Поле зрения окуляра

Базовые понятия и термины астрономической оптики

Поле зрения окуляра

Сообщение Ernest » 23 окт 2009, 13:11

Поле зрения окуляра


Окуляр как и всякий изображающий оптический прибор имеет входное и выходное поле зрения. Входное поле зрения ограничивает круг объектов для оптической системы, а выходное - изображений. У окуляра поставщиком объектов для рассматривания является объектив телескопа, приемником изображения - глаз наблюдателя.

Входное поле зрения окуляра


Входное поле зрения у окуляра линейное (его можно измерить линейкой :) в мм) - его размер в расчетах обозначают 2Y (два расстояния от оси до края поля зрения) и он равен диаметру его полевой диафрагмы - D, если диафрагма расположена перед линзами окуляра. Если полевая диафрагма расположена внутри окуляра (между линзами), то диаметр входного поля зрения определяется размером изображения полевой диафрагмы, как она видна со стороны объектива. Полевая диафрагма окуляра - минимальная по просвету механическая деталь в области фокусировки параллельных пучков лучей, которые падают в окуляр со стороны глазной линзы (в обратном ходе) - то есть деталь, которая непосредственно ограничивает линейный размер промежуточного изображения. Через край полевой диафрагмы (обычно, параллельно оптической оси) проходит главный (центральный) луч крайнего полевого пучка. В общем-то окуляр и предназначен для рассматривания того изображения, что строит (проецирует) объектив телескопа в плоскости его полевой диафрагмы. Для окуляра предмет - то что расположено в его плоскости полевой диафрагмы и этот предмет не может быть больше размера 2Y.
С этим понятием (входным полем зрения окуляра) тесно связано угловое поле зрения телескопа (TFOV или 2w), которое в градусной мере равно 2w = 57.3*2Y/f'об

Выходное поле зрения окуляра


Глаз "работает" с удаленными предметами (расстояние до них много больше фокусного расстояния оптики глаза) и величину видимых предметов для глаза по ряду причин удобнее измерять в угловой мере. Так что выходное поле зрения у окуляра измеряют так-же в угловой мере (градусы). Это угол при вершине конуса (в которой находится зрачок глаза) в пределах которого окуляр строит изображение. Его можно измерить двойным углом 2w' пересечения главным лучом оптической оси на выходе из окуляра или телескопа (саму точку пересечения главного луча с осью на выходе из системы называют положением выходного зрачка). Обычно, когда говорят о поле зрения окуляра (FOV) имеют ввиду именно его выходное угловое поле зрения (AFOV - apparent field of view).

Терминология связанная с видимым полем зрения


FOV.PNG
FOV.PNG (8.36 КБ) Просмотров: 4567

Когда характеризуют качество изображения и прочие видимые в поле зрения элементы следующие особые точки:
  • Центр поля зрения - точка изображения на оси оптической системы - строго в центре поля зрения.
  • Край поля зрения - граница поля зрения обычно круглой формы, формируется изображением края полевой диафрагмы окуляра, точка изображения изображения у границы поля зрения обычно отягощена наибольшими проявлениями аберраций, виньетирования, зрачковых артефактов (вроде блекаутов)
  • "Зона" - множество точек изображения на равном расстоянии от центра поля зрения (кольцевая зона). Например, 30-процентная зона - множество точек отстоящих от центра на 30% расстояния до края изображения. Если процент не указан, то под "зоной" обычно понимают 70.7-процентную - внутри этой кольцевой зоны заключена ровно половина площади всего поля зрения;
    Для каждой точки в поле зрения можно выделить следующие направления:
    • Меридиональное - вдоль направления на центр (центр поля зрения находится на пересечении всех меридианов, конкретный меридиан характеризуется азимутом - углом между вертикалью и и этим меридианом);
    • Сагиттальное - поперек меридионального - по касательной к кольцевой границе зоны, на которой сидит точка, кольцевая зона может быть охарактеризована или в абсолютной мере - углом в который заключена эта зона (например 20-градусная зона) или в относительной в процентах (скажем 20-градусная зона составит 25% от 80-градусного поля зрения).

