НЭС/Оптические приборы
Оптические приборы. — I. Из отдельных чечевиц комбинируются различнейшие «О. системы». В науке, технике и общежитии применяется ряд определенных О. систем, которые в совокупности с относящимися к ним не О. частями носят общее название «О. приборов». Конечная цель всякого О. прибора — дать изображение предметов, находящихся вне рассматриваемой системы. Полученное изображение служит либо 1) для проектирования его с целью воспроизведения (фотограф. объектив) или объективного демонстрирования (волшебный фонарь, эпидиоскоп), либо 2) для рассматривания его глазом под бо́льшим углом (при бо́льшем увеличении), чем это возможно при рассматривании невооруженным глазом, т.-е. для . Элементы, которыми характеризуется О. инструмент, следующие:  — угол, под которым видна чрез инструмент единица длины, взятая на поверхности предмета.  — отношение угла, под которым видна единица длины предмета чрез инструмент, к углу, под которым она видна на расстоянии ясного видения.  — угловое расстояние двух наиболее близких точек, которые в изображении могут быть разделены, т.-е. различены в виде двух отдельных точек, а не в виде одной, при этом независимо от О. совершенства стекол, а в зависимости исключительно от  влияний отверстия чечевицы.  — отношение между яркостью изображения и яркостью предмета.  — угловое расстояние двух крайних (по диаметру) точек, одновременно видимых в инструменте. Величина поля зависит от диаметров чечевиц, от их фокусных расстояний и взаимного положения. Глаз человека обладает наибольшим полем (около 150°), чем какой-либо О. инструмент; после него следуют некоторые фотографические объективы, так наз. широкоугольные с полем зрения до 90°. Изображение называют , если соблюдены следующие условия: 1) все точки, лежащие на предмете в одной плоскости, располагаются в одной плоскости и на изображении, т.-е. фокальная поверхность есть плоскость. 2) Прямые линии, расположенные по различным направлениям в одной плоскости предмета, изображаются по всей величине поля также прямыми. Оба эти условия обыкновенно выполнены лишь приблизительно, т.-е фокальная поверхность не есть плоскость, а прямые линии изображаются особенно у краев поля отрезками кривых; иные инструменты изображают прямоугольную сетку (рис. 1) A в виде B или в виде C.  Эти искажения, мало значущие в инструментах, назначенных для наблюдения глазом, весьма неудобны в проекционных системах, в которых они уменьшаются соответственной комбинацией стекол или уменьшением отверстия инструмента с помощью диафрагм. II. . Наиболее замечательные проекционные системы — , назначение которых проектировать  изображение внешних предметов на светочувствительную, воспринимающую изображение, пластинку. Простейшим типом такой системы () будет одна двояковыпуклая, плосковыпуклая или вогнутовыпуклая чечевица. Для уничтожения влияний аберраций и астигматизма, а также искривления изображений начали строить сложные объективы (рис. 2 изображает простой, рис. 3 сложный объектив).  Со стороны объектива, направленного к предмету, на оправу навинчивается внешняя насадка (солнечная защита), служащая для защиты объектива от постороннего света. За стеклом простого объектива или перед ним, или между стеклами сложного объектива делается прорез, в котором помещается переменная диафрагма, посредством которой уменьшают по желанию величину действующего отверстия объектива. Диафрагмы бывают трех родов: 1) вставные (рис. 4); 2) вращающиеся (рис. 5); 3) райковые («Ирис») — состоящие из отдельных тонких жестяных пластинок, сочлененных так, что движением рукоятки A можно увеличивать и уменьшать образуемое ими отверстие. Значительные преимущества последнего рода диафрагм — постоянное положение в объективе и возможность весьма быстро и плавно переходить от одного отверстия к другому. Главными элементами, характеризующими объектив, являются 1) его , 2) его  и 3) его . Фокусное расстояние объектива считается обыкновенно от отверстия диафрагмы, и, сообразно с величиной его, объективы делятся на длиннофокусные и короткофокусные. Величине фокусного расстояния приблизительно пропорциональны как величина изображения предмета, так и расстояние изображения от объектива (вытяжение камеры).   