Jak działają lornetki?
W tym kompleksowym przewodniku omówię naukę stojącą za tym, jak optyka w parze lornetek jest w stanie zbierać światło, a następnie przedstawić powiększony obraz widoku przed Tobą. W przyszłych artykułach planuję również omówić główne mechanizmy działania mechanizmów ostrości i muszli ocznej oraz zakres dostępnych opcji.
W ten sposób jestem pewien, że pod koniec zrozumiesz, jak działają lornetki, a tym samym będziesz o wiele lepiej przygotowany do wyboru odpowiedniego instrumentu do swoich potrzeb, a następnie, gdy już dotrze, będziesz w stanie poprawnie go skonfigurować i używać, aby uzyskać jak najwięcej z jego użytkowania. Zacznijmy:
Dwa teleskopy
W najprostszej formie zestaw lornetek składa się zasadniczo z dwóch teleskopów umieszczonych obok siebie. Więc na początek i żeby trochę uprościć sprawę, przetnijmy lornetkę na pół i najpierw nauczmy się, jak działa teleskop, a potem złożymy je z powrotem na końcu:
Soczewki, światło i refrakcja
Zasada działania lornetki polega na powiększaniu obrazu za pomocą soczewek, które powodują, że światło ulega załamaniu:
W próżni kosmicznej światło porusza się w linii prostej, jednak przechodząc przez różne materiały, zmienia prędkość.
Więc gdy światło przechodzi przez grube medium, takie jak szkło lub woda, zwalnia. To zazwyczaj powoduje, że fale świetlne się wyginają i to właśnie to wyginanie światła nazywa się refrakcją. Refrakcja światła powoduje, że słomka wygląda, jakby była wygięta, gdy znajduje się w szklance wody. Ma również wiele przydatnych zastosowań i jest kluczem do powiększenia tego, na co patrzysz.
Soczewki
Zamiast prostej płaskiej płyty lub bloku szkła, w instrumentach takich jak teleskopy, lornetki, a nawet okulary do czytania stosuje się specjalnie ukształtowane soczewki szklane, które często składają się z kilku pojedynczych elementów soczewkowych, co pozwala na lepszą kontrolę zginania fal świetlnych.
Obiektyw
(najbliższy obiektowi, na który patrzysz) w lornetce ma kształt wypukły, co oznacza, że środek jest grubszy niż zewnętrzna część. Znana jako soczewka skupiająca, wychwytuje światło z odległego obiektu, a następnie poprzez refrakcję powoduje, że światło zgina się i łączy (zbiega się), gdy przechodzi przez szkło. Fale świetlne skupiają się następnie w punkcie za soczewką.
Soczewka okularu
Następnie skupia światło i je wzmacnia, po czym trafia ono do oczu.
Powiększenie
Po pierwsze, światło przechodzi od obiektu do rzeczywistego obrazuApowstaje za pomocą soczewki obiektywu. Obraz ten jest następnie powiększany przez soczewkę okularu i jest oglądany jako obraz wirtualnyBW rezultacie powiększone obiekty wyglądają tak, jakby znajdowały się przed Tobą i bliżej niż obiekt.
6x, 7x, 8, 10x lub więcej.
Wielkość powiększenia obrazu zależy od stosunku ogniskowej obiektywu do ogniskowej okularu.
Przykładowo, współczynnik powiększenia wynoszący 8 spowoduje, że obraz pozorny będzie wyglądał na 8 razy większy od obiektu.
Jakiego powiększenia potrzebujesz, zależy od zamierzonego zastosowania i często błędem jest założenie, że im większa moc, tym lepsza lornetka, ponieważ większe powiększenia również niosą ze sobą wiele wad. Aby dowiedzieć się więcej, przeczytaj ten artykuł: Powiększenie, stabilność, pole widzenia i jasność
Jak widać również na powyższym diagramie, obraz wirtualny jest odwrócony. Poniżej przyjrzymy się, dlaczego tak się dzieje i jak to się koryguje:
Obraz do góry nogami
To świetne rozwiązanie i w tym miejscu historia może się zakończyć, jeśli po prostu budujesz teleskop do celów astronomicznych.
W rzeczywistości możesz całkiem łatwo zrobić prosty teleskop, biorąc dwie soczewki i rozdzielając je zamkniętą tubą. Tak właśnie powstał pierwszy teleskop.
Jednakże, co zauważysz, patrząc przez nią, to to, że obraz, który widzisz, będzie odwrócony do góry nogami i odbity lustrzanie. Dzieje się tak, ponieważ soczewka wypukła powoduje, że światło krzyżuje się podczas zbieżności.
W rzeczywistości możesz to bardzo łatwo zademonstrować, trzymając lupę na odległość ramienia i patrząc przez nią na odległe obiekty. Zobaczysz, że obraz będzie do góry nogami i odwróconym lustrzanym odbiciem.
W przypadku patrzenia na odległe gwiazdy nie jest to problem i rzeczywiście wiele teleskopów astronomicznych generuje nieskorygowany obraz, ale w przypadku zastosowań naziemnych jest to problem. Na szczęście istnieje kilka rozwiązań:
Korekta obrazu
W przypadku lornetek i większości teleskopów naziemnych (lunet obserwacyjnych) istnieją dwa główne sposoby osiągnięcia tego celu, poprzez zastosowanie soczewki wklęsłej w okularze lub pryzmatów prostujących obraz:
Optyka Galileusza
Optyka galileuszowska, stosowana w teleskopach wynalezionych przez Galileusza w XVII wieku, wykorzystuje standardowo wypukłą soczewkę obiektywową, ale w okularze zastosowano układ soczewek wklęsłych.
Znana również jako soczewka rozpraszająca, soczewka wklęsła powoduje rozproszenie promieni świetlnych (rozbieżność). Tak więc, jeśli jest umieszczona w odpowiedniej odległości od wypukłej soczewki obiektywu, może zapobiec przechodzeniu światła i tym samym zapobiec odwróceniu obrazu.
Ten tani i łatwy do wykonania system do dziś jest stosowany w lornetkach operowych i teatralnych.
Wadą jest jednak to, że trudno uzyskać duże powiększenie, pole widzenia jest dość wąskie, a obraz jest mocno rozmyty na krawędziach.
Z tych powodów w większości zastosowań system pryzmatyczny jest uważany za lepszą alternatywę:
Optyka Keplera z pryzmatami
W przeciwieństwie do optyki Galileusza, która wykorzystuje soczewkę wklęsłą w okularze, układ optyczny Keplera wykorzystuje soczewki wypukłe zarówno w obiektywach, jak i w okularach. Jest powszechnie uważany za udoskonaloną wersję konstrukcji Galileusza.
Obraz nadal wymaga jednak korekty, którą można uzyskać za pomocą pryzmatu:
Popraw odwrócony obraz
Większość nowoczesnych lornetek działa na zasadzie lustra i wykorzystuje pryzmaty prostujące, które odbijają światło, zmieniając w ten sposób orientację i korygując obraz.
Podczas gdy zwykłe lustro doskonale nadaje się do oglądania siebie o poranku, w przypadku lornetki światło odbijane jest po prostu o 180 stopni z powrotem do miejsca, z którego pada, więc nigdy nie dałoby się zobaczyć obrazu.
Pryzmaty Porro
Ten problem został rozwiązany po raz pierwszy przez zastosowanie pary pryzmatów Porro. Nazwany na cześć włoskiego wynalazcy Ignazio Porro, pojedynczy pryzmat Porro, podobnie jak lustro, odbija światło o 180 stopni i z powrotem w kierunku, z którego przyszło, ale robi to równolegle do światła padającego, a nie bezpośrednio wzdłuż tej samej ścieżki.
To naprawdę pomaga, ponieważ pozwala umieścić dwa pryzmaty Porro pod kątem prostym względem siebie, co z kolei oznacza, że można odbić światło tak, aby nie tylko zmienić orientację odwróconego obrazu, ale także umożliwić mu skuteczne kontynuowanie jego padania w tym samym kierunku i w stronę okularów.
To właśnie dwa pryzmaty Porro ustawione pod kątem prostym nadają lornetce jej tradycyjny, charakterystyczny kształt i to właśnie dlatego ich okulary znajdują się bliżej siebie niż soczewki obiektywowe.
Pryzmaty dachowe
Oprócz pryzmatu Porro istnieje wiele innych konstrukcji, z których każda ma swoje własne, unikalne zalety.
Dwa z nich, pryzmat Abbego-Koeniga i pryzmat Schmidta-Pechana, to rodzaje pryzmatów dachowych, które są obecnie powszechnie stosowane w lornetkach.
Spośród nich pryzmat Schmidta-Pechana jest najpopularniejszy, ponieważ pozwala producentom na produkcję bardziej kompaktowych, smuklejszych lornetek z okularami ustawionymi w jednej linii z obiektywami. Wadą jest to, że wymagają one szeregu specjalnych powłok, aby osiągnąć całkowite wewnętrzne odbicie i wyeliminować zjawisko znane jako przesunięcie fazowe.
Dlaczego lornetki są krótsze od teleskopów
Drugą zaletą stosowania pryzmatów jest to, że światło ulega dwukrotnemu zawróceniu podczas przechodzenia przez pryzmat i powraca do pierwotnego kształtu, co zwiększa odległość, jaką pokonuje w tej przestrzeni.
W związku z tym można skrócić całkowitą długość lornetki, ponieważ zmniejsza się również wymagana odległość między obiektywem a okularem. Z tego też powodu lornetki są krótsze od teleskopów refrakcyjnych o tym samym powiększeniu, ponieważ nie posiadają pryzmatu.