QHKT Báo cáo môn học về máy ảnh và kính viễn vọng

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Quang học kỹ thuật NGHIÊN CỨU VỀ MÁY ẢNH VÀ KÍNH VIỄN VỌNG Thành viên: Nguyễn Tuấn Anh Nguyễn Quốc Chiến Ngô Sỹ Dũng MSSV: 2016 MSSV: 2016 MSSV: 20164849 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Mục lục I.Máy ảnh I.1.Lịch sử phát triển I.2 Cấu tạo I.2.1 Ống kính I.2.2 Gương phản xạ hệ thống gương phức hợp ngắm chụp I.2.3 Ống ngắm I.2.4 Cửa chập mành chập I.2.5 Bản phim I.3 Nguyên lý hoạt động máy ảnh I.3.1 Máy ảnh I.3.2 Máy ảnh DSLR 10 I.3.3 Máy ảnh Mirrorless 10 I.4 Các thông số đặc trưng máy ảnh 11 I.4.1 Tiêu cự 11 I.4.2 Khẩu độ tối đa 12 I.4.3 Khoảng lấy nét 13 I.4.4 Đường kính ống kính/kích cỡ kính lọc 14 I.4.5 Vòng xoay độ 15 I.4.6 Khoảng cách siêu lấy nét (Hyperfocal Distance) 16 I.4.7 Tốc độ chụp 17 I.4.8 Độ nhạy sang 18 I.5 Xu hướng phát triển dụng cụ quang máy ảnh 18 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội I.5.1 Sự lật đổ Mirrorless DSLR 18 I.5.2 Sự phát triển thiết bị quang điện tử 19 I.6 Tiểu kết 20 II.Kính viễn vọng 21 II.1 Lịch sử phát triển kính viễn vọng 21 II.2 Các kính viễn vọng quang học 22 II.2.1 Kính thiên văn khúc xạ 22 II.2.2 Kính viễn vọng phản xạ 23 II.2.3 Kính thiên văn tổng hợp 24 II.3 Kính viễn vọng phi quang học 25 II.3.1 Kính viễn vọng tia gamma 25 II.3.2 Kính thiên văn tia X 25 II.3.3 Kính viễn vọng tử ngoại 25 II.3.4 Kính thiên văn hồng ngoại 26 II.3.5 Kính viễn vọng vô tuyến 27 II.4 Các thành tựu hướng phát triển kính quang học 28 II.5 Tiểu kết 30 Tài liệu tham khảo 31 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội I Máy ảnh I.1 Lịch sử phát triển Tiền thân máy ảnh "phòng tối" (camera obscura) Vào kỉ trước công nguyên, nhà triết học Trung Quốc Mặc Tử nhận thấy ánh sáng qua lỗ trống vung tối tạo ảnh đảo ngược ảnh tập trung Mặc Tử người khai thác tượng để tạo ảnh đảo ngược Vào kỉ trước công nguyên, Aristote đề cập đến nguyên lý Ông miêu tả quan sát nhật thực phần vào năm 330 trước cơng ngun cắch nhìn ảnh Mặt Trời chiếu qua khoảng trống Vào kỉ thứ 10, học giả người Ả Rập Idn alHaytham (Alhazen) viết việc quan sát nhật thực qua lỗ trống Ông miêu tả khả làm cho hình ảnh rõ nét thu nhỏ lỗ trống Triết gia người anh Roger Bacon viết quang lý năm 1267 luận "Perspectiva" Vào kỉ 15, họa sĩ nhà khoa học sử dung tượng việc quan sát Đầu tiên, người quan sát phải vào phòng có lỗ trống tường Ở phía tường đối diện, người quan sát nhìn thấy ảnh đảo ngược Tên gọi camera obscura, tiếng La-tin cho "phòng tối", đời từ ứng dụng Thuật ngữ đặt nhà toán học, thiên văn học Johannes Kepler "Ad Vitellionem pallipparalipomena" vào năm 1604 Ảnh cố định chụp năm 1826 Joseph Nicéphore Niépce máy ảnh hộp gỗ Charles and Vincent Chevalier làm Paris Niépce dựa phát Johann Heinrich Schultz (năm 1724): hỗn hợp bạc phấn bị đen lại gặp ánh sáng Tuy nhiên, thời điểm bắt đầu nhiếp ảnh, máy ảnh sớm Trước phát minh phim ảnh khơng có cách để giữ lại ảnh từ máy ảnh cách đồ lại tay Máy ảnh đủ nhỏ mang để chụp ảnh làm Johann Zahn năm 1685, gần 150 năm trước kỹ thuật đủ sức làm ảnh Các máy ảnh giống máy Zahn, thường có thêm hộp trượt ra-vào để lấy nét Mỗi lần thu hình, chất nhạy sáng đặt vào chỗ ảnh ngắm Quy trình daguerreotype Jacques Daguerre dùng đồng, quy trình calotype William Fox Talbot phát minh thu hình lên giấy Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Frederick Scott Archer tìm quy trình collodion ướt năm 1850, làm giảm đáng kể thời gian rọi sáng, người chụp phải tự chuẩn bị kính phòng tối di động trước chụp Các quy trình ambrotype tintype ướt phổ biến nửa sau kỷ 19 chúng phức tạp Các loại máy ảnh chụp ướt khác kiểu máy trước, có vài kiểu cho phép đặt nhạy sáng bên máy thay