# Kính thiên văn khúc xạ
TIP
Như chúng ta đã biết, Galileo (nhà thiên văn học, vật lý học, toán học, triết học người Ý) là người đầu tiên sử dụng kính thiên văn để quan sát bầu trời (skyglass). Năm 1609, Galileo đã sử dụng kính thiên văn khúc xạ, có nguyên lý từ "ống nhòm Hà Lan" được phát minh bởi Hans Lippershey, là loại kính dùng các thấu kính để thay đổi đường truyền của ánh sáng, thông qua hiện tượng khúc xạ, tạo ra ảnh khuyếch đại của vật thể ở xa.
Kính thiên văn khúc xạ (Refractor telescope).
# Khúc xạ
Khúc xạ là sự uốn cong ánh sáng khi ánh sáng đi từ môi trường này (ví dụ như khống khí) đến môi trường khác (như thủy tinh). Một kính thiên văn khúc xạ vận dụng điều này với một ống kính có bề mặt cong được làm rất cẩn thận. Khi ánh sáng từ không khí đến kính và sau đó trở lại với không khí, đường dẫn của nó bị bẻ cong về hướng quang trục của ống kính. Nếu bề mặt của ống kính có hình dạng chuẩn, ánh sáng sẽ được tập trung tại một điểm.
# Lịch sử phát triển kính thiên văn khúc xạ
Các kính viễn vọng đầu tiên (của bất kỳ loại nào) được tạo ra bởi nhà sản xuất kính người Hà Lan Hans Lippershey (1570-1619). Ngày 02 tháng 10 năm 1608, ông nộp đơn xin bằng sáng chế cho “một dụng cụ để nhìn thấy những điều xa xôi như thể rất gần đó”. Đây là một ống – với một thấu kính lồi ở phía trước và một thấu kính lõm ở phía sau – một thiết bị phóng to đối tượng khoảng 3 lần.
Sau đó không lâu, năm 1609, nhà phát minh người Ý Galileo Galilei (1564-1642) chế tạo kính viễn vọng của mình. Galileo là người đầu tiên sử dụng thiết bị mới để nghiên cứu các thiên thể, và những gì ông nhìn thấy mãi mãi là một cuộc cách mạng trong thiên văn học.
Các kính thiên văn đầu tiên có chất lượng quang học kém. Các thấu kính có nhiều quang sai. Một trong những vấn đề của thấu kính là một khiếm khuyết được gọi là “sắc sai.” Ánh sáng trắng được hợp thành từ tất cả các màu sắc. Thật không may, màu sắc, khi đi qua một thấu kính đơn, không tập trung tại cùng một điểm. Ánh sáng xanh bị khúc xạ nhiều hơn ánh sáng đỏ.
Vào năm 1729, Chester Moore Hall (1703-1771) thiết kế một hệ thấu kính được ghép bởi 1 thấu kính lồi và 1 lõm, đã cho ra một hình ảnh có màu sắc tương đối trung thực. Loại kính này được gọi là “achromat” (thấu kính tiêu sắc), và nó là một thành tích hoành tráng.
Hệ thấu kính tiêu sắc.
Trong thế kỷ 20, kính khúc xạ tiêu sắc tiếp tục cải tiến. Trong thập niên 1920, hai vấn đề đã được giải quyết: ánh sáng bị mất do sự phản xạ trên các bề mặt thủy tinh trở ngược lại ko khí, và sự phản xạ nội bộ trong hệ thống ống kính. Việc giới thiệu các khoảng không gian chứa dầu đã giải quyết cả hai vấn đề trên. Dầu loại trừ sự phản xạ trong ống kính và tăng khả năng truyền ánh sáng. Nó cũng làm “mượt” các lỗi gây ra do bất thường trong bề mặt của thấu kính.
Trong những năm 1950, lớp phủ (đáng chú ý nhất là Magie florua) được phát minh để giảm tổn thất và giảm sự phản xạ nội bộ trong ống kính mà không cần dầu. Một loại kính mới, sử dụng fluorit canxi, cũng đã được phát minh. (Năm 1977, công ty Nhật Bản Takahashi, Ltd cung cấp loại fluorit đầu tiên với mục đích dùng trong một kính thiên văn.)
