Thực đơn
Quang_học
Quang học có mặt trong đời sống hàng ngày. Hệ thống thị giác có mặt ở khắp nơi trong ngành sinh học cho thấy vai trò trung tâm của quang học như là khoa học của một trong năm giác quan. Nhiều người hưởng lợi từ việc đeo kính mắt hoặc kính áp tròng, và quang học được áp dụng để đưa ra nhiều hàng hóa tiêu dùng chất lượng như máy ảnh. Cầu vồng và ảnh mờ ảo (mirage) là các ví dụ cho hiện tượng quang học. Thông tin quang là nền tảng cho các công nghệ Internet và truyền thông.
Một trong những chức năng của mắt người là tập trung ánh sáng lên một lớp các tế bào nhận kích thích ánh sáng gọi là võng mạc, lớp lót nằm phía trong cầu mắt. Sự tập trung được thực hiện bởi một loạt các môi trường trong suốt. Ánh sáng đi vào mắt đi qua môi trường đầu tiên là giác mạc, nó mang lại nhiều công suất quang học của mắt. Ánh sáng tiếp tục đi qua một chất lỏng nằm ngay phía sau giác mạc—khoang phía trước (anterior chamber), rồi đi qua đồng tử. Tiếp đó ánh sáng đi qua thủy tinh thể, cho phép tập trung thêm ánh sáng và điều chỉnh khả năng nhìn gần hay xa của mắt. Sau đó ánh sáng đi qua chất lỏng chứa chủ yếu trong cầu mắt là thủy dịch (vitreous humour), rồi tới võng mạc. Các tế bào nằm phần lớn trong võng mạc nằm ngay sau mắt, ngoại trừ vị trí có dây thần kinh thị giác; hay chính là điểm mù.
Có hai loại tế bào nhận kích thích ánh áng, đó là tế bào hình nón và tế bào hình que, chúng có độ nhạy khác nhau đối với các loại ánh sáng khác nhau.[77] Tế bào hình que nhạy đối với cường độ ánh sáng trong phạm vi rộng của tần số, do vậy chịu trách nhiệm đối với thị giác đen và trắng (nhìn ban đêm). Tế bào hình que không có tại điểm vàng, vùng võng mạc chịu trách nhiệm cho thị giác trung tâm, và không đáp ứng được đối với sự thay đổi về không gian và thời gian của ánh sáng như tế bào hình nó. Tuy nhiên, số lượng tế bào hình que nhiều hơn 20 lần tế bào hình nón trong võng mạc bởi vì tế bào hình que phân bố trên phạm vi rộng hơn. Nhờ phân bố rộng hơn, tế bào hình que chịu trách nhiệm cho thị giác ngoại biên (peripheral vision).[78]
Ngược lại, các tế bào hình nón ít nhạy sáng hơn, nhưng chúng nhạy chủ yếu đối với ba loại dải tần số ánh sáng khác nhau và do đó có chức năng cảm nhận màu sắc và độ chói (photopic vision). Tế bào hình nón tập trung chủ yếu ở điểm vàng và rất nhạy với độ tinh của màu sắc do đó chúng cho phép phân biệt không gian tốt hơn so với tế bào hình que. Vì tế bào hình nón không nhạy đối với ánh sáng mờ tối bằng tế bào hình que, phần lớn khả năng nhìn ban đêm là ở tế bào hình que. Mặt khác, do các tế bào hình nón tập trung ở điểm vàng, thị giác trung tâm (bao gồm khả năng nhìn để đọc, để thấy các chi tiết nhỏ như xâu kim, hoặc kiểm tra vật thể) là do các tế bào hình nón.[78]
