กล้องหักเหแสง กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้สำหรับแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น เป็นอุปกรณ์ที่สร้างความเปลี่ยนแปลงให้วงการดาราศาสตร์เป็นอย่างมาก นับตั้งแต่ได้มีการเริ่มประดิษฐ์คิดค้นขึ้นมาใช้เป็นครั้งแรกในปีค.ศ. 1609 โดย กาลิเลโอ กาลิเลอิ (Galileo Galilei) เป็นกล้องชนิดหักเหแสง (Refracting Telescope or Refractor) เรียกว่ากล้องกาลิเลี่ยน (Galilean Telescope) ประกอบด้วยเลนส์นูนเป็นเลนส์ใกล้วัตถุ (Objective Lens) ทำหน้าที่รวบรวมแสงขนานโดยการหักเหแสงให้ตกลงที่จุดโฟกัสและภาพของวัตถุท้องฟ้าก็จะตกลงมาที่ระนาบโฟกัส และใช้เลนส์เว้า เป็นเลนส์ใกล้ตา (Eye Lens)

ภาพวาดแสดงทางเดินแสงของ กล้องหักเหแสงชนิดกาลิเลี่ยน และเคพเลอเรี่ยน

ต่อมาในปีค.ศ. 1611 โจฮันน์ เคพเลอร์ (Johann Kepler) ได้เปลี่ยนมาใช้เลนส์นูน เป็นเลนส์ใกล้ตาแทน แล้วเรียกกล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้ว่า กล้องเคพเลอเรี่ยน (Keplerian Telescope) ซึ่งต่อมาได้รับความนิยมมากกว่ากล้องกาลิเลี่ยน เรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน  กล้องสะท้อนแสง  ในปีค.ศ.1663 เจมส์ เกรกอรี่ (James Gregory) ชาวสก็อตแลนด์ ได้ประดิษฐ์กล้องสะท้อนแสง โดยการใช้กระจกเว้า ฉาบด้วยสารสะท้อนแสง 2 ชิ้น กระจกเว้าชิ้นแรกเราเรียกว่า กระจกไพรมารี่ (Primary Mirror) มีขนานใหญ่กว่า มีความโค้งเป็นแบบพาลาโบลาใช้ในการรวบรวมแสงขนาน โดยการสะท้อนแสงย้อนไปทางหน้ากล้อง และ

มีกระจกเว้าชิ้นที่สอง ที่เราเรียกว่า กระจกเซ็คคันดารี่ (Secondary Mirror) มีความโค้งเป็นแบบทรงรี ทำหน้าที่สะท้อนแสงครั้งที่สอง ทำให้ตำแหน่งโฟกัสกลับไปตกที่ท้ายกล้อง โดยผ่านรูที่เจาะไว้ตรงกลางของกระจกไพรมารี่ ภาพที่ได้จะไปตกที่ระนาบโฟกัสที่ท้ายกล้องเช่นกัน และใช้เลนส์นูนเป็นเลนส์ตา กล้องชนิดนี้มีชื่อว่ากล้องสะท้อนแสงเกรกอเรี่ยน (Gregorian Reflector) ถือว่าเป็นกล้องสะท้อนแสงชนิดแรก

ภาพวาดแสดงทางเดินแสงของ กล้องสะท้อนแสงชนิดเกรกอเรี่ยนและนิวโตเนี่ยน

ปี ค.ศ. 1972 ไอแซค นิวตัน (Isaac Newton) ได้ดัดแปลงกล้องสะท้อนแสงเกรกอเรี่ยน โดยการเปลี่ยนกระจกชิ้นที่สองจากกระจกเว้าให้เป็นกระจกราบ ทำมุมเอียง 45 องศา กับแนวแสง ทำหน้าที่สะท้อนแสงที่มาจากกระจกเว้าชิ้นแรกให้จุดโฟกัสมาตกด้านข้างของลำกล้อง และย้ายเลนส์ตามารับแสงที่ด้านข้างของลำกล้องด้วย เรียกกล้องชนิดนี้ว่า กล้องสะท้อนแสงนิวโตเนี่ยน ( Newtonian Reflector) และเรียกโฟกัสแบบนี้ว่า โฟกัสนิวโตเนี่ยน (Newtonian Focus)

