/
Author: Панов В.А. Кругер М.Я.
Tags: применение оптики в целом компьютерные технологии приборостроение оптика оптические приборы
Year: 1980
Text
СПРАВОЧНИК КОНСТРУКТОРА оптико- МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ Третье издание, переработанное и дополненное Под общей редакцией д-ра техн, наук В. А. ПАНОВА ЛЕНИНГРАД «МАШИНОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 19 8 0
ВБ К 34.9м2 С74 УДК М5.К (О'1!) Аморы: В. А. ПАНОВ, | М. Я. КРУГЕР |, В. В. ЛАГНИ, Г. В. ПОГАРЕВ, А. М. ЛЕВИНЗОН, И. М ЛИНСКИЙ, Н. А. МИХАЙЛОВ, Б. Г. РЕЗНИЦ1 М. И. КАЛИНИН, Р. М. РАГУЗИН т “,к ВГР.ШЕКА ВСЕС I SAK.l.kL Г ЧК »'«*'*' -л*?? ИНСТИТУТА Справочник конструктора оптико-механи С74 приборов./В. А. Панов, М. Я. Кругер, В. В. гин и др.; Под общ. ред. В. А. Панова. — 3-, перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ле отд-ние, 1980. — 742 с., ил. В пер.: 2 р. 70 к. В справочнике приведены крпткис сведении о фнчичес метрической оптике, основные формулы рпсчети ounpiccKin методика расчета аберраций, допуски ни ин» отопление и сборк ских деталей и утлой Третье мядмнно (2-е ихд 11Ш/ г ) дополнено нокым мп по расисту важнейших элементом и уялпи приборов, о» нонам i ропипни мехдпичсгиой части оптических прибором, мруитур) литу подвижных систем, вешите от коррохим и покрытиим В спрлпочпик включены новые данные по оптическим бесцвап пым и еветорассеивающим стеклам, пластмассам, волоконном» жгутам, свсторассеивающим экранам. Справочник предназначен для инженерно-технических ков оптико-механическнх предприятий. СбЖ-80 25'~”- ЯМ0Ю11М " © Издательство «Машижл ipoeiiHr,
ПРЕДИСЛОВИЕ I Современные оптико-механические приборы представляют собой Южные технические устройства, построенные на основе использова- 1я разнообразных свойств световой энергии, электронно-оптических сте.м и точных механизмов. | Для дальнейшего научного и технического прогресса, повышения Ьизводительности труда и качества выпускаемых изделий требуется ггенсивная разработка и расширение производства новых совершен- йх приборов. В связи с этим растет потребность в технической лите- куре и справочниках. ; Со времени опубликования второго издания «Справочника кои- руктора оптико-механических приборов» прошло более десяти лет. 1 этот период времени появились новые технические материалы, ЭСТы, нормали, введена Единая система конструкторской докумен- тны (ЕСКД) и т. д. В связи с этим возникла необходимость в третьем )даиии данного справочника. В настоящем справочнике материал по сравнению со вторым изда- ием переработан и приведен в соответствие с появившейся новой ;хнической документацией по проектированию и расчету оптико- еханических приборов. Добавлены сведения по фотометрическим расчетам приборов, ясточ- икам и приемникам световой энергии, светофильтрам, дифракционным ешеткам, объективам, окулярам, гибким волоконно-оптическим жгу- там, светорассеивающим стеклам и экранам, оптическому цветному геклу, полимерам для оптических деталей, оптическому конструк- иоиному стеклу, пластмассам и другим техническим материалам. 1риведены новые типовые конструкции оптико-механических узлов дополнены примеры крепления оптических деталей. Расчеты допусков рп изготовлении и сборке оптических деталей и узлов выделены в от- ельную главу. В гл. 9 изложена новая методика анализа структуры :ннематической схемы механизма. ' Включены сведения о функциональных назначениях механизмов it подвижных систем оптических приборов, рассмотрены особенности ||роекгирования таких механизмов, внесены уточнения в их расчет. 1 1* . 3
Рассмотрены методы защиты деталей оптико-механических приборов от коррозии, даны основные характеристики металлических и неметал- лических неорганических покрытий, описаны трсбоплинн и рекомен- дации по выбору покрытия, а также технические трсбопнпин к оптико- механическим приборам и правила разработки конструкторской до- кументации. Авторы выражают глубокую благодарность инженерам В/К. Фило- пенко, Ю. В. Степанову, Н. И. Валову, П. В. Головко и Б. Я. Хав- кину, оказавшим практическую помощь в подборе материалов для третьего издания справочника. Активное участие н подготовке издания принял также I Г. М. Городинский I.
ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА Светом принято называть тот вид электромагнитного излучения, который вызывает зрительное ощущение. Кроме того, в понятие свет, световое излучеине включаются и такие невидимые для,глаза излучения как ультрафиолетовое и инфракрасное. Свет обладает одновременно корпускулярными и волновыми свой- ствами. Одни явления (дифракция, интерференция, поляризация света) объясняются волновой природой света, другие (поглощение, фотоэлек- трический эффект Столетова н т. д.) — корпускулярной теорией. Обе теории взаимосвязаны и дополняют друг друга при изучении законов оптики. Электромагнитные волны. Спектр электромагнитных колебаний Электромагнитные волны характеризуются колебанием двух век- торов: электрической напряженности Е и магнитной напряженности Н. Оба вектора колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях в одинаковых фазах. Направление движения потока энергии электро- магнитной волны определяется направлением вектора Умова—Пойн- тннга, перпендикулярного к векторам электрической и магнитной силы. Численная величина вектора Умова—Пойнтиига равна S = = cEHiAn, т. е. количеству электромагнитной энергии, протекающей в единицу времени через площадку в 1 ма. В [изотропных средах на- правление вектора Умова—Пойнтиига принимают за направление луча света. Соотношение между длиной волны 10 в вакууме и частотой коле- бания v = с/1о, где с — скорость в вакууме. Длина волны X в среде, показатель преломления которой равен п, X = Еа/п. Показатель преломления среды есть отношение скорости распро- странения света в вакууме к скорости в данной среде: п = c/v. При прохождении света через разные среды длина волны 1 изме- ряется обратно пропорционально п, но частота колебаний v прн этом остается величиной постоянной. Распределение энергии излучения в зависимости от длины волны или частоты принято называть его спек- тром. Условно принято делить спектр электромагнитных колебаний на радноднапазон (длина волны X меняется от 1 мм до нескольких десятков 5
километров), оптический диапазон (X меняется от 50 А1 до I мм), и диапазон у-лучей (длина волны 50 А). Оптический диапазон излу- чений делят на четыре области со следующими границами длин волн: рентгеновскую (от 0,1 до 50 А), ультрафиолетовую (от 50 А до 380 нм), видимую (от 380 нм до ^акраснуюЛ(от 1770 "нм Таблииа 1-2. Длины ноли излучений, £ Г мм)! Инфракрасную испУскаемЫх различными алементамн область в спою очередь Таблица 1.1. Видимые цвета Область спектра Длина волны, нм Обозна- чение линий спектра Элемент Видимые цвета Диапазон длин волн, нм Ультра- фиоле- товая 365,0 i Mg Фиолето- вый Синий Голубой Зеленый Желто- зеленый Желтый Оранжевый Красный 380—450 450—480 480-510 510-550 550-575 575-585 585-620 620-780 Види- мая 404,7 434,1 435,8 480,0 486,1 546,1 587,6 588,3 643,8 656,3 766,5 h G' I F e d D C C A' Hg H Hg Cd H Hg Be Na Cd H К подразделяют на коротковолновый участок (от 0,77 до 1,5 мкм), средневолновый (от 1,5 до 20 мкм), длинноволновый (от 20 мкм до 1,0 мм). Указанные границы диапазонов и областей длин воли услов- ны, а сами длины воли даны для вакуума. В табл. 1.2 приведены длины воли излучений, испускаемых некоторыми элементами Уравнения волнового движения Колебание монохроматической волны может быть описано одним из уравнений: у = a sin 2л (t/T — х/Х); у = a sin (2 л./У) (/ — х/о); у = а sin (at — хх); у = а sin 2л (vt — kx), где V— фазовая скорость; <о= 2л/Т— угловая скорость; х — угло- вое волновое число; v = 1/Т — частота; k = 1/Х — волновое число; а — амплитуда колебания (наибольшее отклонение точки полны от положения равновесия); к — длина волны — расстояние, на которое * С 1 января 1080 г. в соответствии с СТ СЭВ 10S2—78 вместо единицы длины ангстрем обязательному применению подлежит -единица длины метр (1 А - 10- «• м). 6
распространяется фронт монохроматической волны за один период колебания. Для практики представляют интерес три вида волн: 1) плоские волны (параллельный пучок лучей), распространяю- щийся в идеально прозрачной среде, имеющие постоянную амплитуду а при любых зиачениях х; 2) сферические волны, в которых а убывает пропорционально х, т. е. а = аа/х (а0 — начальная- амплитуда); энергия волн пропорцио- нальна аг и убывает пропорционально х2; 3) плоские волны, распространяющиеся в поглощающей среде, О.Х т. е. яое 1 (а — коэффициент поглощения). ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ Под интерференцией света понимается явление, возникающее при взаимодействии когерентных1 волн и состоящее в том, что интенсив- ность результирующей световой волны в зависимости от разности фаз взаимодействующих волн может быть больше или меньше суммы их интенсивностей. При своем взаимодействии когерентные волны способны образовывать новую волну, амплитуда колебания которой в каждой ее точке получается как векторная сумма амплитуд отдельных колеба- ний (рис. 1.1). В случае интерференции двух волн 0 и 1 с амплиту- дами ад и Oi результирующая волна 2 характеризуется формулой У = Уо + У1 = «о sin ф + ах sin (ф + 6); У = о-1 sin (ф + Ф), где /1о-1 — результирующая амплитуда; A 5„t — («о + я, cos б)2 + (Я] sin о)8; -1 = + af + 2аоах cos 3. 1 Когерентные волны — волны одинаковой частоты, колебания в которых . отличаются постоянной разностью фаз, не изменяющейся во времени, доста- точном для наблюдения. 7
Если п0 = at — а, то = 2«2 (1 + cos 6) = 2а'111 -|- cos (2лД/Х)]. В случае интерференции н волн с амплитудами av, Of, о2, а„, и одинаковой взаимной разностью фаз равнодействующая амплитуда равна (п \‘2/п По + Zj ап COS,i I + I S ап sin п У ап s In лб tg®=------. «О + У, а„ cos nd Возможность наблюдения интерференции практически ограничи- вается углом 2о около осн светового пучка, выходящего из источника, диаметр которого 2г, т. е. 2r sin о с л/4. Оптическая длина пути Если после разделения пучка спета па два пучка последние будут распространяться в различных средах, то при подсчете приобретаемой волнами разности фаз необходимо учитывать изменение длины волны при переходе из вакуума в среду (лср = л/нСр)- Оптической длиной пути называется произведение показателя преломлении п на геометрическую длину пути d, I. Область и поле интерференции ( Полем интерференции называется поверхность или плоскость» в которых исследуется интерференционная киртипа, Полем интерфе" ренции может быть фокальная плоскость лупы или микроскопа, через которые рассматривается интерференционная картина, плоскость фото- пластинки и т. н. Интерферометры, в которых осуществляется интер- ференция в результате взаимодействия двух пучков лучей, называются ( двухлучевыми, трех пучков лучей — трехлучевымн, многих пучков лучей — многолучевыми 144]. Входные и выходные зрачки и поле интерферометров Теорию интерферометров проще всего строят на основе вычисления производных функций от разности хода, применяя при этом законы геометрической оптики. Большинство технических интерферометров имеет две ветви, каж- дая из них представляет собой отдельную оптическую синему. На рис. 1.2 дана принципиальная оптическая схема двухлучевого интерферометра. Источник света L совмещен с входным зрачком иитер- 8
ферометра; плоскость В, в которой наблюдается интерференционная картина, служит полем интерс имеют общий входной зрачок и ферометра дает изображение входного зрачка, и, следова- тельно, в общем случае имеют два выходных зрачка и L2. Интерферометр также имеет два входных поля Bj и В2, явля- ющихся изображением выход- ного поля интерференции. В не- ти. Две ветви интерферометра поле. Каждая из ветвей интер- которых конструкциях ишер- Рис. 1.2. Зрачки и окна интерферо- ферометра и £2 или и В2 метра совпадают друг с другом. Со- 1 вохупность входного зрачка L и двух входных полей В2 и В2 можно отнести к пространству предметов, а совокупность выходных зрачков L2 и £2 и выходного поля В — к пространству изображений. Ширина щели при нелокализованных полосах Для получении хорошего контраста смещение интерференционных полос от крайних точек входного зрачка (щели) не должно превышать Рис. 1.3. Схема определения щели при нелокализованных ширины полосах Д Х/4. На рис. 1.3 пока- зано, ЧТО Д = ОщР, поэтому допустимая ширина щели равна (Хщ, доп=== л/4р. Угол Р зависит от расположения входного зрачка и вход- ных полей. Например, если X = 0,55 мкм и Р = 20", то ширина щели Ощ. Д0П = 1-г. 1,5 мм. При р — 1° значение доп = 0,01 мм. Критический размер щелн йщ. кр = ^Р- Рис. 1.4. Схема определения ширины щели при локализованных полосах Допустимый размер входного зрачка при локализованных полосах Локализованные полосы появляются в результате ин- терференции лучей, полу- ченных из одного первичного луча. Поэтому точка L вход- ного зрачка и точки В2 и В2 входных полей распо- ложены на одной пря- мой. Разность хода, возникающую на краях входного- зрачка (рис. 1.4) относительно точки L, можно вычислить по формуле Д = — с<?щ/8г/ (г/ + с). Если q с, то Д = ca\l8q~ = со2/2. Для получения хорошего контраста при Д = Х/4 необходимо, чтобы оД0П = V к/2с\ 9
npwl — 0,55 мкм величина с= 0,02 мм, — 7*. Если с — 1! то <т=- Г. Критический угловой размер круглой диафрагмы опре- деляется из условия Л => к, т. е. о,кр =» V 2к/с. Интерференция в пластинках Явления интерференции в пластинках используются в различных схемах интерферометра. Примеры интерференционных схем даны на рис. 1.5: 1) источник света L (рис. 1.5, с) и поле интерференции В находятся на произвольных конечных расстояниях от испытуемой пластинки ' ' типа); 2) источник излучения расположен на произволь- ном расстоянии (рис. 1.5,6), а поле отнесено на беско- нечность (наблюдаются по- лосы ранного наклона); 3) источник света рас- положен в бесконечности (рис. 1.5, в), а поле находится на произвольно конечном расстоянии (наблюдаются полосы равной толщины); 4) ноле Р и источник спета L удалены в бесконеч- ность (рис. 1.5, г). Плоскости L и В сопряжены, поэтому через каждую точку поля можно провести множество лучей. В первых трех случаях источник света L не сопряжен с полем В, поэтому через каждую точку поля проходят только два вполне опре- деленных луча, показанных на рисунке. Углы пересечения ю учитывают ширину интерференционных Полос е — к/a. Угол 0 определяет критическую ширину источника света (щели), при которой контрастность полос падает до нуля. Полосы равного наклона — интерференционные полосы, локали- зованные в бесконечности п образующиеся в результате прохождения света через плоскопараллельный слой, причем одинаковому наклону лучей в слое соответствует определенное положение интерференцион- ной полосы (рис. 1.5,6). Оптическая разность хода с учетом потери полуволны при отра- жении от нерпой iioiiepxiioi'iи (п > н() Л — — sin'-e----i-, или Л . 2nh cos е/-----(1.1) изменение рднюеш хода и л.-ишепмоегн от изменения угла в <1\ 2nh sin v’de’. 10
Полосы равной толщины — интерференционные полосы, образу- ющиеся вдоль линий равных оптических толщин слоя (при угле па- дения е= const), в котором происходит интерференция (рис. 1.5, в). Из формулы (1.1) при постоянных е' н п следует, что dA = 2л cos е' dh. Интерференционные полосы могут служить для очень точных изме- рений толщин пластинки или для обнаружения небольших неровностей на поверхности. Если принять, что чувствительность соответствует 0,1 ширины полосы (изменение разности хода на 0,1 X или 0,06 мкм), то погрешность определения толщины (в мкм) при нормальном падевин луча (е = 0) составляет ’ м - </А - °’0С________0)03 2n cose' ” 2п ~~ п Для воздушных пластинок dh — 0,03 мкм. С увеличением угла падения е чувствитель- ность метода понижается. Кольца Ньютона Кольца Ньютона представляют частный случай полос равной толщины. Они образу- ются в тонком воздушном слое между двумя поверхностями стеклянных деталей, из которых одна обычно служит эталоном. При нормаль- R Рис. 1.6. Схема об- разования колец Ньютона ном падении лучей (е = 0) на испытуемую деталь разность хода Д = 2d + Х/2. В точке контакта деталей Д == Х/2. Система интерференционных колец, наблюдаемых в отраженном свете, обра- зует темный центр. При монохроматическом свете темные кольца находятся от точки контакта на расстояниях, при которых 2d равно целому числу воли 2d = NK(N — 0, 1, 2, 3, ...). Если радиус г сфериче- ской поверхности испытуемой детали велик (рис. 1.6), то стрелка d = R'l/2r. При наложении на такую нож-рхпость плоской эталонной пластинки радиус ТУ-го кольца, наблюдаемого в отраженном свете, равен /?т — К ri.N — cVN, радиус светлого кольца /?с = = К rXj/w-f- 1/2= cKW + 1/2. По измеренному диаметру кольца 2R и его порядковому номеру при данной длине волны X можно вычис- лить радиус сферической поверхности исследуемой детали. В табл. 1.3. приведены формулы для вычисления разности радиусов испытуемой поверхности и пробного стекла. Каждое кольцо (полоса) соответствует приращению толщины воздушного промежутка на Х/2. Если X = 0,5-10 ® мм, то число интер- ференционных полос Л/==Л2^_Д, г2 Зависимость между фокусным расстоянием и числом интерферен- ционных колец в плоскопараллельной пластинке, установленной перед системой в качестве защитного стекла или светофильтра, Г =; W=A/1±/VS, где //] и — числа колец на каждой стороне пластинки. 11
Таблица 1.3. Формулы для вычисления разности радиусоз испытуемой поверхности и пробного стекла я отраженном свете |>№11 OCTh ряднусон Предел измерении Дг = 4Ага//Эа (О/г) < 1 Дг = kN cos а/2 (1 — cos а) (£)//•)> 1 при касании пробного стекла краями Дг = A./V/2 (1 — cos а) (D/r) ?> 1 при касании пробного стекла серединой Примечания: I. D = 2R — диаметр наблюдаемой интер- ференционной картины; 2. sin а = D/2r. У Рис. 1.7. К расчету контрастности ин- терференционных полос Если обе поверхности пластинки являются одновременно выпук- лыми или вогнутыми, то Ni и Nt складывают. Если одна из сторон выпуклая, а другая — погнутая, то W равно разности чисел колец. Пример. Определить допустимую разность N защитного стекла (светофильтра), если его фокусное расстояние нс должно быть меньше 1000 м. Диаметр светофильтра 50 мм, п=1,5, Х = 0,6 мкм. N_ Di______________________________= 4Х(м —1)/' 4 0,5 6-IO’4 -10е Принцип создания интерференционной картины в интерферометре Создание интерференционной картины ос- новано на принципе разделения пучка лучей на два самостоятельных пучка, которые после прохождения внутри оптической системы снова сводятся в один пучок. Элементарная освещенность о некоторой точке Р', создаваемая от источника света пло- щадью tIS в случае tia а, а, dLi = 2аа В интерферометрах источник света (например, апертурная диаф- рагма) имеет конечные размеры. Поэтому разность хода можно пред- ставить суммой двух величин Д = До + 6Д (До — разность хода лучей, исходящих из центра апертурной диафрагмы; 6Д — приращение разности хода между осевым лучом и лучом, выходящим из некоторой произвольной точки апертурной диафрагмы). По ней выбирается источ- ник света для освещения интерферометра. Небольшое отклонение До от нуля не вызывает заметного изменения контрастности. Однако при 12 (1.2) cos 2л
значительном А вследствие недостаточной монохроматичности приме* пяемого света контрастность интерференционных полос понижается. Величина 6Д зависит от размеров апертурной диафрагмы. Суммарная освещенность в данной точке Р найдется интегрированием формулы (1.2) Е = 2a®S+2аj cos [ -— (Ао+8 А)] (1.3) s При вычислении освещенности в некоторой точке поля интер- ферометра задача сводится к нахождению 6Д и вычислению интеграла по площади действующей апертурной диафрагмы (прямоугольной, круглой, щелевой н т. д.). Контрастность интерференционных полос в данной точке k --^гпах —£mm ^inax + E mln ’ где Етах и Emin — соответственно наибольшая и наименьшая осве- щенность в рассматриваемой точке поля. Для вычисления Етах и Ещщ формула (1.3) приводится к виду £=2aa[s + Pcos^^r)-Qsin (^7^)]» п г /2л6Д\ .„ л ( /2л6А\ Р- J cos (—£— ) dS, Q — J sin (——I aS. (S) ('$) На ряс. 1.7 по осям координат отложены отрезки Р и Q. Конец вектора р (точка М) имеет координаты (Р н Q), <р — полярный угол вектора р с осью х. Из рис. 1.7 следует тогда P«x=pcosqi, Q -r. sin <р, р V• |- Q®, Е = 2d2 S + р cos (2я цо X Наибольшая освещенность получается, когда / 2я А. , \ , 2л До , о cos (—jj-2- + <р ) — 1 или —q> = 2nv, где v = 0, 1, 2, 3, ..., и будет равна Етах = 2d2 (S + р). Наименьшая освещенность соответствует cos (2л.Д0/л+ <р) = — 1, т. е. при 2яДв/Л, + ф — (2v+ 1) л, тогда £mn = 2d2 (S — р). Формула для контрастности интерференционных полос примет вид р _ V кв~ s s В интерференционных фазовых микроскопах особое значение имеет предел разрешения по глубине (фазовый предел разрешения), так как здесь структура объекта наблюдается при сдвиге фазы. Для отраженного света фазовый предел разрешения составляет около Х/20, для проходящего света — Х/10 (п — 1) н не зависит от числовой апер- туры, если принять во внимание, что оценка производится до одной десятой полосы. Точность измерения сдвига фазы (толщины илв изме- 13
цмия показателя преломления) можно получить посредством допол- нительного фотометрирования гораздо большей. В этом случае предел разрешения может быть из порядок выше, т. е. 1/200 н 1/100 (л — 1). Эти границы разрешения при определенных условиях могут быть достигнуты при помощи многолучевой интерференции без фотометри- ромния и даже превзойдены в некоторых конструкциях интерферен- ционных микроскопов. Так, например, точность измерения сдвигов фаз в ширине-микроскопе и микроскопе акад. А. А. Лебедева с кри- сталлическими элементами при благоприятных условиях достигает 1/300. Методы фазового н интерференционного контраста в микроскопе и схемы интерференционных микроскопов для биологических микро- скопов 1105]. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от длины волны света п — f (1), называют дисперсией. Для всех прозрачных веществ п монотонно возрастает с уменьшением 1, т. е. фиолетовые лучи преломляются сильнее красных, что соответствует нормальной дисперсии. Для оптических стекол зависимость п от 1 для видимой области спектра определяется по эмпирической формуле Гартмана п = пв + с/(1 — Ig)1*. При а =» 1 показатель преломления п определяется с точностью до двух-трех единиц пятого знака в области длин воли от 440 до 660 им. Постоянные Лд, с и 10 можно вычислить по трем известным значениям длины волны 1 и соответствующим им показателям преломления п дли данной марки стекла. Зависимость л - / (1) оптического стекла СМ. гл. 22. Принципиальная оптическая схема спектральных приборов В зависимости от способа разложения спет спектральные приборы делятся на призменные, дифракционные и интерференционные [63, 97]. 1'пс. 1.8.11рнпципиальпая оптическая схема прибора с лин- зовой оптикой Ilpiiimiiiin<uii.iiiiн схема спектрального прибора дана па рис. 1.8. Осветгслыши снеп-ми I. изображает источник снега / на входную щель .S', расположенную я передней фокальной плоскости объектива Oj входного коллпмягорл. Вхоншш щель .S' и.юбражнется с помощью объек- тивов Oi и Ой н э.'щией фокальной плоскости Р оГин-к пша Ot. Между 14
объективами Ot и Ог в параллельных пучках расположена диспергиру- i ющая призма D. В плоскости Р может быть установлена фотопластинка для регистрации спектров. Прибор, построенный по этой схеме, назы- вается спектрографом. Если вместо фотопластинки применяется щель, то прибор называется монохроматором. Вместо призмы D может быть установлена плоская дифракционная решетка с некоторым изменением осей входного и выходного коллиматоров. , Светосила спектрального прибора Светосила характеризует освещенность Ei в спектре, даваемую прибором, пли лучистый поток Ф,д, проходящий через выходную щель прибора [63]. Лучистый поток вычисляется по формуле Фэд = ВдЗЯтд; для спектральной линии Ф3д = BfSQ'fy ДА, для участка ДА напрерывного спектра, где Вд — яркость входной щели, представляющая среднюю величину яркости по длинам волн 4 данного участка непрерывного спектра илн интегральную яркость в случае отдельной спектральной ливни; 3 — площадь входной щели; Тд — коэффициент светопропускания системы; ДА — определяется гео- метрическим изображением входной щели. Если лучистый поток полностью проходит через выходную щель прибора и попадает на приемник (например, фотоэлемент), то светосила J по лучистому потоку определяется выражением ? = фэхЖ = ЗОтд или Яд = ЗПтд ДА, (1.4) В случае фотографирования спектра имеет значение освещенность, создаваемая на фотопластинке. Освещенность Е^ соответственно для спектральной линии н непрерывного спектра равна или Ед^Вд-^-йтдДА, <16) i где S' — площадь фотопластинки, на которую падает лучистый по- ток Фэд, Светосила в этом случае S S Яд = jr Йтд или Яд = -р- Йтд ДА. Из сопоставления формул (1.4) и (1.5) следует, что светосила спек- ! трального прибора определяется различно при фотоэлектрической и фотографической регистрации спектра. При визуально,^ рассмотрении спектра светосила определяется освещенностью на сетчатке глаза. Линейная дисперсия призменных спектральных приборов Линейный отрезок dl, соответствующий угловой дисперсии dy, создаваемой призменной системой между двумя лучами с соответству- > ющими длинами волн А и А + dA (рис. 1.9) в фокальной плоскости f't объектива камеры, равен АВ f2dy dl dy f’2 dl — Ts--— ИЛИ -s- = ----—, 1 V
где е — угол наклона плоскости спектра к оптической оси объектива камеры. Величина dlldk называется линейной дисперсией прибора и измеряется числом миллиметров, приходящихся па единицу интер- вала спектра (мм/А, мм/пм, мм/мкм). Па практике обычно пользуются величиной, обратной линейной дисперсии dk/dl п выражают ее А/мм, нм/мм, мкм/мм. В табл. 1.4 даны линейная дисперсия и разрешающая Рис. 1.9. Схема определения линейной дис- персии способность трех типов спектральных приборов. Линейная дисперсия для любой длины волны, проходящей призму в минимуме отклонения, равна ,, 26 sin , dl_________________2_______Гг _dn_ dk / (j~ sin в dk ’ где k — число призм; 0 — преломляющий угол призмы. Таблица 1.4. Линейная дисперсия и разрешающая способность спектральных приборов |63| Гии прибор» Личей дан дисисренм на 1 мм Разрешающая способность Призменные с малой и средней дисперсией Волынне призменные при- боры и дифракционные ре- шетки Интерференционные юо—10 А ю—1 А 0,1—0,01 А 103—10е 106—5- 10е До нескольких миллионов 16
Теоретическая разрешающая способность спектральных приборов Разрешающая способность ограничивается явлением дифракции света от действующего отверстия призмы или от отверстия коллиматор- ных; .объективов. При дифракции на одной щели (см. рис. 1.13) положе- ние минимумов при нормальном падении света определяется формулой asincp=/nX, (1.6) где ср — угол дифракции; т — порядок минимума; а — ширина щели. В основу оценки разрешения двух спектральных линий равной интенсивности положен критерий Рэлея, в соответствии с которым указанные спектральные линии считаются разрешенными, если центральный дифракционный мак- симум второй линии совпадает с первым минимумом первой линии (см. рис. 2.20). Критерий Рэлея является условным и в некоторых случаях заниженным, например, современные фотоэлектрические ус- тановки и контрастная фотопла- стинка регистрируют различие в ос- вещенностях или в световых пото- ках до 5% и менее. Рис. 1.10. Определение величи- ны основания призмы Принимая во внимание ди- фракцию в действующем отверстии СЕ = D (рис. 1.9) по формуле (1.6) при т— 1, угол ср = Х/D (при малом угле ср) дает угловое расстояние между центральным дифракционным максимумом и пер- вым минимумом. По условию Рэлея этому угловому расстоянию ср должно соответствовать угловое расстояние Ду между двумя разрешенными спектральными линиями, отличающимися на АХ подлине волны. Угловое расстояние Ду можно выразить через угловую диспер- сию dyldk призмы: Ду — с/уДХ/с/Х. По условию Рэлея ср = Ду, тогда Х/Ь = и X „ dv г = -ту = D , ал ал (1-7) т. е. разрешающая способность определяется двумя величинами: D — действующим отверстием прибора (в данном случае отверстием призмы) и угловой дисперсией призмы. Эта формула справедлива для всех спектральных приборов. Принимая во внимание тот случай, когда призма находится в ми- нимуме отклонения, формуле (1.7) можно дать иное выражение n _ X 2D sin — ДХ -1/------------------------(Г dn dX Из рис. 1.10 при 2D sin -у- 1 — n2 sin2-^- ИАУЧНО-ТЕХЙЙЧШУ! БИБЛИОТЕКА 8СЕСОЮЗН&Г<: ЗАОЧНОГО ИНСТИТУТА
имеем Л , dn Г=лГ17)? 0-8) т. е. разрешающая способность спектрографа пропорциональна основа- нию вритмы (если она полностью заполнена пучком света) и дисперсии ее мазерпала. Если прибор содержит А одинаковых призм, то г —kL dn 77 (1.9) В случае неполного заполнения призмы пучком света вместо L в формулу (1.8) следует подставить разность геометрических путей Рис. 1.11. Дифракция от круглого от- верстия объектива: а — общий вид ди- фракционной картины; б — кривая (распределения освещенности крайних лучей 1 и 2, огра- ниченных действующим от- верстием Г) объектива (рис. 1.10). Например, разре- шающая способность призмы Л'В'С равна разрешающей способности призмы АВС при одном в том же дей- ствующем отверстии объек- тива. Поэтому в формулу (1.8) следует подставить ве- личину L' — В'С'. Из этого соотношения очевидно, что нецелесообразно делан, раз- меры призмы большими, чем действующее отверстие объек- тива коллиматора. Фраунгоферова дифракция от круглого отверстия Фраунгоферова дифрак- ция от круглого отверстия дает центральное светлое пятно (диск Эри) диаметром х== 2X3,83 оптических единиц [85], окруженное рядом темных и светлых концентрических колец (рис. 1.11). Угол дифракции, соотяетствующнй радиусу первого тем- ного кольца, может быть определен из условия 1.22Х. sin cpmln ~ij—» где D — динметр круглого отверстия. Радиус верного темного кольца в задней фокальной плоскости объектива, фокусное ршгюяние которого равен <Э|>н Г sin •) пин “ - 1.22Л. ,, _ О,ЫЛ D ~ sin Од, 18
Таблица 1.5. Зависимость Е|иах от х № светлого кольца X ®тах Распределение энергии по кольцам, % Центральный диск Эри 83,78 1 5,13 1,75 7,22 2 8,42 0,416 2,77 3 11,62 0,160 1,46 4 14,80 0,078 0,91 Остальные кольца 17,95 0,044 Остальное Итого 100 Освещенность Ер в некоторой точке Р, расположенной от оптиче- ской оси на расстоянии у', вычисляется по формуле Е _ 4/? (7) р~ х* ’ — 2л где х — -j—y ол, выражается в оптических единицах; ft— функция Бесселя первого порядка. Ер в центре дифракционного пятна принята за единицу. Е„ — О при следующих значениях х: 3,83; 7,02; 10,17; 13,32; 16,47; 19,62 и соответствует максимумам при значениях £, приведенных в табл. 1.5. Увеличение прибора, имеющего спектральные призмы При испол»,:и>нинии в приборе епсктр.тлыюй призмы необходимо рассматривать увеличения в двух плоскостях: в плоскости главного сечения призмы и в плоскости, перпендикулярной главному сечению. В главном сечении призма обладает увеличением, которое равно единице только для лу- чей, идущих в минимуме от- клонения [85]. Угловое увеличение призмы в главном сечеиии равно от- ношению выходного угла к вход- ному для лучей, выходящих из одной точки предмета (рис. 1.12) г’р' гоч р спя в Рнс. 1.12. Угловое увеличение при- у =:—, змы в главном сечении det cos е) cos е£ При прохождении пучка лучей в минимуме отклонения линейное увеличение системы равно у О> fi 1 1 а ~ fi sin в ’ где а и а’ — соответственно ширина щели и ее изображение; в — угол наклона фокальной плоскости прибора. 19
Так как входная щель располагается параллельно преломляющему ребру призмы, то ее линейное увеличение в плоскости, перпендику* лярной главному сечению, равно отношению V = h'/hи --/£//{, где huh' — соответственно высота щелн н высота ее изображения. Кривизна спектральных линий Бесконечно удаленная прямая линия, параллельная ребру призмы (например, изображение щели или спектральной линии S, располо- женной в переднем фокусе объектива Ох коллиматора; см. рнс. 1.8) и рассматриваемая через призму, кажется искривленной по дуге окруж- ности с вогнутостью, обращенной в коротковолновую область спектра. Когда призма не находится в положении наименьшего отклонения лу- чей, кривизна и стрелка прогиба линий, рассматриваемых в задней фокальной плоскости объектива О», соответственно равны [97, 99] 1 п« — 1 sin 9 Р в ТГ =-------П---------;----7-г R п/., cosi’tcossj . I г, л’-l tg2y . п Лир «1 - ----sin О, 1 2 п cos с । cos е2 где у — угол, под которым на центра объектива Оа видна данная точка лииин (июли), расположенная и плоскости изображения. Если нризми находится и положении минимума отклонения, то 1 2(п2 —1) sln 2 2 (п« - 1) tg е,. R nf'~ 2 • 2 « ” W у 1 —n2sm2-y- „ и2 — 1 , <> sin -у 1— /i2sln2—у Еслп п приборе имеется несколько призм, то кривизна, вызываемая отдельными призмами, не просто складывается, а каждая кривизна р должна быть умножена па увеличение в главном сечении следующих За пен призм. Спектр, даваемый призмой, менее удобен, чем нормальный спектр дифракционной решетки, так как его фиолетовая часть растянута значительно сильнее красной (см. табл. 2.12). Дисперсия в призмати- ческом спектре меняется обратно пропорционально А3. Поэтому при исследовании распределения интенсивности в непрерывных спектрах следует всегда вносить поправку па зависимость дисперсии от длины волны; чтобы получить cneiiip приближающимся к нормальному, необходимо все ординаты интенсивностей призменного спектра разде- лить на АА 20
Реальная разрешающая способность спектрального прибора Реальная разрешающая способность прибора зависит от следу- ющих факторов: 1) ширины щели спектрального прибора и условия ее освещения (когерентное или некогерентное освещение); 2) разрешающей способности приемника излучения (фотоэлемент, фотопластинка, глаз и т. д.); 3) погрешности оптической системы. Реальная разрешающая способность спектрографа (фотографиче- ская регистрация спектра) определяется по формуле — ^2 Гр ~~ &КР р sin е dk ’ где р — предельное разрешимое пластинкой расстояние в мм. Разрешающая способность прямо пропорциональна f'2. Однако светосила прибора резко уменьшается, если увеличить /$. Эффективное действующее отверстие прибора определяется по формуле о, . ф р 2 sin е Для определения разрешающей способности пользуются нормаль- ной шириной входной щели [44, 63]: аа = ’kfjD = Kk, где f\ — фокус- ное расстояние объектива переднего коллиматора. При этой ширине щели геометрическое изображение ширины спектральной линии (а' = = af’Jf'i) равно дифракционной ширине (аДНф = Xfj/D), т. е. той наи- меньшей ширине, которую может обеспечить прибор при бесконечно топкой щели. Вследствие конечных размеров ширины щелн практический предел рлпрсшепня меньше теоретического н может быть иы- чнслсн по формуле /•пр = бгеор №/!’ + W'/(2sd4- V')]-1, где s — ширина щели; f — фокусное рас- стояние объектива коллиматора; d — дей- ствующая ширина светового пучка. Для оптимальной ширины щели SonT = = 'kf'ld следует гПр = 0,75гтеор- В инфракрасных лучах, когда работают с широкой щелью, которая по энергетиче- ским причинам превышает оптимальный размер, частота спектра определяется усло- вием R = /теорЬ fsrf/f' + М-1- Рис. 1.13. Схема про- зрачной дифракцион- ной решетки: а — ши- рина щели; b — вели- чина непрозрачного промежутка; d = а + +&—постоянная, или период решетки Дифракционные решетки По форме рабочей поверхности дифракционные решетки делятся на плоские и вогнутые, а по свойству материала — на прозрачные и отражательные. Прозрачная дифракционная решетка (рис. 1.13) представляет собой совокупность строго параллельных щелей, разделенных непрозрач- ными промежутками. 21
Современные решетки, как правило, работают на отражение. Отражательные решетки представляют собой совокупность штрихов — каиавок, расположенных на определенном расстоянии друг от друга (рис. 1.14). Отражающим свет элементом служит отражающая грань. каиавок, расположенных на определенном расстоянии друг от Йис. 1.14). Отражающим свет элементом служит отражающая аклои грани к общей плоскости РР' решетки определяет угол "а РР' решетки определяет угол «блеска» решетки; при дифракции света п направлении этого угла ре- шетка дает максимальную интен- сивность света. Р Рис. 1.14. Теоретический профиль штриха ступенча- той решетки: — нормаль к поверхности решет- ки; N2 — нормаль к грани решетки; е — угол па- дения лучей; <р —угол дифракции Угловая и линейная дисперсии решетки Положение главных максимумов решетки определяется из основ- ного уравнения [63, 97] d(sin е-ф sin ф) = АХ, (1.10) где k — положительные или отрицательные целые числа, так как угол ф может быть расположен по обе стороны от регулярно отраженного луча ф — к. Каждому значению k 1, 2, 3 и т. д. соответствуют спек- тры I, 2, .... /г-го порядка. Практически решетки применяются при углах в н ф до 65°, что позволяет пиблюдап. предельную длину полны доХ|1р= 1,8d; поэтому решетка с 3600 штр/мм пригодна только до 500 нм. Изменение угла <р, соответствующее изменению длины волны на единицу, носит название делолоЛ tltuni’pcuu решетки. Дифференцируя (1.10) по длине волны X при постоянном угле падения и для всех длин воли, получим формулу для вычисления угловой дисперсии d<f _ k d)<. d cos ф Дисперсия минимальна при <|> ~~ 0°. При малых значениях ф косинус П1мсниет< я медленно, поэтому угловая дисперсия практически остается постоянной. Такне спектры с постоянной дисперсией, распо- ложенные вблизи нормали к решетке, na.n,niaioT нормальными. 22
Разрешающая способность прибора с дифракционной решеткой С вопросом о разрешающей способности спектрографа связано по- нятие о ширине спектральной линии. Для бесконечно узкой или «нор- мальной» щели прибора принято считать, что ширина спектральной линии определяется угловым размером Д<р центрального дифракцион- ного максимума по формуле А <р = к/Nd соз ф = А/1 cos ф. (1.11) Его линейная ширина з = Дф/j/sin в; Nd — I — ширина заштрихован- ной части решетки; /2 т фокусное расстояние объектива камеры. Пример. А = 6000 А, /=100 мм, ф= 0°, тогда Дф = 6-10“* или 1,2*. Формула (1.11) определяет угловой размер дифракционного максимума при дифракции в действующем отверстии решетки, равном Z cos ф для угла дифракции ф. Предел разрешения дифракционной ре- шетки пропорционален порядку спектра k И числу штрихов N: r = _£_^bN, . (1.12) 4А Л где ДА — разность волн двух спектральных линий, дифракционные максимумы которых видны раздельно; [1 — средняя длина волны разрешаемых линий. Предел разрешения можно вычислить по формуле • Nd . . . , , I . . . , т = ~.(sin 8 + sin ф) =у (sin 8 + s,n ф)- (1.13) Для автоколлимационной установки при е = ф имеем г — — 2/ sin ф/А. В предельном случае ф = 90°, поэтому г — Й//А. С точки зрения понышеиня дисперсии прибора выгодно работать в высшем порядке спектра. Так как интенсивность спектральных линий быстро падает с увеличением порядка спектра, то обычно не пользуются порядком выше четвертого. В настоящее время широко используются копии с дифракционных решеток (реплики), получаемые методом копирования на основе при- менения полимеризирующихся пластмасс (см. гл. 4). ИЗЛУЧЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА Монохроматическое и сложное излучение Процесс испускания электромагнитных волн материальным телом называется излучением. Излучения различаются по мощности (количе- ственная характеристика) и по спектральному составу (качественная характеристика). Монохроматическое излучение — излучение вполне определенной длины волны А; характеризуется мощностью илн потоком излучения. Различают два вида сложного излучения: 1) излучение, состоящее из конечного числа монохроматических излучений (прерывный линейчатый спектр}. Полная характеристика такого излучения определяется мощностью входящих в его состав монохроматических излучений; 23
^2 Рис. 1.15. тральной Рх излучения от длины вол- ны X 2) излучение, состоящее из непрерывного ряда монохроматических излучений; оно характеризуется общей мощностью и ее непрерывным распределением по длинам волн внутри всего спектрального диапазона. Если в спектральном промежутке от X до X + ДХ, энергетический поток излучения равен то отношение | |rf 0 = = = f (X) характеризует монохроматический поток излучения с длиной волны Л и называется спектральной плотностью потока излучения. Спектральной кривой лучистого потока пли кривой распределения анергии но спектру называется такая кривая, у которой абсциссами являются длины волн, а ординаты рх таковы, что pdk выражает мощ- ность, передаваемую лучистым потоком в виде излучений, длины ноли которых заключены между X и X-I-AZ. (рис. 1.J5). Величина рк выражается в единицах мощности на единицу длины волны, например Вт/мкм. Поток излучения в пределах длин волн от 1| до равен Kg Хя ФэМх-М = J ЙФэХ = j №. Xi Xi Величина Ф 8 > определя- ется заштрихованной площадью (рис. 1.15). Поток лучистой энергии можно рассмнтрииять: 1) с энергетической точки зрения и характеризовать мощность Фа в ваттах; 2) с точки зрения производимых им световых ощущений и характеризовать свето- вым потоком Ф в люменах. В каждом случае поток энергии характеризуется плотностью излу- чения, яркостью, спектральным составом (плотностью распределения энергии по длинам воли) и т. д. Для описания распределения лучистого потока в пространстве служит система лучистых величин. Между лучистыми величинами существуют те же соотношевия, что н между световыми величинами. Однако, чтобы отличить световые величины от лучистых для последних приняты особые краткие термины (табл. 1.6) |83J. На практике характеристика источников излучения какого-нибудь тела определяется путем сравнения с характеристикой излучения абсолютно черного тела (ЛЧТ). •А О Зависимость спек- плотпости потока Т а б л и ц и 1.6. Сопоставление некоторых лучистых величии Н'рмины, содержащие названия ни л,логичных световых величин Специальные термины Эпер|i-iнческая освещенность » светимости » евлн света » яркость Облученность Излучательность Сила излучения Лучистость 24
Законы теплового излучения АЧТ Согласно закону Кирхгофа для одной и той же точки тела отноше- ние излучательной способности, оцениваемой спектральной интенсив- ностью плотности излучения к его поглощательной способности, оцениваемой спектральной поглощательной способностью (коэффи- циентом поглощения) ах, для одной длины волны и температуры есть величина постоянная r^/a^ = гм/ах2 = • • • = = f (КГ). Тело, которое поглощает все падающее на него излучение (a?j- — — 1), называется абсолютно черным телом. При данной температуре АЧТ обладает наибольшей излучательной способностью по сравнению с другими телами. Излучаемая телом энер- гия пропорциональна коэффициенту поглощения. Величина этого коэффициента зависит от физических свойств тела, состояния его по- верхности, температуры, а также от спектра излучения, падающего на тело. АЧТ является идеальным ламбертовым (косинусным) излуча- телем [1, 32, 83, 104, 115]. В природе существует ряд веществ, которые по поглощательной способности весьма близки к черному телу (сажа, платиновая чернь и др.). АЧТ служит эталонным прибором, по которому калибруются источники и приемники излучения. Спектральная плотность энергетической светимости (излучатель- ность) вычисляется (Вт-м" 2-мкм-*) по формуле Планка [102, 104, 115] = 3,71 • 108Z.-5 (еИ380/Х7 — l)-i, (1,14) где X выражается в мкм; Т — в К, е = 2,718 основание натурального логарифма. На основании закона Вина максимальное излучение имеет место на длине волны (мкм) при дайной абсолютной температуре Т и его плотность (Вт м 2-мкм"1) определяется соотношением . / Т \5 '"“13о1о(тоот) • <116> Для интервала спектра от Xj до Х2: ^<xl-x,) = j^- (1-17) М Интегральная энергетическая светимость по закону Стефана— Больцмана 00 < и.п = J 4^ - оТ4, (1.18) о где а= 5,67-Ю'8 Вт-м'2-К~4. Энергетическая яркость (лучистость) излучения определяется формулами: dB3f — 25
для интервала спектра от 1( до К, Л* ________.... _L [ r’rfi. '»ГХ, X,) = д - • л J гКал” X, интегральи,!;i snepiein'i!4 ьая ярм>си. s* =^=J_L:(/X==^L = ^/JLy ’• ",|Т л пр я я \ 100 / ’ о где — спектральная плотность энергетической яркости. Лучистый поток, излучаемый во входной зрачок [оптической си- стемы, можно вычислить по формулам: ЛФ’К = nSA2dB’x = SA^dA; Фэ (X,-?.,) — я^А2Вэ(Х1_Хг) — — SA2 J rKdK) (1.19) Ki 00 ®Z. инт = SAX ИНТ = SA2 j <dA = oT4SA2, (1.20) 0 где S — площадь поверхности АЧТ; A — входная числовая апертура системы. Для вычисления величины г£ можно воспользоваться единой изо- термической кривой [102, 104], построенной по формуле у = 142,32х'5 (е4’965 /х — 1)~1 = 142,32т-5 (ю2-16532/* — 1)'1, полученной из формулы Планка (1.14), в которой А и /•{ заменены пере- менными х — и у = Кривая имеет максимум при хт = 1 и Ут = 1. В табл. 1.7 даны значения у для достаточно близких друг к другу значений х (в случае необходимости следует производить интер- полирование). Пример. Требуется определить г£ абсолютно черного тела для А = 2 мкм при Т = 1000 К. По формулам (1.15), (1.16) последовательно вычисляем Ат = 3; = 13 010 и х = А/Ат = 0,667. Из табл. 1.7 интерполированием определяем при х — 0,667, у = 0,6308, следова- тельно, ~ уг^т = 0,6308-13 010 = 8200 Вт-м^-мкм'1. х» Входящий в формулу (1.19) интеграл J d'l. составляет часть Xt СО полной мощности г* dl и определяется следующим образом: 6 X. I -м /(') (1.21) Л| I I» 26
Таблица f .7. Значения функции у =/ (х) X У X У X У 0,10 4,7Х 10*1Ь 0,66 61,45 1,14 96,12 0,15 7,91X10** 0,67 63,78 1,15 95,63 0,20 7.37Х 10** 0,68 66,06 1,16 95,11 0,21 0,188X10** 0,69 68,25 1,17 94,56 0,22 0,437Х 10** 0,70 70,42 1,18 93,99 0,23 0,931X10** 0,71 72,48 1,19 93,26 0,24 1,85X10** 0,72 74,48 1,20 92,77 0,25 3,45Х 10** 0,73 76,42 1.21 92,14 0,26 6,10X10** 0,74 78,28 1,22 91,50 0,27 0,102X10*»* 0,75 80,05 1,23 90,85 0,28 0,162 0,76 81,74 1,24 90,19 0,29 0,254 0,77 83,36 1,25 89,51 0,30 0,380 0,78 84,91 1,26 88,82 0,31 0,550 0,79 86,36 1,27 88,12 0,32 0,774 0,80 87,74 1,28 87,41 0,33 1,062 0,81 89,04 1,29 86,70 0,34 1,425 0,82 90,26 1,30 85,98 0,35 1,870 0,83 91,40 1,31 85,26 0,36 2,42 0,84 92,46 1,32 84,53 0,37 3,051 0,85 93,45 1,33 83,79 0,38 3,801 0,86 94,35 1,34 83,05 0,39 4,667 0,87 95,19 1,35 82,30 0,40 5,618 0,88 95,95 1,36 81,55 0,41 6,76 0.89 96,63 1,37 80,80 0,42 8,00 0,90 97,24 1,38 80,04 0,43 9,36 0,91 97,78 1,39 79,09 0,44 10,81 0,92 98,26 1,40 78,53 0,45 12,45 0,93 98,68 1,41 77,77 0,46 14,18 0,94 99,04 1,42 77,01 0,47 16,02 0,95 99,34 1,43 76,26 0,48 17,97 0,96 99,59 1,44 75,51 0,49 20,03 0,97 99,78 1,45 74,76 0,50 22,10 0,98 99,90 1,46 74,01 0,51 24,39 0,99 99,97 1.47 73,27 0,52 26,70 1,00 100,00 1,48 72,52 0,53 29,06 1,01 99,98 1,49 71,78 0,54 31,48 1,02 99,91 1,50 71,04 0,55 33,95 1,03 99,79 1,51 70,31 0,56 36,45 1,04 99,63 1,52 69,56 0,57 38,98 1,05 99,44 1,53 68,83 0,58 41,52 1,06 99,20 1,54 68,10 0,59 44,08 1,07 98,92 1,55 67,38 0,60 46,63 1,08 98,60 1,56 66,66 0,61 49,17 1,09 98,26 1,57 65.94 0,62 51,70 1,10 97,88 1,58 6^,2 0,63 54,20 1,11 97,47 1,59 64,51 0,64 56,67 1,12 97,04 1,60 63,80 0,65 59,08 1,13 96,59 1,61 63,10 27
Продолжение табл. 1.7 X и X и X V 1,62 62,41 1,92 41,43 3,00 13,83 1.63 61,73 1,94 43,42 3,10 12,57 1,64 61,05 1,96 42,43 3,20 11,41 1,65 60,38 1,98 41,47 3,30 10,38 1,66 59,72 2,00 40,54 3,40 9,47 1,67 59,06 2,05 38,27 3,50 8,66 1,68 58,40 2,10 36,14 3,60 7,92 1,69 57,75 2,15 34,14 3,70 7,26 1,70 57,11 2,20 32,28 3,80 6,67 1,71 56,47 2,25 30,53 3,90 6,14 1,72 55,84 2,30 28,87 4,00 5,65 1,73 55,21 2,35 27,31 4,50 3,83 1,74 54,59 2,40 25,85 5,00 2,68 1,75 53,98 2,45 24,47 6,00 1,421 1,76 53,37 2,50 23,18 7,00 0,820 1,77 52,76 2,55 21,96 8,00 0,505 1,78 52,16 2,60 20,83 9,00 0,327 1,79 51,57 2,65 19,76 10,00 0,223 1,80 50,99 2,70 18,75 15,00 4,78X10-4 1,82 49,84 2,75 17,79 20,00 1,58X10’4 1,84 48,70 2,80 16,88 30,00 32,5Х 10-® 1,86 47,60 2,85 16,05 40,00 10,5Х 10-в 1,88 1,90 46,52 45,46 2,90 2,95 15,28 14,53 50,00 4.36Х 10-« * Последующие значения (до значения 4,78Х10~*). у умножают на коэффициент 10—* Таблица 1.8. Значения функции z =~ ф (х) X // X и X // 0,26 6,4Х 10 ° 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 1,33 1.71 2,16 2,67 3,25 3,90 4,61 5,39 6,22 7.12 8,07 9,08 10,14 11,23 0,80 12,37 0,28 20,ЗХ К)'" 0,82 13,55 0,30 54,7X 10° 0,84 14,75 0,32 1,28Х IO'4 0,86 15,98 0,34 2.69Х 10~4 0,88 17,23 0,36 5.17Х IO'4 0,90 18,50 0,38 9,21 X 10’4 0,92 19,78 0,40 15,4 X 10’4 0,94 21,08 0,42 24. ЗХ 10-4 0,96 22,39 0,44 36,6Х 1(Г4 0,98 23,69 0,46 53,0 X 10‘4 1,00 25,00 0,48 71,4Х 10 4 1,02 26,32 0,50 I.005X 10 “* 1,04 27,63
Продолжение табл. 1.8 X У X У X 2 1,06 28,94 1,58 57,61 2,5 82,14 1,08 30,26 1,60 58,46 2,6 83,58 1,10 31,65 1,62 59,29 2,7 84,88 1,12 32,83 1,64 60,10 2,8 86,05 1,14 34,09 1,66 60,90 2,9 87,11 1,16 35,34 1,68 61,68 3,0 88,07 1,18 36,58 1,70 62,43 3,1 88,93 1,20 37,81 1,72 63,07 3,2 89,72 1,22 39,02 1,74 63,90 3,3 90,44 1,24 40,22 1,76 64,61 3,4 91,10 1,26 41,40 1,78 65,30 3,5 91,70 1,28 42,56 1,80 65,98 3,6 92,24 1,30 43,71 1,82 66,65 , 3,7 92,74 1,32 44,83 1,84 67,29 3,8 93,20 1,34 45,93 1,86 67,92 3,9 93,62 1,36 47,01 1,88 68,54 4,0 94,01 1,38 48,07 1,90 69,15 5,0 96,61 1,40 49,11 1,92 69,75 6,0 97,89 1,42 60,13 1,94 70,33 7,0 98,61 1,44 61,14 1,96 70,80 8,0 99,03 1,46 52,12 1,98 71,30 9,0 99,30 1,48 63,08 2,00 71,96 10,0 99,48 1,60 54,03 2,1 74,48 15,0 99,84 1,52 54,95 2,2 76,72 20,0 99,927 1,64 1,56 66,86 66,75 2,3 2.4 78,73 80,53 30.0 99,978 * Последующие значения умножают на коэффициент 10~2. После замены Х= хКт и = уг*т уравнение (1.21) приводится к виду Хг оо /Ла Xt \ I 00 f(x)—.^ydx j ydx = M ydx — j ydx 1 H ydx. (1.22) A', (I \o 0 /10 Для вычисления части полного интеграла приводится табл. 1.8 X сол [102], в которой даиы значения функций г = ф (х) = | у dx!J у dx. о о Искомая функция f (х) равна разности двух табличных значений функ- ции г, соответствующих заданному интервалу длин волн. Принимая 29
во внимание (1.17), (1.18) и (1.21), интеграл, входящий в (1.19), будет равен А, О Излучение тел, не являющихся абсолютно черными Псе тела, отличающиеся „о характеру излучения от АЧТ, условно делятся на селективные и серые. Тела, для которых v^r — спсктрял..п.'1Я излучи тельная способ- ность или спектральный коэффициент излучения — меняется с измене- нием температуры п длины полны (т. е. излучение имеет селективный Характер) на iijhhio тс я селект/нными телами.Они не подчиняются за- конам Н1лучсппя АЧ Т, за исключением закона Кирхгофа. Примером таких тел является вольфрамовая пить лампы накаливания. Для таких тел можно iaiilic.nl>: Гк ~ fkTrk- ЛИ*' hK\ Л А/ Хе ^э(Л.,-Л.а> = J dBsk = bKdk - ).t к, в<....ir'-’p"-’. (J /А, 14/-- dk\ * Л Xa A-j : V j = j Xi Aj« no oo -•Jm* -Lp^-. II 0 И 1луч.тТСЛЫ1.ТЯ способное।ь серого телл I'm /('/') Pj- не за- висит от длины волны. Величии,। е/ сильно зависит от характера об- работки нонерхносги материала излучателя (1, 102]. Строго говоря, в природе серых тел не существует, однако в пределах сравнительно узких дн.тп.т юнон многие тела практически могут рассматриваться как серые и i> ним можно применить следующие зависимости: иТГк’ 30
В x = StM ft J Л Xi в = / a = ^-от4 = — 5,67 (; э.ии1 л J x я я \ 100 / 0 R, И1П “ е7^».И1П c •’/<lr^ •'т'0,67 |QQ . Кривая распределения энергии серого тела отличается от кривой АЧТ при той же температуре только постоянным множителем. Пример. Определить величину лучистого потока в интервале длин волн от К = 2 до 6 мкм, испускаемого серым телом с поверхности S = = 2 см2 и поступающего в оптическую систему с числовой апертурой А = 0,1, если температура тела Т — 1500 К, а излучательная способ- ность вг = 0,97. Воспользуемся формулой (1.19); найдем сначала ^э(Х,-хг)> затем по формуле (1.15) определяем Кт = 2 мкм; вычис- ляем Xi = = 1; х2=А,2А/п = 3. Из табл. 1.8 находим гг = = Ф (*i) = Ф (1) = 0,25; г2 = ф (х2) = Ф (3) = 0,88. Согласно фор- муле (1.18) определяем R* = 5,67 (15)4 = 28,7-104. Следовательно, х2 ^э(Х1-х!) = J = (г2 —г1) Я* = 18,08-104 Вт-м”2. Принимая Л1 во внимание (1.19), получим Ф8(Х,-Х,) “ а?ф»(Х,-Х,) H/SA' (г, — К, «= 0,97 2 0,118,08 - 0,351 Вт. Соотношения между энергетическими и светотехническими величинами Отношение светового потока к лучистому потоку этого излучения V = Ф/Фэ (лм/Вт) называется световой отдачей сложного излучения. Отношение = Ф^/ФэХ называется коэффициентом водности или коэффициентом отдачи монохроматического излучения. Коэффициент видности Vx есть функция длины волны А рассма- триваемого монохроматического излучения. На границах видимого спектра ординаты кривой приближаются к нулю. Ее максимум Кщах приходится на длину волны 555 нм, т. е. на такое излучение, для которого чувствительность глаза при равных энергетических потоках максимальна. Величина Vmax служит соотношением между энергетическим и све- товым потоками и называется световым эквивалентом лучистого потока. Практически установлено, что Итах= 683 лм/Вт, т. е. при-длине волны А = 555 им монохроматический лучистый поток в 1 Вт эквива- лентен монохроматическому световому потоку (желто-зеленого цвета) 683 лм. Отношение коэффициента видности при длине волны А к ма- ксимальному значению этого коэффициента Vfflax называетси коэффи- 31
циентом относительной видности Кк для данной длины волны, т. е. 1'я V тих (1-23) Па рис. 1.16 даны кривые относительной видности. отложены длины волн, по оси ординат — Рис. 1.16. График относительной ви- димости при дневном (А) и сумереч- ном (В) зрениях По оси абсцисс коэффициент относительной водности К)_. Эти кривые при- нято называть кривыми относи- тельной спектральной чувстви- тельности глаза. Кривая А име- ет максимум, равный единице для Л = 555 нм. За пределами видимой области все ординаты кривых равны нулю. Данные относительной видности приве- дены в табл. 1.9. Для каждого монохромати- ческого излучения световой по- ток пропорционален лучистому потоку, для различных моно, хроматических излучений зна- чение коэффициента пропор циональности различно в со- ответствии с коэффициентом относительной видности. Поэтому для получения, например, от мо- нохроматического излучения с длиной волны X = 620 нм (красный Таблиц» 1.9. Относительная пидпость монохроматических излучений Длина волны, им Относи- тельная вид- кость Л' Длина волны, нм Относи- тельная вид- иость к Длина волны, им Относи- тельная вид- ность К Длина волны, нм Относи- тельная вид- кость К Дневное зрение 380 0,0000 480 0,139 580 0,870 680 0,017 390 0,0001 490 0,208 590 0,757 690 0,0082 400 0,0004 500 0,323 600 0,631 700 0,0041 410 0,0012 510 0.503 610 0,503 710 0,0021 420 0,0040 520 0,710 620 0,381 720 0,00105 430 0,0116 530 0,862 630 0,265 730 0,00052 4-10 0,023 540 0,954 640 0,175 740 0,00025 450 0,038 550 0,995 650 0,107 750 0,00012 4(10 0,060 560 0,955 660 0,061 760 0,00006 470 0,091 570 0,952 670. 0,032 770 0,00003 Сумеречное (палочковое) зрение 412 0,063 496 0,929 529 0,911 582 0,178 455 0,399 507 0,993 540 0,788 613 6,020 486 0,834 518 0,973 550 0,556 —• — 32
цвет) и Л'* = 0,381 (табл. 1.9 и рис. 1.16, кривая А) такого же све« тового потока, как от излучения с длиной волны 1 = 555 нм (желто- зелспып цвет) и Ктах — 1. необходимо, чтобы лучистый поток первого излучения был в 2,6 раза больше лучистого потока второго излуче- ния: /(,„„/^=1/0,381=2,6. Величина, обратная коэффициенту видности, называется удельным потреблением излучения. Минимальное удельное потребление излуче- ния называется механическим эквивалентом света. Он определяется по формуле А1 = 1/И,„,„ • I Bi/6,4.4 лм = 0,00146 Вт/лм. (1.24) Этот эквивалент представляет собой минимальную мощность (Вт), необходимую для создания светового потока в 1 лм при длине волны к = 555 им. Пример. Определить световой поток натриевой лампы мощностью 150 Вт, если она испускает в видимой области спектра лучистый по- ток 20 Вт, длиной волны 1 = 590 нм. Решение. Из табл. 1.9 находим Л) = 0,757, следовательно, световой поток будет равен Ф — 683-К-20 лм = 9402 лм. Из формул (1.23) и (J.24) следует, что Их = К\!М. Согласно формуле (1.23) монохроматическому лучистому потоку йФэХ длиной волны 1 будет соответствовать световой поток (лм) ЙФЛ = а!ФэХ = VmaxK^ </ФэХ- Распределение светового потока в сплошном спектре определяется спектральной интенсивностью светового потока /х= /х = d®3x/dl = Vx d®9x/dl = ^хРэх! здесь Дэл, — спектральная интенсивность лучистого потока. Световой поток сложного излучения со сплошным спектром (лм) можно определить интегрированием А. 7/0 Л-770 Ф = J ~ ^max J Л—380 Л=380 где рэ\ dX — лучистый поток излучения, заключенный между длинами воли Л и Х+ Д%. Тогда световую отдачу излучения можно определить как отношение светового потока к лучистому потоку источника излу- чения ОО | СО V = Ф/Фэ = 683 J ФэхКх dl IJ Фэх dl. О I о Расчет световых свойств потока на основе кривой распределения энергии по спектру Требуется определить характеристику потока, если кривая распре- деления энергии по спектру потока известна [104]. Длина волны 1 соответствует ординате этой кривой р — f (1) (см. рис. 1.15). Значе- ния р могут быть выражены в произвольных единицах. Излучения, длины волн которых заключены между 1 и 1 + d%, переносят лучистый В. Л. Панов и др. 33
лоток, пропорциональный pd'k. Соответствующий световой поток равен d® = aV^pd). или d® = aKipdlJM (и — постоянная, завися- щая от масштаба ординат р). Световой ноток, соответствующий всей рассматриваемой совокупноеш излучений, ранен <li oj Л\р di/M; о лучистый поток дли того же излучения Фэ = a j о К. II. Д. 1] = = Л!Ф/ФЭ = J Kip d)J [ р dk; световая отдача V — Ф/Фэ = r)/Af; О О удельное потребление С = Фэ/Ф = М/г|. Практически надо построить на миллиметровой бумаге спектраль- ные кривые лучистого и светового потоков. Абсциссами обеих кривых будут служить длины волн, ординатами первой кривой — значения р, ординатами второй — значение z == Кр. Отношение двух площадей дает величину t], затем по приведенным выше формулам легко опре- деляются световая отдача и удельное потребление. Пример. Даны кривая А — спектральная кривая лучистого по- тока для излучения, испускаемого кратером обычной вольтовой дуги Рис. 1.17. Спектральные кривые лучистого В светового потоков излучения кратера обычной вольтовой дуги (подобная спектральной кривой черного тела при 3750 К), и кривая В— спектральная кривая све- тового потока для того же излучения (рис. 1.17). Отношение двух площа- дей непосредственно дает т| = 0,068. Следовательно, световая отдача излу- чения V = 0,068 X 683 = ==46,4 лм/Вт; удельное потребление С = 1/V — =• 0,022 Вт/лм. Фотометрические ха- рактеристики какого-ли- бо излучателя определя- ются спектрофотометри- ческим сравнением их с излучением абсолютно черного тела, ха- рактеризуемого лвкоппмп Плапкз, Стефана—Больцмана, Вина и др. Светотехнические величины Светотехнические величины применяются для оценки визуального действия лучистого потока. За основную светотехническую единицу принята единица силы света — кандела (кд). Сили ciic'in. Понятие сила света относится лишь к точечным источ- никам. Часто встречаются случаи, когда размеры источника света очень Малы по сравнению с рпсстоянисм от источника до освещаемой поверх- ности, поэтому такой источник называют точечным, хотя размеры его конечны. Если, например, используя, понятие силы спета, вычислить 34
освещенность поверхности в случае, когда расстояние до источника в 10 раз больше его размеров, то получающаяся ошибка составляет около 0,5%. Сила света точечного источника в некотором направлении есть приходящийся на единицу телесного угла световой поток, излучаемый этим источником в данном направлении: / = d&ld£l или 1 = Ф/Й. Единица силы света кандела соответствует силе света точечного источника, который испускает световой поток в 1 лм, распределенный равномерно внутри телесного угла в 1 ср. Применительно к излучателю, представляющему собой абсолютно черное тело, за единицу силы гнетя принята кандела (кд), равная силе света, испускаемой с площади 1/G00 ООО м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном это- му сечению направлении при температуре излуча- теля, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 Па. Средняя сферическая сила света /0 представ- ляет собой отношение всего излучаемого источ- ником светового потока к максимальному телес- ному углу Й, /0 = = Фд/йд Фд/4 Л = ^Ф0/12,56. Световой поток. Это понятие определяется как мощность лучистой энер- Рис. 1.18. Освещенность площадки то- чечным источником света, расположен- ным на бесконечности гни, оцениваемая по производимому ею свстоиому ощущению. Единицей для измерения светового потоки ивлиеген люмен (лм). Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телес- ном угле 1 ср при силе света 1 кд. Мощность светового потока излучения пропорциональна силе света I источника и телесному углу й, который это излучение заполняет: </Ф = ZdQ, или Ф — /Ф. Световой поток можно определить как поток излучения, оцененный светоадаптпрованным глазом согласно выра- жению Ф = 683 J Ккрк dk. о Освещенность. Это понятие характеризуется плотностью свето- вого потока, падающего иа поверхность. Она определяется отношением светового потока к освещаемой площади: Е = d®/dS, или Е = Ф/S. За единицу освещенности принят люкс, т. е. освещенность поверхности площадью 1 м2 при падающем иа пес световом потоке 1 лм. Освещен- ность можно выразить следующим соотношением: Е = 1 лм/1 м2= 1 лк. Рассмотрим три случая освещенности от точечного источника света. 1. Телесный угол й = 0. Когда точечный источник света распо- ложен иа большом расстоянии от освещаемой площадки или последняя очень мала, можно считать, что падающие лучи будут параллельны между собой (рис. 1.18). Если световой поток освещает площадку So, перпендикулярную к падающим лучам, и площадку Se, наклонную под углом в к этим лучам, то Es = £0 cos е, т. е. освещенность 2* . 35
поверхности наклонным пучком лучей прямо пропорциональна коси- нусу угла падения лучей на поверхность. 2. Точечный источник света /. излучает расходящийся световой поток Ф внутри телесною угла Q (рис. 1.19). Этот енотовой поток соз- дает освпцсппос’п. нн плотлдкях S'i в 5\., перпендикулярных к осн пучка лучей, /'.'j ’ (9/.S'(, /:„ • по .S’.,'/.S’, 47z';', тогда EJE2 — r'^/r2, т. e. ochciiiciiihk'iь ii.iMCHHeicH обратно пропорционально квадрату рас- стояния от освещаемой поверхности до источника света. 3. Общий случай. Предположим, что в вершине телесного угла расположен источник света L, сила света которого / (рис. 1.19). Свето- вой поток Ф, излучаемый источником внутри телесного угла й, создает на наклонной площадке Se освещенность £е= Ео cos е, где Ео =Ф/5П — освещенность, полученная тем же световым потоком на площадке So, перпендикулярной к оси свето- вой трубки, т. е. Ф = 1Q и Q = S0/r2, тогда Ф Ее = -тг cos е = /Й 1 .. = -я— cose = —z-cos8. (1.25) о3 г Из формулы (1.25) следует, что освещенность поверхности, создаваемая точечным источ- ником света, прямо пропор- циональна силе света источ- Рис. 1.19. Освещенность площадок расходящимся пучком лучей ника, косинусу угла падения лучей па поверхность и обратно про- порциональна квадрату расстояния от источника света до освеща- емой поверхности. Пример. Определить освещенность, создаваемую электролампой силой света 1 — 400 кд, на горизонтальной поверхности стола в центре и иа расстояниях 1,0 и 2,0 м от центра, если лампа подвешена над центром стола на высоте Л = 2 м от его поверхности. Решение. Воспользуемся формулой (1.25). Для освещенности в центре стола е = 0, cos в = 1, г = Л, Е = 400/22 = 100 лк. Для освещенности в радиусе R = 1 м от центра стола r'f = R2 + 4- h2 «= 5, rt = И5, cos et = h/r = 2/^5^ Et = / cos et//? = 400 X X 2/5 Кб = 71 лк. Для освещенности в радиусе /?= 2 м от центра стола г? = R2 + + h2 ~~ 8, г2 — 2 И2, cos Bj = Л/г2 — ^2/2, Et = / cos e2/r^ = 400 X X/2/16 =35 лк. Светимость. Светимость какой-либо светящейся поверхности есть световой ноток, испускаемый единицей поверхности, или плотность излучаемого потока Фр S Я = 1.26) где R— спешмость поверхности; Фр — световой поток, испускаемый поверхностью (лм); .S’ — площадь поверхности (м2). Пример. (>н|>едч.т11 и свешмость листа белой бумаги площадью S == 240 см'2, отражающей 90% падающего на него светового потока Фо = 80 лм. 36
Примечание. Q — телесный угол; t — время; е — угол между нормалью к плоскости и лучом; Sj — излу- чающая поверхность; Ss — облучаемая поверхность. 37
Решение. Величина светового потока, отраженного листом бумаги, равна Фо«=0,9 Фй = 72 лм; тогда согласно формуле (1.26), 7? = Фр/$ ^ЗОО лм/№. Яркость. Яркостью светящейся поверхности называется отно- шение силы света, излучаемой п данном направлении, к проекции светящейся понерхности на плоскость, перпендикулярную к направ- лению излучения. На рис. 1.20 S — светящаяся поверхность, е—угол между на- правлением ОМ излучения и нормалью ON к светящейся поверхно- сти, S'o — проекция светящейся поверхности на плоскость, перпен- дикулярную к направлению излучения. Пусть /е — сила света и направлении излучения М, В — яркость светящейся поверхности, тогда Рис. 1.20. К вычислению яркое in светящейся по- верхности Дли направления, перпендикуляр- ного к светящейся площадке S (угол е = О, cos е = 1), из формулы (1.27) имеем В = Io/S. (1.27а) За единицу яркости принята 1 кд/м2. Яркостью n 1 кд/м2 обладает равномерно светящаяся плоская поверхность, излу- чающая в перпендикулярном к ней направлении свет силой в 1 кд с I м4; В = l0/S = 1 кд/1 м2. До 1965 г. была принята другая единица яркости — стнльб (сб). Стильб — яркость равномерно светящейся плоской поверхности, излучающей в перпендикулярном направлении силу света 1 кд с 1 см? поверхности. Пример. Определить яркость вольфрамовой нити лампы накали- вания в осевом направлении, если сила света лампы в том же направ- лении /(, — 300 кд, а площадь светящейся поверхности нити равна 0,20 см2. Применяя формулу (1.27а), получим В ™ la/S =» 300/0,00002 = = 1,5-107 кд/м2. В табл. 1.10 приведены основные энергетические и световые ве- личины. Излучение равнояркостных поверхностей Светящиеся поверхности излучают или отражают свет с различной яркостью в разных направлениях. Однако часто пользуются поверх- ностями, которые диффузно излучают нлн отражают свет по закону Ламберта с яркостью практически одинаковой во всех направлениях (см. рис. 1.22, в) илн в пределах некоторых телесных углов (белая матовая бумага, молочные стекла ламп накаливания, абсолютно чер- ное тело и т. д.). Поскольку яркость во всех направлениях одинакова, то из (1.27) и (1.27а) следует, что /г = /0 cos е; по этой формуле по- строена фотометрическая кривая (окружность, касательная к поверх- ности), характеризующая няснпечелепие силы света oi ранпояркосгного источника (см. рис. 1.22, л) Световой поток, излучаемый в полу- сферу плоской jiouepxnocibio конечных размерен, равен Ф= /ил. 38
Таблица 1.11. Соотношения световых величин для равнояркостных излучающих нли отражающих поверхностей * Характеристики световых величин Формулы Сила света в направлении, составляю- щем угол е с нормалью к испускающей энергию площадке (/0 — сила света вдоль нормали к поверхности) Яркость излучающей поверхности Световой поток отражающей поверх- ности (Ф и Ф' — падающий и отражен- ный потоки, р — коэффициент отраже- ния) Светимость отражающей поверхности Световой поток, излучаемый элемен- том dS поверхности внутри конуса, огра- ниченного углами е и е + de Световой поток в интервале от 0 до е Световой поток внутри полусферы * Матовые поверхности, имеющие по в ковую яркость, называются поверхностями поверхностям, имеющим направленное страз менимы. /е = 1ц cos е Л ф' = рф /? = J|_ = p~ = pE d® ~ 2лВ sin е cos в X X dedS Ф = лВЗ sin2 е Ф = лВЗ сем направлениям едина- Ламберта. К глянцевым кеиие, формулы не при- Соотношении между светимостью н яркостью. Так как /qh/S =» == R — светимость поверхности, a Ig/S — В — яркость этой поверх- ности, то R — яВ. Если яркость выразить в кд/м®, то светимость по- лучится в лм/м2 (лк). Соотношения между освещенностью и яркостью. Так как R = == рЕ и R = лВ, то £ = лВ/р или В = рЕ/л, где освещенность выра- жена в лк, а яркость — в кд/м2, р — коэффициент отражения. В табл. 1.11 даны соотношения световых величин для равнояркост- ных излучающих илн отражающих поверхностей. Реакция приемников лучистой энергии на падающий поток излучения Приемники лучистой энергии делятся на неселективные и селек- тивные [12, 102, 115]. Реакция неселективных приемников (болометр, термоэлемент и др.) зависит только от потока энергии и не зависит от длины волны, Чувствительность приемника (г/Вт) равна о dW dV, > где dIV' — реакция приемника; <1ФЭ — падающий потек излучения. 39
тока излучения ФЭ1 вычисляется Рис. 1.21. Схема определения интеграл иного коэффициента пропускаппя Размерность реакции приемника зависит от свойств самого прием- ника. Например, г выражается в вольтах пли амперах при электриче- ском токе, вызываемом в приемнике потоком излучения. Пороговая чувствительность приемника — способность реаги- ровать п,ч минимальный поток излучения. Селективные приемники (<|>отоэлсмситы, 'РЭУ, гл.и, фотопластинки и лр.) хирактсрнтуются спектральной и пи гы ральной чувствитель- ностью. Реакции приемника от действия па него монохроматического по- по формуле dW — 5;.Ф3х, где Зд — коэффициент, характеризующий спектральную чувствительность приемника. Относительная спектральная чувствительность приемника sA = «= .W.S\ni,ix (5>1Мх — максималь- ная чувствительность приемника при длине волны Хтах). В фотоэлектронных приборах (фотоэлемент, ФЭУ и др.) преобра- зующие лучистую энергию в элек- трическую, чувствительность S определяется отношением измене- ния фототока к изменению пада- ющего па приемник лучистого потока .S = (мкА/Вт) или светового потока S = (м кА/лм). Спектральная чувствительность определяется отношением измене- ния фототока к изменению монохроматического излучения с длиной волны X :.Sx = dhJd.Q-.,'), (мкА/Вт) или S^— (мкА/лм). Интегральная чувствительность приемника — чувствительность к неразложениому свету определенного источника излучения. Стан- дартным источником света может служить лампа накаливания с воль- (j рамовой спиралью, работающей в определенном режиме при темпе- ратуре тела накала 2850 К- Иптегральпаи чувствительность приемника, выраженная в энергетических едипнцих, рипна оо по S = J 3ХФМ dA j ФчА dX |А/Вт|. а а Пели п|пегрялы1.1я чупствнтслыюсть определяется как отношение полного фототока к naflinomcMy спешному потоку, то <*' Ан S = j ,$АФА dX/683 J ХАФА dX, о X, где Aj и ХР — границы видимой области спектра, Пределы iiinei риропаппя при определении величины фототока могут быть сужены со стороны ультрафиолетовой области спектра гра- ницей пропускании окна, через которое освещают фотоэлемент; со стороны инфракрасною отлучении — пороюм фотоэффекта (фото- элемент станопнтся печуаси.п 1СЛЫП ..м). 40
Таблица 1-12. Угол поляризации гр Вещество при t = 20° С еР Вода 1,333 53° 7' Стекло марки К8 1,516 56° 36' » > ТФ10 1,806 61° 1' Периклаз Кристаллический кварц: 1,737 60° 4' По 1,544 57° 4' «е 1,553 57° 13' Ромб Муни [113), имеющий п = 1,65 и преломляющие углы 6 = = 60°, позволяют использовать пучки со значительным угловым рас- хождением (рис. 1.24,6). Виды поляризации света Состояние светового вектора можно представить двумя взаимно перпендикулярными слагающими х и у этого вектора в плоскости волны [89] «О х = j a sin (<в/ 6j) da>; о ее у г- j b sin (ml •]- 6S) du>. о Здесь а и & — амплитуды; и 62 — фазы, зависящие от угловой скорости а>. Исключая время t из уравнений, получим уравнение эллипса 4 + "ЯГ ~S’ ~ А) = sinS & ~»*)• Рассмотрим частные случаи поляризации света: 1) 61 — 62 = 0 и kn — эллипс вырождается в прямую (линейная поляризация) х/а ± ylb = 0; 2) бх — Cj — (2л + 1) л/2 и а = b — эллипс принимает вид круга. Следовательно, различают три вида предельной поляризации света; линейную, круговую и эллиптическую (с вращением вектора вправо или влево; см. рис. 1.28). Для полной характеристики состояния поляризации светового пучка требуется знание четырех величин [113]: интенсивности есте- ственного света; интенсивности подмешанного поляризованного света; азимутов осей эллипса; эксцентриситета эллипса, Линейно поляризованный свет вполне определяется только указа- нием плоскости поляризации, т. е. плоскости, перпендикулярной ксве- юному (электрическому) вектору. 43
Для характеристики света, поляризованного по кругу, достаточно указать направление вращения. Для эллиптически поляризованного необходимо определить азимут осей, эксцентриситет и направление вращения. Все четыре признака полностью требуются для определения состояния поляризованного света. Потери света в оптических приборах В оптических приборах различают три вида потерь света: потери на отражение на преломляющих поверхностях; потери на поглощение и рассеивание внутри массы стекла; поглощение света в отражающих металлических поверхностях. Коэффициенты отражения р, пропускания т и поглощения а све- тового потока выражают долю отражаемой Фр, пропускаемой Фт и поглощаемой Фа частей светового потока по отношению ко всему па- дающему потоку Фо, т. е. р = Ф()/Ф(|, т = Ф,/Фо, а = Фа/Ф0. По- скольку Ф() -|- Ф1 -|- Ф„ —- •Г’о, то р -|- т -|- а = I. Коэффициент отра- жения света па преломляющей поверхности, разделяющей две среды, вычисляется по формуле Френеля = 1 Г tg2 л sin 8 (в' — е) 1 1 Ф„ 2 [ tg2(e'-|-e) п sin2(e' + e)J* u ’ Для малых углов паления применение закона преломления п sin е - и' sin в' дает р |(л' — п)/(п' [ Г»)|а. (1.28а) где пип' — показатели преломления до и после преломления; для углов 30—40° последнее выражение дает достаточно точное значение р. Для значений пстекло/пвоздух >• 2,5 это выражение дает завышенный результат, поэтому необходимо учитывать вторичные отражения [12]. Просветление стекол Просветление стекол применяете!! с целью увеличения снетопро- пускапня и повышения контрастности изображения вследствие устра- нения рефлексов при отражении. Просветлен не оптики достигается нанесением пленок пл iioncpxiiocin стекла. Пока t.Tiejii, преломления п и толщин» пленки й inщбпрпю гея так, чтобы суммарнаи интенсивность светового потока, отряженного от nonepxiiocin пленки и стекла вслед- ствие интерференции спеы, были равна пулю. Согласно формуле (1.28), iiiitciiciii '.iocth отраженных лучей будут равны при выполнении условия 1(п3 — п.2)/(ня + п2)1а — [(п2 — пД/(п2+ + ii|) |J, откуда n.j = К П|ПЯ при n, == 1. Pnanocib хода лучей при нормальном падении Д = 2d = 2йп2. Дли гашения отраженного света необходимо, чтобы Д = Л/2 = = 2/Шц, г. и. /.п, а == Л/4. В общем случае d = (2k + 1) Л/4 (k — 0, 1, 2, 3, ...). Общая толщина пленки для X ==> 550 им должна быть равна d = 137,5 им н для более общего случая d =» 137,5+ 275 k. Пленка отражает enei в iCiipaieai.iio, и просветленная поверхность стекла при- •обрстает интерференционную окраску, характерную для тонких пле- нок. Покрытия он।пческах дешлей описаны и 1Л. Г/. 44
