Các loại gương

Thể loại: Vật lý
Lượt xem: 151,333Lượt tải: 7Số trang: 9

Mô tả tài liệu

Nhìn lại quá khứ, có lẽ những chiếc gương và những thấu kính thô sơ là nguyên tố quang học cổ nhất được con người sử dụng để khai thác sức mạnh của ánh sáng.

Tóm tắt nội dung

Các loại gương Nhìn lại quá khứ, có lẽ những chiếc gương và những thấu kính thô sơ là nguyên tố quang học cổ nhất được con người sử dụng để khai thác sức mạnh của ánh sáng. Không nghi ngờ gì nữa, những người ở trong hang động thời tiền sử đã bị thôi miên bởi sự phản xạ của họ trong ao hoặc những vật chứa nước phẳng lặng khác, nhưng những chiếc gương nhân tạo cổ nhất vẫn không được phát hiện, mãi cho đến những đồ tạo tác hình kim tự tháp Ai Cập có niên đại khoảng 1900 năm trước Công nguyên được xác định. Những cái gương trong thời kì Hy Lạp – La Mã và thời Trung đại gồm các kim loại có độ bóng cao, như đồng thiếc, thiếc, hoặc bạc, rập khuôn trong những cái đĩa hơi lồi, đã phục vụ nhân loại hơn một thiên niên kỉ. Mãi cho đến cuối thế kỉ thứ 12 hoặc đầu thế kỉ thứ 13 thì việc sử dụng thủy tinh có mặt sau tráng kim loại mới được phát triển để tạo ra gương soi, nhưng sự tinh tế của kĩ thuật này phải mất thêm vài trăm năm nữa. Vào thế kỉ 16, những người thợ thủ công thành Venice đã chế tạo được những chiếc gương đẹp cấu tạo từ một bản thủy tinh phẳng phủ một lớp mỏng hỗn hống thủy ngân – thiếc (xem hình 1). Hơn vài trăm năm sau, các chuyên gia người Đức và Pháp đã phát triển việc chế tạo gương thành một nghệ thuật tinh tế, và những chiếc gương được gia công sắc sảo đã trang hoàng các đại sảnh, phòng tiệc, phòng làm việc và phòng ngủ của giới quý tộc châu Âu. Cuối cùng, vào giữa những năm 1800, nhà hóa học hữu cơ người Đức Justus von Liebig đã nghĩ ra một phương pháp làm lắng bạc kim loại lên một mặt thủy tinh được khắc trước bằng cách khử hóa học dung dịch bạc nitrat. Khám phá này là một tiến bộ lớn cho công nghệ dùng cho ngành công nghiệp gương trong một thời gian dài và báo trước một thời kì mới trong đó các gương có thể được chế tạo từ bất cứ thứ gì làm từ thủy tinh. Những chiếc gương gia dụng và thương mại hiện đại còn cải tiến thêm một bước nữa, và luôn được chế tạo bằng cách thổi một lớp mỏng nhôm hoặc bạc lên phía sau bản thủy tinh trong lúc đặt trong chân không. Các dụng cụ khoa học và quang học yêu cầu công nghệ chế tạo tinh vi hơn, bao gồm cho lắng chân không nhiều lớp màng mỏng chất liệu chuyên dụng, đánh bóng đến độ chính xác cao và có lớp phủ chống trầy xước. Phản xạ ánh sáng là một tính chất vốn có và có tầm quan trọng cơ sở của các gương và được định lượng bằng tỉ số giữa lượng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt và lượng ánh sáng tới bề mặt, tỉ số này gọi là hệ số phản xạ. Các gương có cấu trúc và thiết kế khác nhau thì hệ số phản xạ của chúng cũng khác nhau nhiều, từ gần 100% đối với các gương có độ bóng cao phủ kim loại phản xạ các bước sóng khả kiến và hồng ngoại, tới gần 0% đối với các chất liệu hấp thụ mạnh. Ảnh hình thành bởi gương có thể là thực hoặc ảo, phụ thuộc vào vị trí tương đối của vật đối với gương, và có thể đoán trước chính xác về kích thước và 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 trước gương, còn ảnh ảo xuất hiện tại điểm mà phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ hội tụ phía sau gương. Gương phẳng tạo ra ảnh ảo, vì điểm hội tụ, nơi phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ giao