ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

В.А.Солнцев




Ознакомившись вкратце с устройством основных видов оптических наблюдательных приборов и с их технико-эксплуатационными характеристиками, перейдем к рассмотрению физического смысла этих характеристик, их взаимным связям и их влиянию на эффективность действия наблюдательного прибора.



Знание физического смысла технических параметров и характеристик наблюдательных приборов позволит проводить их сравнение, грамотно выбрать наиболее подходящий прибор для конкретных условий его применения и правильно его эксплуатировать.




2.1. УВЕЛИЧЕНИЕ




Основным параметром любого оптического наблюдательного прибора является увеличение, с которым наблюдатель рассматривает через наблюдательный прибор отдельные предметы. В самом общем случае видимое увеличение или просто увеличение оптического наблюдательного прибора определяется следующим выражением: Г = tg α1/tg α2 где α1 — угол, под которым глаз наблюдателя видит изображение предмета, образованное оптической системой наблюдательного прибора;

α2 — угол, под которым предмет виден невооруженным глазом.



Зная фокусное расстояние объектива ƒоб и фокусное расстояние окуляра ƒок, увеличение наблюдательного прибора может быть определено по следующей формуле: Г = ƒоб/ƒок. Наконец, если известны значения диаметров входного зрачка Dвх и выходного зрачка Dвых наблюдательного прибора (см. п. 2.2), то увеличение можно определить из следующего выражения: Г = Dвх/Dвых


Последние два выражения показывают, что увеличение Г оптического наблюдательного прибора связано непосредственно с его основными геометрическими размерами и, следовательно, определяет его габаритные размеры и зависящую от габаритных размеров массу прибора.



В паспортных данных приборов, в технической литературе и в других материалах для обозначения величины увеличения используют обозначения вида: 7^х, 8^х, 15^х и т. д.

Читается такое обозначение: увеличение семь крат, увеличение восемь крат, увеличение пятнадцать крат и т. д. Значение увеличения указывается также и непосредственно на корпусе наблюдательного прибора, обычно в виде первой цифры в сочетаниях вида 7X50, 8X30, 12X40 и т. д.



В табл. 1.1.— 1.5 приводятся значения увеличения для различных наблюдательных приборов. Условно считают приборы с увеличением 6^х и меньше приборами малого увеличения. Приборы с увеличением 7^х — 10^х условно считают приборами среднего увеличения и, наконец, приборы с увеличением 12^х и больше считают приборами большого увеличения.




2.2. ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ ЗРАЧКИ




Очень важным параметром любого оптического наблюдательного прибора является световой диаметр объектива D_вх или, как его еще называют, входной зрачок.



Практически это диаметр свободной от оправы рабочей части объектива (см. рис. 1.1). Этот параметр всегда приводится в паспорте прибора и непосредственно на его корпусе второй цифрой в обозначениях вида 7X50, 8X30, 12X40 и т.д. Эта цифра определяет значение светового диаметра объектива или иначе — входного зрачка, непосредственно в миллиметрах.



Зная диаметр входного зрачка D_вх, можно найти значение диаметра выходного зрачка D_вых: D_вых = D_вх/ Г где Г — увеличение прибора.

Выходной зрачок (см. рис. 1.1 и 1.2) располагается в пространстве за последней оптической поверхностью окуляра и практически представляется в виде небольшого светлого кружка, видимого в линзах окуляра при их рассматривании в отодвинутом на достаточно большое расстояние от глаз положении.



Размер выходного зрачка D_вых определяет светосилу прибора, что будет рассмотрено ниже. Здесь же мы обратим внимание на величину D_вых для биноклей и монокуляров с характеристикой 7X50.

Как следует из приведенного выше выражения, в данном случае: D_вых = D_вх/Г = 50/7 = 7,14 мм. Это значение не является случайным. Дело в том, что зрачок глаза человека меняет свой диаметр в зависимости от условий окружающего освещения и в темноте его размер может быть близким к 7 мм. Поэтому делать наблюдательный прибор с размером выходного зрачка больше 7—7,2 мм практически бесполезно, так как это приведет к увеличению габаритных размеров и массы прибора, но не увеличит количество света, поступающего в глаз наблюдателя.



