เรื่องของกระจก


         กระจก(Mirror)  วัสดุอีกแบบหนึ่งที่นิยมนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของกล้องดูดาวแทนเลนซ์ ที่เรียกว่า กล้องแบบสะท้อนแสง   กระจกโดยทั่วไปที่เราใช้ส่องหน้าอยู่ประจำนั้น ไม่สามารถนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของกล้องดูดาวได้  เนื่องจากกระจกแบบทั่วไปนั้นจะฉาบวัสดุสะท้อนแสงไว้ด้านหลังกระจก เพื่อการดูแลรักษาง่าย เพียงการเช็ดหรือล้างผิวหน้ากระจกก็ใสสะอาดแล้ว 
       แต่ในเรื่องของทางเดินแสงแล้วจะมีปัญหาตามมา ถ้าเราใช้กระจกแบบนี้มาเป็นส่วนประกอบของกล้องดูดาวของเรา เพราะแสงที่ตกกระทบกระจกนั้น จะมีการสะท้อน 2 ครั้ง คือ  แสงสะท้อนแรก ที่เกิดจากผิวเรียบของกระจกด้านหน้า  จากนั้นแสงจะผ่านเนื้อแก้วเข้าไปสะท้อนกับวัสดุสะท้อนแสงที่ฉาบไว้ด้านหลัง และเกิดการสะท้อนอีกครั้งออกมานอกกระจก ทำให้เกิดภาพซ้อนขึ้นมาสองภาพ ยิ่งกระจกมีเนื้อแก้วหนาเท่าไหร่ภาพที่ซ้อนก็จะยิ่งห่างมากขึ้นจนเห็นได้ชัด

                                       
      ทางแก้คือจะต้องฉาบวัสดุสะท้อนแสงนี้ไว้ด้านหน้าของกระจก โดยทั่วไปเราจะฉาบด้วยอลูมิเนียมซึ่งมีราคาถูกกว่ามีค่าการสะท้อนแสงราว 88%-92% ในขณะที่เงิน (Silver) ก็มีการนำมาฉาบเป็นสารสะท้อนแสงด้วยซึ่งมีค่าการสะท้อนแสงที่ดีกว่าราว 95%-99% แต่เงินมีราคาแพงกว่า  อลูมิเนียมหรือเงินที่นำมาฉาบด้านหน้ากระจกนั้นจะฉาบไม่หนานัก มีความหนาในระดับไมโครเมตร  การบำรุงรักษาจะทำได้ยาก หากเราเช็ดหรือล้าง อลูมิเนียมที่ฉาบไว้ก็จะหลุดลอกได้ หรือป้องกันไม่ให้อลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับอ๊อกซิเจนจนขุ่นมัว  กระจกฉาบที่ดีจะต้องมีการเคลือบสารโปร่งแสงไว้ด้านหน้าป้องกันอีกชั้นหนึ่ง ด้วยซิลิกอนไดอ๊อกไซด์ (SiO2)

     กระจกที่ใช้ในวงการ Optics และเป็นส่วนประกอบของกล้องดูดาว  แบ่งออกเป็นแบบใหญ่ๆได้ 3 แบบคือ
  
  กระจกราบ (Flat Mirror)  จะใช้เป็นกระจกสะท้อนเพื่อการหักเหภาพเท่านั้น ซึ่งจะไม่มีกำลังขยาย มักจะใช้เป็นกระจกบานที่สอง (Secondary Mirror) หรือเป็นตัวสะท้อนภาพภายใน Diagonal 
     กระจกนูน (Convex Mirror) จะทำให้เกิดภาพจริงหลังกระจก ใช้เป็นกระจกบานที่สองของกล้องแบบ Cassigrain
     กระจกเว้า (Concave Mirror) เป็นกระจกที่ทำให้เกิดภาพเสมือนอยู่หน้ากระจก เราจึงสามารถมองภาพจากด้านหน้ากระจกได้ จึงใช้เป็นกระจกหลัก (Primary Mirror) ของกล้องแบบสะท้อนแสงและแบบผสม

                     

          ข้อดีของการใช้กระจกคือ ใช้หลักการสะท้อนของแสง จึงไม่มีการผ่านตัวกลางเหมือนเลนซ์ ทำให้ลดปัญหาที่เกิดจาก Chromatic Aberration ได้ แต่ปัญหาและข้อจำกัดของการใช้กระจกก็คือ   การคลาดทางความโค้ง (Spherical Aberration)
    
