ความคลาดสี

ความคลาดสี หรือ ความคลาดรงค์ (chromatic aberration) คือความคลาดทางทัศนศาสตร์ที่เกิดจากการกระจายแสงภายในวัสดุเลนส์เมื่อสร้างภาพด้วยเลนส์ และปรากฏเห็นเป็นสีที่ผิดเพี้ยนไปในภาพ

ความคลาดสีที่ถูกสร้างขึ้นโดยเจตนาในครึ่งล่างของภาพ จะเห็นได้ว่ามีความเพี้ยนสีที่เห็นได้ชัดเจนเกิดขึ้นที่ขอบด้านขวา

ภาพรวม

ความคลาดสีตามแนวแกน

ในวัสดุที่ปล่อยให้แสงผ่านโดยมีการหักเหเกิดขึ้น (ในที่นี้ คือแก้วเชิงทัศนศาสตร์ที่ใช้ทำเลนส์) โดยทั่วไปแล้ว ดรรชนีหักเหจะไม่คงที่โดยแปรผันตามความยาวคลื่น (ความถี่) ของแสง ในทัศนศาสตร์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การกระจายของแสง ตัวอย่างเช่น ในแก้ว BK7 ซึ่งเป็นแก้วเชิงทัศนศาสตร์ทั่วไป ดรรชนีหักเหสำหรับแสงสีแดงความยาวคลื่น 656 นาโนเมตร และแสงสีฟ้าอ่อนความยาวคลื่น 486 นาโนเมตร จะแตกต่างกันไป เป็น 1.5143 และ 1.5224 ตามลำดับ ดังนั้นจึงเกิดการกระจายขึ้น ความคลาดสีคือความคลาดที่เกิดขึ้นจากความไม่ตรงกันของสีเนื่องจากการกระจายนี้ ความคลาดสีอาจจำแนกออกเป็นความคลาดสีตามขวางที่เกิดขึ้นบริเวณขอบภาพและความคลาดสีตามแนวแกนที่เกิดขึ้นบนแกนเชิงแสง

ความคลาดสีตามแนวแกน

เป็นความคลาดที่ตำแหน่งของภาพที่ปรากฏเลื่อนไปมาขึ้นอยู่กับสีเนื่องจากความแตกต่างของดรรชนีหักเหซึ่งขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของสีนั้น ๆ เมื่อถ่ายภาพแหล่งกำเนิดแสงขาวที่เป็นจุด หากโฟกัสที่สีน้ำเงินจะสร้างภาพเบลอด้านหน้าสีแดงรอบ ๆ จุดสว่างสีน้ำเงิน แต่ถ้าโฟกัสด้วยสีแดงจะสร้างภาพเบลอด้านหลังสีน้ำเงินอมม่วงรอบ ๆ จุดสว่างสีแดง

ความคลาดสีตามขวาง

ความแตกต่างของดรรชนีหักเหระหว่างสีจะทำให้เกิดเป็นความแตกต่างของการขยายภาพในกรณีที่แสงตกกระทบมาในแนวเอียง ด้วยเหตุนี้ ขนาดของภาพจึงแตกต่างกันไปตามสี และจะเห็นการเพี้ยนเป็นสีแดงหรือม่วงอมน้ำเงินที่ขอบของวัตถุ สำหรับแหล่งกำเนิดแสงขาวที่เป็นจุด ภาพจะถูกกระจายออกเป็นสีรุ้งที่ขอบของหน้าจอและขยายออกไปในแนวรัศมี

ความคลาดสีตามแนวแกนสามารถระงับได้โดยการย่อรูรับแสงลง (เพิ่มค่าเอฟ) เพื่อตัดลำแสงที่ผ่านขอบเลนส์อันเป็นสาเหตุของความคลาด และจะทำให้ช่วงความชัดและช่วงโฟกัสลึกขึ้น ในขณะที่สำหรับความคลาดสีตามขวางนั้น เนื่องจากเกิดขึ้นได้แม้แต่ในลำแสงหลักที่ส่องผ่านจุดศูนย์กลางของเลนส์ จึงไม่สามารถยับยั้งได้ด้วยการย่อรูรับแสง

ความคลาดสียังเป็นสาเหตุที่ทำให้การถ่ายภาพอินฟราเรดหลุดโฟกัส โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แม้ว่าการปรับแก้จะดำเนินการโดยวิธีการที่จะอธิบายในหัวข้อถัดไป ความคลาดที่เหลืออยู่จะยังมีค่ามากในรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นห่างกันมาก

ทางแก้ไข

การหักล้างความคลาดสีด้วยเลนส์อรงค์

ระบบแบบหักเห

สามารถใช้เลนส์ 2 อันที่ทำจากวัสดุแก้วที่มี ดรรชนีหักเห และ การกระจาย แสงที่แตกต่างกันเพื่อลดผลกระทบจากความคลาดสี เลนส์นูนที่ทำจากแก้วคราวน์รวมกับเลนส์เว้าที่ทำจากแก้วฟลินต์ซึ่งมีการกระจายแสงสูงเพื่อหักล้างความต่างของสี เป็น ซึ่งในการเลือกวัสดุที่เหมาะสมอาจพิจารณาจากเลขอับเบอของวัสดุนั้น ๆ เลนส์ถ่ายภาพชนิดเลนส์เดี่ยวเองก็มักจะทำขึ้นโดยการเชื่อมเลนส์ทั้ง 2 นี้เข้าด้วยกันเพื่อแก้ความคลาดสี แต่ก็ไม่เสมอไป โดยหลักการแล้ว การผสมเลนส์นูนและเลนส์เว้าเข้าด้วยกันในลักษณะนี้สามารถทำให้ตำแหน่งภาพที่ความยาวคลื่น 2 ช่วงของแสงภายในแสงขาวมาตรงกันได้ เลนส์ที่มีการแก้ไขความคลาดสีที่จุด 2 จุดเรียกว่าเลนส์อรงค์

