Окуляр

Тип линзы, прикрепляемой к различным оптическим устройствам, таким как телескопы и микроскопы.

Коллекция различных типов окуляров.

Окуляр , или окулярная линза , — это тип линзы , которая прикрепляется к различным оптическим устройствам, таким как телескопы и микроскопы . Она так называется, потому что обычно это линза, которая находится ближе всего к глазу, когда кто-то смотрит через оптическое устройство, чтобы наблюдать за объектом или образцом. Линза объектива или зеркало собирает свет от объекта или образца и фокусирует его, создавая изображение объекта. Окуляр помещается рядом с фокусной точкой объектива, чтобы увеличить это изображение для глаз. (Окуляр и глаз вместе создают изображение изображения, созданного объективом, на сетчатке глаза.) Степень увеличения зависит от фокусного расстояния окуляра.

Окуляр состоит из нескольких « линзовых элементов» в корпусе с «стволом» на одном конце. Ствол имеет форму, подходящую для специального отверстия инструмента, к которому он прикреплен. Изображение можно сфокусировать , приближая и удаляя окуляр от объектива. Большинство инструментов имеют фокусирующий механизм, позволяющий перемещать вал, в котором установлен окуляр, без необходимости непосредственного манипулирования окуляром.

Окуляры биноклей обычно постоянно установлены в бинокле, что обеспечивает им заранее определенное увеличение и поле зрения. Однако в телескопах и микроскопах окуляры обычно взаимозаменяемы. Переключая окуляр, пользователь может настроить то, что он видит. Например, окуляры часто меняются, чтобы увеличить или уменьшить увеличение телескопа. Окуляры также предлагают различные поля зрения и различные степени выноса выходного зрачка для человека, который смотрит через них.

Характеристики

Окуляр Кельнера 25 мм

Некоторые свойства окуляра могут представлять интерес для пользователя оптического прибора при сравнении окуляров и выборе того, который соответствует его потребностям.

Расчетное расстояние до входного зрачка

Окуляры — это оптические системы, в которых входной зрачок неизменно расположен вне системы. Они должны быть спроектированы для оптимальной работы на определенном расстоянии до этого входного зрачка (т. е. с минимальными аберрациями для этого расстояния). В рефракционном астрономическом телескопе входной зрачок идентичен объективу . Он может находиться на расстоянии нескольких футов от окуляра; тогда как в окуляре микроскопа входной зрачок находится близко к задней фокальной плоскости объектива, всего в нескольких дюймах от окуляра. Окуляры микроскопа могут быть скорректированы иначе, чем окуляры телескопа; однако большинство из них также подходят для использования в телескопе.

Элементы и группы

Элементы — это отдельные линзы, которые могут быть простыми линзами или «синглетами» и склеенными дублетами или (реже) триплетами . Когда линзы склеены вместе парами или тройками, объединенные элементы называются группами (линз).

Первые окуляры имели только один элемент линзы, который давал сильно искаженные изображения. Вскоре были изобретены двух- и трехэлементные конструкции, которые быстро стали стандартными из-за улучшенного качества изображения. Сегодня инженеры с помощью программного обеспечения для автоматизированного черчения разработали окуляры с семью или восемью элементами, которые дают исключительно большие и четкие изображения.

Внутреннее отражение и рассеяние

Внутренние отражения, иногда называемые «рассеиванием», приводят к тому, что свет, проходящий через окуляр, рассеивается и снижает контрастность изображения , проецируемого окуляром. Когда эффект особенно силен, видны «фантомные изображения», называемые «фантомным изображением». В течение многих лет, чтобы избежать этой проблемы, предпочтение отдавалось простым конструкциям окуляров с минимальным количеством внутренних поверхностей воздух-стекло.

Одним из решений проблемы рассеивания является использование тонкопленочных покрытий на поверхности элемента. Эти тонкие покрытия имеют глубину всего в одну или две длины волны и работают над уменьшением отражений и рассеивания путем изменения преломления света, проходящего через элемент. Некоторые покрытия могут также поглощать свет, который не проходит через линзу, в процессе, называемом полным внутренним отражением , когда свет, падающий на пленку, находится под небольшим углом.

Хроматическая аберрация

Сравнение идеального изображения кольца (1) и изображений, имеющих только осевую (2) и только поперечную (3) хроматическую аберрацию

Боковая или поперечная хроматическая аберрация возникает из-за того, что преломление на стеклянных поверхностях отличается для света с разной длиной волны. Синий свет, видимый через элемент окуляра, не будет фокусироваться в той же точке, но вдоль той же оси, что и красный свет. Эффект может создать кольцо ложного цвета вокруг точечных источников света и привести к общей размытости изображения.

Одним из решений является уменьшение аберрации путем использования нескольких элементов из разных типов стекла. Ахроматы — это группы линз, которые сводят две разные длины волн света в один фокус и демонстрируют значительно сниженный ложный цвет. Для уменьшения хроматической аберрации также может использоваться стекло с низкой дисперсией.

Продольная хроматическая аберрация — ярко выраженный эффект объективов оптических телескопов , поскольку фокусные расстояния у них очень большие. Микроскопы, фокусные расстояния которых обычно короче, не склонны страдать от этого эффекта.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние окуляра — это расстояние от главной плоскости окуляра до точки, где параллельные лучи света сходятся в одну точку. При использовании фокусное расстояние окуляра в сочетании с фокусным расстоянием телескопа или объектива микроскопа, к которому он прикреплен, определяет увеличение. Обычно оно выражается в миллиметрах , когда речь идет только об окуляре. Однако при замене набора окуляров на одном приборе некоторые пользователи предпочитают идентифицировать каждый окуляр по создаваемому увеличению.

