С прошлого тысячелетия остался большой запас собственноручно изготовленных линз для набора, для зрительной трубы с увеличением 4х. Десятилетия хотел сделать бинокль, но все руки не доходили. И вот дошли.
Главное преимущество бинокля перед зрительной трубой, это объемное стереоскопическое изображение.
Подбор линз для вроде бы несерьезной игрушки, это инженерная оптическая задача. И решается с использованием книг по расчету оптических систем. Порядок расчета приведен ниже.
Основной характеристикой для расчета было выбрано увеличение.
Оптическая схема, конечно же система Галилея, которая сразу дает прямое изображение, без применения оборачивающих линз и призм.
На каком увеличении остановиться?
Призменный бинокль, имеет минимальное увеличение 6х.
Театральный бинокль обычно 2-2.5х.
В этих приборах использованы многолинзовые оптические системы, а это сложно и дорого.
Ну пусть для игрушки будет увеличение 4х. Уже внушает почтение. Поле зрения для такого увеличения маловато, но чем то приходится жертвовать.
Зависимость увеличения Г (взрослая буква гамма) от поля зрения омега приведена на графике из книги "Теория оптических систем".
При увеличении 4х поле зрения будет примерно 4 градуса.
Теперь надо выбрать параметры одиночных линз объектива и окуляра, чтобы изображение было качественным, сравнимым с качеством более сложных и дорогих оптических систем.
Для такого небольшого поля зрения основными аберрациями портящими изображение будут сферическая и хроматическая аберрации.
Обратимся к книге Максутова Д. Д.
Связь диаметра объектива и его относительного отверстия, для первоклассного однолинзового объектива приведена в таблице.
Из технологических соображений диаметр объектива был выбран равным 22 мм. С учетом оправы световой диаметр будет примерно 20 мм. Подбор оптических характеристик (радиусы кривизны, толщины линз) выполнялся с помощью программы расчета оптических систем. Применять надо было самые доступные и дешевые марки оптического стекла. Для объектива было выбрано стекло К8, для окуляра стекло Ф2. Это настоящая оптика, а не пластмасса, которую используют в современных дешевых телескопах.
На рисунке ниже приведена оптическая схема трубы Галилея, с необходимыми размерами для расчета. Просто для ознакомления.
Результаты расчета:
Линза объектива, стекло К8, диаметр 22 мм, фокусное расстояние 232 мм, относительное отверстие А = 1:11.6.
Линза окуляра, стекло Ф2, диаметр 10 мм, фокусное расстояние -58 мм (минус, потому что линза отрицательная).
Разделив 232 на 58 получим увеличение ровно 4х.
Сравнивая полученное относительное отверстие объектива А = 1:11.6 с табличным для диаметра 20 мм, А=1:8.7, видно, что объектив будет строить первоклассное изображение свободное от сферической аберрации.
Главной помехой для такой линзы будет хроматическая аберрация. По Максутову, кружок рассеяния от хроматической аберрации для стекла К8 рассчитывается по формуле D:257. Для объектива D=20 мм, в линейной мере это 0.08мм, или 80 мкм. В угловой мере для окуляра с фокусным расстоянием 58 мм это будет примерно 4.5 угловых минуты. С чем сравнить? Разрешающая способность глаза 1 угловая минута. В сложных многолинзовых оптических приборах угловая аберрация может быть более 4-х минут. А в оптических приборах неизвестных производителей может быть что угодно.
И из любопытства сравним детскую игрушку с телескопами самого Галилео Галилея.
Первая труба Галилея имела увеличение 3х, против наших 4х.
А самый большой телескоп, который хранится в музее истории науки Флоренции имел увеличение 30х.
Характеристики этой трубы:
диаметр объектива - 53 мм,
длина трубы 1245 мм,
оптическая сила окуляра - 25 диоптрий, (это 40 мм),
Расчетное фокусное расстояние объектива будет равно 30*40=1200 мм
При диаметре объектива 53 мм, поле зрения будет примерно 2.4 градуса, это около 4-х диаметров Луны.
Качество изображения трубы Галилея скорее определяет качество стекла из которого изготовлены линзы и точность обработки линз. Все это в те далекие годы было невысоким.
На фото из интернета телескоп Галилея.
Изготовление бинокля
Корпус трубы изготовлен из абразивной бумаги с зернистостью Р1000.
Преимущества,
- цвет темно серый, при сворачивании в трубку абразивом внутрь, почти черный,
- поверхность матовая, не бликует,
- легко сворачивается в цилиндр и хорошо держит форму.
Для одной тубы вырезал 4 полосы
для объектива шириной 145 мм,
для окуляра шириной 35 мм
Для оправы объектива шириной 25 и 20 мм.
Длина подбиралась исходя из толщины листа, чтобы трубки перемещались с трением.
Цилиндр для объектива накручивал на пропиленовую водопроводную трубу диаметром 20 мм. Для окуляра в качестве цилиндрической болванки подошел карандаш.
И отрезал отрезок полипропиленовой трубы длиной 15 мм, для стыковки окулярной и объективной трубок.
Все видно на приведенных ниже фото.
Две зрительных трубы готовы. Теперь можно собрать бинокль. У меня межзрачковое расстояние 64 мм.
В толстой фанере просверлил два отверстия диаметром 22 мм (по диаметру трубок объектива). Сверлить надо обязательно на сверлильном станке, оси отверстий будут параллельны с достаточной для такого бинокля точностью.
И вот чудо прибор собран.
Каждая трубка фокусируется отдельно. И вот уже можно наблюдать. Поле зрения конечно маловато, как большая замочная скважина. Но стереоэффект есть!
Осталось выполнить расчет радиуса стереоскопического зрения бинокля. Так называется максимальная дистанция объемного восприятия предметов.
Для невооруженного глаза - дистанция 1.2 км,
у самодельного бинокля 4х - примерно 5 км,
призменный бинокль 10х - дает дистанцию примерно 25 км.
Конечно же в хорошую солнечную погоду.
На все изготовление бинокля ушло чуть больше часа, в перерывах между формовками полировальников. Но это конечно хлипкий макет. Трубки скреплены изолентой, а надо проклеить. И желательно внутренние поверхности окулярной и объективной трубок дополнительно покрыть черной матовой эмалью.
Что ценно, простейшими средствами можно построить серьезный оптический прибор напичканный настоящей наукой и технологиями.
