Ưu và nhược điểm của Thủy tinh quang học BaK4 và BK7

Câu Hỏi:

    Tôi thường thấy nhiều nơi bán ống nhòm và một số hãng quang học thường hay giới thiệu hoặc đề cập đến lăng kính thủy tinh BaK4 và BK7, vậy đặc điểm của các loại lăng kính này thế nào, ưu và nhược điểm của từng loại ra sao.

Trả lời:

    Đối với các loại thiết bị quang học nói chung và ống nhòm nói riêng, nếu biết được thiết bị sử dụng vật liệu quang học gì để chế tạo là rất tốt, tuy nhiên cũng không nên quá “quan trọng hóa” vấn đề này như một số người vẫn quan niệm, đặc biệt là đối với các loại thủy tinh quang học khác nhau, được sử dụng làm lăng kính trong chế tạo ống nhòm.

    Trong ngành công nghiệp sản xuất ống nhòm, có 02 loại vật liệu thủy tinh quang học khá “nổi tiếng” và thường được nhắc đến nhiều và được sử dụng rộng rãi để chế tạo lăng kính là thủy tinh BaK4 (Barium Crown Glass) và BK7 (Borosilicate Crown Glass), mặc dù không phải chỉ mỗi 02 loại thủy tinh này được sử dụng để chế tạo lăng kính. Tuy nhiên trong phần trả lời này, chúng tôi (Thiên Văn Việt) chỉ xét trong phạm vi câu hỏi về lăng kính BaK4 và BK7 theo đúng nội dung như trên.

    Đối với lăng kính sử dụng thủy tinh BaK4: Về lý thuyết thì loại lăng kính này có khả năng phản xạ toàn bộ lượng ánh sáng được truyền dẫn trong lòng lăng kính, các tia sáng truyền trong lăng kính sẽ bị phản xạ với 1 góc tối đa α/2 = 39.6 độ do hiện tượng phản xạ ánh sáng, tuy nhiên thực tế thì tỷ lệ phản xạ không bao giờ đạt mức tuyệt đối 100% mà luôn có 1 tỷ lệ nhỏ ánh sáng bị thất thoát. Mặc dù vậy, do tính chất phản xạ trong toàn phần của ánh sáng của đối với thủy tinh BaK4, các nhà chế tạo thiết bị đã sử dụng chúng để chế tạo các lăng kính quang học nhằm bảo toàn tối ưu lượng ánh sáng thu được, các lăng kính dạng này thường được ứng dụng để chế tạo các ống nhòm có trường quan sát rộng, vật kính có tiêu cự ngắn. Lăng kính thủy tinh BaK4 tuy có nhiều ưu điểm về quang học, nhưng đi kèm với đó cũng là các khuyết điểm rất khó khắc phục như tông màu của ảnh qua lăng kính có độ trung thực không cao bằng lăng kính BK7, ảnh qua lăng kính BaK4 có mức độ quang sai lớn hơn so với lăng kính sử dụng thủy tinh BK7. Bởi vậy, nếu so sánh kỹ 2 ống nhòm chất lượng cao, người có kinh nghiệm quan sát sẽ thấy ảnh qua ống nhòm có lăng kính BaK4 sáng hơn đôi chút nhưng tông màu lại hơi có vẻ “dại” và không thật bằng ống nhòm có lăng kính BK7.