phòng tối rời (ví dụ kiểu máy Dubroni năm 1864) Một số máy ảnh có nhiều ống kính để chụp ảnh cỡ danh thiếp Kiểu máy chụp với phần thân xếp co giãn để lấy nét trở nên phổ biến thời kỳ chụp ảnh ướt Cuối cùng, vào năm 1888 người ta thấy thị trường xuất máy ảnh đại hãng Eastman Dry Play and Film Chiếc máy nạp sẵn phim rộng 6cm đủ để chụp 100 kiểu ảnh Sau chụp hết phim, máy ảnh trả cho công ty để lấy phim in tráng! Sau đó, nạp lại phim trả cho khách hàng Ảnh số chụp vào tháng 12 năm 1975 máy hãng East man Kodak Máy dùng cảm biến CCD Fairchild Semiconductor làm năm 1973 Máy nặng 3,6Kg, chụp ảnh trắng đen có độ phân giải 10.000 Pixela ghi vào băng từ Chụp ảnh 23 giây Máy chụp ảnh số trông giống máy chụp ảnh thường máy Sony Magica (Magnetic Video Camera) sản xuất năm 1981 Mãi tới năm 1984 Canon giới thiệu Canon RC-701, máy chụp ảnh điện tử Analogue Máy ảnh số thật Fuji DS-1P vào năm 1988, hình chụp ghi vào thẻ nhớ 16MB (phải nuôi nhớ pin) Máy ảnh số bán rộng rãi Kodak DSC-100 năm 1991 Nó có độ phân giải 1,3MP giá 13.000$ Máy chụp ảnh số có hình tinh thể lỏng Casio QC-10 năm 1995 Máy chụp ảnh số dùng Compact Flash Kodak DC-25 năm 1996 Máy chụp ảnh số loại bình dân đạt đến độ phân giải 1MP vào năm 1997 Máy chụp ảnh số ghi ảnh động Ricoh RCD-1 năm 1995 Năm 1999, Nikon giới thiệu Nikon D1, máy chụp ảnh DS LR với độ phân giải 2,74MP, có giá 6.000$ (giá chấp nhận nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp giới chơi ảnh nhiều tiền) Máy dùng ống kính theo chuẩn Nikon F5 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội mount giống máy chụp ảnh phim Năm 2003, Canon cho đời Canon Digital Rebel, gọi 300D, có độ phân giải 6MP DSLR có giá 1.000$ Và ngày nay, bạn thấy hàng loạt loại máy ảnh với thiết kế chức ngày cải thiện Đồng thời, với đời smartphone, việc chụp ảnh trở nên dễ dàng hết Tuy nhiên người đam mê nhiếp ảnh thực thụ khơng có thay máy ảnh thật Nhờ mà cơng nghệ sản xuất máy ảnh chưa lỗi thời I.2 Cấu tạo Các máy ảnh truyền thống sử dụng phim để ghi lại hình ảnh có cấu tạo giống nhau, gồm phận: – Ống kính (lens) – Gương phản xạ và hệ thống gương phức hợp ngắm chụp (relex mirror and prism) – Ống ngắm (view finder) – Cửa chập có mành chập (shutter/ shutter curtains) – Bản phim (film/ film plane) Trường đại học Bách Khoa Hà Nội I.2.1 Ống kính Ống kính cấu tạo nhiều thấu kính (lens) Trên ống kính có hệ thống nét để điều chỉnh hình ảnh phản chiếu lên phim cho rõ nét (focusing) Trong ống kính có lỗ cho ánh sáng lọt qua (apature) cấu tạo để điều chỉnh mở to nhỏ điều tiết ánh sáng nhiều hay qua Các ống phóng (zoom) có hệ thống mở to hay thu nhỏ góc ảnh cách điều chỉnh tiêu cự ống (focal length) I.2.2 Gương phản xạ hệ thống gương phức hợp ngắm chụp Do người chụp ngắm chụp trực đường thẳng xun qua ống kính vướng phim, để người chụp nhìn thấy hình ảnh góc chụp trước bấm máy, người ta phải bố trí gương phản xạ (relex mirror) sau ống kính (thường theo góc 45 độ Hình ảnh hắt vào gương phản xạ lên hệ thống gương phức hợp (prism), thường đặt phía máy, để từ tới ống ngắm (view finder) đặt phía phim nhìn xun phía sau thân máy Khi bấm chụp, gương phải lật lên để hình ánh theo đường thẳng qua cửa chập tới phim Sau chụp, gương hạ xuống vị trí ban đầu để người chụp ngắm chụp kiểu ảnh I.2.3 Ống ngắm Như nói trên, ống ngắm (view finder) thiết kế giúp người chụp nhìn hình ảnh trước bấm chụp Để ngắm chụp xác hình ảnh ngắm qua ống ngắm phải giống hồn tồn với hình ảnh ghi lên phim Vì phải bố trí hệ thống gương nói để người chụp ngắm qua ống kính – loại máy ảnh gọi máy ảnh ống kính đơn phản xạ (single lens relex / SLR) có ống kính phục vụ mục đính ngắm chụp đồng thời thu nhận hình ảnh chụp lên phim Ở số thiết kế khác, máy ảnh bố trí