5. Các bƣớc thực hiện
3.1.3. Gƣơng phẳn g gƣơng cầu
3.1.3.1. Cấu tạo và tính chất chung
Phản xạ ánh sáng là một tính chất vốn có và có tầm quan trọng cơ sở của các gƣơng và đƣợc định lƣợng bằng tỉ số giữa lƣợng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt và lƣợng ánh sáng tới bề mặt, tỉ số này gọi là hệ số phản xạ. Các gƣơng có cấu trúc và thiết kế khác nhau thì hệ số phản xạ của chúng cùng khác nhau nhiều, từ gần 100% đối với các gƣơng có độ bóng cao phủ kim loại phản xạ các bƣớc sóng khả kiến và hồng ngoại, tới gần 0% đối với các chất liệu hấp thụ mạnh.
Hình 3.8:Sự tạo ảnh bởi gƣơng phẳng [14]
Ảnh hình thành bởi gƣơng có thể là thực hoặc ảo (hình 3.8), phụ thuộc vào vị trí tƣơng đối của vật đối với gƣơng và có thể đoán trƣớc chính xác về kích thƣớc, vị trí từ những phép toán dựa trên cơ sở hình học. Ảnh thật hình thành khi các tia tới và tia phản xạ giao nhau phía trƣớc gƣơng, còn ảnh ảo xuất hiện tại điểm mà phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ hội tụ phía sau gƣơng. Gƣơng phẳng tạo ra ảnh ảo, vì điểm hội tụ nơi phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ giao nhau, nằm phái trên bề mặt phản xạ.
Ở mặt trƣớc hoặc mặt sau của gƣơng phẳng có thể phủ một lớp chất phản xạ thích hợp. Các gƣơng gia dụng phổ biến đƣợc phủ ở mặt sau sao cho mặt phản xạ đƣợc bảo vệ bởi thủy tinh, nhƣng các gƣơng thiết kế cho những ứng dụng khoa học quan trọng hoặc trong các hệ quang cụ thƣờng đƣợc phủ ở mặt trƣớc và đƣợc gọi là gƣơng mặt trƣớc. Các đặc trƣng ảnh của gƣơng phẳng có thể xác định bằng việc tính vị trí và khoảng cách của vật đến mặt gƣơng.
Để phản xạ sóng ánh sáng với hiệu suất cao, bề mặt gƣơng phải hoàn toàn nhẵn trong một phạm vi rộng, với các khiếm khuyết nhỏ hơn nhiều so với bƣớc sóng ánh sáng phản xạ. Yêu cầu này áp dụng đối với mọi kiểu dáng gƣơng, có thể không đều hoặc cong, ngoài những bề mặt gƣơng phẳng thƣờng thấy trong gia đình. Gƣơng cong phân loại thô thành hai nhóm, lõm và lồi, tên gọi này cũng đƣợc sử dụng để mô tả hình dạng của các thấu kính mỏng đơn giản. Đối với gƣơng, bề mặt cong đƣợc xem là lõm hay lồi phụ thuộc vào tâm cong xuất hiện ở phái mặt phản xạ hay ở phía bên kia.[14]
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 29 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
Hình 3.9: Một số loại gƣơng cầu [14]
Mặc dù đa số gƣơng cong có hình dạng bề mặt là một phần của mặt cầu, nhƣng mặt gƣơng cũng có thể là mặt trụ, parabol, elip, hyperbol (hình 3.9) hoặc một số dạng khác (có thể không có dạng cầu). Nói chung, gƣơng cầu tạo ra ảnh phóng to hoặc thu nhỏ tùy thuộc vào chúng là gƣơng lõm hay lồi. Gƣơng trụ phản xạ tia sáng vào một mặt phẳng tiêu thẳng đƣợc dùng làm gƣơng phản xạ, sẽ hội tụ ánh sáng từ tiêu điểm này đến tiêu điểm kia. Trái lain, gƣơng parabol có thể hội tụ một chùm tia sáng song song vào một nguồn điểm, hoặc ngƣợc lại, trong khi gƣơng hyperbol tạo ra ảnh ảo từ vật nằm ngoài tiêu điểm. Những kiểu dáng gƣơng khác nhƣ hình que và hình nón đƣợc dùng cho chiếu sáng 360 độ, bẻ cong đƣờng đi ảnh, hoặc dùng cho các ứng dụng laser. Những gƣơng này thƣờng có đƣờng kính nhỏ hơn, khiến chúng lí tƣởng cho sử dụng trong các dụng cụ có giới hạn kích thƣớc nhƣ ống nội soi và đèn nội soi. Nhiều loại gƣơng có hình dạng không phải hình cầu khó chế tạo với dung sai chính xác và mức độ quang sai lớn thành ra có giấ thành cao và do vậy, ít có ứng dụng thực tế hơn.[16]
Gƣơng có bề mặt phản xạ hình cầu có khả năng tạo ảnh theo kiểu tƣơng tự với thấu kính mỏng hoặc một bề mặt khúc xạ đơn giản. Vì lý do này nên đôi khi gƣơng đƣợc dùng thay cho thấu kính trong những quang cụ phức tạp nhƣng chúng không thể thay thế các nguyên tố thấu kính hoàn toàn bởi vì những quang sai khác của gƣơng khó hiệu quả hơn, nếu không nói là không thể. Mô tả quang hình học của gƣơng về mặt định lƣợng kém phức tạp hơn so với thấu kính.
