Cùng tìm hiểu về lớp phủ trên các thấu kính của kính thiên văn

Trên bề mặt các thấu kính trong thành phần của kính thiên văn chúng ta thường thấy chúng có một lớp màu bóng loáng, đôi khi là màu xanh lá, đỏ tía hay có thể là xanh tím. Đó chính là những lớp mạ phủ lên bề mặt để giảm đi hiện tượng phản xạ không mong muốn của của tia sáng khi chiếu đến bề mặt thấu kính. Bài viết sau chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu lớp mạ phủ và tác dụng của nó.

Một vật kính hay một thị kính loại tốt thường do nhiều thấu kính nhỏ ghép lại để khắc phục những khuyết tật về quanh học. Cấu tạo và chất lượng của các thấu kính khác nhau. Ngày nay, chất lượng của các thấu kính không còn được quyết định nhiều bởi chất liệu làm nên nó hay sự trong suốt của nó, mà chủ yếu và quan trọng hơn cả là lớp phủ lên bề mặt nó. Ngay cả những thấu kính được coi là trong suốt nhất, khi được chiếu sáng, cũng có một phần ánh sáng tới bị phản xạ trở lại. Một ống kính hiện đại, được cấu tạo bởi nhiều thấu kính, vì thế ánh sáng đi từ thiên thể đển vật kính rôi qua thị kính và đến mắt chúng ta, tia sáng sẽ phải đi qua rất nhiều bề mặt của các thấu kính. Lượng sáng thực tế đến được mắt sẽ bị giảm đi. Ngoài ra, ánh sáng phản xạ còn gây ra các hiệu ứng bất lợi, như hiện tượng tán sắc, làm sai lệch chùm ánh sáng đến bộ mắt dẫn tới giảm đáng kể chất lượng hình ảnh quan sát được.
Mục đích của các nhà sản xuất là làm sao cho phần ánh sáng phản xạ trước một thấu kính càng ít càng tốt. Cách tiện lợi và thông dụng nhất là tạo các lớp phủ tốt nhất lên bề mặt thấu kính. Có rất nhiều phương pháp phủ bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào sự phức tạp và công phu. Mình chỉ xin được trình bày một cách rất ngắn gọn và đơn giản hóa lý thuyết chung của một vài phương pháp này.
1. Phủ đơn giản, phủ một lớp
Khi ánh sáng chiếu vào một thấu kính, có nghĩa là ánh sáng đang đi từ môi trường quang học loãng (không khí) sang môi trường quang học đặc (kính). Sự thay đổi môi trường này được biểu thị bằng chỉ số khúc xạ của từng vật chất. Ví dụ, nếu coi môi trường chân không có chỉ số khúc xạ bằng 1, thì với không khí, nó sẽ vào khoảng 1. Dựa vào đó, người ta thấy, các loại kính quang học có chỉ số khúc xạ từ 1,4 đến 2.
Một lớp phủ đơn giản nhất đã được người ta nhắc đến từ năm 1886, khi phát hiện ra rằng, ánh sáng chiếu trực tiếp đến thấu kính, phản xạ nhiều hơn khi qua một lớp phủ đơn giản. Bằng những phép đo chuyên dụng, ánh sáng chiếu trực tiếp, vuông góc, qua lớp không khí (n=1), đến lớp kính (n=1,5) cho lượng sáng phản xạ là 4%, còn ánh sáng đến từ lớp không khí (n=1), qua lớp phủ bề mặt vào thấu kính (n=1,22), có lượng sáng phản xạ là 2%.

​

2. Lớp giao thoa.

Chúng ta đều biết, ánh sáng tồn tại dưới dạng hạt và sóng. Nghĩa là có thể miêu tả ánh sáng dưới dạng sóng lan tỏa theo hướng chiếu sáng. Nếu hai chùm tia sáng lan tỏa song song và tới nhau, chúng sẽ giao thoa và có thể làm cho nhau mạnh lên hoặc triệt tiêu nhau. Chúng bị triệt tiêu khi đáy sóng của tia sáng này trùng khít với đỉnh sóng của tia sáng kia.
Lớp phủ trên bề mặt thấu kính sẽ tạo ra bước sóng đúng bằng 1/4 bước sóng của tia sáng trên, để ánh sáng từ lớp không khí vào lớp phủ và rồi mới từ lớp phủ vào lớp kính không có đáy sóng trùng lên nhau, và như vậy, làm cho hiện tượng triệt tiêu lẫn nhau bị xóa bỏ, nói cách khác, phần lớn ánh sáng sẽ đến được với mắt người quan sát.

