Строим телескоп - Телескоп из очковых стекол
В принципе вполне пригодный для серьезных астрономических наблюдений телескоп любитель может изготовить сам. И таких телескопов любителями построено немало, в том числе и юными астрономами. Секции и кружки юных телескопостроителей успешно работают при Дворцах пионеров Москвы, Ленинграда, Ростова, Харькова, Баку, а также при некоторых отделениях ВАГО (Всесоюзное астрономо-геодезическое общество).
Существует и довольно обширная литература по любительскому телескопостроению. В частности, очень подробная и обстоятельная книга М. С. Навашина «Телескоп астронома-любителя». Материалы, полезные для юных телескопостроителей, регулярно печатаются в журнале «Земля и Вселенная».
Однако создание хорошего телескопа в домашних условиях - дело достаточно сложное. Для этого необходимо соответствующее оборудование, инструменты, материалы, химические реактивы и, главное, стеклянные заготовки для изготовления объективов. И конечно, опыт, который при работе в одиночку приобрести не так легко.
Поэтому мы в основном ограничимся советами по изготовлению самого простейшего телескопа, а также рекомендациями по обращению с ним.
Тем же юным любителям, которые захотят построить более сложный телескоп, мы советуем связаться с астрономическими кружками в Домах и Дворцах пионеров, народных обсерваториях и ближайших отделениях ВАГО.
Простейшим телескопом, позволяющим осуществить целый ряд любительских астрономических наблюдений, является инструмент с объективом и окуляром из обыкновенных очковых стекол. Их можно купить либо в оптических отделах аптек, либо в мастерских по ремонту и изготовлению очков. Можно также использовать насадочные линзы для фотоаппаратов, которые продаются в фотомагазинах.
Очковые стекла и насадочные линзы характеризуются особыми единицами - диоптриями, обозначающими их оптическую силу. Диоптрии связаны простым соотношением с фокусным расстоянием. Фокусное расстояние очкового стекла в метрах равно единице, деленной на число диоптрий. Так, например, стекло в плюс одну диоптрию обладает фокусным расстоянием, равным 1 метру, +2 - равным 0,5 м, +0,5 - равным 2 м.
Для объектива телескопа необходимо выпуклое очковое стекло - так называемый конвекс, лучше всего с оптической силой в плюс одну диоптрию. Тогда длина трубы телескопа составит около 1 метра. В крайнем случае можно использовать стекла с оптической силой от плюс 0,5 диоптрии до плюс 2 диоптрий, то есть с фокусным расстоянием от 2 метров до 50 сантиметров. Это предельные практически допустимые значения. При больших фокусных расстояниях трубу телескопа придется сделать чересчур длинной, при меньших - инструмент будет давать лишь весьма небольшие увеличения.
Если в вашем распоряжении окажется выпуклое очковое стекло, оптическая сила которого неизвестна, то его фокусное расстояние можно легко определить опытным путем. Для этого надо направить стекло на Солнце таким образом, чтобы его лучи, пройдя через стекло, попали на ровную поверхность - лист белой бумаги, кусок фанеры или стену. Теперь, изменяя расстояние между стеклом и экраном, нужно добиться, чтобы изображение Солнца сделалось минимальным по размеру и максимальным по яркости. Соответствующее расстояние между экраном и стеклом и будет равно его фокусному расстоянию.
Определение фокусного расстояния очковой линзы
Стекло для объектива лучше выбирать круглое, с необточенными краями. Но в крайнем случае объективом вполне может служить и фигурное очковое стекло, обточенное по форме оправы.
Как мы уже говорили, объектив телескопа собирает световые лучи в фокусе, и там возникает изображение наблюдаемого объекта. Если объект протяженный - Луна, Солнце, галактика, то его изображение не помещается в точке, а располагается в плоскости, проходящей через фокус и перпендикулярной оптической оси. Рассматривая это изображение через окуляр, мы видим его под большим углом, чем сам объект невооруженным глазом.
Подбирая соответствующим образом окуляр, в принципе можно получать очень большие увеличения. Однако, чем сильнее окуляр, тем ощутимее будут проявляться недостатки объектива. В том случае, когда объективом служит очковое стекло, наиболее подходящими являются окуляры с фокусным расстоянием от двух до пяти сантиметров.
Лучше всего выбрать для окуляра лупу такого типа, какими пользуются часовые мастера. Часовая лупа удобна тем, что она вмонтирована в короткую трубочку и ее легче закрепить в окулярной части телескопа.
Обычно на корпусе лупы обозначается ее увеличение - Г (например, 5 х). Определить фокусное расстояние такой лупы можно с помощью простой формулы:
где f измеряется в метрах.
Чтобы улучшить качество изображения, объектив и окуляр можно сделать составными - из двух одинаковых линз каждый. При этом фокусное расстояние составного объектива будет равно примерно 0,5 фокусного расстояния отдельной линзы. Так, например, составной объектив из линз в + 0,5 обладает фокусным расстоянием, равным 1 метру.
Окуляр можно изготовить из двух часовых луп - с пятикратным увеличением каждая.
Телескоп из составных линз способен обеспечить изображение достаточно хорошего качества вплоть до сорока пятидесятикратных увеличений.
Для удобства наводки телескопа на наблюдаемый объект и удержания этого объекта в центре поля зрения окуляр снабжают так называемым крестом нитей. Это две тонкие взаимно перпендикулярные темные нити, пересекающиеся в центре поля зрения. (Хотя при любительских наблюдениях вполне можно обойтись и без креста нитей.)
При постройке самодельного телескопа крест нитей нетрудно изготовить самостоятельно. Он укрепляется на окулярной диафрагме. Материалом может послужить либо тонкий волос, либо паутинные нити. Длина нитей должна раза в полтора превосходить внешний диаметр диафрагмы. Паутинку необходимо подвергнуть предварительной обработке, опустив ее на 2 - 3 минуты в горячую воду, чтобы растворить обволакивающий ее слой клейкой массы. Затем нужно взять четыре небольших кусочка свинца (дробинки), надрезать их и зажать в прорезях концы обеих нитей - паутинок или волосков.
После этого диафрагму помещают на подставку и укладывают на нее нити таким образом, чтобы их концы с дробинками свободно свисали. Нити натянутся, и в таком положении их следует прикрепить к диафрагме каким-либо спиртовым лаком, например лаком для ногтей. Для этого в удобных местах надо капнуть на нити лаком. Спустя несколько часов, когда лак просохнет, можно осторожно срезать лишние концы с дробинками, и крест нитей готов.
При изготовлении креста нитей необходимо иметь в виду, что чем сильнее окуляр, тем тоньше должны быть нити. При очень слабом окуляре для креста нитей подойдут и тонкие проволочки.
Если в фабричном телескопе диафрагма с крестом нитей укреплена в самом окуляре, то, приступая к наблюдениям, надо отфокусировать окуляр таким образом, чтобы нити были отчетливо видны. Этого можно добиться, перемещая диафрагму внутри окуляра.
В телескопах и зрительных трубах предусмотрена возможность перемещения окулярной части относительно объектива. Это позволяет достигать четкого, сфокусированного изображения наблюдаемого объекта в зависимости от индивидуальных особенностей зрения наблюдателя. Поэтому и наш телескоп будет состоять из двух труб: главной трубы с объективом и перемещающейся внутри нее окулярной трубки.
Схема самодельного телескопа из очковых стекол
Трубы будущего телескопа изготовляются из металлических трубок подходящего диаметра, например алюминиевых или латунных. В этом случае постройка телескопа потребует некоторых слесарных работ. Они могут быть произведены в школьной слесарной мастерской. Однако если это по той или иной причине неосуществимо, то трубу можно изготовить из бумаги. Аккуратно склеенная из плотной бумаги или картона труба по качеству и надежности не уступает металлической. Если же вы все-таки решите строить телескоп с металлической трубой, то, внимательно познакомившись с тем, как сделать бумажную трубу, вы без труда сообразите, какие потребуются металлические детали и как их изготовить.
Постройку нашего инструмента мы начнем с окулярной трубы. Сперва подготовим все необходимое. Нам понадобится несколько больших листов достаточно плотной бумаги, лучше чертежной или ватманской, в том числе лист с гладкой или глянцевой поверхностью, черная тушь или сажа и небольшое количество денатурата, казеиновый клей или клейстер из картофельной муки или пшеничной муки грубого помола, а также немного спиртового лака или масляной краски.
Кроме того, в качестве шаблона нам потребуется хорошо отшлифованная ровная круглая палка с диаметром, равным диаметру трубки нашей окулярной лупы, и длиной 70 см. Если подходящей толстой палки найти не удастся, можно обойтись палкой меньшего диаметра. Но в этом случае необходимо намотать на нее несколько слоев плотной бумаги, доведя ее таким образом до нужной толщины. Край бумажной обмотки надо надежно заклеить.
После этого можно приступать к изготовлению окулярной трубки. Отрежем от листа приготовленной нами бумаги полосу шириной 50 см. Именно такова будет длина нашей окулярной трубки. Отмерим теперь от края бумажной полосы расстояние несколько большее, чем окружность палки-шаблона. Очерченный прямоугольник надо аккуратно закрасить черной тушью или, еще лучше, сажей. Для этого сажу разводят в небольшом количестве денатурата, а затем к образовавшейся кашице добавляют немного клея или спиртового лака. После склеивания зачерненная часть бумаги образует внутреннюю поверхность окулярной трубки, которая должна полностью поглощать световые лучи. Если добавить слишком много лака или клея, то зачерненная поверхность приобретет блеск, что отрицательно скажется на качестве изображения. Но с другой стороны, если клея или лака в саже будет мало, черный слой окажется непрочным, он будет осыпаться и смазываться. Чтобы этого не произошло, надо испытать состав для чернения на отдельном клочке такой же бумаги и подобрать наиболее подходящее соотношение его составных частей.
Когда зачерненная поверхность хорошо просохнет, можно начать склеивание. Для этого уложим приготовленную бумажную полосу зачерненной стороной вверх и со стороны зачерненного участка начнем туго накатывать ее на палку-шаблон, промазывая при этом слой за слоем клеем. (Рекомендуется намазывать клей не сплошь, а, скажем, через слой, иначе трубка получится неаккуратной.) Клей нужно наносить равномерно тонким слоем, а бумагу все время разглаживать. Этот процесс необходимо продолжать до тех пор, пока диаметр бумажной трубки не окажется на 2 мм меньше диаметра будущего объекта. Если одной бумажной полосы не хватит, надо отрезать еще одну полосу и, состыковав ее с краем первой, продолжать оклеивание. Самый верхний слой окулярной трубки должен быть склеен из глянцевой бумаги, для того чтобы окулярная трубка легко перемещалась внутри главной трубы.
Изготовление трубы телескопа
Поверхность готовой трубки следует покрыть для прочности тонким слоем лака или масляной краски.
Когда окулярная трубка просохнет и затвердеет, приступим к изготовлению главной трубы. Для этого нам потребуются бумажные полосы шириной 70 см. Начало первой из них зачерним, как и при изготовлении окулярной трубки. Выполнив эту операцию, начнем накатывать, проклеивая первую полосу на готовую окулярную трубку с таким расчетом, чтобы зачерненный участок образовал внутреннюю поверхность главной трубы.
Закончив склеивание, покроем поверхность главной трубы лаком и, когда она окончательно просохнет, осторожно снимем главную трубу с окулярной трубки, а окулярную трубку с палки-шаблона.
Теперь надо снова вставить окулярную трубку в главную трубу и проверить, как она движется. Окулярная трубка должна достаточно плотно и в то же время легко перемещаться в главной трубе, не качаясь и не вихляя. Если качание все же имеет место, придется утолщить окулярную трубку, наклеив на нее еще один или несколько слоев бумаги.
После того как трубки будут подогнаны, можно перейти к заключительному этапу - сборке. Трубочку, в которую вмонтирована окулярная лупа, вставим в окулярную трубку. Если окулярная лупа не имеет трубочки, ее надо изготовить из картона так, чтобы она плотно входила в окулярную трубку телескопа. Линзу в этой трубочке можно закрепить с помощью двух картонных колец, вклеенных внутрь трубочки по одну и другую сторону линзы. Линза должна располагаться строго перпендикулярно продольной оси трубочки, на расстоянии от глазного отверстия окуляра на 4 - 5 мм меньшем, чем ее фокусное расстояние.
Сборка объективной части телескопа
Что же касается объектива, то для его крепления придется сделать несложное приспособление из двух вспомогательных картонных трубок. Одна из них, длиной 15 см, должна надеваться на «объективный конец» главной трубы. Ее нужно склеить из полоски плотной бумаги уже знакомым нам способом, накатывая бумагу на главную трубу. Внешний диаметр этой трубки может быть любым.
Другая вспомогательная трубка должна иметь внешний диаметр, в точности равный внешнему диаметру главной трубы. Поэтому ее можно склеить, накатывая полоску бумаги шириной 4 см на окулярную трубку. По крайней мере, один из боковых срезов короткой вспомогательной трубки должен быть строго перпендикулярен продольной оси. Для этого при заготовке бумажной полосы нужно позаботиться о том, чтобы она представляла собой правильный прямоугольник.
Надвинем длинную вспомогательную трубку на объективный конец главной трубы так, чтобы она выступала вперед на 3 см. После этого, придав главной трубе вертикальное положение, аккуратно уложим объектив выпуклой стороной вверх на внутренний круговой уступ, образованный краем главной трубы. Убедившись на глаз, что стекло лежит строго перпендикулярно продольной оси главной трубы, вставим в выступающий конец длинной вспомогательной трубки короткую вспомогательную трубку и, вдвинув ее внутрь до отказа, прижмем объектив.
Теперь осталось вновь вложить окулярную трубку в главную трубу, и телескоп готов.
Если очковое стекло, предназначенное для объектива, не круглое, а обточенное под оправу очков, то, прежде чем вставлять будущий объектив в трубу, его надо заключить между двумя картонными кружками с прорезанными в центре круглыми отверстиями. Их внешний диаметр должен быть равен внутреннему диаметру главной трубы, а диаметр внутренних отверстий - чуть меньше короткого поперечника фигурного очкового стекла. Стекло надо плотно зажать между кружками таким образом, чтобы его центр совпал с геометрическим центром кружков. Затем внешние края кружков необходимо соединить между собой с помощью небольших кусочков лейкопластыря или липкой бумажной ленты или просто заклеить короткими бумажными полосками.
Если объектив и окуляр изготовляются составными, то в соответствующие трубки вставляется по две линзы, расстояние между ними фиксируется с помощью отрезка картонной трубки нужной длины.
В составном объективе линзы необходимо расположить на расстоянии 30 мм друг от друга - их вогнутые стороны должны быть обращены внутрь.
В составном окуляре из двух одинаковых линз, взятых из часовых луп, расстояние между стеклами должно составлять 0,8 их фокусного расстояния.
Конечно, телескоп, изготовленный из очковых стекол или насадочных линз, - это самый простейший астрономический инструмент. Вследствие того, что очковые стекла обладают сферической и хроматической аберрацией, изображение в таком телескопе окажется не столь резким, как хотелось бы, и несколько окрашенным.
Но и такой инструмент дает возможность наблюдать многие космические объекты, которые нельзя увидеть невооруженным глазом: четыре спутника Юпитера, открытые Галилеем, галактику Андромеды, крупные кратеры на Луне, группы солнечных пятен и некоторые другие.
Чтобы вести астрономические наблюдения, трубу телескопа надо хорошо закрепить в определенном положении. Поэтому ее желательно установить на штативе. Проще всего воспользоваться для этой цели имеющимися в продаже фотографическими штативами.
Устройство для крепления трубы на штативе нужно соорудить с таким расчетом, чтобы труба могла поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей: вертикальной и горизонтальной при азимутальной установке или полярной и перпендикулярной к ней экваториальной при параллактической установке. Однако для телескопа из очковых стекол вполне достаточно азимутальной установки.
Что же касается конкретного устройства для крепления телескопа, то мы описывать его здесь не будем, предоставив инициативу самому строителю инструмента. Конструкции установок телескопов, в том числе и любительских, существуют самые разнообразные, и тот, кто захочет познакомиться с ними, найдет необходимые сведения в уже упомянутой книге М. С. Навашина «Телескоп астронома-любителя».
Все большие телескопы и некоторые любительские инструменты (школьный 80-миллиметровый телескоп) снабжены так называемыми противовесами. Это устройство предназначено для уравновешивания трубы. Противовес подбирается и укрепляется с таким расчетом, чтобы центр тяжести трубы совпадал с точкой пересечения осей, вокруг которой она вращается.
Если противовес отсутствует, его можно без особого труда изготовить самостоятельно. Для этого на проволочных колечках, которые могут передвигаться вдоль трубы, надо подвесить грузики и, сняв с объектива предохранительную крышку, если она есть, то есть приведя инструмент в рабочее состояние, перемещать их вдоль трубы до тех пор, пока не будут найдены положения грузиков, обеспечивающие устойчивость телескопа (при любых поворотах трубы инструмент не должен заваливаться).