называется диаметр пучка параллельного света, который может выйти при данной диафрагме из объектива, когда в главном фокусе его помещена светящаяся точка.  называется диаметр наибольшего круга изображения, достаточно резко «покрываемого» объективом. Под  понимают угол, под которым из центра диафрагмы объектива виден диаметр поля; в зависимости от угла, объективы делятся на широкоугольные (до 90°) и малоугольные (от 35° до 50°). Освещение изображения пропорционально величине , где D — отверстие, F — фокусное расстояние; если взять за D нормальную диафрагму D0, то величина  назыв.  объектива, а  —  объектива; эти две величины характеризуют сравнительную степень освещения изображений, даваемых объективом, и если говорят, что относительное отверстие данного объектива есть 1/12, то это значит, что он вполне кроет всю поверхность,  для которой он назначен, при диафрагме, диаметр которой есть 1/12 его фокусного расстояния. По своей светосиле объективы делятся на  (), с относительным отверстием 1/4—1/10,  и  (относительное отверстие меньше 1/18). В объективе освещение изображения прямо пропорционально, а время экспозиции обратно пропорционально квадрату диаметра действующей диафрагмы. Изображение, даваемое объективом, в идеальном случае должно удовлетворять следующим условиям: 1) фокальная поверхность должна быть плоскою; 2) искривлений линий не должно быть; 3) влияние астигматизма должно быть ничтожно по всей поверхности поля. Все эти условия в связи с общим условием одинаковой резкости во всему полю при нормальной диафрагме не могут быть вовсе одновременно выполнены в простом объективе, и лишь частью — в сложном объективе, в котором, благодаря большому количеству поверхностей, можно соответственным выбором кривизны их более или менее удовлетворить всем условиям.  Главные типы объективов следующие: 1)  (рис. 2) из кронгласовой чечевицы B и склеенной с ней флинтгласовой A (иногда из 3-х склеенных чечевиц) с отверстием 1/10—1/15 и меньше, представляет наилучший объектив для ландшафтов. Достоинства: блеск изображений, дешевизна. Недостатки: искривление линий, сферическая аберрация, весьма малая светосила. Применимы: к сниманию видов (без прямых линий у краев пластинки), и при чрезвычайно благоприятных условиях света для снимания портретов и даже моментальных снимков.  2)  (рис. 3), состоящие из 2-х совершенно одинаковых ахроматических стекол, впервые введены Штейнгейлем в 1866 г. под названием . Отверстие 1/6—1/10. Достоинства: отсутствие аберраций, достаточная светосила. Недостатки: сравнительно небольшой угол зрения у простых апланатов, малая светосила у широкоугольных апланатов, значительное влияние астигматизма. Применимы: к сниманию ландшафтов, групп, портретов и, при достаточном свете, моментальных снимков. 3) , введенные впервые в 1870 г. в виде портретных объективов и разработанные затем под названием «антипланетов» и «анастигматов». В них обе отдельные части не одинаковы и рассчитаны так, что весьма значительные аберрации отдельно взятых частей при соединении этих частей в один объектив друг друга уничтожают. Штейнгейль в своем антипланете (рис. 6) стремился достигнуть весьма большой светосилы (отверстие до 1/5), а в анастигматах (рис. 7) достигнуто почти полное уничтожение астигматизма. Последний тип представляет весьма большой шаг вперед в деле конструкции объективов и строится в нескольких сериях для самых разнообразных целей; серии IIu (Цейсса) наиболее соответствуют идеалу универсального (светосильного) любительского объектива. К тому же типу принадлежат и двойные анастигматы Герца. Достоинства: весьма большая светосила и у анастигматов правильность рисунка. Недостатки: искривление линий и весьма заметный астигматизм у антипланетов, высокая цена большинства анастигматов.  Применимы: к ландшафтам, группам, портретам и моментальным снимкам. Анастигматы считаются теперь лучшими фотографическими объективами. III. Из приборов, способствующих зрению, основным является : так называется всякая оптическая собирающая система, служащая для получения увеличенного  изображения предметов с целью более детального их изучения. Для этого предмет AB (рис. 8) должен помещаться за лупой LL между нею и главным фокусом.  