ทัศนอุปกรณ์

เครื่องฉายภาพนิ่ง

        เครื่องฉายภาพนิ่งประกอบด้วย แหล่งกำเนิดแสง ภาพสไลด์ และเลนส์นูน หลักการทำงานของเครื่องฉายภาพนิ่ง คือ

1.       ต้องวางแผ่นสไลด์ให้อยู่ห่างจากเลนส์นูน ในช่วงระหว่าง ƒ ถึง 2ƒ ของเลนส์นูน

2.       ต้องวางแผ่นสไลด์ให้หัวกลับลง เพื่อให้เกิดเป็นภาพจริงหัวกลับขนาดขยายบนจอรับภาพ

จากที่กล่าวมาแล้วข้างต้น ภาพที่เกิดเป็นภาพจริงหัวกลับขนาดขยายบนฉาก หลักการนี้เป็นหลักการพื้นฐานของเครื่องฉายภาพนิ่ง เครื่องฉายภาพยนตร์ และเครื่องฉายภาพข้ามศีรษะ เนื่องจากแสงจากวัตถุ (แผ่นสไลด์ แผ่นฟิล์ม แผ่นใส) หักเหผ่านเลนส์นูนทำให้เกิดภาพจริงหัวกลับขนาดขยาย ความสว่างของภาพที่ปรากฏบนจอจะลดลงยิ่งภาพมีขนาดใหญ่เท่าใด ความสว่างก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น ดังนั้น เครื่องฉายภาพนิ่ง เครื่องฉายภาพยนตร์จึงต้องมีเลนส์รวมแสง ตัวสะท้อนแสงและหลอดไฟชนิดพิเศษที่ให้แสงสว่างมากเพื่อให้แสงที่กระทบแผ่นฟิล์มมีปริมาณมาก เมื่อฉายภาพขนาดใหญ่จะได้ภาพที่มีแสงสว่างพอเหมาะต่อการมองเห็น มิฉะนั้นจะได้ภาพที่มัว ยิ่งเป็นการฉายภาพในห้องที่มีแสงภายนอกรบกวนภาพที่ได้จะยิ่งไม่ชัดเจน ดังนั้น ในห้องโสตทัศนศึกษา ห้องฉายภาพยนตร์ จึงต้องเป็นห้องที่มืดสนิท เพื่อการฉายภาพที่ชัดเจน
กล้องถ่ายรูป

เมื่อใช้เลนส์นูนรับแสงจากวัตถุที่อยู่ไกล เช่น ดาวบนท้องฟ้า จะได้ภาพที่คมชัด ปรากฏบนแผ่นกระดาษแข็งสีขาว ขณะนี้เลนส์นูนทำหน้าที่เป็นเลนส์ถ่ายรูป แต่แทนที่จะใช้แผ่นกระดาษแข็งสีขาวรับภาพ ก็ใช้ฟิล์มถ่ายรูปแทนพร้อมกันนั้นก็บรรจุอุปกรณ์ทั้งเลนส์และฟิล์มถ่ายรูปลงในกล่องทึบแสงที่ภายในทาสีดำ เพื่อกันแสงจากภายนอกรบกวนและกันการสะท้อนของแสงภายในกล่อง เราจะได้กล้องถ่ายรูปอย่างง่าย

หลักการทำงานของกล้องถ่ายรูป เลนส์นูน ทำหน้าที่รับภาพจากวัตถุที่อยู่ไกลกว่าระยะ 2ƒ ภาพที่เกิดขึ้นจะเป็นภาพจริงหัวกลับขนาดลด ภาพนี้จะปรากฏบนฟิล์มถ่ายรูป การปรับความชัดของภาพสามารถทำได้โดยการเลื่อนเลนส์นูนออกห่างหรือเข้าใกล้ฟิล์มโดยใช้วงแหวนปรับความชัด และใช้การดูผ่านช่องมองภาพ ซึ่งใช้สำหรับมองภาพเพื่อจัดองค์ประกอบของภาพ และใช้ตรวจสอบความคมชัดเจนของภาพ เนื่องจากฟิล์มถ่ายรูปทำงานได้ดีหากมีปริมาณแสงที่พอเหมาะ ดังนั้น จึงต้องมีอุปกรณ์ควบคุมปริมาณที่จะตกลงบนฟิล์ม อันได้แก่ ไดอะแฟรมและชัตเตอร์ ไดอะแฟรม เป็นช่องกลมที่เปิดให้แสงเข้ากล้องมากน้อยตามขนาดของช่อง ส่วนชัตเตอร์ เป็นแผ่นทึบแสงที่ทำหน้าที่ปิดเปิดให้แสงผ่านเข้ามาในกล้อง เราสามารถตั้งช่วงเวลาการปิดเปิดนี้ได้โดยการปรับ ความเร็วชัตเตอร์ ถ้าวัตถุมีความสว่างมาก เราต้องลดขนาดช่องของไดอะแฟรมหรือเพิ่มความเร็วชัตเตอร์ แต่ถ้าวัตถุมีความสว่างน้อย เราก็ต้องเพิ่มขนาดของไดอะแฟรมหรือลดความเร็วชัตเตอร์

