Hướng dẫn chế tạo kính thiên văn khúc xạ

[Manager.RASN]

Tài liệu kỉ niệm 400 năm kính thiên văn - Hưởng ứng Năm Thiên Văn Quốc Tế 2009.

Năm 2009 đã được thế giới chọn là Năm Thiên Văn Quốc Tế để kỉ niệm 400 năm nhà bác học Galileo, người đầu tiên sử dụng kính thiên văn khám phá bầu trời, làm thay đổi nhận thức của loài người về thế giới quan.

Kính thiên văn mà Galileo dùng để quan sát bầu trời là kính thiên văn khúc xạ, có nguyên lý từ "ống nhòm Hà Lan" được phát minh bởi Hans Lippershey, là loại kính dùng các thấu kính để thay đổi đường truyền của ánh sáng, thông qua hiện tượng khúc xạ, tạo ra ảnh khuyếch đại của vật thể ở xa.
Kính thiên văn khúc xạ ngày nay được Kepler (1571-1630) cải tiến từ kính thiên văn đầu tiên do Galileo (1564–1642) chế tạo, sử dụng một vật kính, là thấu kính hội tụ và kế tiếp ảnh được phóng đại qua thị kính, cũng là một thấu kính hội tụ, để quan sát.

Thấu kính hội tụ gom các tia sáng đi qua nó tập trung lại vào một điểm nhỏ, khoảng cách từ điểm này đến thấu kính gọi là tiêu cự.



Cấu tạo chung của kính khúc xạ cực kỳ đơn giản, chỉ gồm có 2 thấu kính hội tụ đặt trên cùng 1 đường thẳng, 1 cái ở đằng trước đối diện với vật thể được quan sát được gọi là vật kính có tiêu cự dài f1; cái ở đằng sau là chỗ mà mắt ta trực tiếp ngắm vào gọi là thị kính có tiêu cự ngắn f2.



Nắm được 2 con số f1 và f2 cho ta một số tính năng cơ bản của 1 KTV khi quan sát các thiên thể ở xa , đó là:
+ Số phóng đại của kính G=f1/f2 (lần)
+ Chiều dài giữa 2 kính d=f1+f2 đơn vị chiều dài

Kính viễn vọng khúc xạ có trở ngại chính là sự tán sắc. Vì thủy tinh hay các vật liệu làm thấu kính có chiết suất khác nhau cho các bước sóng khác nhau. Ví dụ, trong kính thiên văn quang học hoạt động với cơ chế khúc xạ, điều này khiến hình ảnh vật ở xa, ví dụ một vì sao hoặc một hành tinh, được bao quanh bởi những vòng tròn có màu sắc khác nhau.

Chế tạo một kính thiên văn khúc xạ đơn giản
Vật liệu chủ yếu dùng để làm kính là ống nhựa PVC, vừa rẻ và nhẹ. Ngoài ra cần thêm một số vật liệu khác như gỗ thanh để làm chân, 3 tấm gỗ nhỏ để làm đế, một ít băng keo xốp hoặc bìa cứng, một vài con ốc…
Nguyên lý thực hiện rất đơn giản: chỉ cần làm cho vật kính và thị kính nằm trên cùng một trục và có khoảng cách nhìn rõ theo lý thuyết giữa hai thấu kính là f1 + f2. Để tinh chỉnh tìm khoảng nhìn rõ và do có thể không biết chính xác được tiêu cự của các thấu kính nên cần làm khoảng cách giữa 2 thấu kính thay đổi được trong khoảng f1 + f2

HAAC xin giới thiệu cách lắp một kính thiên văn đơn giản: với vật kính là mắt kính viễn (kính lão) và thị kính là kính lúp loại nhỏ.

1. Tròng kính viễn 1 Diop làm vật kính: giá 15 – 20 nghìn, có bán ở các tiệm kính mắt.
2. Kính lúp tiêu cự 2.5cm: giá 33-35 nghìn, có bán ở các nhà sách như Minh Khai, Nghuyễn Văn Cừ…
3. Ống PVC phi 60mm làm thân kính
4. Ống PVC phi 27mm làm ống thị kính
5. Ống PVC phi 21mm: 3cm
6. Chuyển bậc 60-34 (hoặc 60-42): 1 cái
7. Đầu nối ống 60mm: 1 cái
8. Giấy bìa rô-ki
9. Băng keo trong bản nhỏ
10. Băng keo xốp
11. Băng keo hai mặt
...
...
1. Ống kính:


Vật kính: sử dụng là kính mắt viễn 1 độ (f1 = 100 cm đường kính 6cm) giá khoảng 10 ngàn đồng. Có thể mua dễ dàng ở các cửa hàng kính mắt. Lưu ý độ (diop) là nghịch đảo của tiêu cự ví dụ: 1 độ kính sẽ có tiêu cự 100 cm, 2 độ tiêu cự là 50 cm.
- Thị kính: sử dụng kính lúp gấp (còn gọi là kính soi vải) mua ở nhà sách (f2 khoảng 2cm đường kính hơn 1 cm) giá 30 ngàn đồng. Kính lúp thường có chất lượng thấp và gây ra hiện tượng sắc sai, nên có thể thay bằng các thấu kính trong các thiết bị quang học như: máy ảnh cũ, máy quay phim, kính hiển vi…

