Как работает оптический прицел?

Оптический прицел с помощью линз формирует и увеличивает изображение цели, а затем совмещает его с прицельной сеткой, которая служит стрелку чётким ориентиром для наведения. Окуляр передаёт глазу итоговое изображение, а внутренние механизмы поправок задают направление оптической оси прицела относительно оси канала ствола.

Это обеспечивают три системы: оптическая формирует изображение, прицельная сетка служит ориентиром для наведения, а механическая управляет увеличением, горизонтальными и вертикальными поправками, а также фокусировкой.

Одни и те же основные принципы действуют в оптических прицелах с постоянной и переменной кратностью. В прицелах переменной кратности добавлены подвижные группы линз, позволяющие изменять увеличение.

Как работает оптический прицел: проследим путь света

Проще всего понять устройство оптического прицела, проследив путь света от цели до глаза. Каждый основной компонент выполняет в этом процессе свою роль.

1. Свет попадает в объектив

Обычный оптический прицел не создаёт изображение электронным способом. Свет, отражённый от наблюдаемой сцены, попадает в объектив в передней части прицела.

Оптическая система объектива преломляет эти лучи света и фокусирует их, формируя первичное внутреннее изображение.

2. Объектив формирует перевёрнутое изображение

Оптическая система объектива формирует внутри прицела действительное изображение. На этом этапе оно перевёрнуто, тогда как стрелку требуется прямое изображение.

Поэтому, прежде чем изображение достигнет глаза, внутренние линзы должны перевернуть его в правильное положение. В прицеле переменной кратности дополнительное перемещение элементов оптической системы также определяет степень увеличения изображения.

Именно поэтому оптический прицел — это не просто увеличительное стекло в металлической трубе.

3. Прицельная сетка FFP расположена в первой фокальной плоскости

Прицельная сетка может занимать разные положения в оптической системе.

В прицеле с прицельной сеткой в первой фокальной плоскости, или FFP, сетка расположена перед системой изменения кратности. Поскольку изображение цели и сетка вместе проходят через оптические элементы, изменяющие кратность, при изменении увеличения они визуально масштабируются одновременно.

Благодаря этому угловые размеры делений прицельной сетки остаются соразмерными цели во всём расчётном диапазоне увеличения прицела.

4. Оборачивающая система и узел изменения кратности переворачивают и увеличивают изображение

Затем изображение проходит через оборачивающую систему. Одна из её основных функций — перевести внутреннее перевёрнутое изображение в правильное положение.

В прицеле переменной кратности оборачивающая система и узел изменения кратности также содержат подвижные группы линз. При вращении кольца изменения кратности положение этих элементов механически меняется, вследствие чего меняется и увеличение.

Когда увеличение прицела меняется с 4× до 12×, никакой цифровой обработки не происходит: группы внутренних линз физически перемещаются.

Точная компоновка зависит от оптической схемы. Поэтому оборачивающую функцию и изменение кратности правильнее рассматривать как работу единой оптической системы, а не представлять, будто одна линза переворачивает изображение, а другая, полностью отдельная, увеличивает его.

5. Прицельная сетка SFP расположена после системы изменения кратности

В прицеле с прицельной сеткой во второй фокальной плоскости, или SFP, сетка расположена за системой изменения кратности.

При изменении кратности видимый размер изображения цели меняется, а размер прицельной сетки остаётся примерно одинаковым.

Поэтому калиброванные метки сетки SFP соответствуют указанным угловым величинам только при увеличении, заданном производителем. Часто это максимальная кратность, но не всегда.

Именно положение прицельной сетки относительно системы изменения кратности, а не принципиальная разница в оптическом качестве, обусловливает знакомые особенности прицелов с сеткой в первой и второй фокальной плоскости.

6. Окулярная система передаёт изображение глазу

После прохождения через внутреннюю оптику и плоскость прицельной сетки окулярная система передаёт итоговое изображение глазу стрелка.

Теперь стрелок видит цель и прицельную сетку одновременно.