Cơ mi bao xung quanh thủy tinh thể cho phép sự tập trung ánh sáng của mắt có thể điều chỉnh được, hay quá trình điều tiết. Điểm gần và điểm xa xác định khoảng cách gần nhất và xa nhất từ mắt mà ảnh một vật thể hiện rõ nét trên võng mạc. Đối với một người có khả năng nhìn thông thường, điểm xa nằm ở vô tận. Vị trí của điểm gần phụ thuộc vào khả năng cơ mi có thể làm tăng độ cong của thủy tinh thể, và độ đàn hồi của thủy tinh thể ảnh hưởng bởi tuổi tác. Các bác sĩ chuyên khoa mắt (optometrist), nhà khoa học nhãn khoa (ophthalmologist), và nhà quang học thường coi một điểm gần là điểm nằm gần hơn khoảng cách mà mắt có thể đọc một cách bình thường—xấp xỉ bằng 25 cm.[77]
Thị lực có thể giải thích nhờ các nguyên lý quang học. Khi con người trở lên già đi, thủy tinh thể trở lên kém đàn hồi và điểm gần dần lùi xa khỏi mắt, một tật gọi là lão thị. Tương tự, những người mắc chứng viễn thị không thể giảm tiêu cự của thủy tinh thể cho phép thu được ảnh các vật ở gần trên võng mạc của họ. Ngược lại, những người không thể làm tăng tiêu cự thủy tinh thể đủ để ảnh của các vật ở xa tập trung rõ tại võng mạc hay họ mắc chứng cận thị và điểm xa có khoảng cách hữu hạn hơn là khoảng cách vô hạn đối với mắt bình thường. Một tật khác đó là loạn thị khi giác mạc không có dạng cầu nhưng bị cong nhiều hơn về một hướng. Điều này khiến cho những vật có bề ngang lớn bị tập trung trên nhiều phần khác nhau của võng mạc so với những vật có kích thước ngang hẹp, và kết quả là ảnh của vật bị méo mó.[77]
Những tật về mắt kể trên có thể khắc phục bằng cách sử dụng dụng cụ thấu kính hiệu chỉnh (corrective lens). Đối với viễn thị và lão thị, kính mắt dạng thấu kính hội tụ giúp điểm gần nằm gần hơn về mắt trong khi thấu kính phân kỳ giúp mắt cận thị đưa điểm xa trở thành điểm nằm ở vô tận. Người loạn thị được đeo kính có bề mặt hình trụ giúp bù lại sự không đồng đều của sự phân bố tia sáng trên võng mạc.[79]
Công suất quang học của kính hiệu chỉnh được đo bằng đi ốp (diopter), giá trị bằng nghịch đảo của tiêu cự đo theo đơn vị mét; với giá trị dương tương ứng với thấu kính hội tụ và giá trị âm tương ứng với thấu kính phân kỳ. Đối với kính dùng cho người loạn thị, có ba thông số cho mắt kính: một cho công suất hình cầu, một cho công suất hình trụ, và một cho góc của hướng loạn thị.[79]
Ảo ảnh quang học (còn gọi là ảo ảnh thị giác) là một đặc điểm do nhận thức của thị giác về hình ảnh khác so với đối tượng thực. Thông tin thu nhận bởi mắt được chuyển thành các tín hiệu về não bộ xử lý để cho cảm nhận về vật được quan sát. Có nhiều hiện tượng tạo ra ảo ảnh quang học bao gồm hiệu ứng vật lý tạo ra ảnh khác so với vật thực, hoặc hiệu ứng thần kinh và sinh lý tác động bởi mắt và não/hệ thần kinh (như độ sáng, màu sắc, chuyển động, nằm nghiêng, quay tròn), và ảo ảnh nhận thức khi não dựa trên các thông tin từ mắt đưa ra kết luận không nhận thức được.[80]
