เรื่องของเลนซ์

       เลนซ์ (Lens)  วัสดุที่นิยมกันอย่างแพร่หลายในวงการ Optics และอุตสาหกรรม ที่อยู่ใกล้ตัวหน่อยก็ได้แก่  ธุรกิจแว่นตา กล้องถ่ายภาพ แต่ในที่นี่จะตีวงแคบอยู่ในวงของดาราศาสตร์เท่านั้น  ซึ่งเลนซ์ถูกนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของ กล้องดูดาวแบบหักเหแสง  ซึ่งคุณภาพของกล้องนอกจากอยู่ที่กลไกและวัสดุที่ใช้ทำตัวกล้องแล้ว คุณภาพของเลนซ์ก็เป็นตัวกำหนดคุณภาพของกล้อง และเป็นปัจจัยในการพิจารณาอันดับต้นๆด้วย

                    
      ชนิดของเลนซ์   เราแบ่งเลนซ์ออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆคือ เลนซ์นูน (Convex) กับ เลนซ์เว้า (Concave)  แต่ในอุตสาหกรรมเลนซ์ มีโครงสร้างของเลนซ์มากมายแบ่งออกเป็นชนิดตามระนาบของเลนซ์ได้แก่
     1) เลนซ์นูนสองหน้า (Biconvex)  เป็นเลนซ์นูนทั้งสองหน้ารัศมีความโค้งอาจจะไม่เท่ากันทั้งสองด้านก็ได้
     2) เลนซ์นูนแกมระนาบ (Plano-convex)  ด้านหนึ่งจะนูนออก อีกด้านจะเรียบ เราจะหันด้านนูนเข้าหาแสง
     3) เลนซ์นูนแกมเว้า (Convex-concave) ด้านหนึ่งจะนูน อีกด้านจะเว้า ช่วงกลางเลนซ์จะหนา ขอบจะบางกว่า (เลนซ์สำหรับคนสายตายาว)
     4) เลนซ์เว้าสองหน้า (Biconcave)  เป็นเลนซ์เว้าเข้าทั้งสองหน้า รัศมีความโค้งอาจจะไม่เท่ากันก็ได้
     5) เลนซ์เว้าแกมระนาบ (Plano-concave)  ด้านหนึ่งราบอีกด้านจะเว้า เราจะหันด้านเว้าเข้าหาแสง
     6) เลนซ์เว้าแกมนูน (Meniscus)  ด้านหนึ่งจะนูน อีกด้านจะเว้า ช่วงกลางเลนซ์จะบาง ขอบจะหนากว่า (เลนซ์สำหรับคนสายตาสั้น)

                                                   
        เลนซ์แบบทั่วไป  (เราจะใช้กรณีของเลนซ์นูนเป็นตัวอย่าง) เลนซ์นูนจะมีลักษณะคล้ายกับแก้วปริซึม 2 ชิ้นที่วางให้ฐานประกบกัน  ผลที่ได้คือแสงสีขาวจะถูกแยกสเปคตรัมออกมาเป็นสีรุ้ง 7 สี และจะโฟกัสบนตำแหน่งโฟกัสคนละจุดกันทำให้เกิดอาการคลาดสี (Chromatic Aberration) เมื่อเราใช้เลนซ์ตามาวางที่จุดโฟกัสเพื่อให้เกิดกำลังขยาย ก็จะมีจุดโฟกัสของสีต่างๆถูกขยายตามมาด้วย

                      
     ทางแก้เบื้องต้นของเลนซ์แบบ Chromatic Lens คือลดพื้นที่การรับแสงให้เหลือเพียงตรงกลางเลนซ์ซึ่งมีความโค้งน้อยโดยการใช้กระดาษทึบแสงเปิดรูตรงกลางมาบังหน้าเลนซ์ไว้  ผลเสียคือทำให้ความสว่างของภาพลดลง  ทางแก้ที่สองคือการเพิ่มชิ้นเลนซ์อีกหนึ่ง ที่เรียกกันว่า เลนซ์แบบอะโครมาติค

    เลนซ์แบบอะโครมาติค  (Achromatic Len)  วิธีแก้ปัญหาเรื่องการคลาดสีของเลนซ์ธรรมดามีอีกวิธีหนึ่งคือ ใช้ชิ้นเลนซ์อีก 1 ชิ้นที่ทำจากเนื้อแก้วต่างชนิดกันมาประกอบเป็นเลนซ์แบบ 2 ชิ้น ซึ่งเลนซ์อีกชิ้นนี้จะทำให้แสงสีแดงรวมกับสีอื่นแล้วหายไป แต่ยังคงเห็นสีอื่นอยู่เล็กน้อยคือ เหลืองกับน้ำเงิน  ทำให้เลนซ์แบบอะโครมาติดนี้ยังคงมีเหลือบเล็ดลอดได้บ้างถ้าวัตถุนั้นมีความสว่างมากๆ

