Loft Optometry Lecture III : ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับผลของ Abbe' Value ต่อ Chromatic aberration

Loft Optometry Lecture III 

ตอนที่ 3 : Chromatic aberration & Abbe' Value

เรื่องโดย  ดร.ลอฟท์

บทนำ

ดวงตานั้นเป็นอวัยวะรับรู้สัมผัสที่มีกลไกการของชุดเลนส์ธรรมชาติทำงานร่วมกันอย่างเป็นระบบ  ตั้งแต่ชั้นน้ำตาที่มีหน้าที่สำคัญในการเคลือบผิวของกระจกตาให้เรียบ เพื่อให้แสงที่จะผ่านกระจกตาไปนั้น เกิดการหักเหที่สมบูรณ์เป็นระเบียบ ไม่เกิดการกระเจิงแสง ก่อนจะเข้าไปหักเหครั้งที่ 2 ที่เลนส์ตาต่อไป  กระจกตาที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์นูนที่มีกำลังหักเหรวมแสงสูงถึง +45.00D  มีรูม่านตามีหน้าที่เหมือนม่านชัตเตอร์ในกล้องถ่ายรูปคือควบคุมปริมาณแสงที่จะผ่านเข้าไปภายในลูกตา รูขยายเมื่อมีแสงน้อย และหดเมื่อมีแสงมาก  มีเลนส์แก้วตา ที่อยู่หลังม่านตาทำหน้าเป็นเลนส์นูนที่สามารถปรับภาพเพื่อโฟกัสภาพขณะดูใกล้ (varies focus) ช่วยให้เราสามารถมองเห็นภาพที่คมชัดตั้งแต่ระยะที่ใกล้ที่สุดไปจนถึงระยะที่ไกลที่สุด  ดังนั้นถ้าระบบหักเหแสงของดวงตาของเราทำงานได้สมบูรณ์แบบโฟกัสก็จะเกิดเป็นจุด เกิดเป็นภาพที่คมชัดอย่างสมบูรณ์เช่นเดียวกัน

ดังนั้น ดวงตาของเรานั้นมี natural optical system ที่ทำหน้าที่บังคับให้ภาพที่วิ่งเข้าดวงตาในรูปแสงนั้น เกิดการโฟกัสที่จุดรับภาพ เพื่อให้เกิดภาพที่คมชัดที่สุด แต่ก็มีเหตุปัจจัยมากมาย ที่ทำให้การโฟกัสนั้นไม่สมบูรณ์แบบ ซึ่งอาจจะเกิดจากส่วนใดส่วนหนึ่งหรือหลายๆส่วน เกิดความบกพร่องต่อระบบหักเหแสงขึ้นมา ทำให้โฟกัสไม่สมบูรณ์ ผลคือความคมชัดน้อยลง เราเรียกความบกพร่องของโฟกัสของภาพนี้ว่า Aberration ซึ่งแบ่งย่อยออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ คือ 

1.Chromatic aberration 

Chromatic aberration เป็นความคลาดเคลื่อนของแสงสีที่แยกตัวออกจากแสงขาว ทำให้เราเห็นภาพเกิดมีขอบรุ้งขึ้นมาและไม่คมชัด ซึ่งพบได้กับคนที่สายตาสั้น/ยาว มากๆแล้วใช้เลนส์คุณภาพต่ำ ซึ่งลักษณะของปัญหาคือ เวลามองตรงๆผ่านเซนเตอร์ภาพก็ชัดดี แต่พอเหลือบลงต่ำอ่านหนังสือกับพบว่าตัวหนังสือนั้นมีขอบๆสีๆ รุ้งๆ ไม่ชัด และกลางคืนเวลาขับรถก็พบว่าดวงไฟมีแสงฟุ้งกระจายทำให้มองไม่ชัด เนื่องจากว่ายิ่งรูม่านตาขยายมาก เมื่อแสงวิ่งผ่านเลนส์ที่คุณภาพต่ำมาก ก็จะเกิด chromatic aberration มากตามไปด้วย chromatic aberration เองก็แบ่งความคลาดเคลื่อนของแสงสีออกเป็น 2 ชนิดคือ longitudinal chromatic aberration กับ lateral (transverse) aberration ซึ่งจะกล่าวในรายละเอียดต่อไป 

2.Monochromatic aberration 

Monochromatic aberration เป็นความคลาดเคลื่อนของแสงสีเดี่ยวหรือสีใดสีหนึ่งเพียงสีเดียว ซึ่งเราจะมองจำแนกแต่ละสีออกเป็นปัจเจก ว่าแต่สีนั้นจะสามารถเกิด aberration อะไรได้บ้าง ซึ่ง monochromatic aberration ก็จะแบ่งแยกย่อยไปเป็น spherical aberration , Coma, Oblique Astigmatism ,distortion ,Curvature of field ,Wavefront Aberration ซึ่งคนจะพูดถึงในเรื่องนี้ใน lecture ต่อไป 

