Цилиндрическая система. Цилиндрическая оптика для получения читающего штриха

Цилиндрическая система. Цилиндрическая оптика для получения читающего штриха отличается чрезвычайной компактностью, требует лампы меньшей мощности и стоит дешево в производстве; поэтому она применяется в передвижных и главным образом узкопленочных проекторах. Ввиду некоторой специфичности этой системы рассмотрим ее подробнее на конкретном примере проектора 16-ЗП.

По внешнему виду цилиндрическая система представляет собой небольшую цилиндрическую оправу, переходящую на конце в усеченный конус, узкий конец которого обращен к фильму. Оправа имеет шпонку, служащую для ориентировки ее при установке в аппарат.

Сама оптическая система состоит из трех простых несклеенных плоско-выпуклых цилиндрических линз. Линзы имеют прямоугольную форму и сидят в одной общей оправе, внутренний просвет которой имеет такую же прямоугольную форму.

Так как цилиндрические линзы принципиально отличаются от обычных хорошо известных сферических линз, следует несколько остановиться на их особенностях.

Основное отличие цилиндрической линзы состоит в том, что вместо одной оптической оси она имеет неограниченное число оптических осей, составляющих вместе общую плоскость, в которой лежит и геометрическая ось цилиндра, образующего поверхность линзы. Поэтому при описании цилиндрической линзы понятие оптической оси теряет обычный смысл и для правильного представления о линзе указывают положение ее геометрической оси, то-есть оси цилиндра, образующего кривую часть поверхности линзы.

Однако можно говорить об оптической оси системы цилиндрических линз, если в систему входят хотя бы две линзы, оси которых лежат в разных плоскостях и, в частности, взаимно перпендикулярны. Оптической осью такой системы будет служить прямая, по которой пересекаются главные сечения обеих линз.

На рис. 113, а представлен общий вид плоско-выпуклой цилиндрической линзы и та же линза изображена в двух сечениях. Для сравнения на рис. 113, б изображена также в общем виде и в двух сечениях плоско-выпуклая сферическая линза.

Рис. 113. Общий вид и главные сечения плоско-выпуклой линзы: а — цилиндрической; б — сферической

Уже самый вид линзы показывает, что если в одном сечении цилиндрическая линза совершенно подобна сферической, то в другом сечении она ничем не отличается от плоскопараллельной пластинки. Иными словами, в противоположность сферической линзе, обладающей одинаковым действием во всех сечениях, проходящих через оптическую ось, цилиндрическая линза совершенно не действует в плоскости, содержащей геометрическую ось цилиндра, а максимальное действие ее сказывается в плоскости, перпендикулярной оси.

Если перед цилиндрической линзой расположен какой-либо предмет, допустим, спираль лампы, то линза будет рисовать спираль только по одному измерению ее—по длине (рис. 114) или до диаметру спирали (рис. 115) в зависимости от того, как расположена спираль относительно оси линзы. На рис. 114 ясно очерчена форма и структура спирали с соблюдением масштаба в сечении, перпендикулярном оси цилиндра; в другом сечении изображение заканчивается неопределенно, уменьшаясь постепенно по яркости.

Рис. 114. Образование изображения цилиндрической линзой

Рис. 115. Образование изображения цилиндрической линзой

В перпендикулярном сечении (рис. 115) спираль очерчена резко по диаметру, но не имеет резких границ по длине и не содержит изображения витков спирали.

Теперь вернемся к анализируемой нами системе. Первые две линзы расположены в оправе так, что их оси перпендикулярны оптическому штриху, а ось третьей линзы, ближайшей к фильму, расположена горизонтально, параллельно штриху (рис. 116). Каждая линза снабжена диафрагмой с прямоугольным отверстием.

Рис. 116. Цилиндрическая читающая система

Если через нашу схему (см. рис. 116) провести вертикальное сечение, то в этом сечении (рис. 117, а) первые две линзы будут представлять собой плоскопараллельные пластинки и активно действовать будет только одна третья линза, которая даст изображение спирали лампы по ее диаметру в сильно уменьшенном виде, то-есть даст тонкий и длинный штрих, толщина которого будет зависеть от диаметра спирали и фокусного расстояния третьей линзы.

Рис. 117. Схема хода лучей, обслуживающих середину и край штриха в цилиндрической читающей системе

При этом, светосила третьей линзы будет определяться высотой отверстия диафрагмы третьей линзы и фокусным расстоянием последней. Полученный таким образом штрих не имел бы резкого ограничения по длине, если бы не было диафрагмы первой линзы и первых двух линз.

Рассматривая нашу схему в горизонтальном сечении (рис 117, 6), легко заметить, что первые две линзы образуют обычную проекционную систему, в которой первая линза играет роль конденсора, рисующего изображение спирали засвечивающей лампы в зрачке второй линзы, а вторая линза работает как проекционный объектив и рисует на фонограмме горизонтальное сечение входной диафрагмы, изображение которой и ограничивает оптический штрих по длине.

При правильном расчете и установке оптики оба эти изображения лежат в одной плоскости и образуют вместе оптический штрих, резко очерченный как по толщине, так и по длине. Таким образом, если в обычной щелевой системе оба измерения оптического штриха — и длина и толщина его—представляют собой изображение соответствующих измерений механической щели, то в цилиндрической системе механическая щель в виде входной диафрагмы ограничивает только длину штриха, а толщина определяется диаметром спирали и фокусным расстоянием третьей линзы. Поэтому название бесщелевой, строго говоря, подходит к цилиндрической системе лишь в отношении толщины штриха.

Все три линзы закреплены в общей оправе и удерживаются на соответствующих расстояниях благодаря распорным втулкам и пружине, расположенной между втулками; взаимная перпендикулярность осей отдельных линз сохраняется благодаря прямоугольной форме линз и такой же прямоугольной форме просвета оправы.

Расстояние от спирали лампы до фильма составляет ровно 45 мм и при этом резкое изображение спирали, даваемое третьей линзой, совпадает с резким изображением входной диафрагмы, даваемым второй линзой, а оптический штрих имеет размеры 1,65 х 0,016 мм, если спираль лампы прямая и параллельна оси третьей линзы, которая в свою очередь должна быть перпендикулярна направлению движения фонограммы.

Если ось спирали лампы будет не параллельна оси третьей линзы, толщина штриха будет расти и становиться тем больше, чем больше перекос спирали, причем штрих будет сохранять горизонтальное положение, независимо от положения спирали, в довольно больших пределах. Если же повернуть цилиндрическую систему с оправой, то настолько же повернется и штрих, который будет располагаться всегда параллельно оси третьей линзы.

Следовательно, правильное горизонтальное положение штриха определяется целиком положением третьей линзы, и потому однажды отъюстированная система будет обеспечивать горизонтальность положения штриха независимо ют положения спирали лампы, перекос которой будет приводить только к утолщению штриха, но не к перекосу его.

Разумеется, также будет действовать и искривление спирали, однако картина действия дефектов спирали на качество штриха осложняется тем обстоятельством, что спираль имеет по всей длине неодинаковую яркость и поэтому вместо штриха с постоянной яркостью по толщине получается толстый штрих, часть которого, расположенная посредине или с краю, обладает большей яркостью и потому может быть принята за самостоятельный штрих, если остальная площадь штриха сильно уступает ему по яркости.

Может возникнуть вопрос, чем объяснить, что в обычной щелевой системе для получения хорошего штриха требуется коррегированный светосильный микрообъектив довольно сложной конструкции, а цилиндрическая система, состоящая из простых неахроматизированных линз, работает тем не менее не хуже.

Этот вопрос тем более законен, что форма всех трех цилиндрических линз одинаковая—плоско- выпуклая и продиктована она не требованием коррекции, то-есть является не наивыгодной формой в смысле качества изображения, а вытекает из технологических соображений производства линз, так как изготовление двояковыпуклых или вогнуто-выпуклых цилиндрических линз встречает ка практике чрезвычайные трудности и увеличивает стоимость линз в десятки раз.

Легче всего изготовить цилиндрические линзы плосковыпуклой формы или в виде полного цилиндра, то-есть стеклянного стержня. .

Дело в том, что благодаря компактности всей системы фокусные расстояния линз получаются чрезвычайно небольшими, что при малом поле зрения дает настолько незначительные аберрации, что они практически могут не приниматься во внимание, тогда как микрообъектив для того, чтобы покрыть поле в 2 мм, должен обладать большим фокусным расстоянием.

Здесь, казалось бы, имеет места такое же требование, однако, если обратить внимание на то, что длина штриха относится к его толщине, как 100:1, нетрудно сообразить, что выгодно разделить функции оптической системы, заставив ее работать в каждом сечении по-разному. В сечении, рисующем толщину штриха, мы получим настолько ничтожное поле, что при фокусном расстоянии 3 мм аберрации простой линзы по абсолютной величине будут чрезвычайно малы даже при большом относительном отверстии, а ведь получение тонкого штриха ц составляет главную трудность оптической системы звуковоспроизведения.

Следовательно, задача получения тонкого штриха решается в цилиндрической системе чрезвычайно просто одной линзой с фокусным расстоянием около 3 мм.

Что же касается длины штриха, тут требования не так жестки, так как уже один допуск на длину штриха (0,05 мм) втрое больше, чем вся толщина штриха—0,016 мм. Кроме того, здесь, как мы уже видели, применена более сложная система, повторяющая обычную кинопроекционную систему и обеспечивающая одинаковую яркость по всей длине штриха.

В эксплуатации проектора нередки случаи, когда почему-либо необходимо разобрать цилиндрическую оптику и снова собрать ее.

Надо иметь в виду, что разборка и сборка всякой оптической системы весьма нежелательны и в большинстве случаев приводят к ухудшению ее качества и поэтому к такой мере следует прибегать лишь в самых крайних случаях.