hai ống kính khác nhau, ống thu hình ảnh lên phim ống phụ dùng cho ống ngắm chụp – máy không cần gương phản xạ nên cấu tạo thường mỏng nhỏ gọn hơn; máy này, vị trí ống ngắm ống chụp lệch nên tạo tượng thị sai (parallax) nhìn thấy qua ống ngắm khơng hồn tồn giống với hình ảnh thể phim góc nhìn lệch Trường đại học Bách Khoa Hà Nội I.2.4 Cửa chập mành chập Của chập (shutter) phận gồm hay nhiều mành chập (shutter curtains) gắn trước phim, sau gương (và sau ống kính) có nhiệm vụ ngăn ánh sáng không cho tới phim lúc chưa bấm chụp mở (rồi đóng vào nhanh) chụp Cửa chập đóng mở nhanh hay chậm (shutter speed) có mục đính quan trọng điều tiết ánh sáng tới phim; tốc độ kết hợp với độ mở ống kính (apature) để tạo giá trị phơi sáng hình ảnh (exposure value), tức độ sáng tối hình ảnh ghi lại phim Do tốc độ đòi hỏi cửa chập phải đóng mở khoảng thời gian ngắn (thường tính phần giây đồng hồ) nên để đạt tốc độ học nhanh, thường phải bố trí hai hay nhiều mành chập (shutter curtains) có mành mở lên đóng xuống mặt học, khơng thể đạt tốc độ cao mong muốn Quả thật điều kỳ diệu công nghệ học ta thấy cửa chập máy ảnh ngày đạt tới tốc tộ mở – đóng – lên tới 1/8000 giây I.2.5 Bản phim Bản phim – hay gọi ngắn gọn phim – bố trí sau máy ảnh tính theo hướng ánh sáng phản xạ từ hình ảnh chụp: hình ảnh > ống kính > gương phản xạ > (gương lật lên) > cửa chập > (cửa chập mở ra) > phim Phim nhựa chế tạo cách phủ lên nhựa suốt loại hóa chất – thường có chứa bạc kim loại (silver halide) – có khả phản ứng hóa học gặp ánh sáng để ghi nhận hình ảnh qua ánh sáng phản xạ từ vật thể chụp lên phim Đặc tính hạt hóa chất (particles) độ mịn cao khả bắt sáng thấp, từ có khái niệm ISO, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế qui định (International Organization for Standardization / ISO) Chỉ số ISO qui định độ nhạy (bắt sáng) phim Phim có ISO cao có khả bắt sáng cao giúp chụp hình ảnh điều kiện ánh sáng – dùng phim ISO cao, tăng tốc độ chụp lên cao, giúp dừng hình (freeze motions) hình ảnh chuyển động nhanh – ví dụ thể thao Điều cần lưu ý để chế tạo phim khả bắt sáng cao phải sử dụng hóa chất có độ mịn thấp (các hạt hóa chất to hơn) nên phóng to hình ảnh bị nhiễu (noise) tức hình ảnh bị sần với chấm điểm ánh sáng không đồng màu sắc ảnh hưởng độ mịn hạt hóa chất sử dụng làm phim Đối với phim màu, thay phủ lớp hóa chất, người ta phải phủ chồng lên ba lớp hóa chất có khả phản ứng (hóa Trường đại học Bách Khoa Hà Nội học) với ba màu ánh sáng khác (3 màu bản) để từ tạo màu sắc cho hình ảnh ghi nhận phim Ngày nay, với công nghệ kỹ thuật số (KTS) người ta thay phim cảm biến (sensor) có khả phản ứng với ánh sáng phim, hình ảnh số hóa lưu vào nhớ máy ảnh (memory) thẻ nhớ (memory stick) Các khái niệm phim áp dụng y nguyên cho cảm biến số, máy KTS có giá trị ISO (độ nhạy) nhiễu màu (noise) phim nhựa truyền thống Tất chế khác hầu hết tương tự máy ảnh ống kính đơn phản xạ (SLR) nên máy ảnh KTS gọi máy ảnh KTS ống kính đơn phản xạ (D-SLR/ DSLR/ dSLR) I.3 Nguyên lý hoạt động máy ảnh Về máy ảnh hộp kín, khơng lọt sáng, đầu có lỗ hở để ánh sáng vào, đầu phận chứa phim cảm biến ảnh Nó tạo hình ảnh cách tích tụ tia sáng phản xạ từ cảnh vật rọi thành hình ảnh bề mặt phim có độ nhạy sáng cảm biến hình ảnh I.3.1 Máy ảnh Chúng ta quan sát chủ thể ảnh thông qua hệ ống ngắm quang học Ấn nút chụp hình, gương lật lật lên để ánh sáng từ chủ thể vào buồng tối máy ảnh, phim máy ảnh làm từ chất nhạy sáng, hạt sáng bị hấp thụ vào hình ảnh ghi lại Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Sau chụp ảnh lưu lại phim, sau trình xử lý phim ta thu ảnh I.3.2 Máy ảnh DSRL Quan sát chủ thể qua ống ngắm hệ thống quang học, gương lật nằm chéo Ấn nút chụp ảnh, gương lật lên để ánh