​

Tuy nhiên, đó là lý thuyết, và cũng chỉ xảy ra được với một bước sóng (đơn sắc) được chiếu vuông góc. Trên thực tế, ánh sáng mà ta nhìn thấy được là ánh sáng đa sắc, có dải màu với những bước sóng vào khoảng từ 380 nm đến 730 nm, và đến với nhiều góc độ khác nhau.
Vì thế, một vật kính được phủ một cách phức tạp với nhiều lớp (Multi-Coalting), có tác dụng trên nhiều bước sóng làm giảm lượng sáng phản xạ. Có rất nhiều lớp được tính toán kỹ càng khi phủ lên thấu kính để chúng hỗ trợ nhau và lượng sáng dẫn tuyền cho phép đạt đến 99,9%. Tất nhiên những thấu kính này được sản xuất trong những điều kiện rất phức tạp và công phu, đồng nghĩa với việc giá thành không hề thấp. Không phải trong một thấu kính, tất cả các thấu kính đều được phủ và có chất lượng như nhau, mà thông thường chỉ có các thấu kính ở đầu và cuối.
3. Lớp phủ Nano ( cái này mình nói rộng ra bên máy ảnh một chút)


Một phương pháp mới để tối ưu hóa sự truyền sáng, hạn chế tối đa sự phản xạ của ánh sáng trên bề mặt thấu kính là phủ lên thấu kính một lớp vật liệu nano, phủ nano. Dưới những cái tên khác nhau, hai nhà sản xuất máy ảnh dẫn đầu hiện nay là Canon và Nikon đều có một kỹ thuật tương tự. Thuật ngữ Nano dùng để chỉ vật liệu có kích thước trên quy mô nano (nm: nano mét), 1nm = 10-9 m. Khi vật liệu ở kích thước này, chúng sẽ có những đặc tính khác thường. Người ta ứng dụng đặc tính đó trong rất nhiều ngành khoa học cũng như trong sản xuất vật liệu, được gọi là công nghệ nano.
Trong khi với lớp phủ "kinh điển", người ta tạo ra những bề mặt nhẵn thín, thì ứng dụng công nghệ nano lại làm cho bề mặt "xù" lên với những vật chất đặc biệt và tinh xảo.
Canon gọi kỹ thuật này là SWC (Subwavelenght Structure Coating). Đó là kỹ thuật sử dụng một lớp oxit nhôm, gắn dưới dạng một lớp răng cưa tinh xảo lên bề mặt của thấu kính. Những răng cưa này rất nhỏ, chỉ vào khoảng 220nm (nghĩa là còn nhỏ hơn cả bước sóng ánh sáng nhìn thấy). Qua lớp răng cưa này, ánh sáng từ môi trường không khí vào môi trường thủy tinh sẽ được "chuyển bậc" dần, làm giảm đáng kể hiện tượng phản xạ.

​

Nikon gọi kỹ thuật nano của mình là "Nano Crystal Coat". Được ký hiệu bằng chữ "N" trên ống kính. Nikon dùng những hạt có kích thước nano phủ lên bề mặt thấu kính. Vì là những hạt nhỏ này không phải là một khối đồng nhất, nên cũng tạo ra được một hiệu ứng tương tự như SWC của Canon. (Hinh-04)
Trong cả hai kỹ thuật, lượng ánh sáng truyền qua sẽ được điều hòa tốt hơn. Theo các nhà sản xuất, với công nghệ nano này, có thể làm giảm đến 1/2 lượng sáng phản xạ so với việc phủ nhiều lớp kinh điển. Phủ nano còn phát huy được tính ưu việt ngay cả với góc chiếu sáng rộng, nghĩa là rất có lợi cho các thấu kính có đường kính bé.

​

Dù chỉ với 5-7% ánh sáng bị thất thoát khi không có lớp phủ, mắt người khó có thể cảm nhận thấy sự thay đổi nhỏ này nhưng phim ảnh hay cảm biến thiên văn thì rất nhạy với điều này. Vậy nên chúng ta mới có thể thấy tầm quan trọng cũng như biết được vì sao các thấu kính được phủ kĩ càng lại đắt đến thế.

Tham khảo từ nhiều nguồn.

Hoàng Quốc Phương - HAS​