80. Основные сведения о зрительных трубах переменного увеличения

Изменение видимого увеличения в зрительных трубах может происходить дискретно и непрерывно. Соответственно различают зрительные трубы дискретного увеличения и панкратическне зрительные трубы — трубы с плавно изменяющимся увеличением.

Дискретное изменение увеличения достигается несколькими способами: 1) сменой окуляров, 2) объективов, 3) отдельных частей объектива, 4) оборачивающей системы, 5) переворотом на 180° оборачивающей системы, 6) перемещением объектива оборачивающей системы вдоль оптической оси, 7) введением особых афокальных насадок в параллельный ход лучей внутри телескопической системы.

Наиболее простым и распространенным является первый способ — смена окуляров. Такой способ широко применяют в геодезических и астрономических приборах и достаточно часто в прицелах различного назначения. Например, для теодолитов использовались сменные окуляры с Зеркальный телескоп Цейсса с имел сменные окуляры с Зеркально-линзовый телескоп имеет щесть сменных окуляров.

При смене окуляров с уменьшением фокусного расстояния соответственно увеличивается их угловое поле и уменьшается диаметр выходного зрачка.

В ряде случаев с ростом видимого увеличения телескопической системы приходится уменьшать поле. При этом размер полевой диафрагмы в передней фокальной плоскости короткофокусного окуляра будет определять поле [см. формулу (360)].

Рис. 184. Сменные оборачивающие системы: а — при при в — при

Более редким является второй способ — смена объектива. Его применяют в некоторых перископах и прицепах.

Третий способ удобен при нспользоваиин объектива, состоящего из нескольких групп линз, например телеобъектива (линзового или зеркального). Сменой передней или задней части (групп лииз) достигают изменения фокусного расстояния объектива. Разновидностью этого способа является и введение нового оптического элемента — групп линз или зеркала.

Наличие оборачивающей системы (рис. 184, а) позволяет осуществить четвертый способ изменения увеличения путем смены как одного из ее объективов, так и обоих. Линейное увеличение оборачивающей системы изменяется в соответствии с формулой В этом случае линейное поле изображения и относительное отверстие последующих оптических узлов остаются неизменными, т. е. неизменным является и диаметр выходного зрачка всей телескопической системы, а поле предыдущей системы и относительные отверстия объективов, стоящих перед оборачивающей системой переменного увеличения, изменяются. Если линейное увеличение оборачивающей системы по абсолютному значению будет расти, то угловое поле будет уменьшаться, а диаметр входного зрачка увеличиваться. При этом неизменным остается соотношение

Изменение увеличения может быть достигнуто (пятый способ) и поворотом оборачивающей системы из одного положения (рис. 184, б) в другое на 180° (рис. 184, в). Тогда первый объектив оборачивающей системы станет последним, и наоборот. Если в первом положении линейное увеличение во втором т. е. перепад видимого увеличения

Смена объективов оборачивающей системы или ее переворот на 180° усложняет механику прибора и увеличивает размеры прибора в сечении, перпендикулярном к оптической оси. В этом отношении более удобен шестой способ, при котором вдоль оптической оси перемещается объектив оборачивающей системы. Возможен и такой вариант, когда внутренний объектив

Рис. 185. Перемещение объектива оборачивающей системы вдоль оптической оси

Рис. 186. Схемы изменения увеличения путем ввода дополнительных труб Галилея

оборачивающей системы перемещается между двумя наружными неподвижными.

Наиболее простым способом изменения увеличения в оборачивающей системе является перемещение объектива вдоль оптической оси на расстояние (рис. 185). В первом положении (рис. 185, а) линейное увеличение а во втором (рис. 185, б) — увеличение Формула отрезков (38) позволяет получить уравнение

Учитывая, что для двух пар сопряженных отрезков решением квадратного уравнения определим две пары неподвижных сопряженных плоскостей. В одной паре разместим плоскости предмета А и изображения а в другой — плоскости входного и выходного зрачков с центрами

Если известна длина системы то при заданном линейном уравнении получим следующее выражение для определения фокусного расстояния объектива:

При этом линейное увеличение во втором положении

При заданном линейном увеличении (или и известном величины определяют по формуле

Переменное увеличение можио получить и с помощью отрицательных объективов, а также с помощью передвижного положительного объектива, перемещающегося между двумя другими неподвижными положительными или отрицательными, что подробно рассмотрено в работах В. Н. Чуриловского.

В ряде приборов смена увеличения достигается введением в ход параллельных лучей дополнительных телескопических труб системы Галилея. Их устанавливают или перед первым объективом прибора, или внутри прибора, где имеется параллельный ход пучков лучей. Дополнительная труба может занимать три положения (рис. 186) и дает возможность получить три значения видимого увеличения прибора Если видимое увеличение трубы в положении, показанном на рис. 186, а, соответствует а в положении, показанном на рис. 186, б, - , то

где видимое увеличение прибора без дополнительной трубы.

Очевидно, что

Центром вращения трубы относительно оси, перпендикулярной к оптической оси, является точка С. Такие вращающиеся или сменные трубы могут применяться не только в телескопических системах, но и в других приборах, где имеется параллельный ход лучей, и в тех же целях, т. е. для увеличения или уменьшения масштаба изображения.

