ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Оптические системы, предназначенные для наблюдения сильно удаленных предметов, называются телескопическими. Их отличительным оптическим свойством является то, что в систему лучи поступают в виде параллельных пучков и выходят из системы также в виде параллельных пучков. Эти системы применяются для визуального наблюдения предметов. Предметы наблюдаются в виде изображений, образованных оптической системой, под знаительно большими углами, чем при рассмотрении их невооруженным глазом. Вследствие этого происходит искажение перспективы. Все предметы представляются приближенными к наблюдателю, а пространство предметов сжатым по направлению наблюдения.

Простейшая телескопическая система состоит из двух элементов: объектива и окуляра. Чтобы удовлетворить условию параллельности сопряженных пучков лучей в пространстве предметов и в пространстве изображений, необходимо, чтобы задний фокус объектива совпадал с передним фокусом окуляра. Оптическая длина такой системы равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра.

Если в качестве окуляра применена положительная оптическая система (например, симметричный окуляр), то такая оптическая система, дающая обратное изображение, называется системой Кеплера. К таким системам относятся зрительные трубы геодезических и астрономических инструментов. Ход лучей в такой системе показан на рис. 83. Объектив является входным зрачком. Он образует изображение величиной 21' в передней фокальной плоскости окуляра. Выходной зрачок системы расположен за окуляром. Глаз наблюдателя, помещенный в выходном зрачке, сможет рассмотреть все изображение, так как через выходной зрачок проходят все пучки лучей. Если в качестве окуляра применена отрицательная оптическая система, то такая система называется системой Галилея. Она имеет применение в театральных биноклях. Ход лучей в тонкой системе Галилея показан на рис. 84. Такая система дает прямое изображение, отличается малым полем зрения и имеет вследствие этого ограниченное применение.

Оптическая схема простой зрительной трубы

Ее преимуществом является сокращение длины, что наглядно показано на рис. 85. При одинаковых фокусных расстояниях объектива и окуляра система Галилея короче системы Кеплера на два фокусных расстояния окуляра.

Оптическая схема театрального бинокля

Главными оптическими характеристиками телескопической системы являются: 1) видимое увеличение Г; 2) поле зрения 2w; 3) диаметр выходного зрачка D'.

Сравнение длин зрительных труб

Обычно знак минус в формуле видимого увеличения опускается. Видимым увеличением телескопической системы называется отношение диаметра входного зрачка к диаметру выходного зрачка.

Обычно знак минус в формуле видимого увеличения опускается.Видимым увеличением телескопической системы называется отношение диаметра входного зрачка к диаметру выходного зрачка.

Диаметр входного зрачка выбирается из условия разрешающей способности (40,2), а диаметр выходного зрачка - из условия видимого увеличения (54,2). Поле зрения телескопической системы ограничивается полем зрения окуляра. Принимая за наибольшее угловое поле зрения окуляра 2w'=100°, получим возможный угол поля зрения системы

tg wмакс = tg 50°/Г.

Однако следует иметь в виду, что в некоторых случаях, поступаясь качеством изображения, применяют окуляры и с полем зрения до 2w'= 140°.

Оборачивающая система

При рассмотрении необходимой разрешающей способности зрительных труб надо учитывать разрешающую способность глаза. За разрешающую способность глаза обычно принимают 60", хотя исследования указывают на значительно большие возможности глаза. Так, например, глаз различает черные штрихи на белом фоне даже в том случае, когда их угловая величина достигает 6". Исходя из формулы (23,1), запишем необходимую разрешающую способность зрительной трубы (в секундах)

Ψ = 60/Г   (54,4)

Учитывая формулу (51,3), получаем зависимость между диаметром входного зрачка и видимым увеличением зрительной трубы, т. е. формулу полезного увеличения зрительной трубы

Гп = 0,5D.   (54,5)

Полезным увеличением называется то наименьшее увеличение зрительной трубы, при котором разрешающая сила объектива может быть полностью использована глазом наблюдателя.

В действительности для геодезических зрительных труб, для которых особенно важно полное использование разрешающей способности глаза, между диаметром входного зрачка и видимым увеличением существует в среднем зависимость (по данным зрительных труб СССР и Германии)

Гп = 0,74D.  (54,6)

Оценку разрешающей способности телескопических систем всегда производят в угловой мере. На рис. 86 показана характеристическая кривая разрешающей способности главной трубы триангуляционного теодолита, измеренная при наблюдении без фильтра. Асимметрия кривой разрешающей способности является показателем нарушения центрированности оптической системы.

В табл. 7 указывается разрешающая способность некоторых отечественных приборов в центре поля.

таблица 7

Длина простой зрительной трубы равна

L=f'о6 + f'ок. (54,7)

Если оптическая система должна быть длинной (цистоскоп, перископ, смотровые трубки и т. п.), то между объективом и окуляром помещают оборачивающие системы. Они предназначаются для поворота изображения на 180° вокруг оптической оси и удлинения хода лучей в приборе. Применяются линзовые оборачивающиеся системы двух типов, однообъективные и двухобъективные (рис. 87). В двухобъективной системе между объективами лучи идут в виде параллельных пучков. Длина однообъективной системы равна

Loc = —a + a'.

