Окуляр

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

Коллекция различных типов окуляров.

Окуляр , или окулярная линза , представляет собой тип линзы, которая прикрепляется к различным оптическим устройствам, таким как телескопы и микроскопы . Он назван так потому, что обычно это хрусталик, который находится ближе всего к глазу, когда кто-то смотрит в оптическое устройство, чтобы наблюдать объект или образец. Объектив или зеркало собирает свет от объекта или образца и фокусирует его , создавая изображение объекта. Окуляр помещают рядом с фокусом объектива, чтобы увеличить изображение для глаз. (Окуляр и глаз вместе создают изображение изображения, создаваемого объективом, на сетчатке глаза .) Величина увеличения зависит от фокусного расстояния окуляра.

Окуляр состоит из нескольких « линзовых элементов» в корпусе с «цилиндром» на одном конце. Форма ствола позволяет разместить его в специальном отверстии инструмента, к которому он прикреплен. Изображение можно сфокусировать , перемещая окуляр ближе и дальше от объектива. Большинство инструментов имеют механизм фокусировки, позволяющий перемещать стержень, на котором установлен окуляр, без необходимости непосредственно манипулировать окуляром.

Окуляры биноклей обычно устанавливаются в бинокль постоянно, что позволяет им иметь заранее определенное увеличение и поле зрения. Однако в телескопах и микроскопах окуляры обычно взаимозаменяемы. Переключая окуляр, пользователь может регулировать то, что просматривается. Например, окуляры часто меняют местами, чтобы увеличить или уменьшить увеличение телескопа. Окуляры также предлагают различные поля зрения и разную степень выноса зрачка для человека, который смотрит в них.

Характеристики

Окуляр Келлнера диаметром 25 мм.

Некоторые свойства окуляра могут представлять интерес для пользователя оптического прибора при сравнении окуляров и принятии решения, какой окуляр соответствует его потребностям.

Расчетное расстояние до входного зрачка

Окуляры представляют собой оптические системы, в которых входной зрачок всегда располагается вне системы. Они должны быть рассчитаны на оптимальную работу на определенном расстоянии до этого входного зрачка (т.е. с минимальными аберрациями на этом расстоянии). В астрономическом телескопе-рефракторе входной зрачок совпадает с объективом . Оно 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 корректироваться иначе, чем окуляры телескопа; однако большинство из них также подходят для использования в телескоп.

Элементы и группы

Элементы представляют собой отдельные линзы, которые могут быть как простыми линзами или «синглетами», так и сцементированными дублетами или (редко) тройками . Когда линзы склеены попарно или тройно, объединенные элементы называются группами (линзами).

Первые окуляры имели только одну линзу, что давало сильно искаженное изображение. Вскоре были изобретены двух- и трехэлементные конструкции, которые быстро стали стандартными благодаря улучшенному качеству изображения. Сегодня инженеры с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования разработали окуляры с семью или восемью элементами, которые обеспечивают исключительно большие и четкие изображения.

Внутреннее отражение и рассеяние

Внутренние отражения, иногда называемые «рассеянием», приводят к рассеиванию света, проходящего через окуляр, и снижению контрастности изображения , проецируемого окуляром. Когда эффект особенно плох, появляются «призрачные изображения», называемые «призраками». В течение многих лет во избежание этой проблемы отдавалось предпочтение простым конструкциям окуляров с минимальным количеством внутренних поверхностей воздух-стекло.

Одним из решений проблемы рассеяния является использование тонкопленочных покрытий на поверхности элемента. Эти тонкие покрытия имеют глубину всего одну или две длины волны и уменьшают отражения и рассеяние за счет 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 только с осевой (2) и только поперечной (3) хроматической аберрацией

Боковая или поперечная хроматическая аберрация возникает из-за того, что преломление на стеклянных поверхностях различно для света с разными длинами волн. Синий свет, видимый через окуляр, фокусируется не в той же точке, а 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 за счет использования нескольких элементов из разных типов стекла. Ахроматы — это группы линз, которые фокусируют свет двух разных длин волн и значительно уменьшают ложный цвет. Стекло с низкой дисперсией также можно использовать для уменьшения хроматических аберраций.

