Các loại gương doc

Cácloại gương Nhìn lại quá khứ,có lẽ những chiếc gươngvà nhữngthấu kínhthô sơ là nguyêntố quanghọc cổ nhất được con người sử dụng để khai thác sức mạnh của ánh sáng. Không nghingờ gì nữa,nhữngngườiở trong hang động thời tiền sử đã bị thôi miênbởi sự phản xạ của họ trong ao hoặc những vật chứa nước phẳnglặng khác,nhưng những chiếc gương nhântạo cổ nhất vẫn không được phát hiện, mãi cho đến những đồ tạo tác hình kimtự tháp Ai Cập có niên đại khoảng 1900 năm trướcCông nguyên đượcxác định. Nhữngcái gương trongthời kì Hy Lạp –La Mã và thời Trungđại gồm các kimloại cóđộ bóng cao, như đồng thiếc, thiếc,hoặc bạc, rập khuôn trong nhữngcái đĩa hơi lồi,đã phục vụ nhân loại hơnmột thiênniênkỉ. Mãi chođến cuối thế kỉ thứ 12 hoặc đầu thế kỉ thứ 13 thì việc sử dụng thủy tinh có mặt sau tráng kimloại mới được phát triển để tạo ra gương soi, nhưngsự tinh tế của kĩ thuật này phải mất thêmvài trăm nămnữa. Vào thế kỉ 16, những người thợ thủ công thành Veniceđã chế tạo đượcnhững chiếc gươngđẹp cấu tạo từ một bản thủy tinhphẳng phủ một lớp mỏnghỗn hốngthủy ngân – thiếc (xem hình 1). Hơn vài trăm nămsau, các chuyên gia người Đức và Pháp đã phát triển việc chế tạo gương thành một nghệ thuật tinh tế, và những chiếcgương được gia công sắcsảo đã tranghoàngcác đại sảnh, phòngtiệc, phòng làmviệc vàphòngngủ của giới quý tộcchâu Âu. Cuối cùng, vàogiữa những năm 1800, nhà hóa học hữu cơ người Đức Justus von Liebigđã nghĩ ra một phươngpháp làmlắng bạc kim loạilên một mặt thủy tinh được khắctrước bằng cách khử hóa học dung dịch bạc nitrat. Khámphá này là một tiến bộ lớn cho công nghệ dùng chongành công nghiệp gương trongmột thời gian dài và báo trước một thời kì mớitrong đó các gương có thể được chế tạo từ bất cứ thứ gì làm từ thủy tinh. Những chiếc gươnggiadụng và thươngmại hiện đại còn cải tiến thêm một bước nữa, và luôn được chế tạobằng cáchthổi một lớp mỏngnhôm hoặc bạc lên phíasau bản thủy tinh trong lúcđặt trong chân không. Các dụngcụ khoa học vàquanghọc yêu cầu côngnghệ chế tạo tinh vi hơn, bao gồm cho lắng chân không nhiều lớpmàng mỏngchất liệu chuyên dụng,đánhbóng đến độ chính xác caovà có lớp phủ chống trầy xước. Phản xạ ánh sánglà mộttính chất vốn có và cótầm quan trọngcơ sở củacác gương và được định lượngbằng tỉ số giữalượngánh sáng phản xạ khỏibề mặt và lượng ánh sáng tới bề mặt, tỉ số này gọi làhệ số phảnxạ. Các gương có cấu trúcvà thiết kế khác nhau thì hệ số phản xạ của chúng cũng khác nhau nhiều, từ gần100% đối với các gương có độ bóngcao phủ kimloại phản xạ các bước sóng khả kiến và hồng ngoại, tớigần 0%đối với các chất liệu hấpthụ mạnh. Ảnh hìnhthànhbởi gương cóthể là thực hoặc ảo, phụ thuộc vào vị trí tương đối củavật đối với gương,và có thể đoán trướcchính xác về kích thướcvà vị trí từ những phép toán dựa trêncơ sở