ในช่วงเวลาใกล้เคียงกัน กิลลัวเม้ คาสสิเกรน (Guillaume Cassegrain) ก็ได้ดัดแปลงกล้องสะท้อนแสงเกรกอเรี่ยนด้วยเช่นเดียวกัน โดยการเปลี่ยนกระจกชิ้นที่สองจากกระจกเว้าให้เป็นกระจกนูน ที่มีความโค้งไฮเปอร์โบลา ทำหน้าที่สะท้อนแสงครั้งที่สอง ให้ตำแหน่งโฟกัสกลับไปตกที่ท้ายกล้อง เรียกกล้องนี้ว่า กล้องสะท้อนแสงคาสสิเกรน (Cassegrain Reflector) และเรียกโฟกัสแบบนี้ว่า โฟกัสคาสสิเกรน (Cassegrain Focus)

ภาพวาดแสดงทางเดินแสงของ กล้องสะท้อนแสงชนิดเกรกอเรี่ยนและนิวโตเนี่ยน

ต่อมา คูเด้ (Coude) ได้ดัดแปลงกล้องสะท้อนแสงคาสสิเกรน โดยการเพิ่มกระจกชิ้นที่สาม (Third Mirror) เป็นกระจกราบ ทำมุมเอียง 45 องศากับแนวแสง ทำหน้าที่สะท้อนแสงครั้งที่สาม ให้ตำแหน่งโฟกัสมาตกด้านข้างของลำกล้อง เรียกโฟกัสแบบนี้ว่า โฟกัสคูเด้ (Coude Focus) นอกจากนี้ยังมีการดัดแปลงกล้องสะท้อนแสงคาสสิเกรน โดยการเปลี่ยนมาใช้กระเว้าไฮเปอร์โบลาเป็นกระจกไพรมารี่ และใช้กระจกนูนไฮเปอร์โบลา เป็นกระจกเซคคันดารี่ เรียกกล้องชนิดนี้ว่า กล้องสะท้อนแสงริทชี่ย์-เครเที่ยน (Ritchey-Chretien Cassegrain Reflector) และในกล้องบางชนิด มีกระจกไพรมารี่เพียงชิ้นเดียว

โดยให้จุดโฟกัสไปตกยังด้าน หน้ากล้อง เรียกโฟกัสแบบนี้ว่า โฟกัสไพรมารี่ (Primary Focus) การเปรียบเทียบคุณสมบัติระหว่างกล้องหักเหแสงกับกล้องสะท้อนแสง กล้องสะท้อนแสงกับกล้องหักเหแสงนั้น นอกจากจะมีระบบทางเดินแสงต่างกันแล้ว ยังเกิดการคลาดของแสงต่างกัน ทำให้คุณภาพของภาพที่ได้มีความแตกต่างกันไปด้วย

การแก้ความคลาดโครมาติคโดยการเพิ่มเลนส์อะโครมาติก 1.ความคลาดโครมาติก (Chromatic Aberration)        เกิดขึ้นเฉพาะในกล้องหักเหแสงอันเนื่องมาจากแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น ประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นแสงสีน้ำเงิน มีความยาวคลื่นประมาณ 400 นาโนเมตร ไปจนถึงคลื่นแสงสีแดง ความยาวคลื่นประมาณ 700 นาโนเมตร เมื่อแสงแต่ละช่วงความยาวคลื่นผ่านเข้าไปในเลนส์ใกล้วัตถุจะเกิดการหักเหไม่เท่ากันทำให้จุดโฟกัสในแต่ละสีของแสงตกลงคนละตำแหน่งกัน ภาพที่ได้