Ảo ảnh nhận thức cũng bao gồm kết quả từ việc không nhận thức được sự áp dụng sai các nguyên lý quang học. Ví dụ, phòng Ames, ảo ảnh Hering, Müller-Lyer, Orbison, Ponzo, Sander, và ảo ảnh Wundt tất cả dựa trên cảm nhận về khoảng cách khi vẽ ra các đường hội tụ hay phân kỳ, theo cách giống với các tia sáng song song (hoặc thực sự là các đường thẳng song song) hiện lên như đang hội tụ tại một điểm nằm ở vô tận trong hình ảnh phối cảnh hai chiều.[81] Hiệu ứng này cũng giải thích cho nghịch lý nổi tiếng là ảo ảnh Mặt Trăng khi Mặt Trăng dường như trông to hơn khi nó ở gần chân trời so với khi nó ở thiên đỉnh.[82] Ptolemy đã sai khi giải thích ảo ảnh này là do sự khúc xạ khí quyển khi ông miêu tả hiện tượng này trong cuốn Optics.[8]
Những kiểu ảo ảnh khác áp dụng thủ thuật các mảnh bị phá vỡ để đánh lừa cảm nhận về sự đối xứng hoặc sự bất đối xứng của vật thể. Ví như ảo ảnh tường café, Ehrenstein, ảo ảnh xoắn ốc Fraser, ảo ảnh Poggendorff, và ảo ảnh Zöllner. Có một sự liên quan, nhưng không chỉ là ảo ảnh, đó là cấu trúc lặp đi lặp lại hoặc chồng chập của các thành phần. Ví dụ các dải mỏng trong suốt xếp thành hình cấu trúc lưới như mẫu moiré, trong khi các phần trong suốt tuần hoàn kết hợp lại tạo thành các đường hoặc cung tối như đường moiré.[83]
Các thấu kính đơn lẻ có nhiều ứng dụng khác nhau như thấu kính máy ảnh, thấu kính hiệu chỉnh, và kính lúp trong khi các gương đơn sử dụng như gương parabol và gương chiếu hậu. Bằng cách kết hợp một số loại gương, lăng kính, và thấu kính tạo ra tổ hợp dụng cụ quang học cho phép mở rộng khả năng của từng dụng cụ. Ví dụ, kính tiềm vọng đơn giản chỉ bao gồm hai gương phẳng sắp thẳng hàng cho phép quan sát tránh khỏi vật cản trở. Những dụng cụ quang học nổi tiếng nhất trong khoa học là kính hiển vi quang học và kính thiên văn quang học mà cả hai được người Hà Lan phát minh ra vào cuối thế kỷ 16.[84]
Những kính hiển vi đầu tiên chi có hai thấu kính: một vật kính và một thị kính. Vật kính được làm với tiêu cự rất ngắn có chức năng phóng đại ảnh của vật trong khi nói chung thị kính có tiêu cự lớn hơn. Điều này giúp cho thị kính tạo thêm ảnh phóng đại khi ảnh qua vật kính nằm gần vật được quan sát. Ngoài ra kính hiển vi cần thêm một nguồn chiếu sáng do ảnh phóng đại thường bị mờ do định luật bảo toàn năng lượng và sự phân tán chùm sáng ra một bề mặt diện tích lớn hơn. Kính hiển vi hiện đại, hay kính hiển vi tổ hợp có nhiều thấu kính kết hợp với nhau (thường là bốn) để tối ưu hóa chức năng và nâng cao sự ổn định của ảnh.[84] Một biến thể khác của kính hiển vi, kính hiển vi so sánh, dùng để nhìn vào vật dưới những góc khác nhau và tạo ra ống nhòm lập thể cho ảnh 3 chiều của vật.[85] Ngày nay có rất nhiều loại kính hiển vi khác nhau, dựa trên những nguyên lý của cơ học lượng tử cho phép có độ phân giải vượt qua giới hạn phân giải quang học.
