号冕牌玻璃玻璃15163ZF1牌号火石牌号火石玻璃玻璃1.6475 因为空气的绝对折射率近于因为空气的绝对折射率近于1,故在研究光线,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。式来表达,可写成以下形式。21sinsinniKin式中式中 n1、n2分别为第一,第二种介质的绝对折射率。分别为第一,第二种介质的绝对折射率。 例例1:已知入射光线以已知入射光线以30的入
4、射角从空气射入的入射角从空气射入K9号玻号玻璃中,求折射角的大小。璃中,求折射角的大小。 解法解法1:当采用较为严格的计算法时,就得取空气的折:当采用较为严格的计算法时,就得取空气的折射率射率n1=100029。已知。已知K9号玻璃的折射率号玻璃的折射率n2=15163,i=30,所以,所以sin30=12,代入公式,代入公式(13)中得:中得:1.000291sin0.3298461.51632i 得得i=191534 解法解法2:通常进行近似计算时,可以取空气的折射率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,这时候的计算就简便得多11sin0.329751.5
5、1632i 得得 i=1915132 2、光的全反射、光的全反射光在两种介质分界面上产生折射的原因,是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传播速度较快的一种介质(即折射率较小即折射率较小),称为,称为光疏介质,传播速度较慢的一种介质,称光疏介质,传播速度较慢的一种介质,称光密介光密介质。质。例如,例如,空气对玻璃来讲称为光疏,玻璃对空空气对玻璃来讲称为光疏,玻璃对空气来讲称为光密。气来讲称为光密。 如果光线由光密介质射向光如果光线由光密介质射向光疏介质时疏介质时(如图所示如图所示),由于
6、,由于n1n2,就有,就有 。即折。即折射角反而比入射角要大。射角反而比入射角要大。当折射当折射角为角为90时的入射角,称为时的入射角,称为该该介质的临界角介质的临界角i0 。11sinsinii01sinin例如,例如,K9号玻璃对于空气的临界角为:号玻璃对于空气的临界角为:sini。=115163,即,即i。=4116。各种光学玻璃对。各种光学玻璃对于空气的临界角范围,大致是于空气的临界角范围,大致是3242 当入射角大于临界角时,折射光线将会消失,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,这种现象叫做入射光线从分界面处全部反射回来,这种现象叫做全反射全反射。
7、其反射的规律,则服从于反射定律。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,某介质对应于空气由折射定律公式可以推得,某介质对应于空气(看作真空看作真空)的临介角值为:的临介角值为:全反射现象的特点,首先是光量全反射现象的特点,首先是光量100的反的反射,而利用平面反射镜反射时,光量要损失掉射,而利用平面反射镜反射时,光量要损失掉610,其次是全反射并不需要镀反射材料。,其次是全反射并不需要镀反射材料。因此,因此,利用光的全反射现象制成的各种光学器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,在测量仪器上得到件,已普遍代替了平面镜,在测量仪器上得到广泛的应用。广泛的应用。
8、然而,对全反射面的要求却比较然而,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。反射面,必须保持干净。1-2 1-2 光学零件光学零件一、平面光学零件一、平面光学零件 测量仪器上常用的平面光学零件有测量仪器上常用的平面光学零件有以下几种:以下几种: 1、全反射直角棱镜、全反射直角棱镜 这种形式的棱镜,在测量仪器的光这种形式的棱镜,在测量仪器的光路上应用得最多。
9、路上应用得最多。 由二个以上相交的折射平面或反射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平面所组成的透明体称为棱镜棱镜。两个平。两个平面的交线称为面的交线称为棱棱,垂直于棱的截面称为,垂直于棱的截面称为主截面主截面。若主截面为等腰直角三角形,。若主截面为等腰直角三角形,则称这种形状的棱镜为则称这种形状的棱镜为直角棱镜直角棱镜。由于。由于入射光线在主截面内时,出射光线也在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。内折射的情况就可以了。2
