Thế kỷ 17 được gọi là thế kỷ của khoa học bởi vì trong thế kỷ này, quan điểm của con người về khoa học và sự thật đã trải qua những thay đổi mang tính cách mạng kể từ khi Galileo hướng kính viễn vọng của mình vào các vì sao. Trong thế kỷ này, khoa học không còn giới hạn trong các hoạt động tư duy nội tại mà còn cần phải chấp nhận những thách thức từ các thí nghiệm và quan sát để kiểm chứng xem một khẳng định là chân lý hay chỉ là ý kiến ​​chủ quan do định kiến ​​nào đó gây ra trước những bằng chứng chặt chẽ.

Khi các vật liệu nhạy cảm bắt đầu trở thành nguồn cảm hứng quan trọng nhất cho khoa học, nhiều thiết bị thí nghiệm và quan sát, đặc biệt là thiết bị quang học, lần lượt ra đời trong thế kỷ này để mở rộng nhận thức của chúng ta.

Tôi viết bài này để giới thiệu sơ qua về quang học cổ điển trước khi bàn về thiết bị quang học và nguyên lý hoạt động của chúng vào thế kỷ 17 để tránh những bổ sung ngẫu nhiên trong quá trình toán học sau này. Nó khá dễ hiểu và phần thách thức nhất có lẽ là hàm sin.

Các khái niệm cơ bản

Chỉ số khúc xạ

Tốc độ của ánh sáng là chóng mặt, nhưng nó là một đại lượng hữu hạn. Trong chân không, tốc độ ánh sáng là 299.792.458 mét/giây.

Tất cả các môi trường, chẳng hạn như không khí, nước và thủy tinh, làm chậm tốc độ ánh sáng xuống một mức độ nào đó. Tỉ số giữa vận tốc ánh sáng c trong chân không và vận tốc ánh sáng v trong một môi trường chính là chiết suất n (viết tắt là IOR ) của môi trường đó, nghĩa là:

n = c / v .

Chiết suất của không khí gần bằng nhưng lớn hơn 1 một chút. Vì vậy, tốc độ ánh sáng trong không khí rất gần với tốc độ trong chân không. Nhưng, vì nó không phải là 1 lý tưởng, điều thú vị là những gì chúng ta nhìn thấy trong không khí gần hơn một chút so với vị trí của chúng.

Tốc độ ánh sáng trong nước bằng khoảng 3/4 tốc độ ánh sáng trong chân không, do đó chiết suất của nó là khoảng 3/4.

Thấu kính của kính viễn vọng thường được làm bằng thủy tinh có chiết suất khoảng 1,52. Một số kính thiên văn khúc xạ đời đầu cũng được trang bị kính đá lửa có chiết suất 1,69 để bù quang sai màu.

Định luật Snell

Tham khảo Hình 1, giả sử chúng ta có môi trường 1 và 2 được chia cho một mặt phẳng S . Gọi n₁ và n₂ lần lượt là chiết suất của môi trường 1 và môi trường 2.

Gọi O là nguồn sáng trong môi trường 1. Phát một tia sáng từ O vào môi trường 2, giả sử tia đó chiếu vào điểm A trên mặt phẳng S . Nếu n ₁ và n ₂ khác nhau thì tia sáng bị khúc xạ tại điểm A rồi truyền dọc theo tia AB . Vẽ đường thẳng l đi qua điểm A , sao cho l vuông góc với mặt S ; ta gọi l là pháp tuyến của mặt S tại điểm A .

Khi đó, sự khúc xạ của tia sáng của chúng ta có thể được mô tả bằng định luật Snell :

n ₁ · sin( θ ₁) = n ₂ · sin( θ ₂),

trong đó θ ₁ là góc nhọn giữa tia OA và l , gọi là góc tới ; θ ₂ là góc nhọn giữa tia AB và l , gọi là góc khúc xạ , trên cùng mặt phẳng với θ ₁.

Khúc xạ bởi bề mặt cong

Giả sử lần này bề mặt S được uốn cong trơn tru. Làm thế nào chúng ta có thể áp dụng luật của Snell trong trường hợp này?

Tham khảo Hình 2, vì S nhẵn, chúng ta có thể mô tả gần đúng bề mặt dưới dạng một mặt phẳng L duy nhất trong một diện tích rất nhỏ xung quanh điểm A .

Ta gọi L là mặt phẳng tiếp tuyến của mặt tại A . Do đó, vấn đề này có thể được đơn giản hóa khi sự khúc xạ xảy ra trên một mặt phẳng, nghĩa là mặt phẳng L .

Hình ảnh ảo

“Tia nhìn”

Vì ảnh ảo là "ảo ảnh thị giác", chúng ta cần biết điều gì đó về tầm nhìn của mình trước khi thảo luận về ảnh ảo là gì.

Empedocles, nhà triết học Hy Lạp cổ đại, tin rằng chúng ta có thể nhìn thấy các vật thể vì mắt chúng ta phát ra các tia chạm vào vật thể. Ngày nay, chúng ta biết rằng thực tế vật lý hoàn toàn ngược lại. Tuy nhiên, khi xử lý các vấn đề hình học trong quang học cổ điển, ý tưởng cổ xưa này có thể hữu ích và chia sẻ hình học tương đương với vật lý thế giới thực.