Kính thiên văn đầu tiên, gọi là kính thiên văn khúc xạ cũng chỉ bao gồm một vật kính và thị kính. Ngược lại so với kính hiển vi, vật kính của kính thiên văn được thiết kế có tiêu cự lớn để tránh được quang sai. Vật kính tập trung hình ảnh của một vật ở xa tại tiêu điểm của nó mà được điều chỉnh sao cho nó nằm tại tiêu điểm của thị kính có tiêu cự ngắn hơn. Mục đích chính của kính thiên văn là tập trung càng nhiều ánh sáng đến từ vật thể ở xa càng tốt và điều này xác định bởi độ lớn của vật kính. Do vậy, kính thiên văn thường được thể hiện bằng đường kính của vật kính hơn là độ phóng đại của nó do độ phóng đại có thể thay đổi nhờ cách thay thị kính. Bởi vì độ phóng đại của kính thiên văn khúc xạ bằng tiêu cự của vật kính chia cho tiêu cự của thị kính, thị kính càng có tiêu cự nhỏ thì càng cho độ phóng đại lớn, mặc dù nó cũng có giới hạn riêng.[84]
Vì sản xuất ra thấu kính đường kính lớn khó hơn nhiều so với chế tạo gương lớn, hầu hết kính thiên văn hiện đại ngày nay là kính thiên văn phản xạ, tức là kính thiên văn có gương cong lớn chứ không phải là thấu kính. Và tương tự, kính thiên văn phản xạ càng có đường kính gương chính lớn thì càng thu nhận được nhiều ánh sáng và độ phóng đại vẫn bằng tiêu cự của gương chính chia cho tiêu cự của thị kính. Các kính thiên văn hiện đại được bố trí nhiều gương chính và gương phụ cũng như các thiết bị cảm biến đo lường hơn là thị kính nằm tại tiêu điểm của thiết bị (như CCD).[84]
Lĩnh vực quang học của nhiếp ảnh bao gồm thấu kính máy ảnh và môi trường trên đó bức xạ điện từ được ghi lại, có thể là tấm âm bản, phim âm bản hay CCD. Nhiếp ảnh gia phải xét đến quy luật tương hỗ của máy ảnh và thời gian chụp mà có liên hệ sau
Độ phơi sáng ∝ Diện tích độ mở × Thời gian phơi sáng × Độ sáng cảnh chụp[86]Nghĩa là, độ mở càng nhỏ (cho độ sâu/mức tập trung của ảnh hơn), ánh sáng đến càng ít, do vậy thời gian phơi sáng phải tăng lên (dẫn đến khả năng ảnh bị nhòe nếu có chuyển động). Ví dụ của luật tương hỗ đó là quy tắc f/16 chụp trong ngày nắng đưa ra ước lượng thô cho các thiết lập cần thiết để có độ phơi sáng thông thường chụp vào ban ngày.[87]
Độ mở của máy ảnh đo bằng đại lượng không thứ nguyên f-số, f/#, thường ký hiệu là N {\displaystyle N} , and given by
f / # = N = f D {\displaystyle f/\#=N={\frac {f}{D}}\ }với f {\displaystyle f} là tiêu cự, và D {\displaystyle D} là đường kính lỗ máy ảnh. Theo quy ước, "f/#" được coi như bằng một ký hiệu, và giá trị cụ thể của f/# được viết bằng cách thay # bằng giá trị số. Có hai cách để tăng f/# là hoặc giảm đường kính của lỗ mở hoặc tăng độ lớn của tiêu cự (trong trường hợp của thấu kính điều chỉnh (ống kính zoom), điều này được thực hiện đơn giản bằng cách điều chỉnh thấu kính). Giá trị f-số cao hơn cũng có nghĩa là độ sâu trường ảnh lớn hơn do thấu kính tiếp cận giới hạn của một máy ảnh đục lỗ (pinhole camera) mà có thể tập trung mọi ảnh một cách hoàn hảo, bất kể khoảng cách, nhưng đòi hỏi thời gian phơi sáng lâu.[88]
Trường nhìn của thấu kính thay đổi theo tiêu cự của thấu kính. Có ba cách phân loại cơ bản dựa trên mối liên hệ giữa kích thước theo đường chéo của phim âm bản hoặc kích cỡ của cảm biến đối với tiêu cự của thấu kính:[89]
Các ống kính zoom hiện đại có thể có đặc tính của ba loại ống kính trên.
