[CHUẨN NHẤT] Thấu Kính Là Gì, Cấu Tạo Các Loại Thấu Kính

Mục lục nội dung I. Thấu kính là gì?II. Các loại thấu kính.III. Thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ.IV. Hệ thống thấu kính của máy ảnh.V. Chất liệu tạo nên thấu kính.VI. Ứng dụng của thấu kính.

I. Thấu kính là gì?

Trong quang học, thấu kính là một dụng cụ được sử dụng để hội tụ hoặc phân kỳ chùm ánh sáng nhờ vào hiện tượng khúc xạ. Cấu tạo của thấu kính bao gồm các mảnh thuỷ tinh được chế tạo với hình dạng và chiết xuất phù hợp.

Khái niệm này cũng được mở rộng cho các loại bức xạ điện từ khác chẳng hạn như thấu kính cho lò vi sóng được làm bằng chất nến. Các thấu kính làm việc với ánh sáng bằng kỹ thuật truyền thống được gọi là thấu kính quang học. Chúng có nhiều ứng dụng trong đời sống cũng như công việc sản xuất hàng ngày. Ngoài ra, thấu kính còn được ứng dụng trong máy ảnh và kính thực tế ảo.

II. Các loại thấu kính.

Thấu kính hội tụ: tuỳ theo hình dạng của thấu kính mà chùm tia sáng song song đi qua nó sẽ tụ lại tại 1 tâm nhất định.

Thấu kính phân kỳ: loại thấu kính này còn được gọi bằng một cái tên khác là thấu kính rìa dày, chùm tia sáng song song đi qua thấu kính phân kỳ sẽ bị phân tán. Nếu điều kiện chiết xuất của vật liệu kính lớn hơn chiết xuất môi trường xung quanh thì thấu kính sẽ có dạng lõm. Ngược lại, khi chiết xuất của thấu kính nhỏ hơn chiết xuất môi trường thì các thấu kính lồi sẽ là thấu kính phân kỳ, ví dụ như bọt khí trong môi trường nước hoặc các chất trong suốt như thuỷ tinh.

Thấu kính lồi: có phần trung tâm dày hơn phần rìa.

Thấu kính lõm: có phần trung tâm mỏng hơn phần rìa, nó làm phân kỳ chùm tia sáng song song đi qua nó. Thấu kính lõm được chia thành: phẳng - lõm hoặc lõm - lõm.

Thấu kính mỏng: có khoảng cách giữa 2 đỉnh của 2 chỏm cầu rất nhỏ so với bán kính R1 và R2 của 2 chỏm cầu. Thấu kính mỏng có thể là thấu kính hội tụ hoặc phân kỳ. Đối với loại thấu kính này, các tính toán quang hình có thể được làm xấp xỉ về dạng đơn giản.

Thấu kính hấp dẫn: đây là các loại thấu kính tự nhiên có kích thước lớn.

III. Thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ.

1. Thấu kính hội tụ.

Thấu kính hội tụ có màu trong suốt, phần rìa mỏng hơn phần trung tâm, thường được giới hạn bằng 2 mặt cầu. Một trong 2 mặt kính có thể phẳng và mặt còn lại là mặt lồi.

a. Đặc điểm của thấu kính hội tụ

+ Thấu kính hội tụ được làm bằng vật liệu trong suốt, được giới hạn bởi hai mặt cầu (một trong hai mặt có thể là mặt phẳng). Phần rìa ngoài mỏng hơn phần chính giữa.

+ Hình dạng và kí hiệu thấu kính hội tụ được biểu diễn như hình vẽ:

+ Tính chất truyền sáng: Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính hội tụ cho chùm tia ló hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính.

b. Trục chính, quang tâm, tiêu điểm, tiêu cự của thấu kính.

+ Trục chính: là đường thẳng trùng với phương của tia sáng tới vuông góc với mặt thấu kính có tia ló truyền thẳng không đổi hướng.

+ Quang tâm: là giao điểm O giữa trục chính và thấu kính, mọi tia sáng đi qua O đều truyền thẳng.

+ Tiêu điểm: mỗi thấu kính có 2 tiêu điểm F và F’ đối xứng nhau qua thấu kính.

+ Tiêu cự: là khoảng cách từ tiêu điểm tới quang tâm OF = OF’ = f.

c. Đường truyền của ba tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ

+ Tia tới đi qua quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phương của tia tới.

+ Tia tới song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm.

+ Tia sáng đi qua tiêu điểm thì tia ló song song với trục chính.

2. Thấu kính phân kỳ.

Tương tự như thấu kính hội tụ, thấu kính phân kỳ cũng là một khối chất trong suốt (nhựa, thuỷ tinh,...) được giới hạn bởi 2 mặt lõm hoặc 1 mặt phẳng và 1 mặt lõm.

Thấu kính phân kỳ có các đặc điểm sau:

Phần rìa dày hơn phần trung tâm. 

Khi chiếu một chùm tia song song theo phương vuông góc với bề mặt thấu kính thì chúng ta nhận được chùm tia ló phân kỳ.

a. Tính chất của thấu kính phân kì

- Quang tâm: (O) là điểm chính giữa thấu kính, mọi tia sáng đi qua quang tâm O của thấu kính đều truyền thẳng.

- Trục chính: là đường thẳng qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính.

