Глава 23. КОМПОНОВКА ГИДРОСЪЕМОЧНЫХ ОБЪЕКТИВОВ

§ 115. Иллюминаторы

Переход от жидкой среды к воздушной может быть осуществлен через различные разграничивающие поверхности, главнейшими из которых являются сферические и плоские поверхности.

Переход через плоские поверхности связан с ростом угла выхода для наклонных пучков лучей в соответствии с законом преломления. Так, задаваясь величиной угла поля зрения в воде получаем после плоской разделяющей поверхности выходное поле зрения в воздухе равным при этом характерным является возникновение значительной положительной дисторсии.

Рассматривая плоскую поверхность как телескопическую систему с увеличением равным показателю преломления жидкой

среды, и определяя относительную дисторсию такой телескопической системы как разность

получаем для рассматриваемого случая величину относительной дисторсии

Кроме того, плоская поверхность будет вносить значительный положительный хроматизм увеличения, величина которого в угловой мере может быть получена путем дифференцирования формулы закона преломления по показателю преломления

откуда величина угла хроматического рассеяния

или, вводя числа Аббе,

Находим для участка спектра от линии С до линии при поле зрения в воде, равном 90°, численное значение

— величину, большую полуградуса.

Эти три особенности существенно ограничивают возможности съемки в жидкой среде с использованием обычной фотографической оптики, которую можно применять лишь при небольших полях зрения в жидкой среде.

Однако плоская разграничивающая поверхность между жидкой и воздушной средами имеет свои положительные качества — для плоской поверхности раздела не требуется определенный фиксированный фотографический объектив, и, кроме того, плоская поверхность не создает оптической силы и не обладает монохроматическими аберрациями, нарушающими резкость изображения.

Вместе с тем, чтобы использовать плоскую поверхность раздела (плоские иллюминаторы) и получать при этом полноценное качество изображения, требуется создание либо переходных оптических систем, допускающих применение обычной фотографической оптики, либо создание специально разработанных гидросъемочных объективов, предназначенных для работы с плоскими иллюминаторами.

Переход от жидкой среды к воздушной может быть осуществлен также и через сферическую преломляющую поверхность; в этом случае выгодно располагать зрачок входа объектива, предназначенного для работы с таким иллюминатором, в центре сферической

преломляющей поверхности, обеспечивая тем самым отсутствие астигматизма, комы, дисторсии и хроматизма увеличения и сохраняя при этом величину углового поля зрения в жидкой и воздушной средах одинаковыми.

Все эти положительные качества сферических иллюминаторов весьма заманчивы; однако достигнуть их весьма трудно. Действительно, сферический иллюминатор требует фиксированного положения объектива и его перефокусировки, так как сферический иллюминатор обладает отрицательной оптической силой. При этом происходит также и некоторое понижение светосилы применяемого объектива, так как тогда он работает уже при некотором конечном расстоянии от изображения, созданного сферическим иллюминатором. Кроме того, сферический иллюминатор обладает положительной кривизной поля и хроматизмом положения, что препятствует непосредственному использованию широкоугольных объективов, разработанных для съемок в воздушной среде.

Рис. 23.1. Сферический иллюминатор

Оценим величину кривизны поля, вносимой сферическим иллюминатором при использовании объективов с 90° полем зрения.

На рис. 23.1 представлены сферическая поверхность радиуса разделяющая жидкую и воздушную среды, и расположенный за этой поверхностью объектив, совмещенный своим входным зрачком с центром рассматриваемой поверхности раздела.

Обозначим расстояние от переднего фокуса объектива до его входного зрачка через некоторую величину

Из рисунка следует

где радиус кривизны поверхности изображения, образуемого поверхностью раздела жидкой и воздушной сред.

Этот радиус может быть определен как разность заднего фокусного расстояния поверхности раздела и ее радиуса кривизны

Величину перефокусировки по центральной части поля зрения найдем по формуле Ньютона

и аналогично величину перефокусировки для краевого участка поля с углом

Разность величин этих перефокусировок определит кривизну поля, вносимую сферической поверхностью раздела,

или

Полагая, что передний фокус объектива совмещен со сферической поверхностью раздела формулу (23.10) соответственно упростим

Если, как это часто бывает, зрачок входа объектива совпадет с его передней главной плоскостью, т. е. когда формула (23.11) упрощается еще более.

Приведем численный пример. Полагая полевой угол фокусное расстояние и показатель преломления воды находим величину разности

выражающую собой кривизну поля, внесеииую поверхностью раздела водной и воздушной сред.

Согласно формуле (23.11) кривизна поля уменьшается при увеличении радиуса кривизны иллюминатора. Однако при этом возникает необходимость соответственного увеличения диаметра сферического иллюминатора, что не всегда приемлемо.

Таким образом, и при наличии сферического иллюминатора необходима разработка специальных гидросъемочных объективов; однако подобные объективы смогут быть использованы лишь с теми сферическими иллюминаторами, для которых они были разработаны, тогда как гидросъемочные объективы, рассчитанные для работы с плоскими иллюминаторами, будут пригодны для любых плоских иллюминаторов, лишь бы они обеспечивали пропускание требуемого поля зрения.

Последнее обстоятельство является решающим при выборе основного направления для разработки гидросъемочных объективов.