Из приведенного, в частности, следует, что бинокли и монокуляры с характеристикой 7X50 предназначены для наблюдений не только днем, но и в сумерки, и светлой ночью. По этой же причине такие приборы иногда называют ночными. В табл. 1.1 и 1.3 приводятся значения диаметров входного и выходного зрачков для различных видов оптических наблюдательных приборов.




2.3. УДАЛЕНИЕ ВЫХОДНОГО ЗРАЧКА




Выходной зрачок прибора располагается в пространстве за последней оптической поверхностью окуляра (см. рис. 1.1 и 1.2) на расстоянии l_вых, которое и называется удалением выходного зрачка.

Делается это для возможности совмещения выходного зрачка оптической системы со зрачком глаза наблюдателя, что необходимо для производства наблюдений с помощью оптического наблюдательного прибора. Требующаяся при этом фиксация положения глаза наблюдателя относительно окуляра осуществляется с помощью наглазника (поз. 14 на рис. 1.1, а), представляющего собой жесткую или эластичную втулку той или иной формы, закрепленную на муфте окуляра.



В табл. 1.1 — 1.3 и 1.5 приводятся значения величины удаления выходного зрачка для различных наблюдательных приборов. Из этих таблиц видно, что для большинства приборов величина l_вых находится в пределах 8—16 мм. В то же время в приборах, предназначенных для наблюдений в очках (бинокль модели БОЦ-7Х50 и др.), эта величина достигает значений 21—24 мм.



При необходимости величину l_вых можно определить опытным путем. Для этого надо направить объектив прибора на яркий и удаленный источник света (солнце, электрическая осветительная лампа и др.), а за окуляром поместить небольшой экран из белой бумаги. Перемещая этот экран вперед или назад относительно окуляра, следует добиться четкого изображения выходного зрачка (светлый кружок). Полученное при этом расстояние от экрана до линзы окуляра и есть величина удаления выходного зрачка.




2.4. ПОЛЕ ЗРЕНИЯ




Очень важным эксплуатационным параметром любого оптического наблюдательного прибора является поле зрения, которое он обеспечивает. Различают угловое и линейное поле зрения. Угловым полем зрения называется угол между крайними лучами, входящими в объектив прибора и создающими изображение, рассматриваемое наблюдателем через окуляр. Линейным полем зрения А считается максимальная видимая часть (линейный ее размер) изображения предметов, находящихся на расстоянии R от прибора, обычно на расстоянии R — 1000 м.



Линейное поле зрения связано с угловым следующим соотношением: A =2R tg (ω/2) В табл. 1.1—1.3 приводятся значения углового и линейного полей зрения для различных оптических наблюдательных приборов. Значения линейного поля зрения часто приводится непосредственно на корпусе прибора, например, в виде надписи: «Поле зрения 105 м на удалении 1000 м».

Значение ноля зрения связано с увеличением прибора. Как правило, чем больше увеличение, тем меньше поле зрения. В то же время приборы одного и того же увеличения могут иметь разные поля зрения. Так, в случае приборов, имеющих одно и то же увеличение и одинаковый диаметр входного зрачка, большее поле зрения означает обычно более совершенную конструкцию, в которой используется широкоугольный сложный окуляр.



Несколько поиному обстоит дело в случае светосильных приборов, например биноклей и монокуляров с характеристикой 7X50 (см. табл. 1.1 и 1.2). В большинстве своем эти приборы при относительно невысоком увеличении (7^х) имеют и небольшой угол поля зрения (7—7,3°).

Объясняется это тем, что для уменьшения потерь света в компонентах оптической схемы такого прибора применяется простой трехлинзовый окуляр, имеющий малый угол поля зрения.




2.5. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ




Существенным параметром любого оптического наблюдательного прибора является его разрешающая способность.

Этим термином обозначается наименьший угловой размер между отдельно наблюдаемыми деталями изображения, создаваемого оптической системой прибора.

Измеряется разрешающая способность в угловых секундах (условное обозначение ") и чем меньше ее размер, тем выше разрешающая способность и тем выше оптические качества прибора.



Разрешающая способность прибора зависит также от места в поле даваемого им изображения. Она имеет наибольшее значение в центре поля изображения и сильно снижается к его краям.

В паспортных данных на прибор разрешающая способность обычно дается для центра поля изображения.

В табл. 1.1—1.3 приведены значения этого параметра для различных видов оптических наблюдательных приборов.