Для телескопа приблизительное угловое увеличение, создаваемое комбинацией конкретного окуляра и объектива, можно рассчитать по следующей формуле: ${\displaystyle \ M_{\mathsf {A}}\ }$

${\displaystyle \ M_{\mathsf {A}}\approx {\frac {\ f_{\mathsf {O}}\ }{\ f_{\mathsf {E}}\ }}\ }$

где:

• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {O}}\ }$фокусное расстояние объектива,
• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {E}}\ }$фокусное расстояние окуляра.

Таким образом, увеличение увеличивается, когда фокусное расстояние окуляра короче или фокусное расстояние объектива длиннее. Например, окуляр 25 мм в телескопе с фокусным расстоянием 1200 мм увеличит объекты в 48 раз. Окуляр 4 мм в том же телескопе увеличит в 300 раз.

Астрономы-любители склонны называть окуляры телескопов по их фокусному расстоянию в миллиметрах. Обычно они находятся в диапазоне от 3 мм до 50 мм. Однако некоторые астрономы предпочитают указывать результирующую кратность увеличения, а не фокусное расстояние. Часто бывает удобнее указывать кратность увеличения в отчетах о наблюдениях, поскольку это дает более непосредственное представление о том, какой вид наблюдатель видел на самом деле. Однако из-за своей зависимости от свойств конкретного используемого телескопа кратность увеличения сама по себе бессмысленна для описания окуляра телескопа.

Для составного микроскопа соответствующая формула имеет вид

${\displaystyle \ M_{\mathsf {A}}={\frac {~~~D\ \cdot \ D_{\mathsf {EO}}\ }{\ f_{\mathsf {E}}\ \cdot \ f_{\mathsf {O}}\ }}={\frac {D}{~f_{\mathsf {E}}\ }}\cdot {\frac {~~D_{\mathsf {EO}}\ }{~f_{\mathsf {O}}\ }}\ }$

где

• ${\displaystyle \ D\ }$— расстояние самого близкого отчетливого видения (обычно 250 мм).
• ${\displaystyle \ D_{\mathsf {EO}}\ }$— расстояние между задней фокальной плоскостью объектива и задней фокальной плоскостью окуляра (обычно называемое «длиной тубуса» ), обычно составляющее 160 мм для современного прибора.
• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {O}}\ }$— фокусное расстояние объектива, — фокусное расстояние окуляра. ${\displaystyle \ f_{\mathsf {E}}\ }$

По соглашению, окуляры микроскопов обычно определяются по мощности, а не по фокусному расстоянию. Мощность окуляра микроскопа и мощность объектива определяются ${\displaystyle \ P_{\mathrm {E} }\ }$ ${\displaystyle \ P_{\mathsf {O}}\ }$

${\displaystyle \ P_{\mathsf {E}}={\frac {D}{~f_{\mathsf {E}}\ }}\ ,\qquad P_{\mathsf {O}}={\frac {~~D_{\mathsf {EO}}\ }{~f_{\mathsf {O}}\ }}\ }$

таким образом, из выражения, данного ранее для углового увеличения сложного микроскопа

${\displaystyle \ M_{\mathsf {A}}=P_{\mathsf {E}}\times P_{\mathsf {O}}\ }$

Полное угловое увеличение изображения микроскопа затем просто вычисляется путем умножения силы окуляра на силу объектива. Например, окуляр 10× с объективом 40× увеличит изображение в 400 раз.

Это определение силы линзы основано на произвольном решении разделить угловое увеличение инструмента на отдельные факторы для окуляра и объектива. Исторически Аббе описывал окуляры микроскопа по-разному, в терминах углового увеличения окуляра и «начального увеличения» объектива. Хотя это было удобно для оптического конструктора, это оказалось менее удобным с точки зрения практической микроскопии и поэтому впоследствии было отвергнуто.

Общепринятое визуальное расстояние ближайшего фокуса составляет 250 мм, и сила окуляра обычно указывается исходя из этого значения. Обычные силы окуляра — 8×, 10×, 15× и 20×. Таким образом, фокусное расстояние окуляра (в мм) может быть определено, если необходимо, путем деления 250 мм на силу окуляра. ${\displaystyle \ D\ }$

В современных приборах часто используются объективы, оптически скорректированные для бесконечной длины тубуса, а не 160 мм, и для них требуется вспомогательная корректирующая линза в тубусе.

Расположение фокальной плоскости

В некоторых типах окуляров, таких как окуляры Рамсдена (более подробно описанные ниже), окуляр ведет себя как увеличительное стекло, и его фокальная плоскость расположена снаружи окуляра перед линзой поля . Поэтому эта плоскость доступна как место для сетки или микрометрических перекрестий. В окуляре Гюйгенса фокальная плоскость расположена между глазом и линзами поля, внутри окуляра, и, следовательно, недоступна.

Поле зрения

Моделирование видов через телескоп с использованием разных окуляров. Центральное изображение использует окуляр с тем же фокусным расстоянием, что и левое, но имеет более широкое видимое поле зрения, что дает большее изображение, которое показывает большую площадь. Изображение справа имеет то же видимое поле зрения, что и центральный окуляр, но имеет меньшее фокусное расстояние, что дает то же истинное поле зрения, что и левое изображение, но с большим увеличением.

Плессль, окуляр с большим видимым полем зрения

Поле зрения, часто сокращенно FOV, описывает область цели (измеренную как угол от места наблюдения), которую можно увидеть, глядя через окуляр. Поле зрения, видимое через окуляр, варьируется в зависимости от увеличения, достигаемого при подключении к конкретному телескопу или микроскопу, а также от свойств самого окуляра. Окуляры различаются по их полевой диафрагме , которая является самым узким отверстием, через которое должен пройти свет, попадающий в окуляр, чтобы достичь полевой линзы окуляра.

