Вопрос № 19 глаз как оптическая система

Классическая работа по изучению глаза принадлежит Гельм-Гольцу (XIX в.).

На рис. 45 показано устройство глаза (роговица 1, склеротина 4, радужная оболочка 2, сетчатка 5, сосудистая оболочка 6, желтое пятно 7, зрительный нерв 8, передняя камера 10, зад­няя камера 9 и хрусталик 3).

Как оптический прибор глаз включает оптическую систему, изображающую наблюдаемые предметы на сетчатке, и прием­ное устройство — сетчатку, перерабатывающую световые сиг­налы в электрические импульсы.

Оптическая система глаза является сложной системой, об­ладающей способностью изменять свои оптические свойства. Она состоит из передней камеры с водянистой влагой (n~nводы=1,33), входного зрачка, образованного радужной обо­лочкой, зрачок является действующей диафрагмой переменного диаметра (от 2 мм при ярком свете до 8—9 мм в сумерках) хрусталика (студенистое упругое тельце, удерживаемое мыш­цами). Толщина хрусталика — 3,8 мм, показатель преломле­ния— 1,4. За хрусталиком находится задняя камера со стекло­видной влагой, имеющей показатель преломления ~1,33. По­следней составляющей оптической системы является его прием­ник света — сетчатка (сложная многослойная оболочка) с ям­кой глубиной 0,4 мм на желтом пятне 0 1,02 мм. Оптическая ось глаза соеди­няет центр хрусталика с точкой сетчатки — ретины, расположен­ной в 1,5—2 мм выше желтого пятна, т. е. оптическая ось обра­зуется со зрительной осью угол ~5°.

Угол наилучшего зрения составляет около 3° (диаметр глаза ~23 мм). Общий угол зре­ния глаза определяется пространством, наблюдаемым непо­движным глазом.

Лучи, попадая в глаз, преломляются на границах названных прозрачных сред и дают на сетчатке действительное обратное (обычно уменьшенное) изображение.

Глаз обладает удивительным свойством аккомодации (при­способления к расстояниям). Это достигается изменением кри­визны поверхности хрусталика с помощью особой мышцы.

Наиболее отчетливое изображение на сетчатке глаза получается в том случае, когда рассматриваемый предмет отстоит от глаза на расстоянии, при котором хрусталик имеет свой есте­ственный вид. Глаз реагирует только на видимый свет.

Разрешающая способность глаза как оптической системы может быть определена по формуле

Острота зрения глаза зависит от освещенности и контраст­ности. Например, в сумерках достигает 10—17'.

Наряду с замечательными свойствами глазу, как и всякой оптической системе, присущи недостатки (аберрации). Хроматизм положения для лучей F — С составляет 2—3', D — G — 3—4'; хроматизм увеличения для F — С — 0,5%, сфери­ческая аберрация 1—2', кома ~ 1, астигматизм — 0,2—0,3 диоп­трии, дисторсия —0,5 %. Кривизна поля компенсируется кривиз­ной сетчатки и аккомодацией глаз.

 

Вопрос№20 Лупа, микроскоп.

Лупа — короткофокусная собирательная линза, служащая для рассматривания близко расположенных предметов (рис. 46). Наблюдатель устанавливает глаз вблизи заднего фокуса F', а предмет — между передней фокальной плоскостью и самой лупой так, чтобы расстояние до изображения s' было около 250 мм," т. е. равным расстоянию наилучшего зрения. Под видимым (угловым) увеличением лупы понимают отноше­ние тангенса угла и', под которым видно изображение через лупу, к тангенсу угла и, под которым виден предмет на рас­стоянии лучшего зрения s'=250 мм

(3.135)

Подставив tga(альфа) = l/s' по-

лучим

где f' — заднее фокусное расстояние лупы в мм; s'=250— рас­стояние наилучшего зрения (мм).

