แว่นขยายวิทยาศาสตร์ เป็นเครื่องมือชิ้นเล็กๆที่เด็กนักเรียนที่เพิ่งเข้าสู่ระบบการศึกษาแทบจะรู้จักเป็นชิ้นแรกเลย ไม่ว่าจะเอาไปส่องดูสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กต่างๆ ทั้งพืชและสัตว์ แมลงตัวเล็กๆ เรียกได้ว่าแทบจะเปิดโลกให้กับเด็กๆได้รู้จักสิ่งใหม่ๆที่มีอยู่รอบตัวเราอยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งถือว่าเรื่องแว่นขยายมีความสำคัญมากจนมีการบรรจุให้มีการเรียนการสอนเรื่องแว่นขยายตั้งแต่ระดับชั้นอนุบาลหรือประถมกันเลย โดยเน้นการเรียนเรื่องแว่นขยายว่าสามารถนำไปใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง ผมยังจำได้ดีสมัยที่ยังเป็นเด็กที่เอาแว่นขยายมารับแสงแดด แล้วส่องไปยังใบไม้หรือกระดาษแล้วทำให้ไฟสามารถติดขึ้นมาได้ มันเป็นเหมือนเวทย์มนต์ที่สามารถทำได้ครั้งแรกสำหรับเด็กๆเลย ทำให้เราสนุกไปกับการเล่นแว่นขยายเพื่ออยากรู้อยากเห็นสิ่งใหม่ๆตามนิสัยของเด็กๆในตอนนั้น

จากหลักการของแสงสามารถใช้แว่นขยายวิทยาศาสตร์ใช้ทำอะไรได้บ้าง

เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าแว่นขยาย ทำมาจากเลนส์นูน Convex lens ที่มีความหนานูนมากที่สุดบริเวณตรงกลาง ซึ่งเนื่องจากความหนาของเลนส์ในแนวระนาบตามรูปจะเห็นว่า จะเป็นคล้ายรูปรักบี้ ที่จะมีความหนามากที่สุดตรงกลาง ซึ่งโดยปกติแท่งวัสดุที่เป็นแก้วหรือวัสดุที่มีความใส จะมีความสามารถในการหักเหแสงหรือให้แสงสามารถทะลุผ่านออกไปได้ แต่แสงที่ทะลุผ่านออกไปได้นั้นเราจะเห็นว่าบางครั้งแสงก็ไม่ได้ทะลุไปตรงๆ บางครั้งก็มีการหักเหออกไปเป็นมุมต่างๆ ลักษณะแบบนี้เพราะว่าแสงมีความสามารถในการหักเหแสงได้ เมื่อผ่านวัสดุที่มีความหนาแน่นหรือถ้ามองดูในแนวระนาบก็คือ ความหนานูนในแต่ละตำแหน่งของของระนาบนั่นเอง

ดังนั้นเมื่อแสงผ่านแว่นขยายซึ่งเป็นเลนส์นูนที่มีแนวระนาบที่เป็นเหมือนรูปรักบี้ ที่มีความหนานูนสูงที่สุดตรงกลางทำให้แนวแสงแทบจะสามารถทะลุไปในแนวตรงๆได้ เมื่อเทียบตำแหน่งระนาบตรงปลายด้านซ้ายหรือด้านขวาของรูปรักบี้ ที่มีความนูนที่ต่ำมากๆแสงก็จะหักเหออกไปได้มากที่สุดตามรูป (ดูที่รูปด้านบนประกอบนะครับ)

แต่อย่าลืมนะครับ ว่าแสงมีอยู่ทุกที่ไม่ว่าจะเป็น

1. แสงจากดวงอาทิตย์หรือหลอดไฟที่ทะลุผ่านแว่นขยายไปยังวัตถุที่เราจะมอง ซึ่งจะเป็นแนวแสงเหมือนภาพประกอบด้านบน
2. แสงที่ตกกระทบกับวัตถุแล้วแล้วผ่านเลนส์นูนหรือแว่นขยาย แล้วค่อยมาที่ส่วนของการรับภาพก็คือดวงตาของเรานั่นเอง

ดังนั้นเราจะเห็นว่าแสงมีอยู่ 2 ทางคือ

ตามข้อ

1)  แนวแสงจากบนลงล่าง แสงจากดวงอาทิตย์หรือหลอดไฟที่ทะลุผ่านแว่นขยายไปยังวัตถุที่เราจะมอง (เกิดการรวมแสงที่จุดโฟกัส ซึ่งเป็นเส้นแสงทุกเส้น ที่ผ่านการหักเหโดยผ่านวัสดุใสที่มีความนูนหรือเลนส์นูนมารวมกัน )

2)  แนวแสงจากล่างขึ้นบน แสงที่กระทบกับวัตถุแล้วผ่านการหักเหจากวัสดุใสที่มีความนูน ก่อนที่จะเดินทางมาที่ดวงตาของเรา (ทำให้เห็นภาพขยายของวัตถุ)

วิธีใช้แว่นขยายวิทยาศาสตร์

1.ใช้ในการรวบรวมพลังงานจากแสง เพื่อนำไปใช้ประโยชน์

จากหลักการของแสง

ในข้อ 1) เราจะให้แสงจากดวงอาทิตย์ผ่านเลนส์ของแว่นขยายแล้วให้เกิดการหักเหแสง ซึ่งแสงจะมีเส้นทางการเดินทางของมันและจะค่อยๆบีบลำแสงให้เป็นแนวที่ค่อยๆแคบ และจะรวมเป็นจุดที่เล็กที่สุด ซึ่งก็คือจุดโฟกัสนั่นเอง และถ้าหากแสงยังคงไม่มีวัตถุอะไรมารับหรือมาบัง มันก็จะเดินทางต่อไปแต่แนวเส้นแสงก็จะค่อยๆเริ่มฉีกออกไปเรื่อยๆตามในรูป

ดังนั้น สิ่งที่สำคัญที่สุดที่เราจะใช้ประโยชน์จากการเดินทางของแสง ก็คือจุดโฟกัส Focal Point (จุดที่แสงมารวมตัวกัน) และ  ระยะโฟกัส Focal Length ระยะระหว่างเลนส์นูนกับแนวระนาบที่จะมารับแสง

