กล้องส่องทางไกลทำงานอย่างไร

แล้วกล้องส่องทางไกลทำงานอย่างไร?

ในคู่มือฉบับสมบูรณ์นี้ ฉันจะอธิบายหลักวิทยาศาสตร์เบื้องหลังการทำงานของระบบออปติกในกล้องส่องทางไกลสองตาและแสดงภาพขยายของมุมมองตรงหน้าให้คุณดู ในบทความต่อๆ ไป ฉันวางแผนที่จะอธิบายกลไกหลักเบื้องหลังการทำงานของกลไกโฟกัสและถ้วยตา รวมถึงตัวเลือกต่างๆ ที่มีให้เลือกใช้

ด้วยวิธีนี้ ฉันมั่นใจว่าเมื่ออ่านจบ คุณจะเข้าใจวิธีการทำงานของกล้องส่องทางไกล และเตรียมพร้อมได้ดีขึ้นมากในการเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมกับความต้องการของคุณ และเมื่ออุปกรณ์มาถึงแล้ว คุณจะสามารถตั้งค่าและใช้งานได้อย่างถูกต้องเพื่อให้คุณได้รับประโยชน์สูงสุดจากการใช้งาน มาเริ่มกันเลย:

กล้องโทรทรรศน์สองตัว

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด กล้องส่องทางไกลประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์สองตัวที่วางเคียงข้างกัน เพื่อเริ่มต้นและทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นเล็กน้อย ให้เราตัดกล้องส่องทางไกลออกเป็นสองส่วน จากนั้นเรียนรู้วิธีการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ก่อน จากนั้นเราจะประกอบกล้องทั้งสองเข้าด้วยกันในตอนท้าย:

เลนส์ แสง และการหักเหของแสง

โดยพื้นฐานแล้วการทำงานของกล้องส่องทางไกลและการขยายภาพคือการใช้เลนส์ที่ทำให้แสงทำสิ่งที่เรียกว่าการหักเหของแสง:

เมื่อผ่านสุญญากาศในอวกาศ แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรง แต่เมื่อผ่านวัสดุต่างๆ ความเร็วก็จะเปลี่ยนไป

เมื่อแสงผ่านตัวกลางที่มีความหนา เช่น แก้วหรือน้ำ แสงจะเคลื่อนที่ช้าลง โดยทั่วไปแล้วแสงจะโค้งงอ ซึ่งเรียกว่าการหักเหของแสง การหักเหของแสงคือสิ่งที่ทำให้หลอดดูดน้ำดูเหมือนโค้งงอเมื่ออยู่ในแก้วน้ำ นอกจากนี้ หลอดดูดน้ำยังมีประโยชน์มากมายและช่วยขยายสิ่งที่คุณกำลังมองดู

เลนส์

แทนที่จะใช้เพียงแผ่นกระจกแบนๆ หรือแท่งกระจกธรรมดา เครื่องมือต่างๆ เช่น กล้องโทรทรรศน์ กล้องส่องทางไกล และแม้แต่แว่นอ่านหนังสือ ต่างก็ใช้เลนส์กระจกที่มีรูปร่างพิเศษ ซึ่งมักประกอบด้วยชิ้นเลนส์แต่ละชิ้นจำนวนหนึ่ง ซึ่งสามารถควบคุมการโค้งงอของคลื่นแสงได้ดีกว่า

เลนส์วัตถุ

(เลนส์ที่อยู่ใกล้กับวัตถุที่คุณกำลังมองอยู่มากที่สุด) ในกล้องส่องทางไกลมีรูปร่างเป็นนูน ซึ่งหมายความว่าจุดศูนย์กลางของเลนส์จะหนากว่าด้านนอก เลนส์นี้เรียกว่าเลนส์นูน โดยจะรับแสงจากวัตถุที่อยู่ไกลออกไป จากนั้นแสงจะหักเหและมารวมกัน (บรรจบกัน) เมื่อผ่านกระจก จากนั้นคลื่นแสงจะโฟกัสที่จุดหลังเลนส์

เลนส์สายตา

จากนั้นใช้แสงที่โฟกัสแล้วขยายใหญ่ จากนั้นจึงผ่านเข้าไปยังดวงตาของคุณ

การขยายภาพ

ประการแรกแสงเดินทางจากวัตถุและภาพจริงAเกิดจากเลนส์วัตถุ ภาพนี้จะถูกขยายโดยเลนส์ตาและมองเป็นภาพเสมือนBผลลัพธ์คือวัตถุที่ถูกขยายจะดูราวกับว่ามันอยู่ตรงหน้าคุณและอยู่ใกล้กว่าตัวแบบ

6x, 7x, 8, 10x หรือมากกว่า

ปริมาณภาพที่ขยายใหญ่ขึ้นจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนระหว่างความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุหารด้วยความยาวโฟกัสของเลนส์ตา

ดังนั้นปัจจัยการขยาย 8 เท่าจะสร้างภาพเสมือนที่ดูใหญ่กว่าวัตถุถึง 8 เท่า

กำลังขยายที่คุณต้องการนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ และมักจะเข้าใจผิดว่ายิ่งกำลังขยายสูง กล้องส่องทางไกลก็จะยิ่งดี เนื่องจากกำลังขยายที่สูงขึ้นยังนำมาซึ่งข้อเสียหลายประการอีกด้วย หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดอ่านบทความนี้: กำลังขยาย ความเสถียร ระยะการมองเห็น และความสว่าง

ดังที่คุณจะเห็นได้จากแผนภาพด้านบน ภาพเสมือนนั้นกลับหัว ด้านล่างนี้เราจะมาดูว่าเหตุใดจึงเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น และจะแก้ไขอย่างไร:

ภาพกลับหัว

นี่เป็นเรื่องที่ยอดเยี่ยมและเรื่องราวสามารถจบลงตรงนี้ได้หากคุณเพียงแค่สร้างกล้องโทรทรรศน์สำหรับการใช้งานอย่างดาราศาสตร์

จริงๆ แล้ว คุณสามารถสร้างกล้องโทรทรรศน์แบบง่ายๆ ได้อย่างง่ายดาย เพียงแค่ใช้เลนส์ 2 ชิ้นแยกออกจากกันด้วยท่อปิด ซึ่งก็เหมือนกับวิธีการสร้างกล้องโทรทรรศน์ตัวแรกนั่นเอง

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่คุณจะสังเกตเห็นเมื่อมองผ่านเลนส์ก็คือ ภาพที่คุณเห็นจะกลับหัวและสะท้อนกลับ เนื่องจากเลนส์นูนทำให้แสงผ่านเมื่อเลนส์บรรจบกัน

ในความเป็นจริง คุณสามารถสาธิตสิ่งนี้ได้อย่างง่ายดายโดยถือแว่นขยายไว้ประมาณช่วงแขนและมองไปยังวัตถุที่อยู่ไกลออกไป คุณจะเห็นว่าภาพจะกลับหัวและสะท้อนกลับ

สำหรับการดูดาวที่อยู่ไกลออกไป นี่ไม่ใช่ปัญหาเลย และกล้องโทรทรรศน์ทางดาราศาสตร์หลายตัวก็ให้ภาพที่ไม่ผ่านการปรับแต่ง แต่สำหรับการใช้งานบนพื้นดิน ปัญหานี้ถือเป็นปัญหา โชคดีที่มีวิธีแก้ไขอยู่สองสามวิธี:

การแก้ไขรูปภาพ

สำหรับกล้องส่องทางไกลและกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินส่วนใหญ่ (กล้องส่องทางไกล) มีสองวิธีหลักในการทำเช่นนี้ โดยใช้เลนส์เว้าเป็นเลนส์ใกล้ตาหรือปริซึมสร้างภาพ:

เลนส์กาลิเลโอ

ใช้ในกล้องโทรทรรศน์ที่ประดิษฐ์โดยกาลิเลโอ กาลิเลอี ในศตวรรษที่ 17 เลนส์กาลิเลโอใช้เลนส์วัตถุนูนตามปกติ แต่เปลี่ยนเป็นระบบเลนส์เว้าสำหรับเลนส์ตา

เลนส์เว้าหรือที่เรียกอีกอย่างว่าเลนส์แยกแสง ทำให้แสงกระจายออกจากกัน (diverge) ดังนั้น หากวางเลนส์ในตำแหน่งที่ระยะห่างจากเลนส์วัตถุนูนที่เหมาะสม ก็จะป้องกันไม่ให้แสงผ่านเลนส์ได้ และป้องกันไม่ให้ภาพกลับหัว

ระบบนี้มีต้นทุนต่ำและทำง่าย และยังคงใช้กับกล้องส่องทางไกลดูโอเปร่าและโรงละครจนถึงทุกวันนี้

อย่างไรก็ตาม ข้อเสียก็คือ การจะได้กำลังขยายสูงทำได้ยาก คุณจะได้มุมมองภาพที่ค่อนข้างแคบ และได้ภาพที่มีความเบลอสูงตามขอบภาพ

ด้วยเหตุผลเหล่านี้เอง การใช้งานส่วนใหญ่จึงถือว่าระบบปริซึมเป็นทางเลือกที่ดีกว่า:

