2.3 Основные компоненты телескопической системы.

2.3.1 Окуляры.

При изучении зрительной трубы Кеплера рассматривался случай, когда коллектив находится в задней фокальной плоскости объектива. На практике такое расположение коллектива неудобно, так как, во-первых, это место обычно занято сеткой (пластиной, несущей на себе перекрестье или иную марку), а, во-вторых, дефекты, имеющиеся на поверхностях коллектива (царапины, пылинки, выколки) и внутри стекла (пузырьки, свили), видны в поле зрения трубы, потому что они расположены близко к плоскости промежуточного изображения. Линзу коллектива пришлось бы делать из стекла, свободного даже от мелких пузырей. Такое стекло значительно дороже обычного. Поэтому коллектив располагают на некотором расстоянии от плоскости промежуточного изображения.

Обычно его смещают на несколько миллиметров в сторону окуляра. В та­ком случае целесообразно рассматривать коллектив как составлю часть сложного окуляра из двух компонентов. Первым компонентом окуляра служит коллектив. Второй компонент, обращенный к глазу наблюдателя, называется глазной линзой. Формулы для простой зрительной грубы, состоящей из объектива и окуляра, остаются справедливыми и теперь, если под символом понимать эквивалентное заднее фокусное расстояние всего окуляра, составленного из коллектива и глазной линзы.

Вернемся к вопросу ограничения угла поля зрения 2β зрительной трубы Кеплера согласно формуле (2.2.5)

Так как | Г | > 1 так как труба должна увеличивать, а не уменьшать наблюдаемые предметы), то |β´ | >|β |. Поэтому окуляр трубы работает при больших по сравне­ние с объективом углах наклона проходящих через него пучков лучей.

В то же время

, (2.3.1)

откуда

, (2.3.2)

т. е. относительные отверстия объектива и окуляра равны. Поэтому коррекция аберраций широких пучков (сферической аберрации и комы) должна быть выпол­нена в окуляре столь же тщательно, как и в объективе. Но если в объективах вследствие их малого поля зрения большей частью можно совсем отказаться от коррекции полевых аберраций (астигматизма, кривизны изображения и дисторсии), то в окулярах исправление этих аберрации становится совершенно необхо­димым. Поэтому объективы обычно делаются очень простыми (склеенными из двух линз). Окуляры же приходится делать сложными для того, чтобы иметь воз­можность исправить полевые аберрации в пределах угла поля зрения 2β’. Чем больше угол 2β’, тем сложнее становится задача коррекции всех аберраций и тем белее сложной должна быть конструкция окуляра.

Таким образом, величина угла поля зрения окуляров ограничена нашими возможностями по коррекции аберраций. Для каждого типа окуляра этот макси­мальный допустимый угол имеет свое значение. При заданном типе окуляра угол его поля зрения постоянен , поэтому должно быть постоянным и произведение видимого увеличения зрительной трубы на ее угол поля зрения

. (2.3.3)

Отсюда следует вывод: чем больше видимее увеличение зрительной трубы, тем меньше его угол поля зрения.

В современных военных оптических приборах возникает необходимость иметь большое поле зрения для обнаружения быстро перемещающихся целей и слежения за ними и в то же время - достаточное увеличение для распознавания целей, находящихся на больших расстояниях. Повышения константы в выражении (2.3.3) можно достичь либо чрезмерным усложнением конструкции окуляра (9-10 линз), либо применением асферических поверхностей. И то и другое далеко не всегда экономически целесообразно.

Если, вынув из зрительной трубы окуляр, мы будем рассматривать глазом изображение далекого предмета, созданное объективом, то видимое увеличение при этом определится формулой:

. (2.3.4)

В зрительной трубе мы рассматриваем это изображение через окуляр, действующий как лупа, имеющая видимое увеличение, определяемое по формуле:

. (2.3.5)

Отсюда следует, что произведение видимых увеличений и равно видимому увеличению зрительной трубы

. (2.3.6)

Е

Рис. 2.3.1

сли глаз наблюдателя аметропический и его аметропия не не исправлена оч­ковым стеклом, то исправление этого недостатка глаза может быть достигнуто небольшим перемещением окуляра вдоль оптической оси. При этом нарушается телескопичность зрительной трубы. Если, например, окуляр несколько передвинут в сторону глаза, то выходящие из окуляра пучки лучей будут не параллельны, а слегка сходящимися, что и нужно для коррекции гиперметропии. Наобо­рот, сдвинув окуляр к объективу от его нор­мального положения, сделаем пучки лучей, на­правляющиеся к глазу наблюдателя. расходя­щимися, что требуется для миопического глаза. Такая коррекция недос­татков зрения называется диоптрийной наводкой. На рис. 2.3.1 в точке находится задний фокус объектива зрительной трубы (не показанного на чертеже).