hình học. Ảnh thật hình thành khicáctia tới và tia phản xạ giao nhauphíatrước gương, còn ảnh ảo xuất hiện tại điểm màphần kéo dài của tia tới vàtia phản xạ hội tụ phía saugương. Gươngphẳngtạo ra ảnh ảo, vì điểm hội tụ, nơi phần kéo dài của tia tớivà tia phản xạ giao nhau,nằmở phía sau bề mặt phản xạ. Ở mặt trước hoặc mặt sau của gươngphẳng có thể phủ một lớp chất phản xạ thích hợp. Các gương giadụngphổ biến được phủ ở mặt sau sao cho mặt phản xạ được bảo vệ bởi thủy tinh,nhưng các gương thiết kế cho những ứng dụng khoa học quan trọnghoặc trong cáchệ quang cụ thường đượcphủ ở mặt trước, và được gọi là gương mặt trước. Các đặctrưng ảnh củagương phẳng cóthể xác địnhbằng việc tính vị trí và khoảngcáchcủa vật đến mặt gương (xemhình2). Đốivới tất cả gương phẳng,vật và ảnhảo nằm ở khoảng cáchbằng nhautính từ mặt phản xạ, và mỗitia sángsẽ tuân theo định luật phảnxạ (tiatới và tiaphản xạ chạm tới và hợp với trụcquangnhững góc bằng nhau).Ảnh tạobởi gương phẳng xuấthiện bằng kíchthước với vật, và thẳng đứng(cùng chiều). Các nhàtrang trínội thất thường sử dụng các tính chất quang họccủa gươngphẳng để tạo ra sự rọi sángsao cho căn phòngtrông rộng gấphai lần kích thước thực củanó. Như minh họa trong hình2, nhà quan sát hình dung một vật phản xạ bởi gương nằm ở phíasau gương,vì mắt nội suycác tia sángphản xạ theođường thẳngđến điểm hội tụ. Sự thayđổi duy nhất ở vật, điểu hiển nhiên khi khảo sát sự phản xạ, là nó quayđi 180 độ xung quanhmặt phẳng gương, mộthiệuứng thường được gọi là sự đảo ảnh. Như vậy, ảnh gươngcủa một vật không đối xứng,ví dụ như bàn tay người,sẽ bị đảo ngược (trongthực tế, ảnh gươngcủa bàntay trái sẽ trông như bàn tay phải). Sự hoán đổi từ hệ tọa độ thuận sang hệ tọa độ nghịchtrong khônggian vật gọi là sự nghịch đảo, vànhiều mặt phẳng gương có thể được dùng để tạo ra số nghịch đảo chẵn hoặc lẻ. Để phản xạ sóng ánh sáng với hiệu suấtcao, bề mặt gương phải hoàn toàn nhẵntrong mộtphạm virộng, vớicác khiếm khuyết nhỏ hơn nhiều so vớibước sóng ánh sáng phản xạ. Yêu cầu này áp dụng đối với mọi kiểu dáng gương,cóthể khôngđều hoặc cong, ngoài những bề mặt gươngphẳngthườngthấytrong gia đình. Gương congphânloại thôthànhhai nhóm,lõmvà lồi, têngọi này cũng được sử dụng để mô tả hình dạng củacác thấu kính mỏng đơn giản. Đốivớigương, bề mặtcong đượcxem là lõm haylồi phụ thuộc vào tâm congxuất hiện ở phía mặt phản xạ hay ở phía bênkia. Mặcdù đa số gương cong có hình dạngbề mặt là một phần của mặt cầu, nhưng mặt gương cũng có thể là mặt trụ, parabol, elip,hyperbol(xem hình3), hoặc một số dạng khác (có thể không có dạngcầu). Nóichung, gươngcầu tạo ra ảnh phóng to hoặc thu nhỏ, tùy thuộc vào chúnglà gươnglõmhoặc lồi.Lấy ví dụ, gương lồi chiếu hậu ở xe ô tô tạora ảnhtoàn cảnh cókích thướcthu nhỏ, còn gương lõm cạo râu phóng tocác chi tiết