Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Чуриловский В.Н. Общая теория оптических приборов

.pdf
Скачиваний:
58
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
6.68 Mб
Скачать

Второй случай имеет место, если материальная диафрагма нахо­ дится в пространстве изображений. Тогда она является выходным зрачком, а ее изображение через всю оптическую систему в обратном ходе лучей — входным зрачком.

Третий случай, если материальная диафрагма находится внутри оптической системы, в одном из междулинзовых ее промежутков; здесь входным зрачком является изображение ее в обратном ходе через предшествующую часть оптической системы, а выходным зрачком — изображение этой же диафрагмы в прямом ходе лучей через следующую за ней часть оптической системы.

Материальная диафрагма, которая ограничивает пучки лучей, исходящие из отдельных точек предмета, называется апертурной

диафрагмой. Эта диафрагма определяет собой отверстие входящих в оптическую систему пучков лучей. Необходимо отметить довольно часто встречающийся случай, при котором апертурная диафрагма находится в пространстве изображений. Это имеет место в визуаль­ ных приборах, работающих непосредственно совместно с челове­ ческим глазом. Роль апертурной диафрагмы здесь часто играет зра­ чок глаза, помещающийся за прибором, где он и ограничивает ширину проходящих через прибор пучков лучей.

Возьмем хотя бы такой случай, когда предмет рассматривается через увеличительное стекло и помещается возле его переднего фокуса. Само увеличительное стекло имеет обычно довольно большие размеры; за ним помещается глаз наблюдателя.

На фиг. 28 показан зрачок глаза в виде узкого отверстия (диаметр зрачка глаза человека при ярком освещении равняется 2 мм).

Если осевая точка предмета находится в переднем фокусе F, то пучок лучей, исходящий из этой точки, после прохождения через увеличительное стекло превратится в параллельный пучок

лучей.

Совершенно понятно, что здесь не оправа увеличительного стекла ограничивает такого рода пучки, а именно зрачок глаза, поэтому зрачок глаза наблюдателя является в то же время выходным зрачком этого прибора и апертурной диафрагмой.

59

Фиг. 29. Ограничение поля зрения оптического прибора входным люком.

Случаи, когда апертурная диафрагма помещается в пространстве предметов, тоже встречаются нередко. Так, в некоторых зрительных трубах апертурной диафрагмой (и входным зрачком) служит оправа объектива.

Никогда, даже в самых простых оптических приборах не бывает чтобы в приборе была всего только одна материальная диафрагма, их всегда имеется несколько. Если взять даже лупу, когда весь прибор состоит из одной линзы, то и здесь имеется все же не одна диафрагма, а две: зрачок глаза наблюдателя и оправа, ограничи­

вающая отверстие линзы. Вообще говоря, в лю­ бом оптическом приборе имеется целый ряд мате­ риальных диафрагм. Можно сказать, что лю­ бой оптический прибор представляет собой сово­ купность ряда линз и ряда диафрагм, причем диа­ фрагмы эти бывают двух родов. Это могут быть спе­ циально предусмотренные конструктором диафрагмы в виде отверстий в метал­ лических пластинках или

же оправы самих линз. На фиг. 29 показано

только пространство пред­ метов; пространство изо­ бражений показывать нет надобности, поскольку там все происхо­

дит точно так же, как в пространстве предметов.

Пусть осевая точка предмета лежит в точке А. Обозначим далее осевую точку входного зрачка буквой С. Предположим, что кроме входного зрачка имеется еще одна диафрагма в пространстве пред­ метов.

Из точки А выходит пучок, заполняющий светом все отверстие входного зрачка. Совершенно очевидно, что для этого пучка новая

• диафрагма никакой роли не играет; имеется она или нет, от этого ход лучей пучка не изменится.

Однако для внеосевых точек предмета дело обстоит иначе. Если точка А поднимется вверх над оптической осью, то, очевидно, и пучок тоже поднимется. Вскоре наступит такое положение пучка, при котором верхний край пучка коснется края новой, введенной здесь диафрагмы. Проведя такой крайний луч пучка, определим положение точки Ах.

Представим себе весь пучок, исходящий из этой точки, и главный луч этого пучка. Этот пучок еще не срезан новой диафрагмой. Значит в пределах от А до Ах через оптический прибор пройдет полностью весь пучок, заполняющий все отверстие входного зрачка прибора.

60

Если еще приподнять точку Ах, то заметим, что верхний край новой диафрагмы врежется в этот пучок и начнет постепенно срезать его. Можно найти такое положение А 2 точки предмета, при котором поло­ вина пучка будет срезана. Это будет иметь место в тот момент, когда главный луч пучка коснется верхнего края новой диафрагмы.