Чем меньше f' тем больше при

увеличении 20^х фокусное расстояние будет равно 12,5 мм. Для улучшения изображения при больших увеличениях применяют сложные лупы, изготовленные из нескольких линз с различ­ными показателями преломления и радиусами кривизны сфери­ческих поверхностей.

а) симметричная лупа, состоит из двух одинаковых плосковыпуклых линз, обращенных плоской стороной к пред­мету. Лупа не исправлена на хроматическую аберрацию, но в ней увеличение лупы не превы­шает 10^х;

б) несимметричная лупа, сферическая аберрация и дисторсия достаточно ослаб­лены, хроматизм не исправлен. Увеличение может быть дове­дено до 20^х;

в) апланатическая лупа, состоит из трех линз, средняя из которых из готовлена из крона, а крайние (симметричные) — из флинта. В лупе хорошо исправлены хроматическая и сферическая абер­рации, а также дисторсия и астигматизм.

следующее выражение для разрешающей способности глаза совместно с системой:

где Г^х — увеличение оптической системы. Фокусное расстояние лупы из (3.135) составит

Разрешающая способность лупы в угловой мере при рас­сматривании делений шкалы составит

В современных оптических теодолитах интервал между соседними штрихами лимба составляет 20/30 мкм, толщина штрихов 1—3 мкм. Оптимальное увеличение оптических систем, для отсчитывания может составить

В этих случаях используют более сложные оптические си­стемы — микроскопы.

Микроскоп представляет собой сложную оптическую сис­тему, предназначенную для рас­сматривания мелких предметов, в частности, делений шкал гео­дезических приборов. Микроскоп состоит из двух собирательных систем (объек­тива и окуляра).Предмет АВ расположен между главным фокусом F_0б и двойным фокусным расстоянием 2f ₁ объектива, который дает дей­ствительное, обратное и увели­ченное изображение А₁В₁ пред­мета. Это изображение располо-

жено за двойным фокусным расстоянием вблизи переднего

фокуса окуляра F_{OK .}

Окуляр микроскопа работает как лупа, давая прямое, уве­личенное и мнимое изображение А₂В₂, которое будет обратным по отношению к предмету АВ. В последнем случае изо­бражение А₁В₁ должно находиться в переднем фокусе F_OK оку­ляра. Таким образом, микроскоп дает обратное, увеличенное и мнимое изображение. Общее линейное увеличение микроскопа

(3.138)

где бэтто_0Б —линейное увеличение объектива; бэтто_0к — линейное уве­личение окуляра.

 

 

Вопрос№ 21 Зрительные трубы геодезических приборов.

В отдельных случаях вместо отрицательной линзы в каче­стве фокусирующего компонента используют подвижную поло­жительную линзу, которая не удлиняет, а укорачивает фокус­ное расстояние переднего компонента. В некоторых типах ни­велиров с компенсаторами между передним компонентом телеобъектива и сеткой нитей помещают одну неподвижную от­рицательную линзу и одну подвижную собирательную. В этом случае перед сеткой нитей получается свободное пространство, в котором можно разместить компенсатор. Колебания фокусирующей линзы при ее перемещении по направляющим в зрительных трубах сказываются в значи­тельно меньшей степени, чем сдвиги окулярного колена в тру­бах с внешней фокусировкой.

На рис. 50 показано перемещение изображения визирной цели при перемещении фокусирующей линзы из положения L₂ в положение При смещении центра линзы на вели­чину h изображение сместится на величину

Это обстоятельство необходимо учитывать при визировании внутри нескольких десятков метров, когда фокусирующая линза перемещается на значительную величину.

Таким образом, оптическая система зрительной трубы дол­жна быть хорошо центрированной, т. е. иметь одну общую оп­тическую ось — прямую, проходящую через центры всех пре­ломляющих сферических поверхностей оптической системы.. Другой основной осью является визирная ось зрительной трубы. Кроме того, существует геометрическая ось, совпадающая с осью симметрии оправ зрительной трубы. Зрительную трубу на специальных оптико-механических устройствах (оптических скамьях) собирают так, чтобы все три оси совпадали.