Phần ống chính của thân ống gồm 2 phần: đoạn Φ60 dài khoảng 90cm và co giảm bậc từ Φ60 xuống 34 (hoặc 42) với mục đích để dễ dàng gắn ống chỉnh tiêu cự vào.
- Một ống nối thẳng Φ60, dùng để giữ vật kính. Ống chính Φ60 và băng keo xốp hoặc bìa cứng lót ở trong sẽ chặn và giữ vật kính nằm ở giữa




- Ống chỉnh tiêu cự là ống Φ27, dài > 15cm, một đầu dán một lớp băng keo để tránh ống bị tuột ra ngoài khi tinh chỉnh tiêu cự. Băng keo xốp hai mặt (hoặc bìa cứng) quấn nhiều lớp trên ống Φ27 sao cho vừa khít đầu Φ42 của co giảm, mặt trong cùng giữ nguyên lớp giấy trơn để ống 27 có thể tịnh tiến dễ dàng trên lớp băng keo này



Để thị kính lắp vào đảm bảo đồng trục với ống giữ thị kính, ta phải làm thêm một bộ phận để chặn giữ thị kính (có tác dụng như gờ của đầu nối vật kính). Đề làm bộ phận này, ta lấy mẫu ống 21mm đã chuẩn bị từ trước và quấn băng keo trong lên để tăng đường kính ống đến khi nhét vừa khít vào ống 27. Cho toàn bộ mẫu ống 21 đã quấn keo vào hẳn trong ống 27 sao cho đầu ống 21 nằm sâu cách miệng ống 27 khoảng 5mm, sau đó lắp thị kính vào.
Hoặc có thể làm ống chặn này bằng bìa cứng hoặc băng keo xốp, cần cuốn bìa cứng trong lòng ống 27 để vừa với thị kính như trong hình.

Lưu ý: với các kích cỡ vật kính và thị kính khác, cần thay đổi kích cỡ của ống cho phù hợp trên nguyên tắc đảm bảo cho vật kính và thị kính đồng trục và thay đổi khoảng cách được trong khoảng f1 + f2 để tìm vị trí nhìn rõ.

2. Chân đế:

Đế giữ kính: Dùng ống Φ60, dài 200mm làm ống chính, sử dụng 1 nắp đậy Φ60 gắn ở đầu dùng để bắt chặt vào đế gỗ giữ kính.
- Đế gỗ ghép từ 3 miếng gỗ nhỏ bằng đinh:
+ 2 miếng dài làm bệ gắn kính, 2 bên có 2 đinh ốc cắm vào ống kính.
Lưu ý khi bắt vít thân ống vào giá dỡ cần xác định trong tâm của ống kính. Quan sát vật ở rất xa với ống kính chưa có giá đỡ, và chỉnh cho vật nhìn rõ. Sau đó xác định trong tâm của ống kính bằng cách tìm vị trí ống kính cân bằng nhất giữa phần đầu và phần dưới trên 1 điểm tựa.




Chân đế:- Dùng ống nối thẳng Φ42 (đủ dày), chẻ làm 6 miếng như sau để làm tai bắt vào chân gỗ và gắn 6 miếng này vào một đầu ống Φ60 như sau:


3. Lắp ráp:
Sau khi hoàn tất các chi tiết, lắp ráp lại ta sẽ có môt kính khúc xạ, với độ phóng đại G = f1/f2, nếu G >10 lần có thể nhìn được các miệng hố trên mặt trăng, với G khoảng 30 lần tương đương với kính thiên văn của Galieo có thể nhìn thấy dạng của các hành tinh như Thổ tinh và Mộc tinh …

Kính khúc xạ với các thấu kính đơn có khuyết điểm bị sắc sai, để giảm sắc sai của kính có thể dùng các tấm bìa khoét lỗ che bớt vật kính. Dùng phương pháp này sắc sai sẽ giảm nhưng đồng thời sẽ làm tối ảnh.

Rất khó khăn để chế tạo được một kính khúc xạ có chất lượng tốt vì lệ thuộc vào chất lượng của thị kính và vật kính tìm được. Hiện nay CLB Thiên văn nghiệp dư TP.HCM đã nghiên cứu chế tạo được các kính thiên văn phản xạ có chất lượng cao hơn hẳn.