Расчет светопропускания и светопоглощенйя бесцветного стекла Под светопропусканием т' среды понимается отношение светового потока Ф, прошедшего через среду, к Фо падающему. Если световой поток проходит через ряд сред с коэффициентами пропускания Tj, т2....т..,, то вся система будет иметь коэффициент пропускания т — — TjTsTg, T/j. Логарифм величины, обратной пропусканию, называется оптиче- ской плотностью D' — 1g (1/т') = — 1g т'. Суммарная оптическая плотность системы, состоящей из н числа сред, равна D — Dj + D2~h + • • + D„, т. е. имеет место закон аддитивности. Формулы, опреде- ляющие т или D, применимы в тех случаях, когда падающий поток является монохроматическим, а среды селективны, или когда падает поток любого спектрального состава, по среды не селективны. Светопропускание пластинки из бесцветного стекла вычисляется по формуле т' = = <1 “ P)2e‘“d = Rx’ О -29> где р — коэффициент отражения от одной полированной поверхности; (1 — р2) = R — поправка ва отражение, выраженная в единицах пропускания. Коэффициент поглощения а вычисляется при его эксперименталь- ном определении по формуле где lg е = 0,4343; d выражается в см. Светопропускание в любой заданной толщине дли монохромати- ческого света находится по <|юрмуле 1g =-^4^2- или при х = ] trt_____ Ig'fyz/) „я„ n JgT(i)-----д— или =—2“ • Пример 1. Определить а стекла К8 (п = 1,5163), если т' = 0,84 и R = 0,918, толщина стекла d = 10 см. Решение. —1g т' = —1g 0,84 = —(0,924 — 1) — 0,076; lg R = 1g 0,918 = 0,963 — 1 = —0,037; a = (0,076 — 0,037)710 X X 0,4343 — 0,009 или a = 0,9%. Пример 2. Определить светопропускание стекла ТФ1 толщиной 10 мм для Л = 365 им, если при d = 40 мм D' — 0,860. Р е ш е н и е. Поправка на отражение Do = —2 lg (1 — р) = = 0,060. Оптическая плотность слоя стекла толщиной d = 40 мм равна D — D' — Dp = 0,860 — 0,060 = 0,8. Плотность при толщине d — — 10 мм равна D ()0) = 10’0,8/40= 0,200; следовательно, D'(W — = 0,200 + 0,060 = 0,260. 45
Для перехода от D' к т' и обратно пользуемся табл. 1.16. В первом ее столбце даны значения D' через 0,1, а в верхней строке — сотые доли. На пересечении строк со столбцами приведены значения т', отвечающие любым значениям плотности от 0,0) до 1,99. Из згой таблицы по плот- ности 0,260 находим т' = 0,55 или 55%. Потери света при отражении и поглощении в светофильтрах Спектральная характеристика светофильтра выражается числен- ными значениями показателя поглощения fex для различных длин воли и спектральными кривыми оптической плотности D и коэффи- циента пропускания т'. За свегопоглощение оптического цветного стекла принимается отрицательный десятичный логарифм светопропу- скання в толщине слоя 1 мм. Оптическая плотность стекла толщиной d~ 1 мм называется показателем поглощения и определяется из фор- мулы —lg (i lt /d, где спегопровускапие стекла толщи- ной <7 (мм). Оптическая плотность />д массы стекла для монохроматического света с длиной полны X связана с и т* выражением £>х = —1g тд — К </. При расчете плотности необходимо учитывать потери на отра- жение на двух поверхностях стекла. Светопропускание светофильтра толщиной d (мм) монохроматического света данной длины волны вы- числяется по формуле тх=~ (I -р)‘ тк Ml -Р)2 10''"'. (1-30) где тх — светопропускание светофильтра в толщине d. Оптическая плотность D'} светофильтра для данной длины волны £>х == — 1g = — 2 lg (1 -р) =DX-J-Dp =Axd + Dp. Пример 1. Требуется определить показатель поглощения стекла, если при d = 3 мм для данной длины волны т£ = 0,355 и Dp = 0,04. Решение. Из табл. 1.16 находим D'K = 0,45. Следовательно, = 1УК — Dp = 0,45 — 0,04 =» 0,41; kK =* Dx/d =» 0,41/3 = 0,137. Пример 2. Определить Dx и светофильтра толщиной d = 2,5 мм для длины волны А., если Лх 13 0,30 н 0,04. Р е ш е и и е. Из табл. 1.16 находим »• 0,162. Для характеристики вещества с сильным поглощением (металлы ИТ.л.) показатель поглощении относится не к I см или I мм, а к длине волны, деленной пл 4л, т. е. * ™ ZtA/4n или *' »» оА/4л.. Тогда т из фор- мул (1.29) и (1.30) принимает вид 1321 т=с-щх-д/х ИЛ|, т 1о-1лхд/х Расчет интегрального коэффициента пропускания светофильтра для видимой области спектра прн сложном излучении Коэффициент пропуск inn и светофильтра для видимой области спектра может быть вычислен, если даны |Ю4]: 1) кривая спектра, определяющая ординату р дли падающего излучения в зависимости от 46
длины волны X (Фл = pdk — спектральная интенсивность); 2) спек- тральная кривая пропускания поглощающей пластинки, выражающая зависимость т от Z; 3) кривая относительной видности, дающая коэффи- циент относительной видпо- сти Кк в зависимости от Л. Строим для падающего излучения спектральную кривую светового потока, ордината которой г — рК\ и аналогичную кривую для ЧОО 500 600 700 o)ffi 0,5 О ЧОО 500 600 700нм Рис. 1.25. Спектральная кривая пропускания аммиачного раствора медного купороса (а) и схема определения интегрального коэффициента светофильтра для сложного излучения (б) пропущенного излучения, ординаты которой г' = т/рК\. Отношение площади, ограничиваемой второй кривой, к площади, ограничиваемой первой кривой, дает коэффициент пропускания Т для рассматриваемого падающего излучения .770 v 1 /770 ч I j тЛ/»А\</А j/l j pKKdl j . \380 JI \380 J Пример. На рис. 1.25, а дана спектральная кривая пропускания кюветы, содержащей аммиачный раствор медного купороса. Падающим излучением является излучение лампы накаливания, для которой распределение энергии по спектру в видимой области представлено кривой 1 на рис. 1.25, б; масштаб ординат выбран произвольно. Кри- вая 2 получена умножением каждой ординаты кривой 1 на соответству- ющее значение т. е. на значение кривой рнс. 1.16. Кривая 3 полу- чена умножением ординат кривой 2 иа значение коэффициента т,-, сня- тых с кривой рис. 1.25, а. Коэффи- циент пропускания т равен отно- шению площадей, ограниченных кривыми 3 и 2. Светофильтры переменной плотности (фотометрические клинья) Светофильтры переменной пло- тности представляют собой рав- номерно нарастающую толщину Рис. 1.26. Схема линейного фотометрического клипа: 1 — поглощающий слой клина; 2 — подклин 47
однородного поглощающего слоя. Плотность любого места клина вы- числяется по формуле D = ki i)a, где 1)и — начальная плотность клина; k — константа клина, т. е. при- ращение оптической плотности на 10 мм длины клина. Для получения рашюмсрпой плотности но фотометрическому полю применяется подклнп с той же константой (рис. 1.26). Расчет коэффициента светопропускания оптических приборов Коэффициент светопропускания оптической системы можно вычис- лить ио формуле (3, 12 J т -(1 —Pi)...(l -Ре)(1 -а() Z1...(l-а,п)1т.Rs7\... Тр, (1.31) где р — коэффициент отряжения от поверхности деталей на границе воздух—стекло для пснроспетленных деталей из стекла с показателем преломления л; р (л — 1)2/(л-Н I)2; а — коэффициент поглощения стекла (ГОСТ 351-1—67) оптических деталей системы1; I — длина хода осевого луча в деталях (см); /? — коэффициент отражения зеркальных непрозрачных покрытий и свстоделителыпях покрытий (определяется из нормали пи покрытие., см. гл. 17); Т — коэффициент пропускания свето- делительных покрытий; m — число деталей системы, кроме зеркал с внешним отражающим покрытием; q— число поверхностей, гранича- щих с воздухом, кроме поверхностей с зеркальным и светоделительным покрытиями; s — число поверхностей с зеркальным непрозрачным по- крытием и светоделительным покрытием в условиях работы на отраже- ние; р — число поверхностей со светоделительным покрытием в усло- виях работы на пропускание света. Формулой (1.31) не учитываются потери при отражении на поверх- ностях склейки деталей, если па них нет светоделительных покрытий, и иа поверхностях призм при полном внутреннем отражении, так как потери па этих поверхностях незначительны. При расчете коэффициента пропускания оптических систем удобнее пользоваться формулой (1.32), по которой сначала вычисляют оптическую нлопюсть системы D' = в= —|g t', а :инем по вычисленному значению I)' находят коэффициент пропускипня т'. />' - /,1'Л! -I' ... -I’ hnl'Am к + ... -I- Atll)m -I- ЙДДц -|- ч-... -I- /'Л'/Ъм -I С,/лГ| -I- ... +CAp. (1.32) где /)„ — —1g (I — p); DK = —Ig Д; Dr = —1g T; .... lm — сум- марная длина хода луча (см) в деталях из стекла с одинаковым показа- телем ослабления + • • • + елт,т.-е. из стекла одной категории по показателю ослабления (по ГОСТ 3514—76); Аи ..., Ач — число непро- ........... и просветленных поверхностен с одинаковым числом отра- жения; /3|, .... /!(. — число поверхностей с зеркальным и светоделнтель- ным покрытием oahii.-ikodoiо коэффициента отражения. В это число вхо- 1 Herein « и» 1 СИЛ ЗМ /(> беретея натуральный понизитель ослабле- ния — (X. 43
дят поверхности со светоделительным покрытием, работающие в про- ходящем ходе лучей оптической системы; Clt Ср — число поверхностей светоделительных покрытий. Для оптического бесцветного стекла (ГОСТ 3514—76) установлен десятичный показатель ослабления ед (величина, обратная расстоянию на котором поток излучения источника А по ГОСТ 7721—76 ослаб- ляется в результате поглощения и рассеяния в стекле в 10 раз; см. табл. 22.10). В табл. 1.13 даны значения натурального показателя ослабления е.’л = ед/1я е — ед/0,4343. Численное значение е'А = а = = /г' -|- а', где /г' н п' — cootuctciпенно натуральные показатели по- глощения и рассеяния. Для прозрачных оптических сред (стекло и многие кристаллы) практически п'> 0 |32]. Оптическая плотность D и т слоя стекла толщиной 1 см в зависи- мости от 8Д и категории (ГОСТ 3514—76) приведены в табл. 1.13. Таблица 1.13. Значения ед, ед и а в зависимости от категории стекла и D; т » зависимости от ед СО [Ь ослаб- . 104, см"1 ный по- □слабле- 04, см-1 Коэффициент светопропуска- ния т Плот- ность D. 104 По ГОСТ 3514 — 67 Категори? ГОСТ 351 о н W Я К S s 2 & С ч Натур аль казатель < иия • Г При толщине d = 1 см Кате- гория а. 104, не 1 более 1 2 3 4 5 6 7 8 2—4 5-9 10—17 18—25 26—35 36—45 46—65 66—130 5—10 11-22 23-40 41—59 60—80 81—104 105—149 150—300 0,040 0,050 0,060 0,9995-0,9990 0,9989-0,9978 0,9977—0,9960 0,9959—0,9941 0,9940—0,9920 0,9919—0,9896 0,9895—0,9851 0,9850—0,9700 0,96 0,95 0,94 2-4 5 -10 10-17 17—26 26—35 35—45 46—65 66—132 177 223 269 000 00 0 1 2 3 4 20 40 60 80 100 150 300 ,6 В табл. 1.14 и 1.15 даны поправки на отражение от непросветленной поверхности в зависимости от показателя преломления. При расчете коэффициента пропускания оптической системы с не- большим ходом луча в стекле деталей величину D достаточно брать с точностью до 0,001. По табл. 1.13 можно находить величины Do для просветленных поверхностей с коэффициентом отражения р. Напри- мер, для р = 0,6% в табл. 1.13 имеется значение е'А = 0,006, которому соответствует D — 0,0026. Эта величина одновременно является и ве- личиной Do. Коэффициенты отражения от просветленных поверхностей, непро- зрачных зеркальных покрытий и коэффициенты отражения и пропу- 49
Таблица 1.14. Поправки па отражение от непросветленной поверхности в зависимости от показателя преломления н <31 .01 02 1) ( .04 1,4 0,0122 0,0127 0,0133 0,0138 0,0144 1,5 0,0177 0,0183 0,0189 0,0195 0,0201 1,6 0,0238 0,0244 0,0250 0,0257 0,0263 1,7 0,0302 0,0309 0,0316 0,0322 0,0329 1,8 0,0370 0,0377 0,0384 0,0391 0,0398 1,9 0,0440 0,0447 0,0454 0,0462 0,0469 2,0 0,0512 0,0519 0,0526 0,0534 0,0541 2,1 0,0585 0,0592 0,0599 0,0607 0,0614 2,2 0,0658 0,0666 0,0673 0,0681 0,0688 а .05 .06 .07 .08 .09 1,4 0,0149 0,0155 0,0160 0,0166 0,0171 1,5 0,0207 0,0213 0,0219 0,0226 0,0232 1,6 0,0269 0,0276 0,0282 0,0288 0,0295 1,7 0,0336 0,0343 0,0350 0,0356 0,0363 1.8 0,0405 0,0412 0,0419 0,0426 0,0433 1,9 0,0476 0,0483 0,0490 0,0498 0,0505 2,0 0,0548 0,0555 0,0563 0,0570 0,0578 2,1 0,0621 0,0628 0,0636 0,0643 0,0651 2,2 0,0696 0,0703 0,0711 0,0718 0,0726 'Г а б л и ц а 1.15. Поправки нп отражение от непросветленной поверхности в зависимости от п >> 2,3 tl 0 . 1 .2 .3 .4 2 ... 0,073 0,081 3 0,125 0,132 0,139 0,147 0,154 4 0,194 0,200 0,206 0,213 0,219 tt .5 .6 .7 .8 g 2 0,088 0,095 o.i оз 0,110 0,118 3 0,161 0,168 0,175 0,181 0,188 4 0,225 0,231 0,237 0,243 0,240 50
Таблица 1.16. Коэффициент пропускания т' в % в зависимости от плотности D' D' .00 .01 .02 .03 .04 .05 .06 .07 .08 .09 0,0 100,0 97,7 95,5 93,8 91,2 89,1 87,1 85,1 83,2 81,3 0,1 79,4 77,6 75,9 74,1 72,4 70,8 69,2 67,6 66,1 64,6 0,2 63,1 61,7 60,3 58,9 57,5 56,2 54,9 53,7 52,5 51,3 0,3 50,1 49.0 47,9 16,8 45,7 44,7 43,7 42,7 41,7 40,7 0,4 39,8 38,9 38,0 37,1 36,3 35,5 34,7 33,9 33,1 32,4 0,5 31,6 30,9 30,2 29,5 28,8 28,2 27,5 26,9 26,3 25,7 0,6 25,1 24,5 24,0 23,4 22,9 22,4 21,9 21,4 20,9 20,4 0,7 19,9 19,5 19,1 18,6 18,2 17,8 17,4 17,0 16,6 16,2 0,8 15,8 15,5 15,1 14,8 14,5 14,1 13,8 13,5 13,2 12,9 0,9 12,6 12,3 12,0 11,7 11,5 11,2 11,0 10,7 10,5 10,2 1,0 10,0 9,8 9,5 9,3 9,1 8,9 8,7 8,5 8,3 8,1 1,1 7,9 7,8 7,6 7,4 7,2 7,1 6,9 6,8 6,6 6,5 1,2 6,3 6,2 6,0 5,9 5,8 5,6 5,5 5,4 5,2 5,1 1,3 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 1,4 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,5 3,4 3,3 3,2 1,5 3,2 3,1 3,0 3,0 2,9 2,8 2,8 2,7 2,6 2,6 1.6 2,5 2,5 2,4 2,3 2,3 2,2 2,2 2,1 2,1 2,1 1,7 2,0 2,0 1,9 1,9 1,8 1,8 1,8 1,7 1,7 1,6 1,8 1,6 1,6 1,5 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3 1,9 1,3 1,2 1,2 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,0 скания светоделительных покрытий берутся из технических условий на соответствующий вид покрытии, и .татем вычисляют или находят по табл. 1,13 или 1.16 соотоетствующие поправки /)(), Dr и [)т. По формуле (1.32) с помощью табл. 1.16 находят коэффициенты пропуска- ния г' оптической системы. Величину D' предварительно округляют до второго знака после запятой. С помощью этой таблицы можно также находить величины Dr и Dt по известным значениям R и Т. Например, оптические детали лабораторных и полевых приборов, служащие в ка- честве зеркал с внешним отражением, обычно имеют покрытие зеркаль- ное 114.21 Е; коэффициент отражения покрытия R не менее 86%. Следо- вательно, по табл. 1.16 интерполированием находят Dr = 0,065. Коэффициент пропускания светоделительного покрытия Т =20%, По табл. 1.16 ближайшей величиной является т' = 19,9, которому соот- ветствует величина Dt = 0,70. Формулы для вычисления оптической плотности некоторых отдельных элементов оптической системы 1. Для линз, пластин, прнзм полного внутреннего отражения D' = ID + 2D0, где I — толщина линз и пластин по оптической оси и длина хода осе* вого луча в призмах (см). 51
2. Для склеенной системы из двух линз гу -|- /2р2 + /)(1, -I- 3. Для .черкала с задним отражением />'=2Ш-|-2Л>(,-|-£>Л. (1.33) 4. Для светоделителя незаклеенного D' =lD-\- Dp + Dr. (1.34) Оптическая плотность в отраженном холе лучей вычисляется по формуле (1.33). По формуле (1.34) вычисляется оптическая плотность в прямом ходе лучей системы. 5. Для светоделителя, заклеенного покровным стеклом ГУ = /,/>, 4- 1Л -|- Wp, 1)(Л + Dr. (1.35) По формуле (1.35) вычисляется оптическая плотность в прямом ходе лучей оптической системы. При вычислении D' в отраженном ходе лучей п формулу (1.35) вместо Dr подставляется Dr. Приращение оптической плотности ДО' системы после облучения прибора заданной дозой гамма-излучения вычисляется по формуле ДО' — /2ДОй4- •••-(- где ДО — приращение оптической плотности стекла па 1 см. / тгЬнни луи Рис. 1.27. Схема он гики визира Оптическая плотность О')5 системы после облучения О'б = О'+ -|- МУ. По вычисленному значению D'of: в табл. 1.16 находят коэффи- циент пропускания т'|Г1 оптической системы после облучения. На рис. 1.27 дана схема оптики визира, для которой приводится расчет снеlonpoiiycK.iniui (табл. 1.17 и 1.18). Окончательно получаем дач системы с непросветленной оптикой D' = = 0,042-1'0,333 0,375, т' 42%. После просветления D'— = 0,042 -|- 0,121 - 0,103, т' (4)%. 52
Таблица 1.17. Расчет потерь з оптической системе, состоящей из защитного стекла объектива, призмы Шмидта с крышей, сетки и окуляра О.» Я сих О О O.O.CJ с 0,03 0,03 о J ООО CD о" o' o' 0,014 0,014 0,04 0,04 —, 1 ( со С> 1 I СЭ 0,0. о о" о"' о" Примечание. Общая длина хода осевого луча в деталях системы 16 см, число поверхностей, гранича- щих с воздухом, 14. № поверх- кости просвет- детали пения 1 63Т 2 63Т 3 44Р.43Р 4 ‘ — 5 44Р.43Р 6 44Р.43Р 7 44Р.43Р 8 I 24И 9 I 24И 1 1 12 44Р.43Р 13 — 14 — 15 44Р.43Р 16 44Р.43Р 17 63Т * 6 я та и ЙВ &«! о. О о о СО ХГ О ООО W 0,0025 0,0045 0,0045 0,0045 0,0017 0,0025 uQ 1ЛЮ Ю g о g о о” ООО Длина хода, см 9'0 0,7 0,5 0,7 о 0,4 г-, оо_со о” о о" —*' С7ь । 1.5163 1,6126 1.7550 1.6568 о <□ 1x568 1.7550 1,6126 1,6126 Марка стекла К8 ТК16 ТФ5 ТК21 БКЮ К8 —< о о сч ю _< Н Н(-(- ♦« ! Наименование детали Защитное стекло / 1 Объектив 1 2 1 3 Призма Шмидта Сетка 1 Окуляр 2 3 4 ’эис! он 'бон «х ш IV 53
Таблица 1.18. Результаты расчета светопропускания № поз. по рнс. 1.27 Мир- к» С ICK* ли без ц|ю- СИСТЛСЦ11Н Вид про* светлен И Я при про- светлении /, IV 11, V III h»i = = 1 • 0,0025 = = 0,0025 /2£>2 = = 5 0,0045 = = 0,0225 1з^з ~ = 10-0,0017 = = 0,0170 К8 ТК16 ТФ5 TK2I БКЮ 4-0,0187 = = 0,075 4-0,0246 = = 0,098 1-0,0340 = = 0,034 3-0,0274 = = 0,082 2-0,0218 = = 0,044 63Т 44Р-43Р 24 И 3-0,0132 = = 0,040 7-0,0048 = = 0,034 2-0,0061 = = 0,012 2-0,0177 = = 0,035 £ 16 0,042 14 0,333 14 0,121 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДЕ (КРИСТАЛЛЫ) В зависимости от оптических свойств кристаллы делятся на три группы: а) правильной системы; эти кристаллы оптически изотропны; б) одноосные кристаллы (тригональные, тетрагональные и гекса- гональные системы); имеют лишь одно направление, вдоль которого не происходит двойного лучепреломления (кварц, исландский шпат); в) двуосные кристаллы (ромбическая, одноклшшая и триклинная системы); имеют два направления, вдоль которых ш происходит двой- ного лучепреломления [11GJ. Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах При преломлении па границе с анизотропной средой луч естествен- ного света расщепляется на два луча: обыкновенный (о-луч) и необык- новенный (с-луч). Обычному закону преломления подчиняется о-луч, и он имеет постоянное значение показателя преломления во всех направлениях в кристаллах. Показатель преломления е-луча непостоянен н зависит от его направления. В плоскости главного сечения поляризован о-луч, а е-луч поляризован перпендикулярно к указанному сечению. Показа- тели преломлении лучей вдоль оптической оси в направлении, перпен- дикулярном к оси, шг.ышнотсл главными показателями преломления (п0 и пс). Ь4
Разность фаз о- и е- л у чей зависит от угла падения, положения опти- ческой оси и толщины кристалла. На рис. 1.28 показаны вектор ОС, характеризующий направление и амплитуду колебаний плоскополяризованного света, падающего на кристаллическую пластинку, ОА и ОВ — соответствующие векторы, дающие определенную разность фаз. Характер поляризации в кри- сталле зависит от длины пути прохождения света. Рис. 1.28. Поляризация света при прохождении через кристаллическую пластинку Положительные и отрицательные кристаллы. Волновые поверхности Френеля Для характеристики распространения света в кристаллах поль- зуются волновыми поверхностями Френеля. Волновая поверхность обыкновенной волны изображается шаровой поверхностью, а необык- новенной— эллипсоидом вращения (рис. 1.29). Одноосные кристаллы, у которых пе < па называются отрицательными (исландский шпат); кристаллы, у которых пе > п0 называются положительными (кварц). Гис. 1.29. Двойная поверхность показателя преломления кварца (а) и исландского шпата (б): О—О — оптическая ось; пд и пд — главные показатели преломления Эллипсоид френелевой волновой поверхности у отрицательных кри- сталлов удлинен в направлении, перпендикулярном к оптической оси, а у положительных — в направлении, параллельном этой оси. Поляризаторы Поляризатором называется оптическое устройство, преобразую- щее проходящий через него естественный свет в поляризованный. Поля- ризатор, предназначенный для обнаружения поляризации, называется анализатором. Действие поляризационных приборов основано на од- ном из физических явлений (113]: 55
а) на отражении и преломлении па границе, двух диэлектриков (например, воздух — стекло); б) двойном лучепреломлении; в) на дихроизме (явлепип различного поглощения о- п е-лучей). Двуиреломляющие поляризаторы обычно изготовляются из исланд- ского пшата (СаСОа) е прозрачностью от 240 нм до 1,8 мкм. За преде- лами этой области вещсст во обладает сильным поглощением и некоторым дихроизмом. Другим полхолшипм материалом является натровая се- литра (NaNO;i). Кварц для поляризаторов применяется редко, так как разность пе — п„ = 0,009 очень мала, но часто используется для фа- а вых пластинок. Поляризационные призмы Для поляризации при двойном лучепреломлении применяются призмы из кварца или исландского пшата. В двойных призмах Ни- коля, Глава—Томсона, Франка—Риттера и др. обыкновенный луч пре- Рис. 1.30. Призма Николя: а — вид сбоку; б—пит по направлению луча (штриховкой показано направление оптической оси в плоскости чертежа, стрелками и точками — направление колебания электриче- ского вектора на лучах) терпевает на поверхности раздела между призмами полное внутрен- нее отражение. Необыкновенный луч проходит сквозь призму и ста- новится линейно поляризованным. :'т№К!ская ось Рис. 1.31. Призма Франка—Риттера ll/>u:uia Пиком изготовляется из ромбоэдра исландского шпата. Последний расеекиется плоскостью, перпендикулярной к главному сечению i<piici.-ui.na, проходящему через оптическую ось кристалла и его длинное ребро. < )бе при 1мы склеиваются кппадсквм бальзамом, акри- ловым клеем пли льняным маслом (рис. 1.30). Призма Николя про- 56
пускает полностью поляризованный свет в пучках с углом до 29°. Поле поляризации несимметричное. Существует несколько типов призм, входные грани которых перпендикулярны к длин- ным ребрам и оси кри- сталла отличаются ориен- тацией, что обеспечивает более симметричное поле поляризации (призмы Гла- ня—Томсона, Глазсбру- ка, Франка—I’inicp.i, Осипова и др.). На рис. 1.31 при- ведена призма Франка— Риттера; материал приз- мы — исландский шпат; симметричное поле поля- ризации около 28°. Двой- ная призма Франка— Риттера показана на рис. 1.32, а. Склеивающим ве- ществом служит обычное льняное масло или ак- риловый клей. Симмет- ричное поле поляризации около 28° 30'. На рис. 1.32, б дана схема вы- реза поляризатора из кристалла исландского шпата. Объем призмы 2870 мм3, минимальный объем кристалла 1900 мм”. Призма Глана с мю- душным промежутком по- казана на рис. 1.33, а (симметричное поле зре- ния 8°), а на рис. 1.33, б— схема выреза призмы из кристалла исландского шпата. Объем призмы Оптическая ось 32 Рис. 1.32. Двойная призма Франка — Риттера Т а б л и ц а 1.19/ Показатели преломления сктеивающих составов для поляризационных призм (для X = 589,3 нм) Материал и Акриловый клей 1,485 Льняное масло 1,485 Маковое масло 1,463 Канадский бальзам 1,526 Гедамин-раствор мочевипоформальдегидных смол в бутиловом спирте; прозрачен для X = 250 нм 1,52 и менее
Рис. 1.33. Призма Глана с воздушным промежутком 66
2030 мм8, минимальный объем кристалла 6650 мм*. Светопропускание призмы Глава составляет около 50%. В табл. 1.19 даны показатели преломления склеивающих составов для призм. Примеры расчета симметричного поля поляризации призм 1. Произведем расчет призмы Глана с воздушным промежутком (см. рис. 1.33, а). Материал призмы — исландский шпат (л., = 1,6584, пе — 1,4864), к„,п и в/т — углы полного внутреннего отражения обык- новенного и необыкновенного лучей; а, и ае — углы соответствующих лучей с осью, ограничивающих поля поляризации в призме; 0 — угол призмы. Применяя закон отражения, получим: sin еат — \/п0, еот = = 37° 05'; sin вет = Ипе = 0,6728, вет — 42° 17'. Из условия симмет- рии поля поляризации а'д = о' = o' = (вет — вот)/2 = 2° 36’; 0 = = (8om + е*т)/2 = 39° 4Г. Поле поляризации в воздухе равно 2<т= 8°. 2. Произведем расчет призмы Франка—Риттера (см. рнс. 1.32, ц). Материал призмы — исландский шпат, склеивающее вещество — ак- риловый клей. Так как пе — пклея, то о-луч испытывает на склеивае- мой поверхности полное внутреннее отражение (угол падения на этой поверхности становится больше предельного). Согласно рис. 1.32, а имеем sin Во = ЯкЛея/п0 = пг1п0 = 1,4864/1,6584 = 0,897; 0 = 90® — -(80 + <тЭ- Зависимость поля поляризации от угла среднего клииа и склеива- ющего вещества приведена в табл. 1.20. Таблица 1.20. Зависимость поля поляризации от угла среднего клииа и склеивающего вещества Угол среднего клина 20, ...° Симметричное поле поляризации, ...° Канадский бальзам Акриловый клей Маковое масло 35 18,5 29,9 35,5 40 10,2 21,5 27,0 43 5,2 16,5 22,0 44 3,5 14,8 20,3 45 1,9 13,1 18,7 Двоякопреломляющие призмы преобразуют падающий иа них луч естественного света в два линейно поляризованных луча, расходя- щихся под некоторым углом. Один из лучей может быть выделен с по- мощью диафрагм, тогда призмами можно пользоваться в качестве поля- ризаторов. Различные конструкции трехгранных призм из кристал- лов даны на рис. 1.34. Поток лучей, не изменяющий при прохождении через призму своего направления, ахроматичен; у отклоняющихся лучей угол отклонения завнент от длины волны. Угол расхождения лу- че ii у призм Рошона и Сенармона у = (п0 — пе) tg 0, где 0 — прелом- ляющий угол призмы. 69
Призма Волластон» дает удвоенный угол расхождения; для 1 = «= 589,3 нм и 0 =- 30° угол расхождения 2у = 5“ 45'. Поляризаторы (поляризационные светофильтры), основанные на дихроизме, см. гл. 4. Рис. 1.34. Двоякопреломляющие призмы: а — призма Рошона; б — призма Сеиармоиа; в — призма Волластона (точки означают, что оптическая ось перпендикулярна чер- тежу) Оптические компенсаторы 1 Компенсатор Бабиие. Состоит из двух кварцевых клиньев, выре- занных так, что оптические оси в них взаимно перпендикулярны (рис. 1.35). Одни из клиньев В неподвижен и снабжен посредине кре- стом и штрихом. Другой клин А можно перемешать с помощью микро- метрического пинта с делительным барабаном. Луч обыкновенный Рис. 1.35. Компенсатор Бабине Рис. 1.36. Компенсатор Солейля в верхнем клипе становится необыкновенным в нижнем клине, и на- оборот. В том месте, где dt = d3 между лучами не возникает разности фаз. Меняя рнзность толщин (</, —- da), можно получить любую раз- ность фаз. Компенсатор Солейля. Компенсатор (рис. 1.36) представляет собой видоизмененный компенсатор Бабине, в котором клинья заменены пла- стинками с той же ориентацией осей кварца. Нижняя пластинка раз- резана па две клиновидные части А и В; перемещение части А плавно изменяет общую толщину пластинок. Компенсаторами могут служить плоскопараллельные пластинки из одноосных и двухосных кристаллов, вырезанные в определенном направлении относительно кристаллографи- ческой оси (рис. 1.37 н 1.38). 1 Поляризационные* приспособления, применяемые для анализа поля- ризованного света. 60
Широкое применение имеют пластинки с разностью хода л/4 и А/2 (пластинка «четверть волны» и «полуволны») из одноосных кристал- лов с поверхностями, вырезанными параллельно оси. Пластинки (ком- 11 Оптическая ось кристалла Рис. 1.37. Кварцевая пла- стинка с разностью хода 530—570 нм пенсаторы) изготовляются из слю- ды, селенита, гипса и кварца. Так, толщина пластинки в «четверть Оптическая ось кристалла Рис. 1.38. Слюдяная пластинка, заклеиваемая между защитными стеклами К8, с оптической раз- ностью хода 375 нм волны» первого порядка (мм) из слюды для Л. = 0,589 мкм равна X________0,589-КГ3 4 (пе—п0) 4-0,008 = 0,0184. Для измерения небольших величин эллиптичности поляризован- ного света и очень малых разностей хода двупреломления в объектах применяется поворотная пластинка (эллиптический компенсатор)* из слюды толщиной И—4 мкм, что составляет разность хода Л./10— —А./30. Расчет интерференционной окраски кварцевой пластинки при параллельных николях Разность хода между обыкновенными и необыкновенными волнами в кварцевой пластинке (падающий луч нормален к поверхности пла- стинки) равна Л = d (па — п0) (1.36) или числу волн N = Д/Л = d (па — п0)/Х, (1.37) где па — п0 — разность показателей преломления в направлении, пер- пендикулярном к пластинке; X — длина волны в воздухе. Наибольшая разность хода возникает, когда пластинка вырезана параллельно оптической оси, т. е. когда па = пе. Если разность хода равна нечетному числу полуволн (2п + 1) А./2, то обыкновенный и необыкновенный лучи после выхода из николя гасят друг друга. При /V = nA. лучи усиливают друг друга, и суммарная яр- кость света равна удвоенной яркости каждого из слагаемых лучей. Во всех других случаях лучи либо частично усиливают, либо ослабляют друг друга. По формулам (1.36) и (1.37) можно произвести приближен- ный расчет спектрального состава интерференционной окраски кристал- лической пластинки при параллельных николях, если известен спек- тральный состав света, проходящего через нижний николь. Для лучей разного цвета па — п0 и пе — поу кварца приблизительно одинаковы 61
Таблица 1.21. Характер цвета в зависимости от разности хода, выраженного в числах воли в кварцевой пластинке d ~~ 0,1 мм Число коли . N Д/А. Харакчгр mwirt Число моли N ** Д/Х Xяр.чк'нр цвета 24 2 i34 Фиолетовый Синий Зеленый 14 14 14, Желтый Оранжевый Красный Поэтому расчет можно вести для среднего значения величины двупре- ломления (А. = 589,3 нм). Для кварцевой пластинки, вырезанной па- раллельно оптической оси, Л == 0,00914. В табл. 1.21 даны разности хода, выраженные числом волн для каждого цвета в кварцевой пластинке d~ 0,1 мм. Как видно из таб- лицы, фиолетовые лучи, имеющие разность хода 2V4 (или смещение Л/4), после интерференции дадут яркость, равную яркости каждого из них. Тот же эффект дадут зеленые н красные лучи. Яркость синих лучей (N га 2) равна арифметической сумме яркостей интерферирующих сла- гаемых; желтый и оранжевый лучи (N — I1/») гаснут. Скрещивание ни- колей увеличивает разность хода на Х/4. Литература : (1, 3, 12, 42, 44, 63, 67, 82, 8.3, 87, 99, 102, 104,113, 115, 116).
ГЛАВА 2 геометрическая оптика ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Строение пучка лучей Световым лучам геометрической оптики соответствуют нормали к поверхности волны в физической оптике. Строение пучка лучей определяется совокупностью лучей. Если лучи выходят из одной точки или сходятся в одной какой-либо точке, то такой пучок лучей называется гомоцентрическим. Пучки лучей бывают расходящиеся, сходящиеся и параллельные. Гомоцентрический пучок лучей образует одну точку изображения S', называемого точечным или стигматическим. Если изображение образовано пересечением самих лучей, то оно назы- вается действительным (рис. 2.1, в), а если изобра- жение образовано их гео- метрическими продолже- ниями, то оно называется мнимым (рис. 2.1, б). В геометрической оптике под светящейси точкой подразумевается источник Рис. 2.1. Изображение точки света, не имеющий раз- мера и объема. Основные законы геометрической оптики Закон прямолинейного распространения света. Принято считать, что в прозрачной и однородной (изотропной) среде свет распростра- няется вдоль прямой линии, называемой лучом. Геометрическая оптика не рассматривает явления дифракции от края отверстая диафрагмы, при котором свет заходит в область геометрической тени. Однако в ре- альных оптических приборах нужно учитывать явление дифракции, так как оно сильно портит изображение, если свет проходит сквозь уз- кое отверстие, размеры которого соизмеримы с длиной волны света. Закон независимого распространения света. Предполагается, что отдельные лучи и пучки после пересечения продолжают распростра- няться по прежним направлениям. При определенных условиях в месте пересечения могут возникнуть интерференционные Явления, но в гео- метрической оптике они не рассматриваются. 63
Таблица 2.1. Значения предельных углов Вщ полного внутреннего отражения н углов (—е,) падения на входную грань прямоугольной призмы Мирна стекли ”1> К8 1,5163 1,5688 41° 16' 5° 4 Г БКЮ 39° 36' 8° 29' ТК2 1,5724 39° 30' 8° 41' ТК16 1,6126 38° 19' 10° 47' ТФ1 1,6475 37° 22' 12° 38' ТФ5 1,7550 34° 44' 18° 13' Закон отражения и преломления. Если лучи, распространяясь в определенной среде, встречают среду, отличную по показателю прелом- ления от перионпчальиой, то опп па понерхности раздела этих сред частично отражаются и преломляются пли полностью отражаются в определенном направлении |100]. При этом соблюдаются следующие закономерности: I) падающий, преломленный и отраженные лучи лежат в одной плоскости с нормалью к понерхности в точке падения луча; впутреннего отражении и прямо- угольной lipiriMC 2) при отражении действует закон отражения — е = е1( т. е. угол падения равен углу от- ражения; 3) отношение синуса угла па- дения к синусу угла преломления для двух данных сред — величина постоянная и равная относитель- ному показателю преломления этих двух сред sin e/sin в' = п'/п. (2.1) Падающий и преломленный лучи взаимно обратимы. Если принять, что п »» —л', то уравнение (2.1) дает закон отражения. Показатель преломления данной среды по отно- iiiciiiiio к воздуху называется абсо- лютным показателем преломления. Показатель преломления воздуха принимается равным единице, хотя его точное значение п = 1,000274 (при нормальном давлении 1013 1'Па и температуре 20° С). Полное внутреннее отражение. При переходе луча из более плот- ной среды в менее плотную преломленный луч отклоняется от нормали т. е. е' > в. При увеличении угла падения наступит момент, когда sin е' = 1, т. с. преломленный луч будет скользить по поверхности Гра- ницы раздела (е. =* 90°). В этом случае предельное значение угла падения вт определяется по формуле sin вт = л'/лили в случае прелом- ления луча из среды и воздух (п = 1) sin вт = 1/п. 64
При цепком угле падения, большем ет, луч полностью отражается внутрь той среды, из которой он распространяется (табл. 2.1, рис. 2.2) На явлении полного внутреннего отражения основано устройство некоторых оптических деталей (призм полного внутреннего отражения, освещение сеток в приборах и т. д.). Если лучи падают па отражающую грань призмы под углом, мень- шим, чем е.т, то на такую грань наносится зеркальное покрытие (см. гл. 16). ПАРАКСИАЛЬНАЯ ОПТИКА Законы 11прпкснплы1ой (гауссовой) оптики относятся к бесконечно малой области, окружающей оптическую ось системы. Эта область исследуется с помощью нулевых лучей. Изображение предметов с по- мощью пулевых лучей строится на положениях солинейного сродства [78, 79]. Правила знаков Положительным направлением вдоль оптической оси считается направление света слева направо. Оптическую систему принято изобра- жать так, чтобы ее первая (входная) поверхность располагалась на рисунке слева (рис. 2.3). При расчете оптической системы следует придерживаться следующих правил [89]: Рис. 2.3. Правило^ обозначения размеров и угловых величин 1) угол луча с оптической осью считается положительным, если луч, пересекая ось, идет сверху вниз, и отрицательным — снизу вверх; 2) линейные величины предмета п изображения, а также отрезки высот лучей считаются положительными, если они расположены над Осью, и отрицательными — под осью; 3) радиус кривизны поверхности считается положительным, если ее центр кривизны находится справа от поверхности, а отрицатель- ным — слева от поверхности, т. е. отсчет производится от поверхности К центру; 4) величины толщин и воздушных промежутков между преломляю- щими поверхностями при движении света слева направо всегда счи- таются положительными; 3 II Л. Панов и др, 65
5) углы между лучом и нормалью к поверхности в точках паде- ния луча вне' (углы падения и преломления) считаются положитель- ными, если нормаль должна быть повернута по ходу часовой стрелки, чтобы совпасть с направлением луча; 6) угол <р между нормалью н оптической осью считаен:» положи- тельным, если оптическая ось должна быть повернута но пап| авлепию движения часомой стрелки, чтобы совпасть с нормалью; 7) нрн отражении на новерхиост изменяется знак у показателя Преломления н', угла отражения и' и величины расстояния между от- ражающей поверхностью и следующей (при движении света справа налево); 8) фокусные расстояния считаются положительными по направле- нию света от главных плоскостей; 9) при преломлении или отражении лучей па сферической поверх- ности за начало отсчета отрезка принимается вершина поверхности (точка О). Отрезки считаются положительными, если они отклады- ваются вдоль оси справа от точки О по направлению распростране- ния света, и отрицательным, когда откладываются слева от точки О. В случае отрицательных значений указанных выше величин перед ними ставится зник минус. Соответственные (одноименные) и сопряженные точки, отрезки и углы в пространстве предметов и в пространстве изображений указы- ваются одинаковыми буквами, но обозначения, относящиеся к простран- ству изображений, омшопотся знаком «штрих» вверху каждой буквы, Глаппые точки, главные плоскости, фокусы и фокусные расстоянии Две сопряженные плоскости, расположенные перпендикулярно к оптической оси, для которых линейное увеличение равно плюс еди- нице, называются главными плоскостями. Различают переднюю и заднюю главные плоскости (рис. 2.3). Задняя главная плоскость Н' определяется пересечением идущих параллельно осн в пространстве предметов лучей с их продолжением после преломления через систему (это вытекает из постоянства вели- чин Н'г = /т/а'). Передняя главная плоскость Н определяется анало- гично задней, если провести параллельно оси луч в обратном направ- лении (со стороны пространства изображения). Точки пересечения главных плоскостей с оптической осью есть глав- ные точки системы. Задний фокус системы есть точка F', сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной па осн системы в пространстве предметов. Передний фокус системы есть точка F, сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной на оси системы в пространстве изо- бражений. Заднее фокусное расстояние — расстояние от задней главной пло- скости до заднего фокуса F' (H'F' — f'}. Переднее фокусное расстояние.— расстояние от передней главной плоскости до переднего Локуса (HF = —f). Задний вершинный фокальный отрезок — расстояние от вершины последней поверхности системы до заднего фокуса (O'F1 — s^..). Передний вершинный фокальный отрезок — расстояние от вершины первой поверхности сис темы до переднего фокуса (OF =» —»;.). 66
Передняя и задняя фокальные плоскости — перпендикулярные к оптической оси плоскости, проходящие соответственно через фо- кусы F и Г'. Расстояние передней главной плоскости от вершины первой поверх- ности системы sh — зр — f. Расстояние задней главной плоскости от вершины последней по- верхности системы s'H, = s'F, — f. ’ Согласно рис. 2.4 следует f = Л/а и /' == Л/a'. Рнс. 2.4. Определение положения сопряженных то- чек Формулы, определяющие положение сопряженных точек. Линейное увеличение в сопряженных плоскостях Положение сопряженных точек Д и Д' на оси системы относи- тельно фокусов снггемы он редел шоте и отрезками г и г' (рнс. 2.4). Лниейное (поперечное) увеличение V' уЧу -г'/Г = —//г, (2.2) откуда получается формула Ньютона zz' = ff. Если система находится в однородной среде, Tof' = —f и zz' — —f Расстояния z и г' считаются положительными, если точки Д и Л' расположены правее фокусов F и F' (на рис. 2.4 z < 0 и г' > 0). Поло- жение сопряженных точек А и А' на оси системы связаны зависимостью относительно главных точек Н и И' f'/a' + 1/а~ 1 или для системы, находящейся в однородной среде 1/а' _ ]/а = ilf. (2.3) Согласно формуле (2.2) и рнс. 2.5 V — ап/а'п' = a’nlan'. - (2.4) Расстояния от передней главной плоскости до предмета и от задней главной плоскости до изображения равны а = (1 — V) ['/V и а' — = (1-У)Л 3* 67
Угловое и продольное увеличения Под угловым увеличением Г понимиют величину (рис. 2.5) W - - а'/а а/а' (2.5) или Г а'/а //г' - г/f. (2.5a) Это угловое увеличение относится к лучам, проходящим через осе- вые точки Л и Л' предмета у и изображения у'. Можно говорить об угло- вом увеличении для любой пары сопряженных точек. Так, например, для лучей В И и Н'В', проходящих через главные точки И и И' и обра- зующих с осью соответственно углы и (см. рис. 2.4), имеем Гн= = ₽н/Рн — y'alya' или па основании формул (2.4) и (2.5а) W., = = -///'. Рис. 2.5. Соотношения между линейным, угловым и продольным увеличениями Угловое увеличение для произвольных точек Р и Р' (рис. 2.5) равно Wp — Рр/Рр- При этом сопряженные лучи ВР и В'Р' проходят через плоскости предмета и изображения соответственно на высоте// и у'. Из формул (2.2) и (2.5а) следует, что Г = //г' <= —f/Vf или WV — = —f/f. Произведение углового увеличения па линейное есть величина постоянная для любой пары сопряженных точек па оси и равно угло- вому увеличению в главных точках И в //', т. е. ГУ = W'pVp = Гя = - f/l'. (2.6) Из рис. 2.5 следует Vp = I'/l — a'e'lae. (2.7) Отношение e'le = Q есть увеличение отрезка между точками АР и А'Р', т. е. продольное увеличение отрезка вдоль оси. Согласно фор- мулам (2.5) и (2.7) Q = Vp/W = VIWp, или по формуле (2.6) Q = е’/е = —f'VVp/f = п' VVpIn-, (2.8) при п! =» п 1 (сиггема и воздухе) () = УУ„, где V и Vp — линейное увеличение и точках А и Д', Р и Р'. Если точку Р бесконечно близко приближать к точке Д, то отре- зок е становится бесконечно малым. В этом случае Vp -♦ V, а Гр -+ Г 68
и увеличение Q переходит в элементарное продольное увеличение q в точке Д. Из формулы (2.8) следует р q = lim Q =------т- V lim Vp = e->0 I e->0 —T- V2 = — V2, f n при n' = n = 1, qV2. Согласно формуле (2.6) qW/V= 1. Продоль- ное увеличение в точке Р равно qp Vf> или qpWp/Vp — 1. Для практических расчетов удобно пользоваться следующими фор- мулами: е = — /' Vp ; (2.9) п' 1 VVP ’ 1 ’ e' = f’(Vp~V). (2.10) Узловые точки Узловыми точками называются такие точки, в которых угловое увеличение Wp = 1. Из формулы (2.5а) следует: при Wp = 1, z — f и г' = /, т. е. передняя узловая точка находится от переднего фокуса на расстоянии, равном заднему фокусному расстоянию, а задняя узло- вая точка от заднего фокуса на расстоянии, равном переднему фокус- ному расстоянию. Луч, пересекающий оптическую ось в передней узловой точке в про- странстве предметов под некоторым углом, пересекает в пространстве изображения ось в задней узловой точке под тем же углом. - Из формулы (2.6) вследствие = 1 следует, что Vp = W'h, т. е. линейное увеличение в узловых точках равно угловому увеличению в главных точках. Пели первая и последняя среды одинаковы, то глав- ные и узловые точки сие|смы совпадают. Построение изображения Если в системе известны положения главных точек и обоих фоку- сов, то можно определить графически положение и величину изображе- ния по положению и величине предмета, и наоборот. Ддя этого надо построить ход двух лучей, исходящих из точки предмета (см. рис. 2.4). Один из этих лучей направить параллельно оптической оси (у = h = = Л'), а другой через F — передний фокус. Высоты лучей на перед- ней главной плоскости переносятся без изменения в знаке и абсолют- ной величине на заднюю главную плоскость. Первый луч выйдет из системы через точку — изображение точки — и пройдет через F' — задний фокус системы. Второй луч, проходящий через F — перед- ний фокус системы, пересечет переднюю главную плоскость в точке A\- и выйдет через точку Aff (изображение точки Л/,) параллельно оси по на- правлению Af[B'. Точка В' — пересечение лучей N{F' и N^B'—есть изображение точки В. Опуская из точки В' перпендикуляр на оптиче- скую ось, получим точку А', которая и явится изображением точки А предмета у = АВ, а отрезок А'В' = у' его изображением. Все попереч- ные величины при построении условны, так как на самом деле оии бес- конечно малы. 69
Построение изображения с помощью узловых течек • Пользуясь построением, основанным па спойстве узловых (или Главных, если п - п') точек, легко определить: величину изображения бесконечно удаленных предметом и задней фокальной плоскости опти- ческой системы; нипранлепне u npoi гранстве изображений любого луча, если известно его направление и пространстве предметов; найти поло- жения любых сопряженных точек па сопряженных лучах. Пространство между главными плоскостями отдельных линз или сложных компонентов ни для расчета, ни для построения изображения роли ие играет. Поэтому обе главные плоскости обычно совмещают Рис. 2.6. Построение изображения точки А± с помощью узловых точек системы; / — ПростриисзВо предметов: // — пространство И юбрпии ннП в одну общую плоскость. Однако дли действительного положения изо- бражения в реальной оптической системе следует учесть алгебраиче- скую сумму расстояний между главными плоскостями. • По данному направлению одного из лучей, принадлежащего парал- лельному пучку, падающему под углом © к оптической оси (рис. 2.6), требуется определить величину изображения у' в фокальной пло- скости F' и направление заданного луча в пространстве изображения. Проведя без преломления через главную точку Н луч //^'параллельно лучу S(V, получим в плоскости Е' точку М'. Последняя является изображениембесконечно удаленной точки, образуемым параллельным пучком, из которого выделены два луча SN и ИМ'. Величина изобра- жения у' ~ —Г tg w. Отсюда следует, что в пространстве изображения искомый луч пройдет через точку М' и его направление будет NM'. Если светящаяся точка А, лежит на луче вне оптической оси, то ее изображение должно находиться на луче NM'. Поэтому соединяя А, С Н и продолжая этот луч до пересечения с NМ' в точке А',, можно за- ключить, что А', есть изображение точки А,. Точка А' на оси есть изо- бражение точки 'А. Преломление луча через сферическую поверхность В параксиальной области высота Я параксиального луча бесконечно мала и углы а, е и <р стремятся к нулю (рис. 2.7), поэтому <р = Я/г; а = Я/s; а' ==• Я/s'; е а — <р; е' = а' — гр; п (а — <р) = п (а' — <р). Из этих соотношений легко получить нулевой инвариант или ин- вариант Аббе п (1/s — Hr) п' (1/s' — Hr), <2.11) 70
n'/s' — n/s — (n' — n)fr (2.1 la) a'n' — an — h (n — n)/r = /»Ф. (2.12) Каждая преломляющая поверхность имеет свой инвариант Аббе. Рис. 2.7. Преломление луча через сферическую по- верхность Такие инварианты называются неполными, или частичными [111 J. Положив в уравнении (2.11а) величину s = оо, найдем расстояние заднего фокуса от пре- ломляющей поверхности ТЧ~~' л =п (рис. 2.8, а, б) s' = f = п7Ф = = п'г!(п' — п). (2.13) Аналогично из фор- мулы (2.11а) определяется переднее фокусное рас- стояние, если принять s' <xj; s — f - —nrl(n' — п). (2.14) Преломление через несколько сферических поверхностей Расчет хода паракси- Рис. 2.8. Определение фокусного расстои- ния преломляющей поверхности ального луча через си- стему, состоящую из k поверхностей заключается в последовательном применении формулы (2.12) и формулы h/e = Ад--1 — ад [85], т. е. а.. 2.1.2L I Z1i (''! ~”i) - Hi П-2^ ’ h2 -- hi -- a/lp _ пдюд , hk (nki-t — n.k) M «*+1 + Яд — 71
Из предыдущего расчета (при «1= 0, Sj — —оо) находим: = = Aft/aft+| = sj.-,. Расчет луча в обратном ходе (Sj = оо) определяет величину н положенно переднего фокуса. Оптическая сила системы Из формул (2.13) н (2.14) следует f'/f ——п'/п. (2.15) Эту зависимость вследствие инвариантности формулы (2.16) можно распространить и на систему, состоящую из любого числа поверхностей. Отношения — n/f=n'/f’ = <t> называют оптической силой системы. Большей частью оптическую систему рассматривают в воздухе (п = — п' = 1) и тогда за оптическую силу принимают величину, обратную заднему фокусному расстоянию (выраженному в метрах) Ф = 1/f. Единицей оптической силы является диоптрия. Одна диоптрия есть оптическая сила системы и воздухе с фокусным расстоянием рав- ным 1 м. Инвариант Лагранжа—Гельмгольца Из формул (2.2), (2.5), (2.7) и рис. 2.5 следует: ayl ——a’y'f; (2.16) Й- -P'/'f; (2.17) при условии, что лучи ЛУ| и У[Л' яплякнся сопряженными и проходят соответственно через концы I и I'. В соответствии с <|юрмулой (2.15) выражения (2.16) и (2.17) приводятся к виду any = а'п'у' = 7; (2.18) Рп/= Р'п'Г = —71. (2.19) Инварианты (2.18) и (2.19) имеют большое практическое значение. Они называются полными инвариантами, так как при прохождении че- рез всю систему не меняют своего вида и значения. Первоначальные чис- ленные значения полного инварианта совершенно произвольны. Однако между этими обоими инвариантами существует очень важная связь (см. рис. 2.5): I — —Ц или ау = —р/. Бесконечно тонкая линза В бесконечно топкой линзе главные плоскости совпадают друг С другом и с вершинами линз. Основная формула бесконечно топкой линзы Полагая s = сю и s' = из формулы (2.20) получим 71ги(„_|;(Л_Д.)_ф. (2.21) Так как a — h/s п a' » й/s', то формула (2.20) приводится к виду а' — а -|- ЛФ. (2.22) 72
Система из нескольких линз, расположенная в воздухе Наиболее удобный и простой способ определения габаритных раз- меров системы, расположенной в воздухе, заключается в последователь- ном применении формул следующих ниже, когда линзы заменены глав- ными плоскостями (рнс. 2.9) [85] «А-и = а* ЛаФ*; (2.23) !ч.ц- hk— (2.24) Рис. 2.9. Ход параксиального луча через оптическую систему, представленную главными плоскостями Если число всех линз равно т, то из формулы (2.23) следует k~tn «„..I < «! -I S М/<- (2.25) к I i * , При aj = 0 и Sj = oo a„i = V Л/Л, «о так как am — hjf' = Л/Ф, A=1 TO « ф=т" 2?аФа- (2,26) Если линзы бесконечно тонкие и находятся в соприкосновении (d = 0), A—m то hk = h2 = • • • = hm и, следовательно, Ф= Ф*. fe=i Линзы конечной толщины Для простой линзы, расположенной в воздухе, справедливы сле- дующие соотношения [71J: / ' \ Г1 гг ! ' п гггг 73
нн' — d(ff ——>~i + rf) n(r2— rt) + (n— l)d ’ Рис. 2.10. Расположение главных плоскостей в основных типах простых линз иовных тинах простых линз. Три из них относятся к положительным (собирательным) линзам f > 0 и три лиизы — к отрицательным (рас- сеивающим) /' < 0. Кардинальные величины системы, состоящей из двух частей Рассматрппаемаи система может состоять из дпух одиночных линз конечной толщины пли из дпух сложных компонентов с оптическими силами Ф( п Фа. Экинпялсптпые переднее и заднее, фокусные расстоя- Рис. 2.11. Определенно кардинальных пели- чин ciH |сыы, сосюшцей 111 диух частей 74
ния, положения эквивалентных фокусов в главных плоскостей всей системы вычисляются во следующим формулам: ]//' = Ф = Фк + Ф2 — d Ф.Ф2; HtF = - Г (1 - d//i); //-7' Г (1 - d/K); nji^drn^ //;//' где d— расстояние от Н{ до Я2 (рис, 2.11). Ограничение пучков лучей в оптических системах Диафрагмы и оправы оптических деталей ограничивают пучки лу- чей, поступающие в оптическую систему. Апертурная диафрагма — диафрагма, ограничивающая пучок лу- чей, выходящий из осевой точки предмета (ограничивает числовую апер- туру или светосилу прибора). Входной (выходной) зрачок — параксиальное изображение апертур- ной диафрагмы в пространстве предметов (изображений) или апертур- ная дифрагма, расположенная в пространстве предметов (изображений). Чтобы определить Какая из имеющихся в приборе диафрагм является апертурной, в пространстве предметов находят положение и величину изображений всех диафрагм, создаваемых предшествующими им ча- стями системы. То изображение диафрагмы, которое видно под наимень- шим углом (из точки Ло предмета, лежащей на оптической оси) будет яв- ляться входным зрачком системы, а сама материальная диафрагма — апертурной диафрагмой (рис. 2.12, /). Апертурный угол в пространстве предметов — угол между опти- ческой осью и лучом, выходящим из осевой точки предмета и идущим на край апертурной диафрагмы (о.д). Апертурный угол в пространстве изображений — угол между опти- ческой осью и лучом, проходящим через осевую точку изображения и край апертурной диафрагмы (о^,). Полевая диафрагма — диафрагма, расположенная в плоскости предмета или в одной из плоскостей, с ией, сопряженных, и ограничи- вающая размер линейного поля оптической системы в пространстве изображений. Линейное поле оптической системы в пространстве предметов — наибольший размер нзображемой части плоскости предмета, располо- женной па конечном расстоянии. Линейное поле оптической системы в пространстве изображений — наибольший размер изображения, лежащего на конечном расстоянии. Угловое поле оптической системы в пространстве предметов .(изобра- жений) — абсолютное значение удвоенного угла между оптической осью и лучом в пространстве предметов (изображений), проходящим через центр апертурной диафрагмы и край полевой диафрагмы. Главный луч — луч, проходящий через центр апертурной диа- фрагмы. 75
Виньетирующая диафрагма — любая материальная диафрагма, кроме апертурной н полевой, которая ограничивает пучки лучей, вы- ходящих ИЗ точек предмета, лежащих вне оптической оси и вызывает геометрическое виньетирование (ГОСТ 7427-76). Входное (выходное) окно — параксиальное изображение виньети- рующей диафрагмы в пространстве предметов (изображений)1. Рис. 2.12. Ограничение пучков лучей в пространстве предметов (/) и влияние виньетирующей диафрагмы (выходного окна) на ограничение внеосевых лучей в пространстве изображений (II—V): (II — точка изображения В[ без виньетирования — граничный случай; III — точка изображения В!г, главный луч проходит вне зоны виньетирования; IV — точка изображения В'л, главный луч находится в зоне виньети- рования; V — точка изображения В', при полном виньетировании — граничный случай) Геометрическое виньетирование Под геометрическим виньетированием понимается явление среза- ния диафрагмой наклонных пучков лучей, исходящих из точек пред- мет, расположенных вне оси системы. Виньетирование вызывает в изо- бражении постепенное падение освещенности от некоторой точки пред- мет к краю поля. На рис. 2.12, / даны: диафрагма Д3 — входной зра- чок, диафрагма /(, — виньетирующая (входное окно), диафрагма Д2, кран которой лежш выше луча Л2/<, пе вызывает виньетирования и по- этому ил дальнейшею рассмотрения исключается. В пределах от Ранее применявшие», я п-рмкиы «.лиши» !()(.! /•127— 76 отменены. 76
до At будет происходить виньетирование, вызываемое входным окном. Влияние виньетирующей диафрагмы (выходного окна) на ограничение внеосевых пучков лучей в пространстве изображений представлено на рис. 2.12 (II—V). Виньетирование оценивают коэффициентом линей- ного виньетирования = 2m/2h, где 2т — отрезок в меридиональ- ной плоскости зрачка для наклонного пучка лучей, а 2Л — отрезок в той же плоскости для осевого пучка лучей. Глаз человека малочувствителен к падению освещенности на краю поля зрения прибора, и виньетирование для 50% глаз практически не ощущает. В некоторых приборах (перископы, широкоугольные объек- тивы) в целях уменьшения поперечных размеров оптических деталей виньетирование допускается до 70% и более. Положение зрачков и окон в основных типах оптических систем В симметричных фотографических объективах апертурная (обычно ирисовая) диафрагма находится в середине воздушного промежутка, разделяющего обе части объектива (рис. 2.13). Ее изображение а[Ь[ через переднюю половину объектива является входным зрачком, а изо- бражение о'К через заднюю — выходным зрачком. Оба зрачка нахо- дятся в главных плоскостях объектива, поэтому линейное увеличение в зрачках объектива равно единице. Луч BaJ, направленный в край вход- ного зрачка, т. е. в точку а\, пройдя компонент I, коснется края диа- фрагмы (в точке а) и выйдет по направлению СВ'. На продолжении этого Рис. 2.13. Апертурная диафрагма, расположенная внутри оптической системы луча находится точка а', — край выходного зрачка. По мере увеличе- ния угла (о главного луча последний займет такое положение MPt при котором вся верхний половина пучка будет экранирована, т. е. виньетирование достигнет 50%. Оправа компонента / —входное окно объектива, а ее изображение через нею систему — выходное окно. Если и оправа компонента II также экранирует наклонные пучки лучей, то она будет вторым выходным окном, а ее изображение через объектив в об- ратном ходе — вторым входным окном. В несимметричных объективах (триплеты, тессары, типа Пецваля и т. д.) входной и выходной зрачки находятся внутри объектива, вблизи апертурной диафрагмы. 77
В призменных биноклях входным зрачком является оправа объек- тива (она же и апертурная диафрагма), выходным — ее изображение че- рез окуляр. Если выходной зрачок прибора больше зрачка глаза, то по- следний становится выходным зрачком для прибора, а его изображение через всю систему в обратном ходе — входным зрачком. В биноклях Галилея выходным зрачком всегда является зрачок глаза, входным окном служит оправа объектива. В большинстве зрительных триб входным зрачком (одновременно и апертурной диафрагмой) служит оправа объектива. В некоторых си- стемах входным зрачком является призма или плоское зеркало, стоя- щее перед объективом. Соотношение между линейным полем и светосилой системы (инварианты Лагранжа—Гельмгольца) Рис. 2.14. К выводу инварианта Лангрии- жа—Гел ь м гол ьца Па рнс. 2.14 дано: ()()' — оптическая ось системы, состоящая из р числа линз: NNt н A/'A/f - соответственно входной и выходной зрачки, ограничивающие иоди1ощпГ| п систему пучок лучей, выходящих из точки Л, изображением которой является точка А'. Произвольные, но сопряженные точки Р и /’* (ем. рис. 2.5) перенесены в центры Ph Р’ зрач- ков (см. рис. 2.13), радиу- сы которых обозначены через р я р'. На основании (|н>рмул (2.7) и ' (2.19), полагая р и р' вместо I и линейное увеличение в зрачках Vo = р'/р — = Рп^Р'Пр. Глаз наблю- дателя, помещенный в точку Р, будет наблюдать предмет у под углом Р, а его изображение у' из точки Р' под углом Р' (система в воздухе и, — •-* п' --- 1). Отношение этих углов равно угло- вому увеличению в зрач- ках системы Р'/р — •= 1/И;, « Аналогично этому линейное увеличение для предмета V— «,/а'— 1/U7. На основании формул (2.18) и (2.19) получаются два полных инварианта Лагранжа—Гельмгольца: — • •• — np+i^p+i^p+i* (2.18а) П)р|Р1 ^iPiPi _ Л2Р2Р2 — • • • — пд+1Рд+1Рд+1> (2- 19а) причем щ а* —р*Р». Здесь р,, р2, ..., р/, и т. д. радиусы зрачков от- дельных линз, а поэтому р, и рх, — суть радиусы малых площадок вход- ного и выходного зрачков для всей системы. Инварианты (2.18а) и (2.19а) ус .ншилнняют определенные соотношения между линейным полем и светосилой системы. 78
Видимое увеличение оптических приборов Под видимым увеличением понимается отношение Г = tg y'/tg у, (2.27) ( где у — угол, под которым наблюдатель видит предмет невооруженным глазом; у' — угол, под которым глаз наблюдателя видит изображение предмета через оптический прибор. Рис. 2.15. Геометрическое соотношение к определе- нию видимого увеличения оптических систем На рис. 2.15 центр глаза наблюдателя помещен в точку О, из кото- рой предмет у, находящийся от нее на расстоянии k, рассматривается под углом У = arctg . (2.28) Гла। ш|б.'под.'|Т1'.1я, расположенный в точке О', рассматривает изображение у' с расстояния k' под углом Из формул (2.28) и (2.29) следует: Г = tg y7tg у = y'khyk' = Vk!k’. (2.30) Отрезки fe и k' отрицательны, так как они отсчитываются от центра зрачка по направлению прохождения света, который всегда идет от пред- мета пли его изображения к глазу. Вместо формулы (2.30) на основании рис. 2.15 получим tg to' е‘ k lg ш е k' ’ Согласно формуле (2.19а) п e'k 1 ~~ekr~V^' (2.31) * (2.32) Выражение (2.32) представляет окончательный вид общей формулы для видимого увеличения любой оптической системы. 7»
Видимое увеличение лупы Выходным зрачком лупы (и апертурной диафрагмой) обычно слу- жит зрачок глаза (<' //). Из формулы (2.32) про п - п' = 1 следует Гл = kleVtl. Согласно иыражепшо (2.9) еИр = /'(^-1). (2.33) Рассматриваемый предмет находится в переднем фокусе, т. е. г = 0; согласно формуле (2.2) увеличение V = оо. Поэтому из выраже- ния (2.33) следует, что eVp = —f. Принимая расстояние наилучшего зрения для невооруженного глаза k — —250, получим Гл = = kleVIt = 250//'. Видимое увеличение лупы, работающей с аккомодирующим или аметропическим глазом В этом случае предмет находится на расстоянии г от переднего фо- куса /' лупы, а его изображение через лупу — па расстоянии г' от зад- него фокуса !•" (рис. 2.16). Зрачок глаза, служащий выходным зрачком лупы, находится на расстоянии г', от F' луны: с — расстояние от зрачка глаза до изображения у' — есть расстояние, па которое аккомодирует Рис. 2.16. Определение видимого увеличения лупы, работающей совместно с аметропическим глазом глаз, а в случае пметроппческого глаза — расстояние до его дальней точки. Вели расстояние с выражено в мм, то с = 1000/Д, где А — на- пряжение аккомодации (пли аметропия глаза во втором случае) в диоп- триях. Из рис. 2.16 следует г = гр + ЮОО/ Д. (2.34) Полстнповка о формулу (2.30) значений k — —250 мм и k' — с — = 1000/Л, г' из формулы (2.34) и V из формулы (2.2) дает г Г’()(| ,| (2-35) 111 " /' \ 1 юоо у • 80
При /1 = 0 формула (2.35) переходит в выражение для Го неаккомоди- рующего глаза (эмметропа): Го = 250//' формула (2.35) принимает вид Гл —Го +тооо Если зрачок глаза наблюдателя находится в задней фокальной пло- скости лупы, т. е. Zp = 0, тогда Гл = Го, т. е. видимое увеличение лупы не зависит от аккомодации и аметропии глаза наблюдателя. Телескопические или афокальные системы Параллельный пучок, попадающий в телескопическую систему, вы- ходит из нее параллельным. К телескопическим системам относятся астрономические и геодезические трубы, бинокли, перископы, различ- ные зрительные трубы. Простейшая телескопическая система состоит из двух основных компонентов — объектива и окуляра, причем задний фокус объектива совмещен с передним фокусом окуляра. Оптическая сила такой системы равна нулю. Главные плоскости системы находятся в бесконечности. Так как система находится в воздухе, то из формул (2.6) и (2.8) Q =» е= VIW = V2; q = V2. Все три увеличения V, W и Q постоянны. В телескопических системах зрачок глаза совмещен с выходным зрачком прибора, т. е. е' = k' и е = k. Из формулы (2.32) следует, что Гт = 1/Vp = 1/V = IV = tg ®7tg т. e. видимое увеличение есть величина постоянная и равная угловому увеличению системы. Про- дольное увеличение q = 1/Г,.. Из рис. 2.17 следует, что tg ® = у'//'б и tg ®' = y'/f’0R. Увеличение телескопической системы, состоящей из объектива и окуляра, может быть определено по формуле гт=/;б//;к=оР/^- • * (2.зб) Если в систему входит еще и оборачивающая система с линейным увеличением V, то Г„ = 81
Сложный микроскоп Кардниальные точки, фокусы, главные плоскости упрощение* оптической системы, Па рис. 2.18 нрипедена схема оптической системы микроскопа, состоящего из объектива / и окуляра 2, с указанием расположения главных плоскостей и фокусов, фокусных расстояний, а также и расстояния между ее компонентами. С целью упрощения ри- сунка объектив и окуляр заменены простыми линзами. Как показано на рис. 2.18, в случае положительного окуляра задний фокус микро- скопа F' лежит впереди второй главной эквивалентной плоскости Н' и поэтому заднее фокусное расстояние микроскопа является отрицатель- ным; тем не меиее его система не эквивалентна простой отрицательной линзе. Рис. 2.18. Схема оптической системы микроскопа При наблюдении нормальным пеаккомодированным глазом пред- мет совмещен с передним фокусом всего микроскопа. Задний фокус объектива и передний фокус окуляра находятся друг от друга на рас- стоянии оптического интервала Ад = —/обУоб. Заднее фокусное расстоя- ние микроскопа вычисляется по формуле р __ /об/ок /об^ок /об + /ок~б/ А" Расстояние заднего фокуса микроскопа F' от заднего фокуса окуляра Fok *!' ~ — foidojЛ0 — /ок/^0- Соотвегс1пеппо расстоипне переднего фокуса микроскопа от перед- него фокуса объектива ZF = focfoc/^O — Расстояние передней главной плоскости микроскопа от переднего фо- куса объектива равно ZH = Zp-f. Расстояние задней главной плоскости системы микроскопа от зад- него фокуса окуляра Дд 82
Апертурная диафрагма ЛД микроскопа расположена в задней фо- кальной плоскости объектива, а палевая диж|>рагма ПД — в передней фокальной плоскости окуляра. Оптическая система микроскопа с осветительным устройством для проходящего света. На рис. 2.19 приведена принципиальная опти- ческая схема микроскопа с упрощенной осветительной системой, вы- полненной по принципу Кёлера. Отдельные ее узлы заменены главными плоскостями и расположены на одной прямой. Коллектор 2 изображает источник света / в апертурную ирисовую диафрагму 4 конденсора 5, который проецирует полевую диафрагму 3 коллектора в плоскость предмета 6. Выходящие из конденсора параллельные пучки лучей рав- номерно освещают прозрачный предмет в пределах изображения диа- Рис. 2.19. Принципиальная оптическая схема микроскопа с упрощен ной осветительной системой метра полевой диафрагмы коллектора. После взаимного пересечения на освещаемом участке предмета пучки лучей расходятся, направляясь в объектив 7 микроскопа. Угол, образуемый с оптической осью лучом, выходящим из пситра предмета п направляющимся в край зрачка, является апертурным углом. Предмет расположен перед передним фо- кусом объектива микроскопа, который дает действительное, перевер- нутое н увеличенное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра 10 (т. е. в плоскости полевой диафрагмы 9 микро- скопа). Выходящие из окуляра параллельные пучки лучей попадают в эмметропический глаз и собираются на его сетчатке, где образуется окончательное изображение рассматриваемого предмета. Изображение же источника света получается в задней фокальной плоскости объек- тива микроскопа, в которой происходит пересечение параллельных лучей. В этой же плоскости располагается и апертурная диафрагма 8 микроскопа. Еще раз изображение источника света создается в выход- ном зрачке микроскопа 11, являющемся изображением апертурной диа- фрагмы 8. Зрачок глаза наблюдателя совмещен с выходным зрачком 11 микроскопа, а следовательно, изображение источника света распола- гается па зрачке глаза, а изображение рассматриваемого предмета — иа его сетчатке. Наличие в осветительной системе ирисовых апертур- ной и полевой диафрагм позволяет раздельно регулировать величину числовой апертуры и диаметр освещаемого поля зрения. Видимое увеличение микроскопа. Масштаб изображения. Принято считать, что увеличением микроскопа называется отношение изображе- ния, получаемого на сетчатой оболочке глаза при помощи микроскопа, к изображению того же объекта на сетчатке невооруженного глаза. Прн этом предмет рассматривается невооруженным глазом на расстоянии 83
наилучшего зрения D = —250 мм; тогда в соответствии с рис. 2.18 увеличение микроскопа будет равно г 250 Д„ 250 .. р * м — ~Т~ ь;-----— = vоб* ок* <м <об /ок (2.37) В современных конструкциях микроскопов между объективом и окуляром, как правило, находятся оптические компоненты, которые, обладая оптической силой, влияют на увеличение микроскопа. Приведем формулы расчета увеличения микроскопа для случаев, когда в нем применяются следующие компоненты: а) линза, смещающая изображение, даваемое объективом, и уве- личивающая его в масштабе Ул.с-' Гм = УобГокУл. с! (2.38) б) проекционная система (фотообъективы, проективы и т. д.), пере- дающая изображение, дшшемос микроскопом, на экран, фотопленку и другие приемники световой энергии с увеличением Упр: М-ТмУ,,,,; (2.39) в) окуляр и качестве проекционной системы, передающий изображе- ние, даваемое объектном, на конечное расстояние (мнкрофотопасадки типа МФ11) с увеличением Уок: М = Уо5Уок. (2.40) Часто при фотографировании с окуляром, увеличение последнего опре- деляется величиной К — коэффициентом увеличения камеры, тогда Л4=ТМК, (2.41) где К — s'/250 (s' — расстояние от задней главной плоскости проек- ционного окуляра до изображения; например, если s' = 150 мм, то К = 150/250= 0,6). При применении в микроскопе микрообъектива, рассчитанного для бесконечно удаленного изображения, и тубусиой линзы с фокусным расстоянием л увеличение микроскопа равно Гм = ft. л^ок//об (2.42) или Гм = -^-4у-Г°к = Гоб9«Гок, (2.43) Л>б где Гой — 250//<>б— увеличение объектна, соответствующее увеличе- нию лупы; qx — коэффициент' увеличения тубусиой линзы. 84
При применении тубусной линзы с дополнительными компонентами, соответствующими условиям а—в [формулы (2.38)—(2.40)], увеличения микроскопа можно представить следующими формулами: Гм = —— Vл. <Д’ок> (2.44) /об м .-ГмЦ1р ; -~У..РГОК; (2.45) /об f' f М = К, или М = V0K. (2.46) /об /об Зависимость между диаметром выходного зрачка и увеличением микроскопа. Поскольку в системе микроскопа выполнено условие синусов, то с достаточной степенью приближения диаметр выходного зрачка микроскопа можно вычислить по формуле [100] D’p, = 2n sin <зА1ы = 2Af'M. (2.47) Подставив /и = 250/Гм из формулы (2.37), получим Dpr = = 500А/Гм. Так, например, если Гм = 500А, то Dp' — 1 мм; при FM = I000A имеем Dp’ = 0,5 мм. Линейное поле микроскопа. При визуальном наблюдении линейное поле микроскопа определяется диаметром того круга в плоскости предмета, изображение которого заполняет полевую диафрагму оку- ляра. Чтобы определить величину линейного поля всего микроскопа в пространстве предметов, необходимо линейное ноле окуляра разде- лить па увеличение объектива, я п случае применения дополнительных линзовых компонентов, размещенных в тубусе микроскопа между объ- ективом и окуляром, — на их общее увеличение. Линейное поле микро- скопа D = 2у = 500 tg w'/Гм- Передача перспективы оптическими приборами Центром перспективы в пространстве предметов служит центр вход- ного зрачка, а в пространстве изображений — центр выходного зрачка. Характер перспективы меняется в зависимости от того, где расположен входной зрачок системы относительно предмета и самого прибора [100, 111]. Наблюдение предметов через лупу. 1) Нормальная перспектива — зрачок глаза расположен между лупой н се задним фокусом; предмет, более близкий к лупе, виден под бблыпим углом, чем предмет более да- лекий. 2) Гиперцентрическая перспектива — зрачок глаза расположен за задним фокусом лупы; предмет, более близкий к лупе, виден под меньшим углом, чем предмет более далекий. 3) Телецентрическая перс- пектива — зрачок глаза совпадает с задним фокусом лупы; в простран- стве предметов главные лучи идут параллельно оптической оси, т. е. входной зрачок расположен в бесконечности. Такой ход лучей назы- вается телецентрическим и имеет большое практическое значение 85
в измерительных приборах, так как устраняются ошибки измерения при установке на резкость |>00]. Лилейное поле зрения лупы 2у =- где D — световой диа- метр лупы, /'р — расстояние зрачка глаза от лупы. Естественное впечатление 11з рис. 2.15 следует, что tg <о — —yle\ tg у' = — y'/k'. По условию естественного впечатления требуется, чтобы <о = у'. Следовательно, у!е~ у’Ik', откуда Не = y'lyk' = Vfk'. Принимая во внимание фор- мулу (2.30), Г = kle. При фотографировании далеких предметов (ланд- шафтная съемка) можно положить е — k. Тогда для получения есте- ственного впечатления от такого снимка требуется Г= 1. С другой стороны, из формулы (2.36) следует: для того чтобы Г = 1, необходим^ /' = 250 мм. Если f < 250 мм, то для получения естественного впечат- ления от снимка прибегают к увеличительному стеклу. Положив видимое увеличение Г = 1, из формулы (2.36) найдем условие естественного впечатления от изображения иа экране k' = = где k' — расстояние от экрана до глаза наблюдателя, рас- сматривающего изображение; f — фокусное расстояние киносъемоч- ной камеры; М — масштаб изображения, даваемый проекционным аппаратом. Пример. Дано: Ь — ширина кадра (ширина изображения на плевке) равна 22 мм; == 100 мм; В — ширина экрана. Тогда k' — М]'к == = Bl^b В100/22 4,5В. Общие формулы для светосилы оптического прибора Светосилой оптического прибора принято называть величину, характеризующую освещенность изображения. Входящий в оптическую систему световой поток, заполняющий входной зрачок (см. рис. 2.12), вычисляется по формуле | ЮС 1 Ф = пВ dS sin2 о .. Л Выходящий из системы световой поток равен Ф' = тФ = т/t dS sina оЛ, (2?48) где т — коэффициент пропускания системы; В — яркость элементар- ной площадки dS, расположенной на оптической оси иернеиднкулярио к последней; од — апертурный угол в пространстве предметов. Вели- чину выходящего светового потока можно вычислить по формуле Ф = лВ' dS sin 'Од,, где Од, — апертурный угол в пространстве изображения; В" — яр- кость изображения элементарной площадки dS'. Так как В' = п'\в1п*, то ,2 Ф - л ъВ dS' sin1 оА>. (2.49) Световой поток, излучаемый плошидкой d.S, распределяется в про- странстве изображений ио площади dS'. Величина светового потока, 86
при годящего на единицу площади, определяет освещенность в про- стране гне изображения. Вследствие этого величина светосилы [ 111JН — li dS'. Из формулы (2.48) Н = лт d S sin2 o^ldS', но так как dS'/dS = V, sin Од, = sin оА/И, следовательно, Н = nx(sin oa/F)2 == ят зш2Од,. (2.50) Светосила оптического прибора при малой передней апертуре (объективы зрительной трубы, фотографические объективы для ландшафтных съемок и т. д.) Подстановка в формулу (2.50) значеиий'зш ад == Dpl2e ng — лт/4 дает Н = g (Dp/eV)2; приняв во внимание (2.9) и n = n' = 1, получим / \2 / Dp \2 • (251) Для бесконечно удаленных предметов V = 0 из формулы (2.51) получим Выражение для физической светосилы объектива Н = g (Dp/f^. Если положить g = 1, тогда Нв — [Dp/f^ представляет собой квадрат относительного отверстия и характеризует геометрическую све- тосилу объектива. При съемке предметов с конечного расстояння свето- сила уменьшается. Например, при репродукции снимка в масштабе V = —1 симметричным объективом (Vр = 1) из формулы (2.51) полу- чим И = 0,25g (Dplfoef, т. е. светосила уменьшается в четыре раза по сравнению е той, когда s1 = оо. Квадрат диаметра выходного зрачка Dp, зрительной трубы принято называть относительной светосилой трубы. Пример. Определить величину светового потока, поступающего на фотокатод ФЭУ, от имитатора неба (яркость 20 000 кд/м2) через объ- ектив с фокусным расстоянием Г «- 100 мм и Dp-~ 50 мм, если диаметр фотокатода <5кат 8 мм и свеюнропускание оптической системы т=0,8.. Решение. Применим формулу (2.49). Так как оптическая си- стема, передающая световую энергию на фотокатод, расположена в воздухе, то n — п’ — 1. Найдем площадь фотокатода; dS' — =я rf^ .T /4= 0,5-10" 4 м2; выходная числовая апертура объектива (уве- личение в зрачках V — 1) равна sin о’А' = D'pf2f'o6 = 0,25; по фор- муле (2.49) найдем Ф’ = 0,16 лм. Светосила оптического прибора при малой задней апертуре (проекционные приборы, осветительные системы, прожекторы и др.) Подстановка в формулу (2.50) величины sin а^. — '2е' дает II лгО;,'/4с'2 =, tS’/'e'-, (2.52) где Dp. и S' — соответственно диаметр и площадь выходного зрачка, ё — расстояние от выходного зрачка до плоскости изображения. Освещенность, создаваемая действием прожектора, вычисляете! по формуле Манжеиа Е = xCS'/e'2. • (2.53) 87
РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ Согласование разрешающей способности прибора с разрешающей способностью глаза Предположим, что изображение у получается такой величины, что оно из точки О', являющейся центром зрачка глаза, рассматривается под углом у', равным е — предельному углу разрешающей способ- ности глаза. Угол (01; под которым находящийся на пределе разрешения предмет у виден из центра входного зрачка прибора, является также предельным углом о>. Главный луч в пространстве изображения при этом образует угол <£>' ~ <£>’ (см. рис. 2.15). Пользуясь рис. 2.15, можно определить в линейной мере величину предмета, находящегося на гра- нице разрешения: у — —/ге/Г. В случае лупы или микроскопа k = = —250 мм (в в рад), тогда у ~ 250 е/Г -= /'е. Для прибора дальнего действия (зрительные трубы, бинокли и т. д.) удобнее выражать разрешающую способность через угол со, являю- щимся предельным углом разрешающей способности всей системы, со- стоящей из прибора и глаза наблюдателя: <£> = /ге/Гте. Так как для при- бора дальнего действия k — е, то со = е/Гт. Пример. Призменный бинокль имеет Гт = 15х. Если принять е = Г, то в) 60'715 — 4 с. Па разрешающую способность прибора влияет кроме разрешаю- щей способности глаза еще н степень коррекции аберраций оптической системы. В фотографических объективах разрешающую способность принято определять числом линий N на 1 мм. Теоретически Л/т = = 1/1,22КЛ, где K=(f'/Dp)—диафрагменное число; если А = = 0,5 мкм, тогда N «э 1600/К. Практически разрешающая способ- ность зависит от аберраций фотообъективов и свойств фотографических слоев. Так, например, у высокочувствительных крупнозернистых эмуль- сий разрешающая способность равна 40—50 линиям на 1 мм, у мелко- зернистых 100—150, у фотоматериала специального назначения 200— 800. Как правило, разрешающая способность сиссмы, состоящей из фотографического объектива и светочувствительного слоя, значительно меньше, чем теоретическая разрешающая способность объектива (емс табл. 4.50—4.53). Дифракционная разрешающая способность прибора Явление дифракции от краев диафрагм, ограничивающих пучок лучей, вызывает понижение разрешающей способности. Наименьшее расстояние между двумя светящимися точками (или линиями), которые еще могут быть различимы, является мерой разрешающей силы. Для определения предела разрешения микроскопа применяются тест- объекты (диатомеи), для зрительных труб и фотообъективов — штри- ховые миры. При визуальном испытании контраст светлых и темных полос — решающий фактор. На рис. 2.20 даны изображения двух то- чек, частично ц.'1лага1ощнхся одно на другое. Картина распределения освещенности нредс|;шлепа штриховой линией с некоторым минимумом. Разность между этим минимумом и соседним максимумом составляет 5% и является для глаза предельно допустимой. Эта разность в освещен- 88
пости соответствует наименьшему расстоянию между двумя точками определяемому в оптических единицах значением [85] %! = 2лг'= 3,3, (2.54) где г' — расстояние между центрами изображения двух точек (или двух прямых линий), соответствующее угловой величине аДИф. На рис. 2.20 показано, что адиф — z'/f'o6-, а'А, = Dp/2f'o6, где Dp — диа- метр входного зрачка объектива телескопической системы; f'o6 — фо- кусное расстояние объектива. При х, — 3,3 из выражения (2.54) полу- чим аДИф — 1,05X/L>p. Если X — 0,000550 мм, то аД)1ф в секундах дуги составит ссдиф ~ 120 /Dp, (2.55) где Dp — выражается в миллиметрах. Рис. 2.20. Определение дифракционного преде- ла разрешения оптической системы По формуле (2.55) можно определить разрешающую способность глаза. Так для диаметра входного зрачка глаза £>гл = 0,5 мм, адиф — — 4'. Если £>гл = 2 мм, то адиф = Г. При £>гл > 2 мм разрешающая способность глаза вследствие физиологических свойств не увеличи- вается. Предел разрешения микроскопа определяется дифракционными яв- лениями, возникающими в плоскости предмета,, микроструктура ко- торого действует на световые волны подобно дифракционной решетке. Максимальная разрешающая способность микроскопа при косом осве- щении определяется по формуле [100] Pl А, Аоб + Ай~“2А^’ <2’56) где Аоб И А/г — соответственно числовая апертура объектива и кон- денсора микроскопа. Чтобы полностью использовать разрешающую способность микро- скопа, определяемую формулой (2.56), необходимо иметь соответствую- щее полезное увеличение микроскопа. Это увеличение должно быть на- столько большим, чтобы наименьшее разрешаемое микроскопом расстоя- ние с/Диф составляло в пространстве изображений микроскопа угловую величину, не меньшую, чем предельный угол разрешающей способ- ности глаза наблюдателя е = dVM/k. Подставив в эту формулу 89
«качениеd из (2.56) и k — —250 мм, найдем Гм —250'0,00029г А/0.5Х— = —в Л/6.9Х (где е выражается в минутах, X — в миллиметрах). Пола- гая величину в в пределах от 2 до 4', получим Л/3.45Х < | Гм | < Л/1.72Л-; (2.57) для видимой области спектра (X = 0,000589 мм) 500А < |ГМ|< 1000А. (2.58) Значения Гм, удовлетворяющие неравенству (2.58), называются значениями Полезного увеличения микроскопа. Полезное увеличение телескопической системы определяется из условия, что разрешающая способность телескопической системы может быть использована глазом наблюдателя в полной мере, т. е. что угловое расстояние между изображениями двух точек за окуляром должно быть не меньше определенной величины, например Г. При таком усло- вии разрешающая способность системы определяется разрешающей спо- собностью объектива. Из формул (2.27) и (2.55) адиф ~ адифГт ~ *2° Если адиф — 8= 1', то Гт = 0,5Dp называется полезным увеличением зрительной трубы. Чтобы увеличить угловое поле, яркость и диаметр выходного зрачка системы в большинстве случаев принимают Гт < < Dp (Dp в мм). Полезное действие зрительной трубы определяется коэффициентом L = b'ib, где Ь — острота зрения невооруженного глаза, о — острота зрения глаза, вооруженного зрительной трубой при тех же условиях наблюдения. Как принято в физиологической оптике Ь — 1/е и Ь' — 1/г (е и е — угловые размеры в минутах наименьших деталей объ- екта, разрешаемых соответственно невооруженным и вооруженным глазом). Для реальных приборов отношение полезного действия к увеличе- нию Гг, т. е. N — Ь/Гт, называемое коэффициентом использования увеличения, всегда меньше единицы. Коэффициент N определяет рацио- нальность выбора основных оптических характеристик зрительной трубы применительно к заданным условиям наблюдения. ГЛУБИНА ИЗОБРАЖАЕМОГО ПРОСТРАНСТВА Глубина изображаемого пространства определяется допус1имс.й величиной кружка рассеяния г' в плоскости изображения. Допустим..я величина г' зависит от назначения оптической системы и условия наблю- дения. Плоскости, названные на рис. 2.21 передней и задней плоско- стями, ограничивают то пространство, которое изображается еще резко при фокусировке объектива на плоскость наведения. Кружки рассея- ния в изображении должны быть видны наблюдателю под предельным углом р, величина которого колеблется в зависимости от условий на- блюдения от I до 4'. Действительный диаметр кружка рассеяния при наблюдении с условного расстояния г' — 250 tg в = 250 sin е. — = 250г. Чп Г, Кружок рассеяния г', спроектированный обратно на плоскость павстеппя, ранен z г'/И (V -- масштаб изображения или линейное увеличение). Расстояние между передним й задним планами 90
Л) 4- Д2 определяет геометрическую глубину резкого изображения и вычисляется по формуле Тт = Aj + Д2 « 2е4г/П, где Aj = е®е/(£>4-ее); Д2 = г2е/(£> — ее); е выражается в радианах; е — расстояние от входного зрачка до плоскости наведения. Если снимок будет получен контактным печатанием с негатива, то необходимо, чтобы на негативе все кружки рассеяния не превышали допустимой угловой величины. Поэтому г < ek (k — расстояние, с ко- торого будет рассматриваться снимок). Чтобы при этом восстановить правильную перспективу предметов, расстояние k должно бить равно фокусному расстоянию примененного объектива. При этом условии г = /'е и z — z'IV = ft/V = ее; е} — De/(D 4~ ее); е2 = Dei{D — ее). Рассмотрим следующие случаи <|юкусировки. 1. Если фокусировать на бесконечность (плоскость наведения е = — оо), то е2 = Pit. 2. Если фокусировать так, чтобы задний план был в бесконечности (<’2 = ею), -то е2 = £>/2е, т. е. в последнем случае расстояние до перед- него плана вдвое меньше, а глубина, следовательно, больше. Поэтому выгодно фокусировать не на бесконечность, а на плоскость Д2. Эту плоскость называют началом бесконечности, так как дальше нее все точки пространства изображаются в фокальной плоскости резко. Диа- фрагмированием объектива можно увеличить глубину и приблвзить начало бесконечности. Если фотографирование производится короткофокусным объекти- вом и снимки получаются увеличением негатива в М раз, то допуск на диаметр кружка рассеяния на негативе должен быть уменьшен соответственно в М раз. В этом случае г' < f't/M, г = ее/Л4; ' Ре е* ~~ D -ф ее/Л1 Ре £* ~ D— №/М ’ 9)
Глубина резкости телескопической системы Глубина резкости, выраженная в диоптрийной мерс, телескопиче- ской системы, у которой зрачок глаза действует как апертурная диа- фрагма, равна глубине изображения глаза 7’1Л 1/3,5/),л, уменьшен- ной в Г, раз 7 г / гл/| т - 1 /3,5ПглГт. (2.59) Это равенство справедливо и в том случае, когда увеличение телескопи- ческой системы больше нормального, т. е. когда диаметр выходного зрачка прибора меньше зрачка глаза. В этом случае в формулу (2.59) вместо DrJI глаза подставляется диаметр выходного зрачка прибора Dp'. По сравнению с глубиной аккомодации глубина изображения в теле- скопической системе очень мала, так же как и в лупе. Глубина резкости лупы и микроскопа Глубина резкости лупы вычисляется по формуле т _ п ti' Ргл 2-2502е Гл°гл (2.60) где /?,.л — диаметр зрачка глаза; f — фокусное расстояние лупы. Если для лупы принять в среднем £>гл = 3 мм и е = Г (0,00029 рад), то Тл — 12,5/1'л мм. Исключив из формулы (2.60) /), ,, и [' с помощью формул (2.37) и (2.47), глубину резкости микроскопа (мм) можно вычислить по фор- муле Ти = ^°-. (2.61) и Так как в пределах полезного увеличения микроскопа диаметр выходного зрачка D'p,^ 1 мм, то при определении глубины резкости в микроскопе следует исходить из волновой теории света (дифракции) т 1м - 2да Глубина резкости при аккомодации глаза В приведенных выше случаях предполагалось, что глаз наблюда- теля аккомодирован на определенную плоскость. Однако глаз может аккомодировать ог своей ближней точки до дальней (Л = 1/ар — 1/а^). Полому глубина резкости изображаемого пространства должна быть увеличена с учетом и глубины аккомодации. Для лупы и микроскопа глубина аккомодации в пространстве предметов (мм), сопряженная с границами области аккомодации нево- оруженного глаза, может быть вычислена по формуле /250 у а /м ' \ Гм ) 1000 ~ 1000 где А —объем а к комод, щи и ih.ii.i, (дшр). 92
Объем аккомодации для нормального глаза (эмметропа) при ар = = 250 мм составляет 4 дптр, тогда Ти = 250/Г2 = 0,004/'2, где f — заднее фокусное расстояние системы (мм). У лупы и микроскопа область аккомодации распространяется от передней фокальной плоскости всего прибора, оптически сопряженной с дальней точкой нормального глаза, в направлении к прибору. Если изображение проецируется на экран или матовое стекло, то Та = 0. У зрительной трубы, установленной на бесконечность, дальная точка лежит на расстоянии (м) а'к = о^Г2 от входного зрачка. У всех приборов глубина аккомодации обратно пропорциональна квадрату увеличения. Опа играет существенную роль у приборов с ма- лым увеличением в основном у слабых лун. Следует помнить, что изменением аккомодации нельзя получить резкое изображение всех предметов, расположенных в пределах глубины Та одновременно. АБЕРРАЦИИ ЦЕНТРИРОВАННЫХ СИСТЕМ Вследствие аберраций оптической системы точка объекта изобра- жается в виде фигур рассеяния, а прямые линии — нерезкими и искрив- ленными. Существует семь основных аберраций. Две из них — хрома- тические (продольная хроматическая аберрация, или короче — хрома- тизм положения и хроматизм увеличения), остальные пять относятся к монохроматическим аберрациям. Монохроматические аберрации можно разбить на аберрации широкого пучка (сферическая и кома) и полевые аберрации (астигматизм, кривизна поля и дисторсия). Аберрации третьего порядка. Коэффициенты Зейделя При расчете оптических систем широко применяется теория абер- рации третьего порядка [85, 86, 100, 102]. Поперечные аберрации третьего порядка для плоскости предмета, расположенной на конечном расстоянии, можно представить по степеням заднего апертурного угла при условии нормировки ар = 1; /г, = ад; = 1; Hi (высота пересечения второго параксиального луча с поверхностью): —2п' kgr == Q1 ф- ф* ) Sj ф- (3oz2 ф- ф/2) (OjSj I ф- ф- о'<о/2 (3S„j ф- Z2Sjy) ф- (DjSyj —2n' AG' = ф' (о'2 ф- ф'2) S] ф- га'ф'ю^цф- Ф- фо2 (S|U -h /2S|V), (2.62) где I = п^е^, er — ty — sx; &gP и AGP — аберрации в меридиональном и сагиттальном сечениях соответственно. 93
Поперечные аберрации по степеням координат т, и Мг на входном зрачке, когда плоскость предмета расположена на бесконечности (at=T)I —оо) при условии а'р = I; hi = I; t, = Ht\ I = —n = —i: 1 4- ffljWj (3S1[loo + S1V) -|- (o',/ SVoo; o„, Mi + Ml) c Zn^M&i c —in до — —j n«> 4- j-’ *п<» + 4-Afj®^ (^П1~ + ®iv)* (2.63) Здесь S|, S||, Shi, Siv, Sy — соответственно поверхностные коэффи- циенты, сферической аберрации, комы, астигматизма, кривизны поля и дисторсия третьего порядка. Pk = (^)26(aftW)==r*'$r; = =rfr/f (при S| =оо) 6P* = P*-₽ft; М» = — ; ’ = Wk = C0l,st: h;, — высота пересечения c ft-ii поверхностью первого параксиального луча; nlf и п], — углы с осью первого параксиального луча до и после преломления с /г-ii поверхностью (проходящего через точку предмета, расположенную на оси (рис. 2.5)]; р^ и Р^ — углы с осью второго парак- сиального луча (проходящего через центр входного зрачка). Коэффициенты аберраций третьего порядка бесконечно тонких компонентов В бесконечно топких компонентах Ли// постоянны. Принято обозна- чать через Р* и IF* .тиичепне сумм Р;* и 1FJ во всем поверхностям Pro компонента. Положив 2 (<|’/л) - л/, где ip — приведенные оптические 94
сады линз i’-го компонента, из (2.64) можно получить для т тонких компонентов формулы т т т ' 5и=^н/{-/ I i 1 m tn tn tn siv 2^ф'л'; i Из формул (2.65) вытекают два важных следствия. 1. Плоскость предметов находится на конечном расстоянии («1 0) SI==S1yp*; —V (tj—sJW*-, glll=-4r^-2(/1-S1)-b-r*+ .Y^-Sl)8 (1_V); sik 5i Ъ •$iv - --y(’ — i7); л- (2.66) + ('1-*1)а(-|-)2(3 + л)(1-У), при условии a, = V; ht = s, V; = Ht; & = 1; I = n.r (t, — sj V. 2. Плоскость предмета бесконечно удалена (а, = 0, з, == —ос) S.=P; S..=t.P + W-, S... = t2pJr2t,W-Jr 1; SIV = n; SVc. = <?P + 3f2r + f1(3 + n) (2.66a) при условии а, = 1; Л| — 1; fit •-= 1; /( — 1Ц; I = —nt — —1 . Если плоскость входного зрачка совпадает с тонким компонентом tt = 0, то 5|оо = Р; St,. - w: -s’ni« ; I; s,v. SV~= 0; т- e- астигматизм, определяемый коэффициентом Sm, не поддается исправлению и имеет постоянное значение; дисторсия равна нулю. Параметры Р и W (характеризуют аберрации тонких компонентов в случае а, = 0 и s, = оа) и Р* и W* (в случае а, =^= 0) имеют линейную зависимость: Р = [Р* — 4аW* + а (а'—а) Ц(4 + 2л) а + — — а)я; IF = [IF* — а (а' — а)(2 4- л)[/(а' — а)3; величины Р, W %
и п называются основными параметрами [85, 86]. Они зависят только от внутренних элементов компонента (радиусов поверхностей и от показа- телей преломления стекол) и полностью определяют все пять аберраций третьего порядка монохроматического луча. Практически я = 0,6-t-0,7. Сферическая аберрация Продольной сферической аберрацией называется разность по опти- ческой оси отрезков s;' для лучей, выходящих из точки на оси и падаю^ щих на входной зрачок системы на высоте Л* (например, лучи 1, 2^ Рис. 2.22. Сферическая аберрация линзы. Образование каустики на рис. 2.22, а), и Sq — для параксиального луча, т. е. As' = s'k — s'o. Продольная сферическая аберрация может быть выражена четной функ- цией переменной а или h [85, 86, 100, 102J Ах'ф = аа'2 Ьа'4 -ф со'6 -ф • •, где а, Ь, с и т. д. — соответственно коэффициенты аберраций третьего, пятого и седьмого порядков. При наличии сферической аберрации строе- ние преломленного пучка остается симметричным относительно опти- ческой оси. Поперечная сферическая аберрация равна Дф = As^ tg o'. Согласно формуле (2.62) поперечная сферическая аберрация третьего по- рядка Д£[[1(.ф=—o^S^n’, а формуле (2.63) Д^[11сф= — Поверхность, огибающая лучи, называется каустикой (рис. 2.22, а). В рассматриваемом пучке существует наиболее узкое место каустики, соответствующее наименьшему пятну рассеяния, где верхний луч пере- секается с нижней ветвью каустики. Расчет распределения энергии в изображении иоказынает, что наялучшая плоскость установки, в кото- рой получается наиболее резкое изображение, нс совпадает с плоскостью наименьшего поперечного сечения каустической поверхности. Построив график поперечной сферической аберрации, можно с его помощью определить такую плоскость установки, в которой кружки рассеяния 96
наименьшие (рис. 2.22, б). Для этой цели из начала координат прово- дится прямая аа' таким образом, чтобы кривая поперечной сферической аберрации вправо и влево от нее имела одинаковые отступления. На рис. 2.22, б смещение плоскости установки определяется углом <р — наклона прямой аа' относительно оси ординат. Величина смещения (дефокусировка) плоскости установки параксиального изображения | = Ag'/o'. Кружки рассеяния будут определяться расстоянием точек кривой до прямой аа'. Практически удобный способ нахождения на- клона прямой, определяющей величину смещения плоскости установки, в которой кружки рассеяния наименьшие, заключается в следующем: проводят дне касательные к кривой поперечной сферической аберрации, построенной симметрично относительно оптической оси. При этом каса- тельные должны проходить через конечные точки В и В' кривой ВОВ'. Прямая, проведенная параллельно касательным и проходящая через начало координат О, будет искомой прямой аа', (Для определения на- клона прямой аа’ можно.ограничиться одной касательной.) Кома Под комой понимают асимметрию широкого наклонного пучка, вышедшего из точки предмета вне оси, по отношению к главному лучу пучка [12, 100]. На рис. 2.23 показан один нз случаев меридиональной комы. Главный луч ВР пучка пересекает плоскость изображения на высоте у'гл. Верхний и нижний лучи, проходящие входной зрачок на Рис. 2.23. Строение широкого меридионального пуч- ка лучей; возникновение комы высоте ±т, пересекают плоскость изображения на расстоянии у'+1п и у'_т от оси. Величина меридиональной комы k = (^y'+m~t~ ylm)/2 — У'гл- Йрн наличии комы внеосевая точка предмета изобразится в виде пятна рассеяния, по форме напоминающего комету с ярко освещенной верши- ной и довольно широким хносгом, плотность энергии в котором быстро убывает. Например, яркое пятно будет расположено в точке В’о, а хвост направлен в сторону от оси (внешняя кома). Из формулы(2.62)мери- диональная кома третьего порядка (ф' = 0) равна &g'k — —Зо'2й>15[[/2/г' Встречаются различные случаи сочетания комы со сферической Долевой аберрацией. На рис. 2.24 схематически даны три случая строе- ния пучка лучей в пространстве изображений [12]. 4 В. А. Памов и др. 97
1. Сферическая полевая аберрация и кома (k = 0) исправлены (рис. 2.24, о). Лучи и D't В'„ пересекаются в точке В'о, находящейся в гауссовой плоскости изображения. 2. Кома исправлена, но имеется полевая сферическая аберрация» так как лучи D'rB' и D'.2B’‘, симметричные главному лучу Р'В'№, пере- секаются вне гауссовой плоскости изображения (рис. 2.24, б). Рис. 2.24. Различные случаи сочетания аберраций в меридиональном сечении 3. Полевая сферическая аберрация исправлена, но имеется кома «в чистом виде» (рис. 2.24, в). На рис. 2.25 показана графически структура пучка лучей, соответ- ствующая случаям, изображенным на рис. 2.24. Обычно по оси ординат откладывается величина mt (или 102о'), а по оси абсцисс — у' (или = у' — у£. Рис. 2.25. Графическое представление аберрации в меридиональном сеченни Условия синусов 1 При невыполнении условия синусов элементарный отрезок, перпен- дикулярный к оптической оси, изображается лучами, проходящими центральную и краевые зоны системы, с разным масштабом (A'B'k 1 Условие синусом необходимо для получения резкого изображения бес- конечно малого плоского ^лемгнтл, расположенного около оптической оси и перпендикулярного к последней.
А'В'а), вследствие чего изображения получаются нерезкими (рис. 2.26). При выполнении условия синусов оптические пути всех лучей одинаковы; лучи пересекают плоскость изображения на одной и той же высоте. Из этого следует пр — n'q' или пр — ndy sin а, л V =» = n'dy’ sin o', т. е. ndy sin а = n'dy' sin o', (2.67) где dy — длина изображаемого отрезка; dy' — его изображение; <т й а' — углы, образуемые с осью до и после преломления через систему ёопряжениых лучей, идущих из точки на оси предмета; лип' — показа- 8 УТ А Аг Рис. 2.26. Разность увеличений, даваемых различными зонами Линз (а), и ее у стране- • ние путем выполнения условия синусов (б) •У толи преломления сред, в которых расположены предмет н изображение. При п == л' » 1 из формулы (2.67) следует dy'/dy — sin o/sin o'. (2.68) Правая часть формулы (2.68) должна быть величиной постоянной для всех углов она' сопряженных лучей осевого пучка и равняться линейному увеличению для параксиального луча (101, 111]. Величина 6 sin = ( vSi" ff ,-Л=4г- (2,69) \ V sin о' / V ‘ определяет отступление от условия синусов. В случае бесконечно удален- ной плоскости предмета условие синусов принимает вид Aj/sln а = f’o = const, (2.70) где /<; = ftj/a' — фокусное расстояние, вычисленное по параксиальному <учУ- Апланатические точки преломляющей поверхности Две сопряженные точки, расположенные на оптической оси системы, для которых устранена сферическая аберрация н соблюдено условие синусов, называются апланатическими точками, а сама оптическая Система — апланатической. 4* ,4»
Сферическая преломляющая поверхность может иметь три пары сопряженных апланатических точек. Первая пара: обе точки совпадают с вершиной поверхности s = <= s' = 0, линейное увеличение |/ - I. Вторая пара: обе точки совпадают с центром кривизны, т. е. s = = s' = г, V п/п’. Третья пара: сопряженные точки расположены па расстояниях s и s', П' 4~ п , п’ 4- п п / п X- S —---!— г; s =-------— г = —- s; V = ( —т-) . п п п \ п ) В первой и третьей парах астигматизм отсутствует, во второй паре астигматизм не равен нулю. Формы апланатических менисков Существуют четыре формы апланатических менисков, которые дают апланатпческое изображение точки па оси при больших апертурах вплоть до предельных. Первая форма. Передняя поверхность аплаиатичпа к положению предмета, центр второй поверхности совпадает с центром изображения от первой поверхности (рис. 2.27, а). Мениск действует рассеивающе (выходная апертура больше входной). Его Рис. 2.27. Формы апланатических менисков радиусы Г] = Sj/(n + 1); г2 = st/n — d; линейное увеличение V — 1/aj фокусное расстояние _ 1_______—nd ~ п — 1 Sj — d (п 1) Sj’ Вторая форма. Коццейтрические мениски — центры обеих поверх- ностей совпадают с центром предмета (рис. 2.27, б). 100
Третья форма. Обе поверхности действуют апланатически. Выхо- дящий пучок смещается параллельно входящему (рис. 2.27, в) ri = siKn "Ь i); r2 — (si — nd)l(n + 1); v — 1, ,, ns, — nd = .....................-S1- Четвертая форма. Центр передней поверхности совпадает с цен тром предмета, вторая поверхность аплапатичпа к предмету (рис. 2.27, г) Для первой поверхности Sj = s] — г,; Ух = 1/п; для второй поверхности s2 = гу — d\ r2 — ns.2/(n + 1); s2 = ns2 V2 = n2. Линейное увеличение мениска в сопряженных точках А и А' равно V = п, фокусное расстояние ,, __ п2 s — d п — 1 d + nsi выходная апертура sin о3 = sin cFj/У = — sin о,In. Мениск действует соби- рающе. Так,например, мениск из марки стекла ТК16 (по = 1,6126), снижает апертуру выходного пучка в 1,6126 раза. Три апланатических мениска, установленных последовательно один аа другим будут иметь выходную апертуру sin о., я!п о(/ля. Однако ЧИСЛО примененных яплипитичсских Рис. 2.28. Построение апла- натических точек менисков о! рппнчепо тем, что эти мениски становятся толстыми, а радиусы их поверхностей малыми. Поэтому практически невы- годно последовательно применять более трех менисков. Апланатические мениски не дают действительного изображения. Чтобы получить действительное изображение необходимо иметь по крайней мере одну неапланатическую поверхность. Апланатические поверхности играют большую роль в конструкциях сильных микро- объективов, у которых входная апертура доходит до 0,95 в сухих систе- мах и до 1,5—1,6 в иммерсионных. На рис. 2.28 показано построение апланатических точек Л и А' для преломляющей сферической поверхности с радиусом г < 0 и отде- ляющей две среды с показателями преломления п = 1,5 и п' — 1 (воздух). Радиусы окружностей, концентричных преломляющей по- верхности M0N (г = СО), равны СА — п'г/п и СА' — пг/п'. Незави- симо от величин углов о все лучи, вышедшие из точки А, находящейся на расстоянии s = 5г/3, преломляясь на сферической поверхности M0N, проходят через сопряженное с точкой А мнимое изображение А', находя- щееся на расстоянии s' — 5г/2. Линейное увеличение в апланати- ческих точках А и А' равно V — п“ = 1,5® = 2,25. Конструкция таких менисков применяется в иммерсионных микрообъективах [89, 100]. 101
Изопланатическое изображение элементарной поверхности вблизи оптической оси При неустранимой остаточной сферической аберрации в реальных системах стремятся выполнить условие Штебле—Лихоцкого, представ- ляющее собой обобщенный закон сииусо» Аббе п sin а _ _ As' Vn' sin а' ~ s' —t'' Для бесконечно удаленного предмета ht ___ip As' sin о' '° “s' —Г * (2-71) (2.72) где fti — высота падения крайнего луча на входном зрачке; s' — f — расстояние от выходного зрачка до плоскости изображения. Выполнение условия (2.71) или (2.72) обеспечивает изопланатиче- ское изображение, т. е. все точки бесконечно малого элемента пло- скости, перпендикулирной оптической оси, будут изображаться с одина- ковыми погрешностями или недостатками. Мерой отступления от условия изопланатизма служит величина п sin а e Vn' Bln ст' As' AV , As' t' —s' “~V I" t' —s' (2.73) или / h, , «As'\ 1 A/' , As* (2.74) Для небольшого линейного поля поперечная меридиональная кома равна km = 3/т|. Астигматизм и кривизна изображения Элементарный пучок лучей, исходящий нз точки вне осн, имеет в пространстве изображения в меридиональном и сагиттальном сечениях различные точки сходимости. Отрезки от точки падения вдоль главного луча до меридионального и сагиттального фокусов В и В' до и после преломления через одну поверхность определяются инвариантами Гульстранда и связаны формулами [79]: п cos2e’//m — лсоз'== (п cose’ — пcosе)/г; (2.75) n/t's —n/ta — (л' cos в’ — п cos е)/т (2.76) Величины tm, t&, и /' отсчитываются вдоль главного луча. При пере- ходе от поверхности с номером k к другой поверхности с номером k + 1 учитывается переходная «косая» толщина. Ни в одном поперечном сечении астигматического пучка не получается точечного изображения; пучок лучей, лежащих в сагиттальной плоскости, вблизи точки В'т Образует вместо точки горизонтальную линию, а пучок лучей, лежащих в меридиональной плоскости, вблизи В' образует вместо точки верти- кальную линию (рис. 2.29). Посередине между меридиональным В'т и сагиттальным /Г, фокусами (средняя кривизна изображения) полу- чается круглое пятно рассеяния. В других сечениях между В'П1 и S' .102
Рис. 2.29. Строение астигматического пучка лучей Рис. 2.30.11зображеиие плоской фигуры астигматическими пучками Рис. 2.31. Графическое представление астигматизма элемен- тарных пучков 103
фигура рассеяния имеет форму эллипса с различной ориентацией осей. Координаты фокусов элементарного астигматического пучка в области аберраций третьего порядка определяются по формулам (2.62): г"' ----?nr ('i'S|11 "Ь /2'Siv); 2Н--(i’lll-I-/2S|v)- Проекция астигматической разности па ось системы г’ — г' = = i<S'll|//i'. На рнс. 2.30, а дано изображение плоской фигуры, состоящей нз ряда концентрических окружностей с центром на оси и нх радиусов. Радиальные линии изображаются резко сагиттальными пучками, а концентрические окружности получаются размытыми (рис. 2.30, б); меридиональные же пучки дают обратные явления (рис. 2.30, в). Средняя кривизна изображения равна MR' = (1/R'n + 1/7?')/2. Кривизна меридиональной и сагиттальной поверхностей равна !//<„- 1//<^2г;//2. (2.77) Если система не имеет аберраций высших порядков и астигматизм уничтожен (.S| и 0), то обе фокальные астигматические поверхности слпваю1си п и (обряжение располагается на поверхности Пецваля, крпвитпа контрой, согласно выражениям (2.64) и (2.77), вычисляется по формуле 1/А\, = !//?'„ = 1//?' = —zijSjv = л, £ Стрелка поверхности Пепваля Az', = у'“ ft.R'v = 0,by'inl У fyi/r. Из теории аберрации третьего порядка z', - Az'- ;j (z' — Д7р), откуда AZp = (3z' — z^)/2. Можно соответствующим расчетом уничтожить астигматизм (г' — г’т = 0), но кривизна изображения будет оставаться (рис. 2.31, б) и, наоборот, уничтожить среднюю кривизну k (рис. 2.31, а) изображения, но тогда остается астигматизм (рис. 2.31, в). Дисторсия Нарушение подобия в геометрической форме между предметом и его изображением называется дисторсией (рве. 2.32). Изображение квадрат- ной сетки (рис. 2.32, а) принимает подушкообразный (положительная дисторсия А > 0, рис. 2,32, б) пли бочкообразный кпд (отрицательная дисторсия А < 0, рнс. 2.32, а). Дисторсия пе вызывает перезкости в изображении. Линейная величина днеторепп может быть определена кик разноси, А//' — у' — (де у' — дейенштелышн величина изобра- жения предмета в гауссовой плоскости, образуемого главным лучом, проходящим черс! центр входного прачка системы; у'„— идеальное изображение предмета у, полученное с помощью формул гауссовой оп тики, не учитывающей дисторсии у'о = Vy. Дисторсия в относительной мере Д — (у'—у',) \QOIy'. Дисторсия третьего порядка из формулы (2.62) глЗ Ag'=--§rSv. (2.78) Если Ду' *^= 0, у' — у{, при всех значениях у' ~ Vy, т. е. истинное Значение V дли всех отрезков остается постоянным: Р и' (/' —s')tgco’ к - =-5------ь------= const •- V. У tgtoi 104
В этом случае система дает неискаженное, т. е. ортоскопическое, изображение. Если Ag' =f= О, то у' = у'о + Ag'; V = V + bg'ltf, AV = V — у = Ag’/y. (2.79) Ограничиваясь областью аберраций третьего порядка, из формул (2.78) н (2.79) получим ЛI sv-~-^sv- (2-80) Оптическая система дает ортоскопическое изображение, если &V/V = 0. Необходимым и достаточным условием ортоснои.чи в области Рис. 2.32. Искажение изображений дисторсией аберраций третьего порядка является Sy = 0. Когда предмет находится на бесконечности, выражение (2.80) теряет смысл. Из формулы (2.63) при tg ы1 = <ot следует У - //,', - или Ag'/t/y = tg2co1SVoo/2n'. Если SVoo = 0, то Ду'= 0, и, следова- тельно, у' = у о, т. е. для всех углов поля зрения сох при выполнении условия ортоскопии должно соблюдаться условие —y'/tg (Oj = = — const, т. е. фокусные расстояния, вычисленные по действительным главным лучам, должны оставаться постоянными и равными фокусному расстоянию, вычисленному по параксиальным лучам [12, 79]. В системе, у которой отношение y'/tg Wj остается с достаточной степенью точности постоянным для углов но не равным параксиаль- ному фокусному расстоянию /о, считается исправленной так называемая фотограмметрическая дисторсия. В зрительных трубах допускается дисторсия от 3,5 до 10% . В аэро- съемочных объективах «Руссар», рассчитанных проф. М. М. Русиновым для целей картографии, дисторсия не превышает 0,04%. Хроматические аберрации Хроматические аберрации возникают при преломлении белого света на оптических поверхностях; при этом происходит разложение света па спектральные составляющие. Это свойство преломляющей среды носит название дисперсии. 105
При расчете оптических систем различают два вида хроматических аберраций’, хроматизм положения и хроматизм увеличения. Хроматизм положения определяет окрашенность изображения осевой точки предмета, а хроматизм увеличения — внеосевой точки. Область ахромаiизацни оптической системы зависит от ее назначе- нии. Для визуальных приборов хроматическая коррекция производится для цветов лучей С и /•', поскольку глаз обладает наибольшей чувстви- тельностью к средней части указанного интервала спектра (X = 550 нм) (12, 851. В случае передачи изображения с помощью микроскопа с большим увеличением на фотографическую пленку применяют коррек- цию, при которой соединяют изображения трех длин волн: D, С и G'. Хроматическая аберрация положения. Эта аберрация определяется расстоянием As^ между гауссовыми плоскостями изображения для двух цветов и вычисляется по формуле [85] * Чр “ 6«/. Лтц. где С/, . Ti|i7 " — разность показателей пре- ломления для длин волн Ха и Х| (условно соответствующих, например, цветам /' и С); Ц/,. =- 1//т/г; а* — углы с осью первого параксиального луча, пришлого для средней длины волны = (Х( 4* Х2)/2, соответ- ствующей основному показателю преломления л0. Для простой топкой линзы в воздухе / VI х Ал* а' — а . ЛФ =-ьГГА'1г=—“> Где v = (nD — l)/(nF — псу, Ф — оптическая сила линзы. Для системы, состоящей из т бесконечно тонких линз, хроматизм положении для случая =(= 0 вычисляется по формуле Asxp = - 4----1- Для одной бесконечно тонкой линзы в воздухе Чр= A.<p„ - -f'/v- Условия ахромятизации двухлинзового склеенного объектива Vi 4- ф> И -^4 “" - ’<₽i - ; <р8 = — v* . V| V, V! — v, vt—v8 Хроматическая аберрации увеличении в относительной мере [85] Дли компонента, состоящего из т бесконечно тонких линз в сопри- .......и, хроматизм увеличения вычисляется по формуле . т т ,____G'i y.'ht Гх' У у' ~ V* Г—s'Zd v* I 1 106
Пример. Определить хроматизм увеличения для простой линзы из стекла БФ21 (v = 40), если предмет расположен на бесконечности, а входной зрачок — в переднем фокусе линзы (/, Ф, = —1). Решение. Ду^р/у' = ®x/v = —1/v = —0,025 (2,5%). Вторичный спектр. Расчетом оптических сил (р, и <ра'марок стекол отдельных линз системы можно совместить в плоскости изображения в одну точку два луча различных длин волн (например, С и F), по при этом лучи других воли (напри- мер, D) не пересеку г ось п тон же точке. Такой остаточный хроматизм As£,f = s'F — s'D при условии sF — Рис. 2.33. Графики коррекции хроматизма положения: I — неисправленная система; II —• визуальная коррекция: III — апо хроматическая коррекция; IV -* актиническая коррекция (фотограч фпчг» К а я) — sc = 0 называется вторичным спектром. На рис. 2.33 приведена кривая для системы, у которой одновременно с исправлением хро- матизма для линии С и F устранен вторичный спектр для линии D (апохроматическая коррекция). Изображения для этих цветов рас- положены в одной плоскости. Оп- тические системы, в которых ус- транен хроматизм положения дли двух цветов (например, С и F), называются ахроматическими. Апохроматическую коррекцию имеют астрономические приборы, некоторые микрообъективы и ре- продукционные объективы для цвет- ной фотографии, геодезические зри- тельные' трубы и др} I lie системы, где требуется большое увеличение. Вторичный спектр двухлинзовых положения As('f_C)o 4= 0. то объективов. Если хроматизм , As(P-C)0 . . . . s'2 (Pdf)? (Pdf)i &SDF--------V2 — V, [(₽Df)2 V1 (Pdf)i V21 — f' V2—V, Когда As'(F_C)o = 0, , s'2 (Pdf)« ~ (pdf)i toDF = -~p------------------• Если предмет на бесконечности, то s' — f’, тогда s4J' = f. Величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных относительных дисперсий р/|/; (а{. — n{j)/(np — пс) к Разн°сти коэффициентов средней дисперсии. Эти величины для каждой марки стекла берутся из ГОСТ 13659—78. Величина вторичного спектра зависит от того, для каких двух лучей устранен хроматизм положения данного объектива. В оптических приборах визуального назначения (лучи С и F соединены) вторичный спектр равен s'2/2000/'. В системах, служащих для фотографирования 107
спектра с, г ни, для h Я С F Рис. 2.34. Графическое иредс-iаилепIie сферох ро- мятической аберрации где h и 0 указывают, что с визуальной наводкой на фокус (фотообъективы и некоторые астроно- мические объективы), вторичный спектр для цвета F (когда соединены 7) н (/'), равен s'2/1300f'. Величины относительных частных дисперсий, например для линий льшинства силикатных стекол могут быть выражены следующей эмпирической фор- мулой Р0,с = f (усру. PG'C = (Лб' “М/Ь “А) = = 1,674 — 0,0018v„p = а + bv,.r. Зависимость, представленная форму- лой, выражает собой некоторую прямую линию. Применение особых марок стекол и кристаллов (ОФ4, ОФ5, OKI, ОК2, СаГ’,, Lil'- п др.), не лежащих на указан- ной прямой, значительно уменьшает ве- личину вторичного спектра [85]. Хроматическая разность сферических аберраций (сферохроматическая аберра- ция). Сферическая аберрация для раз- личных длин волн имеет различные зна- чения (рис. 2.34); для лучей двух длин ноли сферическая аберрация вычисляется но формуле Ж/7 — Аххс. = (sF — sf;)h — (sF — sc)0, ход соответствующих лучей определен на высоте h входного зрачка и в параксиальной области. При наличии сферохроматической аберрации хроматизм исправ- ляется для средней зоны (обычно для V 3/4). Зависимость между волновой и продольной аберрациями Волновая аберрация вычисляете!! ио формуле [85] А/ — — J (As' — (j) sin о' (/«'. Дли милых услои о' A/--” J(As'-£)rf(o'»), где As' «о'2 -|- Ро'4 4- со'0 -[- • . После интегрирования в единицах длин волн А//А, = —о'2 (ао'2/2 + 6о'4/3 + со'®/4 — £)/2Х = . е —о'‘ Ах|11/2 -f- Asy^3 -f- Asvii/4)/2A, -f- £o' /2Х, где As],,, Asy, A.Syn— аберрации третьего, пятого и седьмого порядков; £о'“/2А. — дефокусировка, определяющая плоскость паилучшей уста- новки ос гауссовой плоскости. 108
Таблица 2.2. Вычисление волновой аберрации sin сг1 As' 102oz AsHI A Sy Asvn 1111 р о р о ф. 4^ Ф* Д “1 ~| ^1 Ф* | 1 Ф* < —0,8 —2,5 1,02 1,45 1,70 2,05 —0,71 —1,42 —2,13 —2,84 0,29 1,15 2,58 4,60 —0,07 —0,52 —1,77 —4,20 Sin Gt Asjh Asv -2~+— + AsVII + 4 — °'2 2k N к Mk в пло- скости уста- новки Illi р р р р “1 “1 “1 Ф* | Ю| 4^1 —0,28 —0,46 —0,65 —0,94 —0,089 —0,178 —0,267 —0,356 0,02 0,08 0,17 0,34 —0,08 —0,17 —0,25 —0,34 —0,06 —0,09 —0,08 0 Способы вычисления волновых аберраций. 1. Если As' доста точно ii.’iaiinaя, и> вычисление N очень удобно производи!I. по методу Е. Г. Яхопiob.i: определяют по кривой или пепосреде|ве1пц> вычисляю г Лх' для край пнертуры <>' и о^иви ~ = Окр/|/ 2. Вычисляют продольную сферическую аберрацию третьего порядка Дзщ = —o'2Si/2n' [см. формулу (2.62)] и затем из двух уравнений Askp = As£ll + Д4 + AsVIJ и Ч'она = AVi72= Д5Ш/2+ Asv/4 + 4- Д«уП/8 определяют Дзуп = 2Дз'р — вДз'^—+ 2As[n и Дзу — = Дя^р — ДвуП — Asnг Дальнейшие вычисления производят по табл. '2.2. Пример. Определить волновую аберрацию микрообъектива 20Х 0,40, для которого вычислены следующие величины: Дз^р = —2,5 мм, Дз^.—=—0,8 мм; 102о'р = 2,05; 102о^—= 1,45; Дз[п ——2,84; Дзу=4,60; Дзуп = —4,20. Промежуточные значения AsJllt Дзу, Дзуц пропорциональны соответственно второй, четвертой и шестой степеням sin OjsoHa/sin о1кр. Плоскость установки для края N = 0 (см. табл. 2.2) смещена на £ = Л'1!р2л/а'2 — —0,34/0,356 = —0,96 мм. Эта плоскость (рис. 2.35) определяется прямой 1, проходящей через начало координат и последнюю точку кривой волновой аберрации, построенной по данным Л' (табл. 2.2). Прямая 11 построена так, что расстояние точек кривой (волновые аберрации), измеряемые в направлении оси абсцисс, от точек прямой наименьшие. Если разность Дх,'р— Дз^н для краевого луча * 109
в четыре раза больше, чем для второго луча, то А«уН будет отсутство- вать. В этом случае вычисление волновых аберраций упрощается, так как не требуется определять тогда Д«[ц и Asy легко определить из О 010,10,3 Рис. 2.35. Вол' новая аберра- ция двух уравнений: &sv = 2 AsKp 4AS)/iy2. Asjn = AsKp — Asv. 2. Если кривая, изображающая продольную сферическую аберрацию как функцию от х — — 104о'2, имеет сложный вид, можно использо- вать способ, основанный на применении формулы трапеции Л\х„) ~ [Aso/2 + As] + As' + -I- А«з 4----1- As',/2] h, где Дз[ — значения, найденные по кривой /'для равноотстоящих значений переменной х; h — величина промежутка. Пример. Определить волновую аберрацию объектива, для которого расчет дал следующий результат при длине волны Л = 129,6 нм: sin <т. о', рад 10*<т'* — х As' 0 0,638 0,006 0,36 —1,82 0,9 0,008 0,64 —0,62 Строим кривую As7 в зависимости от х, разбиваем область интегри- рования на шесть равных частей и по графику определяем значения As'. Затем вычисления производим по табл. 2.3, где Н ~ 0,107; Н/4 — 0,027; ///10’(4Х)0,027/1,296 0,0209. Для определения У/Х в длинах волн необходимо числа столбца 4 умножить па 0,0209. Изменением плоскости установки, т. е. величиной £, вводят изменение в величину У/Х, рлвпое ня краю — О,Г>В«д,. Подбирая плоскость установки таким образом, чтобы на краю было У/Х = 0; (1 = 2Укр/Од «= 0,94), вводим на разных зонах изменения У/Х, приведенные в столбце 6. В столбце 7 даны окончательные волновые аберрации. 3. В некоторых случаях по известным значениям поперечной сферической аберрации, применяя формулу ря-Л-__ <1 2 Вычисление волновой аберрации производят по табл. 2.4,
Таблица 2.3. Вычисление волновой аберрации при пользовании формулой трапеций 10*а'2 = х As' Суммы попарно Суммы сверху NjK в гаус- совой пло- скости —Л- &ст'2 N/K для пло- скости Е = =—0,94 мм I 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0,107 —0,74 —0,74 —0,74 0,01 —0,05 —0,04 0,214 —1,40 —2,14 —2,88 0,06 —0,10 -0,04 0,320 —1,82 —3,22 —6,10 0,12 —0,15 —0,03 0,427 -1,75 —3,57 —9,67 0,19 —0,20 —0,01 0,534 —1,40 —3,15 —12,82 0,26 —0,25 0,01 0,640 —0,62 —2,02 —14,84 0,30 —0,30 0 Таблица 2.4. Вычисление поперечной и волновой аберраций sin о. 104а' As' 104Ag' 104Ac' / (Agfc+AgA+l) —0,65 /1/4 -0,65 /1/2 —0,65 /3/4 -0,65 ГТ'-1. .Же' И—:'.’:>г=аы5Ж*5 t-urt, — sin at 110 —4,37 —480 110 —0,024 158 —6,3 —1000 48 —0,074 192 —5.2 —1000 3 —0,100 215 0,2 [ 50 23 - 0,048 104A’ N/K - N/K для пло- скости g = 4,64 МЫ —0,65/1/4 —0,65 /1/2 —0,65/3/4 —0,65 2,640 3,552 3,400 1,104 2,640 6,192 9,592 10,696 0,45 1,05 1,63 1,82 —0,38 —0,96 —1,34 —1,82 0,07 0,09 0,29 0 Для вычисления волновых аберраций в объективах микроскопу удобно пользоваться приближенными формулами, учитывающими аберрации третьего и пятого порядков: N/к = (70 — 110а) Лз'од, при а < 0; N/1 = (70 40а) при 0 < а < 1J Njh = 110Л«'рОд, при а > 1, Ш
где а = As' /As'; As'—сферическая аберрация для апертурного угла yi.oiiycriiMoc шаченис Biopiiaiioro спек i p.i и кривизны изображения при л — 0,000.г>89 мм составляй!' N/K — 850^Од,, где £ — величина дефокусировки. Подегавни вместо 1; значение величин вторичного спектра, меридиональной или сагиттальной кривизны и задаваясь левой части равенства, определяют допустимые значения этих величин 171]. Объективы из двух склеенных линз Разработанный Г. Г. Слюсаревым метод расчета двухлинзовых склеенных объективов дает возможность определить пару стекол, удов- летворяющую требуемым параметрам Р, W и С, с помощью которых исправляются сферическая аберрация, кома и хроматизм положения [85, 86 |. При заданном значении С приближенно вычисляют Ро = Р— — 0,8'1 X (IP— 0,15)а. Затем по ф/(, и Ра из таблиц [85, 86] под- бирают подходящую пару стекол. Предел относительного отверстия двухлппзовых склеенных объективов зависит от остаточных аберраций высших порядков и не должен превышать следующие значения: 1)1Г 1 : 4 1 : 5 1 : 6 1 : (8-J-10) f, мм 150 До 300 До 500 До 1000 В табл. 2.5 даны конструктивные элементы двухлинзовых склеен- ных объективов, а в табл. 2.6 — остаточные аберрации для точки на оси объективов коллиматора, приведенных в табл. 2.5 строки 16 и 17. Линзы объективов, у которых световой”диаметр превышает 60— 70 мм, рекомендуется применять несклееиными или соединять оптиче- ским контактом, воздушный промежуток между линзами должен быть поридкп 0,05 мм. Поле прения не должно превышать в среднем 10—15' при милых и 7—10° при больших /'. Двухлпн.ювыо объективы применяются в качестве компонентов оборнчишнощих систем, половинок симметричных фотографических объективов, микрообъективов с числовой апертурой до 0,1. Прибавляя к двухлинзовому объективу простой мениск, можно повысить (D!Г)об до 1 : 3,5. Система двух одинаковых склеенных объективов, поставленных вплотную друг к другу с одинаковым расположением радиусов кри- визны, увеличивает почти вдвое относительное отверстие по сравнению С одним компонентом |86, 100], • Два компонента из двух склеенных линз, разделенных большим воздушным промежутком, применяются и качестве проекционных объективов (/>//' - - I : 2 н 2<п - 20 : 22") н мнкрообъективов с числовой апертурой до 0,1. 112
Таблица 2 5. Конструктивные элементы двухлинзовых склеенных объективов телескопических систем (размеры даны в мм) ф ОД - СВ Г- Ф освь-свсмсосвг- ф со о со со ф’ Ф - О □’ Ф Ф О О □" ОД СМ Ф* o' ОД ОД* О? МО — ^ЮЮЮОЮЮОДСО1^-1 ю о ю — — — — — смсмсмсофсоь-свш | Св. 0 5 24 24 18 23 12 15,7 18 18 21 21 21 25 25 58 150 80 стекла | 2-я линза | оо —• СМ -< —«о со — см со ф ф 0 - -'®Gv — -^-одфА-од &• | Марка | 1-я лииза о оо о о •“* см 2 — -од-од^од^одфододод-од^ооф хз & С© LQ г- со оо СВ СМСМСМ—*CO~CM--COCMCOCOLQCOCOLQ—« хз* 0,8 4 4 3,52 6 2,8 4 2,5 2 4.4 5 5,8 3.6 4.4 8 20 9 с 00 см СО —« см со ю СМ оо СО СВ Ф СО об LQ оо СМ Ю О 05 со О - СО ф CD in ~ 'Ч Ь-Г ф" —* СВ СВ o’ СМ СО Oi 00 о 0'фС010000С>’СО<010Г* — 'Ф-нЬ-Г- X СМ — — СМСМО-’ф-ч —• СМ Ю ОД оо -I u 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 и со Ю *Ф о ь- со о — оо см см см — о ю св со СМл Oi —1 « СО S О> СМй <Ю О> СО 1П см" од N ю w ф’ - од о) о? o' «г (ч см Fi ф - Ф’фЮфффОДЬ-фЬ-ОД-, СО со ф ~ IIIIIII 1 1 1 "с| 1 1 С 0Q —< см со со св СВ СМ ^ч. ’“1 сч 2 ,'т н. г''- 05 f ”1 ~ 04 оо" см - сч оо ф од см сп со ф о со о" оо” — ФЬ-Ф — ФСООО') — ФСМЬФЬ-^Ф —< —< я— я— см со со Ф см СО Ш LQ см 4 п/п — СМОД^ФФЬ-ОДОО — СМСОФФФЬ. 113
Таблица 2.6. Аберрации объективов коллиматора (см. табл. 2.6) и К п /1 sir а ' /> С F ' J? т <4, • и s' As' А/' Ч (%) As' tiS’ 0 0 981,89 0 0 0 1,19 — 1,53 т-2,72 10 75 /1/2 0,053 981,61 -0,28 — 0,56 — 0,03 0,84 — 1,62 —2,46 75 0,075 981,47 — 0,42 — 0,82 0,04 0,60 — 1,54 — 2,14 0 0 583.44 0 0 0 0,41 -0,08 — 0,49 17 40 /1/2 0,047 583,38 — 0.06 -0,11 -0,01 0,32 0.31 — 0,03 -0,35 40 0.067 583,4 1 - 0.03 — 0.11 — 0,01 0,14 — 0,17 Особенности расчета окуляров Окуляры бол1>ц|||11сп1в зрительных труб имеют фокусное расстояние в пределах 10 40 мм п относительное отверстие 1/4—1/15. Окуляры телескопических сне гем и зависимости от величины углового поля де- лятся па следующие типы 1: с нормальным угловым нолем 2 со < 55Q с увеличенным углопым нолем 55" < 2u> < 70J к широкоугольные 2ш > 70". Удаление выходного зрачка колеблется в пределах от 0,4 до 1,5/'. Если 17/' 1, то такие окуляры называются окулярами с удаленным зрачком. Так как окуляры работают в узких пучках лучей, то в них должны быть исправлены в первую очередь кома, астигматизм, кривизна поля и по мере возможности сферическая аберрация, обе хроматические аберрации и дисторсия. При отсутствии сетки в фокальной плоскости окуляра последний можно применять с неисправленными сферической аберрацией и хроматизмом положения, компенсируя их аберрациями обьектива и других предшествующих окуляру компонентов. В длинно- фокусных широкоугольных окулярах не следует допускать больших аберраций в зрачках. Обычно окуляр подбирается или рассчитывается таким образом, чтобы его аберрации компенсировали аберрации пред- шествующей ему системы. Некоторые окуляры типа Кельнера, орто- скопические, симметричные и др. (см. гл. 4) часто применяют в качестве проекционных в микроскопе. Сходимость меридиональных и саги пильных бесконечно тонких пучков эп окуляром с угловым полем 2ы > 60" обычно определяют и диоптрийной мере по формулам [см. формулу (2.81)] Lm cos (o' = "* ~(г'п + ок) 1000/С: Ls cos = -(zs + ZS вк) 1000/C (аберра- ции суммируются в передней фокальной плоскости окуляра). В техни- ческой документации для таких окуляров приводятся и>, г', г'т, /'ар, 1 Н микроскопии принято считать окуляр широкоугольным, если диа- нор поли ipeiiHH, изображенный через окуляр на расстоянии 250 мм от его Выходного ip/i'iKu, составляет величину ие менее 170 мм. Эта условно приия, таи величина вычисляется Как произведение диаметра полевой диафрагмы окуляра иа о о уиеличеииа в Называется окулярным числом К [71]. 114
f', f'm, Ls cos co', Lm cos ®'. Обычно в окулярах с увеличенным угловым полем f’m > f' > Гпар. Дисторсия вычисляется по формуле Д<в' — ч>' — d&g'ld tg со'). При больших углах со' производная от дисторсии dig'/dtg со' может быть очень велика. Если дисторсия положительная, то 2<о < 2со' (см. рис. 4.56 и 4.58, б); если дисторсия отрицательная, то 2со > 2со'; если дисторсия равна нулю, то 2со = 2<о'. Линзовые конденсоры У хорошо корригированных конденсоров диаметр наименьшего кружка рассеяния составляет 3—10% от величины изображения источ- ника [12]. Для однолинзового конденсора радиусы сферических поверхностей определяются по формулам г, —sV--------jv-; r2 = sV------- 1 na2 — V na-i — 1 при a'= 1; ax = V"t = axs (s — расстояние предмета от линзы, V — увеличение линзы). Т а б л и ц а 2.7. Значении параксиаль*.-, -глов в одиолиизовом, двухлинзовом, трехлиизовом [..эн,сенсорах при минимуме сферической аберрации (64) s, i 0 а, * 0 j .«j ” ou. a( - 0 i Парак- 1 свальные углы Число ЛИНЗ tn 1 о 3 1 2 3 «1 Произвольное * 0 0 0 (aj-f-a2) В/2 (3at-]-a9) fi/^Scq-j-a,) В/6 B/2 S/4 B/6 аз ах/У (ai+as)/2 (2a1+a7)/3 1 1/2 1/3 а4 (ai+3as)S/4 (Ot+a,) B/2 3B/4 S/2 а6 aJV (a(+2a,)/3 1 2/3 а|( (ar]-5a7) B/6 5S/6 а7 a/V 1 Примечание. В = (1 4- 2п)/(2 4- n), V — линейное уве- личение. * Рекомендуется брать a, = V, тогда a2/n^_( = 1. 115
Таблиц а 2.8. Схемы оптики конденсаторов в за висимости от апертуры Л и увеличения V ( Xl'Mil <1|Г1 цнн A ( -l) Характеристика схемы 0,15 — Линза с минимумом сферической аберрацией; Sj = ОО 0,4 1—3 Линзы плоско-выпук- лые jlA 0,6 1,5—4,5 1 — мениск апланати- ческий; 2 — линзы пло- ско-выпуклые „7 _ 0,7 2—6 1 и 2 — мениски апла- натические; 3 — линзы плоско-выпуклые 0,7 2-6 Вторая поверхность асферическая 0,4 4—10 Линзы с минимумом сферической аберрации 0,5 10 (x> 1—мениск, близкий, к аплаиатическому; 2 — линза плоско-выпуклая с минимумом сфериче- ской аберрации 0,5 10—oo Вторая поверхность асферическая, преиму- щественно параболиче- ская 1 ‘ /1 /\x \ • K. 0,7 10—oo 1 — мениск, близкий к аплаиатическому;2 — вторая поверхность лин- зы асферическая 116
Т а б л и ц а 2.9. Оптические характеристики и конструктивные элементы коллекторов Схема оптики Мар- ка стекла Св. 0 ТЦ, 70,47 —13,213* БФ13 24 18,29 г-м 18,2, ,51,8 1 0,52 5 0,1 .-31,5 100. —39,28 —24,7 ТК2 31,4 34 —164,08 —43,13 ТК2 37,8 39 33,63 114,48 —114,48 ТК2 40,5 40,6 0,65 —31,4 —22,25 ТК2 30,6 32,7 —57,34 —37,495 ТК2 35,9 37,2 33,58 102,53 —59,246 ТК2 40,6 41,0 — 12 — 10 124,42 БФ13 К8 16 18 24 17,7 —18,68 24 117
Продолжение табл. 2.9 Сх< м*1 оптики Л ( V) Г Мир К .1 ci скла (.в. 0 1’ лк (л. 'к". 0,43 7,5 67,77 — 17,1* Кварц 30 31,16 258 -21.L 30.5 Ы.5. 0,64 38,5 —63,39 —27,29 оо —40,3 * ТК2 ТК2 44 44 54 54 37,73 J/ \&i. i/y ж _. L А у -27, Л W, ч й Ч / .1 м ,1' 0,64 38,5 —63,39 —27,2 оо —44,0 * Кварц Кварц 34 44 52 56 Г = 37,8 (для Л = — 257 нм) />41,4 . ,-/®г ,24; 25,9 У 0,67 6,5 —43,65 —20,42 оо —29,0 * ТК2 ТК2 34 36,5 43 44 28,3 \ л А ы г да. Ж О- i4' ж 1 Л. Г> ч ' 11 f '-г* F'.f. 0.5 8 )3.’>,52 -28,05 -27,35 -203,7 112,98 —27,5* J1K5 ГФЙ ЛК5 36 48 60 К 56,94 -да* 4 7? X,. с z; i h* — F 4 /4 да 7Й/ 1 ,-.V Ml » 0,4 7,4 44,57 —12,74 —9,333 —28,97 49,55 —16,74* ЛК5 ТФ5 ЛК5 18 25 34 27 Приме ч п и и е. Звездочкой обозначены радиусы при вер- шине пмраболомдпльной поверхности. * не
При минимуме сферической аберрации (azJmin = (2« + 1) (V + 1)/2 (п + 2)< Если предмет на бесконечности (s=oo), то V -> 0, lim (sV) = f, (ri)min - 2 (2 + n)(n - l)/(2n2 + n); Мшш = 2 (2 + n)(n — l)/(2n2 - — n — 4); при n — 1,5, (r2)min/(ri)niin = —6. Аберрации линзы опре- деляются из формул (2.63) и (2.66а). В табл. 2.7 даны значения параксиальных углов в конденсорных системах при минимуме сферической аберрации (толщины линз и Воздушные промежутки между ними бесконечно малы, преломляющие поверхности сферические). В табл. 2.8 приведены оптические схемы (ориентировочные) некоторых конденсоров в зависимости от апертуры и увеличения. Оптическая схема конденсора типа четыре (табл. 2.8) имеет относительно малое рабочее расстояние, что может оказаться недопустимым при использовании некоторых источников света. В этих случаях для достижения sin Од = 0,7 рационально применять конден- сор типа три, у которого выпуклая поверхность апланатического мениска асферическая. В табл. 2.9 даны конструктивные элементы Коллекторов с параболоидальной поверхностью для микроскопов. Назначение асферических поверхностей Асферические поверхности применяются для повышения качества изображения, контраста и предела разрешения системы, увеличения углового поля зрения и светосилы (не в ущерб качеству изображения), замены сложной миоголиизовой системы более простой системой с мень- шим числом линз или зеркал с асферическими поверхностями с целью уменьшения габаритов и веса системы [80, 100, 102 J. Особенно заметный эффект применения асферических поверхностей имеет место в длиннофокусных системах с большим относительным Отверстием (зеркально-линзовые системы), и также и наикритических системах с большим диапазоном изменения увеличений. Выражение аберраций системы через аберрации ее компонентов Расчет оптической системы делится на два осиоииых этапа — габа- ритный и аберрационный. При габаритном расчете оптик-конструктор должен учитывать коррекционные возможности разрабатываемой системы. Для этой цели последняя разбивается на отдельные составные части (объектив, окуляр, оборачивающую систему и т. д.), для которых определяются: относительное отверстие, линейное или угловое поле зрения, положение зрачков, коэффициент виньетирования, величины допустимых остаточных аберраций и т. д. В зависимости от указанных характеристик выбирают степень сложности конструкций отдельных компонентов системы. На практике часто приходится компоновать систему из отдельных частей, аберрации которых известны. Для систем, обладающих небольшой светосилой и малыми угловыми полями, аберрации отдельных компонентов можно переносить в сопря- женные плоскости изображения других компонентов по правилу сложе- ния аберраций третьего порядка (приближенно), т. е. поперечные аберрации умножаются иа линейное увеличение, а продольные—на квадрат линейного увеличения тех компонентов, через которые пере- носятся аберрации. 119
Если AgJ, А#',, и Vj, И., Vh соответственно поперечные аберрации и линейные увеличения первого, второго и Ai-ro компонентов, то поперечные аберрации всей системы и пространстве изображения A-го компонента будут Ар' Адг;• VI- Лц'• • Vk -[-------------1- Wk^Vk + bg'k (2.81) и продольные аберрации А/ = AS; V23- • • + л^24-• • + • + A4-1V1 + &s'k- (2.82) Формулы для вычислений аберраций системы после окуляра 1. Аберрации в угловой мерс (мни) можно вычислить, определив суммарные поперечные аберрации в передней фокальной плоскости окуляра 4 - Ли,' Л^1 3438, (2.83) А,К где Л^[ -- поперечная аберрация системы до окуляра, вычисленная в примем ходе лучей; AffOK — поперечная аберрация окуляра, вычислен- ная и обратном ходе. 2. Продольные аберрации, не ааписпщне от апертуры (кривизна поля, астигматизм, хроматизм положения и т. д.), принято определять в диоптрийной мере L по следующей формуле: _ A/4-ASqK /^/1000 ’ (2.84) где /'к (мм); Az0K = /^’/1000 — величина продольной аберрации в пе- редней фокальной плоскости окуляра, соответствующая продольной аберрации в пространстве изображений и одну диоптрию. Пример. Определять аберрации всей системы в передней фокаль- но/! плоскости окуляра и после окуляра телескопической системы, содержащей дпухкомнопентиую оборачивающую систему с параллель- ным ходом и V — -2х (ем. рис. 2.59). Фокусные расстояния и относи- тельные от пере гни компонентов трубы даны и табл. 2.10, аберрации — И табл, 2.11. Сложение аберраций системы (без окуляра). Продольная сфериче- ская аберрация для основной длины волны Лд = 5897У нм [см. фор- мулу (2.82)J Ддсф = AsopE2 + AsiV2 + As2 = (Aso6 + Asi) V2 + Ай = ( 0,15+ 0,25) 4 — 0,05= 0,35. I Io чтой формуле были вычислены следующие продольные абер- рации: I) хромашзм положения на «оси» AsJf_qo = —1,3 (для параксиаль- ных лучей); 2) хроматам положения иа «краю» (йКр = 10), A.S(p-C) = 0,38j 3) cai НГП1ЛЫП1Я и меридиональная кривизна г' = 1 и г'т = —4. Поперечные аберрации (см. формулу (2.81)] 120
Таблица 2.10. Характеристика компонентов телескопической системы Характеристика Компоненты системы Объек- тив + коллек- тив Оборачивающая система (компонент) Окуляр первый второй Фокусное расстояние, мм 100 200 400 25 Относительное отверстие 1 : 5 1 : 5 1 : 10 1 : 10 1) хроматизм увеличения Ду(Г-С) = (Дурр-С)—Ay(F-C)i)М + + д#(р-с)2 = (°>02 — °-02)2 + °’01 = °’01; 2) дисторсия Ду'= (0,05+ 0,15) 2 — 0,20= 0,20; 3) условие изопланатизма ri (%) = г)об — Л1 + Лг =—0,20 + + 0,10+ 0,15= 0,05. Вычисление аберраций системы после окуляра. Аберрации в диоп- трийной мере [см. формулу (2.84)] (Д/ + Дз„к) 1000 (0,35 — 0,10) 1000 Асф ---------—2----------------------------= —0,4 дптр; /ок ^(F-С)^ = 2’2’ ^'(/7-С)Кр = 0,56; Ls — 3,2; Lm = —1,6» Аберрации в угловой мере , (As' + As') tjr а' Д<Ъ Сф = 2-----3438 = 'ОК = . (0,35-0,10) (-0,05) 3438 = _143„ 2о или До^ сф = h'pL3438/1000 = 1,25 (—0,4) 3,44 = —1'43"; и38=_2^-; 4„;Р.С) = 3„,, («и + ад 3438 _ 4,8, /ок ° д°;ист = (0’2-^- 0) 3438 = 1°22'. Остаточные суммарные аберрации сведены в табл. 2.11. Кривизна поля в случае исправления астигматизма Д4 = (Зг5 - 4)/2 = (3 + 4)/2 = 3,5. 121
Рис. 2.36. График поперечной аберрации широкого наклон- ного пучка в меридиональной Анализ кривой широкого наклонного пучка в меридиональном сеченин Поперечная кома k (рис. 2.36) определяется расстоянием, измерен- ным вдоль оси у' от точки О, соответствующей координате главного луча до прямой, соединяющей концы кривой поперечной аберрации, k = '= (^верх + ^нижн)/2 — Утл ~ <8’75 + Э,05)/2 — 9 = —0,1. Тангенс угла наклона tg <р касательной в точ- ке О определяет величину меридио- нального искривления изображения г'т, равную величине поперечной ме- ридиональной кривизны Ду', делен- ной на соответствующий апертурный угол, т. е. г'т~ tg <р= Ду7Д102о'=5. Поперечная «полевая» сферическая аберрация Д?сф = (ei а2)№ = = [(-0,4)-(4-0,2)]/2 = -0,3. Продольная сферическая аберра- ция Дз'ф = Д^'ф/tg o' = —0,3/0,03= = —10 мм. Если вычислен коэффициент Пец- валя Sjv =—то можно определить по стрелке Пецваля Дг/, = y'2Swl2 величину сагитталь- ного искривления изображения zs = = (2Дг₽ + 4)/з. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ НА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Преломление луча через плоскость Изображение светящейся точки А находится на пересечении с осью ОО, продолжения преломленного луча на расстоянии s' от пре- ломляющей плоскости ВВ (рис. 2.37) и вычисляется по формуле (2.75) прн г — оо s' = sn' cos e7/i cos e. (2.85) В случае перпендикулярного падения луча на плоскость из формулы (2.85) следует s/ = n'sln. Продольная сферическая аберрация (рис. 2.38) Расстояние от точки М меридионального и сагиттального пучков после преломления (рис. 2.39) д 'cos2 е /н cos2 в; — Полагая, что tm = fs = t, астигматическая разность вдоль оси будет равна г' — г'п = t (1 — cos2 ъ /cos2 е). 1СЗ
Рис. 2.38. Строение пучка лучей при преломлении через плоскую поверхность при п < п' (а) и п > >п' (б) Рис. 2.39. Строе- ние элементар- ного нстигма- 1 нческоп> пуч- ка лучей при преломлении че- рез плоскую по- верхнее гь 124
Отражение от плоского зеркала Плоское зеркало дает идеальное изображение. Для него остаются справедливыми формулы (2.11), (2.75) и (2.76), если положить, что п = п' и г = оо. Из формулы (2.11) следует, что s = s'. Точки предмета и изображения лежат на общей нормали к плоскости зеркала, на одина- ковых расстояниях от него. От действительной точки S (рис. 2.40, а) Рис. 2.41. Построение изоб- ражения прямой AAl через плоское зеркало Рис. 2.42. Отражение лу- ча от плоского зеркала плоское зеркало дает мнимое изображение S , а от мнимой точки S (рис. 2.40, б) — действительное S'. Изображение всегда равно пред- мету, но они между собой не конгруэнтны (рис. 2.41).Плоское зеркало ММ отклоняет пада- ющий луч от его первоначаль- ного направления на угол (рис. 2.42) у = 180° — 2е. При пово- роте зеркала вокруг точки О на угол ср (рис. 2.43) отражен- ный луч St отклонится па уюл 0, равный удвоенному углу по- ворота отражающей плоскости зеркала, т. е. 0 = 2ср. Система зеркал Два зеркала, расположен- ные под углом а друг к другу, отклоняют падающий луч от Рис. 2.43. Отражение луча при по- вороте зеркала 125
своего первоначального положения на двойной угол, т. е. у = 2а, не зависящий от угла падения луча на первое зеркало (рис. 2.44); прн покачивании или вращении такого углового зеркала вокруг ребра О изображение остается неподвижным. Система из нечет- ного числа плоских зеркал дает не вполне обращенное изобра- жение, что приводит к измене- нию направлений в изображении. Рис. 2.44. Отражение, луча от двух зеркал при постоянном уг- ла а Рис. 2.45. Построение изображе- ния от двух параллельных зеркал: Система с четным числом пло- ских зеркал дает изображение прямое и конгруэнтное (при ab — предмет: 0,6, — изображение предмета зеркалом I; — изо- бражение предмета зеркалами Z и II наложении совмещающееся с предметом). Примером может служить система из двух параллельно расположенных зеркал (рис. 2.45). Если одно из этих зеркал ос- тавить неподвижным (на- пример, зеркало /), а вто- рое повернуть на угол а (рис. 2.45), то отклонение Рис. 2.47. Отражение луча от вогнутого зеркала в меридиональном сечении Ряс. 2.46. Отражение луча от двух зер- кал (нижнее зеркало II вращается во- круг оси О') отраженного от зеркала II луча 5' будет равно двойному углу между веркалпми (2а). Отраженный луч S' займет положение 05*. Если луч S-, отразившись от неподвижного зеркала /, снова возвратится на зер- кало И, составляющее о зеркалом / угол а, то вышедший в обратном 126
направлении из системы такой луч отклонится от первоначального своего направления на угол у =4а. Конструкция таких зеркал находит применение в гальванометрах, щуповых приборах для измерения чи- стоты поверхности н др. Фокусное расстояние сферического зеркала (рнс. 2.47) можно определить по формуле (2.11а), положив Sj = оо, f = s', п = п' — 1, /' = s' = г/2. Преломление пучка через плоскопараллельную пластинку или призму Призмы, развертывающиеся в плоскопараллельную пластинку, обладают аберрационными свойствами последней. Падающий на пла- стинку 1—2 под углом е луч выходит из нее параллельно своему первона- чальному направлению, но смещенным в сторону (рис. 2.48). Величина этого смещения (смещение точки . А) вдоль оси ОО' равна As' = d (1 — cos 8,/n cos e(); поперечное смещение г = d sin (e, — — ej)/cos Тонкйй пучок лучей, идущих вдоль оси 00' (параксиальный пучок) и сходящихся в точке А, смещается в направлении света на величину Рнс. 2.48. Смещение изобра- жения плоскопараллельной As,' -• d (п — 1 )//i. пластинкой Величина продольной сферической аберрации (точная формула) Д$'ф = As' — Asq — d(l — cos ej/cos ej)/n; приближенно Дз'ф = d (д2 — 1) sin2oi/2n3, где Oi — апертурный угол в сечении пучка; sin — sin е,. Астигматическая разность узкого наклонного пучка (точная фор- мула) t's —t’m =— d(l — C0S281/C0S28j)/nC0S8p Продольный астигматизм, т. е. разность абсцисс сагнттальнего и меридионального фокусов элементарного пучка (приближенно) где Wf — угол наклона главного луча (o>i = е* главного луча). Меридиональная кома третьего порядка Д§' = 3d (rfi — 1) о(ш1/2п3. Дисторсия главного луча (приближенно) Ag' = d (n2 — 1) (o|/2n3. '127
Продольная хроматическая аберрация (Ч>\: — I/'»/,-) <*- Хроматизм увеличения в одной общей плоскости установки A^f-c = Ур ~ Ус = (!/«с — ММ *°г Плоскопараллельная пластинка или эквивалентная ей призма не искажают изображения, когда они находятся на пути параллельных Рис. 2.49. Определение поло- жения F'б относителЛзо при- змы лучей (защитное стекло перед объек- тивом и т. д.). В сходящемся пучке лучей (например, после объектива) они вносят аберрации. Пример. Определить положение заднего <|хжуса объектива F°6 отно- сительно выходной грани прямоуголь- ной призмы, расположенной за объ- ективом (рис. 2.49). Для параксиальных лучей (а=е) йа = /ц — = hf — ad/n = Яг, поэтому .Sj = .$2 = sx— din. Для рас- сматриваемого случая s'2 = — а — —d/п. Если в системе имеется несколь- ко призм, то sp = s0-SaBO3fl-SWn)- Графическое построение хода луча через плоскопараллельную пластинку (или любую ей эквивалентную призму) методом редуцирования Толщину стеклянной пластинки с показателем преломления п при- водят к воздушной толщине din (см. рис. 2.48). Падающий луч проводят без преломления до встречи е выходной гранью 2' воздушной пластинки. Затем высоту йв откладывают па выходной грани2 стеклянной пластинки. Ход лучей определяется н стекле прямой АВ. С помощью редуцирования упрощается графическое построение лучей при габаритном расчете системы в параксиальной области или при малых углах падения е. Преломление лучей через призму в ее главном сечении Па рис. ‘.’.ПО нюбражеи ход луча в сланном сечении призмы MAN (в ИЛОСКОГ1Ц, перпснппкулирпой преломляющему ребру) с преломляю- щим углом 0, расположенной я воздухе. Hi рис. 2.50 следует, что в» = 0-|- r.J; о-1'( | г'|-| г.} - па; о — угол отклонения луча от 128
первоначального направления SEf. На основании закона преломления для точек В и D имеем sin ех = п sin ех; sin е2 = п sin е2 1 . , , . cos-?-(e,+е2) , sin -у (0 + о) =------j---------п sin -у 0. (2.86) cos v (ex + e') Рис. 2.50. Отклонение луча призмой в главном ее сечении (ярен биссектрисе угла 0. Формула Для постоянного значения угла 0 и при данном показателе прелом- ления п вещества призмы угол о будет1 изменяться, сели менять вели- чину угла вх (гадающего луча SB с нормалью. Значение минимального угла отклоне- ния Omin в зависимости от п и 0 призмы определяется по формуле sin (9 "Ь Omifi) = = nsin-^-0. (2.87) В этом случае ех = = (0 + omln)/2; ех = 0/2; ех = .—е2 и бх = е2. Ход луча в призме бу- дет симметричен относитель- но граней, т. е. перпенди: используется для определения показателя преломления п вещества призмы; углы 0 п оШН1 нзмеряются па гониометре пли спектрометре. Формула для 1>ыч1Н7ич1ия oiнлошаши луча чере( призму С МИЛЫМ углом 0 при больших углах падения е. а = arc sin [0 V п2 — sin2 кх + sin ej — (sx + 0) или приближенно a = 0 |?/7i2 + (n2 — 1) tg2 ex — 1]. При малых углах 0 и ex имеем <J = 0 (n— 1). Если призма находится не в воздухе, т. е. пх =/= 1 и n3 1, минимум (или максимум) отклонения вычисляется по формуле tg е[ = (fe — — cos 0)/sin 0, где k — V(nj — п2)/(Ф4 — n’j); n2 — показатель прелом- ления призмы. Преломление луча, проходящего через призму вне плоскости главного сечения (внемеридиональный луч) Косой (внемеридиональный) луч РВ может быть определен углом у, образуемым лучом со своей проекцией Р'В на плоскость главного сечения (рис. 2.51) и углом гуэ между упомянутой выше проекцией и 5 В. Л. Панов и др, 12 1
нормалью к грани призмы. Последовательное применение к двум граням призмы закона преломления дает следующие результаты [85]: 1) угол луча со своей проекцией после преломления равен (до преломления), т. е. наклон лучи к плоскости главного сечения не меняется; 2) проекция луча па главное сечение ведет себя как световой лу4, т. е. удовлетворяет законам преломления, если за величину показателя преломления стекла принять N = Рис. 2.51. К вычислению хода внем<'р||диоиалы1ого ;луча че- рез призму = /п2 + (л* — 1) tg2Tx- Зависимость этого условного по- казателя преломления # от наклона у вызывает искривление спектраль- ных линий. Дисперсия призм Простая призма в воздухе дает при постоянном угле падения лучей 6et 0 угловое отклонение do между двумя лучами с разностью показателей преломления dn для длин волн X я X ф- dX. Угловой дисперсией призмы на- зывается отношение do/dn\ значение для него можно получить, если продифференцировать формулу (2.87) do mtn __ 2 sin (0/2)__dn ~ / 1 — n2 siu2W) ll?b * (2.88) Для k одинаковых призм, расположенных в минимуме отклонения,, domin 2k sin (0/2) dn К1 — na sin (0/2) Угловую дисперсию можно увеличить, если отказаться от симме- тричного хода лучен в призме (или от принципа наименьшего угла отклонения о). В случае произвольного хода луча света в призме угло- вая дисперсия призмы определяется по формуле do sin 0 dn dk ’ cos е] cos г.^ dX При милых углах 0 и do — (Мп, при минимуме отклонения do = —2 tg e^dn/n. Угловая ширина спектра определяется угловым расстоянием До между лучами данного спектра и с достаточной степенью точности вычисляется по формуле (2.88). Участку ДХ длин волн между Хх и Ха cooir.en гвует изменение показателя преломления Ди. Поэтому . 2 Sin (0/2) . [/ I — п2 sin 2(0/2) Для W-iралугпой призмы До 2.W/ ! — п‘, где п— среднее значение ноклзптсли преломления дли длины волны С симметричным 130
кодом луча в призме в данном интервале длин волн. Например, для кварца в интервале длин волн от 1 = 1852 А (п = 1,6759) до X = 7685 А (п = 1,5391) средней длиной волны будет Хср = 2500 А (пСр= 1.607); Дд «я 0,1368, До= 0,2325 в радианной мере (или 13,3°). Для стекла ТФ1 В интервале длин волн от Л = 3650 (я = 1,7002) до X = 8630 А (л = 1,6326) А,ср= 4600 А (мср= 1,666); Ап = 0,0676, До= 0,1222 в радианной мере (или 7°). Дисперсия вещества призмы dnldk для видимой области спектра обычно вычисляется по интерполяционной формуле Гартмана [89]. Увеличения дисперсии можно достигнуть увеличением преломляю- щего угла призмы. Однако предел этому ставит полное внутреннее Рис. 2.52. Призма Амичи Рис. 2.53. Призма Циикера отражение иа второй поверхности призмы. Можно построить призму с большим преломляющим углом, если ее поместить в среду с показа- телем преломления n'> 1. В этом случае формула (2.87) примет вид , 0 , , 0 *4- «Тпнп п sm ~ = п' sin —> ; da 2f — ____* \ п sin (в/2) к П "dT л' dk / |Лп'а —л»в1п»(»/2)’ Область значений 0, как »то следует и.т подкоренного выражения предыдущей формулы, увеличена до sin (0/2) < п'/п. Если принять п = 1,66 и л' = 1,5 [флиитовая призма находится в среде из кронового Стекла (рис. 2.52), то угол 0 может достигать значений до 120°. Угловая Дисперсия такой сложной призмы определяется по формуле do_________2 dl ~ cosejcosea sin 02 cos е dn2 1 dk где Sr — преломляющий угол внешних кроновых призм, которые предполагаются одинаковыми; 0а — преломляющий угол средней флин- товой призмы; н еа — углы падения луча соответственно на первую и вторую поверхности. Угол полного отклонения луча призмы о = 2 (ег 0* — 02). Призмы прямого зрения. К ним относится призма Амичи (Броу- нинга, рис. 2.52). Опа состоит из одной флиптовой призмы, обладающей большой дисперсией, и двух крайних кроновых призм с малой диспер- сией. Угол средней флинтовой призмы определяется по формуле tg (0я/2) = J/ (4-9/«ф-”к)’ где Лк и Пф — показатели преломления крона и флинта для того луча, который системой не отклоняется (обычно принимают к — 486,1 нм). 5* 131
Табл п и а 2.12. Дисперсия тройной призмы Амичи Б КЗ (и,) 1,5183 v 60,3); Т<!>5 (гц> 1,7550 v = 27,5) 0, - Иц = 4)9 53'; (L - 109 46' Сш'ктр.'ил.пля линия, им Дисперсии Сигм ралнпая линия, им Дисперсия 766,5 (Д') 750 700 656,3 (С) 600 Г 11,7' 6° 59,5' 6° 21,8' 5° 41' 4° 27,6' 587,6 (d) 500 486,1 (F) 435,8 (g) 434,1 (О') 400 4° 07,9' 0° 46,9' 0° —3° 55,5' —4° 07,1' —8° 34,2' Часто призмы icoiierpynpyioT из двух (грех) флиптовых и трех (четырех) кроновых призм. 11итинрнзменпые системы могут быть рассчитаны так, чтобы кривизна некоторых спектральных линий была уничтожен,т. В табл. 2.12 приведены значения дисперсии тройной призмы Амичи. Рис. 2.54. Призма Вернике Рис. 2.55. Призма Резерфорда Призма Цинкера (рис. 2.53) состоит из двух одинаковых по величине призм различной дисперсии, но имеющих одинаковый показатель преломления для одной определенной длины волны. Свет на первую Рис. 2.56. Призма Аббе с посто- янным отклонением 90° Рис. 2.57. Призма с постоянным отклонением 60° поперхп<>< и. призмы надает перпендикулярно, поэтому потерн на отражение и neii меньше, чем в призме Амичи. На ри<. 2 .'i-l ;i,iiui при imii Вернике, обладающая большой диспер- сией; по |«и« |рук1|ии она ирсдегш1лясг собой двойную призму Цинкера. На рис. 2.55 показана при imii Резерфорда, состоящая из флиитовой 132
призмы е большим преломляющим углом (90—120°) и двух одипзково симметричных, наклеенных на нее призм из крона. Конструкции некою- рых призм с постоянным углом отклонения приведены па рис. 2.56 н 2.57. Ахроматические клинья Призму, ограниченную двумя преломляющими поверхностями с малым углом (0 С 6°) между ними принято называть клином. Предпо- лагая, что углы 0 клиньев, а также углы е луча с нормалью к грани клиньев малы, получаем условие ахроматизма клина, составленного из двух простых клиньев (рис. 2.58). При этом их отклонение равно о = (й! — 1) 0j + (п2 — 1) X X 02, откуда 0j = o/(Vj — v2) Д/ц; 02= —o/(v! —v2) Дп2, где v, и v2 — коэффициенты дис- персии; 0J и 02 — углы клиньев, имеющие разные знаки, т. е. клинья обращены преломляющими ребрами в противоположные стороны. При- веденные выше формулы являются приближенными. Если угол откло- нения луча велик (более 2—3°), то следует пользоваться более строгой теорией ахром.1тизации пр изменим х систем |85, 861. I |рп прохождении лучей Мере i КЛИП происходи I 1 рипсформпро||,пп1е или трансформирования |3, 85, 8!) | Габаритный расчет зрительной грубы Требуется рассчитать систему со следующими характеристиками: Гт = 6х, 2<ог= 6°, длина системы L = 750ч-780 мм, диаметр выход- ного зрачка D'p, = 4 мм и t'3p не менее 15 мм, входной зрачок всей си. стемы совпадает с оправой объектива (рис. 2.59). Применяем двухлинзо- вую симметричную оборачивающую систему V = —1 и/,= /(.Сцелью наилучшего исправления астигматизма в ней, примем d3 0,8/3. Глав- ные лучи делят в точке Р' расстояние rf:1 пополам, и тогда вследствие симметричности хода между компонентами автоматически исправляются кома, дисторсия и хроматизм увеличения. Для сопряжения точек Р и Р' применяется коллектив, установленный в плоскости изображения, создаваемого объективом. Чтобы выполнить условие 15 мм, примем /'к = 25 мм (окуляр типа Кельнера). По формуле (2.36) диаметр входного зрачка (объектива) Dp = Рр,Гт = 4 X 6 = 24. Фокусное расстояние объектива /^б = = 25 X 6= 150. Полагая L ~ = 750 мм, определим /'половины оборачивающей системы: /3 = /.[ ' ~ (L — dt — — /зр)/2 = 200 мм. 133
Точка Р' есть изображение точки Р", полученное через первый компонент оборачивающей системы. По формуле (2.3) расстояние точки Р* относительно первого компонента равно а = о'/зч/з—а')~ 133,3; фокусное расстояние коллектива /кол—di (daH- a)/[dt+ (da + о))== = 103,45. Итак, имеем: Ф, - Фо0 = 1/150= 0,00667, d, = /об== 1501 Фа = ®кол “= 1/Ю3.45 = 0,00967, da = -f3 = 200; Ф3 = Ф4 = 1/200 =ч = 0,005, da = 160; Фв = Фок = 1/25 = 0,04, dt = da + /ок = 225; Оборачивающая Рис. 2.59. Габаритная схема ^зрительной трубы с ходом лучей Для определения габаритов системы применяются формулы (2.23) и (2.24). Расчет крайнего луча (/ij = Dp/2 = 12; сс1=О); аа = аг + h^i = 0,00667-12 = 0,08; й2 = *1 — «А = >2 — 0,08-150 = 0; а3 = 0,08; /г3 = —16; а4 0; Л4 = —16; а6 - —0,08; Аз = 2; а„ ~ 0. Расчет главного луча (tg «t = tg flt • - —0,0522, = Hi~ 0); P2 = = 11, -I- Д1Ф, - —0,0522; //a = H, - Mi = 0,0522-150 = 7,83; ₽8 4 0,02349; Яд 3,13; ₽4 • 0,03914; //4 - -3,13; f)6 = 0,02349; H, = =- —8,415; //s = //4 — p3 (d4 — /ок) = —7,83 (фокальная плоскость окуляра); f)e = —0,313; 4р ~ //s/p« = —8,415/(—0,313) = 26,88. Результаты расчетов высот лучей даны в табл. 2.13. Если принять 2й3 = 2й4 = 32 мм, то виньетирование наклонных пучков в процентах составит 0= (Др — (т4 — тг)] 100/Рр = 17. Во многих системах с целью уменьшения ее габаритов или улучше- ния качества изображения применяется одностороннее виньетирование наклонных пучков. В этом случае за главный луч принимают средний луч наклонпок) пучка, проходящего через оптическую систему (см. рис, 1.27). Нелелстппг дисторсии окуляра и аберраций в зрачках системы главный луч наклонного пучки н большинстве случаев пересекает опти- ческую ось ближе к окуляру, чем параксиальное изображение центра входного зрачка системы. 134 .