Длина двухобъективной системы равна

Loc=-f1 + d + f2.

Таким образом, общая длина телескопической системы, включающей оборачивающие системы, определяется уравнением

L =f'об+Σ Lос+f'ок (54,8)

Каждую оборачивающую систему можно характеризовать линейным увеличением. Оборачивающие системы влияют на видимое увеличение всего прибора. Если β1, β2, β3, βk — линейные увеличения оборачивающих систем, то видимое увеличение может быть найдено по формуле

Видимое увеоичение

Сложные зрительные трубы вместо оборачивающих линзовых систем (рис. 88) могут иметь и призменные оборачивающие системы (например, призменный бинокль).

Призменный бинокль

Габариты телескопической системы определяются длиной и диаметром. Длина системы зависит от фокусных расстояний объектива, окуляра, объективов оборачивающих систем и расстоянии между объективами оборачивающих систем. Диаметр системы зависит от относительных отверстий, углов поля зрения, коэффициента виньетирования и положения зрачков.

Расчету габарита предшествует составление технических условий на систему. Кроме основных характеристик в технические условия включаются требования к виду изображеиия (прямое или обратное), длине системы, наличию качающихся или вращающихся деталей и т. п.

Расчет габарита разделяется на две части: 1) определение фокусных расстояний компонентов и расстояний между ними; 2) расчет диаметров деталей и узлов.

Первоначально определяются фокусные расстояния всех компонентов, составляющих систему, и расстояния между ними. При расчете габарита толщины всех линзовых деталей и узлов принимаются равными нулю, тогда все линзы, объективы и окуляр изображаются в виде главных плоскостей, а отражающие призмы и пластины редуцируются к воздуху.

Покажем основы расчета габарита сложной телескопической системы, имеющей двухобъективную оборачивающую систему (рис 88). Для внесения определенности в расчет положим известным фокусное расстояние окуляра. Выбор его обусловливается соображениями удобного размещения глаза наблюдателя (например, f's=20 мм, 25 мм, 30 мм или 40 мм)

Заданными характеристиками являются 1) видимое увеличение Г, 2) поле зрения 2w, 3) диаметр выходного зрачка D', 4) длина оптической системы от объектива до окуляра L, 5) коэффициент виньетирования kw, 6) фокусное расстояние окуляра f's, 7) поло жение входного зрачка от объектива t, 8) лилейное увеличение β оборачивающей системы, равное отношению f'4 к f'3 (обычно β=-1)

Формулы для расчета габаритов

Если вычисленный диаметр объектива D1 меньше диаметра входного зрачка D, то за световой диаметр объектива принимается диаметр входного зрачка D. Диаметр окуляра определяется наибольшими высотами действительного луча, проходящего через окуляр под наибольшим углом поля зрения Определение диаметров компонентов, составляющих оптическую систему, дублируется вычислением высот и углов осевого и наклонных лучей по формулам (48,3) и (48,4) При вычислении осевого луча начальными параметрами служат

u1=0 и h1=D/2.

В результате получается uпосл=0, что является проверкой правильности выполненных вычислений (проверка телескопичности).

При определении хода наклонного пучка лучей выполняют вычисление трех лучей, верхнего, главного и нижнего, по тем же формулам. При вычислении главного луча начальными параметрами служат

tg u1 = tg w, h1 = t*tg w,

где t—расстояние от первого компонента системы (объектива) до входного зрачка. Вычисление главного луча позволяет найти расстояние от последнего компонента системы (окуляра) до выходного зрачка:

Вычисление верхнего луча

В результате вычислений всех трех последних лучей uпосл должны быть одинаковыми. Наибольшие высоты на каждом компоненте системы определяют световые диаметры (Ф=2h).

Телескопические приборы охватывают большую группу оптических приборов. В различных отраслях техники эти приборы получили свое самостоятельное развитие, обусловленное условиями эксплуатации и точностями определения тех или иных параметров.

Основными группами приборов являются: 1) астрономические, 2) геодезические, 3) зрительные трубы, 4) бинокли, 5) перископы, 6) прицелы винтовочные, 7) прицелы пулеметно-минометные, 8) прицелы танковые, 9) прицелы артиллерийские, 10) прицелы авиационные, 11) дальномеры.

Некоторые из оптических приборов настолько хорошо конструктивно отработаны, что сохраняют оптическое устройство и конструкцию на протяжении многих десятилетий. К таким оптическим приборам относится стереотруба (рис. 89), предназначенная для стереоскопического рассмотрения из-за укрытий. Подобные бинокулярные оптические приборы состоят из двух однотипных половинок для левого и правого глаза. Зрительные трубы являются составной частью многих приборов в пирометрии, фотограмметрии, гравиометрии, спектроскопии, фотометрии, гониометрии, микроскопии и т. д. Данные об окулярах некоторых зрительных труб приведены в табл. III в приложении.

Оптическая система стереотрубы