ซึ่งจุดโฟกัสและระยะโฟกัสจะมีความสัมพันธ์กัน พูดง่ายๆก็คือระยะที่เราค่อยๆเอาแว่นขยายกดลงไปใกล้กระดาษ แล้วทำให้แสงที่เกิดขึ้นในกระดาษเป็นจุดที่มีขนาดเล็กที่สุดท่าที่จะทำได้ เมื่อแสงในกระดาษมีขนาดเล็กที่สุดก็จะเป็นจุดที่มีความเข้มแสงมากที่สุดนั่นเอง ซึ่งเหตุการณ์นี้เองเราจะทราบว่าเราได้จุดโฟกัสแล้ว คราวนี้เรามาดูระยะระหว่างกระดาษและแว่นขยาย นั้นก็คือระยะโฟกัสนั่นเอง

เนื่องจากจุดโฟกัสเป็นจุดที่มีความเข้มแสงมากที่สุด เราจะเห็นได้จากความสว่างจ้าของแสงจะสว่างมากที่สุด การที่แสงมีความจ้าออกมาได้มากที่สุดได้นั้นแสดงว่า แสงในขณะนั้นมีพลังงานที่มากที่สุด เนื่องจากการรวมแสงในทุกๆเส้นแสงของแว่นขยายที่เราใช้ในขณะนั้น ว่าจะสามารถรวมพลังงานของแสงได้มากที่สุดเท่าใด

หลายคนคงจะงงว่า ทำไมผมถึงพูดแบบนี้ เรายังสามารถเพิ่มความเข้มแสงและให้พลังงานแสงเพิ่มขึ้นไปได้อีกเหรอ ผมจะบอกว่า สามารถทำได้ครับ ให้ลองนึกภาพตามง่ายๆนะครับ โดยดูจากรูปด้านบน เราจะเห็นเส้นแสงสีแดงหลายๆเส้น ผมถามต่ออีกทีว่า ถ้าอยากให้เส้นสีแดงมีหลายๆเส้นมากว่าเดิมจะทำยังไงได้ครับ หลายคนน่าจะตอบถูกแล้วนะครับ ก็ทำให้ลูกรักบี้ที่เป็นเลนส์นูนมันกว้างๆขึ้นซิ เส้นแสงก็จะได้เข้ามามากๆ  ใช่ครับ ง่ายๆแค่นี้เอง ก็แค่เพิ่มขนาดของเลนส์นูนที่ยังคงเป็นแนวทรงรูปรักบี้ให้มีขนาดใหญ่ขึ้นเองครับ ก็จะรับแสงได้มากๆแล้ว พลังงานก็จะเพิ่มมากขึ้น

คราวนี้มาเข้าเรื่องกันต่อเลย เผื่อใครมีเด็กเล็กๆแล้วอยากสอนให้ลูกๆเข้าใจเรื่องประโยชน์ของแสงกับแว่นขยาย เราทราบแล้วว่าแสงที่สว่างที่สุดก็คือจุดที่มีพลังงานมากที่สุด ซึ่งแสงที่มีพลังงานมากที่สุดก็คือแสงจากดวงอาทิตย์ เพราะเป็นแสงที่ประกอบไปด้วยช่วงคลื่นหลายความถี่ ทำให้มีพลังงานปล่อยอกมาในทุกๆช่วงคลื่น แต่ถ้าเป็นพวกแสงปรุงแต่งที่เกิดจากการสร้างขึ้นเช่นแสงจากหลอดไฟฮาโลเจน ฟลูออเรสเซนต์ หรือ LED พวกนี้จะมีแค่บางความถี่นะครับ พลังงานจึงไม่เท่ากับแสงจากดวงอาทิตย์

ดังนั้นแสงจากดวงอาทิตย์ให้พลังงานที่มากที่สุดแล้วจากแสงที่เราสามารถพบเจอได้ในชีวิตประจำวัน โดยเฉพาะช่วงกลางวันที่มีความเข้มแสงสูงที่สุด เมื่อเราใช้แว่นขยายที่มีขนาดหน้ากว้างที่มากพอ มาทำการรวมแสงให้เกิดจุดโฟกัสที่จุดที่เราต้องการจะปล่อยพลังงานลงไปในจุดๆนั้น ก็จะทำให้เกิดความร้อนและเมื่อความร้อนสะสมมากพอก็จะสามารถเกิดการจุดไฟขึ้นมาได้

 2.ใช้ในการขยายภาพของวัตถุที่มีขนาดเล็ก

จากหัวข้อในด้านบนที่บอกว่า แสงมี 2 เส้นทางการเดินทาง คราวนี้เรามาดูเส้นทางในข้อที่ 2 กันนะครับ (แสงที่กระทบกับวัตถุแล้วผ่านการหักเหจากวัสดุใสที่มีความนูน ก่อนที่จะเดินทางมาที่ดวงตาของเรา) 

จริงๆในหัวข้อนี้เราควรจะพูดถึงแว่นขยายกันก่อน แต่ผมขอยกตัวอย่างแสงที่มาจากกล้องจุลทรรศน์แทนก่อนนะครับ เพราะว่าเราจะได้เห็นชัดๆกันว่า (แสงที่กระทบกับวัตถุแล้วผ่านการหักเหจากวัสดุใสที่มีความนูน ก่อนที่จะเดินทางมาที่ดวงตาของเรา) จากรูปด้านบนแหล่งกำเนิดจากจะมาจากทางด้านล่าง ผ่านผ่านสไลด์หรือวัตถุแล้วแสงก็จะผ่านเลนส์ต่างๆ ซึ่งก็คือเลนส์นูนทั้งหมดนั่นเองก่อนที่แสงจะเดินทางสู่ดวงตาของเรา และเมื่อเรามองที่เลนส์ใกล้ตาของกล้องจุลทรรศน์เราก็จะเห็นภาพที่ขยายของวัตถุตามจำนวนเลนส์ที่มีอยู่ในกล้องจุลทรรศน์ ทำให้เกิดภาพที่มีกำลังขยายที่มากกว่าแว่นขยาย เพราะส่วนใหญ่แว่นขยายมักจะมีเพียงแค่เลนส์เดียว

คราวนี้เรามาดูทางเดินของแสงของแว่นขยายกัน แต่ครั้งนี้ผมจะกลับทิศของแสงแล้ว โดยจะเปลี่ยนจากล่างขึ้นบน เพราะเราจะต้องมองดูวัตถุจากด้านบนผ่านแว่นขยาย โดยให้แสงจากวัตถุผ่านเลนส์นูนแล้ววิ่งเข้ามาสู่ตาของเรา

