7.3. Зрительная труба Кеплера
Трубу, известную под названием астрономической, построенную по иному принципу, предложил в 1611 г. Кеплер. Эта труба состоит из двух положительных компонентов, дает перевернутое изображение, однако, в ней имеется возможность поместить в плоскости промежуточного изображения перекрестка, что дало возможность наводить трубу на определенную точку предмета, а следовательно, производить угловые измерения.
Рис. 7.3.2
Оптическая схема трубы Кеплера показана на рис.7.3.1. Луч AD1 параллельный оптической оси в пространстве предметов, после преломления в объективе проходит через задний фокус F’1 объектива и передний фокус окуляра. После выхода из окуляра луч D2A’ снова параллелен оптической оси.
Так как f’1>0 и f’2>0 то
изображение получается перевернуто. Для того, чтобы изображение сделать прямым, в зрительную трубу Кеплера вводят специальные призменные или линзовые оборачивающие системы.
При положительных объективе и окуляре расстояние d между компонентами трубы Кеплера равно сумме фокусных расстояний компонентов. В следствии этого труба Кеплера, при равных основных параметрах, длиннее трубы Галилея.
Преимуществом трубы Кеплера является то, что в задней фокальной плоскости объектива возникает действительное изображение далекого предмета. В этой плоскости можно поместить полевую диафрагму (ПД) и полностью устранить затемнение. Здесь же помещается пластинка с перекрестием.
Проведем через центр C0 входного отверстия и через край полевой диафрагмы луч C0E. Для построения хода этого луча после окуляра II соединим точки M и K вспомогательным лучом MK. Тогда пучок лучей, исходящий из точки, расположенной в передней фокальной плоскости окуляра, после окуляра будет параллельным, т.е. луч EC0 параллелен лучу MK. В плоскости, проходящей через т. C0 возникает изображение входного отверстия объектива. Здесь можно поместить зрачок глаза, являющийся выходным зрачком прибора. Поэтому, как бы не был велик угол ’ , наклонные пучки все-таки попадут в зрачок глаза. В отличии от трубы Галилея, отверстие объектива здесь не служит входным люком, ограничивающим поле зрения зрительной трубы. Поле зрения ограничивается здесь полевой диафрагмой ПД.
7.4. Окуляры и объективы зрительных труб
Окуляры являются неотъемлемой частью зрительной трубы, через него производится рассматривание промежуточного изображения, построенного объективом.
От конструкции окуляра во многом зависит качество изображения, компенсация аберраций, возникающих в объективе, и удобство пользование самим прибором.
Каждый тип окуляра обладает своими оптическими характеристиками, из которых основными являются: фокусное расстояние, относительное отверстие, поле зрения и вынос выходного зрачка.
Фокусное расстояние окуляра определяет его видимое увеличение. Мы уже имели
Для фокусных расстояний окуляра установлен нормальный ряд значений: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 мм.
Относительное отверстие окуляра определяет освещенность изображения.
Окулярное поле зрение определяет поле зрения всей системы, т.к. приближенно можно считать, что
где 2.’ - угловое поле зрения окуляра,
2.p’ - угловое поле зрение трубы.
Вынос выходного зрачка важен потому, что глаз человека совмещается с выходным зрачком. Если выходной зрачок расположен внутри окуляра или очень близко к последней поверхности окуляра, то такие совмещения произвести невозможно. Кроме того, часто зрительные трубы устанавливаются на подвижных, вибрирующих платформах (военные установки), поэтому глаз человека близко приближать к окуляру нельзя во избежании травм.
При исправлении аберраций окуляров основное внимание обращают на полевые аберрации: астигматизм, кривизну изображения, кому, которые при большом поле зрения очень неприятны. В зависимости от оптических характеристик и степени исправления аберраций сложность окуляров различна, от простых двух линзовых до много линзовых с асферической оптикой и включением элементов из кристаллов.
На рис. 7.4.1 показано восемь типов наиболее распространенных окуляров.
Рис. 7.4.1
Рис. 7.4.1 а – окуляр Рамбдена, две плоско- выпуклые линзы. Большинство аберраций не исправляется. Качество изображения не удовлетворительное, сейчас этот окуляр почти не применяется. Вынос выходного зрачка, S’F = 8 мм.
Рис. 7.4.1 б – окуляр Кольнера. Глазная линза сделана из двух стекол. Исправлен хроматизм положения, сферическая аберрация.
2.’ = 45O, S’F = 8 мм.
Рис. 7.4.1 в – окуляр призменного бинокля фирмы “К.Цейсс”
2.’ = 50O, S’F = 10 мм.
Рис. 7.4.1 г – широкоугольный окуляр Эрфле первого рода
2.’ = 64O, S’F = 10 мм.
Рис. 7.4.1 д – широкоугольный окуляр Эрфле второго рода
2.’ = 72O, S’F = 12 мм.
Качество изображение достаточно хорошее по всему полю зрения, но дисторсия на краю поля зрения достигает 11%.
Рис. 7.4.1 е – широкоугольный окуляр с дополнительной отрицательной линзой для исправления кривизны изображения.
2.’ = 90O, S’F = 9 мм.
Рис. 7.4.1 ж – симметричный окуляр. Хорошо исправлены астигматиизм и дисторсия, не поддается коррекция кривизны изображения.
2.’ = 48O, S’F = 17 мм.
Рис. 7.4.1 з –окуляр полевого призменного бинокля “К.Цейсс”, хорошо исправлена кривизна изображения, самый большой вынос выходного зрачка
2.’ = 50O, S’F = 21 мм.
Следует подчеркнуть, что не следует пользоваться во всех случаях наиболее современными окулярами, если это не вызвано технически обоснованными условиями, т.к. сложные окуляры очень дорогие.
Объективы зрительных труб обычно работают при небольших углах поля зрения 2 ; поэтому нет необходимости исправлять полевые аберрации. Вследствии этого оптические схемы объективов, как правило очень простые.
Так же для объективов основными оптическими характеристиками являются: фокусное расстояние, диаметр входного зрачка, относительное отверстие и поле зрения.
Рис. 7.4.2
Наиболее распространенными объективом является объектив склеенный их двух линз (рис. 7.4.2 а, б), причем одна из них положительная, другая – отрицательная. Положительная линза выполняется из кронового стекла, отрицательная из флинтового.
Существует два вида склеенных объективов. Если первой линзой является положительная линза (рис. 7.4.2 а), то комбинация называется «крон впереди», если же первой линзой является отрицательная линза (рис. 7.4.2 б), то комбинация называется «флинт впереди».
При относительном отверстии объектива меньшим чем D:f<1:2 , остаточные аберрации настолько малы, что в пределах поля зрения одного- двух градусов изображение получается очень высокого качества.
В сложных зрительных трубах некоторые аберрации могут быть компенсированы путем введения в других компонентах трубы аберраций, равных по величине, но обратных по знаку. При этом относительное отверстие объектива может быть доведено до 1: 3.
Если фокусное расстояние объектива большое, то линзы могут иметь также больший диаметр, и при склейке их могут появляться напряжения снижающее качество изображения. В этом случае линзы объектива не склеиваются, а собираются в общей оправе с тремя прокладками из станиоля между линзами (рис. 7.4.2 в). Кроме этого не склеенный объектив дает больше возможностей для исправления аберраций, и, путем изменения расстояний между линзами, компенсировать погрешности его изготовления.
В зрительных трубах геодезических инструментов применяется трех линзовый объектив (рис. 7.4.2 г), который позволяет существенно сократить вторичный спектр.