ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Осветительные системы служат для освещения предмета, рассматриваемго или проектируемого с помощью оптического прибора. Они должны позволить наилучшим образом использовать световой поток, даваемый источником света, для достижения н большей освещенности и получить равномерную освещенн изображения. Осветительные системы бывают линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые.

Схемы освещения

Конденсором называется линза или система линз, предназначаемая для освещения предмета. Она сама не образует изображение этого предмета. Но так как изображение образуется с лучами прошедшими через конденсор, и только этими лучами, то конденсор приобретает важное значение в общем образовании изображения последующей оптической системы. Встречаются три применения конденсора:

1. Конденсор НН' проектирует изображение источника в плоскость предмета (рис. 107,а). В этом случае изображение источника света совмещается с самим предметом. Примерами такого освещения являются кинопроекционные аппараты и спектральные приборы.

2. Конденсор НН' проектирует изображение источника света во входной зрачок объектива последующей оптической системы (рис. 107,б). В этом случае освещенный предмет располагается как можно ближе к конденсору. Примерами такого освещения являются диапроекторы, трансформаторы, спектральные приборы. Этот вид освещения является наиболее распространенным.

3. Конденсор НН' проектирует изображение источника света в бесконечность (рис. 107,в). Примерами такого освещения являются прожекторы и коллиматоры фотореле.

Оптическими характеристиками конденсора являются: 1) фокусное расстояние, f', 2) линейное увеличение, β, 3) относительное отверстие, 1 :п, 4) угол охвата, 2u, 5) угол сходимости, w.

Углом охвата в пространстве предметов называется плоский угол в главном сечении, соответствующий телесному углу охвата оптической системы. Этому углу соответствует двойной апертурный угол в пространстве предметов. Представим апертурный угол в виде выражения

формула

в котором диаметр входного зрачка D выразим через диафрагменное число n по формуле (28,4), а передний отрезок а — через линейное увеличение по формуле (44,11). Тогда получим

формула

Чем больше угол охвата, тем больше светового потока используется от источника света.

Углом сходимости называется плоский угол в пространстве изображений, сопряженный с углом охвата. Иногда этот угол называют углом конденсора, так как его величина в некоторых случаях должна соответствовать угловому полю зрения проекционного объектива.

При освещении предмета по первой схеме, т. е. так, чтобы изображение источника света совмещалось с самим предметом, необходимо, чтобы источник света был достаточного размера. Необходимо, чтобы изображение источника света было несколько больше самого предмета. Очевидно, что точечные источники света непригодны. Здесь находят себе применение вольтовы дуги и кинопроекционные лампы, имеющие световое тело накала в виде прямоугольной системы ряда нитей (например, электролампы К12, К15, К22).

Расположение изображения источника света в плоскости предмета или вблизи него вызывает сильный нагрев проектируемого предмета. Применение теплофильтров снижает нагрев, но не исключает его. Вследствие этого становится невозможным применение таких систем освещения для рассматривания неподвижных негативов, диапозитивов, спектрограмм и т п, так как нагрев испортит слои эмульсии. В кинопроекционных аппаратах имеет место быстрое чередование кадров, поэтому отдельный кадр не успевает нагреться до опасного предела. При освещении металлических щелей в приборах также нет опасности возгорания.

При освещении по второй схеме необходимо, чтобы входной зрачок объектива также был полностью заполнен светом. Для этого изображение светового тела источника света должно быть несколько больше диаметра входного зрачка объектива. Здесь также невыгодно применять точечное источники света. Однако возможно применять источники света, не имеюшие сплошного тела накала, так как изображение светового тела источника света не совмещается с предметом и не мешает наблюдению.

При освещении по третьей схеме выгодно применять точечные источники света. Хотя идеального параллельного пучка лучей оптические системы и не образуют, но практически позволяют получить близкий к нему пучок лучей.

Причиной неравномерности освещенности изображения является сферическая аберрация конденсора. Из точки А (рис 108) выходит широкий пучок лучей. После преломления в конденсоре тучи вследствие сферической аберрации не собираются в точке А'. В результате этого образуется каустическая поверхность. Этот недостаток наиболее ярко проявляется в одиночной тинзе, однако и более сложные системы не свободны от него.