                              
         แม้ว่าเราจะเลือกใช้เลนซ์ที่เป็นแบบอะโครมาติคแล้ว แต่ก็ยังมีสีของแสงบางส่วนที่ยังเล็ดลอดออกมาได้ ทางเลือกในการแก้สีเหลือบให้หมดไปก็ต้องใช้เลนซ์ชิ้นที่ 3 (APO) แต่ก็เป็นทางเลือกที่ต้องเพิ่มค่าใช้จ่าย บางครั้งเราสามารถหลีกเลี่ยงหรือลดอาการคลาดสีให้น้อยลงได้ ด้วยการเลือกเลนซ์ที่มีความยาวโฟกัสยาวๆ เนื่องจากเลนซ์ที่มีความยาวโฟกัสสั้นๆ จะทำให้การเบี่ยงเบนสีของแสงมากกว่ากล้องที่มีความยาวโฟกัสยาวๆ
        เลนซ์ควรมีความยาวโฟกัสเท่าไหร่จึงจะเหมาะ  เราสามารถเลือกเลนซ์ที่มีความยาวโฟกัสยาวให้เหมาะสมได้โดยสัมพันธ์กับขนาดหน้าเลนซ์จากสูตร

                                                                     FL  >=   2.88 D²               (D คือขนาดหน้าเลนซ์หน่วยเป็น นิ้ว)

       เช่น กล้องมีขนาดหน้าเลนซ์ 80 มม.(3.2นิ้ว)  ควรมีความยาวโฟกัส =  2.88 x 3.2 x 3.2   =  31.36 นิ้ว หรือ 784 มม.

      เลนซ์แบบอะโปรโครมาติด (Apochromatic) บางครั้งเราก็เรียกสั้นว่า APO  เป็นการแก้ไขอาการคลาดสีได้ดีที่สุดซึ่งมีอยู่ 2 แบบคือ
      1) การเพิ่มชิ้นเลนซ์ที่สาม เพื่อรวมแสงที่ลอดออกมาให้กลายเป็นแสงสีขาว  เราเรียกเลนซ์แบบนี้ว่า Tripet APO  ข้อเสียคือมีจำนวนชิ้นเลนซ์เพิ่มขึ้นนอกจากราคาแพงแล้วยังทำให้กล้องมีน้ำหนักมากขึ้นด้วย
      2) การออกแบบความโค้งของผิวเลนซ์ใหม่ แต่ยังคงใช้เลนซ์ 2 ชิ้นเหมือนเดิม ผลของการออกแบบความโค้งของผิวเลนซ์จะทำให้แสงรวมเป็นสีขาวได้  เราเรียกเลนซ์แบบนี้ว่า Doublet APO  ทำให้กล้องมีน้ำหนักเบา แต่การผลิตยุ่งยากกว่าทำให้มีราคาแพง

      การคลาดทางความโค้งของเลนซ์ (Lens Spherical Aberration)
    
    เกิดขึ้นจากการความโค้งของผิวเลนซ์ไม่ดีพอ ทำให้เกิดจุดโฟกัสของภาพหลายตำแหน่งบนฉาก ทำให้จุดดาวที่มีลักษณะเป็นจุดเล็กๆ นั้นมีหางปรากฏอยู่บนฉาก เราเรียกภาพแบบนี้ว่า Coma
        

      วัสดุที่ใช้ทำเนื้อเลนซ์
      แก้วคราวด์ (Crown Glass)  เป็นแก้วที่ทำมาจากพวกอัลคาลายด์ของซิลิเกท และมีโปรตัสเซียมอ๊อกไซด์  (K₂O) ผสมด้วยราว 10 เปอร์เซนต์ มีค่าดัชนีหักเหราว 1.52 และค่าการกระจายแสง(Dispersion) ต่ำอยู่ที่ 60 มีแก้ว Crown อีกหลายแบบที่มีส่วนผสมของอ๊อกไซด์ของธาตุอื่นๆ และมีค่าการกระจายแสงอยู่ที่ 50-80 ได้แก่  Borocilicate Crown (BK7)   Barium Crown (BAK4)  Zinc Crown (K5)  และ Fluorite Crown (FK51)

      แก้วฟินท์  (Flint Glass)  โดยทั่วไปแก้วฟินท์จะมีส่วนผสมอ๊อกไซด์จของตะกั่ว ซึ่งเป็นสารอันตรายและการผลิตก็ส่งผลให้กันสิ่งแวดล้อม ปัจจุบันมีการแทนที่ด้วยไททาเนียมไดอ๊อกไซด์ (TiO₂)  หรือ เซอโคเนียมไดอ๊อกไซด์ (ZrO₂) หรือที่เราเรียกกันว่า เพชรรัสเซีย  แก้วฟินท์มีค่าดัชนีหักเหอยู่ที่ ราว 1.45 ถึง 2.00  และค่าการกระจายแสงอยู่ที่ 50 ถึง 55 เป็นอย่างน้อย

