Chương 3: Dụng cụ quang học môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

3.1 Các khái niệm cơ bản 3.2. Lăng kính 3.3. Máy ảnh 3.4. Kính hiển vi 3.5. Kính viễn vọng
3.1 Các khái niệm cơ bản
Dụng cụ quang (hệ quang học) là hệ thống gồm nhiều bộ phận quang học ghép nối tiếp nhau để xử lý ảnh
của hệ hoặc phân tích ánh sáng
+ Không phải tất cả các tia sáng từ vật đều qua hệ quang
học để tạo ảnh. Người ta đặt các tấm chắn, diaphragm và
các cửa sổ để xử lý ảnh tốt hơn cho mục đích sử dụng.
Các bộ phận này rất quan trọng không thể thiếu được: loại
trừ các tia sáng không cần thiết, loại trừ quang sai ảnh
hưởng đến chất lượng ảnh.
AS: Aperture stop, EnP: Entrance pupil EXP: Exit pupil
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản AS: Aperture stop
AS: là một phần tử vật lý trong hệ
quang giới hạn góc của hình nón
AS giới hạn năng lượng quang
tia cực đại từ vật gửi qua hệ
được truyền qua hệ thống quang để tạo ảnh
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản
Aperture: Giới hạn trường nhìn và kiểm soát độ sáng của ảnh
- Điều chỉnh hiệu ứng quang sai cầu, loạn thị, méo hình
- Tạo viền sắc nét cho hình ảnh
- Che chắn ánh sáng tán xạ không mong muốn từ các thành phần khác trong hệ quang
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản
EnP: Entrance pupil; EXP: Exit pupil
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản Chief Ray, Marginal Ray
Chief Ray (Tia chính): Bắt đầu từ vật thể ngoài trục, đi qua giao điểm của EnP và trục quang
Marginal (Tia cận biên): Bắt đầu từ vật thể ngoài trục, đi qua mép của EnP
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản
Field of View: Field Stops and Windows
Trường nhìn (thị trường) và cửa sổ để hạn chế tia sáng tới
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản Field Stop
Fied stop: Phần tử vật lý giới hạn trường nhìn được hình thành bởi một hệ thống quang học.
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản Entrance window, Exit window
Chương 3: Dụng cụ quang học
3.1 Các khái niệm cơ bản Field of view
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Góc lệch của lăng kính: Khi ánh sáng truyền qua lăng
kính tương tự như đối với thấu kính tia sáng sẽ lệch về đáy gây ra góc lệch δ.
Vận tốc, chiết suất phụ thuộc vào bước sóng (tán sắc),
các tia có bước sóng (màu) khác nhau sẽ có góc lệch khác nhau Áp dụng công thức Snell
Nếu biết góc đỉnh A, chiết suất n, góc lệch δ có
thể tính toán được theo các phương trình sau:
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Ví dụ: với A = 30° và chiết suất n = 1,5 góc lệch δ có thể tính
toán được như Hình bên. Ở đây góc lệch cực tiểu là 23 °.
Xét trường hợp góc lệch cực tiểu:
Phương trình này được sử dụng để xác đinh
chiết suất vật liệu làm lăng kính (Thí nghiệm về
lăng kính). Khi góc A nhỏ ta có thể viết
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Sự tán sắc: Khi ánh sáng đi qua lăng kính ta có sự tán sắc (góc lệch phụ thuộc bước
sóng). Bước sóng càng ngắn chiết suất càng cao góc lệch càng lớn (tán sắc thường,
n tỷ lệ nghịch với λnhư Hình dưới đây).
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Khi có tán sắc dị thường, ta có thể viết bằng công thức thực nghiệm:
Thông thường, chỉ cần xác định 2 thông số A và B là đủ xác
định được gần đúng đường cong n(λ),
Độ tán sắc khi đó được xác định theo công thức Cauchy:
Độ tán sắc nói chung không tỷ lệ với góc lệch như Hình bên.
Độ tán sắc được xác định từ độ lệch của 3 bước sóng Fraunhofer
Độ tán sắc Δ được xác định định lượng bằng công thức:
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Quang phổ kế (lăng kính): Sử dụng tính chất tán
sắc của lăng kính, ta có thể phân tích phổ của ánh
sáng theo sơ đồ như Hình vẽ. Để mở rộng vùng phân
tích phổ người ta dung lăng kính làm bằng các vật
liệu cho tia tử ngoại, hồng ngọại đi qua được như:
SiO2, CaF2(UV), NaCl, KCl hay Al2O3(IR).
Độ phân giải đơn sắc: để phân biệt được 2 vạch phổ gần nhau ta phải thu nhỏ khe hẹp S, sự nhiễu xạ ánh sáng sẽ làm
giảm độ phân giải. Mối quan hệ Δλ và d cho ta độ phân giải. Các tia song song là đẳng thời, cùng quang lộ khi đó ta có
Ở đây, b là độ dài đáy lăng kính và n là chiết suất ứng với bước sóng λ. Giả sử n’ và λ’ là
chiết suất và bước sóng của vạch liền kề ta có Theo nguyên lý Ferma
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Độ lệch góc Δα tính theo Δs:
Độ lệch góc tới hạn phân giải được xác định theo tiêu chí Rayleigh Ta có: Hay Độ phân giải:
Độ phân giải tăng khi tăng độ dài b,
tuy nhiên bị giới hạn bởi kích thuớc lăng kính.
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.2. Lăng kính
Chương 3: Dụng cụ quang học 3.3. Máy ảnh
Thiết bị có thể tái tạo và ghi lại được hình ảnh của vật.
Thiết bị đơn giản nhất là hộp kín có lỗ nhỏ. Tia sáng từ vật
sẽ tạo thành ảnh ở đáy hộp.
1 điểm trên vật tạo thành 1 vòng tròn ở ảnh (giới hạn bởi
kích thước lỗ tròn). Nếu giảm kích thước tăng nhiễu xạ.
(kích thước lỗ tối ưu khoảng 0,5 mm, khoảng cách 25cm)
- Ảnh có độ rõ nét không cần điều tiêu. Độ sâu ảnh vô cùng.
- Ánh sáng yếu do đó thời gian chiếu sáng dài, tốc độ chụp chậm
- Khoảng cách lỗ đến phim (đáy hôp) ảnh hưởng đến độ rõ nét và thị trường
Thay lỗ tròn bằng một thấu kính lồi, ta có thể tạo ra ảnh tốt hơn là cơ sở của máy ảnh thông thường
- Ảnh có độ nét hơn tuy nhiên cần điều tiêu. Độ sâu ảnh giới hạn.
- Ánh sáng mạnh hơn, tốc độ chụp nhanh hơn
- Tiêu cự ảnh hưởng đến khoảng cách giới hạn và thị trường
(Ống kính chụp gần và ống kính chụp xa (tele)
Ta có, độ mở ống kính liên quan đến năng lượng ánh sáng Ee (độ sáng của ảnh)
(D là kích thước (độ mở) ống kính và d là kích thước ảnh)