แต่เนื้อหาในตอนนี้เราจะพูดถึงเฉพาะในส่วนของความคลาดเคลื่อนของแสงสีคือ chromatic aberration ก่อน  ซึ่งในเรื่องนี้ เราจะเข้าใจถึงธรรมชาติของแสงมากขึ้น และเข้าใจเรื่องในตอนที่แล้วที่พูดถึง การประยุกต์เอา chromatic aberration ไปใช้ในการทำ Duochrome test chart 

ธรรมชาติของแสง

 

แสงขาวที่เรามองเห็นนั้นเป็นแสงที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 nm-700 nm ซึ่งความยาวคลื่นในช่วงนี้ทำให้เกิดสี 7 สี ไล่มาตั้งแต่ สีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง  ซึ่งแต่ละสีนั้นก็เกิดจากความยาวคลื่นที่ไม่เท่ากัน ถ้าเราอยากจะรู้ว่าจริงไหมที่แสงขาวมีสี 7 สี ก็ไปรอรุ้งบนฟ้าหลังฝนตก ซึ่งแสงขาวจากดวงอาทิตย์วิ่งผ่านละอองน้ำในชั้นบรรยากาศ  ทำให้เกิดการเบนของคลื่นแสง  ละอองน้ำนั้นเป็นทรงกลม (เหมือนเลนส์)  มีความโค้งที่สามารถบังคับให้แสงเกิดการเบนได้ แสงความยาวคลื่นสั้นที่สุดจะเบนก่อน และแสงสีที่มีความยาวคลื่นมากกว่าจะเบนทีหลัง เราจึงเห็นรุ้งมี 7 สี ม่วงอยู่ในสุดเพราะเบนก่อน และ แดงอยู่นอกสุดเพราะเบนช้า  หรือถ้ารอรุ้งกินน้ำไม่ไหว ก็อมน้ำไว้ในปากแล้วพ่นให้เป็นละออง ก็จะเกิดรุ้งได้ชั่วคราว สมัยเป็นเด็กบ้านนอกผมเล่นบ่อย แต่มันจะดูสีไม่ทันเพราะละอองมันหายไปเร็วมาก  แต่ถ้ามีก้อนปริซึมอยู่ในมือที่กำลังแรงๆหน่อย แล้วส่องแสงขาวผ่าน ก็จะเห็นเลยว่าแสงขาวมี 7 สีเป็นองค์ประกอบ 

Chromatic Aberration 

Chromatic aberration ทำให้ภาพที่มี contrast มากๆ (เช่นสีดำตัดขอบขาว) เกิดมีสีรุ้งที่บริเวณขอบ โดยเฉพาะกับเลนส์ที่ค่าสายตาสูงๆ หรือ ใช้ lens material ที่มีคุณภาพต่ำหรือมีค่า abbe’ value ที่ต่ำ ก็จะยิ่งเห็นปัญหานี้ได้ง่าย 

chromatic aberration เกิดเนื่องจาก แสงขาวซึ่งมีแสงสีต่างๆที่มีความยาวคลื่นต่างกันเป็นองค์ประกอบ เมื่อวิ่งผ่านเลนส์ที่มีกำลังสูงๆ จะเกิดการหักเหเร็วช้าไม่เท่ากัน แสงความยาวคลื่นสั้นจะโฟกัสก่อน ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของโฟกัสแต่ละสีเกิดขึ้น ภาพที่เกิดหลังการหักเหนั้นจึงมีขอบสีรุ้งขึ้นมา คือตัวหนังสือดำบนพื้นขาว ก็ไม่เกิดภาพขาวตัดดำ แต่จะเห็นขอบมีสีรุ้งตามขอบตัวหนังสือสีดำอยู่ ภาพที่เกิดลักษณะนั้น เป็น error focus ที่เกิดจากแสงขาวไม่รวมกันเป็นหนึ่ง ซึ่งเราเรียกความคลาดเคลื่อนของการโฟกัสของแสงสีนั้นว่า chormatic aberration (chrome = สี ,Aberration = ความคลาดเคลื่อน)   