Из-за влияния этих переменных термин «поле зрения» почти всегда имеет одно из двух значений:

Истинное или поле зрения телескопа

Для телескопа или бинокля — фактический угловой размер области неба, которую можно увидеть через определенный окуляр, используемый с определенным телескопом, создавая определенное увеличение. Обычно он находится в диапазоне от 0,1 до 2  градусов . Для микроскопа — фактическая ширина видимого образца на слайде или подносе для образцов, обычно указывается в миллиметрах, но иногда указывается в виде угловой меры, как у телескопа. Для бинокля он выражается как фактическая ширина поля в футах или метрах на некотором стандартном расстоянии (обычно либо 100 футов, либо 30 метров, что почти одно и то же: 30 м всего на 2% меньше 100 футов).

Видимое или поле зрения глаза

Для телескопов, микроскопов или биноклей видимое поле зрения является мерой углового размера изображения, видимого глазом через окуляр. Другими словами, это то, насколько большим кажется изображение (в отличие от увеличения). Если нет виньетирования тубусом телескопа или микроскопа, это постоянно для любого данного окуляра с фиксированным фокусным расстоянием и может использоваться для расчета того, каким будет истинное поле зрения, когда окуляр используется с данным телескопом или микроскопом. Для современных окуляров диапазон измерений составляет 30–110  градусов , при этом все современные хорошие окуляры имеют по крайней мере 50°, за исключением нескольких специальных окуляров, таких как некоторые, оснащенные сетками .

Пользователи окуляра часто хотят рассчитать фактическое поле зрения, поскольку оно показывает, какая часть неба будет видна при использовании окуляра с телескопом. Наиболее удобный метод расчета фактического поля зрения зависит от того, известно ли видимое поле зрения.

Если видимое поле зрения известно, то фактическое поле зрения можно рассчитать по следующей приблизительной формуле:

${\displaystyle T_{\mathsf {FOV}}\approx {\frac {\ A_{\mathsf {FOV}}\ }{M}}}$

где:

• ${\displaystyle \ T_{\mathsf {FOV}}\ }$истинное поле зрения (на небе), рассчитанное в любой указанной единице углового измерения; ${\displaystyle A_{\mathsf {FOV}}\ }$
• ${\displaystyle \ A_{\mathsf {FOV}}\ }$— видимое поле зрения (глаза);
• ${\displaystyle \ M\ }$это увеличение.

Формула обеспечивает точность 4% или лучше при видимом поле зрения до 40° и имеет погрешность 10% при 60°.

Так как где: ${\displaystyle \ M={\frac {\ f_{\mathsf {T}}\ }{f_{\mathsf {E}}}}\ ,}$

• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {T}}\ }$фокусное расстояние телескопа;
• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {E}}\ }$фокусное расстояние окуляра, выраженное в тех же единицах измерения, что и ${\displaystyle \ f_{\mathsf {T}}\ ;}$

Истинное поле зрения, даже не зная видимого поля зрения, определяется по формуле:

${\displaystyle T_{\mathsf {FOV}}\approx {\frac {A_{\mathsf {FOV}}}{\ \left[{\frac {f_{\mathsf {T}}}{\ f_{\mathsf {E}}\ }}\right]\ }}=A_{\mathsf {FOV}}\times {\frac {\ f_{\mathsf {E}}\ }{f_{\mathsf {T}}}}~.}$^[а]

Фокусное расстояние объектива телескопа — это диаметр объектива, умноженный на фокусное отношение . Оно представляет собой расстояние, на котором зеркало или линза объектива заставят свет от звезды сходить в одну точку ( исключая аберрации ). ${\displaystyle \ f_{\mathsf {T}}\ ,}$

Если видимое поле зрения неизвестно, фактическое поле зрения можно приблизительно определить с помощью:

${\displaystyle \ T_{\mathsf {FOV}}~\approx ~{\frac {\ 57.3\ d\ }{f_{\mathsf {T}}}}\ }$

где:

• ${\displaystyle \ T_{\mathsf {FOV}}\ }$фактическое поле зрения, рассчитанное в градусах .
• ${\displaystyle \ d\ }$диаметр полевой диафрагмы окуляра в мм.
• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {T}}\ }$фокусное расстояние телескопа в мм.

Вторая формула на самом деле более точна, но размер остановки поля обычно не указывается большинством производителей. Первая формула не будет точной, если поле не плоское или выше 60°, что характерно для большинства сверхшироких конструкций окуляров.

Вышеприведенные формулы являются приблизительными. Стандарт ISO 14132-1:2002 дает точный расчет видимого поля зрения из истинного поля зрения, как: ${\displaystyle \ A_{\mathsf {FOV}}\ ,}$ ${\displaystyle \ T_{\mathsf {FOV}}\ ,}$

${\displaystyle \ \tan \left({\frac {\ A_{\mathsf {FOV}}\ }{2}}\right)=M\times \tan \left({\frac {\ T_{\mathsf {FOV}}\ }{2}}\right)~.}$

Если перед окуляром используется диагональная линза или линза Барлоу, поле зрения окуляра может быть слегка ограничено. Это происходит, когда предыдущая линза имеет более узкую полевую диафрагму, чем окуляр, в результате чего препятствие спереди действует как меньшая полевая диафрагма перед окуляром. Точное соотношение дается формулой

${\displaystyle A_{\mathsf {FOV}}~=~2\times \arctan \left({\frac {d}{\ 2\times f_{\mathsf {E}}\ }}\right)~.}$

Иногда используется приближение

${\displaystyle A_{\mathsf {FOV}}~~\approx ~~57.3^{\circ }\times {\frac {d}{\ f_{\mathsf {E}}\ }}~.}$

Эта формула также показывает, что для конструкции окуляра с заданным видимым полем зрения диаметр ствола будет определять максимально возможное фокусное расстояние для этого окуляра, поскольку ни одна полевая диафрагма не может быть больше самого ствола. Например, Plössl с видимым полем зрения 45° в 1,25-дюймовом стволе даст максимальное фокусное расстояние 35 мм. ^[1] Все, что длиннее, требует большего ствола, или обзор ограничивается краем, фактически делая поле зрения менее 45°.

