§ 5.13. Окуляры

В современных больших телескопах окуляры почти не применяются. Собственно в телескопах наблюдения выполняются не визуально, а с помощью объективных светоприемников; в гидах окуляры вытеснены фотогидами и телевизионными гидами; в искателях — телевизионными камерами, передающими изображение поля на монитор наблюдателя.

Окуляр можно рассматривать как лупу, через которую наблюдатель видит в увеличенном виде изображение объекта, построенное объективом. Для нормального глаза совокупность объектива и окуляра телескопа должны составлять афокальную телескопическую систему (см. § 1.1 и рис. 1.3,6). Пусть - соответственно фокусные расстояния объектива и окуляра, диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы, половины угловых полей объектива и окуляра. Тогда увеличение телескопа будет

Расстояние выходного зрачка телескопа от задней главной точки окуляра составляет

Довольно часто встречаются люди со степенью аметропии (нарушение нормальной аккомодации глаза) ±10 диоптрий. Дальнозоркий наблюдатель вынужден выдвигать окуляр наружу, близорукий — вдвигать его внутрь. Смещением окуляра на величину до (здесь выражены в мы должны изменить сходимость пучка лучей, выходящего из окуляра, на величину, равную степени а аметропии глаза, выраженную в диоптриях. Особые окуляры требуют значительных перефокусировок.

При наблюдении в окуляр могут быть два положения глаза: или изображение выходного зрачка телескопа (рис. 5.23) совпадает с центром вращения глазного яблока (рис. 5.23,а, положение I) или изображение выходного зрачка построенное через роговую оболочку глаза и жидкость передней камеры, совпадает со зрачком глаза (рис. 5.23,6, положение II). В первом случае объекты, расположенные на краю поля зрения, не видны вовсе или сильно виньетированы; чтобы их увидеть, необходимо повернуть глазное яблоко. Если окуляр

Рис. 5.23. Два способа наблюдения в окуляр. О — центр вращения глаза

сильный, то глаз близко придвинут к нему и это мешает наблюдениям. Поэтому этот способ наблюдения применим лишь к слабым окулярам. Во втором случае видно все поле зрения сразу. Но отчетливо видна только та часть его, которая проецируется на центральное («желтое») пятно сетчатки. Чтобы отчетливо видеть разные участки поля, необходимо не только поворачивать глазное яблоко, но и слегка перемещать голову. Зато этот способ наблюдения применим и к сильным окулярам, до тех пор, пока расстояние от последней плоской поверхности окуляра до выходного зрачка (рабочее расстояние, или вынос выходного зрачка) При малых значениях и здесь будет неприятное касание ресниц к линзе или к оправе окуляра. Чтобы этого не было, желательно иметь Специально рассчитанные окуляры, у которых называются окулярами с вынесенным зрачком. Такие конструкции важны в сильных окулярах. Однако в них диаметр зрачка выхода может быть меньше зрачка глаза В этом случае можно отодвинуться от окуляра и тем не менее перехватить без виньетирования наклонные пучки лучей (рис. 5.24). Окуляр строит изображение входного зрачка телескопической системы в плоскости выходного зрачка. Однако для лучей, входящих в объектив телескопа под разными полевыми углами, положение выходного зрачка может быть разным (рис. 5.25). Это явление называется аберрацией в зрачках. Оно приводит к тому, что при перемещении глаза вдоль оптической оси радужная оболочка глаза будет виньетировать лучи тех или иных полевых углов.

Рис. 5.24. Наблюдение поля в сильный окуляр

Рис. 5.25. Аберрация в зрачках. глазная линза окуляра. Для полевого угла и выходной зрачок лежит в плоскости а для угла в плоскости

Так как выходной зрачок телескопа с окуляром мал, то сферическая аберрация окуляра малозаметна. Глаз видит изображение, даваемое окуляром, на бесконечно далеком расстоянии. Поэтому хроматизм положения окуляра не очень существен. Гораздо неприятнее хроматизм увеличения (рис.2.19,з); исправление его является главной задачей оптика.

Для нормального глаза лучи света из окуляра выходят от разных точек предмета параллельными пучками. Поэтому расчет окуляра удобно выполнять в обратном ходе лучей.

Простейшим типом окуляра является одиночная линза. По сравнению с другими окулярами у нее лишь два преимущества — простота (и дешевизна) и значительная величина последнего отрезка Чтобы уменьшить хроматизм, следует изготавливать линзу из стекла с малой дисперсией (крон). Если в качестве окуляра используется плосковыпуклая линза, то, ставя ее плоской стороной к объективу, мы будем иметь сравнительно малую сферическую аберрацию и связанную с этим удовлетворительную резкость изображения на оси, но большие аберрации наклонных пучков и дисторсию, а соответственно малое поле. Обратная картина будет, если поставить линзу плоской стороной к глазу. Так как обычно резкость на оси важнее поля, то, применяя плоскопараллельную линзу в качестве окуляра ее следует ставить плоской стороной к объективу. Однолинзовые окуляры могут быть применены лишь, если относительное отверстие объектива не очень велико. Так, при выходном зрачке относительное отверстие должно быть около а при (ночное равнозрачковое увеличение)-1:9. Продольный хроматизм в однолинзовом окуляре в пределах от лучей С до составляет (согласно т.е. если окуляр изготовлен из стекла крон, то около а вторичный спектр двухлинзового объектива (см. § 5.3) - примерно Их влияние уравнивается при увеличении Если применять более сильные увеличения, то продольный хроматизм окуляра влияет меньше, чем вторичный спектр объектива. Максимальное допустимое значение диаметра выходного зрачка в зависимости от относительного отверстия, согласно Д.Д. Максутову,

