Зрительная труба кеплера. Зрительная труба галилея Окуляр в зрительной трубе кеплера собирающая линза

В п. 71 отмечалось, что зрительная труба Галилея состоит (рис. 178) из положительного объектива и отрицательного окуляра и поэтому дает прямое изображение наблюдаемых предметов. Промежуточное изображение, получающееся в совмещенных фокальных плоскостях, в отлнчне от изображения в трубе Кеплера, будет мнимым, поэтому визирная сетка отсутствует.

Рассмотрим формулу (350) применительно к трубе Галилея. Для тонкого окуляра можно считать, что тогда Эта формула легко преобразуется к следующему виду:

Как видим, удаление входного зрачка в трубе Галилея положительное, т. е. входной зрачок мнимый и находится он далеко справа за глазом наблюдателя.

Положение и размеры апертурной диафрагмы и выходного зрачка в трубе Галилея определяет зрачок глаза наблюдателя. Поле в трубе Галилея ограничивается не полевой диафрагмой (она формально отсутствует), а виньетирующей диафрагмой, роль которой выполняет оправа объектива. В качестве объектива чаще всего используют двухлннзовую конструкцию, которая допускает иметь относительное отверстие и угловое поле не более Однако для обеспечения таких угловых полей при значительном удалении входного зрачка объективы должны иметь большие диаметры. В качестве окуляра обычно применяют одиночную отрицательную линзу или двухлинзовый отрицательный компонент, которые обеспечивают угловое поле не более при условии компенсации полевых аберраций объективом.

Рис. 178. Расчетная схема зрительной трубы Галилея

Рис. 179. Зависимость углового поля от видимого увеличения в зрительных трубах Галилея

Таким образом, в трубе Галилея трудно получить большое увеличение (обычно оно не превышает чаще Зависимость угла от увеличения для труб Галилея показана на рис. 179.

Таким образом, отметим достоинства зрительной трубы Галилея: прямое изображение; простота конструкции; длина трубы короче на два фокусных расстояния окуляра по сравнению с длиной подобной трубы Кеплера.

Однако нельзя забывать и недостатки: небольшие поля и увеличение; отсутствие действительного изображения и, следовательно, невозможность визирования и измерений. Расчет зрительной трубы Галилея выполним по формулам, полученным для расчета трубы Кеплера.

1. Фокусные расстояния объектива и окуляра:

2. Диаметр входного зрачка

Курсовая работа

по дисциплине: Прикладная оптика

На тему: Расчет трубы Кеплера

Введение

Телескопические оптические системы

1 Аберрации оптических систем

2 Сферическая аберрация

3 Хроматическая аберрация

4 Коматическая аберрация (кома)

5 Астигматизм

6 Кривизна поля изображения

7 Дисторсия (искажение)

Габаритный расчет оптической системы

Заключение

Литература

Приложения

Введение

Телескопы - астрономические оптические приборы, предназначенные для наблюдения небесных тел. Телескопы используются с применением различных приемников излучения для визуальных, фотографических, спектральных, фотоэлектрических наблюдений небесных светил.

Визуальные телескопы имеют объектив и окуляр и представляют собой так называемую телескопическую оптическую систему: они преобразуют параллельный пучок лучей, входящих в объектив, в параллельный же пучок, выходящий из окуляра. В такой системе задний фокус объектива совпадает с передним фокусом окуляра. Основные ее оптические характеристики: видимое увеличение Г, угловое поле зрения 2W, диаметр выходного зрачка D", разрешающая способность и проницающая сила.

Видимое увеличение оптической системы - это отношение угла, под которым наблюдается изображение, даваемое оптической системой прибора, к угловому размеру объекта при наблюдении его непосредственно глазом. Видимое увеличение телескопической системы:

Г=f"об/f"ок=D/D",

где f"об и f"ок фокусные расстояния объектива и окуляра,

D - диаметр входного,

D" - выходного зрачка. Таким образом, увеличивая фокусное расстояние объектива или уменьшая фокусное расстояние окуляра, можно достичь больших увеличений. Однако чем больше увеличение телескопа, тем меньше его поле зрения и тем больше искажения изображений объектов из-за несовершенства оптики системы.

Выходной зрачок представляет собой наименьшее сечение светового пучка, выходящего из телескопа. При наблюдениях зрачок глаза совмещается с выходным зрачком системы; поэтому он не должен быть больше зрачка глаза наблюдателя. Иначе часть света, собранного объективом, не попадет в глаз и будет потеряна. Обычно диаметр входного зрачка (оправа объектива) гораздо больше зрачка глаза, и точечные источники света, в частности звезды, при наблюдении их через телескоп кажутся значительно более яркими. Их кажущаяся яркость пропорциональна квадрату диаметра входного зрачка телескопа. Слабые звезды, не видимые невооруженным глазом, могут быть хорошо видны в телескоп с большим диаметром входного зрачка. Количество звезд, видимых в телескоп, гораздо больше, чем наблюдаемое непосредственно глазом.

телескоп оптический аберрация астрономический

1. Телескопические оптические системы

1 Аберрации оптических систем

Аберрации оптических систем (лат. - отклонение) - искажения, погрешности изображения, вызванные несовершенством оптической системы. Аберрациям, в разной степени, подвержены любые объективы, даже самые дорогие. Считается, что чем больше диапазон фокусных расстояний объектива, тем выше уровень его аберраций.

Наиболее распространённые виды аберраций ниже.

2 Сферическая аберрация

Большинство объективов сконструировано с использованием линз со сферическими поверхностями. Такие линзы просты в изготовлении, но сферическая форма линз не идеальна для получения резкого изображения. Эффект сферической аберрации проявляется в смягчении контраста и размытии деталей, так называемое «мыло».

Как это происходит? Параллельно идущие лучи света, при прохождении через сферическую линзу преломляется, лучи проходящие через край линзы, сливаются в фокальной точке ближе к линзе, чем световые лучи, проходящие через центр линзы. Другими словами, края линзы имеют более короткое фокусное расстояние, чем центр. На изображении ниже наглядно видно как проходит пучок света через сферическую линзу и из-за чего появляются сферические аберрации.

Световые лучи, проходящие сквозь линзу вблизи оптической оси (ближе к центру), фокусируется в области В, дальше от линзы. Световые лучи, проходящие сквозь краевые зоны линзы, фокусируются в области А, ближе к линзе.

3 Хроматическая аберрация

Хроматические аберрации (ХА) - явление вызванное дисперсией света проходящего через объектив, т.е. разложением луча света на составляющие. Лучи с разной длиной волны (разного цвета) преломляются под разными углами, поэтому из белого пучка образуется радуга.

Хроматические аберрации приводят к снижению чёткости изображения и появлению цветной «бахромы», особенно на контрастных объектах.

Для борьбы с хроматическими аберрациями применяются специальные апохроматические линзы из низкодисперсного стекла, не разлагающего световые лучи на волны.

1.4 Коматическая аберрация (кома)

Кома или коматическая аберрация это явление, видимое на периферии изображения, которое создается объективом, скорректированным на сферическую аберрацию, и вызывает сведение световых лучей, поступающих на край объектива под каким-то углом, в форме кометы, а не в форме желаемой точки. Отсюда и ее название.

Форма кометы ориентирована радиально, причем ее хвост направлен либо к центру, либо от центра изображения. Вызываемая этим размытость по краям изображения называется коматической засветкой. Кома, которая может иметь место даже в объективах, точно воспроизводящих точку как точку на оптической оси, вызывается разницей преломления между световыми лучами из точки, расположенной вне оптической оси, и проходящими через края объектива, и главным световым лучом от той же точки, проходящим через центр объектива.

Кома увеличивается по мере увеличения угла главного луча и ведет к снижению контрастности по краям изображения. Определенной степени улучшения можно добиться диафрагмированием объектива. Кома также может привести к засвечиванию размытых участков изображения, создавая неприятный эффект.

Ликвидация как сферической аберрации, так и комы для объекта, расположенного на определенном съемочном расстоянии, называется апланатизмом, а объектив, скорректированный таким образом, называется апланатом.

5 Астигматизм

При объективе, скорректированным на сферическую и коматическую аберрацию, точка объекта на оптической оси будет точно воспроизведена как точка в изображении, но точка объекта, расположенная вне оптической оси, появится не как точка в изображении, а скорее как затемнение или как линия. Такой тип аберрации называется астигматизмом.

Можно наблюдать это явление по краям изображения, если слегка сместить фокус объектива в положение, в котором точка объекта резко изображена как линия, ориентированная в радиальном направлении от центра изображения, и опять сместить фокус в другое положение, в котором точка объекта резко изображена в виде линии, ориентированной в направлении концентрического круга. (Расстояние между этими двумя положениями фокуса называется астигматической разницей.)

Другими словами, лучи света в меридиональной плоскости и лучи света в сагиттальной плоскости находятся в различном положении, поэтому эти две группы лучей не соединяются в одной точке. Когда объектив установлен в оптимальное фокусное положение для меридиональной плоскости, световые лучи в сагиттальной плоскости сведены в линию в направлении концентрического круга (это положение называется меридиональным фокусом).

Аналогичным образом, когда объектив установлен в оптимальном фокусном положении для сагиттальной плоскости, световые лучи в меридиональной плоскости образуют линию, ориентированную в радиальном направлении (это положение называется сагиттальным фокусом).

При этом виде искажения предметы на изображении выглядят искривленными, местами размытыми, прямые линии выглядят изогнутыми, возможны затемнения. Если линза страдает астигматизмом, то её пускают на запчасти, так как это явление не излечимо.

6 Кривизна поля изображения

При этом виде аберраций плоскость изображения становится изогнутой, таким образом если центр изображения в фокусе, то края изображения не в фокусе и наоборот, если края в фокусе, то центр не в фокусе.

1.7 Дисторсия (искажение)

Этот вид аберрации проявляется в искажении прямых линий. Если прямые линии вогнутые дисторсию называют подушкообразной, если выпуклыми - бочкообразной. Объективы с переменным фокусным расстоянием обычно создают бочкообразную дисторсию на «широком угле» (минимальное значение «зума») и подушкообразную - в режиме «телефото» (максимальное значение «зума»).

2. Габаритный расчет оптической системы

Начальные данные:

Для определения фокусных расстояний объектива и окуляра решим следующую систему:

f’ ob + f’ ok = L;

f’ ob / f’ ok =|Г|;

f’ ob + f’ ok = 255;

f’ ob / f’ ok =12.

f’ ob +f’ ob /12=255;

f’ ob =235.3846 мм;

f’ ok =19.6154 мм;

Диаметр входного зрачка вычисляется по формуле D=D’Г

D вх =2.5*12=30 мм;

Линейное поле зрения окуляра найдем по формуле:

; y’ = 235.3846*1.5 o ; y’=6.163781 мм;

Угловое поле зрения окуляра находится по формуле:

Расчет призменной системы

D 1 -входная грань первой призмы;

D 1 =(D вх +2y’)/2;

D 1 =21.163781 мм;

Длина хода лучей первой призмы =*2=21.163781*2=42.327562;

D 2 -входная грань второй призмы (вывод формулы в прил. 3);

D 2 =D вх *((D вх -2y’)/L)*(f’ ob /2+);

D 2 =18.91 мм;

Длина хода лучей второй призмы =*2=18.91*2=37.82;

При расчёте оптической системы расстояние между призмами выбирают в пределах 0,5-2 мм;

Для расчета призменной системы, необходимо привести её к воздуху.

Приведём к воздуху длину хода лучей призм:

l 01 -приведённая к воздуху длина первой призмы

n=1.5688 (коэффициент преломления стекла БК10)

l 01 =l 1 /n=26.981 мм

l 02 = l 2 /n=24.108 мм

Определение величины перемещения окуляра для обеспечения фокусировки в пределах ±5 дптр

прежде необходимо вычеслить цену одной диоптрии f’ ok 2 /1000 = 0,384764 (цена одной дптр.)

Перемещение окуляра для обеспечения заданной фокусировки: мм

Проверка на необходимость нанесения на отражающие грани отражательного покрытия:

(допустимый угол отклонения отклонения от осевого луча, когда еще не нарушается условие полного внутреннего отражения)

(предельный угол падения лучей на входную грань призмы, при котором отсутствует необходимость нанесения отражательного покрытия) . Следовательно: отражательное покрытие не нужно.

Расчет окуляра:

Так как 2ω’ = 34.9 о то необходимый тип окуляра - симметричный.

f’ ok =19.6154 мм (рассчитанное фокусное расстояние);

К п = S ’ F /f’ ok = 0.75(переводной коэффициент)

S ’ F = К п * f’ ok

S ’ F =0.75* f’ ok (значение заднего фокального отрезка)

Удаление выходного зрачка определяется по формуле: S’ p = S’ F + z’ p

z’ p находится по формуле Ньютона: z’ p = -f’ ok 2 /z p где z p - расстояние от переднего фокуса окуляра до апертурной диафрагмы. В зрительных трубах с призменной обарачивающей системой обычно апертурной диафрагмой является оправа объектива. В первом приближении можно принять z p равным фокусному расстоянию объектива со знаком «минус», следовательно:

z p = -235.3846 мм

Удаление выходного зрачка равно:

S’ p = 14.71155+1.634618=16.346168 мм

Аберрационный расчет компонентов оптической системы.

Аберрационный расчет включает в себя расчет аберраций окуляра и призм для трех длин волн.

Аберрационный расчет окуляра:

Расчет аберраций окуляра проводится в обратном ходе лучей, с помощью пакета прикладных программ «РОСА».

δy’ ок =0,0243

Расчет аберраций призменной системы:

Аберрации отражательных призм вычисляют по формулам аберраций третьего порядка эквивалентной плоскопараллельной пластины. Для стекла БК10 (n=1.5688).

Продольная сферическая аберрация:

δS’ пр =(0.5*d*(n 2 -1)*sin 2 б)/n 3

б’=arctg(D/2*f’ ob)=3.64627 o

d=2D 1 +2D 2 =80.15 мм

dS’ пр =0.061337586

Хроматизм положения:

(S’ f - S’ c) пр =0.33054442

Меридиональная кома:

δy"=3d(n 2 -1)*sin 2 б’*tgω 1 /2n 3

δy" = -0.001606181

Вычисление аббераций объектива:

Продольная сферическая абберация δS’ сф:

δS’ сф =-(δS’ пр + δS’ ок)=-0.013231586

Хроматизм положения:

(S’ f - S’ c) об = δS’ хр =-((S’ f - S’ c) пр +(S’ f - S’ c) ок)=-0.42673442

Меридиональная кома:

δy’ к = δy’ ок - δy’ пр

δy’ к =0.00115+0.001606181=0.002756181

Определение конструктивных элементов объектива.

Аберрации тонкой оптической системы определяют тремя основными параметрами P,W,C. Приближенная формула проф. Г.Г.Слюсарева связывает основные параметры P и W:

P = P 0 +0.85(W-W 0)

Расчет двухлинзового склеенного объектива сводится к отысканию определенной комбинации стекол с заданными значениями P 0 и С.

Расчет двухлинзового объектива по методу проф. Г.Г. Слюсарева:

) По полученным из условий компенсации аберраций призменной системы и окуляра значениям аберраций объектива δS’ хр, δS’ сф, δy’ к. находятся аберрационные суммы:

S I хр = δS’ хр =-0.42673442

S I = 2*δS’ сф /(tgб’) 2

S I =6.516521291

S II =2* δy к ’/(tgб’) 2 *tgω

S II =172.7915624

) По суммам находятся параметры системы:

S I хр / f’ ob

S II / f’ ob

) Вычисляется P 0:

P 0 = P-0.85(W-W 0)

) По графику-номограмме линия пересекает 20-ую клетку. Проверим комбинации стекол К8Ф1 и КФ4ТФ12:

) Из таблицы находятся значения Р 0 ,φ к и Q 0 , соответствующие заданному значению для К8Ф1 (не подходит)

φ k = 2.1845528

для КФ4ТФ12 (подходит)

) После нахождения Р 0 ,φ к, и Q 0 вычисляется Q по формуле:

) После нахождения Q определяются значения a 2 и a 3 первого нулевого луча (а 1 =0, т.к. предмет находится в бесконечности, а 4 =1 - из условия нормировки):

) По значениям а i определяются радиусы кривизны тонких линз:

Радиуса Тонких линз:

) После вычисления радиусов тонкого объектива выбираются толщины линз из следующих конструктивных соображений. Толщина по оси положительной линзы d1 складывается из абсолютных величин стрелок L1, L2 и толщины по краю, которая должна быть не меньше 0.05D.

h=D вх /2

L=h 2 /(2*r 0)

L 1 =0.58818 2 =-1.326112

d 1 =L 1 -L 2 +0.05D

) По полученным толщинам, вычисляют высоты:

h 1 =f об =235.3846

h 2 =h 1 -a 2 *d 1

h 2 =233.9506

h 3 =h 2 -a 3 *d 2

) Радиусы кривизны объектива с конечными толщинами:

r 1 =r 011 =191.268

r 2 = r 02 *(h 1 /h 2)

r 2 =-84.317178

r 3 =r 03 *(h 3 /h 1)

Контроль результатов проводится расчетом на компьютере по программе «РОСА»:

равнение аберраций объектива

Полученные и расчитанные абберации близки по значениям.

равнение аберраций зрительной трубы

Компоновка заключается в определении расстояния до призменной системы от объектива и окуляра. Расстояние между объективом и окуляром определяется как (S’ F ’ ob + S’ F ’ ok + Δ). Это расстояние складывается из расстояния между объективом и первой призмой, равного половине фокусного расстояния объектива, длины хода луча в первой призме, расстояния между призмами, длины хода луча во второй призме, расстояния от последней поверхности второй призмы до фокальной плоскости и расстояния от этой плоскости до окуляра.

692+81.15+41.381+14.777=255

Заключение

Для астрономических объективов разрешающая способность определяется наименьшим угловым расстоянием между двумя звездами, которые в телескоп могут быть видны раздельно. Теоретически разрешающая способность визуального телескопа (в секундах дуги) для желто-зеленых лучей, к которым наиболее чувствителен глаз, может быть оценена выражением 120/D, где D - диаметр входного зрачка телескопа, выраженный в миллиметрах.

Проницающей силой телескопа называется предельная звездная величина светила, доступного наблюдению с помощью данного телескопа при хороших атмосферных условиях. Плохое качество изображения, вследствие дрожания, поглощения и рассеивания лучей земной атмосферой, снижает предельную звездную величину реально наблюдаемых звезд, уменьшая концентрацию световой энергии на сетчатке глаза, фотопластинке или другом приемнике излучения в телескопе. Количество света, собираемого входным зрачком телескопа, растет пропорционально его площади; при этом возрастает и проницающая сила телескопа. Для телескопа с диаметром объектива D миллиметров проницающая сила, выраженная в звездных величинах при визуальных наблюдениях, определяется по формуле:

mvis=2,0+5 lg D.

В зависимости от оптической системы телескопы разделяются на линзовые (рефракторы), зеркальные (рефлекторы) и зеркально-линзовые. Если линзовая телескопическая система имеет положительный (собирающий) объектив и отрицательный (рассеивающий) окуляр, то она называется системой Галилея. Телескопическая линзовая система Кеплера имеет положительный объектив и положительный окуляр.

Система Галилея дает прямое мнимое изображение, имеет малое поле зрения и небольшую светосилу (большой диаметр выходного зрачка). Простота конструкции, небольшая длина системы и возможность получения прямого изображения - основные ее преимущества. Но поле зрения этой системы относительно невелико, а отсутствие между объективом и окуляром действительного изображения объекта не позволяет применять визирную сетку. Поэтому система Галилея не может быть использована для измерений в фокальной плоскости. В настоящее время она применяется в основном в театральных биноклях, где не требуется большого увеличения и поля зрения.

Система Кеплера дает действительное и перевернутое изображение объекта. Однако при наблюдении небесных светил последнее обстоятельство не так важно, и поэтому система Кеплера наиболее распространена в телескопах. Длина трубы телескопа при этом равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра:

L=f"об+f"ок.

Система Кеплера может быть снабжена визирной сеткой в виде плоскопараллельной пластинки со шкалой и перекрестием нитей. Эта система широко используется в сочетании с системой призм, позволяющей получать прямое изображение объективов. Кеплеровские системы применяются в основном для визуальных телескопов.

Кроме глаза, являющегося приемником излучения в визуальных телескопах, изображения небесных объектов могут регистрироваться на фотоэмульсии (такие телескопы называются астрографами); фотоэлектронный умножитель и электронно-оптический преобразователь позволяют усилить во много раз слабый световой сигнал от звезд, удаленных на большие расстояния; изображения могут проецироваться на трубку телевизионного телескопа. Изображение объекта может быть направлено и в астроспектрограф или астрофотометр.

Для наведения трубы телескопа на нужный небесный объект служит монтировка (штатив) телескопа. Она обеспечивает возможность поворота трубы вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Основание монтировки несет ось, относительно которой может вращаться вторая ось с вращающейся вокруг нее трубой телескопа. В зависимости от ориентации осей в пространстве монтировки делятся на несколько типов.

В альтазимутальных (или горизонтальных) монтировках одна ось расположена вертикально (ось азимутов), а вторая (ось зенитных расстояний) - горизонтально. Основной недостаток альтазимутальной монтировки - необходимость поворота телескопа вокруг двух осей для слежения за небесным объектом, движущимся вследствие видимого суточного вращения небесной сферы. Альтазимутальными монтировками снабжают многие астрометрические инструменты: универсальные инструменты, пассажные и меридианные круги.

Почти все современные большие телескопы имеют экваториальную (или параллактическую) монтировку, в которой главная ось - полярная или часовая - направлена на полюс мира, а вторая - ось склонений - перпендикулярна ей и лежит в плоскости экватора. Преимущество параллактической монтировки в том, что для слежения за суточным движением звезды достаточно поворачивать телескоп только вокруг одной полярной оси.

Литература

1. Цифровая техника. /Под ред. Э.В. Евреинова. - М.: Радио и связь, 2010. - 464 с.

Каган Б.М. Оптика. - М.: Энернгоатомиздат, 2009. - 592 с.

Скворцов Г.И. Вычислительная техника. - МТУСИ М. 2007 - 40 с.

Приложение 1

Фокусное расстояние 19.615 мм

Относительное отверстие 1:8

Угол поля зрения

Перемещение окуляра на 1 дптр. 0,4 мм

Конструктивные элементы

19.615; =14.755;

Осевой пучок

Главный луч

Меридиональное сечение наклонного пучка

Ход лучей в трубе Галилея.

Услышав об изобретении зрительной трубы, знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей писал в 1610 г.: «Месяцев десять тому назад дошел до наших ушей слух, что некий бельгиец построил перспективу (так Галилей называл телескоп), при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они были близко». Принципа работы телескопа Галилей не знал, но хорошо осведомленный в законах оптики, он вскоре догадался о его устройстве и сам сконструировал зрительную трубу. «Сначала я изготовил свинцовую трубку, - писал он, - на концах которой я поместил два очковых стекла, оба плоские с одной стороны, с другой стороны одно было выпукло-сферическим, другое же вогнутым. Помещая глаз у вогнутого стекла, я видел предметы достаточно большими и близкими. Именно, они казались в три раза ближе и в десять раз больше, чем при рассмотрении естественным глазом. После этого я разработал более точную трубу, которая представляла предметы увеличенными больше чем в шестьдесят раз. За этим, не жалея никакого труда и никаких средств, я достиг того, что построил себе орган настолько превосходный, что вещи казались через него при взгляде в тысячу раз крупнее и более чем в тридцать раз приближенными, чем при рассмотрении с помощью естественных способностей». Галилей первый понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть совершенно различно. Из десяти очковых лишь одна годилась для использования в зрительной трубе. Он усовершенствовал технологию изготовления линз до такой степени, какой она еще никогда не достигала. Это позволило ему изготовить трубу с тридцатикратным увеличением, в то время как зрительные трубы очковых мастеров увеличивали всего в три раза.

Галилеева зрительная труба состояла из двух стекол, из которых обращенное к предмету (объектив) было выпуклое, то есть собирающие световые лучи, а обращенное к глазу (окуляр) – вогнутое, рассеивающее стекло. Лучи, идущие от предмета, преломлялись в объективе, но прежде, чем дать изображение, они падали на окуляр, который их рассеивал. При таком расположении стекол лучи не делали действительного изображения, оно составлялось уже самим глазом, который составлял здесь как бы оптическую часть самой трубы.

Из рисунка видно, что объектив О давал в своем фокусе действительное изображение ba наблюдаемого предмета (это изображение обратное, в чем можно было бы убедиться, приняв его на экран). Однако вогнутый окуляр О1, установленный между изображением и объективом, рассеивал лучи, идущие от объектива, не давал им пересечься и тем препятствовал образованию действительного изображения ba. Рассеивающая линза образовывала мнимое изображение предмета в точках А1 и В1, которое находилось на расстоянии наилучшего зрения. В результате Галилей получал мнимое, увеличенное, прямое изображение предмета. Увеличение телескопа равно отношению фокусных расстояний объектива к фокусному расстоянию окуляра. Исходя их этого может показаться, что можно получать сколь угодно большие увеличения. Однако предел сильному увеличению кладут технические возможности: очень трудно отшлифовать стекла большого диаметра. Кроме того для слишком больших фокусных расстояний требовалась чрезмерно длинная труба, с которой было невозможно работать. Изучение зрительных труб Галилея, которые хранятся в музее истории науки во Флоренции, показывают, что его первый телескоп давал увеличение в 14 раз, второй – в 19,5 раза, а третий – в 34,6 раза.

Несмотря на то, что Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он, несомненно, был первым, кто создал ее на научной основе, пользуясь теми знаниями, которые были известны оптике к началу 17 века, и превратил ее в мощный инструмент для научных исследований. Он был первым человеком, посмотревшим на ночное небо сквозь телескоп. Поэтому он увидел то, что до него еще не видел никто. Прежде всего Галилей постарался рассмотреть Луну. На ее поверхности оказались горы и долины. Вершины гор и цирков серебрились в солнечных лучах, а длинные тени чернели в долинах. Измерение длины теней позволило Галилею вычислить высоту лунных гор. На ночном небе он обнаружил множество новых звезд. Например, в созвездии Плеяд оказалось более 30 звезд, в то время как прежде числилось всего семь. В созвездии Ориона – 80 вместо 8. Млечный Путь, который рассматривали раньше как светящиеся пары, рассыпался в телескопе на громадное количество отдельных звезд. К великому удивлению Галилея звезды в телескопе казались меньше по размерам, чем при наблюдении простым глазом, так как они лишились своих ореолов. Зато планеты представлялись крошечными дисками, подобным Луне. Направив трубу на Юпитер, Галилей заметил четыре небольших светила, перемещающихся в пространстве вместе с планетой и изменяющих относительно нее свои положения. Через два месяца наблюдений Галилей догадался, что это – спутники Юпитера и предположил, что Юпитер своими размерами во много раз превосходит Землю. Рассматривая Венеру, Галилей открыл, что она имеет фазы, подобные лунным и потому должна вращаться вокруг Солнца. Наконец, наблюдая сквозь фиолетовое стекло Солнце, он обнаружил на его поверхности пятна, а по их движению установил, что солнце вращается вокруг своей оси.

Все эти поразительные открытия были сделаны Галилеем за сравнительно короткий промежуток времени благодаря телескопу. На современников они произвели ошеломляющие впечатление. Казалось, что покров тайны спал с мироздания и оно готово открыть перед человеком свои сокровенные глубины. Насколько велик был в то время интерес к астрономии видно из того, что только в Италии Галилей сразу получил заказ на сто инструментов своей системы. Одним из первых оценил открытия Галилея другой выдающийся астроном того времени Иоганн Кеплер. В 1610 г. Кеплер придумал принципиально новую конструкцию зрительной трубы, состоявшую из двух двояковыпуклых линз. В том же году он выпустил капитальный труд «Диоптрика», где подробно рассматривалась теория зрительных труб и вообще оптических приборов. Сам Кеплер не мог собрать телескоп – для этого у него не было ни средств, ни квалифицированных помощников. Однако в 1613 г. по схеме Кеплера построил свой телескоп другой астроном – Шейнер.

С помощью зрительных труб обычно рассматривают удаленные предметы, лучи от которых образуют почти параллельные слабо расходящиеся пучки. Основной задачей является увеличение углового расхождения этих пучков для того, чтобы их источники оказались на сетчатке разрешенными (не слившимися в точку).

На рисунке показан ход лучей в трубе Кеплера , состоящей из двух собирающих линз, задний фокус объектива совпадает с передним фокусом окуляра. Предположим, мы рассматриваем две точки удаленного тела, например Луны. Первая точка испускает пучок, параллельный главной оптической оси (не показан), а вторая, нарисованный на чертеже косой пучок, идущий под малым углом φ к первому. Если угол φ меньше 1’, то изображения обеих точек на сетчатке сольются. Нужно увеличить угол расхождения пучков. Как это сделать – показано на чертеже. Косой пучок собирается в общей фокальной плоскости, затем расходится. Но затем преобразуется второй линзой в параллельный. После второй линзы этот параллельный пучок идет под гораздо большим углом φ’ к осевому пучку. Простые геометрические рассуждения позволяют найти приборное (угловое) увеличение.

Точка фокальной плоскости, в которой собирается наклонный пучок определяется центральным лучом пучка, идущим без преломления через первую линзу. Чтобы определить угол прохождения этого пучка через вторую линзу, достаточно рассмотреть вспомогательный источник в этой точке фокальной плоскости. Испускаемые им лучи превратятся после второй линзы в параллельный пучок. Он будет параллелен центральному лучу второй линзы (рисунок). Значит пучок, нарисованный на верхнем рисунке пойдет под тем же углом φ’ к оптической оси. Видно, что и , поэтому . Приборное увеличение трубы Кеплера равно отношению фокусных расстояний, поэтому объектив всегда имеет гораздо большее фокусное расстояние. Для правильного описания действия трубы необходимо рассматривать наклонные пучки. Параллельный оси пучок преобразуется трубой в пучок меньшего диаметра.

Поэтому в зрачок глаза попадает больше световой энергии, чем при непосредственном наблюдении, например, звезд. Звезды настолько малы, что их изображения всегда формируются на одном «пикселе» глаза. С помощью трубы мы не можем получить протяженного изображения звезды на сетчатке. Однако, свет слабосветящихся звезд может быть «сконцентрирован». Поэтому в трубу можно увидеть звезды, невидимые глазом. Таким же образом объясняется, почему в трубу можно наблюдать звезды даже днем, когда при наблюдении простым глазом их слабый свет не виден на фоне ярко светящейся атмосферы.

Труба Кеплера обладает двумя недостатками, исправленными в трубе Галилея . Во-первых, длина тубуса трубы Кеплера равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра. То есть это максимально возможная длина. Во-вторых, что наиболее важно, этой трубой неудобно пользоваться в земных условиях, поскольку она дает перевернутое изображение. Идущий вниз пучок лучей преобразуется в идущий вверх. Для астрономических наблюдений это не так важно, а в зрительных трубах для наблюдения земных объектов приходится делать специальные «переворачивающие» системы из призм.

Труба Галилея устроена иначе (левый рисунок).

Она состоит из собирающей (объектива) и рассеивающей (окуляра) линз, причем их общий фокус находится теперь справа. Теперь длина тубуса – это не сумма, а разность фокусных расстояний объектива и окуляра. Кроме того, поскольку лучи отклоняются от оптической оси в одну сторону, изображение получается прямым. Ход луча и его преобразование, увеличение угла φ показано на рисунке. Проведя чуть более сложные геометрические рассуждения, мы придем к той же формуле для приборного увеличения трубы Галилея. .

Для наблюдения астрономических объектов приходится решать еще одну задачу. Астрономические объекты, как правило, слабосветящиеся. Поэтому в зрачок глаза попадает очень малый световой поток. Чтобы его увеличить, необходимо «собирать» свет с как можно большей поверхности, на которую он падает. Поэтому диаметр линзы-объектива делают как можно большим. Но линзы большого диаметра очень тяжелые, и кроме того, их трудно изготовить и они чувствительны к изменениям температуры и механическим деформациям, которые искажают изображение. Поэтому вместо телескопов-рефракторов (refract-преломлять), чаще стали использовать телескопы-рефлекторы (reflect- отражать). Принцип действия рефлектора состоит в том, что роль объектива, дающего действительное изображение, играет не собирающая линза, а вогнутое зеркало. На рисунке справа показан переносной телескоп-рефлектор весьма остроумной конструкции Максутова. Широкий пучок лучей собирается вогнутым зеркалом, но, не доходя до фокуса, поворачивается плоским зеркальцем так, что его ось становится перпендикулярной оси трубы. Точка s является фокусом окуляра – небольшой линзы. После этого пучок, ставший почти параллельным, наблюдается глазом. Зеркальце почти не мешает входящему в трубу световому потоку. Конструкция компактна и удобна. Телескоп направляется в небо, а зритель смотрит в него сбоку, а не вдоль оси. Поэтому луч зрения горизонтален и удобен для наблюдения.

В больших телескопах не удается создавать линзы диаметром более метра. Качественное вогнутое металлическое зеркало можно сделать диаметром до 10 м. Зеркала более устойчивы к воздействиям температуры, поэтому все самые мощные современные телескопы – рефлекторы.

Определение увеличения зрительной трубы с помощью рейки. Если навести трубу на близкостоящую рейку,то можно сосчитать, сколько делений рейки N, видимой невооруженным глазом, соответствуют n делениям рейки, видимой в трубу. Для этого нужно смотреть поочередно в трубу и на рейку, проектируя деления рейки из поля зрения трубы на рейку, видимую невооруженным глазом.

Высокоточные геодезические приборы имеют сменные окуляры с разными фокусными расстояниями, и смена окуляра позволяет изменять увеличение трубы в зависимости от условий наблюдений.

Увеличение трубы Кеплера равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.

Обозначим через γ угол, под которым видны n делений в трубу и N делений без трубы (рис.3.8). Тогда одно деление рейки видно в трубу под углом:

α = γ / n,

а без трубы – под углом:

β = γ / N.

Рис.3.8

Отсюда: V = N / n .

Увеличение трубы можно приближенно вычислить по формуле:

V = D / d, (3.11)

где D – входной диаметр объектива;

d – диаметр выходного отверcтия трубы (но не диаметр окуляра).

Поле зрения трубы. Полем зрения трубы называют участок пространства, видимый в трубу при неподвижном ее положении. Поле зрения измеряют углом ε, вершина которого лежит в оптическом центре объектива, а стороны касаются краев отверстия диафрагмы (рис.3.9). Диафрагма диаметром d1 устанавливается внутри трубы в фокальной плоскости объектива.Из рисунка 3.11 видно, что:

откуда

Рис.3.9.

Обычно в геодезических приборах принимают d1 = 0.7 * fок, тогда в радианной мере:

ε = 0.7 / V.

Если ε выразить в градусах, то:

ε = 40o / V . (3.12)

Чем больше увеличение трубы, тем меньше ее угол зрения. Так, например, при V = 20x ε = 2o, а при V = 80x ε = 0.5o.

Разрешающая способность трубы оценивается по формуле:

Например, при V = 20x ψ = 3″; под таким углом виден предмет размером 5 см на расстоянии 3.3 км; человеческий глаз может видеть этот предмет на расстоянии всего 170 м.

Сетка нитей. Правильным наведением зрительной трубы на предмет считается такое, когда изображение предмета находится точно в центре поля зрения трубы. Чтобы исключить субъективный фактор при нахождении центра поля зрения, его обозначают сеткой нитей. Сетка нитей – это в простейшем случае два взаимно перпендикулярных штриха, нанесенных на стеклянную пластинку, которая крепится к диафрагме трубы. Сетка нитей бывает разных видов; на рис.3.10 показаны некоторые из них.

Сетка нитей имеет исправительные винты: два боковых (горизонтальных) и два вертикальных. Линия, соединяющая центр сетки нитей и оптический центр объектива, называется визирной линией или визирной осью трубы.

Рис.3.10

Установка трубы по глазу и по предмету. При наведении трубы на предмет нужно одновременно четко видеть в окуляре сетку нитей и изображение предмета. Установкой трубы по глазу добиваются четкого изображения сетки нитей; для этого передвигают окуляр относительно сетки нитей, вращая рифленое кольцо на окуляре. Установка трубы по предмету называется фокусированием трубы. Расстояние до рассматриваемых предметов бывает разным, и согласно формуле (3.6) при изменении a расстояние b до его изображения также меняется. Чтобы изображение предмета при рассматривании его в окуляр было четким, оно должно располагаться в плоскости сетки нитей. Передвигая окулярную часть трубы вдоль главной оптической оси, изменяют расстояние от сетки нитей до объектива до тех пор, пока оно станет равным b.

Трубы, у которых фокусирование выполняется путем изменения расстояния между объективом и сеткой нитей, называются трубами с внешней фокусировкой. Такие трубы имеют большую и притом переменную длину; они негерметичны, поэтому внутрь них попадают пыль и влага; на близкие предметы они вообще не фокусируются. Зрительные трубы с внешней фокусировкой в современных измерительных приборах не применяются

Более совершенными являются трубы с внутренней фокусировкой (рис.3.11); в них применяется дополнительная подвижная рассеивающая линза L2, образующая вместе с объективом L1 эквивалентную линзу L. При перемещении линзы L2 изменяется расстояние между линзами l и, следовательно, изменяется фокусное расстояние f эквивалентной линзы. Изображение предмета, находящееся в фокальной плоскости линзы L, также перемещается вдоль оптической оси, и когда оно попадает на плоскость сетки нитей становится четко видным в окуляре трубы. Трубы с внутренней фокусировкой короче; они герметичны и позволяют наблюдать близкие предметы;в современных измерительных приборах применяются в основном такие зрительные трубы.