Оптико-механические приборы

Зрение человека играет исключительно важную роль в познании окружающего мира, так как примерно 90 % получаемой информации приходится именно на зрение и только 10 % — на другие органы чувств. Интерес к секретам конкурентов, с долей иронии, также может рассматриваться как тяга к познанию. Отсюда и стремление определенной категории людей к прослушиванию конкурентов и получению некоторой зрительно осязаемой информации, например, о содержании интересующих документов и фотографий, о внешнем виде собеседников или передаваемых предметов во время конфиденциальной встречи.

Однако мудрая природа, дав людям такой важный для восприятия окружающего мира прибор, существенно ограничила его возможности. Так, основными характеристиками человеческого глаза являются следующие:

>- мгновенное угловое поле зрения:

в горизонтальной плоскости составляет 65...95°;

в вертикальной плоскости — 60...72°;

>- расстояние наилучшего зрения — 250 мм;

>- время удержания взглядом изображения — 0,06 с;

>- область спектральной чувствительности лежит в диапазоне 0,37...0,72 мкм (рис. 1.4.1).

В соответствии с приведенной характеристикой максимальная восприимчивость для дневных условий соответствует темно-зеленому излучению с длиной волны Х = 0,54 мкм (поэтому на зеленом цвете глаз отдыхает), а в сумеречное время — излучению с длиной волны Х = 0,507 мкм — голубой цвет. Отсюда и известное выражение, что ночью все кошки серые.

Естественно и вечное стремление людей расширить границы своего зрения. Люди старались улучшить все характеристики зрения и создали огромное количество оптических приборов: для увеличения дальности наблюдения — зрительные трубы, бинокли и телескопы, для расширения области спектральной чувствительности — так называемые приборы ночного видения, для расширения поля зрения — системы телевизионного наблюдения, а для фиксации изображения — фотоаппараты, кино- и видеокамеры.

Наиболее древними из перечисленных являются так называемые оптико-механические приборы, позволяющие зрительно приблизить удаленные предметы. Несмотря на свой «преклонный возраст» они до сих пор очень популярны и практически незаменимы для наблюдения за конкурентами с больших расстояний или из укрытий.

Принцип действия таких приборов основан на том свойстве, что один и тот же предмет виден под большим углом при меньшей "дальности (рис. 1.4.2).

Так, если невооруженным глазом предмет виден под углом y₁, а оптическая система создает изображение, видимое под углом y₂ то видимое увеличение, или кратность увеличения определяется выражением:

В простейшем случае такая телескопическая система представляет собой двухкомпонентную афокальную систему, изображенную на. рис. 1.4.3. Чем больше ее длина, тем меньше угол y₁ (y₁¹¹ < y₁¹ при R¹¹ > R¹), а, следовательно, больше видимое увеличение Г. Так как величина угла y₂ согласована с размерами и воспринимающей способностью глаза и для нормальных условий составляет значение y₂ = 60°, то видимое увеличение оптико-механического прибора может быть оценено по диаметру входного отверстия объектива D, выраженного в миллиметрах:

Г[крат]=0,43D[мм].

(Хотя более Точное значение величины Г лежит в пределах от 0,2 до 0,75 D).

Ряс. 1.4.2. Схема формирования воображения на сетчатке глаза:

один и тот же предмет виден под большим углом ( y₂ > y₁ ) при меньшей дальности (R₂ < R₁)

Рис. 1.4.3. Двухкомпонентная телескопическая афокальная система

Однако надо иметь в виду, что чем больше кратность увеличения, тем меньше мгновенное угловое поле зрения q, которое связано с величиной угла y₂, соотношением q = y₂,

В отверстия объектива и окуляра могут быть вставлены различные линзы (выпуклые, вогнутые, выпукло-вогнутые и др.), но для целей получения конфиденциальной информации лучше всего подходят двояковыпуклые линзы. Такая оптическая система известна под названием системы Кеплера, или астрономической трубы.

Достоинством системы Кеплера является то, что в плоскости изображения может быть установлена сетка (шкала). Она позволяет решать измерительные задачи по определению дальности до объекта наблюдения, в то время как другие оптические системы не могут быть использованы для этих целей.

Для того чтобы измерить расстояние R до объекта наблюдения, необходимо знать ориентировочный линейный размер объекта L, выраженный в метрах, и его угловой размер У. Последний определяется по шкале оптической системы в условных единицах, называемых тысячные (рис. 1.4.4, а). Величина У измеряется, исходя из цены деления шкалы (расстояния между двумя соседними делениями). Эта цена составляет 5 тысячных, такому же значению соответствует собственный размер малого штриха деления. Расстояние между двумя большими делениями и размер штриха большого деления — 19 тысячных.

Значение расстояния R (м) рассчитывается по формуле:

Так, например, на рис. 1.4.4, а представлен случай, когда в поле зрения оптической системы находятся человек и автомобиль.

