Benjamin Crowell: Quang học - Phần 13

3.3 Quang sai

Sự không hoàn hảo hay biến dạng trong một ảnh được gọi là quang sai. Quang sai có thể do khiếm khuyết trong thấu kính hoặc gương gây ra, nhưng ngay cả với một bề mặt quang hoàn hảo vẫn không tránh khỏi một độ quang sai nào đó. Để thấy rõ nguyên nhân, hãy xét sự gần đúng toán học mà chúng ta đã làm, đó là chiều sâu của độ cong của gương là nhỏ so với d_o và d_i. Vì chỉ có gương phẳng mới thỏa mãn điều kiện gương-nông này một cách hoàn hảo, nên mọi cái gương cong sẽ bị lệch khỏi hành trạng toán học mà chúng ta đã suy luận ra bằng cách giả thuyết điều kiện trên. Có hai loại quang sai chính ở các loại gương cong, và hai loại này cũng xảy ra với thấu kính.

h/ Một cái gương lồi có dạng một quả cầu. Ảnh bị thu nhỏ (M < 1). Hiện tượng này giống với ví dụ 5, nhưng ở đây ảnh bị méo do sự cong của cái gương không nông.

(1) Vật nằm trên trục chính của thấu kính hoặc gương có thể được tạo ảnh chính xác, nhưng những vật nằm ngoài trục có thể bị lệch tiêu điểm hoặc bị biến dạng ảnh. Ở camera, loại quan sát sẽ biểu hiện dưới dạng sự nhòe ảnh hay sự uốn cong ở gần rìa ảnh khi phần ở giữa được hội tụ chính xác. Một ví dụ thuộc loại này nêu trong hình i, và trong ví dụ đặc biệt đó, quang sai không phải là dấu hiệu cho thấy thiết bị có chất lượng thấp hay không thích hợp để sử dụng mà là một hệ quả không thể tránh khỏi của việc cố kéo phẳng một tầm nhìn toàn cảnh; trong giới hạn của ảnh toàn cảnh 360^o, vấn đề sẽ tựa như bài toán biểu diễn bề mặt của Trái đất trên một tấm bản đồ phẳng, công việc không thể hoàn thành nếu không có sự méo ảnh.

(2) Ảnh có thể là sắc nét khi vật nằm ở một cự li nhất định và bị mờ đi khi nó nằm ở những cự li khác. Sự mờ ảnh xảy ra vì các tia sáng không cắt nhau tại cùng một điểm. Nếu chúng ta biết trước khoảng cách của vật đến gương hoặc thấu kính được sử dụng, thì chúng ta có thể tối ưu hóa hình dạng của bề mặt quang học để tạo ảnh sắc nét trong tình huống đó. Chẳng hạn, gương cầu sẽ tạo ra ảnh hoàn chỉnh của một vật nằm tại tâm của mặt cầu, vì mỗi tia sáng bị phản xạ thẳng theo phương bán kính mà nó phát ra. Tuy nhiên, đối với những vật nằm ở những cự li lớn hơn, thì sự tụ ảnh có phần mờ đi. Trong thiên văn học, những vật thể luôn luôn nằm ở xa vô cùng, nên gương cầu là sự chọn lựa tồi đối với kính thiên văn. Một hình dạng khác (parabol) có công dụng tốt hơn trong thiên văn học.

i/ Bức ảnh này được chụp bằng một “thấu kính mắt cá”, loại thấu kính cho trường nhìn cực lớn.

j/ Gương cầu có giá thành chế tạo rẻ nhất, nhưng gương parabol thì tốt hơn trong việc tạo ảnh của những vật ở xa vô cùng. Một mặt cầu có độ cong đồng đều ở mọi chỗ, nhưng mặt parabol thì có bán kính cong hẹp tại tâm và bán kính cong lớn hơn ở hai bên.

Một cách làm giảm quang sai là sử dụng gương hoặc thấu kính có đường kính nhỏ hơn, hoặc chặn mất đa phần ánh sáng bằng một màn chắn có một cái lỗ nhỏ, sao cho chỉ một phần ánh sáng ở gần trục được phép đi qua. Dùng cách nào cũng vậy, chúng ta đang sử dụng một phần nhỏ của thấu kính hoặc gương có độ cong sẽ nông hơn, vì thế làm cho phép gần đúng gương-nông (hay thấu kính mỏng) chính xác hơn. Mắt của bạn làm công việc này bằng cách thu hẹp con ngươi để cái lỗ lọt sáng nhỏ hơn. Ở camera, có sự điều chỉnh tự động hoặc thủ công và việc thu hẹp khe hở ống kính được gọi là “chắn bớt sáng”. Nhược điểm của sự chắn bớt sáng là ánh sáng bị lãng phí nên hình ảnh sẽ mờ hơn hoặc phải sử dụng thời gian phơi sáng lâu hơn.

k/ Mặc dù gương cầu (đường liền nét) không thích hợp cho lắm trong việc quan sát một vật ở xa vô cùng, nhưng chúng ta có thể cải thiện hiệu suất của nó một cách đáng kể bằng cách chặn bớt sáng. Giờ thì chỉ một phần của gương được sử dụng là phần chính giữa, tại đó hình dạng của nó gần như không thể phân biệt với gương parabol (đường đứt nét).

Ở đây, tôi chỉ muốn bạn hiểu đơn giản quang sai là gì, tại sao nó xảy ra, và làm thế nào để giảm bớt, chứ tôi không đề cập chi tiết tới những loại quang sai nhất định.

l/ Kính thiên văn vũ trụ Hubble được đưa lên quỹ đạo với thiết bị quang hỏng vào năm 1990. Cái gương chính của nó được cho là gần như dạng parabol, vì nó một chiếc kính thiên văn, nghĩa là phải tạo ảnh của những vật ở xa vô cùng. Tuy nhiên, nhà thầu Perkin Elmer đã bàn giao một cái gương không hoàn thiện, nên tạo ra quang sai. Bức ảnh lớn cho thấy các nhà du hành đang trực tiếp lặt cái gương điều chỉnh vào năm 1993. Hai bức ảnh nhỏ cho thấy hình ảnh do chiếc kính thiên văn trên chụp trước và sau khi sửa chữa.

Quang học
Benjamin Crowell
Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn