Прежде всего нужно стремиться достать окуляры от подзорных труб, биноклей, теодолитов, нивелиров и т. д. Несколько хуже работают с короткофокусным зеркальным телескопом окуляры от микроскопов. Впрочем, и здесь попадаются окуляры, которые хороши и в комбинации с зеркалом. Если не удастся найти готовые окуляры, можно на первых порах воспользоваться короткофокусным фотообъективом или объективами от 16- и 8-миллиметровых кинокамер. Для того, чтобы читатель имел возможность ориентироваться в окулярах заводского изготовления, приведем краткую характеристику профессиональных окуляров.
Окуляр Гюйгенса (рис. 67, а). Этот окуляр состоит из двух плоско-выпуклых линз, обращенных плоскими сторонами к глазу. Вспомним формулу сложения фокусных расстояний из § 1 главы первой,
где f1 и f2 - фокусные расстояния первой и второй линз, a d - расстояние между ближайшими главными плоскостями линз. С этой формулой можно вычислить эквивалентное фокусное расстояние любого окуляра, если известны фокусные расстояния его линз. У первой линзы окуляра вторая главная плоскость лежит на расстоянии 1/3 ее толщины ближе к вершине выпуклой поверхности первая главная плоскость второй линзы совпадает с ее вершиной.
Рис. 67. Окуляры и призмы. Окуляры: а - Гюйгенса, б - Рамсдена, в - Кёльнера, г - ортоскопический, д - симметричный, е - Эрфле, ж - с вынесенным зрачком, з - действие линзы Барлоу; зеркало и призмы: и - эллиптическое зеркало, к - призма АР=90° , л - призма Дове АР=0° , м - призма Амичи (призма с крышей) АкР=90° , н - пентапризма БП=90° , о - призма Шмидта (с крышей) ВкР=45° , п - призма Порро 1-го рода (две призмы БР=180° ), р — призма Порро 2-го рода (две призмы АР=90° и одна БР=180° ), с - призма Гершеля
Отношения фокусных расстояний первой и второй линз и расстояния между ними для окуляра Гюйгенса равно f1 : d : f2=4 : 3 : 2. Для окуляра Доллонда, имеющего ту же оптическую схему, это отношение выбрано равным 3 : 2 : 1. Эквивалентное фокусное расстояние окуляра выбирается равным - fc=3/2 f2. При таких отношениях хроматизм увеличения равен нулю, но сферическая аберрация на оси окуляра (в центре поля) велика, особенно при относительных отверстиях 1/6—1/8. Это как раз наиболее ходовые относительные отверстия, которые любители применяют в своих телескопах Ньютона. Наилучший результат получается при выходных зрачках 1 мм и больше, т. е. при больших увеличениях. В наше время окуляр Гюйгенса используется в микроскопах. Диафрагма поля зрения расположена внутри окуляра в переднем фокусе второй (глазной) линзы. Поле зрения окуляра до 45°.
Окуляр Рамсдена (рис. 67, б). Две плоско-выпуклые линзы этого окуляра обращены друг к другу выпуклыми сторонами. Отношение f1 : d : f2=1 : 1 : 1. Фокусные расстояния обеих линз одинаковые, а расстояние между ними (расстояние между соседними главными плоскостями или, иначе говоря, расстояние между вершинами линз) равно фокусному расстоянию линзы. В этом случае окуляр обладает минимальными аберрациями, но выходной зрачок совпадает с глазной линзой. Поэтому расстояние d выбирается меньше, обычно 0,7f, тогда отношение f1 : d : f2 принимает вид 1 : 0,7 : 1, а эквивалентное фокусное расстояние окуляра в этом случае равно fc=0,77f1.
Хроматизм увеличения окуляра велик, но сферическая аберрация примерно в 8 раз меньше, чем у окуляра Гюйгенса. Поэтому окуляр хорош со сравнительно светосильными объективами и зеркалами A =1/6 1/8. Но при еще большей светосиле и выходных зрачках больше 2 мм он работает значительно хуже.
Диафрагма поля расположена перед первой линзой в переднем фокусе окуляра. Угловой диаметр поля 40°. Окуляр Рамсдена принадлежит к числу недорогих, у которых аберрации (как и у окуляра Гюйгенса) исправлены не полностью. Но все-таки он достаточно хорош, чтобы его использовали и любители и профессионалы.
