Лупа. Микроскоп. Телескоп. Оптический дальномер

Простейшим оптическим прибором, вооружающим глаз, является лупа (выпуклое стекло с фокусным расстоянием F, меньшим расстояния наилучшего зрения L). Невооруженный глаз видит предмет под углом зрения α0 (рис. 5.28). Поместив на пути лучей лупу и располагая предмет в фокальной плоскости, мы получим увеличение угла зрения до угла ос. Угловое увеличение есть

(5.22)

Лупа используется также для увеличения освещенности действительного изображения удаленных предметов. Так, Солнце, видное невооруженным глазом под углом зрения 30', создает у поверхности Земли освещенность E0=105 лк. Если получить действительное изображение Солнца при помощи линзы с фокусным расстоянием F, то (так как угол зрения из центра линзы на это изображение остается равным 30') радиус этого изображения будет равен ρ= F tg 15'. Освещенность этого изображения Солнца создается световым потоком, проходящим через поверхность линзы диаметром D. Поэтому освещенность на поверхности изображения будет равна:

т. е. возрастет примерно в 3000 раз, так как светосила линзы может достигать величины порядка 0,5.

Поглощаясь, этот световой поток нагревает экран, на котором возникает действительное изображение. Но каждое нагретое тело само становится источником излучения. Поэтому, в конце концов, устанавливается равновесие: поглощаемая мощность равняется излучаемой. При очень больших размерах линзы или собирающего зеркала возможно нагревание до 3500 К (при этом возможно воспламенение экрана).

Рис. 5.29

Для рассмотрения весьма малых предметов (до 1 мкм) применяется микроскоп (рис. 5.29), состоящий из короткофокусного объектива О1 дающего сильно увеличенное действительное изображение А1В1, предмета А В, попадающее в фокальную плоскость окуляра — лупы O2. Как видно из рисунка, изображение рассматривается под углом зрения а. Невооруженный глаз рассматривал бы его под углом α0 = arctg (h/L). Таким образом, угловое увеличение в этом случае равно:

где Δ>>F1 — так называемый интервал. Практически не удается получить увеличений, превосходящих 2000—2500, что связано с волновыми свойствами света и возникающими в микроскопе явлениями дифракции (см. §5.12).

Конечно, можно приспособить микроскоп и для фотографирования. Глаз можно заменить фотоаппаратом, не меняя настройки микроскопа, либо же, сдвинув окуляр (вправо на рис. 5.29), получить действительное изображение на светочувствительной пленке.

Телескопы предназначены для рассматривания (или фотографирования) весьма удаленных предметов (небесных тел). В телескопе Кеплера объектив — длиннофокусная линза с фокусным расстоянием F1 окуляр — короткофокусная (фокусное расстояние F2) линза О2,причем задний фокус объектива совмещен с передним фокусом окуляра. Как видно на рисунке 5.30, параллельный пучок лучей от звезды, находящейся в направлении оси телескопа, остается параллельным, но суживается, причем его площадь уменьшается в Г =(F1/F2)2 раз. Если же пучок падает под углом α0 к оси телескопа, то глаз рассматривает его под углом а, причем угловое увеличение есть

Благодаря этому в телескоп удается разделить звезды, видимые под очень малыми углами, а также увеличить число видимых звезд за счет увеличения их яркости. Последнее требует пояснения. Дело в том, что при наблюдении невооруженным глазом очень слабые звезды не видны на фоне, слабого собственного свечения ночного неба. Казалось бы, что при наблюдении в телескоп, не способный изменить яркость протяженного объекта, увеличение освещенности изображения звезды будет сопровождаться подобным же увеличением освещенности фона и ‘звезда по-прежнему не будет заметна. Но в. действительности из-за ничтожных угловых размеров звезды ее изображение умещается на одном светочувствительном окончании (на колбочке); при рассматривании неба в телескоп на эту колбочку поступит больший световой поток, но угол зрения на изображение звезды не изменится (по-прежнему будет возбуждена одна колбочка). Это приведет к увеличению яркости звезды, и она выступит на фоне свечения неба (протяженного объекта), яркость которого не изменилась. Недостатком трубы Кеплера является ее большая Длина, равная, очевидно, сумме фокусных расстояний (F1+F2).

Рис. 5.30

Рис 5.31

Рис 5.32

В трубе Галилея окуляр выполнен в виде рассеивающей линзы, причем совмещены задние фокусы объектива и окуляра.

Это приводит к уменьшению длины трубы (F1F2), оставляя остальные ее характеристики прежними (рис. 5.31).

Недостатком телескопов, работающих на аффекте преломления света (рефракторов), является большая их длина. В телескопах Максутова, состоящий из вогнутого зеркала А (рис. 5.32) и вогнуто- выпуклой линзы В, сферическая аберрация обеих частей сделана равной, но имеющей противоположные знаки, благодаря чему прибор почти свободен от сферической аберрации. Хроматическая же аберрация, совершенно отсутствующая у зеркала, также весьма мала. Поэтому телескопы получаются небольшими и, дают хорошие изображения. Для рассмотрения планет (а также для наземных наблюдений) фокусировку телескопа следует несколько изменить, отодвигая окуляр от объектива.

Рис. 5.33

Дальномеры служат для оценки расстояний до удаленных предметов, когда естественная способность оценивать расстояния недостаточна.

Схема стереоскопического дальномера дана на рисунке 5.33. От данного предмета на зеркала I и II дальномера лучи приходят под несколько различными углами. После отражения и преломления они попадают в глаза наблюдателя. В центре поля зрения каждого из окуляров О1 и О2 нанесена метка. Оба изображения метки сливаются в одно. При помощи призмы Р можно скомпенсировать не- параллельность лучей 1 и 2. Тогда изображение предмета кажется расположенным В одной плоскости с изображением метки. По повороту призмы можно судить о скомпенсированном угле и оценить расстояние до предмета. Так как база прибора (H) измеряется метрами и даже десятками метров, что в десятки раз превосходит естественную базу (расстояние между осями глаз составляет всего 60 мм), то во столько же раз возрастают и расстояния, доступные оценке.

На похожем принципе основано устройство и дальномеров для одного глаза (здесь для оценки расстояния совмещаются два изображения), применяемых, в частности, в фотоаппаратах.