Vytisknout
Nadřazená kategorie: Teorie
Kategorie: Optické přístroje
Zobrazení: 4365

Cílem všech okulár je usměrnit chod optických paprsků z objektivu tak, aby na jeho výstupu byl pozorovatelný ostrý a kontrastní obraz.

Základní požadavek na ideální okulár tak zní, že musí soustředit veškeré fotony soustředěné dalekohledem požadovaným směrem. Situaci ještě dále komplikuje velký rozptyl hodnot relativního otvoru (dále budeme užívat poněkud nepřesné, přesto zaužívané označení „světelnost“) různých dalekohledových soustav. Obecně platí, že dalekohledy s vyšší světelností (tj. poměr průměr objektivu a ohniskové vzdálenosti je nižší)vyžadují výrazně lépe korigovaný okulár. Např. pro světelný dalekohled f/4 jsou vhodné pouze moderní, velmi dobře korigované, okuláry. Naopak u dalekohledu světelnosti f/10 zajistí prakticky jakýkoliv dobře vyrobený okulár kvalitní obraz.

 

   Tento článek je zkrácenou verzí článku o teorii optických přístrojů, který vyšel v Astropisu č. 4/2008. Představuje jakési volné pokračování seriálu o základech optických přístrojů, který před časem vyšel v tomto časopise.

 

Vlastnosti okulárů

Zvětšení a ohnisková vzdálenost

Každý okulár podobně jako objektiv dalekohledu má ohniskovou vzdálenost. V závislosti na jejich vzájemném poměru se zvětšení dalekohledu řídí chronicky známým vztahem:

,

kde:  G … zvětšení dalekohledu, fob … ohnisková vzdálenost objektivu-dalekohledu, fok … ohnisková vzdálenost okulárů, Dob … průměr objektivu-dalekohledu, Dvyp … průměr výstupní pupily, 2w … skutečné zorné pole dalekohledu, 2w … zdánlivé zorné pole okuláru.

             Z výše uvedeného vztahu by se mohlo zdát, že rozsah zvětšení je neomezený. Větší zvětšení se projeví jen menším průměrem výstupní pupily (tedy svazku vystupujícím z dalekohledu).  Bohužel tomu tak není. Maximální zvětšení ovlivňují i jiné zákonitosti (zejména pak vlnová povaha světla). Pro rozsah použitelných zvětšení obecně platí, že průměr výstupní pupily by měl být menší než je průměr zorničky oka pozorovatele, ale neměl by být menší než cca 0.5 mm (omezení zvětšení na dvojnásobek průměru objektivu).

Fyzikální maximum zvětšení dané průměrem objektivu tedy odpovídá průměru vstupní pupily kolem 0.5 mm (viz. tab. 1). Pokud použijeme okulár s kratší ohniskovou vzdáleností (tedy pro větší zvětšení než je právě 2D) nebudou se v obraze objevovat nové podrobnosti. Pouze dojde ke zvětšení velikosti původního obrazu za současného poklesu kontrastu – dosahujeme tzv. jalové (též prázdné) zvětšení. Pro některé pozorovací úlohy (např. pozorování dvojhvězd) může být přínosné zvětšení i mírně větší (až 3D). Vyžaduje však velmi kvalitní optickou soustavu okuláru i dalekohledu a vynikající pozorovací podmínky.

Průměr výstupní pupily kolem 1 mm nejčastěji zajišťuje maximum viděných detailů při planetárním pozorování za velmi dobrých podmínek. Je rovněž vhodné pro rozlišení dvojhvězd. Pro tyto objekty je za vynikajících podmínek rovněž možné občas zkusit i zvětšení odpovídající průměru výstupní pupily kolem 0.5 mm.

            Průměr výstupní pupily kolem 2 mm obecně poskytuje nejlepší podmínky pro pozorování  malých objektů (např. planet) za průměrných až dobrých podmínek. Při dostatečném jasu obrazu pak zároveň umožňuje využít rozlišovací schopnost oka. Ta se pro velké jasy (den, obraz Měsíce, planet) obrazu se pohybuje  kolem 1’. Za nízkých jasů (jasné deepsky objekty, osvětlení krajiny v noci Měsícem) klesá na 5’. Pro velmi slabé jasy (noční krajina bez osvětlení a při tmavé obloze) ale může dosáhnout i několik desítek úhlových minut.

            Nejmenší smysluplné zvětšení pak je limitováno zejména průměrem zorničky oka pozorovatele. Pokud použijeme okulár o příliš velké ohniskové vzdálenosti může být průměr výstupní pupily větší průměr zorničky oka a to vede ke ztrátám optického zisku dalekohledu (jinak řečeno využíváme jen část získaného světla). Při volbě minimálního zvětšení je dobré mít na paměti i jednu „maličkost“. Maximální průměr zorničky pozorovatele závisí i na věku pozorovatele. Čím je pozorovatel starší, tím má průměr zorničky menší. Zatímco u mladého pozorovatele (tj. do věku 20-30 let) je její maximální průměr nejčastěji v rozsahu 7-8mm, u lidí středního věku (do 50 let) klesá postupně až na cca 4-5 mm. S rostoucím věkem pak dále klesá až k hodnotám kolem 2 mm.

            Nejmenší smysluplné zvětšení rovněž ovlivňují i pozorovací podmínky – míra světelného znečištění. Příliš malé zvětšení pod přejasenou oblohou v blízkosti velkého města  zpravidla dokonale „zamaskuje“  slabé deepsky objekty. Díky malému kontrastu je tak nebude možné pozorovat. Průměrný pozorovatel si může při tmavé obloze (malém světelném znečištění) dovolit volbu zvětšení tak, že průměr výstupní pupily je v rozsahu 5-7 mm. V příměstské oblasti pak menší průměr vede ke ztmavení pozadí a relativnímu zlepšení kontrastu pozorovaných objektů. V okolí větších měst se osvědčuje výstupní pupila 3-4mm.  Menší průměr výstupní pupily pak pro adaptované oko rovněž znamená menší vliv astigmatismu a ostřejší obraz. Velmi často jsou za  normálních podmínek (i co se světelného znečištění týká) právě při tomto zvětšení dobře patrné i malé galaxie a planetární mlhoviny.

 

Vzdálenost výstupní pupily

  Konkrétní optický návrh (konstrukce) okuláru určuje i vzdálenost výstupní pupily (nepřesně optický reliéf) – vzdálenost mezi poslední optickou plochou a předpokládanou polohou oka. Pro zdravé oko je doporučená minimální vzdálenost kolem 12mm, pro pozorovatele s brýlemi 15, nebo ještě lépe 20mm. Nedostatečná vzdálenost výstupní pupily ořezává zorné pole a vyvolává dojem pohledu „klíčovou dírkou“.  U starších konstrukcí okulárů je jeho hodnota zpravidla závislá na konkrétní ohniskové vzdálenosti okulárů (kratší ohnisková vzdálenost znamená i menší vzdálenost výstupní pupily).  Soudobé moderní složitější konstrukce mají zpravidla jeho hodnotu na ohniskové vzdálenosti téměř nezávislou.

 

Velikost zorného pole a průměr tubusku

            Optický návrh okuláru rovněž ovlivňuje, jak velké zorné pole je daným okulárem pozorovatelné. Specializované okuláry (např. planetární speciály) mají obvykle relativně úzké zorné pole (30-45°). Běžné okuláry mívají zorné pole v rozsahu 50-60°, širokoúhlé pak nejčastěji 65-72°. Největší zorné pole mají ultraširokoúhlé okuláry (až 120°).

Připomeňme pouze, že lidské oko je schopno ostře vnímat jen velmi malá pole (řádově stupně), detaily pak vnímá pro pole řádově desítek stupňů. Periferní vidění pak umožňuje vnímat změnu, popř. jasné objekty až do zorného pole u zdravého oka kolem 90°.

Pokud pomineme-li rozměr 0.96“ určený spíše pro mikroskopy a nejlevnější dalekohledy tak se okuláry vyrábí ve dvou základních rozměrech – 1.25“ a 2“. Běžně dostupné jsou okuláry o ohniskových vzdáleností zpravidla do 40 mm. Jejich zorná pole se pohybují v rozsahu 40-50° pro klasické konstrukce (Kellner, Plössl) až po 60-85° u širokoúhlých okulárů (Erfle, Tv Nagler). Tak trochu nad běžnými okuláry „ční“ okuláry Televue  řady Ethos se zorným polem 100° přesahujícím celkové zorné pole průměrného oka.       Typický 32-40mm okulár konstrukce Kellner či Plössl (tj. se zorným polem do 50°) využijí celé pole 1.25“  tubusku okuláru. Větší zorné pole, popř. větší ohniskové vzdálenosti není možné v tomto klasickém pojetí bez nežádoucích jevů (vinětace, …) zajistit. Širokoúhlé okuláry větších ohniskových vzdáleností proto vyžaduj větší, tj. 2“, tubusek. Pro kratší ohniskové vzdálenosti se můžeme setkat s celou řadou širokoúhlých okulárů i v 1.25“ provedení. Obecně přitom platí, že pokud je potřebný průměr clonky zorného pole okuláru (tedy clonky, která vymezuje ostré zorné pole uvnitř okuláru) menší, než fyzický rozměr jeho tubusku jsou 1.25“ i 2“ konstrukce rovnocenné. Pro pohodlné pozorování pak je nutné mimo dostatečné vzdálenosti výstupní pupily zajistit dostatečně velký průměr oční čočky okuláru (tj. poslední čočky v konstrukci za níž je umístěno oko).  Je-li příliš malý, je pozorování příliš citlivé na přesné umístění oka. Minimální rozumná hodnota je kolem 5mm. Doporučený průměr oční čočky je min 15-20mm.

 

Parfokální okulár

  Občas se setkáte s označením, že daný okulár je parfokální. V praxi to znamená, že výrobce jej navrhl a vyrobil tak, že při jeho záměně v okulárovém výtahu za jiný nepotřebujete přeostřit a obraz tedy bude ostrý. Parfokální jsou zpravidla mezi sebou pouze okuláry stejného výrobce v určité řadě. Pokud tedy  použijete okuláry stejného výrobce, ale jiné řady, okuláry mezi sebou sice mohou, ale zpravidla nejsou parfokální.

 

 

Linearita obrazového pole

V ideálním případě by pozorovatel viděl v zorném poli okuláru obraz v němž jsou zachovány vzájemné poměry úhlů i geometrické tvary linií. V praxi je ale zpravidla obraz více či méně deformován. Úhlové (angulární) zkreslení způsobí, že objekt (např. úhlová vzdálenost mezi dvěmi hvězdami) se v různých místech zorného pole pří stejné  úhlové velikosti jeví jinak veliký. Pokud se výrobci podařilo hodnotu této chyby eliminovat na dostatečně malou hodnotu, je zaručena prakticky neměnná úhlovou vzdálenost pozorovaných hvězd v celém zorném poli.  Kompenzace angulárního zkreslení je důležitá zejména u širokoúhlých okulárů, kde by nepříjemně deformovala pozorovanou scénu. Geometrické (rektilineární) oproti tomu vyvolává deformace linií. Zpravidla je ve středu zorného pole nejnižší a plynule narůstá směrem k jeho okraji. Důsledkem pak jsou viditelné prohnutí linií u okrajů zorného pole. Maximální kompenzace rektilineárního zkreslení je obvyklá u specializovaných okulárů (např. planetárních, či zaměřovačů ve vojenských přístrojích), tedy všude tam, kde je důležité rozpoznat správný tvar objektu.

Zorné pole okuláru pak lze považovat za lineární, pokud má dostatečně potlačeno angulární i rektilineární zkreslení. Pokud vezmeme v úvahu jednotlivé hodnoty zvětšení pro jednotlivé běžné světelnosti dalekohledů, lze ze vztahu pro zvětšení dalekohledu určit rozsah požadovaných ohniskových vzdáleností okuláru v závislosti na světelnosti dalekohledu (tab. 2).

 

Obr. 1: Vybrané konstrukce astronomických okulárů

Obr.  2: Porovnání zorného pole okulárů

Obr.  3: Distorze zorného pole (vlevo - angulární, vpravo - rektilineární)