Окуляр Кёльнера (рис. 67, в). Это усовершенствованный окуляр Рамсдена. Его глазная линза ахроматизирована. При относительном отверстии объектива телескопа 1/6 и выходных зрачках не более 3 мм сферическая аберрация и хроматизм на оси окуляра равны нулю. Окуляр применяется в биноклях, зрительных трубах, микроскопах. Это один из самых распространенных окуляров. Его поле 40—45°.
Ортоскопический окуляр (рис. 67, г). Для астрономических целей это наиболее подходящий окуляр. При А=1/20—1/6 и зрачках не более 4 мм окуляр свободен на оси от сферической и хроматической аберраций. Он свободен, кроме того, и от дисторсии. Его выходной зрачок вынесен, и окуляр удобен при наблюдениях с большими увеличениями. Астигматизм и кривизна поля ограничивают поле зрения до 45—50°.
Симметричный окуляр или окуляр Плёссла (рис. 67, д). Это также один из наиболее совершенных окуляров и, что особенно важно, он хорошо работает при А =1/6 и больших со зрачками от 1 до 4 мм. Этот окуляр один из самых распространенных, так как его серийное производство просто. Обе его склеенные компоненты совершенно одинаковы. Он часто используется в оборачивающих системах зрительных труб и для окулярной проекции. Выходной зрачок вынесен далеко, поле 50°.
Окуляры Эрфле. Это целое семейство высококачественных широкоугольных окуляров. Один из них изображен на рис. 6,е. Как видим, это дальнейшее усовершенствование окуляра Кельнера. Поле зрения окуляров Эрфле 62—65°.
Окуляр с вынесенным зрачком (рис. 67, ж) интересен тем, что благодаря отрицательной первой компоненте его выходной зрачок вынесен значительно дальше, чем у других окуляров того же фокусного расстояния. Этот окуляр особенно удобен как короткофокусный для больших увеличений, когда у других окуляров выходной зрачок расположен слишком близко к последней линзе. Диаметр поля окуляра 45—50°.
Вопрос о вынесении выходного зрачка как можно дальше для короткофокусных окуляров — один из наиболее трудных для конструктора. Наблюдателю крайне неприятно наблюдать о окуляром, к которому глаз приходится придвигать так близко, что роговица касается линзы. С другой стороны, если глаз отодвинуть немного дальше, резко сокращается поле зрения.
В 1828 г. Питер Барлоу предложил перед окуляром разместить отрицательную линзу примерно того же диаметра, что и линзы окуляра. Эта линза уменьшает сходимость пучка, благодаря чему увеличивается эквивалентное фокусное расстояние системы “объектив — линза Барлоу” (рис. 67, г). Как видно из рисунка, увеличение линзы Барлоу равно M=S1/S0. Нередко спрашивают, почему мы говорим об увеличении отрицательной линзы. Не нужно забывать, что в данном случае имеется в виду не увеличение линзы, а увеличение эквивалентного фокусного расстояния телескопа, благодаря чему возрастает масштаб изображения в эквивалентном фокусе.
Линза Барлоу в нашей стране серийно применяется в телескопах “Алькор” и “Мицар”, а также в некоторых геодезических инструментах (теодолитах, нивелирах и т. п.) в механизме внутренней фокусировки. Очень важно то, что изменяя расстояние между линзой Барлоу и объективом, мы можем изменять эквивалентное фокусное расстояние, а вместе с ним и увеличение телескопа с одним и тем же окуляром.
Линза Барлоу — отрицательная линза, и нам нужно знать, как определить ее фокусное расстояние. Простой и достаточно точный способ заключается в том, что мы направляем линзу на Солнце и наблюдаем позади нее на экране круг рассеянных лучей. Он тем больше, чем дальше линза от экрана. В тот момент, когда диаметр светового круга в точности равен удвоенному световому диаметру линзы, она находится от экрана точно на своем фокусном расстоянии.
Рассмотрим конкретный пример расчета увеличений с линзой Барлоу. Предположим, что фокусное расстояние линзы равно fБ=—30 мм. Знак минус, как мы помним, означает, что линза отрицательная. Предположим также, что мы хотим, чтобы увеличение телескопа возросло в два раза. Это значит, что зеркало с фокусным расстоянием, например, 1200 мм будет иметь эквивалентное фокусное расстояние вместе с линзой Барлоу 2400 мм. Тогда с теми же окулярами мы получим увеличения вдвое больше. Так, окуляр с фокусным расстоянием 10 мм дает увеличение с нашим зеркалом 120х, а с линзой Барлоу — 240х.