Если теоретически последующую оптическую систему (объективу надо было бы располагать так, чтобы ее световое отверстие совмещалось с А', то на практике оно должно совпадать с плоскостью GG' в наиболее узком месте каустики. Тогда через объектив проходит наибольшее количество лучей. Но в этом случае луч ВВ' может быть задержан оправой линз объектива, а тогда точка предмета Т не будет освещена, и в плоскости изображения будет наблюдаться неравномерность освещения. Сферическая аберрация уменьшает угол сходимости лучей w. Для увеличения угла сходимости w становится необходимым увеличивать число линз в конденсоре, вычисляя его на минимум сферической аберрации. Число линз в сферических конденсорах доходит до 6.

Однолинзовый конденсор. Одна простая линза применяется в виде конденсора, если сумма углов охвата и сходимости не превышает 45°. При освещении какого либо предмета возникает два случая а) источник света расположен в бесконечности и б) источник света находится на конечном расстоянии от конденсора. Первый случай практически соответствует освещению дневным светом или от электрического источника света, удаленного от конденсора на расстояние не менее 20 его фокусных расстояний.

Выбор того или иного конденсора для практических целей сопровождается рассмотрением структуры пучка лучей в меридиональной плоскости (рис. 108).

Если источник света расположен в бесконечности, то в качестве конденсора применяется плоско-выпуклая линза, обращенная выпуклостью к источнику света. Представление о сферической аберрации простых линз можем составить из следующих примеров конструкций конденсоров.

Каустика конденсора

I. Конденсор в виде плоско-выпуклой линзы (табл. 8) имеет конструктивные элементы: r1 = 14,22 мм, r2=∞, d=6 мм, стекло БК10 с показателем преломления n= 1,5688, диаметр 20 мм, f'= 25 мм, S'F=21,17 мм. Источник света расположен в бесконечности.

Таблица 8

Если конденсор проектирует световое тело источника света в масштабе 1:1 (β=-1), то наилучшей формой линзы является двояковыпуклая с равными радиусами.

Таблица 9

II. Конструктивные данные конденсора (табл. 9): r1=27,3 мм, r2=-27,3 мм, d=6 мм, стекло БК10 с n= 1,5688, диаметр 20 мм, f'=25 мм, S'F=23 мм. Источник света расположен на двойном фокусном расстоянии от конденсора (s1 = -48 мм).

Если конденсор применяется при различных масштабах проекции, то его форма должна удовлетворять условию минимума сферической аберрации.

Из теории аберраций 3-го порядка известна формула сферической аберрации (при a1 = β, а3=1, n3= 1):

формулы

Двухлинзовый конденсор применяется, если сумма углов охвата и сходимости достигает 60°. Так как плоско-выпуклая линза имеет сферическую аберрацию, близкую к минимальной, и удобна для изготовления, то одинаковые линзы такой формы нашли себе повсеместное применение в двухлинзовых конденсорах.

Оптический расчет такого конденсора прост, так как линзы обращены выпуклостями друг к другу, у всех линз главные плоскости совпадают с вершинами, а при их соприкосновении, согласно формуле (28,5) при Ф12, получаем общую оптическую силу конденсора Ф=2Ф1. Диаметры линз делаются одинаковыми. Такие конденсоры применяются при линейном увеличении, близком к β=-1, и невыгодны при положении источника света в бесконечности.

III. Конструктивные данные конденсора (табл. 10): r1 =∞, r2=-14,22 мм, r3=14,22 мм, r4=∞, d1=d3=6 мм, d2=0, стекло БК10 с n = 1,5688, диаметр 20 мм, f'=12,5 мм, S'F=8,67 мм. Источник света расположен на двойном фокусном расстоянии конденсора (β=-1).

Таблица 10

Трехлинзовые конденсоры позволяют получить сумму углов охвата и сходимости до 100°. Для аберрационного расчета таких и более сложных конденсоров можно использовать условие минимума сферической аберрации одиночной линзы.

