Наблюдательные приборы

Наблюдательные приборы — оптические приборы, используемые при совместной работе с глазом и способствующие расширению возможностей зрения человека при его визуальном восприятии окружающей среды. Теория наблюдательных приборов находится в тесной связи с физиологической оптикой, основные положения которой определяют технические характеристики и выбор оптической схемы этих приборов.

История наблюдательных приборов и их применение

Вплоть до середины XIX века единственным приёмником информации в оптическом диапазоне длин волн излучения являлся глаз человека.

Обычно наблюдательные приборы сами по себе не создают изображений наблюдаемых объектов. В их состав не входят приёмники изображения в тех случаях, когда в его роли выступает непосредственно сетчатка глаза. При этом создающая изображения оптическая система глаза, состоящая из роговицы, хрусталика, стекловидного тела и сетчатки выступает в качестве необходимого, но пространственно обособленного от собственно наблюдательного прибора дополнения к его оптической схеме.

Поэтому наблюдательный прибор может рассматриваться как своеобразный канал связи, С точки зрения теории информации расчёт оптического наблюдательного прибора есть частное решение общетехнической задачи по оптимизации пропускной способности канала связи(в котором потери информации сведены к минимуму) и, обеспечивающего доставку информации, содержащейся в находящемся перед ними поле излучения на приёмник информации, извлекающий её из оптимальным (с точки зрения работы приёмника) образом преобразованного оптическим прибором поля излучения.

Термин «наблюдательный прибор» широко используется в военном деле (рекогносцировка, управление огнём, измерение дистанции), навигации (визуальное наблюдение, в том числе при ухудшенной видимости и в тёмное время суток) и во всех областях деятельности, связанных с наблюдением удалённых объектов, например в экологическом мониторинге.

Виды наблюдательных приборов

При использовании наблюдательных приборов решаются следующие задачи:

1. Увеличение угловых размеров наблюдаемых объектов с целью их согласования с ограниченной разрешающей способностью глаза, то есть оптимизация видимых размеров наблюдаемых объектов в плоскости, перпендикулярной направлению на них.
2. Оптимизация восприятия объектов, находящихся на разных расстояниях в направлении на них.
3. Увеличение поступающего в глаз светового потока, несущего информацию.
4. Коррекция недостатков глаза.

В настоящее время не существует стройной, построенной по иерархической схеме и признаваемой всеми классификации оптических и, в том числе, наблюдательных приборов, что подтверждается сравнением раздела «содержание» в изданиях трудов по оптике различных авторитетных авторов, ,, ,.

Простейшим видом наблюдательного прибора являются обычные очки (ставшие известными в Европе после перевода с арабского в 1240 году книги Альхазена «Чудеса оптики», что познакомило Запад с оптикой как таковой ). Именно принцип очков позволяет в определённых пределах решать четвёртую из задач наблюдательных приборов.

Для решения первой из задач и в соответствие со степенью удалённости от наблюдателя объекта наблюдения используются наблюдательные приборы либо вида телескопов , либо микроскопов, имеющие множество подвидов для специальных целей (напр. биологический микроскоп, петрографический микроскоп, металл-микроскоп и др.) Как в том, так и другом случае используются принципиально не отличающиеся оптические схемы.

Также и вторая из задач решается этими приборами одинаковым образом: Для обеспечения восприятия третьей координаты сцены — её глубины, используется стереоэффект, достигаемый путём регистрации диспаратности (пространственного несоответствия положения изображения предмета, создаваемого на сетчатке глаза двух разнесённых в пространстве приёмников изображения). В мире животных это явление наблюдается в случае зрения двумя глазами (бинокулярное зрение). Для измерения расстояний до удалённых объектов используются стереоскопические дальномеры, а в микроскопии для получения объёмного изображения — стереомикроскопы. и стереоскопическая (бинокулярная) лупа. Театральный бинокль представляет собой объединение двух наземных труб, расстояние между оптическими осями которых равно расстоянию между зрачками глаз. Восприятие глубины пространства улучшается при увеличении базы наблюдения, то есть расстояния между оптическими осями зрительных труб. Наблюдательным прибором такого типа является полевой бинокль или (призменный бинокль), стереотруба и дальномер.

Телескопы и их подвиды

В том случае, когда малость угловых размеров наблюдаемого объекта обусловлена большой удалённостью объектов наблюдения используются наблюдательные приборы типа наземные трубы (подзорная труба) или телескопы типа рефрактора, (первый патент на который был выдан в Голландии в 1608 году) или рефлектора (изобретенного Ньютоном). Различие между наземной трубой и телескопом состоит в том, что в последнем нет оборачивающей системы, и потому даваемое посредством его изображение — перевёрнутое.

При использовании телескопов решается и третья из задач, причём в современной астрономии она является важнейшей, обеспечивающей получение информации о спектральном составе излучения точечных объектов — звёзд.

Микроскопы и их подвиды

В том случае, когда эта малость обусловлена собственной малой величиной наблюдаемой сцены, используются, лупы и микроскопы. Первый микроскоп создан Захриасом Янсеном около 1590 года . Основателем научной микроскопии считается Антони ван Левенгук, открывший существование микромира (бактерий).

Одним из подвидов микроскопов является стереомикроскоп, позволяющий наблюдать объёмное изображение объекта, обоими глазами. Вначале фотоснимки предмета производили не менее чем с двух точек, с тем, чтобы изображения попарно перекрывались между собой, что обеспечивает передачу объектов в соответствии с тем, как их раздельно видит правый и левый глаз человека. Современный стереомикроскоп может быть аналоговым или цифровым, иногда возможна запись стереовидеоизображения.

Расчёт оптической схемы наблюдательного прибора

Фотометрический расчёт наблюдательных приборов

При наблюдении протяжённых объектов, то есть объектов, угловые размеры которых превышают минимальное угловое расстояние (около одной угловой минуты = 0,0003 радиана) между двумя предметами, воспринимаемыми глазом как раздельные, оптический наблюдательный прибор уменьшает яркость их изображения лишь из-за потерь на поглощение в элементах оптики. Для увеличения яркости изображения в схему прибора вводятся электронно-оптические преобразователи ПЗС-матрицы, увеличивающие яркость создаваемого оптикой промежуточного изображения за счёт стороннего источника энергии. При этом, благодаря использованию приёмников промежуточного изображения с расширенной в область инфракрасного излучения областью спектральной чувствительности, оказывается возможным наблюдение в ночных условиях за счёт освещения ночным небом и, даже, за счёт собственного теплового излучения объекта наблюдения (техника приборов ночного видения).

При наблюдении точечных объектов, угловые размеры которых меньше разрешающей способности глаза, (звёзд, например) представление о яркости, как инвариантной величине, определяемой исключительно яркостью объекта наблюдения оказывается несправедливым, поскольку в этом случае «изображение» удалённого объекта определяется аберрациями оптической системы прибора и, (в лучшем случае, дифракцией на его входном зрачке) и не зависит от расстояния до объекта наблюдения (например - звезды).

См. также

• Визуализация