Продольная хроматическая аберрация — ярко выраженный эффект объективов оптических телескопов из-за больших фокусных расстояний. Микроскопы, фокусные расстояния которых обычно короче, обычно не страдают от этого эффекта.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние окуляра — это расстояние от главной плоскости окуляра до места, 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 , если речь идет только о окуляре. Однако при замене набора окуляров на одном инструменте некоторые пользователи предпочитают идентифицировать каждый окуляр по полученному 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.

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

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

Для составного микроскопа соответствующая формула:

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

где

• ${\displaystyle \ D\ }$расстояние ближайшего отчетливого зрения (обычно 250 мм).
• ${\displaystyle \ D_{\mathsf {EO}}\ }$- это расстояние между задней фокальной плоскостью объектива и задней фокальной плоскостью окуляра (широко называемое «длиной тубуса» ), обычно для современного инструмента 160 мм.
• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {O}}\ }$– фокусное расстояние объектива, – фокусное расстояние окуляра. ${\displaystyle \ f_{\mathsf {E}}\ }$

По соглашению окуляры микроскопов обычно указываются по силе , а не по фокусному расстоянию. Оптическая сила окуляра микроскопа и оптическая сила объектива определяются выражением ${\displaystyle \ P_{\mathrm {E} }\ }$ ${\displaystyle \ P_{\mathsf {O}}\ }$

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

таким образом, из приведенного ранее выражения для углового увеличения составного микроскопа

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

Затем общее угловое увеличение изображения микроскопа просто рассчитывается путем умножения силы окуляра на силу объектива. Например, окуляр 10-кратного увеличения с объективом 40-кратного увеличения 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, с точки зрения углового увеличения окуляра и «начального увеличения» объектива. Хотя это было удобно для оптического конструктора, оно оказалось менее удобным с точки зрения практической микроскопии, и поэтому от него впоследствии отказались.

Общепринятое визуальное расстояние ближайшего фокуса составляет 250 мм, и оптическая сила окуляра обычно указывается исходя из этого значения. Обычное увеличение окуляров составляет 8×, 10×, 15× и 20×. Таким образом, при необходимости фокусное расстояние окуляра (в мм) можно определить, разделив 250 мм на силу окуляра. ${\displaystyle \ D\ }$

В современных инструментах часто используются объективы с оптической коррекцией на бесконечную длину трубки, а не на 160 мм, и для этого требуется дополнительная корректирующая линза в трубке.

Расположение фокальной плоскости

В некоторых типах окуляров, например окулярах Рамсдена (подробнее описанных ниже), окуляр ведет себя как увеличитель, и его фокальная плоскость расположена снаружи окуляра перед полевой линзой . Таким образом, эта плоскость доступна в качестве места для сетки или микрометрических перекрестий. В окуляре Гюйгена фокальная плоскость расположена между глазом и полевой линзой внутри окуляра и, следовательно, недоступна.

Поле зрения

Моделирование видов в телескоп с использованием разных окуляров. На центральном изображении используется окуляр того же фокусного расстояния, что и на левом, но он имеет более широкое видимое поле зрения , что дает более крупное изображение и показывает большую площадь. Изображение справа имеет то же видимое поле зрения, что и центральный окуляр, но имеет более короткое фокусное расстояние, что дает такое же истинное поле зрения, что и левое изображение, но при большем увеличении.

Plössl, окуляр с большим видимым полем зрения.

Поле зрения, часто сокращенно FOV, описывает область цели (измеренную как угол от места наблюдения), которую можно увидеть, глядя в 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 диафрагме поля — самой узкой апертуре, через которую 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 поле зрения или поле зрения телескопа

Для телескопа или бинокля - фактический угловой размер участка неба, который можно увидеть в определенный окуляр, используемый с определенным телескопом, дающий определенное увеличение. Обычно он колеблется в пределах 0,1–2  градуса . Для микроскопа - фактическая ширина видимого образца на предметном стекле или лотке для образцов, обычно выраженная в миллиметрах, но иногда выраженная в угловой мере, как в телескопе. Для биноклей она выражается как фактическая ширина поля зрения в футах или метрах на некотором стандартном расстоянии (обычно 100 футов или 30 метров, что практически одинаково: 30 м лишь на 2% меньше, чем 100 футов).

Видимое поле зрения 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 на трубе телескопа или микроскопа не наблюдается виньетирования , оно является постоянным для любого данного окуляра с фиксированным фокусным расстоянием и может использоваться для расчета истинного поля зрения, когда окуляр используется с данным телескопом или микроскопом. . Для современных окуляров измерение находится в диапазоне 30–110  градусов , при этом все современные хорошие окуляры имеют угол не менее 50 °, за исключением нескольких окуляров специального назначения, например, некоторых, оснащенных сеткой .

Пользователи окуляров часто хотят рассчитать фактическое поле зрения, поскольку оно указывает, какая часть неба будет видна, когда окуляр используется с их телескопом. Наиболее удобный метод расчета фактического поля зрения зависит от того, известно ли видимое поле зрения.

Если известно видимое поле зрения, фактическое поле зрения можно рассчитать по следующей приближенной 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 (в глазу);
• ${\displaystyle \ M\ }$это увеличение.

Формула имеет точность 4% или выше при видимом поле зрения до 40° и имеет погрешность 10% для угла 60°.

Откуда : ${\displaystyle \ M={\frac {\ f_{\mathsf {T}}\ }{f_{\mathsf {E}}}}\ ,}$

• ${\displaystyle \ f_{\mathsf {T}}\ }$– 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 без знания видимого поля зрения, определяемое следующим образом:

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

Фокусное расстояние объектива телескопа равно диаметру объектива, умноженному на фокусное расстояние . Оно представляет собой расстояние, на котором зеркало или объектив заставляют свет звезды сходиться в одной точке ( за исключением аберраций ). ${\displaystyle \ f_{\mathsf {T}}\ ,}$

Если видимое поле зрения неизвестно, фактическое поле зрения можно приблизительно найти 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, мм.

Вторая формула на самом деле более точная, но большинство производителей обычно не указывают размер ограничителя поля. Первая формула не будет точной, если поле зрения не плоское или его угол превышает 60°, что характерно для большинства окуляров сверхширокой конструкции.

Приведенные выше формулы являются приблизительными. Стандарт ISO 14132-1:2002 дает точный расчет видимого поля зрения на основе истинного поля зрения следующим образом: ${\displaystyle \ A_{\mathsf {FOV}}\ ,}$ ${\displaystyle \ T_{\mathsf {FOV}}\ ,}$

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

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

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

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 диафрагма не может быть больше, чем сам ствол. Например, Plössl с видимым полем зрения 45 ° и стволом диаметром 1,25 дюйма обеспечит максимальное фокусное расстояние 35 мм. ^[1] Для чего-либо более длинного требуется ствол большего размера, иначе обзор ограничивается краем, что фактически делает поле зрения менее 45 °.

Диаметр ствола

Окуляры телескопов и микроскопов обычно меняют местами, чтобы увеличить или уменьшить увеличение, а также дать пользователю возможность выбрать тип с определенными рабочими характеристиками. Для этого окуляры имеют стандартизированный «диаметр ствола».

Окуляры телескопа

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

Существует шесть стандартных диаметров стволов телескопов. Размеры ствола (обычно ^{выражаются в} дюймах ⁾ :

• 0,965 дюйма (24,5 мм) — это наименьший стандартный диаметр ствола, который обычно можно найти в телескопах розничных магазинов игрушек и торговых центров . Многие из окуляров, поставляемых в комплекте с такими телескопами, сделаны из пластика, а некоторые даже имеют пластиковые линзы. Высококачественные окуляры для телескопов с таким размером ствола больше не производятся, но вы все еще можете приобрести окуляры типа Келлнера.
• 1,25 дюйма (31,75 мм) — это самый популярный диаметр окуляра телескопа. Практический верхний предел фокусного расстояния для окуляров со стволом 1,25 дюйма составляет около 32 мм. При больших фокусных расстояниях края окуляра мешают обзору, ограничивая его размер. При фокусном расстоянии более 32 мм доступное поле зрения падает ниже 50°, что большинство любителей считают минимально приемлемой шириной. Эти размеры стволов имеют резьбу для фильтров диаметром 30 мм .
• 2 дюйма (50,8 мм) — больший размер окуляра 2-дюймовых окуляров помогает снизить ограничение на фокусное расстояние; это самый большой размер, который обычно доступен. Верхняя граница фокусного расстояния с 2″ окулярами составляет около 55 мм. Компромисс заключается в том, что эти окуляры обычно дороже, не подходят для некоторых телескопов и могут быть достаточно тяжелыми, чтобы опрокинуть телескоп. Эти размеры ствола имеют резьбу для фильтров диаметром 48 мм (реже 49 мм).
• Окуляры диаметром 2,7 дюйма (68,58 мм) – 2,7 дюйма производятся лишь несколькими производителями. Они обеспечивают немного большее поле зрения. Многие фокусировщики высокого класса теперь совместимы с этими окулярами.
• 3 дюйма (76,2 мм). Еще больший размер окуляра 3-дюймовых окуляров позволяет использовать окуляры с экстремальными фокусными расстояниями и полем зрения более 120°. Недостатком является то, что эти окуляры довольно редки, чрезвычайно дороги, весят до 5 фунтов, и что лишь немногие телескопы имеют достаточно большие фокусеры, чтобы их можно было разместить. Их огромный вес вызывает проблемы с балансировкой в ​​рефракторах Шмидта-Кассегрена диаметром менее 10 дюймов, рефракторах размером менее 5 дюймов и рефлекторах размером менее 16 дюймов. Кроме того, из-за больших полевых диафрагм и без вторичных зеркал большого диаметра большинство рефлекторов и окуляров Шмидта-Кассегрена будут иметь сильное виньетирование в этих окулярах. ^[б]
• 4 дюйма (102 мм). Окуляры такого размера встречаются редко и обычно используются только для длинных рефракторных телескопов в старых обсерваториях. Их производят очень немногие производители, а учитывая нынешнюю популярность телескопов с коротким фокусным расстоянием и меньшим фокусным соотношением среди любителей, спрос на этот размер невелик. Иногда их изготавливают из переделанных линз, извлеченных из старых кинопроекторов.