          การคลาดทางความโค้ง (Spherical Aberration)  เกิดขึ้นจากการขัดผิวของกระจกให้มีความโค้งได้ไม่ดีพอ เมื่อแสงจากวัตถุมากระทบที่กระจก บริเวณขอบ และ กลางกระจก จะมาสะท้อนไปที่จุดโฟกัสคนละจุดกัน ทำให้ภาพมีจุดโฟกัสหลายจุด  เมื่อนำเลนซ์ตามาขยายภาพจะเห็นดาวไม่เป็นจุด แต่มีลักษณะเป็นเส้นยาววิ่งเข้าหาศูนย์กลางภาพ เรียกอาการแบบนี้ว่า  Coma เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับ การคลาดทางความโค้งของเลนซ์
                                  

       การขัดผิวกระจกให้มีความโค้งเพื่อลดอาการ Spherical Aberration  มีอยู่ด้วยกัน 3 แบบคือ
       1)  กระจกแบบ
Spherical เป็นการขัดกระจกแบบทั่วไป มักจะเกิดขึ้นจากการขัดกระจกด้วยมือ ซึ่งไม่สามารถควบคุมความโค้งของผิวกระจกได้  หรือกระจกที่ขัดจากโรงงานแต่ไม่ได้กำหนดความโค้งของผิวกระจกเพื่อให้ต้นทุนต่ำ มักเป็นกระจกที่มีขนาดเล็กๆไม่เกิน 4.5 นิ้ว  กระจกแบบนี้ผิวโค้งมีลักษณะเป็นส่วนหนึ่งของทรงกลม โดยมีจุดโฟกัสอยู่ที่ระยะครึ่งหนึ่งของรัศมีความโค้ง  กระจกที่มีความโค้งแบบ Spherical นี้จะมีอาการคลาดทางความโค้งสูงมาก โดยเฉพาะกระจกที่มีความยาวโฟกัสสั้นๆ  ทางเลือกที่จะใช้กระจกที่ความโค้งแบบ Spherical นี้จะต้องเลือกที่ความยาวโฟกัสสูงๆไว้ก่อน หรือ ค่า F ratio สูงๆเข้าไว้ (F ratio =  Focal lenght / Diameter)  จะทำให้อาการคลาดทางความโค้งมีน้อยลง  แต่เราก็สามารถคำนวนหาความสัมพันธ์ของค่าความยาวโฟกัส และ ขนาดของกระจก เพื่อให้มีอาการคลาดทางความโค้งน้อยที่สุดได้  จากสูตร       FL3  =88.6 D4    เมื่อ D คือขนาดของกระจก
         ซึ่งสรุปเป็นตารางได้คือ
         

ขนาดกระจก (นิ้ว) ความยาวโฟกัส (นิ้ว) ค่า F ratio
3.0 18 6.3
4.5 33 7.3
6.0 49 8.2
8.0 72 9.0
10.0 96 9.6

        นั่นคือ หากเรามีความจำเป็นที่จะต้องเลือกใช้กล้องที่ใช้กระจกแบบ Spherical  ถ้าหน้ากล้องมีขนาด 6 นิ้ว เราควรเลือกกระจกที่มีค่า F ratio สูงตั้งแต่ 8.2 ขึ้นไป จึงจะทำให้มีอาการคลาดทางความโค้งน้อยที่สุด (แต่ไม่ได้หมายความว่าไม่มี)
    
       2)  กระจกแบบ Paraboric  ความโค้งแบบพาราโบล่า จะต้องใช้เครื่องจักรขัดและควบคุมความโค้งของผิวกระจกเท่านั้น ทำให้กระจกแบบนี้มีราคาแพงกว่าแบบ Spherical  ตัวอย่างของความโค้งแบบพาราโบล่าได้แก่ ผิวโค้งของจานรับสัญญาณดาวเทียม ซึ่งจะทำให้มีผิวโค้ง และมีจุดโฟกัสของทุกตำแหน่งผิวอยู่ที่ตัวรับสัญญาณ จึงจะทำให้จานรับสัญญาณดาวเทียมนั้นมีประสิทธิภาพสูงที่สุด   หลักการของกระจกเองก็เช่นกัน กระจกที่มีผิวโค้งแบบพาราโบล่านี้จะลดอาการคลาดทางความโค้งได้เกือบ 100 ปัจจุบันกระจกส่วนใหญ่ที่ขัดจากโรงงานจะมีความโค้งแบบพาราโบล่า
                                            

       3)  กระจกแบบ Hyperboric   ความโค้งแบบไฮเปอร์โบล่า เป็นการขัดกระจกที่แก้ปัญหาเรื่อง Coma ได้ดีเยี่ยมมักจะใช้กันในกล้องที่ต้องการกระจกขนาดใหญ่ และมีราคาสูงที่สุดในบรรดากระจกทั้ง 3 แบบ  กล้องที่ใช้กระจกโค้งแบบ Hyperboric ได้แก่กล้องแบบริชชี่-คาร์เทียร์ (RCT)
      

 

 


เรื่องของเลนซ์

โดย Skywatcher