Các kính khúc xạ đầu tiên được dán nhãn “không bị sắc sai” là một hệ thống 3 thấu kính cung cấp bởi Astro-Physics năm 1981. Chúng được gọi là thấu kính apochromatic (thấu kính tiêu sắc phức). Chỉ có hai thấu kính “apochromatic” có sẵn tại thời điểm đó, cả hai đều có khẩu độ f/11, được phủ Mage florua, và tráng dầu tại khoảng cách giữa 3 thấu kính ghép. Cáí nhỏ hơn là 150mm và lớn hơn là 200mm. Đây là sự khởi đầu của thời đại mới: kính khúc xạ tiêu sắc phức. Mặc dù các apochromats được dán nhãn “không sắc sai” nhưng các bước sóng khác nhau của ánh sáng vẫn không đến tập trung cùng 1 điểm, tuy nhiên nó tốt hơn nhiều so với thấu kính achromats đã nói ở trên. Ngày nay của mục tiêu của thấu kính apochromatic là phải có từ hai đến bốn thấu kính thành phần. Ít nhất một trong số chúng phải được chế tạo với fluorit hoặc thủy tinh ED (có mức độ tán sắc thấp), để cung cấp khả năng hiệu chỉnh màu sắc tốt hơn.
Thấu kính tiêu sắc phức
# Cấu tạo của kính thiên văn khúc xạ
Cấu tạo của kính thiên văn khúc xạ cực kỳ đơn giản, kính chỉ gồm 2 thấu kính hội tụ đặt đồng trục sao cho khoảng cách giữa 2 thấu kính bằng tổng độ dài tiêu cự của nó. Thấu kính có tiêu cự lớn, đặt phía trước để thu ánh sáng từ vật về 1 điểm gọi là vật kính (tiêu cự f1), thấu kính phía sau phóng đại ảnh được tạo ra bởi vật kính gọi là thị kính (tiêu cự f2).
Độ phóng đại của kính bằng tỉ số tiêu cự giữa vật kính và thị kính:
G = F1/F2
Sơ đồ nguyên lý kính thiên văn khúc xạ.
# Chế tạo kính thiên văn khúc xạ
# Vật liệu cần chuẩn bị
1 - Hệ vật kính tiêu sắc. Đây là bộ phận quan trọng nhất của kính thiên văn, cấu tạo thường thấy gồm hai thấu kính có thể đặt chồng khít lên nhau. Trong bài này sẽ nói về hệ vật kính tiêu sắc có đường kính 70 mm và tiêu cự là 900 mm, có giá tầm khoảng 300 đến 400 nghìn đồng.
Hệ vật kính tiêu sắc D70mm F900mm.
2 - Thị kính. Đây là bộ phận quan trọng thứ hai, sau vật kính. Trên thị trường có nhiều loại thị kính khác nhau như Huygen, Plossl,... Thị kính mà mình giới thiệu là thị kính Huygen tiêu cự 12,5mm với giá trên thị trường khoảng 80 nghìn đồng.
Thị kính Huygen (chuẩn 1.25 inch) f 12,5mm.
3 - Bộ chỉnh nét khúc xạ. Vật dụng này có thể kéo ra hay thu vào, dùng để làm tăng hay giảm khoảng cách giữa vật kính và thị kính, giúp lấy nét các vật thể ở xa hay gần dễ dàng hơn, đồng thời cũng giúp tránh sai số trong quá trình đo đạc.
Bộ chỉnh nét khúc xạ D70 - 1.25 inch
4 - Gương chéo đảo góc. Đây là gương phẳng, không phải thấu kính, được dùng để thay đổi tư thế của người quan sát.
Gương chéo đảo góc chuẩn 1,25 inch.
- Các vật dụng khác: Ống nước PVC, cưa nhỏ, băng keo, giấy, kéo, giấy nhám,...
# Lắp ráp
Để quan sát vật thể rõ nét, thì quãng đường ánh sáng đi từ vật kính đến thị kính sẽ bằng tổng độ dài tiêu cự f1 + f2. Tùy trường hợp chúng ta có dùng gương chéo đảo góc hay không, mà khoảng cách giữa vật kính và thị kính sẽ khác nhau.
Mình sẽ giới thiệu về trường hợp sử dụng gương đảo góc, còn trường hợp không có gương đảo góc sẽ đơn giản hơn.
Khi không có gương đảo góc.
Khi có gương đảo góc.
- Bước 1: Lắp thị kính, gương đảo góc và bộ chỉnh nét khúc xạ lại với nhau. Vì ba bộ phận này mình đều dùng loại chuẩn 1,25 inch nên khi lắp lại với nhau, chúng vừa vặn nhau.
Lắp thị kính, gương đảo góc và bộ chỉnh nét khúc xạ lại với nhau.