Исходящие из A и B лучи по преломлении в LL, образуют увеличенное мнимое прямое изображение A′B′; глаз располагается так, чтобы A′B′ находилось на расстоянии ясного зрения. Увеличение лупы зависит от расстояния ясного зрения и пределов аккомодации (ясного зрения). Поле простой лупы теоретически равняется полю глаза, но на практике, по причине аберрации, оно ограничено 10—20° угла зрения. Условия, которым должна удовлетворять идеальная лупа, следующие: фокальная поверхность должна быть плоскостью, должен быть уничтожен астигматизм, должно существовать равенство увеличения для различных длин волн (ахроматизм увеличения). Наиболее распространенные инструкции лупы следующие: 1) «простая неахроматическая чечевица», годная для увеличений до 8 (фокусное расстояние около 30 мм.). Для наименее заметного действия аберраций лучше всего взять плосковыпуклое стекло с плоскостью, обращенной к глазу. 2) «Ахроматизированные апланаты», введенные впервые Штейнгейлем и состоящие из толстой двояковыпуклой кронгласовой чечевицы между двумя флинтгласовыми менисками (рис. 9); эти лупы отличаются большим полем. 3) «Дублеты с малым увеличением» — лупы, состоящие из двух неахроматизированных чечевиц. Из разных типов дублетов особенно известны: дублет Вульстена из 2 плосковыпуклых чечевиц, обращенных выпуклостями в ту же сторону. Иногда приготовляют дублеты из одного куска стекла, придавая оконечностям его необходимую кривизну; сюда относятся: a) лупа Брюстера, состоящая из стеклянного шара, в который врезано вместо диафрагмы кольцевое углубление, и b) лупа Стэнгопа, представляющая стеклянный цилиндрик с двумя нашлифованными шаровыми поверхностями; иногда одна поверхность плоская, и к ней прикрепляется предмет (напр., маленькая фотография), который рассматривается через выпуклую поверхность; эти последние всем известные лупы часто применяются для украшения различных предметов. Большим усовершенствованием явилось устройство дублетов, в которых преломление распределено на несколько поверхностей. На рис. 10 изображен увеличен. в 8 раз дублет Цейсса с увеличением в 70. К лупам относятся окуляры — увеличительные системы, предназначенные для рассматривания  изображений, образованных в фокусе объективов микроскопа, астрономической и земной труб. Окуляром может служить всякая лупа — собирающая чечевица, расположенная так, что рассматриваемое действительное изображение получается между ее главным фокусом и стеклом; обыкновенно для уничтожения аберраций применяют специальные оптические комбинации, из которых наиболее известные следующие: 1) «положительный окуляр» или «окуляр Рамсдена», состоящий из двух неахроматических плосковыпуклых чечевиц с равным фокусным расстоянием, обращенных друг к другу выпуклостями.  Такая система (рис. 11) образует настоящую лупу; в AB находится рассматриваемое небольшое действительное изображение, от которого в A′B′ получается мнимое увеличенное изображение. Этот окуляр постоянно применяется в тех случаях, когда изображение нужно либо измерить, либо ориентировать в поле зрения инструмента. В первом случае перед окуляром в том месте, где помещается рассматриваемое изображение, помещается какой-либо глазной микрометр (мера сравнений), видимый одновременно с изображением; во втором случае в этом месте помещается кольцо с натянутыми на нем тонкими перекрестными нитями (обыкновенно нити паутины), на пересечение которых устанавливается рассматриваемая точка изображения. Обыкновенно окуляр вставляют в небольшую выдвижную трубочку, которая движется в более широкой трубе и посредством приближения к кольцу или удаление от него дозволяет наблюдателю установить натянутые в A нити по своему зрению. «Отрицательный окуляр» или «окуляр Гюйгенса» состоит из двух неахроматических плосковыпуклых чечевиц (рис. 12), обращенных обе плоскими сторонами к глазу. В этом окуляре действительное изображение получается внутри его, и потому отдельно взятый окуляр не может служить лупой, как, напр., окуляр Рамсдена; по той же причине он реже применяется для измерительных целей. Это наиболее распространенный окуляр в микроскопах. 