Основные оптические характеристики телескопических систем

Белорусский национальный технический университет

 

Приборостроительный факультет

 

Кафедра «Лазерная техника и технология»

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

 

«Телескопические системы»

Габаритный расчет телескопических систем

По дисциплине «Прикладная оптика»

 

 

2013

Цель работы – приобрести практические навыки габаритного расчета простой телескопической системы и её основных оптических характеристик.

Задание по работе:

1. В соответствии с исходными данными к лабораторной работе №2 подобрать объектив и окуляр для телескопической системы по таблицам, выданным преподавателем на лабораторных работах с учетом п.3.1.1 и 3.1.2.

2. Выполнить расчет основных оптических характеристик телескопической системы и её габаритный расчёт.

3. Составить схему зрительной трубы, указав расстояния между её компонентами.

Теоретическая часть

Оптические системы классифицируются в зависимости от расположения предмета и его изображения. Выделяют четыре группы оптических систем.

1. Предмет далеко, но на конечном расстоянии, изображение близко (как правило, в фокусе) – объектив.

2. Предмет близко – изображение далеко, но на конечном расстоянии – проектор.

3. Предмет близко, изображение в бесконечности – микроскоп.

4. Предмет и его изображение в бесконечности – телескоп.

Действие первых трех систем можно свести к действию одного компонента – линзы либо зеркала, телескопическая система может быть представлена двумя компонентами.

Телескопическими (ТС)называются оптические системы, преобразующие входящие в них от предметных точек пучки параллельных между собой лучей так же в пучки взаимно параллельных лучей, но другого диаметра и углами наклона к оптической оси. Телескопические системы также называются афокальными (фокусы в таких системах расположены в бесконечности, а оптическая сила равна нулю).

Телескопические системы предназначены:

– для наблюдения удаленных предметов (геодезические (теодолиты и нивелиры), астрономические и стереоскопические приборы, оптические дальномеры, прицелы, перископы, бинокли и т.д.);

– для дискретного изменения увеличения системы (вращающиеся телескопические насадки;

– для формирования излучения лазеров (афокальные насадки, представляющие собой обратную телескопическую систему Галилея, предназначенную для увеличения диаметра лазерного пучка и уменьшения его расходимости; для концентрации лазерного излучения на площадке малого размера, например для сварки, резки, спекания, гравировки, восстановления изношенных поверхностей деталей трения, хирургии, стоматологии и т.п.) и т.д.

Телескопические системы, предназначенные для визуального наблюдения удаленных предметов, называются зрительными тубами.

Если предмет в бесконечности, то изображение получается в фокальной плоскости. Если предмет находится на конечном расстоянии, то изображение будет за фокальной плоскостью. Если это смещение изображения невелико, то благодаря ограниченной разрешающей способности глаза наблюдатель не ощущает размывания изображения. Наименьшее конечное расстояние до предметов, когда труба сфокусирована на бесконечность, а изображение этих предметов остается резким, называют началом бесконечности или кажущейся бесконечностью р= 206265*D*Г/60. Для бинокля с шестикратным увеличение и диаметром входного зрачка 30 мм – р = 600 м. Фактически оно меньше из-за аккомодации глаза в пределах в 2-3 диоптрии в соответствии с формулой р=Г²/(2-3) получаем 12–18 м. 

Если труба сфокусирована на бесконечность, а предмет на конечном расстоянии, то положение сетки и изображения не совпадают. В этом случае возникает ошибка визирования. Изображение предмета смещается относительно сетки при перемещении глаза перпендикулярно оптической оси. Это явление называют параллаксом. Аккомодация глаза при таком попеременном наведении составляет 0,2-0,3 дптр, значит, ближайшая точки визирования находится на расстоянии р=Г²/(0.2-0.3). Для шестикратного увеличения это составит 120-180 м.

Поэтому в трубах большого увеличения, геодезических приборах, некоторых прицелах требуется фокусировка объектива. Она может производиться двумя способами – перемещением сетки вместе с окуляром и изменением фокусного расстояния объектива. Первый способ требует точного изготовления направляющих и имеет недостаток из-за втягивания внутрь трубы пыли при перемещении окулярного колена. Поэтому чаще используется внутренняя фокусировка. В этом случае объектив состоит из положительного и отрицательного компонентов, при фокусировке перемещается отрицательный компонент.

В простейшем виде оптическая схема телескопической системы состоит из объектива и окуляра, которые расположены таким образом, чтобы задний фокус объектива совпадал с передним фокусом окуляра, т.е. оптический интервал D равен нулю (Приложение 1). Объектив создает действительное перевернутое изображение предмета в своей задней фокальной плоскости, а окуляр позволяет рассматривать это изображение, например глазом (рис.3.1).

 

Рис.3.1. Телескопическая система

 

Поскольку рассматриваемые предметы находятся бесконечно далеко, то входные пучки лучей считаются параллельными. От осевых предметных точек поступают пучки лучей параллельные оптической оси (рис.3.1), а от внеосевых предметных точек – наклонные (под углом w). Из телескопической системы пучки лучей будут выходить под углом w¢.

Основные оптические характеристики телескопических систем

Видимое (угловое) увеличение ТС:

,             ,

– фокусное расстояние объектива, – фокусное расстояние окуляра, – угловое поле оптической системы в пространстве изображений,  – угловое поле оптической системы в пространстве предметов,  и – диаметр входного и выходного зрачка оптической системы, соответственно.

Если видимое увеличение положительное (Г > 0), то изображение прямое, а если отрицательное (Г < 0), то – перевернутое. Увеличение измеряется в кратах. Например, увеличение телескопических систем может быть от 8^x для подзорных труб или биноклей до нескольких сотен и тысяч для астрономических телескопов.

Угловое поле зрения телескопической системы 2w, которое определяет угловую величину резко изображаемого пространства и зависит от углового поля окуляра (2w¢) и видимого увеличения системы:

.

Диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы. Диаметр выходного зрачка для визуальных приборов определяется зрачком глаза:

 

.

 

Входной и выходной зрачок – это диафрагма, ограничивающая пучок лучей, выходящий из осевой точки предмета. Такая диафрагма определяет количество энергии излучения проходящее через оптическую систему и влияет на освещенность изображения.

При наблюдении объектов через телескопический прибор глаз должен располагаться в плоскости выходного зрачка, согласованного со зрачком глаза, тогда весь свет, входящий в объектив под разными углами к оси, попадет в глаз. Диаметр выходного зрачка системы выбирают в диапазоне 2–4 мм для приборов, используемы днем и 4–7 мм – в сумеречное время.

Диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы связаны между собой через видимое увеличение:

 

.

 

Применяя это соотношение необходимо учитывать знак увеличения телескопической системы.