Проведем главный луч пучка через точку С и через верхний край новой диафрагмы; этот главный луч определит собой положение точки Л 2 на плоскости предметов, для которого половина пучка будет срезана этой диафрагмой и не попадет в оптическую систему.

Если предметная точка под­

нимется еще выше, то срежется

еще большая часть пучка лучей,

и в конце концов можно найти

такое положение Л3 этой

точки

на плоскости

предметов, при ко­

тором свет от

этой точки уже не

сможет проникнуть через оптиче­

ский прибор. Такое положение

возникнет тогда, когда нижний

крайний луч пучка коснется верх­

него края введенной новой' диа­

фрагмы. В этом случае через си­

стему пройдет

только один

луч,

и количество

световой энергии,

проходящей через оптическую си­

стему, будет равно нулю.

на плоскости изображений при нали­

При дальнейшем удалении точ­

чии затемнения.

ки А3 от оси системы положение

 

не изменится: свет не сможет и дальше проникнуть через оптическую систему прибора. Вследствие этого поле зрения оптического прибора

оказывается ограниченным, причем падение

освещенности про­

исходит постепенно. Рассмотренную диафрагму,

расположенную

в пространстве предметов и ограничивающую

поле

зрения оптиче­

ского прибора, называют входным люком.

Таким образом можно убедиться, что существует некоторая сред­ няя часть предметной плоскости, для которой получается полная освещенность. Затем начинается кольцеобразная зона, в пределах которой освещенность постепенно падает от полной освещенности на внутреннем крае до полной темноты на внешнем крае этой зоны. Это явление постепенного срезания пучков, и вследствие этого посте­ пенного падения освещенности, называется затенением. В специаль­ ной литературе можно встретить также и другой термин — винье­

тирование.

Посмотрим, какие явления вызывает затенение на плоскости изображений. Рассмотрим плоскость изображений (фиг. 30). В ее центре лежит точка А', сопряженная с осевой точкой предмета. Вертикальная линия, проведенная через точку А', представляет собой след меридиональной плоскости, совпадающей с плоскостью фиг. 29. Точка А} изобразится точкой А[. В пределах от точки А'

61

до точки А' не происходит срезание пучков лучей, поэтому полная освещенность наблюдается внутри окружности, описанной вокруг точки А радиусом, равным А'А'Г К любой точке внутри этой окруж­

ности приходят пучки лучей, заполняющие все отверстие входного зрачка. За пределами этой окружности начинается затенение, т. е. в точки, лежащие за пределами этой окружности, попадают пучки лучей, не заполняющие все отверстие входного зрачка и поэтому света здесь будет (по мере удаления от этой окружности) все меньше и меньше.

Если представить себе изображение Л' точки А3 и провести из центра А' окружность радиусом, равным А ’Л', то на этой окруж­

ности освещенность изображения падает до нуля и за нею начинается уже полная темнота.

Таким

образом,

на плоскости изображений можно различать

три зоны:

круглую

центральную зону /, кольцеобразную зону II

и третью

зону III,

простирающуюся до бесконечности. При этом

в первой зоне наблюдается полная освещенность, во второй зоне происходит постепенное падение освещенности от полной освещен­ ности на внутренней границе зоны до полной темноты на ее внешней границе, а в третьей зоне — полная темнота. Вторая зона называется зоной затенения. Наличие затенения следует считать известным дефек­ том оптического прибора. При наличии затенения трудно практи­ чески пользоваться той частью изображения, в которой освещенность становится низкой. Поэтому желательно, чтобы зона затенения была бы по возможности уже или чтобы она вообще отсутствовала. Перед конструктором оптических приборов возникает задача устра­ нения затенения в оптических приборах, которая принципиально разрешима.

Если точка предмета Л передвигается вверх от оптической оси, то пучок лучей, исходящих из этой точки, срезается постепенно краем диафрагмы. Очевидно, что если бы пучок был уже, то он сре­ зался бы быстрее, и ширина зоны затенения стала меньше. По чер­ тежу легко установить, что пучок становится более узким в направ­ лении к предмету. Поэтому выгодно перемещать (если конструктор это может сделать) диафрагму, вызывающую затенение, т. е. входной люк, в сторону предмета. В том случае, если входной люк совпадет с плоскостью предмета, поперечное сечение пучка лучей станет рав­ ным нулю. Пересечение пучка краем диафрагмы будет происходить мгновенно. Если эта точка находится внутри входного люка, все лучи, заполняющие входной зрачок, пройдут беспрепятственно, либо, если эта точка зашла за край диафрагмы, сразу окажутся сре­ занными все лучи. Желательно, чтобы входной люк совпадал с пло­ скостью предметов; тогда явление затенения полностью устраняется, и ширина второй зоны на плоскости изображения равна нулю.