จึงอาจมีสีที่ผิดเพี้ยนไปจากความเป็นจริงได้ ซึ่งจะต้องมีการแก้ไขความคลาดนี้ โดยการซ้อนเลนส์อะโครมาติก (Achromatic Lens) ซึ่งเป็นเลนส์เว้าที่มีคุณสมบัติในการหักเหแสง เพื่อคืนตำแหน่งของโฟกัสให้มาตรงกันที่จุดเดียวกัน

2. ความคลาดทรงกลม (Spherical Aberration)  เกิดขึ้นได้ทั้งในกล้องหักเหแสงและกล้องสะท้อนแสง ถ้าเลนส์ใกล้วัตถุหรือกระจกไพรมารี่ มีความโค้งเป็นแบบผิวทรงกลม แสงที่รวมได้จะไม่สามารถมารวมกันที่จุดเดียวตรงกลางกล้องได้ ภาพที่ได้จึงขาดความคมชัด ต้องแก้ไขโดยการเปลี่ยนมาใช้ เลนส์ใกล้วัตถุหรือกระจกไพรมารี่ ที่มีความโค้ง เป็นแบบ พาราโบลา หรือในกรณีของกล้องสะท้อนแสง อาจแก้ไขได้ด้วยการเพิ่มเลนส์คอร์เร็คติ้ง (Correcting Lens) ติดไว้ที่หน้ากล้องเพื่อหักเหทิศทางก่อนที่จะตกกระทบกระจกไพรมารี่ แล้วทำให้เกิดจุดโฟกัสร่วมกันที่จุดเดียวเทคนิคนี้คิดค้น

โดย เบอร์นาร์ด ชมิดท์ (Bernhard Schmidt)  ดังนั้นจึงได้เรียกกล้องที่ใช้เทคนิคแบบนี้ว่า กล้องชมิดท์ (Schmidt Telescope)  ในขณะที่ มัคซูทอฟ (Maksutov) ก็ใช้กระจกนูนมีความโค้งพิเศษเพื่อแก้ความคลาดทรงกลมคอร์เร็คติ้ง (Correcting Mirror) แทนกระจกเซ็คคันดารี่ เพื่อทำให้การสะท้อนครั้งที่สองเบี่ยงเบนแสงให้มาตกที่จุดโฟกัสเดียวกัน และเรียกกล้องแบบนี้ว่า กล้องมัคซูทอฟ (Maksutov Telescope)

ภาพวาดแสดงการแก้ความคลาดทรงกลมโดยเทคนิคของชมิดท์ และมัคซูทอฟ

3.ในกล้องสะท้อนแสง จะมีการสูญเสียพลังงานของแสงจากวัตถุท้องฟ้ามากกว่าในกล้องหักเหแสง ยิ่งมีการสะท้อนมากครั้งเท่าใดพลังงานก็จะยิ่งสูญเสียมากขึ้นเท่านั้น ทำให้ความคมชัดของภาพลดลง ดังนั้นแล้ว เมื่อเปรียบเทียบกล้องที่ขนาดเท่ากัน กล้องหักเหแสงจะให้ความคมชัดดีกว่ากล้องแบบสะท้อนแสง แต่เนื่องจากเลนส์นั้นจะถูกผลิตได้ยากกว่า ต้นทุนแพงกว่า กัน กล้องหักเหแสงจึงมีราคาแพงกว่ากล้องแบบสะท้อนแสงด้วย

อัตราส่วนโฟกัส (f-Ratio) คุณสมบัติอย่างหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์ที่ จะต้องมีการกล่าวถึงเสมอ ก็คือ อัตราส่วนโฟกัส หรือ อัตราส่วนเอฟ (f-Ratio) เป็นอัตราส่วนระหว่างระยะโฟกัส (ระยะทางจากผิวโค้งของเลนส์ใกล้วัตถุหรือกระจกไพรมารี่ถึงตำแหน่งโฟกัส) กับ ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของกระจกไพรมารี่ ค่าอัตราส่วนโฟกัสนี้ จะบอกถึงความไวในการรวมแสงของกล้องโทรทรรศน์ ยิ่งกล้องโทรทรรศน์ใด มีค่าอัตราส่วนโฟกัสนี้น้อย การรวมแสงของกล้องโทรทรรศน์นั้นก็จะยิ่งมีความไวสูง