จากรูปถ้าเรามองดู ระยะโฟกัส Focal Length ซึ่งจะเป็นระยะที่เริ่มจากเลนส์นูน Convex Lens ไปจนถึงจุดโฟกัส ระยะตรงนี้แหละครับ ที่เราจะสามารถเห็นภาพที่ขยายใหญ่ขึ้นมาได้ ซึ่งหลักการของการมองภาพขยาย เราไม่จำเป็นต้องไปดูที่จุดโฟกัสนะครับ 

ถ้าหากดูจากรูป ลองจินตนาการโดยการ เลื่อนดวงตาลงไปเรื่อยๆเราก็จะเห็นภาพที่มีขนาดใหญ่ขึ้น โดยดูจากเส้นสีแดงในรูปนะครับ

ซึ่งการใช้แว่นขยายที่ทำให้ภาพวัตถุขยายได้มากๆนั้นจะขึ้นกับความหนานูนของเลนส์เป็นสำคัญ และยิ่งเลนส์เมื่อมีความนูนมาก ก็จะทำให้ระยะทั้งของดวงตาไปถึงเลนส์นูน และระยะเลนส์นูนไปถึงวัตถุก็จะสั้นลงด้วย

หลายครั้งเราจะเห็นว่าบางทีเวลาใช้เลนส์ขยายกำลังขยายสูงๆหลายๆเท่า อย่างเช่นลูปที่ใช้ส่องเพชรหรือส่องพระ แทบจะต้องเอาตาชิดกับเลนส์กันไปเลย แต่ก็ต้องขอบอกไว้ก่อนนะครับ ว่ายิ่งมองวัตถุโดยใช้กำลังขยายมากๆ อย่างเช่นมองผ่านลูปจะต้องใช้กล้ามเนื้อตาเป็นอย่างมาก ทำให้ตาเราปวดได้ครับ ดังนั้นการมองแว่นขยายที่มีกำลังขยายมากๆจะทำให้เราเวียนหัวได้

สรุป : แว่นขยายวิทยาศาสตร์ เป็นเครื่องมือที่เป็นเหมือนกุญแจให้เด็กๆสามารถเปิดประตูไปสู่โลกอันกว้างใหญ่ให้ได้เรียนรู้สิ่งอื่นๆได้อีกมากมาย และที่สำคัญความรู้ในเรื่องของแสง พลังงานของแสง เลนส์ กำลังขยาย สิ่งเหล่านี้จะทำให้เด็กๆได้รับความรู้และประสบการณ์ใหม่ๆอันน่าตื่นเต้น อย่างการจุดไฟด้วยแว่นขยายวิทยาศาสตร์อันเล็กๆที่อยู่ในมือ รวมไปถึงสามารถเอาความรู้ที่ได้ไปใช้ในชีวิตประจำวันด้วย และยังสามารถต่อยอดความรู้ไปจนถึงการใช้แว่นขยายที่อัพเกรดไปจนกลายเป็นกล้องจุลทรรศน์ ก็จะเป็นเกิดเปิดโลกอีกโลกหนึ่งที่ดวงตามนุษย์จะไม่สามารถเห็นได้

แว่นขยาย จะเป็นเรื่องของเลนส์นูนที่มีชื่อภาษาอังกฤษว่า Convex Lens โดยจะมีรูปร่างเหมือนในรูปด้านบน ซึ่งเลนส์นูนรูปร่างแบบนี้ เราจะเห็นได้ในอุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ใช้สำหรับขยายภาพการมองเห็นต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นแว่นขยาย โคมไฟแว่นขยาย กล้องจุลทรรศน์ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้จะมีเลนส์นูนเป็นตัวแปรสำคัญในการขยายภาพ โดยจะสามารถขยายภาพได้มากน้อยเท่าใดนั้น ขึ้นอยู่กับ จำนวนเลนส์นูน และความหนาของเลนส์ที่ใช้ด้วย

การทำงานเลนส์นูน ทำให้เกิดการขยายภาพของแว่นขยาย

เรามาดูความหมายที่สำคัญในเรื่องของเลนส์นูนกันก่อนนะครับ

1.เมื่อแสง(จากวัตถุ)เดินทางผ่านเลนส์นูน จะเห็นว่าแสงในทุกๆเส้นจะถูกรวมตัวกันไว้ที่ Focal point หรือจุดโฟกัส 

2.โดยแสงในทุกๆเส้นที่เมื่อผ่านเลนส์นูนมาแล้ว และกำลังเดินทางก่อนที่จะเดินมาถึงจุดโฟกัส จะถูกเรียกว่า Focal length (ความยาวโฟกัส)  

ระยะ Focal Length ตรงนี้แหละครับ ที่เราจะสามารถมองเห็นวัตถุได้เป็นภาพเสมือนหัวตั้ง (ใช้กับพวกแว่นขยายหรือกล้องจุลทรรศน์)

เราลองมาดูความสัมพันธ์ของหลักการขยายภาพวัตถุกัน

u  คือ ระยะห่างระหว่างวัตถุกับเลนส์

F คือ ระยะโฟกัส(ระยะชัดของภาพ) โดยในที่นี่เราจะหมายถึง ระยะระหว่างเลนส์นูนกับฉากรับภาพหรือก็คือสายตาของเรานั่นเอง  (F ที่อยู่ด้านขวา)

เปรียบเทียบความสัมพันธ์ให้เห็นภาพกัน

คราวนี้เราลองมาดูรูปแบบของกล้องส่องดูดาวกัน

• จะเห็นว่าวัตถุ(ดวงดาว)อยู่ห่างจากเลนส์นูน(ที่ติดอยู่ตรงปลายกล้องส่องดูดาว)มากๆๆๆๆๆๆๆ ซึ่งก็คือค่า u
• ส่วนระยะระหว่างเลนส์นูน กับดวงตาที่รับภาพของเรา ก็คือ ความยาวของตัวกล้องส่องดูดาว ซึ่งจะแทนเป็นค่า f

ภาพที่ได้จากการมองผ่านกล้องส่องดูดาว เราจะเห็นเป็นภาพจริงหัวกลับ เนื่องจากระยะของ u > f มากๆๆๆ

