Основные аспекты физической и геометрической оптики

Оптические системы большинства наблюдательных приборов, предназначенных для рассматривания удаленных предметов, (бинокли, зрительные трубы, телескопы, прицелы, геодезические приборы и т.п.) называются телескопическими (от греч. tele — вдаль, далеко, и scopeo — смотрю). Основное свойство телескопических систем в том, что пучок параллельных световых лучей, поступающих во входной зрачок такой системы, выходит через выходной зрачок так же пучком параллельных лучей (схема 1).

Схема 1. Схема телескопической системы.

Схема телескопической системы состоит как минимум из двух компонентов — обращенный к рассматриваемым объектам называется объективом, а обращенный к глазу наблюдателя — окуляром. Каждый из этих компонентов может быть оптической поверхностью или представлять собой сложную комбинацию оптических деталей. Поскольку диаметр объектива (его входной зрачок) намного меньше расстояния, на котором находятся наблюдаемые предметы, пучки лучей света поступающих от них считаются параллельными. От внеосевых предметных точек приходят пучки, лучи которых одинаково наклонены к оптической оси. Чем дальше от оси находится предметная внеосевая точка, тем больше угол наклона проходящего пучка лучей. Выходящие из телескопической системы пучки лучей от внеосевых точек будут наклонены к оси на этот угол. Пучки света параллельные оптической оси системы объектив собирает в одной точке, которую называют задним фокусом объектива F1’. Расстояние от плоскости линзы до фокуса называется фокусным расстоянием f1’, а плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная оптической оси системы — фокальной плоскостью. Объектив, состоящий из выпуклой линзы, образует действительное перевернутое изображение предмета в своей задней фокальной плоскости, а окуляр, подобно лупе позволяет рассматривать это изображение. Объектив и окуляр телескопической системы соединяются таким образом, что бы задний фокус F1’ объектива совпадал с передним фокусом F2 окуляра. Окуляр может быть как выпуклым (собирающим, положительным), так и вогнутым (рассеивающим, отрицательным). Телескопическая система, состоящая из положительных объектива и окуляра, называется зрительной трубой Кеплера, а состоящая из положительного объектива и отрицательного окуляра — зрительной трубой Галилея (схема 2). Нетрудно заметить, что изображение в зрительной трубе Кеплера получается перевернутым, что является вполне нормальным, например, для телескопов. В других оптических приборах, использующих такую схему, между объективом и окуляром располагают дополнительные оптические компоненты (призмы, линзы, зеркала) превращающие перевернутое изображение, создаваемое объективом, в прямое.

Схема 2. Схемы зрительных труб: а) Кеплера, б) Галилея.

Основными оптическими характеристиками телескопической системы являются видимое увеличение Гт, угловое поле зрения и диаметр выходного зрачка D’(схема 3).

Схема 3. Схема телескопической системы.

Видимое увеличение Гт телескопической системы равно ее угловому увеличению

Так же видимое увеличение можно определить как отношение диаметра входного зрачка объектива к диаметру выходного зрачка окуляра, а также как отношение их фокусных расстояний:

По размеру изображения предметы кажутся увеличенными в Гт раз, так как они наблюдаются под углом , который больше примерно в Гт раз. Поэтому все предметы кажутся приближенными к наблюдателю, а само пространство изображений — сжатым в направлении линии наблюдения.

Диаметр выходного зрачка телескопической системы определяет количество световой энергии, выходящей из прибора, т.е. является основным параметром оценки его светосилы. Если диаметр зрачка глаза меньше диаметра выходного зрачка телескопической системы, то субъективная яркость наблюдаемых изображений предметов конечных размеров будет отличаться от субъективной яркости изображений в невооруженном глазу на коэффициент потерь света в приборе. Если диаметр зрачка глаза больше диаметра выходного зрачка телескопической системы, то субъективная яркость изображения в вооруженном глазу будет меньше в сравнении с таковой в невооруженном глазу. Поэтому при наблюдении зрачок глаза совмещается с выходным зрачком системы и между ними желательно иметь полное совпадение не только по положению, но и по диаметру.

Выходным зрачком телескопической системы является изображение входного зрачка. Выходной зрачок характеризуется не только диаметром, но и расстоянием от последней поверхности — удалением выходного зрачка s’р. Входным зрачком часто служит оправа самого объектива, которая является апертурной диафрагмой. Телескопические системы, предназначенные для наблюдения в дневное время, должны иметь выходные зрачки 2…5 мм, а в сумеречное время — 5…7 мм.