3) «Обращающий или земной окуляр» служит для того, чтобы обращенное изображение, получающееся от объектива, не только увеличить, но и, обратив его еще раз, выпрямить; этим окуляром (обыкновенно небольшие увеличения) пользуются, главным образом, в земных зрительных трубах, в которых обращенное изображение, даваемое обыкновенной комбинацией объектива и окуляра, было бы неудобно.  Этот окуляр (рис. 13) состоит в простейшем виде из трех чечевиц, из которых первая A заменяет действительное обращенное изображение AB мнимым изображением A1B1, находящимся на двойном фокусном расстоянии от чечевицы B; по другую сторону B на двойном же фокусном расстоянии получается действительное прямое изображение A2B2, которое рассматривается простой лупой или сложным окуляром C, дающим в A3B3 увеличенное прямое изображение. Этот окуляр, обладающий весьма значительным полем (до 30°—40°), применяется все же, по сложности его конструкции, довольно редко (только в земных зрительных трубах). Если нужно сильное увеличение при выпрямленном изображении, то земной окуляр заменяют небольшим микроскопом, который устанавливается на изображение AB. IV. Когда предмет, подлежащий рассмотрению, находится на значительном расстоянии, пользуются зрительными трубами, земными или астрономическими, называемыми также рефракторами. Все приборы этой категории состоят из двух частей: объектива — более или менее сложной собирающей системы, дающей в своем фокусе уменьшенное обратное действительное изображение предмета, подлежащего рассмотрению, и окуляра, посредством которого это изображение в увеличенном виде рассматривается глазом.  с начала XVIII в. стали приготовлять ахроматическим, из двояковыпуклой кронгласовой чечевицы и почти плосковыпуклой флинтгласовой; в небольших объективах (рис. 14, I) внутренние поверхности чечевиц имеют одинаковую кривизну и склеиваются вместе, в больших — радиусы кривизны слегка разнятся, и чечевицы находятся на небольшом расстоянии друг от друга (рис. 14, II). В отношении ахроматизирования объективов до последнего времени мало было сделано усовершенствований; последние касались, главным образом, способов рассчета кривизн отдельных поверхностей, с целью уменьшения аберраций другого рода, и техники приготовления больших чечевиц. Значительные увеличения труб вызвали необходимость уменьшения вторичного спектра и привели к устройству тройных объективов, из трех склеенных чечевиц (флинт между двумя кронами); замечательны устроенные по этому принципу объективы Кука, в которых применяются новые стекла (боросиликатный флинт) завода Шотта в Иене; благодаря свойствам этих стекол (см. Оптические стекла) удается в настоящее время и с помощью двойного объектива чрезвычайно уменьшить вторичный спектр. В последнее время развитие астрономической фотографии вызвало необходимость при рассчете объектива для этой цели, кроме обычных условий, обращать еще внимание на то, чтобы фокус лучей, главным образом, содействующих в образовании изображения, видимого глазом, совпадал с фокусом лучей актинических, действующих на чувствительную пластинку. Одновременно удовлетворить всем условиям весьма трудно, и лишь в последнее время найдены конструкции, удовлетворительно решающие этот вопрос. Укажем на объективы Грубба (рис. 14, III), из плосковыпуклого крона, закрытого тонким флинтгласовым мениском (подробнее см. Фотография). Отношение диаметра к фокусному расстоянию в современных астрономических объективах равно 1/10—1/15; еще большие относительные отверстия придаются лишь инструментам, которые большое поле зрения должны соединять с большой светосилой.  