Добро пожаловать на наш астрономический форум! Здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали. Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил.

Выходной зрачок

Базовые понятия и термины астрономической оптики
Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 11102
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Выходной зрачок

Сообщение Ernest » 29 дек 2016, 20:58

Выходной зрачок

По определению выходной зрачок оптической системы это изображение его апертурной диафрагмы через часть системы от апертурной диафрагмы до последней оптической поверхности. Обычно на оптических схемах положение выходного зрачка обозначают P' (P - от pupil, штрих - указание на положение в пространстве изображения). Понятно, что в оптических системах есть и входной зрачок - изображение апертурной диафрагмы через часть системы от апертурной диафрагмы до первой оптической поверхности в обратном ходе световых лучей.

Входной зрачок это как-бы входная диафрагма оптической системы, через которую в оптическую систему попадают внеосевые световые пучки. Диаметр входного зрачка это входная апертура оптической системы. Выходной зрачок (он является изображением входного зрачка) - выходное отверстие (диафрагма) оптической системы, из которой выходят световые пучки. Диаметр выходного зрачка это выходная апертура. Понятие входного и выходного зрачков также требуется для согласования каскадных (установленных последовательно) оптических систем. Например, (1) объектива и окуляра в телескопе, (2) окуляра и глаза наблюдателя, (3) линзовой оборачивающей системы, (4) окуляра и фотообъектива... Во избежании срезания или виньетирования внеосевых световых пучков выходной зрачок предшествующей оптической системы должен быть совмещен с входным зрачком последующей.

Если апертурная диафрагма расположена перед оптической системой, то входной зрачок совпадает с апертурной диафрагмой и такие системы называют "с вынесенным вперед входным зрачком". Так же как и наоборот - апертурная диафрагма расположенная после оптической системы совпадает с выходным зрачком, а оптическая система называется системой с вынесенным выходным зрачком. Примерами оптических систем первого типа являются т.н. "шпионские" камеры (подсматривающие за объектом наблюдения через маленькое отверстие в стене и т.п.). Примерами оптических систем второго типа являются, к примеру, окуляры биноклей и перископов.

Большой вынос выходного зрачка это

...с одной стороны:
  • больше места для размещения глаза наблюдателя (особенно, если наблюдателю приходится использовать цилиндрические очки для компенсации астигматизма)
  • больше места для проветривания пространства между влажным и теплым глазом и глазной линзой окуляра, что уменьшает шансы на орошение глазной линзы
  • возможность разместить перед глазной линзой достаточно глубокий наглазник или даже светозащитную диафрагму для отсечения боковой засветки
  • меньше возможности испачкать глазную линзу ресницами
...но с другой:
  • делает более сложным ход внеосевых световых пучков, что требует от расчетчика и производителя особых усилий для контроля над полевыми аберрациями
  • раздувает поперечные размеры линз окуляра, усложняет его схему, что повышает его цену, добавляет линз, увеличивает длину хода в стекле (и соответственно снижает контраст изображения),
  • провоцирует артефакты выходного зрачка: сферическую аберрацию, хроматизм положения и т.п. что в частности приводит к "бобовому" виньетированию, "блекаутам" и т.п.

Измерение выноса выходного зрачка

Далеко не всегда владельцу окуляра известны его оптические параметры,.. не все производители публикуют точные значения выноса выходного зрачка и для понимания причин возможного дискомфорта при наблюдениях или при написании обзора приходится измерять положение выходного зрачка окуляра. Благо это совсем не сложно - см. схему на рисунке ниже:
exit_pupil_meas.PNG

Уточнение положение выходного зрачка реальной телескопической системе

Простейшая телескопическая система состоит из пары оптических узлов: объектива (например, ахроматического дублета) и окуляра (передний фокус которого совмещен с задним фокусом объектива). В телескопе обязательно есть какая-то механическая деталь которая выполняет роль апертурной диафрагмы As. Обычно это край (фаска) или отверстие в оправе самого большого оптического элемента (главного зеркала, линз объектива). Но бывает, что роль апертурной диафрагмы выполняет небольшая оптическая деталь (край диагонального зеркала Ньютона и т.п.) или специально выделенная механическая деталь. Короче, это та деталь, которая ограничивает осевой световой пучок наибольшим образом и через середину которой проходят внеосевые световые пучки.

Обычно,
  • в телескопах Ньютона апертурная диафрагма это край (внутренний край фаски, если точнее) главного зеркала,.. хотя возможно ограничение апертуры на недостаточно большом диагональном зеркале или слишком узком зрачке глаза наблюдателя;
  • в Шмидтах-Кассегренах это - внутренний край оправы коррекционной пластины на входе в трубу телескопа (для этого главное зеркало имеет немного больший световой диаметр, чем входная апертура),.. хотя возможно ограничение апертуры недостаточно большим главным зеркалом или отверстием во внутренней светозащитной бленде ("морковке");
  • в Максутовых-Кассегренах это - край наружной оптической поверхности входного мениска, остальном - все как в Шмидтах-Кассегренах;
  • в рефракторах это - внутренний край оправы объектива, но при неудачно спроектированных светозащитных диафрагмах, одна из них может сыграть роль апертурной, так же как зрачок наблюдателя (например, при дневных наблюдениях или при использовании слишком длиннофокусного окуляра).

В первом приближении выходной зрачок телескопа расположен в заднем (при обычном ходе света) фокусе используемого окуляра (что предполагает телецентричный ход внеосевых световых пучков). На практике уточнить положение выходного зрачка относительно заднего фокуса позволяет понимание того, что апертурная диафрагма объектива телескопа (точнее его вых. зрачок) расположена не на бесконечности, а на конечном расстоянии от переднего фокуса (полевой диафрагмы) окуляра. Как это сделать - см. схему ниже.
exit_pupil.1.PNG
exit_pupil.1.PNG (9.48 КБ) 1293 просмотра

Допуск на совмещение выходного зрачка окуляра и зрачка наблюдателя

При диаметре зрачка наблюдателя D большем, чем диаметр выходных световых пучков d (он равен диаметру входной апертуры деленной на увеличение телескопа) глаз наблюдателя получает некоторую свободу в удалении от глазной линзы. А именно, для того чтобы видеть все поле зрения без затенения зрачок наблюдателя не обязан строго совпадать с положением выходного зрачка. Диапазон смещений глаза наблюдателя от положения выходного зрачка нетрудно определить исходя из величины поля зрения 2w' (AFOV) окуляра: ±0.5*D/tg(2w'/2) или примерно ±57.3*D/2w'
eye_relief.PNG
eye_relief.PNG (14.3 КБ) 1182 просмотра
То есть адаптированный глаз наблюдателя (D =6..8 мм) может быть отдален от выходного зрачка классического окуляра (ортоскопик, Плёссл, Кельнер) с небольшим полем зрения (2w' = 40 градусов) на 8..11 мм без каких-либо серьезных проблем для видимости поля зрения. Прибавьте к этому еще и вынос вых. зрачка (хоть обычно и небольшой у короткофокусных классических окуляров) и вы получите в общем-то вполне комфортные 10-15 мм. И наоборот, допуск на продольное смещение зрачка глаза в сверхширокоугольных 80-110 градусных окулярах составит менее 5 мм. Понятно, что при дневных наблюдениях допуск жестче - пропорционально сужению зрачка наблюдателя (диаметр D принимает значения 3-4 мм и менее).

Поперечный допуск напрямую определяется диаметром зрачка наблюдателя и равен (для 50% виньетирования) ±0.5*D на удалении выходного зрачка и уменьшается до 0 на краю продольного поля допуска.

Ответить