Общие технические характеристики оптических систем

Увеличение Г, диаметр входного зрачка D, диаметр выходного зрачка D’, удаление выходного зрачка от последней поверхности окуляра l, поле зрения в пространстве предметов 2ω, предел разрешения ε, светосила (эффективная светосила и геометрическая светосила),интервал диоптрийной наводки + специфические, характерные только, например, биноклей и бинокулярных зрительных труб (пластика, параллельность, разность углов наклона изображений и разность увеличений оптических каналов),которые, в основном, определяют потребительские свойства оптических приборов.

> Основным параметром любого оптического прибора является увеличение (кратность, Г) - отношение углового размера изображения малого предмета, видимого через наблюдатель-ный прибор, к угловому размеру самого предмета, видимого невооруженным глазом.

Г = tg α1/tg α2

где α1 — угол, под которым глаз наблюдателя видит изображение предмета, образованное оптической системой наблюдательного прибора;
α2 — угол, под которым предмет виден невооруженным глазом.
Зная фокусное расстояние объектива ƒоб и фокусное расстояние окуляра ƒок, увеличение наблюдательного прибора может быть определено по следующей формуле:

Г = ƒоб/ƒок.

Эта характеристика показывает, во сколько раз увеличивается видимый невооруженным глазом размер удаленного предмета при рассмотрении его через наблюдательный прибор. Другими словами, при наблюдении через наблюдательный прибор с десятикратным увеличением (10 крат), предмет на расстоянии 1000 метров будет виден таким, как его видит человек невооруженным глазом на расстоянии 100 метров.

Условно считают приборы с увеличением 6^х и меньше - малого увеличения, с увеличением 7^х — 10^х - среднего увеличения,с увеличением 12^х и больше - большого увеличения.

> Любой оптический прибор имеет входное отверстие (апертуру), выклинивающее конус световых лучей от наблюдаемого предмета. По аналогии со зрачком человеческого глаза называется входным зрачком оптического прибора.

Входной зрачок икструментально это передняя линза объектива. Характеристика входного зрачка - диаметр входного зрачкаD (диаметр передней линзы объектива, точнее, диаметр ее оправы), измеренный в мм - это диаметр наибольшего параллельного оптической оси пучка лучей, проходящего через наблюдательный прибор (за рубежом - световой диаметр объектива). Этот параметр всегда приводится в паспорте прибора и непосредственно на корпусе объектива второй цифрой в обозначениях вида 7X50, 8X30, 12X40 и т.д. Эта цифра определяет значение светового диаметра объектива (входного зрачка), в мм.

Диаметр входного зрачка D определяет количество света попадающего в глаз наблюдателя (светосила), величину полезного увеличения, вес и габариты прибора. В то же время от диаметра входного зрачка практически не зависит поле зрения наблюдательного прибора, которое определяется техническими характеристиками окуляра.

> Выходной зрачок прибора. Лучи от наблюдаемых объектов проходят в зрачок прибора, далее - через оптическую систему в окуляр, который формирует изображение объекта на некотором удалении от последней оптической поверхности окуляра. Фактически, это изображение входного зрачка, называемое в оптике выходным зрачком. Поскольку входной зрачок имеет круглую форму, то и его изображение должно иметь форму круга. Диаметр этого круга называют диаметром выходного зрачка D’.

Диаметр выходного зрачкаD’ определяют делением диаметра входного зрачка (объектива) D на величину увеличения (кратности) Г.

D’ = D/Г

Например, для биноклей и монокуляров с характеристикой 7X50 имеем:

D_вых = D_вх/Г = 50/7 = 7,14 мм.

У человека диаметр зрачка глаза в зависимости от освещенности изменяется от 2 мм в яркий солнечный день до 8 мм в темноте. Отсюда следует, что сетчатка глаза полностью используется только при совпадении размеров выходного зрачка наблюдательного прибора и зрачка глаза наблюдателя, т.е. D_вых - не более 8мм.

