Импровизирана оптична лаборатория и необходими пособия;
Две понятия: точков светоизточник и успореден светлинен сноп;
Контролни оптични прибори и приспособления: колиматор, контролна зрителна тръба и др.

      По време на своята практика, всеки любител-астроном, фотограф или техник, поддържащ оптикоелектронна апаратура, може да се изправи пред необходимостта да разреши някоя задача свързана с оптиката. Може да възникнат случаи, когато ви се налага да измерите параметрите на даден оптичен елемент или прибор. Това изисква познаването на някои основни понятия от геометричната оптика, за чиято същност като че ли по-рядко се замисляме. На пръв поглед понятия като фокусно разстояние, оптична плоскост или изходен отвор ни изглеждат твърде познати, но може би ще е полезно да си припомним някои особености свързани с тях.
      В следващите части на тази статия ще спра вниманието ви върху тези и някои други понятия и ще разгледаме няколко метода, чрез които ще можете да измерите параметрите на една непозната оптична система или произволно избран оптичен елемент.

      За да можете да провеждате вашите измервания удобно и с достатъчна точност, е препоръчително да изберете подходящо помещение, където да си обзаведете нещо като импровизирана лаборатория. Всяко помещение с дължина поне 4 метра е удобно за целта - хол, учебен кабинет, по-голяма фотолаборатория или др. Добре е ако прозорците на помещението могат да се затъмняват с по-плътни пердета. Това в някои случаи може да се окаже дори задължително условие!

      Препоръчително е в стаята да има маси или други мебели, чиито плотове да са поне приблизително на еднаква височина. Така ще можете да поставяте върху тях различни оптични приспособления, центрирани по една оптична ос или в случаите, когато е необходимо осите им да сключват различни ъгли помежду си, но да лежат в една хоризонтална равнина. Ценно предимство ще бъде ако разполагате с голяма маса, за предпочитане подвижна - на колелца.

      Добре би било ако ниската част на една от стените в стаята не е закрита от мебели - там ще можете да поставите бял екран, какъвто много често ще ви бъде необходим. За бял екран можете да ползвате екран за прожекционен апарат или стандартен бял или светлосив фотографски фон, но за предпочитане е гладка добре обработена дъска с бели, но не и лъскави повърхности. Можете да залепите лист бяла хартия или картон върху гладка дъска или плоска повърхност на друг подходящ предмет. Екранът не бива да е вдлъбнат, с други изкривявания или грапавини. Той трябва да се постави така, че средата му да е на една височина с оптичната ос, по която ще разполагате тестваните прибори, като освен това екрана трябва да е перпендикулярен на остта, освен ако конкретната задача не изисква някакъв наклон.

      Следващите неща, които ще са ви необходими са няколко стойки, върху които ще поставяте тестваните и контролните оптични елементи. Добре е те да имат възможност за промяна на височината и евентуално - за въртене около вертикална ос. Всъщност конструкцията на тези стойки, често наричани конници с лещодържачи изцяло зависи от задачата, която ще се решава. Ако ще се захващат единични лещи, лещодържачите трябва да са съобразени с диаметрите и дебелината им. Ако пък ще се монтират далекогледни тръби, колиматори, фотографски обективи и др., то е по-добре да се ползват оригиналните стативи на тези прибори - ако са на разположение или да се пригодят такива от подръчни материали. Ако нямате такава възможност, необходимо е да си набавите плоскости от дърво или друг материал с различна дебелина, които да подлагате под тестваните прибори за да можете да регулирате по-прецизно съосието им. Една добра идея е да ползвате фотографски стативи, които със сигурност имат възможност за промяна на височината, за завъртане и накланяне на масичката на произволен ъгъл по хоризонтала и вертикала. Техните стандартни болтове 1/4" и 3/8" също могат да се окажат полезни, тъй като всички фотоапарати, повечето големи телеобективи и много модели далекогледни тръби, бинокли и др. имат гнезда за закрепване с тези резби.
      Трябва да се отбележи, че проблемът със закрепването на оптичните елементи или прибори е сложен и ако не бъде добре разрешен, може да доведе до сериозни грешки в измерванията! Особено трудно е в случаите, когато се работи с фотографски или други обективи, чиито тубуси не са цилиндрични. Всеки фотографски обектив има поне две скали - за разстоянието /фокуса/ и за блендата, чиито гривни почти никога не са еднакви по диаметър! Ако такъв обектив бъде поставен върху равна плоскост, то оптичната му ос няма да е хоризонтална и ще е необходимо той да се повдигне и застопори подходящо. Друго решение в този случай е използването на фотографски удължителни гривни /за макроснимки/ със съответната резба или тип байонетно окачване, на свой ред прихванати стабилно към статив, чрез подходяща сглобка.

      При решаването на много задачи ще ви е необходим обект, чийто образ ще се прожектира върху екран с тестваната оптика. Това може да бъде произволна фигурка с несложна геометрична форма, изрязана от непрозрачен материал - картон или тънка пластмаса и залепена върху повърхността на матово стъкло, което на свой ред е монтирано вертикално на стойка. Желателно е стойката да има възможност за настройка на височината си. Необходимо е да се знаят точните размери на фигурката - по ширина или височина, за да можете лесно да пресмятате получените при нейните проекции увеличения. В този смисъл бих препоръчал вместо фигурка, да се ползва милиметрова скала от парче прозрачна линийка, закрепено върху матовото стъкло. Това изключително улеснява пресмятането на мащаба получен при проекция, като е необходимо само с втора линийка или ролетка да измерите разстоянията между деленията от образа, прожектиран върху екрана.
      Зад матовото стъкло можете да разположите светоизточник - лампа с нагряваща се жичка, с мощност 40 до 75W, която в зависимост от задачата да може да се замени с по-слаба или с по-мощна.
      В някои случаи е по-добре ако обектът се намира в успореден по-интензивен светлинен сноп. Тогава е много удобно да ползвате диапроектор със свален обектив, като на мястото на диапозитива /или ако е неудобно - на мястото на сваления обектив/ се закрепва стъклото с обекта. За обект можете да ползвате и образ на милиметрова скала или мрежа, отпечатан върху прозрачен материал. Тази плака поставете в рамка за диапозитиви със стъкла, които ще я придържат равна /изпъната/.
      Друга идея е да ползвате фотоувеличител, чийто статив позволява хоризонталното му обръщане към стената с екрана. Така ще имате възможност и за промяна на височината на прибора чрез съответната настройка на статива му. Начинът на ползване е като при диапроектора - със свален обектив. Така ще ползвате само лампата и кондензорната оптика на апарата.

      В следващите части на тази статия често ще използваме две понятия, които описват определени светотехнически условия, пряко касаещи резултите от измерванията. Това са понятията отдалечен точков светоизточник и успореден светлинен сноп. В много случаи практически е по-коректно ако към оптиката на тествания прибор се пропусне успореден светлинен сноп, т.е. сноп, чийто лъчи са успоредни. Такова състояние на светлината имаме, когато тя се излъчва от много отдалечен светоизточник с малки ъглови размери, поради които той може да се приеме за точков. За целта е много удобно да се ползва светлина от далечни лампи, избрани сред нощните градски светлини. Със задоволителна точност можете да приемете светлината за успореден сноп, ако тя е излъчена от лампа, отдалечена от вас на няколкостотин метра. Разбира се, това означава насочване на тествания прибор през отворен прозорец навън - един много рационален метод.

      Понякога е допустимо да се използва светлина от далечни светоизточници, имащи някакви видими размери. Така можете да ползвате Слънцето, чийто видим диаметър е около 0.5°, когато например определяте фокусното разстояние на тънка събирателна леща.
      При решаването на много задачи се налага един прибор да бъде предварително фокусиран по отдалечени обекти или както казват фотографите - "фокусиран на безкрайност". Освен по нощните светлини, това може да стане и денем по обекти близки до хоризонта - далечни сгради, дървета, комини и пр.

      Сега е време да се замислим върху една особеност: при някои измервания е възможно да се ползва образа на далечен обект с произволни видими размери, а при други - строго се изисква само отдалечен точков светоизточник! Каква е разликатаω
      По принцип, щом виждаме някакъв далечен обект, значи до нас достига светлина, излъчена или отразена от всички точки от неговата повърхност - от тази, обърната към нас. Светлината от всяка една точка е във вид на почти успореден сноп лъчи, но ако обектът е с видими ъглови размери, то сноповете от различните му повърхностни точки идват до нас под различни ъгли един спрямо друг!
      На двете фигури по-долу е показан пример с измерване на изходния отвор на далекогледна тръба с обърнат образ /тръба на Кеплер/, когато е недопустимо тя да бъде насочена към излъчващ обект с непренебрежимо големи ъглови размери.

      В обектива на тръбата попада успореден светлинен сноп, излъчен от далечен точков светоизточник. Неговият действителен образ се проектира във фокуса F. Ако тръбата е фокусирана по далечния обект, светлинния сноп, напускащ окуляра, ще е успореден и върху екрана ще се види осветена кръгла област с диаметър D₁. Това е диаметърът на изходния светлинен сноп /на изходния отвор или "изходната зеница"/.

      Тук тръбата е насочена към далечен обект с видими ъглови размери a. Под този ъгъл един спрямо друг в обектива попадат два успоредни светлинни снопа a и b, излъчени от две противоположни точки от видимата повърхност на обекта A-B /той остава извън обхвата на рисунката - далеч в ляво/. Обърнатият действителен образ A'-B' на обекта се построява във фокалната равнина на обектива.
      Светлинните снопове a' и b', напускащи окуляра, са успоредни, но един спрямо друг са разходящи - техните лъчи се пресичат! Затова осветената област върху екрана с размери D₂ няма да отразява реалния изходен отвор на прибора - размерът D₂ е по-голям от собствения диаметър на всеки един от сноповете a' и b'. Всъщност, формата на светлата област върху екрана /на светлото петно/ зависи от формата на далечния обект - тя е неговия разфокусиран образ.

      Има начин да симулирате светлина излъчена от далечен светоизточник и в лабораторни условия. Необходимо ви е едно устройство, което при добро желание можете да си конструирате сами. Това е колиматорната тръба или по-кратко - колиматорът.

      Колиматор можете да си конструирате от две тънкостенни метални или пластмасови тръби, които влизат точно една в друга с приплъзване. В края на тръбата с по-големия диаметър монтирайте обектив-ахромат с фокусно разстояние между 150 и 300mm, желателно с по-голям диаметър - 30 до 50mm. За такъв е удобно да ползвате обектив от повреден бинокъл или далекогледна тръба. В края на другата тръба залепете челно непрозрачна преграда от картон или друг тънък материал, в който е пробит малък отвор или с фино острие е прорязан тесен процеп с дължина 1 - 2 см. Центрирайте отвора или процепа, като гледате през другия край на тръбата - оста й трябва да минава максимално близо до него. Можете да предвидите възможност лесно да заменяте преградата с друга, с различен по диаметър отвор.

      Фокусирането на колиматора става както е показано на фигурата по-долу - с помощта на контролна зрителна тръба, прредварително фокусирана по далечни обекти. Добре е ако процепът или отворът на колиматора е осветен с по-мощен светоизточник - например с кондензорна оптика на прожекционен апарат.

      Контролната тръба е предварително фокусирана по далечни обекти. На известно разстояние пред нея е поставен колиматора. Двата прибора са центрирани по една оптична ос, чрез настройка на височините на стативите им. Процепът на колиматора се осветява от лампа. С приплъзване на подвижната тръба носеща обектива, спрямо неподвижната, колиматора се фокусира, докато наблюдателят види в окуляра на контролната тръба ясния образ на процепа.
      На преградата във фокалната равнина на колиматора вместо процеп може да бъде пробит по-голям отвор с диаметър около 2 - 3 mm, зад който е поставено матово стъкло. В този случай наблюдателят ще види в контролната тръба увеличения и ясно фокусиран образ на отвора.

      Не е необходимо контролната зрителна тръба да е скъп фабричен прибор. Можете да ползвате проста Кеплерова тръба с обърнат образ /само с обектив и окуляр/. За целта е подходящ и малък телескоп-рефрактор със собствената му тринога, някакъв далекоглед или тръба-търсач, свалена от по-голям телескоп. Увеличението на тръбата не е толкова от значение, но нека да е примерно между 7 и 15 пъти.

      Можете бързо да настроите колиматора по-грубо, като фокусирате образа на процепа върху най-отдалечената стена в стаята или по-добре - върху стена в края на дълъг коридор нощем или при затъмнени прозорци.
      Една добра идея е вместо да конструирате колиматор, да ползвате фотографски телеобектив, на който са монтирани удължителни гривни за макроснимки, с обща дължина до мястото на фокалната равнина на обектива (т.е. колкото е дължината на работния му отрязък - например 45.5mm за обективите на резба М42х1). На последната гривна отзад можете челно да залепите преградата с процепа. Така ще имате следните предимства:

• Телеобективът при всички случаи е с по-качествена оптика.
  
• Имате възможност да фокусирате прецизно чрез скалата за разстоянието.
  
• Имате възможност да монтирате телеобектива стабилно върху фотографски статив, чрез съответния винт и гнездо за закрепяне.
  
• И една екстра - разполагате с бленда, която в повечето случаи няма да ви трябва и ще я държите максимално отворена. Чрез блендата обаче можете да регулирате диаметъра на изходния сноп лъчи!

      Показана е употребата на колиматор в най-общия случай. Тествания прибор /в случая фотографски обектив/ е поставен съосно пред настроения колиматор. Ако екранът е отдалечен от фотообектива на разстояние, равно на фокусното му, образът на процепа ще се види ясно фокусиран върху него.
      Разбира се това не е единствената възможна постановка за използването на колиматор. Видът на стенда изцяло зависи от задачата, която ще се решава.

      На фигурата по-горе е показан примерен метод за употребата на колиматор. Този ценен контролен прибор може да влезе в схемата на много стендове при решаването на различни задачи, както демонстрационни, така и чисто практически. Във втора част на статията са описани конкретни методи за измерване на различни оптични параметри, в някои от които колиматорът може да бъде ценен помощник.

      При подреждането на стенд за тестване на оптика и по-късно при самите измервания, може да ви се наложи да проследите пътя на светлината между отделни оптични елемента или да контролирате фокусировката на някакво изображение между две оптични системи. Тогава екранът на стената няма да ви бъде от полза! Ще ви е необходимо матово стъкло, с което лесно ще виждате диаметъра на проследявания светлинен сноп или удобно ще преценявате остротата на оптично построен /действителен/ образ. Представете си, че настройвате скалата за разстоянието на току-що ремонтиран фотообектив, като сте поставили матово стъкло на мястото на филма във фотоапарата и наблюдавате остротата на образа върху него. Тогава вероятно ще потърсите възможност да разглеждате образа върху стъклото под увеличение, за да сте по-уверени в работата си!
      На фигурата по-долу са показани три много полезни устройства, позволяващи наблюдаване на образа върху матираната повърхност на стъклото под увеличение.

      1 - върху гладката повърхност на матово стъкло е залепен тубус, в който е поставена събирателна леща с пречупваща сила 12 - 15 диоптъра и диаметър около 30mm. Разстоянието между лещата и матовото стъкло се регулира така, че наблюдателят да вижда ясно и под увеличение грапавините на предната матирана повърхност като през лупа. Поради по-големите си габарити и неголямата пречупваща сила на лещата, това устройство е подходящо за бърза и по-груба преценка на остротата на оптично построен образ.
      2 - устройство за настройка на фотообективи или на оптиката на визьори на огледално-рефлексни фотоапарати /виж фигурата по-долу/. Идеята е като при първото устройство, но тук единичната леща е заменена с мощен и качествен окуляр, с фокусно разстояние около 15mm. Добре е ако окулярът има собствен винт за фокусиране. Размерите на матовото стъкло са такива, че то да се побира в канала на филма на фотоапарата, като предната матирана повърхност ляга на паралелите, по които се плъзга филма.
      3 - устройство за особено прецизна настройка на фокуса на телеобективи, телескопи и др. прибори, към които е прикачен фотоапарат. Окулярът е заменен от зрителна тръба с оптика, наподобяваща тази на микроскоп, даващ увеличение около 40 - 60 пъти. Първата система лещи зад матовото стъкло играе ролята на микроскопски обектив - той препроектира действителния образ от матовото стъкло във фокуса F с няколкократно увеличение. Окулярът в края на тръбата увеличава допълнително образа. Фокусировката става чрез приближаване/отдалечаване на цялата зрителна тръба спрямо матовото стъкло или чрез придвижване на окуляра спрямо обектива. Необходимо е тествания прибор, в чиято фокала се поставя това устройство, да е стабилно закрепен на статив, тъй като при тези увеличения всякакви неволни докосвания са причина за смущаващо работата трептене на образа.

      Показан е ходът на светлината в огледално-рефлексен фотоапарат. Ако подвижното огледало 2 е в нормално положение /указано със светлосин пунктир/, преминалата през фотообектива 1 светлина, идваща от даден обект, се отразява от огледалото и се фокусира върху плоската повърхност на матираната леща 3, отразява се няколкократно в пентапризмата 4 с цел изправяне на обърнатия образ и напуска визьора през очната леща 5 във вид на успореден сноп лъчи.
      Ако оптиката на визьора е точно настроена, при добра фокусировка по обекта трябва да получим неговият ясен образ и във фокалата на камерата след вдигането на огледалото 2 и отварянето на затвора. Това може да се провери чрез показаното в горната фигура оптично устройство, което се поставя в канала на филма. Необходимо е само да се провери дали след фокусировка във визьора, образът е добре фокусиран и върху матовото стъкло на устройството. Ако не е, могат да се направят съответните настройки на оптиката на визьора.

      Аналогично може да се провери точността на скалата за разстоянието на даден фотообектив, независимо с какъв фотоапарат работим. Ако извършваме теста по обект, отдалечен да кажем на 5 метра от нас, то би трябвало да виждаме неговият образ най-ясно фокусиран върху матовото стъкло на устройството при стойност 5м по метричната скала на обектива (в това време затворът на камерата е отворен и задържан на "В" или "Т"). Ако това не е така, могат да се извършат съответните настройки на фотообектива. Препоръчително е при тези тестове да се ползва контрастен обект, например жичка на светеща електрическа лампа, поставена пред тъмен фон или достатъчно отдалечена от бели стени. Задължително е тестваният фотоапарат да бъде монтиран на стабилна тринога с височина, позволяваща удобна работа.

      С последното от трите устройства показани в по-горната фигура, можете да постигнете такава прецизност, че да забележите неедновременното фокусиране на едва забележимо дисперсираните зелени и червени лъчи, пречупени през лещов телеобектив или телескоп-рефрактор с обектив-ахромат. При ахроматите жълтите и сините лъчи се събират в един фокус, но зелените и червените остават недобре коригирани. За да олесните работата си, препоръчително е пред обектива на настройвания прибор да поставите зелен или жълт светофилтър, с което ще постигнете оптимална настройка за средата на видимия спектър. С други думи, не е лошо да разполагате с набор от разноцветни светофилтри.

Вижте и следващите кратки статии, които са в пряка връзка с темата:

ЮСТИРАНЕ НА ОПТИЧНА СИСТЕМА
В общи линии - това което трябва да знаем при ремонт и настройка на оптични прибори. За някои прецизни фабрични настройки и за тези, които можем да си позволим да променяме;

ОСВЕТИТЕЛНА (КОНДЕНЗОРНА) ОПТИКА
Същност, цел и видове. Оптични схеми, параметри и някои методи за настройка;

АВТОКОЛИМАЦИЯ, АВТОКОЛИМИРАНЕ
Същност на понятието. Някои похвати за точно фокусиране на зрителни тръби чрез автоколимиране. Жичен кръст и мерителна мрежа на окуляр;

СВЕТЛИННИ МЕРКИ
Интензивност на излъчване от светоизточник (кандела), светлинен поток (лумен) и осветеност на повърхност (лукс). Яркост (или блясък) на светоизточник;

ПОЛЯРИЗАЦИЯ НА СВЕТЛИНАТА
Същност на явлението. За свойствата на някои материали да поляризират светлината. Закон на Брюстър. Въртене равнината на поляризацията - оптично активни вещества. Принцип на действие на уреди за изследване на тези свойства.