Аберрации оптических систем. Сложные объективы и окуляры

При рассмотрении оптических систем микроскоп — глаз (см. рис. 6.2) и зрительная труба — глаз (см. рис. 6.3) для простоты понимания сути дела объективы и окуляры показаны одиночными линзами.

В реальных приборах они состоят из нескольких линз. Одиночные линзы, как правило, дают искаженные, нечеткие и окрашенные изображения. Нарушается гомоцентричность проходящих через них световых пучков, и белый свет разлагается в спектр. Такие отклонения свойств реальных оптических систем от идеальных называются аберрациями.

Различают аберрации: сферическую, хроматическую, кому, дисторсию, астигматизм и кривизну поля.

Астигматизм, кривизна поля и дисторсия не оказывают заметного влияния на ухудшение изображений, даваемых зрительными трубами, из-за сравнительно небольших углов поля зрения труб. Для визуальных систем наиболее опасными являются осевые аберрации, искажающие изображение точек на оптической оси. Таковыми являются сферическая и хроматическая аберрации.

Сферическая аберрация. Линзы, как оптические системы, ограниченные сферическими поверхностями, обладают способностью сильнее преломлять лучи, удаленные от оптической оси, по сравнению с лучами параксиальной области (лучами, проходящими вблизи оптической оси). В результате лучи, исходящие из одной точки на оптической оси в пространстве предмета, не соберутся в одной точке на оптической оси в пространстве изображений. Такое свойство линз нарушать стигматичность изображения называется сферической аберрацией. Если в пространстве изображений перпендикулярно оптической оси установить экран, то на нем вместо точки будет виден размытый кружок, размер которого прямо пропорционален диаметру линзы.

Уменьшить влияние сферической аберрации (уменьшить искажение) можно применением дифрагм (уменьшением диаметра входного отверстия объектива), изготовлением сложных линз (сочетанием положительных и отрицательных линз из разных по твердости сортов оптического стекла).

Хроматическая аберрация. При прохождении поверхности, разделяющей две прозрачные среды с разными показателями преломления, белый луч света не только преломляется, но и разлагается в спектр. Разложение белого луча в спектр вызвано тем, что показатель преломления зависит не только от физических свойств оптического стекла, но и от длины волны цветных лучей, составля- 9 7

ющих луч белого цвета. Такое явление называется хроматической аберрацией. Например, одна и та же обыкновенная линза имеет большую оптическую силу (меньшее фокусное расстояние) для синих лучей, чем для красных. Поэтому сложный белый цвет при преломлении луча дает спектр (размытое и окрашенное изображение).

Хроматизм исправляется применением сложных линз — стекол из крона и флинта, подбором соответствующих фокусных расстояний линз, расстояний между составляющими линзами и коэффициентов дисперсии оптического стекла. В результате луч, выходящий из сложной системы, снова будет белым.

Оптические системы, в которых исправлена хроматическая аберрация, называются ахроматами.

Другие аберрации вносят искажения изображений по всему полю зрения оптической системы. Например, кома — это сферическая аберрация широкого наклонного пучка лучей, в котором нарушена симметрия. В данном случае пятно оказывается в виде несимметричного мазка (запятой). Кома, как и сферическая аберрация, возрастает с увеличением входного отверстия оптической системы. Исправление комы достигается подбором (комбинацией) положительных и отрицательных линз, сортов оптических стекол.

Перечисленные основные и другие недостатки простых линз могут приводить к значительным ошибкам в наблюдениях. Зрительная труба должна давать четкие и неокрашенные изображения, подобные рассматриваемым предметам, в пределах заданной точности измерений. Высокое качество зрительных труб достигается применением в них сложных объективов и окуляров.

Сложные объективы. При малых углах поля зрения геодезических труб (2° и менее) в объективах достаточно исправить сферическую, хроматическую аберрации и кому, т. е. аберрации, искажающие изображение в основном по центру поля зрения. Сложные объективы зрительных труб чаще всего состоят из двух склеенных линз (рис. 6.13, а) или из двух пар склеенных линз (рис. 6.13, г). Одна линза (собирательная) изготовлена из крона, а другая (рассеивающая) — из флинта. Из склеенных линз технологически проще осуществить сборку трубы и центрирование системы. Такие объективы дают хорошие изображения, сохраняют юстировку, не требуют больших затрат труда на сборку и поэтому дешевы.

Качество изображения, которое строит объектив, тем выше, чем меньше относительное отверстие D/f и угол поля 2со.

Реже находят применение объективы из двух или трех нескле-98 енныхлинз (рис. 6.13, б, в).

Сложные объективы

Рис. 6.13. Сложные объективы

Телеобъективы зрительных труб современных геодезических приборов, например ЗТ5КП, как правило, включают многолинзовый объективный компонент и склеенную двух-линзовую фокусирующую систему (см. рис. 6.13,г).

Сложные окуляры состоят из систем линз. Линза, расположенная со стороны объектива, называется полевой линзой или коллективом; линза, обращенная к глазу наблюдателя, называется глазной. В трубах геодезических приборов применяют симметричный окуляр (рис. 6.14,а), окуляр Кельнера (рис. 6.14,6) и другие четырех-и пятилинзовые окуляры (рис. 6.14,в).

Сложные окуляры

Рис. 6.14. Сложные окуляры

Симметричный окуляр состоит из двух склеенных компонентов, установленных отрицательными линзами из флинта наружу. Наличие двух пар склеенных линз позволяет хорошо исправить аберрации при небольшом воздушном промежутке между компонентами (не более 0,5 мм). Ценным свойством симметричного окуляра является сравнительно большое удаление выходного зрачка (« 0,8f к), что создает удобство для расположения глаза наблюдателя. Симметричный окуляр получил широкое распространение в зрительных трубах с внутренним фокусированием (см. п. 8.3). При малых фокусных расстояниях (foK = 8— 10 мм) окуляр имеет значительное увеличение.

Окуляр Кельнера состоит из двух компонентов (см. рис. 6.14, б): полевой (коллективной) и склеенной глазной линз. Глазная линза состоит из оптического стекла двух сортов. Выходной зрачок окуляра Кельнера расположен на расстоянии ~ 0,5 f от глазной линзы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >