Оптичні спостережливі прилади, їх пристрій, вибір і експлуатація
глава 2
ОСНОВНІ ТЕХНІКО-ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧНИХ
наглядова ПРИЛАДІВ
Ознайомившись коротко з пристроєм основних видів оптичних наглядових приладів та з їх техніко-експлуатаційними характеристиками, перейдемо до розгляду фізичного сенсу цих характеристик, їх взаємним зв'язкам і їх впливу на ефективність дії наглядової приладу.
Знання фізичного сенсу технічних параметрів і характеристик спостережних приладів дозволить проводити їх порівняння, грамотно вибрати найбільш відповідний прилад для конкретних умов його застосування і правильно його експлуатувати.
2.1. ЗБІЛЬШЕННЯ
Основним параметром будь-якого оптичного наглядової приладу є збільшення, з яким спостерігач розглядає через наглядову прилад окремі предмети. У найзагальнішому випадку видиме збільшення або просто збільшення оптичного наглядової приладу визначається наступним виразом:
де # 945; 1 - кут, під яким око спостерігача бачить зображення предмета, утворене оптичною системою наглядової приладу;
# 945; 2 - кут, під яким предмет видно неозброєним оком.
Знаючи фокусна відстань об'єктива ƒоб і фокусна відстань окуляра ƒок, збільшення наглядової приладу може бути визначено за такою формулою:
Нарешті, якщо відомі значення діаметрів вхідного зіниці Dвх і вихідної зіниці Dвих наглядової приладу (див. П. 2.2), то збільшення можна визначити з наступного виразу:
Останні два вирази показують, що збільшення Г оптичного наглядової приладу пов'язано безпосередньо з його основними геометричними розмірами і, отже, визначає його габаритні розміри і залежну від габаритних розмірів масу приладу.
У паспортних даних приладів, в технічній літературі і в інших матеріалах для позначення величини збільшення використовують позначення виду: 7 х. 8 х. 15 х і т. Д.
Читається таке позначення: збільшення сім разів, збільшення вісім разів, збільшення п'ятнадцять разів і т. Д. Значення збільшення вказується також і безпосередньо на корпусі наглядової приладу, зазвичай у вигляді першої цифри в поєднаннях виду 7X50, 8X30, 12X40 і т. Д.
У табл. 1.1.-1.5 наводяться значення збільшення для різних наглядових приладів. Умовно вважають прилади зі збільшенням 6 х і менше приладами малого збільшення. Прилади зі збільшенням 7 х - 10 х умовно вважають приладами середнього збільшення і, нарешті, прилади зі збільшенням 12 х і більше вважають приладами великого збільшення.
2.2. ВХІДНИЙ І вихідної зіниці
Дуже важливим параметром будь-якого оптичного наглядової приладу є світловий діаметр об'єктива Dвх або, як його ще називають, вхідний зіницю.
Практично це діаметр вільної від оправи робочої частини об'єктива (див. Рис. 1.1). Цей параметр завжди наводиться в паспорті приладу і безпосередньо на його корпусі другою цифрою в позначеннях виду 7X50, 8X30, 12X40 і т.д. Ця цифра визначає значення світлового діаметра об'єктива чи інакше - вхідної зіниці, безпосередньо в міліметрах.
Знаючи діаметр вхідної зіниці Dвх. можна знайти значення діаметра вихідного зіниці Dвих.
де Г - збільшення приладу.
Вихідна зіниця (див. Рис. 1.1 і 1.2) розташовується в просторі за останній оптичної поверхні окуляра і практично представляється у вигляді невеликого світлого гуртка, відомого в лінзах окуляра при їх розгляданні в відсунутому на досить велику відстань від очей положенні.
Розмір вихідної зіниці Dвих визначає светосилу приладу, що буде розглянуто нижче. Тут же ми звернемо увагу на величину Dвих для біноклів і монокуляри з характеристикою 7X50.
Як випливає з наведеного вище виразу, в даному випадку:
Це значення не є випадковим. Справа в тому, що зіницю ока людини змінює свій діаметр в залежності від умов навколишнього освітлення і в темряві його розмір може бути близьким до 7 мм. Тому робити наглядова прилад з розміром вихідної зіниці більше 7-7,2 мм практично марно, так як це призведе до збільшення габаритних розмірів і маси приладу, але не збільшить кількість світла, що надходить в око спостерігача.