Vị trí ảnh tạo ra bởi gƣơng cầu có thể xác định bằng thực nghiệm, bằng hình vẽ hoặc bằng cách áp dụng công thức hình học. Kĩ thuật hình vẽ hay kĩ thuật đƣờng đi tia sáng miêu tả một phƣơng pháp dễ dàng và thông dụng để xác định vị trí ảnh hình thành bởi gƣơng. Biểu diễn trong hình 3.10 là đƣờng đi các tia sáng song song cho thấy các tia chủ yếu và vị trí của ảnh tạo ra bởi gƣơng lõm (hình 3.10a) và lồi (hình 3.10b). Các tia sáng chình thƣờng đƣợc dùng vì chúng có thể đƣợc vẽ nối các vị trí quan trọng giữa vật, ảnh, mặt gƣơng, tâm cong và các tiêu điểm mà không cần tới những phép đo góc chính xác.[14]
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 30 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa
Hình 3.10:Đƣờng đi tia sáng đối với gƣơng cầu [14]
Phƣơng trình cơ bản nhất đƣợc gọi là công thức gƣơng và đƣợc cho bởi quan hệ sau:
+ =
Trong đó d là khoảng cách từ vật đến mặt gƣơng, d’ là khoảng cách giữa ảnh và gƣơng, f là tiêu cự của gƣơng.
Kích thƣớc của ảnh hình thành bởi gƣơng cầu lồi phụ thuộc vào vị trí của vật tƣơng quan với tiêu điểm gƣơng, nhƣng ảnh luôn luôn là ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật. Trái lại, một vật nằm phía ngoài tâm cong của gƣơng cầu lõm tạo ra ảnh thực nằm giữa tiêu điểm và tâm cong. Khi vật di chuyển tới vùng tâm cong, gƣơng lõm tạo ra ảnh thực bằng kích thƣớc với vật nhƣng ngƣợc chiều. Di chuyển vật đến gần mặt gƣơng hơn, vật tạo ra ảnh ngƣợc chiều và lớn hơn nó. Tại tiêu điểm của gƣơng, các tia sáng từ vật bị phản xạ trở nên song song nhau và không có ảnh nào đƣợc hình thành. Nếu vật tiến đến gần gƣơng hơn nữa, giữa tiêu điểm và mặt gƣơng, các tia phản xạ phân kì và tạo ra ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật. Cuối cùng, khi vật nằm ngay tại mặt gƣơng, thì ảnh một lần nữa cùng kích thƣớc với vật.