ดังนั้นผมขอสรุปให้เข้าใจง่ายๆเลยนะครับ เมื่อแสงถ้าผ่านเลนส์นูนไปแล้ว ยังไงภาพที่ได้ก็จะขยายแน่นอน ขึ้นอยู่กับว่า ภาพมีกำลังขยายมากขึ้น หรือ พื้นที่มุมองในการเห็นมีขนาดขยายใหญ่ขึ้น ซึ่งทั้งสองรูปแบบจะอยู่ที่ว่าวัตถุที่เราจะมองอยู่ห่างจากเลนส์นูนมากน้อยเพียงใด

• ถ้าวัตถุอยู่ใกล้ๆเลนส์นูน ก็จะเป็นการขยายภาพในระยะใกล้ สามารถเห็นรายละเอียดของภาพที่มีการขยาย Magnification ได้มากขึ้น ซึ่งก็คือหลักการของแว่นขยาย
• ถ้าวัตถุอยู่ไกลจากเลนส์นูนมากๆ  ก็จะเป็นการขยายมุมมองของภาพ Field of View ที่มีการดึงภาพจากที่ไกลๆมาให้เราได้ดูกันใกล้ๆ ซึ่งก็คือ หลักการของกล้องส่องดูดาว

แต่ในที่นี้เราจะมาเน้นเฉพาะในเรื่องของหลักการทำงานของแว่นขยาย โดยใช้เลนส์นูนกันนะครับ

จากหลักการของเลนส์นูน ที่ว่าสามารถทำให้เกิดการขยายภาพได้แล้ว จึงมีคำถามว่า ถ้าอยากให้ภาพที่ขยายต้องการจะขยายภาพได้มากกว่าปกติจากการใช้เลนส์นูนในตอนแรกแล้ว เราจะสามารถทำได้ไหม แน่นอนครับสามารถทำได้โดยการใช้ เลนส์นูนซ้อนเข้าไปอีกชั้นนึง ทำให้เกิดภาพที่ได้จากการรวมแสงที่ผ่านเลนส์นูนถึงสองชั้น หรือแม้กระทั่งต้องการกำลังขยายที่มากๆ ก็สามารถซ้อนไปถึง 3 ชั้นเลยก็ได้

อย่างที่เราเห็นกันประจำในกล้องจุลทรรศน์หรือกล้องไมโครสโคปที่มีทั้งเลนส์ใกล้ตา Eyepiece(Eye Lens) , เลนส์ใกล้วัตถุ (Objective Lens) และถ้าต้องการจะเพิ่มกำลังขยาย ก็ยังมี Optional Len เสริมเข้าไปอีก ซึ่งการซ้อนเลนส์ลักษณะนี้ก็จะเป็นหลักการทำงานของแว่นขยาย โดยการใช้เลนส์นูนนั่นเอง

 สรุปหลักการทำงานของแว่นขยาย จะใช้เลนส์นูนในการรวมแสง เพื่อทำให้เราสามารถมองเห็นภาพที่มีขนาดใหญ่ขึ้นได้ โดยภาพที่ได้จะเป็นภาพเสมือนหัวตั้ง และนอกจากนี้ถ้าต้องการกำลังขยายที่มากขึ้นไปอีกก็สามารถใช้เลนส์นูนมาซ้อนเสริมเพื่อเพิ่มกำลังขยายให้มากขึ้นได้

แว่นขยาย เป็นอุปกรณ์ที่ถูกสร้างขึ้นมาจากกระจกแก้ว เพื่อนำมาทำเป็นเลนส์ ทำให้มีความสามารถในการรวมแสงและกระจายแสง เนื่องจากเลนส์นูนมีความสามารถที่จะทำให้เกิดการหักเหแสงในรูปแบบการรวมแสงเกิดขึ้น ทำให้เราสามารถมองเห็นวัตถุที่มีขนาดเล็กให้สามารถมองเห็นได้ใหญ่ขึ้นเมื่อมองผ่านเลนส์นูนนี้ จากความสามารถของเลนส์นูนที่นำมาทำเป็นแว่นขยาย ทำให้เราสามารถศึกษาวัตถุหรือสิ่งต่างๆทั้งที่ไม่มีชีวิตและมีชีวิตได้อย่างมากมาย ทั้งทางด้านการศึกษาหาความรู้ และการใช้เป็นเครื่องมือที่สำคัญในการตรวจสอบและงานซ่อมแซม ที่สามารถพบเจอได้อยู่เสมอ

ประโยชน์ทางด้านการศึกษา

ประโยชน์ทางการด้านอุตสาหกรรมการผลิตและการควบคุมคุณภาพ

ประโยชน์ทางด้านงานฝีมือและงานช่าง

ประโยชน์ทางด้านการแพทย์และความงาม

เครื่องมือช่วยเหลือสำหรับผู้สูงอายุ

สรุป : แว่นขยายมีประโยชน์ อย่างมากมายโดยเฉพาะเป็นเครื่องมือที่ช่วยในการมองดูวัตถุที่มีขนาดเล็ก ซึ่งเราจะพบเจอสิ่งต่างๆที่มีขนาดเล็ก เกินความสามารถของสายตามนุษย์ของเรา ทำให้แว่นขยายเหมือนดวงตาที่ถูกเพิ่มขีดความสามารถในการมองเห็นได้มากขึ้นไปอีก ดังนั้นเราจึงมีการใช้ประโยชน์จากแว่นขยายกันอย่างมากมาย เพื่อช่วยยกระดับดวงตาให้มีความสามารถเพื่มขึ้น จนปัจุบันมีการยกระดับทางด้านการมองวัตถุที่มีขนาดเล็กมากๆ โดยการใช้กล้องจุลทรรศน์ ซึ่งสามารถยกระดับความสามารถในการมองเห็นให้เพิ่มขึ้นไปอีกอย่างมากมาย