Окуляры для микроскопов

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

Вынос выходного зрачка

Вынос выходного зрачка: 1  Реальное изображение; 2  полевая диафрагма; 3  вынос зрачка; 4  выходной зрачок. Окуляр конструкции Аббе («орто»).

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

Вынос зрачка обычно составляет от 2 до 20 мм, в зависимости от конструкции окуляра. Окуляры с длинным фокусным расстоянием обычно имеют достаточный вынос зрачка, но окуляры с коротким фокусным расстоянием создают больше проблем. До недавнего времени и до сих пор довольно часто окуляры с коротким фокусным расстоянием имели короткий вынос зрачка. Хорошие рекомендации по дизайну предполагают минимум 5–6 мм для размещения ресниц наблюдателя во избежание дискомфорта. Однако современные конструкции со множеством линз могут это исправить, и просмотр при большом увеличении становится более комфортным. Это особенно актуально для тех, кто носит очки , которым для размещения очков может потребоваться вынос выходного зрачка до 20 мм.

Дизайны

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

Негативная линза или «Галилеева».

Отрицательная линза

Простая негативная линза, помещенная перед фокусом объектива, имеет то преимущество, что дает прямое изображение , но с ограниченным полем зрения лучше подходит для небольшого увеличения. Предполагается, что этот тип линз использовался в некоторых из первых рефракторных телескопов, появившихся в Нидерландах примерно в 1608 году. Он также использовался в конструкции телескопа Галилео Галилея 1609 года, что дало этому типу окуляра название « галилеевский ». Этот тип окуляра до сих пор используется в очень дешевых телескопах, биноклях и биноклях .

Выпуклая линза

Выпуклая линза

Простая выпуклая линза, помещенная после фокуса объектива, представляет зрителю увеличенное перевернутое изображение. Эта конфигурация, возможно, использовалась в первых телескопах-рефракторах из Нидерландов и была предложена как способ получить гораздо более широкое поле зрения и большее увеличение в телескопах в книге Иоганна Кеплера « Диоптрика » 1611 года . Поскольку линза расположена после фокальной плоскости объектива, это также позволяет 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 , плоские стороны которых обращены к глазу, разделены воздушной прослойкой. Линзы называются глазной линзой и полевой линзой. Фокальная плоскость расположена между двумя линзами. Он был изобретен Христианом Гюйгенсом в конце 1660-х годов и стал первым составным (многолинзовым) окуляром. ^[2] Гюйгенс обнаружил, что из двух линз с воздушным зазором можно сделать окуляр с нулевой поперечной хроматической аберрацией. Если линзы изготовлены из стекла с одинаковым числом Аббе и предназначены для использования расслабленным глазом и телескопом с бесконечно удаленным объективом, то расстояние определяется следующим образом:

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

где и – фокусные расстояния составных линз. ${\displaystyle \ f_{\mathsf {A}}\ }$ ${\displaystyle \ f_{\mathsf {B}}\ }$

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

Поскольку окуляры Гюйгенса не содержат цемента, удерживающего элементы линз, пользователи телескопов иногда используют эти окуляры в роли «солнечной проекции», то есть проецируют изображение Солнца на экран в течение длительных периодов времени. Цементированные окуляры традиционно считаются потенциально уязвимыми к тепловому повреждению из-за интенсивных концентраций света.