của gương mặtxung quanh cằm.Gương trụ phản xạ tia sáng vào mộtmặt phẳngtiêu thẳng nằm trên mộttrụccó các chiều bên thu nhỏ lại, và gươngelip, có haitiêu điểmvà thườngđượcdùnglàm gương phản xạ, sẽ hội tụ ánh sáng từ tiêu điểm này đến tiêu điểm kia. Trái lại, gương parabolcó thể hội tụ một chùm tiasáng songsong vàomột nguồnđiểm, hoặc ngược lại, trong khi gương hyperbol tạora ảnh ảo từ vật nằmtại tiêu điểm. Những kiểu dáng gương khác, như hình que vàhìnhnón, đượcdùng chochiếusáng 360 độ, bẻ cong đường điảnh, hoặcdùngcho các ứngdụng laser. Nhữnggương này thường có đường kính nhỏ hơn, khiến chúng lí tưởngcho sử dụng trong các dụng cụ có giới hạn kích thước, như ống nội soi và đèn nội soi.Nhiềuloại gương có hình dạng không phải hình cầu khó chế tạo với dungsai chínhxác vàcó mứcđộ quang sai lớn,thànhra có giá thành cao, và dovậy, ítcó ứng dụngthực tế hơn. Gương cầu Gương có bề mặt phản xạ hình cầu có khả năng tạo ảnhtheo kiểu tươngtự với thấu kính mỏng hoặc một bề mặt khúc xạ đơn giản,nhưng không có sắc sai thường đi kèm với độ tán sắc thấu kính. Vì lído này nên đôi khi gương được dùng thaycho thấukính trongnhữngquang cụ phứctạp, nhưngchúng không thể thay thế các nguyêntố thấu kính hoàn toànbởi vì nhữngquang sai khác của gương khó hiệu chỉnh hơn, nếu không nóilà khôngthể. Mô tả quang hình họccủa gươngvề mặtđịnh lượngkémphức tạphơn so vớithấukính, và cả haicó nhiềuđặc trưng chung. Gương cầu có bán kính cong hoàn toàn xác định kéo dài từ tâm của hình cầu và tạomột góc vuông vớimỗi điểm trên bề mặt. Ngoài ra,đườngthẳngvẽ từ điểm chínhgiữa củabề mặt cầu đi quatâm cầu đượcđịnh nghĩa là trục chính haytrục quanghọc của gương. Trongtrường hợpcác tiabêntrục tớitrên bề mặt gươngcầu (truyềnsong song với trục chính), tấtcả tia phản xạ (hoặc phần kéo dài của chúng)sẽ hội tụ tại một tiêu điểm chung, nằm phíatrước hoặc phía sau gương. Khoảng cách giữa tiêu điểm và mặt gương gọilà tiêu cự củagương. Để duytrì tính đồng nhấtvới thuật ngữ dùng cho thấu kính,tiêu cự củagương lõm có giá trị dương, còn tiêu cự của gương lồi có giá trị âm.Như vậy, gương làm hội tụ các tia sáng có tiêu cự dương (tươngtự với thấu kính), vàgương làmphân kì cáctia sángcó tiêu cự âm. Cũng tuân theo những thuật ngữ dùng chothấu kính, mặt phẳng ngang cắt quatiêu điểm được gọi là tiêu diện, và các tiasong song phảnxạ ở một góc bất kì so với trục chínhsẽ đồngquy tại một số tiêu điểm nằm trên tiêu diện. Vị trí ảnh tạo ra bởi gương cầu có thể xác định bằng thựcnghiệm, bằng hình vẽ, hoặcbằng cách áp dụng công thứchình học. Kĩ thuật hình vẽ haykĩ thuật đườngđi tiasáng miêu tả một phươngpháp dễ dàng vàthông dụngđể xác địnhvị trí ảnhhình thành bởigương. Biểu diễn trong hình 4 là đường đicác tiasáng song song chothấycác tiachủ yếuvà vị trí của ảnh tạo ra bởi gương lõm (hình4a) vàlồi (hình 