เลนส์เคปเลเรียนพร้อมปริซึม

ระบบออปติกส์เคปเลเรียนใช้เลนส์นูนเป็นเลนส์วัตถุประสงค์เช่นเดียวกับเลนส์ตา ซึ่งโดยทั่วไปแล้วถือว่าเป็นการปรับปรุงการออกแบบของกาลิเลโอ ซึ่งแตกต่างจากระบบออปติกส์กาลิเลโอซึ่งใช้เลนส์เว้าในส่วนเลนส์ตา

อย่างไรก็ตาม ภาพยังคงต้องได้รับการแก้ไข โดยสามารถทำได้โดยใช้ปริซึม:

แก้ไขภาพกลับด้าน
กล้องส่องทางไกลสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีการทำงานคล้ายกระจก โดยใช้ปริซึมตั้งตรงที่สะท้อนแสงและเปลี่ยนทิศทาง ทำให้ภาพถูกต้อง

แม้ว่ากระจกมาตรฐานจะเหมาะสำหรับการมองดูตัวเองในตอนเช้าก็ตาม แต่หากใช้กล้องส่องทางไกล การที่แสงสะท้อนกลับ 180 องศากลับไปยังจุดที่มานั้นคงไม่มีประโยชน์ เพราะคุณจะไม่สามารถมองเห็นภาพได้

ปริซึมปอร์โร่

ปัญหาได้รับการแก้ไขในเบื้องต้นด้วยการใช้ปริซึมปอร์โรคู่หนึ่ง ปริซึมปอร์โรได้รับการตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์ชาวอิตาลี อิกนาซิโอ ปอร์โร ปริซึมปอร์โรชิ้นเดียวซึ่งเหมือนกับกระจกสามารถสะท้อนแสงได้ 180 องศาและสะท้อนกลับในทิศทางที่แสงมาจาก แต่สะท้อนแสงขนานกับแสงที่ตกกระทบและไม่สะท้อนตามเส้นทางเดียวกันโดยตรง

ดังนั้นสิ่งนี้จึงช่วยได้มากจริงๆ เพราะทำให้คุณวางปริซึม Porro สองอันในมุมฉากกัน ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถสะท้อนแสงได้ ไม่เพียงแค่ปรับทิศทางของภาพที่กลับหัวเท่านั้น แต่ยังช่วยให้แสงส่องไปในทิศทางเดียวกันและไปยังเลนส์ตาได้อีกด้วย

ปริซึม Porro ทั้งสองอันที่วางเป็นมุมฉากนี้เองที่ทำให้กล้องส่องทางไกลมีรูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์แบบดั้งเดิม และนั่นคือเหตุผลว่าทำไมเลนส์ใกล้กันมากกว่าเลนส์วัตถุ

ปริซึมหลังคา

นอกจากปริซึมปอร์โรแล้วยังมีการออกแบบอีกหลายประเภท ซึ่งแต่ละประเภทมีข้อดีเฉพาะตัวที่แตกต่างกัน

ปริซึมสองชนิด ได้แก่ ปริซึม Abbe-Koenig และปริซึม Schmidt-Pechan เป็นปริซึมหลังคาประเภทหนึ่งที่มักใช้กับกล้องส่องทางไกลในปัจจุบัน

ในบรรดานี้ ปริซึม Schmidt-Pechan เป็นที่นิยมมากที่สุด เนื่องจากช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตกล้องส่องทางไกลแบบสองตาที่มีขนาดกะทัดรัดและเพรียวบางขึ้น โดยที่เลนส์ตาอยู่ในแนวเดียวกับเลนส์วัตถุประสงค์ ข้อเสียคือ ต้องใช้สารเคลือบพิเศษจำนวนหนึ่งเพื่อให้เกิดการสะท้อนภายในทั้งหมดและขจัดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเลื่อนเฟส

ทำไมกล้องส่องทางไกลจึงสั้นกว่ากล้องโทรทรรศน์

ประโยชน์ที่สองในการใช้ปริซึมก็คือ เนื่องจากแสงจะย้อนกลับสองครั้งเมื่อผ่านปริซึมและสะท้อนกลับมาที่ตัวมันเอง ระยะทางที่แสงเดินทางในอวกาศนั้นจึงเพิ่มขึ้น

ด้วยเหตุนี้ ความยาวโดยรวมของกล้องส่องทางไกลจึงสั้นลงได้ เนื่องจากระยะห่างที่ต้องการระหว่างเลนส์วัตถุและเลนส์ตาก็ลดลงเช่นกัน และนี่คือเหตุผลว่าทำไมกล้องส่องทางไกลจึงสั้นกว่ากล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงที่มีกำลังขยายเท่ากัน เนื่องจากไม่มีปริซึม