Рамсден

Схема окуляра Рамсдена

Окуляр Рамсдена состоит из двух плоско-выпуклых линз из одного стекла и одинаковых фокусных расстояний, расположенных на расстоянии менее одного фокусного расстояния линзы. Эта конструкция была создана изготовителем астрономических и научных приборов Джесси Рамсденом в 1782 году. Расстояние между линзами варьируется в зависимости от конструкции. , но обычно находится где-то между 7 /10и 7 /8фокусного расстояния окуляра, при этом выбор представляет собой компромисс между остаточной поперечной хроматической аберрацией (при низких значениях) и при высоких значениях, сопряженных с риском касания полевой линзы фокальной плоскости при использовании наблюдателем, работающим с близкое виртуальное изображение, например, близорукий наблюдатель или молодой человек, аккомодация которого способна справиться с близким виртуальным изображением (это серьезная проблема при использовании с микрометром, поскольку это может привести к повреждению инструмента).

Разделение ровно на 1 фокусное расстояние также нецелесообразно, так как при этом пыль на полевой линзе становится мешающей фокусировке. Две изогнутые поверхности обращены внутрь. Таким образом, фокальная плоскость расположена за пределами окуляра и, следовательно, доступна как место, где можно разместить сетку или перекрестие микрометра. Поскольку для коррекции поперечной хроматической аберрации потребуется разделение ровно на одно фокусное расстояние, невозможно полностью исправить конструкцию Рамсдена для поперечной хроматической аберрации. Конструкция немного лучше, чем у «Гюйгенса», но все же не соответствует сегодняшним стандартам.

Он по-прежнему очень пригоден для использования с приборами, работающими с источниками света, близкими к монохроматическим, например поляриметрами.

Келлнер или «Ахромат»

Схема окуляра Келлнера

В окуляре Келлнера вместо простой плоско-выпуклой глазной линзы конструкции Рамсдена используется ахроматический дублет для коррекции остаточной поперечной хроматической аберрации. Карл Келлнер разработал этот первый современный ахроматический окуляр в 1849 году, ^[4] также называемый « ахроматизированным окуляром Рамсдена». Окуляры Келлнера имеют трехлинзовую конструкцию. Они недороги, имеют довольно хорошее изображение при малой и средней мощности и намного превосходят конструкции Гюйгена или Рамсдена. Вынос зрачка лучше, чем у гюйгенианских, и хуже, чем у окуляров Рамсдена. ^[5] Самой большой проблемой окуляров Келлнера были внутренние отражения. Сегодняшние просветляющие покрытия делают эти линзы удобным и экономичным выбором для телескопов с малой и средней апертурой с фокусным числом f/6 или больше. Типичное видимое поле зрения составляет 40–50°.

Плёссль или «симметричный»

Схема окуляра Плессля

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

Окуляр Плессля был малоизвестной конструкцией до 1980-х годов, когда производители астрономического оборудования начали продавать его обновленные версии. ^[7] Сегодня это очень популярная конструкция на любительском астрономическом рынке, ^[8] где название Plössl охватывает ряд окуляров как минимум с четырьмя оптическими элементами, иногда перекликающимися 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. В связи с этим качество разных окуляров Плессля различается. Есть заметные различия между дешевыми Plössls с простейшим антибликовым покрытием и качественно сделанными.

Ортоскопический или «Аббе»

Схема ортоскопического окуляра

4-х элементный ортоскопический окуляр состоит из плоско-выпуклой синглетной глазной линзы и сцементированной выпукло-выпуклой тройной полевой линзы ахроматической полевой линзы. Это дает окуляру почти идеальное качество изображения и хороший вынос зрачка , но узкое видимое поле зрения — около 40–45°. Он был изобретен Эрнстом Аббе в 1880 году. ^[3] Его называют « ортоскопическим » или « ортографическим » из-за низкой степени искажения, а также иногда называют «ортоскопическим» или «Аббе».