В его задней фокальной плоскости помещается изображение у далекого предмета. Окуляр сдвинут вдоль оптической оси, так что его передний фокус F₂ не совпадает с задним фокусом F´₁, объектива. Пусть смешение окуляра равно величине . Тогда изображение у' предмета у через окуляр возникнет не на бесконечности, а на конечном расстоянии х от заднего фокуса F´₂ окуляра. Отрезки х´ и х связаны формулой Ньютона:

Рис. 2.3.1

. (2.3.7)

Пусть теперь аметропический глаз расположен за окуляром так, что центр С´ его зрачка удален от заднего фокуса F´₂ окуляра на расстояние х´_с. Если при этом глаз видит изображение y отчетливо и без напряжения аккомодации, значит, это изображение лежит у дальней точки Д глаза, а расстояние C´Д = а определяет величину аметропии глаза А. Если аметропия а выражена в диоптриях, получим для отрезка а (в мм):

. (2.3.8)

Из рисунка следует

. (2.3.9)

Вследствие этого получим из формулы Ньютона

. (2.3.10)

Формула (2.3.10) представляет собой точную формулу для расчета перемещения x окуляра, необходимого для коррекции аметропии А глаза наблюдателя. В положительных окулярах, применяемых в трубах Кеплера, расстояние F´₂C´=x´_с очень невелико по сравнению с отрезком . Поэтому формулу (11.37) можно упростить, пренебрегая в ней величиной x´_c

. (2.3.11)

В таком виде эта формула очень удобна для расчета конструкции механизма диоптрийной наводки окуляра. Пусть, например, f´₂ =20 мм. Тогда, согласно (11.38), на одну диоптрию аметропии глаза требуется перемещение окуляра 0,4 мм. Обычно механизм диоптрийной наводки окуляра должен работать в интервале от -5 до +5 дптр, т.е. всего на 10 дптр. Следовательно, полное перемещение окуляра составит 4 мм. Если при этом окуляр перемещается по резьбе, а аметропия отсчитывается по кольцевой шкале, укрепленный на оправе окуляра, то эти 4 мм должны соответствовать повороту окуляра на угол несколько меньше 360˚ или, иначе говоря, шаг резьбы должен быть несколько больше 4 мм. Такой шаг является необычным для винтов, применяемых в приборостроении. Поэтому здесь целе­сообразно применить многозаходный винт, имеющий специальный трапецеидаль­ный профиль. Шкала аметропии пря этом будет равномерной.

Иначе дело обстоит при отрицательных окулярах труб Галилея. Так как задний фокус F´_2, отрицательного окуляра находится внутри трубы перед окуля­ром, а зрачок глаза С´ помещается после окуляра, то расстояние х´_c = F´₂C´ здесь не может быть маленьким. В этом случае при расчете приходится применять точ­ную формулу (11.37). При этом перемещение х окуляра уже не будет пропорцио­нально аметропии A, a потому и шкала отсчета аметропии не будет равномерной. Так, например, пусть f´₂ =-20 мм, x´_с =40 мм. При А = -5 дптр, x=2,5 мм, а при А = -5 дптр, х = -1.667 мм. Таким образом, область отрицательных диоптрий на шкале будет несколько растянутой, а область поло­жительных диоптрий - сжатой.

В ходе развития окуляров зрительных труб сказалось стремление конструк­торов выполнить два трудно совместимых требования. Первое требование: повы­шение полезного угла поля зрения со стороны глаза наблюдателя, т. е. того угла поля зрения, в пределах которого аберрации окуляра достаточно малы.

Второе требование: достижение большого удаления выходного зрачка зри­тельной трубы от последней поверхности окуляра. Это требование возникло в оп­тических приборах, работающих на подверженных тряске или вибрирующих платформах (в самолетах, танках). В особенности важным оно является в прицелах, устанавливаемых на огнестрельном оружии. Во всех этих случаях недоста­точно большое удаление выходного зрачка может привести к травме глаза наблю­дателя. Кроме того, ко многим военным приборам предъявляется требование, что бы ими можно было пользоваться, не снимая противогаза. Опыт показывает, что при помещения защитного стекла противогаза между окуляром и глазом удаление выходного зрачка должно быть не менее 21 мм. Требование большого удаления выходного зрачка также приводит к усложнению оптической конструкции окуля­ра, препятствуя при этом достижению больших углов поля зрения.

Поэтому, приводя ниже окуляры разных типов, будем указывать для каждого окуляра две характеристические величины: угол 2β’ поля зрения со стороны глаза наблюдателя и отрезок S´_F от последней поверхности окуляра до его заднего фокуса. При этом будем полагать, что выходной зрачок находится недалеко от заднего фокуса окуляра. На рис 2.3.2 показаны наиболее распространенные типы окуляров.