      ED Glass  เป็นแก้วชนิดพิเศษอีกชนิดหนึ่งที่มีค่าการกระจายแสงต่ำ ทำให้มีการแตกของสเปคตรัมน้อย นิยมนำมาใช้เป็นเลนซ์ชิ้นสุดท้ายเพื่อลดการกระจายของแสง  ED ย่อมาจากคำว่า Extra Low dispersion นอกจากนี้ยังเลนซ์ในกลุ่ม Low Dispesion อีกได้แก่  SD หรือ super-low dispersion  และ UD หรือ  ultra-low dispersion

      ฟลูโอไลท์ (Fluorite) เป็นเนื้อแก้วอีกชนิดหนึ่งที่ได้รับความนิยมมากในปัจจุบัน ซึ่งเป็นฟลูโอไลท์ที่อยู่ในรูปของผลึกที่เรียกว่า  Monocrystalline Calcium Fluorite เนื่องด้วยฟลูโอไลท์มีคุณสมบัติในการหักเหแสงต่ำ และ ค่าการกระจายแสงก็ต่ำด้วย จึงนิยมนำมาใช้เป็นเลนซ์ชิ้นสุดท้าย เพื่อลดการกระจายของสเปคตรัมของแสง ด้วยข้อจำกัดในการทำให้มีเลนซ์ฟลูโอไลท์มีขนาดใหญ่ จึงทำให้เลนซ์แบบนี้มีราคาแพงมากๆ

     เลนซ์แบบอะโครมาติดนั้นปกติจะใช้เนื้อแก้วคราวด์ และ ฟินท์ ประกอบกันเป็นเลนซ์เนื้อแล้วสองชิ้น แต่เป็นเลนซ์แบบอะโปรโครมาติด (APO) จะมีการเพิ่มเลนซ์ชิ้นที่สาม ซึ่งทำมาจาก ED Glass หรือ Fluorite สำหรับกรณีที่เป็น Tripet APO 

      Dispersion  ค่าการกระจายแสง เกิดขึ้นจากแสงที่มีค่าความยาวคลื่นต่างกันผ่านตัวกลางชนิดหนึ่งทำให้เกิดการเบี่ยงเบนออกไป ซึ่งแสงสีแดง และ สีน้ำเงิน เป็นสีที่อยู่คนละฝากกันของสเปคตรัมจะมีการหักเหต่างกันมากหรือน้อย ถ้าต่างกันน้อยก็แสดงว่าตัวกลางนั้นมีค่าการกระจายแสงต่ำ  การบอกค่าการกระจายของแสงจะบอกอยู่ค่า Abbe number  ซึ่งค้นพบโดย Ernst Abbe นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน พบว่าตัวกลางที่มีการกระจายแสงต่ำ จะมีค่า Abbe number สูง

     จากกราฟจะเห็นว่า แก้วฟินท์จะมีค่ากระจายแสงสูง มีค่า Abbe number ต่ำกว่า 50 ลงไป สำหรับแก้วคราวด์ จะมีค่า Abbe number อยู่ระหว่าง 50 ถึง 80  ในขณะที่แก้วในกลุ่มฟลูโอไลท์ ซึ่งมีค่าการกระจายแสงต่ำ จะมีค่า Abbe number สูงตั้งแต่ 75 ขึ้นไป

      การ Coating  หรือการเคลือบเลนซ์ลดการสะท้อน (Anti-reflective Coating)
      เนื่องจากผิวเลนซ์นั้นจะมันเงาและสะท้อนแสงได้ดี หากเราไม่มีเคลือบหน้าเลนซ์จะทำให้แสงบางส่วนสะท้อนกลับ เมื่อแสงปริมาณ 100% มากระทบหน้าเลนซ์ แทนที่จะผ่านไปได้ 100% ก็จะมีบางส่วนที่สะท้อนกลับออกไปทำให้เหลือผ่านมาได้ 90-95 % เท่านั้น 
      ดังนั้นเราจึงต้องมีการเคลือบผิวเลนซ์ ซึ่งสารที่นิยมใช้เคลือบผิวเลนซ์ก็ได้แก่  แมกเนเซียมฟลูออรายด์ (MgF₂)  หรือ แคลเซียมฟลูออรายด์ )CaF₂)  และวิธีการเคลือบก็มี 3 แบบได้แก่
     Fully Coate (FC) หมายถึงการเคลือบเลนซ์ทั้งสองหน้า 
     Multi-Coate (MC) หมายถึงการเคลือบเลนซ์หลายชั้นเพียงด้านใดด้านหนึ่งเท่านั้น
    Fully Multi-Coate (FMC) เป็นการเคลือบที่ดีที่สุดและต้นทุนสูงสุด คือการเคลือบหลายชั้นกับเลนซ์ทั้งสองหน้า