Πώς λειτουργούν λοιπόν τα κιάλια;
Σε αυτόν τον περιεκτικό οδηγό, θα εξετάσω την επιστήμη πίσω από το πώς τα οπτικά σε ένα ζευγάρι κιάλια είναι σε θέση να συλλέγουν φως και στη συνέχεια να σας παρουσιάζουν μια μεγεθυμένη εικόνα της θέας μπροστά σας. Σε μελλοντικά άρθρα, σκοπεύω επίσης να εξετάσω τους κύριους μηχανισμούς πίσω από το πώς λειτουργούν οι μηχανισμοί εστίασης και οφθαλμικού φακού και το εύρος των διαφορετικών διαθέσιμων επιλογών.
Με αυτόν τον τρόπο, είμαι βέβαιος ότι στο τέλος του θα καταλάβετε πώς λειτουργούν τα κιάλια και έτσι θα είστε πολύ καλύτερα προετοιμασμένοι όταν επιλέγετε το κατάλληλο όργανο για τις ανάγκες σας και στη συνέχεια, μόλις φτάσει, θα μπορείτε να το ρυθμίσετε και να το χρησιμοποιήσετε σωστά. ότι αποκομίζετε το καλύτερο από τη χρήση του. Ας αρχίσουμε:
Δύο τηλεσκόπια
Στην απλούστερη μορφή του, ένα σετ κιάλια αποτελείται ουσιαστικά από δύο τηλεσκόπια τοποθετημένα το ένα δίπλα στο άλλο. Για να ξεκινήσουμε λοιπόν και για να κάνουμε τα πράγματα λίγο πιο απλά, ας κόψουμε τη διόπτρα μας στη μέση και ας μάθουμε πρώτα πώς λειτουργεί ένα τηλεσκόπιο και μετά θα τα ξανασυνθέσουμε στο τέλος:
Φακοί, Φως & Διάθλαση
Βασικά πώς λειτουργούν τα κιάλια και μεγεθύνουν μια όψη είναι χρησιμοποιώντας φακούς που κάνουν το φως να κάνει κάτι γνωστό ως διάθλαση:
Μέσα από το κενό του χώρου, το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή, αλλά καθώς περνά μέσα από διαφορετικά υλικά αλλάζει ταχύτητα.
Έτσι, καθώς το φως περνά μέσα από ένα παχύ μέσο όπως το γυαλί ή το νερό, επιβραδύνεται. Αυτό γενικά προκαλεί την κάμψη των κυμάτων φωτός και είναι αυτή η κάμψη του φωτός που ονομάζεται διάθλαση. Η διάθλαση του φωτός είναι αυτό που κάνει ένα καλαμάκι να μοιάζει σαν να είναι λυγισμένο όταν βρίσκεται σε ένα ποτήρι νερό. έχει επίσης πολλούς χρήσιμους σκοπούς και είναι το κλειδί για να μπορείς να μεγεθύνεις αυτό που κοιτάς.
Φακοί
Αντί να χρησιμοποιούν απλά ένα επίπεδο φύλλο ή μπλοκ γυαλιού, όργανα όπως τηλεσκόπια, κιάλια και ακόμη και γυαλιά ανάγνωσης χρησιμοποιούν ειδικά διαμορφωμένους γυάλινους φακούς που συχνά αποτελούνται από έναν αριθμό μεμονωμένων στοιχείων φακού που μπορούν να ελέγχουν καλύτερα την κάμψη των φωτεινών κυμάτων .
Ο αντικειμενικός φακός
(αυτό που βρίσκεται πιο κοντά στο αντικείμενο που κοιτάτε) σε ένα κιάλι έχει κυρτό σχήμα, που σημαίνει ότι το κέντρο του είναι παχύτερο από το εξωτερικό. Γνωστός ως συγκλίνοντας φακός, πιάνει το φως από ένα μακρινό αντικείμενο και στη συνέχεια μέσω της διάθλασης, προκαλεί το φως να κάμπτεται και να ενώνεται (συγκλίνοντας) καθώς περνά μέσα από το γυαλί. τα φωτεινά κύματα στη συνέχεια εστιάζουν σε ένα σημείο πίσω από τον φακό.
Ο προσοφθάλμιος φακός
στη συνέχεια παίρνει αυτό το εστιασμένο φως και το μεγεθύνει, όπου στη συνέχεια περνάει στα μάτια σας.
Μεγέθυνση
Πρώτα το φως ταξιδεύει από το θέμα και μια πραγματική εικόναAπαράγεται από τον αντικειμενικό φακό. Αυτή η εικόνα στη συνέχεια μεγεθύνεται από έναν προσοφθάλμιο φακό και εμφανίζεται ως εικονική εικόναB. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα μεγεθυμένα αντικείμενα φαίνονται σαν να ήταν μπροστά σας και πιο κοντά από το θέμα.
6x, 7x, 8, 10x ή περισσότερα.
Το πόσο μεγεθύνεται η εικόνα καθορίζεται από την αναλογία της εστιακής απόστασης του αντικειμενικού φακού διαιρεμένη με την εστιακή απόσταση του φακού του προσοφθάλμιου φακού.
Έτσι, ένας συντελεστής μεγέθυνσης 8, για παράδειγμα, θα παράγει μια εικονική εικόνα που φαίνεται 8 φορές μεγαλύτερη από το θέμα.
Το πόση μεγέθυνση χρειάζεστε εξαρτάται από την προβλεπόμενη χρήση και είναι συχνά λάθος να υποθέσουμε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς, τόσο καλύτερη είναι η διόπτρα, καθώς οι μεγαλύτερες μεγεθύνσεις προκαλούν επίσης πολλά μειονεκτήματα. Για περισσότερα ρίξτε μια ματιά σε αυτό το άρθρο: Μεγέθυνση, σταθερότητα, οπτικό πεδίο και φωτεινότητα
Όπως μπορείτε επίσης να δείτε στο παραπάνω διάγραμμα, η εικονική εικόνα είναι ανεστραμμένη. Παρακάτω θα ρίξουμε μια ματιά στο γιατί συμβαίνει αυτό και πώς μπορεί να διορθωθεί:
Ανάποδη εικόνα
Αυτό είναι υπέροχο και η ιστορία μπορεί να τελειώσει εδώ, αν απλώς φτιάχνετε ένα τηλεσκόπιο για χρήσεις όπως η αστρονομία.
Στην πραγματικότητα, μπορείτε πολύ εύκολα να φτιάξετε ένα απλό τηλεσκόπιο παίρνοντας δύο φακούς και χωρίζοντάς τους με έναν κλειστό σωλήνα. Πράγματι, κάπως έτσι δημιουργήθηκε το πρώτο τηλεσκόπιο.
Ωστόσο, αυτό που θα παρατηρήσετε όταν το κοιτάξετε είναι ότι η εικόνα που βλέπετε θα αναποδογυριστεί και θα αντικατοπτριστεί. Αυτό συμβαίνει επειδή ένας κυρτός φακός κάνει το φως να διασχίζει καθώς συγκλίνει.
Στην πραγματικότητα, μπορείτε πολύ εύκολα να το αποδείξετε αυτό εάν κρατάτε έναν μεγεθυντικό φακό σε απόσταση περίπου των βραχιόνων και κοιτάζετε μερικά μακρινά αντικείμενα μέσα από αυτόν. Θα δείτε ότι η εικόνα θα είναι ανάποδα και θα αντικατοπτρίζεται αντίστροφα.
Για να κοιτάξετε μακρινά αστέρια, αυτό δεν είναι πραγματικά πρόβλημα και πράγματι πολλά τηλεσκόπια αστρονομίας παράγουν μια μη διορθωμένη εικόνα, αλλά για επίγειες χρήσεις, αυτό είναι ένα πρόβλημα. Ευτυχώς υπάρχουν μερικές λύσεις:
Διόρθωση εικόνας
Για τα κιάλια και τα περισσότερα επίγεια τηλεσκόπια (spoting scopes) υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι για να γίνει αυτό, χρησιμοποιώντας έναν κοίλο φακό για τον προσοφθάλμιο φακό ή μια εικόνα που στήνει πρίσματα:
Οπτική Γαλιλαίας
Χρησιμοποιημένο στα τηλεσκόπια που εφευρέθηκε ο Galileo Galilei τον 17ο αιώνα, το Galilean Optics χρησιμοποιεί έναν κυρτό αντικειμενικό φακό με τον κανονικό τρόπο, αλλά το άλλαξε σε ένα σύστημα κοίλων φακών για τον προσοφθάλμιο φακό.
Γνωστός και ως αποκλίνων φακός, ο κοίλος φακός κάνει τις ακτίνες φωτός να διαχέονται (αποκλίνουν). Έτσι, εάν τοποθετηθεί στη σωστή απόσταση από τον κυρτό αντικειμενικό φακό, μπορεί να αποτρέψει τη διέλευση του φωτός και έτσι να σταματήσει την αναστροφή της εικόνας.
Χαμηλό κόστος και εύκολο στην κατασκευή, αυτό το σύστημα εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στα κιάλια Opera & Theatre μέχρι σήμερα.
Ωστόσο, τα μειονεκτήματα είναι ότι είναι δύσκολο να αποκτήσετε υψηλή μεγέθυνση, έχετε ένα αρκετά στενό οπτικό πεδίο και έχετε ένα υψηλό επίπεδο θαμπώματος εικόνας στις άκρες της εικόνας.
Είναι για αυτούς τους λόγους που για τις περισσότερες χρήσεις ένα σύστημα πρίσματος θεωρείται ως καλύτερη εναλλακτική λύση:
Οπτικά Keplerian με πρίσματα
Σε αντίθεση με την Galilean Optics που χρησιμοποιεί έναν κοίλο φακό στον προσοφθάλμιο προσοφθάλμιο, το οπτικό σύστημα Keplerian χρησιμοποιεί κυρτούς φακούς για τους στόχους καθώς και φακούς προσοφθάλμιου φακού και γενικά θεωρείται ως βελτίωση στο σχεδιασμό του Galileo.
Ωστόσο, η εικόνα πρέπει να διορθωθεί και αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός πρίσματος:
Διορθώστε την Αντεστραμμένη Εικόνα
Λειτουργώντας σαν καθρέφτης, τα περισσότερα σύγχρονα κιάλια χρησιμοποιούν πρίσματα που αντανακλούν το φως και έτσι αλλάζουν τον προσανατολισμό, διορθώνοντας την εικόνα.
Ενώ ένας τυπικός καθρέφτης είναι τέλειος για να κοιτάξετε τον εαυτό σας το πρωί, με ένα κιάλι δεν θα ήταν καλό αν το φως αντανακλάται απλώς 180 μοίρες και πίσω από όπου προήλθε, καθώς δεν θα μπορούσατε ποτέ να δείτε την εικόνα.
Porro Prisms
Αυτό το πρόβλημα λύθηκε αρχικά με τη χρήση ενός ζεύγους πρισμάτων Porro. Πήρε το όνομά του από τον Ιταλό εφευρέτη Ignazio Porro, ένα μόνο πρίσμα Porro, όπως ένας καθρέφτης, αντανακλά επίσης το φως 180 μοίρες και πίσω προς την κατεύθυνση από την οποία προήλθε, αλλά το κάνει παράλληλα με το προσπίπτον φως και όχι απευθείας στην ίδια διαδρομή.
Αυτό λοιπόν βοηθάει πραγματικά γιατί σας επιτρέπει να τοποθετήσετε δύο από αυτά τα πρίσματα Porro σε ορθή γωνία μεταξύ τους, πράγμα που με τη σειρά του σημαίνει ότι μπορείτε στη συνέχεια να αντανακλάτε το φως έτσι ώστε όχι μόνο να επαναπροσανατολίζει την ανεστραμμένη εικόνα αλλά και να της επιτρέπει αποτελεσματικά να συνεχίσει προς την ίδια κατεύθυνση και προς τα προσοφθάλμια.
Πράγματι, αυτά τα δύο πρίσματα Porro τοποθετημένα σε ορθή γωνία είναι που δίνουν στα κιάλια το παραδοσιακό, εμβληματικό τους σχήμα και γι' αυτό οι προσοφθάλμιοί τους είναι πιο κοντά μεταξύ τους από τους αντικειμενικούς φακούς.
Πρίσματα οροφής
Εκτός από το πρίσμα Porro, υπάρχει μια σειρά από άλλα σχέδια που το καθένα έχει τα δικά του μοναδικά πλεονεκτήματα.
Δύο από αυτά, το πρίσμα Abbe-Koenig και το πρίσμα Schmidt-Pechan είναι τύποι πρισμάτων οροφής που χρησιμοποιούνται συνήθως σε κιάλια.
Από αυτά, το πρίσμα Schmidt-Pechan είναι πιο συνηθισμένο επειδή επιτρέπει στους κατασκευαστές να παράγουν μια πιο συμπαγή, πιο λεπτή διόπτρα με τους προσοφθάλμιους φακούς σε ευθυγράμμιση με τους στόχους. Το μειονέκτημα είναι ότι απαιτούν έναν αριθμό ειδικών επιστρώσεων για την επίτευξη συνολικής εσωτερικής ανάκλασης και την εξάλειψη ενός φαινομένου που είναι γνωστό ως μετατόπιση φάσης.
Γιατί τα κιάλια είναι πιο κοντά από τα τηλεσκόπια
Το δεύτερο όφελος από τη χρήση πρισμάτων είναι ότι επειδή το φως αντιστρέφεται δύο φορές καθώς περνά μέσα από το πρίσμα και έτσι επιστρέφει στον εαυτό του, η απόσταση που διανύει σε αυτόν τον χώρο αυξάνεται.
Επομένως, το συνολικό μήκος της διόπτρας μπορεί να μειωθεί καθώς μειώνεται επίσης η απαιτούμενη απόσταση μεταξύ των αντικειμενικών φακών και του προσοφθάλμιου φακού και αυτός είναι ο λόγος που τα κιάλια είναι μικρότερα από τα διαθλαστικά τηλεσκόπια με την ίδια μεγέθυνση καθώς δεν διαθέτουν πρίσμα.