Относительно люков оптического прибора следует сказать то же самое, что выше было отмечено относительно зрачков, т. е. если построить изображение входного люка через весь прибор, то это изображение будет также ограничивать поле зрения в пространстве

62

Изображений, как входной люк выполняет это в пространстве пред­ метов. Поэтому изображение входного люка носит название выход­ ного люка оптического прибора.

Не обязательно, чтобы

материальная

диафрагма

совпадала

со входным люком. Так же,

как и в случае

зрачков,

могут

быть

три вида расположения материальной диафрагмы: либо она

сов­

падает со входным люком, тогда выходным люком будет служить оптическое изображение этой диафрагмы; либо она лежит в простран­ стве изображений и служит там выходным люком, тогда входным люком будет служить ее изображение в обратном ходе через всю оптическую систему, совершенно так же, как это было и со зрачком. И возможен еще третий случай, когда материальная диафрагма нахо­ дится в одном из междулинзовых промежутков; тогда ни во входном люке, ни в выходном нет материальной диафрагмы. И тот и.другой являются лишь оптическим изображением материальной диафрагмы, заключенной внутри оптической системы. Сама материальная диа­ фрагма, которая ограничивает поле зрения .оптического прибора,

называется полевой диафрагмой.

Таким образом, различаются два типа действующих диафрагм в оптических приборах: апертурная диафрагма и полевая диафрагма. Апертурная диафрагма ограничивает ширину пучков, исходящих из отдельных точек предмета, а полевая диафрагма ограничивает поле зрения оптического прибора, причем поле зрения срезается постепенно, с наличием зоны постепенного падения освещенности, зоны затенения. Эта зона существует в том случае, если входной люк не совмещен с плоскостью предметов.

Такое совмещение может быть осуществлено в тех случаях, когда полевая диафрагма находится в междулинзовом промежутке внутри оптической системы. Если в этом междулинзовом промежутке имеется промежуточное изображение предмета, то достаточно сов­ местить полевую диафрагму с плоскостью этого промежуточного' изображения предмета. Тогда изображение диафрагмы в обратном ходе лучей совпадет с плоскостью предметов, и условия для устране­ ния затенения будут осуществлены.

Например, в полевом призменном бинокле поле зрения ограни­ чено резко, зона затенения там полностью отсутствует. В пределах всего поля зрения наблюдается полная освещенность, а за границей поля зрения сразу наступает полная темнота. В этом приборе осуще­ ствлено требование устранения затенения и входной люк совмещен с плоскостью предмета, для этого полевая диафрагма лежит в той плоскости, где получается промежуточное изображение рассматри­ ваемых через бинокль далеких предметов.

Иначе обстоит дело в театральном бинокле. Театральный бинокль обладает упрощенной конструкцией, имеющей тот недостаток, что

внем не возникает промежуточного действительного изображения

вмеждулинзовом промежутке. Здесь невозможно поставить полевую диафрагму так, чтобы она совпадала с плоскостью промежуточного изображения предмета, а значит и невозможно совместить входной люк е плоскостью предмета. Поэтому в театральном бинокле всегда

63

наблюдается наличие зоны затенения и нерезкое ограничение поля зрения. С этим дефектом театрального бинокля можно примириться, если учесть экономическую выгоду применения в нем упрощенной оптической системы: его стоимость почти в десять раз ниже стоимости полевого призменного бинокля.

Нужно сказать, что трудно удовлетворить техническим требо­ ваниям, предъявляемым к современным оптическим приборам, если потребовать полного отсутствия затенения в оптических приборах. Пришлось бы значительно увеличить поперечные габариты дета­ лей оптических приборов. Поэтому в практике оптического прибо­ ростроения допускается затенение в 50%, т. е. допускается срезание половины крайнего пучка так, как показано на фиг. 30 у точки А г.

Фиг. 31 Поперечное сечение на-

Фиг. 32. Положение апертурной

клонного пучка лучей в плоскости

диафрагмы в случае фотообъектива

входного люка при 50% затемнения.

простой конструкции.

Это практически позволяет значительно уменьшить поперечные габариты оптических приборов, что очень важно, в особенности для военных оптических приборов, которые должны быть легкими и небольшими по своим размерам. Поэтому 50% затенения считается допустимым.

Практика показывает, что глаз человека мало чувствителен к паде­ нию освещенности у края поля зрения и вообще не обнаруживает падения освещенности, когда оно составляет 50%. Следует отметить, что для точки А 2 падение освещенности даже несколько больше 50%.