ในท้องตลาดมีการโฆษณาว่า “แว่นขยาย 100 เท่า” ซึ่งตามหลักการของแว่นขยายจะมีการใช้เลนส์นูนมาทำเป็นแว่นขยาย ซึ่งแน่นอนเลนส์นูนจะเป็นวัตถุที่ผลิตมาจากแก้ว ที่ใช้หลักการในการหักเหของแสงในการขยายภาพของวัตถุ ดังนั้นระบบในการการขยายภาพจะเป็นแบบ Optical (ระบบการหักเหของแสงผ่านทางสายตา)  ซึ่งในบทความที่ผ่านมาของผม เคยมีการกล่าวถึง แว่นขยายใช้เลนส์อะไร  เราจะทราบว่าการขยายภาพของวัตถุนั้น ถ้าหากต้องการกำลังขยายมาก ก็ยิ่งจำเป็นที่จะต้องใช้เลนส์ที่มีขนาดหนานูนมากตามไปด้วย

ซึ่งโดยส่วนใหญ่ที่เป็นระบบ Optical ที่พอจะเป็นแว่นขยายที่มีกำลังขยายสูงจริงๆได้นั้น  จะถูกนำไปใช้ในรูปแบบของ ลูป หรือแว่นขยายที่มีขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก) กำลังขยายสงุสุดได้ประมาณ 30 – 40 เท่า

คราวนี้ก็จะมีคำถามว่าทำไมถึงต้องเป็น “ลูป” ที่เป็นแว่นขยายที่มีขนาดที่เล็กมาก ทำไมไม่ทำเป็นแว่นขยายกำลังขยายสูงๆ และมีเส้นผ่านศูนย์กลางกว้างๆจะได้มองได้ชัดๆกันไปเลย

เรามามองถึงข้อจำกัดของแว่นขยาย 100 เท่ากัน ว่าจะเป็นไปได้ไหม

1.ถ้าเลนส์กำลังขยายมากๆ ก็ยิ่งต้องใช้เลนส์ที่มีความหนามากๆตามไปด้วย ทำให้มีข้อจำกัดทางด้านน้ำหนักตามความหนาของเลนส์ ทำให้เวลาเราจะถือเลนส์หรือนำไปใช้งานนานๆนั้นไม่สะดวกแน่นอน

2.เมื่อเลนส์มีความหนามากๆ ระยะโฟกัสในการใช้งานจริงๆจะถูกบีบให้แคบลง จะยิ่งทำให้สายตาของเราเมื่อยล้ามากขึ้นตามขนาดความหนาของเลนส์

3.เลนส์ที่มีกำลังขยายสูงๆนั้น เราจะถูกใช้ในการดูรายละเอียดที่มีขนาดเล็กมากๆ ดังนั้นพื้นที่การมองเห็น(Field of View) จึงไม่จำเป็นต้องกว้างมาก ดังนั้นเลนส์ที่หนาๆและกว้างๆ นอกจากจะมีน้ำหนักที่สูงแล้ว ยังไม่มีความจำเป็นในการมองในพื้นที่ที่มีขนาดกว้างๆด้วย

แล้วถ้าอยากได้แว่นขยายที่เป็นระบบ Optic และมีกำลังขยายสูงๆให้ไปจนเกือบถึง 100 เท่าด้วยจะทำได้ไหม

ได้ครับ ในเชิงพาณิชย์ จึงได้ใช้เทคนิคการผลิตที่เป็นแบบ ระบบซ้อนเลนส์ ซึ่งเทคนิคในการผลิตแบบนี้ ทำให้เกิดเครื่องมือใหม่ๆอย่าง กล้องจุลทรรศน์ หรือ กล้องไมโครสโคป ที่พวกเรารู้จักคุ้นเคยกันมา ทำให้สามารถมองเห็นวัตถุที่มีกำลังขยายสูงๆทะลุเกินไปมากกว่า 100 เท่าได้

ลองมาดูตัวอย่าง กล้องจุลทรรศน์ ที่เราคุ้นเคยกัน กล้องจุลทรรศน์จะมี

เลนส์ใกล้ตา Eyepiece 10x

เลนส์ใกล้วัตถุ Objective Len 10x ,20x,40x (สามารถหมุนสลับเลนส์ตรงนี้ได้)

กำลังขยาย = เลนส์ใกล้ตา x เลนส์ใกล้วัตถุ

เช่น Eyepiece 10x  x Objective Len 20x  =  กำลังขยาย 200x 

ซึ่งเทคนิคการซ้อนเลนส์นี้ยังได้ถูกนำไปใช้ในการทำกล้องจุลทรรศน์ขนาดเล็กมากมายด้วย

แว่นขยายที่มีกำลังขยายก้าวตามโลกยุคดิจิตอล

เพื่อนๆเคยลองเอากล้องจากโทรศัพท์มือถือถ่ายรูปอะไรก็ได้ หรือใช้แอพแว่นขยายในโทรศัพท์มือถือ แล้วนำมาขยายภาพให้ใหญ่ขึ้นกันบ้างไหมครับ “เออมันก็ขยายใหญ่ได้เหมือนกันนี่” ใช่ครับ ภาพที่ได้สามารถขยายใหญ่ขึ้นได้ แบบนี้ก็ไม่มีความจำเป็นต้องใช้เลนส์ในการขยายภาพวัตถุกันแล้วซินะ ก็ต้องบอกว่า ถูกครับ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด ไม่งั้นกล้องจุลทรรศน์คงขายกันไม่ได้แล้วใช่ไหมครับ

เราลองมาค่อยๆทำความเข้าใจในเรื่องของกำลังขยายกันนะครับ

กำลังขยายภาพ มีอยู่  2 ชนิดครับ

1.การขยายแบบ Optic  (อาศัยสายตา มองผ่านเลนส์)

2.การขยายแบบดิตอล Digital (อาศัยเทคโนโลยีการถ่ายภาพ และรับภาพ) ที่มี Resolution เป็นตัวแปรสำคัญ ซึ่งจะเห็นได้ชัดๆจากกล้องดิจิตอลรุ่นใหม่ๆ ที่มีความชัด 4k ,8k,…..

เราค่อยๆมาทำความรู้จักในเรื่องของการขยายแบบดิจิตอลกัน อย่างเช่นเวลาเราเอาภาพที่ถ่ายได้จากกล้องดิจิตอลรุ่นเก่าๆมาขยายภาพ เปรียบเทียบกับ ภาพเดียวกันที่ได้จากกล้องดิจิตอลรุ่นใหม่ๆมาขยายภาพ ทำไมกล้องรุ่นใหม่ๆ ภาพที่ได้ไม่แตก  แต่กล้องรุ่นเก่าๆ ภาพเละแล้ว

ตำตอบคือ Resolution หรือความละเอียดของภาพ ของกล้องรุ่นใหม่ๆที่สูงกว่า ดังนั้น Resolution ก็จะเป็นตัวแปรที่สำคัญที่บ่งบอกว่า ภาพที่ได้มีความชัดเจนมากแค่ไหน เวลาเอาภาพมาขยาย (เห็นไหมครับ ว่า การขยายแบบดิจิตอลจะมีเรื่อง Resolution เข้ามาเป็นตัวแปรสำคัญ)  แต่สำหรับ การขยายภาพแบบ Optic จะไม่มีตัวแปรนี้เลย หรือพูดง่ายๆก็คือ ภาพที่ได้จากการมองผ่านเลนส์ให้ความคมชัดสูงที่สุดและมากกว่าระบบ Digital ในทุกๆกำลังขยาย (แต่ระยะโฟกัสต้องได้ด้วยนะ)

แว่นขยายดิจิตอล 100 เท่า ถือกำเนิดในรูปแบบดิจิตอล

แว่นขยาย 100 เท่า ในรูปแบบดิจตอล จะเป็นกล้องที่ผสานการทำงาน โดยใช้ทั้งระบบเลนส์ Optic และระบบ Digital เป็นตัวช่วยในการขยายภาพ ซึ่งหลักการทำงานจะใช้แสง LED เป็นแหล่งกำเนิดแสง เพื่อใช้เป็นทางเดินของแสงผ่านเลนส์ เข้ามายังระบบ Image Senser ที่ให้ Resolution สูงๆเป็นตัวรับภาพในระบบ Digital  ทำให้ได้กำลังขยายทั้งสองแบบทั้ง Optic และ Digital

โดยการออกแบบกล้องดิจิตอล 100 เท่านี้ จะต้องมีความสัมพันธ์กันระหว่างกำลังขยายที่ได้จากเลนส์และกำลังขยายจาก Image Senser ที่มี Resoution ที่ต้องการสูงที่สุด เพื่อให้ภาพมีความชัดเจนมากที่สุด

สรุป : แว่นขยาย 100 เท่า เป็นสิ่งที่เป็นไปได้ ซึ่งได้จากการขยายโดยใช้ทั้งระบบเลนส์ Optic และ ระบบ Digital (Image Senser) มาผสานการทำงานกัน แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นถ้าต้องการภาพที่มีความสมจริงและให้รายละเอียดมากที่สุดควรใช้เป็นระบบแบบซ้อนเลนส์หรือระบบ Optic อย่างเดียว ซึ่งจะมีการผลิตเป็นกล้องจุลทรรศน์ หรือ กล้องไมโครสโคป ที่มีการใช้งานกันแล้วอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

เลนส์สำหรับใช้ในแว่นขยาย หรืออุปกรณ์ต่างๆที่ใช้ในการมองวัตถุให้มีภาพที่ขยายใหญ่มากขึ้นนั้น พูดได้เต็มปากเลยว่าทุกอุปกรณ์นั้นใช้แต่เลนส์นูน หรือเลนส์ที่มีความหนานูนตรงจุดตำแหน่งกึ่งกลางของเลนส์เท่านั้น

จากในรูปจะเห็นว่า เลนส์นูนที่ใช้เป็นแว่นขยายนั้น จะมีความหนา ซึ่งความหนานั่นแหละครับ ที่เป็นความลับของการขยายภาพวัตถุได้มากขึ้น ยิ่งมีความหนานูนมากก็จะยิ่งขยายภาพวัตถุได้มากขึ้นเท่านั้น

สำหรับการนำเลนส์มาใช้เป็นแว่นขยายนั้น จะต้องเป็นเลนส์ที่มีความนูนทั้งสองด้าน เพื่อใช้ในการกำหนดระยะชัดของภาพ หรือเราจะเรียกว่า ระยะโฟกัสก็ได้ ให้มีความเหมาะสม ไม่ให้มีระยะชัดของภาพที่มากหรือยาวจนเกินไป  ทำให้สะดวกในการนำเอามาใช้งานได้จริงนั่นเอง

(ระยะโฟกัส – ระยะระหว่างวัตถุกับเลนส์ ที่ทำให้เกิดภาพที่ชัดเจน ซึ่งจะมีความสัมพันธ์กับระยะระหว่างเลนส์กับ Retina ที่เป็นตัวรับภาพที่อยู่ในดวงตาของเรา )

หลักการทำงานของเลนส์แว่นขยาย

ในสมัยเด็กๆเราเคยได้เรียนเรื่องแสงกันมาบ้างแล้ว จะเห็นได้ว่าแสงมีความสำคัญมาก เพราะเป็นตัวที่ทำให้เราสามารถมองเห็นวัตถุต่างๆได้อย่างชัดเจน ถ้าหากไม่มีแสง(จากดวงอาทิตย์หรือแแสงจากหลอดไฟ) เราจะมองอะไรแทบไม่เห็นเลย

แสดงว่าแสงเป็นตัวที่ทำให้เรามองเห็นภาพได้ ใช่แล้วครับ แสงคือส่วนที่สำคัญที่เมื่อมันเดินทางมาจนถึงส่วนรับภาพหรือ Retina ของตาเรา เราก็จะเห็นภาพในแบบนั้นนั่นเอง

แต่ถ้าหากแสงนั้นได้เดินทางโดยผ่านการปรุงแต่งจากสิ่งต่างๆที่มันได้กระทบหรือถูกหักเหไปก็จะทำให้ภาพเกิดการเปลี่ยนแปลงไปตามรูปแบบของชนิดที่ทำให้แสงเปลี่ยนแปลงไปนั่นเอง

ตัวอย่างเช่น

แสงเมื่อผ่านกระจกเงา ภาพก็จะเกิดแสงสะท้อน

แสงเมื่อผ่านกระจกที่มีความเว้าความบางลงไป ภาพก็จะเกิดการหักเหให้มีขนาดเล็กลง

แสงเมื่อผ่านกระจกที่มีความนูนหนา ภาพก็จะเกิดการหักเหให้มีขนาดใหญ่ขึ้น  (เราจะมาเน้นตรงหัวข้อนี้กัน) ซึ่งก็คือ แว่นขยายใช้เลนส์นูน เป็นหลักการในการใช้งาน