กล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้สำหรับแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกขณะนี้ 3 อันดับแรก ได้แก่ 1. กล้องโทรทรรศน์เค็ค 1 และ เค็ค 2 (Keck I and Keck II Telescopes) เป็นกล้องสะท้อนแสงคู่แฝด มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ของกระจกไพรมารี่ 10 เมตร ความยาวโฟกัส 17.5 เมตร ติดตั้งด้วยระบบฐานกล้องแนวขอบฟ้า (Altazimuth Mounts) ตั้งอยู่ที่เขามัวนาเคีย (Mauna Kea) บนเกาะฮาวาย สหรัฐอเมริกา ก่อตั้งและดำเนินงานโดยความร่วมมือระหว่างสถาบันเทคโนโลียีแคลิฟอร์เนีย

ภาวาดแสดงกล้องโทรทรรศน์เค็ค 1 และ เค็ค 2

มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย และองค์การอวกาศนาซ่า โดยกล้องเค็ค 1 เริ่มใช้งานเมื่อปี 1993 และกล้องเค็ค 2 เริ่มใช้งานเมื่อปี 1996 2.กล้องโทรทรรศน์ฮอบบี้-อิเบอร์ลี่ (Hobby-Eberly Telescope,HET) เป็นกล้องสะท้อนแสง มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ของกระจกไพรมารี่ 9.2 เมตร เป็นกระจกเว้าผิวโค้งแบบทรงกลม รัศมี 26.164 เมตร และมีระบบแก้ความคลาดทรงกลม มีผลให้ได้ภาพที่ดีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 50 mm. บนระนาบโฟกัส ซึ่งก็คือมีขนาดเชิงมุม 4 ลิปดาบนท้องฟ้าความยาวโฟกัส 13.1 เมตร (f/1.4)ที่โฟกัสไพรมารี่ ติดตั้งด้วยระบบฐานกล้องแนวขอบฟ้า โดยกำหนดแกนอะซิมุทเอียง 37 องศา จากแนวดิ่ง ตั้งอยู่ที่ เขาโฟวล์เคส (Fowlkes) รัฐเทกซัส

ภาพถ่ายแสดงกล้องโทรทรรศน์ฮอบบี้-อิเบอร์ลี่

สหรัฐอเมริกา ก่อตั้งและดำเนินงาน โดยความร่วมมือระหว่าง 3 มหาวิทยาลัยในสหรัฐอเมริกา กับ 2 มหาวิทยาลัยในเยอรมันนี เริ่มใช้งานเมื่อปี 1999 3.กล้องโทรทรรศน์ซูบารุ (Subaru Telescopes) เป็นกล้องสะท้อนแสง มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ของกระจกไพรมารี่ 8.2 เมตร ความยาวโฟกัส 15 เมตร (f/1.75)ที่โฟกัสไพรมารี่ มีอัตราส่วนโฟกัส f/12.2 ที่โฟกัสคาสสิเกรน มีอัตราส่วนโฟกัส f/12.6 ที่โฟกัสนาสมิธ ติดตั้งด้วยระบบฐานกล้องแนวขอบฟ้า ตั้งอยู่ที่ เขามัวนาเคีย (Mauna Kea) บนเกาะฮาวาย สหรัฐอเมริกา ก่อตั้งและดำเนินงาน โดยหอดูดาวแห่งชาติประเทศญี่ปุ่น เริ่มใช้งานเมื่อปี 1999

ภาพถ่ายแสดงกล้องโทรทรรศน์ซูบารุ