Tham khảo Hình 3, đặt điểm A là gốc tọa độ quan sát của chúng ta và điểm B là nguồn sáng. Giả sử ánh sáng truyền từ B sang A mất thời gian t ; tức là vt = | AB| , trong đó v là tốc độ ánh sáng trong môi trường ở đây. Tương tự, điều này có nghĩa là ngay sau khi chúng ta “mở mắt”, phải mất thời gian t để mắt chúng ta có thể nhận được ánh sáng từ điểm B , hoặc ngắn gọn, chúng ta có thể nhìn thấy điểm B sau thời gian t . Theo cách nói của Empedocles, tia nhìn của chúng ta cần thời gian t để chạm vào điểmB. _

Hình ảnh ảo

Vậy ảnh ảo là gì? Tôi có thể nói, “mọi thứ chúng ta thấy là ảnh ảo của một vật nào đó.” Nhưng đây không phải là một câu trả lời khá hay, và tôi biết điều đó. Đây là một cái tốt hơn:

Cho một đối tượng, một thiết bị quang học và một người quan sát, ảnh ảo của đối tượng từ góc nhìn của người quan sát là vị trí và hình dạng của đối tượng.

Tham khảo Hình 4, giả sử chúng ta có môi trường 1 và 2 được chia cho một bề mặt nhẵn S , trong đó n ₁ và n ₂ lần lượt là chiết suất của môi trường 1 và 2. Trong môi trường 2 có vật M . Chúng tôi nhìn vào phương tiện 2 từ điểm O trong phương tiện 1.

Nếu tia khúc xạ đi qua điểm nhìn C trên vật M , thì theo phương của ta, C xuất hiện theo phương của tia OA trong tầm nhìn của ta. “Điểm C ” này là ảo ảnh quang học của C do khúc xạ tạo ra, được gọi là ảnh ảo của C , thường (nhưng không phải luôn luôn) được ký hiệu là C' .

Khi chúng ta đang ở trong môi trường 1, tốc độ ánh sáng mà chúng ta cảm nhận được là v ₁= c / n ₁. Vì tốc độ thực tế của ánh sáng trong môi trường 2 là v ₂= c / n ₂ nên khoảng cách giữa C' và A được cho bởi hệ thức sau.

n ₁ · | xoay chiều | = n ₂ · | AC'|.

Khi chúng ta có hướng của C' và khoảng cách giữa A và C' , vị trí của ảnh ảo C' được tìm thấy.

Bây giờ, xoay tia OA để quét toàn bộ bề mặt. Do đó, ảnh ảo của vật được ghi bởi vết của C' .

Nhân tiện, tôi thích thuật ngữ ảnh ảo vì nó thể hiện bản chất của chúng một cách tao nhã. Chúng không có thật, hay chính xác hơn, chúng không bao gồm bất kỳ nguồn sáng thực tế nào. Chúng là vị trí và cách các đối tượng xuất hiện từ góc nhìn của chúng ta.

Hình Ảnh thật

Trong nhãn cầu của chúng ta (xem Hình 5), có một thấu kính lồi được gọi là thấu kính kết tinh . Đằng sau ống kính, có một cảm biến ánh sáng gọi là võng mạc .

Ánh sáng từ một vật thể trước mặt chúng ta bị khúc xạ bởi thấu kính và hội tụ trên võng mạc của chúng ta. Võng mạc biến ánh sáng hội tụ thành ảnh, gọi là ảnh thật của vật.

Không giống như hình ảnh ảo, hình ảnh thực bao gồm ánh sáng thực tế. Ngoài ra, nếu vị trí của dụng cụ quang học và đối tượng được xác định, thì vị trí của ảnh thật của đối tượng cũng được xác định. Đó là lý do tại sao hình ảnh thực được cho là có thật .

Hình Ảnh Thật Sau Ống Kính

Tham khảo Hình 6, giả sử có một thấu kính cầu lồi. Giống như nhiều thấu kính khác được sử dụng trong các dụng cụ quang học, thấu kính của chúng ta có dạng đối xứng quay, trục đối xứng của nó thường được gọi là trục chính .

Cho điểm O trước thấu kính là một nguồn sáng.

Nếu O không quá gần thấu kính thì các tia phát ra từ điểm O sẽ hội tụ sau thấu kính. Điểm O' mang chùm ánh sáng hội tụ có cường độ lớn nhất đến từ điểm O . Điểm O' này là ảnh thật của điểm O .

Tham khảo hình 7, nếu ta đặt một màn ảnh sau thấu kính, màn ảnh càng gần điểm O' thì chất lượng hình ảnh hiển thị càng tốt. Ví dụ: phim R₁ trong Hình 7 hiển thị hình ảnh thực tương tự như ảnh ở giữa trong Hình 8. Phim R₂ trong Hình 7 hiển thị hình ảnh tương tự như ảnh bên trái trong Hình 8. Đối với ảnh bên phải trong Hình 8, nó được kết xuất bởi một bộ phim ở đâu đó phía sau O'.

lên đến tiếp theo

Trong chương tiếp theo, tôi sẽ giới thiệu thiết bị quang học vào thế kỷ 17 và các giải pháp cho các vấn đề trong thiết bị quang học, chẳng hạn như quang sai màu, quang sai hình cầu và méo thùng. Ngoài ra, một số khái niệm kỹ thuật còn thiếu trong bài viết này sẽ được thảo luận (bạn có thể nhận thấy), chẳng hạn như tiêu điểm của thấu kính.