Hướng dẫn thêm về các làm kính và mẫu chân đế đơn giản hơn chỉ làm bằng ống nước (tuy nhiên độ tiện dụng và ổn định không cao) xin các bạn xem clip bên dưới:

4.Câu hỏi thường gặp:

1- Tôi đã làm như hướng dẫn nhưng không nhìn thấy gì cả?
Bạn cần xem lại đã mua đúng thông số của vật kính chưa, cần chú ý qui đổi từ độ (diop, độ tụ) sang tiêu cự theo công thức f=1/D với D là độ tụ.
Tính toán chiều dài kính cho hợp lý, khi quan sát vật ở xa vô cùng như các thiên thể thì khoảng cách từ vật kính đến thị kính là f1+f2.
Chú ý vật kính và thị kính phải đồng trục. Ngoài ra ảnh kém còn do chất lượng của thị kính và vật kính tìm được.
Với các vật liệu vietastro hướng dẫn nếu làm tốt thì bạn có thể quan sát được rõ các miệng hố của Mặt trăng, với vật liệu tốt hơn có thể nhìn được các đốm vệ tinh của Sao Mộc và dạng vành Sao Thổ


2- Ảnh nhìn được rất mờ?
Bạn cần xem lại:
- Sự đồng trục của thị kính và vật kính
- Tinh chỉnh khoảng cách từ vật kính đến thị kính để tìm khoảng nhìn rõ.
- Đặt mắt hợp lý: khoảng nhìn cho ảnh đầy và rõ nhất là khi bạn đặt mắt cách thị kính bằng tiêu cự của nó. Do đó cần di chuyển khoảng cách mắt với thị kính để tìm khoảng rõ.
- Yếu tố khách quan: chất lượng thị kính và vật kính.

3- Tại sao nhìn cảnh vật rất rõ nhưng nhìn thiên văn lại rất mờ?
- Khoảng cách để nhìn rõ từ vật kính đến thị kính sẽ dài hơn khi bạn nhìn vật ở gần và tiến đến =f1+f2 khi nhìn vật xa vô cùng như trăng sao, đo đó bạn cần làm ống thị kính thay đổi khoảng cách được với vật kính để tinh chỉnh khoảng nhìn rõ. Ngoài ra cần có 1 chân đế vững chãi để tinh chỉnh được khoảng các rõ nhất từ vật kính đến thị kính khi ngắm các thiên thể.
Bạn cần che bớt rìa vật kính khi quan sát thiên thể để giảm quang sai.

4- Tôi muốn có độ phóng đại cao nên đã dùng thị kính có tiêu cự nhỏ nhưng tại sao ảnh lại càng tệ?

Bạn cần nhớ độ phóng đại hữu dụng của một kính thiên văn tối đa vào khoảng 2 lần đường kính vật kính(mm).
Ví dụ đường kính vật kính là d=60mm thì độ phóng đại tối đa là 120 lần. Với các vật kính là kính viễn thì để giảm sắc sai ta phải che vật kính lại có khi chỉ còn khoảng dưới 20mm và như vậy độ phóng đại tối đa cho ảnh tốt chỉ khoảng 30-40 lần.
Với vật kính là kính viễn đường kính 60mm f=1 mét (1 điop) thì chỉ nên dùng thị kính có tiêu cự nhỏ nhất khoảng 3-2cm là hợp lý.
Ngoài yếu tố vật kính thì các thị kính đơn có tiêu cự càng nhỏ lại làm tăng sắc sai, các thị kính ghép có giá rất đắt. Tuy nhiên thị kính là các vật kính của kính hiển vi và các hệ thấu kính của máy ảnh cho chất lượng khá tốt.

5- Với kính tự chế bằng kính viễn và kính lúp thì thông số nào là hợp lý.
Vật kính có tiêu cự ngắn, bán kính cong của vật kính càng lớn thì càng gây ra sắc sai nhiều. Như vậy dùng vật kính 1 điop tiêu cự 1 m sẽ tốt hơn vật kính 2 diop tiêu cự 0.5m. Tuy nhiên khi tiêu cự vật kính càng dài thì sẽ rất khó cho thị kính và vật kính đồng trục, Vì thế thông số vật kính là kính viễn hay được lựa chọn nhất là 1 độ ( f=1m)

6- Tôi hỏi mua vật kính nhưng người bán không biết tiêu cự là gì?
Người bán ở các tiệm kính thuốc không hề biết khái niệm vật kính và tiêu cự là gì cả, họ chỉ biết kính lão hay kính viễn và thông số bao nhiêu độ mà thôi, do đó bạn cần lưu ý tự qui đổi từ tiêu cự bạn cần sang độ và hỏi mua.
Lưu ý thêm chỉ nên mua loại bằng thủy tinh giá rẻ khoảng 10-20 ngàn tùy nơi bán, không nên mua loại bằng nhựa mặc dù rất đắt nhưng chất lượng không tốt hơn cho mục đích làm kính thiên văn (rất dễ bị trầy xước).

Các bạn có thể thảo luận chế tạo và hỏi đáp thêm tại diễn đàn CLB
---------------------
Nhóm thực hiện: Thái Bình, Thanh Dinh, Thế Phúc, Xuân Bách
Biên soạn tài liệu: Tuấn Anh, Thế Phúc
Chỉnh lý: Anh Tuấn
CLB Thiên Văn Nghiệp Dư TP.HCM - HAAC
Mọi trích dẫn phải để nguồn: CLB Thiên Văn Nghiệp Dư TP.HCM - HAAC

[Tony Cloud]

Rất tốt