Окуля́р — элемент оптической системы, обращённый к глазу наблюдателя, часть оптического прибора (видоискателя, дальномера, бинокля, микроскопа, телескопа и так далее), предназначенная для рассматривания изображения, формируемого объективом или главным зеркалом прибора.
Иногда в оптической системе обходятся без окуляров, вместо них в фокусе прибора устанавливается фото- или видеоаппаратура.
Применение окуляров В наши дни окуляры широко применяются в оптических микроскопах, телескопах, биноклях, подзорных трубах, оптических прицелах, приборах ночного видения. Ранее окуляры применялись в видоискателях некоторой фото-, кино- и видеотехники, однако в современной аппаратуре они вытеснены дисплеями. Также процесс замещения окуляров на дисплеи идет в микроскопии и телескопах.
Конструктивные особенности
Простейший окуляр состоит из одной линзы (например, окуляр Гершеля). Простейший составной окуляр (например, окуляр Гюйгенса) состоит из двух линз: коллектива (называемого также линзой поля) и глазной линзы; сложные окуляры состоят из четырёх — пяти или более линз. Некоторые окуляры имеют фокусировку для близоруких и дальнозорких. Для микрофотографии пригодны только компенсационные окуляры, фотографические окуляры и так называемые гомалы, или усиливающие системы. Также некоторые окуляры могут иметь встроенный наглазник.
Параметры окуляров
Элементы и группы Элементы — это отдельные элементарные линзы, «синглеты».
Группа — это сложная линза, склеенная из нескольких простых, элементарных линз (элементов). Когда группа склеена из пары элементов (двухлинзовая группа), то она называется дублетом; если из трёх — триплетом.
Первые окуляры имели только одну линзу, которая строила весьма искажённые изображения. Двух- и трёхэлементные линзы были изобретены немного позже и быстро стали стандартом из-за хорошего качества изображения. Сейчас инженеры с помощью компьютеров и специализированного программного обеспечения разработали окуляры с семью или восемью элементами, дающие хорошие, резкие изображения.
Внутренние отражения и блики Внутренние отражения, также называемые бликами вызываются дисперсией света, проходящего через окуляр и снижают контраст изображения, проецируемого окуляром. Иногда из-за этого возникают т. н. «призрачные изображения». Из-за этого долгое время (до изобретения антибликовых покрытий) предпочитали использовать простые оптические схемы с минимальным количеством контактов между стеклом и воздухом.
Одним из решений этой проблемы на данный момент является использование тонкоплёночных покрытий на поверхности оптических элементов. Эти покрытия имеют толщину в одну-две длины волны и предназначены для уменьшения эффекта внутренних отражений путём изменения преломления света, проходящего через элемент. Некоторые покрытия могут также поглощать свет в процессе т. н. полного внутреннего отражения, если свет падает на покрытие под малым углом.
Хроматические аберрации Латеральные хроматические аберрации вызываются разницей показателя преломления для света с разной длиной волны. Например, голубой свет, проходящий через элемент окуляра, сфокусируется не в той же точке, что и красный. Из-за этого вокруг объектов может возникать цветная кайма или же наблюдаться общая размытость изображения.
Единственное решение этой проблемы — использование множества элементов, выполненных из разных видов стекла. Ахроматы (апохроматы) — группы линз, которые собирают свет с соответственно двумя или тремя и более разными длинами волн в одном фокусе и почти устраняют цветную кайму. Низкодисперсные стёкла также могут использоваться для уменьшения (но не устранения) хроматической аберрации.
Лонгитудная хроматическая аберрация — тот же эффект, возникающий из-за слишком больших фокусных расстояний объективов рефракторов. Микроскопы, фокусные расстояния линз которых в целом гораздо меньше не страдают от этого эффекта.
Посадочный диаметр
В оптических инструментах применяются, как правило, следующие стандартные посадочные диаметры трубки окуляра: для телескопов — 0.965", 1.25", 2" и 2,4"(в линейной мере 24.51, 31.75 мм, 50.8 мм, 61 мм), для микроскопов — 23.2 мм, 30 мм, 32 мм.
Длина посадочной втулки (юбки, барреля) обычно составляет для 1,25" окуляров: 15—30 мм, для 2" окуляров: 30 мм.
Фокусное расстояние Фокусное расстояние окуляра — это расстояние от его главной плоскости до той точки, где лучи света или их продолжения (в случае окуляра Галилея) пересекаются в одной точке. От фокусных расстояний окуляра и объектива или главного зеркала (в случае рефлектора) зависит угловое увеличение. Как правило, фокусное расстояние отдельного окуляра выражается в миллиметрах. При использовании окуляров с конкретным инструментом иногда предпочитают сортировать их по увеличениям, которые будут получаться при их применении.
Для телескопа, угловое увеличение, получаемое при использовании с каким-либо окуляром можно высчитать по формуле: , где: — угловое увеличение; — фокусное расстояние объектива или главного зеркала; — фокусное расстояние окуляра. выраженное в тех же единицах измерения, что и .
Увеличение возрастает при уменьшении фокусного расстояния окуляра или возрастании фокусного расстояния объектива или главного зеркала. Например, 25-мм окуляр с телескопом с фокусным расстоянием в 1200 мм даст увеличение в 48 раз, 4-мм же окуляр с тем же телескопом даст увеличение в 300 раз.
Астрономы-любители различают окуляры по их фокусному расстоянию, выраженному в миллиметрах. Обычно они составляют от 3 до 50 мм. Тем не менее, некоторые астрономы предпочитают различать окуляры по увеличению, даваемому ими с тем или иным инструментом. В астрономических отчётах лучше указывать увеличение, так как это даст больше представления о том, что видел наблюдатель. Однако без привязки к телескопу, увеличение становится величиной практически бесполезной для описания каких-либо свойств окуляра. По фокусному расстоянию телескопические окуляры можно разделить на длиннофокусные, средние и короткофокусные.