описаны выше. Длина трубы равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра. В земных переносных  трубах, особенно при большой длине земного обращающего окуляра, значительные размеры трубы неудобны; поэтому часто прибегают к  трубам, которые при том же увеличении имеют длину меньшую, чем даже фокусное расстояние объектива. Из таких конструкций была распространена труба Штейнгейля: состоит из объектива, сравнительно весьма короткофокусного, за которым на расстоянии, меньшем главного фокусного расстояния, помещено дополнительное рассеивающее стекло; благодаря этому изображение имеет такую величину, как будто-бы исходило от объектива, весьма длиннофокусного. Другим путем укорочение достигнуто в  (рис. 15), по внешнему виду напоминающей бинокль. В ней лучи света, падающие на объективы AA, четыре раза отражаются от двух призм BB раньше, чем попадают в окуляр C. Призмы BB укорачивают путь лучей в три раза и в то же время обращают изображение,  так что и с помощью простого окуляра C можно получить прямое увеличенное изображение; принцип этот принадлежит Порро (1853), применявшему его в своих дальномерах. Другая характерная особенность дв. труб Цейсса лежит в том, что объективы находятся на большом расстоянии друг от друга, чем окуляры; чем достигается значительно повышение пластичности изображения.  трубы выражается приблизительно формулой , где F — фокусное расстояние объектива, a f — окуляра. Увеличения в каждой данной трубе меняют, меняя окуляры. Применять весьма значительные увеличения в астрономической трубе можно лишь при исключительно благоприятных атмосферных условиях, так как течения воздуха вокруг (и даже внутри) трубы тем более влияют на изображение, чем больше увеличение; увеличения более 1000 применяются редко даже в самых сильных современных трубах.  трубы зависит от относительного отверстия окуляра и увеличения трубы. У труб с большим увеличением поле зрения ничтожно, и это весьма затрудняет отыскивание объектов на небе; по этой причине сильные трубы снабжают обыкновенно  — трубами небольшой силы, но с большим отверстием, прикрепленными к большой трубе так, что О. оси этих двух труб остаются всегда параллельными; когда разыскиваемый объект в искателе найден и приведен в середину поля зрения его, то он в то же время виден и в большой трубе. Для звезд, которые даже при самых сильных окулярах представляются точками, количество света, собирающегося в изображении их,  пропорционально поверхности объектива, поэтому в трубе с большим отверстием видны звезды малой величины, не различаемые в меньшие трубы. Яркость звезды в трубе будет во столько раз больше яркости звезды, наблюдаемой простым глазом, во сколько раз поверхность объектива больше поверхности зрачка (напр., в Пулковском 30-дюймовом объективе около 20000 раз больше); это объясняет, почему в сильные трубы мы и днем видим звезды (яркость фона неба делается меньше, чем при наблюдении глазом, яркость звезды сильно растет с увеличением диаметра объектива над диаметром зрачка). Это увеличение яркости не идет, однако, беспредельно, так как остатки аберрации и явление диффракции растягивают изображение точки в кружок.  сила тем больше, чем больше диаметр объектива, и растет пропорционально ему. Желание повысить разрешающую силу объясняет стремление строить объективы все с бо̀льшими и бо̀льшими отверстиями, несмотря на их огромную стоимость и величайшие затруднения при конструкции и монтировке, напр., один из весьма больших современных объективов, по причине своего громадного веса, прогибается настолько при невертикальном положении, что резкость изображений заметно страдает. Вообще вопрос о сравнительных достоинствах труб-гигантов должен считаться еще не решенным; неудобства больших объективов часто не искупаются их достоинствами; лишь при наблюдениях, требующих не столько резкости изображения, сколько громадного скопления света, выгодны громадные объективы. Благодаря трудностям приготовления больших объективов цена их растет весьма быстро с увеличением отверстия. До 1850-х гг. фирма Мерц и Малер (наследн. Фраунгофера) не имела соперников в конструкции больших объективов; лучшими их произведениями считались 15-дм. объективы в Пулкове (1840) и гарвардском универс. (Северная Америка, г. Кэмбридж). Уже в 50-х гг. им появились два соперника: Альван Кларк (Сев. Амер., Кэмбриджпорт) и Кук (Йорк, Англия); в 1860 г. Кларк изготовил 17-дм. для чикагского унив., а в 1868 г. Кук приготовил объектив в 23½ дм. для Ньюалля (Гэтсхид, около