Диаметр ствола

Окуляры для телескопов и микроскопов обычно взаимозаменяемы для увеличения или уменьшения увеличения, а также для того, чтобы пользователь мог выбрать тип с определенными эксплуатационными характеристиками. Для этого окуляры выпускаются со стандартизированными «диаметрами ствола».

Окуляры телескопа

Примеры (слева направо) окуляров 2″ (51 мм), 1,25″ (32 мм) и 0,965″ (24,5 мм).

Существует шесть стандартных диаметров ствола для телескопов. Размеры ствола (обычно выражаются в дюймах ^{[ нужна цитата ]} ):

• 0,965 дюйма (24,5 мм) – это наименьший стандартный диаметр ствола, который обычно встречается в розничных магазинах игрушек и телескопах в торговых центрах . Многие из этих окуляров, которые поставляются с такими телескопами, сделаны из пластика, а некоторые даже имеют пластиковые линзы. Высококлассные окуляры для телескопов с таким размером ствола больше не производятся, но вы все еще можете приобрести окуляры Келлнера.
• 1,25 дюйма (31,75 мм) — это самый популярный диаметр окуляра телескопа. Практический верхний предел фокусных расстояний для окуляров с оправами 1,25″ составляет около 32 мм. При больших фокусных расстояниях края окуляра вторгаются в поле зрения, ограничивая его размер. При фокусных расстояниях более 32 мм доступное поле зрения падает ниже 50°, что большинство любителей считают минимально приемлемой шириной. Эти размеры оправы имеют резьбу для фильтров 30 мм .
• 2 дюйма (50,8 мм) — больший размер тубуса в 2-дюймовых окулярах помогает смягчить ограничение по фокусным расстояниям; это самый большой размер, который обычно доступен. Верхний предел фокусного расстояния с 2-дюймовыми окулярами составляет около 55 мм. Компромисс заключается в том, что эти окуляры обычно более дорогие, не подходят для некоторых телескопов и могут быть достаточно тяжелыми, чтобы опрокинуть телескоп. Эти размеры тубуса имеют резьбу для фильтров 48 мм (или редко 49 мм).
• Окуляры 2,7 дюйма (68,58 мм) – 2,7″ выпускаются лишь несколькими производителями. Они обеспечивают немного большее поле зрения. Многие фокусировщики высокого класса теперь принимают эти окуляры.
• 3 дюйма (76,2 мм) – еще больший размер корпуса в 3-дюймовых окулярах позволяет использовать экстремальные фокусные расстояния и окуляры с полем зрения более 120°. Недостатки в том, что эти окуляры довольно редки, чрезвычайно дороги, весят до 5 фунтов, и что только несколько телескопов имеют фокусеры достаточно большие, чтобы их принять. Их огромный вес вызывает проблемы с балансировкой в ​​окулярах Шмидта-Кассегрена менее 10 дюймов, рефракторах менее 5 дюймов и рефлекторах менее 16 дюймов. Кроме того, из-за их больших полевых диафрагм, без вторичных зеркал большого диаметра, большинство рефлекторов и окуляров Шмидта-Кассегрена будут иметь сильное виньетирование с этими окулярами. ^[b]
• 4 дюйма (102 мм) — окуляры такого размера редки и обычно используются только для длинных рефракторных телескопов в старых обсерваториях. Их выпускают очень немногие производители, а с нынешней популярностью телескопов с коротким фокусным расстоянием и меньшим фокусным отношением среди любителей спрос на этот размер невелик. Иногда их изготавливают из переделанных линз, взятых из старых кинопроекторов.

Окуляры микроскопа

Окуляры для микроскопов имеют различные диаметры корпуса, обычно указываемые в миллиметрах, например 23,2 мм и 30 мм.

Удаление выходного зрачка

Вынос выходного зрачка: 1  Действительное изображение; 2  Полевая диафрагма; 3  Вынос выходного зрачка; 4  Выходной зрачок. Окуляр имеет конструкцию Аббе («орто»).

Глаз должен находиться на определенном расстоянии позади линзы окуляра, чтобы правильно видеть через него изображения. Это расстояние называется выносом выходного зрачка. Больший вынос выходного зрачка означает, что оптимальное положение находится дальше от окуляра, что облегчает просмотр изображения. Однако, если вынос выходного зрачка слишком большой, может быть неудобно удерживать глаз в правильном положении в течение длительного периода времени, по этой причине некоторые окуляры с большим выносом выходного зрачка имеют чашечки позади линзы окуляра, чтобы помочь наблюдателю поддерживать правильное положение наблюдения. Зрачок глаза должен совпадать с выходным зрачком , изображением входного зрачка, который в случае астрономического телескопа соответствует предметному стеклу.

Вынос выходного зрачка обычно составляет от 2 мм до 20 мм в зависимости от конструкции окуляра. Окуляры с большим фокусным расстоянием обычно имеют достаточный вынос выходного зрачка, но окуляры с коротким фокусным расстоянием более проблематичны. До недавнего времени, и все еще довольно часто, окуляры с коротким фокусным расстоянием имели короткий вынос выходного зрачка. Хорошие рекомендации по проектированию предполагают минимум 5–6 мм для размещения ресниц наблюдателя, чтобы избежать дискомфорта. Однако современные конструкции со многими линзовыми элементами могут исправить это, и просмотр при высокой мощности становится более комфортным. Это особенно актуально для тех , кто носит очки , которым может потребоваться до 20 мм выноса выходного зрачка для размещения очков.