nhau, nằm ở phía sau bề mặt phản xạ. Ở mặt trước hoặc mặt sau của gương phẳng có thể phủ một lớp chất phản xạ thích hợp. Các gương gia dụng phổ 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 trọng hoặc trong các hệ quang cụ thường được phủ ở mặt trước, và được gọi là gương mặt trước. Các đặc trưng ảnh của gương phẳng có thể xác định bằng việc tính vị trí và khoảng cách của vật đến mặt gương (xem hình 2). Đối với tất cả gương phẳng, vật và ảnh ảo nằm ở khoảng cách bằng nhau tính từ mặt phản xạ, và mỗi tia sáng sẽ tuân theo định luật phản xạ (tia tới và tia phản xạ chạm tới và hợp với trục quang những góc bằng nhau). Ảnh tạo bởi gương phẳng xuất hiện bằng kích thước với vật, và thẳng đứng (cùng chiều). Các nhà trang trí nội thất thường sử dụng các tính chất quang học của gương phẳng để tạo ra sự rọi sáng sao cho căn phòng trông rộng gấp hai lần kích thước thực của nó. Như minh họa trong hình 2, nhà quan sát hình dung một vật phản xạ bởi gương nằm ở phía sau gương, vì mắt nội suy các tia sáng phản xạ theo đường thẳng đến điểm hội tụ. Sự thay đổi duy nhất ở vật, điểu hiển nhiên khi khảo sát sự phản xạ, là nó quay đi 180 độ xung quanh mặt phẳng gương, một hiệu ứng thường được gọi là sự đảo ảnh. Như vậy, ảnh gương của một vật không đối xứng, ví dụ như bàn tay người, sẽ bị đảo ngược (trong thực tế, ảnh gương của bàn tay trái sẽ trông như bàn tay phải). Sự hoán đổi từ hệ tọa độ thuận sang hệ tọa độ nghịch trong không gian vật gọi là sự nghịch đảo, và nhiều mặt phẳng gương có thể được dùng để tạo ra số nghịch đảo chẵn hoặc lẻ. Để phản xạ sóng ánh sáng với hiệu suất cao, bề mặt gương phải hoàn toàn nhẵn trong một phạm vi rộng, với các khiếm khuyết nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng phản xạ. Yêu cầu này áp dụng đối với mọi kiểu dáng gương, có thể không đều hoặc cong, ngoài những bề mặt gương phẳng thường thấy trong gia đình. Gương cong phân loại thô thành hai nhóm, lõm và lồi, tên gọi này cũng được sử dụng để mô tả hình dạng của các thấu kính mỏng đơn giản. Đối với gương, bề mặt cong được xem là lõm hay lồi phụ thuộc vào tâm cong xuất hiện ở phía mặt phản xạ hay ở phía bên kia. Mặc dù đa số gương cong có hình dạng bề mặt là một phần của mặt cầu, nhưng mặt gương cũng có thể là mặt trụ, parabol, elip, hyperbol (xem hình 3), hoặc một số dạng khác (có thể không có dạng cầu). Nói chung, gương cầu tạo ra ảnh phóng to hoặc thu nhỏ, tùy thuộc vào chúng là gương lõm hoặc lồi. Lấy ví dụ, gương lồi chiếu hậu ở xe ô tô tạo ra ảnh toàn cảnh có kích thước thu nhỏ, còn gương lõm cạo râu phóng to các chi tiết của gương mặt xung quanh cằm. Gương trụ phản xạ tia sáng vào một mặt phẳng tiêu thẳng nằm trên một trục có các chiều bên thu nhỏ lại, và gương elip, có hai tiêu điểm và thường được dùng làm gương phản xạ, sẽ hội tụ ánh sáng từ tiêu điểm này đến tiêu điểm kia. Trái lại, gương parabol có thể hội tụ một chùm tia sáng song song vào một nguồn điểm, hoặc ngược lại, trong khi gương hyperbol tạo ra ảnh ảo từ vật nằm tại tiêu điểm. Những kiểu dáng gương khác, như hình que và hình nón, được dùng cho chiếu sáng 360 độ, bẻ cong đường đi ảnh, hoặc dùng cho các ứng dụng laser. Những gương này thường có đường kính nhỏ hơn, khiến chúng lí tưởng cho sử dụng trong các dụng cụ có giới hạn kích thước, như ống nội soi và đèn nội soi. Nhiều loại gương có hình dạng không phải hình cầu khó chế tạo với dung sai chính xác và có mức độ quang sai lớn, thành