Хроматизм увеличения однолинзового окуляра весьма заметен. В интервале длин волн от он составляет Если полный угол зрения окуляра то на краю поля зрения он составит 9,4. Изображение каждой звезды вытянется в спектрик, который будет виден глазу под этим, явно заметным углом. Поэтому для наблюдений окажется доступным лишь центральная часть поля зрения. Поле зрения на небе будет в раз меньше и составит очень небольшую величину. Хроматизм увеличения является наиболее вредной аберрацией любого окуляра.

Окуляр X. Гюйгенса (рис. 5.26,а) содержит две, обычно плосковыпуклые линзы, разделенные воздушным промежутком Первая по ходу лучей линза называется полевой, или коллективом, вторая —

Рис. 5.26. (см. скан) Схемы некоторых окуляров: окуляр Гюйгенса (а), окуляр Рамсдена (б), окуляр Кельнера (в), симметричный окуляр с вынесенным зрачком ортоскопический окуляр Аббе моноцентрический окуляр Д.Д. Максутова [1929] (ж), моноцентрический окуляр Штейнгеля окуляры Эрфле

глазной. Задача полевой линзы состоит в том, чтобы сжать пучки лучей. Это позволяет уменьшить диаметр глазной линзы при том же поле зрения. Если фокусные расстояния каждой из линз окуляра для длины волны лучей воздушный промежуток между линзами окуляра, то, в соответствии с (1.14), фокусное расстояние окуляра для лучей будет

Для другой длины волны (например для лучей С) фокусное расстояние окуляра будет

Хроматизм окуляра исправлен, если т.е. если

Выражение (5.98) называется условием Гюйгенса.

Если обе линзы изготовлены из одного сорта стекла, то

Последний отрезок при этом

В окуляре Гюйгенса обычны соотношения или

Для уменьшения дисторсии и астигматизма оптимально отношение При этом (см. рис. 5.27). В астрономических трубах применяются окуляры Гюйгенса с фокусным расстоянием до Поле зрения их 2/3 при этом достигает 80°. При поле зрения составляет около 50°. Окуляр Гюйгенса относится к так называемым отрицательным окулярам — в нем объектив строит изображение между полевой и глазной линзами. Для нормального глаза фокус глазной линзы должен быть совмещен с фокусом системы объектив телескопа полевая линза. В этой же плоскости устанавливается диафрагма поля зрения На рис. 5.26,а есть ход главного луча, соответствующего краю поля зрения. Он определяет угол видимого поля зрения и положение выходной диафрагмы

Астигматизм и дисторсия в окуляре Гюйгенса незначительны, но в нем велики сферическая аберрация, хроматизм положения и кривизна поля. Кроме того, объектив телескопа строит изображение между линзами окуляра. Это не позволяет его использовать вместе с микрометром, так как аберрации полевой линзы исказят все результаты измерений. При заданном фокусном расстоянии окуляра Гюйгенса и выбранных сортах стекол имеется два свободных конструктивных параметра для его расчета: это или два радиуса кривизны линз или один из радиусов и расстояние между линзами. Аберрации высших порядков окуляра Гюйгенса очень малы и расчет его по

Рис. 5.27. К расчету окуляра Гюйгенса

суммам Зейделя дает вполне удовлетворительный результат. Мы ограничимся случаем, когда обе линзы изготовлены из одного сорта стекла.

Будем считать линзы бесконечно тонкими. Зададимся показателем преломления стекол и отрезком определяющим положение выходного зрачка окуляра (рис. 5.27). Тогда радиусы полевой и глазной линз и расстояние между ними, будут

Сетка нитей (если таковая используется) и диафрагма поля должны быть в фокусе глазной линзы:

Для первоначального расчета окуляра Гюйгенса можно применять следующую программу:

Программа 5.4.

Расчет окуляра Гюйгенса из стекол одного сорта (без учета толщины линз)

(см. скан)

Первоначальные занесения: В ходе выполнения программы последовательно шесть раз нажимаем клавишу и получаем значения все выраженные в единицах

фокусного расстояния окуляра. После последней остановки на индикаторе должно появиться 1,0 или очень близкое к нему значение.

Пример: Результаты: (все в долях О-

Окончательный расчет окуляра следует выполнять с введением реальных толщин линз с расчетом хода лучей трех длин волн на ЭВМ, добиваясь исправления хроматизма увеличения. Это можно выполнить, применяя методы оптимизации.