Изучив эти таблицы можно сделать следующий вывод: для ряда приборов, имеющих относительно небольшое увеличение (7^х и 10^х), разрешающая способность выше, чем для приборов имеющих большее увеличение. Очевидно, что это свидетельствует о высоких оптических свойствах данных приборов, в частности о том, что они дают изображение более высокого качества по сравнению с другими приборами, даже имеющими значительно большее, чем у них, увеличение.




2.6. СВЕТОСИЛА




Важным свойством любого оптического наблюдательного прибора является его способность пропускать через себя световой поток. При этом видимая яркость объектов, рассматриваемых через наблюдательный прибор, зависит от потерь света в приборе и от размеров его входного и выходного зрачков.

Основными причинами потерь света в оптическом приборе являются отражение света от поверхностей оптических деталей (линз, призм, сеток и др.) и поглощение света в них. Эти потери характеризуются так называемым коэффициентом пропускания прибора. Значение этого коэффициента зависит от сложности устройства оптического прибора, в частности от количества и размеров оптических деталей, числа их отражающих поверхностей, качества стекла и просветления оптики.



Например, в трубке современного призменного бинокля, имеющего от 7 до 11 оптических элементов, число отражающих поверхностей достигает 12 и выше, в результате чего коэффициент пропускания имеет значения — 0,45—0,75. Это значит, что в некоторых моделях биноклей в каждой трубке теряется больше половины поступающего в ее объектив света.

Для оценки светопропускающих свойств оптического прибора используется параметр, который носит название светосила.



Различают так называемую эффективную светосилу, учитывающую потери света в деталях прибора, и светосилу геометрическую, зависящую от размеров выходного зрачка прибора.

Для оптических наблюдательных приборов обычно используют последний из этих параметров.

В общем случае геометрическая светосила Н обозначается числом, равным квадрату выходного зрачка D_вых наблюдательного прибора, т. е. H = D²_вых. Зная основные параметры оптического наблюдательного прибора, приводящиеся обычно на его корпусе, например БПЦ-8Х Х40, можно определить его геометрическую светосилу.



Для этого сначала определяют диаметр выходного зрачка: D_вых = D_вх/Г = 40/8 = 5 мм. Возводя эту величину в квадрат, получают значение светосилы: Н = D²_вых = 5² = 25 В табл. 1.1 — 1.3 приводятся значения геометрической светосилы для различных видов наблюдательных приборов.

Следует обратить внимание на то, что в приборах с переменным увеличением (так называемых панкратических приборах, см. табл. 1.3) изменение увеличения Г приводит одновременно к соответствующему изменению геометрической светосилы Н. В частности, увеличение параметра Г приводит к уменьшению светосилы Н и наоборот.



Условно можно считать приборами малой светосилы те, для которых H ≤11, приборами средней светосилы те, для которых Н = 16 ÷ 25 и, наконец, приборами высокой светосилы те, для которых H = 49 ÷ 51.

Как правило, приборы малой светосилы предназначены для дневных наблюдений, приборы средней светосилы позволяют эксплуатировать их днем и в сумерки, а приборы высокой светосилы применяют днем, в сумерки и светлой ночью.



Для примера сравним между собой три прибора, имеющих одинаковое увеличение, но разную светосилу, например приборы с характеристиками 7X21, 7X35, 7X50.

Для первого из них светосила равна 9 и очевидно, что такой прибор можно использовать только днем.

Второй прибор имеет светосилу 25 и его уже можно использовать не только днем, но и в сумерки.


Наконец, третий прибор имеет светосилу 51 и его можно использовать днем, в сумерки и даже светлой ночью.




2.7. СУМЕРЕЧНОЕ ЧИСЛО

 



Для сравнения и практической оценки преимуществ того или иного наблюдательного прибора при его использовании в сумерках или ночью служит специальный параметр называемый сумеречным числом.



Сумеречное число зависит от отношения яркости изображения предмета, даваемого наблюдательным прибором, к яркости того же предмета, рассматриваемого невооруженным глазом.

Практически сумеречное число С определяют по следующему выражению: С = √(ГxD_вх) В табл.1.1— 1.3 приводятся значения сумеречного числа для различных видов наблюдательных приборов.

