5.4.2. Оптическая система и ее характеристики

Основой ОЛС является совокупность оптических деталей (линз, зеркал, призм и т.д.) образующих изображение предметов на фотоприемнике, получившая названиеоптической системы. В оптической системе принято различать пространство предметов - область, в ко­торой ра­с­положены объекты, и пространство изображений - область, в которой размещается изо­бражение. Важней­шим элементом оптической системы является линза (рис. 5.63). В зависимости от комбинации образующих линзу поверхностей (вы­пуклой, вогнутой и плоской) различают более 10 типов линз. Наиболее распространенные типы линз имеют сферические сопрягаемые поверхности. В отдельных слу­чаях для луп, конденсоров, светофильтров и т.д. ис­поль­зуют линзы Френеля, обладающих ступен­чатой по­вер­хностью. (Минимальный размер ступенек составляет  0,01 мм). Линзы Френеля выполняют методом прессования из пластмасс, что существенно снижает их стоимость.

Одной из самых совершенных оптических систем является глаз человека, состоящий из двух линз - роговицы и хрусталика, которые разделены слоем так называемой водянистой влаги (рис.5.64). Пространство изображений совпадает с сетчаткой глаза, на которой образуется действительное перевернутое изображение. Наивысшая острота зрения при дне­вном освещении дос­тигается в области сетчатки, называемой центральной ямкой. В центральной ямке находится «желтое пятно», где концентрация цветовых рецепторов максимальна. Хрусталик является двояковыпуклой линзой (радиусы поверхностей в спокойном состоянии10 и 6 мм). Заднее фокусное расстояние в процессе работы изменяется  на 20%, варьируя, тем самым, и оптическую силу глаза. Это свойство глаза получило название аккомодации. Объ­емом (силой) аккомодации называют величину равную расстоянию между ближней и дальней точками ясного зрения. Он приблизительно соответствует 11 дп. (К 50 годам объем аккомодации уменьшается до 2,5 дп.).

Главными характеристиками оптической системы являются: мас­штаб изображения, светосила, по­ле зрения и разрешающая способность.

Масштаб  есть отношение величины изобра­жения к величине предмета: = l’/l (рис.5.63). Для определения масштаба используются упрощен­ные зависимости. Так, если предмет расположен вдали, то  находится как от­ношение фо­кусного рассто­яния системы F к рассто­я­нию до объекта, если же вблизи (как, например, в микроскопах) - то через линейное увеличение, т.е. отношением l’/l (рис.5.65).

Светосилой S_F называется отношение освещенности ’ изображения, создаваемой данной оптической системой к яркости пре­дмета:

S_F = ’/ L.

Обычно яркость предметаL принимают постоянной, тогда освещенность изображения ’ (отношение све­то­вого потока, прошедшего через линзы к площади изобра­же­ния) и будет являться параметром, определяющим светосилу оптической системы.

Яркость изображения L’ связана с яркостью пре­­д­ме­та L соотношением:

где n, n’ - показатели преломления оптических сред, m - коэффициент пропускания света.

Полем зрения называется та часть пространства предметов, которая видна или изображается с помощью данной оптической системы. Поле зрения измеряется в угловой и линейной мерах (например, 60^о - для проекционных объективов или 0,5 мм - для микроскопов). Величина поля зрения зависит от апертуры и огра­ни­чи­ва­ет­ся полевой диафрагмой.

Глаз имеет большой угол зрения  125⁰ по вертикали и  150⁰ - по горизонтали. Однако, область резкого зрения, ограниченная желтым пятном, не превышает 6 ... 8⁰ (рис.5.64). Угол «качественного стереозрения» человека составляет  60 ... 70⁰.

Апертурой (от латинского «от­кры­тый») называется действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз и диафрагмами (рис. 5.66). В расчетах чаще всего используется угловая апертура , под которой понимают угол между крайним лучом первой линзы и ее оптической осью.

Разрешающая способность связана со свойством оптической си­с­темы, воспроизводить раздельно две точки. Она также может определяться в угловых _р и линейных K единицах. В первом случае справедлива при­ближенная формула Рэлея:

Здесь d - диаметр входного зрачка.

Разрешающая способность определяется с помощью тест-объ­ек­тов, называемых мирами. Различают штриховые миры (миры Фуко) и радиальные.

Разрешающая способность глаза зависит от диаметра зрачка (1,5 ... 8 мм) и растет с увеличением последнего. Она максимальна при освещенности  50 лк и длины волны излучения  равной 0,55 мкм. В среднем _р составляет 1’, однако, может достигать 10.