Chromatic Aberration มี 2 ชนิด คือ Londgitudinal (Axial) Chromatic aberration และ Lateral Chromatic aberration 

i.Longitudinal chromatic aberration 

เกิดเนื่องจากแสงขาวที่เราเห็นนั้นประกอบด้วยแสงสีต่างๆที่มีความยาวคลื่นที่ต่างกัน เมื่อแสงขาววิ่งผ่านเลนส์ที่มีกำลังหักเห จะเกิดการเบนไปตกที่จุดโฟกัน ซึ่งถ้าเป็นแสงสีเดียวก็คงจะไปโฟกัสเป็นจุดเดียว แต่แสงขาวนั้นมี สีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง  เป็นองค์ประกอบอยู่ ทำให้แสงสีแต่ละความยาวคลื่นนั้นเกิดความยาวโฟกัสคนละตำแหน่งกัน ทำให้เกิดการตกก่อนตกหลังของโฟกัสไม่เท่ากันตามแนวของ optical axis  

ตัวอย่างเช่นบน ในรูปนั้นเป็นตัวอย่างของ Chromatic aberration ของแสงสีน้ำเงินกับสีแดง ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดและยาวที่สุดตามลำดับ ทำให้มีความยาวโฟกัสที่ต่างกันมาก ซึ่งในหลักนี้ เราใช้สีเขียวกับสีแดง ซึ่งมีกำลังโฟกัสห่างกัน 0.50D และระหว่างโฟกัสทั้งคู่นั้นค่อมแสงสีเหลืองซึ่งเป็นสีที่เซลล์ประสาทตาเราไวที่สุด เกิดเป็น Duochrome test ขึ้นมา 

กำลังหักเหแต่ละสีต่างกันได้อย่างไรทั้งที่กำลังหักเหของเลนส์เท่ากัน

วัสดุที่ใช้ในการผลิตเลนส์ ไม่ว่าจะเป็นพลาสติกหรือกระจก ก็จะมีดัชนีหักเหแสงเฉพาะของมันเช่น เนื้อกระจก  index 1.9 ,เนื้อ CR-39 index 1.5 หรือ MR-8 index 1.6 เป็นต้น แล้วทำไมเราถึงบอกว่า แสงขาววิ่งผ่านเลนส์แล้วโฟกัสของแต่ละความยาวคลื่นนั้นไม่เท่ากัน ทั้งๆที่เลนส์ที่แสงวิ่งผ่านก็เลนส์เดียวกันที่มีดัชนีหักเหแสงต่างกัน  ซึ่งจริงๆแล้ว index ที่เราพูดถึงในเลนส์สายตานั้น เราอ้างอิงจากความยาวคลื่นของแสงสีเหลือง นั่นหมายความว่าแสงสีแต่ละความยาวคลื่นจะให้ refractive index ที่ต่างกัน แสงสีใดมีความยาวคลื่นใกล้เคียงกับแสงสีเหลืองก็จะมีความยาวโฟกัสใกล้กัน  แสงสีที่ความยาวคลื่นต่างกันมาก โฟกัสก็จะห่างกันมากด้วยเช่นกัน  ทำให้เกิดการแยกชั้นสีออกมาเป็นสีรุ้งๆ เรียกว่า chromatic aberration ซึ่งตัวอย่างที่เราเห็นได้ชัดเจนในชีวิตประจำวันคือ โคมไฟระยะแบบคริสตัล ซึ่งเราจะเห็นว่า แต่ละเม็ดคริสตัลนั้นจะมีแสงรุ้งสีต่างๆที่เกิดจาก chromatic aberration 

 

Chromatic Aberration กับ Abbe’ Number  สัมพันธ์กันอย่างไร 

ค่า Abbe’ Value หรือ Abbe’ Number เป็นค่าเฉพาะที่ติดมากับ material ที่ใช้ในผลิตเลนส์​  คือเลนส์ปัจจุบันนั้นทำมาจากพลาสติกเนื้อต่างๆกัน ทำให้เลนส์แต่ละเนื้อนั้นมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน คุณสมบัติที่ว่า เช่น ความเหนียวต่างกัน ความทนทานต่อแรงดึงต่างกัน น้ำหนักต่างกัน และ มีค่าความใสหรือค่า Abbe’ value ที่ต่างกัน 

กระจก (crow glasses) เป็น material ที่มีค่า Abbe’ value สูงสุด คือ 59  เราจึงถือว่า กระจกนั้นเป็นวัสดุที่มีค่าความใสสูงที่สุด แต่กระจกเขาไม่ค่อยทำกันแล้ว เพราะมันหนัก และแตกง่าย เป็นอันตราย  ก็มีการพัฒนาเนื้อพลาสติกที่ค่าความใสให้ใกล้เคียงกับกระจก เกิดเป็นเนื้อต่างๆขึ้นมา ซึ่งหลักๆที่ใช้กันบนโลกนี้ก็ได้แก่ เนื้อ plasitc CR-39 ,Trivex ,MR-8 ,MR-10 , MR-174 ..เป็นต้น