sáng từ chủ thể vào máy qua hệ quang học lens body máy,màn chập mở ánh sáng lưu lại cảm biến máy ảnh, ảnh cảm biến xử lý hình LCD máy Sau cảm biến xử lý ảnh xong gương lật hạ xuống kết thúc trình chụp ảnh I.3.3 Máy ảnh Mirrorless 10 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Thông số khoảng cách siêu lấy nét cho bạn biết phần ảnh bạn nằm vùng nét mức độ khác Trong ảnh trên, độ chọn f16, khoảng lấy nét m (15 ft) Khi bạn nhìn vào dòng số cho biết khoảng siêu lấy nét, bạn thấy số 16 bên trái bên phải Vạch tương ứng với số 16 bên trái cho biết khoảng cách từ máy tới điểm gần nằm vùng nét đặt khoảng lấy nét mét f16 Trong trường hợp này, số 2,75 m Vạch tương ứng với số 16 bên phải tương ứng với vô cực Như vậy, f16 bạn lấy khoảng từ 2,75 m tới vơ cực vùng nét Có thể thấy, từ dòng số khoảng siêu lấy nét, vơ cực tương ứng với số 16 bên phải, bạn có DOF rộng f16 lấy nét m Lưu ý bạn khơng lấy nét vật thể, thay vào chọn vùng nét cách xoay vòng lấy nét Nếu bạn lấy nét vô cực, vùng nét nằm từ khoảng cách mét tới vô cực (ước tính), song lấy nét m vơ cực không nằm vùng nét Dấu chấm màu đỏ ống kính điểm lấy nét chụp phim hồng ngoại Khi chụp phim hồng ngoại, bạn phải chọn điểm lấy nét khác thơng thường dải sáng hồng ngoại khác với mắt người nhìn thấy I.4.7 Tốc độ chụp Tốc độ chụp thời gian chập mở để ánh sáng vào cảm biến Kí hiệu: 1’, 1/5, 1/10, Tốc độ chụp nhanh ảnh thu tối ngược lại Ngoài tốc độ nhanh hiệu ứng thu “ đóng băng chuyển động ” Tốc độ chụp chậm hiệu ứng thu “ dòng sơng mượt mà ” 1s 1/4000 17 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội I.4.8 Độ nhạy sang ISO độ nhạy sáng cảm biến máy ảnh ( máy ảnh phim ISO gắn với cuộn phim) Các giá trị phổ biến: 100, 200, 600 ISO lớn ảnh sáng sảy nhiễu hạt ISO 100 ISO 1600 ISO 25600 I.5 Xu hướng phát triển dụng cụ quang máy ảnh Trong tương lai, dựng cụ quang học cổ điển cạnh tranh với thiết bị quang điện tử đại Ngoại trừ dụng cụ quang lens máy ảnh gần nhưu dụng cụ khác bị thay hoàn toàn I.5.1 Sự lật đổ Mirrorless DSLR Sự thay hệ thống kính ngắm điện tử thay cho kính ngắm quang học Doanh số DSLR tụt dốc qua năm Ảnh: CIPA 18 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Máy ảnh khơng gương lật có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ hơn, tốc độ chụp lớn nhiều máy ảnh có gương lật hệ thống chập điện tử thay thể cho gương lật truyền thống Chất lượng ảnh gần tương đương Các máy ảnh phim hồi niệm, nhiếp ảnh gia sử dụng chúng niềm đam mê với nhiếp ảnh I.5.2 Sự phát triển thiết bị quang điện tử Các thiết bị quang điện tử liên tục cải tiến cho kích thước nhỏ bé hiệu chụp ảnh tốt nhiều Cảm biến máy ảnh cho chất lượng hình ảnh lên tới cỡ gigapixel Tốc độ chụp nhanh hơn: Dòng máy Fujifilm X-T3 có tốc độ chụp nhanh chưa có 30 khung hình 1s gấp đơi DSLR tốt nay.Với tốc độ chuỗi ảnh liên tiếp mượt video Cảm biến ống kính giúp chụp ảnh 360 độ 19 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội I.6 Tiểu kết  Từ đời máy ảnh chứng minh giá trị xử dụng to lớn mà cho dù sau smartphone phát thay  Trong suốt chiều dài lịch sử máy ảnh liên tục phát triển từ dòng máy chụp phim tới máy ảnh kĩ thuật số sử dụng cảm biến tương lai kỉ nguyên dòng máy Mirrorless  Các ứng dụng quang học dù dạng khí hay quang điện tử đại ln đóng vai trò chủ đạo máy ảnh II.Kính viễn vọng 20 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội II.1 Lịch sử phát triển kính viễn vọng Vào năm 1608 kính thiên văn tạo Chỉ phát tình cờ đặt hai kính đồng trục giúp ơng quan sát vật xa cách bình thường Ơng thợ kính người Hà Lan Hans Lippershey Để tập trung nghiên cứu cải thiện loại kính ơng gác lại cơng việc thường ngày Sau nhiều thử nghiệm cuối Hans Lippershey cho đời “ Ống ma thuật