ส่วนประกอบดังกล่าวเป็นอุปกรณ์พื้นฐานของกล้องถ่ายรูปอย่างง่าย สำหรับกล้องถ่ายรูปที่มีคุณภาพดีจะมีอุปกรณ์อื่นๆ ประกอบอีกมากมาย

ภาพที่เกิดในกล้องถ่ายรูปเป็นภาพจริงหัวกลับที่ชนิดเล็กกว่าวัตถุ เมื่อแสงจากวัตถุกระทบฟิล์มจะเกิดปฏิกิริยาเคมี และเมื่อนำฟิล์มไปล้างตามกรรมวิธีทางเคมีแล้วก็จะได้ภาพตามที่ต้องการ
กล้องจุลทรรศน์

รูป การขยายภาพของกล้องจุลทรรศน์

กล้องจุลทรรศน์เป็นทัศนอุปกรณ์ที่ช่วยขยายภาพของวัตถุที่มีขนาดเล็กๆ เช่น เชื้อโรคหรือเซลล์ ให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ทำให้เราสามารถเห็นสิ่งดังกล่าวได้อย่างละเอียดและชัดเจน

กล้องจุลทรรศน์ประกอบด้วยเลนส์นูน 2 อัน เลนส์ซึ่งอยู่ใกล้วัตถุเรียกว่า เลนส์ใกล้วัตถุ ซึ่งต้องมีความยาวโฟกัสสั้นๆ เพราะเวลาใช้งานผู้สังเกตต้องวางวัตถุขนาดเล็ก ที่จะดูให้อยู่ใกล้เลนส์มาก เพื่อให้แสงจากวัตถุผ่านเลนส์มากที่สุด ภาพจะได้สว่างพอ ส่วนเลนส์ที่อยู่ใกล้ตา เรียกว่า เลนส์ใกล้ตา ถ้าปรับเลนส์ใกล้วัตถุให้ห่างจากวัตถุไกลกว่า ความยาวโฟกัสจะได้ภาพจริง I₁ ที่มีขนาดใหญ่กว่าวัตถุ ภาพจริงนี้จะเกิดระหว่างเลนส์ทั้งสอง ดังรูป แล้ว I₁ จะทำหน้าที่เป็นวัตถุของเลนส์ใกล้ตา ภาพ I₂ ที่เกิดขึ้นจากเลนส์นี้ เป็นภาพเสมือนที่มีขนาดใหญ่กว่า I₁ และเป็นภาพที่ตาเห็น ซึ่งควรอยู่ห่างจากตาไม่ต่ำกว่า 25 เซนติเมตร เพื่อให้มองสบาย การที่ภาพ I₂ เป็นภาพเสมือน เพราะระยะที่ I₁ อยู่ห่างจากเลนส์ใกล้ตาน้อยกว่าความยาวโฟกัส ดังนั้น ระยะระหว่างเลนส์ทั้งสองซึ่งเป็นความยาวของกล้องจุลทรรศน์จึงมีค่ามากกว่าผลรวมของความยาวโฟกัสของเลนส์ทั้งสอง
กล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์เป็นทัศนอุปกรณ์ที่ใช้ส่องดูวัตถุที่อยู่ไกล ประกอบด้วยเลนส์นูน 2 อัน คือเลนส์ใกล้วัตถุซึ่งมีความยาวโฟกัสมาก และเลนส์ใกล้ตาซึ่งมีความยาวโฟกัสน้อย โดยระยะระหว่างเลนส์ทั้งสองซึ่งเป็นความยาวของกล้องโทรทรรศน์ จะมีค่าเท่ากับผลรวมของความยาวโฟกัสของเลนส์ทั้งสอง เมื่อใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องดูวัตถุที่อยู่ไกล รังสีขนานจากวัตถุจะผ่านเลนส์ใกล้วัตถุแล้วมาตัดกันหลังเลนส์ ภาพ I₁ ที่เกิดจากเลนส์ใกล้วัตถุนี้จะทำหน้าที่เป็นวัตถุของเลนส์ใกล้ตา ซึ่งทำหน้าที่ขยายภาพ ภาพที่เกิดขึ้นในกล้องโทรทรรศน์ เมื่อใช้ส่องดูวัตถุที่อยู่ไกลๆ จึงเป็นภาพหัวกลับ สมบัตินี้จึงเหมาะกับการใช้งานทางดาราศาสตร์ ดังนั้น ถ้าต้องการทำให้ภาพที่เห็นเป็นภาพหัวตั้งก็อาจทำได้โดยนำเลนส์อีกอันหนึ่งวางระหว่างภาพ I₁ กับเลนส์ใกล้ตา ดังรูป