ดังนั้น เนื้อพลาสติกที่จะนำมาทำเลนส์สายตาได้นั้น จะต้องมีค่าความใสที่มากพอ จึงเหมาะที่จะเอามาทำเลนส์ ซึ่งเนื้อพลาสติกที่มีค่าความใสสูงสุดคือ CR-39 มี Abbe 58 และ เนื้อพลาสติกที่มีค่าความใสต่ำสุดในบรรดาเลนส์พลาสติกที่นำมาทำเลนส์สายตาได้คือเนื้อ Polycarbonate ซึ่งมี Abbe’ เพียง 28-30 เท่านั้นเอง 

 

ตารางด้านบนนี้เป็นตารางที่แสดงคุณสมบัติของเนื้อเลนส์ชนิดต่างๆ ซึ่งก็จะมีคุณสำบัติสำคัญต่างกัน เช่น ค่า refractive index , Abbe’ Number ,การทนทานต่อความร้อน,ความสามารถในการย้อมสี,ความทนทานต่อแรงกระแทก,ความทนทานต่อแรงเค้นหรือแรงเครียด 

ค่าความใส Abbe’ของเลนส์ในที่นี้ ไม่ได้หมายถึงความใสที่เรามองผ่านๆหยาบ  แต่ความใส Abbe’ ในที่นี้หมายถึง แสงที่วิ่งผ่านเลนส์ไปนั้นเกิด chromatic aberration น้อยที่สุด ยิ่งเนื้อเลนส์มีค่า Abbe’ สูงมากเท่าไหร่ แสงที่วิ่งผ่านก็จะเกิดการตลาดเคลื่อนของโฟกัสแสงสีน้อยลงเท่านั้น

ดังนั้น พอเรารู้อย่างนี้แล้ว ถ้าคนไข้เขาเลือกกรอบเต็ม full rim ถ้าดูจากสายตาแล้วเลนส์ไม่หนา (< -3.00D) ก็ไม่ต้องไปเชียร์เลนส์ high index ก็ได้ เพราะ 1.5 ก็ไม่ได้หนาอะไร และยังได้เลนส์ที่มี Abbe’ value สูงอีกด้วย  เว้นเสียแต่ว่า คนไข้ต้องการกรอบเจาะ ซึ่งต้องอาศัยความเหนียวจากเนื้อ MR-8 1.6  หรือ Trivex 1.53 ก็ค่อยพิจารณาใช้เนื้อที่เป็น high index ก็จะได้คุณสมบัติความเหนียวเข้ามา ถ้าคนไข้ต้องการใช้ safty lens เอาไว้กันกระแทก ไม่เน้นความคมชัด ก็ใช้เป็น poly-carbonate ก็ได้ แต่ก็ต้องระวังถ้าคนไข้สายตามากๆ และต้องขับรถกลางคืน เพราะจะเกิด chormatic aberration รบกวนมาก

ศึกษาเรื่อง Material เพิ่มเติมได้จากลิ้งค์​

https://www.mitsuichem.com/en/special/mr/lens_production/index.htm

Lateral (transverse) chromatic aberration 

ในขณะที่ Longitudinal chromatic aberration นั้นเป็น chromatic aberration ที่เกิดขึ้นจากแสงขาววิ่งผ่านเซนเตอร์ของเลนส์ เกิดโฟกัสต่างตำแหน่งกันในแนว optical axis  ส่วน lateral chromatic aberration เป็น aberration ที่เกิดขึ้นในบริบทของ กำลังขยายของแสงแต่ละความยาวคลื่นนั้นไม่เท่ากัน และในบริบทของ aberration ที่เกิดขึ้นจาก prism effect ซึ่งเกิดจากแสงขาวที่วิ่งผ่านเลนส์นั้น ไม่ได้ผ่านเซนเตอร์ ทำให้เกิด prism effect ตามมา  ตามรูปล่างประกอบ

i.บริบทของ magnified ที่ต่างกัน

แสงขาวซึ่งประกอบด้วยแสงสีที่ต่างกันซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกันย่อมมีมีดัชนีเหแสงที่ต่างกัน  เมื่อมีการหักเหผ่านเลนส์ก็ย่อมเกิดการเบนแสงที่ไม่เท่ากัน นั่นแสงถึง power ในแต่ละความยาวคลื่นที่ไม่เท่ากัน ย่อมทำให้เกิดกำลังขยายที่ไม่เท่ากันด้วยเช่นกัน ทำให้เกิดขนาดของภาพของแต่ละแสงสีนั้นเล็กใหญ่ไม่เท่ากัน เช่นการสร้างภาพที่เกิดจากแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินที่ต่างกันตามรูปล่างที่ยกมาเป็นต้น  