Т а б л и ц а 2.13. Высоты лучей иа главных плоскостях системы k Компоненты К \ системы Крайний . луч (Zj == 0 ht == 12.0 Глав- ный луч = —0,0522 Ч Наклонные лучи Р, = (®,) = —0,0522 т = 12,0 т= —12,о Объектив (Фх) Коллектив (Фа) Первый компонент обо- рачивающей системы (Ф3) Второй компонент обо- рачивающей системы (Ф4) Окуляр (Ф6) 12,0 0 —16,0 —16,0 2,0 0 7,83 3,13 —3,13 —8,41 12,0 7,83 —12,97 —19,21 —6,39 —12,0 7,83 19,03 12,79 —10,39 В качестве объектива трубы и линз оборачивающей системы при- меним двухлинзовые склеенные компоненты, так как их относительное отверстие составляет приближенно 1 : 6. Исправление в этих компонен- тах сферической аберрации, хроматизма положения и комы можно вы- полнить по методу, предложенному Г. Г. Слюсаревым [85, 86]. Важно заметить, что когда плоскость входного зрачка совпадает с оправой объектива (/^ = 0), астигматизм последнего исправлению не поддается [см. формулу (2.66а)]. В этом случае согласно формулам (2.63) и (2.66а): < = — 0.5f'o6 tg (1 л) == — 0,85/^ tg со] = —0.34; <„ - 0 tg«»’ (3 ]• л) - -1,85/;)б 1g Ч - —0,74, где л 0,7 (параметр кривизны), и тогда астигматизм <"<«=0,4. Коллектив, расположенный в плоскости изображения, вносит лишь кривизну поля и дисторсию: Кривизну изображения, создаваемую совместно объективом, кол- лективом и оборачивающей системой в фокальной плоскости -окуляра (рис. 2.60), можно определить как стрелку Пецваля (см. стр. 104) д/ ____054 Д р ~ 2Rp~ 2 Zj п где £ (Ф/л) а £ ф/„ 0,67 £ ф = 0,0176, полагая nt— п3~ 1. На рнс. 2.60 обозначено: Р'В' — главный луч; В' — точка схожде- ния меридиональных или сагиттальных лучей; FOKB' — идеальное изображение (неискривленное) в фокальной плоскости окуляра; FOKB' — искривленное изображение; Rp — радиус кривизны поверхности изо- 135
бражения1 * *; г == y^/2Rp—стрелка Пецваля при величине изображе- ния у'. Кривизна меридионального и сагиттального изображения \[R'm н 1/Д' связана с суммой Пецваля следующими соотношениями: ;; 3//?; - \jRm = 2/R'p = 2 2 (Ф/n). (2.90) Согласно рис. 2.60 отрезок после окуляра в диоптрийной мере составит L = 1000/z = ЮООг/f^ = 1000y,2[2Rpf£ = 10Q0(b'2/2Rp. Пользуясь выражением (2.90) как общей формулой, можно написать st, (Л—. s fn 2 1 I P D I P \ iXs / « -lOOOto’f 2(Ф/п). Выбрив тин окулпрл, исходя из его фокусного расстояния и угло- вого поли, уже заранее можно предусмотреть наилучшее возможное исправление астигматизма и кривизны поля всей системы. Для зрительных труб аберрации, выраженные в угловой мере, рекомендуется удерживать в пределах одной-двух угловых минут за окуляром в соответствии с предельным углом разрешающей способности глаза наблюдатели. Вторичный спектр допускается до 3—4 мин при диаметре зрачка глаза 2 мм. Наиболее надежным способом оценки Рис. 2.60. Определение кривизны изображения допустимых аберраций в объективах микроскопа служит критерий 1’алеи, согласно которому волновая аберрация в плоскости ианлучщей установки не должна превышать одной четверти длины волны света. В фотографических объективах аберрации оцениваются кружками рассеяния в плоскости изображения. Как правило, расчет оптической системы заканчивается составлением документа, в котором приводятся конструктивные параметры системы,' таблицы н графики аберраций, tin рис. 2.61 и 2.62 приведены в качестве примера такие графики для зрительной трубы н фотографического объектива. 1 H i формулы следует, что яоперхпость изображения в при. ближсиип ipuit.piu порлдпп, налнеген нярлПолопдом ирлщепин. а Яр** параметром д<ио пирнболипди -- радиусом кривизны в вершине. 136
Рис. 2.61. Аберрации телескопической системы Гт = 6х, 2а> = 8°30', Sp = 15,3 мм Точка на оси ft, В угловой мере В диоптрийной мере е С F' F'-C е С F’ F'-C' 0 0 0 0 0 0 -0,17 0,04 0,21 17/1/2 — Г 01" 0' 02" -1' 02" — 1' 04" 0,14 0 0,15 0,15 17,6 — 2' 47" — Г 23" — 2' 23" — 1’ 00" 0,28 0,14 0,24 0,10 Точка вне оси <0, SP (О' s’p' Ls Lm 2° 05' 4° 15' 0 0 12° 16' 31" 25° 43' 12" 15,26 15,00 — 0,80 — 3,45 — 0,65 — 1,63 А, % | а 1 а а сл О О <л Lm cos (О' (Ls-Lm)coso' (Ls+Lm) - cos 2,27 9,05 3' 41" 4* 29" — 0,78 — 3,11 — 0,64 — 1,47 — 0,15 — 1,64 — 0,71 —2,29 B, = 2° 05' nit O' nil = - :l 17,0 17 12° 08' 47" k » 0' 51" 9 12° 13' 10" D = — 8* 35" 0 12° 16' 31" mt = 9,0 — 9 12° 20' 32" k = 0' 20" — 17 12° 17' 22" D = — T 22" 15' 9 25° 33' 30" m, — ±9,0 0 25° 43' 12" k = —3' 41" —9 25° 45’ 32" D = —12' 02" 137
102ш Wf-1lf(M) 102ш' шГ20°(М) 10гы шг-20а(6) 80 9 9JУ' '°'- "г"' л" п п“''г 'ЬХвгран. 18,0 18,6 V1 -10 0,1 О Q1AG Богран, й поверхн. -20 огран. а" 1 -и поверху. W-uho- верхи. Прямая аа' соответствует плоскости установки, смещенной относительно г-----*-" п-а — гауссовой на -0,18 мм Действующая диафрагма Ф11,8 Рис. 2.62. Конструктивные элемен- ты и графики аберраций объектива г, = 17,10 d, - 2,85 ТК16 14,8 Г, = оо </2 = 4,05 г, —33.57 d, = 0.9 ЛФ5 12,4 г, ** 14.56 <4. = 5.05 г, •• 245,5 <4, =. 0,8 ОФ1 12,8 г. -- 15.17 d. *= 5,1 ТК16 12,8 г, " —23,53 !' *» 51,39 =» —40,21 S'F, = 42,76 (см. сводку аберраций аа стр. 138—139) Сводка аберраций Точка на осн h D s'c SC' SG’ Ю’о' S' As' . п 0 {> 4’7,70 0,10 -0,27 -0,37 Т.З)' !/• II), к» 47.ПЗ 0,23 O.IJhl - 0.1 5 — 0,44 -0.29 7.3 14,24 4 2.78 0,02 0.UI 0.09 — 0,08 —0,17 1J6
В сагиттальном сечении т,=0, ш, ==—10° М, \ - 10«б' Д01 7 13,50 -0,01 6 9,67 -0.0.1 0 0 0 —Б -9,67 0,03 —7 -13,5 0,01 т,=0, — 20» Ml — 10^6' до; 7 12,89 0,037 Б 9,28 -0,024 0 0 0 — 5 -9,28 0,024 — 7 — 12,89 — 0,037 меридиональном сечении a1==— Ю» 102 а' у' 7 —4,53 9,054 Б — 8,27 9,055 0 — 17,70 9,059 — 5 -27,31 9.064 — 7 — 31,09 8,967 й, = — 20» 10»О' 9' 5 —26,14 18,46 3 — 29,78 18,53 0 —35,11 18,56 — 3 —40,44 18,55 ;—5 — 43.92 18.46 а, = — 23° ttli 10« а' У’ 5 —31,16 21,32 3 — 34,90 21,47 0 —40,2 21,57 — 3 —45,3 21,58 Т очки »н е о с и W1 Sp 3 2' т г' - 2' з т У'. У' -У’а #О'~УС’ — 10» 12,15 —7,88 — 0,13 0,02 — 0,15 9,06 —0,016 '0,010 —20» 12,86 —7,95 —0,26 -0,30 0,04 18,56 -0,147 0,014 — 23» 13,27 — 8,15 — 0,16 -0,93 0,77 21,57 —0,230 0,022 Условия нерастраиваемости оптического прибора при изменении температуры В оптических приборах, работающих при различных температурах, возникает термооптичсскли аберрации увеличения и расфокусировка оптической системы. Температурное смещение плоскости изображения относительно фиксированной плоскости приемника (в телескопических системах — фокальная плоскость окуляра, в фотографических систе- мах — светочувствительный слой и т. д.) вызывается двумя причинами: наличием термооптической аберрации положения изображения и термическим изменением линейных размеров механического устрой- ства, связывающего оптическую систему с плоскостью приемника. Для 139
устранения эффекта температурного смещения плоскости изображения относительно плоскости приемника должно быть выполнено условие (рис. 2.63) (89J Де As'. — Ьа 0, (2.91) где Л£ — температурное смещение плоскости изображения относительно фиксированной плоскости приемника, вызванное термооптической аберрацией (As/' = s’t — s^) положения оптической системы и терми- ческим изменением Да размеров механического устройства, связываю- щего оптическую систему с фиксированной плоскостью приемника. Из формулы (2.91) следует, что Дз^=Да, Если термическое изменение линейных размеров механи- ческого устройства, связы- вающего оптическую систему с приемником, компенсирует изменение расстояния от по- следней поверхности оптиче- ской системы до плоскости приемника, то Д? = 0. Это и Рис. 2.(13, Эффект темпера i урного сме- щения плоскостей изображения: Л — положение fuiovKi’C i н приемника при начальной температуре прибора 20м С, находящейся на расстоянии ОА •=» s' от последней поверхности оптической си- стемы; О'А = — положения изобра- жения при температуре t есть условие нерасстраивае- мости оптического прибора в отношении температурной дефокусировки изображения относительно плоскости при- емника. Пример. Определить Дз^ — величину смещения задней фокальной плоскости объектива визира (см. рис. 1.27) при изменении температуры от = 20 до 12 = —70° С. Предварительные замечания. С изменением температуры происхо- дят' изменения: показа /слеп преломления стекол, радиусов кривизны поверхностей линз, толщин линз и также воздушного промежутка между линзами из-за теплового расширения материала промежуточного кольца, 11окп.чатсль преломденпя стекла при температуре Р вычис- лив ни ио формуле “Я,в + ₽* 0—20), где л,,, — показатель преломления стекла при /=20° С (приводится в ГОСТ 3514—76 или ведомственной нормали); (3* — коэффициент, характеризующий приращение показателя преломления для той длины волны, для которой исправлены монохроматические аберрации объек- тива (приводится в ГОСТ 13659—78). Радиус кривизны поверхности при температуре Р вычисляется по формуле rt = r0 (1 + а*0 нли rt — г20 (1 + Ata*), где а* — темпе- ратурный коэффициент линейного расширения определенных марок стекол; и г21) — радиусы кривизны соответственно при G = 0° и Go 2()'(,; AZ*53 (“-Go- Для поверхности склейки двух стекол а* принимается равным среднему арифметическому величин коэффициентов расширения этих 140
Таблица 2.14. Конструктивные элементы объектива и значёиня а н рр Радиусы поверхностей Толщины по опти- ческой оси Марка стекла «о Св. 0 а*. 10’ Рд-10е 53* II II II II II сл ьэ 1 1 — О ОО ЬЭ — Ъ 8 8 й d, - 5,2 d2—3 <4возд~ 1 К8 ТФ1 К8 1,5163 1,6475 1,5163 36 72 83 72 2,8 3,4 2,8 стекол. Изменение величины воздушного промежутка можно вычислить по приближенной формуле Ad/ = [(d — ех + е2) у* — + Ф*1 где Ci и е2 — величины «стрелок», отсчитываемых от вершин преломляю- щих поверхностей с учетом их знака (см. правила знаков стр. 65); у* — коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлено промежуточное кольцо длиной L= d — 6x+ е2. Конструктивные элементы г, d, п объектива из трех лянз даны в табл. 2.14. В этой таблице а* и даны для марок стекол К8 и ТФ1, применяемых в объективе. Кольцо из дюралюминия (у* - 22- 10“’’) длиной /. d:l — е,-1- Решение. Вычисляем /I/, г/, d/ при /.4 —70"С, если /[ — 20° С. А/ — /а — • —90" С. Для марки стекла К8 nt = п20 + рр (/2 — 20) = 1,5163 + 2,8 10~6 (-90) = 1,51605; для марки стекла ТФ1: nt =п20 + Ро (А,—20) = 1,64754-3,4-IO’6 (—90) = 1,64729; тп = Г1 (! 4-aj AZ) = 117,49(1 + 72-10'7 (—90)] = 117,41; ТП = г2 [ 1 + (а1 + а!>) W] = = —100,93 [1 4- 78-10(—90)] = — 100,86; г,3 r3 (1 -|- а* А/) -200 [ 1 83 -10 7 (-90) ] = —199,85; Г/4 = r4 (1 4-а] Д1) = 128,23 11 -|-72-10'7 (-90)] = 128,15; г/5 = г5 (* + <4 AZ) = 250 [1 4- 72-10'7 (-90)] = 249,84; dtl ==dj(l 4-а] Al) = 5,19б; d/2 = d2 (! 4- й2 Д1) = 2,998; d/4 = d4 ( 1 4- а’ Д0 = 3,997. 141
Таблица 2.15. Распределение марок стекол в зависимости от коэффициента теплового расширения а. 10’ для ин- тсрвалв тем- ператур от —60 до +20 ®С Марки стекол До 40 ЛК7 41—50 ЛК4 51-60 БК8, ТК4, ТК12, ТФ5, БФ28, ОФ1 61-70 К14, БКЮ, БК 13, ТК2, ТК8. ТК13, ТК14, ТК15, ТК16, ТК20, КФ4, КФ6, БФ1, БФ7, БФЦ, БФ13, БФ25, ЛФ5 71 Ф1, Ф6, Ф13 72 -80 ЛК6, К8, К19, БК4, БК6, ТК21, БФ6, БФ8, БФ16, БФ21, БФ24, ЛФ10, Ф4, ТФ2, ТФЗ, ТФ5, ТФ6, ТФ8 81—90 91—100 * По дайны,1 ЛКЗ, БФ12, ТФ1, ТФ10 ТФ7 и Л. В. Сергеева. Изменение воздушного промежутка при /2 = —70° С (приближенно) А^возд — l(dt — ех + е8) у* — еха* -f- dt = — 0,0076, где — Св.02/8г, = 362/1600 = —0,81; е8 = Св. 02/8б4 = 1,26. Тогда = da + Д4авозд = 0,9924. Конструктивные элементы объектива при t =* -—70° С следующие: гх в 117,41 dj = 5,196 К8 nD =1,51605 rt = — 100,86 <(. = 2,998 ТФ1 П[> — 1,64729 r8 = — 199,85 ^звозд — 0,992 — — r4= 128,15 dt = 3,997 K8 nD= 1,51605 rt = 249,84 Задний фокальный отрезок s', = 114,669 мм. Первоначальное ( г об вначенни было s', “ 114,699. Следовательно, изменение Asi = '<>а = —0,01 мм. Смещение плоскости приемника вследствие изменения длины корпуса прибора, изготовленного из дюралюминия равно Д«г = (t-~- 142
-20°) уз', = (—70 — 20) 22- МП-114,7 * —0,227мм. Таким образом, ро6 несмотря на термостабильность самого объектива (Дз£ = 0,01 мм), смещение плоскости приемника, вследствие температурного воздай* ствия на корпус прибора остается весьма значительным. При средних радиусах кривизны склеиваемых поверхностей пара лииз со слоем бальзамина будет термостойкой, если их а составит не более 25-10“7 (табл. 2.16). Когда Да превышает эту величину, то может возникнуть расклейка деталей при Температурных перепадах до ±60° С. Детали, склеенные бальзамином] становятся иетермостой- кими, если Да> 29*10 Определение значений показателей преломления оптических стекол Для вычисления показателя преломления оптических стекол в об- ласти спектра от 1 = 0,365 до 1040 мкм пользуются интерполяционной формулой фирмы Шотт па = йо -J- й1^а 4* йа^-г 4* йз^-4 4" 4" йзХ-8. Погрешность формулы не превышает двух-трех единиц шестого знака в области C—F, четыре-пять единиц этого же знака за пределами указанной области. Г. Г. Слюсаревым были использованы приведенные в ГОСТ 13569—68 значения показателей преломления десяти основных длин волн: 0,36501 (i); 0,40466 (h); 0,43405 (G'ji 0,48613 (F); 0,54607 (e); 0,58930 (D); 0,65628 (C); 0,76649 (Д'); 0,863 и 1,0 мкм. Эти значения пс» легли в основу решения нормальной системы уравнений, приводящей к системе формул: аи Аи< 4 4* сипа' + 4* ^unt 4" F»nD 4* 4'Gunc 4* ^ипА' 4- /ипо,8вз4- ^uni,o' (2.92) где и принимает значения 0, 1, ..., 5 [86]. На основании этой формулы составлена программа для цифровой ЭВМ, позволяющая по десяти значениям показателей преломления, соответствующйм перечисленным выше длинам волн, определить коэф- фициенты йц, ..., й5 и по ним значения п (1) для любого значения Л в промежутке 0,365—1,5 мкм. Кроме того, для 100 марок стекол ГОСТ 13659—68 машина может сразу выдать значения показателя пре- ломления для любого X в указанной области спектра, поскольку коэффи- циенты йо, йа для этих марок стекла содержатся в памяти цифровой ЭВМ. В ГОИ им. С. И. Вавилова разработана интерполяционная формула, пригодная для всех оптических стекол по ГОСТ 3514—76 (и по ведом- ственной нормали) для диапазона Л от 0,35 до 2,6 мкм и обеспечивающая точность в несколько единиц шестого знака после запятой: 4- 4- 4- 4" ^5^ 4" 4~ Эта формула применяется в «машинном каталоге» оптических стекол, введенном в память цифровых ЭВМ. 143
Таблица 2.16. Постоянные коэффициенты формулы (2.03) лг И'И 1« К (Я ’ ;<i Есстоянные А В D Е- 1£л г Кварц давленный 0,5—4,3 1,44902 0,004604 —0,000381 —0,0025262 —0,77220 - SrTiO3 1,0—5,3 2,28355 0,035906 0,001666 —0,0061335 —0,15020 i ~ MgO 0,5—5,5 1,71960 0,006305 —0,000000 —0,0031356 —0,0770 А12о3 1,0—5,6 1,75458 0,007149 —0,001577 —0,0045380 —0,2808 L1F 0,5—6,0 1,38761 0,001796 —0,000041 —0,0023045 —0,0557 V CaF2 0,6—8,3 1,42780 0,002267 —0,000069 —0,0011157 —0,0162 BaF2 0,5—11,0 1,46629 0,002867 4-0,000064 —0,0006035 —0,00465 S Si 1,3—11,0 3,41696 0,138497 0,013924 —0,0000209 0,01480 9 Ge 2,0—13,5 3,99931 0,391707 0,163492 —0,0000060 0,00053 Таблица 2.17. Показатели преломления некоторых материалов, вычисленных по формуле (2.93) 1 № п/п Материал Показатель преломления при различных длинах волн, мкм 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5.5 6.0 6,5 7,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Кварц плавлеиныЁ SrTiO, MgO А1,О, LiF CaF, EaF, Si Ge 1.4614 2,4776 1.7454 1.3943 1,4363 1,4778 1,4508 2,3161 1,7229 1,7557 1,3871 1,4289 1,4686 1,4449 2,2862 1,7153 1,7471 Г, 3832 1,4263 1,4662 3,4821 1,4388 2,2679 1,7085 1,7377 1,3788 1,4239 1,4646 3,4526 4,1083 1,4309 2,2504 1.7607 1,7262 1,3733 1.4*211 1,4630 3,4395 4,0664 1,4205 2,2312 1,6915 1,7122 1,3666 1,4179 1,4611 3,4324 4,0449 1,4069 2,2091 1,6806 1,6953 1,3587 1,4141 1,4591 3,4282 4,0324 1,3891 2,1838 1,6679 1,6752 1,3494 1,4097 1,4567 3,4254 4,0244 1,3664 2,1550 1,6533 1,6515 1,3388 1,4047 1,4540 3,4235 4,0190 2,1223 1,6367 1,6239 1,3266 1,3990 1,4510 3,4221 4,0151 1,6179 1,5918 1,3129 1,3927 1,4477 3,4211 4,0123 1,5550 1,2975 1,3856 1,4440 3,4203 4,0102 1,3778 1,4400 3,4196 4,0085 1,3693 1,4357 3,4191 4,0072 | № п/п [ Материал Показатель преломления при различных длинах волн, мкм 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 6 7 8 9 CaF, BaF, SI Ge 1,3600 1,4309 3,4187 4,0062 1,3498 1,4258 3,4184 4,0053 1,3388 1,4203 3,4180 4,0046 1,4144 3,4181 4,0040 1,4080 3,4178 4,0036 1,4013 3,4177 4,0032 1,3941 3,4177 4,0029 3,4177 4,0026 4,00£4 4,0023 4,0022 4,0021 4,0021
Интерполяционные формулы М. Герцбергера для вычисления показателя преломления в инфракрасной области спектра За последние годы появился широкий ассортимент оптических материалов для инфракрасной области спектра. Для реализации этих материалов необходимо зиать их оптические константы. Для этой цели можно применить интерполяционную формулу М. Герцбергера п = А — BL + CL2 + £>№ + EV + ..., (2.93) где L = (АЛ — 0,028)~х, постоянные А, В...... Е вычисляются при известных показателях преломления для пяти длин волн. Зная эти постоянные для данного материала (табл. 2.16), можно определить п для любой заданной длины волны для 14 материалов в ИК-области (плавленный кварц, Lil1', МцО, Cal'a, Si, Ge, ВаГа, А1аО3, JR-20, AsjSg и др.) (табл. 2.17) [1171. Если известны тц... и,, то показатель преломления для прианаль- ной длины волны можно вычислить по универсальной интерполяцион- ной формуле М. Герцбергера л(Х) - щ (Л)/ц [- аа (Х)яа — я, (к) п„ at (X) п4 -)-а5 (X) пб. (2.94) В табл. 2.18 приведены величины кбэффпцнепгов а/ (X), вычислен- ные через интервал 0,5 мкм дли области от 1,5 до 5 мкм. Таблица 2.18. Коэффициенты az (к) универсальной формулы (2.94), вычисленные для восьми длин волн к от 1,5 до 5,0 мкм в интервале 0,5 мкм к a, W а, (М йз (X) а, (к) Og (X) 1,5 1 0 0 0 0 2,0 0,116994 2,034777 —3,274872 2,437882 —0,314781 2,5 0 1 0 0 0 3,0 -0,004907 0,269321 1,344831 —0,676081 0,066836 3,5 0 0 1 0 0 4,0 0 0 0 1 0 4,5 —0,002182 0,062725 —0,647779 1,320303 0,266933 5,0 0 0 0 0 1 II качестве примера использования табл. 2.17 и 2.18 вычислим nOK.ri.iHvii. преломления SrTiO3 для к — 2 мкм: п (2.0) - 0,11699 X 2,2862 -|- 2,03478 X 2,2504 — 3,27487 X X 2,20'11 |- 2,43788 ;< 2,1838 - 0,31478 X 2,1223 -= 2,2679. Л и т < ь .1 г у |> <н II, .1. IV, III, IV, 57, 01, «4, 00, 07, 60, 71, 78—82, 85, 86, 83. 100. 102. 103, 111, 112, II/j.
ГЛАВА 3 ГЛАЗ КАК ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТРУМЕНТ Строение и свойства глаза Схематический горизонтальный разрез глаза дан на рис. 3.1 Р — роговица; Л — хрусталик; ЦУ — центральное углубление; СП — слепое пятно; КВ — камерная влага; СТ — стекловидное тело; О — центр вращения глаза; У—ЦУ — линия наилучшего видения — зри- тельная ось; УОК — оптическая ось. Сетчатая оболочка (или сетчатка), выстилающая дно глаза, состоит из нервных волокон, заканчивающихся так называемыми палочками и Ряс. 3.1. Схематический горизонтальный разрез глаза колбочками, являющимися светочувствительными элементами глаза. Палочки более светочувствительны, но ие различают цветов; колбочки чувствительны к цветам, но менее светочувствительны. В месте сетчатки, находящемся против зрачка, имеется так называемое центральное углуб- ление, размер которого соответствует пространственному углу обзора около 1”, в котором расположены одни колбочки. Вокруг него нахо- дится овальный участок с угловым размером примерно 6—7°, называе- мый желтым пятном, в котором имеются также палочки, но в значительно меньшем количестве, чем колбочки. Желтое пятно, и в особенности центральное углубление, являются областями наибольшей остроты зрении. 147
Поле зрения одного глаза: вниз 70°, вверх 55°, к носу 60° и к виску 90° (125° по вертикали и 150° по горизонту). Ноле зрения обоих глаз около 180°. Поворот глаз и сторону ±45 -50°. Поле зрения одного глаза условно можно разделить па три зоны: 1) зона наиболее четкого видения — центральная с полем зрения около 2"; 2) зона ясного видения, в пределах которой (при неподвижном глазе) возможно опознавание предметов без различия мелких деталей с полем зрения около 30° по горизонту и около 22° по вертикали; 3) зона периферического зрения, в пределах которой предметы не опознаются, но она имеет важное значение для ориентации. Аккомодация глаза Аккомодация — способность глаза изменять кривизну поверхностей хрусталика, что дает возможность видеть отчетливо различно удаленные предметы. Точка предмета, изображение которой получается на сетчатке при покое аккомодации, ниlunaercii дальней точкой глаза Л; точка, изображение которой получается при максимальном напряжении акко- модации, называется ближней точкой Р (рис. 3.2). Расстояние между дальней и ближней точками называется объемом аккомодации. Видеть резко предметы, расположенные ближе, чем ближняя точка, без очков нельзя. С возрастом ближняя точка отодви- гается от глаза, так как способность аккомодации, а отсюда и объем аккомодация постепенно уменьшаются. В возрасте около 30 лет ближнее расстояние (ц, около 125 мм. Если это расстояние становится более 250 мм, то для работы на близком расстоянии необходимы очки. Объем . 1000 1000 аккомодации в диоптриях: Ан —-------------. ар aR Недостатки зрения Портальным (эмметропическим) называется зрение, если при пол нос 1ыо ослабленном мускуле хрусталика отрезок ар равен оо. Такой । л.г1 видит резко без напряжения аккомодации далекие предметы. При блн 1<>рук<и'1И (миопии) дальнаяя точка расположена на конеч- ном расстоянии, которое тем меньше, чем больше близорукость. Дальнозоркое!!, хирнк lepn зуеТ'сн тем, что дальний точка находится за глазом (отрезок aR положительный). Величина аметропии AR 148
= 1000 l/aD, выраженная в диоптриях, характеризует степень близору- - кости или дальнозоркости. При близорукости Ад отрицательна. В приборах для коррекции близорукости и дальнозоркости при- меняется подвижка окуляров. В приборах, не имеющих диоптрийной подвижки окуляров, следует их установку делать в пределах —0,5— 1 дптр. Наличие аберраций в глазе вызывает явления иррадиации, при котором размеры светлых фигур, отверстий или источников света па темном фоне кажу геи больше, чем такие же размеры темных фигур. Например, белые пггрихп на черных шкалах кажутся большими, чем черные штрихи на белом фоне. Влияние на остроту зрения условий освещенности Адаптация — способность глаза приспосабливаться к очень силь- ным различиям в освещенности [например, отношение яркостей пред- метов, видимых днем при солнечном освещении, и предметов, видимых ночью (слабые звезды), достигает 101? : 1]. Адаптация осуществляется путем изменения размера зрачка глаза, диаметр которого изменяется от 2 до ~8 мм (площадь зрачка меняется в 16 раз), и за счет восстановления или разложения зрительного пурпура и перемещения зерен черного пигмента. При слабых яркостях работают только палочки, поэтому значительно падают острота зрения и цвето- чувствительность. Интенсивное освещение тормозит деятельность палочек, и зрение осуществляется главным образом при помощи колбочек. Максимальная чувствительность палочек приходится на длину световых волн порядка 510 нм, а колбочек — на длину 550 нм. Это сказывается в том, что синеватые цвета начинают казаться при слабой освещенности более светлыми по еранненшо <: желтыми н красными, п ю время как при сильном освещении они были одинаковыми ио яркости (явление Пур- кинье). При различных освещенностях чувствительность сетчатки изме- няется примерно в 103 раз*. Процесс темновой адаптации требует боль- шого времени (при резком'уменынении освещенности до 1 ч). При точных измерениях необходимо обеспечить наиболее благо- приятную освещенность и не допускать ее колебаний. Наиболее благо- приятной освещенностью признан интервал между 100—400 лк. Когда наблюдение ведется одним глазом, на остроту зрения влияют световые раздражения второго глаза. Так, например, при наблюдении темных объектов на светлом поле острота зрения выше, если второй глаз также освещен. Обратное действие получается при наблюдении светлых объектов на темном поле. Световые пороги Световым порогом N глаза называется наименьшее количество лучистой энергии, вызывающее ощущение света. Световая чувствитель- ность глаза 1/N. Световые пороги выражаются в эрг/с или освещен- ностью на зрачке в лк. Величина абсолютного светового порога глаза очень мала и колеблется у разных людей от 1-10 10 до 5-10 12_ эрг/с (в среднем соответствует освещенности на зрачке порядка 1-10 9 лк). Спектральные границы зрительного ощущения существенно завися г ог плотности энергии воспринимаемого ощущения. 1Г>
Контрастная чувствительность Видимость предметов основала на контрасте — яркостном, или цветовом. Яркостный контраст определяется величиной — й(ь)/вф (Во — яркость объекта; Вф — яркость фона). Отношение Дй/Вф (АВ — минимальней различимая глазом разность яркостей объекта и фона) называется порогом контрастности. Зависимость порога контрастности от яркости фона показана на рис. 3.3. С увеличением яркости фона контрастная чувствительность растет, достигая макси* мяльного значения при 130—640 кд/м2, а при еще более высоких ярко- стях снижается (слепящее действие). Рис. 3.3. Зависимость порога контрастной чувствительности ДВ/В от яркости фона Рис. 3.4. Зависимость ос- троты зрения от яркости фона Разрешающая способность Разрешающей способностью глаза называется способность различать раздельно близко расположенные друг к другу точки, линии или другие фигуры. Принято считать разрешающую способность глаза в среднем равной одной угловой минуте, при этом острота зрения принимается за 1. Если глаз разрешает 30", то острота зрения равна 2 й т. д. При наблюдении сдвига одной части линии относительно другой разрешаю- щая способность значительно выше (в среднем 10"). Средняя ошибка опытных наблюдателей прн этом иногда не превышает 3". Острота врения при оценке смещения линий — нониальная острота зрения — играет большую роль при измерениях и отсчете по шкалам н нониусам. При передвижении к боковым частям сетчатки острота зрения сильно падает. Если остроту зрения в центре принять за 1, то при смещении на 5“ от центра острота зрения падает до 0,3, на расстоянии 10° она падает до 0,2 и т. д. Разрешающая способность зависит от контраста наблюдаемой картины н яркости фона. Гик как с увеличением яркости фона Вф зрачок глаза уменьшается, то, следонительно, при малых диаметрах зрачка (2—3 мм) разрешающая способность глл.чл онгнмлльпп. С уменьшением контраста разрешающая способное! ь сильно еннжпетеп. Например, прн яркости фона около 1 кд/ма при контрасте 0,1)29 pivipeiiiiiioiniiii способность е = 1,2', при контрасте 0,264 в < 2,2', а при контрасте 0,096 к равна всего лишь 6,3'. т. е. разрешающая способность ухудшаете» почти в 5 раз, Контраст 150
цветных изображений можно повысить применением светофильтра. Большое влияние наостроту зрения оказывает правильная и стабильная освещенность (рис. 3.4). "'‘.Очень велика чувствительность глаза к малым перемещениям объектов, движущихся достаточно медленно. Установлено, что глаз замечает перемещение, равное в угловой мере 10". При непрерывном движении наименьшая угловая скорость, которую замечает глаз, приблизительно равна 1—2 град/с. Бинокулярное зрение расстояние находится в пре- Рис. 3.5. Различение равно- удаленности точек А и С при наблюдении двумя глазами: Лд и С'л — изображения точек А и С в левом глазу: А п и Сп — то же в правом глазу Расстояние между центрами глаз b называется глазной базой. У подавляющего большинства людей э делах 56—72 мм. Эти пределы при- няты при конструировании биноку- лярных приборов. Однако, если диа- метры выходных зрачков прибора более 4—5 мм, можно допустить наи- меньшее расстояние между центрами окуляров 58 мм, а при больших диа- метрах окулярных линз наименьшее расстояние приходится делать не ме- нее 60 мм (т. е. равным диаметру оправы окуляров в ее наиболее тол- стой части). Зрительной осью глаза называ- ется линия, проходящая через центр хрусталика и середину центрального углубления на сетчатке. Угол схождения между зритель- ными осями глаз называется углом конвергенции. Угол расхождения осей называется углом дивергенции. Изменение угла конвергенции тес- но связано с изменением аккомодации. Изменение угла конвергенции и свя- занное с этим ощущение напряже- ния глазных мышц позволяет судить о дальности объектов. Максимальный угол конвергенции — 32°. Стереоэффект. При наблюдении одним глазом наблюдатель оцени- вает разиоудаленность предметов по их относительной величине, если они ему знакомы, илн по изменению видимости (иначе по воздушной перспективе). Оценка разноудаленное™ предметов значительно точнее производится прн наблюдении двумя глазами. Чем больше угол конвер- генции, тем больше аккомодация глаз. Поэтому, если рассматриваемый предмет находится в бесконечности, оси глаз параллельны н аккомода- ция равна нулю. В связи с этим к бинокулярным приборам предъявля- ются следующие требования: 1) если осн окуляров непараллельны, то из окуляров должны выходить пучки расходящихся лучей, соответствующие аккомодации |лаз при данном угле конвергенции; 151
2) если оси окуляров параллельны, то из окуляров должны выходить пучки параллельных лучей. На рис. 3.5 дана схема наблюдения двумя глазами. Расстояние между изображениями точек А и С в левом глазу (.S'„) и в правом (Sn) различны. Если наблюдатель ощущает згу разницу, то он воспринимает и разноудаленное!в точек А и С и ощущает пространство стереоскопи- чески. Углы ад и ас называются углами параллакса. Чем дальше на- блюдаемые предметы (Я и С), тем меньше угол параллакса. Разность §л — 8’п пропорциональна разности углов параллакса. Тренированный наблюдатель ощущает изменения параллакти- ческого угла между осями глаз при наблюдении достаточно контрастных объектов порядка 10" (порог стереоскопического зрения). При больших расстояниях R имеем а' = blR. Если Ь — 65 мм и а' = 10" = 0,00005 рад, то невооруженными глазами стереоэффект будет ощущаться на расстоянии /?тах — Ыа.' = 1300 м. Предельное расстояние, па котором еще ощущается стереоэффект, называется радиусом стереоскопического зрения. Если увеличение бино- кулярного оптического прибора Гт и расстояние между оптическими осями объективов в N раз больше, чем расстояние между осями глаз, то радиус стереоскопического зрения возрастает пропорционально про- изведению этих величин. Пснараллелыюсть оптических осей бинокулярных приборов сверх допустимого предела (см. гл. 20) вызывает двоение изображения. Разность увеличений или разворот изображений свыше допустимых пределов в обоих половинках прибора также вызывает двоение изобра- жения в приборе. Цветоощущение Глаз ощущает излучения с длиной волны примерно 780—380 нм. Согласно некоторым данным, при значительной мощности излучения глаз видит излучения с длиной волны до 950 и 320 нм. Глаз способен различать свыше 100 цветовых тонов и оттенков. Дополнительными цветами называются такие цвета, которые при смешении дают белый (или серый) цвет: красный (656 нм) и синевато- зеленый (492 им); оранжево-красный (608 нм) и голубовато-зеленый (490 им); желтый (585 нм) и синий (485 нм); желто-зеленый (574 им) и синий (482 нм); зелено-желтый (564 нм) и фиолетовый (433 нм). Если некоторое время пристально смотреть на фигуру, окрашен- ную и какой-либо насыщенный цвет, а затем перевести взгляд на по- верхиосп, белого цвета, то па этой поверхности глаз будет видеть в те- чение некоторого времени этот же объект, окрашенный в дополнитель- ный цвет. Небольшой объект белого цвета, помещенный на цветном поле, кажется окрашенным в цвет, дополнительный к цвету поля. Окраска двух смежных объектов, окрашенных в дополнительные цвета, ка- жется более интенсивной, чем если рассматривать каждый объект От- дельно. Воздействие невидимых излучений Ультрафиолетовые луча е X менее 313 нм при значительных до- зах вызывают воепнлепне роговицы и соединительных оболочек глаза* а также сильные боля, которые начинаются пе сразу, а по прошествии 152
нескольких часов после облучения. Ультрафиолетовые лучи с X бо- лее 313 нм в значительной степени задерживаются хрусталиком, кото- рый при этом начинает сильно флуоресцировать. Ближние инфракрас- ные лучи с X от 800 до 1350 им, достигая сетчатки, вызывают ее на- грев, который при недлительном воздействии обычно безвреден. Одиако при длительном интенсивном воздействии таких инфракрасных лучей (например, наблюдение за солнцем незащищенными глазами) может вызвать выгорание сетчатки в том ее месте, где находилось изображение солнца. Инфракрасное излучение с Л свыше 1350 нм сильно поглоща- ется камерной влагой, что может принести к помутнению хрусталика глаза (образуется катаракта). Литература; 13, 12, 32, 54, 100, 103, 105].