З наведеного, зокрема, випливає, що біноклі та монокуляри з характеристикою 7X50 призначені для спостережень не тільки вдень, але і в сутінки, і світлою вночі. З цієї ж причини такі прилади іноді називають нічними. У табл. 1.1 -1.3 наводяться значення діаметрів вхідного і вихідного зіниць для різних видів оптичних наглядових приладів.
2.3. ВИДАЛЕННЯ ВИХІДНОГО ЗІНИЦІ
Вихідна зіниця приладу розташовується в просторі за останній оптичної поверхні окуляра (див. Рис. 1.1 і 1.2) на відстані lвих. яке і називається видаленням вихідної зіниці.
Робиться це для можливості суміщення вихідної зіниці оптичної системи із зіницею ока спостерігача, що необхідно для виробництва спостережень за допомогою оптичного наглядової приладу.
Вимагається при цьому фіксація положення ока спостерігача щодо окуляра здійснюється за допомогою наочника (поз. 14 на рис. 1.1, а), що представляє собою жорстку або еластичну втулку тієї чи іншої форми, закріплену на муфті окуляра.
У табл. 1.1 -1.3 і 1.5 наводяться значення величини видалення вихідної зіниці для різних наглядових приладів. З цих таблиць видно, що для більшості приладів величина lвих знаходиться в межах 8-16 мм. У той же час в приладах, призначених для спостережень в окулярах (бінокль моделі Боц-7х50 і ін.), Ця величина досягає значень 21-24 мм.
При необхідності величину lвих можна визначити дослідним шляхом. Для цього треба направити об'єктив приладу на яскравий і віддалений джерело світла (сонце, електрична освітлювальна лампа та ін.), А за окуляром помістити невеликий екран з білого паперу. Переміщаючи цей екран вперед або назад щодо окуляра, слід домогтися чіткого зображення вихідної зіниці (світлий кружок). Отримане при цьому відстань від екрану до лінзи окуляра і є величина видалення вихідної зіниці.
2.4. ПОЛЕ ЗОРУ
Дуже важливим експлуатаційним параметром будь-якого оптичного наглядової приладу є поле зору, яке він забезпечує. Розрізняють кутовий і лінійне поле зору. Кутовим полем зору називається кут між крайніми променями, що входять в об'єктив приладу і створюють зображення, що розглядається спостерігачем через окуляр. Лінійним полем зору А вважається максимальна видима частина (лінійний її розмір) зображення предметів, що знаходяться на відстані R від приладу, зазвичай на відстані R - 1000 м.
Лінійне поле зору пов'язане з кутовим наступним співвідношенням:
У табл. 1.1-1.3 наводяться значення кутового і лінійного полів зору для різних оптичних наглядових приладів.
Значення лінійного поля зору часто наводиться безпосередньо на корпусі приладу, наприклад, у вигляді напису: «Поле зору 105 м на видаленні 1000 м».
Значення поля зору пов'язано зі збільшенням приладу. Як правило, чим більше збільшення, тим менше поле зору. У той же час прилади одного і того ж збільшення можуть мати різні поля зору. Так, в разі приладів, що мають один і той же збільшення і однаковий діаметр вхідної зіниці, більше поле зору означає зазвичай більш досконалу конструкцію, в якій використовується ширококутний складний окуляр.
Кілька поїному стан справ у разі светосильних приладів, наприклад біноклів і монокуляри з характеристикою 7X50 (див. Табл. 1.1 і 1.2). Здебільшого ці прилади при відносно невисокому збільшенні (7 х) мають і невеликий кут поля зору (7-7,3 °).
Пояснюється це тим, що для зменшення втрат світла в компонентах оптичної схеми такого приладу застосовується простий трьохлінзовою окуляр, який має малий кут поля зору.
2.5. РОЗДІЛЬНА ЗДАТНІСТЬ
Істотним параметром будь-якого оптичного наглядової приладу є його роздільна здатність.
Цим терміном позначається найменший кутовий розмір між окремо спостерігаються деталями зображення, що створюється оптичною системою приладу.
