Một số kiến thức quang học cơ bản

Thấu kính

Thấu kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa,...) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng.

Hình dạng và mặt phẳng chính của các thấu kính đơn giản

Phân loại thấu kính:

• Theo hình dạng: Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng), Thấu kính lõm (thấu kính rìa dày).
• Theo chức năng: Thấu kính hội tụ, thấu kính phân kỳ.

Tiêu điểm - Tiêu cự - Tiêu diện

Quang hình học của thấu kính mỏng đơn giản

Tiêu điểm

Khi chiếu tới thấu kính một chùm tia tới song song thì chùm tia ló cắt nhau (hội tụ) tại tiêu điểm ảnh của thấu kính.

Có 2 tiêu điểm nằm trên trục chính của thấu kính, mỗi tiêu điểm nằm trên 2 phía của thấu kính.

Trên trục chính: tiêu điểm ảnh chính F

Trên trục phụ: tiêu điểm ảnh phụ F(n) (n = 1, 2, 3,...)

Tiêu cự

Là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm chính của thấu kính (f).

Tiêu diện (mặt phẳng ảnh)

Là mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính sẽ nằm trên mặt phẳng này.

Cách dựng tia ló của 1 tia bất kỳ (dùng trục phụ).

Trường nhìn

Trường nhìn của thấu kính là độ rộng vùng không gian nhìn thấy được khi ta đặt mắt nhìn qua thấu kính (tính bằng độ).

Khúc xạ và phản xạ ánh sáng

• Khúc xạ là hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau.

• Phản xạ là hiện tượng ánh sáng khi truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng và quay trở lại môi trường mà nó đã tới.

Những đặc tính quang học của kính thiên văn

Mỗi kính thiên văn đều mang trên mình các đặc tính quang học riêng của nó, những tính chất này sẽ là tiêu chí để đánh giá 1 chiếc kính thiên văn có chất lượng. Vậy, những đặc tính đó là gì, chúng ta cùng tìm hiểu nhé!

Năng lực thấu quang. Độ phân giải (resolution)

Mắt chúng ta nhìn thấy mọi vật nhờ ánh sáng truyền từ vật vào mắt, ở những nơi ánh sáng yếu, vật ta nhìn sẽ không rõ hay những vật có màu tối thì chúng ta có thể không nhận ra. Như vật lượng ánh sáng nhiều hay ít quyết định đến khả năng nhìn rõ mọi vật cho mắt người. Vật kính của KTV có đường kính lớn hơn rất nhiều so với mắt người, do vậy, KTV có thể phát hiện được những vật thể xa xôi trong vũ trụ có độ sáng kém gấp trăm triệu lần so với mắt thường. Khả năng đó ta gọi là năng lực thấu quang (còn gọi là độ mở ống kính – Aperture- ký hiệu F).

F = f/D

(f là tiêu cự vật kính, D là đường kính vật kính).

KTV được bán thường được ký hiệu dưới dạng D f/F, ví dụ: 8” f/8 , nghĩa là kính có đường kính 8 inch, tiêu cự f = 8 x 8 = 64 inch...

Trong KTV, tăng lượng ánh sáng nhận từ vật sẽ làm tăng độ chi tiết hình ảnh của vật thể. Độ chi tiết đó gọi là độ phân giải của KTV

Độ phân giải góc tới hạn được tính bằng: θ = (1.22λ) / D (radian).

λ: Bước sóng ánh sáng.

D: Đường kính vật kính.

Vậy, khả năng phân giải của KTV hoàn toàn phụ thuộc vào đường kính vật kính. D càng lớn, góc phân giải được càng nhỏ, tức khả năng phân giải của kính càng cao.

Độ phóng đại

Nhắc đến KTV chúng ta thường nhắc đến độ phóng đại hình ảnh khi nhìn qua kính, nó quyết định đến khả năng nhìn “xa” của chiếc kính đó. Mỗi KTV bao gồm vật kính và thị kính. Đối với KTV khúc xạ ,ánh sáng của các vật thể ở xa vật kính đi qua nó và hội tụ tại tiêu diện ảnh (trong KTV phản xạ, ánh sáng không đi qua vật kính mà sẽ phản xạ khi gặp vật kính, ảnh của vật được tạo ra cũng nằm trên tiêu diện ảnh của vật kính đó). Khoảng cách từ vật kính tới tiêu diện gọi là tiêu cự của vật kính. Sau khi hội tụ nhờ vật kính, ánh sáng từ vật thể lại đi tiếp để rơi vào thị kính rồi tới mắt người quan sát.