3. Обозначения предельных отклонений Предельные отклонения показателя преломле- ния п(..................................... Дп( Предельные отклонении средней дисперсии пр> — »С.......................................... (пр'-пс1) ГЛАВА 4 ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ И УЗЛЫ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Совокупность оптических деталей, установленных в положении, заданном расчетом и конструкцией, составляет оптическую систему прибора. Оптические детали разделяются на следующие виды: лиизы, зер- кала, призмы и клинья, дифракционные решетки, сетки, экраны, све- тофильтры, защитные стекла, поляризационные призмы, поляфнльтры компенсаторы, световоды. В качестве узлов рассматриваются части, состоящие из деталей, соединяемых склеиванием или устанавливаемых на оптическом кон- такте, а также объективы, окуляры, сложные (составные) призмы и ти- повые призменные системы. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ НА ЧЕРТЕЖАХ И СХЕМАХ 1. Обозначения физических величин Показатели преломления для линий С', F', пр', п* Средняя дисперсия ............................ пр> — П£' Коэффициент дисперсии ........... Длина волны, отвечающая границе пропуска* пня по спектру.............................. ХПр Длина волны, отвечающая максимуму пропуска* ния ио спектру.............................. KmaJC Предел разрешения в угловых секундах . . . е Количество полос (линий) на 1 мм • R^ 2. Обозначения элементов оптических деталей Световая зона............................... Св. Слетовой диаметр ........................... Св. 0 Длина хода луча в призме (геометрическая) I 1 И liH'.r >16147(5 п качестве основной длины волны приняты длина волны леленой липни «е* ciH'Ki-pa ртути (к 64(5,1 им), а средний дисперсия (пр' — ипредглиск и ио юлубой (F') и красной (С*) линиям спектра кад^ мия (кр> s 1 ВО, 0 им и Х<;* (ИЗ,В и mJ, и место линий £), С н F в ГОСТ 3514—^67. 154 Предельное отклонение стрелки кривизны по- верхности детали от стрелки кривизны поверх- ности пробного стекла, выраженное числом интерференционных колец или полос, или до* пускаемая сферичность плоской поверхности в том же измерении...........................1 N Предельное отклонение формы поверхности от сферы или плоскости, выраженное числом ин- терференционных колец или полос (местные ошибки) ..................................* AAZ Наименьшее допускаемое фокусное расстояние пластинок или призм, как результат сферич- ности их поверхностей, в миллиметрах илн метрах..................................... fmln Допускаемая децеитрировка каждой поверхности (для линз) в миллиметрах.............................. . с (При необходимости вместо с указывается разность толщин по краю) Предельная клиновидность пластинки в минутах или секундах или разнотолщинность в миллиметрах . . О Предельная пирамидальность 1 призмы в минутах илн секундах ................................... ..... Я Продельная разность равных по номиналу углов призмы (с цифровым индексом угли призмы, иппример, дли прямоугольной при!мы 6O„) в минутах или секундах б Классы чистоты полированных поверхностей ..... Р Класс точности пробного стекла, назначаемой по ГОСТ 2786—76, или предельные отклонения от зна- чения расчетного радиуса поверхности в процентах АЯ > Наличие угла между ребрами призмы и противолежащими гранями. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЧЕРТЕЖЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ И СХЕМ Общие требования Правила выполнения чертежей н схем оптических изделий установ- лены ГОСТ 2.412—68. 1. Оптические схемы, детали и узлы следует изображать на чер- теже по ходу луча, идущего слева направо. 2. При выполнении чертежей и схем оптических изделий приме- няют обозначения основных величин физической оптики — по ГОСТ 7601—78, основных величин геометрической оптики — по ГОСТ 7427—76, элементов оптических деталей, предельных отклонений 155
физических величин и допускаемой неточности изготовления оптических деталей (см. выше условные обозначения, применяемые на чертежах и схемах), шероховатости поверхностей — по ГОСТ 2.309—73, спе- циальных оптических покрытии (см. гл. 10), классов чистоты полиро- ванных поверхностен — по ГОСТ 11141—76. 3. На чертежах поверхности оптических деталей обозначают про- писными буквами русского алфавита, которые наносят на полках ли- ний-выносок. Поверхности, к которым предъявляют одинаковые требования по точности и качеству изготовления, допускается обозна- чать одной и той же буквой. 4. В правой верхней части чертежа помещают таблицу, состоящую из трех частей: требования к материалу, требования к изготовлению, Рнс. 4.1. Изображение фасок на чертежах оптических деталей расчетные данные. На чертежах оптических сборочных единиц указан- ная таблица должна состоять из двух частей: требования к изготовле- нию, расчетные данные. 5. На чертежах оптических деталей фаски изображают, как пока- зано на рис. 4.1, а. Защитные (предохранительные) фаски допускается графически #не изображать. Размеры фаски указывают на полках линии-выноски (рис. 4.1, б) илн в технических требованиях надписью т X а, где т — ширина фаски, а — угол ее наклона. Если угол на- клона фаски для предохранения от выкалывания не нормируется, то на чертежах или в технических требованиях указывают только ширину фаски (рис. 4.1, в). Оформление рабочих чертежей деталей I. Радиусы сферических поверхностей деталей должны выбираться по ГОСТ 1807-75. Асферические поверхности линз и зеркал должны определяться координатами точек поверхности или уравнением кривой, использо- ванной для ее построения (рис. 4.2). 2. Толщину по краю линз и неплоских зеркал и габаритную тол- щину менисков рекомендуется указывать в качестве справочных раз- меров (рнс. 4.2 и 4.3). 3. На чертежах призм, некруглых защитных стекол и зеркал сле- дует кроме линейных п угловых размеров, определяющих их геометри- ческую форму, укп 11.цшть поминальные размеры световых зон поверх- ностей, если дли снеговых ion предъявляются более высокие требова- ния в отношении класса (группы) дефектов, чем для краевой зоны (рис. 4.4 и 4.5). 156
1 зв Д (Пр>—п^') ЗВ Однородность 3 Двойное луче- преломление 3 Ослабление 2 Бессвильность ЗВ Пузырность 2Б WAB 5 Д".АБ 0,5 С 0,05 РА IV РБ V Д«ЛВ 3 /' 47,87 -42,65 SF' 48,71 =5=0,81 Св. 0д Св. 0б 26,1 28,1 Примечания: 1. Д2р = ±0,5%. 2. Диаметр кружка рассеяния — не более 0,2 мм. 3. ® дв пРосветл- 44Р.43Р по ТУ .... Х = 560 ±50 мм. 4. Покрытие матовых поверхно- стей ЭмХС-77 по ТУ ... 5. Размеры со звездочкой — для справок. Рис. 4.2. Чертеж параболической линзы из стекла БК10 по ГОСТ 3514—76 4. Световые зоны oi рпнпчк- вают топкой штрих-нупктирной линией (рис. 4.5) с указанием на полке линпп-выпоски обозначе- ния «Св.». 5. Для деталей из бесцветного оптического стекла по ГОСТ 3514— 76 в первой части таблицы поме- щают следующие требования к ма- терналу: категорию и класс по показателю преломления и средней дисперсии; категорию по оптической однородности; категорию по двойному лучепреломлению; категорию по радиационно-оптической устойчивости (стекла серии 100); категорию по показателю ослабления; категорию и класс бессвильности; категорию и класс пузырности. 6. Для деталей из цветного оптического стекла по ГОСТ 9411—7? в таблице следует указывать категории по спектральной характери- стике, двойному лучепреломлению, бессвильности и пузырности (рис. 4.6). 7. Для деталей нз других оптических материалов (кварцевое стекло, естественные и искусственные кристаллы и др.) первую чисть таблицы заполняют в соответствии с действующими техническими условиями на эти материалы. 157
Примечания: I. Л/ и дл/ для учисп<а и ВО мм. 2. Разность тол- щин но краю до 0,1 мм. 3. ф — зеркалки. 1II.21E по ТУ... 4. Вне светового диаметра допускаются кант без аеркального по- крытия и точки от кон- тактов. б. Покрытие мато- вых поверхностей ЭмХС-77 по ТУ... 6. Размеры со звез- дочкой — для справок. Д"о — А (n/т»—«С'» — Однородность <— Двойное луче- преломление 3 Ослабление — Бсссвиль- ность — Пузырность 7Г N 2 ЛЫ 0.2 р VI лк 3 г 207 Св. 0 160/70 Рис. 4.3. Чертеж сферического зеркала из стекла ЛК4 по ГОСТ 3514—76 8. Требования к изготовлению деталей помещают во второй части таблицы, в которой указывают У и ДУ. Предельные отклонения У И ДУ следует относить: для круглых деталей — к их диаметру; для иекруглых деталей — к наименьшему размеру; для деталей больших размеров, проверка которых производится по участкам — к диаметру проверяемого участка (диаметр участка надо указывать в примечаниях). Далее в таблице приводятся следующие допуски: с; Р; 6; я; 6; е (при необходимости); (при необходимости); Д2? (для плоских по- верхностей при необходимости). Примечания: а) при назначении неодинаковых допусков У, ДУ или Р для раз- ных поверхностей одной детали или разных зон одной и той же повер- хности, а также при назначении неодинакового допуска (с) обозначения этих допусков следует указывать с буквенными индексами, каждое В отдельной строке (рис. 4.2—4.5). Эти же индексы следует ставить соответствующих поверхностей или у их зон на изображении; б) для деталей, не подлежащих контролю пробными стеклами, Отклонения У и ДУ не указываются. 9. Пи чертежах деталей в третьей части таблицы следует указы- вать световой диаметр (Си, 0), л дли сферических деталей, кроме того, 158
Примечания: 1. Фаски на ребрах 0,3+’>3, кроме мест, указанных особо. 2- ®б — просветл. 24И по ТУ ..., К = 590:^50 нм. 3. Покрытие матовых поверхностей ЭмХС-77 по ТУ ... 4. Размеры со звездочкой — для справок. Рис. 4.4. Чертеж призмы с кры- шей из стекла К8 по ГОСТ 3514—76 значении пеличнн ч/., s^,. Одну in iie.'iuHiiu укизыпшог с предельными отклонениями. 10. На чертежах призм в третьей чисти таблицы указывают геометриче- скую длину хода луча в призме (/), световой диаметр (Св. 0) по наиболь- шему сечению пучка и предел раз- решения (при необходимости). 11. На чертежах деталей, подле- жащих просветлению, серебрению, А«е ЗВ Д (пр>—псО ЗВ Однородность 1 Двойное луче- преломление 2 Ослабление 2 Бессвильиость 1Б Пузырность ЗА "б 2 дл,б 0,3 NB 0,5 ДЛ’в 0.2 р IV л 2Г 1' е 25" ^min — 1 14 Св. 0 5 алюминированию и другим покры- i тиям, в технических требованиях нужно указывать услов- ное обозначение покрытия и условный графический знак его. Тот же знак должен быть указан на изображении у поверхно- сти, подлежащей покрытию (рис. 4.2—4.5) или на выносной линии к ней. Кроме условного обозначения покрытий в тех- нических требованиях следует указывать и другие характеристики. Для светоделительных покрытий одну из следующих характеристик: а) отношение коэффициента отражения р к коэффициенту про- пускания 1 (с допуском); । б) коэффициент отражения р (с допуском); в) коэффициент пропускания т (с допуском). 159
ш 47.5MZ 48*~ П р и м е ч и и и и: 1. Фиски ни ребрах 0,3+М Х45°. Фаски на углах 1||.‘Х46“. 2. — просветл. 44Р. 43Р по ТУ .... X — 520:4:50 нм. 3. Покрытие матовых поверхностей ЭмХС-77 но ТУ ... 4. Размеры со звездочкой — для спрапок. Рис. 4.5. Чертеж призмы со свето- по д'*е .2 В Д <пр>—пс>) 2В Однородность 2 Двойное луче- преломление 2 Ослабление 1 Бессвильность 1Б Пузырность ЗА "а 3 д"а 0.3 "б 1 дд,б 0,2 РА V ₽Б IV Л 3' 6450 3' е 5“ 1 48 выми зонами из стекла К.8 ГОСТ 3514—76 : Для просветляющих, светодели- тельных и отражающих покрытий: среднюю рабочую длину волны света (с допуском), для которой рассчитано покрытие, если она от- личается от средней длины волны для белого света (550 нм), или уча- стка спектра, для которого покрытие преднптпачепо. Для покрытий-фильтров: ! а) для нейтральных (серт^х) — оп- тическую плотность (с допуском); б) для интерференционных (узкополосных) — длину волны ЛП1ах, отвечающую середине полосы пропускания, коэффициент пропускания тшах для этой длины волны, полуширину полосы пропускания 6м, определяемую как разность длин волн, соответ- ствующих тп1ах/2, и минимальное пропускание тшщ по обе сто- роны от полосы пропускания. 12. При окраске нерабочих матовых поверхностей детали в техни- ческих требованиях помсщафт указания в соответствии с требовани- ями ГОСТ 2..310—68 (рис, 4.2—4.6) Пример оформления чертежа сетки показан на рис. 4.7. 160
’^м 05tiJfxl59 /Тераом Г ; Спектр альн а я х ар а кте- рист^ка 2 Двойное лучепреломле- ние 3 Бессвильность 2 Пузырность 5 N 4 &N 0.5 Р v 0 5' г. min 5 м Св. 0 86 Рис. 4.6. Чертеж свето- фильтра из стекла ОС1 по ГОСТ 9411—75 Rz 2.5 (у) Примечания: 1. Ширина штрихов — — 0,0153= =±=0,003 мм. 2. Разность штрихов по ширине у ОДНОЙ детали не более 0.003 мм. 3. Разность штрихов по длине у одной детали не более 0.015 мм. 4. Отклонение расстояний от на- чального штриха до любого другого не более 0,005 мм. 5. Остальные требования к штри- 4 В Л (II/,'» —11(;>) 4 В Однородность 4 Двойное луче- преломление 3 Ослабление 3 Бессвильность 2В Пузырность I N — АЛ/ — 1-20 0 15' Св. 0 14 кам по ТУ ... 6. Штрихи н цифры травить и заполнись запуском ... по ТУ ... 7. Шрифт 0,5 по ТУ ... I Рис. 4.7. Чертеж сетки из стекла БКЮ по ГОСТ 3514—76 0 В. А. Панов и др. 161
Оформление рабочих чертежей узлов На чертежах оптических сборочных единиц указывают только те размеры, покрытия и т. д., которые должны быть выполнены в процессе сборки. В технических требованиях или в спецификация на чертежу узла должны быть указаны наименование и марка клеящего вещества и номер нормативного документа (рнс. 4.8), а в необходимых случаях н толщину склеивающего слоя. В первой части таблицы указывают: Ж Примечания: 1. (Я — проеветл. 44Р.43Р по ТУ .... X - 62О=С5В им. 2. Покрытие матовых поверхно- стей ЭмХС-77 ио ТУ ... Рнс. 4.8. Чертеж склеенной линзы N 2 bN 0.5 С 0,0.2 р. IV р, V г 69,72 *Р —65,52 SF' 66,91 =±=0.7 Св. Я 16 N, &N, с (для линз), Р; /гащ и в указывают при необходимости. Значе- ния f, sp, s'P, и другие требования указывают во второй части та- блицы. Оформление оптических схем 1. На оптических схемах детали и узлы, как правило, следует рас- полагать по ходу светового луча, идущего от плоскости предметов елева направо (рис. 4.9). 2. Для сложных приборов оптическую схему основной части при- бора н оптические схемы узлов прибора, имеющих самостоятельное наз- начение, допускается оформлять отдельными чертежами. На основной схеме такие узлы допускается обводить штрих-нунктирной линией. 3. Все детали, поворачивающиеся или перемещающиеся вдоль или перпендикулярно оптической оси системы, следует показывать в основном рабочем положении. При необходимости штрих-пунктиром могут быть показаны н другие положения деталей, например крайние; следует также показывать: а) апертурные диафрагмы и положения зрачков (схематически); б) положение фокальных плоскостей, плоскостей изображения или предмета, положение полевой диафрагмы: в) источники спета (схематически); г) приемники лучистой энергии (схематически пли условными гра- фическими o6oHiu4einiHMii), пппрпмер фотоэлементы, фотоумножители (в схемах с <|хлорегистрвци01). 162 ,
— S, м s’, мм оо 40,8 20 40,9 10 41,02 . 7 41,13 5 41,27 42.05 Фокусное расстоя- ние . . , . . 51,3 Относительное от- верстие ... 1 : 3,5 Предел разреше- ния ........... Размер кадра. . 18X24 Рлсчгт оптики № от 1гз HHWHIIHH фИЗНИ IB Ciprflh* Ни f й ГВ. И, ( ТП’ ЛИ H по Гн. 63t Толщин* но оси 1 11,1 1,80 14 — 3,8 i 12,2 1,01 12 1,51 1 а 12 — 12 1.26 1.2 4 12 1.26 12 1.17 4 Перечень деталей Формат Зона Поз. Обозначение Наимено- вание Кол. Приме- чание — — 1 Лииаа 1 —. — 2 Лайза — — 3 Линза 1 — —• 4 Ляпа 1 Рис. 4.9. Чертеж схемы оптики фотообъектива 463
4. На чертеже оптической схемы следует указывать: а) основные оптические характеристики системы (при необходи- мости с допусками), например: для телескопических систем — увеличение, угловое поле, диаметр выходного зрачка, удаление выходного зрачка от последней поверх- ности, предел разрешения, коэффициент светопропусканпя (при необ- ходимости); для фотографических объективов — фокусное расстояние, относи- тельное отверстие, угловое поле или линейное поле, предел разрешения (при необходимости); для фотоэлектрических систем — размеры или типы фотокатодов, размеры светового пятна на фотокатодах (при необходимости); б) фокусные расстояния f и фокальные отрезки sp и s'F, отдельных узлов оптической системы, как, например, объективов, оборачивающих систем и окуляров; эти данные следует помещать на поле чертежа в виде таблицы. Номер» позиций деталей сборочной единицы HmiMCKon анне сборочной единицы г SF SF' в) различные дополнительные сведения, например: расстояния от последней поверхности фотографического объектива до плоскости изображения в зависимости от расстояния до предмета (рис. 4.9); линейное перемещение окуляра па 1 gmnp и т. д. 5. На оптической схеме следует проставлять: а) размеры световых диаметров оптических деталей и соответству- ющих им стрелок, а также толщину по оси (для призм — длину раз- вертки). Эти данные следует помещать на поле чертежа в виде таб- лицы. Номера позиций деталей Св. 0, Стрелка по Св. Св. 0, Стрелка по Св. 0, Толщина по оси, длина раз- вертки призм Примечание. На оптической схеме с большим количест- вом деталей допускается проставлять световые диаметры и толщины по оси на самой схеме. б) диаметры диафрагмы и размеры зрачков, размеры тела накала или иных светящихся элементов источников освещения (при необ- ходимости с допусками); в) воздушные промежутки и другие размеры по оси; г) размеры, определяющие пределы перемещения или предельные углы попорота оптических деталей; д) размеры, определяющие положение оптической системы относи- тельно механической чисти прибора, iiiinpiiMcp размер, определяющий 164
положение объектива микроскопа относительно нижнего среза тубуса; е) габаритные или сборочные размеры, например длина базы, высота выноса (при необходимости). ЛИНЗЫ Линзами называются детали из оптически прозрачных однородных материалов, ограниченные двумя преломляющими поверхностями, из которых но крайней мере одна является поверхностью тела враще- нии (и|и'ри, асферический или цилиндрическая поверхность). Класси- фикации ,>ОП11 прпаедепн в гибл. 4.1. ТиОлица 4.1. Определение некоторых линз н линзовых систем Тин линяы (системы) Определение и назначение Мениск Линза афокальная Линза бифокаль- ная Линза зеркальная Коллектив, кол- лекп1и-се1ив Конденсор, кол- лектор Система цанкрати- ч искан Системы перемены увеличений Объектив Окуляр Радиусы кривизны одинаковы по знаку Оптическая сила линзы к нулю Одна чйсть поверхности имеет один ра- диус кривизны, а другая — другой радиус кривизны Одна поверхность работает как отражаю- щее зеркало, а другая как преломляющая поверхность Линза, расположенная в фокальных пло- скостях или вблизи от них и предназначен- ная дли отклонения к оси пучков лучей с целью уменьшения габаритов оптической системы, На одной ня поверхностей могут быть млении (сотка) Положительная линза или система лииз, служащая для отклонения к оси пучков лучей, идущих от источника света Система линз для получения плавного изменения увеличения Система линз для получения ряда диск- ретных значений увеличения прибора Линза, система линз или система линз и зеркал, служащие для получения действи- тельного изображения предмета (или проек- ции его на экран) Линза или система линз, служащие для рассматривания изображения, и помещаемые перед глазом Конструкция линз Конструктивные элементы линз разделяются на две группы. Первая группа — элементы, которые характеризуют оптическое действие линзы и определяются при расчете оптической системы: 165
Таблица 4.2. Ширина фаски (т) в зависимости от диаметра Ди «метр детали, мм Ширина фаски, мм Для крепления завальцовкой Для предохранения от выколок иесклеиваемая сторона склеиваемая сторона До 6 Св. 6 до 10 » 10 » 18 » 18 » 30 » 30 » 50 » 50 » 80 » 80 » 120 » 120 > 180 » 180 > 260 »260 > 360 »360 » 500 »500 0,1’им О,!40’1 О,!40'2 - 0;з+°.2 О.440,2 О.540,3 07+0,5 1,04°-5 02+0.2 о.г4®’2 0.34®’3 О.5*0,5 О,8+0,8 1,0+1.° 0>з+о.з O,5+o,s 0.7*0,7 го4*1,8 12+1,о 1,б41-5 Таблица 4.3. Угол наклона фаски (а) в зависимости от D/R Отношение диаметра к радиусу поверхности Угол наклона фаски а, ...° иа выпуклой поверхности на вогнутой поверхности иа плоской поверхности До 0,6 45 45 Св. 0,6 до 1,5 30 60 45 » 1,5 —• 90 константы оптического стекла и технические требования к нему, ра- диусы кривизны (форма) поверхностей, толщина (по оси), световые диа- метры, внд просветления или защиты поверхностей и допуски на ка- чество поверхности, чистоту н центрировку. Расчетные радиусы дол- жны быть округлены до ближайших значений по ГОСТ 1807—75. При расчете не должны допускаться слишком тонкие линзы, так как при полировании они прогибаются, что делает невозможным полу- чение точных поверхностей н центрировку (если мал припуск на центри- ровку и трудно ризмеспт. фаски). В тябл. 4.4 приведены соотношения между нанмепьшей’толщнпой края н диаметром положительных линз, 166
Таблица 4.4. Соотношения между световым и полным диаметрами линз (ОСТ 3-490—71) 1 Hr 1 1 h rf лисю , мы Полный диаметр £>, мм Нажвеяывдо тсдвЕяна края пазажэгтелышх двнз, мм Световой диаметр лннэ Полный диаметр О, мм Наиыекыпая толщина края положительных линз» мм /> —Св. 0 4- I А/) Л/1 пни £> = Св. 0 4" 4- AD АО прн креплении замшг- ’ ~ жмютУ | и I МСВЧГОИ * J янв шв СМ заваль-* новкой i ° § S 5 Я А О ф да да До б 0,6 ___ 1,0 Св. 80 до 120 _. 3,0 3,0 Св. в ДО 10 0,8 1.0 1,2 > 120 » 180 — 4,0 4,0 » 10 » 18 1.0 1.5 1.5 » 180 > 260 —« 5,0 5,0 » т » 30 1.2 1.8 1,8 » 260 » 360 6,0 6,0 » 30 » 60 » 50 » во 1,5 2,0 2,0 2,5 2,0 2,5 » 360 » 500 —- 8,0 7,0 Таблица 4 5, Соотношении между наименьшей толщиной по осн и диаметром отрицательных лннэ Ь <фим*рни> ИМИ ДИЙ9 Иннмс мри А* 11ЫП110 1ОЛ1 нуена АЛ/ 1 1»НЫ ио ОС1- « местные </. мм (шибки Ферма ^«магр д« ед 0,8-0,6 о,#-а,о Си. 2.0 До 50 0,150 0,120 0,120 0,10D Давяко* 50-120 0,120 0,120 0,100 0,080 вогнула 120—260 0,100 0,100 0,080 0.08D 260—500 0,100 0,080 0,080 0,080 Мениск До 50 0,120 0,120 0,100 0,100 (выпукло- 50—120 0,120 0.10D 0,080 0,080 вогнутая) 120—260 0,100 0.10D 0,080 0,080 260—500 0.10D 0,100 0.08D 0,080 i • в табл. 4.5 — наименьшей толщиной по осн и диаметром для отри- цательных лииз. Вторая группа — элементы, зависящие от способа крепления линз. К этой группе относятся диаметры лииз D, а также размеры и распо- ложение фасок (табл. 4.2 и 4.3). Для закрепления лииз в оправе полный диаметр линзы делается несколько больше светового. Минимальное 137
значение иЮГО диаметра в зависимости от светового даны в табл. 4.4. Окончи к 11>ный его размер округляется до ближайшего (большего) норм.-i'н.иоГО Диаметра по ГОСТ 6636—69. Фаски на оптических деталях круглой формы (линзы, сетки, светофильтры и др.) Фаски снимаются: а) для предохранения детали от выколок (за- щитные фаски); б) для крепления линз завальцовкой или обеспечения центрировки; в) для удаления излишков стекла (конструктивные). Первые два вида фасок нормализованы и выбираются из табл. 4.2 и 4.3 в зависимости от диаметра линз; конструктивные фаски не нормали- зованы и определяются из конструктивных соображений. При малой толщине оптической детали на краю размер фаски может быть уменьшен. Фаски на оптических деталях, которые крепятся закаткой должны быть концентричны по отношению к наружному диаметру. На выпуклых поверхностях при отношении диаметра D к радиусу поверхности больше 1,5 фаску ие снимают; при отношении DIR от 1,3 до 1,5 фаска допускается, но не является обязательной. Ширина и до- пустимость фасок, попадающих в световой пучок, которые должны быть минимальными или отсутствовать совсем, устанавливаются конструк- тором. Угол наклона фаски (а) в зависимости от отношения D/R вы- бирать по табл. 4.3 Если конструктивная фаска образует с сопрягаемой поверхностью линзы угол меньше 110°, то следует снимать дополни- тельно фаску от выколок согласно табл. 4.2, 4.3 и 4.8. ЗЕРКАЛА Применяются плоские, сферические и асферические зеркала с на- ружным и задним отражающим покрытием (сплошным или частично отражающим и частично пропускающим свет). Плоские зеркала приме- няются в тех случаях, когда они дают выигрыш в весе и простоте кон- струкции по сравнению с отражательными призмами. Плоские зеркала, участвующие в построении изображения в ви- зуальных системах приборов или используемые в точных измеритель- ных приборах (например, интерферометрах), требуют высокой точности изготовления. Как правило, отражающий слой на этих зеркалах на- носится на наружной стороне. Это делается для того, чтобы избежать влияния ошибок изготовления зеркала, например клиновидности, на качество оптической системы. Зеркала с задней отражающей поверх- ностью нельзя устанавливать в сходящихся пучках, так как оии вызы- вают двоение изображения, а при наклонном положении также астиг- матизм и асимметрию в строении пучка. Плоские зеркала невысокой точности имеют широкое применение в неответственных узлах (освети?- тельные устройства, видоискатели фотокамер, рисовальные устрой-, ства микроскопов и т. п.). Формы зеркал весьма разнообразны. Толщина зеркал зависит от размера, способа крепления и главным образом от требуемой точности поверхностей. Чем точнее зеркало, тем больше должна быть его тол- щина. Толстые зеркала меньше деформируются при креплении. Зеркала коппепых отражателей дальномеров при допуске на подгонку под проб- ное стекло 0,1—0,3 полосы и при размерах сторон 60—80 мм имеют толщину 10—12 мм. Рекомендуется применять следующие соотношения между толщиной </ н наибольшим размером / (пли диаметром) зеркала: 168
4 |) особо точные зеркала (зеркала интерферометров, концевые отража- тели дальномеров) d :> (1/5—1/7) I, б) точные зеркала (визуальных Систем наблюдательных и прицельных приборов) d >. (1/8—1/10) I, в) грубые зеркала (осветительные системы) d >> (1/15—1/25) I. Размер йеркилй с задней отражающей поверхностью (рис. 4.10) определяется ПО формуле cose. _ sinks’ изображения и хро- Рис. 4.10. Схема расчета зеркал ГД|| l> 111111 > 11 > । и ii'l'un.iii |>и, ii'phai|;i ВЫ (МНЮ* г дпосппс MH Hi t"t /(ill ИЦ и InH.'lHIlH II I ин 111.1 к di pHHil, ИюЩИЩНХ П fill lll'll'l H V'iH iihieMy iipiifliiiiii, iipiiMPiiHNTCH «ПИЛО мирик КН, ДЛИ ИОНЦС- ВМХ 111ряж1нглой дальномеров — ИИй||11«И1и> стекло, малочувстви- тельно* к изменениям темпе- ратуры. Для таких же целей менее ответственных случаях Нрим*ниетсн стекло марки ЛК5, И и*отв*тств»Н11Ых случаях — Нриильноа стекло. Сф*рнч*ские н всферпче- •ИН* аериил» (параболические, Гйп*йболич|ски*, адлнптиче- ВИН*), HH*ue₽iii.io с внешней и • „дней отражающими поверх- НИЩИМИ Нрнмепнюгсн ДЛИ ii6b- iKtHBii* неipiiiiuMHMer'Kiiи приборов, объективов микроскопов, теле- йьвнтищщ фнН)вппврйи1В, дли прожект ирон и различных освети- тельный УИ|Н|ЙГТН| ПРИЗМЫ Прнимы Применяются для следующих целей: для изменения хода думай в приборах: изменения направления оптической оси системы; иТмининия нвпрявления ЛИНИИ визирования; оборачийания изображе- нии; уменьшения габаритного хода лучей; разделения пучков лучей; Вращения изображения или компенсации поворота изображения (на- пример, я панорамических приборах); разложения света (в спектраль- ных приборах); поляризации света (табл. 4.6 и 4.7). Преимущества призм: I) углы между гранями призмы неизменны, в то время как углы между веркалами должны регулироваться с большой точностью при Сборке и система зеркал может разъюстироваться в процессе эксплуа- тации; 2) потери света у призм от граней с полным внутренним отраже- нием ркапы нулю,в то время как при отражении от поверхностей зеркал пшерн довольно велики. Кроме того, покрытия зеркал могут с течением в||«м*пп портиться; 3) некоторые призмы нельзя заменить зеркалами (например, при- ему Дове или спектральную призму). Призмы отражательные подразделяются на одинарные (из одного куски) и составные. 169
Таблица 4.6. Отражательные призмы Соотношения размеров даны для светового пучка круглого сече- ния с наибольшим диаметром D. Диаметр действительного пропускае- мого светового пучка получается уменьшением расчетного диаметра пучка D на величину, необходимую для закрепления призмы в оправе; I — геометрическая длина хода лучей в призме; ширина всех призм раина D Схема Соотношение размеров Тип Л. Одинарные призмы с одним отражением К 2n"—1 —I = 4,230 (для Кв) н 4,040 (для БКЮ) Для nD h—D У 2пг—1-1 = 3,3810 (для К8) и 3.20D (для БКЮ) а = О с = 2,6130 Л = 0,9240 I = 2.414D с - 2D к — 0,8660 I - 1,7320 « = D с = 1,4140 1 = О 170
Продолжение табл. 4.6 Схема Соотношение размеров а - D с — 1,3070 I = 2,4400 Все призмы этого типа оборачивают изображение в главном сечении на 180° (зеркальное изображение) Тип Ак. Призмы с крышей а - D с = 2,6130 h = 1J43O I = 3,5580 а = О с = 20 h = 1,0940 I = 2,6460 171
Продолжение табл. 4.6 Все призмы этого типа дают полное оборачивание изображения 172
Продолжение табл. 4.6 Схема Соотношение размеров а - D I — 3.414D с » 1.082D а - D с = 1,4140 с. = 1,4140 1 = 1.707D 173
Продолжение табл. 4.6 176
Продолжение табл. 4.6 'g 0) о X и Схема Соотношение размеров Т и и Вк. Призмы с крышей и двумя отражающими п о в с р х и о с т и м и с — 1.7В1О Ci - 1.3630 I - 3,040 с = 2,6180 h » 0,9340 I — 2,8020 Призмы ВкЛ - 0° и ВкР — 45° дают полное оборачивание, а призма ВкР — 180* — зеркальное изображение 177
Продолжение табл. 4.G
Продолжение табл. 4.6 Схема Соотношение размеров а « D с -= 1.78D q « 1.08D Ci e 1,4140 т = 0.39D Л « 1,2310 41 жз 0,1 мм I ~ 4.75D Призма дает полное оборачивание L n S я § S п о 8» Г! 1 о К m а = D b = D с = 1,55 (Л 4- D) Л = 0,333 (Л + D) I = 1,115 (Л + D) (без клина) Каждая призма обозначается двумя буквами и числом, разделя- емых между собой знаком тире. Первая буква указывает число отража- ющих граней, вторая буква — характер конструкции призмы. Число указывает угол отклонения осевого луча в градусах. Примечания: 1. Крыша условно считается за одну грань. Обозначается индексом «к» у первой буквы. 2. Если осевой луч отклоняется внутри призмы в двух плоскостях, то цифры условного обозначения указывают углы отклонения в- этих плоское।их. Призмы с одной отражающей гранью обозначаются буквой А; с двумя отражающими ipainiMii — буквой Б; с тремя отражающими гранями буквой В; призмы с крышей — Лк, Бк, Вк, 180
В зависимости от характера конструкции призмы второй буквой Обозначается: Р— равнобедренная призма; П — пентапризма, У — полупентапризма, С — ромбическая призма, М — призма дальномер- ного типа и Л — призма Лемана. ________ В табл. 4.6 приведены данные отража- * *" тельных призм. г Составные призмы Каждая призма обозначается одной буквой и числом, разделяемых знаком тире. Пример обозначения: призма-куб — К—0°, ;башмачная призма — Бк—90°. Условные обозначения проставляются на рабочих чер- тежах вместе с названием призм. Отражательные призмы развертыва- ются в плоскопараллельную пластинку. Развертка призмы выполняется путем пере- Рис. 4.11. Развертка прямоугольной приз- мы вертывания контура сечения призмы вокруг каждой стороны этого контура, соответ- ствующей отражающей грани, в той последовательности, в которой про- исходят отражения луча от этих граней. На рис. 4.11—4.13 даны при- меры развертки призм и определения геометрической длины хода осевого луча в призме I. Расчет размеров призм Чаще псего огибающая поверхность пучков лучей, проходящих через призму, является конической поверхностью с круглым основа- нием. Поэтому для определения размеров призм следует задаться раз- мерами конуса пучка лучей и положением одной из граней призмы. Рассмотрим случай, когда задана грань, на которой сечение пучка будет меньшим (рис. 4.14). Для решения задачи вводится эквивалент- ная развертке призмы воздушная пластинка толщиной Ип (п — пока- затель преломления призмы, I — геометрическая длина луча в призме берется по типу призмы из табл. 4.6), Для определения толщины воз- Л^шной призмы надо найти величину D на ее выходной грани. Зная 181
угол конуса лучей 2а и обозначая I/O = k, можно определить величи- ну D из выражения D = 2 (г + a tg а) + '2Dk tg а/л, откуда . ,. 2 (г + a tg а) 1 — tg а/п' Решение аналогичной задачи, когда задается положение грани с большим сечением пучка, просто, так как D в этом случае известно и размеры призмы берутся из табл. 4.6. Если призма с двумя или тремя отражениями имеет крышу, выходящую только на одну Рис. 4.14. Схема расчета призмы преломляющую грань (входную или вы- ходную), то вместо полученного размера надо брать размер pt = .£Lfi+ + 1 2 \ ‘ sin у ) ’ где у — угол между ребром крыши и рассматриваемой гранью. Если в призмах с одним отряжением (типа АР) крыша вы- ходит на две грани (например, у прямо- угольной призмы), то Если призма не развертывается в плоскопараллельную пластин- ку, то она действует как клин с большим преломляющим углом и вы- эывает хроматизм и искажение изображения. Такие призмы применя- ются с дополнительным (компенсирующим) клином (например, башмач- ная призма Б—90е). Угловое поле любой призмы ограничено я зависит Таблица 4.7. Предельные углы 2о для различных призм из стекла К.8 и БКЮ Тип призмы Зрачок на входной (выходной) грани Зрачок в середине развертки призмы 2(Т, ...° 2<т, ...° к« БК 1 0 КЗ БКЮ АР—90° БР—180° БП—90° АР—45° АР—0° П-0 85° 24' 43° 10' 25е 59' 36° 25° 36' 18° 43' 89' 06' 44° 44' 26° 54' 37° 06' 26° 30' 19° 26' 2а 90' 85° 24' 50° 27' 70° 58' 50° 56' 37° 26' 2а->90° 89° 06' 52° 20' 73° 48' 55° 48" 38° 45' формула sin <т — / 1 1 -1Л» Формула sin п -= -—=£= / 1 -Н 4* . ' 182
pt w конфигурации и показателя преломления стекла (табл. 4.7). Предельный угол о определяется по формуле sin о < ntty 1 + 4fe2)’. Исли модной зрачок поместить в середине развертки призмы, W угол в определяется ио формуле sin о < n/ty 1 + /г2). llpniMui с чнным числом отражающих граней и ходом луча в од- НМ плоское hi длин прямое изображение. При качании такой призмы р »о1й наш юн hi ныиодитнй пучок лучей пе отклоняется. lipiHMW । iieneiним Ч1Н юм огряжнющих граней и ходом луча в од- ной н ои ни» in iiBh<i зеряй ii.iioe изображение предмета. При качании И< В зо1Й ИЛОГН1Я1Н лучи 111ило||июк и пл днойной угол. Если у призмы И инагцым числом ийрылянипч i ряпей одну in них заменить двумя ММЯИИ, рдеПййН1И»ННШМ11 ним прямым углом (крышей), то такая при- ми Вудег М*иь пол но» пОпрячнинпие (пн 1Н0), При этом общий угол Мйлянйинй пучка и» iumviihtcm. lit» размеры призм вычисляются п зависимости от наибольшего ДОйМегрв сдегоного пучки 1>, проходящего через призму, с учетом при- Пупик Ий фиску п крепление. По характеру отклонения луча призмы делятся на призмы с ходом ИМпго луча а одной плоскости н призмы с пространственным ходом Много луча. Призмы с одной отражающей гранью (тип А) Призмы Этого типа дают зеркальное изображение и прн нормаль' МОМ падении луча на входную грань угол его отклонения равен углу При вершине. При наличии крыши на отражающей грани изображение Получается развернутое вокруг оптической оси на 180°. Призма Дове ЛР—0°. Эта призма носит также название призмы Прямого зрения — се оптическая ось параллельна отражающей грани М угол отклонения равен 0". Употребляется как компенсационная призма дли пниорога и н >б ра же и и и иокруг осп прибора. Угол поворота изобра- жении я дик |>»1И больше угли поворота призмы. Отряжающая грань с не требует нвнвссцни зеркального покрытия (см. табл. 4.6). Призма раз- всртыидется а плоскопараллельную пластинку, наклоненную к оси лад углом 45", поэтому она устанавливается только в параллельном Каде лучей. > В визирной (качающейся) прямоугольной призме, как правило, Отражающую грань следует серебрить. Размеры призмы зависят от Йиаметра пучка лучей и угла качания. Для получения наименьших раз- еров призму следует помещать так, чтобы входной зрачок системы Находился в середине призмы или как можно ближе к ней. При больших углах качания, чтобы избежать больших габаритов призмы, которые при этом получаются, применяют призму-куб, состоя- щую из двух прямоугольных призм, склеенных гнпотенузнымн гранями. Тяпотенузные грани должны иметь отражающее покрытие. Если возможно применение качающейся призмы из стекла с боль- шим пе, то отражающее покрытие может не понадобиться. При положении призмы-куба, изображенной на рис. 4.15» а, /работает только одна половине призмы; по мере поворачивании ее для эизирования в зенит (рис. 4.15, б) начинает включаться вторая поло- вина призмы и при визировании в зенит работают обе половины. .’Призма-куб дает возможность визировать в пределах угла 210—220°. Недостатки Этой призмы заключаются в следующем: }( 1) призма может работать только в параллельных пучках лучей; р сходящихся пучках лучей происходит двоение изображения; 183
2) трудность изготовления, так как ошибки углов половинок призмы и склейки даже порядка нескольких секунд вызывают двоение изобра- жения. Допустимая угловая величина двоения изображения 30"/Гт (Гт — увеличение системы, расположенной после призмы); 3) если входной зрачок расположен перед призмой, вместо круглого получается зрачок, показанный па рис. 4.15, в; это ухудшает условия работы с прибором и ведет к снижению разрешающей способности. В прямоугольной призме с двумя отражающими поверхностями типа БР—180° ошибка в угле 90°, равная 6, вызовет отклонение выходя- щего пучка 2бп в главном сечении призмы. Ошибка пирамидальное™, равная л, дает отклонение выходящего пучка лучей на 2лп в плоскости, перпендикулярной главному сечению. Ошибка в острых углах не вызывает отклонения выходящего пучка, но вызывает его смещение на величину 16/л, где I — геометрическая длина хода лучей в призме, 6 — ошибка в острых углах, отличающаяся только знаком. В зависимости от конфигурации отражательные призмы могут удлинять или сокращать габаритную длину хода лучей. Сокращение габаритного хода лучей вызывают призмы с многократным отражением, например, пентапризма БП—90°, призма Шмидта ВР—45°, призма БУ—45°, призма Пехана и некоторые другие. Призма Аббе А—0° при размерах, указанных в табл. 4.6, и при п= 1,5 не дает смеще- ния изображения при ее включении в ход лучей. Паразитные отражения в призмах Призмы или призменные системы должны проверяться на возмож- ность появления вредных (паразитных) отражении, которые могут вызвать появление дополнительных изображений или бликов. Пара- зитный ход лучей может появляться, например, в прямоугольной ви- зирной призме (рис. 4.16) при указанном на рисунке положении или в призме-кубе в положении, изображенном на рис. 4.17. При повороте прямоугольной равнобедренной призмы АВС, расположенной перед объективом телескопической системы, на угол <р от начального положения (при начальном положении отражающая грань АС расположена под углом 45° к оси объектива) могут возникать паразитные изображения. На рис. 4.16 показан ход пучков лучей, об- разующих эти добавочные изображения. Основной пучок /10, падающий на призму под углом 2<р к пулевой осп визирования 00', испытывает 184
185
одно отражение от грани А'С. Пучок А< преломляется гранью А’В', отражается дважды от граней В'С и А’С’ и дает перевернутое изобра- жение другого объекта в центре поля. Третий пучок Аа падает на призму под углом — <р к оси ОО' и после отражения от граня А'В' дает в центре поля третье изображение, впачптелыю более слабое, чем основное. Пучок Аа падает под углом —180и к оси ОО', преломляется гранью В'С', отражается от граней A'JB' и А'С и проходит в систему параллельно оси объектива. Пучок Аа падает под углом <р, отражается от грани В'С и также проходит в си- стему параллельно осн ОО'. Изображения, образуемые пучками Л4 и А3, имеют почти такую же яркость, как основное изображение. Изоб- ражения, образуемые пучками Д2 н Л4, — слабые (в систему попадает только отраженный от преломляющих граней свет). Пучки Д3 н Л4 могут быть легко перекрыты корпусом прибора или оправой, пучки Л4 и Л2 можно перекрыть только подвижной шторкой. Из’рисунка видно, что паразитные изображения большой яркости, вносимые прямоугольной качающейся призмой, появляются, если пада- ющие на нее пучки лучей претерпевают различное число отражений. Призма не дает паразитных изображений в центре поля, если ее полный размер не превышает требуемого светового размера и вер- шина угла В' призмы не заходит в область входного зрачка системы. Паразитных изображений можно избежать, применяя шторки, кине- матически связанные с движением призм. Призменные системы для раздвижки окуляров' по расстоянию (базе) между глазами Система призм-ромбов. Эта система применяется наиболее часто. Разворотом призм в разные стороны достигается изменение расстояния между осями пучков, которые при этом не меняют своего направления (рис. 4.18). Рис. 4.18. Схема раздвижки осей по базе глаз с помощью ромбических призм Система крышеобразиых призм. Раздвижка осей достигается пере- мещением призм в противоположных направлениях. Призмы перемеща- ются, оставаясь параллельными самим себе. Изменение расстояния ме- жду осями пучков равно удвоенной величине раздвижки (сближения) призм. Размеры призм определяются следующим образом. Если диаметр пучка в наибольшем сечении ранен D, то световая ширина равна k = = D + (bi — ba)/‘2, если передвигаются обе призмы (рис. 4.19) — 186
b2 = 2 (aj — (ц). Длина хода в призме при этом не изменяется, (ля раздвижки осей могут применяться различные крышеобразные {рризмы. Система раздвижки осей проф. М. М. Русинова (рис. 4.20). В этой конструкции смещение осей достигается поворотом наклонных пло- скопараллельных стеклян- ных пластинок / в разные стороны (на одинаковые уг- лы. Величина проекции сме- щения каждой оси на линию А—Ах равна ,A6 = (dtgaA—dtgaA,)x Рис. 4.19. Схема раздвнжкн осей по базе с помощью крышеобразных призм X coscA cos<p, где Ф — угол поворота пла- стиики от положения, когда ось наклона пластинки параллельна плоскости А—ЛР Данную кон- струкцию можно применять только в приборах, имеющих окуляры с достаточным удалением выходного зрачка (не меиее 22—25 мм). Рис. 4.20. Схема измене- ния глазного базиса с по- мощью наклонных пла- стинок Рис. 4.21. Изменение глазного базиса в бино- кулярной насадке к ми- кроскопу 1в7
На рис. 4.21 показана схема бинокулярной насадки к микроско- пам, в которой изменение расстояния между окулярными тубусами достигается их раздвижкой. Между линзами / и 2 существует параллель- ный ход лучей. Призмы для разделения пучков лучей Эти призмы должны частично отражать и частично пропускать свет. Некоторые конструкции таких прнзм даны на рнс. 4.22 и 4.23. Рис. 4.22. Прямоугольная призма, разделяющая пуч- ки лучей Рис. 4.23. Призма перфлек- тометра Отношение количества отраженного света к количеству пропущенного зависит от отношения коэффициента отражения к коэффициенту про- пускания светоделнтельного покрытия разделительной грани с. Призмы для соединений полей Применение прямоугольной призмы для соединения двух полей зрения показано на рис. 4.24. Катеты призмы имеют наружное отража- ющее покрытие. Прн соединении полей зрения требуется, чтобы линия Рис. 4.24. Схема соединения двух изображении с помощью пря- моугольной призмы 188
189
раздела была как можно тоньше, поэтому на ребре призмы допускается притупление не более 0,02—0,03 мм. На рис. 4.25 показана схема трех призм, также предиазначеиная для соединения двух полей зрения. Призмы жестко связаны друг с другом и при одновременном смещении влево или вправо дают воз- можность перемещать линию раздела и переходить на одно любое (от бравой или левой ветви) поле зрения. Линией раздела может служить граница отражающего покрытия в разделительных призмах, однако ввиду того, что разделительная грань всегда расположена перпендикулярно к оптической оси, второе поле Зрения ограничивается небольшим участком в центре (рис. 4.26). Разделительная призма (см. рис. 4.23) обладает особыми свойства- ми: благодаря наличию двух крыш, угол между ребрами которых (доставляет 90°, зеркально оборачивает изображение, образуемое пуч- ком 1' относительно изображения, создаваемого пучком Г. Этот эф- фект используется в отсчетных н измерительных устройствах для по- вышения (практически удвоения) точности измерения. Оборачивающие призменные системы В оптических приборах в зпинеимости от их назначения и кон- струкции для оборачивания изображения применяются различные приз- менные системы. На рис. 4.27 дан ряд призменных оборачивающих Систем.
Рис. 4.27, Оборачивающие системы; а — типа Порро первого рода; б — типа Порро второго рода; в — с башмачной призмой с крышей; е — с пентапризмой с крышей; д — с призмой Дове; е — с призмой Лемана; ж — призма Аббе; з — из двух призм-кубов; и — визира (угол визирования по горизонту ±120°); к — панорамы с призмой Пе- кана; л — панорамы с призмой Дове; м — панорамы (призма Дове не показана); н — дальномера 191
Оптические шарниры Оптические призменные шарниры дают возможность изменять углы между ошпческими осями двух и более ветвей в приборе без враще- Рис. 4.28. Визирная систе- ма (оптический шарнир) с «горизонтальным столом» ния изображения. Оптические шар- ниры могут быть плоскими или пространственными. К плоским шарнирам можно отнести системы с качающимися в одной плоскости Рис. 4.29. Визирная система (оптиче- ский шарнир) с «наклонным сто- лом» визирными призмами, а к пространственным — систему панорамы. Если к этой системе в качестве головной призмы поставить призму- куб, то может быть осуществлен непрерывный обзор больше чем по- лусферы. По геометрическим свой- » 4 ствам различаются системы визи- .. <> роваиия о «горизонтальным сто- Рис. 4.30, Пространственный оп- тический шарнир; компенсация наклона изображения путем вра- щения призмы / вокруг оси г1— г, па величину половины угла поворота призмы 2 вокруг осн г—г лом» и «наклонным столом». В системе с «горизонтальным столом» (рис. 4.28) углы с помощью построительного механизма проще строить в горизонтальной и верти- кальной плоскостях. В системе о «наклонным столом» (рис. 4.29) углы с помощью построительного механизма проще строятся в верти- кальной и наклонной плоскостях. Еще один вид оптического шар- нира показан иа рис. 4.30. клинья Клинья применяются для по- лучения и измерения малых углов отклонения луча. Измерительные клинья (компенсаторы) бывают двух типов: клин, перемещающийся вдоль оси в сходящемся пучке (рис. 4.31, а) и пара вращающихся клиньев (рис. 4.31, б). Оба типа применяются в дальномерах. Для устранения хроматизма клинья склеиваются из двух простых 192
клиньев (из крона и флинта), ориентированных в разные стороны. Точность угла отклонения достигается разворотом клиньев при склейке. В первой системе с клином, перемещающимся вдоль оп- РМс. 4.31. Типы ж|^Ьрйтельных кли- ибйых компенсато- ров: а) перемеща- ющийся вдоль осп клип; б) система вращающихся клиньев тическои оси и установленном в сходящихся пучках, изображение сме- щается с оси на величину V = У\ — = — 1)6, где 0 — угол клина; г — перемещение клина. Во второй системе два одинаковых клина, поворачивающиеся в разные стороны на одинаковые у углом. Угол отклонения луча о в зависимости от угла |3 поворота каждого клина от начального по- ложения а = arn cos |3, где ат = = о, + а2, а, и а2 — углы откло- нения луча каждым клином. ФАСКИ НА ПРИЗМАХ И НЕКРУГЛЫХ ПЛАСТИНКАХ Ширина фасок (т) на ребрах двугранных углов и на трехгран- ных углах в зависимости от длины короткого ребра детали выбирается по табл. 4.8. Допустимость фасок на ребрах двугранных углов призм с крышей и призм-кубов, попадающих в световой пучок, ус- танавливается конётруктором. Фас- ки для предохранения от выкалы- вания снимаются перпендикулярно биссектрисе угла между гранями на двугранных углах до 110" вклю- чительно. Нели угол наклони фасок для предохранения от выкалывания особо не оговаривается, то н чер- тежах следует указывать только ширину фасок, например: «фаска на ребрах ОД40’5». На трехгран- рых углах, у которых угол между двумя гранями (из трех) более 110°, Необходимость фаски для предо- 7 В. А. Панов и др,. , образуют клин с переменным Таблица 4.8. Фаски на ребрах для предохранения деталей от выколок Длина ребра, мм Ширина фаски (т), мм на ребрах на трех- грапных углах До 6 0,1+()'2 о,3^’3 Св. 6 до 10 0,2+0-3 0,5+°’3 Св. 10 до 18 О,3+о>4 l.O10'4 Св. 18 до 30 0;4+°.5 1,5+0,;’ Св. 30 до 50 0,5+0-6 20+0,6 Си. 50 до КО (|,7+о.в 2,5+0'8 Си. 80 до 120 ОД*0,9 3,0+1,2 Св. 120 до 150 1,0+1’° 3,5+I,s Св. 150 1,2+1-2 40+s.O 193
хранения от выкалывания устанавливается конструктором. В чер- тежах необходимо указывать ширину фаски на трехгранных углах и угол, определяющий ее положение. Конструктивные фаски снимаются па ребрах и углах призм для обеспечения условий удобного крепления их’в оправе или для уменьше- ния их веса. Расположение конструктивных фасок определяется типом призмы и конструкцией крепления. Наибольшие размеры фасок огра- ничиваются размерами призмы, необходимыми для пропускания рас- четного светового пучка лучей. Размеры фасок, указанные в табл. 4.8, на конструктивные фаски не распространяются. ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ В зависимости от назначения и формы поверхности дифракционные решетки, применяемые в спектральных приборах, подразделяются на плоские отражательные, вогнутые (сферические и тороидальные) от- ражательные, чшелетты, плоские прозрачные, поляризаторы, измери- тельные и другие. Плоские и вогнутые отражательные решетки применяются в спек- тральных приборах для рентгеновской, вакуумной ультрафиолетовой, ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра. Решетки изготовляются на слоях металла, нанесенного испарением в вакууме на подложку из стекла марки ЛК7, или кварцевого стекла марки КВ, непосредственно на подложках из стекла марки Ф1 или путем копи- рования па подложках из стекла марки ЛК7. В табл. 4.9—4.10 при- ведены основные размеры и параметры плоских и сферических отража- тельных решеток. Разрешающая способность по отношению к теорети- ческому значению составляет не менее 0,9 и 0,8 соответственно для групп А н Б. Спектральные линии — резкие симметричные. Вблизи линий в пределах трех-четырех нормальных щелей могут наблюдаться сильные спутники и фон. Коэффициент отражения в максимуме концен- трации для области спектра более 200 нм составляет: для группы А не менее 70% в первом порядке и не менее 60% — во втором порядке;- для группы Б — не менее 50% в первом и втором порядках. Коэффи- циент отражения в максимуме концентрации для области спектра короче 200 нм составляет в первом порядке не менее 50 и 40% соответственно для групп А и Б. Угол «блеска» имеет значения в пределах от 1 до 70°, кроме решеток, изготовленных на стекле Ф1, для которых угол блеска колеблется от 1° до 5°. Относительная интенсивность «духов» Роуланда в первом и втором порядках должна составлять не более 0,1% ив третьих и в более высоких порядках — не более 0,2%. Отно- сительная интенсивность «духов» Лаймана — не более 0,01%. Тороидальные решетки имеют количество штрихов на 1 мм 300, 600, 1200, 1800, 2400; изготовляются с заштрихованной поверхностью 50X40 мм (размер решетки 60Х50Х 10 мм). Радиус кривизны в мериди- ональном сечении гт = 500 мм н в сагиттальном сечении rs = 313,4; 325,8; 333,4; 344,4 и 404,6 мм. Решетки изготовляются с заштрихован- ной поверхностью 60X50 мм (размер решетки 70X60X15 мм) с радиу- сами кривизны гт = 1000 мм и rs =668,3 мм. Эшеллеты применяются в спектральных приборах для ИК области спектра; изготовляются на металлических подложках из алюминиевого Сплава марки ЛМЦ по ГОСТ 4784—74 или путем копирования на под- ложках из стекла марки ЛК7. Основные размеры эшеллетов приведены В табл. 4.11. Эшеллеты имеют количество штрихов на 1 мм, 2, 4, 6* 194
Таблица 4.10. Рабочие порядки спектра при различном количестве штрихов на 1 мм в отражательных решетках Коли- чество штрихов на 1 мм Порядки спектра Коли- чество штрихов на 1 мм Порядки спектра Груп- па А Группа Б Труп- па А Группа Б 37,5 От 1 до 100 600 1; 2 От 1 до 6 50 1; 2 » 1 » 75 900 1; 2 1; 2 75 1; 2 » 1 » • 50 1200 1 1; 2 100 1; 2 » 1 » 36 1800 1 200 1; 2 » 1 » 18 2400 1 300 1; 2 » 1 » 12 пня) участки, и фазовые, Таблица 4.11, Основные размеры эшеллетон Размер заштри- хованной поверх- ности, мм Размер эшеллета, мм (ЯХВХС) 50X50 70Х70Х 10 70X70 90Х90Х 15 (00Х (00 120Х 120Х 15 150Х 150 170 X 170X25 200X200 220X220X35 250X 250 270X270X40 300X300 320X320X40 12, 24, 50, 75 и 100 с рабочими порядками первым и вторым. Спект- ральные линии резкие, симметричные, без заметных дефектов. Плоские прозрачные решетки подразделяются на амплитудные, у которых штрихи имеют прозрачные и непрозрачные (из слоя алюми- ния) участки, и фазовые, которые являются прозрачными копиями плоских отражательных решеток. Ре- шетки изготовляются на подлож- ках из стекла марки К8. Амплитуд- ные решетки имеют число штрихов па 1 мм от 0,5 до 1200. Фазовые ре- шетки имеют число штрихов на 1 мм 50, 100, 150, 200, 300, 600 и обеспечи- вают в первом порядке в видимой и блнжней И К областях спектра качество спектральных линий, а также интен- сивность «духов» Роуланда и Лаймана такие же как и у отражательных ре- шеток. Угол «блеска» от 1 до 35°. Решетки-поляризаторы применя- ются для поляризации проходящего инфракрасного излучения. Решетки изготовляются на прозрачных в инфра- красной области спектра подложках (табл. 4.12). Поляризаторы на подлож- ках из стекла марки ИКС25 имеют ко- эффициент пропускания для неполяри- зованного излучения не менее 25%, а поляризаторы всех остальных типов — не менее 30% при сте- пени поляризации не менее 95% и размере решетки не более 45X45 мм2. Измерительные решетки предназначены для измерения линейных перемещений по методу интерференционных муаровых полос. Решетки изготовляются на металлических слоях, нанесенных на подложки из стекла марки К 8 или путем копирования на подложках из стекла той же марки. Измерительные решетки применяются в комплектах, состоящих на двух прозрачных, а также из прозрачной и отражатель- ной решеток, одна из которых яплисгся шкалой, а другая — индексом (табл. 4.13 и 4.14). 196
Табл ица 4.12. Параметры решеток-поляризаторов Материал подложки Ч Количество штрихов и а 1 мм Рабочая область длин воли, мкм ' Фторопласт Ф-32Л марки «В» ! или «Н» (ОСТ 05-432—78) 1200 От 2 до 7 2400 От 1,5 до 7 Полиэтилен (пленка полиэтиле- новая, стабилизированная типа А или Б (ГОСТ 10354—73) 1200 Св. 4 Полиметилметакрилат марки ЛСОМ 1200 От 2 до 3,2 » 3,6 » 5,5 2400 От 1,5 до 3,2 » 3,6 » 5,5 Кальций фтористый ФК-И 1200 От 3 до 9 2400 От 2 до 9 Барий фтористый 1200 От 3 до 12 ('ii'hjio ИК( Г.’ОО Or (> до 16 Таблица 4.13. Основные размеры прозрачных и отражательных решеток-шкал и прозрачных решеток-иидексов Тип решетки Размер заштрихо- ванной поверх- ности. мм Форма и размер решетки, мм (АХ ВХС) Решетка-индекс 35 X 35 40X40X5 Решетка-индекс 0 20 0 20X 5,5 * Решетка-шкала 23 X 13 25Х I5X 13 То же 35 35 40X40X5 » 100Х 35 110Х40Х 10 » 150/-, 35 160Х40Х 10 » 200Х 35 210Х40Х 15 » 250Х 35 260X40X 15 300Х 35 310Х40Х 15 * Фокусное расстояние решетки ж 50 мм. 197
Таблица 4.14. Основные параметры комплектов измерительных решеток Цене полосы, мкм Решетки комплекта Количество штри- хов на 1 мм Длина волны, при которой контраст достигает максимального значения Решетка- индекс Решетка- шкала io,о Две прозрачных 100 100 Св. 0,6 8,0 Прозрачная и от- 62,5 31,25 0,9 ражательная 4,0 То же 125 62,5 0,9 2,0 » 250 125 0,9 1,0 » 500 250 0,9 0,8 » 625 312,5 0,9 0,5 » 1000 500 0,5 0,4 » 1250 625 0,5 Примечание. Допускается отклонение цены полосы 8 от поминального значения только в меньшую сторону на величину, lie более 2- Ю_‘е. СЕТКИ Сетками обычно называются стеклянные плоскопараллельные пла- стинки с нанесенными на них перекрестиями, шкалами или иными зна- ками (марками), устанавливаемые в плоскостях изображения оптиче- ских систем. Иногда в качестве сеток применяются плосковыпуклые линзы (коллектив-сетка) или другие сферические детали. По назначению и виду гравировки сетки можно разделить на сле- дующие основные группы: 1) прицельные (визирные) сетки, предназначенные только для наведения прибора на объект (цель); 2) измерительные сетки (шкалы, растры); 3) сетки смешанного вида и с различными специальными марками (сетки стереодальномеров и др.). Визирные сетки (рис. 4.32, а, б) обычно имеют перекрестие с раз- рывом в центре, с угловой величиной разрыва 3—4 тысячных дистан- Таблица 4.15. Диаметр D и толщина d сеток, мм де9 d °е9 d °е9 d До 6 (Ju. 6 до 18 О1 — 1+1+ рр ьзУэ Св. 18 до 30 » 30 » 50 2,5±0,5 4,0± 0,5 Св. 50 до 80 » 80 » 120 Св. 120 до 150 6,0=1= 0,5 8,0±0,5 10,0+0,5 Примем а и и г, Рплмсри фасок берутся по таблицам для линз. 198
Кии. Наличие разрыва увеличивает точность наведения, так как штрихи це закрывают цель. Линейная величина разрыва рассчитывается по фор- муле / = л/71000, где п — угловая цена разрыва в тысячных дистан- ции; f — фокусное расстояние объектива илн всей системы до сетки. Толщину сетки берут в зависимости от диаметра (табл. 4.15). Рис. 4.32. Типы сеток Измерительные сетки разных Типов даны иа рис. 4.32, в—4.35. введение с помощью биссектора точнее, чем наведение с помощью юрекрестия. Ошибка наведения по одинарному штриху равна примерно Рис. 4.33. Биссек- Рис. 4.31. Сетка со спиральным би- тор штрихом |роловине толщины штриха; ошибка наведения по биссектору (двой- ному штриху) равна примерно 1/3 толщины штриха. В случае примене- ния биссектора наибольшая точность обеспечивается при толщине Штриха t = s/З и ширине промежутка а— (2ч-3)з (рис. 4.33). Толщина штриха зависит от увеличения окуляра и равна i = Так как 199
предельный угол разрешения глаза е= Г, то например, при f'0K = = 25 мм толщина штриха t = 0,007 мм. Для таких окуляров большей частью принимают t— 0,008->0,02 мм. Обычно угловой размер штриха 2—4'. Следует иметь в виду, что изготовление штрихов тоньше 0,01 мм затруднительно. Рис. 4.35. Сетка-калибр Таблица 4.16. Допустимей величина зазора при * t' — 0, мм fox Dp, 2 4 6 8 20 25 30 40 50 0,06 0,09 0,13 0,24 0,37 0,03 0,047 0,06 0,12 0,19 0,02 0,03 0,045 0,08 0,12 0,033 0,06 0,09 Рис. 4.36. Схема к расчету зазора ме- жду сетками В измерительных приборах используются также сетки со спираль- ным двойным штрихом. С помощью такой сетки можно осуществлять измерения с точностью до 2 мкм. Шаг спирали обычно 0,5 мм (рис. 4.34), толщина штриха 0,01—0,015 мм, расстояние между штрихами 0,06 мм. " наносят два измерительных контура для измеряемой ве- личины, т. е. верхний и ниж- ний пределы отклонений. Если необходимо иметь боль- шее число различных изме- рительных марок, пользу- ются так называемыми ре- вольверными сетками. На рис. 4.35 изображена сетка инструментального микро- скопа, иа которой нанесены профили резьб. Эта сетка за- креплена в револьверном ус- тройстве; поворачивая его, можно вводить в поле зрения различные участки сетки. В измеритель- ных приборах иногда применяют двойные сетки, одна из которых — неподвижная со шкалой, вторая — подвижная с индексом (например, у винтового окулярного микрометра, (см. рнс. 14.7). В этом случае между сетками должен быть зазор. Конструктивно зазор следует выби- рать не менее 0,05 мм, а иногда и 0,01 мм (табл. 4.16). Наличие зазора вызывает паралаке между шкалой и индексом, который может давать ошибку отсчета (рис. 4.36). При зазоре dL угловая величина паралакса в минутах равна ___ 2(l'' U0,00029* 200
Растровые (трансверсальные) сетки Для точных отсчетов, особенно если они производятся на эк- ране, применяются растровые (трансверсальные) сетки, построенные по принципу поперечного масштаба. Такие сетки имеют наклонные к состоящие из Г вертикали линии, или точек. биссекторов (рис. 4.37), квадратов О 10 9 8 II II II II II 0/ 7 6 5 9- II II II II I II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II П II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II IIII II II II II II UW II II I II III II II I II II II II II II II II II II II II II II II 3 2 10 II II II II <7 f 2 3 9- 6 7 8 9 0 2 9- 6 8 10 isiigssi!!! 5 SHHHSii; ° авёин;: 1 3 5 7 9 Рис. 4.37. Растровые (транс- версальные) сетки Сдвиг в горизонтальном направлении бпссекторов, лежащих на наклонных ли- ниях, равен расстоянию ме- жду наклонными линиями, деленному на число биссек- торов на наклонной линии. С биссекторами совмещают индекс, имеющий вид верти- кального штриха. Растровая сетка устана- вливается в плоскости изо- бражения и вместе с индек- сом проецируется на экран. Лучшим экраном является восковой экран (см. стр. 213), имеющий наиболее тонкую структуру рассеивающей поверхности. Точность отсчета с помощью растровых шкал может достигать 0,001 мм, Хорошие результаты показало сочетание светло-зеленого фони «крипа и прозрачных бесцветных марок растра. Допуски на изготовление заготовок сеток и лимбов. Выбор марки стекла Отклонение плоскостей (поверхностей) сеток, а также и лимбов не оказывает заметного влияния на качество изображения, поэтому допуски па качество поверхности задаются достаточно широкие — 201
Таблица 4.17. Марки стекол для лимбов в зависимости от способа нанесения на них делений и знаков Способ нанесе- ния делений и знаков Марка стекла Фотографиро- вание Гравировка алмазом Травление для ширины штрихов не менее 0,03 мм пе более 0,05 мм Вакуумное напыление К8, К108 К8, КЮ8 К8 К108, БКЮ БКЮ, СВВ Ф8, Ф108, Ф18 БКЮ, БК1Ю Таблица 4.18. Марки стекол для сеток в зависимости от способа нанесений делений и знаков CiKKUO нанесения делений и знаков Мирка стекла Фотоспособ Хромирование в вакууме делений, на- несение по лаку Гравирование алмазом t — = 1,54-3,0 мкм Травление t — 3 -:-(> мкм t = 54-40 мкм t = 504-500 мкм К8, КЮ8 К8, КЮ8 К8, ТФ2, К108 Ф8 БКЮ, БК1Ю, Ф108 К8, КЮ8, БФ24 до Л! = 104-15 и &N — 2. Клниовпдиость может допускаться от 5' до 10'. Чистота поверхностей сеток Р = 0 — 20 и Р — 0 — 40. Обычно в телескопических приборах в центральной трети поля зрения не до- пускается никаких дефектов. Количество дефектов в остальной части поля зрения указывается в частных технических условиях на прибор. Чистота поверхности лимбов Р= 0 — 20 (для рабочей зоны) и PV (для нерабочей зоны). Рекомендуется диаметр сетки изготовлять с отклонением с9. До- пускаются отклонения: fill —для сеток, имеющих специальное юсти- ровочное устройство, и Й8 — для сеток, требующих повышенной точ- ности центрировки. У сеток в подсветкой обработка заготовок по ци- линдрической части должна выполняться точность, равная Rz — 0,1. Материал выбирается в зависимости от способа нанесения делений (табл. 4.17 и 4.18). Требования к стеклу: Дп, — Д (nF. —пс,) = 4В, однородность 3—4, показатель ослабления е = 6, двойное лучепрелом- ление — 3, бессвильность —- 2В, пузырность — 1 (для рабочей зоны). Методы и точность нанесения делений на сетках Сетки и шкалы на стекле условно можно разделить по точности па три класса (см. табл. 4.19). В зависимости от назначения, конфигу- рации рисунка, толщины штриха и класса точности выбирается способ изготовления шкалы или сетки. Существуют три способа нанесения рисунка па сетках и шкалах: механический, фотографический, сме- шанный. Механический способ оправдывает себя при изготовлении простых сеток и шкал на нашогрлфе или делительной манпшс. Точность линей- ных размеров 0,01—0,02 мм. । 202 1
Таблица 4.19. Рекомендуемые допуски на деления сеток н ширину штрихов НН *ИЧ1ЭЭ ВЙЛЧЭП он -Ч1ГЭ1ИООНЮ 1Э1.ИЭИ(11 -НЭ1ЭЯ6 ВННИХЭЛПО’П’ с£> О Ш О—« сч о о* о иихээбмэйаи нох -нсЦт чхэопсВчгЛяии *Hduddu вн имлЛпо)/ UQ О UD Допуски на расстояния любых штрихов от начального (нулевого) штриха Угловые деления „V ) • . 1 - С' 1 - - ’ С-1 И 11 II <,£ о» о! 'вэ СЧ IQ +1 +1 +1 ©1 ,0€ '33 - я. О СО Ь" —’ +1 +1 +1 ,0£ ,01 Ю СЧ L.Q 1 11 +1 Линейные «елеивя, мм Св. 2 ±0,015 ± 0,040 ±0,090 Св. С Ъ | Св. 1,0 до 1 J до 2 ! осч о -г СО О о о о о” о о II II II 1 £' 17’ <3 Ti+1 ? - =>3 « о О < ± 0,005 ±0,012 ±0,030 До 0,1 ±0,002 ±0,005 ±0,010 О 3 X о X X X а +1 ю +1 к X X X к +1 +1 о S +1 +1 ез S р 2 х в о к X а X X X а S 2 с X о НН СП ° 1 Св. Св. о 901 И S2 о о и и л I"- о t=t СО I-Q О О S О О X U ю о t=t сч со о о о со о о X U о о Pt — сч о о ~1 о о [XI сч о СГ> О о — о о о —ч о о X U о сч о о о о о ±1 о о ж л а з £ в ч s В в 2 к х о 2 X _ <у В х 2 ж s 23 Sv/ h ig В О е-в «I о г р а а ч _ к * «5 X X 3 X О к? Sc[ 2 * ж О ± е § X X «I ! 203
Таблица 4.20. Номенклатура, состав и назначение запусков Условное обозна- чение запуска Цвет ('остан запуска Ширииа запускаемо- го штриха Условия эксплуа- тации (по ГОСТ 15150— 69) Основа Пигмент 41 Черный Стекло жидкое Закись—окись кобальта 0,1 мм и более Б1Т Белый То же Двуокись титана Окись цинка То же У Б1Ц К1 Красный Сурик свинцовый Краски масляные художественные Ч2Г Графит 3 мкм и более Ч2К Черный Сажа газовая Закись—окись кобальта 4 мкм и более Б2Т Двуокись титана У, т Б2Ц Белый Белила цинковые Окись цинка 10 мкм и более К2 Красный Краплак красный 10 мкм и более Эмали пентафталспыс чзг Черный ПФ-163 Графит 8 мкм чзк Закись—окись кобальта и более БЗТ БЗТ Белый ПФ-115 белая Двуокись титана 10 мкм и более У, т КЗ Красный НФ 1 15 красная Окись пинка 10 мкм и более 204
Хорошие результаты дает метод гравировки на стекле по защит» ному слою с последующим травлением или напылением металла в ва- куумной установке. Обычно ширина штриха с запуском краской — до 0,01 мм. Применяя запуски для запол- нения сеток и шкал, вытравлен- ных на поверхности стеклянной полированной ваготопки, можно улучшить видимость штрихои. Для заполнения травленых ппрпхон примепиют запуски нл жидком стекле (для вкснлуатацни в уме- ренном климате), масляные и эма- левые — для эксплуатации в уме- ренном и тропическом климатах. Черные запуски предназначаются для заполнения травленых штри- хов, рассматриваемых в проходя- щем свете, а белые и красные — в проходящем и отраженном свете (см. табл. 4.20). Фотографический способ тре- бует большой подготовки, но при серийном и массовом производстве более производителен. Он дает возможность получать штрихи ши- риной 2—3 мкм и выдерживать рж-етояппе между ними с точно- cii.io до 1 мкм. При изготовлении Таблица 4.21. Высота цифр и букв сеток, мм Рпсстояине между деле- ниями сетки Высо- та цифр я букв Допуск До 0,3 Св. 0,3 до 0,5 Св. 0,5 0,2 0,3 0,5 ±0,02 ±0,03 ±0,05 Примечания: 1. Ширина линий цифр и букв должна быть равна ши- рине штрихов, если послед- няя не менее 0,01 мм. 2. Для сеток с делениями меньше 0,05 мм допускается высота цифр и букв 0,1 мм. 3. Ко- лебание ширины штриха в любой его части не должно превышать половины его ши- рины. сепж растрои ни металлитиронлн- ном с|еклп МНПИМЛЛЫ1ПП loaimiHii штрихи 8—10 мкм. Фотографи- poiiiiiHirM и последующей химической и термической обработ- кой можно достаточно прочно зафиксировать рисунок на стекле и протравить его. При травлении получившиеся углубления заполня- ются достаточно прочно продуктами распада веществ, применяемых при химической обработке. Такие сетки пригодны для ночной под- светки. Таблица 4.22. Допуски на длину штрихов линейных и круговых шкал Длина штриха, мм До 0,2 Св. 0,2 до 0,5 : св. о,5 1 до 1.0 1 Св. 1,0 ДО 2,0 j Св. 2 Допускаемое отклонение (± мм) 0,01 0,03 0,05 0,10 0,2 Примечания! 1. Соотношения между длинами малых, средних и больших штрихов 1 : 1,5 : 2 или 1 : 1,3 : 1,7. 2. Длину малых штрихов рекомендуется брать не менее цены деления сетки. 3. Ширина штрихов не должна быть более 1/5 цены деления шкалы. 205
Таблица 4.23. Оптическая плотность образцов в зависимости от номера № образца 1 2 3 4 5 6 7 Оптическая ПЛОТНОСТЬ 0,5 0,8 1,2 1,5 1,8 2,5 3,0 Таблица 4.24. Выбор образца плотности для сравнения в зависимости от назначения и условий эксплуатации сетки Увеличение оку- ляра Гои прибора № образца при толщине штриха, мкм до 20 30 40 Г>0 70 100 150 До 7х I 2 3 3 4 4 5 Си. 7х до 15х 1 1 1 2 3 3 4 Св. 15х до 30х 1 1 1 1 2 2 3 В заданиях на вычерчивание сетки прн фотографическом способе изготовления должен быть указан масштаб, в котором необходимо ее вычертить. Масштаб выбирается исходя из допусков на элементы сетки и точности ее вычерчивания. При точном вычерчивании ошибки не должны быть более 0,2 мм. При смешанном способе изготовления одна часть работ выпол- няется механическим способом, другая — фотографическим. Допуски на элементы сеток (табл. 4.19) могут отличаться от ука- занных выше, когда они определяются расчетом. В табл. 4.21 при- ведены размеры цифр и букв сеток. В табл. 4.22 даны допускаемые отклонения на длину штрихов ли- нейных н круговых шкал. В зависимости от увеличения окуляра отра- слевым стандартом установлены образцы оптической плотности штри- хов, линий сеток “(табл. 4.23 и 4.24). Сетки с искусственной подсветкой Ночью па темном фоне штрихи сеток не видны. Чтобы они стали видимыми, их подсвечивают. Свет от электролампочки направляют на полированный обод сетки (рис. 4.38). Благодаря полному внутреннему отражению лучи света, падаЮ1Ц||С на плоскости сетки под малыми уг- лами, не могут выйти наружу, а лучи, падающие па поверхность ка- навки (штриха), рассеиваются и попадаю!’ в гл.о наблюди геля. Штрихи 206
Рнс. 4.38. Схема подсветки сетки день приводи г к уве- должны быть расположены на стороне, противоположной окуляру,'' Лучше и равномернее отражают свет штрихи, заполненные краской. '-. Для более равномерной освещенности штрихов сеток следует ос- вещать нх примерно под одинаковым углом к штрихам различных на- правлений. Для увеличения яркости свечения штрихов, удаленных от осветительного окна, полезно покрыть отража- ющим покрытием остальную часть обода сетки. Для подсветки сеток иногда применяют свето- воды. СВЕТОФИЛЬТРЫ Под светофильтром понимается слой (обыч- но плоскопараллельный) какой-либо среды, об- ладающей избирательным пропусканием света. Светофильтры делятся на-следующие груп- пы: светофильтры нз стекла, окрашенного в массе; желатиновые светофильтры; светофиль- тры нз окрашенных пластмасс; жидкие свето- фильтры, газовые, поляризационные н интер- ференционные. Светофильтры изменяют как яркостные, так и цветовые соотношения между видимыми объектами и уменьшают хроматические аберра- ции. Используя эти свойства, светофильтрами пользуются для улучшения видимости (глав- ным образом контрастности) при неблагоприят- ных условиях (дымка, туман, ослепляющий свет, малая контрастность объектов). Например, желтые и оранжевые светофильтры применяются при наличии воздушной дымки, так как они хорошо поглощают синие н фиолетовые лучи. Поглощение синих лучей в ясный солнечный личенню контрастности между светом и тенью, так как тени всегда дают больше синих лучей, чем участки, освещенные солн- цем. Прн тумане рекомендуется применять оранжевые нли красные светофильтры. Приборы снабжаются большей частью набором сменных светофильтров. В морских визирах нлн прицелах применяются оран- жевый, желтый и нейтральный светофильтры (иногда зеленый). Зимой при ярком солнечном освещении пользуются нейтральным нлн синим светофильтром. Светофильтры для черно-белой фотографии общего назначения применяются с целью правильного воспроизведения на снимках соот- ношений визуальных яркостей объекта (компенсирующие светофильтры) или изменении их контраста (контрастирующие светофильтры). Чаще всего применяют светофильтры ЖС12, ЖС17, ОС12, КСИ, СЗС17, СС4, ЖЗС5, ЖЗС9, 1IC8 и др. Нейтральные светофильтры НС1, НС2 и НСЗ применяются для защитных очков от яркого дневного света, остальные НС используются в фотометрии, спектрофотометрии н в наблю- дательных приборах. Темные стекла марки ТСЗ применяются для за- щитных очков прн электросварке, а ТС6 и ТС7 — от прямого солнечного света. Бесцветные стекла БСЗ, БС4, БС7 и БС8 пропускают ультра- фиолетовые лучн соответственно до 270, 290, 360 я 370 нм. Светофиль- тры ЖЗС1, ЖЗС5, ЖЗС6, ЖЗС12, ЖЗС13 и ЖЗС17 применяются в наблюдательных приборах. Светофильтры КС15, КС17 н КС18 выделяют соответственно области спектра 670—2700 нм, 680—2800 нм, 207
Таблица 4.25. Области применения светофильтров Марка стекла Назначение светофильтра ал 025 СС8 СС9 СЗС24, СЗС25 ЗС1 ЗСЗ ЗС7 жез ОСН КС13 КС15 ПС7 ПС8 ПСП Выделение области 340—470 нм Трехцветная проекция; выделение области 370—500 им Синий сигнальный; цветное освещение Светофильтр дневного света Теплофильтр поглощает ИК-область от К > 750ч-800 нм Трехцветная проекция; выделение области 480—570 нм; фотография Зеленый сигнальный светлый; цветное освещение Выделение узких участков спектра; в комбинации с ОС213 — линии ртутного спектра 578 нм Выделение линии ртутного спектра 313 нм (в комбина- ции с УФС2) Фотография; наблюдательные приборы Трехцветная проекция, красный сигнальный Светофильтр для оптических пирометров; фотография Выделение линии ртутного спектра в комбинации с ОС11 и ОС12; градуировочный светофильтр Колориметрия; поглощение области 500—550 нм Выделение области 250—460 нм; поглощение области 460—660 нм Т а б л и ц а 4.26. Коэффициент пропускания марок стекол для разных толщин светофильтров Марка стекла Длина волны, нм Толщина светофильтров, мм 0,6 1,0 1,6 4.0 Коэ<| фициен! пропу жания г, % ОС17 555 87 84 77 ЖЗС1 540 72 62 49 34 19 ЖЗС5 550 89 88 86 83 77 НС8 555 65 54 37 21 8 Примечание. Рассчитан с учетом поправки на отражение. 800—2800 нм. В табл. 4.25 приведены области применения некоторых светофильтров. Точность выполнения плоскостей светофильтров, а также допуск на клиновидпость назначаются в соответствии с требованиями к систе- ме. Например, для фотографии плоскости светофильтров должны быть выполнены с точностью до 1—2 полос. Технические требования па светофильтры, устанавливаемые внутри оптической системы, опреде- 208
ляются при; расчете последней. Технические требования на светофиль- тры, устанавливаемые за окуляром (ориентировочно): N = 10, AW = 3, 0 = 10', PIV. В табл. 4.26 приведены марки стекол светофильтров, применяемых в геодезических приборах для ослабления и излишней яркости фона, или наблюдаемого объекта и усиления контрастности последнего. i Номинальное значение диаметра D (мм) светофильтров должно соответствовать ряду /?„10 и /</20, толщина d — ряду /?й5 (ГОСТ 6636—69). Предельное отклонение толщины от номинального значения не более 10%. Толщину светофильтра на стекла ОС17 не ре- комендуется делать более 2 мм, так как иначе резко ухудшается кон- трастность изображения. Требования к стеклу: спектральная характе- ристика — 2; двойное лучепреломление — 3; бессвильность — 2В; пузырность — 4; требования к обработке поверхностей для D С 20 мм не более — У = 10, ДУ = 2, 9 = 10'; для D > 20 мм, не более — У= 20, ДУ = 3 и 0 < 15'. Светофильтры для выделения инфракрасной области спектра при- меняются двух видов: а) абсорбционные (из цветных стекол, германия, кремния и др.); б) интерференционные, изготовляемые путем нанесения Тонких оптически однородных слоев из диэлектриков или полупровод- ников на подложку, прозрачную в требуемой спектральной области. Существенным недостатком абсорбционных фильтров является невоз- можность выделения с их помощью узких участков спектра с высоким т. Этого недостатка лишены интерференционные светофильтры. Стеклянные светофильтры для микроскопии Синие светофильтры применяются при микрофотографировании о апохроматическими объективами для усиления контраста бесцветных Препаратов. Светофильтр СС1 при освещении от лампы накаливания придает препарату окраску, сходную с окраской от дневного света. Зеленые светофильтры увеличивают контраст препаратов, имею- щих красную окраску, и полезны при работе с апохроматами, у ко- торых недостаточно хорошо исправлен хроматизм для синих лучей. Они применяются также с фазово-контрастными устройствами и при фотографировании, так как они задерживают синие лучи, повышая контрастность изображения. Желто-зеленые и желтые светофильтры дают большую контраст- ность, чем зеленые. Наибольшая контрастность достигается при фо- тографировании с оранжевыми светофильтрами. Теплозащитные светофильтры СЗС16 и СЗС24 (термически устой- чивые) не пропускают инфракрасных лучей; коэффициент линейного расширения при (20—120)° С равен 67-Ю-7 и 55-10”7 соответ- ственно. Светофильтры УФС, ФС и СС служат для выделения возбуждаю- щего света из спектра источника в люминесцентной микроскопии, а также для выделения узкой области спектра н ультрафиолетовой микро- скопии (УФС1 выделяет А = 240=400 нм; УФС2 — А = 2704-360 нм; ФС1 —А = 330=460 нм; ФС6 — область 290—460 и 720—1200 нм). Светофильтры ЖС и ЖЗС, пропускающие свет люминесценции и за- держивающие возбуждающий свет помещают между препаратом и оку- лярам. 209,
Светофильтры для контрольно-измерительных приборов Для создания светло-зеленого фона с целью снижения утомления глаза наблюдателя, а также для повышения контраста штрихов сетки относительно поля зрения, применяются светофильтры из цветного стекла марок ЗС2, ЗСЗ, ЗС8, ЖС12, ЖС5, ЖС6, ЖС9, ЖС13, ЖС18 и др. по ГОСТ 9411—75 (табл. 4.26 и 4.27). Т а б л и ц а 4.27. Коэффициенты пропускания наиболее часто применяемых марок стекол для разных толщин светофильтров Марка стекла Длина волны ^•тах> нм Толщина светофильтра, мм 0.6 0,8 1.0 1,2 1,6 2,0 2, Б 3.2 4,0 5.0 6,0 Коэффициент пропускания т, % Желто-зеленое | ЖЗС1 540 72 67 62 57 49 42 34 26 19 13 — ЖЗС5 550 89 88 87 86 84 83 80 77 74 71 ЖЗС9 540 84 81 79 77 72 68 63 57 48 43 37 Зеленое | ЗС2 530 62 55 48 42 33 25 18 12 __ — — ЗСЗ 520 74 69 65 60 53 41 ' 39 30 23 16 12 ЗС8 530 89 88 87 86 85 84 81 79 77 74 И р и меча н и е. Коэффициент пропускания рассчитан для ?ь1ПЯХ с учетом поправки па пропускание. Номинальное значение D диаметров (больших сторон при некруг- лой форме) светофильтров должны соответствовать ряду Ло20 (4,0; ... 8,0), ряду 7?а40 (8,5; . 36,0) и ряду /?а10 (40; .. 125) по ГОСТ 6636—69. Предельные отклонения диаметров должны соот- ветствовать отраслевому стандарту в зависимости от способа креплении светофильтра. Номинальные значения толщин устанавливают по ряду /?(,10 (0,5; 0,63; . 6,3). Предельные отклонения толщин допуска- ются в пределах от ±0,1 до ±0,5 мм. Технические требования: спектральная характеристика 2-я ка- тегория; двойное лучепреломление — 2; бессвнлы|оеп> — 2 (для ЗС2, ЗСЗ и ЗС8— 3-я категория); пузырпость — 3; Р — IV—VI; N — = 5-4-20; AN = 1д-3; 5д-20'. 210
