Согласование оптической системы

Для уменьшения аберраций, увеличения резкости изображения пространственных объектов в оптические системы вводятся диафрагмы, роль которых в частном случае может играть оправа линзы. С другой стороны, ограничение диафрагмами светового потока приводит к уменьшению светосилы оптического прибора, ограничению поля зрения. Размеры оправ линз и диафрагм

Рис.4

Рис.4

должны быть согласованы таким образом, чтобы прибор имел одновременно нужную для практики разрешающую способность и достаточную светосилу. Кроме того, в визуальных приборах возможности прибора должны быть согласованы с разрешающей способностью глаза.

От размеров и положения диафрагм зависит отчетливость и правильность изображения, его освещенность, величина поля зрения.

Диафрагма, наиболее сильно ограничивающая пучок лучей, выходящих из осевой точки предмета, тем самым определяющая освещенность изображения, называется апертурной диафрагмой (А.д.). Диафрагма, расположенная в плоскости предмета или в одной из плоскостей с ней сопряженных (т.е. в плоскости изображения) и ограничивающая размер линейного поля в пространстве изображений, называется полевой диафрагмой (П. д. ). Полем системы в пространстве предметов называется часть пространства, которая изображается данной оптической системой. Положение апертурной диафрагмы влияет на ход наклонных пучков лучей. Обычно ее располагают между компонентами оптической систем, в некоторых случаях перед или за оптической системой. Изображение апертурной диафрагмы в обратном ходе лучей через предшествующие ей части оптической системы называется входным зрачком (Д) оптической системы (рис.4). В частном случае, если апертурная диафрагма располагается перед оптической системой, она одновременно играет роль входного зрачка. Изображение апертурной диафрагмы в прямом ходе лучей через последующие части оптической системы называется выходным зрачком (Д’). Входной зрачок всегда виден из осевой точки предмета под наименьшим углом 2и, соответственно, выходной зрачок виден под наименьшим углом 2u’ изосевой точки изображения предмета. Углы 2u и 2и', опирающиеся на входной и выходной зрачки оптической системы, называются соответственно апертурными углами входа и выхода. В глазу человека роль апертурной диафрагмы выполняет круглое отверстие врадужной оболочке, получившее название зрачка глаза. Изображение этого отверстия, даваемое расположенными перед ним передней глазной камерой с водянистой влагой и роговицей, представляет собой входной зрачок глаза, а изображение, даваемое хрусталиком и задней глазной камерой, заполненной стекловидным телом, соответственно, выходной зрачок глаза. Оба они практически совпадают с настоящим зрачком. На ярком свету зрачок глаза суживается, уменьшая яркость изображения, но, не уменьшая поля зрения глаза. Аналогично, если уменьшить апертурную диафрагму (например, частично перекрыть ее непрозрачным экраном), то это приведет лишь к потемнению изображения, но не к исчезновению каких-либо его частей. От величины зрачка зависит также разрешающая способность системы (способность различать мелкие детали в изображении). В частности, по этой причине объективы телескопов имеют большой диаметр, а в микроскопах увеличивают апертурный угол входа. Лучи, проходящие через центр апертурной диафрагмы (а, следовательно, и через центр входного зрачка) называют главными лучами. Если главный луч исходит из внеосевой точки предмета, то, хотя он прошел через входной зрачок, через оптическую систему он может не пройти, так как он может быть задержан другими диафрагмами. Наиболее всего ограничивает главные лучи полевая диафрагма. Поэтому она определяет размеры поля изображения. Изображение полевой диафрагмы в обратном ходе лучей, даваемое впереди стоящими линзами, называется входным люком системы, а изображение, даваемое сзади стоящими линзами, выходным люком. Диаметр полевой диафрагмы должен быть таким, чтобы обеспечить приемлемую освещенность крайних точек изображения, в которые через систему проходит меньше света. Увеличение поля зрения приводит к уменьшению освещенности крайних точек и ухудшению качества изображения за счет аберраций. В оптических приборах для достижения большей резкости полевую диафрагму помещают в переднюю фокальную плоскость окуляра, в которую проектируется изображение объекта, даваемое объективом. В этом случае входной люк лежит в плоскости предмета и никакого перекрытия световых пучков не будет. При уменьшении размеров полевой диафрагмы уменьшаются размеры входного люка, и это приводит к перекрытию части изображения. Наряду с рассмотренными выше диафрагмами для ограничения пучков лучей, выходящих из внеосевых точек предмета, используют виньетирующую диафрагму (В.д.). Изображение виньетирующей диафрагмы в пространстве предметов называют входным окном, а в пространстве изображений - выходным окном (рис.4).Считается допустимым виньетирование (ограничение пучков света) не более 50%.

В зависимости от расположения предмета и изображения можно произвести следующую классификацию оптических систем:

а). Предмет и изображение находятся на конечном расстоянии (проекционные и осветительные системы);

б). Предмет и изображение располагаются в бесконечности (астрономические телескопы, зрительные трубы, стереотрубы и т. п.);

в). Предмет находится на конечном расстоянии, а его изображение в бесконечности (лупа, микроскоп);

г). Предмет находится в бесконечности, а изображение на конечном расстоянии (фотообъектив).

На практике часто используются комбинации данных оптических систем. В этих случаях особое внимание уделяется согласованию апертур, зрачков и окон оптических систем, как по их положению, так и по размерам. Так, в системе осветитель-микроскоп выходная апертура осветителя должна быть равна или несколько превышать входную апертуру объектива микроскопа, выходной зрачок осветителя должен совпадать с входным зрачком микроскопа. При выполнении лабораторных работ в настоящем практикуме придётся пользоваться проекционным аппаратом. Поэтому ниже рассмотрены принципы согласования оптической системы применительно к школьному проекционному аппарату.