4b). Các tiachính thườngđược dùng vì chúng có thể đượcvẽ nối các vị trí quan trọng giữavật, ảnh, mặtgương, tâm cong, và các tiêu điểm mà không cần tới những phép đogóc chínhxác. Các tia sáng màu đỏ, vàngvà xanh dương phátra từ điểm trên cùng củavật (P, tại đỉnh mũi tên màuxanh lácây) đều phảnxạ khỏi mặt gương lõm trong hình 4a và đi tới hội tụ tại điểm liên hợp(P’),tạo ra ảnh thực, ngược chiều, nhỏ hơn vật. Tia sáng màu xanh dương truyền songsong với trục chínhvà phản xạ qua tiêu điểm (F)trướckhi chạm tới mặtphẳng liên hợp (ảnh). Tiamàu đỏ truyềnqua tiêu điểm và bị gương phản xạ theohướng songsongvới trụcchính.Tia chính còn lại, tia màu vàng, banđầu truyền quatâm congcủa gươngvà chạm tới vuông góc với mặtgương rồi phảnxạ trở lại theo hướng cũ. Như trong trường hợpbiểu đồ đườngđi tiasáng củathấu kính mỏng đơngiản,bất kì haitrongsố ba tia chính này có thể được dùngđể địnhvị trí ảnh, xuất hiện tại điểm hội tụ. Tia thứ bathường được dùng để xác nhậnlược đồ đường đi tia sáng. Đường đi tia sáng đối với gương lồi đượcminh họatrong hình 4b, có cùng lượcđồ màu như hình 4a. Tiasáng phát ratừ đỉnh mũi tên màu xanhlá cây (điểm P)và phản xạ bởi mặt gương,tạo racác đườngkéo dàiphân kì từ điểm liênhợp(P’) hình thành nên ảnhảo, cùng chiều phíasau gương.Theokiểu tương tự như biểu đồ gương lõm,tia sáng màu xanh dương truyền song songvới trục chính của gương lồi, nhưng bây giờ bị phản xạ tại một gócphân kì như thể nóphátra từ tiêu điểm (F).Đường kéo dài của tiamàu xanhdương xuyên qua gương điqua tiêu điểm đó. Tươngtự như vậy, tia sáng màu vàng chạm tới gươngtại góc vuông vàbị phản xạ trở lại theo chínhhướngcũ, nhưng tạora đườngkéo dài cắt qua tâm cong của gương.Tiamàu đỏ,truyền hợp mộtgóc với trục chínhtrước khi chạm tới gương, bị phảnxạ song songvới trục chính và cũng tạo rađườngkéo dài đi qua tiêu điểm. Khi xemxét kĩ thuật đường đi tiasáng quagương,một tia sáng rời vậtsong song với trục chínhbị phản xạ qua tiêuđiểm, và tia ngoài trụctruyền quatiêu điểm chính bị phản xạ song songvới trụcchính. Ngoài ra,tia chạmtới đỉnhgương bị phản xạ theo hướnghợp với trục chính một góc bằng với góctới (không minh họa),và tia truyền quatâm cong bị phản xạ trở lại như cũ. Như đã nói ở phần trên, chỉ cần hai tiachính để xác định các thông số hìnhhọc của ảnh. Phương trình gương nhận được bằngcách giải công thức thấu kính tương ứng và thực hiệnmột số giả định về chiết suất và độ dày. Phươngtrìnhcơ bản nhất được gọi là công thức gương và được cho bởiquan hệ sau: 1/d 0 + 1/d 1 = 1/f trong đó d 0 là khoảng cách từ vật đếnmặt gương, d 1 làkhoảng cách giữaảnh và gương, vàf là tiêu cự của gương.Tươngtự như vớithấu kính, tiêu cự là dương đối với gương hộitụ (lõm) vàlà âm đối với gươngphân kì (lồi). Khi hợpnhất vào các hệ quang học, hìnhdạng cầucủa gươnglõm và lồi