รูป  การทำให้เกิดภาพหัวตั้งในกล้องโทรทรรศน์

จากรูป จะเห็นว่าเลนส์ L₃ ที่ใส่เข้ามาใหม่ ซึ่งมีความยาวโฟกัส ƒ ต้องอยู่ห่างจากภาพ I₁ เป็นระยะไกลกว่า ƒ จึงจะได้ภาพ I₂ เป็นภาพหัวตั้ง และเลนส์ใกล้ตาก็ต้องอยู่ห่างจากภาพ I₂ เป็นระยะน้อยกว่าความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา จึงจะได้ภาพหัวตั้ง I₃ ที่มีขนาดขยาย ในการทำให้เกิดภาพหัวตั้งนี้จะพบว่าระยะระหว่างเลนส์ใกล้ตากับเลนส์ใกล้วัตถุจะเพิ่มขึ้น นั่นคือ กล้องต้องยาวเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เราอาจลดความยาวของกล้องได้ โดยใช้ปริซึมเพื่อทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมด ปริซึมอันแรกจะทำให้เกิดการกลับภาพจากซ้ายไปขวา ส่วนปริซึมอันที่สองจะทำให้เกิดภาพกลับหัว อุปกรณ์ชนิดนี้ได้แก่ กล้องส่องทางไกล

ยังมีกล้องโทรทรรศน์อีกประเภทหนึ่งที่ใช้กระจกเงาในการรับแสงจากวัตถุ แทนการใช้เลนส์แล้วให้แสงสะท้อนไปผ่านระบบเลนส์อีกต่อหนึ่ง เรียกกล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้ว่า กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันอยู่ในอวกาศ คือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลที่ยาว 14.3 เมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4.3 เมตร และหนัก 11 ตัน กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถูกส่งขึ้นโคจรในอวกาศด้วยกระสวยอวกาศดิสคัฟเวอรี (Space Shuttle Discovery) เมื่อเดือนเมษายน พ.ศ.2533

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับแสง

การกระจายแสง

เมื่อให้แสงขาวซึ่งประกอบด้วยแสงหลายสีผ่านปริซึมสามเหลี่ยม พบว่าแสงที่หักเหออกมาจากปริซึมจะไม่เป็นแสงขาว แต่จะมีสีต่างๆ กัน แสงแต่ละสีที่หักเหออกมาจะทำมุมหักเหต่างๆ กัน แสงแต่ละสีจึงปรากฏบนฉาก ณ ตำแหน่งต่างๆ กัน ดังรูปปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การกระจายแสง

รูป การกระจายแสง

มุมที่รังสีหักเหออกจากปริซึมทำกับรังสีตกกระทบที่ผิวแรกของปริซึม เรียกว่ามุมเบี่ยงเบน จากรูป  θ_V คือมุมเบี่ยงเบนของแสงสีม่วงซึ่งมีค่ามากที่สุด ส่วนมุมเบี่ยงเบนของแสงสีแดง θ_R นั้นทีค่าน้อยที่สุด ถ้าให้ปริซึมนี้รับแสงอาทิตย์ แถบสีที่ได้ก็จะมีลักษณะเช่นเดียวกับที่ใช้รับแสงจากกล่องแสง เรียกแถบสีนี้ว่า สเปกตรัมของแสงขาว

สำหรับแสงที่มี λ สั้นกว่าคือมี ƒ มากกว่า n จะมีค่ามากกว่า และแสงจะหักเหได้มากกว่า ในตัวกลางอื่นๆ เช่น น้ำ หรือพลาสติกใส ฯลฯ ก็มีสมบัติเช่นเดียวกับแก้ว คือ ดรรชนีหักเหของตัวกลางสำหรับแสงสีต่างๆ จะมีค่าไม่เท่ากัน
การสะท้อนกลับหมดของแสง

รูป  การหักเหของแสงในตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหต่างกัน

เมื่อแสงจากตัวกลางหนึ่งผ่านเข้าไปอีกตัวกลางหนึ่ง ซึ่งมีดรรชนีหักเหมีค่ามากกว่าพบว่ามุมหักเห θ₂ ในตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมีค่ามากกว่าจะเล็กกว่ามุมตกกระทบ θ₁ ดังรูป ก. แต่ถ้าแสงเดินทางกลับกัน มุมหักเห θ₂ ในตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมีค่าน้อยกว่าจะใหญ่กว่ามุมตกกระทบ θ₁ ดังรูป ข.