Большинство современных прицелов также оснащены регулировкой окуляра, или диоптрийной настройкой, позволяющей добиться резкости сетки с учётом зрения конкретного пользователя. Эта регулировка выполняет иную задачу, чем отстройка параллакса, которая задаёт взаимное положение изображения цели и прицельной сетки.

Что меняется при регулировке увеличения?

Вращение кольца изменения кратности не только визуально приближает цель. Увеличение также меняет видимую часть окружающей сцены и то, как оптическая система передаёт свет глазу.

Видимый размер цели и поле зрения

При увеличении 10× угловой размер цели примерно в десять раз больше, чем при наблюдении невооружённым глазом. Поэтому высокая кратность может облегчить различение мелких деталей, если это позволяют качество оптики и условия наблюдения.

Связь между полем зрения и увеличением создаёт важный компромисс: с ростом кратности видимая через прицел угловая область обычно сужается.

При меньшей кратности стрелок видит больше окружающего пространства и легче находит цель, а при большей видит меньшую часть сцены, но более детально.

Таким образом, более высокая кратность не всегда оптимальна.

С ростом кратности выходной зрачок уменьшается

Выходной зрачок — это диаметр пучка света, выходящего из окуляра.

Для практических расчётов можно использовать приближённую формулу:

Выходной зрачок ≈ эффективный диаметр объектива ÷ увеличение

Таким образом, при эффективном диаметре объектива 40 мм и увеличении 10× диаметр выходного зрачка составит около 4 мм.

В реальных оптических системах результат может отличаться из-за внутренних диафрагм, виньетирования и особенностей оптической схемы, поэтому эту формулу следует считать полезным ориентиром, а не абсолютной характеристикой.

При неизменном эффективном диаметре объектива увеличение кратности обычно уменьшает диаметр выходного зрачка. Чем меньше выходной зрачок, тем важнее точное поперечное положение глаза, а размер и удобство рабочей зоны положения глаза зависят от оптической схемы прицела в целом.

Почему сетки FFP и SFP выглядят по-разному

Увеличение по-разному влияет на калиброванные сетки в прицелах FFP и SFP. В прицеле FFP изображение цели и сетка масштабируются вместе, поэтому угловые размеры делений сохраняют своё соотношение во всём расчётном диапазоне кратности. В прицеле SFP видимый размер цели меняется, а сетка выглядит практически одинаково, поэтому её калиброванные деления соответствуют заданным величинам при увеличении, указанном производителем.

Ни одна из этих схем расположения прицельной сетки сама по себе не обеспечивает большей точности; различие заключается в том, сохраняют ли деления сетки свои угловые величины при изменении увеличения.

Что означает 3–9×40?

Если понимать принцип увеличения, характеристики различных охотничьих оптических прицелов сравнивать гораздо проще.

В обозначении 3–9×40:

3–9× — диапазон переменного увеличения.

40 мм — номинальный диаметр объектива.

Отдельное значение, например 1 дюйм, 30 мм или 34 мм, обычно обозначает диаметр центральной трубы, под который подбираются совместимые крепёжные кольца.

Диаметр центральной трубы не следует считать прямым показателем яркости изображения. В зависимости от конструкции прицела труба большего диаметра может дать разработчикам больше места для внутренних механизмов и увеличить доступный диапазон ввода поправок, но сама по себе она не повышает светопропускание.

Как в действительности работают барабаны поправок и пристрелка оптического прицела

Вращение барабана горизонтальных или вертикальных поправок не изменяет непосредственно траекторию пули. Оно меняет соотношение оптической оси прицела и оси канала ствола; когда стрелок снова совмещает сетку с целью, винтовка оказывается направлена под немного другим углом.

Что происходит внутри прицела

Во многих обычных оптических прицелах механизмы ввода горизонтальных и вертикальных поправок воздействуют на внутренний узел оборачивающей системы. При вращении барабана положение или угол этого узла меняется с противодействием пружины либо другого натяжного механизма. Барабан вертикальных поправок обеспечивает коррекцию по вертикали, а барабан горизонтальных — по горизонтали.

Конкретное устройство зависит от производителя, однако такая схема на основе оборачивающей системы широко применяется в обычных оптических прицелах. То, насколько точно её перемещение соответствует введённой поправке, называют точностью отработки поправок барабанами оптического прицела.

При введении поправки барабаном изображение цели смещается в указанном направлении коррекции, а прицельная сетка может казаться движущейся в противоположную сторону. Маркировка барабана обозначает предполагаемое направление смещения точки попадания, а не видимое направление движения сетки.

Иными словами, барабан изменяет угол прицеливания между оптическим прицелом и каналом ствола, а не «управляет» полётом пули.

MOA и MIL — единицы измерения углов

В большинстве современных барабанов поправок используются либо угловые минуты (MOA), либо миллирадианы, обычно обозначаемые MIL или MRAD.

Обе системы измеряют угол. Каждый клик барабана соответствует определённому угловому смещению, а не одному и тому же числу дюймов или сантиметров на любой дистанции.

С увеличением дистанции одна и та же угловая поправка соответствует большему линейному смещению на мишени.

Чтобы понять принцип работы прицела, не требуется подробное руководство по пересчёту MOA в MIL. Главное — помнить, что барабаны изменяют угол.

Что на самом деле означает пристрелка

Пристрелка устанавливает известное соотношение между точкой прицеливания и точкой попадания пули на выбранной дистанции.

Линия прицеливания практически прямая, тогда как пуля летит по искривлённой траектории. Пристрелка регулирует угловое соотношение между оптическим прицелом и осью канала ствола так, чтобы на выбранной дистанции пристрелки точка прицеливания соответствовала точке попадания.

Следовательно, пристрелка не заставляет пулю лететь по прямой. Она создаёт удобную точку отсчёта для соотнесения прицельной системы с траекторией пули.

Параллакс, диоптрийная настройка, удаление выходного зрачка и зона положения глаза

Многие проблемы при наблюдении описывают просто словами «прицел не в фокусе». На самом деле неудовлетворительное изображение в прицеле может быть вызвано несколькими разными оптическими факторами.

Параллакс, диоптрийная настройка, удаление выходного зрачка и зона положения глаза по-разному влияют на то, что видит стрелок.

Параллакс

Ошибка параллакса возникает, когда изображение цели и прицельная сетка визуально не находятся в одной оптической плоскости.

Если параллакс присутствует и глаз перемещается за прицелом, сетка может казаться смещающейся по цели, хотя сам прицел остаётся неподвижным.

Некоторые прицелы имеют фиксированную отстройку параллакса, а в других для компенсации параллакса оптического прицела на разных дистанциях до цели используется боковая фокусировка или регулируемый объектив.

Есть одно важное различие, которое легко упустить:

Чёткое изображение цели не обязательно означает отсутствие ошибки параллакса.

На практике можно проверить, остаётся ли сетка визуально неподвижной относительно цели при небольшом перемещении глаза за надёжно зафиксированным прицелом.

Диоптрийная настройка

У диоптрийной настройки другая задача: она фокусирует прицельную сетку для глаза стрелка.

Поэтому постоянное вращение окуляра — неправильный способ устранять любую нерезкость цели или проблему с параллаксом.

Разницу легко запомнить:

Диоптрийная настройка фокусирует прицельную сетку. Отстройка параллакса корректирует положение изображения цели относительно плоскости сетки.

После диоптрийной настройки под зрение пользователя её обычно приходится менять реже, чем регулируемую отстройку параллакса.

Удаление выходного зрачка и зона положения глаза

Удаление выходного зрачка — это расстояние между глазом и окуляром, при котором стрелок видит полное изображение в прицеле.

Если сместиться слишком далеко вперёд или назад, часть изображения начинает исчезать. Достаточное удаление выходного зрачка особенно важно при использовании оружия с ощутимой отдачей: между окуляром и лицом стрелка должен оставаться безопасный зазор.

Зона положения глаза — связанное, но иное понятие. Это трёхмерная область, в пределах которой глаз может находиться и всё же видеть пригодное для прицеливания, практически полное изображение.

Когда глаз выходит за пределы рабочей зоны, по краям изображения может появиться тёмный полумесяц или кольцо — так называемая тень прицела.

Широкая зона положения глаза допускает некоторое смещение без немедленной потери изображения. Узкая зона требует более точного положения головы.

На эти ощущения может влиять кратность, но важна и оптическая схема прицела в целом.

От чего зависит чёткое и пригодное для прицеливания изображение?

Два оптических прицела могут иметь одинаковые диапазон увеличения и диаметр объектива, но давать заметно различающиеся изображения.

Причина в том, что такие характеристики, как 4–16×50, описывают лишь часть оптической системы.

Стекло, конструкция линз и покрытия

Качество изображения зависит от того, насколько эффективно вся оптическая система управляет прохождением света.

Разрешение определяет, насколько отчётливо различимы мелкие детали. Контраст влияет на то, насколько легко отделить объекты от фона. Коррекция хроматических аберраций уменьшает нежелательные цветные окантовки, а эффективное подавление бликов и рассеянного света помогает сохранить качество изображения в сложных условиях освещения.

Покрытия линз также имеют значение. Каждая граница между воздухом и стеклом может отражать часть падающего света. Просветляющие покрытия уменьшают эти потери и могут повысить светопропускание и контраст.

Поэтому оптические характеристики нельзя оценивать только по диаметру объектива или увеличению.

Всегда ли больший объектив делает изображение ярче?

Нет — одного лишь большего диаметра недостаточно.

При одинаковом увеличении и сопоставимой конструкции больший эффективный диаметр объектива может обеспечить больший выходной зрачок и дать преимущество при слабом освещении. Однако итоговое изображение также зависит от эффективности оптической системы, качества стекла, покрытий, внутренних диафрагм, подавления бликов и диаметра зрачка пользователя.

Таким образом, диаметр объектива — лишь один из факторов, влияющих на работу при слабом освещении, а не гарантия более яркого или чёткого изображения.

Оптическая чёткость и механическая точность — не одно и то же

Чёткого изображения недостаточно для полной оценки качества прицела.

Оптические характеристики определяют, насколько хорошо стрелок видит детали, контраст и прицельную сетку.

Механические характеристики определяют, насколько последовательно механизм отрабатывает введённые поправки, сохраняется ли пристрелка и возвращается ли внутренняя система в ожидаемое положение.

Прицел может иметь превосходную оптику, но посредственную механическую повторяемость, или, напротив, надёжную механику при менее впечатляющем качестве изображения. В хорошо спроектированном прицеле необходимы оба качества.

Ещё один наглядный пример — прицельная сетка с подсветкой. Усиление подсветки делает сетку заметнее, но не повышает яркость изображения цели и не увеличивает кратность. Меняется видимость сетки, а не наблюдаемой сцены.

Заключение

Оптический прицел формирует и увеличивает оптическое изображение, размещает прицельную сетку в заданной фокальной плоскости и через окулярную систему передаёт их глазу стрелка. Барабаны поправок изменяют угловое соотношение между оптической осью прицела и осью канала ствола, а увеличение, параллакс, диоптрийная настройка, удаление выходного зрачка и зона положения глаза определяют, какое изображение стрелок видит в прицеле при его использовании.

Ни одна отдельная характеристика не определяет все рабочие качества прицела. Важны оптическая схема, качество изображения, поведение прицельной сетки и стабильность механики.

Если вы закупаете или разрабатываете оптические прицелы и вам нужна помощь в оценке диапазонов увеличения, вариантов расположения сетки в фокальных плоскостях, самих сеток, систем барабанов поправок или оптических характеристик, свяжитесь с Billings Optics, чтобы обсудить требования к вашему изделию и его применению.