Бинокль

Типичный бинокль

Схема бинокля с призмами Порро

Бино́кль (франц. binocle, от лат. bini, «двое» + oculus, «глаз») — оптический прибор для наблюдения за удалёнными объектами. Состоит из двух зрительных труб, параллельно соединённых вместе. При этом наблюдатель видит стереоизображение.

История

История биноклей восходит к различным системам для получения улучшенного бинокулярного зрения. Пенсне, очки и лорнет в своём развитии привели к сложным устройствам, напоминающим современный театральный бинокль (см. рисунок).

«Портрет дамы с лорнетом» (театральным биноклем), 1884

Современный театральный бинокль (2,5x27)

Устройство и основные параметры

Устройство

Общие схемы биноклей

В зрительных трубах бинокля может использоваться классическая система призм Малофеева-Порро (на рисунке), приводящая к смещению окуляра относительно входного отверстия, либо более современная зеркально-призматическая система («roof»), в этом случае смещения окуляра нет и зрительная труба остается компактной, без излома. Производство биноклей со старой системой дешевле при таком же качестве изображения.

Бинокль 7x50, указано, что поле зрения составляет 372 фута на расстоянии 1000 ярдов (примерно 124 м на дистанции 1000 м); просветлённая оптика

• Описание распространённых оптических систем биноклей

Линзы для биноклей

Оптика биноклей дневного видения

Линзы анастигмата биноклей изготавливаются из разных оптических стекол в зависимомти от предназначения бинокля. Например, бинокли обычные (дневного видения) изготавливаются преимущественно на базе оптических кварцевых стекол из природного кварцевого стекла, под названим — обсидиан.

Главные свойства кварцевого стекла:

• Обладает наименьшим среди стёкол на основе SiO₂ показателем преломления (n_D = 1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно ультрафиолетовых лучей.
• Для кварцевого стекла характерна высокая термическая стойкость, коэффициент линейного термического расширения менее 1·10⁻⁶ К⁻¹ (в диапазоне температур от 20 до 1400 °C).

Оптика биноклей ночного видения

Бинокли ночного видения (см. рис.1) изготавливаются с линзами на основе оптических материалов из однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения (Например, из однородного кремния изготавливаются оптические элементы, преломляющие Х-лучи).

Свойства:

Линзы из кремния обеспечивают:

• сверхвысокую изотропию;
• самую низкую дисперсию;
• самый большой с абсолютным значением коэффициент преломления n=3,49!;
• прозрачные для ИК-излучения в диапазоне 2 мм — 760 нм шкалы элекромагнитных волн;
• сохранять свои свойства и характеристики в течение длительного времени при возможном воздействии внешних факторов (механических, климатических, лучевых, химических, бактериологических и т. п.);
• стойкость к Х-лучам;
• высокую плотность = 2,33 г/см³;
• высокую твердость по сошлифовыванию — НS = 1,5 — 1,9 (то есть скорость износа материала при шлифовке). «(Она определяется относительным значением (Н S) твердости различных оптических материалов по сравнению с твердостью стекла К8 (твердость которого принимается за единицу) и равна отношению сошлифованного объема стекла марки К8 к объему данного материала, сошлифованного в тех же условиях.) . Это делает его незаменимым в изготовлении оптических систем и элементов с новыми возможностями управлять электромагнитными излучениями в зоне от 2 мм — 760 нм (ИК-излучения). (Современная технология обработки монокристаллов кремния обеспечивают перевод его в стекловидно-аморфное состояние с высокими оптическими характеристиками. Это делает его незаменимым материалом для изготовления линз. (Например, в приборах ночного видения, биноклях; в зоне частот (ЭИ) — радиоволн, обладая способностью сжимать расходяшиеся сферические радиоволны в сходяшиеся, они применяются в радарах, прицелах и др.)

Линзо-призматические схемы биноклей

Призма Порро в схеме бинокля

Использование линзо-призматических оптических схем позволяет получить прямое изображение, и существенно уменьшить габариты бинокля.

Система Schmidt-Pechan-Dachkant

Система Abbe-König-Dachkant

Основные характеристики биноклей

Кратность вместе с диаметром передней линзы объектива

• Кратность бинокля или Увеличение — отношение размера изображения предмета, наблюдаемого с помощью бинокля, к размеру этого же предмета, наблюдаемого невооруженным глазом.
• Диаметр передней линзы объектива определяет, какой светосилой обладает линза (светосила будет больше, если диаметр линзы будет больше). Чем больше светосила, тем больше яркость. Данная характеристика определяет такие параметры бинокля как светосила, величина полезного увеличения, вес и габариты. Диаметр обычно указывается на корпусе сразу же после значения кратности, например 10х40 (10 кратность, 40 — диаметр линзы в мм). Чем больше диаметр линзы, тем больше светосила бинокля (то есть тем легче решается проблема наблюдения при плохой освещенности), и тем шире угол зрения. Диаметр входного зрачка также сказывается на габаритах: чем больше диаметр, тем более тяжелым и громоздким является и сам бинокль.