- Bước 2: Đo đạc. Các bạn cần đo chính xác kích thước của các vật dụng sau khi lắp ráp. Để tránh nhầm lẫn đơn vị, các bạn nên chuyển hết sang đơn vị mm. Vì bộ chỉnh nét khúc xạ có thể thay đổi được độ dài của nó, nên bạn cần đo cả độ dài ngắn nhất và dài nhất của nó.
Đo đạc các khoảng cách như trong hình.
- Bước 3: Tính toán độ dài thích hợp của ống nhựa. Như mình đã nói ở trên, để quan sát vật thể rõ nét, thì quãng đường ánh sáng đi từ vật kính đến thị kính sẽ bằng tổng độ dài tiêu cự f1 + f2. Vậy nên chúng ta sẽ đi tính độ dài của ống nhựa để quan sát vật thể rõ ràng.
Ở đây chúng ta dùng vật kính có tiêu cự 900 mm và thị kính có tiêu cự 12.5 mm. Vì vậy ta có:
a + x + b = 900 + 12.5
Khi đo đạc ở bước 2, ta có: x(min) = 100 mm, x(max) = 144 mm và b = 70 mm.
Thay vào biểu thức trên, ta được a(min) = 698.5 mm, a(max) = 742.5 mm, tức là a từ khoảng 70 cm đến 74 cm. Trường hợp này ta có thể cắt ống nước dài 72 cm.
Còn đường kính của ống nước, ta lấy loại ống nước có đường kính lớn hơn đường kính vật kính một chút. Sau đó ta sẽ dùng giấy và băng keo một mặt để quấn quanh vật kính cho đến khi vừa khít vào bên trong ống nước là được.
- Bước 4: Lắp đặt. Sau khi đo đạc và cắt ống nước, chúng ta sẽ lắp đặt các bộ phận như trong hình dưới đây là sẽ hoàn thành thân của kính thiên văn.
Để tìm hiểu về chân đế kính thiên văn, các bạn đọc tại bài viết này nhé: Chân đế kính thiên văn
# Lưu ý
- Bảo đảm 2 thấu kính được ráp đồng trục, nếu lệch sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh khi nhìn qua kính.
# Hướng dẫn sử dụng
Kính thiên văn khúc xạ có cấu tạo rất đơn giản, vì thế, sử dụng chúng cũng rất đơn giản.
Sau khi có 1 chân đế chắc chắn (chân đế rất quan trọng khi quan sát), việc bạn cần làm là đưa chiếc kính của mình ra 1 nơi thoáng đãng, không bị che khuất bởi các chướng ngại vật.
Xác định đối tượng cần ngắm rồi chỉnh kính cho tới khi quan sát thấy đối tượng qua thị kính.
Lấy nét ảnh của vật bằng cách tịnh tiến ống thị kính tới (lùi) cho đến khi nhìn rõ vật.
# Các câu hỏi thường gặp
1 - Nhìn qua kính không thấy gì cả?
Bạn cần kiểm tra lại tiêu cự của kính viễn mình mua được. Theo lý thuyết thì F=1/D (với kính viễn 1 độ thì có F = 1000mm), tuy nhiên, trong thực tế thì nó có thê sai số cả 100mm, do vậy bạn cần đo tiêu cự bằng ánh nắng mặt trời để xác định lại đúng chiều dài của kính F1+F2. Cách đo: hướng thấu kính về phía mặt trời, tịnh tiến sao cho mình hứng được 1 chấm sáng (ảnh mặt trời) trên mặt đất là nhỏ nhất, khoảng cách đó chính là tiêu cự thật của thấu kính
2 - Ảnh qua kính rất mờ mặc dù đã tinh chỉnh ống thị kính?.
Bạn cần xem lại sự đồng trục của kính, tức là đảm bảo cho 2 tiêu điểm của vật kính và thị kính trùng với nhau. Trong quá trình gắn kính thì phải thao tác thật chuẩn, kính không đặt lệch, đảm bảo mọi bộ phận đều vuông góc với 1 trục chính đi qua thân kính. Thay đổi thị kính có tiêu cự lớn hơn vì có thể kính bạn đang xài có độ phóng đại vượt giá trị phóng đại hữu dụng của kính. Ngoài ra, chất lượng kính cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh của KTV.
3 - Khoảng nhìn được qua kính rất nhỏ?
Điều chỉnh lại khoảng đặt mặt hợp lý (Eye relief- Khoảng đặt mắt là khoảng cách từ thị kính đến vị trí đặt mắt quan sát để trường nhìn thấy được là tối đa. Khoảng đặt mắt thường được lấy bằng tiêu cự thị kính, thực tế là nhỏ hơn một ít so với tiêu cự thị kính.)