Практически выходной зрачок можно наблюдать, если держать оптический прибор перед собой на расстоянии наилучшего зрения 25 – 30 см и смотреть на окуляр. В центре окуляра будет виден светлый круг. Поскольку передняя линза объектива круглой формы, то и ее изображение должно быть круглым. Всякие отклонения выходного зрачка от круглой формы обусловлены дефектами прибора, как правило, из-за некачественной сборки.

> Как должен располагаться глаз относительно окуляра? Удалением выходного зрачка l - называется расстояние от вершины последней линзы окуляра до выходного зрачка наблюдательного прибора, измеренное вдоль оптической оси в миллиметрах.

> Угловое или линейное поле зрения. Поле зрения2ω - это область пространства, видимая через наблюдательный прибор. Величину поля зрения наблюдательного прибора измеренную в угловой мере (градусах, угловых минутах) называют угловым полем зрения или углом поля зрения прибора. Наибольший линейный размер в метрах, который Вы можете видеть через наблюдательный прибор на расстоянии 1000 метров, называют линейным полем зрения прибора. Значения линейного поля зрения часто приводится непосредственно на корпусе прибора, например, в виде надписи: «Поле зрения 105 м на удалении 1000 м».

Линейное поле зрения связано с угловым следующим соотношением:

A =2R tg (ω)

Размеры поля зрения наблюдательных приборов определяются конструктивными параметрами окуляра. Есть одна безусловная закономерность - чем больше увеличение (кратность) прибора, тем меньше поле зрения.

В то же время приборы одного и того же увеличения могут иметь разные поля зрения. Так, в случае приборов, имеющих одно и то же увеличение и одинаковый диаметр входного зрачка, большее поле зрения означает обычно более совершенную конструкцию, в которой используется широкоугольный сложный окуляр.

> Разрешающая способность (или разрешение) - характеристика прибора, которая определяет его возможности различать мелкие детали и получать четкое и резкое изображение наблюдаемых объектов. Характеризуется пределом разрешения ( чего? разрешающей способности) e - это наименьшее угловое расстояние между двумя точками (или штрихами) бесконечно удаленного объекта, которые еще видимы раздельно и не сливаются друг с другом. Чем меньше значение угла в угловых секундах (или больше количество штрихов (линий) на 1 мм изображения), тем выше разрешающая способность, тем более четкое и резкое изображение на выходном зрачке. Измеряется предел e в угловых секундах или числом штрихов (линий), расположенных на 1 мм (штрих/мм, линий/мм). Казалось бы, чем меньше e, тем лучше. Однако имеется разумный предел уменьшения предела e – он не должен ухудшать разрешающую способность человеческого глаза (1 угловая минута), т.е. e × Г £ 60” (угловых секунд), что будет соответствовать требования международных и европейских стандартов качества. Разрешающая способность прибора зависит также от места в поле даваемого им изображения. Она имеет наибольшее значение в центре поля изображения и сильно снижается к его краям.
В паспортных данных на прибор разрешающая способность обычно дается для центра поля изображения.

> Важным свойством любого оптического прибора является его способность пропускать через себя световой поток. Для оценки светопропускающих свойств оптического прибора используется параметр, который носит название светосила. При этом видимая яркость объектов, рассматриваемых через наблюдательный прибор, зависит от:

- потерь света в приборе;

- размеров его входного и выходного зрачков.

Соответственно, различают эффективную светосилу, учитывающую потери света в деталях прибора, и светосилу геометрическую, зависящую от размеров выходного зрачка прибора. Эффективная светосила характеризуется коэффициентом пропускания прибора, зависящего от:

-сложности устройства оптического прибора (количества и размеров оптических деталей);

-числа их отражающих поверхностей;

-качества стекла и просветления оптики.
Например, в трубке современного призменного бинокля, имеющего от 7 до 11 оптических элементов, число отражающих поверхностей достигает 12 и выше, в результате чего коэффициент пропускания имеет значения — 0,45—0,75, т.е. теряется больше половины поступающего в объектив света.
Просветление оптики. Просветление оптики это нанесение на поверхности оптических элементов специальных тонких и прозрачных покрытий с целью уменьшения потерь света в оптических приборах. Толщина слоя покрытий - порядка одной четверти длины волны света.