ii.บริบท prism effect ต่างกัน

แสงที่วิ่งผ่านเลนส์ที่มี power จะไม่ได้รับผลกระทบจาก prism effect แต่ถ้าหากวิ่งผ่านตำแหน่งอื่นๆที่ไม่ใช่เซนเตอร์เช่น เหลือบไปยังตำแหน่งต่างบนตัวเลนส์​ (หลุดเซนเตอร์) ก็จะเกิด prism effect ตามมา ซึ่งปริมาณของ ปริซึมที่ถูกเหนี่ยวนำขึ้นนั้นขึ้นกับ 2 ตัวแปรคือ กำลังหักเหของเลนส์และระยะที่หลุดเซนเตอร์ 

แสงขาวที่วิ่งผ่านปริซึม ก็จะย่อมเกิดการเบนของแสงแต่ละความยาวขึ้นเร็วช้าต่างกัน ทำให้เกิดการแยกชั้นสีออกมาจากแสงขาว ดูรูปล่างประกอบ 

Abbe’ value กับการเกิด lateral chromatic aberration 

อย่างที่ได้ทราบกันว่า Abbe’ value นั้นเป็นตัวบอก chromatic aberration ได้ ซึ่งค่า lateral aberration นั้นคำนวณได้จากสมการ 

Lateral chromatic aberration = prism effect /Abbe’ 

prism effect คำนวณได้จากสมการ  

Δ = dF 

โดย d คือระยะหลุดเซนเตอร์ มีหน่วยเป็น cm

      F คือกำลังหักเหของเลนส์ มีหน่วยเป็น Diopter

ซึ่งจากสมการทำให้เราเห็นว่าค่า lateral chromatic aberration นั้นแปรผันตรงกับ prism effect และแปรผกผันกับ Abbe' value คือ ยิ่งเกิด prism effect มากขึ้นเท่าไหร่ ก็จะยิ่งทำให้เกิด chromatic aberration มากขึ้นและยิ่งส่งผลกระทบต่อการมองเห็นมากตามไปด้วย โดยเฉพาะกับเลนส์ที่ Abbe' ต่ำยิ่งจะมีปัญหายิ่งขึ้นไปอีก 

 

เมื่อไหร่ที่ chromatic aberration จะไปส่งผลกระทบกับความคมชัดของการมองเห็น 

ขณะที่เราใส่แว่น แล้วมองผ่าน optical center นั้นจะไม่มี prism effect เกิดขึ้น ดังนั้น (lateral) chromatic aberration จึงไม่เกิด แต่เมื่อเรามองหลุดเซนเตอร์เช่นเหลือบตาลงต่ำเพื่ออ่านหนังสือซึ่งเป็นแนวการมองที่หลุดเซนเตอร์ ก็จะเกิดปริซึมเอฟเฟ็คเกิดขึ้น ซึ่งทำให้เกิด chromatic power เกิดขึ้นมา ยิ่งมีค่าสายตามาก และมองหลุดเซนเตอร์มาก ก็จะยิ่งเกิด lateral chromatic aberration มากตามไปด้วย ดังนั้นคนที่สายตามากๆ จึงรับรู้ถึงปัญหานี้ได้ง่ายกว่าคนที่สายตาน้อยๆ ซึ่งจะสังเกตุเห็นได้ชัดเจนว่า บริเวณขอบๆเลนส์นั้นมองไม่ชัด แต่เขาจะมีวิธีปรับตัวโดยใช้ headtilt ไปมองเพื่อให้ผ่านเซนเตอร์ ก็จะได้ภาพที่ชัดขึ้น และยิ่งสายตาสั้นมากๆและไปเจอเลนส์ที่ Abbe’ ต่ำอย่างเนื้อ poly-carnonate แล้ว ปัญหานี้ก็จะยิ่งชัดเจนขึ้น 

จากกราฟ  แสงถึงความสำพันธ์ของ prism effect ,Abbe’ ทีี่ส่งผลต่อความคมชัดที่ลดลง  ซึ่งเราจะเห็นว่า ยิ่ง prism effect มากขึ้นเท่าไหร่ เลนส์ที่มีค่า Abbe’s ต่ำ ก็จะยิ่งได้รับผลกระทบมากตามไปด้วย 

ดังนั้นข้อควรระวังเมื่อต้องจ่ายเลนส์ที่มีค่า Abbe’ ต่ำอย่าง Poly-carbonate คือ

1.ใช้ monocular PD ในการประกอบเลนส์ทุกครั้ง เพื่อให้ได้เซนเตอร์และลดการเกิด prism effect จากการมองหลุดเซนเตอร์ 