10、、全反射菱形棱镜、全反射菱形棱镜 全反射菱形棱镜主截面形状如图所示。当入射光线全反射菱形棱镜主截面形状如图所示。当入射光线P1及及P2通过它之后:通过它之后: 1)出射光线出射光线P1及及P2前进的方向不变;前进的方向不变; 2)出射光线平行移动了一段距离出射光线平行移动了一段距离h; 3)垂直或平行于棱垂直或平行于棱AA的物体的物体ab及及cd,其箭头方向都,其箭头方向都不变;不变; 4)若棱镜转动某一小角度,也不会影响出射光线和入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。射光线的平行性。 在光学经纬仪上,利用菱形棱在光学经纬仪上,利用菱形棱镜,能使光线平行移动一段距离,镜
11、,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。以避开障碍仍按原方向继续前进。由于这种棱镜的由于这种棱镜的AB和和CD两面闲罩两面闲罩不用,因此有时也做成两对角为不用,因此有时也做成两对角为45的平行四边形的形状,但其作的平行四边形的形状,但其作用仍然不变。用仍然不变。3、五角棱镜、五角棱镜 五角棱镜的主截面形状如图五角棱镜的主截面形状如图1-14所示。当光线通过它所示。当光线通过它之后:之后: 1)光线的前进方向改变了)光线的前进方向改变了90; 2)垂直于棱)垂直于棱AA的物体的物体ab,将调转,将调转90,而平行于,而平行于棱棱AA的物体的物体cd,其箭头方向不变,其箭头方向不
12、变 ; 3)在入射光线不变的条件下,若棱镜转动某一角度,)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。则出射光线仍然垂直于入射光线。这一点,是五角棱镜最这一点,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。这一点。 因此,往往把这种五角棱镜用在出射光线必须严格因此,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。例如。地垂直于入射光线且装调都比较困难的仪器部位。例如。有的仪器用它来作为横轴棱镜就是这个原因。有的仪器用它来作为横轴棱镜就是这个原因。然而,五角然
13、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,它的两个反射面棱镜,它的两个反射面BC及及DE必须镀上一层反射材料与必须镀上一层反射材料与保护层。保护层。光量损失也较多,因此,它远不如直角棱镜应用光量损失也较多,因此,它远不如直角棱镜应用广泛。广泛。4、屋脊棱镜、屋脊棱镜 图图1-15为屋脊棱镜的立体图。平面为屋脊棱镜的立体图。平面ADFED及及EEFF为光的透过面,平面为光的透过面,平面ABCD及及ABCD为光的两个反射面,为光的两个反射面,两个反射面的交线两个反射面的交线AB称为称为屋脊棱屋脊棱。两个反射面的夹角为。两个反射
14、面的夹角为90,其中,其中BA、CD、CD与底面的夹角为与底面的夹角为45,其余,其余各面之间,一般是互相垂直的,光线通过屋脊棱镜之后: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)光线前进的方向改变90;2)平行于棱)平行于棱AB的物体的物体ab要倒转要倒转90,图中的箭头由向左变为箭头向下;垂直于图中的箭头由向左变为箭头向下;垂直于棱棱AB的物体的物体cd,其箭头方向要调转,其箭头方向要调转180。 后一点是屋脊棱镜最重要的特点。后一点是屋脊棱镜最重要的特点。屋脊棱镜常用于屋脊棱镜常用于J2级光学经纬仪的度盘对径分划符合读数系统,如东德蔡司级光学经纬仪的度盘对径
15、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型及我国苏州第一光学仪器厂的JGJ2型等。型等。对于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。碰坏屋脊棱。5、三棱镜与楔镜、三棱镜与楔镜 图图1-16(a)为三棱镜的主截面图。入射光线为三棱镜的主截面图。入射光线P经三棱镜经三棱镜的两个折射面的两个折射面AB和和AC折射后,由折射后,由P方向射出;两折射方向射出;两折射面之间的夹角面之间的夹角称为折射棱角,入射光线称为折射棱角,入射光线P和折射光线和折射光线P的的反向延长线的夹角反向延长线的夹角,
16、称为光线偏向角。我们来讨论这个,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。光线偏向角的大小与哪些因素有关。6、平板玻璃、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:所示。当光线通过它之后: 1)出射光线)出射光线P,和入射光线,和入射光线P的方向一致;的方向一致;2)出射)出射光线光线P要平移一段距离要平移一段距离h。其值,可从下面推得的公式求。其值,可从下面推得的公式求出。出。1111sincos(sin)cosiihdii二、球面折射光学零件二、球面折射光学零件透镜透镜 1、透镜的
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