Lippershey” Chiếc kính thiên văn vào thời kì có số gác khoảng từ 3-5 Sau đó, nhà vật lí người Ý Galileo cải tiến kính thiên văn Lipershey có độ phóng đại 30 lần Nó thiết kế dài 130cm, thấu kính hội tụ có tiêu cự 120cm 4-5cm Chiếc kính thiên văn mở trang cho lịch sử kính thiên văn ngành khoa học vật lí thiên văn Nhờ Galileo quan sát lồi lõm Mặt Trăng, vệ tinh xunh quanh Mộc…Và ông chống lại quan điểm nhà thờ cho Trái Đất trung tâm (cái rốn) vũ trụ Nhà tốn học Kepple tìm hiểu cải tiến kính thiên văn Galileo để mở rộng vòng quan sát ảnh Và từ kính thiên văn Kepple đời Hạn chế hình ảnh quan sát to lại bị mờ màu sắc bị nhiễu.Nhờ mà thương số tiêu cự vật kính thị kính (f1/f2) bội giác kính thiên văn Với cải tiến quan trọng mà thiên văn học bước vào chạy đua chế tạo kính thiên văn khám phá Hệ mặt trời.Ngay sau hàng loạt hành tinh lớn 21 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội tìm Năm 1655 tìm Titan-vệ tinh lớn Thổ Năm 1665, Giovanni Cassini phát Đốm đỏ lớn Mộc kính thiên văn dài 10.7m Dấu mốc quan trọng thiên văn học phát minh Newton vào năm 1668 Ơng chế tạo thành cơng kính thiên văn phản xạ sử dụng gương cầu lõm Kính thiên văn phản xạ cho hình ảnh có độ phân giải cao nhiều so với kính thiên văn khúc xạ Chiếc kính thiên văn phản xạ khổng lồ nhà thiên văn Ai Len William Parsons Nó có đường kính khoảng 1,8m , tiêu cự 17m Phôi gương đúc dày gần 15cm nặng Phát minh giúp ơng tìm tinh vân, dạng xoắn ốc số thiên hà Năm 1930 Karl Jansky chế tạo kính viễn vọng vơ tuyến đầu tiên.Năm 1959 Kính thiên văn hồng ngoại phát minh Harold Johnson.Năm 1962 lần kính thiên văn đưa ngồi vũ trụ.mNăm 1965 Giaconi chế tạo kính thiên văn tia X II.2 Các kính viễn vọng quang học II.2.1 Kính thiên văn khúc xạ Kính viễn vọng khúc xạ loại kính viễn vọng dùng thấu kính để thay đổi đường truyền xạ điện từ, thông qua tượng khúc xạ, tạo ảnh rõ nét vật thể xa Một kính viễn vọng khúc xạ Galileo (1564–1642) chế tạo, sử dụng vật kính, thấu kính hội tụ để gom tia sáng vào mặt phẳng cách thấu kính hội tụ khoảng gọi tiêu cự Ánh sáng bị khúc xạ tạo ảnh nhỏ hay hành tinh Kế tiếp, ảnh qua thị kính, kính Galileo thấu kính phân kì Hiện nay, ảnh qua vật kính phóng đại qua thị kính thấu kính hội tụ 22 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Khi ánh sáng qua thấu kính lồi tượng khúc xạ tụ lại điểm gọi tiêu điểm Khoảng cách từ thấu kính đến tiêu điểm gọi tiêu cự Kính thiên văn khúc xạ dùng hai thấu kính, thấu kính vật kính hai thấu kính thị kính Thấu kính vật kính đưa chùm ánh sáng có hình ảnh vật xa hội tụ vào tiêu điểm Thấu kính thị kính làm tỏa ánh sáng từ tiêu điểm mắt thường nhìn thấy hình ảnh Độ phóng đại vật tính theo cơng thức: G = f1 / f2 Ưu điểm kính khúc xạ:  Độ tương phản độ sắc nét hình ảnh tuyệt vời  Kết cấu khí chắn; khớp nối dễ lắp đặt  Dễ sử dụng Nhược điểm kính khúc xạ:  Khẩu độ nhỏ so với giá tiền  Bị màu lỗi (sắc sai) với thấu kính vơ sắc II.2.2 Kính viễn vọng phản xạ Kính viễn vọng phản xạ hoạt động dựa tảo ảnh vật xa gương, thông qua tượng phản xạ xạ điện từ Một kính viễn vọng phản xạ nhà thiên văn người Scotland James Gregory phát minh năm 1663, dùng mặt gương lõm hội tụ thay thấu kính hội tụ để thu gom ánh sáng tới tạo ảnh Ảnh thu thập hay phóng đại thêm qua gương phụ trợ Kính viễn vọng phản xạ có ưu điểm lớn tránh tượng tán sắc 23 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Khác với kính thiên văn khúc xạ, kính thiên văn phản xạ sử dụng gương cầu lõm.Khi ánh sáng qua gương cầu bị phản xạ hội tụ tiêu điểm gương Chùm tia phản xạ qua gương phẳng đặt hướng chéo góc 45 độ hướng thẳng lên thị kính.Thị kính hệ thấu kính hội tụ chiếu chùm tia sáng đến mắt người dùng Độ phóng đại kính thiên văn phản xạ tính cơng thức: G = f1/f2 II.2.3 Kính thiên văn tổng hợp Năm 1930, Bernard Schmidt thêm vào bước ngoặt Ông kết hợp gương cầu đơn giản với thấu kính có hình dạng đặc biệt đầu ống kính để hiệu chỉnh cầu sai (spherical aberration) Tại mặt phẳng tiêu cự, ông đặt mẩu phim ảnh Cách bố trí gọi máy ảnh Schmidt Nó dùng cho việc chụp ảnh trường rộng bầu trời Sau vào năm 1946, kiến trúc sư họa sĩ có tên Roger Hayward đặt gương lồi đằng sau thấu kính hiệu chỉnh để gửi ánh sáng phía sau ống kính đến thị kính máy ảnh Một công ty tên Celestron xây dựng thiết kế phát triển kỹ thuật chế tạo để sản xuất loại kính mà ngày gọi kính thiên văn Schmidt-Cassegrain (SCT) với số lượng lớn Điều làm nên cách mKhi ánh sáng chiếu tới gương sơ cấp bị phản xạ đến gương thứ cấp Kính thiên văn tổng hợp hoạt động theo cở chế chùm tia phản xạ đến gương thứ cấp tiếp tục bị phản xạ,chùm tia sang hướng tới gương đặt chéo 45 độ hướng lên thị kính độ phóng đại kính tính theo cơng thức: G= p/p’ 24 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội II.3 Kính viễn vọng phi quang học II.3.1 Kính viễn vọng tia gamma Kính phát xạ bước sóng ngắn xạ vũ trụ Những tia Gamma vào kính, xuyên qua phận phát hạt điện tích qua lớp vật liệu để biến đổi tia gamma thành hạt điện tử e-và phản điện tử e+ Các điện tử phản điện tử có điện tích, gây phóng điện hạt điện tích xun qua buồng phóng điện phần kính.Các phận phát đo sáng đặt dứoi đáy ống kính để ghi nhận phóng điện Các kính thiên văn tia gamma tiếng: Compton Gamma Ray Observatory (GRO)(1991), BeppoSAX (1996), International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL)(2002) II.3.2 Kính thiên văn tia X Để quan sát tia X vũ trụ, nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn đặc biệt vũ trụ tia X bị hấp thụ bầu khí Tia X có bước sóng ngắn nên thấu kính khơng thể khúc xạ bẻ cong tia sáng nhìn thấy Tuy nhiên, tia phản xạ gặp mặt kim loại Kính thiên văn tia X thường sử dụng gương trụ đồng tâm để tập trung tia X đến phát Các kính thiên văn tia X: Uhuru (1970), High Energy Astronomy Observatories (HEAO) (1970), HEAO gọi đài thiên văn Einstein, Roentgen Satellite (ROSAT) (1990), Chandra X-Ray Observatory(1999) II.3.3 Kính viễn vọng tử ngoại Các liệu tia cực tím mang lại giúp cho ta thêm nhiều kiến thức vũ trụ, bao gồm thông tin vật chất sao, thiên hà, cấu trúc bên ngồi sao, phương thức di chuyển tương tác đôi, nguyên lý vật lý Quarsa thiên hà khác Các kính thiên văn thường phải đưa lên độ cao 40km vượt lên tầng ozon Người ta dùng khinh khí cầu, hoả tiễn, vệ tinh nhân tạo để đưa kính lên kính thiên văn tia cực tím tiếng kể đến: Orbiting Astronomical Observatory (1968), Copernicus (1972), TD-1 European Satellite (1972), 25 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Astronomical Netherlands Satellite (1974), International Ultraviolet Explorer, Hubble Space Telescope (1990), Extreme Ultraviolet Explorer (1992) II.3.4 Kính thiên văn hồng ngoại Kính thiên văn hồng ngoại có cấu trúc giống với kính thiên văn quang học thông thường Tia hồng ngoại tập trung phản xạ từ gương Parabol lớn đến gương phản xạ thứ hai, nhỏ nhiều, tiếp tục phản xạ đến vị trí thiết bị đo lường dò (Như máy chụp hình, quay phim máy phân tích quang phổ) Thơng thường, gương phản xạ thứ hai nhỏ, mạ vàng, vàng phản xạ tia hồng ngoại tốt nhiều so với gương phủ nhôm truyền thống Gương thứ cấp thiết kế cho di chuyển tới trước sau nhanh chóng, đến 20 lần / giây, cho phép dò thiết bị đo lường phát so sánh tín hiệu từ nguồn phát hồng ngoại với tia kết hợp nguồn phát tín hiệu Kỹ thuật gọi “chopping” dùng để phát tín hiệu bé ngơi tín hiệu lớn Các kính thiên văn hồng ngoại thường có cấu trúc hở, khơng có ống sơn đen hộp kín thường thấy kính thiên văn quang học