Данные характеристики обозначаются на корпусе бинокля, с разделителем в форме значка х.

Пример обозначения: „10х40“.

• „10“ обозначает саму кратность, то есть во сколько раз изображение, видимое с помощью бинокля, больше, чем изображение, видимое невооруженным глазом.
• „40“ обозначает диаметр линзы объектива.

Диаметр выходного зрачка

Диаметр выходного зрачка — изображение передней линзы объектива, которое сформировалось после прохождения лучшей света через оптическую систему бинокля.

Диаметр выходного зрачка равен отношению диаметра передней линзы объектива к значению кратности. От данного параметра также зависит светосила (чем больше диаметр выходного зрачка, тем больше светосила). Данный параметр особенно важен для наблюдений в условиях плохой освещённости.

Удаление выходного зрачка

Удаление выходного зрачка — расстояние от крайней линзы окуляра до глаза человека, обеспечивающее четкое и необрезанное изображение объекта. Измеряется в миллиметрах. Обычно величина удаления составляет около 9-10 мм (компактные бинокли) или 9-12 (стандартные бинокли). При большом удалении выходного зрачка (больше 15 мм) можно пользоваться биноклями, не снимая очков.

Разрешение

Разрешение — очень важная характеристика бинокля, которая показывает возможность наблюдательного прибора различать детали объекта. Разрешение измеряется в угловых единицах. Чем меньше значение угла, тем выше разрешающая способность бинокля, и тем больше резкость получаемого изображения.

Разрешение также связано с диаметром передней линзы объектива (чем больше диаметр, тем больше и разрешающая способность).

Предел разрешения — это наименьшее угловое расстояние между двумя точками бесконечно удаленного объекта.

Угол зрения

Угол зрения или поле зрения — видимая область пространства. Измеряется в градусах или в метрах. Чем больше увеличение, тем меньше угол зрения. Бинокли, обладающие большим углом или полем зрения называются широкопольными или широкоугольными.

Коэффициент пропускания света

Каждая соприкасающаяся с воздухом поверхность линзы отражает около 5 процентов света. Поэтому существует параметр „Коэффициент пропускания света“.

Коэффициент пропускания света — отношение количества света, выходящего из оптической системы, к количеству входящего света. Измеряется в процентах. Каждая соприкасающаяся с воздухом поверхность линзы отражает около 5 процентов света. Так как в бинокле как правило 10-12 линз, то можно посчитать, что значение коэффициента может составлять менее 50 процентов.

Просветляющие покрытия линз

Для устранения бликов от отражения падающих лучей поверхностью линз и призм применяют специальные просветляющие покрытия, уменьшающие отражение света. В качестве покрытий применяются просветляющие плёнки.

Эти плёнки очень тонкие (толщина сопоставима с кратными величинами долей длины волны оптического излучения, то есть меньше одного мкм). К современным технологиям нанесения покрытий относятся также плазменная полимеризация и магнетронное разбрызгивание наносимйх элементов.

Обычно пленки на поверхность линз наносят методами плазменного напыления в специальных установках в среде с высоким вакуумом, например, оксидов металлов (титана, циркония и т. п.). При наличии такой пленки коэффициент отражения света от линзы значительно уменьшается (в результате интерференции света, отражаемого от передней и задней границы пленки).

Для уменьшения отражения света во всем видимом диапазоне применяются многослойные (3-5 слоев) просветляющие плёнки. Высококачественные просветляющие покрытия снижают коэффициент отражения света до 0,25 % и меньше. Остаточное отражение имеет для каждого покрытия свой характерный цвет.

Как правило для уменьшения внутренних межлинзовых отражений в объективах нанесении просветляющего покрытия производится на обе поверхности линзы.

Системы фокусировки

Существует два типа систем фокусировки: центральная и раздельная.

• Центральная фокусировка заключается в настройке резкости одновременно обеих зрительных труб при помощи поворота маховика. Благодаря такому типу фокусировки можно достаточно быстро навести бинокль на резкость.
• Раздельная фокусировка заключается в настройке резкости каждого из окуляров в отдельности.

Другие характеристики

• Диапазон фокусировки выражается в значении минимального и максимального расстояния, на которых можно получить резкое изображение.
• Глубина резкости — диапазон расстояний до цели (при этом фокусировка не изменяется). Чем выше кратность, тем ниже глубина резкости.
• В конструкции многих биноклей применяются также асферические линзы. Они увеличивают четкость и контраст изображения, сводя к минимуму оптические искажения.

Виды биноклей

Спортивные бинокли

Спортивные бинокли — категория биноклей с небольшими габаритами и весом. Обычно это бинокли средней или низкой ценовой категории (не более 800$). Основным производителем биноклей данного класса для всех брендов является Китай.

Астрономические бинокли

Такие бинокли строятся по схеме двойной кеплеровой трубы с системой Порро. Их разрешающая способность ограничивается возможностями глаза, поэтому обратнo пропорциональна кратности бинокля (оптика даёт 3-6"), поле зрения 3-9°, проницающая сила 9-11^m.

25 x 150 бинокуляр, приспособленный для астрономических наблюдений

Театральные бинокли

Театральный бинокль — оптический прибор, предназначенный для наблюдения театральных, цирковых, эстрадных представлений, спортивных соревнований.

Военные бинокли

Военные бинокли имеют специальные оптические схемы, преимущественно призматические. Наиболее известен полевой бинокль, но номенклатура военных биноклей гораздо шире.

Современный морской бинокль (бинокуляр «Big Eyes»)

Современные морские бинокулярные системы имеют объективы, разнесенные на расстояние (базис) до 15 метров, вес до 10 тонн, используются для наведения на цели, отстоящие на 25 км.

Бинокли ночного видения

Рис.1.Бинокль БН-2

Бинокль ночного видения (например, БНВ-2) — оптико-электронное устройство, предназначенное для визуального наблюдения объектов в ночное время суток при естественной освещенности от 5х$10^{-8}$ до 1 люкса и более низких уровнях света, для ориентирования на местности, на водной поверхности при естественной освещенности с использованием встроенного ИК-осветителя.

Охотничьи бинокли

Охотничьи бинокли — самые популярные бинокли. У таких биноклей высокая светосила, большая кратность, точная передача формы и цвета, надежность, компактность, а также такие дополнительные характеристики как наличие дальномера (для того, чтобы можно было определить расстояние до наблюдаемого объекта), стабилископа, компаса, термометра и высотомера.

Производители

Производство сложных оптических приборов традиционно сосредоточено в небольшом количестве центров точной механики и оптики. Некоторые широко известные фирмы-производители перечислены ниже.

Производители в странах СНГ

Отечественные бинокли имеют традиционно хорошую оптику и высокую надежность конструкции.

• Загорский оптико-механический завод
• Салаватский оптико-механических завод

Бинокли этих производителей работоспособны при температуре окружающей среды от —30 °C до +45 °C

• Бинокли Казанского оптико-механического завода имеют расширенный температурный диапазон эксплуатации —40 °C до +50 °C.

«Зарубежные бинокли, как правило, теряют работоспособность уже при —15 °C, в лучшем случае при —20 °C, что вполне достаточно для климатических условий Европы и Америки, но совершенно недостаточно для России.»

• Краткая характеристика более 10 типов отечественных биноклей

Зарубежные производители

Некоторые сведения о зарубежных производителях на русский язык пока не переведены, но их можно найти по указанным ниже ссылкам на английскую википедию:

• en:Barr and Stroud (UK) — sold binoculars commercially and primary supplier to the Royal Navy in WW2.
• en:Bausch & Lomb (USA) — has not made binoculars since 1976, when they licensed their name to Bushnell, Inc., who made binoculars under the Bausch & Lomb name until the license expired, and was not renewed, in 2005.
• en:Bushnell Corporation (USA)
• Canon Inc (Japan) — I.S. series: porro variants?
• en:Celestron
• en:DOCTER (optics) (Germany) — Nobilem series (Porro prisms)
• en:Fujinon (Japan) — FMTSX, FMTSX-2, MTSX series: porro.
• en:Leica Camera (Germany) — Ultravid, Duovid, Geovid: all are roof prism.
• Leupold & Stevens, Inc (USA)
• en:Meade Instruments (USA)- Glacier (roof prism), TravelView (porro), CaptureView (folding roof prism), and Astro Series (roof prism). Also sells under the name Bresser, Simmons, Weaver, Redfield, and Coronado.
• en:Meopta (Czech Republic) — Meostar B1 (roof prism).
• en:Minox
• en:Nikon Corporation (Japan) — EDG Series, High Grade series, Monarch series, RAII, Spotter series: roof prism; Prostar series, Superior E series, E series, Action EX series: porro.
• en:Pentax Corporation (Japan) — DCFED/SP/XP series: roof prism; UCF series: inverted porro; PCFV/WP/XCF series: porro.
• en:Steiner (Germany)
• en:Sunagor (Japan)
• en:Swarovski Optik
• en:Swift (USA)
• en:Vixen (telescopes) (Japan) — Apex/Apex Pro: roof prism; Ultima: porro.
• en:Vivitar (USA)
• en:Vortex Optics (USA)
• Zeiss (Germany) — FL, Victory, Conquest: roof prism; 7×50 BGAT/T porro, 15×60 BGA/T porro, discontinued.

См. также

• Бинокуляр
• Стереотруба
• Подзорная труба
• Линза (оптика)
• Монокуляр

Внешние ссылки

На английском языке

• A Guide to Binoculars by Emil Neata
• The history of the telescope & the binocular by Peter Abrahams, May 2002