Дизайны

Технологии развивались с течением времени, и существует множество конструкций окуляров для использования с телескопами, микроскопами, прицелами и другими устройствами. Некоторые из этих конструкций более подробно описаны ниже.

Отрицательная линза или «Галилеева»

Отрицательная линза

Простая отрицательная линза, помещенная перед фокусом объектива, имеет преимущество в том, что дает прямое изображение , но с ограниченным полем зрения, лучше подходящим для малого увеличения. Предполагается, что этот тип линз использовался в некоторых из первых рефракционных телескопов, которые появились в Нидерландах около 1608 года. Он также использовался в конструкции телескопа Галилео Галилея 1609 года, что дало этому типу расположения окуляра название « Галилеев ». Этот тип окуляра до сих пор используется в очень дешевых телескопах, биноклях и театральных биноклях .

Выпуклая линза

Выпуклая линза

Простая выпуклая линза, помещенная после фокуса объектива, представляет зрителю увеличенное перевернутое изображение. Такая конфигурация могла использоваться в первых рефракционных телескопах из Нидерландов и была предложена как способ иметь гораздо более широкое поле зрения и большее увеличение в телескопах в книге Иоганна Кеплера 1611 года «Диоптриса» . Поскольку линза помещена после фокальной плоскости объектива, она также позволяла использовать микрометр в фокальной плоскости (используемый для определения углового размера и/или расстояния между наблюдаемыми объектами).

Гюйгенс

Схема окуляра Гюйгенса

Окуляры Гюйгенса состоят из двух плосковыпуклых линз с плоскими сторонами, обращенными к глазу, разделенных воздушным зазором. Линзы называются линзой глаза и линзой поля. Фокальная плоскость расположена между двумя линзами. Она была изобретена Христианом Гюйгенсом в конце 1660-х годов и была первым составным (многолинзовым) окуляром. ^[2] Гюйгенс обнаружил, что две линзы с воздушным зазором можно использовать для создания окуляра с нулевой поперечной хроматической аберрацией. Если линзы сделаны из стекла с одинаковым числом Аббе, чтобы использовать их с расслабленным глазом и телескопом с бесконечно удаленным объективом, то разделение определяется по формуле:

${\displaystyle d={\tfrac {1}{2}}\left(f_{\mathsf {A}}+f_{\mathsf {B}}\right)}$

где и — фокусные расстояния линз компонентов. ${\displaystyle \ f_{\mathsf {A}}\ }$ ${\displaystyle \ f_{\mathsf {B}}\ }$

Эти окуляры хорошо работают с телескопами с очень большим фокусным расстоянием. ^[c] Эта оптическая конструкция в настоящее время считается устаревшей, поскольку с сегодняшними телескопами с более коротким фокусным расстоянием окуляр страдает от короткого выноса выходного зрачка, сильного искажения изображения, осевой хроматической аберрации и очень узкого видимого поля зрения. Поскольку эти окуляры дешевы в производстве, их часто можно найти на недорогих телескопах и микроскопах. ^[3]

Поскольку окуляры Гюйгенса не содержат цемента для фиксации линз, пользователи телескопов иногда используют эти окуляры в качестве «солнечной проекции», т. е. проецируют изображение Солнца на экран в течение длительных периодов времени. Цементированные окуляры традиционно считаются потенциально уязвимыми к тепловому повреждению из-за интенсивной концентрации света.

Рамсден

Схема окуляра Рамсдена

Окуляр Рамсдена состоит из двух плосковыпуклых линз из одного и того же стекла и с одинаковыми фокусными расстояниями, расположенных на расстоянии менее одного фокусного расстояния линзы глаза друг от друга. Такая конструкция была создана изготовителем астрономических и научных инструментов Джесси Рамсденом в 1782 году. Расстояние между линзами различается в зависимости от конструкции, но обычно находится где-то между ⁠ 7 /10⁠ и ⁠ 7 /8⁠ фокусного расстояния хрусталика глаза, при этом выбор представляет собой компромисс между остаточной поперечной хроматической аберрацией (при низких значениях) и при высоких значениях, когда полевая линза касается фокальной плоскости при использовании наблюдателем, работающим с близким виртуальным изображением, например, близоруким наблюдателем или молодым человеком, аккомодация которого способна справиться с близким виртуальным изображением (это серьезная проблема при использовании с микрометром, поскольку это может привести к повреждению прибора).

Разделение ровно на 1 фокусное расстояние также нецелесообразно, поскольку это делает пыль на полевой линзе мешающей в фокусе. Две изогнутые поверхности обращены внутрь. Таким образом, фокальная плоскость расположена снаружи окуляра и, следовательно, доступна как место, где можно разместить сетку или микрометрическое перекрестие. Поскольку разделение ровно на одно фокусное расстояние потребовалось бы для исправления поперечной хроматической аберрации, невозможно полностью исправить конструкцию Рамсдена для поперечной хроматической аберрации. Конструкция немного лучше, чем у Гюйгенса, но все еще не соответствует сегодняшним стандартам.

Он по-прежнему отлично подходит для использования с приборами, работающими с использованием почти монохроматических источников света, например, поляриметрами.