Đa số các thiết kế gƣơng không có dạng cầu xử sự tƣơng tự nhƣ các gƣơng lồi và lõm đơn giản khi xét ánh sáng truyền qua vùng bên trục (gần trục chính). Trong thực tế, nhiều hình dạng gƣơng về cơ bản có thể xem không khác mấy với gƣơng cầu ở khía cạnh này. Tuy nhiên, khi xét các tia sáng truyền xa trục chính thì sự lệch bắt đầu xuất hiện và những mối quan hệ hình học mới, phức tạp hơn, tồn tại giữa vật, ảnh và các tiêu điểm. Ngoài ra, độ lớn và mức độ khắc nghiệt của sự quang sai của gƣơng này thƣờng khác với gƣơng kia và hiện tƣợng này chắc chắn phải xảy ra khi thiết kế các hệ thống quang sử dụng những loại gƣơng này.[14]
3.1.3.2. Ứng dụng của gương
Kính hiển vi quang học khai thác công dụng về diện tích của gƣơng phẳng, cả cho việc lại chùm tia chiếu sáng qua đƣờng truyền quang học và rọi lên mẫu vật và để chiếu ảnh lên thị kính hoặc bộ cảm biến ảnh. Những ứng dụng khác của gƣơng phẳng là hƣớng ánh sáng qua đƣờng dẫn trong những quang hệ đơn giản và phức tạp và làm những công việc quen thuộc nhƣ bộ làm lệch chùm tia, rotato ảnh (làm xoay ảnh). Gƣơng phẳng elip có trục chính kéo dài và dung cho việc bẻ cong làm gãy khúc ánh sáng ở góc chính xác với sự méo đầu sóng ít nhất.
Gƣơng hình trụ, hội tụ ánh sáng vào một trục, đƣợc dùng máy trải chùm tia, máy phát thẳng và dùng cho việc phóng đại ảnh dọc theo một trục. Trái lại, gƣơng lồi phổ biến hơn thực tế thấy mọi nơi, từ những vật trang trí cho tới những chiếc gƣơng an ninh có góc
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 31 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa nhìn rộng trong cửa hang hay bách hóa. Gƣơng parabol khổng lồ dùng trong kính thiên viên thu thập ánh sáng từ những góc xa xôi của vũ trụ còn những mẫu nhỏ hơn phát sáng vào trong không gian dƣới dạng đèn pha.
Ngoài ra, gƣơng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ rọi sáng kính hiển vi trƣờng tối chuyên dụng và ánh sáng phản xạ. Gƣơng parabol không cầu đƣợc sử dụng để tạo ra một nón chiếu ngƣợc lại, rỗng ở khẩu độ số cao cho việc ghi ảnh vùng tối, còn gƣơng elip đƣợc dùng để hƣớng ánh sáng từ bộ rọi sáng dọc qua vật kính trong hệ ánh sáng phản xạ. Các vật kính chuyên dụng, gọi là vật phản xạ (hình 3.11), đƣợc dùng trong kính hiển vi phản xạ ánh sáng và có hai thuận lợi cơ bản so với các gƣơng trên cơ sở thấu kính của chúng. Vật kính phản xạ không bị quang sai màu và không hấp thụ nhiều ánh sáng cực tím và hồng ngoại. Nhân tố thứ hai trên dẫn tới sự phát triển vật kính phản xạ dùng cho cả kính hiển vi cực tím và hồng ngoại, ngoài ra ứng dụng vi quang phổ kế.[14]
Hình 3.11: Sự phản xạ ánh sáng ở vật kính kính hiển vi[14]
Một lợi thế nữa của vật kính phản xạ là chúng có thể đƣợc thiết kế và chế tạo sao cho có khoảng cách làm việc dài hơn so với vật kính khúc xạ có độ phóng đại và khẩu độ số tƣơng đƣơng. Ngoài vật kính phản xạ, gƣơng còn đóng vai trò quan trọng trong kính hiển vi huỳnh quang, trong đó chúng hoạt động với vai trò bộ tách chùm tia lƣỡng sắc hƣớng bƣớc sóng kích thích về phía mẫu vật, và rồi chặn lƣợng ánh sáng đó lại sau khi nó bị phản xạ trở lại qua vật kính. Những bộ phận khác của kính hiển vi cũng kết hợp với gƣơng. Các bóng đèn gia dụng phóng điện hồ quang và đèn volram-halogen thƣờng có gƣơng phản xạ parabol giúp tập trung sự rọi sáng qua thấu kính góp và đi vào đƣờng truyền quang kính hiển vi. Ngoài ra, các đầu quét kính hiển vi đồng tiêu sử dụng các gƣơng đƣợc bố trí cẩn thận để quét chùm tia laser qua mẫu vật và những ứng dụng tiên tiến làm cho gƣơng trở thành một trong những thành phần quang quan trọng nhất trong hộp công cụ của các nhà vật lí.[14]