Дополнительную телескопическую трубу применяют совместно со всей телескопической системой или частью ее, для которой положение выходного зрачка определяется положением глаза наблюдателя. Следовательно, выходной зрачок дополнительной трубы всегда должен совпадать с входным зрачком части оптической системы, расположенной за трубой (рис. 187).

Афокальная труба системы Галилея позволяет выполнить условие тогда центр вращения С трубы будет расположен посередине между входным и выходным зрачками. В этом случае из формулы (354) получим

где видимое увеличение дополнительной трубы; фокусное расстояние первого компонента трубы.

Например, если то

Следовательно, становится известным расстояние между задней главной плоскостью второго компонента трубы и передней главной плоскостью объектива, так как положение входного зрачка телескопической системы до введения дополнительной трубы известно.

Для непрерывного изменения масштаба изображения применяют панкратические объектив, оборачивающую систему и окуляр. Специфической характеристикой панкратических систем является перепад видимых увеличений

Панкратический объектив должен состоять, по крайней мере, из двух отдельных компонентов. Это позволяет получить

Рис. 187. Положение входного и выходного зрачков в сменных трубах Галилея при различном увеличении: а

Рис. 1 88. Панкратические объективы

различные значения его эквивалентного фокусного расстояния путем изменения воздушного промежутка между его компонентами согласно формуле (58):

Величины задаются. Из совместного решения уравнений (362) получают выражение для определения

и

Компоненты перемешаются из положения в положение II (рис. 188, а). Если фокусные расстояния компонентов противоположны по знаку и одинаковы по абсолютному значению, т. е.

Панкратический объектив может состоять из двух положительных компонентов (рис. 188, б). Например, если фокусные расстояния компонентов одинаковы, т. е. то из формулы (363) следует:

Например, если необходимо иметь принимается равным то решение уравнения (364) дает или

Рис. 189. Двухкомпонентная панратическая оборачивающая система

Другое возможное наименьшее значение при наименьшем находят из выражения

В этом случае для того же примера получим

Перемещение одного из компонентов объектива вызывает смещение всего объектива, так как изменяется расстояние между вторым компонентом и фокальной плоскостью. Это расстояние определяют по формуле

В соответствии с формулами (335) и (361) для перепада видимых увеличений получаем выражение

Панкратический объектив, состоящий из двух положительных компонентов, менее предпочтителен, чем телеобъектив (см. рис. 188, а), так как он позволяет обычно получать перепад менее 2, тогда как телеобъектив может создавать перепад более 2, и в частности

Как правило, в панкратических зрительных трубах применяют панкратическую оборачивающую систему. Такую систему обычно используют в двух вариантах: двухкбмпонентный вариообъектив с механической компенсацией и трехкомпонентный вариообъектив с оптической компенсацией (см. гл. XV).

Оптическая схема двухкомпонентной панкратической оборачивающей системы показана на рис. 189. Например, предметной точкой А может быть задний фокус объектива, а точкой изображения А — передний фокус окуляра.

Уравнение длины системы имеет вид:

Панкратическая оборачивающая система состоит из двух объективов с фокусными расстояниями расположенных друг от друга на изменяемом расстоянии но при выполнении условия постоянства длины системы. Задаваемыми параметрами служат длина системы минимальное и максимальное линейные увеличения.

Значения фокусных расстояний задают, а воздушный промежуток удовлетворяющий заданному линейному увеличению рассчитывают по формуле

Расстояние определяют для двух граничных значений и чтобы убедиться в том, что при перемещении объективы не сталкиваются друг с другом.

Расстояние от передней главной плоскости первого компонента до плоскости предметов

Величину при найденных находят из уравнения (365).

Методика расчета панкратических оборачивающих систем подробно разработана И. А. Турыгиным [37]. Системы такого вида позволяют получать значительный перепад увеличений, определяемый равенством напрнмер до но чаще всего перепад увеличений в этих системах

Конструктивным недостатком панкратической двухкомпонентной оборачивающей системы является перемещение одного из компонентов по криволинейному закону (это усложняет изготовление паза, по которому перемещается штифт, несущий оправу компонента). Технологическим преимуществом будет обладать такая система, компоненты которой перемещаются по линейному закону. Этому условию может удовлетворять четырехкомпонентная система, имеющая два жестко связанных положительных компонента, перемещающихся вдоль оптической оси, между которыми находится неподвижный отрицательный компонент (рис. 190).

Первый объектив (компонент) служит для сокращения общей длины системы и проецирует предметную точку А в неподвижную точку так что панкратической системой служат три следующих объектива, которые проецируют предметную для них точку в точку изображения А.

Второй и четвертый компоненты одновременно перемещаются относительно третьего, и при этом происходит некоторое смещение плоскости изображения на величину При надлежащем выборе фокусных расстояний компонентов и общего перемещения это смещение может быть невелико, например в пределах нескольких долей миллиметра при перепаде

Возможна и другая схема панкратической системы, в которой перемещаются два жестко связанных отрицательных компонента относительно расположенного между ними неподвижного положительного.

Рис. 190. Четырелкомпонсптная панкратическая оборачивающая система с оптической компенсацией

Уравнение длины для расчета таких систем имеет вид:

а для расчета вариочасти —

где определяют по формуле отрезков при известных так как