Thay đổi độ phóng đại bằng cách thay đổi thị kính, vì độ phóng đại càng lớn thì trường nhìn của kính càng nhỏ.
4 - Xuất hiện những viền nhiều màu xung quanh ảnh vật?
Đó chính là sắc sai mà mỗi kính khúc xạ chất lượng thấp đều gặp phải, cái này do vật kính không được tốt, nếu có đều kiện thay kính viễn bằng kính tiêu sắc thì sẽ loại bỏ được sắc sai này. Tuy nhiên, bạn cũng giảm được đôi chút bằng cách che bớt vật kính lại bằng 1 tấm bìa có khoét lỗ, cách này sẽ làm cho ảnh của vật tối đi vì thiếu ánh sáng.
5 - Càng tăng độ phóng đại thì ảnh càng tệ?
Mỗi kính có một giá trị phóng đại tối đa mà ta có thể nhìn rõ vật qua độ phóng đại đó, vượt quá giá trị này thì ảnh sẽ không còn rõ nét, Khi làm kính bạn nên tính toán sao cho kính có độ phóng đại vừa phải, không nên vượt quá 2 lần đường kính vật kính.
# Ưu và nhược điểm của kính thiên văn khúc xạ
# Ưu điểm
Các kính khúc xạ tiêu sắc hoặc tiêu sắc phức có chất lượng tốt đem đến một số lợi thế so với các kính thiên văn có thiết kế khác.
Đầu tiên là các kính khúc xạ này, theo mặc định, có một khẩu độ hoàn toàn rõ ràng. Ánh sáng không bị phân tán từ các vùng sáng hơn đến các khu vực tối hơn. Như vậy, kính khúc xạ cho một sự tương phản tốt hơn. Kính khúc xạ được xem là công cụ hàng đầu để quan sát các hành tinh và sao đôi.
Một lợi thế thứ hai của kính khúc xạ là sự bảo trì. Thấu kính không yêu cầu phải tránh lại lớp phủ như gương. Ngoài ra, việc lắp ráp kính khúc xạ thông thường không đòi hỏi một sự chuẩn trực khắt khe. Thấu kính được cố định vào ống kính và thường khó bị lệch, trừ khi nó bị chấn động lớn.
Kính khúc xạ có tính cơ động, dễ mang vác khi đi dã ngoại quan sát, dễ sử dụng cho những người mới bắt đầu nghiên cứu thiên văn.
# Nhược điểm
Bởi vì kính khúc xạ là một ống kín, do đó nó cần một lượng thời gian lâu hơn để làm mát và cân bằng với nhiệt độ môi trường xung quanh. Ngày nay với việc sử dụng ống nhôm mỏng vách đã giảm đáng kể thời gian này, nhưng thời gian làm mát kính vẫn là một vấn đề cần lưu tâm.
Điểm bất lợi thứ hai, rõ ràng hơn là sắc sai trong kính khúc xạ, do chiếc suất của vật liệu làm thấu kính là khác nhau cho các ánh sáng khác nhau gây nên ảnh không rõ ở phần rìa có màu như 7 sắc cầu vồng. Điều này thường biểu hiện ở màu sắc mờ nhạt ở phần rìa xung quanh các đối tượng như Mặt Trăng hay Sao Mộc.
Tuy đã dùng hệ thấu kính tiêu sắc nhưng sắc sai vẫn không thể loại bỏ hoàn toàn.
Đối với các nhà thiên văn nghiệp dư, bất lợi chính của kính khúc xạ là chi phí. Để tạo ra một kính thiên văn khúc xạ tiêu sắc cần một chi phí khá lớn. Tỷ lệ chi phí giữa một thấu kính tiêu sắc phức 150mm và một gương 150mm chất lượng cao ít nhất là 10:1 (đang so sánh cùng đường kính).
Độ mở ống kính nhỏ, ánh sáng đi vào ít.
Khó nâng cấp lên độ phóng đại lớn vì việc chế tạo vật kính có đường kính lớn rất phức tạp (phải mài 2 mặt), còn nếu giảm tiêu cự thị kính thì sẽ gây giảm trường nhìn, ảnh bị mờ do thiếu ánh sáng (đường kính vật kính quyết định rất lớn đến độ sáng của vật thể).
Phan Văn Nhân, Phạm Quý Nhân, Thái Văn Lợi – DAC