В работе рассматривается создание оптического телескопа в комбинации со смартфоном. Проект получил название «Телесмарт». В работе приводится история создания и основные понятия касающиеся работы рефракторных телескопов, описывается конструкция и демонстрируется внешний вид созданного смарто теле-гибрида.
В работе были использованы литература и интернет ресурсы в области рефракторного конструирования оптических устройств.
Автор выражает благодарность руководителю проекта — учителю физики Д. И. Годунову.
Электронная версия данной работы доступна в википедийном проекте по адресу: http://109.73.3.247:8080/wikiweb/index.php/Telesmart Онлайн-версия позволяет осуществить просмотр наиболее свежего варианта работы и открыта для обсуждения, для чего предусмотрена статья сопровождения с вкладкой «Обсуждение».
Ваши замечания, предложения и вопросы можно также отправить по адресу электронной почты автора — Евтихову Макару: emv2012@yandex.ru
Aнтичные оптики знали закон отражения света, но в отношении преломления ограничивались только опытными сведениями. Закон преломления удалось найти в XVII в. Снеллу и Декарту. Эти физические основания геометрической оптики были вполне усвоены в первой половине XVII в. и нашли изящное и глубокое выражение в принципе скорейшего пробега светового луча Ферма. Труба Галилея и его замечательные астрономические открытия превратили геометрическую оптику из отвлеченной математической дисциплины в чрезвычайно жизненную и важную практическую область, необходимую для рационального расчета оптических приборов [1].
До Галилея в течение тысячелетий наука описывала явления, объясняла их и приводила иногда к построению полезных приборов и машин. Галилей впервые показал, что наука способна к большему, к открытию новых, нежданных явлений, необычайно расширяющих известную нам природу. Поэтому Галилея сравнивали с Колумбом и даже с богом-творцом, создающим мир, ранее неизвестный. Галилей достиг этого при помощи трубы с выпуклой и вогнутой линзами. Неудивительно поэтому, что астрономы, физики, математики с увлечением принялись за усовершенствование телескопа. Шлифовка и полировка стекол, конструирование машин для обработки стекла по сферическим и несферическим поверхностям, разработка геометрической оптики преломляющих сред и различные способы улучшения телескопов — это постоянные темы занятий ученых разных специальностей в XVII в.
В настоящей работе, подобно ученым ушедших веков, была предпринята попытка создания прибора, совмещающего в себе оптическую систему телескопа с оптической и программной частью современного мобильного устройства. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. рассчитать параметры фокусных расстояний имеющихся в распоряжении линз;
2. выбрать схему оптической системы телескопа с учетом оптической системы смартфона;
3. реализовать результаты расчетов в виде действующего образца оптического гибридного прибора.
1. Оптические телескопы
Стремясь усовершенствовать конструкцию телескопа таким образом, чтобы добиться максимально высокого качества изображения, ученые создали несколько оптических схем, использующих как линзы, так и зеркала (см. рисунок 1).
Рис. 1. Оптические схемы телескопов
Объектив телескопа рефрактора состоит из одних линз.
Внешне они легко узнаваемы: длинные трубы небольшого диаметра, расширенные у одного из концов, где находится принимающая линза. Не требуют настройки, не считая наведения на резкость [2]. Поскольку их светосила ограничена, то для наблюдения слабо светящихся туманных объектов они не очень подходят. Зато хорошо подходят для наблюдения за Луной, планетами и двойными звёздами. Могут использоваться как мощные подзорные трубы для осмотра окрестностей (см. рисунок 2).
Телескоп основной рабочий инструмент каждого исследователя Вселенной.
Рис. 2. Рефракторные схемы
- Преимущества и недостатки рефракторов Достоинства телескопов рефракторов.
Они доносят до окуляра, в который вы смотрите, большую долю собранного света, чем зеркальные рефлекторы. Изображение в них более чёткое и яркое при одинаковом диаметре объектива (апертуры). То есть, их проницаемость выше чем у зеркальных телескопов. Это обеспечивается тем, что в рефракторах нет вторичного зеркала, которое скрадывает полезную площадь объектива. Вдобавок свет здесь попадает напрямую в окуляр, а не отражается несколько раз от зеркал, которые снижают контрастность и чёткость. Их не нужно временами подстраивать (юстировать), поскольку все детали жёстко закреплены. Корпус наглухо закрыт, поэтому пыли они не боятся.
Недостатки телескопов рефракторов.
Прежде всего, это различные искажения, особенно хроматические аберрации положения или просто «хроматизм» вокруг объектов появляется цветное сияние. Чем ярче объект, тем это сияние выше. Хроматизм растёт с диаметром объектива. Также он увеличивается при уменьшении фокусного расстояния. Из-за хроматизма большие увеличения на недорогих ахроматических, тем более короткофокусных моделях недоступны.
Возникновение хроматизма связано с тем, что видимый свет состоит из волн разной длины (или из разных цветов), которые преломляются в линзе под разными углами. Поэтому фокус изображения оказывается нечётким на оптической оси [3].
Сейчас в рефракторах используют ахроматические объективы собирающая линза склеивается из двух сортов стекла, которые взаимно почти уничтожают хроматизм друг друга благодаря разному коэффициенту преломления лучей. Точнее максимально сближаются фокусы лучей каких-то двух цветов.
3. Характеристики оптических телескопов
Выбор телескопа непростая задача. В одних схемах сильны одни виды искажений, в других другие. А те модели, в которых искажения почти сведены к нулю дороги, тяжелы или светосила заметно занижена. В одних случаях нужна апертура побольше, для наблюдения туманностей, например.
В других случаях желаннее кратность увеличения, как при наблюдениях Луны. Небольшая апертура (до 70 мм.) позволяет смотреть не только на небо,
но и на наземные объекты. Кратеры на Луне прекрасно видны, а поскольку Луна яркая, то апертура не так важна. Если требуются большие увеличения, то и апертура нужна побольше и фокус подлиннее.
Для наблюдения галактик («дипскай», глубокое небо) наиболее подходящим является система рефлекторе Ньютона. Апертура от 150 мм. Занятия дипскаем, с апертурой меньше 150мм весьма затруднительны.
Местонахождение и апертура самых известных телескоповрефракторов (см. рисунок 3).
Самый большой рефрактор мира принадлежит Йеркской обсерватории (США) и имеет диаметр объектива 102 см. Более крупные рефракторы не используются. Это связано с тем, что качественные большие линзы дороги в производстве и крайне тяжелы, что ведёт к деформации и ухудшению качества изображения. Крупные телескопы обычно являются рефлекторами [4].
Рис. 3. Крупнейшие рефракторы
4. Что такое телесмарт?
Гибрид смартфона с телескопом, созданный для регистрации и наблюдения звёзд, планет, их эклиптик и траекторий движения планет солнечной системы (см. рисунок 4).
Рис. 4. Телесмарт в сборе
Конструкция телесмарта состоит из достаточно простых и доступных деталей. Такую конструкцию может собрать каждый из простых материалов и используя простые инструментыа. Несущей частью является тубус — подойдет любая круглая из плотной бумаги и пластика труба подходящего диаметра для фиксации главной собирающей линзы.
Телесмарт в действии
Гибрид смартфона с телескопом, созданный для регистрации и наблюдения звёзд, планет, их эклиптик и траекторий движения планет солнечной системы (см. рисунок 5).
Рис. 5. Телесмарт в действии
Совместно с известной программой для мобильных и персональных вычислительных устройств Stellarium [5] — рассматриваемый телесмарт превращается в мощное средство изучения небесной сферы.
Заключение
Действующая модель телесмарта продемонстрировала достаточную работоспособность. Полученные результаты подтвердили возможность совмещения оптических систем телескопа и смартфона. Однако еще в 1669 г. в своих «Лекциях по оптике» Ньютон такими словами излагал слушателям положение дела: «Изучающие диоптрику воображают, что зрительные приборы могут быть доведены до любой степени совершенства при помощи стекла, если полировкой сообщить ему желаемую геометрическую фигуру. Для этой цели придуманы были разные инструменты для притирания стекол по гиперболическим, а также параболическим фигурам, однако точное изготовление таких фигур до сих пор никому не удалось, ибо работали понапрасну. И вот для того, чтобы не тратить далее труд свой на безнадежное дело, осмеливаюсь я предупредить, что, если бы даже все происходило удачно, все же полученное не отвечало бы ожиданиям. Ибо стеклу, коим дали бы фигуры наилучшие, какие для этой цели можно придумать, не будут действовать и вдвое лучше сферических зеркал, полированных с той же точностью».
Поэтому в настоящее время автором собирается материал и ведутся расчеты, которые помогут создать действующий образец телесмарта с рефлекторной системой.
Литература:
1. Вавилов С. И. Исаак Ньютон: 1643–1727.—4е изд., доп.—М.: Наука, 1989.— 271 с, ил. ISBN 5020000655
2. Телескопы рефракторы. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://kosmoved.ru/refraktory.shtml
3. А. Хендель — Основные законы физики ред. Е. Б. Кузнецова // М. Физматгиз, 1963. — С. 312.
4. Рефрактор [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Рефрактор
5. Stellarium [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://stellarium.org/
