§ 6.3. Линзовый телескоп

Телескоп — это оптическая система, с помощью которой можно рассматривать увеличенное изображение удаленного объекта. На рис. 6.7 схематически показана астрономическая труба, или рефрактор. Такой телескоп состоит из двух собирательных линз; первая, объектив — обычно ахроматический дублет, дает перевернутое изображение которое рассматривается с помощью второй линзы, или окуляра.

Рис. 6.7. Астрономическая труба, или рефрактор.

В обычных условиях задняя фокальная плоскость объектива совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра, так что падающий на объектив параллельный пучок лучен выходит из окуляра также параллельным. С помощью вспомогательной линзы перевернутое изображение можно превратить в прямое.

Входной зрачок системы совпадает с объективом: его изображение остальной частью системы, т. е. выходной зрачок, обозначен на рис. 6.7 через ?. Глаз должен располагаться так, чтобы его входной зрачок совмещался с ; тогда весь свет, входящий в объектив под разными углами к оси, попадет в глаз.

Увеличение системы, применяемой для рассматривания объектов, находящихся в бесконечности, определяется как угловое увеличение на зрачках. По формуле Смита — Гельмгольца (4.4.49) оно равно величине, обратной линейному увеличению в плоскостях зрачков, и, значит, равно отношению радиусов входного и выходного зрачков. Выражение для увеличения получается

непосредственно из (4.3.31), откуда, полагая, что углы малы, и заменяя на , находим

Глаз можно аккомодировать на расстояние, отличное от бесконечности, а телескоп легко переюстировать так, чтобы он давал мнимое изображение на некотором расстоянии от глаза. Однако не должно становиться меньше см, что, как отмечалось выше, является ближайшим расстоянием, на котором нормальный глаз без напряжения отчетливо видит предмет.

Первый телескоп, о существовании которого достоверно известно, был телескоп Галилея, построенный в 1609 г. В этой системе (рис. 6.8) объективом служила собирательная линза, а окуляром — рассеивающая, помещенная перед первичным изображением в таком месте, чтобы фокусы обеих линз совпадали.

Рис. 6.8. Телескоп Галилея.

При таком расположении прямое изображение лежит в бесконечности, а промежуточное отсутствует. В телескопе подобного типа, известном под названием телескопа Галилея, апертурная диафрагма не совпадает с плоскостью объектива, поскольку изображение объектива окуляром находится между линзами и, следовательно, не доступно глазу. Глаз помещается непосредственно за окуляром, так что зрачок глаза становится апертурной диафрагмой и выходным зрачком. Главный луч для точек на границе поля пройдет очень близко от края объектива, и, следовательно, последний служит диафрагмой поля зрения, а не апертурной диафрагмой.

К недостаткам телескопа Галилея следует отнести малое поле зрения и отсутствие действительного изображения. Последнее обстоятельство не позволяет использовать в нем ни креста нитей, ни сетки. Вместе с тем малая длина телескопа, а также то обстоятельство, что он дает прямое изображение, делает его особенно удобным для театральных биноклей с увеличением от двух до трех раз.

В бинокле с такой же оптической системой, как и у астрономического телескопа, прямое ичображение получается путем четырехкратного отражения (рис. 6.9). Последние происходят при падении света под углом 45° на поверхность стекло—воздух в так называемых призмах Поро. Этот угол, конечно, больше критического. Оборачивающая система такого рода удобна и часто применяется в небольших оптических приборах. В бинокле другого типа изображение переворачивается призмой Кениги. Эта сложная система с двумя взаимно перпендикулярными (с точностью до 1") отражающими поверхностями, так называемой «крышей», ставится на пути светового пучка, как показано (а рис. 6.10. Увеличенное расстояние между объективами у биноклей более распространенного типа полезно, так как усиливает стереоскопический эффект,

Земные зрительные трубы в основном подобны астрономическим телескопам, за исключением того, что изображение у них должно быть прямым. Для переворачивания изображения служат либо призмы, как в бинокле, либо дополнительные линзы. Типичная система такого рода показана на рис. 6.11.

Рис. 6.9. Бинокль.

Рис. 6.10 Оборачивающая призма Кенига

В качестве объектива телескопа обычно применяют ахроматическую комбинацию двух линз, у которых радиусы кривизны выбраны так, чтобы сферическая аберрация была небольшой.

Рис. 6 11. Земная зрительная труба

Для этой цели подходит склеенный дублет с первой симметричной двояковыпуклой линзой из крона и второй плоско-вогнутой из флинта (рис. 6.12, а). Если нужно устранить не только сферическую аберрацию, но и кому (как, например в высококачественном астрономическом телескопе), то возникают большие трудности при расчете обеих несклеенных компонент объектива, от радиуса кривизны которых зависит апатичность конструкции. Примерная конструкция такого типа с вогнуто-выпуклой компонентой из флинта показана на рис. 6.12, б.

Рис. 6.12. Объективы различного типа. а — склеенный ахромат — апланятический ахромат, в — фотовизуальный объектив

Чрезмерную вогнутость первой поверхности можно уменьшить, если в свободную от комы конструкцию объектива ввести несферическую поверхность, дающую на оси системы стигматическое изображение.

