Так как же работает бинокль?
В этом всеобъемлющем руководстве я расскажу о науке, лежащей в основе того, как оптика в бинокле может собирать свет, а затем представлять вам увеличенное изображение вида перед вами. В будущих статьях я также планирую рассмотреть основные механизмы, лежащие в основе работы механизмов фокусировки и наглазника, а также диапазон различных доступных опций.
Таким образом, я уверен, что к концу вы поймете, как работает бинокль, и, таким образом, будете гораздо лучше подготовлены при выборе правильного инструмента для ваших нужд, а затем, когда он прибудет, сможете правильно настроить его и использовать, чтобы получить от него максимум пользы. Давайте начнем:
Два телескопа
В своей простейшей форме бинокль по сути состоит из двух телескопов, расположенных рядом. Итак, для начала и чтобы сделать все немного проще, давайте разрежем наш бинокль пополам и сначала узнаем, как работает телескоп, а затем в конце мы соберем их обратно:
Линзы, свет и преломление
Принцип работы бинокля и увеличения изображения основан на использовании линз, которые заставляют свет совершать явление, известное как рефракция:
В вакууме космоса свет распространяется по прямой, но при прохождении через различные материалы его скорость меняется.
Итак, когда свет проходит через толстую среду, такую как стекло или вода, он замедляется. Это обычно заставляет световые волны изгибаться, и именно это изгибание света называется рефракцией. Преломление света — это то, что заставляет соломинку выглядеть изогнутой, когда она находится в стакане с водой. У нее также есть много полезных применений, и это ключ к возможности увеличивать то, на что вы смотрите.
Линзы
Вместо использования простого плоского листа или блока стекла в таких приборах, как телескопы, бинокли и даже очки для чтения, используются стеклянные линзы особой формы, которые часто состоят из ряда отдельных линзовых элементов, что позволяет лучше контролировать изгиб световых волн.
Объективная линза
(ближайшая к объекту, на который вы смотрите) на бинокле имеет выпуклую форму, что означает, что центр ее толще, чем внешняя часть. Известная как собирательная линза, она улавливает свет от удаленного объекта, а затем посредством преломления заставляет свет изгибаться и сходиться (конвергироваться), проходя через стекло. Затем световые волны фокусируются в точке за линзой.
Линза окуляра
затем берет этот сфокусированный свет и усиливает его, после чего он попадает в ваши глаза.
Увеличение
Сначала свет распространяется от объекта и реального изображенияAсоздается объективом. Затем это изображение увеличивается линзой окуляра и рассматривается как виртуальное изображениеB. В результате увеличенные объекты выглядят так, как будто они находятся перед вами и ближе, чем сам субъект.
6x, 7x, 8, 10x или больше.
Степень увеличения изображения определяется отношением фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.
Так, например, при увеличении в 8 раз виртуальное изображение будет выглядеть в 8 раз больше самого объекта.
Необходимое вам увеличение зависит от предполагаемого использования, и часто ошибочно полагать, что чем выше мощность, тем лучше бинокль, поскольку более высокое увеличение также влечет за собой множество недостатков. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с этой статьей: Увеличение, стабильность, поле зрения и яркость
Как вы также можете видеть на диаграмме выше, виртуальное изображение инвертировано. Ниже мы рассмотрим, почему это происходит и как это исправить:
Перевернутое изображение
Это замечательно, и на этом история может закончиться, если вы просто делаете телескоп для таких целей, как астрономия.
На самом деле, вы можете довольно легко сделать простой телескоп, взяв две линзы и разделив их закрытой трубкой. Фактически, это примерно то, как был создан первый в мире телескоп.
Однако, глядя через него, вы заметите, что изображение, которое вы видите, будет перевернутым и зеркальным. Это происходит потому, что выпуклая линза заставляет свет пересекаться при схождении.
На самом деле вы можете очень легко продемонстрировать это, если вы держите увеличительное стекло на расстоянии вытянутой руки и смотрите через него на какие-нибудь удаленные объекты. Вы увидите, что изображение будет перевернутым и зеркально отраженным.
Для наблюдения за далекими звездами это не проблема, и многие астрономические телескопы действительно создают неисправленное изображение, но для наземного использования это проблема. К счастью, есть несколько решений:
Коррекция изображения
Для биноклей и большинства наземных телескопов (зрительных труб) существует два основных способа сделать это: используя вогнутую линзу для окуляра или призмы, восстанавливающие изображение:
Галилеевская оптика
Применяемая в телескопах, изобретенных Галилео Галилеем в XVII веке, оптика Галилея использует выпуклую линзу объектива обычным способом, но заменяет ее на вогнутую линзовую систему для окуляра.
Также известная как рассеивающая линза, вогнутая линза заставляет световые лучи расходиться (расходиться). Поэтому, если ее расположить на правильном расстоянии от выпуклой линзы объектива, она может предотвратить пересечение света и, таким образом, предотвратить переворачивание изображения.
Эта недорогая и простая в изготовлении система до сих пор используется в оперных и театральных биноклях.
Однако недостатками являются то, что сложно получить большое увеличение, поле зрения довольно узкое, а по краям изображения наблюдается высокая степень размытия.
Именно по этим причинам для большинства случаев применения призматическая система рассматривается как лучшая альтернатива:
Оптика Кеплера с призмами
В отличие от оптики Галилея, которая использует вогнутую линзу в окуляре, оптическая система Кеплера использует выпуклые линзы для объективов, а также линзы окуляра и обычно считается улучшением конструкции Галилея.
Однако изображение все еще нуждается в коррекции, и это достигается с помощью призмы:
Исправить перевернутое изображение
Большинство современных биноклей работают по принципу зеркала и используют выпрямляющие призмы, которые отражают свет и, таким образом, изменяют ориентацию, корректируя изображение.
В то время как обычное зеркало идеально подходит для того, чтобы посмотреть на себя по утрам, в бинокле было бы бесполезно, если бы свет просто отражался на 180 градусов и возвращался туда, откуда пришел, поскольку в таком случае вы никогда не смогли бы увидеть изображение.
Призмы Порро
Впервые эта проблема была решена с помощью пары призм Порро. Названная в честь итальянского изобретателя Игнацио Порро, одна призма Порро, подобно зеркалу, также отражает свет на 180 градусов и обратно в направлении, откуда он пришел, но делает это параллельно падающему свету, а не прямо по тому же пути.
Это действительно помогает, поскольку позволяет разместить две призмы Порро под прямым углом друг к другу, что, в свою очередь, означает, что вы можете отражать свет так, чтобы он не только переориентировал перевернутое изображение, но и фактически позволял ему продолжать движение в том же направлении к окулярам.
Действительно, именно эти две призмы Порро, расположенные под прямым углом, придают биноклю их традиционную, знаковую форму, и именно поэтому их окуляры расположены ближе друг к другу, чем линзы объектива.
Крышные призмы
Помимо призмы Порро существует ряд других конструкций, каждая из которых имеет свои уникальные преимущества.
Две из них, призма Аббе-Кёнига и призма Шмидта-Пехана, представляют собой типы Roof-призм, которые в настоящее время широко используются в биноклях.
Из них наиболее распространена призма Шмидта-Пехана, поскольку она позволяет производителям выпускать более компактные, тонкие бинокли с окулярами на одной линии с объективами. Недостатком является то, что для достижения полного внутреннего отражения и устранения явления, известного как фазовый сдвиг, им требуется ряд специальных покрытий.
Почему бинокли короче телескопов
Второе преимущество использования призм заключается в том, что поскольку свет дважды преломляется, проходя через призму, и, таким образом, возвращается к себе, расстояние, которое он проходит в этом пространстве, увеличивается.
Таким образом, общая длина бинокля может быть сокращена, поскольку требуемое расстояние между объективами и окуляром также уменьшается, и именно поэтому бинокли короче рефракторных телескопов с тем же увеличением, поскольку у них отсутствует призма.