Пусть ход лучей рассечен плоскостью, перпендикулярной к опти­ ческой оси и совпадающей с плоскостью входного люка (фиг. 31). Большая окружность на рисунке представляет собой отверстие вход­ ного люка. Малая окружность — поперечное сечение в той же пло­ скости пучка, исходящего из точки А ъ (фиг. 29). Главный луч такого пучка проходит через край входного люка и изображается точкой М. При этом пройти через оптическую систему может, очевидно, только та часть пучка, которая лежит внутри отверстия входного люка. Следовательно, вся верхняя (заштрихованная) часть пучка срезана входным люком.

64

Из фиг. 31 видно, что площадь срезанной части сечения пучка больше половины его полного (круглого) поперечного сечения. Этого обстоятельства на практике не учитывают, а считают, что для точки А 2 затенение составляет примерно 50%, что оказывается практически вполне удовлетворительным.

Поэтому принято поле зрения оптических приборов ограничи­ вать именно положением точки А 2, для которой срезается примерно полпучка.

Предположим, что имеется готовый оптический прибор и известны данные его конструкции. Рассмотрим, как определить в этом приборе положение входного и выходного зрачков, входного и выходного люков, апертурной и полевой диафрагм.

Как сказано выше, любой оптический прибор можно рассматри­ вать, как совокупность ряда линз и ряда материальных диафрагм.

Возьмем для примера трехлинзовый фотографический объектив, часто применяемый на практике, так называемый триплет. Каждая линза оправлена при помощи металлической оправы (на фиг. 32 оправы линз показаны схематически). Между второй и третьей лин­ зами помещается специальная ирисовая диафрагма, служащая апертурной диафрагмой объектива.

Для того чтобы определить положение зрачков и люков в такой оптической системе, целесообразно сначала оптически спроектиро­ вать все материальные диафрагмы этой системы в пространство пред­ метов. Следует помнить, что материальными диафрагмами служат не только специально поставленные диафрагмы, но и все оправы

линз. Оптически спроектировать — это значит найти

положение

и величину изображений этих диафрагм в обратном

ходе лучей

в пространстве предметов. Проще всего это сделать для оправы первой линзы, так как она сама находится в пространстве предметов и ее поэтому проектировать не нужно. Дальше следует найти изобра­ жение оправы второй линзы через первую линзу в обратном ходе лучей. Построив изображение оправы второй линзы через первую линзу, получим еще одну диафрагму в пространстве предметов. Продолжая таким же образом, строим изображения всех имеющихся в данной системе диафрагм, в том числе — всех оправ линз в про­ странстве предметов, пользуясь обратным ходом лучей. В простран­ стве предметов получится целая серия различных диафрагм; одни могут оказаться мнимыми, другие — действительными; одни могут оказаться большими, другие — малыми.

Дальше следует оперировать с этими оптическими проекциями всех диафрагм в пространстве предметов, не учитывая линз прибора.

На фиг. 33 для примера показаны три диафрагмы, хотя их может быть и больше. Приступим непосредственно к определению поло­ жения входного зрачка, для чего осевую точку А предмета соединим лучами с краями всех диафрагм, расположенных в пространстве предметов, и заметим ту диафрагму, которая видна из осевой точки предмета под наименьшим углом зрения; она и является входным зрачком и ограничивает пучок лучей, идущих из точки А.

5

Чуриловский

677

65

Далее можно указать и материальную диафрагму внутри опти­ ческой системы, сопряженную с найденным входным зрачком, кото­ рая ограничивает пучки и является, следовательно, апертурной диафрагмой.

Для выяснения положения входного люка поступают следую­ щим образом. Точку С, центр входного зрачка, положение которого уже найдено, следует соединить прямыми с краями всех остальных действующих диафрагм. Диафрагма, которая видна из центра вход­ ного зрачка под наименьшим углом, является входным люком. Определим материальную диафрагму, расположенную внутри опта-

1 .

Фиг. 33. Определение положения входного зрачка и входного люка оптического прибора.

ческого прибора, сопряженную со входным люком. Эта материальная диафрагма и является полевой диафрагмой оптической системы.

Следует отметить случай, часто встречающийся на практике и требующий некоторого изменения указанных правил построения. Это случай, когда предмет находится на бесконечности. Тогда все диафрагмы видны из точки А под углом, равным нулю, потому что лучи из бесконечно удаленной точки А идут параллельно опти­ ческой оси. Указанное выше правило нужно теперь заменить другим: входным зрачком является в рассматриваемом случае та диафрагма, которая имеет наименьший диаметр.

