3.2. Присоединительные характеристики

Для правильной работы оптической системы необходимо согласовать ее характеристики с предыдущим звеном (предметом) и последующим (изображением).

3.2.1. Характеристики предмета и изображения

Предмет – это совокупность точек, из которых выходят лучи, попадающие в оптическую систему.

Вся возможная совокупность точек образует пространство предметов. Оптическая система делит все пространство на пространство предметов и пространство изображений, которые могут быть действительными или мнимыми. Для центрированных систем поверхности предмета и изображения считаются плоскостями, перпендикулярными оси, а поле на предмете и изображении – кругами.

Описывать размеры и положение предмета и изображения одним способом во всех ситуациях не всегда корректно. Рассмотрим это описание для двух типов предмета и изображения – ближнего и дальнего.

Ближний тип – предмет или изображение расположены на конечном расстоянии. Считается, что от таких предметов исходят расходящиеся пучки лучей. В этом случае полное описание предмета (изображения) представляет собой вектор линейных координат, которые измеряются в мм (таблица 3.1).

Дальний тип – предмет или изображение расположены в бесконечности. Считается, что от таких предметов исходят параллельные пучки лучей. В этом случае полное описание предмета (изображения) представляет собой вектор угловых координат, то есть тангенсы углов, под которыми виден предмет (изображение) из центра зрачка (таблица 3.1).

близкий		удаленный
предмет	изображение	предмет	изображение

Таблица 3.1. Описание предмета и изображения.

Термины «конечное расстояние» и «бесконечность» достаточно условны и соответствуют лишь более или менее близкому расположению предмета (изображения) по отношению к оптической системе.

Обычно при описании предмета и изображения используют вектор координат , но в центрированной оптической системе (обладающей симметрией вращения относительно оптической оси) достаточно одной координаты .

В зависимости от конкретного типа предмета и изображения возможны четыре различных типа оптических систем.

Если предмет и изображение относятся к дальнему типу, то система называется телескопической. Ее основное назначение – наблюдение удаленных объектов. Если предмет – дальнего типа, а изображение – ближнего, то такая система называется фотографической, хотя в действительности изображение может формироваться не только на поверхности фотоматериала, но и на поверхности любого другого приемника изображения. Если предмет – ближнего типа, а изображение – дальнего, то это система микроскопа (к этим системам относятся также лупы и окуляры). Репродукционные системы имеют дело как с предметом, так и с изображением ближнего типа.

Обобщенные размеры поля предмета и изображения (, ) – это удвоенные максимальные размеры предмета и изображения. Так же, как и величины предмета (изображения), обобщенные поля для ближнего типа – линейные величины и измеряются в мм, а для дальнего типа – угловые величины и измеряется в угловой мере.

Передний и задний отрезки (, ) – указывают положение предмета (изображения) по отношению к оптической системе.

Для ближнего типа передний отрезок измеряется как расстояние от первой поверхности оптической системы до предмета, а задний отрезок измеряется как расстояние от последней поверхности до изображения (в мм). Для дальнего типа передний и задний отрезки измеряются в обратных миллиметрах (кдптр) относительно входного (выходного) зрачка (таблица 3.1).

Согласно правилу знаков, принятому в оптике (Приложение Б), осевые расстояния считаются положительными, если они измеряются по направлению распространения света, то есть слева направо. Поэтому обычно передний отрезок отрицательный , а задний положительный .

3.2.2. Зрачковые характеристики

Через оптическую систему проходят не все лучи, которые исходят от предмета. Ограничение размера пучков лучей – результат совместного действия всех имеющихся в оптической системе диафрагм. Однако можно выделить одну (наименьшую) диафрагму, и считать, что остальные не ограничивают ход лучей. Такая диафрагма называется апертурной.

Апертурная диафрагма – это диафрагма, которая ограничивает размер осевого пучка, то есть пучка, идущего из осевой точки предмета (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Апертурная диафрагма.

Изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, сформированное предшествующей частью оптической системы в обратном ходе лучей, называется входным зрачком оптической системы.

Выходной зрачок – это изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей.

Чтобы определить, какая из диафрагм оптической системы является апертурной, надо найти изображение всех диафрагм в пространстве предметов в обратном ходе лучей. Апертурная диафрагма – это диафрагма, изображение которой видно под наименьшим углом из осевой точки предмета. Если предмет находится на бесконечности, то апертурная диафрагма – это диафрагма, изображение которой имеет наименьшие линейные размеры.

Апертура определяет размер пучка лучей, входящего или выходящего из оптической системы. Передняя (задняя) апертура – это размер входного (выходного) зрачка. Числовая апертура – это произведение размера зрачка на показатель преломления (рис. 3.3).

близкий предмет: близкое изображение:	удаленный предмет: удаленное изображение:

Рис. 3.3. Апертуры.

Еще одной важной характеристикой оптической системы является положение входного (выходного) зрачка. Так как изображение чаще всего воспринимается или последующей оптической системой, или глазом, необходимо, чтобы выходной зрачок оптической системы совпадал с входным зрачком прибора или глаза по положению и размерам.

Для удаленного предмета или изображения входной (выходной) зрачок находится близко к оптической системе, поэтому положение зрачка ( или ) измеряется относительно оптической системы в обратных миллиметрах, то есть в килодиоптриях.

Для близкого предмета или изображения имеет значение положение зрачка относительно предмета или изображения, кроме того, расстояния от зрачка до прибора могут быть бесконечно велики (при телецентрическом ходе лучей), поэтому положение зрачка ( или ) измеряется в миллиметрах от предмета (изображения).

В системах, формирующих изображение дальнего типа, приемником изображения, как правило, является глаз. Для систем, работающих с глазом, выходной зрачок должен быть по размеру и положению согласован со зрачком глаза. При высокой освещенности объекта (в лабораторных приборах) диаметр зрачка глаза можно принять за равный 2 мм. Для приборов, работающих в условиях недостаточной освещенности, диаметр зрачка глаза считают равным 4 – 6 мм.

3.2.3. Спектральные характеристики

Спектральные характеристики необходимы для согласования интервала длин волн, которые излучает предмет и в котором образуется изображение. Обычно все расчеты хода лучей в оптической системе делают для нескольких длин волн из всего спектрального диапазона:

• ,  – нижняя и верхняя границы спектрального интервала;
•  – центральная (основная) длина волны.

В оптической системе происходят потери света за счет его поглощения стеклом и отражения на поверхностях.

Функция относительного спектрального пропускания показывает, какое количество света пропускает оптическая система по отношению к падающему свету.

Функция относительного спектрального пропускания зависит от длины волны, так как свет с разными длинами волн может по-разному поглощаться и отражаться в оптической системе.