เมื่อแสงจากแท่งพลาสติกผ่านเข้าไปในตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมีค่าน้อยกว่า เช่น อากาศ มุมตกกระทบที่ผิวรอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสอง ทำให้เกิดมุมหักเหเท่ากับ 90° เรียกมุมตกกระทบดังกล่าวว่า มุมวิกฤต θ_c ถ้ามุมตกกระทบใหญ่กว่ามุมวิกฤตจะไม่มีรังสีหักเห แต่จะมีรังสีสะท้อนเท่านั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การสะท้อนกลับหมด ดังแสดงในรูป หามุมวิกฤตในตัวกลางต่างๆ ได้โดยใช้กฎของสเนลล์

รูป การสะท้อนกลับหมดในตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหมาก

รุ้งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเพราะการกระจายของแสง ซึ่งเราอาจเห็นก่อนหรือหลังฝนตกเล็กน้อย โดยสังเกตได้จากตำแหน่งยืนที่เหมาะสม รุ้งเกิดจากการที่แสงอาทิตย์ส่องผ่านละอองน้ำ หรือหยดน้ำซึ่งมีมากก่อนหรือหลังฝนตก แล้วหยดน้ำทำให้แสงเกิดการกระจาย และสะท้อนกลับหมด ทำให้ได้สเปกตรัมของแสงขาว รุ้งที่ปรากฏบนท้องฟ้าจะเป็นส่วนโค้งของวงกลม รุ้งมี 2 ชนิด คือ

บน - รุ้งทุติยภูมิ และล่าง - รุ้งปฐมภูมิ

รุ้งปฐมภูมิ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบผิวด้านบนของหยดน้ำ แสงจะหักเหผ่าผิวโค้งแรกนี้เข้าสู่หยดน้ำทำให้เกิดการกระจายแสงและแสงสีม่วงจะหักเหมากที่สุด ส่วนแสงสีแดงจะหักเหน้อยที่สุด จากนั้นแสงแต่ละสีจะตกกระทบผิวด้านในของหยดน้ำ แล้วสะท้อนกลับไปสู่ผิวของหยดน้ำด้านที่รับแสงอาทิตย์อีกและหักเหออกสู่อากาศ โดยแสงสีม่วงทำมุม 40° กับแนวระดับและแสงสีแดงทำมุม 42° กับแนวระดับ ดังนั้น ผู้สังเกตจะเห็นรุ้งปฐมภูมิซึ่งมีสีเรียงตามสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ โดยมีสีแดงอยู่ด้านบน และสีอื่นๆ อยู่ลดหลั่นลงมา โดยสีม่วงจะอยู่ต่ำสุด

รุ้งทุติยภูมิ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบผิวด้านล่างของหยดน้ำ จะเกิดการกระจายของแสงภายในหยดน้ำ และการสะท้อนแสงที่ผิวด้านในของหยดน้ำสองครั้งแล้ว แสงทุกสีจะหักเหออกสู่อากาศโดยสีม่วงหักเหออกทำมุม 54° กับแนวระดับและแสงสีแดงหักเหออกทำมุม 50.5° กับแนวระดับ รุ้งทุติยภูมิจึงอยู่เหนือรุ้งปฐมภูมิ และมีสีจางกว่ารุ้งปฐมภูมิ

การเห็นแสงสีต่างๆ จากหยดน้ำในกรณีนี้ อธิบายได้เช่นเดียวกันกับกรณีการเกิดรุ้งปฐมภูมิ แต่ผู้สังเกตจะมองเห็นรุ้งทุติยภูมิมีลำดับสีที่กลับกับรุ้งปฐมภูมิ คือ สีม่วงอยู่ด้านบนและสีแดงอยู่ด้านล่าง
มิราจ
มิราจเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติชนิดหนึ่งที่เกิดจากการหักเหของแสงในบรรยากาศชั้นต่างๆ เพราะความหนาแน่นของอากาศในชั้นต่างๆ ไม่เท่ากัน คนในทะเลทรายอาจเห็นต้นไม้ต้นหนึ่งเป็นสองต้นพร้อมๆ กัน คือ ต้นเดิมกับต้นที่มียอดต้นไม้ปรากฏใต้พื้นทราย ปรากฏการณ์ที่เห็นนี้ คือ มิราจ ตัวอย่างของมิราจนอกจากที่กล่าวมาได้แก่ การเห็นน้ำปรากฏบนผิวถนนที่ร้อน ทั้งๆ ที่ถนนแห้ง การเห็นเรือลอยคว่ำอยู่ในอากาศเหนือท้องทะเล เป็นต้น