Как сделать телескоп без линз
Наблюдаем Луну или как сделать телескоп своими руками
Наблюдение звезд и других астрономических тел на небосклоне – процесс очень занимательный. Планеты Солнечной системы, спутники, созвездия, «падающие звезды» – все это лишь маленькая часть необозримой и до конца непознанной Вселенной. Наиболее хорошо видна Луна – ближайшее к нам космическое тело, если не считать созданные человеком искусственные спутники Земли. Однако даже Луну детально рассмотреть невооруженным глазом довольно непросто. Для этой цели человечеством изобретено специальное устройство – телескоп, который позволяет «приблизить» наблюдаемый объект и изучить его более подробно. Давайте попробуем разобраться, как можно своими руками сделать простейший телескоп.
Телескоп-рефрактор
Телескоп-рефлектор
Все оптические телескопы можно разделить на две группы: телескопы рефракторы, в которых используются линзы, преломляющие и тем самым собирающие свет, и телескопы-рефлекторы, в которых в качестве такого элемента используются зеркала. Своими руками проще сделать телескоп-рефрактор, так как для этого нужны собирающие линзы, которые найти нетрудно в отличие от специальных собирающих зеркал. Изготовлением такого телескопа с 50-кратным увеличением мы и займемся, для чего нам потребуется: плотная бумага (ватман), картон, черная краска, клей и две собирающие линзы.
Сначала разберемся в устройстве простейшего телескопа-рефрактора. Главная его часть – объектив – двояковыпуклая линза, находящаяся в передней части телескопа и собирающая излучение. Основными его характеристиками являются: диаметр объектива (апертура) 
, чем больше апертура, тем больше телескоп собирает излучения, то есть больше его разрешающая способность, и, как следствие, можно использовать большие увеличения; фокусное расстояние объектива 
. Другая важная часть телескопа – окуляр. Увеличение телескопа рассчитывается как величина, равная отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра 
¸ и выражается в кратах:
.
Кроме того существует такое понятие как максимальное полезное увеличение телескопа, которое равно удвоенному значению диаметра объектива , выраженного в миллиметрах. Делать телескоп с бόльшим увеличением не имеет смысла, так как новых деталей, скорее всего, увидеть не удастся, а общая яркость изображения существенно снизится. Таким образом, если нужно сделать телескоп с 50-кратным увеличением, то диаметр объектива должен быть не меньше 25 мм. Но небольшой диаметр уменьшает разрешающую способность, поэтому для 50-кратного телескопа целесообразно использовать объектив диаметром 60 мм.
Минимальное значение полезного увеличения телескопа определяется диаметром его окуляра 
, который не должен превышать диаметр полностью раскрывшегося зрачка глаза наблюдателя, иначе не весь собранный телескопом свет попадет в глаз и будет потерян. Максимальный диаметр зрачка глаза наблюдателя обычно составляет 5-7 мм, поэтому минимальное полезное увеличение составляет 10 крат (апертура, умноженная на 0,15).
Приступаем непосредственно к изготовлению телескопа. Сделать телескоп из ватмана больших размеров не получится, так как ватман не обладает достаточной жесткостью, что приведет к проблемам с настройкой телескопа. Оптимальный размер составляет примерно около 1м. Следовательно, фокусное расстояние объектива тоже должно быть около 1м, что соответствует оптической силе +1дптр. Для объектива нужно сделать из ватмана трубу длиной 60-65 см и диаметром, соответствующим диаметру линзы объектива (6 см). Внутреннюю часть трубы следует перед склеиванием покрасить в черный цвет, чтобы в окуляр не попадало лишнее излучение. Линзу в трубе объектива можно закрепить при помощи двух вырезанных из картона ободков с зубчиками.
Для окуляра нужно сделать трубу длиной 50-55 см. Соединение между собой труб объектива и окуляра также осуществляется при помощи картонных ободков, позволяющих трубе окуляра двигаться относительно трубы объектива с применением небольшого усилия. Чтобы обеспечить 50-кратное увеличение телескопа, линза окуляра должна иметь фокусное расстояние 2-3 см.
Получившийся телескоп обладает одним недостатком – он дает перевернутое изображение. Чтобы это исправить, потребуется еще одна собирающая линза, имеющая такое же фокусное расстояние, что и линза окуляра. Дополнительную линзу нужно установить в трубу окуляра.
При изготовлении телескопа также следует учитывать, что у телескопов с большим увеличением сильнее проявляются различные дифракционные явления, что значительно ухудшает видимость. Подобное увеличение обычно используется для наблюдения деталей дисков планет и Луны, а также при наблюдении двойных звезд. Поэтому для снижения этого эффекта нужна диафрагма (черная пластина с отверстием диаметра 2 – 3 см), которая размещается в том месте, где лучи от объектива сходятся в фокусе. После этого усовершенствования изображение станет менее ярким, но более четким.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
Какими должны быть основные параметры телескопа, имеющего 100-кратное увеличение?
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Все про оптику
Телескоп своими руками
Телескоп из очковых стекол
Что нужно для постройки телескопа из очковых стекол. Простейший телескоп-рефрактор.
Кроме объектива и окуляра потребуются несколько листов ватмана, клей (ПВА, столярный, эпоксидный), небольшое количество толстого и тонкого картона. Для изготовления штатива нужны будут рейки сечением примерно 25х15 мм, 5 мм фанера, обрезки дюймовой доски, несколько мелких шурупов, три длинных и один короткий болты М6 с гайками-барашками, клей.
Если не удастся достать линзу в 1 диоптрию, можно использовать другую, учитывая при этом, что фокусное расстояние объектива будет равно:
F (м) =1 м / оптическая сила в диоптриях.
Например, для линзы в 0,75 диоптрии:
F = 1 м / 0,75 = 1,33 м.
Полезный совет: Очковые стекла обычно имеют метку в виде точки около центра, которая указывает оптический центр линзы. Он может значительно отличаться от геометрического центра, это учитывают при изготовлении очков (при обтачивании стекла). Желательно выбрать стекло, в котором оптический центр отличается от геометрического на небольшую величину.
С чего начать? Оправа, труба, окулярный узел.
Передвижением подвижной трубки телескопа грубо совмещаются фокальные плоскости объектива и окуляра (при этом одну и ту же трубу можно использовать с разными объективами), а окулярный узел позволяет добиться точной фокусировки.
Испытание телескопа. Его основные характеристики.
Теперь несколько слов об испытании и настройке телескопа, его основных характеристиках. Прежде всего, скажу об увеличении, с которым мы будем работать. Увеличение телескопа равно фокусному расстоянию объектива, деленному на фокусное расстояние окуляра. Из этого видно, что, применяя разные окуляры, мы можем получать с одним и тем же объективом разные увеличения. Например, для окуляра с фокусным расстоянием 50 мм (нормальный объектив от фотоаппарата):
1000 мм / 50 мм = 20 крат,
а для окуляра от микроскопа с фокусным расстоянием 10 мм:
1000 мм / 10 мм = 100 крат.
Наблюдения с телескопом.
Несмотря на все несовершенство конструкции, наш скромный телескоп наверняка доставит его владельцу немало увлекательных минут. С его помощью можно будет увидеть кратеры и другие детали рельефа на Луне, спутники Юпитера, кольцо Сатурна, Большую туманность Ориона, Туманность Андромеды, звездные скопления и множество слабых звезд. При помощи солнечного экрана можно будет наблюдать пятна на Солнце. Нужно при этом помнить:
БЕЗ СОЛНЕЧНОГО СВЕТОФИЛЬТРА СМОТРЕТЬ НА СОЛНЦЕ ОПАСНО!
Спросите Итана: почему бы нам не сделать телескоп без зеркал или линз?
Разместить ПЗС-матрицу в главном фокусе телескопа или обсерватории – отличный способ получения превосходных изображений; похожую технологию используют уже более 100 лет. Но возможно ли использовать одну только ПЗС-матрицу, без зеркал или линз?
Сотни лет принцип использования телескопа был простейшим из простейших: создать линзу или зеркало для сбора большого количества света, сфокусировать его на детекторе (глаз, фотопластинка, электронное устройство), и увидеть что-то, лежащее далеко за пределами возможностей невооружённого глаза. Со временем линзы и зеркала становились больше в диаметре и их делали со всё возрастающей точностью, а детекторы достигли уровня, на котором они способны собирать и использовать каждый поступающий фотон. Качество детекторов может заставить вас задуматься о том, зачем нам вообще нужны линзы! Об этом и спрашивает наш читатель:
Зачем нам нужны линзы и зеркала для создания телескопа, если у нас есть ПЗС-датчики? Почему бы вместо того, чтобы делать 10-метровое зеркало или линзу, фокусирующую свет на маленьком датчике, не сделать 10-метровый датчик?
Вопрос очень хитрый, ведь если бы могли такое сделать, это произвело бы революцию.
Сравнение размеров зеркал различных существующих и предлагаемых телескопов. Когда заработает Гигантский Магелланов телескоп, он станет крупнейшем в мире, и первым в классе оптических телескопов с диаметром более 25 м; впоследствии его должен будет превзойти Европейский чрезвычайно большой телескоп. Но у всех этих телескопов есть зеркала.
Неважно, насколько хорошо отражает наша поверхность, насколько точно мы шлифуем и полируем наши линзы, насколько равномерно и осторожно мы наносим покрытие, и насколько хорошо мы отталкиваем и уничтожаем пыль — никакое зеркало или линза никогда не будут оптически идеальными на 100%. Некая доля света будет теряться на каждом шаге и с каждым отражением. Учитывая, что современные крупнейшие схемы телескопов требуют многоступенчатых зеркал, включая большое отверстие в основном зеркале, обеспечивающее хорошее местоположение для отражения света, в схеме для сбора информации о Вселенной с использованием зеркал и линз есть неотъемлемые ограничения.
Цель ясна и прекрасна: удалить ненужные шаги, устранить любые потери света. Эта идея может показаться простой, и поскольку ПЗС-датчики становятся всё более распространёнными и дешевеют, возможно, она и найдёт своё применение в астрономии будущего. Но реализация такой мечты будет не очень простой, поскольку на её пути есть очень важные препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы получить телескоп без зеркал или линз. Давайте пройдёмся по ним.
Изображение 1887 года туманности Андромеды впервые продемонстрировало структуру спиральных рукавов ближайшей крупной галактики к Млечному Пути. Она полностью белая из-за того, что фотография была сделана без применения фильтров – вместо того, чтобы сделать фото через красный, зелёный и синий фильтр, а потом совместить эти цвета.
1) ПЗС прекрасно измеряют свет, но они не сортируют и не фильтруют длины волн. Вы не думали над тем, почему все старые фотографии звёзд и галактик выполнены чёрно-белыми, несмотря на то, что у самих звёзд и галактик есть определённые цвета? Всё потому, что они не собирали свет отдельными фильтрами по разным длинам волн. Даже современные телескопы располагают фильтр между приходящим светом и ПЗС/камерой, чтобы нацелиться на определённую длину волны или набор длин волн, сделать несколько изображений с несколькими фильтрами, а потом воссоздать изображение в истинных цветах или в ложных.
Галактика Андромеды (М31), снятая с наземного телескопа через несколько фильтров, после чего по этим фотографиям был создан цветной портрет
Этого можно избежать, создав полный набор фильтров для каждого отдельного элемента ПЗС, но конструкция получится громоздкой, дорогой и потребует, чтобы эти фильтры были расположены где-то за элементами ПЗС, поскольку нужно сохранить полноту участка сбора света, который в обычной ситуации занимало бы зеркало или линзы, смотрящие в небо. Это не непреодолимое препятствие, но для этой проблемы в настоящее время решений у нас нет.
ПЗС большой площади чрезвычайно полезны для сбора и обнаружения света, и для максимизации пользы каждого отдельного приходящего фотона. Но без зеркала или линз, предварительно фокусирующих свет, всенаправленная природа ПЗС не сможет выдать осмысленное изображение наблюдаемого объекта
2) ПЗС не измеряет направление пришедшего света. Для получения осмысленных изображений, которые так хорошо выходят у телескопов, им необходимо измерять не только интенсивность и длину волны входящего света, но и его направление. У линз и зеркал есть замечательное свойство – свет, приходящий от чрезвычайно удалённого источника, перпендикулярный к плоскости зеркала, фокусируется таким образом, что попадает в камеру/фотопластинку/ПЗС, а свет с других направлений из-за отражений и преломлений туда не попадает. Для отдельной ПЗС-матрицы это не так: она регистрирует свет с любого направления. Если вы не сведёте лучи в пучок, не сфокусируете свет заранее, вы просто увидите яркое белое небо по всем направлениям — никакой информации о направлении света там не сохранится.
Схема работы аппаратуры солнечного телескопа МакМаса-Пирса, телескопа с самым длинным оптическим тоннелем в мире. Даже ему в итоге требуется зеркало для получения высококачественных изображений.
Можно подумать, что вариантом решения этой проблемы будет построить чрезвычайно длинную, непрозрачную трубу, перпендикулярную плоскости ПЗС-матрицы, но и это представляет собой проблему: без линз и зеркала свет всего, что расположено в поле зрения, попадёт на каждый пиксель вашей матрицы. Даже длиннейшей шахте из когда-либо построенных для этих целей, солнечному телескопу МакМаса-Пирса [длина шахты 220 м / прим. перев.], всё равно требуется зеркало или линзы для фокусировки света. Это самая большая проблема в использовании ПЗС-матрицы в одиночку для измерения света, и самая основная причина, по которой необходимо оборудовать её зеркалом или линзой.
На фото, сделанном на фабрике Astrium в Тулузе, показан набор из 106 ПЗС-матриц, составляющих фокальную плоскость космического телескопа Гея. ПЗС прикручены к поддерживающей их структуре (CSS). CSS (серая пластина под ПЗС) весит порядка 20 кг и сделана из карбида кремния (SiC), материала с замечательной термической и механической стабильностью. Размеры плоскости: 1 × 0,5 м
На диаграмме показана новейшая система из пяти зеркал Европейского чрезвычайно большого телескопа. Перед тем, как попасть к научным инструментам, свет сначала отражается от гигантского вогнутого составного зеркала 39 м в диаметре (М1), затем отражается от двух 4-метровых зеркал, выпуклого (М2) и вогнутого (М3). Два последних зеркала (М4 и М5) формируют встроенную адаптивную оптическую систему для получения чрезвычайно чётких изображений на конечной фокальной плоскости.
Добавочное количество света, поступавшего бы в ПЗС без зеркал, было бы крохотным, поскольку на каждом отражении мы теряем порядка 5-10% света, но при этом переходя от 10-метрового до 39-метрового диаметра зеркала мы увеличиваем количество света на 1500% (тысячу пятьсот процентов)! Проще говоря, можно потратить деньги гораздо лучше, если вашей целью будет сбор большего количества света и увеличение разрешения.
На земле крупные и массивные телескопы обычно не представляют проблем, пока форма зеркал поддерживается идеальной для отражения света. Но в космосе стоимость запуска определяется размером и весом, поэтому каждая небольшая экономия дорогого стоит
4) Если вы хотите сэкономить на весе, есть решение получше. Космический телескоп Хаббла был невероятно сложным в запуске и развёртывании, не только из-за своего размера, но и из-за веса. Тяжесть основного зеркала была одним из крупнейших препятствий для миссии. А вот у телескопа Джеймса Уэбба площадь, собирающая свет, будет в семь раз больше, чем у Хаббла, а весить он будет даже меньше половины своего более крупного предшественника. В чём секрет? Отлейте зеркало, придайте ему форму, отполируйте – а затем высверлите материал с задней части.
Установка последнего, 18-го сегмента основного зеркала телескопа Джеймса Уэбба. Тёмные крышки защищают позолоченные сегменты зеркал, при этом с задней их части убрали уже 92% изначального материала.
В космосе с гравитацией бороться не нужно, поэтому для поддержки телескопа не требуется особая структурная прочность. После изготовления каждого из 18 сегментов телескопа Джеймса Уэбба, с их обратной стороны было высверлено 92% изначальной массы – это позволило поддержать форму передней части зеркала и кардинально сэкономить на весе.
Внутренности и основное зеркало Большого Канарского телескопа, обладателя самого большого зеркала в мире (10,4 м)
Есть много причин, по которым можно было бы построить телескоп без линз или зеркал – оптимизация по весу, стоимости, материалам, мощности сбора света, качеству изображения, разрешения в любом случае потребует каких-то компромиссов. Но то, что ПЗС-матрицы самостоятельно не способны измерять направление приходящего света, представляет собой большую проблему для создания беззеркального телескопа. Хотя каждая зеркальная поверхность, от которой отражается свет, приводит к его частичной потере, зеркала остаются лучшим способом получения изображений Вселенной с высоким разрешением, отличным качеством, с большой площадью сбора света и относительно невысокой стоимостью. Если стоимость ПЗС будет падать, если можно будет построить решётку размером с зеркало телескопа, а также получится измерять направление приходящего света в реальном времени, тогда уже можно будет о чём-то разговаривать. Но пока не предвидится замены оптической науке. Более чем через 300 лет после первой публикации революционного трактата о природе света, правила Ньютона при создании отдельных телескопов ещё никто не победил!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].