thơng thường, cấu trúc phát tia hồng ngoại Các phận khác kính thiên văn hồng ngoại cần phải làm mát tốt để hạ nhiệt độ xuống thấp ngăn ngừa tia hồng ngoại tạo nhiệt độ thiết bị Những tia gây ảnh hưởng làm sai lạc kết quan sát Trong năm gần đây, thiên văn học hồng ngoại làm nên cách mạng đưa hình ảnh từ vật thể nhỏ giúp cho dễ dàng tạo hình ảnh từ tia khơng nhìn thấy thể chúng lên hình máy tính Một kính thiên văn hồng ngoại lớn giới kính thiên văn mặt đất có đường kính 3,8 m, có tên United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) kính thiên văn NASA đường kính m có tên Infrared Telescope Facility (IRTF) đặt đài thiên văn Mauna Kea Hawaii, độ cao 14400feet (khoảng 4300m) thập niên 70 Các kính thiên văn hồng ngoại tiếng khác là: 26 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Vệ tinh thiên văn hồng ngoại Infrared Astronomical Satellite (IRAS) phóng lên năm 1983 với hợp tác Mỹ, Anh Netherland Đài thiên văn hồng ngoại Infrared Space Observatory (ISO) tháng 12 năm 1995 Ngoài ra, hầu hết đài thiên văn vũ trụ khác mà ta nhắc đến kính thiên văn vũ trụ Hubble 1997, kính thiên văn vũ trụ Spitzer Space Telescope 2003 Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) có trang bị thành phần để khảo sát tia hồng ngoaị SOFIA máy bay Boeing 747, cải tạo lại, có mangtheo kính thiên văn hồng ngoại 2,5m, theo dự kiến ban đầu nghiệm thu năm 2004 - 2005 II.3.5 Kính viễn vọng vơ tuyến Bước sóng sóng điện từ dài Thay đổi từ mm đến km Do kính thiên văn sóng điện từ phải có kích thước lớn để tập trung tia thành hình dạng sắc nét Kính điện từ tĩnh lớn giới kính Arecibo Observatory đặt Puerto Rico, đĩa Parabol có đường kính 305 m Kính thiên văn xoay chuyển lớn đĩa Parabole có đường kính từ 50 đến 100 m kính có độ phân giải tính theo góc nhìn khoảng phút góc tương đương với góc nhìn tối đa mắt thường nhìn ánh sáng thấy Các sóng điện từ tập trung từ đĩa parabol đến ăng ten sừng nhỏ đưa tín hiệu đến máy thu Máy thu có nguyên lý tương tự với máy thu dân dụng, phát tín hiệu nhỏ đến 10 ^ -17 watt Những chi tiết quan trọng phải làm lạnh xuống gần với độ tuyệt đối, để có hiệu cao Để bao qt tồn phổ, máy thu phải có khả tinh chỉnh liên tục đến 1000 tần số khác Mỗi ăng ten quan sát điệm bầu trời Do nhạy với sóng có bước sóng dài, nên độ phân giải thấp Để có độ phân giải cao hơn, người ta ứng dụng phép giao thoa nhiều ăng ten với nhau, hướng đến đối tượng Với kết hợp theo kỹ thuật cho độ phân giải đến góc giây, tương đương với kính thiên văn quang học cỡ lớn Kính thiên văn sóng điện từ lớn kiểu kính Very Large Array (VLA), toạ lạc khu biệt lập gần Socorro, New Mexico Kính VLA gồm có 27 đĩa Parabol, 25 m, cếp thành hình cánh, cánh 21 km Mỗi ăng ten có máy thu riêng biệt, tín hiệu từ 27 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội máy thu gởi đến nhà trung tâm để xử lý kết hợp với thành hình ảnh vơ tuyến có độ phân giải cao Sự kết hợp sử dụng kỹ thuật gọi kỹ thuật aperture synthesis Các kính khác sử dụng kỹ thuật giao thoa để có tương đương với kính khổng lồ kính thiên văn vô tuyến đặt Cambridge, Anh quốc, sử dụng đến 60 ăng ten để phát sóng điện từ có bước sóng đến m II.4 Các thành tựu hướng phát triển kính quang học Kính viễn vọng quang học loại kính viễn vọng giới kính viễn vọng quang học giúp người nhận biết giới trung tâm vũ trụ.Kính viễn vọng quang học giúp người nhìn thấy hành tinh khác hệ mặt trời, giải thích nhiều thắc mắc người với vật chất ngồi trái đất,… Kính thiên văn loại khúc xạ dùng loại nhỏ, di động dành cho nhà nghiên cứu thiên văn khơng chun nghiệp Các loại kính thiên văn chun nghiệp lớn 100cm đa số chuyển sang loại kính phản xạ Kính Mc Donald Texas 208 cm, kính Lich 254cm, kính Paloma California 508cm