Для красного света измерения дают l_кр=8×10^{-7 м, а для фиолетового -} l_ф =4×10^{-7 м. Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения. Для любого цвета длина световой волны очень мала. Представьте себе среднюю морскую волну длиной в несколько метров, которая увеличилась настолько, что заняла весь Атлантический океан от берегов Америки до Европы. Длина световой волны в том же увеличении лишь ненамного превысила бы ширину этой страницы}

Непросветленная оптическая линза, имея две преломляющие поверхности, соприкасающиеся с воздухом, отражает около 10 % света, входящего в нее (А). Однослойное покрытие преломляющих поверхностей линзы уменьшает потери света до 4 % (В). Многослойными покрытиями достигают уменьшения потерь света на отражение до 1 % (С).

- Кроме уменьшения потерь света покрытия оптических элементов могут наноситься с целью отсечения и не пропускания в глаз вредных для него излучений (ультрафиолетового и инфракрасного).

Рисунок 4.1 Рубиновое покрытие на передней линзе объектива.

Рубиновое покрытие, рис.4.1наносится на переднюю линзу объектива для отсечения вредного для глаз инфракрасного излучения и выполняется в виде любого рисунка (символики) - логотипа фирмы, эмблемы. Рисунок будет виден только со стороны объектива в отраженном свете и абсолютно не виден при наблюдении через окуляр прибора. Дополнительно наблюдательные приборы могут комплектоваться сеткой для наведения на цель или для измерения углов и расстояния до цели, светофильтром для изменения спектрального состава или интенсивности оптического излучения, блендой на объективе для отсечки постороннего света.

Модели с дальномерной сеткой (Рис. 4.2) предназначены для прямого измерения расстояния до наблюдаемого объекта, если известен один из линейных размеров объекта. Дальномерная сетка имеет две вертикальные шкалы.

Рисунок 4.2 Дальномерная сетка

По левой шкале вы можете определить расстояние до объекта, если его линейный размер достигает 6 м (телеграфный столб) и более. По правой шкале вы можете определить расстояние до объекта, в случае когда его размеры соизмеримы с ростом человека – 1,75 м.

Модели с угломерной сеткой (рис. 9) более универсальны. По известным линейным габаритам объекта и определенному угловому размеру объекта вы просто измеряете расстояние до объекта.

Рисунок 4.3 Угломерная сетка

- Для оптических наблюдательных приборов обычно используют светосилу геометри-ческую (Н), которая зависит от размеров выходного зрачка прибора

В общем случае геометрическая светосила (Н) обозначается числом, равным квадрату выходного зрачка D_вых:

H = D²_вых.

Зная основные параметры оптического наблюдательного прибора, приводящиеся обычно на его корпусе, например БПЦ-8Х Х40, можно определить его геометрическую светосилу.
Для этого сначала определяют диаметр выходного зрачка:

D_вых = D_вх/Г = 40/8 = 5 мм.

Возводя эту величину в квадрат, получают значение светосилы:

Н = D²_вых = 5² = 25

. Иногда геометрическую светосилу напрямую связывают с диаметром выходного зрачка и делят приборы на следующие группы:

до 3 мм включительно - малой светосилы;

свыше 3 мм до 4,5 мм включительно - средней светосилы;

свыше 4,5 мм до 6 мм включительно - светосильные;

свыше 6 мм - высоко светосильные.

Наблюдательные приборы малой светосилы предназначены для использования в дневное время, а светосильные и высоко светосильные позволяют вести наблюдение в сумерках и даже лунной ночью.

- Сумеречное число – это параметр, применяемый для практической оценки использования прибора в сумерках или ночью применяется.
Сумеречное число (С) зависит от отношения яркости изображения предмета, даваемого наблюдательным прибором, к яркости того же предмета, рассматриваемого невооруженным глазом и определяется:
С = √(ГxD_вх)

Пример. Как выбрать бинокль для наблюдений в условиях пониженной освещенности (в сумерки и ночью).
Предположим, что мы имеем четыре бинокля с разным увеличением, но одинаковой светосилы: БПС-4Х20, БПЦ-7Х35, БПЦ-8Х40 и БПЦ-10Х50. Геометрическая светосила всех этих приборов одна и та же и равна 25 = (20/4=35/7=40/8=50/10)², а сумеречное число имеет соответственно следующие значения: 8,95 = (4Х20)^1/2; 15,65 = (7Х35)^1/2; 17,9 и 22,3.
Очевидно, что из этих четырех приборов наиболее эффективным для наблюдений в условиях пониженной освещенности будет бинокль модели БПЦ-10Х50.