Светофильтры поляризационные Поляроиды представляют собой поляризующую свет пленку, изго- товленную из поливинилового спирта марки Н и заклеенную между защитными стеклянными плоскопараллельными пластинками или поли- мерными пленками (табл. 4.28—4.31). Таблица 4.28. Основные размеры поляроидов, мм Диаметр Толщина До- пуски От 10 до 20 От 2 до 4 ±0,4 Св. 20 до 50 Св. 4 до 6 ±0,6 Св. 50 до 150 Св. 6 до 8 ±0,8 Св. 150 до 500 Св. 8 до 10 ±1,0 Т а б л и ц а 4.29. Требования к изготовлению поляроидов с защитным стеклом Диаметр поля- роида, мм Требования ЛГ Р е,.. От 10 5 1 11— 5- 10 до 50 IV Св. 50 10 2 III— 5- 10 до 150 V Св. 150 20 4—6 IV— 5— 10 до 500 VI Таблица 4.30. Виды пропускания и категории по пропусканию поляроидов в области спектра от 400 до 700 нм Кате- гория Интегральное про- пускание одного иолироидп, % Пропускание двух поляроидов в па- раллельном поло- жении плоскостей иолнрнчпнни. % Остаточное про- пускание полярои- дов в скрещенном положении, % 1 От 20 до 25 От 12 до 15 0,001 2 Св. 25 » 35 » 15 » 30 0,01 3 » 35 » 40 » 30 » 35 0,1 Примечание. Пропускание поляроидов для области спектра от 280 до 400 нм и от 700 до 2400 нм, устанавливается по соглашению. Номинальные диаметры поляроидов следует выбирать по ГОСТ 6636—69. Пропускание поляроидов для области спектра от 280 до 400 нм устанавливается по соглашению. Разрешающая способность поляроида для рабочего диаметра /)р1|Л не более 100 мм равна е" = = 1,5-120/ДрНб’| но согласованию коэффициент 1,5 может быть умень- шен до 1. Цилиндрические поверхности поляроидов должны быть защищены водостойким лаком. Поляроиды должны выдерживать воздействие от- носительной влажности воздуха до 98% при t — 35° С; при этом не допускаются расклейка и нарушение поляризующего слоя. Поляроиды должны быть устойчивыми к воздействию температуры окружающего воздуха от 50° С до —50° С при склейке акриловым клеем и ±60° С 211
Таблица 4.31. Однородность направления плоскости поляризации и соответствующие ей категории поляроидов Диаметр поляроида, мм Отклонение от однородности наклонения плоскости поляризации (не более) Категории А Б В г От 10 до 50 6' 20' 30' 40' Св. 50 » 150 20' 40' 1° 1°30' » 150 » 250 40' 1° 1°30' 2° » 250 » 500 Iе 2° 4° 6° прн склейке бальзамином М. Поляроиды, предназначенные для эксплу- атации в условиях влажного тропического климата, подвергаются до- полнительной защите от разрушающего действия влажного воздуха и биологических обрастаний (плесени). Защитные стекла к поляроидам изготовляются из стекол марок К.8 и БС7; рекомендуется для поляро- идов диаметром свыше 100 мм стекла марки СВВ. Двойное лучепре- ломление защитных стекол всех марок допускается не более 6 нм/см. Стекло марки БС7 применяют в случае эксплуатации поляроидов в условиях длительного воздействия УФ излучения. Пример обозначения поляроида диаметром 50 мм, толщиной 5 мм, категорией по пропусканию 1, однородности направления плоскости поляризации А, с защитными стеклами марки К8, предназначенного для эксплуатации в условиях тропического климата: ПТ50Х5-1А-К8; в условиях умеренного и холодного климата — П50Х5-1А-К8. СВЕТОРАССЕИВАЮЩИЕ экраны Применяются два вида проекций на экран: проекция в проходя- щем свете — используются экраны, диффузно пропускающие свет, н проекция в отраженном свете — используются экраны, диффузно от- ражающие свет. Общими требованиями к экранам являются обеспече- ние требуемой разрешающей способности, яркости и видимости в тех направлениях, в которых производится наблюдение. Основные типы экранов: 1) направленно-рассеивающие пропускающие экраны (матовые стекла, восковые и др.); 2) рассеивающие экраны отражающие (молочные стекла, алюмини- рованные, бисерные и др.); 3) экраны со специальным распределением света (растровые). Направленно-рассеивающие пропускающие экраны обычно применя- ются в незатененных помещениях (например, экраны отсчетных уст- ройств приборов), поэтому от них требуется большой коэффициент яркости. В качестве такого рода экранов применяются главным об- разом восковые экраны и экраны из матированного стекла. Восковые экраны обладают высокой разрешающей способностью, имеют очень тонкую, невидимую для глаза структуру, незначительное направлен- 212
Таблица 4.32. Оптические характеристики стеклянных матированных и восковых экранов Конструкция экрана ^0,5 П/е пг Стеклянная пластина: одна сторо- на матирована кварцевым песком М29, другая — полированная 3° 50' 4° 40' 0,96 Стеклянная пластина: одна сторо- на матирована электрокорундом М28, другая — полированная 6" 50' 8 ’ 29' 0,92 Слой воска толщиной 0,3 мм между двумя полированными пластинами 12° 00' 14° 40' 0,87 Слой воска толщиной 0,5 мм между двумя полированными пластинами 29° 00' 36° 20' 0,68 Примечание, ’п?' — к, п. д. , представляющий собой отно- шение'светового потока, рассеянного экраном в передней полусфере, к потоку света, подающему перпендикулярно. ное пропускание, равномерное распределение светового потока в боль- шом телесном угле. Благодаря этим превосходят свойства матированных экраны имеют преимущественное применение для проецирования на них точных шкал и осуществле- ния отсчета в оптических прибо- рах. Восковые экраны представ- ляют собой две полированные с обеих сторон стеклянные пласти- ны, между которыми заключен рав- номерный слой воска с канифолью толщиной 0,3—0,5 мм. Характери- стики этих экранов и экранов, матированных кварцевым песком М20 и электрокорундом М28, при- ведены в табл. 4.32 и на рис. 4.39. Индикатрисы яркости характери- зуются углами i’Q 5 и у1/£, т. е. уг- свойствам, которые значительно Рис. 4.39. Индикатрисы яр- кости экранов: /. 2 - - <• । гкл я пн их матирован- ных; ,7, 4 — восковых левыми размерами, для которых относительная яркость Вот„ состав- ляет 0,5 и 0,37 от максимальной яркости, намеренной при угле на- блюдения, равном нулю. Значения То 5 11 Т1/<” |<;|К видно и.। рнс. 4.39, у восковых экранов значительно больше, чем у матированных, что дает более равномерное распределе- ние световой энергии в большом телесном угле и создает лучшие усло- вия для наблюдения двумя глазами [20, 23, 26]. Заслуживают внимания экраны из лавсановой пленки. Они дают возможность получить равномерное диффузное излучение экрана, 213
применить источники света с меньшими габаритными яркостями, не утомляют зрения. Чтобы получить более равномерную освещенность поля зрения применяют коллективную линзу, которая переносит изображение вы- ходного зрачка системы в плоскость зрачка глаза [21, 25]. В этом слу- чае экраном может служить матированная плоская поверхность кол-i лектива. Однако при этом появляется необходимость фиксированного положения глаза и наблюдение становится возможным только одному наблюдателю. Растровые светопропускающие экраны представляют собой рифленое стекло или пластмассу типа линз Френеля или набор мелких положительных линз. По опубликованной в соответствующей литературе данным [12] они имеют максимальный коэффициент ярко- сти Ртах = 3,2, т= 49% (стекло) и т = 43% (пластмасса). Растровые отражающие экраны представляют собой совокупность малых оптических элементов в виде сферических лунок [12, 89]. Растровые экраны имеют лучшее распределение света, чем алюмини- рованные или бисерные. Чувствительность визирования штрихов на просветных экранах Чувствительность поперечных и продольных наводок зависит глав- ным образом от разрешающей способности оптической системы, формы совмещаемых объектов и характера рассеяния света структурой экрана. Точность отсчета тем выше, чем меньше ширина штрихов и расстояние между ними (если это расстояние не выходит за пределы разрешения оптической системы и глаза) |21 ]. При использовании биссектора и штриха в окуляре в том случае, когда зазоры, образующиеся между шт- рихами после совмещения, равны толщине среднего более широкого штриха, чувствительность наводки в самом благоприятном случае со- ставляет примерно 0,1 теоретического предела разрешения (см. стр. 89), т. е. е = 0,061Z,sin Од. Если X == 0,55 мкм и sin Од = 0,025, то 8 — 1,36 мкм. Значение sin Од должно равняться расчетному при диаметре зрачка глаза Drn = 2 мм [21]. Таблица 4.33. Средние квадратичные значения погрешностей, мкм Наименование экрана Поперечная наводка Продоль- на и наводка Биссектор № 1 № 2 № 3 № 3 Без экрана (наблюдение в окуляр) 3,51 4,38 5,05 0,45 К8М28 3,21 3,40 5,54 0,60 К8М28 -I- HF 3,69 3,91 4,58 0,49 В-0,3 3,37 4,29 4,39 0,54 В-0,5 5,26 0,68 Световод 2,65 4,34 5,83 0,4'4 214
Т а б л и ц а 4.34. Размеры штрихов биссекторов, мм Номер биссек- тора а S t a/s 1 1,20 0,43 0,10 2,80 ) г )i : 2 2,34 0,67 0,34 3,50 3 2,88 1,50 0,72 1,92 размеров на следующих экранах: Рис. 4.40. Индикатрисы яркости экранов: 1,3 — стеклянных матированных; 2 — световода; 4, 5 — восковых Теоретическую чувствительность продольных наводок (мкм) мо- жно вычислить по формуле Дг' — 2Z/6 sin2 од = 0,2/sin2 Од. В табл. 4.33 приведены средние квадратичные значения погреш- ностей наведения при поперечных и продольных наводках, проводи- мых с помощью биссектора разных матовые экраны из стекла марки К8, шлифованные с одной стороны электрокорундом М28, один из эк- ранов протравлен 20% раствором плавиковой кислоты; восковые эк- раны В-03 и В-0,5 толщиной 0,3 и 0,5 мм соответственно; световод с разрешением 40 штр/мм. Другая сторона экранов — полированная. На рис. 4.40 даны сравнительные кривые яркости этих экранов. Ин- дикатрисы яркости характеризу- ются углом половинной яркости (углом между нормалью к по- верхности и направлением, в кото- ром яркость равна половине ее значения по нормали). Как видно из таблицы 4.33 данные измерения грубее теоретиче- ского значения (3.51 мкм вместо 1,36) Очевидно объясняется это тем, что размеры даже самого мелкого биссектора (табл. 4.34) в семь раз превышают пределы разрешения оптической системы. Чувствительность поперечных и продольных наводок в проекционных отсчетных устрой- ствах (при проецировании изображения объекта на восковые экраны, матовые стекла, световод н др.) остается примерно той же, что и при непосредственном отечете в окуляре (21, 25]. Однако при использо- вании экрана наблюдатель Мишине утомляется, поэтому чувствитель- ность наводки сохраняется при длительной работе. Чувствительность визирования штрихов на непрозрачных отражающих экранах В табл. 4.35 приведены средине квадратичные значения погреш- ностей при поперечных наводках па экраны, представляющие собой: молрчное стекло МС14, матированное абразивными порошками № 100 215
Таблица 4.35. Погрешности при поперечных наводках, мкм Наименование отря- жающих экранов *а Среднее апаче- •|<‘Н1!<* п Примечание МС14№100 МС14М20 MC14+HF Белая пластинка BaSO4 ТФ2М28 ТФ2М7 Al + КОН 5,10 1,10 0,43 0,39 0,15 1,80 4,85 3,64 3,37 3,30 3,50 2,44 2,91 Значение а получецц при размере изображе- ния биссектора на экра- не: а = 1,20 мм, s = = 0,43 мм, t = 0,15 мм, входном апертурном угле ол = 0,025 и М20; молочное стекло MCI4, полированна»! поверхность которого протравлена 10% раствором плавиковой кислоты (экран MC14+HF)} зеркала из стекла марки ТФ2, шлифованные микропорошками М28 и М7 с последующим алюминированием в вакууме; экран из чистого алюминия, шлифованный электрокорундом № 8 с последующим трав- лением в растворе КОН (А1 + КОН). Для сравнения приводится белая пластинка из BaSO4 с мелкозернистой структурой отражающего слоя. Как видно из табл. 4.31 для матированных молочных стекол и зеркал значение ст снижается с уменьшением среднего арифметического откло- нения профиля /?„. Видимая ширина изображения штрихов на экране, изготовленного из стекла MCI4, зависит от мнкрогеометрии матового слоя; наиболее широкими они кажутся для самого грубого образца MCI4 № 100. С увеличением Ra снижается и контраст изображения. Матированные зеркала ТФ2М7 позволяют получить наилучшую чув- ствительность поперечных иаводок и отличный контраст изображения. Их применение предпочтительно в проекционных лабораторных при- борах. Отражающие непрозрачные экраны обеспечивают чувствительность наводки примерно одинаковую с широко распространенными просвет- ными восковыми экранами, а также с непосредственным наблюдением в окуляр (табл. 4.33). Снятие отсчетов на отражающем экране меньше утомляет наблюдателя вследствие более равномерной яркости изобра- жения и отсутствия «слепящего эффекта» [24]. Разрешающая способность отсчетных устройств при дополнительных системах наблюдения на экране Исследование разрешающей способности отсчетных устройств с про- светными экранами различного типа в условиях бинокулярного наблю- дения и при использовании лупы или микроскопа показали, что: 1) для систем с бинокулярным наблюдением иаилучшими являются тонкослойные носковые и лавсановые экраны. Последние дают наи- меньшее снижение разрешения (на 12%); 2) матовые стекла следует применять в отсчетных устройствах вместе с коллективной линзой, а также при наблюдении через лупу или микроскоп малою увеличения; 216
3) в отсчетных устройствах, где изображение на экране должно рассматриваться через дополнительную оптическую систему, увели- чение последней следует выбирать в пределах (300-:-400)<Тд, где од — передний апертурный угол, равный апертурному углу глаза огл= = 0,004. Числовые апертуры таких дополнительных систем не должны пре- вышать матовых стекол и 0,03 — экранов с широкой индикатрисой рассеяния [21, 25]. Рассеиватели из оптической керамики КО1 Грубошлифоиаипыс noiiepxiiociii оптической керамики КО] диф- фузно рассеивают свет. Достоинство КО1 по сравнению с рассеивате- лями, изготовленными из оптического стекла, плавленного кварца и кри- сталлов фтористого лития — возмож- Рис. 4.42. Индикатрисы яркости матированных образцов КО1: 1 - образец, у ко-юрого одна сто- рона м.| । iipoiHiii.i шлифовальным по- рошком № 12. другая - - полирован- ная; 2 образец, у которого одна ciopoiui Min н ров и на порошком № /2,- другая — порошком № 6; 3 — об- разен. у которого одна сторона мач тирована шлифовальным зерном № 100, другая — зерном Ха 50 Рвс. 4.41. Спектральные кривые (/—.5) коэффициента пропуска- ния полированных образцов из керамики KOI толщиной 1 5 мм; 6 — стапдвртпни кривая образца толщиной 10 мм иость их использования в ближ- ней ИК-области спектра в каче- стве рассеивателей в агрессивных средах, а также условиях резких термоударов, в окнах приемников излучения и т. д. Спектральные кривые коэффициента пропускания об- разцов КО1 для различных толщин приведены на рис. 4.41. Для срав- нения нанесена стандартная кривая КО1 толщиной 10 мм (потери на отражение исключены). На рис. 4.42 изображены индикатрисы яркости матированных образцов КО1 толщиной 4 мм при нормальном падении света (Л — 3,61 мкм) [22]. Люминесцирующие экраны Слой вещества, люмипесцирующего под влиянием светового облу- чения, наносится обычно на стеклянную подложку. Возбуждение экрана производится со стороны слоя. Свечение, возникающее в люми- нофоре, отражается и рассеивается как на самом возбужденном кри- сталле, так и на соседних кристаллах. Так как экран большей частью наблюдается со стороны подложки, слой люминофора должен быть 2]7
такой толщины и такой зернистости, чтобы обеспечивались наилучшие евечение и разрешающая способность (рис. 4.43). Предел разрешающей способности ниже у экранов, изготовленных методом осаждения лю- Рис. 4.43. Зависимость разрешаю- щей способности н яркости экрана от толщины слоя: А — разрешающая способность в мкм; В —яркость экрана в отно- сительных единицах; D — прозрач- ность, % плуатируется в воде при незна- чительно повышенном давлении. При больших гидростатических нагруз- ках 0,3—0,5 МПа и более) защитные стекла следует рассчитывать на Прочность. Для круглых защитных стекол расчет на прочность ведется по формуле а = r^pld?, гце г — радиус защитного стекла, см; d — его Толщина, см; р — гидростатическая нагрузка, МПа; о — напряжение изгиба в стекле, МПа. Защитные стекла без обогрева обычно изготовляются из стекла К8, а с обогревом — из стекла ЛК5. Защитные стекла для окон подсветки делаются из зеркаль- ного стекла. Пределы прочности на изгиб для указанных стекол следующие: для зеркального стек- ла — 22,5 МПа, для стекла К8 — 17,0 МПа. При расчете следует брать запас прочности не менее 4—5 шой [разброс по величине предела должительности нагрузки и низким температурам. В некоторых наблюдательных приборах применяются сферические защитные стекла (рис. 4.44). Эго вызвано большими пространственными углами визирования н меньшими габаритами сферических защитных стекол по сравнению со склеенными плоскими. Сферические защитные минофора, чем у экранов, со- стоящих нз однородного люми- песцирующего стекла или мо- нокристалла. ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА Защитные стекла предо- храняют оптическую систему прибора от попадания пыли, грязи, атмосферной влаги и ме- ханических повреждений. Они применяются в том случае, если первой оптической деталью прибора является подвижная оптическая деталь (например, качающаяся головная призма, вращающиеся клинья). Если первой оптической деталью яв- ляется линза объектива или неподвижная призма, то защит- ные стекла обычно не требуются, кроме тех случаев, когда трудно осуществить достаточно герме- тичное закрепление призмы нли объектива, или когда прибор экс- Рис. 4.44. Сферическое защитное стекло крат, так как стекло имеет боль- прочности, чувствительно к про- 218
стекла имеют концентрическую форму и являются слабыми отрицатель- ными линзами. По этой причине сферические защитные стекла ле могут применяться, если за ними стоит призма-куб г. В этом случае перед качающейся призмой-кубом должна быть установлена компен-' сационная положительная линза той же оптической силы, что и сфе- рический колпак. Линза должна качаться о визирным лучом, т, е. с вдвое большей угловой скоростью, чем призма-куб. Требования к качеству и чистоте защитного стекла Защитные стекла, установленные в ходе лучей оптической системы, требуют точного выполнения в отношении качества их преломляю- щих поверхностей. Для защитных стекол подсветки точность выполне- ния поверхностей не требуется. Допу- стимая величина клиновндностн 0 оп- ределяется из величины допускаемого хроматизма или отклонения луча &8р,с, = (ПГ' — ПС') где А^Г'С' — допустимая величина хроматизма по- сле системы в угловой мере. Обычно =20", тогда при nF, — пс, = = 0,008 0=25ОО'7ГТ. Отклонение луча вследствие клииовидности вычисляется по формуле о = (пе — 1) 0. Должна быть также задана допустимая косина (децентрпронка) сферического .чащит- Герметик,, УТ-32а1МЦ Витваоная пленка Рис. 4.45. Плоские склеенные защитные стекла иого стекла. Защитные стекла, сое uimmie из двух или более пластин (рис. 4.45), во избежание двоения и юбраження должны изготовляться с жестким допуском по клиновидное!и. Разность в угле клина между обоими стеклами не должна превосходить 60" А6 < ,-----гг , 2ГТ (пе — 1) где Гт — увеличение телескопической системы. Если пластинка стоит перед телескопической системой, то такие дефекты, как царапины, пузыри и т. п., не видны, и их допустимое ко- личество определяется допустимым количеством вредного рассеянного света, который создается этими дефектами, а также технологическими и экономическими соображениями. Защитные стекла в бинокулярном телескопическом приборе Различная клиновидность или различное ориентирование защитный стекол, имеющих клиновидность, может вызвать двоение изображений. Если защитные стекла имеют клиновидность 0, и 02 и установлены перед объективами, то наименьшая непараллельность осей получится, когда * Появится двоение изображения. 219
клинья ориентированы в одном направлении. В этом случае вызванная ими непараллсльпость осей 6' = (п — — 02)Гт. Если 0, — — 02 = АО, то АО = 67(/i — 1)ГТ. Допуск 0' имеет различные предель- ные значения для иепараллелыюстп в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В бинокулярных приборах иногда специально применяют клино- видные защитные стекла для юстировки параллельности осей. Отступ- ление пластинки от плоскостности делает ее слабой линзой. Если расстояние DB — начало бесконечности для данного прибора, то до- пустимо, чтобы защитное стекло имело фокусное расстояние /' не ме- нее DB. Если пластинка с обеих сторон имеет примерно одинаковую сфе- ричность разных знаков, то допустимый радиус сферы г = DB = = Dp.Vj-/tg Г. Число допустимых колец N — R?/rk, где R — радиус стекла; К—длина волны. При Z = 0,0005 мм получим N При диаметре пластинки ‘2R = 30 мм, Dp' = 3 мм и Гт = 8х получим N = I. Защитные стекла с обогревом Для предохранения от запотевания и образования льда на за- щитных стеклах применяется обогрев. В качестве токопроводящих покрытий используется пленка двуокиси олова (SnO2), так как она об- Рис. 4.40. Зависимость температуры нагрева токонесущей поверхности от мощности при i = 154-20° С Рис. 4.47. Пример располо- жения токопроводов па за- щитном стекле ладает высокой проводимостью и прозрачностью, обеспечивает доста- точно равномерный нагрев стекол любых размеров. Расход энергии небольшой (рис. 4.46). Условное обозначение покрытия 26Г (гл. 16). В зависимости от условий эксплуатации прибора необходимая удельная мощность может колебаться в пределах 0,1—1 Вт/см2. Для морских приборов обычно удельная потребляемая мощность 0,5 Вт/см2, для авиационных приборов — 0,6—0,9 Вт/см2. Пленка имеет прочную адгезию со стеклом ~20,0 МПа и с клея- щими веществами - 15,0 МПа. Твердость покрытия сравнима с твер- достью стекла. Показа гель преломлении пленки 1,98. Спстопоглоще- ние в видимой области до 4"d при толщине плешки до 0,5 мкм. Коэф- 220
фициеит отражения в видимой области до 18% в зависимости от марки стекла. Просветлением пленки можно снизить коэффициент отражения до 4%. Пленка прозрачная для от 400 до 2000 нм, устойчива к воде и влажной атмосфере, действию кислот, щелочей и органических раст- ворителей. Она защищает химически неустойчивые стекла от налетов и пятнания; выдерживает нагрев до 400“ С и охлаждение не менее чем дс1.бр°С. Удельная проводимость пленки у от 10г> до 5-Ю5 См/м, удель- ное поверхностное сопротивление р, при толщине пленки до 0,5 мкм — 500—ЮООм-см. Для подвода тока па пленку наносят катодным распы- лением полоски топкого слоя инвара, затем их лудят и припаивают к ним токопроводы. Таким образом получается достаточно прочное и стой- кое соединение.Токопроводящие полоски должны быть расположены так, чтобы обеспечивался равномерный подвод тока к токопроводя- щей пленке (рис. 4.47). Для регулирования обогрева применяются термоэлементы (терми- сторы), которые вклеиваются в специальные пазы в защитных стеклах и включаются в цепь автоматического регулятора обогрева. Применя- ются также термореле с биметаллическим контактом, устанавлива- емые в непосредственной близости от защитного стекла. ЖГУТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИБКИЕ Гибкие жгуты из оптического стекловолокна разделяются на 8 типов следующего назначения: «Р» — жгуты с регулярной укладкой волокон для подсветки и считывания информации; «П» — жгуты для преобразования формы светового сечения; «Э» — гибкие волоконно-оптические элементы, склеенные с од- ного торца; «;-)• Д» — волокоипо-он гпческпе ленточные элементы, состоящие из одного слоя волокна, склеенного па определенную длину; остальные четыре типа Ж1.у'п>в— осветительные и предназначены для передачи света; «О»—в видимой области спектра; «О-С» — без искажения цветности; «О-ИК» — в ближней ИК-области спектра и «О-ИК-у»— у устойчивые. Гибкие волоконно-оптические жгуты поставляются в следующих вариантах: 1) в зависимости от формы торца и конструкции наконечника ва- рианты А, Б, В, Г и Т (рис. 4.48—4.50); 2) в зависимости от вида защитной оболочки: X — в поливинхлоридной защитной оболочке; С — в силиконо- вой оболочке; М — в металлорукаве; 3) в зависимости от температурных условий эксплуатации: первые — предназначены для эксплуатации в диапазоне температур от —50°С до 4-60° С; вторые — предназначены для эксплуатации в диапазоне температур —50° С до Ч~200с С. В табл. 4.36—4.47 даны размеры жгутов и их характеристики. Общее и спектральное пропускании жгутов приведены на рис. 4.51 и 4.52. Обозначение жгута состоит из обозначения типа и вариантов исполнения с указанием диаметра или сторон прямоугольного торца и длины с ссылкой на номер отраслевого стандарта; для жгутов в поли- винилхлоридной оболочке должен быть указан цвет оболочки. Примеры условных обозначений: 22А
I) жгут в поливинилхлоридной оболочке, черного цвета без на- конечников, сечением 5X5 длиной 1000 мм, предназначенный для эксплуатации в нормальных условиях: О-ГХ-1-5Х 5-1000 по ОСТЗ 2) ленточный элемент шириной 30 мм, длиной 500 мм; ЭЛ-30-500 по ОСТ 3) преобразователя сечением прямоугольного торца 1,5X40 дли- ной 500 мм; 11-1,5X40-500 по ОСТ ...; Рис. 4.48. Варианты исполнения гибких жгутов в зависимости от формы торца и конструкции наконечника: А — круглое сечение без наконечника (а); Б — круглого сечения с гладкими цилиндрическими наконечниками (б); В— круглого сечения с фасонными наконечниками (в, е); Т — круглого сечения с тонкостен- ными наконечниками (5); Г — квадратного или прямоугольного се- чения без наконечников (е) 4) гибкого осветительного жгута волоконно-оптического, проклеен- ного с одного торца, с гладкими цилиндрическими наконечниками 0 10 мм длиной 1500 мм в силиконовой оболочке, предназначенного для эксплуатации при t < 200° С: Э-БС-П-10-1500 ио ОСТ ...; Для осветительных жгутов типов О, О-С, О-ИК, О-ИК-у и типа Р допустимые отклонения диаметров d и стороны квадрата сечения а с регулярной укладкой волокон, а также торца 1 не должны превышать ±0,2 мм. Жгуты типов О, О-ИК-у, Р вместо квадратного сечения торца могут быть прямоугольной формы с соотношением сторон ие более 3:1. Жгуты типа Э изготовляются в любом исполнеини, проклеенные с одного торца, и соответствуют размерам, указанным в табл. 4.36 с допуском на размер сечения ±0,2 мм. Склеенные торцы жгутов должны быть полированы по плоскости. Чис юта обработки поверхности должна соответствовать контрольному образцу сравнения. Торцы элементов ленточных — обрезные, без обработки. Жгуты в исполнении I и 11 изготовляются в металлорукане РЗ-Ц-Х и РЗ-АЛ-Х по ТУ 22-2173—71, или в селиконовой трубке по 222
Рис. 4.49. Волоконно-оптические ленточные элемен- ты тина ЭЛ Рис. 4.51. Общее пропу- скание жгутов типа О-ЛК-у Рис. 4.50. Волоконно-оптические жгуты типа П Рис. 4.52. Спектральное пропускание жгутов типов: О и Р (//////); ос и о-ик (*****); о-ик-у 223
224 Дил iiHii >п п др. 225 Таблица 4.36. Размеры жгутов типов О, О-С, О-ИК, О-ИК-у, Р в различных исполнениях, мм Исполнение БХ-1, 5C-I, БС-П, TX-I, ТС-!, ТС-П, БХ-1. БС-1, BC-II, Б.'-М, BM-II БХ-1, БС-1, БС-П TX-I, ТС-I, ТС-П см. табл. 4.38 BX-I, ВС-1, вс-п BM-I, вм-п Ди-метр d Длина про- клеенной ча- сти 1, не более 1 см. рис. 4.48, б см. рис. 4.48, д см. рнс. 4.48,г см. рис. 4.48, в 1 = Допу- стимое откло- нение второго торца тз d2t не более * сч ОО тз 4, (Л 12) di (Л8) (г и/) гр 1 ±0,3 20 4.8 2о±8:7 2,0 4,0 20 5±2 3,0 4.7 20±^ - — 2оД;? 5,6 3,0 3,0 4,0 5.7 4,0 7,2 3 7,1 4,0 6,0 5,0 7,0 25±^ 5.0 10,0 25-°.з "-0,7 4 9,0 6,0 8,2 7,1 9.0 7,1 13,0 5 10.5 6.7 9,5 8,0 10.5 8,0 13,0 & 14,0 10,0 13,2 11,0 13.5 11,0 1 7,0 .0 ±0,4 18.0 25^:? 14,0 17,6 25 16,0 18.0 16,0 20,2 12 20,0 15,0 19,0 16,0 20,0 16,0 23.5 15 25,0 18,0 24,2 19,0 25,2 19,0 28,0 20 ±0,5 25 32,0 зо+$ 24,0 31,0 30 25,0 32,0 30±'$ 25,0 33,0 Зо±о,з би—0,7 25 37,0 28,0 36,0 30,0 37,0 30,0 39.0 30 - - — — - — - — | 38,0 45,0 Примечание. Отклонения диаметров d и стороны квадрата сечением а (см. также табл. 4.38) с регулировкой укладкой волокон, а также торца 1 не должны превышать ±0,2 мм. I ll.HM 1-11 У FIН«1 tf 1? II -ИН<1| | р В1Х1Ж (1 L.1W 1! J г'о 1- Допу- скасмое откло- нение 2,5 d, (Л8) 3,7 d2, не более 4±01 1 ОФ 1г, не более 50 60 70 80 90 100 Длина жгута L±!i 10 12 15 ОО Сл 4b. СО ЬЭ о ’о о о о 'сл Номиналь- ный размер Диаметр <1 пли ciopoii.t квадратного сечеким а АХ-I, АС-1, АС-Il, ГХ-1 Исполнение ±0,4 1 ±0,3 Донус! и мне отклонение второго торца 20 Сл 11роклсеп - нам чаги. 1, не более ГС-1 15,0 17,0 22,1 ЬО © -4 ©> сл сл 4ь. О 4b. -4 -4 Vj ’ьЗ -4 (.м. рис. 4.18. а Ji, не более АХ-I. AC-I, AC-II to •— _ — -4 Сл ОО 4b. 'to СО 00 -4 © СП 4b. 4b. о Ъ Ъ 'to о сл о См. рнс. 4.4 8, е Ар не более ГХ-1, ГС-1 Таблица 4.37. Размеры жгутов типов О, О-ИК-у,
Таблица 4.39. Длина осветительных жгутов в зависимости от диаметра в различном исполнении, мм Диаметр Длина номинальная Предельное отклонение Жгуты типов О, 0- БС-I, БС-И, BX-I, ВС До 10 вкл. С, О-ИК, О-ИК-у, р И, ВС-П, TX-I, TC-I, : 250 > исполнении БХ-1, ТС-II) 5 До 25 вкл. 400, 500, 600, 800 1000 1250 1400 10 15 25 50 Св. 1 до В вкл. 1600, 2000, 2500. 3000 25 2; 3 5000. 10000 50 Жгуты типов О, О-С, О-ИК, О-ИК-у, Р, (в исполнении ВМ-1, ВМ-П) До 10 вкл. 250 5 До 15 вкл. 400 10 500, 600, 800 Св. 1 до 30 вкл 1000 1250 1400 15 25 50 Св. 1 до 8 вкл. 1600, 2000, 2500. 3000 25 Жгуты типов О, О- ГХ-1, ГС-1) До 3 вкл. IK-y, Р (в исполнении 100 ЛХ-1, АС-1, АС-11, До 10 вкл. • 250 5 До 15 вкл 400, 500, 600, 800 1000 1250 1400 10 15 25 50 226
Т а бл и ц а 4.40. Размеры жгутов типа Э-Л, мм (рис. 4.49) Ширина ленты а Толщина лен- ты Ь* Длина склеен- ной части 1 Номинальная Допустимое откло- нение 10 15 0,2 20 25 0,3 0,035 30±5 30 35 40 0,5 Примечания: 1. Размер со звездочкой — для справок. 2. Длина ленты L: 100, 200, 300, 400, 500 мм; допустимое отклоне- ние +10 мм. Т аблица 4.41. Размеры жгутов типа П, мм Длина L 150, 250 400, 500, 600, 800 1000 1250, 1400 7I.ihiv<ihm(h> от- К III >111'11 III' ( 1 ) г, 10 15 25 I .1 Ci 'l || || || -1 Г? |>,| IMl'piU Ж1УГОН IIIII.I II, мм (рис. 4.50) 111II || 1 1 | >М II н лльпая II. 1 (1 Допу- Г1 нмое от кло- непие (~) 1 < '.Hi цм и а 1) НС более d * rf, (Л8) 1 Номи- наль- ная Допу- ствмое отклоне- ние (z±r) 10,0 20.0 0,3 1,5 0,2 2,3 4,6 6,3 8,0 10,5 зо.о •ю.о 0,5 7,8 9,1 13,0 15.0 25+0’3 zo—0,7 10,0 '.'0.0 0,3 2,0 0.2 2,8 5,3 7,3 9,0 12,0 30.0 10,0 0,5 9,1 10,1 15,0 15,0
Продолжение табл. 4.42 Ширина а Толщина b с, не более d • d, (/.8) t Номи- нальная Дону- 1’1 и мое отклоне- ние ( + ) Помп нали- пая Допу- С1ММОС отклоне- ние (+:) 10,0 20,0 0,3 3,0 0,2 3,8 6,3 9,1 10,5 15,0 30,0 40,0 0,5 10,7 12,9 16,0 18,0 0,7 10,0 20,0 0,3 5,0 0,2 5,8 8,3 11,8 13,0 17,0 30.0 40,0 0,5 14,4 16,6 20,0 22,0 * Размеры справочные. Таблица 4.43. Коэффициент спектрального пропускания Тд. жгутов типа О-С, О-ИК, О-ИК-у в зависимости от длины жгута О-С 1 о-ик о-ик-у Коэффициент пропускания, % (не менее) Длина жгута L, мм 2 SE о ю II А, = 550 нм X = 650 нм % «= 860 нм и 1060 вм До 1000 Св. 1000 до 1 400 вкл. » 1400 » 2 000 » » 2000 » 3 000 > » 3000 » 5 000 » » 5000 » 10 000 » 43 30 25 22 17 8 50 45 33 30 25 15 48 43 30 27 22 14 51 48 46 40 37 17 3 S 1 1 1 1 И р к м е ч л н и с. Допускается для жгутов диаметром 1 мм сечением торна 1 • 1 нм. \ мгппннние т па Ь% ниже заданного в табл. 4.43. 228
Таблица 4.44. Общий коэффициент пропускания тОбщ жгутов типов О, О-С, П, Р, Э в зависимости от длины жгута Длина жгута L, ИМ О, О-С, П, Р э Коэффицн % (не еит тобщ, менее) До 250 вкл. 55 45 Св. 250 До 500 вкл. 50 40 » 500 800 » 45 35 800 » 1 000 42 32 1000 » 1 250 40 30 1250 » 1 600 35 25 1600 » 2 500 » 30 20 2500 » 3 000 25 18 3000 » 5 000 20 13 5000 » 10 000 10 5 Примечания: 1. Допускается для жгутов О, О-С, П, Р дп‘метром I мм и сечением торца 1 X 1 мм уменьшение тобщ на 5% ниже у к iминоги н гоблнце, Для жгутов типа Э после последующей проклейки, hi мнфоики я in мт ронк и второго торца увеличивается на 5—10%. Т ,i й л и iui I 4S, Ра |рг11Н1К11Ц11я способность жгутов типа Р в зависимости от диаметра и длины жгута Диаметр или диагональ прямоугольного сечения, мм Разрешающая способность, штр/мм, не менее, для жгутов До 500 вкл. Св. 500 до 800 вкл. Св. 800 до 1000 вкл. Св. 1000 до 1400 вкл. До 2,0 18 15 12 12 Св. 2,0 до 4,0 вкл. 15 12 12 10 » 4,0 » 10,0 » 14 12 10 8 » 10,0 » 15,0 » 12 — — — Примечания: 1. Жгуты с регулярной укладкой волокон изготовляются из волокон диаметром 20 — 25 мм, что обеспечивает тео- ретическую разрешающую способность по полю порядка 20 штр/мм. 2. На жгутах диаметром или диагональю прямоугольного сечения 8,0 мм и более при длине жгута свыше 800 мм допускаются отдельные участки с меньшим пределом разрешения. Площадь и количество участков устанавливается отраслевым стандартом. 229
Т а б л и ц а 4.46. Допустимые радиусы изгибов жгутов в зависимости от диаметра жгута и типа оболочки Диаметр в оболоч жгута ке, мм Радиус изгиба, выраженный в диаметрах жгута в оболочке для типов оболочки Поливинил- хлоридная Латексная Силиконовая а б а б а б До 5 ВКЛ. 6 3 2,5 1,5 5,0 2 Св. 5,0 до 8,0 вкл. 8 6 3,0 2,0 5,5 3 » 8,0 » 15.0 » 20 8 5,0 3,0 7,5 5 Таблица 4.47. Относительные потери свеюпропускания жгутов в зависимости от радиуса изгиба Тип оболочки Диаметр жгута, мм Изменение т0^щ после испытаний на изгиб равный ±:90® (1.10* изгибов) в зависимости от радиуса изгиба, % 10D 7.5D 5D 2,5D 1D 3 0 0 4 10 70 Поливинилхло- ридная 5 0 4 10 40 10 20 45 Полностью 3 0 0 Латексная 5 0 0 0 4 40 10 4 94 . 3 0 10 60 Селиконовая 5 0 0 5 15 65 10 14 40 — П р и м е ч а и и г. D — плен ннй ли .1МГ7Р зятичний оболочки. 230
ТУ 38-40576—72 из резиновой смеси ИПР 1338р по ТУ 38-00551166—73. Волокна в исполнении I склеиваются клеем ОК-72Ф по ГОСТ 14887—69 и в исполнении П-клеем ВК-28 по ТУ 1-695-3—74. Жгуты в исполне- нии I могут быть поставлены в защитной поливинилхлоридной трубке черного или белого цвета по ГОСТ 19034—73. Жгуты типа О-ИК-? изготовляются в металлорукаве РЗ-АЛ-Х или селиконовой трубке по указанным выше ТУ. Жгуты тина II имеют защитную оболочку из латекса наирита Л7 по ТУ 6-01-780—73. Жгуты тина Э-Л защитной оболочки не имеют; волокна на торнах склеиваются распюром поливинилового спирта по ГОСТ 10779 09. Волокна 1 нбкпх жгутом и поговляклсм и i стекол по ГОСТ 3514—76 и отраслевому стандарту, обеспечивающих числовую апертуру 0,5. Гибкие жгуты сохраняют свои параметры после воздействия на них: циклических изменений температур в диапазоне от —50° С до +60° С; влаги при относительной влажности 70% и температуре 30° С; вибраций в диапазоне частот 20—120 Гц. Наиболее опасными, с точки зрения эксплуатации жгутов, являются — повышенная влажность и многократный изгиб с радиусом меиее допустимого. Поэтому при длительной эксплуатации жгуты должны быть надежно защищены от влияния повышенной влажности. В табл. 4.46 приведены допустимые радиусы многократного (а) и однократного (б) изгибов жгутов с различными типами оболочек, а в табл. 4.47 — изменения то6щ жгутов в зависимости от радиуса из- гиба на ±90°. Правила монтажа и условия эксплуатации гибких жгутов в приборах устанавливаются отраслевым стандартом. ОБЪЕКТИВЫ Основными характеристиками объективов являются: 1) относительное отверстие (для микрообъсктипов—числовая апертура); 2) фокусное расстояние |у микрообъсктипов, имеющих длину ту- буса, не равную бесконечности, — собственное (линейное) увеличение); 3) угловое или линейное поле; 4) предел разрешения и качество изображения (хорошее исправ- ление дисторсии и кривизны поля особенно важны для фотообъективов й* объективов измерительных приборов). Типов объективов чрезвычайно много и полностью привести их в справочнике невозможно. Объективы киносъемочные любительские. Киносъемочные объек- тивы применяются в любительских кинокамерах для съемки фильмов на кинопленке 8 мм, 8 мм типа С и 16 мм (ГОСТ 17278—71) \ Но- минальные значения фокусных расстояний объективов приведены в табл. 4.48. Фотографическая разрешающая сила основных (штатных) объек- тивов с геометрическим относительным отверстием 1 : 1,8 (или с пол- ностью открытой диафрагмой, если объектив имеет меньшее относитель- ное отверстие) при фотографировании щита с мирами в проходящем свете на черно-белой негативной кинопленке должна быть не менее следующих ниже значений. 1 Стандарт не распространяется па панкратические объективы и объек- тивы для специальных видов съемки и для профессиональных кинокамер. 231
Таблица 4.48. Номинальные значения фокусных расстояний объективов Формат кинопленки, мм Значения фокусных расстояний, мм 8 10 12 15 — 25 50 — 100 — 200 — 8 (тип С) 10 12 15 — 25 50 — 100 — 200 — 16 10 12 15 20 25* 50 75* 100 150* 200 300 Примечания: 1) Значения фокусных расстояний, распо- ложенные слева и справа от ломаной линии, относятся соответственно к широкоугольным и длиннофокусным объективам для данного формата пленки. 2. Значения фокусных расстояний, расположенные внутри ломаной линии относятся к основным (штатным) объективам для дан- ного формата кинопленки. 3. Значения фокусных расстояний, отме- ченные знаком звездочка применять не рекомендуется. 1. При съемке на 8 мм и 8 мм типа С кинопленке: 65 липий/мм — в центре поля изображения; 40 липий/мм — на краях поля изображения //' = 2,7 мм для 8 мм кинопленки, у’ = 3,2 мм для 8 мм типа С кинопленки. 2. При съемке на 16 мм кинопленке: 55 линий/мм — в центре поля изображения; 35 линий/мм — на краях поля изображения (//' = 5,6 мм, где у' — расстояние от центра поля изображения до края поля изображения по диагонали). Кинопленка КН-1 по ГОСТ 5554—70, применяемая при испыта- нии, должна иметь разрешающую способность не ниже 135 линий/мм по ГОСТ 2819—68 и общую светочувствительность 11 единиц по ГОСТ 10691—63. В случае применения других типов кинопленок необ- ходимо определять поправочный коэффициент. Коэффициент свето- пропускания основных (штатных) объективов в центре поля изображе- ния должен быть не менее 0,8. Коэффициент светорассеяния основных (штатных) объективов с геометрическим относительным отверстием 1 : 1,8 (или при полном открытии диафрагмы, если объектив имеет меньшее геометрическое относительное отверстие) должен быть не более 0,025. Освещенность изображения на краях поля (//' = 2,7 мм, у' — 3,2 мм и у' = 5,6 мм для 8 мм, для 8 мм типа С и 16 мм кинопленки соот- ветственно) по отношению к центру поля, освещенность которого при- нимается за 100%, должна быть не менее 30%. Просветление оптических поверхностей объективов должно обес- печивать цветопередачу без искажений на цветной кинопленке. Объективы нормального фокусного расстоянии для фотоаппаратов. ГОСТ 19322—73 устанавливает ряды нормальных фокусных расстоя- ний объективов для фотоаппаратов общего назначения с форматами кадров 18X24, 28X28, 24X36, и 60X60 мм (|а6л. 4.49). Стандарт ие распространяется па специальные объективы (например, широко- 232
Таблица 4.49. Номинальные значения нормальных фокусных расстояний объективов Вид аппарата Формат кадра, мм Номер ряда Номинальное фокусное расстояние, мм Шкально-далыюмер- ные с жестковстроепным объективом 18X24 1 25, 28, 30, 32, 35 24X36 28X28 2 32, 35, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 53, 55 Зеркальные 24X36 3 48, 50, 53, 55, (58) Зеркальные и шкаль- но-дельномерные 60X60 4 75, 80, 85, (90) Примечания. 1. Предпочтительным является меньшее зна- чение в ряде do отношению к соседнему. 2. Значения ряда 2—32 и 35, ряда 3 — 55, ряда 4 — 85 следует применять для светосильных илн упро- щенных объективов. 3. Значения в скобках предпочтительное. угольные, длиннофокусные, панкратические, а также на объ- ективы для макроподводной съемки). В табл. 4.50—4.53 приведены характеристики объективов. Объективы для микроскопов. В СССР выпускаются объективы, рассчитанные для длины тубуса 160 мм и толщины покровного стекла препарата d= 0,17 мм, а также для длины тубуса «бесконечность» и 190 мм (применяются без иоиронного стекла) (табл. 4.54 и 4.55). По степени исправления аберраций и области спектра, в которой они работают, объективы разделяются на следующие группы: 1) ахроматические, в которых исправлены сферическая аберра- ция, кома и хроматическая аберрация положения для двух цветов; кривизна изображения не исправлена; 2) апохроматические, в которых лучше, чем в ахроматических объективах, исправлены сферическая аберрация и кома и почти пол- ностью устранен вторичный спектр; не исправлена кривизна изобра- жения; хроматическая аберрация увеличения составляет 1—2% и для ее исправления применяются компенсационные окуляры; 3) зеркальные и зеркально-линзовые для УФ, ИК и видимой областей спектра (апохроматы); 4) линзовые кварцфлюоритовые для ультрафиолетовой области спектра в пределах длин воли 250—330 им; 5) монохроматические для узкой области спектра; '' !6) планобъективы, в которых дополнительно исправлена кривизна изображения. По назначению объективы разделяются на следующие катего- рии: 1) нормальные; 2) для исследований фазово-контрастным и фазово-темнополь- ным методами; 3) для исследований в поляризованном свете; 4) для люминесцентных и фазово-люминесцентных исследований; 233
Т а б л и ц а 4.50. «Любительские» объективы М<чркм объектива Фокусное расстоя- ние мм Относи- тельное отверстие D/Г Угловое поле 2<й, ...° Предел раз- решения, не менее лнпий/мм в цен- тре на краю Киносъемочные объективы Агат-14 * 9—27 1 : 2,8 14—42 55 32—25 Т-55 12 1 : 2,4 32 65 40 Вариогоир-2Б * 6,5—65 1 : 1,8 6—59 55—50 30—25 Проекционные объскпшы OI I-1,8 18 1 : 1,4 19 90 45 НФ-СА • 18-30 1 : 1,2 13—22 90 45 Фотообъективы (жестко встроенные) И-70 50 1 : 2,8 47 45 20 ** И -73 41,44 1 : 2,8 56 50 25 “ Т-43 41,7 1 : 4 55 45 19 ** Т-22 76,2 1 : 4,5 52 20 8 ** Фотообъективы (сменные) Мир-ЮА 28 1 : 3,5 75 40 20 Мир-24М 35 1 : 2 63 40 21 Юпитер-12-7 35 1 : 2,8 63 41 15 Мир-1а 37 1 : 2,8 60 50 23 Мир-26Б, В 45 1 ; 3,5 83 45 16 Индустар-61/3 50 1 : 2,8 46 44 30 Гелиос-44М 58 1 : 2 40° 28' 41 20 Mup-ЗБ, В 65 1 : 3,5 66 40 14 Мир-38Б, В 65 1 : 3,5 66 42 20 Юпитер-9а 85 1 : 2 28° 50' 32 23 Bera-1ЗМ 100 1 : 2,8 24° 26' 47 27 Таир-ПА 135 1 : 2,8 18 44 24 Юпитер-37А 135 1 : 3,5 18 45 30 Юпитер-! 1а 135 1 : 4 18 42 29 Калейнар-ЗБ, В 150 1 : 2,8 28 45 18 Юпитер-21А 200 1-: 4 12 50 36 Юпитер-21М 200 1 : 4 12 50 36 Юпитер-ЗбБ, В 250 1 : 3,5 19 45 25 Таир-ЗА 300 1 : 4,5 8 36 30 ЗМ-4А 500 1 : 6,3 5 ЗМ-5А 500 1 : 8 5 40 20 ЗМ-ЗБ, В 600 1 : 8 7° 30' 35 20 MTO-JOOOA 1000 1 : 10 2° 30' 28 18 * Обтк’ктивы с переменным фокусным расстоянием *• Для поля у мм. Таблица 4.51. Киносъемочные объективы для 35 и 70 мм пленки Марка объектива Фокусное | расстоя- ние f' мм Относи- тельное отвер- стие ** D/f Угловое поле 2о), ...° Предел разреше- ния в центре поля, не менее, линий/мм Пленка ОКС1-22-1 22 1 : 2,8 64 60 Нор- мальная ОКСЗ-22-1 * 22 1 : 2 64,5 50 То же ОКС8-35-1 35 1 : 2 42,5 55 » ОКС11-35-1* 35 1 : 2 43 55 ОКС7-28-1 * 28 1 : 2 52° 35' 50 в ОКС1-40-1 40 1 : 2,5 40 60 ОКС6-75-1 75 1 : 2 20° 55' 50 » ОКС2-100-2 100 1 : 2,8 15,5 55 » ОКС1-150-1 150 1 : 2,8 10 55 » ОКС1-200-1 200 1 : 2,8 8,5 50 » О КС 1-300-1 300 1 : 3,5 5° 40' 40 » ОКС1-50-6 * 50 1 : 2 30,5 55 » ОКС5-250 1 250 1 : 2,8 6° 25' 30 ОКС9-500-1 500 1 : 5,3 3.2 40 ОКС5-750-1 750 1 : 8 2” 10' 25 » ОКС4-1000-1 1000 1 : 11 1" 40' 25 » ОКС5-18-1 18 1 : 2,5 75° 50' 60 » ОКС 1-56-1 56 1 : 3 52 60 Широ- кая ОКС4-40-1 40 1 : 3 70 55 То же ОКС4-75-1 75 1 : 2,8 40 50 » ОКС2-100-1 100 1 : 2,8 31 50 » QKC2-150-1 150 1 : 2,8 21° 40' 50 ОКС1-125-1 125 1 : 2,8 26 50 » КР-10 28 1 : 3,5 93 50 » * Объективы с удлиненным задним отрезком. * * По ГОСТ 17175—71 деления шкал диафрагм обозначают зна- чениями знаменателей (геометрических или эффективных) относительных отверстий или — 1 : п = D/f' или «дифрагмированных чисел* К = f'/D'. 234 235
Таблица 4.52. Киносъемочные объективы с переменным фокусным расстоянием Марка объектива Фокусное расстоя- ние мм Относи- тельное отвер- стие D/f' Угловое поле 2со, ...° Предел разреше- ния в центре поля, не менее, линнй/мм Пленка Фотон 37—140 1 : 3,5 42°— 10° 40' 50—38 Нор- мальная Фотон-А 37—140 1 : 3,5 71° 22'— 19° * 28° 22' — 7" 40' ” 40—25 То же 35ОПФ9-1 25—10® 1 : 3.2 49°_]2° 60—45 » 35ОПФ9-1Л 50- 200 1 : 4,5 20° 40'- 5° 50-36 » 35ОПФ15-1 25-250 1 : 3,2 60°—12° 55—30 » 35ОПФ15-1А 50—500 1 : 4,5 30—25 » 1Ф16-1 25—100 1 : 3,2 61° 28'— 15° 08' 60—40 » 35ОПФ16-1А 50—200 1 : 4,5 55—30 » 35ОПФ19-1А 40—120 1 : 2,5 26° 48'— 8° 50' 55-40 » 35ОПФ18-1 20—120 1 : 2,5 60—40 » * По вертикальному сечению; ** По горизонтальному сечению. Таблица 4.53. Блоки анаморфотные съемочные (нормальная пленка) Марка объектива Фокусное расстоя- ние мм Относи- тельное отверстие D/V Угловое поле 2ш, ...° Предел разреше- ния в центре поля, линий/ мм по вер- тикали по гори- зонтали 35БАС10-3 35 1 : 2,5 42° 30' 42° 30' 55 35БАС10-2-01 35 1 : 2,5 42° 30' 42° 30' 55 35Б АС 12-4-01 30 1 : 2,8 39 34° 37' 55 35БАС2-2 150 1 j 3,5 19 7° 10' 35 35БАС22-2 50 1 : 2 50 35БАС23-2 75 1 : 2 48 35БАС25-1 100 1 : 2,8 26° 46' 11° 14' 50 35БАС26-1 22 1 : 2,8 50 35БАС27-1 35 1 : 2 72 31 55 236
Таблица 4.54 Объективы микроскопов 237
Продолжааяе табл. Д.54 Марка объектива Увеличе- ние, крат Числовая апертура Фокусное расстоя- ние, мм Система Рабочее расстоя- ние, мм Высота объек- тива, мм Конструктивные особенности: область ахроматизацки Дл я исследований в пол! «ризованном сяете со столиков ФеДо] ?ова7 ОСФ-1Ш 10,6 0,40 14,8 Сухая 13,0 51 С ирисовой диафрагмой 16,4 0,62 14,0 0.22 ОСФ-14П 11,6 » 13,7 50 » » » 21,7 0,62 26,0 0,19 ОСФ-26П 6,0 » 15,9 50 > » > 40.3 0,30 ОСФ-5 3.8 0.11 33,0 » 27,0 49 » » » 5,89 0,п 6,4 0,17 ОСФ-6П 21,6 14,2 50 » » » 10,0 0,24 ОМП-5,5 5,5 0.16 24,5 > 16,0 37 Для исследования методом фазового контраста ФОМ-27-2 20 0,40 8,4 Сухая 1,70 33 С двумя фазовыми кольцами ФМЩ-2 40 0,65 4,3 0,35 33 » » > » ФОМ-41-2 90 1,25 2,0 > 0,10 Для исследования желатиновых пленок ОМ-32 90 1,25 3-1,9 Масляная 0.30— 32,7 В пружинящей оправе иммерсия 0.12 2. П л а нахромат и ч е с к и е Для биологических, бактериологических и других исследований ОМ-3* 3,5 0,10 29,9 Сухая 23,40 33 вы ОМ-2* 9 0,20 15,5 » 13,50 33 — ОМ-31 20 0,40 8,5 » 0,16 33 ОМ-2 9 40 0,65 4.2 » 0,85 33 — ОПХ-Ю* 10 0,20 16,5 » 8,2 45 — Продолжение табл. 4.54 Марка объектива Увеличе- ние, крат Числовая апертура Фокусное расстоя- ние, мм Система Рабочее расстоя- ние, мм Высота объек- тива, мм Конструктивные особенности; область ахроматизации Для исследований в поляризованном свете ОПХ-2.5П 2,5 0,05 62,5 Сухая 9,0 45 ОПХ-25П • ОПХ-40П • ОПХ-60П • 25 40 60 0,50 0,65 0,85 6,5 4,0 2,7 » > » 0,55 0,44 0,22 45 45 45 С ирисовой диафрагмой В пружинящей оправе » » > 3. Апохроматические Для биологических, бактериологических и других исследований ОМ-18 ОМ-21 10 20 0,30 0,65 15.1 8,4 Сухая 4,80 0,67 33 33 В пружинящей оправе » » » ОМ-16 40 0,95 4,4 » 0,12 — 0,22 0,22 33 В коррекционной оправе О6АМ-60 60 1,0 —0,7 3,0 Масляиая 32,7 В пружинящей оправе, с ирисо- 1,23 2.5 вммерсня вой диафрагмой ОМ- 25 * 70 Водная 0,14 — 32,7 В коррекционной оправе OSAM-90 1,30 иммерсия 0,04 90 2,0 Масляная иммерсия 0,10 32,7 В пружинящей оправе ОАВ-60 2 60,9 1,0 2.9 Водная иммерсия 0,76 32,7 — ОАВ-65 2, • 65 1,1 2.7 То же 0,19 32,7 Для исследования желатиновых пленок ОС-20 ОС-22 20 0,80 8,4 Масляиая иммерсия 1,10 32,7 60 1,25 3-2,9 То же 0,40 32,7 В коррекционной оправе 4. Плане похромат и ч е с к н е 8 Для биологических, бактериологических и других исследований ОПА-1 10 0,30 15.8 Сухая 5,2 45 ОПА-2 16 0,40 9.6 . 0,64 45 ОПА-3 40 0,65 3,9 0,31 45 1 ОПА-4 60 0,85 2,6 > 0,23 45 В пружинящей оправе
Продолжение табл. 4.54 Марка объектива Увеличе- ние. крат Числовая апертура Фокусное расстоя- ние, мм Система Рабочее расстоя- ние, мм Высота объек- тива, мм Конструктивные особенности; область ахроматизацин ОПА-5 100 1,25 1,5 Масляная иммерсия 0,15 45 — ОПА-6 О ПА-40 25 40 0,50 0,65 6,5 4 Сухая 0,61 0,72 45 45 В пружинящей оправе ОПА-60 60 0,90 Для исс 2,7 5. 3 е р ледоваиий кальво -л и в ультрафиолет 0,22 паевые говой облас 45 ти спектра В пружинящей оправе О К-40 40,8 0,50 4,3 • Сухая 2,0 33 211 — 800 нм ОНЗ-75А 75 0.65 2,3 0,23 33 243 — 590 н.м ОНЗ-115 113 0,70 1,5 > 0,19 36 243 — 590 нм О К-75 73,5 1,00 2,2 Глицерино- вая иммерсия 0,25 32,7 250 — 590 нм ОНЗ-125 125 . 6. 1,10 Лингов Для исс. 1,4 не к в а р ледоваиий Глицерино- вая иммерсия цфлюорит в ультрафиолет 0,25 о в не ах говой облас 32,7 р о м а т в ти спектра 250 — 590 нм ч е с кн е О К-5 5 0,08 24,9 Сухая 17,00 33 230—590 им ОК-10-3 ОК-120 10 20 0,20 0,40 15,3 8,3 » » 6,61 0,22 33,2 33 250 — 330 им 260—280; 300—380 им, 350—380; 380—434 нм О К-50 48,5 0,65 3,6 » 0,10 33,4 250 — 313 нм ОК-58 . 58 0,80 3,1 Водная иммерсия 0,11 30 248 — 280 нм Продолжение табл. 4.54 Марка объектива Увеличе- ние, крат Числовая апертура Фокусное расстоя- ние, мм Система Рабочее расстоя- ние, мм Высота объек- тива, мм Конструктивные особенности; область ахроматизацин 7. Линзе в ы е и з е р кальке л и в з о в ы е Для. исследований в инфракрасной области спектра оз-юик 10 0,30 18,4 Сухая 3,8 — 2,49 37,2 1,05—2,2 мкм ОНЗ-40 40 0,50 4,2 » 5,0 33 1—7 мкм ОР-75ИК 75 0,65 2,4 0,20 33,5 0.7 — 4,5 мкм ОР-40ИК 40 0,70 4,6 1,6 67 0.7 — 5 мкм ОРМ-75ИК 75 1,00 2,1 Масляная 0,28 32,7 0,8 —1,6 мкм иммерсия 11. Объективы для работы в отраженном свете 1. А х р о м а тические. тубус 190 мм ОМ-10 2, * 95 1,25 2,0 Масляная 0,06 12,2 иммерсия А Для исследований в поляризованном свете ОМ-13П 9 0,20 18,1 Сухая 8,14 25 ОМ-38П И 0,25 16,0 Масляная 0,50 27,6 иммерсия ОМ-44П 30 *| Г" 0,65 6,2 То же 0,50 20,75 — Для исследований в :вете люминесценции (контактные) од-юлк 10 0,40 20,6 43 .. . ОД-25ЛК 24,2 0,75 И,2 ___ 39 ОД-40ЛК 40,0 1,00 4,84 Желатиновая 0,11 38,7 В коррекционной оправе оэ-юлк 10,0 0,30 10,7 иммерсия То же 0,10 41,1 ОЭ-20ЛК 20,0 0,60 11,2 0,02 30,7 О-60ЛК 60 1,25 3,2 — 31 В коррекционной оправе
Продолжение табл, 4.54 Марка объектива Увеличе- ние, крат Числовая апертура Фокусное расстоя- ние, мм Система Рабочее расстоя- ние, мм Высота объек- тива, мм Конструктивные особенности; область ахроматнзации ОЭ-9 1 2 Дл 9 я нсследов 0,20 аний в све1 18.4 Глом и темном Сухая поле (эпио 5.40 бъективы)’ ОЭ-21 ’ 21 0,40 8,4 » 1,80 14.4 ОЭ-40 ’ 40 0.65 4.6 » 0.61 1°.35 ОЭ-95 95 1,00 2,0 Масляная 0,41 12,50 ОХ-23 2. 0,17 А х р о м а Для нсс 23,2 Иммерсия тнческне, ледований в св Сухая тубус етлом поле 6.20 X 33 ОХ-14 — 0,30 13.9 5.71 ОХ-6 0,65 6,2 » 0.82 33 __ ОХ-3 1,25 2,8 Масляная 0,40 __ ОС-39 0,12 25,0 иммерсия Сухая ю,оо OQ ОС-40 — 0,30 13,9 Сухая 5,71 29 ОС-41 — 0,37 8,2 » 2,68 ОС-42 — 0,50 4,3 » 0,74 29 — ОЭ-23 Для нс еле 0,17 довамий в 23.2 светлом и теми Сухая ом поле (э 5,40 пиобъектив 31.5 ы) ОЭ-14 0,30 13,9 » 5,40 31,5 ОЭ-8 ——. 0,37 8,2 » 2,60 № ОЭ-6 0.65 6,2 » 0,60 31,5 ОЭ-4 — 0,17 25 5.40 33 ОЭ-2 — 0,40 10 » 2.60 33 ОЭ-1 — 0,65 6,3 » 0.65 33 оэ-зт — 1,00 2,8 Масляная 0,60 31,5 ОБП-40 3. П 0.10 л а и а х р Для исс 40,6 иммерсия о м а т и ч е с ледований в св Сухая сне8, ту етлом поле 23,0 бус со 45 ОПХ-3 0.65 6,3 0.6 45 — - — Продолжение табл. 4.54 Марка объектива Увеличе- ние, крат Числовая апертура Фокусное расстоя- ние, мм Система Рабочее расстоя’ нне. мм Высота объек- тива, мм Конструктивные особенности; область ахроматизацин ОЭ-5 0,65 Цля исследований в светлом и темном поле 6.3 | Сухая 1 0,69 | 45 —• OQ-16 4. 0,30 А п о х р о 15,7 матическ Сухая не, тубу 4,90 С со 33 ОС-8 0,65 8,4 > 0,82 33 ОС-4 0,95 4,3 » 0,18 33 •— ОС-3 1,30 2,8 Масляная 0,18 25 ос-зт мыв 1.Q0 2,8 иммерсия » 0,53 25 — ОПА-11 —« 5. Пл 0,85 а и а п о х 4,0 роматнче Сухая с к и е 8, т 0,29 у бу С « 45 В пружинящей оправе ОПА-12 —. 1,25 2,5 Масляная 0,25 45 » > » ОПА-9 «в 0,5 10.0 иммерсия Сухая 0,80 45 — МИМ-9 Для исследования в светлом и темном поле (эпиобъективы) 0.25 J 25,4 f Сухая 1 4,4 1 45 1 МЙМ-9 0,30 16.0 » 4,4 45 МИМ-9 0,65 6,3 4,4 45 — 6 Монохроматв 5 ее кве дл я уз кой области спектра, тубус со ОВМЖ-1,6 1,30 1,65 Масляная 0,40 64 I иммерсия | 1 Объективы для исследования методом фазового контраста маркированы буквой Ф. 3 * * Объективы для исследований в Орете люминесценции маркированы буквой Л. 3 Объективы для исследований методом фазово-темнопольного контраста мар- кированы буквой А. * Объективы для исследований в поляризованном свете маркированы буквой П. 6 Объективы для иссле- дований в свете люминесценции методом фазового контраста маркированы буквами Ф и Л. 8 Объективы для исследований в свете люминесценции методом темнопольного контраста маркированы буквами А и Л. 7 При исследовании объектов без сегмента объективы работают с препаратами без покровного стекла. В графах «Увеличение» и «Числовая апертура» числи- тель дроби обозначает собственное увеличение н числовую апертуру объектива, а знаменатель —увеличение и числовую апер- туру объектива с сегментом (п^ = 1,55). 8 Объективы характеризуются болящим линейным полем в пространстве изображе- ний (25 мм); применяются с широкоугольными компенсационными окулярами. 8 В эпиобъективах, в отличие от других объективов, имеется осветительная система в виде параболического зеркала.
Таблица 4.55. Микропланары для микросъемки Марка Увеличе- пи е, крат ОТНОСИ’ тельное отверстие Фокусное расстоя- ние, мм Конструктивная особенность ОП-15 15 1 : 4,5 40 С ирисовой диафрагмой ОП-16 10 1 : 4,5 65 ОП-17 5 1 : 4,5 100 » » » ОФ-111 0,5—1,0 1 : 6,3 150 » » » 5) для исследований толстослойных желатиновых пленок; 6) контактные; 7) для исследований при высоких температурах (с большим рабо- чим расстоянием). , Кроме того, объективы микроскопов характеризуются следующими конструктивными параметрами: длиной тубуса, рабочим расстоянием и высотой объектива. Длиной тубуса называется расстояние на тубусе микроскопа от нижнего опорного торца для объектива до верхнего опорного торца для окуляра. Объективы для длины тубуса оо работают с дополнитель- ной ахроматической линзой, устанавливаемой за объективом (см. гл.2). Рабочим расстоянием называется расстояние от верхней поверх- ности покровного стекла до оправы первой линзы объектива. Высотой объектива называется расстояние от плоскости предметов до опорной плоскости объектива. окуляры Окуляр — оптическая система, расположенная непосредственно перед глазом и предназначенная для рассматривания изображения, образованного предыдущей оптической системой. Требования, предъявляемые к окулярам, изложены в гл. 2. Рис. 4.53. Схема окуляра Рамс- Рис. 4.54. Схема окуляра Гюй- дена генса Типы окуляров и их характеристики . Окуляр Рамсдена (рис. 4,53). Хроматизм неисправлен, полевые аберрации исправлены для 2<о 40°; s'p,«s(0,25ч- 0,3}f. Окуляр Рамс- дена применяется в простых геодезических приборах. Окуляр Гюйгенса. Такой окуляр (рис. 4.54) применяется в микро- скопах. По сравнению с окуляром Рамсдена в нем несколько лучше исправлен хроматизм. Передний фокус мнимый и лежит между лин- вами;- Sp, — /73. 244
Окуляр Кельнера. Этот тип окуляра (рис. 4.55) самый распростра- ненный. В нем хорошо исправлены аберрации в пределах 2<о — 454-50"; —sF^f43-, s’p,^f'/2. Симметричный окуляр. Такие окуляры (рис. 4.56) применяются в те- лескопических приборах. Они хорошо исправлены в пределах 2<о = 40° -sF = S'p, ъ 0,75/'. Ортоскопический оку- ляр. Подобные окуляры (рис. 4.57) применяются преимущественно в изме- рительных приборах и микроскопах. Они хоро-’ шо исправлены на все аберрации, особенно на дисторсию в пределах 2<о = 40°; — Sp «а /72; s'p, = 0,75/'. Широкоугольные оку- ляры Эрфле. Существуют два типа таких окуляров: первый (рис. 4.58, а) ис- правлен в пределах 2<о = = 65°; —s/^/75; s'p,--= = /72; второй тип (рис. 4.58, б) исправлен в пре- делах 2«> = 60 4- 65°; sF = —f'fc, s'p,= (0,5-?- н-0,75)/'. Окуляр с удаленным зрачком. Для таких оку- ляров (рис. 4.59) 2<о = е= 45°; s'p, = /'. Окуляры с угловым полем 2<о =80° - обычна-имеют параболи- ческую глазную линзу, как, например, окуляр, изображенный на рис. 4.57. Окуляры с угловым полем 61 и 53" приведены на рис. 4.60 и 4.61, а оку- ляры с внутренней фоку- сировкой, применяемые при высоких требованиях к герметичности прибо- ра, — на рис. 4.62, а и Рис. 4.55. Схема окуляра Кельнера Рис. 4.56. Схема симметричного окуляра Рис. 4.57. Схема ортоскопического окуляра а) Рнс. 4.58. Схема окуляра Эрфле; а — пер- вого типа; б — второго типа I" 245
4.62, б. Окуляр, показанный на рис. 4.62, а, имеет пределы диоптрий» ной установки от —5 до 4-6 и d8 изменяется от 0,30 до 11,3 мм; оку- ляр, изображенный иа рис. 4.62, б имеет пределы диоптрийной ус- Рис. 4.59. Схема окуляра с удаленным зрачком тановки ±5 и da — изме- няется в пределах от 1,42 до 11,47 мм. На рнс. 4.63 даны графики аберраций оку- ляров, изображенных на рис. .4.62, а и 4.62, б. В табл. 4.56—4.59 приведе- ны данные некоторых рас- пространенных окуляров. На рис. 4.64 приве- дены оптические схемы Некоторых новых ком- с постоянным по полю зрения приблизительно 2%. Окуляры пенсационных окуляров хроматизмом увеличения, равным предназначены для высококаче- Поо'бижная часть Рис. 4.60. Схема окуляра с угловым полем 6Г Подвижная части Рис. 4.61. Схема окуляра с угловым полем 53° 4^5,1 Н Подвижная часть Рис. 4.62. Схемы окуляров с внутренней фокусировкой: а — первого типа; б — второго типа ственных планапохроматических объективов микроскопа, у кото- рых хроматическая разность увеличения составляет 1,5—2%. Они имеют хорошую коррекцию монохроматических аберраций и ид 246
применение с апохроматическими объективами обеспечивает^ практи- чески бесцветное изображение в микроскопе 171]. Окуляр Г = 6,3х является развитием окуляра Гюйгенса, а окуляры 10 и 16х — схемы а) "“-td -2-1 0 1 2 -5%0 0% -0,0500,05^-Уа Рис. 4.63. Графики аберраций окуляров: а — по рис. 4.62, а; б — по рис. 62, б F Рис. 4.64. Оптические схемы новых компенсационных окуляров микроскопа: а — Г — 6,3х; б — Г = 10х; а — Г = 12,5х; г —Г = 16х Г Кельнера. По оптической схеме рис. 4.60, в разработан комплект сим- метричных окуляров с увеличением 10, 12,5 и 20х; с угловым полем 2d) = 40° и Sp, = 0,6/'.
Таблица 4.56. Окуляры для микроскопов Марка окуляра Увеличение, крат Линейное поле, мм О» а> к о I х к о о х ° о о „ х « S е а в Марка окуляра Увеличение, крат Линейное поле, мм Фокусное расстояние, мм 1. Г ю й г е н с а АКШ-11 2 10 15 25 АМ-6 АКШ-12,5 12,5 15 20,2 4 23,3 62 АКШ-16 16 12 15,6 АМ-30 3 4 20 63 АКШ-17 2 16 И 15,6 АМ-4 2 4 24 62 АКШ-18 16 11 15,6 АМ-5 2 М-7 5 7 23 18 50,6 36 АКШ-20 20 9 12,5 АМ-31 3 7 18 36 4. Ill и р о К О V Г О Л ь н ы е AM-11 2 АМ-8 1 7 8 19 21 36 31,4 (удаление S„ входного зрачка 160 мм1 М-10 10 14 25 АМ-101 10 14 25 АШ-4 4 17 60,7 М-11 15 8 17 АШ-8 8 20 30,4 АШ-8С4 8 20 30,4 2. Комп е н с а ц и о н н ы е АШ-8п 8 20 30,4 АШ-12,5 12,5 18 20 АМ-24 5 20 50 АШ-5 1 4 17 60,7 AM-12 5 22 50 AM-13 AM-262 7 7 18 18 35 36 (удаление входного зрачка s — сх~Л AM-14 10 13 25 AM-27 15 11 16,7 AM-134 6,3 20 39,8 AM-16 20 9 12,6 АМ-134п 1 6,3 20 39,8 АМ-134ш 2 6,3 20 39,8 3. HI и о о к о v ГОЛЬ н ы е АМ-37п 6 10 18 25 компе нсапионные АМ-37ш 3 10 15 25 (удаление входного зрачка sp = oo) АМ-38 АМ-38п 10 10 15 15 25,2 25,2 АКШ-1 6,3 20 39,4 5. Ортоскоп и ч е с кие АКШ-1п1 6,3 20 39,4 АМ-18 12,5 16 20 АКШ-1ш 2 6,3 20 39,4 AM-19 17 13,6 15 АКШ-2 10 15 24,9 АМ-20 28 6,5 9 АКШ-2п 1 10 15 24,9 АКШ-3 2 10 15 24,9 6. С и м метр и ч п ы е АКШ-4 12,5 13 20 АТ-36 15 12 17 АКШ-5 16 11 15,6 АТ-38 15 12 17 АКШ-5п 1 16 11 15,6 АКШ-14 10 18 25 /. Фотоокуляр ы АКШ-14п3 10 18 25 М-7Ф 7 18 36 АТ-18 7 18 36 (удаление входного зрачка АМ-14Ф 10 13 25 = 160 мм) АМ-27Ф 15 11 16,7 АКШ-6,3 АКШ-11 6,3 10 22 15 39,7 25 АТ-37С АМ-18Ф АМ-16Ф 15 12,5 20 12 15 9 17 20 12,5 248
Продолжение табл. 4.66 Марка окуляра Увеличение, крат Линейное поле, мм Фокусное расстояние, мм Марка окуляра Увеличение, крат Линейное поле, мм 1 . оГ <и ® о ® 1 5 ф н о га S V ftS 8. К в а р Ц v » ы v д л я АМК-9 3 15 84 ф О Т О Г р а (1) н ) о 1) а и в я АМК-10 3 15 80,7 В V Л Ь Т I) а (1) и о л е т о в о й АМК-12 6 9 37,4 области с п С К т Р а АМК-13 6 7,4 35,5 АМК-2 8 14 28,8 9. П р о е к 11 И О 1 и ы е ДЛЯ АМК-3 8 15,6 29,8 ф о т о г р аби о ов а н и я АМК-5 8 12 29,4 в и л ф р а к р а с н о й АМК-6 АМК-7 ( 3 3 15 15 80 80,4 о б л а с т и с г е к т р а АМК-8 3 15 78 АК-3 АКМ-3 2,9 2,9 П,7 11,7 67,9 77,7 1 Окуляры с перекрестием; окуляры со шкалой 3 окуляр с удаленным входным зрачком; * окуляр со шкалой с сеткой; садочный диаметр окуляра — 30 мм. 6 по- Таблица 4.57. Окуляры и применяемые к ним объективы микроскопа М а рки окуляра объек- тива , окуляра объектива окуляра объектива АМК-2 ОК-40 АМК-7 ОК-40 АМК-Ю ОНЗ-75А; ОНЗ-115 АМК-3 АМК-5 О К-40 ОК-58 АМК-8 ОК-50; ОК-58; ОИЗ-125 АМК-12 АМК-13 ОК-75 О113-75А; ОНЗ-115 АМК-6 ОК-10-3 АМК-9 ОК-75 АМК-3 АК-3 ОРМ-75ИК ОР-75ИК; ОНЗ-40; ОРМ-75ИК 249
Т а б л и ц а 4.58. Гомалы М а р к а г омала JI и пейное поле, мм Фокусное расстоя- ние, мм Посадоч- ный диа- метр, мм Рекомендуемые объективы Длина тубуса, мм Увеличение, крат 011-6 15 —70 27 (е9) 160 и 190 ОО 5—20 11—30 ОН-7 8 —20,28 27 (е9) 160 и 190 ОО 60—90 90 ОН-8 13 —37,6 27 (е9) 160 и 190 ОО 5—20 11—30 Табл » и а 4.59. Окуляры зрительных труб (/ок = 20, 25, 30, 40 и 50 мм) Характеристики Тип окуляра Симметрич- ный Кельнера С удаленным зрачком Эрфле 2<о° 40 45—50 50 60 DP-/f'K 1 : 5 1 : 5 1 : 5 1 : 4,2 -sf!f ок 0,76 0,29—0,3 0,32—0,34 0,33—0,37 SP'/1ок 0,72—1,2 0,4—0,7 0,9—1,25 0,7—0,9 Рис. 4.65. Автоколлимационные окуляры Автоколлимационные окуляры Конструкция автоколлимационного окуляра должна обеспечивать удовлетворительную видимость автоколлимациоппого изображения светящегося или темного штриха сетки. Контрастность и яркость в отдельных случаях должны быть такими, чтобы авгоколлимационное 250
изображение сетки получалось от Зеркала, установленного на значи- тельном расстоянии от прибора на открытом воздухе или в специально эатемненном помещении. На рис. 4.65, а—г и 4.66 а—б приведены конструкции автоколлимационных окуляров, а в табл. 4.60 их харак- теристики. Пользуясь табл. 4.60 можно выбрать окуляр для данных условий работы. Рис. 4.66. Автоколлимационные окуляры Монченко Таблица 4.60. Сравнительные характеристики автоколлимационных окуляров Тип окуляра в. % Т, % гок' к₽ат м °п- м С кубиком и двумя 17 42 Не огра- 18 Более сетками (рис. 4.65, а) пичено 30 Окуляр Аббе (рис. 4.65, 6) 86 92 30 2 2 Окуляр Гаусса 46 50 18 18 Более (рис. 4.65, в) 30 Окуляр Линника * 7—88 92 Не огра- 20 Более ничено 30 Окуляр Захарьеи- 90 18 18 20 Более ского * 30 С сеткой, подсвечи- 8 92 Не огра- 10 15 ваемой сбоку (рис. 4.65, г) ничено С кубиком и одной сеткой 20 — 20 18 .30 Монченко 86 92 30 25 Более ; |рис. 4.66, а, б) 30 Примечание. В таблице условно обозначены: В — яркость автоколлимационкого изображения относительно начальной яркости сетки, принятой за 100%; т — свел) uponусканне всего окуляра; Гои максимально возможное увеличение симметричного окуляра; D — максимальное расстояние до наблюдаемого зеркала прн сол- нечной погоде; £>п — то же при пасмурной погоде. * Окуляры Линника и Захарьевского применяются редко нз«за трудности и зготовлеи и я. 251
УРОВНИ Уровнями называют устройство для установки визирных линий или плоскостей в горизонтальное (или вертикальное) положение, а также для определения малых углов отклонения плоскостей от горизонта. Уровни характеризуются чувствительностью к отклонениям и точностью измерения угла отклонения. Широкое применение в различных лабора- торных и полевых измерительных приборах (например, в геодезиче- Рис. 4.67. Принцип действия уровня (Я/Ц— линия го- ризонта) зонтальном положении ампулы середина Рис. 4.68. Цилиндрический уровень ских), а также в прицельных устройствах находят пузырьковые уровни [67]. Уровни состоят из стеклянной ампулы и металлической оправы различной конструкции. Ампула уровня представляет собой закрытый стеклянный сосуд в виде трубки, внутренней поверхности которой придана бочкообразная форма, или в виде низкого цилиндрического стаканчика, верхней тор- цевой поверхности которого придана сферическая форма. При горн- пузырька уровня находится посередине ампулы (рис. 4.67, а). Если ампулу на- клонить на угол а, то пузы- рек, стремясь занять наи- высшее положение, переме- стится из точки М в точку (рис. 67, б). Его переме- щение можно определить по формуле = л^а/180. Для установки уровня в горизонтальное положение и определения угла на- клона на ампулах наносятся штрихи со стандартным расстоя- нием между ними 2 ± 0,5 мм. Угол, на который требуется наклонить уровень для перемещения пузырька на одно деление, называется угловой ценой деления данного уровня. Разность между ценой деления и фактическим углом наклона уровня для перемещения пузырька на одно деление характеризует его точность и не должна превышать 20% цены деления. Чувствительность уровня зависит от радиуса кривизны и качества шлифования внутренней поверхности ампулы, свойств наполнителя, длины пузырька и температуры. При низких температурах вязкость жидкости возрастает и чувствительность понижается. 252
По форме различают уровни цилиндрические (рис. 4.68) и круглые (рис. 4.69). Иногда круглые уровни называют сферическими. Характе- ристики отдельных ампул (ГОСТ 2386—73) приведены в табл. 4.61 и 4.62. Ампулы заполняют маловязкой и не замерзающей при темпера- туре до —60° С жидкостью и запаивают с обоих концов, оставляя пу- зырек паров данной жидкости. Цилиндрические ампулы изготовляют Рис. 4. 69. Сферический уровень (а), ампула (б) и кор- пус (в) из молибденового стекла. Наполнитель низкоточных (5—10') ампул — спирт этиловый, иногда смесь эфира со спиртом; высокоточных — эфир этиловый. Размер пузырька уровня составляет, примерно, 1/3 длины аэдпулы. При изменении температуры изменяется также и длина пу- ВДрька. Чтобы исключить это явление применяют компенсированные и камерные уровни [89]. Для повышения точности установки пузырька на середину уровни снабжены призменными системами и лунами, позволяющими совме- стить изображения противоположных концов пузырька (контактные уровни). Установлено, что пузырек обычного уровня устанавливается на середине с ошибкой ±0,14т", контактного — с ошибкой ±0,04"?', а контактного уровня с лупой — с ошибкой ±0,04т7Гл, где Гл — уве- личение лупы (обычно 2—3х) [67]. 253
Т а б л и ц а 4.61. Предельные отклонения цены деления уровней АЦП Номиналь- ная цена деления Предельные значе- ния средней цены деления Номиналь- ная цена деления Предельные значе- ния средней цены деления От До От До 10' 8' 12' 20’ 18" 22" 8' Т 9' 15' 13,5" 16,5" 30’ ЧГ 33" 10' 9" И" Таблица 4.62. Техническая характеристика ампул Тип ампулы Цена деле- ния уров- ня, ..." Диаметр ампулы, мм Высота или длина ампу- лы, мм Диаметр или длина пузырька при 20° С, мм Радиус ра- бочей сфе- ры или дуги, мм к АК — малой точности )углые 20' ампул 17 ы 10 5 344 со шкалой н виде круге- 10' 17 10 5 688 вых рисок 4' 17 10 5 1 376 Цили АЦП — простые малой эдричес 10' кие ам 7,5 пулы 23 6 688 и средней точности со 4' 7,5 33 8 1 719 штриховой шкалой или 60 11 54 18 6 876 перекрестием в центре 30 И 54 18 13 751 (вместо шкалы) 15 11 54 18 27 502 АЦК — компенсиро- 10 20 11 14 54 124 18 40 41 252 20 626 ванные (с компенсацион- 15 14 124 40 27 502 иой палочкой) средней и 10 14 124 40 41 252 высокой точности со 4 14 124 40 103 132 штриховой шкалой или перекрестием в центре (вместо шкалы) АЦР — камерные (с 20 15 124 62—70 20 626 регулируемой длиной пу- 10 14 124 62—70 41 252 зырька) средней и высо- 4 14 124 62—70 103 132 кой точности со штри- 2 14 124 62—70 206 265 ховой шкалой 1 22 224 ! 10—120 412 530 254
Ампулы сферических уровней применяются двух основных типов: 1) установочные, предназначенные для установки приборов в го- ризонтальное положение (фотоаппараты, лабораторные приборы), с ценой деления 5, 10 и 20'; сверху на уровнях нанесены два концен- трических кольца; 2) фокусные уровни для создания вертикальной линии визирова- ния в приборах, используемых на качающихся основаниях (например, на самолетах). Уровни устанавливаются таким образом, чтобы нижняя поверхность верхнего стекла уровня, по которой скользит пузырек находилась в плоскости изображения прибора. Радиус кривизны верх- него стекла уровня должен быть равен фокусному расстоянию оптиче- ской системы, расположенной до уровня. Фокусные уровни применяются двух типов: с запаянной ампулой и с составной ампулой, у которой регулируется величина пузырька [89]. Ампулы закрепляются в оправе путем залнвки гипсом или резьбовыми кольцами. В зависимости от рабочего температурного диапазона ампулы уровней всех типов изготовляются двух исполнений: нормального (Н) от —50 я 40 до +50° С (АКН, АЦПН, АЦКЫ, АЦРН) и термоустойчив (Т) от —50 до +75° С (АКТ, АЦПТ, АЦКТ, АЦРТ). В зависимости от назначения ампулы изготовляются: нереверсивными всех типов,, реверсивными (Р) типов АЦП (АЦПНР, АЦПТР) и АЦК (АЦКНР,' АЦКТР), а также с несимметричной шкалой (Ш) типа АЦК (АЦКНШ, АЦКТШ). Пример условного обозначения ампул: Ампула уровня' АЦК10"-14Х 124 ГОСТ 2386—73 — ампула типа АЦК с ценой деления 10", диаметром 14 мм, длиной 124 мм. ПРОБНЫЕ СТЕКЛА ДЛЯ ПРОВЕРКИ РАДИУСОВ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ МЕТОДОМ Пробные стекла изготовляются трех видов (ГОСТ 2786—76). ОПС — основные пробные стекла для проверки поверхностей кон- трольных пробных стекол; КПС — контрольные пробные стекла для проверки поверхностей рабочих пробных стекол; РПС — рабочие пробные стекла для проверки поверхностей де- талей. Номинальные значения радиусов измерительных поверхностей стекол приведены в ГОСТ 1807—75. Стекла изготовляют двух классов точности: 1 и 2. Контрольным и рабочим стеклам присваивают класс точности того основного или контрольного стекла, с которым сличают их измеритель- ную поверхность (табл. 4.63). Предельное отклонение от плоскостности плоских основных сте- кол 1-го и 2-го классов точности — не более 0,05 и 0,07 интерферен- ционной полосы соответственно. При наложении контрольного стекла на основное или рабочего сгекла на контрольное наблюдаемая интер- ференционная картина при проверке сферических стекол должна соответствовать требованиям, указанным в табл. 4.64. Материалом для стекол диаметром до 100 мм служат стекла марки ЛК5 и ЛК7 и свыше 180 мм — марки ЛК5 ГОСТ 3514—76 или квар- цевое стекло марок КВ, КУ-1, КУ-2 (ГОСТ 15130—69). 255
Т а б л и ц а 4.63. Допустимые отклонения радиусов измерительных поверхностей сферических основных стекол Поминальное значение радиуса измерительной поверхности сферического основного стекла, мм Допуски, % Класс точности стекла 1 2 От 0,5 до 1,0 ±0,05 ±0,15 Св. 1,0 до 2,0 » 2,0 » 5,0 ±0,08 Св. 5,0 до 10,0 ' ±0,04 ±0,06 Св. 10,0 до 12,0 » 12,0 » 15,0 » 15,0 » 22,0 » 22,0 » 32,0 » 32,0 » 37,5 ±0,01 ±0,05 ±0,04 Св. 37,5 до 250 ±0,03 Св. 250 до 1000 ± 0,02 ±0,05 Св. 1000 ± 0,02г/1000 ± 0,05/71000 Таблица 4.64. Предельные отклонении формы сферических поверхностей стекол Радиусы измерительных поверхностей стекол, мм 1 группа сопряжения И * группа сопряжения Допуски (интерференционные полосы) N АЛ/ N AW От 0,5 до 37,5 Св. 37,5 до 750 » 750 » 5000 Св. 5000 * Допускается примени 0,20 0,10 0,10 0,05 гь только л 0,10 0,07 0,07 0,05 ля стекол 1,00 1,00 0,50 0,10 типа РНС. 0,2 0,2 0,10 0,07 256
ДОПУСКИ НА ЧИСТОТУ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Классы чистоты следует устанавливать на основании требований, предъявляемых к оптическим системам, с учетом технологических воз- можностей изготовления, экономических и эстетических соображений (табл. 4.69 и 4.70). По ГОСТ 11141—76 установлены 14 классов чистоты полированных поверхностей оптических деталей из стекла, кристаллов, полимерных материалов, оптической керамики и металлов с параметром шероховатости /Д равным от 0,1 до 0,025 мкм по ГОСТ 2789—73 после окончательной обработки, включая операцию нанесения покрытия. Классы чистоты Назначение классов чистоты 0—10; 0—20; 0—40 (последние две цифры указывают среднее значение фокусного расстояния оптической системы, расположен- ной за нормируемой поверх- ностью) Для поверхностей деталей, расположенных в плоскостях действительных изображений или в плоскости предметов оптической системы прибора 1—1Ха Для остальных поверхно- стей Размеры царапин ц точек, соответствующие классам 0—10, 0—20 и 0—40, устанавливаются раздельно по трем зонам поверхности. Гра- ницами зон являются концентрические окружности диаметром 1/3 и 2/3 светового диаметра детали. Для деталей диаметром менее 5 мм зоны не устанавливаются. В центральной зоне не допускаются точки и царапины шириной более 0,001 мм. Недопустимость царапин шириной 0,001 мм и менее должна быть установлена в технических требованиях чертежа оптической детали. В любой четверти поверхности детали не допускается более трех точек при световом диаметре детали до 60 мм включительно и более пяти точек при световом диаметре детали свыше 60 мм. Размеры царапин и точек в средней и краевой зонах и их число в .зависимости от светового диаметра детали даны в табл. 4.65. Для деталей диаметром менее 5 мм ширина допускаемых царапин и диаметр точек ш' должны превышать значений, установленных табл. 4.65 для Средней зоны поверхности. Для деталей со шкалами и другими деле- ниями допускается \ с i ананд штат I, другое деление границ зон. Царапины и точки па поверхности перемещающейся детали должны 61,11'1, распределены |.:к, Hiola.l и лиТом Mecie ной Понерхпосч и диа- метром. рапным aii.ixiei ру . iinii'iiiioi о поля прибор.!, количество цара- пин и точек не ирсныныло \ ка i.iiinoiо в тобл. -1.65. Па ноперхносiи де i .i. h й I - IXa k.-i.iccoh чистоты размеры царапин и точек и их число (и зависимости от светового диаметра детали) не должны превышать значений, указанных в табл. 4.66. Для IV—VII классов чистоты допускается не нормировать скопление дефектов на поверхности детали. Недопустимость скоплений дефектов устанавли- вается в технических требованиях чертежа. 9 в. А. Панов и др. 257
Таблица 4.65. Размеры допускаемых дефектов, мм Класс чистоты Зона Царапины Точ к и Ширина, не более Суммарная длина, не более Диаметр, не более Число, не более, при снетсг-см диаметре... С § Св. 20 до 60 1 Св. 60 0—10 Средняя 0,002 0,2 X DCB 0,004 1 3 5 Краевая 0,004 0.3 X DCB 0,006 3 6 10 0—20 Средняя 0,004 0,2 X Осв 0,010 1 3 5 Краевая 0,006 0,3 X 0,015 3 6 10 0—40 Средняя 0,006 0,2 X /2СВ 0,015 1 3 5 Краевая 0,008 0,3 X Dcn 0,025 3 6 10 Таблица 4.66. Допускаемые дефекты на поверхностях, расположенных вне плоскостей изображения Царапины Точки Скопление дефектов Класс чи- стоты Шири- на, мм, не бо- лее Суммарная длина, мм, не более Диа- метр, мм, ие более Число, не более Диаметр ограни- ченного участка, мм Площадь царапин и точек, мм2, ие более I 11 111 IV V VI VII 0,004 0,006 0,010 0,020 0,040 0,060 0,100 2,0 X DCB 0,020 0,050 0,100 0,300 0,500 0,700 1.000 0,5 X DCB 1,0 1,2 2,0 5,0 10,5 25,0 50,0 0,004 0,006 0,020 0,100 0,400 3,000 10,000 VIII 0,200 2,000 0,4 X DCB Villa 0,300 1,5 X DCB IX 2,0 X Dqb 3,000 0,3 X Dc„ 1Ха 0,400 1,!) Л Dcu 258
Т а б л и ц а 4.67. Допускаемые дефекты различных классов чистоты, мм , Класс ЧИСТОТЫ Ширина царапин Диаметр точек Класс чистоты Ширина царапин Диаметр точек 1, II 0,001 0,002 VI 0,008 0,040 III 0,002 0,004 VII 0,010 0,100 IV 0,004 0,010 VIII, Villa 0,014 0,140 V 0,006 0,020 IX, IXa 0,020 0,200 Т а б л и и а 4.68. Рекомендуемые классы чистоты в зависимости от материала детали Класс чистоты Материал детали Диаметр детали, мм, не бэлее 0—10 и грубее Стекло оптическое групп А, Б, а, у по ГОСТ 13917—68 и по ГОСТ 9411—75 — III и грубее Стекло оптическое групп В, д по ГОСТ 13917—68 и по ГОСТ 9411—75 __ V и грубее. VI » » IV » » Кристил,'п>г. фюриды гигроскопические, пл;h i ипча- тые, твердые (корунды), полу- проводниковые 100 V и грубее Полимеры 250 V и грубее Металлы __ Царапины и точки размером, указанным и табл. 4.67 и менее, не учитываю гея. Скопление лих дефекюв не учшывают, если общая площадь участков, заншых под скоплением, ие превышает 30?о пло- щади рабочей (снеговой) части поверхности деталей. Для 111 — IXa классов чистоты число точек и суммарная длина царапин размером от предельного для принятого класса по табл. 4,66 не должны быть более 50% от общего допускаемого числа точек и до- пускаемой суммарной длины царапин. Необходимость нормирования дефектов вне рабочей зоны устанавливают в технических требованиях 9* 259
Таблица 4.69. Рекомендуемые классы чистоты в зависимости от назначения детали Класс ЧИСТО*! Ы Риды оптических деталей 0—10 Сетки и коллективы в приборах с окуляром f0K — 10-г- -т-15 мм; шкалы н лимбы, рассматриваемые под Гок> > 25Х; дифракционные решетки 0—20 Сетки и коллективы в приборах с фокусным расстоя- нием окуляра f0K= 15 4- 25 мм; шкалы и лимбы, рас- сматриваемые под увеличением в пределах от 25 до 10х 0-40 Сетки и коллективы в приборах с окуляром /ок > 25 мм; шкалы и лимбы, рассматриваемые под Гок< 10х; под- ложки растров и детали, находящиеся в плоскости изображения фотоэлектронных систем, работающие в ПК области спектра I Первая линза широкоугольных окуляров; первые лин- зы микрообъектов с увеличением более 10х II Призмы, коллективы, первые линзы широкоугольных окуляров и другие детали, расположенные вблизи от пло- скости действительного изображения оптической системы; подложки для Диэлектрических зеркал в световой зоне, применяемые в твердотельных ОКГ и приборах, разрабо- танных на основе ОКГ III Линзы окуляров телескопических систем; окулярные призмы; линзы окуляров микроскопов и измерительных лабораторных приборов, выравнивающие стекла фото- аппаратов; линзы обтекателей и линзы объективов, рабо- тающих в инфракрасной области в условиях солнечной засветки IV Линзы окуляров, объективов и оборачивающих систем, призмы и пластины телескопических приборов. Лупы. Линзы конденсоров и объективов, работающих в инфра- красной области в условиях отсутствия солнечной засвет- ки. Выравнивающие стекла фотокамер. Подложки для ин 1ерферев пион пых фильтров ‘£60
Продолжение табл, 4.69 К пасс чисто!ы Виды оптических деталей V Линзы объективов и оборачивающих систем, головные призмы, призмы в параллельных пучках и защитные стек- ла в телескопических приборах; линзы и зеркала фотогра- фических и линзы проекционных объективов диаметром от 20 до 50 мм; линзы конденсоров и объективов, работаю- щих в инфракрасной облас'1|1 в условиях отсутствия сол- нечной засветки; активные элементы (торцевая поверх- ность); цилиндрические двухканальные отражатели (внеш- няя и внутренняя поверхности), применяемые в ОКГ VI Линзы объективов и оборачивающих систем телескопи- ческих приборов; линзы и зеркала фотографических и линзы проекционных объективов диаметром от 50 до 100 мм VII Линзы и зеркала фотографических и астрономических объективов диаметром от 100 до 300 мм; смотровые стекла размером до 300 мм VIII, IX Линзы и зеркала фотографических и астрономических объективов диаметром от 300 до 500 мм; смотровые стекла размером от 300 до 500 мм Villa, IXa Линзы и зеркала фо1ографичееких и <u iровомических объективов диаметром более 500 мм; смо1ровые с текла раз- мером более 500 мм Таблица 4.70. Зависимость класса чистоты от диаметра рабочего отверстия Диаметр рабочего отверстия, мм Класс чистоты 0 (плоскость изображения) 0—Ю. 0 —2Э, 0—40 ;i<> 0.5 Св. 0,5 д,> 1,5 » 1,5 » 4,5 » 4,5 » 10 » 10 » 25 » 25 » 50 » 50 1 11 11! IV V VI VII—IXa 201
чертежа оптической детали. Краевые выколки размером более 0,8 мм должны быть заматованы. Для разных участков поверхности допу- скается применять различные классы чистоты. Для обозначения клас- сов чистоты устанавливается буква Р с добавлением номера класса (например, PV). Допускается устанавливать различные классы чистоты по цара- пинам и точкам (например, PIVIPI// соответственно). При наличии в приборе нескольких плоскостей действительного изображения, в которых установлены детали, следует учитывать общее количество дефектов на этих деталях. Для поверхностей, на которые будут наноситься просветляющие или отражающие покрытия, рекомен- дуется требования по чистоте ужесточать на один класс. В табл. 4.68— 4.70 даны рекомендуемые классы чистоты для оптических деталей. Литература: 11, 3, 1 1, 12, 13, 14, 15, 20 — 27, 33, 4 1, 45, 61, 66, 67, 71, 72, 78, 79, 81, 82, 85-89, 101, 102, 103, 105, 111, 112J.
