第321章 世纪简易望远镜制作-《宇宙地球人类三篇》

  简易折射式望远镜(开普勒式):

  以下是 简易折射式望远镜(开普勒式) 的详细制作教程,从原理到步骤逐一拆解,确保用最低成本完成可用的观测工具。

  注意:不要拆好的物品,小心精神攻击

  一、原理与结构

  开普勒式望远镜:由两片凸透镜(物镜 目镜)组成,光线折射后形成倒立放大像,适合天文观测(倒像不影响观星)。

  关键参数:

  放大倍率 = 物镜焦距 ÷ 目镜焦距(例:物镜50cm、目镜5cm → 10倍)。

  分辨率:取决于物镜口径(越大成像越亮,但手工制作通常5~10cm足够)。

  二、材料清单

  | 部件 | 替代方案(低成本) | 建议参数 |

  | 物镜 | 老花镜片( 1.0~ 2.0屈光度)、放大镜 | 直径5~10cm,焦距30~50cm |

  | 目镜 | 显微镜目镜、小放大镜、相机镜头中的小凸透镜 | 焦距2~5cm |

  | 镜筒 | pVc水管、保鲜膜筒、硬纸卷(内壁涂黑) | 物镜筒长≈物镜焦距 |

  | 支架 | 三脚架(旧相机架)、木棍 夹子固定 | 保持稳定 |

  | 辅助工具 | 胶带、黑卡纸(遮光)、剪刀、尺子 | — |

  三、详细制作步骤

  1. 物镜部分

  选择镜片:老花镜片(建议 1.0d,焦距≈100cm)或大号放大镜。

  若镜片焦距过长(如100cm),可截断镜筒,但需保证光线充分汇聚。

  固定物镜:

  1. 将镜片用胶带固定在长筒(如pVc管)一端。

  2. 遮光处理:在镜片周围贴一圈黑卡纸,减少杂散光。

  2. 目镜部分

  选择镜片:小凸透镜(如儿童显微镜目镜或拆自激光笔的透镜)。

  焦距越短,放大倍率越高(但视野越窄)。

  固定目镜:

  1. 将小镜片固定在短筒(直径略小于物镜筒)的一端。

  2. 短筒需能滑动插入物镜筒内(方便调焦)。

  3. 镜筒组装

  总长度:物镜筒 目镜筒 ≈ 物镜焦距(如物镜焦距50cm,筒长45cm 5cm)。

  内部消光:

  用黑色亚光纸包裹镜筒内壁。

  在镜筒内加装1~2个光阑(带孔纸板),减少内部反射。

  4. 调焦系统

  简易方案:手动滑动目镜筒,找到清晰像面。

  进阶方案:

  用螺纹pVc管旋转调焦。

  加装橡皮筋增加摩擦力防滑。

  5. 支架制作

  手持式:直接握持镜筒(需保持稳定)。

  三脚架:

  1. 在物镜筒中部钻孔,用螺栓固定到三脚架上。

  2. 或用衣架改造成L型支架。

  四、校准与使用

  1. 初步调试:

  对准远处物体(如100米外窗户),滑动目镜筒直到成像清晰。

  若像模糊,检查镜片是否共轴(所有透镜中心在一条直线上)。

  2. 倍率验证:

  观测已知大小的物体(如远处广告牌),通过成像大小计算实际倍率。

  3. 天文观测:

  对准月亮,调整焦距观察环形山(建议夜间操作)。

  警告:切勿直接观测太阳!需加装巴德膜滤光片。

  五、常见问题解决

  | 问题 | 原因 | 解决方法 |

  | 成像模糊 | 镜片未共轴 | 重新对齐物镜和目镜中心 |

  | 视野过暗 | 物镜口径太小 | 换更大镜片或增加观测环境亮度 |

  | 出现彩色边缘(色差)| 单透镜固有缺陷 | 使用双胶合透镜(进阶方案) |

  | 调焦困难 | 镜筒滑动不畅 | 加橡皮筋或螺纹调焦机构 |

  六、进阶改进

  1. 提升光学质量:

  网购消色差双合透镜(AchRomAtIc LENS)替代老花镜片。

  增加调焦螺旋(如旧相机镜头零件)。

  2. 增加功能:

  加装手机支架,拍摄月球照片。

  安装寻星镜(用激光笔改装)。

  3. 美化设计:

  用喷漆装饰镜筒,3d打印精密部件。

  七、安全注意事项

  勿用望远镜直接观测太阳,可能导致永久性眼损伤!

  儿童制作需成人陪同,避免划伤或误吞小零件。

  镜片保持清洁,避免指纹和灰尘影响成像。

  八、所需公式(理论计算)

  放大倍率: m = \\frac{f_{\\text{物镜}}}{f_{\\text{目镜}}}

  焦距测量:将透镜对准月亮,测量光斑最小距离≈焦距。

  视场估算: \\text{视场角} \\approx \\frac{\\text{目镜直径}}{f_{\\text{物镜}}} \\times 57.3^\\circ

  通过以上步骤,你可以制作出一个10~20倍的简易天文望远镜,成本不足50元。虽然无法媲美专业设备,但足以清晰看到木星卫星或土星光环(需天气极佳时尝试)!

  双筒望远镜(伽利略式):

  制作 简易双筒望远镜(伽利略式) 比单筒更复杂,但能提供正立像,适合观鸟或地面观测。以下是详细步骤和关键细节,确保低成本、易操作。

  一、伽利略式双筒望远镜原理

  结构:每只镜筒由 1片凸透镜(物镜) 1片凹透镜(目镜) 组成。

  优点:直接生成正立像,无需棱镜转向,结构简单。

  缺点:倍率较低(通常≤5倍),视野较窄。

  二、材料清单(单只镜筒)

  | 部件 | 替代方案(低成本) | 关键参数 |

  | 物镜 | 老花镜片( 1.0~ 1.5屈光度) | 直径3~5cm,焦距30~50cm |

  | 目镜 | 近视镜片(3.0~5.0屈光度,旧眼镜拆取) | 直径2~3cm,焦距5~10cm|

  | 镜筒 | 硬纸卷、pVc细管(如直径4cm) | 长度≈物镜焦距目镜焦距 |

  | 连接支架 | 木衣架、硬纸板折叠、热熔胶 | 需可调节瞳距(5~7cm) |

  | 辅助工具 | 胶枪、黑胶带、剪刀、尺子

  三、详细制作步骤

  1. 单只镜筒制作

  1. 固定物镜:

  将凸透镜(老花镜片)用热熔胶固定在长筒一端。

  镜片需完全垂直于筒轴(避免像倾斜)。

  2. 固定目镜:

  凹透镜(近视镜片)固定在短筒一端,短筒插入长筒内。

  镜片间距公式: d = f_{\\text{物镜}} f_{\\text{目镜}}

  (例:物镜焦距40cm,目镜焦距5cm → 间距35cm)

  3. 遮光处理:

  镜筒内壁贴黑色无光纸,减少杂散光。

  物镜端加遮光罩(用硬纸卷成喇叭形)。

  2. 双筒组装与对齐

  1. 连接两只镜筒:

  用木衣架或硬纸板折叠成形支架,固定两镜筒。

  关键:确保两镜筒完全平行(可用激光笔辅助校准)。

  2. 调节瞳距:

  支架中部设计可滑动结构(如插槽 螺丝固定),适应不同使用者。

  成人瞳距通常5.5~7cm,儿童4~5cm。

  3. 调焦系统(可选)

  简易方案:手动前后滑动目镜筒调焦。

  进阶方案:

  在目镜筒加螺纹(如pVc管车螺纹),旋转调焦。

  用橡皮筋增加滑动摩擦力防抖。

  四、调试与优化

  1. 成像测试:

  对准远处文字,调整目镜位置直到正立像清晰。

  若像模糊或变形,检查:

  镜片是否共轴(中心对齐)。

  凹透镜是否装反(凹面应朝向眼睛)。

  2. 倍率估算:

  m = \\frac{f_{\\text{物镜}}}{|f_{\\text{目镜}}|}

  (例:物镜40cm ÷ 目镜5cm = 8倍,实际因简易设计会低于理论值)

  3. 视野扩大:

  增大物镜口径(但需更重材料支撑)。

  缩短目镜焦距(可能增加色差)。

  五、常见问题解决

  | 问题 | 原因 | 解决方法 |

  | 成像重影 | 两镜筒不平行 | 重新校准支架,用激光笔辅助 |

  | 单眼清晰另一眼模糊 | 瞳距或焦距未匹配 | 独立调节单侧目镜位置 |

  | 像边缘严重畸变 | 凹透镜质量差 | 更换更平整的近视镜片 |

  | 手持抖动严重 | 镜筒过轻 | 底部加配重(如粘贴硬币) |

  六、进阶改进

  1. 提升光学质量:

  用消色差透镜组合(网购胶合透镜)替代老花镜片。

  目镜改用凯尔纳目镜(三片式结构,减少像差)。

  2. 人体工学设计:

  3d打印贴合脸型的眼罩。

  增加防滑橡胶握把。

  3. 防水版本:

  用防水pVc管,镜片接缝处涂硅胶密封。

  七、注意事项

  安全第一:切割镜筒时当心划伤,儿童操作需成人监督。

  避免直视太阳:即使低倍率也可能损伤视网膜!

  材料替代:

  物镜可用相机镜头中的平凸透镜(焦距更短)。

  支架可用旧双筒望远镜的骨架改造。

  八、理论参考

  光路公式:

  \\frac{1}{f_{\\text{物镜}}} \\frac{1}{f_{\\text{目镜}}} = \\frac{1}{d}

  视场计算:

  视场角 ≈ 目镜直径 \/ 物镜焦距 x 57.3°

  (例:目镜2cm ÷ 物镜40cm x 57.3° ≈ 2.9°)

  通过以上步骤,你可以制作出 3~5倍 的简易双筒望远镜,成本不足20元(若利用废旧材料)。虽然无法与商业产品媲美,但能清晰观测百米外的景物,体验光学的乐趣!

  水望远镜:

  以下是 简易水望远镜(water Lens telescope) 的详细制作教程,利用水的折射原理制作低成本透镜,适合科学实验或户外探索,材料易得且安全。

  一、材料准备

  | 部件 | 替代方案(低成本\/废弃材料) |

  | 水透镜 | 透明塑料袋、气球、透明塑料瓶 |

  | 镜筒 | pVc管、硬纸筒、塑料瓶(剪裁) |

  | 支架 | 木棍、衣架、硬纸板折叠 |

  | 密封材料 | 橡皮筋、热熔胶、防水胶带 |

  | 工具 | 剪刀、水龙头或水杯(注水用)、尺子、马克笔 |

  二、制作步骤(附关键示意图)

  1. 制作水透镜(核心部件)

  方案A:塑料袋水透镜(简易版)

  1. 将透明塑料袋剪成圆形(直径8~15cm),双层叠放。

  2. 边缘用橡皮筋扎紧,留一个小口。

  3. 用水杯缓慢注水,直到形成凸透镜形状(类似放大镜)。

  4. 密封注水口,确保无漏水。

  方案b:气球水透镜(高透光版)

  1. 吹一个气球,表面涂抹洗洁精(减少水膜表面张力)。

  2. 将气球轻轻压入水中,形成水膜。

  3. 缓慢放气,使水膜形成一个透明凸面。

  4. 用橡皮筋固定气球口,防止漏水。

  方案c:塑料瓶水透镜(持久耐用)

  1. 剪下塑料瓶的弧形部分(如可乐瓶底部)。

  2. 注满水后,用另一片弧形塑料盖住,边缘用热熔胶密封。

  3. 可调节水量控制焦距(水越多,焦距越短)。

  2. 组装望远镜

  单筒水望远镜(伽利略式)

  1. 物镜:使用水透镜(凸透镜,焦距约20~50cm)。

  2. 目镜:小凹透镜(近视镜片)或另一片水透镜(调节焦距)。

  3. 镜筒:用pVc管或硬纸筒固定物镜和目镜,确保同轴。

  4. 调焦:滑动目镜筒或调节水量改变透镜焦距。

  双筒水望远镜(进阶版)

  1. 制作两个相同的水透镜单筒。

  2. 用木衣架或硬纸板做支架,调节瞳距(5~7cm)。

  3. 测试双眼成像是否重合(需严格平行校准)。

  三、光学调试与优化

  1. 焦距测试

  阳光聚焦法:

  将水透镜对准阳光,测量焦点到透镜的距离(即焦距)。

  水量越多 → 透镜越凸 → 焦距越短。

  水袋直径越大 → 聚光能力越强。

  2. 放大倍率计算

  公式:

  m = \\frac{f_{\\text{物镜}}}{f_{\\text{目镜}}}

  例:物镜焦距40cm ÷ 目镜焦距5cm = 8倍放大(理论值)。

  3. 常见问题解决

  | 问题 | 原因 | 解决方法 |

  | 成像模糊 | 水透镜表面不平 | 换用更光滑的材料(如气球) |

  | 图像抖动 | 水袋未固定稳 | 用胶带加固边缘 |

  | 视野过暗 | 水透镜透光率低 | 减少水层厚度或改用纯净水 |

  | 漏水 | 密封不严 | 热熔胶 防水胶带双重密封 |

  四、应用场景

  1. 儿童科学实验:演示光的折射,理解透镜原理。

  2. 户外临时观测:露营时观察远处景物(需稳定支架)。

  3. 低成本天文启蒙:观测月亮轮廓(建议夜间使用)。

  五、安全注意事项

  禁止直视太阳!即使水透镜倍率低,也可能聚焦阳光灼伤眼睛。

  使用纯净水或凉开水,避免滋生藻类影响透光。

  儿童操作时需成人监督,防止误吞小零件。

  六、进阶改进

  消色差水透镜:叠加不同颜色的水层(如蓝 红)减少色差。

  可调焦设计:用注射器连接水袋,动态调节水量改变焦距。

  防水支架:用pVc管 硅胶密封,适合雨天户外使用。

  最终效果

  放大倍率:约3~8倍(取决于水透镜质量)。

  成像特点:正立虚像(伽利略式),边缘有色差但成本极低。

  制作时间:30分钟~1小时(适合课堂或家庭dIY)。

  通过这个方案,你可以用 不到10元 的成本制作一个可用的水望远镜,既能学习光学知识,又能体验动手乐趣!

  豪华级望远镜:

  如果你想制作一台 豪华级望远镜(相比之前的简易版本),可以提升材料品质、光学性能和外观设计,使其更接近专业观测设备。以下是 详细制作方案,适合天文爱好者或追求更高观测体验的dIY玩家。

  豪华望远镜制作指南

  核心特点

  高精度光学镜片(非球面\/消色差)

  坚固可调节支架(铝合金\/碳纤维)

  专业调焦系统(无齿调焦座)

  模块化设计(可更换目镜、滤镜)

  高级外观(皮质包裹\/星空涂装)

  材料清单(高端版)

  | 部件 | 推荐型号\/材质

  | 主镜(物镜) | mm 消色差双分离透镜

  | 调焦座 | 2英寸无齿调焦(带360°旋转)

  | 镜筒 | 碳纤维管\/铝合金筒(阳极氧化)

  | 目镜组 | pl?ssl 或广角目镜(10mm\/25mm)

  | 三脚架 | 液压云台或Eq3赤道仪

  | 配件 | 寻星镜、巴德膜(太阳滤镜)

  | 装饰 | 真皮包裹\/哑光喷漆

  制作步骤(专业级流程)

  1. 光学系统组装

  (1)主镜安装

  选择 短焦比(F\/5~F\/7) 的消色差物镜,减少色差。

  用镜座固定物镜,确保光轴居中(需激光校准器辅助)。

  镜筒内部贴消光绒布,减少杂散光。

  (2)调焦系统

  安装 无齿调焦座,确保顺滑无回弹。

  搭配2英寸转1.25英寸接口,兼容不同目镜。

  (3)目镜选择

  低倍目镜(2532mm):用于巡天和观测星云。

  高倍目镜(610mm):观测行星细节(如木星条纹)。

  可增配 2x巴洛镜 进一步提升倍率。

  2. 镜筒与结构制作

  (1)镜筒材质

  碳纤维管:轻量化且抗变形(适合大口径镜片)。

  铝合金筒:强度高,可阳极氧化成星空色。

  (2)模块化设计

  镜筒分段式连接,方便运输(如前后截可拆卸)。

  预留配件接口(如相机转接环、电动调焦马达)。

  (3)散热优化

  镜筒尾部加装散热风扇(防止热空气扰动成像)。

  3. 支架系统

  (1)三脚架

  铝合金液压云台:稳定且阻尼顺滑。

  赤道仪(Eq3级以上):适合天文摄影跟踪。

  (2)便携性改进

  折叠式设计,搭配专用背包(内衬防震泡沫)。

  4. 外观与细节优化

  皮质包裹:镜筒握持部位包覆真皮,提升手感。

  星空涂装:哑光深空蓝 荧光星座图案(UV喷涂)。

  激光刻字:定制使用者姓名或星座符号。

  调试与校准

  1. 光轴校准

  使用激光校准器或 cheshire 目镜调整副镜角度。

  确保星点测试时无彗差或像散。

  2. 平衡调节

  赤道仪配重需与镜筒重心匹配,防止跟踪偏移。

  3. 实战测试

  夜间观测木星、土星环,检查成像锐度。

  白天测试远景,确认调焦无虚位。

  性能参数参考

  | 指标 | 入门豪华版 | 顶配专业版 |

  | 口径 | 80mm | 150mm |

  | 焦距 | 400mm (F\/5) | 900mm (F\/6) |

  | 极限星等 | 11等 | 13等 |

  | 分辨率 | 1.45角秒 | 0.77角秒 |

  | 总重量 | 5kg | 12kg |

  应用场景

  行星观测:清晰看到木星云带、土星环缝。

  深空天体:观测猎户座大星云(m42)、仙女座星系(m31)。

  天文摄影:搭配单反相机拍摄月面细节。

  注意事项

  禁止直视太阳!即使加装巴德膜也需谨慎操作。

  镜片清洁需用 无水酒精 超纤维布,避免划伤镀膜。

  长期存放需放干燥剂,防止镜片霉变。

  最终效果

  dIY成就感:100%定制化,从光学到外观均可自由设计。

  升级空间:后续可加装电跟、自动寻星系统。

  总结:

  制作简易望远镜是一个有趣且富有教育意义的项目,能帮助你理解光学原理。以下是几种常见望远镜的简易制作方法,包括折射式、反射式、伽利略式等,并附上材料清单和步骤详解。

  注意:不要拆好的物品,小心精神攻击

  1. 简易折射式望远镜(开普勒式)

  原理:利用凸透镜(物镜 目镜)折射光线,形成放大倒立的像。

  材料:

  物镜:老花镜片 (可旧眼镜拆取)( 1.0~ 2.0 屈光度)或放大镜(直径 5~10cm)

  目镜:小凸透镜(如显微镜目镜或焦距 2~5cm 的透镜)

  纸筒(如保鲜膜筒、pVc管)

  胶带、剪刀、黑色卡纸(减少杂光)

  制作步骤:

  1. 物镜端:将大凸透镜固定在长纸筒一端(物镜焦距约 25~50cm)。

  2. 目镜端:将小凸透镜固定在短纸筒一端(目镜焦距约 2~5cm)。

  3. 组合调试:

  将目镜筒插入物镜筒内,滑动调整两透镜距离,直到远处物体清晰成像。

  像为倒立(天文观测不影响,若需正像可加装棱镜或额外透镜)。

  4. 遮光处理:用黑色卡纸包裹镜筒内部,减少内部反光。

  效果:可观测月球环形山、木星卫星等明亮天体。

  2. 简易反射式望远镜(牛顿式)

  原理:利用凹面镜反射汇聚光线,再用平面镜转向目镜。

  材料:

  主镜:凹面镜(可从旧手电筒或汽车前灯拆取,或网购天文级抛物面镜)

  副镜:小平面镜(如化妆镜碎片)

  目镜:小凸透镜(同折射式)

  纸筒、pVc管、支架(如衣架改造)

  制作步骤:

  1. 主镜安装:将凹面镜固定在长筒底部,中心开小孔。

  2. 副镜调整:

  在筒侧壁 45° 安装小平面镜,将光线反射至目镜端。

  目镜筒与主镜筒成直角(需精确校准光轴)。

  3. 调焦:滑动目镜筒直到成像清晰。

  效果:适合观测深空天体(如星云),但制作难度较高。

  3. 简易伽利略望远镜(正像望远镜)

  原理:用凸透镜(物镜) 凹透镜(目镜)直接生成正像。

  材料:

  物镜:老花镜片(凸透镜)

  目镜:近视镜片(凹透镜,可从旧眼镜拆取)

  纸筒、胶水

  制作步骤:

  1. 物镜(凸透镜)固定在长筒前端,目镜(凹透镜)固定在短筒后端。

  2. 两镜间距 = 物镜焦距 目镜焦距(例如物镜 30cm,目镜 5cm,间距 25cm)。

  3. 直接观测时像为正立,但视野较窄。

  用途:适合观鸟或地面景物,倍数通常较低(3~5倍)。

  4. 简易折反射式望远镜(马卡苏托夫式)

  原理:结合透镜与球面镜缩小体积。

  简易替代方案:

  用凹面镜(主镜) 弯月形透镜(矫正像差,可用平凸透镜替代)

  光路复杂,适合进阶尝试。

  5. 双筒望远镜(伽利略式改造)

  材料:两个相同的凸透镜(物镜) 两个凹透镜(目镜),纸筒或塑料管。

  制作要点:

  左右镜筒需严格平行,透镜焦距匹配。

  通过调节瞳距(两目镜间距)适应不同使用者。

  6. 纸板望远镜(儿童趣味版)

  材料:两个放大镜(一大一小)、硬纸板卷成筒、胶带。

  步骤:

  1. 大放大镜(物镜)固定在长纸筒前端。

  2. 小放大镜(目镜)固定在短纸筒后端。

  3. 滑动调焦,适合观察公园景物。

  调试与校准技巧

  1. 光轴对齐:确保透镜\/镜片中心在同一直线上。

  2. 消杂光:镜筒内贴黑色无光纸,避免内部反射。

  3. 倍率计算:望远镜倍率 = 物镜焦距 \/ 目镜焦距(如 50cm ÷ 5cm = 10倍)。

  4. 分辨率限制:口径越大分辨率越高,但简易透镜易有色差。

  其他望远镜变体

  水望远镜:装满水的透明塑料瓶作透镜(折射率变化实验)。

  针孔望远镜:用小孔成像原理观测日食(需配合投影屏)。

  数码望远镜:手机摄像头 长焦镜头改装(需3d打印支架)。

  注意事项

  安全第一:勿用望远镜直接观测太阳,需加装巴德膜滤光片。

  材料升级:网购现成光学镜片(如消色差双合透镜)可大幅提升效果。

  误差容忍:手工制作精度有限,适合学习原理而非专业观测。

  通过以上方法,你可以用低成本材料制作出不同类型的望远镜,直观理解光学成像原理。进阶用户可尝试设计支架、调焦机构等提升稳定性!