เราลองมานึกภาพการใช้งานแว่นขยายกันก่อนนะครับ ว่าวัตถุส่วนใหญ่จถูก Fix อยู่กับที่อยู่แล้ว ส่วนตาของเราที่เป็นส่วนที่ไว้รับภาพก็แทบไม่อยากจะขยับไปมาอยู่แล้ว เพราะความเป็นจริงเราคงไม่มานั่งขยับตัวเราให้เข้าๆออกๆกันในขณะใช้งานแว่นขยาย แล้วคราวนี้จะเหลืออะไรล่ะครับที่จะสามารถขยับได้ มันก็เหลือแค่เลนส์นูนที่อยู่ตรงกลางเท่านั้นแล้วหละครับ

คราวนี้เรามาลองดูที่ภาพด้านบนกัน แล้วลองนึกภาพว่าถ้าหากขยับเลนส์นูนไปทางด้านซ้าย และด้านขวากัน โดยพยายามดูเส้นที่เป็นการหักเหแสงตามไปด้วย

จะเห็นได้ว่า ยิ่งเลนส์นูนอยู่ใกล้ตาเรามากเท่าไร ภาพของวัตถุก็จะมีขนาดใหญ่ตามไปด้วย แต่คราวนี้ก็จะถามกลับว่า แล้วทำไมไม่เอาเลนส์ให้อยู่ใกล้ๆตาไปเลยหละจะได้ทำให้ภาพมีการขยายใหญ่มากขึ้นไปอีก ผมอยากให้คุณลองเอาวัตถุอะไรก็ได้ ค่อยๆขยับเข้ามาใกล้ตาไปเรื่อยๆ แล้วรู้สึกยังไงบ้างครับ (ลองทำดูนะครับ เอาตัวอย่างง่ายๆ ลองมองดูตัวอักษรในโทรศัพท์ แล้วค่อยๆขยับเข้ามาที่ตาเราไปเรื่อยๆ) รู้สึกไม่สบายตาและปวดตาใช่ไหมครับ

แน่นอนครับ สิ่งที่เกิดขึ้นคือ กล้ามเนื้อตาที่เป็นส่วนรับภาพ Retina ของเราทำงานจนเกินขีดความสามารถของมันไปแล้วนั่นเอง และที่สำคัญคือ ภาพมันจะมีระยะชัดหรือระยะโฟกัสของมันนั่นเอง ถ้าหากระยะโฟกัสหลุดออกไป ภาพที่ได้ ไม่มีความชัดเจน มีความเบลอ

ดังนั้นระยะระหว่างวัตถุกับเลนส์ และ ระยะระหว่างเลนส์กับสายตาของเรา จะต้องมีความสัมพันธ์ที่เหมาะสมมีความพอดีกัน ที่ทำให้เวลาเรามองไปที่วัตถุผ่านเลนส์ แล้วภาพมีการขยายใหญ่ขึ้นและมีความสบายตาที่สุด นั่นก็คือระยะชัดของภาพหรือที่เราเรียกว่า ระยะโฟกัส นั่นเอง

ลองมาดูความหมายของคำภาษาอังกฤษแต่ละคำกันก่อน

Magnifying มีความหมายว่า “การขยาย” ซึ่งเราจะสื่อถึงการขยายของเลนส์ ซึ่งถ้าพูดถึงการขยายภาพของวัตถุทีไ่ด้จากเลนส์ เลนส์ได้ใช้สำหรับแว่นขยาย ก็จะเป็นเลนส์นูนเท่านั้น ที่เนื้อกระจกเลนส์จะมีความนูนหรือบวมขึ้นมาบริเวณตรงกลางกระจกของเลนส์

การขยายในส่วนของภาพที่ได้จากการมองผ่านเลนส์ของโคมไฟแว่นขยาย ซึ่งบางครั้งเราจะสามารถเรียก Magnifying เป็น Magnifier ซึ่งจะมีความหมายที่ตรงกัน

Glass  ในความหมายคือ “กระจกเลนส์”  ที่จะเป็นวัสดุสีใสที่ทำมาจากแก้วที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูปจนเป็นแก้วที่มีรูปทรงที่มีความนูนตรงกลางวัสดุ ซึ่งก็คือเลนส์นูนนั่นเอง

แว่นขยาย ภาษาอังกฤษ ที่บางครั้งอาจจะเรียกอีกอย่างว่า “Magnifier Glass”

ความหมายเช่นเดียวกันกับ Magnifying Glass เลย เพียงแต่ความถนัดในการเรียกของแต่ละคนจะเรียกไม่เหมือนกัน

ชนิดของแว่นขยาย ภาษาอังกฤษ Magnifying Glass ยังแบ่งตามการใช้งานได้อีกหลายแบบ  

•  Handheld Magnifiers (แว่นขยายพกพา ที่มีด้ามจับ)

Handheld Magnifiers เป็นแว่นขยายที่เรารู้จักกันดีตั้งแต่สมัยเริ่มเรียนกันแรกๆเลย กับประสบการณ์ในการจุดไฟด้วยแสง โดยการใช้แว่นขยายรวมแสงอาทิตย์ไปโฟกัสตรงใบไม้หรือกระดาษ ทำให้เกิดไฟลุกไหม้ขึ้นได้ ทำให้เด็กๆได้รับประสบการณ์การเป็นนักคิดนักทดลองในช่วงเริ่มต้นของการเรียนรู้

• Stand Magnifiers  (แว่นขยายที่จะมีตัวโครงสร้างในการยึดจับ เช่น แว่นขยายตั้งโต๊ะ แว่นขยายหนีบโต๊ะ)

Stand Magnifiers แว่นขยายประเภทนี้จะเริ่มเหมาะกับการนำไปใช้งานแบบจริงจัง ทั้งภาคการผลิต การควบคุมคุณภาพ งานช่าง งาน DIY ซึ่งงานในแต่ละประเภทก็จะใช้แว่นขยายที่มีรูปทรงที่แตกต่างกัน ทำให้มีทั้งแว่นขยายตั้งโต๊ะ แว่นขยายหนีบโต๊ะ และยังเสริมด้วยระบบไฟส่องสว่างเข้าไปเพื่อช่วยในการใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพื่อให้เหมาะกับการใช้งานแบบจริงจัง