Классификация окуляров по величине поля зрения


Не форсированное по размерам поле зрения 35-45 градусов присуще классическим окулярам (2-3-4 линзовые ортоскопические, симметричные Плёссла, Кельнера, Рамсдена, Кёнига, Гюйгенса и т.д.) и при наличие часового механизма в монтировке телескопа его оказывается достаточно, чтобы работать даже и на больших увеличениях с небольшими объектами вроде планет, двойных звезд, небольших скоплений и т.п. Но обычно наблюдатели стремятся к большему, и производители окуляров предпринимают соответствующие меры, чтобы вытянуть поле зрения окуляров подобным классическим до 50-55 градусов (супер-Плёслы, некоторые Кельнеры, т.н. модернизированные ахроматы и т.д.). Далее в порядке роста поля зрения следуют широкоугольные (WA - wide angle) - 60-65 градусов (традиционно это - 5-линзовые 3-х компонентные окуляры Эрфле и подобные ему), потом более сложные сверхширокоугольные (SWA - super wide angle) 70-75 градусов, 80-85-градусные обычно называют ультраширокоугольными (UWA - ultra wide angle), а 100-110-градусные - экстраширокоугольные (XWA - eXtra wide angle) (см. рис.2).

Изображение


Преимущества и особенности широкоугольных окуляров


Широкоугольность окуляра - важное подспорье при наблюдениях. Казалось бы, все-равно широкоугольный окуляр не даст возможность увидеть больше, чем позволяет диаметр окулярной трубки телескопа (он конструктивно ограничивает линейное входное поле для окуляров). Но то-же самое поле зрения телескопа широкоугольный окуляр позволит увидеть с большим увеличением, а следовательно с большим проницанием (фон будет темнее и станут видны более тусклые звезды). Это не говоря уже о психологическом эффекте - в широкоугольный окуляр смотришь как в окно, а в обычный (после этого) как в замочную скважину.

Но стоит иметь ввиду и некоторые проблемы связанные с широкоугольностью окуляра. Глаз при работе с ними обычно требуется фиксировать довольно точно относительно выходного зрачка (глазной линзы окуляра), иначе начинаются проблемы с выпадением поля зрения по частям или полностью. Кроме того становится критичным вынос выходного зрачка - для равного комфорта при наблюдениях он должен быть заметно больше, чем для обычного окуляра.

eyepiece.JPG


Математика поля зрения окуляра


Угол w' пересечения главного луча на выходе из окуляра с его осью точно можно определить только путем просчета телецентрических лучей (идущих параллельно оптической оси в пространстве предметов и край полевой диафрагмы) через линзы окуляра. Но в так называемом приближении "нулевых лучей" угловое поле зрения 2w' и линейное 2Y (эффективный диаметр полевой диафрагмы) связаны простым соотношением

2w' = 57.3·2Y/f'о градусов (1),

где f'о - фокусное расстояние окуляра в мм. Эта формула работает с точностью до дисторсии (только при нулевой угловой дисторсии) и прочих аберраций и только если края полевой диафрагмы резко видны при нормальном (в зоне выходного зрачка) расположении глаза наблюдателя. Следует иметь ввиду, что линейный размер входного поля зрения 2Y может отличаться от диаметра полевой диафрагмы D, если она расположена внутри (между линзами) окуляра.

Расчетное угловое поле зрения, определенное как указано выше, очень полезно, так как дает возможность быстро определить какое поле зрения 2w видно через телескоп фокусом f' с установленным в него окуляром. Входное поле зрения телескопа (угловой размер того, что мы видим через телескоп на небе) равно:

2w = 2w'/Г (2),

где Г - увеличение телескопа. Оно в свою очередь равно (опять же в приближении нулевых лучей) отношению фокусных расстояний объектива и окуляра:

Г = f'/f'о (3).