chế tạo theo nguyên lý phản xạ Mặt phản xạ gương lõm Parabol, làm thuỷ tinh mài bóng xác phủ lớp phản xạ bạc nhôm Các tia sáng từ hành tinh xa xôi vào mặt gương lõm, phản xạ đến tiêu điểm Tại người ta quan sát trực tiếp Một số kính để thuận tiện, người ta bố trí gương phẳng xiên 45 độ để phản chiếu ánh sáng sang bên hộng, gọi tiêu điểm Newton Một số loại khác, người ta đặt gương lồi gần tiêu điểm để phản chiếu ngược trở lỗ nhỏ tâm gương parabol Loại gọi tiêu điểm Cassegrain Ngoài ra, người ta chế tạo kính có hệ thống gương phản xạ phức tạp, nhằm phản xạ tia sáng đến vị trí cố định, cho dù gương quay vị trí Loại gọi loại tiêu Các kính thiên văn lớn thường đặt nhà hình vòm, để bảo vệ khơng bị ảnh hưởng thời tiết mưa nắng, thay đổi nhiệt độ thường xuyên Nhà vòm bố trí cửa mở mái dọc xuống bên hơng để kính quan sát bầu trời từ thiên đỉnh đến đường 28 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội chân trời Đa số nhà vòm quay xung quanh trục với ống kính, để quét khắp nơi bầu trời điểm Coudé Tại tiêu điểm gương, người ta bố trí thị kính để quan sát mắt, máy chụp hình, quay phim, máy đo đạc, máy phân tích quang phổ kính thiên văn đơi Keck kính thiên văn quang học lớn giới, toạ lạc cung thiên văn Mauna Kea Mauna Kea, núi lửa chết Hawaii, độ cao 4,205 m, cho phép quan sát xuất sắc bầu trời đêm, mà không bị ảnh hưởng nguồn sáng nhân tạo thị Cặp kính Keck loại kính phản xạ, sử dụng gương phản xạ khổng lồ bao gồm 36 mảnh riêng biệt.Các mảnh thu gom ánh sáng phản xạ chúng vào tiêu điểm Trong gương, mảnh số 36 mảnh có kích thước đến m Một kỹ thuật quan sát thiên văn quang học kết hợp tín hiệu từ kính thiên văn rời rạc vị trí khác để tạo thành hình ảnh tương đương với hình ảnh có từ kính thiên văn khơng lồ Kỹ thuật gọi giao thoa ánh sáng Năm 2001 cung thiên văn Nam châu Âu tạo giao thoa ánh sáng lớn nhất, ống kính cực lớn Very Large Telescope (VLT), sa mạc Atacama miền nam Chile Ống kính cực lớn VLT kết hợp ánh sáng từ ống kính có đường kính 820 cm với số ống kính khác nhỏ để tạo hình ảnh tương đương với hình ảnh từ ống kính 1.600 cm.Giao thoa ánh sáng sử dụng để phân tích khác biệt nguồn sáng có liên hệ với cặp vật thể gần nhau, thí dụ đơi Các nhà thiên văn hy vọng kỹ thuật cho phép quan sát nguồn sáng Việc quan sát bầu trời kính thiên văn quang học hấp dẫn nhà thiên văn học thời gian dài, kính thiên văn quang học dụng cụ chủ lực Tuy nhiên, thiên hà hành tinh xa xôi, trở lực lớn cho kính thiên văn quang học bầu khí Để giảm bớt điều này, người ta xây dựng đài thiên văn đỉnh núi cao, nơi có khơng khí lỗng Nhưng để loại trừ điều này, người ta đẩy hẳn kính thiên văn lên quỹ đạo gọi kính thiên văn vũ trụ Kính thiên văn Hubble loại kính kiểu Kính thiên văn vũ trụ Hubble loại trừ hiệu ứng biến dạng bầu khí quyển, nhìn thấy hình ảnh chưa có thiên hà xa xơi Kính thiết kế có khả đọc thơng tin nhiều bước sóng khác Nhưng riêng thành phần quang học cho kết 29 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội ngoạn mục Nó tiết lộ nhiều bí mật thiên hà xa xôi nhất, cổ xưa nhất, giúp nhà thiên văn hoàn chỉnh tranh rõ nét hệ mặt trời chúng ta.hành tinh nhỏ cỡ trái đất xa xăm II.5 Tiểu kết Sau 400 năm đời phát triển kính viễn vọng quang học thay đổi nhiều nguyên lý kích thước Mặc dù diện kính viễn vọng phi quang học với độ xác cao khơng thể phủ nhận thành tựu to lớn mà kính viễn vọng quang học mang đến cho sống người không vấn đề thiên văn mà vấn đề lịch sử 30 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tài liệu tham khảo  Optics – Fifth edition – Eugene Hecht  Quang học kỹ thuật – Trần Định Tường, Hoàng Hồng Hải – Nhà xuất     KHKT www.vuanhiepanh.com www.Sciencedirect.com www.thienvanvietnam.com www.wikipedia.org 31