Kích thước góc của ảnh trong KTV lớn hơn kích thước góc của thiên thể . Quan hệ giữa hai góc này là độ phóng đại (hay độ bội giác).

Công thức tính độ bội giác:

G = f1/f2

f1, f2: là tiêu cự của vật kính, thị kính.

Độ phóng đại hữu dụng:

Theo lý thuyết, ta có thể tăng độ phóng đại của KTV lên vô cùng, nhưng trên thực tế thì ta không làm được điều đó vì ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có mặt yêu tố độ phân giải đã nêu ở trên. Mỗi kính chỉ có thể đạt được 1 độ phóng đại tối đa mà khi nhìn vật thể, ta có thể phân biệt được những chi tiết của vật thể đó, nếu ta tăng độ phóng đại của kính thì ảnh sẽ không còn rõ nữa.

Công thức tính độ phóng đại hữu dụng:

Gmax = 2.D với D là đường kính vật kính tính theo mm.

Hoặc Gmax = 50.D với D là đường kính vật kính tính theo inch.

Hình ảnh mô phỏng khả năng phân giải của KTV.

Một kính viễn vọng 4-inch cung cấp độ phóng đại hữu dụng lên tới 200x. Và như vậy, một kính thiên văn 8-inch có độ phóng đại hữu dụng cao nhất là 400x. Nếu bạn đòi hỏi về một kính thiên văn có độ phóng đại cao hơn độ phóng đại hữu dụng thì bạn phải chấp nhận chất lượng hình ảnh thu được sẽ thấp.

Trường nhìn

Trường nhìn chính là vùng trời ta quan sát được qua kính thiên văn.

Để thiết lập công thức tính trường nhìn qua KTV, ta cần biết về trường nhìn biểu kiến của thị kính (Apparent field of view - AFV) . AFV là độ rộng vùng không gian nhìn thấy được khi ta đặt mắt nhìn qua thị kính (tính bằng độ). Mỗi loại thị kính có cấu tạo khác nhau nên sẽ cho những trường nhìn khác nhau: với thị kính kiểu Huyghen, AFV vào khoảng 25-35 độ, Kellner 40 độ, Ploss 50 độ...

Trường nhìn qua KTV gọi là trường nhìn thực (True field of view – FOV), tức là khoảng không gian nhìn thấy qua thị kính khi đã ráp vào KTV.

FOV = AFV/M (Độ)

FOV: Trường nhìn qua KTV (độ).

AFV: Trường nhìn biểu kiến của thị kính (độ).

M: Độ phóng đại của KTV.

Nhận xét

• Càng tăng độ phóng đại thì trường nhìn càng giảm.

Ví dụ: Trường nhìn của kính thiên văn có vật kính F500, thị kính Ploss 5mm là:

FOV= 50/100=0,5 độ (50 là trường nhìn biểu kiến của thị kính ploss, 100 là độ phóng đại của KTV. M= 500/50)

Với trường nhìn này, ta có thể quan sát toàn bộ trăng tròn (kích thước góc của trăng tròn là 0.5 độ).

Trường nhìn rất quan trọng trong việc quan sát, nếu kính có trường nhìn lớn thì chúng ta dễ dàng quan sát những vật thể lớn thay vì phải tinh chỉnh lại KTV để nhìn từng phần.

Hình mô phỏng Cụm sao Pleiades (M45) qua trường nhìn 1 độ và 3 độ.

• Trường nhìn phụ thuộc vào tiêu cự của vật kính và thị kính:

Với kính có thị kính cố định thì vật kính có tiêu cự càng nhỏ thì thị trường càng lớn.

Với kính có vật kinh cố định thì thị kính có tiêu cự càng lớn thì thị trường càng lớn.

Phan Văn Nhân - DAC