Окуляр Дж. Рамсдена (рис. 5.26,6), как и окуляр Гюйгенса, содержит две линзы, но обе они расположены позади главного фокуса телескопа — окуляр Рамсдена относится к положительным окулярам. Первая линза его плосковыпуклая, вторая выпуклоплоская. Условие (5.98) всецело относится и к окуляру Рамсдена. Если обе линзы имеют одинаковую оптическую силу и изготовлены из одного сорта стекла, то из (5.98) получим условие ахроматизации

При этом фокус телескопа совмещен с вершиной полевой линзы; все царапинки и пылинки на ее поверхности становятся отчетливо видимы и мешают наблюдениям. Еще существеннее, что выходной зрачок телескопа оказывается внутри глазной линзы, куда невозможно поместить глаз наблюдателя. Поэтому в чистом виде окуляр Рамсдена неприменим. Приходится отступать от условия (5.101), сохраняя но принимая значения между 2/3 и 3/4.

Введем следующие обозначения: — заднее фокусное расстояние окуляра, задние фокусные расстояния первой и второй линз окуляра, расстояние от последней плоской поверхности второй линзы окуляра до выходного зрачка (рабочее расстояние) окуляра, толщины линз (мы их считаем воздушный промежуток между линзами, угловое увеличение системы объектив телескопа окуляр (в астрономических телескопах В первом приближении для окуляра Рамсдена, составленного из бесконечно тонких линз с имеются следующие соотношения:

В последнем выражении последний член учитывает реальную толщину второй линзы. Для нормального глаза сетка нитей должна быть на расстоянии

от передней плоской поверхности первой линзы окуляра. В окуляре Рамсдена хроматизм положения исправлен в 1,5 раза лучше, а сферическая аберрация — в 4 раза лучше, чем в окуляре Гюйгенса. Кривизна поля его очень незначительна. Но астигматизм в 4 раза больше, чем в окуляре Гюйгенса. Возрос и хроматизм увеличения. Малые значения параметра к приводят к значительным кривизнам линз. Поэтому приходится прибегать к значениям к порядка но это уменьшает рабочее расстояние и затрудняет использование окуляра при больших увеличениях. Но с окуляром Рамсдена легко использовать микрометр, так как передний фокус лежит перед полевой линзой.

Окуляр Кельнера (рис. 5.26,в) отличается от окуляра Рамсдена тем, что глазная линза в нем сделана склеенной из двух сортов стекла—крона и флинта. Это позволило уменьшить хроматизм положения и хроматизм увеличения, хотя условие (5.98) Гюйгенса и не соблюдено. В нем улучшены сферическая аберрация и астигматизм, увеличен вынос выходного зрачка, который даже несколько больше, чем в окуляре Гюйгенса. Поле зрения его составляет около 40°. Это один из самых употребительных окуляров.

Еще больше вынос выходного зрачка в симметричном окуляре (рис. 5.26,г), в котором обе линзы сделаны склеенными, симметричными. Наружные отрицательные линзы сделаны из флинта, внутренние положительные — из крона. В нем достаточно хорошо исправлены сферическая аберрация и кривизна поля. Астигматизм такого окуляра того же порядка, что и в окуляре Кельнера. За счет астигматизма можно исправить дисторсию и получить условие ортоскопичности. Последний отрезок в окуляре Кельнера составляет около

Еще большая величина последнего отрезка фокусного расстояния) достигается в специальных окулярах с вынесенным зрачком (рис. 5.26,3), которые оказываются пригодными для наблюдений с самыми большими увеличениями. Все аберрации, кроме дисторсии, в них хорошо исправлены. Другой, так называемый ортоскопический окуляр Аббе, с вынесенным зрачком показан на рис. 5.26, е. В нем хорошо исправлены дисторсия и хроматизм; он свободен от бликов. Видимое поле 2/3 у него до 40° и он удобен для использования с микрометром. Большой вынос выходного зрачка позволяет строить сильные окуляры с короткими фокусными расстояниями для больших увеличений.

Д.Д. Максутов [1929, 1949] разработал моноцентрический окуляр (рис. 5.26, ж). В нем все поверхности являются концентричными сферами. В силу этого он не чувствителен к любым наклонам. Будучи склеенным в один монолит, он свободен от бликов; светопотери в нем также уменьшены. В окуляре Максутова очень хорошо

исправлены аберрации, хотя поле не превышает 25—30°. Другой моноцентрический окуляр разработан К. Штейнгелем (рис. 5.26, з). Он также хорошо исправлен, свободен от бликов и дает такое же видимое поле, как и окуляр Максутова. Для искателей необходимы окуляры с большим видимым полем 2/3. Такие окуляры разработаны Х. Эрфле (рис. 5.26, ) и носят его имя.

Конструируя окуляр, оптик должен иметь в виду, что любой двухкомпонентный окуляр должен иметь две подвижки: для того чтобы резкое изображение звезды было построено на сетке нитей, необходимо перемещать его вдоль оптической оси телескопа с помощью фокусировочной выдвижки; для того, чтобы глаз резко видел сетку нитей, необходимо перемещение окуляра (или отдельно глазной линзы) относительно сетки нитей; это называется диоптрийной выдвижкой окуляра.