chophép chúng hoạt động như thấu kínhdươngvà âm (tương ứng). Kíchthướccủa ảnh hìnhthànhbởi gương cầu lồi phụ thuộc vàovị trí của vật tương quanvới tiêu điểm gương, nhưngảnh luônluôn là ảo, cùngchiều và nhỏ hơnvật. Trái lại, mộtvật nằmphía ngoài tâm cong của gươngcầu lõm tạo raảnh thực nằm giữa tiêu điểmvà tâm cong. Khi vật dichuyển đến trùngvới tâm cong, gương lõm tạo ra ảnh thực bằngkích thước với vật, nhưng ngược chiều.Di chuyển vật đếngần mặtgương hơn, vật tạo raảnh ngượcchiều và lớnhơn nó. Tại điểm nằm chính giữa gương vàtâmcong củanó (tiêu điểm của gương), các tia sáng từ vật bị phản xạ trở nên song song nhau và khôngcó ảnhnào được hìnhthành (gươngchứa đầy một vật mờ mờ không nhận rađược).Nếu vật tiến đếngần gương hơn nữa, giữa tiêu điểmvà mặt gương, các tia phản xạ phân kìvà tạo raảnh ảo, cùng chiều, lớn hơnvật. Cuốicùng, khivậtnằm ngaytại mặtgương, thì ảnh một lần nữa cùng kích thước với vật. Lược đồ đường đi tia sánggương, như ví dụ biểu diễn trong hình4, được vẽ đặc biệt tuân theocùng quy ướcnhư đối với thấu kínhmỏng đơn giản. Chẳnghạn, khoảng cách đo từ trái sang phải là dương, vàngược lại. Tia sáng tới đượcvẽ sao cho chúng truyền từ trái sang phải, còntia phản xạ truyền từ phải sang trái. Đường thẳngvuông gócvới trụcchính và tuyến tuyếnvới tâmcủa mặt phản xạ (gọilà đỉnh gương) có thể đượcvẽ để làmtham chiếu từ đó đo ảnh, vật,tiêu điểmvà khoảng cách cong. Bằngcáchtuân thủ các quy ước cơ bản này,các thông số quang học cho đa số gương cóthể xác định được và liên hệ với các thôngsố của nguyên tố thấu kính cóthể chia sẻ cùng nhiệmvụ trong hệ thống quanghọc. Đa số các thiếtkế gương khôngcó dạng cầu xử sự tương tự như các gương lồi vàlõm đơn giản khi xét ánh sáng truyền qua vùng bên trục (gần trụcchính). Trongthực tế, nhiều hình dạng gươngvề cơ bản có thể xem không khác mấy với gương cầu ở khíacạnh này. Tuynhiên, khixétcác tiasáng truyền xa trụcchínhthì sự lệch bắt đầu xuấthiện vànhững mối quan hệ hình họcmới, phức tạp hơn, tồn tại giữa vật, ảnh và cáctiêu điểm.Ngoài ra, độ lớn và mức độ khắc nghiệt của sự quangsai củagương này thườngkhác với gươngkia, và hiện tượngnày chắcchắn phải xảy ra khi thiếtkế các hệ thống quangsử dụng những loại gươngnày. . là gương mặt trước. Các đặctrưng ảnh củagương phẳng cóthể xác địnhbằng việc tính vị trí và khoảngcáchcủa vật đến mặt gương (xemhình2). Đốivới tất cả gương phẳng,vật và ảnhảo nằm ở khoảng cáchbằng. nhiều, từ gần100% đối với các gương có độ bóngcao phủ kimloại phản xạ các bước sóng khả kiến và hồng ngoại, tớigần 0%đối với các chất liệu hấpthụ mạnh. Ảnh hìnhthànhbởi gương cóthể là thực hoặc. sau gương. Khoảng cách giữa tiêu điểm và mặt gương gọilà tiêu cự củagương. Để duytrì tính đồng nhấtvới thuật ngữ dùng cho thấu kính,tiêu cự củagương lõm có giá trị dương, còn tiêu cự của gương