Рис. 1.4.4. Определение расстояния до объекта:

а — по шкале, установленной в оптической системе Кеплера;

б — с использованием линейки или других подручных средств

Известно, что средний рост человека составляет 1 м 70 см (L = 1,7 м), а его угловой размер для случая, изображенного на рисунке, У= 10 тысячных, таким образом расстояние от наблюдателя до человека составляет величину:

Длина другого объекта — автомобиля около 4,5 м (L = 4,5м), его угловой размер — У= 15 тысячных, следовательно дальность до автомобиля в рассметриваемом примере имеет значение:

Однако необходимо знать, что существует метод оценки дальности до объекта и с помощью подручных средств, например обычной линейки. Он основан на том, что угловой размер 1 мм на удалении 50 см от глаз составляет около 2 тысячных. Таким образом, если определить величину видимого размера объекта на удалении 0,5 м от глаз, то примерное расстояние будет иметь значение:

где d [мм] — видимый размер объекта на удалении 0,5 м. Для случая, изображенного на рис. 1.4.4, б, линейный видимый размер фигуры имеет значение d» 10 мм, а реальный размер — L» 0,5 м. Следовательно, дальность до объекта:

Вместо линейки может быть использован любой другой небольшой предмет геометрические размеры которого известны: спичечная коробка, карандаш, пластиковая карта, бумажная купюра и т. п.

Основной недостаток оптической системы Кеплера — переворачивание изображения, из-за чего наблюдатель видит все вверх ногами. Для устранения недостатка в систему вводят компоненты, обеспечивающие восстановление нормального положения изображения. В качестве таких элементов используют либо дополнительные линзы (рис. 1.4.5, а), например в подзорных трубах или телескопах, либо призмы (рис. 1.4.5, б), например в биноклях (рис. 1.4.6) или артиллерийских панорамах.

Для ведения скрытного наблюдения необходимо тщательно выбирать позицию с учетом местных условий и окружающего ландшафта. Для этих целей идеально подходят густая листва деревьев, различные строения, места складирования крупногабаритных предметов. Однако в ряде случаев оказывается затруднительно выбрать удобное место, и наблюдение приходится вести из-за угла, через препятствие и т. п. В этом случае хорошую услугу могут оказать упомянутые выше артиллерийские панорамы или другие оптические системы перископического типа, имеющие достаточно малые геометрические размеры входного объектива и изменяющие направление распространения оптических лучей.

Простейший перископ может быть изготовлен своими силами с использованием всего двух параллельно расположенных зеркал (рис. 1.4.7). Каркас для него также несложно сделать, применяя плотный картон, древесно-волокнистую плиту (ДВП), пластик.

Ведя скрытое наблюдение за объектом с помощью оптико-механического прибора, необходимо помнить о таком коварном демаскирующем

Рис. 1.4.5. Восстановление нормального изображения в приборах с оптической системой Кеплера:

а — зрительные трубы и телескопы; б — бинокли и артиллерийские панорамы

факторе, как солнечные блики на стекле вашей оптической системы, которые могут быть видны на расстоянии, достигающем нескольких километров. Чтобы не быть обнаруженным, необходимо выбирать позицию. Для наблюдения таким образом, чтобы прямые солнечные лучи не попадали на оптические стекла. Также надо знать, что существуют профессиональные оптические приборы, например военного назначения, с так называемой просветленной оптикой. Их отличительной особенностью является то, что на поверхность стекла входного объектива нанесена специальная пленка, толщина которой подобрана таким образом, чтобы лучи света, отраженные пленкой и стеклом, взаимно компенсировались,

Рис. 1.4.6. Оптико-механические приборы для наблюдения за объектами с больших расстояний:

а — полевой бинокль с 20-кратным увеличением; б — бинокль фирмы Pentax с 10-кратным увеличением; в — 8-кратный монокуляр фирмы Pentax с блендой; г — 8-кратные мини-монокуляры для скрытного наблюдения; д — 6-кратный бинокль фирмы Olympus

Рис. 1.4.7. Перископическая система для скрытного наблюдения

исключая появление бликов. Приборы с просветленной оптикой имеют

характерный темный цвет входных линз объектива.

Хорошей защитой от бликов может служить и бленда — специальный козырек в виде раструба, надеваемого на объектив оптического прибора. Она, во-первых, предотвращает попадание прямых солнечных лучей на вход объектива, а, во-вторых, существенно ослабляет переотражение лучей за счет специальной формы внутренней поверхности (рис. 1.4.6, в; 1.4.8).

В качестве примера современного оптико-механического прибора можно привести компактный бинокль британской фирмы ВСВ International.

ВСВ Compact 8х21 — оптический прибор для наблюдений, выполненный в ударопрочном и пыленепроницаемом корпусе с резиновым покрытием. При габаритных размерах 9,5х7х4 см его масса не превышает;• 200 г. Линзы диаметром 21 мм имеют мгновенный угол поля зрения 7° и 8-кратное увеличение, что дает возможность наблюдать за участком местности шириной 130 м на дальности до 1000 м. Фокусировка и оптическая сила линз регулируются в зависимости от индивидуальных особенностей наблюдателя.

Поиск по сайту: