Vậy ống nhòm hoạt động như thế nào?
Trong hướng dẫn toàn diện này, tôi sẽ đề cập đến khoa học đằng sau cách quang học trong một cặp ống nhòm có thể thu thập ánh sáng và sau đó hiển thị cho bạn hình ảnh phóng đại của cảnh trước mắt bạn. Trong các bài viết sau, tôi cũng có kế hoạch đề cập đến các cơ chế chính đằng sau cách thức hoạt động của cơ chế lấy nét và chụp mắt và phạm vi các tùy chọn khác nhau có sẵn.
Theo cách này, tôi chắc chắn rằng khi kết thúc bài học, bạn sẽ hiểu cách ống nhòm hoạt động và do đó sẽ chuẩn bị tốt hơn nhiều khi chọn đúng thiết bị cho nhu cầu của mình và sau khi nhận được, bạn có thể thiết lập và sử dụng đúng cách để tận dụng tối đa lợi ích khi sử dụng. Chúng ta hãy bắt đầu:
Hai Kính Viễn Vọng
Ở dạng đơn giản nhất, một bộ ống nhòm về cơ bản được tạo thành từ hai kính thiên văn đặt cạnh nhau. Vì vậy, để bắt đầu và làm cho mọi thứ đơn giản hơn một chút, chúng ta hãy cắt ống nhòm của mình thành hai nửa và trước tiên hãy tìm hiểu cách kính thiên văn hoạt động và sau đó chúng ta sẽ lắp lại chúng vào cuối:
Thấu kính, Ánh sáng và Khúc xạ
Về cơ bản, ống nhòm hoạt động và phóng to hình ảnh bằng cách sử dụng thấu kính khiến ánh sáng thực hiện hiện tượng được gọi là khúc xạ:
Trong môi trường chân không, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng, nhưng khi đi qua các vật liệu khác nhau, tốc độ của ánh sáng sẽ thay đổi.
Vì vậy, khi ánh sáng đi qua một môi trường dày như thủy tinh hoặc nước, nó sẽ chậm lại. Điều này thường khiến sóng ánh sáng bị bẻ cong và sự bẻ cong ánh sáng này được gọi là khúc xạ. Khúc xạ ánh sáng là nguyên nhân khiến ống hút trông giống như bị bẻ cong khi ở trong một cốc nước. Nó cũng có nhiều mục đích hữu ích và chìa khóa là khả năng phóng đại những gì bạn đang nhìn thấy.
Ống kính
Thay vì chỉ sử dụng một tấm kính phẳng hoặc một khối kính đơn giản, các dụng cụ như kính thiên văn, ống nhòm và thậm chí cả kính đọc sách đều sử dụng thấu kính thủy tinh có hình dạng đặc biệt, thường được tạo thành từ một số thành phần thấu kính riêng lẻ có khả năng kiểm soát tốt hơn sự bẻ cong của sóng ánh sáng.
Ống kính vật kính
(phần gần nhất với vật bạn đang nhìn) trên ống nhòm có dạng lồi, nghĩa là phần giữa dày hơn phần ngoài. Được gọi là thấu kính hội tụ, thấu kính này bắt ánh sáng từ vật ở xa và sau đó thông qua hiện tượng khúc xạ, khiến ánh sáng bị bẻ cong và hội tụ lại (hội tụ) khi đi qua kính. Sau đó, sóng ánh sáng hội tụ tại một điểm phía sau thấu kính.
Ống kính thị kính
sau đó lấy ánh sáng tập trung này và phóng đại nó, rồi truyền vào mắt bạn.
Độ phóng đại
Đầu tiên ánh sáng đi từ vật thể và một hình ảnh thựcAđược tạo ra bởi thấu kính vật kính. Hình ảnh này sau đó được phóng đại bởi thấu kính thị kính và được xem như một hình ảnh ảoB. Kết quả là các vật thể được phóng to trông như thể chúng ở trước mặt bạn và gần hơn so với chủ thể.
6x, 7x, 8x, 10x hoặc nhiều hơn.
Lượng hình ảnh được phóng đại được xác định bằng tỷ số giữa tiêu cự của vật kính chia cho tiêu cự của thị kính.
Vì vậy, ví dụ, hệ số phóng đại là 8 sẽ tạo ra một hình ảnh ảo trông lớn hơn vật thể gấp 8 lần.
Độ phóng đại bạn cần phụ thuộc vào mục đích sử dụng và thường là sai lầm khi cho rằng công suất càng cao thì ống nhòm càng tốt vì độ phóng đại cao hơn cũng mang lại nhiều bất lợi. Để biết thêm thông tin, hãy xem bài viết này: Độ phóng đại, Độ ổn định, Trường nhìn & Độ sáng
Như bạn cũng có thể thấy trong sơ đồ trên, hình ảnh ảo bị đảo ngược. Dưới đây chúng ta sẽ xem xét lý do tại sao điều này xảy ra và cách khắc phục:
Hình ảnh lộn ngược
Thật tuyệt vời và câu chuyện có thể kết thúc ở đây nếu bạn chỉ đơn giản chế tạo một chiếc kính thiên văn phục vụ mục đích thiên văn học.
Trên thực tế, bạn có thể dễ dàng tạo ra một kính thiên văn đơn giản bằng cách lấy hai thấu kính và tách chúng ra bằng một ống kín. Thật vậy, đây chính là cách mà kính thiên văn đầu tiên được tạo ra.
Tuy nhiên, điều bạn sẽ nhận thấy khi nhìn qua nó là hình ảnh bạn nhìn thấy sẽ bị đảo ngược và phản chiếu. Điều này là do thấu kính lồi khiến ánh sáng đi qua khi nó hội tụ.
Trên thực tế, bạn có thể dễ dàng chứng minh điều này nếu bạn giơ một chiếc kính lúp ra xa khoảng một cánh tay và nhìn vào một số vật thể ở xa qua nó. Bạn sẽ thấy rằng hình ảnh sẽ bị lộn ngược và phản chiếu ngược.
Đối với việc nhìn vào các ngôi sao xa xôi, đây không thực sự là vấn đề và thực tế là nhiều kính thiên văn thiên văn tạo ra hình ảnh không được chỉnh lưu, nhưng đối với mục đích sử dụng trên mặt đất, đây là vấn đề. May mắn thay, có một số giải pháp:
Chỉnh sửa hình ảnh
Đối với ống nhòm và hầu hết các kính thiên văn trên mặt đất (ống ngắm), có hai cách chính để thực hiện việc này, bằng cách sử dụng thấu kính lõm làm thị kính hoặc hình ảnh dựng trên lăng kính:
Quang học Galileo
Được sử dụng trong kính thiên văn do Galileo Galilei phát minh vào thế kỷ 17, Quang học Galilean sử dụng thấu kính vật kính lồi theo cách thông thường, nhưng thay đổi thành hệ thống thấu kính lõm cho thị kính.
Còn được gọi là thấu kính phân kỳ, thấu kính lõm làm cho các tia sáng phân tán (phân kỳ). Vì vậy, nếu được đặt ở khoảng cách chính xác so với thấu kính vật kính lồi, nó có thể ngăn ánh sáng đi qua và do đó ngăn hình ảnh bị đảo ngược.
Chi phí thấp và dễ thực hiện, hệ thống này vẫn được sử dụng trên ống nhòm Opera và Nhà hát cho đến ngày nay.
Tuy nhiên, nhược điểm là khó có thể đạt được độ phóng đại cao, trường nhìn khá hẹp và hình ảnh bị mờ ở các cạnh.
Vì những lý do này mà hầu hết các mục đích sử dụng hệ thống lăng kính được coi là giải pháp thay thế tốt hơn:
Quang học Kepler với Lăng kính
Không giống như hệ thống quang học Galilean sử dụng thấu kính lõm ở thị kính, hệ thống quang học Kepler sử dụng thấu kính lồi cho cả vật kính và thị kính và thường được coi là cải tiến so với thiết kế của Galileo.
Tuy nhiên, hình ảnh vẫn cần được hiệu chỉnh và điều này được thực hiện bằng cách sử dụng lăng kính:
Sửa hình ảnh đảo ngược
Hoạt động giống như một tấm gương, hầu hết ống nhòm hiện đại đều sử dụng lăng kính dựng đứng phản chiếu ánh sáng và do đó thay đổi hướng, hiệu chỉnh hình ảnh.
Trong khi một chiếc gương thông thường rất lý tưởng để bạn ngắm mình vào buổi sáng thì ống nhòm sẽ không có tác dụng gì nếu ánh sáng chỉ phản xạ 180 độ và trở lại nơi nó đến vì khi đó bạn sẽ không bao giờ có thể nhìn thấy hình ảnh.
Lăng kính Porro
Vấn đề này lần đầu tiên được giải quyết bằng cách sử dụng một cặp lăng kính Porro. Được đặt theo tên của nhà phát minh người Ý Ignazio Porro, một lăng kính Porro đơn, giống như một tấm gương, cũng phản xạ ánh sáng 180 độ và ngược lại theo hướng mà nó đến, nhưng nó song song với ánh sáng tới chứ không phải theo cùng một đường thẳng.
Điều này thực sự hữu ích vì nó cho phép bạn đặt hai lăng kính Porro vuông góc với nhau, điều này có nghĩa là bạn có thể phản chiếu ánh sáng để không chỉ định hướng lại hình ảnh bị đảo ngược mà còn cho phép nó tiếp tục theo cùng một hướng và hướng tới thị kính.
Trên thực tế, chính hai lăng kính Porro được đặt vuông góc này tạo cho ống nhòm hình dạng truyền thống, mang tính biểu tượng và đó là lý do tại sao thị kính của chúng gần nhau hơn so với vật kính.
Lăng kính mái
Ngoài lăng kính Porro, còn có một số thiết kế khác, mỗi thiết kế đều có những ưu điểm riêng.
Hai trong số đó, lăng kính Abbe-Koenig và lăng kính Schmidt-Pechan là các loại lăng kính mái hiện được sử dụng phổ biến trong ống nhòm.
Trong số này, lăng kính Schmidt-Pechan phổ biến nhất vì nó cho phép các nhà sản xuất tạo ra ống nhòm nhỏ gọn hơn, mỏng hơn với thị kính thẳng hàng với vật kính. Nhược điểm là chúng cần một số lớp phủ đặc biệt để đạt được phản xạ toàn phần và loại bỏ hiện tượng được gọi là dịch pha.
Tại sao ống nhòm ngắn hơn kính thiên văn
Lợi ích thứ hai khi sử dụng lăng kính là do ánh sáng bị đảo ngược hai lần khi đi qua lăng kính và phản xạ trở lại nên khoảng cách ánh sáng di chuyển trong không gian đó sẽ tăng lên.
Do đó, chiều dài tổng thể của ống nhòm có thể được rút ngắn vì khoảng cách cần thiết giữa vật kính và thị kính cũng được giảm xuống và đây là lý do tại sao ống nhòm ngắn hơn kính thiên văn khúc xạ có cùng độ phóng đại vì chúng không có lăng kính.