Решая формулу фокусного расстояния системы, приведенную в начале параграфа, относительно d, получим
Мы получили расстояние между зеркалом и линзой Барлоу. Расстояние же линзы от фокуса зеркала будет равно 1200—1185=15 мм.
Приблизим линзу Барлоу к фокусу зеркала, соответственно отодвинув ее от самого зеркала, например, на 2,5 мм. Тогда расстояние между зеркалом и линзой станет 1187,5 мм. Снова решим предыдущее уравнение и определим эквивалентное фокусное расстояние. Оно будет равно 2057 мм, а увеличение линзы Барлоу станет приблизительно 1,7 раза. Отодвинув линзу от фокуса (сблизив ее с зеркалом) на 2,5 мм в сравнении с первым случаем, мы получим фокусное расстояние системы равным 2880 мм, а увеличение линзы 2,4х.
Рис. 68. Оправа линзы Барлоу (а) и определение ее диаметра (б): 1—фокусировочная трубка, 2 — трубка с линзой Барлоу, 3 — трубка—вкладыш, 4 — окуляр
Это хорошая идея для легкого получения переменного увеличения с линзой Барлоу и одним окуляром. Установив линзу в трубке для какого-то одного увеличения, мы можем сделать дополнительную трубку-вкладыш или даже несколько таких трубок. Вставляя их между трубкой линзы Барлоу и окуляром (рис. 68, а), мы сможем изменять расстояние между линзой и окуляром. Чтобы вычислить эти расстояния, воспользуемся простыми формулами (см. рис. 67, з и 68, б)
и 
где S0 — расстояние линзы Барлоу от фокуса зеркала (или объектива), S' — расстояние линзы Барлоу от эквивалентного фокусного расстояния, М — масштаб увеличения, который нам хотелось бы получить.
Как определить диаметр линзы Барлоу? Сначала надо определить линейный диаметр поля зрения самого слабого окуляра, который еще будет использоваться с линзой Барлоу. Обычно это средний по увеличению окуляр. Предположим, что его поле (диаметр полевой диафрагмы) равно 20 мм, а линза Барлоу дает двукратное увеличение. Это значит, что когда мы расположим окуляр в эквивалентном фокусе, диаметр соответствующего поля в главном будет вдвое меньше, т. е. 10 мм. Построим в масштабе положение линзы Барлоу, окуляра, главного и эквивалентного фокусов и диаметры соответствующих полей. Тогда, начертив крайние лучи, еще приходящие на край эквивалентного поля, мы определим и необходимый диаметр линзы (рис. 68, б). Это делается так же, как и при определении диаметров вторичных зеркал кассегреновских телескопов (§ 1 главы четвертой).
Нужно заметить, что многие окуляры сконструированы для использования с ахроматическими объективами с относительным отверстием около 1/15. Это значит, что, используя линзу Барлоу, мы тем самым ставим окуляр в более выгодное положение, снижая не только хроматизм, но и другие аберрации.
Владельцы “Алькоров” и “Мицаров” могут проделать поучительный опыт. Нужно спроецировать солнечное изображение на белый экран сначала с помощью окуляра, а затем с помощью линзы Барлоу. Даже хорошо скоррегированные окуляры “Мицара” дают голубую кайму по краю солнечного диска (хроматизм увеличения). Изображение, построенное линзой Барлоу, по тем же причинам даст розовую кайму. Хроматизм окуляра и линзы Барлоу противоположен по знаку и примерно равен по абсолютной величине. Теперь спроецируем изображение Солнца совместно с помощью окуляра и линзы Барлоу, и мы увидим четкий, практически без окраски, край солнечного диска.
Линза Барлоу компенсирует аберрации окуляра, и изображение становится лучше *).
Со сложными хорошо исправленными окулярами нужно использовать ахроматическую линзу Барлоу. Ее положительная линза делается из стекла “флинт”, а отрицательная из “крона”. Расчет ахроматов можно найти в § 5 главы первой. Если удалось достать или изготовить простую линзу Барлоу (лучше из “крона”), то использовать ее нужно с простым окуляром, например, с окуляром Рамсдена. Тогда аберрации линзы и окуляра будут в значительной степени компенсированы.
Вообще при увеличении М меньше 2х можно в любом случае пользоваться одиночной линзой из “крона”. Только при больших увеличениях линзы Барлоу нужен ахромат.
*) Вопреки распространенному мнению, будто она портит изображение. Нет ничего проще, чем проверить это на практике.
Предыдущий параграф |
Глава третья |
Следующий параграф |