   Đối với lăng kính sử dụng thủy tinh BK7: Loại lăng kính này không phải là loại lăng kính phản xạ trong toàn phần, tia sáng truyền trong lăng kính sẽ bị phản xạ với 1 góc tối đa α/2 = 41.2 độ sau khi gặp bề mặt lăng kính, một phần nhỏ ánh sáng bị thất thoát trong khi truyền dẫn, đặc biệt là ở khu vực rìa của bề mặt phản xạ, nên lăng kính BK7 nếu muốn cải thiện hiệu năng tốt hơn thì phải được chế tạo diện tích mặt phản xạ to hơn hoặc đôi khi cần phải tráng thêm lớp phản quang để tăng khả năng phản xạ ánh sáng (tốn vật liệu và chi phí sản xuất cao hơn), bù lại chất lượng ảnh qua lăng kính BK7 lại rất tốt, ảnh có tông màu đẹp trung thực tự nhiên và ít sắc sai hơn so với lăng kính sử dụng thủy tinh BaK4 (chỉ số tán sắc của lăng kính BK7 chỉ là -0.0418 µm^-1 tốt hơn hẳn khi so sánh với chỉ số tán sắc của thủy tinh BaK4 là -0.0523 µm^-1). Do ảnh thu được tối hơn một chút (rất ít) so với lăng kính sử dụng thủy tinh BaK4 nên loại lăng kính BK7 thường thấy (không phải luôn luôn) xuất hiện ở một số ống nhòm tầm trung và tầm thấp. Bất chấp điểm trừ nhỏ về khả năng phản xạ toàn phần yếu hơn đôi chút so với lăng kính BaK4, ở những thiết bị quang học yêu cầu độ chính xác cao về màu sắc ảnh hoặc với nhu cầu quan sát không đòi hỏi hơn thua vài phân lượng phần trăm ánh sáng thu được, hoặc đặc điểm hệ quang học tận dụng được những ưu điểm của vật liệu thiết kế, thì lăng kính thủy tinh quang học BK7 vẫn được ưa chuộng sử dụng thay vì vật liệu thủy tinh BaK4 do mức độ sắc sai của ảnh qua lăng kính BK7 ít hơn, tông màu ấm áp tự nhiên hơn (vì vậy, rất nhiều ống nhòm phóng đại lớn hoặc ống ngắm quan sát điểm spotting scope thuộc phân khúc cao cấp vẫn sử dụng lăng kính thủy tinh BK7 và được đánh giá rất cao về chất lượng quang học).

    Một đặc điểm nhỏ nữa cần lưu ý: Ở các hệ quang học có tỷ số độ mở tiêu cự F ratio >= 5 (tỷ số f = tiêu cự hệ quang/đường kính vật kính) thì gần như không còn sự khác biệt về khả năng phản xạ của lăng kính BK7 và BaK4, khi đó những đặc tính ưu việt của lăng kính BK7 lại là lợi thế lớn, mang lại khả năng khử sắc sai tốt và tông màu đẹp hơn ống có lăng kính BaK4. (nguyên nhân tại sao gây ra sự khác biệt này sẽ được Thiên Văn Việt phân tích sâu hơn trong các bài viết về kiến thức quang học chuyên sâu khác, nếu phân tích thêm ở đây thì nội dung sẽ đi quá xa so với câu hỏi ban đầu).

   Bảng kiểm tra được thống kê thực tế về khả năng truyền dẫn ánh sáng tương ứng với các bước sóng khác nhau dưới đây cho thấy: khả năng truyền sáng được thử nghiệm trên kích thước mẫu thử nghiệm có cùng độ dày 2.5 cm  của 02 vật liệu  thủy tinh BaK4 và BK7 đã chứng minh rõ mức độ truyền sáng của thủy tinh BK7 thậm chí còn tốt hơn cả thủy tinh BaK4, đây là điểm cộng bù trừ cho yếu tố phản xạ trong toàn phần của lăng kính BK7 so với lăng kính BaK4.

     Kết luận: Khi chọn lựa ống nhòm hoặc thiết bị quang học, hãy cân nhắc kỹ và tham khảo thêm ý kiến từ những người có kinh nghiệm hoặc gửi mail tham khảo cho chúng tôi (Thiên Văn Việt) để được tư vấn kỹ hơn, đồng thời tổng hợp nhiều yếu tố kỹ thuật khách quan khác nhau để có quyết định đúng đắn nhất, không nên chỉ đánh giá mỗi thông tin về loại lăng kính trong kết cấu của ống nhòm hoặc thiết bị quang học mà đã kết luận ngay về hiệu năng của sản phẩm.

    Mặc dù không phải tất cả ống nhòm hoặc thiết bị quang học sử dụng lăng kính BK7 đều có chất lượng như nhau, nhưng nếu xét riêng trong nhiều trường hợp và từng mục đích sử dụng cụ thể khác nhau, thì thiết bị quang học hoặc ống nhòm sử dụng lăng kính chuyên dụng BK7 mới thực sự là hàng đẳng cấp chất lượng cao, sẽ là sai lầm khi cho rằng cứ thiết bị quang học hoặc ống nhòm có sử dụng lăng kính BaK4 thì luôn tốt hơn loại sử dụng lăng kính quang học BK7.

Câu hỏi phụ:

    Tôi thấy một số chỗ thường hướng dẫn phân biệt loại lăng kính BaK4 và BK7 bằng cách nhìn vào vòng tròn thị kính, sau đó đánh giá chất lượng ống nhòm, làm như vậy có đúng không?

Trả lời câu hỏi phụ:

    Cách phân biệt như vậy có phần đúng nhưng chưa đủ chính xác.

    Nguyên nhân: Hiện nay có nhiều hãng quang học hoặc một số nơi bán hàng thường lợi dụng niềm tin về chất lượng lăng kính BaK4 của người mua để “quảng cáo” tiếp thị các sản phẩm quang học hoặc ống nhòm được cho là có sử dụng lăng kính BaK4, thậm chí một số sản phẩm còn in luôn tên thủy tinh BaK4 lên thân của ống nhòm để gây ấn tượng. Rồi sau đó tư vấn cho khách hàng bằng việc nêu ra cách phân biệt ống nhòm có lăng kính BaK4 và BK7 một cách có vẻ rất “đơn giản” rằng: chỉ cần nhìn vào mức độ tròn và khuyết của vòng tròn thị kính là có thể biết ngay được đó là lăng kính dạng BaK4 hay BK7, hoặc cứ thấy loại nào có dạng lăng kính BK7 thì cho là chất lượng kém hơn loại có lăng kính BaK4. Đây là phương pháp phân biệt có độ tin cậy không cao, mặc dù trước đây đôi khi có thể sử dụng cách này để phân biệt sơ bộ ống nhòm, nhưng hiện nay cách nhận biết sơ đẳng này không còn chính xác nữa, do sự thực phần lớn những sản phẩm giá rẻ có nguồn gốc thiếu minh bạch này không sử dụng thủy tinh BaK4 hoặc BK7 đúng tiêu chuẩn mà chỉ sử dụng loại thủy tinh rẻ tiền có tính chất vật lý gần giống như BaK4 hoặc BK7, nhưng chất lượng quang học và giá thành chế tạo thấp hơn loại tiêu chuẩn nhiều. Mặt khác, ở nhiều loại ống nhòm nhỏ giá rẻ chất lượng kém vẫn cho vòng tròn thị kính với vành sáng không hề bị khuyết, nếu chỉ tuân theo lý thuyết bằng cách  kiểm tra kiểu "sơ đẳng" và thiếu chính xác là nhìn vào độ tròn của thị kính thì sẽ gây nhầm lẫn lớn, khi thấy vòng tròn sáng trong thị kính không bị khuyết, rất nhiều người đã lầm tưởng đó là thủy tinh BaK4 và chọn lựa một cách vội vàng, nhưng thực tế thì loại thủy tinh chế tạo những loại ống nhòm giá rẻ chất lượng kém này này cho ảnh quan sát được còn tồi tệ hơn cả loại thủy tinh BK7 và BaK4 rất nhiều. Nếu chỉ nhìn vào mỗi vòng tròn thị kính thì sẽ rất khó để phát hiện ra vì độ tròn của thị kính trên những sản phẩm này không khác gì thủy tinh BaK4 thứ thiệt, chỉ khi sử dụng các máy đo phân tích quang phổ chuyên dụng, hoặc được các chuyên gia quang học có kinh nghiệm đánh giá trực tiếp chất lượng hình ảnh thì mới có thể phân biệt được, đặc biệt ở các ống nhòm nhỏ. (Vấn đề phân biệt các loại thủy tinh quang học với kỹ năng chuyên sâu sẽ được ThiênVăn Việt đề cập ở các mục giải đáp hoặc câu hỏi liên quan khác).

Trân trọng!

  Nhóm tác giả: Thiên Văn Việt (www.thienvanviet.com)