Giá trị tuyệt đối cho thời gian phơi sáng đòi hỏi phụ thuộc vào độ nhạy ánh sáng của phim âm bản hay cảm biến CCD (đo bởi tốc độ nhạy của phim, hay đối với cảm biến hiện đại đo bằng hiệu suất lượng tử).[94] Thời buổi đầu của nhiếp ảnh, các nhiếp ảnh gia sử dụng các tấm phim âm bản có độ nhạy sáng thấp, do vậy thời gian phơi sáng cũng cần phải dài ngay cả với lần chụp có hỗ trợ của nguồn sáng mạnh. Với sự phát triển của công nghệ, độ nhạy của phim và cảm biến đã được tăng lên đáng kể.[95]
Những kết quả khác từ quang hình học và quang học vật lý cũng áp dụng cho quang học máy ảnh. Ví dụ, khả năng phân giải lớn nhất của một cấu hình camera được xác định bởi giới hạn nhiễu xạ gắn liền với độ rộng của lỗ máy ảnh, hay giới hạn Rayleigh.[96]
Các tính chất quang học độc nhất của khí quyển làm xuất hiện một số các hiện tượng quang học kỳ thú trên thế giới. Màu xanh của nền trời là kết quả trực tiếp của hiện tượng tán xạ Rayleigh làm lệch hướng mạnh các tia sáng có tần số cao (lam) trở lại trường nhìn của người quan sát. Bởi vì ánh sáng xanh da trời bị tán xạ dễ dàng hơn ánh sáng đỏ, Mặt Trời có màu hơi đỏ khi quan sát nó qua lớp khí quyển dày, tại thời điểm Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn. Nếu có thêm những loại hạt bụi hoặc khí đặc biệt trong khí quyển có thể làm tán xạ tia sáng Mặt Trời ở những góc khác nhau tạo ra bầu trời đầy màu sắc vào thời điểm bình minh hoặc chạng vạng. Các tinh thể băng và các hạt bụi khác trong khí quyển là nguyên nhân tạo ra các hiện tượng như hào quang, ánh hồng ban chiều (afterglow), nhật hoa, tia sáng xuyên mây, và Mặt Trời giả. Sự xuất hiện đa dạng của những hiện tượng này là do kích cỡ khác nhau của các hạt bụi và sự phân bố của chúng trong khí quyển.[97]
Ảo tượng (mirage) là hiện tượng quang học trong đó các tia sáng bị lệch do sự thăng giáng nhiệt trong chỉ số khúc xạ của không khí, tạo ra sự dời ảnh hoặc ảnh bị méo của các vật thể ở xa. Những hiện tượng quang học khác kết hợp với hiện tượng này là hiệu ứng Novaya Zemlya khi Mặt Trời trông như có vẻ mọc sớm hơn so với dự định do hình ảnh méo của nó. Một dạng ảo ảnh kỳ lạ khác kết hợp với hiệu ứng nghịch đảo nhiệt (temperature inversion) là ảo ảnh Fata Morgana khi các vật ở chân trời hoặc thậm chí vượt xa chân trời, như đảo, vách núi, tàu thuyền hay băng trôi dường như bị kéo giãn và nâng lên khỏi chân trời, trông giống như "lâu đài trong cổ tích".[98]
Cầu vồng là kết quả của sự kết hợp giữa phản xạ và khúc xạ tia sáng qua các hạt mưa hoặc hơi nước. Phản xạ của tia sáng qua các hạt mưa tạo ra đường kính góc của một cầu vồng trên bầu trời vào khoảng 40° đến 42° với vòng đỏ nằm ngoài cùng. Hiện tượng cầu vồng đôi xảy ra khi hai tia phản xạ tạo ra đường kính góc là 50,5° đến 54° đối với ánh sáng tím nằm bên ngoài. Bởi vì cầu vồng nhìn thấy ở hướng ngược 180° tính từ tâm cầu vồng so với Mặt Trời, cầu vồng càng rõ khi Mặt Trời ở gần chân trời.[64]
Thực đơn
Quang_họcLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Quang_học