ra có giá thành cao, và do vậy, ít có ứng dụng thực tế hơn. Gương cầu Gương có bề mặt phản xạ hình cầu có khả năng tạo ảnh theo kiểu tương tự 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 lí do này nên đôi khi gương được dùng thay cho thấu kính trong những quang cụ phức tạp, nhưng chúng không thể thay thế các nguyên tố thấu kính hoàn toàn bởi vì những quang sai khác của gương khó hiệu chỉnh hơn, nếu không nói là không thể. Mô tả quang hình học của gương về mặt định lượng kém phức tạp hơn so với thấu kính, và cả hai có nhiều đặc trưng chung. Gương cầu có bán kính cong hoàn toàn xác định kéo dài từ tâm của hình cầu và tạo một góc vuông với mỗi điểm trên bề mặt. Ngoài ra, đường thẳng vẽ từ điểm chính giữa của bề mặt cầu đi qua tâm cầu được định nghĩa là trục chính hay trục quang học của gương. Trong trường hợp các tia bên trục tới trên bề mặt gương cầu (truyền song song với trục chính), tất cả tia phản xạ (hoặc phần kéo dài của chúng) sẽ hội tụ tại một tiêu điểm chung, nằm phía trước hoặc phía sau gương. Khoảng cách giữa tiêu điểm và mặt gương gọi là tiêu cự của gương. Để duy trì tính đồng nhất với thuật ngữ dùng cho thấu kính, tiêu cự của gương 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 (tương tự với thấu kính), và gương làm phân kì các tia sáng có tiêu cự âm. Cũng tuân theo những thuật ngữ dùng cho thấu kính, mặt phẳng ngang cắt qua tiêu điểm được gọi là tiêu diện, và các tia song song phản xạ ở một góc bất kì so với trục chính sẽ đồng quy tại một số tiêu điểm nằm trên tiêu diện. Vị trí ảnh tạo ra bởi gương 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 đường đi tia sáng miêu tả một phương pháp dễ dàng và thông dụng để xác định vị trí ảnh hình thành bởi gương. Biểu diễn trong hình 4 là đường đi các tia sáng song song cho thấy các tia chủ yếu và vị trí của ảnh tạo ra bởi gương lõm (hình 4a) và lồi (hình 4b). Các tia chính thường được dùng vì chúng có thể được vẽ nối các vị trí quan trọng giữa vật, ảnh, mặt gương, tâm cong, và các tiêu điểm mà không cần tới những phép đo góc chính xác. Các tia sáng màu đỏ, vàng và xanh dương phát ra từ điểm trên cùng của vật (P, tại đỉnh mũi tên màu xanh lá cây) đều phản xạ 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 song song với trục chính và phản xạ qua tiêu điểm (F) trước khi chạm tới mặt phẳng liên hợp (ảnh). Tia màu đỏ truyền qua tiêu điểm và bị gương phản xạ theo hướng song song với trục chính. Tia chính còn lại, tia màu vàng, ban đầu truyền qua tâm cong của gương và chạm tới vuông góc với mặt gương rồi phản xạ trở lại theo hướng cũ. Như trong trường hợp biểu đồ đường đi tia sáng của thấu kính mỏng đơn giản, bất kì hai trong số ba tia chính này có thể được dùng để định vị trí ảnh, xuất hiện tại điểm hội tụ. Tia thứ ba thường được dùng để xác nhận lược đồ đường đi tia sáng. Đường đi tia sáng đối với gương lồi được minh họa trong hình 4b, có cùng lược đồ màu như hình 4a. Tia sáng phát ra từ đỉnh mũi tên màu xanh lá cây (điểm P) và phản xạ bởi mặt gương, tạo ra các đường kéo dài phân kì từ điểm liên hợp (P’) hình thành nên ảnh ảo, cùng chiều phía sau gương. Theo kiểu tương tự như biểu đồ gương lõm, tia sáng màu xanh dương truyền song song với trục chính của gương lồi, nhưng bây giờ bị phản xạ tại một góc phân kì như thể nó phát ra từ tiêu điểm (F). Đường kéo dài của tia màu xanh dương xuyên qua gương đi qua tiêu điểm đó. Tương tự như vậy, tia sáng màu vàng chạm tới