Кельнер или «Ахромат»

Схема окуляра Кельнера

В окуляре Келлнера ахроматический дублет используется вместо простой плоско-выпуклой линзы глаза в конструкции Рамсдена для коррекции остаточной поперечной хроматической аберрации. Карл Келлнер спроектировал этот первый современный ахроматический окуляр в 1849 году ^[4] , также называемый « ахроматизированным Рамсденом». Окуляры Келлнера имеют конструкцию из 3 линз. Они недороги и дают довольно хорошее изображение от низкой до средней мощности и намного превосходят конструкции Гюйгенса или Рамсдена. Вынос выходного зрачка лучше, чем у Гюйгенса, и хуже, чем у окуляров Рамсдена. ^[5] Самой большой проблемой окуляров Келлнера были внутренние отражения. Современные антибликовые покрытия делают их пригодными для использования, экономичными вариантами для телескопов с малой и средней апертурой с фокусным отношением f/6 или больше. Типичное видимое поле зрения составляет 40–50°.

Плёссль или «Симметричный»

Диаграмма окуляра Плёссла

Plössl — окуляр, обычно состоящий из двух наборов дублетов , разработанный Георгом Плёсслем в 1860 году. Поскольку два дублета могут быть идентичными, эту конструкцию иногда называют симметричным окуляром . ^[6] Составная линза Плёссля обеспечивает большое видимое поле зрения в 50° или более, а также пропорционально большое истинное поле зрения. Это делает этот окуляр идеальным для различных целей наблюдения, включая наблюдение за дальним космосом и планетами . Главным недостатком оптической конструкции Плёссля является короткий вынос выходного зрачка по сравнению с ортоскопическим, поскольку вынос выходного зрачка Плёссля ограничен примерно 70–80% фокусного расстояния. Короткий вынос выходного зрачка более критичен при коротких фокусных расстояниях ниже примерно 10 мм, когда просмотр может стать неудобным — особенно для людей, носящих очки.

Окуляр Плёссля был малоизвестной конструкцией до 1980-х годов, когда производители астрономического оборудования начали продавать его модернизированные версии. ^[7] Сегодня это очень популярная конструкция на любительском астрономическом рынке, ^[8] где название Плёссля охватывает ряд окуляров с как минимум четырьмя оптическими элементами, иногда пересекаясь с конструкцией Эрфле.

Этот окуляр является одним из самых дорогих в производстве из-за качества стекла и необходимости хорошо подобранных выпуклых и вогнутых линз для предотвращения внутренних отражений. Из-за этого качество различных окуляров Plössl различается. Существуют заметные различия между дешевыми Plössl с простейшими антибликовыми покрытиями и хорошо сделанными.

Ортоскопический или «Аббе»

Схема ортоскопического окуляра

Четырехэлементный ортоскопический окуляр состоит из плоско-выпуклой одиночной линзы глаза и склеенной выпукло-выпуклой триплетной полевой линзы ахроматической полевой линзы. Это дает окуляру почти идеальное качество изображения и хороший вынос выходного зрачка , но узкое видимое поле зрения — около 40°–45°. Он был изобретен Эрнстом Аббе в 1880 году. ^[3] Он называется « ортоскопическим » или « ортографическим » из-за его низкой степени искажения, а также иногда называется «орто» или «Аббе».

До появления многослойных покрытий и популярности Plössl ортоскопические окуляры были самой популярной конструкцией окуляров телескопов. Даже сегодня эти окуляры считаются хорошими окулярами для планетарных и лунных наблюдений. Они предпочтительны для окуляров с сеткой , поскольку являются одной из широкоугольных конструкций с большим выносом выходного зрачка и внешней фокальной плоскостью; медленно вытесняются König. Из-за их низкой степени искажения и соответствующего эффекта шара они менее подходят для применений, требующих обширного панорамирования инструмента.

Моноцентрический

Диаграмма моноцентрического окуляра

Моноцентрическая линза — это ахроматическая триплетная линза с двумя кусками коронного стекла, склеенными по обе стороны элемента из флинтгласа. Элементы толстые, сильно изогнутые, а их поверхности имеют общий центр, что дало ей название « моноцентрическая ». Она была изобретена HA Steinheil около 1883 года. ^[9] Эта конструкция, как и конструкции сплошных окуляров Tolles, Hastings и Taylor, ^[10] свободна от фантомных отражений и дает яркое контрастное изображение, желательная особенность, когда она была изобретена (до появления антибликовых покрытий ). ^[11] Она имеет узкое видимое поле зрения около 25° ^[12], но была предпочтительна для наблюдателей планет. ^[13]

Эрфле

Схема окуляра Эрфле

Erfle — это 5-элементный окуляр, состоящий из 2  ахроматических дублетов с дополнительной простой линзой между ними. Они были изобретены Генрихом Эрфле во время Первой мировой войны для использования в военных целях. ^[14] Конструкция представляет собой элементарное расширение 4-элементных окуляров, таких как Plössls, улучшенное для более широких полей зрения.

Окуляры Erfle разработаны для широкого поля зрения (около 60°), но непригодны для использования при больших увеличениях, поскольку страдают от астигматизма и фантомных изображений. ^[d] Однако с покрытиями линз при низких увеличениях ( фокусные расстояния 20~30 мм и выше) они приемлемы, а при 40 мм могут быть превосходны. Окуляры Erfle очень популярны для широкоугольных обзоров, поскольку у них большие линзы для глаз, и их очень удобно использовать из-за хорошего выноса выходного зрачка при больших фокусных расстояниях.