- Tiêu điểm: (F, F’) là điểm hội tụ của chùm tia sáng đi qua thấu kính hoặc phần kéo dài của chúng.

- Tiêu cự: (OF = OF’ = f) là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm của thấu kính.

- Tiêu diện: là mặt phẳng vuông góc với trục chính và qua tiêu điểm chính.

- Độ tụ: (D) 

Trong đó: f tính bằng mét (m); D tính bằng điốp (dp).

* Lưu ý: Tiêu cự và độ tụ của thấu kính phân kì có giá trị âm (D < 0, f < 0).

Biểu diễn quang tâm, trục chính, tiêu điểm, tiêu cự của thấu kính phân kì (Nguồn: Sưu tầm)

Đường truyền của hai tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kì

- Tia tới song song với trục chính cho tia ló có đường kéo dài đi qua tiêu điểm.

- Tia tới qua quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng.

b. Tính chất ảnh của vật tạo bởi thấu kính phân kì

- Thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo cùng phía, cùng chiều, nhỏ hơn vật và luôn nằm trong khoảng tiêu cự của thấu kính.

- Trường hợp đặc biệt: Vật đặt rất xa thấu kính cho ảnh ảo có vị trí cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cự.

c. Các công thức liên quan đến thấu kính phân kì

- Công thức xác định vị trí vật và ảnh:

- Công thức xác định hệ số phóng đại ảnh:

 Đối với thấu kính phân kì:

IV. Hệ thống thấu kính của máy ảnh.

Ống kính là chiếc cửa duy nhất cho phép ánh sáng đi vào cảm biến máy ảnh. Song, ánh sáng khi đi qua ống kính không còn theo hướng như ban đầu. Hệ thống các thấu kính ở bên trong đã hướng chúng theo một phương thức định sẵn với mục đích đưa các tia sáng đến cảm biến máy ảnh một cách tốt nhất.

Các thấu kính thường có chất liệu nhựa hoặc thuỷ tinh mỏng, đi với số lượng lớn và phân thành các nhóm khác nhau. Khi đi vào ống kính, ánh sáng sẽ gặp hệ thống các thấu kính được xếp gần nhau. Qua các quá trình hội tụ và phân tán, các tia sáng cuối cùng sẽ được tổng hợp lại và điều chỉnh để hiển thị rõ ràng trên cảm biến máy ảnh.

Nếu ống kính chỉ có 1 hoặc 1 vài ống kính hội tụ, các tia đơn sắc trong quang phổ đi vào sẽ tạo ra các góc lệch khác nhau đối với trục của thấu kính, chúng cũng không được hội tụ đồng thời trên bề mặt cảm biến. Ảnh thu được sẽ có độ nét tại phần trung tâm nhưng ở phần rìa sẽ bị mất nét, mờ nhạt.

Các nhà sản xuất sau đó đã bổ sung thêm thấu kính phân kỳ vào hệ thống này với sự tính toán chuẩn xác để khắc phục điều đó. Các thấu kính phân kỳ đơn lẻ không tạo thành hình ảnh nhưng khi sử dụng kết hợp với thấu kính hội tụ sẽ tạo ra hệ thống điều chỉnh đúng hướng cho các tia đơn sắc, từ đó các tia sáng đều hội tụ trên bề mặt cảm biến. Bên cạnh đó, hình ảnh k bị nhoè đi, 4 góc ảnh cũng hạn chế sự mờ tối. Sự kết hợp này tạo ra một hình ảnh chất lượng có màu sắc và chi tiết phân bố đồng đều, có độ nét cao nhất trên bề mặt ảnh.

V. Chất liệu tạo nên thấu kính.

Thấu kính thường được làm từ những vật liệu trong suốt, có thể là thủy tinh hoặc nhựa. 

- Thấu kính thủy tinh - thấu kính được làm từ thủy tinh khoáng tự nhiên, theo phân loại chuyên nghiệp - từng là tiêu chuẩn. Chúng vẫn có chỗ đứng trong lĩnh vực đo thị lực ngày nay nhờ khả năng chống xước đặc biệt. Người tiêu dùng cũng sẽ thích một điều là chúng ít tốn kém hơn các loại nhựa tương đương. Trong những trường hợp mắc chứng loạn dưỡng nặng, chúng cũng có thể cung cấp hiệu chỉnh cần thiết với thấu kính tương đối mỏng - một khía cạnh thẩm mỹ không thể xem thường.

- Chất dẻo - còn được gọi là thủy tinh hữu cơ - ngày nay mắt kính được sử dụng cho tất cả các loại kính và cũng tốt nhất cho thể thao và kính trẻ em. Chúng rất nhẹ và tạo cảm giác thoải mái khi đeo. Chúng cũng có khả năng chống vỡ cao. Về mặt đó, chúng tốt hơn thủy tinh tới 100 lần, tùy thuộc vào loại nhựa được sử dụng.

VI. Ứng dụng của thấu kính.

Thấu kính được ứng dụng rộng rãi trong nhiều trường hợp:

- Dùng làm vật kính và thị kính ở kính hiển vi và kính thiên văn.

- Dùng làm vật kính ở máy ảnh.

- Dùng làm kính lúp.

- Dùng làm kính chữa tật cận thị, viễn thị, lão thị.

- Sử dụng ở lỗ nhìn trên cánh cửa ra vào nhà.

- Ứng dụng vào làm camera cho robot