- Пример условного обозначения. Например, БПЦ 7х50 означает, что это бинокль призменный с оборачивающей системой Порро, с центральным фокусирующим устройством, с увеличением 7 крат и диаметром входного зрачка (световым диаметром объектива) - 50 мм.

Делением значения диаметра входного зрачка в мм на значение увеличения определяется значение диаметра выходного зрачка: 50/7 = 7,14 мм.

Следовательно, этот бинокль относится к группе не широкоугольных (поскольку в обозначении отсутствует буква Ш), высоко светосильных биноклей среднего увеличения с не увеличенным удалением выходного зрачка (отсутствует в обозначении буква О). Высокая светосила позволяет пользоваться им не только днем, но и в глубоких сумерках и даже ночью. Если к вышеуказанному обозначению добавлена буква «с», т.е. БПЦс 7х50, то это означает, что в состав бинокля введена угломерная или дальномерная сетка

> С возможностями человеческого глаза связаны еще одна характеристика наблюдательных приборов - это интервал диоптрийной наводки (пределы фокусировки) окуляра или фокусирующего устройства оптической системы.

.Если глаз наблюдателя аметропический и его аметропия (близорукость или дальнозоркость) не исправлена очковой оптикой, то исправление этого недостатка в наблюдательных приборах осуществляется небольшим перемещением окуляра вдоль оптической оси или другого фокусирующего элемента оптической системы.

Перефокусировкой прибора достигают также резкого изображения объектов, находящихся на конечном расстоянии. Максимально достижимая перефокусировка прибора определяет наименьшее расстояние до наблюдаемого объекта.

Пределы фокусировки окуляра или фокусирующего устройства оптической системы наблюдательного прибора называют интервалом диоптрийной наводки.

· Дальность стереоскопического зрения (R) - этопредельное расстояние, на котором прекращается возможность стереоскопического восприятия объектов.

Дальность стереоскопического зрения R определяется по формуле:

R = b / η₀ · Г,

где b - базис зрения, представляющий расстояние между осями двух пучков лучей, попадающих в объективы прибора, в мм;

η₀ = 10”» 5х10^-5 рад - порог стереоскопического зрения невооруженным глазом. Считается, что для человека острота стереоскопического зрения, при котором он еще различает отдельно расположенные по глубине пространства предметы, составляет примерно 10 угловых секунд, или иначе — 4,82 • 10^-5 радиан, т.е. δ≈ 4,82 • 10^-5 рад.

Г – увеличение бинокля.

Известно, что определить радиус R стереоскопического зрения человека, имеющего глазную дистанцию (расстояние между центрами зрачков глаз) b =65 мм=0,065 м, можно следующим образом:

R = b/ η₀ = 0,065/4,82•10^-5 =1350 м.

При использовании бинокля с базой В (расстояние между оптическими осями объективов) стереоскопичность увеличивается за счет отношения В/b и за счет увеличения Г прибора, т.е. имеем:

R=(b/ η₀)(ВГ/b) = (b/ η₀)Р

где P = BГ/b - пластика бинокля.

· В погоне за уменьшением габаритов некоторые фирмы изготавливают бинокли с обратной пластикой, рис. 4.4, в которых расстояние между центрами объективов меньше расстояния между центрами окуляров (см. рис. 10), в результате снижается эффект стереоскопического восприятия пространства в 3,6 –4 раза по сравнению с классической схемой. К тому же в биноклях с обратной пластикой имеется принципиальное ограничение диаметров объективных линз по причине сокращения их межцентрового расстояния. А из этого вытекает, что все бинокли с обратной пластикой относятся к классу биноклей малой светосилы и предназначены только для наблюдений при ярком освещении.

Рис. 4.4. Бинокль с обратной пластикой

Поиск по сайту: