Come funzionano i binocoli?
In questa guida completa, esaminerò la scienza alla base del modo in cui l'ottica di un binocolo è in grado di raccogliere la luce e quindi presentarti un'immagine ingrandita della vista di fronte a te. In articoli futuri, ho anche in programma di esaminare i principali meccanismi alla base del funzionamento della messa a fuoco e dei meccanismi dell'oculare e la gamma di diverse opzioni disponibili.
In questo modo, sono certo che alla fine capirete come funziona un binocolo e sarete quindi molto più preparati quando sceglierete lo strumento giusto per le vostre esigenze e poi, una volta arrivato, sarete in grado di impostarlo correttamente e di usarlo in modo da ottenere il massimo dal suo utilizzo. Cominciamo:
Due telescopi
Nella sua forma più semplice, un binocolo è essenzialmente composto da due telescopi affiancati. Quindi, per iniziare e per semplificare un po' le cose, tagliamo il nostro binocolo a metà e impariamo prima come funziona un telescopio e poi li ricomporremo alla fine:
Lenti, luce e rifrazione
Fondamentalmente, il modo in cui un binocolo funziona e ingrandisce una vista è tramite l'uso di lenti che fanno sì che la luce compia un'azione nota come rifrazione:
Nel vuoto dello spazio la luce viaggia in linea retta, ma cambia velocità quando attraversa diversi materiali.
Quindi, quando la luce passa attraverso un mezzo spesso come il vetro o l'acqua, rallenta. Questo in genere fa sì che le onde luminose si pieghino ed è questa curvatura della luce che viene chiamata rifrazione. La rifrazione della luce è ciò che fa sì che una cannuccia sembri piegata quando è in un bicchiere d'acqua. Ha anche molti scopi utili ed è la chiave per riuscire ad ingrandire ciò che stai guardando.
Lenti a contatto
Invece di utilizzare semplicemente una lastra piana o un blocco di vetro, strumenti come telescopi, binocoli e persino occhiali da lettura utilizzano lenti di vetro dalla forma speciale, spesso costituite da una serie di singoli elementi in grado di controllare meglio la curvatura delle onde luminose.
La lente dell'obiettivo
(quello più vicino all'oggetto che stai guardando) su un binocolo è di forma convessa, il che significa che il centro è più spesso dell'esterno. Noto come lente convergente, cattura la luce da un oggetto distante e poi attraverso la rifrazione, fa sì che la luce si pieghi e si unisca (converga) mentre passa attraverso il vetro. Le onde luminose si concentrano quindi in un punto dietro la lente.
La lente dell'oculare
poi prende questa luce focalizzata e la ingrandisce, per poi trasmetterla ai tuoi occhi.
Ingrandimento
Innanzitutto la luce viaggia dal soggetto e da un'immagine realeAè prodotto dalla lente dell'obiettivo. Questa immagine viene poi ingrandita da una lente dell'oculare e viene visualizzata come un'immagine virtualeBIl risultato è che gli oggetti ingranditi sembrano essere di fronte a te e più vicini del soggetto.
6x, 7x, 8, 10x o più.
L'ingrandimento dell'immagine è determinato dal rapporto tra la lunghezza focale dell'obiettivo e la lunghezza focale dell'oculare.
Ad esempio, un fattore di ingrandimento pari a 8 produrrà un'immagine virtuale che apparirà 8 volte più grande del soggetto.
La quantità di ingrandimento necessaria dipende dall'uso previsto e spesso è un errore supporre che maggiore è la potenza, migliore è il binocolo, poiché ingrandimenti maggiori comportano anche molti svantaggi. Per maggiori informazioni, dai un'occhiata a questo articolo: Ingrandimento, stabilità, campo visivo e luminosità
Come puoi vedere anche nel diagramma sopra, l'immagine virtuale è invertita. Di seguito daremo un'occhiata al perché ciò accade e a come viene rettificato:
Immagine capovolta
Questa è una cosa fantastica e la storia potrebbe finire qui se si sta semplicemente costruendo un telescopio per usi come l'astronomia.
Infatti, puoi realizzare facilmente un semplice telescopio prendendo due lenti e separandole con un tubo chiuso. In effetti, è più o meno così che è stato creato il primo telescopio in assoluto.
Tuttavia, ciò che noterete guardandoci attraverso è che l'immagine che vedete sarà capovolta e specchiata. Questo perché una lente convessa fa sì che la luce si incroci mentre converge.
Infatti, puoi dimostrarlo molto facilmente se tieni una lente di ingrandimento a circa la lunghezza di un braccio e guardi alcuni oggetti distanti attraverso di essa. Vedrai che l'immagine sarà capovolta e specchiata inversamente.
Per osservare stelle lontane, questo non è un vero problema e in effetti molti telescopi astronomici producono un'immagine non rettificata, ma per usi terrestri, questo è un problema. Fortunatamente ci sono alcune soluzioni:
Correzione dell'immagine
Per i binocoli e la maggior parte dei telescopi terrestri (cannocchiali) ci sono due modi principali per farlo, utilizzando una lente concava per l'oculare o un prisma di raddrizzamento dell'immagine:
Ottica galileiana
Utilizzata nei telescopi inventati da Galileo Galilei nel XVII secolo, l'ottica galileiana utilizza normalmente una lente obiettivo convessa, sostituendola però con un sistema di lenti concave per l'oculare.
Conosciuta anche come lente divergente, la lente concava fa sì che i raggi luminosi si diffondano (divergano). Quindi, se posizionata alla distanza corretta dalla lente convessa dell'obiettivo, può impedire alla luce di attraversare e quindi impedire che l'immagine si inverta.
Questo sistema, economico e facile da realizzare, è ancora oggi utilizzato nei binocoli da opera e da teatro.
Tuttavia gli svantaggi sono che è difficile ottenere un ingrandimento elevato, si ottiene un campo visivo piuttosto ristretto e si ottiene un elevato livello di sfocatura dell'immagine sui bordi.
Sono queste le ragioni per cui per la maggior parte degli utilizzi un sistema a prismi è considerato un'alternativa migliore:
Ottica Kepleriana con Prismi
A differenza dell'ottica galileiana che utilizza una lente concava nell'oculare, il sistema ottico kepleriano utilizza lenti convesse sia per gli obiettivi che per le lenti dell'oculare ed è generalmente considerato un miglioramento del progetto di Galileo.
Tuttavia l'immagine deve ancora essere corretta e ciò si ottiene con l'uso di un prisma:
Correggi l'immagine invertita
Funzionando come uno specchio, la maggior parte dei binocoli moderni utilizza prismi raddrizzatori che riflettono la luce e quindi modificano l'orientamento, correggendo l'immagine.
Mentre uno specchio standard è perfetto per guardarsi allo specchio al mattino, con un binocolo non sarebbe utile se la luce venisse semplicemente riflessa di 180 gradi e tornasse indietro, perché in tal caso non si riuscirebbe mai a vedere l'immagine.
Prismi di Porro
Questo problema è stato risolto per la prima volta utilizzando una coppia di prismi di Porro. Chiamati così in onore dell'inventore italiano Ignazio Porro, un singolo prisma di Porro, come uno specchio, riflette anche la luce di 180 gradi e indietro nella direzione da cui proviene, ma lo fa parallelamente alla luce incidente e non direttamente lungo lo stesso percorso.
Questo è davvero utile perché consente di posizionare due di questi prismi di Porro ad angolo retto l'uno rispetto all'altro, il che a sua volta significa che è possibile riflettere la luce in modo che non solo riorienti l'immagine invertita, ma le consenta anche di continuare nella stessa direzione e verso gli oculari.
Sono proprio questi due prismi di Porro disposti ad angolo retto a conferire al binocolo la sua forma tradizionale e iconica, ed è per questo che i suoi oculari sono più vicini tra loro rispetto alle lenti dell'obiettivo.
Prismi a tetto
Oltre al prisma di Porro, esistono molti altri progetti, ognuno con i suoi vantaggi esclusivi.
Due di questi, il prisma di Abbe-Koenig e il prisma di Schmidt-Pechan, sono tipi di prismi a tetto oggi comunemente utilizzati nei binocoli.
Tra questi, il prisma Schmidt-Pechan è il più comune perché consente ai produttori di realizzare un binocolo più compatto e sottile con gli oculari in linea con gli obiettivi. Lo svantaggio è che richiedono una serie di rivestimenti speciali per ottenere una riflessione interna totale ed eliminare un fenomeno noto come sfasamento.
Perché i binocoli sono più corti dei telescopi
Il secondo vantaggio derivante dall'utilizzo dei prismi è che, poiché la luce viene invertita due volte mentre attraversa il prisma e quindi torna indietro su se stessa, la distanza che percorre in quello spazio aumenta.
Pertanto, la lunghezza complessiva del binocolo può essere ridotta poiché si riduce anche la distanza richiesta tra le lenti dell'obiettivo e l'oculare; questo è il motivo per cui i binocoli sono più corti dei telescopi rifrattori con lo stesso ingrandimento, poiché non hanno un prisma.