До появления многослойного покрытия и популярности Плессля ортоскопические окуляры были самой популярной конструкцией окуляров телескопов. Даже сегодня эти окуляры считаются хорошими окулярами для наблюдения за планетами и Луной. Они предпочтительны для окуляров сетки , поскольку представляют собой одну из конструкций с широким полем зрения и длинным выносом зрачка с внешней фокальной плоскостью; постепенно вытесняется Кенигом. Из-за низкой степени искажений и соответствующего эффекта шара они менее подходят для применений, требующих обширного панорамирования инструмента.

Моноцентрический

Схема моноцентрического окуляра

Моноцентрик — это ахроматическая тройная линза с двумя кусочками кронного стекла, приклеенными с обеих сторон к элементу из бесцветного стекла. Элементы толстые, сильно изогнутые, а их поверхности имеют общий центр, что дало им название « моноцентрических ». Он был изобретен Х. А. Штайнхейлом примерно в 1883 году. ^[9] Эта конструкция, как и конструкции сплошных окуляров Толлеса, Гастингса и Тейлора, ^[10] не имеет призрачных отражений и дает яркое контрастное изображение, что было желательной особенностью на момент ее изобретения. (до антибликовых покрытий ). ^[11] Он имеет узкое видимое поле зрения около 25° ^[12], но планетарные наблюдатели предпочитали его. ^[13]

Эрфле

Схема окуляра Эрфле

Эрфле — пятиэлементный окуляр, состоящий из двух ахроматических линз и сверхпростой линзы между ними. Они были изобретены Генрихом Эрфле во время Первой мировой войны для использования в военных целях. ^[14] Конструкция представляет собой элементарное расширение четырехэлементных окуляров, таких как Plössls, улучшенное для более широкого поля зрения.

Окуляры Эрфле имеют широкое поле зрения (около 60°), но их невозможно использовать при большом увеличении, поскольку они страдают астигматизмом и призрачными изображениями. ^[d] Однако с просветлением линз при малом увеличении ( фокусное расстояние 20~30 мм и выше) они приемлемы, а на 40 мм могут быть превосходны. Эрфлы очень популярны для широкоугольного обзора, поскольку у них большие линзы, и их очень удобно использовать из-за хорошего выноса зрачка при больших фокусных расстояниях.

Кениг

Схема окуляра Кенига

Окуляр Кенига имеет вогнуто-выпуклый положительный дублет и плоско-выпуклый синглет . Сильно выпуклые поверхности дублета и синглета граничат и (почти) соприкасаются друг с другом. Дублет имеет вогнутую поверхность, обращенную к источнику света, а синглет - почти плоскую (слегка выпуклую) поверхность, обращенную к глазу. Он был разработан в 1915 году немецким оптиком Альбертом Кёнигом (1871–1946) ^{[ нужна ссылка ]} и фактически представляет собой упрощенный вариант Аббе. Конструкция обеспечивает большое увеличение с чрезвычайно большим выносом зрачка – самый длинный вынос зрачка, пропорциональный фокусному расстоянию, среди всех конструкций до Nagler в 1979 году. Поле зрения около 55° немного превосходит Plössl, с дополнительными преимуществами: лучшее удаление выходного зрачка и требуется на один элемент линзы меньше.

Современные усовершенствования обычно имеют поле зрения 60–70 °. В версиях дизайна König используется экзотическое стекло и/или добавляется больше групп линз; Наиболее типичная адаптация - добавить перед дублетом простую положительную вогнуто-выпуклую линзу , вогнутой стороной к источнику света и выпуклой поверхностью, обращенной к дублету.

РКЭ

Схема окуляра RKE

Окуляр RKE имеет ахроматическую полевую линзу и двояковыпуклую глазную линзу, обратную адаптацию окуляра Келлнера, с расположением линз, аналогичным окуляру Кенига. Он был разработан доктором  Дэвидом Ранком для Edmund Scientific Corporation , которая продавала его на протяжении конца 1960-х и начала 1970-х годов. Эта конструкция обеспечивает немного более широкое поле зрения, чем классическая конструкция Келлнера, и делает ее похожей на широко разнесенную версию Кенига.