Г Л Л В Л 5 КРЕПЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Конструирование узла крепления любой оптической детали пред- ролагает обеспечение ее базирования, ориентирования и закрепления В соединении с базовой механической основой, обычно называемой опра- вой детали. Конкретное конструктивное решение узла крепления зависит от многих факторов: вида оптической детали, ее назначения, материала, размеров и формы, от требований, регламентирующих функционирова- ние этой детали в оптической системе прибора, от назначения прибора и условий его работы, а также от вида производства. При выборе типа крепления и разработке конструкции узла необ- ходимо обеспечить выполнение следующих общих требований: I) крепление должно быть надежным, т. е. во время работы прибора положение оптической детали относительно оправы не должно изме- няться; 2) замыкающие усилия, необходимые для осуществления сопря- жения между оптической де гилью н оправой, не должны вызывать опас- ных деформаций и напряжений; 3) базовая основа узла, ориентирующие и крепежные детали или их элементы должны быть расположены вне габаритов светового пучка. Поверхности этих элементов, находящиеся вблизи пучка, не должны быть причиной появления рассеянного света и бликов в системе; 4) крепления должны быть технологичны, как в отношении изго- товления детален, так и в отношении сборки. Часто при конструировании узлов крепления оптических деталей приходится учитывать особые требования, связанные со специфиче- скими условиями работы тех или иных приборов. Так, для приборов, работающих в нестабильном тепловом режиме, при больших перепадах температуры, необходимо иметь в виду температурные деформации, которые могут существенно повлиять на качество крепления. Для некоторых приборов отдельные узлы крепления должны быть герме- тичными, г. с. в местах соединения оптической детали и оправы следует предусмотреть специальное уплотнение. Во многих случаях к узлам крепления предъявляются дополни- тельные требования, обусловленные особенностями производства опти- ческих приборов, когда необходимая точность взаимного ориентирова- ния оптических деталей достигается путем юстировки. В этих случаях крепление оптической детали должно допускать необходимые юстиро- вочные движения детали относительно оправы. 263
В некоторых конструкциях юстировочные движения приходится обеспечивать за счет перемещений и повороши оправы с закрепленной оптической деталью относительно конечной базовой детали узла (кор- пуса, основания, кронштейна и т. д.). Типичными видами приборных соединений являннся соединения оптических деталей с механическими, к функционированию которых предъявляются очень жесткие требования по точности, надежности, стабильности и характеристикам силового режима. Поэтому при раз- работке конструкций крепления оптических деталей следует руковод- ствоваться перечисленными ниже основными принципами конструи- рования. 1. Соединение оптической детали с элементами узла, обеспечива- ющими базирование и ориентирование, должно быть статически опре- деленным. 2. Ограничение смещений оптической детали в узле должно осу- ществляться преимущественно поверхностями, расположенными пер- пендикулярно к направлению этих смещений. 3. Ограничение поворотов (перекосов) оптической детали должно осуществляться элементами крепления, расположенными па наиболь- шем удалении в пределах габаритов оптической детали. КРЕПЛЕНИЕ КРУГЛЫХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Круглыми называются детали, край которых сошлифован при вра- щепп11 заготовки вокруг оси, практически совпадающей с ее оптиче- ской осью. При этом край оптической детали образуется в виде ссче- Рис. 5.1. Схема базирования, ориентирования и крепления круг- лых оптических деталей тапня поверхностей вращения: цилиндрической (центрирующей) и поверхностей фасок (вспомогательных). К таким деталям относятся: линзы, светофильтры, сетки, защитные стекла; иногда круглыми бы- вают и зеркала. При любом методе крепления круглых оптических деталей цилин- дрическая поверхность детали должна находиться в сопряжении с та- кой же г,ну ।реппеп поверхностью А оправы (рис. 5.1). При этом будут исключены дне степенн свободы детали — поперечные смещения у и х. Для \ с! ptitin и я осевою смещения — г и поворотов <р(/ и <pv рабочая поверхш.еи, /' .'iei.-i.in должна находиться в сопряжении с уступом Б оправы. Так как ли сопряжение одностороннее (на всех вариантах рис. 5.1 — со стороны первой поверхhovhi детали), то с протпвополож- 264
ной стороны должно быть осуществлено силовое замыкание С. Для того чтобы на краю закрепленной детали не возникало «скалывающего» момента сил, необходимо стремиться к тому, чтобы диаметр опоры Б и диаметр линии приложения замыкающих сил С были одинаковыми. Степень свободы <рг (поворот вокруг оси детали) обычно исключается силами трения, возникающими во всех местах контакта оптической детали с оправой и элементами крепления. Уплотняющие замазки, применяемые с целью юрметпзации соединения детали с оправой, есте- ственно, повышают сопротивляемосп. дошли но отношению к повороту. В некоторых особых случаях ( ici.i ш больших размеров, очень жесткий Г а б л н ца 5. I. Соединение круглых ошических деталей с оправами. Допуски и посадки Точность центри- рования Допуски Примеры применения Харак- тери- стика Допуск на децен- триров- ку, мм на диаметры опти- ческих деталей на вну- тренний диаметр оправы центри- рующих нецен- трирую- щих 1 2 3 4 5 6 Повы- шенная До 0,02 Л8 (С3) d9 (Ш3) Д9 (Д3) Линзы микро- объективов д'<; (Д) </Н (Х4) Д7 М) Линзы свето- сильных фото- объективов /7 (X) Точная опти- ка: линзы, сетки, шкалы Средняя Св. 0,02 до 0,05 Л8 (С3) d9 (Ш3) Н9 Из) Линзы оку- ляров сП (ЛД Н8 119 Оптика теле- скопических приборов, сет- ки, шкалы 1 1<)11 и - жениая Св. 0,05 </Н (А’.,) — Д11 (Л4) Конденсорные линзы, свето- фильтры, плоские зерка- ла, защитные стекла .265
Таблица 5.2. Допуски иа посадочные диаметры деталей, покрываемых эмалью Посадочный диаметр детали, мм Рекомендуемые ноля допусков до покрытия после покрытия Св. 3 до 6 » 6 » 180 еб (X) §6, /18 (Д, С3) Св. 3 до 6 » 6 » 180 (Ш) (Л) /7 (X) динамический режим работы прибора) приходится прибегать к спе цичльпым устройствам, препитстпуклцпм вращению детали. Необходимо учесть, что для более правильного ориентирования оптической дошли и оправе опора ее па уступ /> должна осуществляться рабочей (полиров.шпой) поверхностью (рис. 5.1, а—в), а не фаской, в расположении которой относительно оптической оси возможны боль- шие ши репшости. Поэтому, если опора реализуется вогнутой поверх- носп.ю де ।a.'in, приходится усложнять форму уступа оправы (рис. 5.1, в). Исключение допускается только при наличии плоской конструктивной фаски Ф, перпендикулярной оси детали (рис. 5.1, г). В этом случае иа Т а б л и ц а 5.3. Толщина слоя эмали в зависимости от диаметра детали Пос адочпый диаметр детали, мм Толщина слоя эмали, мм Св. 3 до 10 0,008—0,012 » 10» 30 0,010—0,016 » 30 » 80 0,012—0,020 » 80 » 180 0,016—0,025 перпендикулярность плоскости фас- ки по отношению к оптической оси приходится назначать жесткие до- пуски. Посадка круглой оптической детали в оправу по своему харак- теру должна быть посадкой с га- рантированным зазором. Отрасле- вой стандарт ОСТ 3-2124—74 уста- навливает выбор допусков на диа- метры оправ и детален (одиночных и склеенных) при различных требо- ваниях к точности центрировки (табл. 5.1). В блоке склеенных оптиче- ских деталей (например, линз) цен- трирующей считается деталь с наивысшими требованиями по децен- трнрованию; при одинаковых требованиях — с наибольшей толщи- ной по краю. На одиночные (несклеенные) детали назначаются допуски по дан- ным столбцов 3 или 4 (табл. 5.1) в зависимости от требований к децен- трированию. Для защитных стекол, к которым предъявлены требования по герметизации, следует применять поле допуска е9 (Х3). Оптические детали, требующие повышенной точности центриро- вания, посадочные поверхности которых должны быть покрыты эмалью, рекомендуется ниотоплять с. уменьшенным размером по диаметру, применяя допуски в cooihctctihiii с данными табл. 5.2. В этом случае на чертеже детали еле iyei указывать ра шеры диаметров до и после покрытия. 266
Толщину слоя эмалн рекомендуется выбирать в соответствии с ве- личинами, указанными в табл. 5.3. При особо жестких требованиях к точности центрирования наи- меньший посадочный зазор обеспечивается растачиванием оправы по конкретному значению диаметра линзы с указанием в чертеже: «по- верхность ... обработать по линзе ... с зазором ... — ... мм». Такой метод, естественно, допустим только для единичного и мелкосерийного производств. Оправы для к|епления круглой оптики обычно изготовляются из стали, алюминиевых i планов и .’laivini. Коэффициенты линейного расширения этих ма lepini.'ion п oniipicckoiо cichi.i имеют существенное отличие (в 2—Зраза). 1 ймгому для больших псреиа,ion icMiiep.i i уры ве- личина посадочного зазора должна бып> проверена на он у h i вне на i яга в иосадке оптической детали для нижнего предела темпера i \ рнот о интервала и, в случае необходимости, зазор должен быть увеличен. Однако, при нагревании до верхнего предела температурного интер- вала зазор может достичь величины, недопустимой с точки зрения точности центрироваиня. При очень жестких температурных условиях работы приборов, в особенности если оправы оптических деталей имеют большие размеры, применяют титановые сплавы, коэффициенты линейного расширения которых близки к коэффициентам линейного расширения стекла. Поверхности оправ для антикоррозионной защиты и для умень- шения отражающего действия (рассеянный свет, блики) должны иметь черное покрытие в виде оксидных пленок или слоя матовой эмали. В особенности это важно для внутренних посадочных и свободных поверхностей. На протяженных гладких внутренних поверхностях (цилиндрических, конических) целесообразно применять противо- бликовое рифление (ОСТ 3-777—72). Все, о чем было сказано выше, определяет то общее, что присуще различным способам крепления круглой оптики, независимо or их конкретной конструктивной реализации. Различия же способов креп- ления заключаются лишь в средствах закрепления деталей и оправах. Существуют следующие способы крепления: крепление завалыюв- кой (закаткой), крепление резьбовым (зажимным) кольцом, крепление пружинящими планками, проволочным («разрезным») кольцом и креп- ление приклеиванием. Первые два вида крепления используются наи- более широко, так как они являются универсальными для большого числа типоразмеров деталей. Крепление завальцовкой При этом способе оптическая деталь удерживается в оправе тонкой ее кромкой, которая приобретает свою конечную форму в результате пластического деформирования металла во время завальцовки. Такое крепление является неразъемным. Крепежная кромка оправы после завальцовки находится в сопряжении с конусной поверхностью спе- циальной фаски, сошлифтаппой па детали под углом 45, при этом она не должна выступать за пределы фаски. Профиль крепления завальцовкой показан на рис. 5.2, размеры в миллиметрах элементов крепления в зависимости от диаметра детали D даются в табл. 5.4. Диаметр опорного уступа d2 определяется величиной светового диаметра рабочей поверхности детали, базирующейся на него. Глубина 267
расточки оправы h определяется геометрией края линзы с учетом тол- щины края, ширины фаски, величины d2 11 данных табл. 5.4. Крепление занальцовкоп применяется для оптических деталей диа- метром до 80 мм и для склеенных блоков до 50 мм. Такое ограничение объяснявши гем, что крепежная кромка предельной толщины в 0,5 мм по в состоянии обеспечить необходимую надежность крепления для тяжелых детален, и особенности при наличии перегрузок (вибрации, тряска, удары). Увеличить же толщину кромки невозможно, так как в процессе завальцовки могут появиться выколки по краю детали. Кроме того, только тонкая завальцованная кромка обладает пружиня- щими свойствами, обеспечивая Рис. 5.2. Размеры элементов оправы для крепления завальцовкой ров. Все оправы имеют резьбу для узла и средства для завинчивания- стия под ключ (б) и шлицы под 1< Соотношения между размерам! прпяз ня. необходимое силовое замыкание детали и оправы при отсутствии пережатий, а также хорошую компенсацию осевых темпера- турных деформаций. Материалы оправ при этом методе крепления должны об- ладать высокой пластичностью. I |.Н1лучш!1м является латунь ЛС59 I; применяются также: латунь Л62, дюралюминий ма- рок Д1, Д6, Д16, низкоуглеро- дистые конструкционные стали (сталь 20, сталь 30). На рис. 5.3 показаны кон- струкции оправ, наиболее часто применяемых для крепления круглых деталей средних разме- соеднненпя их с базовой деталью - накатку на буртике (а), отвер- люч (и). I отдельных элементов оправ для наиболее типовых конструкций устанавливаются стандартом пред- Т а б л н ц а 5.4. Размеры элементов оправ иод завальцовку /1 S / 1, До 10 От 0,2 до 0,3 0.3- 0.4 1,6 0.3 Св. 10 до 30 0,5—0,7 2.0 0,5 Св. 30 до 50 От 0,3 до 0.4 1.0—1,2 2,5 0,8 Св. 50 до 80 ()г 0,4 до 0,5 1.2- 1,6 3,0 1.0 268
На рис. 5.4 даны следующие типовые примеры крепления заваль- цовкой: — отрицательной линзы малого диаметра (о), закрепленной в оправе, имеющей базовые поверхности в виде цилиндрической наруж- ной поверхности и двух параллельных плоских торцов, перпендику- лярных оси линзы; — линзового склеенного блока (например, объектива телескопиче- ской системы) (б) закрепленного в оправе, имеющей крепежную резьбу и опорный буртик; — плосковыпуклой линзы (в), завальцованной в оправу анало- гичной конструкции, причем завальцовка осуществлена со стороны буртика оправы; — системы трех несклеенных линз и двух промежуточных ко- лец (г), закрепленных в общей оправе; Рис. 5.4. Примеры крепления завальцовкой — плоскопараллельной пластинки с приклеенной к ней линзой в оправе (д'), базовыми поверхностями которой являются наружная цилиндрическая и две плоскости торцов. Крепление резьбовым кольцом При этом способе крепления oniii'icck.isi ;ici;i.ii> прижимаемся К опорному уступу оправы резьбовым кольцом, кромка которого на- жимает па деталь с противоположной стороны. Это крепление разъем- ное, как и всякое соединение деталей с использованием резьбы. На рис. 5 7 показаны следующие примеры конструкций узлов крепления оптических деталей резьбовым кольцом: — двояковыпуклой линзы в оправе (а), имеющей базовые эле- менты в виде резьбы и буртика; 269
расточки оправы h определяется геометрией края линзы с учетом тол- щины края, ширины фаски, величины d2 11 данных табл. 5.4. Крепление завальцовкой применяется для оптических деталей диа- метром до 80 мм и для склеенных блоков до 50 мм. Такое ограничение объясняс1ся гем, что крепежная кромка предельной толщины в 0,5 мм по в состоянии обеспечить необходимую надежность крепления для тяжелых детален, и особенности при наличии перегрузок (вибрации, тряска, удары). Увеличить же толщину кромки невозможно, так как в процессе завальцовки могут появиться выколки по краю детали. Кроме того, только тонкая завальцованная кромка обладает пружиня- щими свойствами, обеспечивая Рис. 5.2. Размеры элементов оправы для крепления завальцовкой ров. Все оправы имеют резьбу для узла и средства для завинчивания- стия под ключ (б) и шлицы под 1< Соотношения между размерам! прпяз ня. необходимое силовое замыкание детали и оправы при отсутствии пережатий, а также хорошую компенсацию осевых темпера- турных деформаций. Материалы оправ при этом методе крепления должны об- ладать высокой пластичностью. I |.Н1лучш!1м является латунь ЛС59 I; применяются также: латунь Л62, дюралюминий ма- рок Д1, Д6, Д16, низкоуглеро- дистые конструкционные стали (сталь 20, сталь 30). На рис. 5.3 показаны кон- струкции оправ, наиболее часто применяемых для крепления круглых деталей средних разме- соеднненпя их с базовой деталью - накатку на буртике (а), отвер- люч (и). I отдельных элементов оправ для наиболее типовых конструкций устанавливаются стандартом пред- Т а б л н ц а 5.4. Размеры элементов оправ иод завальцовку /1 S / 1, До 10 От 0,2 до 0,3 0.3- 0.4 1,6 0.3 Св. 10 до 30 0,5—0,7 2.0 0,5 Св. 30 до 50 От 0,3 до 0.4 1.0—1,2 2,5 0,8 Св. 50 до 80 ()г 0,4 до 0,5 1.2- 1,6 3,0 1.0 268
На рис. 5.4 даны следующие типовые примеры крепления заваль- цовкой: — отрицательной линзы малого диаметра (о), закрепленной в оправе, имеющей базовые поверхности в виде цилиндрической наруж- ной поверхности и двух параллельных плоских торцов, перпендику- лярных оси линзы; — линзового склеенного блока (например, объектива телескопиче- ской системы) (б) закрепленного в оправе, имеющей крепежную резьбу и опорный буртик; — плосковыпуклой линзы (в), завальцованной в оправу анало- гичной конструкции, причем завальцовка осуществлена со стороны буртика оправы; — системы трех несклеенных линз и двух промежуточных ко- лец (г), закрепленных в общей оправе; Рис. 5.4. Примеры крепления завальцовкой — плоскопараллельной пластинки с приклеенной к ней линзой в оправе (д'), базовыми поверхностями которой являются наружная цилиндрическая и две плоскости торцов. Крепление резьбовым кольцом При этом способе крепления oniii'icck.isi ;ici;i.ii> прижимаемся К опорному уступу оправы резьбовым кольцом, кромка которого на- жимает па деталь с противоположной стороны. Это крепление разъем- ное, как и всякое соединение деталей с использованием резьбы. На рис. 5 7 показаны следующие примеры конструкций узлов крепления оптических деталей резьбовым кольцом: — двояковыпуклой линзы в оправе (а), имеющей базовые эле- менты в виде резьбы и буртика; 269
становится эластичным, что позволяет избежать нежелательного дей- ствия осевых температурных деформаций. При креплении толстых линз (или склеенных линзовых блоков), работающих в условиях больших перепадов температуры, главной задачей является компенсация температурных деформаций. Опа может быть решена применением пружинного кольца с гладкими торцами, имеющего два пли более рядов прорезей. Пружинные кольца с тремя выступами, расположенными под углом 1'20’, применяются для крепления топких линз средних и боль- ших диаметров, зеркал н других деталей с целью устранения возмож- ных изгибающих усилий, по отношению к которым они очень чувстви- тельны. В этом случае оптическая деталь должна опираться только на три выступающие участка оправы, расположенные также под углом 120° (на «три точки»). Такие площадки фрезеруются на опорном уступе оправы (рис. 5.6, а—в) или обеспечиваются прокладками (рнс. 5.6, г, д). При этом пружинное кольцо должно быть ориентировано так, чтобы Рис. 5.8. Конструкции резьбо- вых колец его выступы находились против выступов оправы. Это достигается специальными фиксирующими устройствами, например с помощью установочного винта в оправе и продольного паза в кольце, как это показано на рис. 5.6, б, в. Три силы, приложенные к детали в точках контакта пружинного кольца компенсируются тремя силами реакции в точках контакта детали и оправы (опасных изгибающих моментов при этом ие возникает). Па рнс. 5.7, а—в изображены типовые оправы для крепления резьбовыми кольцами. Примерные соотношения размеров в мм: </, = = D', d2 == Н- 0,2, где D — полный и 1)} — световой диаметры линзы; Dp с!, -|- 0,2 + . где — высота профиля резьбы 5^0,54/’); Sp — (64-10) /’; /).( -- -|- (2-;-10) (/,, определяется осо- бенностями конструкции всего узла); /р -- (6М0) Р и Р' —шаги 272
резьб внутренней и наружной соответственно. Обычно применяется мелкая резьба с шагом 0,5; 0,75; 1 мм в зависимости от толщины стенки оправы и кольца. При креплении линз больших диаметров применяется резьба и с более крупным шагом. Для завинчивания резьбовые кольца и оправы должны иметь шлицы или отверстия под ключ. Все резьбовые соединения, в том числе и резьбовые кольца должны предохраняться от самоотвинчивания сто- порными винтами или краской. На рис. 5.8 представлены рси.бовые кольца наиболее распростра- ненных типов. Соотношения их размеров определяются геометрией посадочных мест оправы под кольцо и спешным диаметром линзы на ее рабочей поверхности со стороны кольца. Рис. 5.10. Типы пружинных колец На рис. 5.9 даны типы колец, которые могут применяться, как промежуточные, в узлах крепления нескольких оптических деталей, разделенных воздушным промежутком, а также, из конструктивных соображении, могут устапанлп1шться между реп.боным кольцом понти- ческой деталью или между резьбовым и пружинным кольцами. На рас. 5.10 даны дна пари,ина копс|рукцпй пружинных колец (с одним и двумя рядами npopeieii). Тип и размеры пружинного кольца определяются массой .з.зкреп.1 яемой детали (или деталей) с учетом инерционных перегрузок, которые зависят от условий работы прибора. Максимальный прогиб каждого пружинящего элемента кольца не должен быть больше половины ширины прорези. Стандартами предприятий более подробно определяются соот- ношения между размерами элементов оправ и деталей крепления для наиболее употребимых вариантов конструкций. Кроме материалов, используемых при креплении деталей заваль- цовкой, для изготовления оправ, резьбовых и промежуточных колец могут применяться автоматные стали А12, А20, закаленный дюралюми- ний Д1Т, Д6Т, Д16Т. Для оправ в серийном производстве могут при- меняться литейные алюминиевые сплдвы АЛ2, АЛ9, АЛ13. Для пру- жинных колец применяются обычно стали: сталь 40, сталь 59. Крепление пружинящими планками По своим свойствам этот вид крепления аналогичен креплению оптических деталей с помощью пружинного и резьбового колец «на трех точках». Суть крепления заключается в том, что в трех небольших зонах («точках»), расположенных под углом 120°, на оптическую деталь нажимают три одинаковые плоские пружины или три выступа одной 273 .
пружины; обеспечивая силовое замыкание детали на базируювдт уступ оправы. Эти плоские пружины обычно и называются пружиня* щнми планками Прижимные пружинящие планки прикрепляются к оправе винтами, их конструкция и расположение относительно оправа* могут быть самыми разнообразными. Конкретное конструктивное реше- ние зависит от особенностей конструкции оправы и всего узла. ( На рис. 5.11 показаны следующие варианты крепления круглы! оптических деталей пружинящими планками: — тремя радиально расположенными планками (а), каждая из которых прикрепляется двумя винтами к широкому фланцу оправы; концы планок нажимают на выступающую поверхность детали; вариант невыгоден в отношен и и поперечных габаритов узла; — тремя планками (б), для закрепления которых на оправе тре- буется меньшая ширина торца; планки при этом имеют более сложную форму (в); — пружинящими планками (а), прикрепленными к лыскам на стенке оправы снаружи; — светофильтра (д) накладным кольцом с тремя пружинящими выступами; — круглого зеркала (е) накладным кольцом с шестью пружиня- щими элементами; — линзы (ж) тремя специальными пружинящими планками, при- крепленными винтами к внутренней поверхности стенки оправы. Крепление пружинящими планками целесообразно применять для оптических деталей большого диаметра (80 мм и более), так как при этом относительное увеличение габаритов узла будет невелико. Однак© 274
некоторые варианты конструкций могут использоваться в неотаетствеп- дмк случаях и для деталей малого диаметра (рис. 5.11, д, е). Прижимные планки изготовляют из сталей марок 65Г и У8А. „ю, Крепление проволочным кольцом Этот способ конструктивно прост и технологичен, но используется ТоЛько для крепления круглых оптических деталей в наименее ответ- ственных случаях, когда не предъявляется высоких требований к точ- ности, надежности и герметичности соединения. К таким деталям отно- сятся: светофильтры, защитные стекла (не в оптической системе), рас- сеиватели, небольшие круглые экраны, конденсорные линзы, освети- тельные зеркала. На рис. 5.12 приведены примеры конструкций такого крепления. Из рисунка ясно, что оптическая деталь находится между уступом оправы и выступающей частью проволочного кольца, помещенного в специальную канавку. Канавка обычно выполняется прямоугольного сечения (рис. 5.12, а). Ее ширина равна диаметру проволоки, глу- бина — половине диаметра. Для облегчения сборки, развернутая длина кольца должна бып, такой, чтобы между его копнами после установки в канавку оставался промежуток в несколько миллиметров. Наружный диаметр свободного кольца (до сборки) должен бып. больше внутреннего диаметра канавки. Кольца изготовляются из пружинной проволоки; ее диаметр (обычно 0,5—1,5 мм) зависит от размера оптической детали. Во избежание выколок, сопряжение оптической детали и кольца должно осуществляться по поверхности ее фаски. Ввиду наличия откло- нений в размерах глубины расточки и ширины канавки в оправе, а также толщины детали по краю, это сопряжение возможно только с осевым зазором, в пределах которого оптическая деталь может смещаться и перекашиваться. На рис. 5.12, б, г показаны варианты крепления светофильтра и зеркала в штампованных оправах. На рис. 5.12, в приведено крепле- ние линзы конденсора. В этом случае проволочное кольцо упирается в поверхность конусной расгочки. Осевая составляющая сил реакции на линии контакта будет действовать па линзу и прижимать се к уступу. Для этого угод конуса и жесткость кольца должны быть рассчитаны с учетом массы линзы и возможных перегрузок. Крепление приклеиванием В конструктивном отношении этот способ является самым простым, 1ак как он не требует других элементов крепления, кроме оправы и вклеивающего вещества. Однако, этот вид крепления применяется 275
с некоторыми ограничениями. Крепление неразъемное и жесткое. При больших перепадах температуры, из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов оптической детали и оправы, возможно расклеивание нлн возникновение недопустимых напряжений в стекле п деформаций детали. Поэтому при таких условиях работы, этот способ применяется в основном для неответственных деталей (осветительные зеркала и линзы, светофильтры, защитные стекла). В лабораторных приборах, для которых тепловой режим более стабилен, приклеивание используется и для крепления деталей с вы- сокими требованиями к качеству функционирования (например, таких, Рис. 5.13. Крепление круглых деталей приклеиванием как линзы объективов), в особенности в тех случаях, когда реализация других способов крепления затруднительна (детали очень малого диа- метра). При этом следует учитывать, что некоторые склеивающие вещества при затвердевании (испарении растворителя или полимери- зации) сильно уменьшаются в объеме (усаживаются), что может вызвать появление напряжений в оптической детали сразу же после завершения процесса склейки. 'Гак, например, акриловый клей имеет усадку до 50%. Следовательно, для лабораторных приборов в ответственных слу- чаях крепление приклеиванием допустимо применять только для дета- лей малого размера и жестких по своей конструкции (относительно большой толщины). Естественно, что качество крепления будет выше при следующих условиях: если рабочий температурный интервал Уже, клен имеет наи- меньшую усадку и после завершения цикла склейки клеевой шов не превращается в твердое вещество, а приобретает податливость, причем не плас i пчную, а упругую, г. е. шов становится эластичным. При соб- людении этих условий способ приклеивания может быть распространен и на детали больших размеров. В наиболее ответственных случаях нежелательные воздействия приклеивания должны проверяться рас- четом и в эксперименте. 276
Конструктор, использующий этот способ крепления, дглкеп учи- тывать и особенности технологии. Например, что цикл затвердевания (сушки) — длительный (от нескольких часов до нескольких суток). Режим сушки часто требует применения термостатированных камер и характеризуется повышенными значениями температуры. Для точ- ного базирования и ориентирования детали относительно оправы в процессе склейки и сушки необходимы специальные приспособления. На рис. 5.13 показаны следующие семь вариантов конструкций крепления круглых деилей приклеиванием: — плоскопараллельной ii.iaciiniKii (<л), когда клеевой шов форми- руется за счет фасок /leia.'ni и оправы, а башрованне осуществляется по внутренней новерхпое гп расточки и yciyny; — фрон гальпой линзы микрообьектипа (б), базирующейся па фаску; клеевой шов располагается в пределах зазора между сопрягаемыми поверхностями; — плоскопараллельной пластинки (й), если клеевой шов форми- руется специально увеличенным зазором в посадке; осевое базирование производится на уступ оправы; — осветительного зеркала в оправе (г); клеевой шов усилен за счет периметра выступающего края детали и торца оправы; — плосковыпуклой линзы малого диаметра (д); клеевой шов на- ходится в зазоре между расточкой оправы и наружной поверхностью линзы в пределах глубины расточки (базирование на плоскость рас- точки); — линзы с достаточно большой толщиной по краю (е); для созда- ния клеевого шва используются специальная расточка оправы и ф;к ка линзы; — простейшего крепления посредством клеевого шва (ж), который формируется только за счет фаски оправы. Для приклеивания оптических деталей к металлическим оправам могут применяться: оптические клеи по ГОСТ II667 (>9 (акриловый, эпоксидные OK-50J1, (Ж-72<1> и полигфирпый клей ()1< 90 плаеiифи цированнып), технические клеи по 1’1М 9 71 (но.ип ........ ПУ-2, шеллачный). 1 ер ме i и к и но ( >С Г J |9'*7 7.1 (УТ N 1-И), герметик УЗО м (Г(>СГ 1.3169 GS). I JaiiOo.ii.iiieii ti.-icithiii >сшо обла- дают полиуретановый клей п iермеiики. КРЕПЛЕНИЕ ЗЕРКАЛ Как известно, оптические зеркала, несмотря на кажущуюся кон- структивную простоту, требуют особого подхода при разработке кон- струкций узлов их крепления. Это объясняется тем, что искажение формы рабочей поверхности зеркала сильно влияет на качество изоб- ражения. Ввиду того что зеркало является относительно тонкой де- талью, оно очень чувствительно к деформациям, в особенности к и шибу. Для неответственных зеркал круглой фор.мы (например, осветитель- ных) могут применяться обычные жесткие способы крепления или упро- щенные, о которых говорилось выше. Для крепления зеркал, которые участвуют в построении изобра- , жения и находятся в основном пучке оптической системы, обязатель- ными являются: условие статической определенности соединения (опора сна три точки»), эластичность соединения (создание трех замыкающих усилий с помощью пружинных элементов), компенсация воздействия колебаний температуры (наличие посадочных зазоров, эластичных 277.
крепежных элементов, подбор материалов), возможность регули- ровки величины замыкающих усилий. Этим условиям для круглых зеркал в большой мере удовлетво- ряют способы крепления резьбовым кольцом с промежуточным пру- жинным и пружинящими планками. Пружинящие планки могут применяться н для крепления некруглых зеркал.' . Крепление зеркал любой конфигура- ции с помощью прижимных планок (ла- пок). В этом случае оправой является плоская деталь, у которой имеются три выступающие площадки, являющиеся опо- рами для зеркала. Иногда эти опоры вы- полняются в виде прокладок из алюминие- вой или латунной фольги. Прижимные планки закрепляются на оправе таким об- разом, чтобы их замыкающие элементы иоздейстиовали на черкало в местах, определяемых расположением онер. Так как планки жесткие, то эластичность крепления обеспечивается специальными прокладками, устанавливаемыми между планками и зеркалом. На рис. 5.14 прсдс1авлепы следующие конструкции крепления различных по форме зеркал с помощью прижимных планок (лапок): — круглого зеркала па плоской оправе (а) с базированием по трем 278
выступам; г-образные прижимные лапки соединяются основанием с теми же опорными площадками оправы посредством винтов; усилие прижима необходимой величины можно обеспечить за счет подбора толщины эластичных прокладок; — такого же зеркала (б), как и в предыдущем случае, но лапками, имеющими Г-образную форму, закрепляемыми на боковой поверхности оправы, что дает возможность регулировать усилие прижима смещением Рис. 5.15. Разновидности крепления некрутых зеркал прижимными планками лапок в пределах зазоров в крепежных отверстиях под винты; опора зеркала на три прокладки из фольги; — плоского зеркала прямоугольной формы (в); зеркало прижи- мается к опорным площадкам оправы планками, прикрепленными винтами к боковым стенкам оправы; крайние планки одновременно ограничивают вертикальные смещения зеркала; — плоского зеркала некруглой формы (а) тремя прижимными лап- ками, конструкция которых подобна варианту (б); — крепление вогнутого зеркала с прямоугольным краем (д); рабочие элементы прижимных лапок расположены с учетом кривизны поверхности зеркала. На рис. 5.15 даны некоторые модификации крепления зеркал при- жимными планками: — прямоугольного зеркала на плоской оправе (а), положение которого определяется внутренними плоскостями рабочих элементов прижимных лапок; усилия прижима обеспечиваются эластичными 279
прокладками, помещенными между зеркалом и оправой; за счет раз- ности высот ланок возможен перекос зеркала относительно оправы; • — крепления плоского зеркала (б) с базированием на сферические концы установочных винтов; силовое замыкание осуществляется за снег деформации эластичной прокладки между зеркалом и оправой; с помощью винтов можно легко регулировать усилие, по при этом из- меняется положение базирующих элементов и зеркало перекашивается; такое совмещение функций не всегда приемлемо. 11а рисунке хорошо видна другая эластпиная прокладка, расположенная между краем зеркала и сгонкой прижимной лапки; она нужна для ограничения продольных сдвигов зеркала ври одновременной компенсации действия те м не ратур11 ых дефор маци й; — крепления вогнутого зеркала симметричной конструкции (б); зеркало опирается па две выступающие площадки, расположенные в средней части оправы вдоль ее длинных сторон; прижим создается двумя лапками, каждая из которых имеет по два рабочих элемента; оиорпые площадки в этом случае требуют доводки; - крепления зеркала, в котором участвует только часть его длины (.); применяется при ограниченных габаритах; на разрезе видно, чю зеркало прижимается к плоскости оправы планкой и Г-образной лапкой, продольные смещения зеркала ограничиваются с помощью вкладыша тина шпонки. . . 280
Консольное крепление. Оно применяется для крепления зеркал. работающих в качестве светоделителе!!, и должно выполняться иа таком удалении от рабочей зоны зеркала, чтобы деформации, вызываемые креплением не влияли на качество его поверхности. Закрепляемый край зеркала обязательно базируется на оправу через прокладку (рис. 5.16, а, б); эластичные прокладки нужны и в местах контакта крепежных деталей. В особенности это важно для зеркал, испытыва- ющих перегрузки [(например, в момент фиксации переключающегося зеркала (рис. 5.16,6)]. При особо жестких тре- бованиях в отношении де- формаций зеркала, для кре- пления используют спе- циальные, предусмотренные на нем выступы (рис. 5.16, в). На рисунке показано креп- ление зеркала пентагональ- ного отражателя. Полиро- ванная плоскость выступов находится в сопряжении с притертыми площадками оправы; прижимные планки воздействуют на зеркало че- рез эластичные прокладки. На рис. 5.16, г приве- дена конструкция концевого отражателя дальномера. Кварцевые зеркала и кре- пежное основание соединены tz сваркой в единый блок, ко- торый базируется па трех сферических подпятниках. Прижим обе- спечивается с помощью ciiMoycran.'iH.'iniiaioHiei осн диска и трех шариков. Усилие создаеюя за ин 11 ч 11 на 11 нем i.hikh, которая дей- ствует на диск через сферическую шайбу. Поперечные смещения ограничиваются тремя угольниками черс! эластичные прокладки. Юстировка отражателя производится изменением высоты подпятников и подвижкой угольников. Крепление довольно сложно по конструкции, но позволяет сохранить высокую точность формы и положения зеркал при колебаниях температуры и перегрузках. Для крепления зеркал (чаще круглых) используют и пружины. На рис. 5.17 даны две такие конструкции; замыкающее усилие соз- дается проволочной винтовой пружиной сжатия. На рис. 5.17, а по- казано, что усилие не регулируется, базирование зеркала осуществ- ляется на плоскую кромку кольца. Во втором варианте усилие регули- руется специальным винтом, положение коюрого стопорится гайкой (рис. 5.17, б). Зеркало базируйся на уеци оправы. Между зеркалом И пружиной обязательно наличие плас i ины с выступом но краю. С ее помощью усилие равномерно расиределясп я по кромке зеркала. Креп- ление пружиной обеспечивает стабилыюсiь формы зеркала при колеба- ниях температуры. Возможно улучшение этих вариантов за счет ба- зирования на три площадки и прижима в трех точках. Вместо винтовых пружин иногда применяют пластинчатые. Посадка зеркала в оправу должна быть с гарантированным зазором при любой температуре в пре- делах рабочего диапазона. 281
Крепление зеркала в трубе. Такой вариант крепления показан на рис. 5.18. Чаще всего так закрепляются наклонные зеркала, распо- ложенные под углом 45° к оси трубы. Боковая поверхность зеркала — цилиндрическая; она сошлифована в приспособлении при наклоне за- готовки па 45° по отношению к оси вращения. Рабочая отражающая поверхность зеркала ограничена эллипсом, малая ось которого равна посадочному диаметру оправы. Зеркало базируется на наклонную плоскую кромку опорной втулки, предварительно вставленной в оправу. После регулировки по углу Рис. 5.18. Крепление наклон- ного зеркала в трубе Рис. 5.19. Упрощенные кон- струкции крепления зеркал поворота втулка стопорится. Крепление зеркала осуществляется с про- тивоположной стороны посредством подобной же втулки, только с от- вергшем для прохода отраженного света. Эта втулка может фикси- [ювптын резьбовым кольцом (рис. 5.18, а) или винтом (рис. 5.18,6). 1o:im(»kiii.i деформации черкала от неравномерного зажатия н темпе- ратурных влияний. Качество крепления может быть улучшено при ис- пользовании пружинного кольца, которое должно быть установлено между реп.бовым кольцом и прижимной втулкой. На рис. 5.19, а—в представлены некоторые упрощенные варианты крепления зеркал, которые могут применяться в неответственных слу- чаях при низких требованиях к точности зеркала. Такие крепления допустимы для зеркал небольших размеров. Крепление крупногабаритных зеркал. При этом способе крепле- ния (например, в астрономических приборах) приходится учитывать действие большой массы зеркала. Трех опор при этом уже недостаточно. Зеркало устанавливается на большее число опор, как осевых, так и радиальных. Опоры выполняются самоустаиавливающимися и регули- руемыми. Применяются также дополнительные пружинные опоры для разгрузки основных базирующих. Весьма важной является проблема 282
автоматической компенсации разницы температурных деформаций зеркала и оправы. Решение этой проблемы связано с расчетом и кон- струированием различных термокомпенсаторов. Подробно изложить всю специфику разработки конструкции крепления астрономических зеркал в ограниченном объеме главы справочника не представляется возможным. Это особая область конструирования и она требует исполь- зования специальной литературы. КРЕПЛЕНИЕ ПРИЗМ Конструкции у ион креплении прием в ирам икс оптического'при- боростроения весьма p.i iiiooOp.i пп,1. Эю определяется и первую очередь многообразием типов призм. Наиболее часто встречаются следующие способы крепления, которые можно считать типовыми: крепление на- кладкой, угольниками, установочными винтами, прижимными план- ками (лапками), пружинами, приклеиванием. В принципе выбор креп- ления мало зависит от типа призмы и определяется в основном кон- структивными, технологическими и эксплуатационными требованиями. Иногда применяются комбинации элементов крепления различных типовых способов; в некоторых случаях из-за особенностей функциони- рования призмы или особенностей ее формы применяются специальные способы крепления. Все конструкции крепления призм должны удовлетворять те.м общим требованиям, которые изложены в начале главы. Дополнительно можно отметить следующее. 1. Рабочие и нерабочие поверхности призмы — плоскости, по- этому только эти плоскости могут-быть базовыми элементами призмы. Чаще основной базовой плоскостью бывает одна — нерабочая грань призмы. При сопряжении ее с опорной плоскостью оправы (основания, плато) призма лишается трех степенен свободы. Замыкание сопряжения осуществляется со стороны противоположной i рани нршмы элементом крепления, по названию которого и определяен я H.i.iii.inne всего спо- соба (накладка, угольник и г. д ). Остальные три печени свободы отни- маются ориентирующими планками, которые прижимаются к другим граням призмы вне светового пучка и закрепляются на оправе. 2. Опорная плоскость оправы, на которую базируется призма, должна иметь высокую степень плоскостности; только при этом будет обеспечена определенность положения на плоскости и исключена воз- можность изгибающих деформаций. При больших размерах призмы, для уменьшения влияния погрешностей формы основания, в середине его делают выборку, тогда призма базируется краевым участком по периметру базирующей грани или на два протяженных элемента опоры. В особо ответственных случаях применяют базирование и на три вы- ступающие площадки основания, но при этом, для исключения изги- бающих деформаций, прижим призмы нужно производить тоже в трех точках ни противоположной грани. 3. Между призмой п крепежным элементом, как правило, следует ставить эластичную прокладку, которая компенсирует погрешности в расположении крепежного элемента относительно призмы и распре- деляет усилие по большей площади. 4. Ребра призмы, во избежание выколок, не должны контактиро- вать с базирующими, ориентирующими и крепежными элементами конструкции. 5. В некоторых случаях удобно базировать призму на рабочую грань (или две грани). Если это преломляющая грань, то фактически ,283
базирование будет происходить на четыре участка грани за пределами ее светового диаметра. Если это отражающая грань с зеркальным по- крытием, то базирование пе должно испортить покрытия. В случае Рис. 5.20. Крепление призм на- кладкой использования отражающей грани с полным внутренним отражением базирование может осуществляться только по краю грани тоже за пределами габаритов светового пучка. 6. Призмы являются довольно жесткими деталями и хорошо про; тнвостоят деформациям. Поэтому, очевидно, в большинстве способов не предусматривается специальных устройств для равномерного распре- деления зажимающих усилий или для компенсации температурных деформаций, кроме эластичных прокладок в местах крепления. К таким 284
способам крепления (мы называем их жесткими) относятся шт, кроме крепления пружинами. Наиболее чувствительно к температурным ре- формациям крепление приклеиванием. Наилучшим образом компен- сируются температурные деформации при креплении пружинами. 7. Часто требуется в узле крепления призмы обеспечить возмож- ность ее юстировки относительно оправы. Не все способы допускают это в одинаковой мере. Приклеивание, как неразъемное соединение, после завершения цикла склейки юстировок не допускает. Очень затрудни- тельно или совсем невозможно обеспечить такую юстировку при реали- зации способа крепления призмы прижимными планками (лапками). В этих случаях приходится разрабатывать конструкцию юстировоч- Рис. 5.21. Разновидности крепления призм накладкой него устройства оправы с закрепленной призмой относительно базовой детали всего узла (основания, кронштейна, корпуса и т. п.). Остальные способы крепления легко обеспечивают юстировку призмы относительно оправы в виде поворотов и смещении в плоскости базовой грани. При креплении пружиной с одновременным базированием на две грани удается обеспечить различную юстировку в широких пределах. Крепление накладкой. Такое крепление показано на рис. 5.20 и 5.21. Во всех конструкциях призма устанавливается па плоскость оправы и прижимается накладкой через эластичную прокладку. Концы накладки прикрепляются к стойкам, жестко соединенным с оправой. 11а рнс. 5.20 iipe.ic тавлепы следующие примеры креплений: — прямо) пушной при imi.i с о Шим о। раженном (о), башрхющейся иа плосш'сп. онр.пи.1 и усiyin.i; ii.ik.t.i.ik.i расположена на двух стойках круглого сечения; юсiпровка заiрудпена н возможна только за с^ет дополни’;:слы!ой обработки упупов; — нентапризмы (б) с базированием на плоскость оправы и кромки ориентирующих планок; оправа закреплена относительно монтажной основы узла (кронштейна) на сферическом подпятнике с возможной юстировкой в виде малых поворотов вокруг трех осей; 285
— прямоугольной призмы с одним отражением («), ориентирование которой в плоскости основания возможно только с помощью трёх планок; — пентапризмы на круглом основании (г); накладка прикреплена к стойкам гайками; юстировка допустима только в плоскости основания за счет изменения положения ориентирующих планок; — прямоугольной призмы с двумя отражениями (б); базирование осуществляется на плоскость и уступ оправы; На рис. 5.21 показаны способы крепления: — склеенной призмы Аббе с крышей (а); накладка закреплена на трех стойках; ориентирование производится с помощью планок, одна из которых фаской опирается на грань крыши; Рис. 5.22. Варианты конструкций стоек — прямоугольной призмы (6) в корпусе, являющимся коленом, соединяющим две трубы под углом 90°; на основании корпуса профре- зерована площадка для базирования призмы и ориентирующих планок; накладка крепится одним концом винтами к стенке корпуса, другим концом — в пазу прилива; — прямоугольной призмы с крышей (в); базирование осуществ- ляется гранями крыши на фаски оправы; ориентирование в направлении ребра крыши обеспечивается наклонным уступом оправы и планкой, а прижим — накладкой через эластичную прокладку на фаску призмы: — призмы (г) с двумя отражениями и углом отклонения 120° (из семейства пентапризм); ориентирование реализуется двумя план- ками. На рис. 5.22, а—е показаны конструктивные варианты закрепле- ния накладок на концах стоек и варианты крепления стоек к оправе. Крепление угольниками. Разновидности креплений этого типа при- ведены на рис. 5.23 следующими примерами: — пентапризма (а) закреплена двумя угольниками z-образной формы; ориентирование происходит в плоскости основания с помощью планки, прижатой к преломляющим граням призмы; усилие зажима создается за счет деформации эластичной прокладки; — прямоугольная призма (б) закреплена одним угольником с огра- ничением смещений и поворотов в плоскости основания выступом оправы, планкой, а также выступом угольника; w
Рис. 5.23. Крепление призм угольниками 287
Рис. 5.21. Крепление иесклеенной баш- мачной призмы угольником — п ря моуголь и а я призма (в) базируется на рабочую преломля- ющую грань; прижим призмы к основанию обеспечивается низкими угольниками через прокладки за закраины призмы, образовавшиеся после фрезерования канавок па ел боковых нерабочих гранях; — прямоугольная призма (г) крепится составным угольником ана- логично варианту, приведенному на рис. 5.23, а. На рис. 5.24 показано крепление башмачной призмы с крышей; угольник составной и имеет два рабочих элемента, так как призма состоит из двух несклеенных между собой частей. Основная часть уста- навливается на плоскость основания и кромки ориентирующих планок; клин базируется на плоскость основания и рабочую плоскость основ- ной части призмы через про- кладку из фольги, выпол- ненную в виде рамки. Крепление установочны- ми винтами. Подобный тип крепления представлен на рис. 5.25 следующими при- мерами: неит,'тризма (а) за- креплена гремя установоч- ными винтами; концы вин- тов у пи раю гея в углубления прижимной пластины; между пластиной и призмой имеет- ся эластичная прокладка; оправа охватывает призму с трех сторон, но базирующая плоскость у псе одна; смещения и повороты призмы в плоскости основания ограничиваются двумя ориен- тирующими планками; — прямоугольная призма (б) закреплена двумя установочными винтами в жесткой оправе; смещения вдоль гнпотенузнон грани ограни- чиваются за счет сил трения; — прямоугольная призма (а) зафиксирована на конце трубы; два установочных винта завинчены в планку, прикрепленную концами к специальным выступам оправы; после поджима призмы винты Ф л А . ---- I 288
стопорятся гайками; базирование призмы осуществляется на торец оправы и выступы; — склеенный светоделительный кубик (г) закреплен одним уста- новочным винтом в специальной оправе; — визирная прямоугольная призма (д) закреплена в оправе че- тырьмя плитами; усилие прижима передается через металлические пластинки и эластичные прокладки па специальные крепежные буртики призмы; — призма Шмидта с крышей (е) закреплена в специальной оправе одним установочным винтом. На рис. 5.26, а показано крепление призмы Дове с крышей в спе- циальной оправе одним установочным винтом; базирование осуществ- ляется гранями крыши на выступы, расположенные внутри оправы под углом 90°, а прижим — винтом через специальную планку, опира- ющуюся наклонными плоскостями на преломляющие грани призмы. На рис. 5.26,6 шображепо крепление ромбической призмы че- тырьмя установочными ипнгами; для придания пиране большей жестко- сти имеется стержень, прикрепленный пиитами к се пенкам (стяжка). 290
Крепление прижимными планками. Разновидности такого крепле- ния представлены на рис. 5.27 десятью примерами. Характерным для этого способа крепления является более сложная конструкция оправы. Оправа охватывает призм)' с трех сторон, и, имея обычно две базиру- ющих плоскости, лишает призму, по крайней мере, четырех степенен свободы. Оставшиеся степени свободы устраняются прижимными план- ками. Крепление получается очень компактным, но юстировка призмы относительно оправы практически неосуществима. Прижимные планки быпак>| различными по конструкции, выпол- няются в виде лапок, угольников и т. д. Призма вставляется между стенками оправы с Iapan iированпым за юром, который при необходи- мости выбирается прокладкой, обычно наклеиваемой па нерабочую граю, призмы. На рис. 5.27 даны следующие примеры крепления: — прямоугольной призмы (а) четырьмя планками; базирование осуществляется на гипотенузпую грань; — прямоугольной призмы с крышей (б), базирующейся катетными гранями па оправу и выступы планок; прижим создается со стороны граней крыши; — прямоугольной призмы (в), которая закрепляется двумя при- жимными планками, имеющими по два рабочих элемента; юстировка узла относительно основания возможна четырьмя регулировочными винтами; — такой же призмы (г), как и в случае, изображенном на рис. 5.27, в, но с помощью планок, имеющих вырезы в соответствии с габаритами пучка; юстировка узла относительно корпусной детали производится с помощью трех регулировочных винтов и центральной сферической опоры; — пентапрнзмы (д), базирующейся преломляющими гранями; при- жим осуществляется одной планкой со стороны нерабочей грани; полупентапритмы (е) при базировании пл плоскость фланца трубы и па плоскости енчюк, выполненных заодно с фланцем; прижим обес1и,чш1ается ли\мя комб|П!Нр<>н.11111ым|| прижимными планками; — призмы Шмидта (.;/<) е крышей, базирующейся рабочими гра- нями на плоскость основания и выступы планок; прижим производится со стороны граней крыши; — призмы Пехана (з), закрепленной в оправе тремя прижимными планками, одна из которых имеет вид рамки с отверстием по габаритам светового пучка; на чертеже дана конструкция элементов юстировки призмы вместе с оправой относительно детали привода (шестерни) и конструкция опоры вращения призмы (насыпного шарикового под- шипника); — призмы-куба (и) в оправе четырьмя прижимными планками при базировании нерабочей гранью на основание оправы и преломля- ющими гранями на выступы планок; — призмы-куба (к) с такой же схемой базирования как и в пре- дыдущем случае, но прижимных планок — две, они имеют клиновидную форму; смещение призмы в плоскости склейки ограничивается тем, что прижимные планки (вкладыши) 'входят в скошенные пазы, профрезе- рованные со стороны нерабочих граней призмы. Крепление призм пружинами. Оно в основном применяется для ' приборов, работающих в тяжелом температурном и динамическом ре- жиме. Пружины для крепления обычно используются плоские, тарель- чатые, седловидные, полуцилиндрические, цилиндрические. Они изго- товляются из листовой пружинной стали. 10' 291
a) 292
и)
На рис. 5.28 показаны ниже приведенные варианты крепления: — призмы оборачивающей системы бинокля (а); юстировка в этом случае возможна в пределах зазора, имеющегося по периметру призмы в гнезде перегородки корпуса; пружина применяется плоская; — призм такой же системы, что и в предыдущем примере, но при базировании на плато (б); — головной прямоугольной призмы при различных конструктив- ных вариантах оправ и пружин (в, г, д, е); в варианте (г) — с помощью установочного винта можно регулировать усилие закрепления призмы; базирование призмы осуществляется преломляющими гранями; а) 294
Рис. 5.28. Крепление призм пружинами 295
— окулярной прямоугольной призмы с крышей (ж); базирование производится преломляющими гранями на плоскость оправы и выступы угольников, прикрепленных винтами к стенкам оправы; усилие полу- цилиндрнческой пружины регулируется винтом. А~А Рис. 5.29. Варианты крепления призм пружинами На рис. 5.29 также представлены следующие варианты крепления пружинами: — башмачной призмы (и) цилиндрической пружиной, которая вставляется с натягом между выемкой корпуса н выемкой мс-галлнче- 296
ской планки, нажимающей на призму; базирование осуществляется по двум граням основной части призмы; клин призмы приклеен к основ- ной части с помощью боковых стеклянных накладок; — прямоугольной призмы с крышей (6), расположенной внутри колена, соединяющего две трубы; юстировка возможна смещением призмы в двух направлениях с помощью резьбовых втулок, торцы которых являются базовыми опорами для призмы; — такой же призмы (в), как и в примере, приведенном на рис. 5.29, б, но с обеспечением юстировки поворотом вокруг оси, пер- Рпс. 5.30. Крепление при im )iриклснваинем пенднкулярной плоскости главного сечения; крепление осуществляется с помощью полуцилиндрической пружины и двух винтов; призма может юстироваться установочными винтами посредством наклона замыка- ющей пружины; поворот происходит вокруг оси цилиндрического вкладыша, приклеенного к призме, и опирающегося на цилиндрическую выемку оправы; — прямоугольной призмы в колене трубы (а) при базировании катетными гранями на кольцевой выступ оправы и торец резьбового кольца; крепление осуществляется с помощью тарельчатой пружины, усилие которой передается посредством специального вкладыша на гипотенузную грань и может регулироваться по величине с помощью резьбовой втулки; — крепление пружиной призмы-ромба (<)) в окулярном блоке бино- кулярного прибора; юстировка призмы в этой конструкции крепления не предусмотрена. Крепление призм приклеиванием. Такое крепление применяется в неответственных случаях и имеет такие же ограничения, как и в слу- чае крепления круглых оптических детален (см. выше). На рис. 5.30 даны четыре варианта крепления. Конструктивные особенности каж- дого из них понятны из рисунка. 297
Специальные способы крепления. Из них прежде всего следует отметить крепление призмы Дове (рис. 5.31) Специфика ее работы заключается в том, что она, не изменяя направления пучка лучей, дает оборачивание изображения в плоскости главного сечения и при вра- щении вокруг оптической оси вращает изображение. Поэтому призма Дове закрепляется в оправе, имеющей снаружи вид втулки. Внутри протяжкой сделано отверстие квадратного сечения со стороной ква- драта несколько большей размера призмы. Рис. 5.31. Крепление призмы Дове в специальной оправе На рнс. 5.31, а показано типовое крепление призмы Дове с при- менением сегментного вкладыша (вклеенного в такой же формы паз, профрезеровапный в призме), специального винта, препятствующего осевому смещению призмы и восьми установочных винтов. Установочными винтами производится юстировка призмы путем наклона ее в двух плоскостях в пределах имеющихся зазоров между призмой и оправой. После юстировки установочные винты стопорятся. На рис. 5.31, б изображено аналогичное крепление, но установоч- ные винты воздействуют па призму не через гибкие элементы оправы как в предыдущем случае, а через восемь вкладышей, опирающихся на трани призмы и вставленных в специальные пазы оправы. Крепление прямоугольной призмы с крышей, используемое в па- нораме, которое тоже можно считать специальным, приведено на рис. 5.32. Призма пршкимаскя к базовым торцам резьбовых втулок 298
катетными гранями посредством специального призмодержателя. Призмодержатель кромками опирается на грани крыши. Его половинки могут смещаться по вертикали под действием двух установочных вин- тов, завинченных в резьбовую пробку корпуса. При этом происходит незначительное перемещение призмы в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа. После юстировки установочные винты стопорятся в те же резьбовые гнезда стопорными винтами. Специальное крепление башмачной призмы изображено на рис. 5.33. Крепление отличается сложностью конструкции оправы, кото- рая может быть выполнена только литьем. Опорные плоскости оправы профрезерованы. В местах кон- такта призмы и оправы установлены I ’нс. 5.32. К pen.leu нс прямо УГОЛЬНОЙ НрИ 1МЫ г крышей I ipi i:imi । ,'ie| >ж a le.'ie\i I ’lie. 5.33. Креплеи ne баш M.'l'llloii II pn г,i1.1 к сIк ЦН' ильной imp.me эластичные прокладки. Замыкание осуществляется установочным вин- том через специальную деталь, имеющую вид седла. Клин призмы прижимается к основной ее части с помощью прижимных планок. Упрощенные способы крепления. Они применяются для крепле- ния призм в неответственных случаях п подкупают своей конструктив- ной простотой, а также технологичностью. Это дает возможность ис- пользовать эти способы в серийном производстве. На рис. 5.34, а приведено крепление полупентапризмы на плато с помощью штампованной детали типа крышки (кожуха). Па рис. 5.34, б оправа прямоугольной призмы имеет вид штампо- ванного угольника, а крепежная деталь (гоже штампованная) прикреп- ляется к нему двумя винтами. Эта деталь четырьмя выданками (пуклев- ками) ограничивает возможность смещения и повороiob .призмы отно- сительно оправы. Крепление призмы зажимом се винтим в разрезной оправе дано на рнс. 5.35. Для выравнивания усилий прижима применяются эластич- ные прокладки. Комбинированные способы крепления. На практике часто приме- няются такие способы крепления, если по каким-либо причинам это удобно. 299
i t Рис. 5.31. Крепление призм 1птампоиа11пыми деталями Рис. 5.35. Крепление призмы зажимом в оправе 300
На рис? 5.36, а прямоугольная призма с крышей (с двумя отра- жениями) закреплена внутри корпуса с помощью пружины, прикреп- ленной двумя винтами к его крышке, ориентирующей планки и уста- новочного винта, который воздействует на грань крыши призмы через цилиндрическое седло-пружину. Рнс. 5.36. Варианты комбинированного крепления призм Па рис. 5.36, б покатано крепление Полунинia- призмы и специальной оправе е помощью двух плоских пружин, двух lui.'iiiiiapiiHeciiiiх вкладышей, передающих усилие пружин па призму, и с помощью ориентирующей планки. КРЕПЛЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ СТЕКОЛ К узлам крепления защитных стекол предъявляются повышенные требования в отношении надежности и герметичности. Для герметиза- ции применяются резиновые или пластиковые прокладки и уплотняющая замазка, в том числе и герметик. Надежность обеспечивается, как правило, креплением прижимной рамкой по всему периметру защитного стекла, независимо от конфигурации его края. Такие конструкции приведены на рис. 5.37, а, б. Защитное стекло подсветки может быть закреплено как это показано на рис, 5.37, в. Кромка стекла по пери- метру (кроме левого края) имеет скос. Стекло вставлено в паз корпуса типа «ласточкин хвост» и закреплено в пазу планкой, помещенной в тот же паз вслед за ним. Крепление герметиками позволяет обеспечить необходимую гер- метизацию соединения и при условии колебания температуры (рис. 5.37, г). Приклеивание защитных стекол применяется в неответственных случаях, в основном для лабораторных приборов (рис. 5.37, д). 301
Довольно большую сложность представляет крепление защитных стекол, состоящих из нескольких плоскопараллельных пластин. На рис. 5.37, е—з показаны варианты крепления таких стекол. Во всех случаях для герметизации и предохранения стекол от деформаций при- меняются эластичные прокладки или замазка на базовых поверхностях оправ Сами базовые поверхности должны иметь высокую степень плоскостности. 302
Рис. 5.37. Крепление защитных стекол Рис. 5.38. Крепление линейных шкал 303
КРЕПЛЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ШКАЛ Важными требованиями при разработке конструкций узлов креп- ления шкал точных измерительных приборов являются: недопустимость деформаций шкал и возможность их юстировки посредством смещений и поворотов. Поэтому, как правило, шкалы закрепляются с точным соблюдением принципа статической определенности (шесть опорных точек) и с силовым замыканием под действием усилий пружин. По- движные опоры для юстировки выполняются в виде юстировочных винтов. На рис. 5.38, а, б приведены две конструкции крепления таких шкал. Концы опорных винтов и неподвижные опоры должны иметь высокую твердость, правильную форму и малую шероховатость. После юстировки винты стопорятся (обычно клеем или краской). Литература: [2, 30, 31, 37, 38, 72].