แอ็นสท์ อับเบอ ได้พัฒนาเลนส์อรงค์ให้ดียิ่งขึ้นไปอีกและตั้งชื่อว่า อาโพโครมาท (เยอรมัน: Apochromat) หรืออาจแปลว่าเป็น เลนส์ไร้ความคลาด ซึ่งสามารถทำการปรับแก้ความคลาดสีที่ความยาวคลื่น 3 ค่า และมีการปรับแก้ความคลาดทรงกลมและความคลาดแบบโคมาที่ความยาวคลื่น 2 ค่า

เพียงแค่ใช้วัสดุที่มีการกระจายน้อยไม่อาจสร้างเลนส์สำหรับใช้งานจริงได้ ตัวอย่างเช่น เลนส์ฟลูออไรต์ นั้นแม้ว่าจะมีการกระจายเพียงเล็กน้อย แต่ก็ยังคงมีลำดับความคลาดสีมากกว่าที่จะรับได้สำหรับเลนส์ถ่ายภาพ

นอกจากนี้ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เลนส์อรงค์สามารถทำได้ค่อนข้างง่าย ในขณะที่ในการทำให้อาโพโครมาทต้องใช้เทคนิคที่ยุ่งยากกว่า

แนวคิด "อัตราส่วนการกระจายบางส่วน" ได้ถูกเสนอขึ้น อัตราส่วนการกระจายบางส่วนคืออัตราส่วนของความแตกต่างของดรรชนีหักเหของวัสดุเชิงแสงในช่วงความยาวคลื่น 2 ช่วงที่แตกต่างกัน การเขียนแผนภาพอัตราส่วนการกระจายบางส่วนและเลขอับเบอ บนแกนตั้งและแกนนอนบนแผนภูมิจะแสดงให้เห็นว่าแก้วเชิงทัศนศาสตร์แบบทั่วไปจะวางอยู่บนเส้นตรงเส้นเดียว กล่าวอีกนัยหนึ่งคือแทบจะแปรผันตามกัน ในทางตรงกันข้ามวัสดุที่มีการกระจายต่ำซึ่งมีการกระจายบางส่วนแบบผิดปกติ เช่น เลนส์ฟลูออไรต์ และ แก้วกระจายแสงต่ำสุด ไม่เพียงแต่มีการกระจายเพียงเล็กน้อยเท่านั้น แต่ยังเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรงนี้อีกด้วย (อ่านเพิ่มที่ การกระจาย (ทัศนศาสตร์)#การกระจายแบบปกติและผิดปกติ)

เทคนิคในการแก้ไขความคลาดสีที่ความยาวคลื่น 3 ค่าภายใต้การประมาณเลนส์บางคือการรวมวัสดุ 2 ชนิดที่มีการกระจายต่างกันแต่อัตราส่วนการกระจายบางส่วนเท่ากัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแก้วเชิงทัศนศาสตร์ทั่วไปมีความสัมพันธ์เชิงเส้นอย่างมากตามที่อธิบายไว้ข้างต้น จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีการกระจายบางส่วนแบบผิดปกติเพื่อให้ใช้วิธีนี้ได้

ระบบแบบสะท้อนแสง

ระบบเชิงแสงที่ประกอบด้วยกระจกเงาสำหรับสะท้อนแสงเท่านั้นโดยทฤษฎีแล้วไม่มีความคลาดสี ไอแซก นิวตัน ผู้ซึ่งคิดว่าเลนส์หักเหไม่สามารถหลีกเลี่ยงความคลาดสีได้ ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับ กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง และประดิษฐ์ กล้องโทรทรรศน์แบบนิวตันขึ้นมา

ในความเป็นจริง กล้องโทรทรรศน์ทางดาราศาสตร์ จำนวนมากใช้ระบบแสงแบบสะท้อนแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกล้องโทรทรรศน์ทางดาราศาสตร์ที่มีรูรับแสงกว้างเป็นพิเศษ โดยส่วนใหญ่จะเป็นกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง หรือไม่ก็ กล้องโทรทรรศน์แบบผสม ซึ่งมีการเพิ่มแผ่นปรับแก้ความคลาดบาง ๆ ลงในกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง ในระดับพอที่ความคลาดสีจะไม่ใช่ปัญหา

ระบบแบบผสม

แม้ว่าจะเกิดความคลาดสีขึ้นบ้างในระบบเชิงแสงที่รวมเลนส์และกระจกเข้าด้วยกัน แต่ก็เป็นไปได้ที่จะลดระดับความคลาดสีเมื่อเทียบกับระบบเชิงแสงที่ประกอบด้วยเลนส์ล้วน ๆ

นอกจากความคลาดสีแล้ว เนื่องจากเส้นทางเชิงแสงถูกหักเลี้ยว ทำให้ความยาวโดยรวมของเลนส์ระยะไกลสั้นลง สามารถลดน้ำหนักของเลนส์และต้นทุนการผลิตลงได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระจกทุตยภูมิวางอยู่ตรงกลางภาพ ภาพโบเก้ จึงกลายเป็นรูปวงแหวน และตามหลักการแล้ว ไม่สามารถทำให้ความสว่างคงที่โดยบีบรูรับแสง จึงไม่เหมาะกับการใช้เป็นเลนส์ถ่ายภาพสำหรับในกล้องสะท้อนภาพเลนส์เดี่ยวแบบใช้ฟิล์ม