По данным Edmund Scientific Corporation , RKE означает «Окуляр ранга Келлнера». ^{[ нужна цитата ]} В поправке к заявке на товарный знак от 16 января 1979 года он был указан как «Rank-Kaspereit-Erfle», три конструкции, на основе которых был получен окуляр. ^[15] Edmund Astronomy News (март 1978 г.) назвал окуляр «Rank-Kaspereit-Erfle» (RKE) «модернизированным [ред.] ... типом II Келлнера». ^[16] Однако конструкция RKE не похожа на Kellner и ближе к модифицированному König. Есть некоторые предположения, что в какой-то момент буква «К» была ошибочно интерпретирована как имя более распространенного Келлнера, а не довольно редко встречающегося Кенига.

Наглер

Компоновка линз более ранних окуляров Наглера

Схема линзы окуляра Наглера «тип 2» (1988 г.)

Окуляр Наглера, изобретенный Альбертом Наглером и запатентованный в 1979 году, представляет собой конструкцию, оптимизированную для астрономических телескопов и обеспечивающую сверхширокое поле зрения (82°) с хорошей коррекцией астигматизма и других аберраций. Представленный в 2007 году, Ethos представляет собой усовершенствованную конструкцию со сверхшироким полем зрения, разработанную в основном Полом Деллечиайе под руководством Альберта Наглера из Tele Vue Optics и обеспечивающую угол обзора 100–110 °. ^{[17] [18]} Это достигается использованием экзотического высокоиндексного стекла и до восьми оптических элементов в четырех или пяти группах; Существует несколько подобных конструкций, называемых Наглером , Типом Наглера 2 , Типом Наглера 4 , Типом Наглера 5 и Типом Наглера 6 . Новый дизайн Delos представляет собой модифицированный дизайн Ethos с углом обзора «всего» 72 градуса, но с выносом выходного зрачка 20 мм.

Из-за количества элементов в Наглере они кажутся сложными, но идея конструкции довольно проста: каждый Наглер имеет дублетную линзу с отрицательным полем, увеличивающую увеличение, за которой следуют несколько групп с положительным полем. Положительные группы, рассматриваемые отдельно от первой отрицательной группы, в совокупности имеют большое фокусное расстояние и образуют положительную линзу. Это позволяет конструкции использовать многие хорошие качества линз с низким увеличением. По сути, Наглера представляет собой улучшенную версию линзы Барлоу в сочетании с длиннофокусным окуляром . Эта конструкция широко копировалась в других окулярах с широким полем зрения или длинным выносом выходного зрачка.

Главный недостаток Наглеров — их вес; их часто с сожалением называют « ручными гранатами » из-за их веса и больших размеров. Версии с длинным фокусным расстоянием превышают 0,5 кг (1,1 фунта), чего достаточно, чтобы разбалансировать телескопы малого и среднего размера. Еще одним недостатком является высокая стоимость приобретения: цены на большие Наглеры сопоставимы со стоимостью небольшого телескопа. Поэтому многие астрономы-любители считают эти окуляры роскошью. ^[19]

Сноски

1. Распространенный простой способ непосредственно измерить истинное поле зрения ( если нет виньетирования на стенке трубы телескопа) - это измерить время, которое требуется звезде, находящейся в пределах нескольких градусов от небесного экватора , для дрейфа по всему полю. поля зрения окуляра при неподвижном телескопе. Это время является (почти) точной мерой поля зрения в секундах и преобразуется в угловые градусы с помощью более точных формул, позволяющих внести поправку на любую высоту звезды выше или ниже экватора и, следовательно, исключить необходимость использовать звезду, обнимающую экватор. ${\displaystyle T_{\mathsf {FOV}}\ ,}$ ${\displaystyle \ t\ }$ ${\displaystyle T_{\mathsf {FOV}}\approx t\times {\frac {1^{\circ }}{\ 15\ {\mathsf {seconds}}\ }}~.}$
2. Производителями 3-дюймовых окуляров являются Explore Scientific и Siebert Optics. Телескопы, в которые можно установить 3-дюймовые окуляры, производятся компаниями Explore Scientific и Orion Telescopes and Binoculars.
3. Во времена Гюйгенса окуляры типа Гюйгенса использовались с телескопами-рефракторами , сделанными из одноэлементной первичной линзы с очень большим фокусным расстоянием. Их называли « воздушными телескопами », потому что первичную линзу нужно было держать очень высоко над землей, обычно закрепляя на конце длинного шеста, чтобы наблюдатель на земле мог находиться рядом с фокусом основной линзы. Используемые линзы не были ахроматическими , и очень большое фокусное расстояние было необходимо для минимизации цветовых и фокальных аберраций .
4. Распространенная фраза среди астрономов-любителей: «Эрфлы ужасны » .