Кёниг

Схема окуляра Кёнига

Окуляр Кёнига имеет вогнуто-выпуклый положительный дублет и плоско-выпуклый синглет . Сильно выпуклые поверхности дублета и синглета обращены друг к другу и (почти) касаются друг друга. Дублет имеет вогнутую поверхность, обращенную к источнику света, а синглет имеет почти плоскую (слегка выпуклую) поверхность, обращенную к глазу. Он был разработан в 1915 году немецким оптиком Альбертом Кёнигом (1871−1946) ^{[ требуется ссылка ]} и фактически является упрощенным Аббе. Конструкция обеспечивает высокое увеличение с удивительно высоким выносом выходного зрачка — самым большим выносом выходного зрачка , пропорциональным фокусному расстоянию любой конструкции до Наглера в 1979 году. Поле зрения около 55° немного превосходит Плёссля, с дополнительными преимуществами лучшего выноса выходного зрачка и необходимостью на один элемент линзы меньше.

Современные усовершенствования обычно имеют поля зрения 60°−70°. Изменения конструкции König используют экзотическое стекло и/или добавляют больше групп линз; наиболее типичная адаптация заключается в добавлении простой положительной, вогнуто-выпуклой линзы перед дублетом , с вогнутой поверхностью, направленной к источнику света, и выпуклой поверхностью, обращенной к дублету.

РКЕ

Схема окуляра RKE

Окуляр RKE имеет ахроматическую полевую линзу и двойную выпуклую глазную линзу, перевернутую адаптацию окуляра Келлнера, с компоновкой линз, похожей на König. Он был разработан доктором  Дэвидом Ранком для Edmund Scientific Corporation , которая продавала его в конце 1960-х и начале 1970-х годов. Такая конструкция обеспечивает немного более широкое поле зрения, чем классическая конструкция Келлнера, и делает ее конструкцию похожей на широко разнесенную версию König.

Согласно Edmund Scientific Corporation , RKE означает «Rank Kellner Eyepiece». ^{[ требуется цитата ]} В поправке к их заявке на регистрацию товарного знака от 16 января 1979 года он был указан как «Rank-Kaspereit-Erfle», три конструкции, из которых был получен окуляр. ^[15] Edmund Astronomy News (март 1978 г.) назвал окуляр «Rank-Kaspereit-Erfle» (RKE) «переработанным [ed] ... типом II Kellner». ^[16] Однако дизайн RKE не похож на Kellner и ближе к модифицированному König. Есть некоторые предположения, что в какой-то момент «K» было ошибочно интерпретировано как название более распространенного Kellner, вместо довольно редко встречающегося König.

Наглер

Схемы расположения линз в ранних окулярах Nagler

Компоновка окулярной линзы Nagler "type 2" (1988)

Изобретенный Альбертом Наглером и запатентованный в 1979 году, окуляр Nagler представляет собой конструкцию, оптимизированную для астрономических телескопов, чтобы обеспечить сверхширокое поле зрения (82°), которое имеет хорошую коррекцию астигматизма и других аберраций. Представленный в 2007 году, Ethos представляет собой усовершенствованную конструкцию сверхширокого поля зрения, разработанную в основном Полом Деллекьяйе под руководством Альберта Наглера в Tele Vue Optics и заявляющую AFOV 100–110°. ^{[17] [18]} Это достигается с помощью экзотического высокоиндексного стекла и до восьми оптических элементов в четырех или пяти группах; существует несколько похожих конструкций, называемых Nagler , Nagler type 2 , Nagler type 4 , Nagler type 5 и Nagler type 6. Более новая конструкция Delos представляет собой модифицированную конструкцию Ethos с FOV «всего» 72 градуса, но с большим выносом выходного зрачка 20 мм.

Количество элементов в Nagler делает их сложными, но идея конструкции довольно проста: каждый Nagler имеет отрицательную двойную полевую линзу, которая увеличивает увеличение, за которой следует несколько положительных групп. Положительные группы, рассматриваемые отдельно от первой отрицательной группы, объединяются, чтобы иметь большое фокусное расстояние, и образуют положительную линзу. Это позволяет конструкции использовать многие хорошие качества линз с низкой мощностью. По сути, Nagler является улучшенной версией линзы Барлоу , объединенной с окуляром с большим фокусным расстоянием . Эта конструкция широко копировалась в других широкоугольных или длиннофокусных окулярах .

Главный недостаток Naglers — их вес; их часто с сожалением называют « ручными гранатами » из-за их веса и большого размера. Версии с большим фокусным расстоянием превышают 0,5 кг (1,1 фунта), что достаточно, чтобы разбалансировать телескопы малого и среднего размера. Другим недостатком является высокая стоимость покупки, при этом цены на большие Naglers сопоставимы со стоимостью небольшого телескопа. Поэтому эти окуляры рассматриваются многими любителями астрономии как роскошь. ^[19]

Сноски

1. Обычный простой способ непосредственного измерения истинного поля зрения ( если нет виньетирования стенкой трубы телескопа) — это измерение времени, которое требуется звезде, находящейся в нескольких градусах от небесного экватора, чтобы пройти через все поле зрения окуляра, при неподвижном телескопе. Это время является (почти) точной мерой поля зрения в секундах часов и преобразуется в единицы угловых градусов с помощью Более точные формулы могут вносить поправки для любой высоты звезды над или под экватором, и, следовательно, избавляют от необходимости использовать звезду, огибающую экватор. ${\displaystyle T_{\mathsf {FOV}}\ ,}$ ${\displaystyle \ t\ }$ ${\displaystyle T_{\mathsf {FOV}}\approx t\times {\frac {1^{\circ }}{\ 15\ {\mathsf {seconds}}\ }}~.}$
2. Производители 3-дюймовых окуляров включают Explore Scientific и Siebert Optics. Телескопы, которые могут принимать 3-дюймовые окуляры, производятся Explore Scientific и Orion Telescopes and Binoculars.
3. Во времена Гюйгенса окуляры типа Гюйгенса использовались с рефракторными телескопами, сделанными из одноэлементной первичной линзы с очень большим фокусным расстоянием. Их называли « воздушными телескопами », потому что первичную линзу приходилось держать очень высоко над землей, обычно устанавливая ее на конце длинного шеста, чтобы наблюдатель на земле находился вблизи фокусной точки первичной линзы. Используемые линзы не были ахроматическими , а очень большое фокусное расстояние было необходимо для минимизации цветовых и фокальных аберраций .
4. Распространенная фраза среди астрономов-любителей относительно астигматизма — «Эрфли ужасны » .