Ливерпуля). Затем последовал ряд больших объективов Кларка, Кука, Грубба (Дублин), Мартэна (Париж), бр. Анри (Париж) и др. Некоторые подробности конструкции и списки наибольших объективов мира см. ст. «Рефракторы». Величайший в России, до 1890 г. первый в мире по величине, — Пулковский объектив в 30 дм., в 1879 г. заказан был Альвану Кларку (объектив) и Репсольду (монтировка); стекло поставлено было заводом Фейля. Объектив, ценой в 32000 долл., был окончен полировкой к 1 января 1883 г., а в июне 1885 г. был уже монтирован и готов к действию. Объектив состоит: 1) из кронгласовой чечевицы в 31½ дм. диаметром, толщина ее 42,42 мм., вес 34½ кгр.; коэффициент преломления 1,52; 2) из флинтгласовой чечевицы в 30¾ дм. двояковогнутой; толщина стекла 26,06 мм., вес 61½ кгр.; коэффициент преломления 1,63. Чечевицы, будучи составлены вместе на расстоянии около ½ фт. и вставлены в чугунную оправу с помощью серебряных обручей и каучуковых колец (вес вместе 195 кгр.), образуют объектив с фокусным расстоянием в 14,1205 м. при 16⅔° Ц.; фокусное расстояние на каждый градус Ц. увеличивается на 0,0000315 своей величины. О внешнем устройстве (монтировка) труб — см. Рефрактор, Экваториал. — Из оптических инструментов, относящихся к той же категории, весьма замечательна  (она же голландская или батавская труба); она состоит (рис. 16) из объектива A, который от внешнего предмета AB дает действительное изображение ab; но на пути образования ab помещается двояковогнутая рассеивающая чечевица B, которая, не давая образоваться изображению ab,  рассеивает лучи, так что в A1B1 получается прямое увеличенное мнимое изображение предмета AB; фокус двояковогнутой чечевицы должен лежать для этого между ней и изображением ab. Не давая действительного изображения, Галилеева труба не может служить ни для фотографии, ни для измерительных целей (в ней нельзя поместить перекрестных нитей или микрометра). Ее применяют обыкновенно в виде двойной трубы с небольшим увеличением (, VI, 642); она удобна своими небольшими размерами: длина ее равна приблизительно разности фокусных расстояний объектива и окуляра. Светосила этих труб может достигать наибольшей возможной величины, но освещение поля не равномерно и особенно при больших увеличениях быстро падает от центра к краю. При конструкции хороших биноклей объектив и окуляр ахроматизируются и исправляются относительно аберраций в отдельности; окуляры двух труб сидят в особых выдвижных трубочках, которые могут быстро вдвигаться и выдвигаться для установки на глаз. Галилеева труба была первая труба, применявшаяся в астрономии (Галилей употреблял увеличения до 30 раз); в настоящее же время ею пользуются с увеличениями не больше 12 в качестве обыкновенной зрительной трубы, и при увеличениях, не превосходящих 5—6 раз, она несомненно лучше всяких других. См. Микроскоп.

Литература об О. стеклах и О. приборах: G. , «Die Fundamentaleigenschaften der dioptrischen Instrumente» (Лпц., 1879); , «Traité d’Optique» (т. I, П., 1889); , «Lehrbuch der Optik» (Лпц., 1900); , «Lehrbuch der geometr. Optik» (Лпц., 1902); , «Grundzüge d. Theorie der optischen Instrumente nach E. Abbe» (Лпц., 1904); v. , «Die Bilderzeugung in optisch. Instrumenten» (Б., 1904); , «Die Lehre von d. Strahlenden Energie» (1909); , «The Principles and Methods of Geometrical optics» (1910); , «Курс физики» (т. II, 3-е изд., СПБ., 1911); , «Mathemath. Optik» (Лпц., 1901); , «Lehrbuch der Physik» (10-е изд., 1909); R. S. , «A treatise on geometrical Optics» (Кембридж, 1887); , «Geometrische Optik» (Галле, 1886);  und , «Handbuch der angewandten Optik» (Лпц., 1891). Фотографические объективы: , «Traité de l’Objectif photographique» (П., 1891); , «Contributions to Photographie Optics» (Л., 1900); , «Исследование фотографических объективов» («Русский Фотограф. Журнал», 1895). Сведения об астрономических объективах и их рассчете, см. соч. Czapski, Steinheil u. Voit и т. д. Прочую литературу см. в «Handwört. d. Naturwissenschaften» (Лпц., 1912 и сл.; под сл. «Abbildungslehre», «Linsensysteme», «Optische Instrumente»). Литературу микроскопа — см. Микроскоп (XXVI, 485).

Примечания