gương tại góc vuông và bị phản xạ trở lại theo chính hướng cũ, nhưng tạo ra đường kéo dài cắt qua tâm cong của gương. Tia màu đỏ, truyền hợp một góc với trục chính trước khi chạm tới gương, bị phản xạ song song với trục chính và cũng tạo ra đường kéo dài đi qua tiêu điểm. Khi xem xét kĩ thuật đường đi tia sáng qua gương, một tia sáng rời vật song song với trục chính bị phản xạ qua tiêu điểm, và tia ngoài trục truyền qua tiêu điểm chính bị phản xạ song song với trục chính. Ngoài ra, tia chạm tới đỉnh gương bị phản xạ theo hướng hợp với trục chính một góc bằng với góc tới (không minh họa), và tia truyền qua tâm cong bị phản xạ trở lại như cũ. Như đã nói ở phần trên, chỉ cần hai tia chính để xác định các thông số hình học của ảnh. Phương trình gương nhận được bằng cách giải công thức thấu kính tương ứng và thực hiện một số giả định về chiết suất và độ dày. Phương trình cơ bản nhất được gọi là công thức gương và được cho bởi quan hệ sau: 1/d0 + 1/d1 = 1/f trong đó d0 là khoảng cách từ vật đến mặt gương, d1 là khoảng cách giữa ảnh và gương, và f là tiêu cự của gương. Tương tự như với thấu kính, tiêu cự là dương đối với gương hội tụ (lõm) và là âm đối với gương phân kì (lồi). Khi hợp nhất vào các hệ quang học, hình dạng cầu của gương lõm và lồi cho phép chúng hoạt động như thấu kính dương và âm (tương ứng). Kích thước của ảnh hình thành bởi gương cầu lồi phụ thuộc vào vị trí của vật tương quan với tiêu điểm gương, nhưng ảnh luôn luôn là ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật. Trái lại, một vật nằm phía ngoài tâm cong của gương cầu lõm tạo ra ảnh thực nằm giữa tiêu điểm và tâm cong. Khi vật di chuyển đến trùng với tâm cong, gương lõm tạo ra ảnh thực bằng kích thước với vật, nhưng ngược chiều. Di chuyển vật đến gần mặt gương hơn, vật tạo ra ảnh ngược chiều và lớn hơn nó. Tại điểm nằm chính giữa gương và tâm cong của nó (tiêu điểm của gương), các tia sáng từ vật bị phản xạ trở nên song song nhau và không có ảnh nào được hình thành (gương chứa đầy một vật mờ mờ không nhận ra được). Nếu vật tiến đến gần gương hơn nữa, giữa tiêu điểm và mặt gương, các tia phản xạ phân kì và tạo ra ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật. Cuối cùng, khi vật nằm ngay tại mặt gương, thì ảnh một lần nữa cùng kích thước với vật. Lược đồ đường đi tia sáng gương, như ví dụ biểu diễn trong hình 4, được vẽ đặc biệt tuân theo cùng quy ước như đối với thấu kính mỏng đơn giản. Chẳng hạn, khoảng cách đo từ trái sang phải là dương, và ngược lại. Tia sáng tới được vẽ sao cho chúng truyền từ trái sang phải, còn tia phản xạ truyền từ phải sang trái. Đường thẳng vuông góc với trục chính và tuyến tuyến với tâm của mặt phản xạ (gọi là đỉnh gương) có thể được vẽ để làm tham chiếu từ đó đo ảnh, vật, tiêu điểm và khoảng cách cong. Bằng cách tuân thủ các quy ước cơ bản này, các thông số quang học cho đa số gương có thể xác định được và liên hệ với các thông số của nguyên tố thấu kính có thể chia sẻ cùng nhiệm vụ trong hệ thống quang học. Đa số các thiết kế gương không có dạng cầu xử sự tương tự như các gương lồi và lõm đơn giản khi xét ánh sáng truyền qua vùng bên trục (gần trục chính). Trong thực tế, nhiều hình dạng gương về cơ bản có thể xem không khác mấy với gương 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 gương này thường khác với gương kia, và hiện tượng này chắc chắn phải xảy ra khi thiết kế các hệ thống quang sử dụng những loại gương này.