Смотрите также

• линза Барлоу
• Список деталей и конструкции телескопа
• Монокль
• Оптический микроскоп
• Оптический телескоп
• Карманный компаратор

Ссылки

1. Кларк, Роджер Н. (1990). Визуальная астрономия глубокого неба . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 29. ISBN 0-5213-6155-9.
2. Харрингтон (2011), стр. 181
3. "Окуляры". astro-tom.com .
4. Крамер, Джек (декабрь 2003 г.). «Старый добрый окуляр Плоссла». The NightTimes . Округ Лейк, Иллинойс : Астрономическое общество округа Лейк . Получено 25 декабря 2009 г.
5. "Окуляры" (PDF) . [название не указано] (Отчет). Военный справочник. глава 14. MIL-HDBK-141. Архивировано из оригинала (PDF) 2010-08-06 . Получено 2009-07-29 .
6. Ко, Стивен Р. (14 марта 2007 г.). Туманности и как их наблюдать. Руководства по астрономическим наблюдениям. Springer Science & Business Media. стр. 9. ISBN 978-1-8462-8729-9– через Google Книги.
7. Харрингтон (2011), стр. 183
8. МакЭнелли, Джон У. (16 декабря 2007 г.). Юпитер и как его наблюдать. Руководства по астрономическим наблюдениям. Springer Science & Business Media. стр. 156. ISBN 9781846287275– через Google Книги.
9. Лорд, Крис. «TMB monocentric eyepiece». brayebrookobservatory.org (запись на веб-форуме). Архивировано из оригинала 30 ноября 2021 г. Получено 2 октября 2023 г. Комментарии к отчету об испытаниях «TMB monocentric eyepiece» Гэри Сероника в Sky & Telescope (август 2004 г.), стр. 98–102.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
10. Гросс, Герберт; Цюгге, Ганнфрид; Блехингер, Фриц; Ахтнер, Бертрам, ред. (11 апреля 2008 г.). Обзор оптических приборов. Справочник по оптическим системам. Том 4. § 37.6.1, стр. 109–110. ISBN 978-3-5274-0382-0.
11. Гордон, Роджер (1997). «Демистификация многослойных покрытий». Журнал TPO . Том 8, № 4. Архивировано из оригинала 24 февраля 2012 г. Получено 10 мая 2024 г.
12. Мобберли, Мартин (январь 1999). Астрономическое оборудование для любителей. Springer Science & Business Media. стр. 71. ISBN 978-1-8523-3019-4– через Google Книги.
13. Норт, Джеральд (21 августа 1997 г.). Advanced Amateur Astronomy . Cambridge University Press. стр. 36. ISBN 978-0-5215-7430-3– через Интернет-архив. Моноцентрическое поле зрения окуляра.
14. US 1478704, Heinrich Erfle , «Ocular», выдан 25 августа 1921 г., передан Zeiss Co. 
15. Edmund Optics Inc. (17 июля 1979 г.). RKE (торговая марка). US 1122261.
16. "Новая конструкция окуляра, разработанная Эдмундом". Edmund Astronomy News . Том 16, № 2. Edmund Scientific Corporation . Март 1978 г. Новые окуляры Rank-Kaspereit-Erfle (RKE) диаметром 28 мм и 15 мм представляют собой американские модификации знаменитого окуляра Кельнера типа II.
17. "Ethos: окуляры видимого поля 100° и 110°". televue.com . Tele Vue Optics . Получено 22 ноября 2016 г. .
18. Mounsey, Daniel. "Cloudynights review of Ethos". cloudynights.com . 21-мм, выпущенная в 2009 году, имеет размер пивной банки и весит почти килограмм.
19. Коэн, Мартин С. (2000) [1994]. Televue: историческая перспектива. company7.com (Отчет). Потребительские линии. Company Seven . Получено 2 октября 2023 г.

Источники

• Conrady, AE (1992) [1929]. Прикладная оптика и оптическое проектирование. Том 1 (переиздание). Oxford University Press (1929) / Dover Publications (1992). ISBN 9780-4866-7007-2– через Интернет-архив (archive.org).

• Кингслейк, Р. (1978). Основы проектирования объективов . Academic Press. ISBN 9780124086500.

• Руттен, Х.; ван Венрой, М. (1989) [1988]. Оптика телескопа . Вильманн-Белл. ISBN 0-943396-18-2.

• Харрингтон, Филип С. (25 февраля 2011 г.) [апрель 2007 г.]. Star Ware: руководство для астрономов-любителей по выбору, покупке и использованию телескопов и аксессуаров (4-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 9780-4717-5063-5.

Внешние ссылки

• Медиафайлы по теме Окуляры на Wikimedia Commons
• ЭВОЛЮЦИЯ EYEPIECE Архивировано 27.02.2021 на Wayback Machine
• А. Наглер – Патент США US4286844
• А. Наглер – Патент США US4747675
• А. Наглер – Патент США US4525035
• А. Наглер – Искатель для использования с астрономическими телескопами
• Эволюция астрономического окуляра, подробное обсуждение различных конструкций и теоретических основ.
• Страница окуляров Джона Сэварда, список окуляров с некоторыми подробностями их конструкции.
• Патентное ведомство США: Сверхширокий окуляр NAGLER. ^{[ постоянная неработающая ссылка ]}