Наиболее распространенный тип объективов с передней линзой из крона — это объектив Фраунгофера. Объектив Штеинхеля с передней линзой из флинта меиее известен вследствие повышенной чувствительности флинта (по сравнению с кроном) к воздействию атмосферы.

Фотовизуальный объектив — третий тип объектива, широко применяемый в рефракторах, показан на рис. 6.12, в Использование трех различных сортов стекла позволило значительно уменьшить хроматическую разницу фокусных

расстояний в заданном спектральном интервале. Такой объектив почти одинаково хорош как для фотографических, так и для визуальных наблюдений и одно время был широко распространен в астрономических инструментах с диаметрами отверстий до 30 см. Значительная кривизна центральной компоненты, затрудняющая центрировку системы, и нестабильность флинтовой компоненты уменьшают, однако, ценность этих объективов.

Окуляры зрительных труб, вообще говоря, должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, фокусное расстояние такого окуляра должно обеспечивать необходимое увеличение и, во-вторых, его апертура должна быть достаточной, чтобы собрать свет от протяженного изображения. Этим требованиям удовлетворяет одиночная линза (рис. 6.13, а), но более удобна система из двух меньших линз, показанная на рис. 6.13, б, где изображена оптическая схема окуляра Рамсдена.

Рис. 6.13. Однолинзовый окуляр (а) и окуляр Рамсдена (б)

Рис. 6.14. Окуляр Гюйгенса (а) и окуляр Келлнера (б).

Окуляр должен давать изображение апертурной диафрагмы в таком месте, где удобно поместить глаз. Расстояние между этим изображением и последней поверхностью окуляра называется удалением выходного зрачка.

Первая линза двухкомпонентиого окуляра называется полевой линзой, так как ее часто помещают очень близко от первичного изображения. Она отделена от него частично для того, чтобы стало незаметным любое загрязнение или дефект линзы, и частично для того, чтобы в плоскость изображения можно было поместить крест нитей или сетку. Вторая компонента окуляра называется глазной линзой.

Наиболее широкое распространение получили окуляр Рамсдена и изображенный на рис. 6.14, о окуляр Гюйгенса. Полевая линза у последнего находится впереди первичного изображения. Недостатком окуляра Гюйгенса является небольшое удаление выходного зрачка; кроме того, им нельзя пользоваться с внешним крестом нитей. В этом окуляре сферическую аберрацию нельзя исправить так же хорошо, как в окуляре Рамсдена, но зато он свободен от поперечной хроматической аберрации и внеосевой комы.

Применение двух линз вместо одной (см. рис. 6.14) способствует устранению хроматической аберрации, и коррекцию окуляра Рамсдена можно значительно улучшить путем замены одиночной глазной линзы дублетом. Еще более сложны «оргоскопические» и «симметричные» окуляры, которые в основном подобны окуляру Рамсдена, но состоят из четырех компонент. Они в высокой степени свободны от аберраций (особенно от дисторсии) и обеспечивают зиачи-. тельное удаление выходного зрачка при данном увеличении,

Принцип устройства перископа, т. е. прибора, предназначенного для рассматривания предметов, расположенных так, что прямому наблюдению их мешает какое-либо препятствие, тот же что и у зрительной трубы. Однако два дополнительных требования значительно усложняют его конструкцию. Во-первых, в перископе ход лучей должен иметь вид ломаных линий, а сам он должен давать прямое, неперевернутое изображение. Для получения такого изображения необходимо тнбо четное число отражений, либо полное их отсутствие. На рис. 6.15 показаны два простых устройства; в одном из нич входящий и выходящий световые пучки распространяются в одну сторону, в другом направления пучков противоположны. Первое должно работать совместно со зрительной трубой, дающей прямое изображение, второе — с оборачивающей трубой.

Рис. 6.15. Перископические зеркала.

Рис. 6.16. Перископ с призмой Дове

Рис. 6.17. Тре.хлинзовые системы с единичным увеличением

Еще одно устройство показано на рис. 6.16, направление выходящего из него пучка остается постоянным, тогда как вращение периой призмы обеспечивает возможность наблюдения в пазных направлениях. Прямое изображение в этой системе сохраняется с помощью призмы Дове , которая дает одно дополнительное отражение и вращается со скоростью в два раза меньшей, чем первая призма.

Таблица 6.1

Нижняя «крышеобразная» призма (Амичи) дополняет число отражений до четырех.

Второе требование, предъявляемое к перископу, заключается в том, что он должен иметь большое угловое поле зрения, хотя сама перископическая система заключена в узкую трубу. Труба диаметром 20 см и длиной допускает максимальное поле зрения, равное лишь 2°. Такие требования можно удовлетворить, только заставив свет проходить вдоль трубы сквозь ряд линз. Расстояния между ними могут быть различными. На рис. 6.17 показаны три трехлинзовые системы с единичным увеличением, а в табл. 6.1 приведены величины полей зрения и эффективные апертуры этих систем. Очевидно, что с увеличенном числа линз диапазон этих величин можно расширить.