Вимірюється роздільна здатність в кутових секундах (умовне позначення ") і чим менше її розмір, тим вище роздільна здатність і тим вище оптичні якості приладу.
Роздільна здатність приладу залежить також від місця в поле дається їм зображення. Вона має найбільше значення в центрі поля зображення і сильно знижується до його краях.
У паспортних даних на прилад дозволяє здатність зазвичай дається для центру поля зображення.
У табл. 1.1-1.3 наведені значення цього параметра для різних видів оптичних наглядових приладів.
Вивчивши ці таблиці можна зробити наступний висновок: для ряду приладів, що мають відносно невелике збільшення (7 х і 10 х), роздільна здатність вище, ніж для приладів, що мають більше збільшення. Очевидно, що це свідчить про високі оптичні властивості даних приладів, зокрема про те, що вони дають зображення більш високої якості в порівнянні з іншими приладами, навіть мають значно більшу, ніж у них, збільшення.
2.6. Світлосила
Важливою властивістю будь-якого оптичного наглядової приладу є його здатність пропускати через себе світловий потік. При цьому видима яскравість об'єктів, що розглядаються через наглядову прилад, залежить від втрат світла в приладі і від розмірів його вхідного і вихідного зіниць.
Основними причинами втрат світла в оптичному приладі є віддзеркалення світла від поверхонь оптичних деталей (лінз, призм, сіток і ін.) І поглинання світла в них. Ці втрати характеризуються так званим коефіцієнтом пропускання приладу. Значення цього коефіцієнта залежить від складності пристрою оптичного приладу, зокрема від кількості і розмірів оптичних деталей, числа їх поверхонь, що відбивають, якості скла і просвітлення оптики.
Наприклад, в трубці сучасного призменного бінокля, що має від 7 до 11 оптичних елементів, число поверхонь, що відбивають досягає 12 і вище, в результаті чого коефіцієнт пропускання має значення - 0,45-0,75. Це означає, що в деяких моделях біноклів в кожній трубці втрачається більше половини надходить в її об'єктив світла.
Для оцінки светопропускающих властивостей оптичного приладу використовується параметр, який носить назву світлосила.
Розрізняють так звану ефективну светосилу, що враховує втрати світла в деталях приладу, і светосилу геометричну, що залежить від розмірів вихідного зіниці приладу.
Для оптичних наглядових приладів зазвичай використовують останній з цих параметрів.
У загальному випадку геометрична світлосила Н позначається числом, рівним квадрату вихідної зіниці Dвих наглядової приладу, т. Е.
Знаючи основні параметри оптичного наглядової приладу, що зводяться зазвичай на його корпусі, наприклад БПЦ-8Х Х40, можна визначити його геометричну светосилу.
Для цього спочатку визначають діаметр вихідної зіниці:
Зводячи цю величину в квадрат, отримують значення світлосили:
У табл. 1.1 - 1.3 наводяться значення геометричної світлосили для різних видів спостережних приладів.
Слід звернути увагу на те, що в приладах зі змінним збільшенням (так званих панкратіческіе приладах, див. Табл. 1.3) зміна збільшення Г призводить одночасно до відповідної зміни геометричної світлосили Н. Зокрема, збільшення параметра Г призводить до зменшення світлосили Н і навпаки.
Умовно можна вважати приладами малої світлосили ті, для яких H ≤11, приладами середньої світлосили ті, для яких Н = 16 ÷ 25 і, нарешті, приладами високої світлосили ті, для яких H = 49 ÷ 51.
Як правило, прилади малої світлосили призначені для денних спостережень, прилади середньої світлосили дозволяють експлуатувати їх вдень і в сутінки, а прилади високої світлосили застосовують днем, в сутінки і світлою вночі.
Для прикладу порівняємо між собою три приладу, що мають однакове збільшення, але різну світлосилу, наприклад прилади з характеристиками 7X21, 7X35, 7X50.
Для першого з них світлосила дорівнює 9 і очевидно, що такий прилад можна використовувати тільки вдень.
Другий прилад має светосилу 25 і його вже можна використовувати не тільки вдень, але і в сутінки.
Нарешті, третій прилад має светосилу 51 і його можна використовувати днем, в сутінки і навіть світлою вночі.