Преимущества зрительных труб с внутренней фокусировкой:

1. Герметичность (труба защищена от попадания пыли и грязи).

2. При одинаковом увеличении она значительно короче, что
обеспечивается телеобъективом с большим f_ЭКB.

3. Имеет высокую стабильность положения визирной оси
(т. е. меньшую ошибку за перефокусирование), так как колебания положения фокусирующей линзы гораздо меньше ска­зываются на положении визирной оси, чем колебания окуляр­ного колена в трубах с внешней фокусировкой.)

4. Имеет постоянную длину.

5. Фокусирующий механизм и направляющие защищены от повреждений.

Основные части зрительных труб:

1.Корпус изготавливается целиком из латуни или сплавов алюминия, внутренние поверхности окрашиваются в черный матовый цвет (чернение) для устранения бликов.

2.Объективы строят изображение в фо­кальной плоскости трубы и определяет качество этого изображения. Его основными характеристиками являются фокусное расстояние f'; относительное отверстие D/f', где D — диаметр входного зрачка; угол поля зрения и разрешающая способность. Двухлинзовый склеенный, двухлинзовый несклеенный, трехлинзовый объектив.

Телеобъективы состоят из переднего неподвижного компонента и фокусирующего компо­нент. Зеркально-линзовые телеобъективы позволяют получить высокое качество изображения, так как состоят из преломля­ющих и отражающих поверхностей.

3.Окуляр – рассматривается изображение предмета

Симметричный окуляр состоит из двух склеен­ных и взаимообращенных компонентов с малым воздушным промежутком между ними.

4.Все линзы окуляров собирают в одной оправе — окуляр­ной трубке, вращая которую можно перемещать вдоль оси на величину до 1 мм для установки резкого изображения сетки ни­тей.

5.Сетка нитей наносится на плоскопараллельной пла­стинке путем гравирования на воске и последующего травления плавиковой кислотой.

Сетка монтируется в зрительной трубе так, чтобы она на­ходилась в передней фокальной плоскости окуляра. Сетка вставляется в кольцевую оправу, играющую роль диафрагмы поля зрения. Оправа сетки в небольших пределах может пере­мещаться при помощи юстировочных винтов, что позволяет из­менять положение визирной оси.

6. окуляр,

7. Фокусирующее устройство (сетка нитей).

 

Вопрос№ 22 Основные оптические характеристики зрит труб и их определение

Угол поля зрения — ограниченная конической поверхностью часть пространства, видимая в неподвижную зрительную трубу, установленную на бесконечность. Различают два угла поля зрения: истинный (объектив­ный)— угол е₂, под которым виден диаметр диафрагмы, распо­ложенной в общей фокальной плоскости объектива и окуляра; видимый (субъективный) — угол е₁ под которым виден диаметр диафрагмы поля зрения из центра выходного зрачка трубы

где d — диаметр диафрагмы поля зрения; f_0б и f_ок — фокусные расстояния объектива, и окуляра.Из (3.143) находим угловое увеличение откуда

т. е. истинное поле зрения трубы равно видимому полю зре­ния, делённому на угловое увеличение. Для зрительных труб теодолитов истинный (объективный) угол поля зрения можно определить как разность отсчетов по вертикальному или горизонтальному кругу. Для этого выпол­няют два наведения на визирную цель верхним и нижним (левым и правым) краями ноля зрения с соответствующим отсчитыванием по кругам. Для нивелиров е₂ можно определить по рейке. В этом случае на некотором расстоянии от зрительной трубы (до 50 м) помещают рейку, по которой берут отсчеты, соответствующие краям поля зрения, разность которых соста­вит величину l. Величина угла поля зрения определится из вы­ражения

Разрешающая способность тесно связана с контрастностью изображения, под которой понимается отношение разности ярко­стей рассматриваемого предмета В₁ и фона В₂ к яркости фона: При К человеческий глаз уже не может отличить объект от фона.