ГЛАВА 6 ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ УЗЛОВ Узлы крепления защитных стекол На рис. 6.1 изображена головка визира, снабженная стеклоочи- стителем и устройством для обогрева защитного стекла. Обогрева- тельная токопроводящая пленка нанесена на внутренней поверхности Рис. 6.1. Защитное стекло со стекла. Для подвода питания по кра- ям стекла нанесен распылением слой инвара, к которому припаяны ме- таллические шайбы. К этим шайбам винтами крепятся провода. Головка визира (рис. 6.2) закрыта сферическим защитным стеклом, рас- считанным на работу в поде с боль- шим давлением. Герметизация соеди- нения достигашси за счет ус i.ihoiikii прокладок. Рис. 6.2. Головка визира стеклоочистителем и обогре- вательным устройством Системы визирования В панорамических приборах для визирования по вертикали и го- ризонтали применяются призмы п плоские зеркала. В качестве визир- ных призм используются прямоугольные призмы и призмы-кубы. Ви- зирование по горизонтали в приборах обычно связано с вращением изображения. Для стабилизации изображения используют враща- ющиеся призмы Дове или Пехана. На рис. 6.3 приведен узел вертикального обзора бинокулярного визира. Качающийся призменный мостик установлен своими цапфами 305
в подшипниках корпуса прибора. Две прямоугольные призмы в опра- вах кренятся к мостику на юстировочных винтах, служащих для согла- сования визирных осей. На мостике установлен зубчатый сектор для связи с механизмом наведения. Рис. 6.3. Качающийся призменный мостик Узел визирной призмы (рис. 6.4) снабжен лимбом для отсчета углов визирования с точностью до Г Лимб установлен па трех центрирующих винтах. Для точной центрировки лимба на его поверхности одновре- менно с гравировкой делений наносят круговую риску, центр которой точно совпадает с центром делений. Для исключения эксцентриситета шкалы ври сборке производится центрировка лимба по кольцевой риске относительно оси вращения оправы. Рнс. 6.4. Визирная призма с лимбом Механизм вертикального наведения визира (рис. 6.5) состоит из призмы-куба 1 в оправе 2, установленной на юстировочных винтах в качающейся оправе 3. Оправа 3 вращается в шарикоподшипниках, закрепленных в кронштейнах на основании 5. Для исключения откло- нения плоскости движения визирного луча от вертикальной плоскости ось качания призмы должна быть параллельна опорной плоскости основания. Качание призмы производится системой шток—репка— зубчатый венец, причем в качестве рейки используется червяк. Червяк 6 имеет лыску и фиксируется от поворота шпонкой 7, закрепленной во 306
втулке 8, которая может поворачиваться, благодаря чему достигается точная установка визирного луча без осевого смещения червяка. Мерт- вый ход в кинематической цепи выбирается винтовой пружи- ной 4. Панорамная головка (рнс. 6.6) состоит из узла кача- ющейся призмы и механизма наведения, который позволяет производить визирование в двух взаимно перпендикулярных пло- скостях. Горизонтальное наве- дение осуществляется вращением червячного колеса 8, на котором установлен кронштейн 9, несу- щий призму 3. Вертикальное наведение происходит при вра- щении червячного колеса 7, ус- тановленного на шарикоподшип- никах и имеющего втулку с внутренней резьбой. Ходовой Рис. 6.6. Панорамная головка с качающейся визирной призмой Рис. 6.5. Механизм вертикального наведения 307
винт 5 имеет выступ, на который опирается зубчатая рейка 2, сцеплен- ная с сектором 1 качающейся призмы. При вращении колеса 7 винт 5, вращение которого ограничено шпонкой 4, будет двигаться по направ- ляющей колонке 6, перемещая при этом рейку 2, которая в свою очередь булсч качать оправу с призмой. При вращении колеса 8 рейка 2 будет скользить опорным торцом по плоскости выступа винта 5 и не будет перемещаться в вертикальном направлении. Рис. 6.7. Панорамная головка с качающимся зеркалом На рис. 6.7 изображена головка прибора с качающимся зеркалом. Применение зеркала возможно только при малых углах визирования в плоскости, перпендикулярной плоскости зеркала. При больших углах качания габариты зеркала недопустимо увеличиваются. Гори- зонтальное наведение осуществляется поворотом несущего кронштейна 1, установленного на червячном колесе 9. Вертикальное наведение про- изводится качанием оправы 3 с зеркалом при помощи зубчатого с^к* тора 4 и рейки 2. Перемещение рейки осуществляется сухарем 5, сво- бодно сидящим вместе с оправой 6 на хвостовике винта 7. Винт имеет только осевое перемещение при вращении приводного колеса 8. Компенсация поворота изображения, как указывалось выше, производится вращающимися призмами. На рис. 6.8 приведена кон- струкция узла с призмой Дове. 308
Рис. 6.8. Окулярная часть панорамного визира Рис. 6.9. Визирная головка с дистанционным приводом 309
Схема устройства дистанционного наведения визира показана на рис. 6.9. Устройство состоит из головной призмы и системы следя- щего электропривода. Исполнительным элементом является маломощ- ный управляемый электродвигатель; обратная связь осуществляется с помощью двух вращающихся трансформаторов (ВТ) — грубого и точного отсчета. Наличие двух элементов обратной связи объясняется Рис. 6.10. Оптический шарнир их невысокой точностью по сравнению с необходимой точностью визи- рования. Редуктор механизма состоит из цилиндрических прямозубых зубчатых колес. Для выборки мертвого хода в цепи призма—ВТ точного отсчета применены разрезные зубчатые колеса г2 и г4. Соединительная муфта также выполнена безлюфтовой. В качестве датчиков обратной связи можно применять потенцио- метры, сельсины и другие элементы, обеспечивающие необходимую точность. Конструкция оптического шарнира приведена на рис. 6.10. На основании 4 закреплена пружиной прямоугольная призма 5. В отвер- стиях основания усiановлеиы две одинаковые призменные головки, состоящие из корпуса /1, в котором усыновлена прямое; ольная призма 2, закрепленная пружиной 1. Усилие прижима регулируется эксценгри- 310
ком .5. На корпусах головок установлены зубчатые секторы 7, сцеплен- ные между собой. В начальном положении все три призмы должны лежать в одной плоскости. Угловая ошибка зубчатой передачи вызовет такой же величины наклон изображения. Объективы телескопических приборов Рис. 6.11. Объективы в эксцентри- ковых оправах Телескопические приборы (визиры, зрительные трубы и т. п.) имеют, как правило, двухлипзоные объективы. В бинокулярных при- борах (бинокль, стереотруба) одним из основных условий ра- боты является параллельность визирных осей обеих труб. Кре- пление одного из объективов такой системы и эксцентрико- вой оправе дает возможность устранить непараллельность осей, т. е. компенсировать ошибки изготовления деталей и погрешности сборки. В некоторых прицельных приборах эксцентриковые опра- вы объективов предназначены для совмещения визирной оси системы с геометрической осью трубы прицела. На рис. 6.Н приведены два типа эксцентриковых кре- плений. Объектив укрепляется в эксцентриковой оправе за- вальцовкой пли резьбовым кольцом. Вращением оправы относительно эксцентриковой втулки и втулки относительно корпуса можно смещать оптический центр объектива в плоскости, перпендикулярной оси трубы, и тем самым изменять положение визирной оси системы. После юстировки эксцентриковая оправа жестко закрепляется в корпусе зажимным кольцом. Для устранения отклонений от расчетных вершинных отрезков линз используют продольное перемещение объектива для совмещения плоскости изображения объектива с плоскостью сетки. Для этой цели применяются различные компенсаторы: установка оправы объектива на резьбе (рис. 6.12, а), подрезка оправы (рис. 6.12,6) и установка прокладных колец (рис. 6.12, в); подбором толщины и подрезкой про- 311
кладных колец производится фокусировка. Фокусные расстояния линз выдерживают при изготовлении с точностью ±2%, поэтому в тех случаях, когда фокусное расстояние объеитива должно точно соответ- ствовать расчету (или когда Рис. 6.13. Обтектнв с регулировкой фокусиог о расстояния винченное па одну п< них. Вращением у двух объективов фокусные расстояния должны быть равны между собой, напри- мер, у дальномера), применя- ются несклеенные объективы с регулируемым воздушным промежутком, изменением которого достигают требу- емой величины фокусного расстояния. Конструкция, показанная на рис. 6.13, со- стоит из корпуса,в котором па направляющих шпонках ус гаповлепы оправы с явн- ыми Между оправами име- ет ся распорное кольцо, на- распорпого кольца изменяют воздушный промежуток между линзами. Обе оправы закрепляются в корпусе резьбовыми кольцами. Вращение распорного и резьбовых колец производится через окна в корпусе; для этой же цели на кольцах имеются отверстия. Зеркально-линзовые объективы Зеркально-линзовые объективы применяются, когда нужно полу- чить небольшую длину системы при большом фокусном расстоянии объектива, апохроматическую коррекцию при большом относительном отверстии и т. д. Эти объективы чрезвычайно чувствительны к точ- ности центрировки и усилию зажима зеркал. Поэтому в конструкции должны быть предусмотрены центрировка зеркал в оправах методом ав- токоллимации и регулировка усилия зажима зеркал. На рис. 6 14, о приведена конструкция зеркально-линзового объек- тива, состоящего из мениска с отражающей поверхностью малого диа- метра па его первой поверхности и зеркала Манжена. Каждая опти- ческая деталь крепится и центрируется в своей оправе, а затем встав- ляется в тубус. На наружную поверхность оправ наклеивается слой пробки, служащей упругим элементом для выборки радиального 312
зазора между оправами и тубусом. От смещения в оправах зеркала удерживают пробками из фосфатцемента. Зеркально-линзовый объектив, изображенный на рис. 6.14, б, имеет более сложную конструкцию. Креп пение зеркал за ободок отвер- стия уменьшает их деформацию от усилия зажима. Малое зеркало объектива имеет температурный компенсатор, который дает возмож- ность сохранить положение фокальной плоскости при колебаниях температуры; он состоит из алюминиевой шайбы, установленной между оправами зеркала и первой лнизы. Фото- и кинообъективы Фото- и кинообъективы можно разделить на следующие группы; сменные объективы для фотокамер с дальномером; сменные объективы для зеркальных фотокамер и кинокамер; жестко встроенные объективы; объективы с переменным фокусным расстоянием. Основной особен- ностью этих объективов является высокое качество изображения Объективы первых двух групп должны обеспечивать возможность быстрой установки в камеру с необходимой точностью (0,01—0,02 мм в осевом направлении) без юстировки. Для присоединения объективов в камере используются резьбовое и байонетное соединения. Объективы первой группы состоят из собственно объектива, вклю- чающего, оптические узлы, корпуса, механизма диафрагмы, механизма фокусировки и механизма привода дальномера (объективы второй группы отличаются от объективов первой только отсутствием последнего механизма). Связь перемещения объектива с воспринимающим рычагом дальномера камеры осуществляется дальномерным кольцом, жестко связанным с оправой оптического блока. При использовании объекти- вов с фокусным расстоянием, отличным от основного для данной ка- меры, дальномерное кольцо связывается с оптическим блоком посред- ством специального механизма (дифференциальной резьбы). На рис. 6.15 приведены объективы различных конструкций. Объек- тив (рис. 6.15, а) имеет телескопический убирающийся тубус 3 с байо- нетной фиксацией в рабочем положении. Оправы с линзами / и 6 установлены на резьбе в оправе 2, которая в свою очередь кренится резьбовым кольцом 5 во втулке 3. Подрезкой прокладного кольца 4 выдерживают рабочий отрезок (расстояние от базового торца оправы до задней фокальной плоскости) объектива при сборке. Фокусировка производится перемещением кольца 7 по резьбе кольца 8. Поводок кольца 7 имеет фиксацию в положении «бесконечность». Связь с даль- номером камеры осуществляется торцом кольца 7. Объектив, показанный на рис. 6.15, б, состоит из оптического блока 2 с механизмом диафрагмы, дистанционного кольца 1, дально- мерного кольца 4 и корпуса 3. Все эти узлы связаны между собой механизмом дифференциальной резьбы. Принцип действия этого меха- низма состоит в следующем (рис. 6.16). При вращении кольца 1, име- ющего внешнюю правую резьбу Ml с шагом Pt, происходит его пере- мещение в осевом направлении относительно неподвижного корпуса 2. В случае, если резьба М2 имеет шаг Р2, отличный от шага Pi, то кольцо 3 начнет перемещаться с шагом, равным разности шагов Рх и Рй. Если же резьба М2 имеет другое направление (левая реьба), то перемещение кольца 3 будет равно сумме шагов Рх и Рг. Если кольцо 3 связано с кольцом 1 резьбой М2 того же шага и направления, то его перемещения не произойдет. Подбирая соотношение шагов резьб и их направление, можно получить различные линейные перемещения двух 313
314 Рис. 6.15. Конструкции фотообъективов
деталей (например, оптического блока и дальномерного кольца, (рис. 6.15,6) при вращении одной из них, связанной с дистанционной шкалой. В конструкциях фотообъективов без дальномерного кольца и в кинообъективах фокусировка может производиться или переме- щением оптического блока относительно корпуса объекива, или фоку- сировочным кольцом съемочной камеры (рис. 6.15, с). Объектив, изоб- раженный на рис. 6.17, имеет насыпную кон- струкцию (все линзы за- вальцованы в оправах одного диаметра). Фоку- сировка производится пе- ремещением оправы оп- тического блока по резь- бе корпуса. На рис. 6.18 приве- дена конструкция объек- тива, вмонтированного Рис. 6.16. Схема дифференциальной резь- в центральный фотоза- gbI твор. Здесь центрировка переднего и заднего компонентов осуществляется через детали фотозатвора, поэтому ка- чество изображения, даваемого таким объективом, ниже, чем у объек- тивов, имеющих общий корпус. Особую группу составляют объективы с переменным фокусным расстоянием. Оптическая система таких объективов обычно состоит Рис. 6.17. Фотообъектив насып- ной конструкции Рис. 6.18. Центральный фотоза- твор с объективом из основного обьекгнва и плес конической насадки с переменным увеличением. Изменение увеличения достигается осевым перемеще- нием отдельных компонентов насадки. Перемещение различных компо- нентов происходит одновременно и по различным законам. Для пере- мещения применяются вращающиеся оправы со спиральными пазами. Основную трудность их изготовления составляют выдерживание точ- ности. пазов и получение минимальных люфтов в сопряжениях. 315
Микрообъективы Конструкции микрообъективов разнообразны и зависят от назна- чения объектива. Крепление к тубусу микроскопа производится при помощи специальной объективной резьбы, профиль и размеры которой приведены в табл. 6.1. Для крепления объективов,'имеющих большой диаметр, применяется резьба М27Х0.75. Размеры сопряжения микро- объективов с тубусом приведены в табл. 6.2. Таблица 6.1. Резьба для объективов микроскопов (по ГОСТ 3469—74). Все размеры даиы в мм Наружный диаметр резьбы Ср едни и диаметр резьбы Внутр Ди а рез d D dr Болт 20,270 Гай- ка 20,320 Болт 19,818 Гай- ка 19,868 Болт 19,366 Обозначение резьбы: ОБ 4/5" > эснний метр ьбы Шаг резь- бы Гл У’ би на резь- бы Рабо- чая высота витка Зазор по про- филю Dr Р Н2 Hr г Гай- ка 19,416 0,705 0,452 0,428 0,05 <1/36" ГОСТ 3169 — 71. При сборке микрообъективов производятся их центрировка и подрезка базового торца, причем размер от базового торца до плоскости предмета должен быть одинаков для всех объективов, применяемых для определения типа микроскопа (за исключением иммерсионных объек- тивов, у которых этот размер во избежание повреждения объекта де- лается па 0,2—0,3 мм меньше). Па рис. 6.19 изображен простейший объектив ахромат 8X0,20. Линзы в оправах установлены в общий корпус и закреплены резьбовым кольцом. В конструкции, приведенной на рис. 6.20, для компенсации погрешностей изготовления деталей и сборки оправа второй линзы 316
't а б л и ц а 6.2. Сопряжение микрообъектива с тубусом (по ГОСТ 11200—75). посажена в корпус с ради- альным зазором. Перемеще- нием этой линзы в плоско- сти, перпендикулярной оси Все размеры даны в мм. объектива, добиваются тре- буемого качества изображе- ния. Такая система юстиров- ки применяется во многих объективах микроскопов. Эпиобъективы (рис. 6.21) используются для работы в отраженном свете. Конструк- тивно такой объектив со- стоит из микрообъектива и параболического зеркала, служащего для освещения предмета наклонными пуч- ками (наблюдение в темное поле). Объектив на рис. 6.22 снабжен ирисовой диафраг- мой, предназначенной для изменения апертуры объек- тива. Управление диафраг- мой осуществляется наруж- ным кольцом. Иммерисионный объек- _____________________ тив 90X1,25 (см. рис. 6.20) имеет устройство, предохраняющее от порчи препарат и фронтальную линзу объектива. При упоре оправы Обозначение резьбы Z * не более /1 не менее ОБ 4/5 "X 19 4,8 3 X 1/36" М27Х 0,75 26 5,5 4 М42Х0.75 41 5,5 4 * Размерь для справок. фронтальной линзы в покров- ное стекло внутренний корпус останавливается, сжимая име- ющуюся в верхнем части Рис. 6.21. Эпиобъектив ахромат 40X0,65, ту- бус 190 мм Рис. 6.19. Мик- Рис. 6.20. Микрообъектив рообъектив ах- ахромат 90Х1,25 масля- ромат 8Х 0,20 . ной иммерсии 317
оправы пружину. Так как оптическая система микрообъектива рассчи- тана на работу с покровным стеклом, то отклонение толщины последнего (0,17 мм) от расчетной влияет на качество изображения, даваемого объективом. Для компенсации этих ошибок (в случае особо высоких требований к качеству пзо- Рис. 6.22. Микрообъектив апохромат 60X1,0—0,7 с ирисовой диафрагмой Рис. 6.23. Микрообъектив апохро- мат 40X0,95 с коррекционной опра- вой оправой (рнс. 6.23). При вращении коррекционного кольца в кор- пусе объектива происходит изменение воздушного промежутка между вторым и третьим компонентами, чем производится коррекция изменения аберраций. На рис. 6.24, а—в приведены конструкции планапохроматов (ОПА-1, ОПА-3, ОПА-5), предназначенных для универсального био- логического микроскопа. Контактный объектив 10X0,40 (рис. 6.25) применяется для непо- средственного исследования живой ткани в счете люминесценции. При работе на микроскопе первая поверхность фронтальной линзы приводится в соприкосновение с исследуемой поверхностью объекта. На рис. 6.26 изображена типовая конструкция зеркально-линзовых безыммерсионных мнкрообьективов J5X0.65 (ОР-75ИК) и 40X0,70 348
Рие. 6.24. Микрообъективы планапохроматы Рис. 6.25. Контактный ми- крообъектив планахромат 10X0,40 Рис. 6.26. Безыммерсионный зер- кально-линзовый объектив 75Х 0,65 319
(ОР-40), рассчитанных для области спектра от 0,589 до 5,5 мкм и при- меняемых в инфракрасных мйкросквпатг [71]. П/юстсть предмета На рис. 6.27 дана кон- струкция зеркально-линзо- вого объектива ОР—II с большим рабочим расстоя- нием (sx = 40,6 мм), пред- назначенного для высоко- температурного микроскопа, а также микроспектрального локального анализа с по- мощью лазерного излуче- ния [71]. На рис. 6.28 приведены типовые конструкции проек- Рис. 6.27. Зеркально-линзо- вый объектив с большим ра- бочим расстоянием (/' = = 9,9 мм, А — 0,4, тубус оо) ционных объективов «Корректар» ОФ-JII и микропланаров ОП-15, ОП-16, ОП-17, предназначенных для макро- и микрофотографии на пластинку размером 12Х 18 см. , Рис. 6.28. Проекционные объективы: а — «Корректар»; б — микропланар Окуляры Для рассматривания изображения, создаваемого объективом, в оптических приборах используются окуляры. По оптическим схемам и конструктивным особенностям окуляры могут быть подразделены н<Г 320
окуляры телескопических приборов и окуляры мии^вё'кбпов. Для теяесквп*м*(жиж-?Г1рибэрвв (Применяются окуляры .с внешней и вну- тренней фокуепрощйэй: Особую группу составлю? автоколламациониые (fejSftpbi: • ' 'i Для наблюдателя, страдающего близорукостью или дальнозор- ЙбсНю, с целью резкого видения фокальная плоскость окуляра должна быТь смещена в ту или другую сторону относительно плоскости изобра- жения. Величина этого смещения, соответствующая аметропии глаза Af дптр, определяется но формуле г — N /('^/1000 мм’ Окуляры Рис. 6.29. Конструкции окуляров с внешней фоку- сировкой и мягким наглазником обычно рассчитываются на смещение, соответствующее 4—5 дптр; в каждую сторону. . Конструкции окуляров с внешней фокусировкой приведены на рис. 6.29. Такие окуляры ввиду простоты конструкций являются наи- более распространенными. Фокусировка производится перемещением оправы с линзами окуляра по резьбе корпуса. Для получения малого угла поворота ведущего кольца (менее 360° при наличии на ведущем кольце диоптрийной шкалы) при большом осевом перемещении и тонко- стенных оправах применяется многоходовая окулярная резьба (гибл. 6.3). Кроме рен.б, уиишниых п табл. 6.3, допускается применение: одноходовой реп.бы с Ш.Т1ОМ I мм для всех диаметров. 1 [едоетвтком таких окуляров является то, что при фокусировке происходит вращение паглаэппка, укрепленного на оправе. Это ослож- няет работу е прибором и затрудняет установку несимметричных на- гла шпков. Для исключения указанных недостатков конструкция,окуг лира выполняется так, чтобы при вращении ведущего кольца проис- ходило только линейное перемещение оправы линз с установленным! наглазником. С целью предохранения оправы линз окуляра от про- ворачивания применяются направляющие шпонки или штифты: 11 В. А. Паков и др. 321
' Т а б л и ц а 6.3. Окулярная резьба (по ГОСТ 5359—77) Номиналь- ны П диа- метр d, мм Шаг Р, мм Число заходов 1 2 4 6 8 10 12 16 22 Ряд 1 Ряд 2 Ход резьбы Pfa, мм 10 1,5 1,5 3 12 1,5 3 6 14 1,5 3 6 16 1,5 3 6 9 18 1,5 3 G 9 20 1,5 3 6 9 12 15 21 1,5 3 6 9 12 15 22 1,5 3 6 9 12 15 23 1,5 3 6 9 12 15 24 1,5 3 6 9 12 15 25 1,5 3 6 9 12 15 26 1,5 3 6 9 12 15 27 1,5 3 6 9 12 15 28 1,5 3 6 9 12 15 29 1,5 3 6 9 12 15 30 1,5 3 6 9 12 15 24 31 1,5 3 6 9 12 15 18 24 32 1,5 3 6 9 12 15 18 24 33 1,5 3 6 9 12 15 18 24 34 1,5 3 6 9 12 15 18 24 35 1,5 3 6 9 12 15 18 24 322
Продолжение табл. 6.8 Номиналь- ный . диа- ! метр d, мм Шаг Р. мм Число заходов « 2 4 6 8 10 12 16 20 24 Ряд 1 Ряд 2 Ход резьбы Pfj, мм 36 1,5 1.5 3 6 9 12 15 18 24 37 1,5 3 6 9 12 15 18 24 3« 1,5 3 6 9 12 15 18 24 39 1.5 3 6 9 12 15 18 24 40 1,5 3 6 9 12 15 18 24 41 1,5 3 6 9 12 15 18 24 42 1,5 3 6 9 12 15 18 24 43 1,5 3 6 9 12 15 18 24 44 1,5 3 6 9 12 15 18 24 45 1,5 3 6 9 12 15 18 24 46 1,5 3 6 9 12 15 18 24 47 1,5 3 6 9 12 15 18 24 48 1,5 3 6 9 12 15 18 24 49 1,5 3 6 9 12 15 18 24 50 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 52 1.5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 55 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 58 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 11 323
Предвегжение. табл. 6.3 Номнналь- Число заходов нъга диа- метр d, ММ Шаг Р, мм 1 2 4 6 8 12 16 20 24 Ряд 1 Ряд 2 Ход резьбы Р^.мм 58 2 8 16 24 32 40 48 60 1,5 1,5 3 6 9 12 '15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 62 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 65 1.5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 68 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 70 1,5 1,5. 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 72 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 75 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 8 16 24 32 40 48 78 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 80 1,5 1,5 3 6 9 12 15 18 24 30 36 2 • 8 , 16 24 32 40 48 Примечание. Одноходовая окулярная резьба всех диаметров может быть изготовлена с шагом 1 мм. 324
325
Крепление окуляров на приборе осуществляется с помощью вииточ (рис. 6.29, о) или резьбы (6.29,6). ... На рис. 6.30 показан окуляр лупы сквозной наводки киносъемоч* ной камеры. При вращении ведущего кольца оправа линз получает ' । .<»«»> Рис. 6.31. Конструкция окуляра с внутренней фокусировкой Рнс. 6.32. Окуляры микроскопов: а—окуляр Гюйгенса 7х; б—из- мерительный окуляр Гюйгенса 7х; в—компенсационный окуляр 15х продольное перемещение. Для предохранения кинопленки от засветки на окуляр установлен несимметричный наглазник, более плотно приле- гающий к голове, и имеется устройство, исключающее доступ света в ка- меру в то время, когда наблюдение в окуляр не производится. Прн на,. 326
жйМй иа наглазник 1 клин 2 входит в корпус 3 и, раздвигая лепестки 4, открывает доступ света к глазу наблюдателя. По прекращению наблю- дения детали механизма возвращаются в исходное положение и лепестки шторки перекрывают световое отверстие. Описанные типы окуляров имеют существенные недостатки. При фокусировке окуляра вследствие его продольного перемещения происходит также смещение выходного зрачка прибора. При наличии налобника это вызывает несовпадение выходного зрачка прибора и зрачка глаза, что в случае малой величины выходного зрачка приводит к виньетированию и срезанию поля зрения. Кроме того, при установке налобника затруднен доступ к ведущему кольцу окуляра, а также iермсти.чацпя окуляра. Указанных недостатков ли- шены окуляры с внутренней фокуси- ровкой, которая осуществляется изме- нением воздушного промежутка между линзами окуляра. Глазная линза ос- тается неподвижной, а перемещаются внутренние линзы окуляра. Пример подобной конструкции приведен на рис. 6.31. Глазная линза неподвижно закреплена в корпусе. При вращении маховика трубка, сцепленная с зубча- той рейкой, нарезанной на оправе подвижных линз окуляра, перемещает их в продольном направлении. Тем са- мым осуществляется диоптрийная на- водка. Шкала диоптрий помещена на маховике. Герметичность достигается за счет установки сальника па валу Рнс 6 33 Окулярный тубус маховика. биологического микроскопа Окуляры микроскопов изобра- жены па рис. 6.32, а—в. Конструкции их просты и, как правило, не имеют устройств для фокусировки; исклю- чение составляют лишь измерительные окуляры. Для установки оку- ляра служит окулярный тубус (рис. 6.33). В бинокулярных приборах для установки окуляров по базе глаз наблюдателя применяются различ- ные механизмы. Вариантом такой конструкции является параллельная раздвижка труб прибора (бинокль, стереотруба). Наиболее распростра- нена конструкция механизма с применением ромбических призм, в ко- торой могут двигаться один илн оба окуляра. Системы смены увеличения Изменение увеличения в оптических приборах может производиться: установкой перед объективом сменных телескопических насадок; смен- ными объективами или установкой объектива с переменным фокусным расстоянием; изменением увеличения оборачивающей системы (сменой линз или плавно); сменой окуляров. Изменение увеличения с помощью телескопических насадок широко применяется как в кино- и фотоаппаратуре, так и в телескопических приборах. Насадки располагают перед объективом и изменяют его фокусное расстояние, не влияя на величину последнего отрезка. На- садки также можно устанавливать раздельно или монтировать на пово- ротной турели. « -а । 327
Конструкция узлов смены увеличения бинокулярного "прибора с явмощые-установленных перёд объективами трубок Галилея4может давать три увеличения. > Изменение увеличения путем смены объективов широко прИкйе‘- няется в кино- и фотоаппаратуре и в микроскопах. Сменные объекЙйй могут крепиться при помощи резьбы или байонетного соединения. В’тех Рис. 6.34. Констру- кция револьвера объективов микро- скопа случаях, когда требуется быстрая смена объективов с достаточной сте- пенью точности, используются различные револьверные устройства. Для смены объективов телескопических приборов револьверные уст- ройства применяются редко ввиду громоздкости конструкции. Наибо- лее широкое применение револьверные устройства нашли в микроско- пии, где они используются для смены объективов и иногда для смены окуляров и конденсаторов. Рис. 6.35. Центри- руемый щипцовый держатель микро- объективов На рис. 6.34 показана конструкция револьвера объективов микро- скопа. Опорные торцы объективных гнезд револьвера должны устанав- ливаться на одной высоте с точностью до 0,01 мм; иеперпеидикулярность торцов к оси не более 5'; децентрировка гнезд при переключении не более 0,02 мм. При данных допусках на точность работы револьвера, а также допусках на точность центрировки мнкрообъективов относи- тельно их крепежной резьбы п опорного торца, при переключении объек- те
_n Рис. 6.36. Универсальный видоиска- тель с револьвером объективов -доводке меньщегр увеличения на большее, изображение, находившееся в.^ентре поди зрения объектива меньшего’ увеличения, не должно выйти из поля зрения сле- дудац^го . объектива бодь- щда^.увёличения'.'; Для бы- строй и точной смены мйкрообъективов применя- ется также центрируемый щипцовый держатель (рис. 6.35) (в поляризационных микроскопах). На рис. 6.36 дана кон- струкция универсального ви- доискателя для фотоаппа- рата. Видоискатель имеет револьвер со сменными объ- ективами, угловые поля ко- торых равны угловым полям съемочных объективов. Для плавного изменения увели- чения применяют панкрати- ческие системы. Схема по- добной конструкции приве- дена на рис. 6.37. Каждая из линз 2 и 4 перемещается по определенному закону при вращении наружной трубки 3, имеющей пазы определен- ного профиля. Во внутрен- ней трубке 1 сделаны про- дольные пазы, предохраня- ющие оправы с линзами от проворота. Для упрощения изготовления один из пазов выполняется по винтовой линии. Недостатком подоб- ной конструкции является невысокое качество изображения, даваемой системой, из-за ошибок изготовления спиральных пазов и люфтов в сопряжениях. Рис. &.Э7. Пан«|м»тическая оборач»в^нощая, система * ............................................ 329
Светофильтры Сменные светофильтры, используемые в оптических приборах, мо- гут, быть насадными, вкладывающимися и встроенными. Насадные све- тофильтры применяются, как правило, в малогабаритных переносных А Рис. 6.38. Поляризационный светофильтр в оп- раве приборах (фотоаппараты, бинокли). Крепление светофильтров может производиться или иа резьбе или с помощью пружинящих разрезных оправ (рис. 6.38). Светофильтры можно устанавливать перед объекти- вом, или за окуляром. Встроенные светофильтры можно устанавливать в любом месте оптической системы внутри прибора, кроме мест, близких 330
к плоскости изображения. Конструкции узлов смены светофильтров ?.югут быть различными в зависимости от габаритов и места установки. Наиболее распространенной является установка светофильтров в дисках rjjjQcpzoft или сферической формы (рис. 6.39). В дальномерах часто при- меццется установка светофильтров в барабанах. На рис. 6.40 приведена конструкция механизма светофильтров, смонтированного в верхней части зрительной трубы. Для переключения светофильтров применен мальтийский механизм. При повороте диска 2 один из пальцев ,3 входит в прорезь угольника 1, привинченного к оправе 4 светофильтра, и пово- Рис. 6.40. Механизм смены светофильтров визира рачивает онраву в положение, показанное пунктиром. Второй свето- фильтр в это время удерживается от поворота ободком диска 2. При по- вороте диска 2 в противоположную сторону правый светофильтр под- нимается, а левый опускается и занимает горизонтальное положение. Для исключения дребезжания светофильтров прн вибрации из-за люф- тов в сопряжениях применены спиральные пружины. Управление ме- ханизмом производится при помощи гибкого тросика, закрепленного иа шкиве 5. Механизм клинового компенсатора Клиповой компенсатор широко применяется в различных дально- мерах. При вращении двух оптических клиньев в противоположные стороны с одинаковой скоростью происходит смещение луча в одной плоскости, причем это смещение находится в зависимости от характери- стики клиньев и угла их взаимного разворота (см. гл. 4). На рис. 6.41 приведена конструкция клинового компенсатора дальномера. При вращении винта 2 перемещается каретка / синусного механизма, свя- занная с роликом 3 линейки, закрепленным на коническом колесе 4. Это колесо сцеплено с двумя другими колесами 6 и 9, несущими 33.1
ахроматические клинья 7 Ti«8v Регулировка механизма производится изменением длины синусной линейки путем подвижки'ролика З на винтах 5. 7 “ 1 777/7'77^ а Рнс. 6.41. Механизм клинового компенсатора дальномера Конденсоры и коллекторы микроскопов Конденсоры микроскопов предназначены для освещения наблюдае- мых объектов. Конденсоры могут иметь встроенную апертурную ири- совуГо диафрагму или панкратичеекую оптическую систему для измене- ния апертуры. На рис. 6.42 показаны конструкции конденсоров со сфе- рическими и параболическими линзами. Рис. 6.42. Конструкции конден- соров микроскопов: а — кон- денсор с апертурой 1, 2; б — конденсор с апертурой 1, 4 (с па- раболической линзой) 332 Рис. 6.43. Конструкция апла- натического ахроматического коллектора микроскопа
Коллектором в' микроск&пе называется оптическая система»'кото* рая располджена непосредственно у источника света/Основное назначе- ние коллектора — передать изображение источника света, как правило, в увеличенном масштабе, в плоскость апертурной диафрагмы конденсора (проходящий свет) или в плоскость, сопряжен- ную с выходным зрачком объективаг микроскопа (отраженный свет). На рис. 6.43 приведена кон- струкция апланатического ахроматического коллек- тора с фокусным расстоя- нием /' — 56 мм и число- вой апертурой А = 0,5. В ы ключающееся зеркало Механизм (рис. 6.44) состоит из корпуса 1, от- кидывающегося зеркала 2 в оправе и пружины 4. Для точной фиксации зер- Рис. 6.44. Механизм выключающегося зеркала Рис. 6.45. Дифракционная решетка в юс- тируемой оправе кала в рабочем положе- нии предусмотрен регули- руемый упор 5. Смягче- ние удара при переброске оправы обеспечивается амортизаторами 3 и 6. Крепление дифракционных решеток Дифракционные ре- шетки чрезвычайно чув- ствительны к деформа- циям. Точность установ- ки плоскости решеток обычно выше, чем зеркал, и, кроме того, необходи- мы точная установка и фиксация решетки по направлению штрихов. В стационарных приборах конструкции узлов дифракционных решеток снабжаются устройствами для регулировки положения с высокой точностью. В бортовых приборах применяются дифракционные решетки меньших размеров и точности. Поэтому юсти- ровка при сборке производится в основном за счет прнпиливанця и при- шабр.ивання опорных поверхностей, что позволяет упростить конструк- цию узла крепления, уменьшить ее габариты и повысить жесткость и 333
надежность крепления. На рис. 6.45 и 6.46 приведены конструкций уз- Лов дифракционных решеток стационарных приборов, а на рис: 6.47 и 6:48 — дифракционные решетки в оправах, устанавливаемые в борто- вых приборах. “!i Рис. 6.47. Дифракцион- ная решетка в оправе с пружинным кольцом Рис. 6.46. Плоская дифракционная решетка в оправе Рнс.6.48. Дифракционная решет- ка в жесткой оправе Модуляторы света Для модуляции светового потока, попадающего на фотоэлектрон- ные приемники, применяются различные модуляторы, работающие на отражение илн пропускание света. На рис. 6.49 показаны типы стеклян- Рис. 6.49. Модуля- торы света 334
ных и, металлических модуляторов. Стеклянные модуляторы могут,.бь)ть выполнены фотографическим способом или нанесением зеркального покрытия. Металлические модуляторы, работающие на отражение, изготовляются из высокоуглеродистой стали с отражающим покрытием^ из нержавеющей стали или алюминиевых сплавов. Отражающие поверх- ности доводятся до высо- кой степени чистоты (R?-~ — 0,100-^0,050 мкм). Осевые модуля торы (рис. 6.50) устанавл нвают так, что их ось иращеипя совпадает с визирной осью оптической системы. Требования к моду- ляторам могут быть раз- личными в каждом от- дельном случае. Основ- ным является изменение светового потока по опре- деленному закону с за- данной точностью, поэто- му необходимо равенство рабочих зои модулятора (отражающей и пропуска- ющей свет). Точность из- готовления их зависит от допускаемого искажения формы, сигнала. На рис. 6.51. приведена конструк- ция узла осевых модуля- торов, которая дает воз- можность быстрой смены их в процессе работы при- бора. Узел установлен в фокальной плоскости объ- ектива гидирующего при- бора. Требования к ра- боте узла определяются небольшим размером изо- бражения (0,03—0,1 мм) и необходимой точностью слежения. Радиальное биение кромки модуля- Рис. 6.51. Механизм модуляторов тора определяет мертвую зону и допускается в пределах до 0,01 мм. Точность смещения центров модуляторов.при их смене (пря- мая ошибка слежения) 0,01—0,015 мм. Вследствие установки моду- лятора в плоскости изображения предъявляются высокие требова- ния к качеству выполнения и чистоте обработки рабочих кромок (неров- ности и ширина их допускается до 0,005 мм). Установка моду- ляторов на насыпных шарикоподшипниках допустима только- при небольших частотах вращения (300—400 об/мин). При больших частотах следует применять стандартные радиальные шарикопод- шипники. . .Вращение модуляторов производится от электродвигателей стабили- зированной скорости. • 335
' Фокусировочные механизмы Фокусировочные меХтйЖвмы предназначены для получения резкого изображения объекта в микроскопах и контролыю-юстировэчных.уст-г ройствах. ; * В настоящее время в микроскопостроении известно большое число различных схем и конструкций фокусировочных механизмов, часть из которых опубликована в литературе по микроскопии [61 [, [761, осталь- ные в патентах. • Рис. 6.52. Рычаж- но-винтовой механизм топкого перемещения Рис. 6.53. Кривошип- но-шатунный меха- низм тонкого переме- щения Рис. 6.54. Клино- вой механизм тон- кого перемещения Обычно, фокусировочные механизмы состоят из раздельно функцио- нирующих механизмов для грубого и тонкого перемещения. В качестве механизма грубого перемещения чаще всего используют зубчато-реечную передачу, состоящую из косозубой шестерни и рейки. Применение такой передачи обусловлено необходимостью получить плавное перемещение ведомого элемента механизма. Плавность движения ведомых элементов фокусировочных механиз- мов является основным требованием, которое предъявляется к этим меха- низмам. В качестве механизмов тонкого перемещения используют самые различные механизмы. Чаще других применяют механизмы, схемы ко- торых изображены иа рисунках, приведенных ниже. На рис. 6.521 изображена схема рычажно-винтового механизма тонкого перемещения, где вращением рукоятки 1 поступательно пере- мещают винт, который своим фланцем А поворачивает рычаг 2. Пово- рот рычага 2 вызывает поступательное движение каретки 3. Контакт каретки 3 с рычагом 2 и рычага с фланцем винта, осуществляемый па- рами 1-го класса (см. гл. 9, табл. 1) обеспечивается силовым замыканием с помощью пружины 4. Кинематические параметры рассматриваемого механизма таковы: шаг винта — 0,5 мм, отношение длин плеч колеича- 1 На рис. 6.52 — 6.54 римскими цифрами обозначены класс» кинемати- ческих пар (см, гл, 9). 336
тог»рычага Zt '.4? 1 : й;;Рабоч41Й..дна1шзон,.перемешеняя каретки 5— 2 мм. За один оборот рукоятки / каретка 3 перемещЭетеяв своих направ- ляющих на 0,25 мм. Для уменьшения мертвого хода в механизме колеи- чатуй рычаг 2 следует подвесить на упругом крестообразном шарнире (см. гл. 11, рис. 11.34). , .1. .43 механизме, изображенном иа рпс. 6.53, перемещением винта 1 поворачивают рычаг 2, малое плечо которого является кривошипом в кривошипно-шатунном механизме, состоящим из шатуна 3 и ползуна 4. Таким образом, поворот рычат 2 через шатун 3 преобразовывается в поступательное перемещение каретки (ползуна) 4. Кинематические параметры рассматриваемого механизма: отношение длин плеч рычага 2 — I, : 1г = 1:4. За один оборот пиита / каретка 4 перемещается на 0,2 мм. Рабочий диапазон перемещения каретки 4 составляет 2 мм. Контакт звеньев между собой обеспечивается силовым замыканием с по- мощью пружины 5. В механизме, который приведен на рис. 6.54, вращение винта 1 вызывает поступательное перемещение клина 2 вдоль оси винта. Переме- щение клина вызывает перемещение каретки 4. Контакт каретки 4 с кли- ном 2 осуществляется силовым замыканием с помощью -пружины 5. Для уменьшения трения и увеличения плавности движения каретки 4 контакт ее с клином осуществляется через ролик 3. В качестве направляющих для кареток рассмотренных механизмов чаще всего используют направляющие типа «ласточкин хвост» или обычные шариковые направляющие замкнутого типа (см. гл. 11, табл. 1, поз. 5 и 10). Из трех рассмотренных механизмов тонкого перемещения наиболее предпочтительным является механизм, изображенный на рис. 6.54. Конструкция его проще и технологичнее двух других механизмов. Литература: [36, 56, 61, 74, 76, 77, 891
ГЛАВА 7 ДИАФРАГМЫ, ЩЕЛИ, БЛЕНДЫ, НАГЛАЗНИКИ И НАЛОБНИКИ ДИАФРАГМЫ Диафрагмами в оптических приборах называются детали и устрой- ства, предназначенные для ограничения диаметра пучка лучей, прохо- дящих через оптическую систему. Так как оптические системы центри- рованные, то диафрагмы, как правило, имеют круглые отверстия. Рис. 7.1. Ирисовая дпафрщма фотообъектива: 1 — ведущее кольцо; 2 — осевой штифт; 3 — коронка; 4 — ведущий штифт; 5 — оправа По оптическому действию следует различать диафрагмы, ограничи- вающие входящие в прибор пучки — апертурные диафрагмы и диа- фрагмы, ограничивающие линейное (или угловое) поле (кадровая рамка в кино- и фотоаппаратах, отверстия в оправах сеток визуальных при-, боров, диафрагмы в окулярах микроскопов) — полевые диафрагмы. Полевые диафрагмы, как правило, имеют неизменяемое отверстие,, однако в микроскопах и некоторых других приборах применяются поле- ЗЗй
вые диафрагмы с изменяющимся отверстием. Не изменяются отверстия апертурных диафрагм, являющихся входными зрачками в телескопиче- ских системах. В микроскопах, фотоаппаратах и осветительных приборах почти всегда должна быть предусмотрена возможность изменения диаметра отверстия апертурной диафрагмы для регулирования освещенности. Для этой цели в простейших приборах применяются либо смеииые, Рис. 7.2. Ирисовая ди- афрагма микроскопа либо револьверные диафрагмы в виде диска с рядом отверстий. Обе эти диа- фрагмы неудобны в эксплуатации, так как не позволяют плавно изменять ос- вещенность, а последние к тому же имеют большие габариты. Поэтому ши- рокое применение получили ирисовые диафрагмы, плавно изменяющие в за- данных пределах световое отверстие объектива или осветительной системы. Ирисовая диафрагма состоит из набора тонких дугообразных пла- стинок (лепестков), кольцевой оправы и поворотного кольца (коронки). Ле- пестки имеют на концах штафты. Один штифт (осевой) каждого лепестка входит в отверстие кольцевой оправы, Рис. 7.3. Лепесток диафрагмы другой (ведомый) — в соответствующий радиальный паз поворотного кольца. При повороте короики все лепестки поворачиваются в оправе, изменяя диаметр отверстия диафрагмы. Ирисовые диафрагмы (рис. 7.1 и 7.2) различаются размерами предельных отверстий, наружной формой, наличием рукоятки или ведущего кольца и шкалой. Ру- коятка обычно применяется в микроскопах, ведущее кольцо —- в фото- объективах. В табл. 7.1 приведены конструктивные размеры лепестков ирисо- вой диафрагмы в зависимости от пределов измерения диаметра свето- вого отверстия диафрагмы и числа лепестков. Данные настоящей таб- лицы, так же как и приводимой ниже табл. 7.2 не применимы при кон- струировании ирисовых диафрагм специальной конструкции и назначе- ния (с лепестками особой формы, с пропорциональной шкалой и т. д.). •Размеры лепестков выбирают по рис. 7.3 и табл. 7.1. 339
Т а б. л ила 7.1. Конструктивные размеры в мм и число лепестков ирисовых диафрагм диаметр светового отверстия «1 В «2 «2 d S rt Число лепест- ков • Наи- больший Наи- меньший Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- 1 клонение' Номи- 1 нальный | 1 Предель- ное от- клонение Номи- нальный П редел ь- и ое от- клонение Ними- | нальный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение 8 10 0,6 0,7 4 5 2 2,5 —0,25 5 6,25 5 6,5 0,6 +0,004 1 1? 0,8 6 ±0.1 3 7,5 +0,1 7,5 +0,1 10 14 16 0,9 1,0 7 8 3.5 8,75 9,75 9 10 0.8 +0,045 1.5 18 20 1,1 1.2 9 10 4 —0,3 И 12 11,5 12,5 0,08 —0,01 22 1,4 11 5 13,5 14 12 ' 25 1,6 12,5 15 15,5 28- 1,8 14 6 17 ±0,15 18 ±0,15 2 32 2,0 16 ±0.15 19 20 1,0 +0,06 36 2,2 18 7 21,5 22,5 40 44 2,5 2,8 20 22 8 —0,36 24 26 25,5 27,5 0,1 —0,015 2,5 14 Продолжение табл. 7.1 Диаметр светового отверстия Я, в «2 Я„ d S Гх Число лепест- ков- 1 Наи- ! больший ж S э = X « * X 2 Номи- 1 нальный 11редель- пое от- клонение Номи- нальный Предел ь- ное от- клонение У Min (Г и и -nwo| ( Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи - нальный Предель- ное от- клонение 48 52 56 60 3,0 3,5 4,0 4,5 24 26 28 30 ±0,15 9 —0,36 28.5 ±0,15 30 ±0,2 1,0 + 0,06 0,1 —0,015 3 14 30,5 33 35 38 40.5 43.5 46 49.5 52,5 57 ±0,2 32 35 37 40,5 43 46,5 49 53 56 61 10 1,2 16 65 70 75 80 86 92 100 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 32,5 35 37.5 40 43 46 50 ±0,2 11 —0,43 0,12 12 SJ8 13 14 Примечания: 1. При брльшнх отношениях диаметра светового отверстия в случае полного открытия диафрагмы к наименьшему диаметру светового отверстия указанный в таблице размер s рекомендуется уменьшать примерно нв 1/± 2. Допускается уменьшение числа лепестков (до пяти) с соответствующим увеличением их ширины.
Таблица 7.2. Основные конструктивные размеры коронок и оправ диафрагм Размеры, мм Di ь t V Do d Коли- чест- во па- зов Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение 8 +0,2 1 1 36е 10 ±0,10 1 10 1 1 36° 12.5 1 12 1,2 1,5 36° 15 1,2 10 14 16 + 0,24 1,2 1,2 1,5 1,5 36° 36е ±30' 17.5 19,5 ±0,16 1.2 1,2 18 1,2 1,5 30° 22 1,2 20 22 25 +0,28 1,2 1,5 1,5 + 0.25 1,5 1,5 1,5 +0,25 30° 30° 30° 24 27 30 1,5 1,5 1,5 +0,12 12 28 1,5 1,5 30° 34 1,5 1,5 1,5 25° 43' 32 38 1,5 36 40 + 0,34 1,5 1,5 1,5 1,5 25° 43' 25° 43' ±25' 43 48 ±0,20 1,5 1,5 14 48 1,5 1,5 25° 43' - --- 57 1,5 Продолжение табл. 7.2 Размеры, мм Di ь t V С 0 d Коли- чест- Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи- нальный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение во па- зов 52 1,5 1,5 . 25° 43" 61 1,5 14 56 60 2 2 1,8 1,8 22° 30' 22° 30' ±25' 66 70 ±0,20 2 2 65 +0,4 2 1,8 22° 30' 76 2 16 70 75 2 2 +0,25 1,8 1,8 +0.25 22° 30' 22° 30' 81 87 2 2 +0,12 80 2 1,8 20° ±20' 92 ±0,25 2 86 92 + 0,46 2 2 1,8 1,8 20° 20° 99 105 2 2 18 100 2 1,8 20° 114 2 Примечание. Размер t приведен для коронок с глухими пазами. Для коронок со сквозными пазами он может быть уменьшен до 1/2 от указанного в таблице.
В табл. 7.2 приводятся , конструктивные ^размеры оправ и. коронок ирисвиыл>"Ли»фрагмт И* основные размеры следует устанавливать' по Табл. 7.2‘и рис. 7.4, а остальные размеры — по конструктивном!сооб- ражениям. Размер D должен быть не менее 2 (/? + В) (см, табл. 7а% и рис. 7.3). . : Размеры штифтов выбирают в соответствии с рис. 7.5 и табл., 7.3. Лепестки изготовляют из стальной ленты по ГОСТ 21996—76, ГОСТ 21997—76 или ГОСТ 503—71. Допускается изготовление из ленты сплава АМг по ГОСТ 4784—74. Штифты делают из латунной про- волоки марки Л62 по ГОСТ 1066—75. Оправы и коронки могут изготов- ляться из сплавов АЛ2, АМг2 или из сплава Д16АТ. *5| Рис. 7.4. Типы коронок Рис. 7.5. Штифт диафрагмы Установлены следующие допуски на диаметр отверстия диаф- рагм микроскопов: для полевых диафрагм до 5%; для апертур- ных — до 8%. Для диафрагм фотоаппаратуры допускается откло- нение по седьмому классу точности. Лепестки диафрагм должны окрашиваться в черный цвет. При необходимости конструирования диафрагм, имеющих диаметр светового отверстия более 100 мм или диафрагм специальной конструк- ции-следует произвести расчет по приводимой ниже методике. Рабл и на 7.3. Размеры штифтов для лепестков диафрагм Размеры, мм Для диафрагм с наибольшим световым диа- метром D d L ' Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение Номи- наль- ный Предель- ное от- клонение 8—10 12-20 22-52 56—100 1.0 1,2 1,5 2.0 —0,06 —0,12 0,6 0,8 1,0 1,2 —0,04 —0,045 —0.6 —0.6 1,2 1,5 1,5 1.8 —0,25 34Г-
Расчет ирисовых диафрагм < ‘ Исходными данными для расчета являются диаметры наибольшего и Наименьшего световых отверстий диафрагмы 2р, а также предельная наибольшая толщина ее по оси. ‘ При расчете определяют (рис. 7.4 и 7.6): внутренний и наружный радиусы кривизны лепестка гв1| и гн; толщину лепестка s; радиус окруж- Рис. 7.6. Схема к расчету ирисовой диафрагмы ности, по которой расположены отверстия под штифты г; угол между штифтами лепестка у; минимальное число лепестков п; толщину диа- фрагмы по оси Т\ шкалу углов поворота коронки Р в зависимости от диа- метра отверстия диафрагмы. Внутренний радиус лепестка равен радиусу наибольшего светового отверстия диафрагмы. Расстояние между штифтами лепестка должно быть О]О2 г + гвн (рис. 7.6, а), в противном случае при некотором угле поворота коронки штифт выйдет из паза. Радиус окружности расположения отверстий под штифты опреде- ляется по формуле Ч~ Г ни ^2 гвн pmin . т з [гвп + К7гвн 3Ртщ (2гвв Praia)]' Э45
Наружный радиус лепестка ги беретсяравньш 2г — гвн. Угол между штифтами лепестка находится из треугольника О().1О1 по формулам: sin Д- = Гвн ; у==2 arcsin - ~'~Гви . 2 2r 2r . Радиус закругления края лепестка rt = г — гви. Для компенсации допусков отверстие под ведомый штифт в лепестке смещают на 0,5—1 мм. Минимальное число лепестков п определяют исходя из наимень- шего необходимого перекрытия одного лепестка другим при наимень- шем отверстии диафрагмы (рис. 7.6, jy: 360 н и л = —. •' 01 “во Из треугольника АОО' имеем cos 0] (г,,» Рили)/(2л|1И), Из треугольника Л,О()' получаем о г "Т (гии Prnin) гн cos 0J ------г-—--------------. а8Н V ВН --(>1П1П) Полученное значение п округляют в сторону увеличения до бли- жайшего целого числа. Наибольшая толщина Т диафрагмы (по лепесткам): Т — sny/360, где s = 0,05—0,1 мм. На ведущем кольце наносится шкала диафрагмы. Зависимость светового отверстия диафрагмы от угла поворота 0 ве- дущего кольца (короики) находится из треугольника OfiO' (рис. 7.6, в) р — гвн у — гви 2г sin -ту-. Z4 . ОС Г RH О Отсюда sin-^- — - — , где а — угол поворота лепестка. Приближенно 0 = 2а, тогда sin . Более точные формулы для 0, получаемые из треугольника 00 tA, ________cos 2 . __ / cos а— . g(V Н 0) — г / у \ ’ 0 — arc g ycosa-|-fc/ ’ __sin(_ + a) a = 2 arcsin Р ; a = г — rBB; k = г/(г -ф гвн). Погрешности светового диаметра диафрагмы при расчете по при- ближенной формуле не превышают 4%. Щелевые диафрагмы Щелевые регулируемые диафрагмы применяются почти исключи- тельно в лабораторных приборах (спектроскопах, спектрографах, монохроматорах). 346
Конструкция щелевой диафрагмы (рис. 7.7,.а) позволяет изменять ширину щели с точностью до 0,01 мм. Ножи диафрагмы 1, имеющие форму клиньев, движутся в направ- ляющих 2, расположенных под углом, благодаря чему можно изме- нять ширину щели. Ножи прижимаются к направляющим пружинами 3 и 4. Для передвижения ножей служит микрометрический винт 5 с от- счетной шкалой 6. Цена деления шкалы 0,01 мм. Обратное движение ножам дает пружина 3. На рис. 7.7, б показана схема диафрагмы типа «кошачий глаз». Перемещение ножей / в оправе 2 должно происходить симметрично. При изменении диагонали а площадь отверстия диафрагмы изменяется пропорционально а2. Кромки ножей должны лежать в одной плоскости. НАГЛАЗНИКИ И НАЛОБНИКИ Наглазником называется деталь окуляра, облегчающая совмеще- ние и фиксацию зрачка глаза с выходным зрачком оптического прибора. Одновременно наглазники выполняют и другие функции: защищают глаз наблюдателя от попадания посторонних лучей, от ветра и дождя, от ушибов при толчках во время наблюдения. : Различают жесткие и мягкие наглазники. Жесткие наглазники: изготовляют из пластмассы, мягкие — из резины. .. 347-
Наглазники из пластмассы применяют в лабораторных приборах биноклях, астрономических и геодезических приборах, не иснытыва ющих толчков и ударов во время их использовании. 1 Наглазники из пластмассы изготавливаются трех типов: Тип I — симметричный, отбортованный с внутренней резьбой диаметрами 12—33 мм. Тип II — симметричный, цилин- дрический с внутренней резьбой диаметрами 18—27 мм. Тип 111 — несимметричный, с вну- тренней резьбой диаметрами 31 и 32 мм. Для изготовления наглазников из пластмассы следует применять фенопласт марки 03-010-02 ГОСТ 5689—73* черного цвета. Изготовле- ние наглазников из полистирола или из полиэтилена допустимо рри 348
Т абл и а а 7.4. Типы и основные размеры наглазников из пластмассы, мм «Л ; 'И . О 1 © ©" ю О| °. о’ 1 © О 1,0—0,2 1 ’ 1 ОС © 2.0 2,5 !| 1 £ 12,0 ю © >п © © <о © сэ © © ос г-" © ©" „ CN (N © © © © —Г см" г-’ << 1 ОС 9,0 12,5 11,0 °. Ч. °, ‘Ч о„ см" СО © © | © см см © 1 ’—* 1 £ СО LQ 3,5 1 а: ос © Г- © 14 17 сГ © О СМ тг © 00 о см © — — см ем см см 12 14 19,5 19,5 1 ;<з © ос © см т— см см ’ф © CTi см ю 00 СМ СМ СМ СО СО СО см см см^ об см" © I'*" — см см см 1 Q 22 26 30 34 40 "© rt* см см © со 3S тз ХХХХХХХХХХ ©©©©©©©©©© © © © © ©" ©" О* © ©" ©" ХХХХХХХХХХ СМ^©©©СМ^Г~©© .-.-.^^CsjtNCNCNcOcC М18Х0.75-7Н М22-Х0.75-7Н M25X0J5-H М27Х 0.75-7Н СПМ31Х0.75 кл. 3 СПМ32Х0.75 кл. 3 Тип IH 349
Рис. 7,11. Составные мягкие наглазники: / — кольцо нз губчатой резины; 2 — обтяжка нз кожи 35»
условии удовлетворения их эксплуатационных свойств тактике-техни- ческим требованиям на прибор. Наглазник следует располагать так, чтобы выходной зрачок совпа- дал с наружным срезом наглазника. Для наблюдения в очках нли про- тивогя^аЬыходпой зрачок должен быть вынесен на 6—8 мм. Рис. 7.12. Налобник: а — метал- лическая планка (основание по- душки); б— резиновая подушка Типы наглазников из пластмассы приводятся на рис. 7.8 и табл. 7.4. Формы мягких наглазников , меры некоторых применяющихся Рис. 7.13. Крепление налоб- ника [овольно разнообразны. Типы и раз- наглазников приведены на рис. 7.9. Материал — резина и губчатая ре- зина. Формы и размеры упругих наглазников показаны па рис. 7.10, а составных — па рис. 7.11. Рис. 7.14. Подушка — упор из губ- чатой резины, обшитый кожей Налобники (рис. 7.12 и 7.13) применяются вместе с наглазниками, помещаются над окулярами и служат для создания удобства для наблю- дения. Налобники особенно необходимы в том случае, если прибор вра- щается. Конструкция налобника может предусматривать его откиды- вание и. перемещение вдоль оси. . На рис. 7.14 изображен мягкий упор для лба. 351
БЛЕНДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ > ОТ РАССЕЯННОГО -СВЕТА Блендами называются трубки (козырьки), устанавливаемые <1йред входными окнами оптических приборов для защиты от засветки прЯЙЙс солнечными лучами в полевых условиях и для уменьшения вре&Нюго (рассеянного) света, попадающего в прибор. Способы уменьшения вредного (рассеянного) света 1 Вредный свет представляет собой часть светового потока, которая проходит через оптический прибор, не участвуя в образовании изобра- Рис. 7.15. Области входного АВ и выходного А'В' зрач- ков (в дальнейшем эти обозначения сохранены) жения, и попадает в глаз наблюдателя. Эта часть светового потока по- лучается в результате рассеяния света при отражении его от поверхно- стей оптических деталей, внутренних стенок корпуса прибора, оправ и т. п. Некоторая часть света рассеивается от пузырьков и включений в стекле деталей. Вредный свет, уменьшая контрастность изображения, может сильно ухудшить условия видимости. Для уменьшения вредного света могут быть приняты следующие меры: рациональное диафрагмиро- вание; просветление поверхностей оптических деталей; обработка и от- делка (окраска) внутренних поверхностей, создающие иаилучшее свето- поглощепие; применение противосолнечных бленд. Установлено, что наибольший диаметр зрачка глаза человека, на- блюдающего через оптический прибор, равен примерно 7 мм. Поэтому областью выходного зрачка А'В’ условно считается круг диаметром 7 мм, расположенный в плоскости выходного зрачка, с центром на оптиче- ской оси. Областью входного зрачка АВ называется область, сопряженная с областью выходного зрачка (рис, 7.15). Светом п-го порядка называется рассеянный свет, имеющий п отра- жений в приборе. Рациональное диафрагмирование светового пучка в приборе. При правильном диафрагмировании можно полностью устранить вредный * По материалам Д. IO. Гальиериа, Б. Л. Нефчк—« « 43. -И: Овшм1ваак»г^. 352
свет первого порядка и сильно ослабить вредный свемуорого и высшего - порядков, если это -позволяют допустимые габариты и вес прибора. Если перед входным зрачком прибора пет никаких материальных диа- фрагм, то на внутренние нерабочие поверхности может падать больной 4 Рис. 7.17. Простая бленда световой поток, не участвующий в построении изображения. Для умень- шения величины вредного светового потока надо уменьшить телесный угол прямой засветки, т. е. максимально срезать излишнюю часть лу- чей. Для этой цели применяются * бленды (рис. 7.16 и 7.17) различной формы. Внутри бленды целесообразно ; помещать диафрагмы (Dt, D.2 и т. д.), Расставленные таким образом, чтобы л$$ой луч прямой засветки после Щажеиия от внутренних стенок иды или диафрагмы не попадал во вхрдной зрачок прибора. В менее от- ветственных случаях можно ограни- читься окраской бленды изнутри хо- рошо поглощающими свет красками (рис. г________________ г , 7.17). Края диафрагм должны быть расположены вдоль линии АС и А'С, так как в этом случае .лучи, отраженные от краев диафрагм бленды, не проходят в отверстие полевой диафрагмы. При выполнении этого условия , L = D0/(tg оэ, — tg w0) и = £>0 (tg W! + tg w0)/(tg — tg ш0). 12 в. А. Панов и др. 353
Лучи прямой засветки после первого отражения от нерабочих поверхностей (стенки, оправы, цилиндрические поверхности линз, мати- рованные грани призм) не должны проходить через область выходного зрачка под углом к оптической оси, меньшими, чем угол ы. В проек- ционных приборах и фотоприборах эти лучи не должны проходить через отверстие полевой диафрагмы. Число и расположение диафрагм находится графически. На рис. 7.18 изображена простейшая телескопическая система, в которой выполнено указанное выше требование. Любой луч прямой засветки, упавший на поверхность корпуса тт , не проходит через об- ласть выходного зрачка. Свет, рассеянный участком корпуса тт", Рис. 7.18. Устранение рассеянного света первого порядка расположенный за полевой диафрагмой, также не будет вредным, так как лучи этого света выйдут из окуляра под углами большими, чем <£>'. Некоторые принципы построения и расчет бленд см. [82]. Внутренняя часть бленды должна как можно меньше отражать н рассеивать свет, т. е. необходимо, чтобы попавшие на стенку лучи поглощались. В наиболее ответственных случаях, когда от прибора тре- буется предельная разрешающая способность и высокий контраст изоб- ражения, к конструкции и материалу бленды предъявляются особые требования. Заслуживают внимания перегородки бленды, изготовлен- ные из соответствующего стекла с коэффициентом отражения р < 0,016 при полном отсутствии светопропускания [82]. Особое внимание должно быть уделено вопросу устранения бликов при расчете оптической системы. рсли последняя сконструирована таким образом, что каждый ее компе..епт изображает впереди стоящий оптический узел на последующий, то в такой системе не требуется уста- новки защитных диафрагм от рассеянного света первого порядка, отра- жающегося от стенок прибора и оправ линз. Чем больше компонентов в системе, тем надежнее она защищена от постороннего света. Однако наличие в системе значительных остаточных аберраций может вызвать появление рассеянного света. Следует не допускать проникновения каких-либо механических деталей в область световых лучей и завышения световых размеров опти- ческих деталей. Лишние части оптических деталей становятся провод- никами и источниками рассеянного света. При этом надо обратить осо- бое внимание на обработку поясков оправ, близлежащих к линзам. Если . конструкция прибора не позволяет устранить полностью ЯН
Рис. 7.19. Устранение рассеянного спета грани призмы от нерабочей а) S) 1 Рифленая поверхность г Коническая канавка в стекле Фаска вмеота конической канавки Коническая канавка в стекле Рис. 7.20. .Vcip.meiiiie рассеянного света от оправ и линз Рис. 7.21. Устранение рассеянного света второго порядка 12* 355
вредный свет первого порядка, то в таких случаях необходимо обеспе- чить отсутствие его хотя бы в центральной части поля прибора. На рис. 7.19 приведена простая телескопическая система, у которой вследствие малых размеров призмы и отсутствия бленды свет первого порядка, отраженный от матированных граней призмы, проходит крайние участки отверстия полевой диафрагмы и область выходного зрачка (заштрихованная часть пучка). Другие лучи (например, луч Е^Ез), исходящие от матовой поверхности призмы и проходящие через центральную часть поля, не попадают в область выходного зрачка и, следовательно, не являются вредными. Рифленые поверхности также выполняют функции системы диа- фрагм, но они менее эффективны, чем система, состоящая из небольшого количества диафрагм. Рифление следует применять только в тех слу- чаях, когда оно конструктивно или технологически выгоднее системы диафрагм. Вредный свет первого порядка возникает также в результате отра- жения лучей прямой засветки от цилиндрических матовых поверхностей линз и от внутренних цилиндрических поверхностей оправ линз (рис. 7.20, а). Свет (лучи 1 и 2), попадающий па эти поверхности, после отражения может частично проходить через отверстие полевой диа- фрагмы и область выходного зрачка. На рнс. 7.20, б показаны варианты правильной конструкции узла. Ослабление вредного света второго и высших порядков. Полное устранение вредного света второго и высших порядков невозможно, его удается лишь ослабить в большей или меньшей степени. Лучи рассеянного света любого порядка, отраженные от стенок корпуса, не должны проходить через область выходного зрачка под уг- лами, меньшими, чем со' (рис. 7.21). Для того чтобы обеспечить указан- ное выше требование, достаточно трех диафрагм, которые размещаются так, что если смотреть через любую точку отверстия полевой диафрагмы на внутренние боковые стенки корпуса, то последние либо не видны (закрыты диафрагмами), либо видны, но линии визирования на них ие пересекают области входного зрачка прибора (участок ОаМАС}). В этом случае из прибора будет выходить рассеянный свет второго и высшйх порядков, отраженный от поверхностей оптических деталей. Побочное вредное изображение. В оптических приборах в резуль- тате неправильного выбора параметров оптической системы иногда наблюдается наложение друг на друга основного и побочного изобра- жений. Побочное изображение в телескопических системах возникает в тех случаях, когда вследствие неправильного выбора размеров приз- менной системы различные пучки лучей имеют неодинаковое число от- ражений. Для устранения побочною изображения, даваемого качаю- щимися визирными призмами, иногда приходится вводить подвижные шторки (см. рис. 4.17). Чернением и окраской внутренних поверхностей стенок корпуса прибора, диафрагм, оправ и матированных поверхностей оптических деталей может быть достигнуто значительное ослабление вредного света. О способах чернения и применяемых при этом материалах см. в гл. 18. Л и т е р а т у р а: 117, 56, 82 1.
ГЛАВА « РАСЧЕТ ДОПУСКОВ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СБОРКУ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ И ПРИБОРОВ Расчет и задание всесторонне обоснованных допусков на точность изготовления оптических деталей, на сборку узлов и приборов в целом — обязательный и важнейший этап проектирования оптических приборов. На точность функционирования приборов влияют ошибки как механи- ческих, так и оптических деталей и устройств, в частности, такие по- грешности как дефекты качества изображения, параллакс и разворот шкал и сеток, наклон и перекос изображений, отклонение, биение или унод визирной оси и другие. Правильно заданные допуски на изготовле- ние и установку оптических деталей и узлов позволяют обеспечить вы- сокое качество выпускаемых приборов при наименьшей их себестоимо- ct II В данной глапе основное внимание уделяется расчету допусков дня oniiinecKiix де|алей, y iaon и оптнческпх систем в целом. (>н।unci кие с нск'мы должны длили, и 1обрлж.сппе высокого качества, обс( ш"шна11, 1ргГ>\см\111 1ОЧНОСП, p,i6ou,i прибора и иметь заданные Хар л и icplic I ики На качество и (обряжении он iпиеской сисгемы и па некоторые дру- гие ее характерце!ики илпясг множество погрешностей, которые можно объединить в три основные группы. 1. 1 lorpemiiocTii оптических материалов — отклонения величины основного показателя преломления пе, средней дисперсии Пр, — пс, и других констант материалов, из которых изготовляются основные детали, от принятых при расчете табличных величин, а также такие дефекты как оптическая неоднородность, двойное лучепреломление, свили и т. д. (см. гл. 23). 2. Погрешности обработки оптических деталей — отклонение формы их рабочих поверхностей от заданной (У, ДУ, А/?), децентри- ровка линз или их поверхностей (С), клиновидность пластинок (0) и разверток призм. 3. Погрешности сборки, вызывающие деформации оптических рабочих поверхностей, нарушение взаимоиоложения деталей и узлов в приборе, децентрирование частей системы, расфокусировку изображе- ния, отклонения визирных осей. Некоторые отклонения констант оптических материалов, например, показателей преломления, а также отдельные погрешности изготовле- ния деталей — их формы, толщины, вызывающие отклонения фокус- ного расстояния линз или дефекты качества изображения, могут быть 357
взаимно скомпенсированы при сборке продольным смещением оптиче- ских деталей, изменением воздушных промежутков между ними и т. д. Благодаря этой возможности удается существенно расширить допуски на изготовление оптических деталей, снизить требования к материалам, из которых они' изготовляются. Критерии оценки качества изображения и допуски на дефекты оптической системы Из существующих критериев оценки качества изображения, давае- мого оптическими системами, (по вычисленной величине кружка рас- сеяния, образуемого совокупностью лучей, по вычисленному распреде- лению интенсивности света в дифракционной картине и других) на практике при испытании узлов и приборов в процессе сборки применяют критерий Рэлея и функцию контраста или частотно-контрастную ха- рактеристику (ЧКХ) [71, 85]. Вследствие дифракции даже идеальной оптической системой с круг- лым зрачком точки предметов изображаются н виде пятен конечных размеров, в пределах которых волновая разность хода достигает вели- чины 0,61Л, где X — длина волны используемого света. Аберрации усложняют вид дифракционного изображения. Согласно критерию Рэлея качество изображения точек считается еще первоклассным, если волновые аберрации не превосходят величины Дв = л/4 в пределах рабочего пучка лучей. Рабочим пучком назовем пучок лучей наибольшего сечения, кото- рый в поле оптической системы образует изображение осевой точки предмета и по выходе из системы целиком попадает в зрачок глаза на- блюдателя или иного приемника световой энергии. При достаточной освещенности диаметр зрачка глаза наблюдателя £>з, г = 2 мм. Если выходной зрачок прибора больше 2 мм, то зрачок глаза наблюдателя, формируя выходящие пучки, становится выходным зрачком прибора. Соответственно рабочей зоной, в отличие от световой зоны, назовем участок поверхности оптической детали, на который падает рабочий пу- чок лучей. Полагая для видимой области спектра среднюю длину волны Лср = = 0,55 мкм для допустимой величины волновой аберрации визуальных систем, согласно критерию Рэлея, получим Дв С 0,14 мкм. Из этого допуска на все «технологические» аберрации, которые возникают вслед- ствие дефектов изготовления и сборки оптических деталей, рекомен- дуется выделить только его часть, выраженную в мкм, пе более (Дв)доп = 0,1. (8.1) Такова величина допустимой суммарной волновой аберрации на все оптические детали системы, влияющие на качество ее изображения. Расчет допусков на оптические детали и поверхности наиболее просто и быстро можно выполнить, пользуясь принципом таутохронизйа. Согласно этому принципу (см. гл. 1), волновые деформации в пределах рабочего пучка лучей не изменяют своей величины при ходе через любую последующую оптическую систему [40, 73, 89]. Волновые же дефор- мации, которые возникают при прохождении пучка лучей через оптиче- ские детали, имеющие дефекты материала и изготовления, алгебраиче- ски суммируются. На рис. 8.1, а показано прохождение плоского волнового фронта UZ через плоскую границу между двумя средами с показателями лре- «58
ломлення «1 и п2, причем nt > п2, а па плоскости раздела сред имеется местная неровность глубиной —А. Участок волнового фронта, про- ходящий через неровность, отстанет от основной его части, и на выхо- дящем в воздух волновом фронте W возникнет местная деформа- ция Дв. Согласно принципу таутохропизма, т, е. из условия равенства вре- мени прохождения пути между волновыми фронтами W и U7' по край- нему и среднему лучам найдем А„. „ . (и, - н2) А. (8.2.) Для волнового фронта. отраженного от той же плоскости раздела в среде с показателем преломления /ц п, аналогично можно получить Ав. о. п — —2н А. (8.3) Из формул видно, что проходящий через преломляющую поверх- ность или отраженный от зеркальной поверхности плоский волновой фронт в некотором масштабе повторяет дефекты рабочей поверхности. Коэффициент пропорциональности в первом случае равен разности по- казателей преломления пг — п2 на границе сред, а во втором — удвоен- ной величине показателя преломления среды, в которой отражается вол- новой фронт. Отсюда следует, что дефекты зеркальных поверхностей, Рис. 8.1. Влияние дефектов плоской оптической преломляющей поверхности на выходящий волновой фронт: а — местной не- ровности иа границе двух сред с различными показателями преломления > п2; • б — микрошероховатости; в — цилиид- ричности; г — клиновидности; д — сферичности оц^рнво с задним отражением, вызывают во много раз (в 4—6 п более) большее искажение волнового фронта, чем преломляющие поверхности. Наименьшие деформации вызывают дефекты поверхностей склейки, так как разность показателей преломления на них обычно мала. В качестве передаточного отношения возьмем отношение величины возникшей деформации волнового фронта Дв к высоте дефекта поверх- ности А. Чем оно меньше, тем очевидно и ниже требования к точности обработки этой поверхности. Для рабочих поверхностей объектива теа- трального бинокля, нзготовлеиного из стекол крон марки К8 (пе ~ ~JI,518), а также флинт марки Ф1 {п6 = 1,615) и склееиногобальзаыом 359.
(пе == 1,53 ± 0,01), из формулы (8.2) получим передаточные отношения: ДЛЯ для вой поверхности кроновой линзы, граничащей с воздухом, 0,52, А Л‘ фЛИНТОВОЙ ЛИНЗЫ -д2-«й0,61, для поверхности склейки— кроно- А 4 Д линзы -т—»» 0,01 ± 0,01, флинтовой линзы 4-2- = 0,08 ± 0,01. „ Д2 .. Д3 Если на каждый дефект дать допуск Ав = 0,1 мкм, то даже при этом условии получим следующие допуски на каждую поверхность А) 0,2 мкм, А2 ~ 5,0 мкм, А3 cs 1,2 мкм и А4 ~ 0,17 мкм. Следовательно, обе внешние поверхности линзы, граничащие с воздухом, требуют обра- ботки с помощью оптической полировки по самым высоким классам чи- стоты. Поверхность склейки, особенно кроновая, в которой разность показателей преломления между стеклом и бальзамом мала (не более 0,02), может быть обработана шлифовкой мелким наждаком и ее неров- ности после склейки почти не испортят качество изображения, так как вызовут мпкродеформацпи волноиого фронта в 50 раз меньшей величины. Как видно, допуски на дефекты изготовления и сборки оптических элементов даже с преломляющими рабочими поверхностями полу- чаются весьма строгими. Для некоторого их расширения учитывают как конструктивную сложность оптических систем, так и специфику их ра- боты. Например, вводят коэффициент сложности Х> 1, па который ум- ножают величину теоретического предела разрешения оптической си- стемы при определении предельно допустимого его значения. Допустимые аберрации большинства фотографических и проекцион- ных систем могут значительно превышать критерий Рэлея, так как структура фотоэмульсии обычно грубее дифракционной структуры опти- ческого изображения [85]. В некоторых оптических системах требуется высокое качество изображения только в одном направлении, например, в шкаловых от- счетных устройствах — поперек штрихов, в спектральных приборах — вдоль спектра. В указанных случаях разворотом деталей в процессе юстировки можно добиться улучшения качества изображения штрихов или спектральных линий, ориентируя соответствующим образом направ- ление размытия штрихов и линий вследствие, например, технологиче- ского астигматизма. Дефекты оптических поверхностей и деталей вызывают различные по характеру деформации проходящего или отраженного волнового фронта, а именно нерегулярные микронеровности вследствие микро- шероховатостей или волнистости рабочих поверхностей (рис. 8.1, б), искажение его формы вследствие несферичпосги (цилиндричности) по- верхностей (рис. 8.1, в) или их местных и зональных ошибок. При ис- пользовании белого света возникает также поперечный хроматизм, например, за счет клиновидиости деталей (рис. 8.1, е) и продольный хроматизм вследствие их фокусности (рис. 8.1, <?). Допуск на поперечный и продольный хроматизм можно также задавать в волновой мере: допуск на поперечный хроматизм — вели- чиной кр,с, взаимного смещения волновых фронтов для линий F' и С в пределах рабочего пучка лучей, а допуск на продольный хроматизм — величиной Khp.f-, разности стрелок волновых фронтов для того же пучка лучей. Для самых ответственных случаев можно положить, чтобы оба эти волновых допуска А^,с, и &hp,c, не превосходили 0,1 мкм [40]. 360
Пеекольку- илиновидность деталей по ГОСТ 2.412—68 задается в угловой мере, то и допуск па поперечный хроматизм удобнее выра- жать в той же мере. За окуляром допустимый угловой хроматизм ври диаметре рабочего выходного зрачка £>р будет равен , Ас \ /я .п V* ! 'с 'Мон • (с-4) Полагая волновой допуск (Az,4-,) равным 0,1 мкм, получим для допустимого хроматизма (в угловых секундах) 20" (Л°Г’С')доп = ~7у~ • (8-5) При диаметре рабочего выходного зрачка D'p = 2 мм допуск (^Е'С'Уцоп составит всего 10". Поскольку хроматизм сказывается на работе прибора не так существенно как, например, двоение изображе- ния, то обычно задают более широкие допуски на призматический хро- матизм — до 20" для каждой детали, независимо от диаметра выходного зрачка и сложности оптической системы [101]. Общий допуск иа «технологические» аберрации оптической системы необходимо разделить на допуски для отдельных деталей и их эле- ментов (поверхностей и углов) исходя нз предположения, что действия первичных ошибок будут суммироваться как случайные величины по квадратичному закону. Необходимо также учесть, что некоторые ошибки являются скалярными (например, хроматизм положения), и другие — векторными (например, хроматизм за счет кливовндности деталей). Величину волнового допуска (АН)1К на каждый источник скалярных ошибок при общем их числе тсн можно найти по формуле (AB)CK=^te. (8.6) Величину волнового допуска (Дв)вк на каждый источник векторных ошибок можно иайти из той же формулы (8.6), ио умноженной иа коэф- фициент К > 1, учитывающий благоприятное влияние на величину сум- марной погрешности дисперсии первичных ошибок по фазе. При равно- вероятном распределении векторных ошибок по фазе и большом их числе можно положить К — К2, тогда получим (Ав)вк = И2-§Й^. (8.7) V ткк При юстировке во многих случаях взаимным разворотом оптических деталей можно уменьшить до некоторого минимума суммарный хрома- тизм и астигматизм. Благодаря этому удается значительно расширить допуски как на клиновидность деталей, так и иа астигматизм поверхно- стей [69]. 361
Расчет допусков на оптические поверхности и детали, перпендикулярные оси системы Для допуска па высоту микронеровностей оптических поверхностей из формулы (8.2) получим д = - = йпДв. («-8) Здесь gn — коэффициент, обратный передаточному отношению; чем больше его величина, тем шире допуск можно задать на дефекты данной поверхности. Это относится к дефектам, которые непосредственно ухуд- шают качество изображения. Единичные дефекты полированных поверхностей в виде царапин, выколок, прошлифованных пузырей, а также пороки материала (пу- зыри, камни) регламентируют не по их глубине, а по величине отноше- ния площади указанных дефектов к площади поперечного сечения рабо- чего пучка лучей в месте их нахождения; по ГОСТ 11141—76 допустима величина отношения указанных площадей не более 1%. Расчетную формулу для допуска ЛЛ'р па дефекты оптической по- верхности в пределах се рабочей зоны легко получить, воспользовав- шись тем же коэффициентом g; действительно r Л/Z Л/Д Здесь Л/г и Д/гв — наибольшая допустимая разность стрелок оптической поверхности и соответственно выходящего волнового фронта в пределах рабочего сечения пучка лучей; A/VB — волновой допуск на астигматизм и местные деформации выходящего волнового фронта в пределах рабочего пучка лучей, заданный величиной наибольшей допустимой разности числа интерференционных полос, которая наблюдается при контроле формы оптической поверхности под пробным стеклом; Л —- длина волны света, применяемого для освещения при контроле формы поверхности (для белого света при контроле по полосам красного цвета принимают Л = 0,55 мкм). Предельное значение допустимого-волнового допуска A,VB для ви- зуальных систем не должно превышать величины ANB = (А'^/)9доп < « 0,35. (8.10) Х/2 0,28 мкм Коэффициент g в формуле (8.9) определяется соответственно типу поверхности: для преломляющих — по формуле (8.2), для отражаю- щих — по формуле (8.3). Допуск на несферичность (астигматичность) поверхностей в пре- делах светового диаметра (приводимые на чертеже оптической детали) увеличивают на величину квадрата отношения светового диаметра к ра- бочему диаметру D пучка луч