Thấu kính và Quang hình học

Thấu kính hoạt động bằng cách làm khúc xạ đầu sóng ánh sáng tới tại những điểm nơi chúng đi vào và ra khỏi bề mặt thấu kính. Góc khúc xạ, và do đó tiêu cự, sẽ phụ thuộc vào dạng hình học của bề mặt thấu kính cũng như chất liệu dùng chế tạo thấu kính.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thấu kính và Quang hình học Thấu kính và Quang hình học Thấu kính hoạt động bằng cách làm khúc xạ đầu sóng ánh sáng tới tại nhữngđiểm nơi chúng đi vào và ra khỏi bề mặt thấu kính. Góc khúc xạ, và do đó tiêu cự,sẽ phụ thuộc vào dạng hình học của bề mặt thấu kính cũng như chất liệu dùng chếtạo thấu kính. Chất có chiết suất cao hơn sẽ có tiêu cự ngắn hơn chất có chiết suấtthấp hơn. Ví dụ, thấu kính chế tạo bằng polymer tổng hợp, như Lucite (chiết suất1,47) có chiết suất nhỏ hơn thủy tinh (1,51), dẫn tới tiêu cự dài hơn một chút. Maythay, chiết suất của Lucite và thủy tinh quá gần nhau nên Lucite có thể dùng thaythế thủy tinh trong nhiều ứng dụng thấu kính, như camera phim-trong-hộp thôngdụng mà hiện nay người tiêu dùng thích xài phổ biến. Thấu kính chế tạo bằng kimcương tinh khiết (chiết suất 2,42) có tiêu cự nhỏ hơn nhiều so với thủy tinh hoặcLucite, mặc dù giá thành cao của kim cương tinh khiết ngăn cản việc sử dụng nólàm thấu kính. Như đã nói ở phần trước, tất cả các thấu kính đều có hai mặt phẳng chínhliên quan với mặt trước và mặt sau của thấu kính. Trong kính hiển vi, thấu kínhthường được hàn với nhau tạo nên nhóm lớn hơn (thấu kính dày) có vị trí khákhác thường cho mặt phẳng chính so với các bề mặt thấu kính. Tuy nhiên, bất kể sốlượng nguyên tố thấu kính hoặc độ phức tạp của hệ thấu kính, vị trí của các mặtphẳng chính ở thấu kính dày có thể xác định bằng vết tia sáng đi qua hình vẽ chínhxác của thấu kính. Những người thợ chế tạo thấu kính hiện đại và kĩ sư quang họcsử dụng những chương trình máy tính phức tạp để lập mô hình, thiết kế và dò theocác tia sáng qua từng thấu kính và hệ nhiều nguyên tố thấu kính. Những chươngtrình phần mềm này được dùng để thiết kế camera, kính thiên văn, kính hiển vi, vànhững quang cụ khác dựa trên thấu kính thủy tinh (hoặc plastic) để tạo ảnh. Có ba quy luật tổng quát áp dụng để lần theo các tia sáng đi qua một thấukính đơn giản (xem hình 2), khiến cho công việc tương đối dễ. Thứ nhất, một tiasáng vẽ qua tâm thấu kính từ một điểm trên vật đến điểm tương ứng trên ảnh(đường nối các đầu mũi tên trong hình 2). Tia này không bị thấu kính làm lệchhướng. Thứ hai, một tia phát ra từ điểm trên cùng của vật vẽ song song với trụcchính và, sau khi bị khúc xạ bởi thấu kính, sẽ cắt và đi qua tiêu điểm phía sau.Trong thực tế, tất cả các tia sáng truyền song song với trục chính sau khi bị khúc xạbởi thấu kính sẽ truyền qua tiêu điểm sau. Thứ ba, một tia phát ra từ vật đi quatiêu điểm phía trước sẽ bị thấu kính khúc xạ theo hướng song song với trục chínhvà trùng với một điểm giống hệt trên ảnh. Sự giao nhau của hai trong số bất kì cáctia vừa mô tả, thường được gọi là tia tiêu biểu, sẽ xác định mặt phẳng ảnh của thấukính. Việc mở rộng khái niệm đường đi từng tia sáng sang cho một chùm tia sánglà yêu cầu cần thiết để mô tả các sự kiện quang xảy ra trong kính hiển vi. Khi mộtchùm tia sáng song song truyền qua một thấu kính đơn giản, các tia bị khúc xạ vàtập trung vào một đốm sáng hội tụ tại tiêu điểm (điểm F trong hình 2) của thấukính. Khi ánh sáng phát ra từ một nguồn điểm đặt tại tiêu điểm của thấu kính đivào thấu kính, nó sẽ ló ra dưới dạng một chùm tia sáng song song, gần trục. Ánhsáng từ nguồn rọi sáng kính hiển vi có thể xem là một đoàn sóng ánh sáng daođộng cùng pha với nhau. Đầu sóng đi cùng với đoàn sóng này nằm trong một mặtphẳng vuông góc với hướng truyền (thường song song với trục quang của kínhhiển vi) và bị chuyển thành sóng cầu khi truyền qua một thấu kính hai mặt lồi đơngiản. Bán kính của sóng cầu đó có tâm tại tiêu điểm của thấu kính và sóng ánh sángđều đến đồng pha và trải qua sự giao thoa tăng cường (cộng gộp) lẫn nhau tại tiêuđiểm. Như trường hợp nguồn sáng điểm, đầu sóng cầu tỏa ra từ tiêu điểm của mộtthấu kính đơn giản bị chuyển thành đầu sóng phẳng bởi sự khúc xạ xảy ra khitruyền qua thấu kính. Một đầu sóng phẳng truyền qua không gian thường không vuông góc vớitrục chính của thấu kính, mà đến với một số góc tới nghiêng với trục chính. Tâmcủa sóng cầu do sự truyền sóng phẳng ngoài trục qua thấu kính nằm ở một số điểmngoài trục chính của thấu kính. Trong mọi mục đích thực tế, một sóng phẳng có thểxem là sóng cầu có bán kính vô hạn, có thể hội tụ bằng một thấu kính thành mộtsóng cầu khác có bán kính nhỏ hơn nhiều - bằng với tiêu cự của thấu kính. Như vậy,có thể kết luận rằng một thấu kính hai mặt lồi đơn giản hoạt động bằng cách biếnmột sóng cầu thành một sóng cầu khác, thường có bán kính (hoặc tiêu điểm) khác.Ngoài ra, tâm cong của sóng cầu thứ hai nằm trong tiêu diện của thấu kính. Nếu nguồn sáng điểm phát ra sóng cầu không nằm trong tiêu diện của thấukính (trong thực tế, sóng ánh sáng xiên góc với trục chính), khi đó thấu kính có thểđược mô tả là gồm hai thấu kính riêng biệt, như minh họa trong hình 4 đối vớinguồn điểm đơn sắc (một màu) đỏ. Mỗi thấu kính có tiêu cự khác nhau (f(a) ...