2.การปรับ vertex distant ให้สั้นลง เพื่อให้เลนส์ใกล้ตามากๆนั้น สามารถช่วยลดการเกิด magnification และ ลดการมองหลุดเซนเตอร์ได้เช่นกัน (มุมเหลือบที่เท่าๆกัน เลนส์ที่อยู่ชิดตาจะหลุดเซนเตอร์น้อยกว่า) 

3.ใช้ monocular fitting hight และปรับให้เหมาะสมกับมุม panto เพื่อเลี่ยงการมองหลุดเซนเตอร์ 

3.ปรับ pantoscopic tilt angle ให้เหมาะสม 8-9 องศา แต่ไม่ควรเกิน 10 องศา

Aberration ที่กล่าวมาถึงข้างต้นนั้น เป็น aberration ที่เกิดขึ้นกับเลนส์สายตา ที่นำมาใช้ในการแก้ไขปัญหาสายตา ซึ่งเราจะหมายถึงเมื่อเราพยายามใช้เทคโนโลยีที่ดีที่สุด เพื่อที่จะขัดค่าสายตาให้ได้ตามที่ตรวจมาแล้วและเมื่อตัดเลนส์เข้ากรอบแว่นเซนเตอร์ดีแล้ว มอง VA คมชัดแล้ว แต่ก็ยังพบว่าเลนส์ที่ทำมายังมี compromise อยู่ ทำให้ความคมชัดนั้นไม่สูงสุดเท่าที่ควร เราเรียกว่า aberration ซึ่งแบ่่งเป็น chromatic aberration และ monochromatic aberration ดังที่ได้กล่าวถึงมาโดยตลอดทั้งบทความนี้  แต่เราก็คงสงสัยกันอยู่เหมือนกันว่าทำไมในชีวิตคนเรากับคนที่ไม่มีปัญหาสายตาและไม่ได้ใส่แว่น ทำไมเขาถึงไม่ได้มีปัญหากับ chromatic aberration ทั้งๆที่กำลังหักเหของดวงตามนุษย์นั้นสูงถึง +60.00D

ทำไมในคนสายตาปกติ ที่ไม่ได้ใส่แว่นถึงไม่มีปัญหากับ chromatic aberration 

ในเมื่อดวงตาของเราก็เป็นระบบเลนส์ที่มีการเบนแสงไปโฟกัสบนจอรับภาพ และมีกำลังรวมสูงถึง +60D ทำไมตาเปล่าของเราถึงไม่ค่อยรับรู้ถึง chromatic aberration แต่มาใส่แว่นโดยเฉพาะกับเลนส์สายตาคุณภาพต่ำทำไมเราถึงมีปัญหาเรื่องนี้ 

ในบรรดาสีทั้ง 7 นั้น แสงสีเหลืองเป็นแสงที่เซลล์รับภาพของเรานั้นไวต่อการรับรู้มากที่สุด ซึ่งเป็นสีที่อยู่ตรงกลางระหว่างแสงคลื่นสั้นเช่นสีม่วง น้ำเงิน เขียว ซึ่งตกก่อนจอรับภาพ และแสงคลื่นยาวเช่นสีแสด สีแดง ซึ่งตกหลังจุดรับภาพ  ซึ่งถ้าเป็นเลักษณะนั้นจริงๆ ทำไมเราส่วนใหญ่ถึงไม่ได้เจอปัญหานี้มากนัก 

แม้ว่าจะมี Aberration หลายๆอย่างเกิดขึ้นและรบกวนการมองเห็น  แต่ดวงตามนุษย์ก็มีกลไลพิเศษตามธรรมชาติในการจัดการเพื่อกำจัดหรือลดความคลาดเคลื่อนของโฟกัสหรือลด chromatic aberation ให้น้อยลง ตัวอย่างเช่น 

