Диафрагмирование пучков света в зрительнйо трубе

Апертурная диафрагма (АД) – сильнее всего ограничивает пучок света (рис.1), идущий из осевой точки предмета. Может находиться в любом месте оптической системы. Ее изображение в прямом ходе через оптическую систему называется выходным зрачком D’, в обратном ходе – входным зрачком D. Чтобы найти, какая из диафрагм системы является апертурной нужно построить изображение всех диафрагм в обратном ходе через стоящие перед ними компоненты системы и определить, какое из изображений будет сильнее ограничивать осевой пучок. В трубе Кеплера апертурной диафрагмой обычно является оправа первой линзы объектива, поэтому АД совпадает с D.

                               НН’_{объектива}                                          HH’_{окуляра}

Апертурная    диафрагма

         D                                                    полевая диафрагма

                                   ПД

        w                                                                  F_ок                     w’ F’_ок

F_об                                                                                     F’_об

                                                                                                                          D’

                                                                                                                          s’_p’

 -а                                                                                                          

                                                                                                                       а¢

Рис.1 – Диафрагмирование пучков в зрительной трубе

Синим цветом обозначены наклонные лучи, идущие из крайней точки предмета под углом поля зрения w к оси. Они сходятся в общей фокальной плоскости окуляра и объектива. Нижний луч синего пучка проведен через передний фокус объектива. Ход этого луча позволяет найти видимое, в данном случае угловое, увеличение трубы Г = –f’_об/f’_ок. (более подробно оптические характеристики будут рассмотрены в лабораторной работе №3). Черным показан осевой луч, идущий на край апертурной диафрагмы. Из треугольников, образованных этим лучом и осью оптической системы в промежутке между объективом и окуляром следует, что D/D’ = f’_об/f’_ок, поэтому Г = – f’_об/f’_ок = D/D’ – линейному увеличению в зрачках. Положения выходных и входных зрачков, отсчитанные от переднего и заднего фокусов объектива и окуляра связаны формулой: а’= а/Г².

АД определяет количество света, прошедшего через систему.

Выходной зрачок D’ – это самое узкое место расходящихся пучков, выходящих из трубы и идущих от различных точек предмета.

Чтобы световой поток, вышедший из трубы, попал в глаз, входной зрачок глаза должен соответствовать по размерам и положению D’.

Если D_гл> D’, то изображение будет казаться менее ярким, чем без трубы (только часть сетчатки будет освещена).

Если D_гл< D’, то фактически выходным зрачком будет глаз, диаметром входного зрачка будет D = D_гл*Г<D_об. Это означает, что часть светового потока, вышедшего из тубы не используется, а диаметр трубы избыточен.

Поэтому в прицелах всегда стараются выполнить условие D_гл= D’. В результате налагается ограничение на увеличение при заданном поперечном размере трубы.

На биноклях, прицелах и т.п. указывается увеличение и D.

Диаметр входного зрачка глаза составляет 1,5 – 8 мм в зависимости от освещенности. В прицелах выходной зрачок не менее 3-4 мм, в морских биноклях (сумерки, туман) 6-8 мм. Если прицел испытывает тряску (винтовочный, автоматный) то, чтобы было легче совместить глаз и выходной зрачок и обнаружить цель, выходной зрачок прицела имеет диаметр не менее 15-20 мм.

Удаление выходного зрачка от последней поверхности окуляра s’_p’ должно быть достаточным для размещения глаза, в противном случае мешают ресницы и ограниченный размер глазной впадины. На практике s’_p’ не менее 8-10 мм. Если возможна отдача, то это расстояние 20-22 мм, у винтовочных прицелов 50-120 мм. Для фиксации глаза в плоскости выходного зрачка трубы используют наглазники, если возможна отдача, то наглазников нет.

Полевая диафрагма (ПД) – ограничивает размеры изображаемого участка пространства, т.е. определяет угловое поле зрения 2w. Она находится в плоскости предмета либо изображения. В трубе Кеплера это оправа сетки, установленной в плоскости действительного промежуточного изображения объекта tg w = ПД/2f.

Но даже, если не ставить сетку поле зрения все равно будет ограничено, поскольку световой поток от внеосевых точек предмета будет срезаться оправой окуляра. Это явление называют виньетированием, а любую диафрагму, срезающую наклонные пучки света – виньетирующей. При наблюдении в трубу без сетки центральная часть предмета будет видна ярко, а затем яркость будет постепенно уменьшаться к краям. Учитывая, что реакция глаза на световой поток пропорциональна его логарифму, можно сказать, что двукратное уменьшение светового потока (в данном случае площади поперечного сечения наклонного пучка) считается допустимым. Поэтому размер сетки обычно соответствует срезанию половины наклонного пучка, идущего под углом w к оси, ПД = f’_ок tgw¢ (w¢ -угловое поле зрения окуляра). Красный луч на рисунке называется главным, он идет из центра апертурной диафрагмы под углом поля зрения и попадает в центр выходного зрачка. Лучи, лежащие выше него пройдут, а лучи, лежащие ниже него в рассматриваемом случае не пройдут через полевую диафрагму. Другой причиной ограничения поля зрения могут быть аберрации окуляра, прежде всего дисторсия. Таким образом, поле зрения трубы определяется полем зрения окуляра: w=w¢/Г.

Отметим, что вынос выходного зрачка s’_p’ также определяется окуляром.