Положение входного зрачка и входного люка может переноситься с одной диафрагмы на другую при перемещении точки А вдоль оптической оси. С такими скачками входного зрачка приходится иногда считаться при реальном конструировании оптических прибо­ ров, предназначенных для наблюдения как далеких, так и близких предметов.

4. ПЕРЕДАЧА ПЕРСПЕКТИВЫ ОПТИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ

Центр входного зрачка прибора имеет особенное значение. В цен­ тре С входного зрачка пересекаются все главные лучи, несущие изображение предмета. Эта точка является поэтому центром пер-

66

сйективы в Пространстве предметов. Подобным же образом и центр выходного зрачка является центром перспективы в пространстве изображений. В зависимости от расположения центра входного зрачка относительно предмета меняется характер перспективы, вследствие чего оптические приборы могут в известных случаях искажать перспективу. Это, действительно, имеет место во многих случаях; необходимо соблюдать некоторые особые меры для того, чтобы такие искажения не происходили. Известно, например, что неопытный фотограф иногда делает снимки с очень неудачной, неестественной перспективой. Так, вытянутая вперед у фотографи­ руемого человека рука кажется на снимке громадной по сравнению

Вых зр.

Фиг. 34. Нормальная перспектива при наблюдении через лупу.

с самим человеком. В таких неудачах виноват не фотоаппарат, а фотограф, который неудачно выбрал положение центра перспек­ тивы, т. е. положение входного зрачка во время съемки. Но бывает и так, что положение входного зрачка не зависит от наблюдателя; тогда в искажении перспективы виновным оказывается уже не наблюдатель, а конструктор прибора.

Покажем на простом примере, что оптический прибор может вносить сильные искажения при передаче перспективы.

Рассмотрим случай наблюдения небольшого пространственного

предмета

через лупу или увеличительное стекло, показанное

на фиг.

34 в виде отдельной линзы в воздухе.

За линзой располагается глаз наблюдателя, рассматривающего предмет. Зрачок глаза наблюдателя в этом случае ограничивает проходящие через систему лучи и является поэтому апертурной диафрагмой и выходным зрачком. Центр выходного зрачка лупы обозначен буквой С'. Предположим сначала, что точка С' лежит между самой лупой и ее задним фокусом.

Пространственный предмет, который рассматривается через уве­ личительное стекло, обычно находится возле его переднего фокуса F. Представим его в виде двух предметов ух и у г равной величины, но находящихся на различных расстояниях от увеличительного стекла. При этом пусть предмет ух лежит в передней фокальной

67

плоскости лупы. Рассмотрим ход главного луча, который проходит в пространстве предметов через внеосевой конец предмета ух, а в про­ странстве изображений — через точку С'. Для того чтобы построить ход такого луча, предположим, что главные плоскости лупы совме­ щены. Проведем сначала вспомогательный луч, соединяющий вер­ шину этого предмета ух с главными точками линзы. Известно, что параллельно этому направлению пройдет и главный луч в простран­ стве изображений; достаточно провести его через точку С' парал­ лельно направлению вспомогательного луча. После такого построе­ ния легко провести на чертеже и соответственный луч в пространстве предметов. Центр С входного зрачка, очевидно, расположен там,

Фиг. 35. Случай телецентрической перспективы при наблю­ дении через лупу.

где главный луч пересекает оптическую ось. Входной зрачок оказы­ вается вынесенным назад и может помещаться за головой наблюда­ теля.. Перспектива будет несколько изменена благодаря тому, что предмет виден в такой перспективе, в какой он представляется из точки С, находящейся за головой. Наблюдаемое искажение незна­ чительно.

Можно построить ход главного луча, проходящего через вер­ шину предмета у 2, находящегося от линзы дальше, чем предмет у.. Этот луч, очевидно, проходит через точку С в пространстве пред­ метов, а после преломления в линзе направится в точку С'. Из фиг. 34 видно, что предмет, более близкий к увеличительному стеклу, виден из центра С' зрачка глаза под большим углом, а более удаленный предмет — под меньшим углом зрения. Таковы обычные условия перспективы при отсутствии оптического прибора. Вследствие этих условий перспективы, чем дальше от наблюдателя предмет, тем меньше угол зрения, под которым он видит этот предмет. При наблю­ дении через лупу создается такой же эффект.

Рассмотрим несколько иное расположение глаза наблюдателя относительно лупы (фиг. 35).

Предположим, что глаз наблюдателя отодвинулся от увеличитель­ ного стекла и находится у его заднего фокуса F'. Точка С' совпадает

68

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