• Head-Mounted Magnifiers แว่นขยายแบบสวมหัว 

Head-Mounted Magnifiers แว่นขยายแบบคาดหัวหรือสวมหัว หรือหลายครั้งจะทำมาเป็นแว่นขยายไปเลย โดยจะมีเลนส์ขยายที่ถูกติดตั้งตรงตำแหน่งการมองบริเวณตา ซึ่งส่วนใหญ่เลนส์ที่เป็นแว่นขยายจะมีอยู่หลายกำลังขยายให้สามารถเลือกใส่หรือปรับขนาดกำลังขยายได้  เนื่องจากแว่นขยายแบบคาดหัวชนิดนี้นั้น ไม่จำเป็นต้องใช้มือในการจับถือตัวแว่นขยาย และยังสามารถมองดูชิ้นงานในตำแหน่งต่างๆได้อย่างทันที เพราะไม่ต้องมาคอยปรับมุมมองของแว่นขยาย ทำให้เหมาะกับงานทางด้านการประดิษฐ์ งานซ่อม และงานจิวเวลรี่เป็นอย่างมาก

Loupes ลูป

 Loupe ลูปเป็นแว่นขยายขนาดพกพา ที่ให้รายละเอียดจากการมองได้อย่างดีเยี่ยม เพราะเน้นประสิทธิภาพไปที่ตัวเนื้อเลนส์เป็นพิเศษ ทำให้ภาพที่ได้มีความคมชัดที่สูงมาก และภาพจะมีความคลาดเคลื่อนไปจากชิ้นงานจริงน้อยที่สุด ดังนั้น ลูปจึงถูกนำไปใช้งานกับชิ้นงานที่มีราคาสูง ทั้งวงการพระเครื่องและงานจิวเวลรี่ โดยเฉพาะในวงการพระเครื่อง มักจะนิยมการใช้ลูปในการส่องพระกันมากที่สุด

• Sheet/Bar Magnifiers แว่นขยายแบบเป็นแผ่นบาง แว่นขยายแบบเป็นแท่งบาร์

Sheet Magnifiers แว่นขยายแบบแผ่นบาง นิยมนำมาใช้ในการหนังสือเพราะให้พื้นที่มุมมองในการมองได้อย่างกว้างขวาง แทบไม่จำเป็นจะต้องขยับตัวเลนส์ขยายเลย เพราะความหนาของเลนส์ขยายมีค่าเท่ากันในทุกตำแหน่ง แว่นขยายแผ่นบางชนิดนี้ส่วนใหญ่ ตัวเนื้อเลนส์จะผลิตมาจากอะคริลิคใส ไม่นิยมใช้แบบแก้ว เพราะเนื่องจากการผลิตเป็นแผ่นจะมีโอกาสแตกหักได้ง่ายมาก เพราะต้องผลิตเป็นแผ่นบางที่มีความเปราะบางมาก

Bar Magnifiers แว่นขยายแบบแท่งบาร์ แว่นขยายชนิดนี้จะเหมาะกับการใช้ในการอ่านหนังสือ เพราะวัสดุเลนส์เป็นแท่งแก้วทำให้ภาพที่ได้มีความคมชัดที่สูง ไม่แตกหักได้ง่ายเหมือนแบบแผ่นบาง(ถ้าเป็นแก้ว) แต่ข้อจำกัดคือเวลาใช้งานเราจะต้องคอยเลื่อนตัวแท่งบาร์ไปในตำแหน่งหรือบรรทัดที่ต้องการอ่านเรื่อยๆ

• Dome Magnifiers  แว่นขยายที่เป็นทรงโดม

Dome magnifiers แว่นขยายที่เป็นทรงเลนส์นูนที่ผลิตมาจากกระจกเลนส์ โดยการใช้งานนั้นเราสามารถวางตัวเลนส์ไว้ในตำแหน่งที่ต้องการมองภาพการขยายไปได้เลย ซึ่งทำให้เรามองเห็นได้อย่างชัดเจน ได้มุมมองที่มากกว่าตัวแท่งบาร์ แต่ข้อเสียคือต้องขยับตัวเลนส์แทบจะตลอดเวลาในจุดที่ต้องการมอง

สรุป แว่นขยาย ภาษาอังกฤษ เรียกว่า Magnifying Glass ซึ่งมีการนำไปใช้งานในแบบต่างๆตามลักษณะการใช้งาน ดังนั้นจึงมีการเรียก แว่นขยาย ในชนิดต่างๆ ที่เป็นภาษาอังกฤษที่แตกต่างกันออกไปตามรูปแบบการใช้งานด้วย

เรามาแยกคำภาษาอังกฤษของ Magnifying + Lamp กัน

Magnifying แปลว่า การขยาย ซึ่งเราจะสื่อถึงการขยาย โดยในที่นี้เมื่อเรามาใช้กับเลนส์ก็จะเป็นการขยายในส่วนของภาพที่ได้จากการมองผ่านเลนส์ของโคมไฟแว่นขยาย ซึ่งบางครั้งเราจะสามารถเรียก Magnifying เป็น Magnifier ซึ่งจะมีความหมายที่ตรงกัน

Lamp แปลว่า โคมไฟ ซึ่งก็คือเครื่องมือที่เมื่อป้อนไฟฟ้าเข้าไป จะสามารถทำให้เปล่งแสงสว่างออกมาได้ ซึ่งปัจจุบันระบบแสงที่ใช้กันอยู่มักจะเป็นระบบไฟ Fluorescent และ LED ที่จะถูกนำมาใช้ในการเป็นแหล่งกำเนิดแสงของโคมไฟแว่นขยาย

ดังนั้นเมื่อเรามานำความหมายที่เป็นคำแปลภาษาอังกฤษของคำสองคำมารวมกัน

Magnifying + Lamp ก็จะหมายถึง “โคมไฟแว่นขยาย” หรือ “โคมไฟเลนส์ขยาย” นั่นเอง

โคมไฟแว่นขยาย ภาษาอังกฤษ ที่บางครั้งอาจจะสื่อถึง “Magnifier Lamp”

ซึ่งความหมายจะตรงกันกับ Magnifying Lamp เพียงแค่แล้วแต่คนจะเรียกเท่านั้นเอง

ตัวอย่างเช่น “โคมไฟแว่นขยาย” บางคนอาจจะเรียก “โคมไฟเลนส์ขยาย” ได้ด้วยเช่นกัน