В качестве примера рассмотрим, как сумеречное число влияет на выбор прибора, используемого для наблюдений в условиях пониженной освещенности, например для наблюдений в сумерки и ночью.





Предположим, что мы имеем четыре бинокля с разным увеличением, но одинаковой светосилы: БПС-4Х20, БПЦ-7Х35, БПЦ-8Х40 и БПЦ-10Х50. Геометрическая светосила всех этих приборов одна и та же и равна 25, а сумеречное число имеет соответственно следующие значения: 8,95; 15,65; 17,9 и 22,3.


Очевидно, что из этих четырех приборов наиболее эффективным для наблюдений в условиях пониженной освещенности будет бинокль модели БПЦ-10Х50.




2.8. ПЛАСТИКА




Бинокулярный оптический наблюдательный прибор увеличивает глубину стереоскопического зрения, иначе говоря — объемного восприятия видимого в прибор пространства.

Считается, что для человека острота стереоскопического зрения, при котором он еще различает отдельно расположенные по глубине пространства предметы, составляет примерно 10 угловых секунд, или иначе — 4,82 • 10^-5 радиан, т.е. δ≈ 4,82 • 10^-5 рад.



Исходя из этого положения, можно определить радиус R стереоскопического зрения человека, имеющего глазную дистанцию (расстояние между центрами зрачков глаз) b=65 мм=0,065 м, следующим образом: R = b/δ = 0,065/4,82•10^-5 =1350 м. При использовании бинокля с базой В (расстояние между оптическими осями объективов) стереоскопичность увеличивается за счет отношения В/b и за счет увеличения Г прибора, т.е. имеем: R=(b/δ)(ВГ/b) = (b/δ)Р гд е P = BГ/b - пластика бинокля.



   Из последнего выражения следует, что пластика бинокля повышается с увеличением параметров В и Г. Значения пластики для различных моделей биноклей приводятся в табл. 1.1.

Необходимо отметить, что в современных конструкциях биноклей наблюдается тенденция к уменьшению базы В, что связано со стремлением сократить габаритные размеры и массу приборов. Но это приводит к уменьшению пластики бинокля, что хорошо видно из параметров, приведенных в табл. 1.1, если сравнить пластику биноклей новых моделей БПЦ-7Х35, БП-7Х35, БП2-7Х35, (особенно БКФЦ-7Х35) с пластикой биноклей более старых моделей БПВ-7Х50, БПВ1-7X50.




2.9. МАССА И ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ




Масса и габаритные размеры оптического наблюдательного прибора являются параметрами, непосредственно влияющими на удобство пользования прибором. Эти два параметра жестко связаны между собой. Так, любое уменьшение или увеличение размеров прибора сразу же приводит к соответствующему изменению его массы.

Массу современных наблюдательных приборов по возможности уменьшают за счет использования легких металлических сплавов, пластмасс и уменьшения размеров приборов.

Уменьшение массы за счет уменьшения размеров приборов можно проследить по конструкциям современных биноклей, где уменьшают базу В бинокля, доводя ее до размера глазного базиса b, как, например, в случае бинокля модели БКФЦ-7Х35, или даже до B < b, что имеет место, например, в биноклях модели БПС-4Х20 и в других призменных биноклях малого увеличения.



О том, что это приводит к уменьшению пластики бинокля, уже отмечалось выше (см. п. 2.8). Но, судя по всему, эксплуатационные и экономические выгоды, получаемые за счет снижения габаритных размеров и массы прибора, превышают потери, возникающие от снижения его пластики.



В табл. 1.1 — 1.3 и 1.5 приводятся габаритные размеры и масса различных оптических наблюдательных приборов.

При этом для биноклей и монокуляров в приведенных габаритных размеpax первое число соответствует длине прибора (по направлению его оптической оси), второе число соответствует ширине прибора и третье число — его толщине.  Кроме того, для биноклей приведенные в табл. 1.1 значения длины определены при установке окуляров в положение 0 по диоптрийной шкале, а ширина и толщина — при установке глазной дистанции, равной 70 мм. Для большинства зрительных труб одним из габаритных размеров является длина трубы в рабочем положении, а вместо ширины и длины используется наибольший диаметр трубы (см. табл. 1.3).




http://www.detect-ufo.narod.ru/pribor/optopribori/04_pribori_nabludeniya/2_00.html#2_1