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Кларк, Роджер Н. (1990). Визуальная астрономия глубокого неба . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 29. ISBN 0-5213-6155-9.
2. Харрингтон (2011), с. 181
3. «Окуляры». astro-tom.com .
4. Крамер, Джек (декабрь 2003 г.). «Старый добрый окуляр Плоссля». Ночные времена . Округ Лейк, Иллинойс : Астрономическое общество округа Лейк . Проверено 25 декабря 2009 г.
5. «Окуляры» (PDF) . [название не указано] (Отчет). Военный справочник. глава 14. MIL-HDBK-141. Архивировано из оригинала (PDF) 6 августа 2010 г. Проверено 29 июля 2009 г.
6. Коу, Стивен Р. (14 марта 2007 г.). Туманности и как их наблюдать. Путеводители по наблюдениям астрономов. Springer Science & Business Media. п. 9. ISBN 978-1-8462-8729-9– через Google Книги.
7. Харрингтон (2011), с. 183
8. Макэналли, Джон В. (16 декабря 2007 г.). Юпитер и как его наблюдать. Путеводители по наблюдениям астрономов. Springer Science & Business Media. п. 156. ИСБН 9781846287275– через Google Книги.
9. Господи, Крис. «Моноцентрический окуляр ТМБ». brayebrookobservatory.org (сообщение на веб-форуме). Архивировано из оригинала 30 ноября 2021 года . Проверено 2 октября 2023 г. Комментарии к отчету об испытаниях «моноцентрического окуляра TMB» Гэри Сероника в журнале Sky & Telescope (август 2004 г.), стр. 98–102.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
10. Гросс, Герберт; Цюгге, Ханнфрид; 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». ТПО . Том. 8, нет. 4.
12. Мобберли, Мартин (январь 1999 г.). Астрономическое оборудование для любителей. Springer Science & Business Media. п. 71. ИСБН 978-1-8523-3019-4– через Google Книги.
13. Норт, Джеральд (21 августа 1997 г.). Продвинутая любительская астрономия . Издательство Кембриджского университета. п. 36. ISBN 978-0-5215-7430-3– через Интернет-архив. Моноцентрическое поле зрения окуляра.
14. US 1478704, Генрих Эрфле , «Окуляр», выдан 25 августа 1921 года, передан Zeiss Co. 
15. Edmund Optics Inc. (17 июля 1979 г.). РКЭ (торговая марка). США 1122261.
16. «Новый дизайн окуляра, разработанный Эдмундом» . Эдмунд Астрономические новости . Том. 16, нет. 2. Эдмунд Сайентифик Корпорейшн . Март 1978 г. Новые окуляры Ранка-Каперейта-Эрфле (RKE) диаметром 28 мм и 15 мм представляют собой американскую модификацию знаменитого окуляра Келлнера типа II.
17. «Этос: окуляры с видимым полем 100 ° и 110 °» . televue.com . Теле Вью Оптика . Проверено 22 ноября 2016 г.
18. Маунси, Дэниел. «Обзор Этоса Cloudynights». Cloudynights.com . Модель 21 мм, выпущенная в 2009 году, имеет размер пивной банки и весит почти килограмм.
19. Коэн, Мартин С. (2000) [1994]. Телевью: Историческая перспектива. Company7.com (Отчет). Потребительские линии. Компания Семь . Проверено 2 октября 2023 г.

Источники

• Конради, А.Е. (1992) [1929]. Прикладная оптика и оптический дизайн. Том. 1 (переиздание). Издательство Оксфордского университета (1929) / Dover Publications (1992). ISBN 9780-4866-7007-2– через Интернет-архив (archive.org).

• Кингслейк, Р. (1978). Основы проектирования объективов . Академическая пресса. ISBN 9780124086500.

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

• Харрингтон, Филип С. (25 февраля 2011 г.) [апрель 2007 г.]. Star Ware: Руководство астрономов-любителей по выбору, покупке и использованию телескопов и аксессуаров (4-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780-4717-5063-5.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с окулярами, на Викискладе?
• ЭВОЛЮЦИЯ ОКУЛЯРОВ
• 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, углубленное обсуждение различных конструкций и теоретических основ.
• Страница окуляров Джона Саварда, список окуляров с некоторыми подробностями их конструкции.
• Патентное ведомство США: Сверхширокоугольный окуляр NAGLER. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}