• Xanthophyll pigment ซึ่งเป็นเม็ดสีที่อยู่ที่บริเวณจุดรับภาพ (macula) ของดวงตาของเรา จะช่วยทำหน้าที่ดูดซับแสงสีน้ำเงินเอาไว้ กรองไม่ให้แสงสีน้ำเงินส่วนเกินเข้าไปถึงเซลล์รับภาพ ซึ่ง Xanthophyll pigment นี้เป็นส่วนสำคัญที่สุดในการป้องกันการเกิด chromatic aberration 
• เซลล์รับภาพของคนเรานั้นไวต่อแสงสีเหลืองมากกว่าสีน้ำเงินหรือสีแดง ดังนั้นในปริมาณแสงที่เข้ามาเท่าๆกัน เซลล์จะให้ความสำคัญกับแสงสีเหลืองมากว่า ให้หน่วยความสว่างที่มากกว่า ส่วนแสงสีน้ำเงินและแดงก็จะถูกลดความสำคัญลง ทำให้ผลของ chromatic aberration ไม่รบกวนมากนัก  เช่น เราไปเที่ยวผับ ที่เปิดเป็น blacklight อยู่ เราพอมองเห็นเป็นเค้าร่างแต่มักจะไม่ค่อยได้รายละเอียดมากนัก ดูจะมัวๆด้วยซ้ำ ด้วยแสงสำน้ำเงิน โฟกัสเร็วกว่าปกติ ทำให้เรามัวเหมือนสายตาสั้น (เทียม) 
• เลนส์แก้วตา หรือ crystalline lens ของมนุษย์นั้น เป็นอวัยวะที่สามารถกรอง UV-A ซึ่งมีความยาวคลืี่น 380-400 ซึ่งเป็นสีม่วงน้ำเงินได้ แสงย่านนี้ก็จะไม่ไปรบกวนการประมวลผลภาพของเซลล์รับภาพ ก็สามารถลด chromatic aberration ได้เช่นกัน 
• เมื่อ อายุมากขึ้น เลนส์แก้วตาจะเริ่มเหลือง ไปเรื่อยๆ ตามอายุ จนกระทั่งเริ่มเป็นต้อกระจกชนิด nuclear sclerosis ซึ่งเลนส์ที่เหลืองนี้จะเป็นตัวกรองแสงย่านสีน้ำเงินตามธรรมชาติ 
• การหดขยายของรูม่านตาของเราก็สามารถทำให้ chromatic aberration ลดลงหรือเพิ่มขึ้นได้ โดยขณะที่รูม่านตาเล็กนั้น สามารถลด chromatic aberration ลงเหลือเพียง 0.3D และยิ่งมีการ accommodation ยิ่งทำให้ chromatic aberration นั้นลดลงถึง 1.00D (Jenkins 1962) ซึ่งเหตุในเรื่องนี้นั้นปัจจุบันก็ยังไม่ทราบว่าเกิดจากอะไร  แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่า เราจะ over minus ให้คนไข้เกิด accommodation เพื่อหวังผลในการลด chromatic aberration 
• ดัชนีหักเหแสงของเลนส์ตานั้นมีลักษณะ Gradient  จากศูนย์กลางเลนส์ไปยังบริเวณของเลนส์ตา ทำให้สามารถลดความคลาดเคลื่่อนบริเวณขอบๆของเลนส์ได้ดี 
• กระจกตานั้นมีลักษณะความโค้งเป็นแบบ Aspheric curve  โดยจะมีบริเวณเซนเตอร์ที่เป็นโค้งที่สุด และจะเริ่มโค้งน้อยลงเมื่อเข้าใกล้ตาขาว 
• Stiles-Crawford effect  อธิบายไว้ว่า cone cell ซึ่งเป็นเซลล์รับภาพบนจอประสาทตาของเรานั้นจะ sensitive ต่อแสงที่วิ่งผ่านกระจกตาในแนวตั้งฉากกับกระจกตามากกว่าแสงที่วิ่งผ่านกระจกตามาในแนวเฉียงจากบริเวณด้านข้างของกระจกตา  ซึ่งภาวะนี้เกิดขึ้นเฉพาะการมองเห็นแสงสีในเวลากลางวัน (photoptic vision)
• จอรับภาพที่มีลักษณะโค้ง ก็จะช่วยจัดการ Aberration ที่เรียกว่า curvature of field ซึ่งเป็นหนึ่งใน monochromatic aberration 

การนำ chromatic aberration ไปประยุกต์ใช้ในการออกแบบเครื่องมือตรวจ 

Test ที่ใช้ chromatic aberration ในการออกแบบเครื่องมือตรวจก็คือ Duochrome test หรือ Red/Green test ที่ใช้หลักของ longitudinal (axial) chromatic aberration ในการออกแบบ โดยใช้หลักว่า แสงสีที่มีความยาวคลื่นต่างกัน แม้จะผ่านผิวหักเหแสงที่มีกำลังเท่ากัน แต่จะโฟกันที่ต่างระยะกัน นั่นหมายความว่า แสงแต่สีที่มีความยาวคลื่นต่างกันนั้น มีกำลังหักเหเฉพาะตัวของมัน ซึ่งที่เลือกสี เขียว/แดง มานั้นเนื่องจากมีผลต่างของกำลังหักเห 0.50D และอยู่ระหว่าง สีเหลืองซึ่งมีความยาวคลื่นที่เซลล์รับภาพนั้น sensitive มากที่สุด หลักการใจการทดสอบนั้น ท่านที่สนใจเรื่อง Duochrome สามารถกลับไปอ่านในตอนที่แล้วได้ที่ล้ิง 