2.7. смеркове число
Для порівняння і практичної оцінки переваг того чи іншого наглядової приладу при його використанні в сутінках або вночі служить спеціальний параметр званий сутінковим числом.
Сутінковий число залежить від відносини яскравості зображення предмета, що дається наглядовою приладом, до яскравості того ж предмета, що розглядається неозброєним оком.
Практично сутінковий число С визначають за наступним виразом:
У табл. 1.1 - 1.3 наводяться значення сутінкового числа для різних видів спостережних приладів.
Як приклад розглянемо, як сутінковий число впливає на вибір приладу, що використовується для спостережень в умовах зниженої освітленості, наприклад для спостережень в сутінки і вночі.
Припустимо, що ми маємо чотири бінокля з різним збільшенням, але однаковою світлосили: БПС-4х20, БПЦ-7Х35, БПЦ-8х40 і БПЦ-10х50. Геометрична світлосила всіх цих приладів одна і та ж і дорівнює 25, а сутінковий число має відповідно такі значення: 8,95; 15,65; 17,9 і 22,3.
Очевидно, що з цих чотирьох приладів найбільш ефективним для спостережень в умовах зниженої освітленості буде бінокль моделі БПЦ-10х50.
2.8. ПЛАСТИКА
Бінокулярний оптичний наглядова прилад збільшує глибину стереоскопічного зору, інакше кажучи - об'ємного сприйняття видимого в прилад простору.
Вважається, що для людини гострота стереоскопічного зору, при якому він ще розрізняє окремо розташовані по глибині простору предмети, становить приблизно 10 кутових секунд, або інакше - 4,82 • 10 -5 радіан, тобто # 948; ≈ 4,82 • 10 -5 рад.
Виходячи з цього положення, можна визначити радіус R стереоскопічного зору людини, що має очну дистанцію (відстань між центрами зіниць очей) b = 65 мм = 0,065 м, в такий спосіб:
При використанні бінокля з базою В (відстань між оптичними осями об'єктивів) стереоскопичность збільшується за рахунок відносини В / b і за рахунок збільшення Г приладу, тобто маємо:
де P = bг / b - пластика бінокля.
З останнього виразу випливає, що пластика бінокля підвищується зі збільшенням параметрів В і Г. Значення пластики для різних моделей біноклів наводяться в табл. 1.1.
Необхідно відзначити, що в сучасних конструкціях біноклів спостерігається тенденція до зменшення бази В, що пов'язано з прагненням скоротити габаритні розміри і масу приладів. Але це призводить до зменшення пластики бінокля, що добре видно з параметрів, наведених в табл. 1.1, якщо порівняти пластику біноклів нових моделей БПЦ-7Х35, БП-7Х35, БП2-7Х35, (особливо БКФЦ-7Х35) з пластикою біноклів старіших моделей БПВ-7х50, БПВ1-7X50.
2.9. МАСА І РОЗМІРИ
Маса і габаритні розміри оптичного наглядової приладу є параметрами, що безпосередньо впливають на зручність користування приладом. Ці два параметри жорстко пов'язані між собою. Так, будь-яке зменшення або збільшення розмірів приладу відразу ж призводить до відповідної зміни його маси.
Масу сучасних спостережних приладів по можливості зменшують за рахунок використання легких металевих сплавів, пластмас та зменшення розмірів приладів.
Зменшення маси за рахунок зменшення розмірів приладів можна простежити по конструкціях сучасних біноклів, де зменшують базу У бінокля, доводячи її до розміру очного базису b, як, наприклад, в разі бінокля моделі БКФЦ-7Х35, або навіть до B
У табл. 1.1 - 1.3 і 1.5 наводяться габаритні розміри і маса різних оптичних наглядових приладів.
При цьому для біноклів і монокуляри в наведених габаритних размеpax перше число відповідає довжині приладу (у напрямку його оптичної осі), друге число відповідає ширині приладу і третє число - його товщині.
Крім того, для біноклів наведені в табл. 1.1 значення довжини визначені при установці окулярів в положення 0 по диоптрийной шкалою, а ширина і товщина - при установці очної дистанції, рівній 70 мм.
Для більшості зорових труб одним з габаритних розмірів є довжина труби в робочому положенні, а замість ширини і довжини використовується найбільший діаметр труби (див. Табл. 1.3).