Для сложного микроскопа соответствующая формула: , где: — это минимальное расстояние комфортного зрения (обычно 250 мм); — это расстояние между задней фокальной плоскостью объектива и задней фокальной плоскостью окуляра (называемым длиной трубы), для современного инструмента обычно около 160 мм; — фокусное расстояние объектива и — фокусное расстояние окуляра.
В отличие от телескопических, основной характеристикой микроскопических окуляров является увеличение, а не фокусное расстояние. Увеличение окуляра микроскопа и увеличение объектива определяются по формулам: , откуда увеличение можно выразить, как произведение увеличений объектива и окуляра:
Например, при использовании 10×-окуляра и 40×-объектива микроскоп будет увеличивать в 400 раз.
Это определение углового увеличения проистекает из необходимости менять не только окуляры, но и объективы из-за чего увеличение получается зависящим от двух факторов. Исторически Аббе описывал микроскопические окуляры отдельно в терминах углового увеличения окуляра и начального увеличения объектива. Это оказалось удобно для разработки оптических схем. но было неудобно для практической микроскопии, из-за чего от этой системы отказались.
Общепринятое расстояние наименьшего фокуса составляет 250 мм, и увеличение окуляра рассчитывается исходя из этой величины. Обычно увеличения составляют 8×, 10×, 15× и 20×. Фокусное расстояние окуляров в миллиметрах может быть определено делением 250 мм на увеличение окуляра.
Современные инструменты используют объективы, скорректированные на бесконечность, а не на 160 мм, и поэтому, требуют наличия дополнительной коррекционной линзы в тубусе микроскопа.
Положение фокальной плоскости Обычно фокальная плоскость окуляра расположена за пределами его линз, перед линзой поля. В этой плоскости можно разместить сетку или микрометрическое перекрестие. В некоторых типах окуляров, например, в окулярах Гюйгенса и Наглера, фокальная плоскость расположена между линз окуляра, и, следовательно, размещение в фокальной плоскости сетки неосуществимо.
Фокальная плоскость располагается на срезе опорной окулярной втулки прибора, и соответственно, опорной втулки окуляра. Если же у окуляра фокальная плоскость смещена, величина этого смещения называется парфокальностью, и измеряется от опорной окулярной втулки прибора в сторону объектива.
Поле зрения
Поле зрения определяет насколько много можно увидеть через окуляр. Поле зрения может меняться в зависимости от увеличения, получаемого с помощью данного телескопа или микроскопа, и также зависит от характеристик самого окуляра.
Термин «поле зрения» может иметь три значения: Истинное угловое поле зрения: угловой размер участка неба, видимого через окуляр, использованный с каким-либо телескопом и при соответствующем увеличении. Как правило это значение составляет от одной десятой градуса до 2°. Угловое поле зрения окуляра: угловой размер изображения, видимого через окуляр. Иными словами: насколько большим кажется изображение. Эта величина постоянна для любого окуляра с постоянным фокальным расстоянием и может быть использована для расчёта истинного поля зрения при использовании с каким-либо телескопом. Поле зрения окуляра может колебаться в пределах приблизительно 35—100°. Линейное поле зрения окуляра в плоскости изображений или, иными словами, размер полевой диафрагмы окуляра. Произведение линейного поля зрения окуляра на его увеличение называется окулярным числом. Например, два окуляра — 10× с полем 20 мм и 20× с полем 10 мм — будут иметь одинаковое окулярное число, равное 200. Окулярное число численно равно линейному размеру поля зрения, отнесённого к расстоянию наилучшего зрения, принятого равным 250 мм. Таким образом, поле зрения, видимое в окуляр с окулярным числом 200, по углу зрения эквивалентно полю размером 200 мм, расположенному на расстоянии 250 мм.
Если известно угловое поле зрения окуляра, то истинное поле зрения телескопа с этим окуляром можно рассчитать по следующей формуле:
или , где — истинное поле зрения, посчитанное в тех же единицах измерения, что и . — поле зрения окуляра. — увеличение. — фокусное расстояние объектива (для рефрактора) или главного зеркала (для рефлекторов и катадиоптриков) телескопа. — фокусное расстояние окуляра, выраженное в тех же единицах измерения, что и .
Фокусное расстояние — то расстояние, на котором линза или зеркало соберут лучи света в одну точку.
Формула имеет погрешность около 4 % или меньше при поле зрения окуляра до 40° и около 10 % для 60°.
Если поле зрения окуляра неизвестно, то истинное поле зрения можно приблизительно рассчитать по формуле: , где: — истинное поле зрения, °; — диаметр полевой диафрагмы окуляр, мм; — фокусное расстояние линзы объектива или главного зеркала телескопа, мм.
Вторая формула в целом более точная, но производители обычно не указывают диаметр полевой диафрагмы. Первая формула не будет точна, если поле зрения не плоское или превышает 60°, что вполне обычно для окуляров с ультрашироким полем зрения.
По величине поля зрения окуляры делятся на: широкоугольные, средние и с «эффектом замочной скважины».
Вынос выходного зрачка
Вынос выходного зрачка — расстояние от глазной линзы окуляра до точки на его оптической оси, куда следует поместить глаз, чтобы увидеть все поле зрения.
Как правило, вынос зрачка колеблется между 2 и 20 мм, в зависимости от конструкции окуляра. Длиннофокусные окуляры как правило имеют больший вынос зрачка. а короткофокусные — малый, что, как уже говорилось выше, может быть проблематичным. Рекомендованный минимальный вынос зрачка — около 5—6 мм.