Допустим, что оптическая система конденсора состоит из m одиночных линз, а каждая линза равномерно влияет на оптическую силу конденсора и вносит минимум сферической аберрации. Тогда в каждом воздушном промежутке, учитывая a1 = β и апосл=1, углы параксиального луча с оптической осью (нечетные а) определятся выражением

формула

Четный угол a2t в каждой линзе вычисляется из условия минимума сферической аберрации, и тогда в каждой линзе углы нулевого луча (четные а) должны удовлетворять условию

формулы

Так, например, для конденсоров, имеющих β=-1, изготовленных из стекла с n= 1,5688 (БК10), значения углов а приведены в табл. 11. Толщины линз выбираются исходя из соображений апертуры конденсора и фокусного расстояния, а воздушные промежутки близки к нулю (например, d=0,1 мм).

Таблица 11

Если же оптическая система применяется как следящий объектив или, например, в качестве положительного компонента афокальной насадки к оптическому квантовому генератору, т. е. a1=0, то для линз с той же маркой стекла БК10 получаем значения углов а, приведенные в табл. 12.

Тблица 12

Наилучших результатов в части исправления сферической аберрации конденсоров и простоте конструкции можно добиться, применяя несферические поверхности. В последнем случае конденсор из двух плоско-выпуклых линз, имеющих несферические поверхности, позволяет получить при β =-1 сумму углов охвата и сходимости в 240°.

Трехлинзовые конденсоры особой конструкции (рис. 109) применяются для освещения щелей в спектральных приборах. Назначение конденсора заключается в том, чтобы осветить щель высотой в несколько миллиметров. В рабочем состоянии ширина щели достигает нескольких тысячных или сотых долей миллиметра. Для достижения равномерной освещенности необходимо, чтобы конденсор проектировал изображение источника света во входной зрачок объектива коллиматора спектрального прибора. Иногда необходимо для освещения щели выделить определенные участки светового тела источника света. Источник света проектируется конденсорной линзой К1 в отверстие второй линзы K2, выполняющей роль коллектива. Третья конденсорная линза K3 проектирует изображение источника света во входной зрачок объектива. Осевой пучок лучей показан сплошными линиями, а наклонный — пунктирными. Вследствие такой конструкции осветителя создается промежуточное изображение источника света в плоскости линзы К2. Если вплотную к линзе К2 установить диафрагму, то возникнет возможность выделения желаемых участков светящегося тела.

В качестве осветительных систем применяются и зеркала. Среди зеркальных систем различают: 1) сферическую отрицательную поверхность, 2) поверхность параболоида вращения, 3) поверхность эллипсоида вращения, 4) сложные системы из сферических поверхностей.

Простая отражательная сферическая поверхность имеет ограниченное применение вследствие значительной сферической аберрации. Зеркало применяется для более полного использования светового потока источника света. Такое зеркало по отношению к оптическому прибору или освещаемому предмету устанавливается сзади источника света. Источник света располагается в центре кривизны этого зеркала. Зеркалу дают небольшой наклон, и лучи света, отразившись от него, мннуя световое тело источника света, проходят далее, освещая рассматриваемый предмет. Примером такого применения является зеркало в осветительном устройстве кинопередвижки.

В оптических приборах часто применяют поверхности 2-го порядка. Поверхность параболоида вращения позволяет собрать в точку лучи, идущие параллельно друг другу, если они идут параллельно оси. Следовательно, если источник света разместить в фокусе параболы, то поверхность параболоида вращения будет образовывать параллельный пучок. Этот принцип широко применяется в прожекторах. Поверхность эллипсоида вращения позволяет собирать в одну точку, в один фокус лучи, если они вышли из другой точки, другого фокуса, отсюда следует, что если поместить источник света в одном фокусе эллипса, а входной зрачок объектива — в другом, то возможно равномерно осветить предмет, который должен проектироваться этим объективом. Оптическая схема подобной системы освещения показана на рис. 110. Она широко применяется в фотограмметрических приборах — трансформаторах и уменьшителях, а также в кинопроекторах.

Зеркальная осветительная ситсема

Сложные зеркальные системы из двух сферических поверхностей (см. рис. 104) применяются для освещения экрана осциллоскопов, например, ультрафиолетовым светом, при некоторых специальных наблюдениях.