Из низ самым простым является окуляр Рамсдена (рис 2.3.2, а). Он состоит из двух плосковыпуклых линз, обращенных друг к другу выпуклыми сторонами. Хроматические аберрации, сферическая аберрация, кома, кривизна изображения и дисторсия не поддаются исправлению; астигматизм можно хорошо исправить, варьируя расстояние между линзами. Качество изображения не удовлетворяет современным требованиям, вследствие чего окуляр Рамсдена, являющийся родоначальником многих современных окуляров, почти совсем не применяется в настоящее время. В этом окуляре 2β’=40˚; S´_F =5÷6 мм (отрезок S´_F во всех окулярах приводится при фокусном расстоянии f ´=20 мм). Константа в формуле (2.3.3) равна 0,364. Окуляр Рамсдена применяется в простых геодезических приборах.

Рис. 2.3.2

Окуляр Кельнера (рис. 2.3.2, б) отличается тем, что его глазная линза сделана склеенной из двух стекол (положительная – из крона, отрицательная – из флинта). Первоначально оба стекла имели равные показатели преломления, удалось исправить дополнительно к хроматизму еще и сферическую аберрацию. Характеристические величины этого окуляра почти такие же, как и в окуляре Рамсдена: 2β’=45 ˚, S´_F =8 мм. Константа в формуле (2.3.3) равна 0,414.

Коррекцию полевых аберраций окуляра Кельнера можно существенно исправить, если отказаться в нем от плоских преломляющих поверхностей, заменив их выпуклыми поверхностями. Таким образом, был создан получивший широкое распространение окуляр призменного бинокля фирмы «Карл Цейс» (рис. 2.3.2, в). Его характеристики: 2β’= 50°; S´_F = 10 мм. Константа в формуле (2.3.3)равна 0.466.

Окуляр Эрфле первого рода (рис. 2.3.2, г) можно рассматривать как дальнейшее развитие окуляра Рамсдена. От окуляра Кельнера он отличается удво­енной глазной линзой, состоящей из двух пар идентичных склеенных линз. Это обстоятельство делает этот тип окуляра экономически выгодным при существен­ном повышении полезного угла поля зрения. Его основные характеристики: 2β’= 65˚; S´_F =10 мм. Константа в формуле (2.3.3) равна 0.637.

Окуляр Эрфле второго рода (рис. 2.3.2, д) состоит из трех компонентов. Первый компонент - менискообразный склеенный из двух стекол положительный коллектив, обращенный вогнутой стороной к полевой диафрагме. Второй - про­межуточная отдельная двояковыпуклая линза. Третий компонент - склеенная из двух стекол двояковыпуклая глазная линза. Воздушные расстояния между верши­нами поверхностей соседних компонентов составляют несколько десятых милли­метра. Эта конструкция окуляра, не будучи чрезмерно сложной, позволяет получить следующие характеристики: 2β’=72˚; S´_F=12÷15 мм. Константа в формуле (2.3.3) равна 0.727. Качество изображения достаточно хорошее по всему полю зрения, хотя дисторсия на краю поля достигает 11 %.

В середине пятидесятых годов прошлого столетия достаточно широкое применение получили конструкции широкоугольных окуляров двух типов: без асферики и с асферикой, с углами поля зрения 80, 90, 100 и 110˚. В окулярах без асферических поверхностей с целью исправления кривизны изображения вводится дополнительный отрицательный коллектив, который из-за недостатка места приходится ставить до полевой диафрагмы. Кроме того, отрицательный коллектив позволяет, несмотря на длинную конструкцию окуляра, получить не слишком малое удаление выходного зрачка. Ее характеристики: 2β’==90˚: S´_F =9 мм. Константа в формуле (2.3.3) равна 1.

Из специальных окуляров с удаленным выходным зрачком, получивших широкое применение в военных приборах в настоящее время применяются, в основном, два типа. Широким распространением пользуются симметричный окуляр (рис. 2.3.2, е). Он не имеет коллектива и состоит из двух идентичных, но расположенных симметрично глазных линз, склеенных из двух стекол; расстояние между линзами - порядка 0,2 мм В этом окуляре хорошо исправлены астигматизм и дисторсия, но не поддается коррекции кривизна изображения. Отсутствие положительного коллектива приводит к увеличению удаления выходного зрачка. Характеристики окуляра: 2β’=50˚; S´_F =17 мм. Константа в формуле (2.3.3) равна 0,466.

Еще более значительное удаление выходного зрачка обеспечивает окуляр с удаленным выходным зрачком, примененный в полевом призменном бинокле фирмы «Карл Цейс». Этот окуляр (рис. 2.3.2, ж) довольно сложен по своей конст­рукции и обладает отрицательным коллективом, склеенным из двух стекол. Отри­цательный коллектив полезен как для получения большого удаления выходного зрачка, так и для исправления кривизны изображения. Кроме того, в состав этого окуляра входят склеенная из двух стекол собирательная промежуточная линза и простая плосковыпуклая глазная линза, обращенная к глазу плоской поверхно­стью. Характеристики этого окуляра: 2β’= 50°;S´_F =21 мм. Константа в формуле (2.3.3) равна 0.466.

Т.о. конструктор новых оптических приборов располагает достаточно широ­ким выбором окуляров, начиная от простых и недорогих в изготовлении и кончая очень сложными и дорогими, но обладающими высокими оптическими характе­ристиками.