สรุป 

Aberration หรือ ความคลาดเคลื่อนของโฟกัสนั้น เป็นปัญหาอย่างหนึ่งฟิสิกส์เชิงออพติก ที่ lens designer  จะต้องคิดค้นเทคโนโลยีเพื่อที่จะลดความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากออพติกนี้ให้ได้มากที่สุด เพื่อให้ประสิทธิภาพของการมองเห็นนั้นมีความคมชัดสูงสุดและชัดในทุกสภาวะแสง ดังนั้นเทคโนโลยีที่พยายามคิดค้นมาต่างๆนาๆก็คือเพื่อที่จะขจัด aberration นี่เอง 

ซึ่ง aberration เองก็มีอยู่หลายชนิด แต่แบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่คือ

1.chromatic aberration  ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนของโฟกัสของแสงขาว ทำให้เกิดการแยกชั้นสีเกิดเป็นขอบรุ้งๆ โดยเฉพาะกับภาพที่มีลักษณะ hight contrast  ก็จะเห็นว่าที่ขอบๆนั้นเกิดมีลักษณะขอบสีๆขึ้นมา ซึ่ง chromatic aberration เองก็แบ่งย่อยออกเป็น 2 ชนิดคือ 

1.1 Longitudinal (axial) chromatic aberration  เป็น chromatic aberration ที่เกิดความคลาดเคลื่อนของโฟกัสแสงสีต่างกันบนแนวของ optical axis เกิดขึ้นในกรณีที่แสงขาววิ่งผ่าน optical center และแสงแต่ละสีเบนแสงเร็วช้าต่างกัน จึงเกิดการแยกชั้นสีออกจากกัน

1.2 Lateral (transverse) chromatic aberration  เป็น chromatic aberration ที่เกิดขึ้นจาก prism effect ทำให้เกิดการเบนแสงแต่ละสีไม่เท่ากันและกำลังขยายที่ของแต่ละสีนั้นไม่เท่ากัน (เพราะมี ความยาวคลื่นไม่เท่ากัน เกิดกำลังหักเหที่ไม่เท่ากัน)

2.monochromatic aberration  เป็นความคลาดเคลื่อนของโฟกัสที่เกิดจากแสงสีเดี่ยวหรือสีใดสีหนึ่ง เมื่อวิ่งผ่าน optical system แล้วจะเกิดความคลาดเคลื่อนในหลายรูปแบบเช่น spherical aberration , Coma, Oblique Astigmatism ,distortion ,Curvature of field ,Wavefront Aberration ซึ่งจะพูดถึงในเรื่องถัดไป 

Abbe’ value เป็นค่าบ่งบอกถึงค่าการกระจายของแสงสี  และเป็นค่าเฉพาะของแต่ละ material ที่นำมาใช้ผลิตเลนส์  ยิ่ง Abbe’ value สูง การเกิด chromatic aberration ก็จะยิ่งต่ำลง  เลนส์พลาสติกที่มีค่า Abbe’ สูงสุดคือเนื้อ CR-39 คือ abbe’ 58  ในขณะที่ poly-carnonate นั้นมี Abbe’ ต่ำสุดคือ 29  ดังนั้นในการจ่ายเลนส์​ poly ต้องระมัดระวังเรื่อง chromatic aberration โดยเฉพาะในค่าสายตาสูงๆ  และการลดปัญหา chromatic aberration ก็ได้กล่าวไปแล้วในข้างต้น 

ทิ้งท้าย 

ก็หวังเป็นอย่างยิ่งว่าบทความเรื่องนี้ จะให้ประโยชน์กับผู้ที่สนใจ และสามารถนำไปปรับใช้ในชีวิตประจำวันของตัวเองได้ และช่วยให้การทำงานเกี่ยวกับทัศนมาตรให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น แก้ปัญหาให้คนไข้ได้ดีขึ้น เพื่อคุณภาพชีิวิตของคนไข้ที่ดีขึ้นต่อไป 

ขอบคุณสำหรับการติดตาม 

ดร.ลอฟท์​

เอกสารอ้างอิง 

1.System of ophthalmic dispensing by Clifford W.Brook and Irvin M.Borish  P.401-420

2.Visual science and clinical optometry by Bikas Bhattacharyya 

3.Primary care optometry by Theodore Grosvernor P10 ,358,377-378