То есть получаем простое соотношение между входным полем зрения телескопа 2w и выходным полем зрения окуляра 2w' (обе величины угловые):

2w = f'o·2w'/f' = 2w'/Г (4)

см. между прочим интересную ссылку, где автор не поленился провел целое исследование на эту тему: http://www.brayebrookobservatory.org/Br ... _AFOV.html надо будет как-нибудь пересказать этот материал по русски

Измерение поля зрения окуляра



По звездам в телескопе
Если возникают сомнения в значении поля зрения окуляра (например, полевая диафрагма располагается между линз окуляра и нет прямой возможности ее измерить или при нерезком виде края полевой диафрагмы) его можно измерить опосредовано, через входное поле зрения. Установите окуляр на телескопе с известным фокусным расстоянием. Наведитесь при выключенном часовом механизме на экваториальную звезду (типа дельты Ориона) и заметьте секундомером время t (сек) за которое звезда пройдет в своем суточном движении через все поле зрения телескопа. Теперь можно посчитать входное поле зрения телескопа 2w = t/4 угловых минут. И поле зрения окуляра 2w' = 2w·Г/60 градусов, где Г - увеличение телескопа. Итоговая формула расчета поля зрения окуляра по времени прохождения звезды через его поле:

2w', град. = t·cos(δ)·f'/(240·f'o) = t·cos(δ)·Г/240 (5)

где cos(δ) - косинус угла склонения (δ) звезды по которой был произведен замер (на экваторе = 1), f', мм - фокусное расстояние объектива (телескопа), f'o, мм - фокусное расстояние окуляра, Г - увеличение телескопа, t, сек - время прохождения звезды по полю зрения от края до края через центр.


На кухне - прямое измерение величины выходного поля зрения
Другой относительно простой метод - при помощи лазерной указки или яркого фонарика. Кладем окуляр перед стенкой на невысокую подставку, так чтобы он своей глазной линзой смотрел на стену, ось окуляра должна быть более-менее перпендикулярна стене. Замеряем расстояние L от его выходного зрачка до стены (лучше расположить на расстоянии порядка метра). Если теперь более-менее параллельно оптической оси послать лазерный луч или свет фонарика в полевой конец окуляра, то свет при попадании внутрь преломится на его линзах и выйдет через глазную линзу наружу оставив светящееся пятно на стене. Фонарик обычно дает резко очерченный круг (изображение поля зрения), а луч лазера не заполняет все поле зрения, но им можно "нащупать" (смещая его луч в пределах полевой диафрагмы окуляра) положение краев. Лучше производить эти манипуляции в темной комнате и/или с источником света по-мощнее. Так или иначе отметим диаметрально противоположные края светового круга на стене. Осталось измерить на стене расстояние T между крайними положениями лазерного луча (диаметр светлого круга от фонарика) прошедшего через окуляр, чтобы потом путем нехитрой арифметики получить значение выходного поля окуляра в угловой мере:

2w' = 2*arctg(0.5*T/L) (6)

AFOV.jpg
AFOV.jpg (25.7 КБ) Просмотров: 9273



На кухне - косвенное измерение углового поля зрения по диаметру диафрагмы
Самый простой метод измерения поля зрения окуляра по диаметру его полевой диафрагмы 2Y см. выше. Если диафрагма доступна со стороны посадочной втулки окуляра (расположена до линз окуляра по ходу света) то диаметр ее отверстия 2Y легко измерить штангенциркулем или простым циркулем. Это величина линейного (входного) поля зрения, по которому можно получить расчетное угловое поле зрения окуляра в градусах (обозначения см. выше):
2w' = 57.3·2Y/f'о
Это угловое поле зрения окуляра, каким бы оно было в отсутствие угловой дисторсии (обычно, в астрономических окулярах она не более нескольких процентов) и с точностью, с какой известно фокусное расстояние.

Когда полевая диафрагма расположена внутри - между линзами окуляра (при наличие полевого линзового компонента в посадочной втулке) измерить диаметр полевой диафрагмы затруднительно - она недоступна. Но даже и разобрав окуляр и измерив физический размер полевой диафрагмы мы не получим исходных данных пригодных для расчета. Необходимо измерить диаметр изображения полевой диафрагмы через линзы полевого компонента - то есть диаметр просвета видимого через окуляр со сторону посадочной втулки. Это немногим сложнее прямого измерения - потребуется штангенциркуль и схема измерения показанная на рисунке ниже. Только для повышения точности надо их производить при ярком свете или смотреть на щечки штангенциркуля через тонкое отверстие - диоптр, чтобы уменьшить влияние размера зрачка измерителя на погрешность измерений.
Measuring.png
Measuring.png (15.88 КБ) Просмотров: 6444



Назад к оглавлению статей
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
 
Сообщения: 9157
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Вернуться в Оптические формулы и понятия

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1