Lý thuyết về thấu kính mỏng – Định nghĩa, công thức và ứng dụng
Thấu kính mỏng không chỉ là một phần không thể thiếu trong quang học và vật lý, mà còn là một phần quan trọng của cuộc sống hàng ngày. Hãy cùng tìm hiểu về vai trò và ứng dụng của chúng trong thế giới hiện đại.
Thấu kính là gì?
Thấu kính là một loại vật liệu quang học có hình dạng mỏng và cong, có khả năng tập trung hoặc phân tán ánh sáng. Chúng thường được sử dụng để cải thiện hoặc sửa chữa hình ảnh được nhìn thấy thông qua các thiết bị quang học như kính viễn vọng, ống nhòm, máy ảnh, hoặc các thiết bị quang học trong các ứng dụng công nghệ cao như laser và các thiết bị quang học y tế. Thấu kính cũng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng của quang học và vật lý.
Có 2 loại thấu kính:
– Thấu kính rìa mỏng: 
– Thấu kính rìa dày:
Trong môi trường không khí, thấu kính rìa mỏng đóng vai trò là thấu kính hội tụ, trong khi thấu kính rìa dày được sử dụng như thấu kính phân kỳ.
Thấu kính hội tụ tập trung chùm tia sáng, trong khi thấu kính phân kỳ gây ra sự phân kì của chùm tia sáng.
Thông số của thấu kính hội tụ
Quang tâm, tiêu điểm, và tiêu diện
Quang tâm
– Quang tâm: Điểm O nằm ở trung tâm của thấu kính, nơi mà mọi tia sáng qua đều truyền thẳng.
– Trục chính: Là đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt phẳng của thấu kính.
– Trục phụ: Là các đường thẳng khác (không phải trục chính) đi qua quang tâm O.
Tiêu điểm
– Tiêu điểm ảnh
+ Khi chùm tia sáng song song với trục chính của thấu kính hội tụ, chùm tia này sẽ tập trung tại một điểm F’ trên trục chính. Điểm F’ được gọi là tiêu điểm ảnh chính của thấu kính.
+ Khi chùm tia sáng song song với trục phụ của thấu kính hội tụ, chùm tia này sẽ tập trung tại một điểm F’n trên trục phụ. Điểm F’n được gọi là tiêu điểm ảnh phụ của thấu kính (n = 1, 2, 3…).
+ Chú ý: Có vô số tiêu điểm ảnh phụ.
– Tiêu điểm vật
+ Tiêu điểm vật chính F là điểm nằm trên trục chính, đối xứng với F’ qua quang tâm O. Khi chùm tia sáng đi từ F, chùm tia này sẽ tập trung thành chùm tia sáng song song với trục chính.
+ Tiêu điểm vật phụ Fn (n = 1, 2, 3…) là điểm nằm trên trục phụ, đối xứng với 
F’n qua quang tâm O. Khi chùm tia sáng đi từ Fn, chùm tia này sẽ tập trung thành chùm tia sáng song song với trục phụ.
– Vị trí của tiêu điểm ảnh hoặc tiêu điểm vật phụ thuộc vào chiều truyền ánh sáng.
Theo chiều truyền ánh sáng, tiêu điểm ảnh của thấu kính hội tụ nằm phía sau thấu kính, tiêu điểm vật nằm phía trước thấu kính.
Tiêu diện
– Tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính và đi qua tiêu điểm chính và tiêu điểm ảnh chính.
– Mỗi thấu kính có hai tiêu diện: Tiêu diện ảnh và tiêu diện vật.
Tiêu cự và độ tụ
– Tiêu cự của thấu kính được xác định bằng công thức: f = OF’
Đối với thấu kính hội tụ, ta có: f < 0 (ứng với tiêu điểm ảnh thật F’).
– Độ tụ của thấu kính được tính bằng công thức:
Trong đó:
f là tiêu cự (m)
D là độ tụ (dp)
Thấu kính có khả năng hội tụ chùm tia sáng càng mạnh khi tiêu cự f càng nhỏ (độ tụ D càng lớn).
Thông số của thấu kính phân kỳ
Quang tâm, tiêu điểm, tiêu cự
Tương tự thấu kính hội tụ
Tiêu điểm và tiêu diện
– Tiêu điểm ảnh:
+ Khi chùm tia tới chạy song song với trục chính của thấu kính phân kì, điểm mà chùm tia kéo dài sau khi ló hội tụ được gọi là tiêu điểm ảnh chính, ký hiệu là F’. Chú ý rằng chỉ có một tiêu điểm ảnh chính.
+ Khi chùm tia tới chạy song song với trục phụ của thấu kính phân kì, điểm mà chùm tia kéo dài sau khi ló hội tụ được gọi là tiêu điểm ảnh phụ, ký hiệu là F’n. Lưu ý rằng có vô số tiêu điểm ảnh phụ.
– Tiêu điểm vật:
+ Tiêu điểm vật chính F nằm trên trục chính và đối xứng với tiêu điểm ảnh chính F’ qua quang tâm O. Khi chùm tia xuất phát từ tiêu điểm vật chính F, chùm tia sau khi ló hội tụ sẽ chạy song song với trục chính.
+ Tiêu điểm vật phụ Fn (n = 1, 2, 3…) nằm trên trục phụ và đối xứng với tiêu điểm ảnh phụ F’n qua quang tâm O. Khi chùm tia xuất phát từ tiêu điểm vật phụ Fn, chùm tia sau khi ló hội tụ sẽ chạy song song với trục phụ.
– Vị trí của tiêu điểm ảnh hoặc tiêu điểm vật phụ thuộc vào hướng truyền của ánh sáng. Trong trường hợp ánh sáng truyền theo hướng dương của trục chính, tiêu điểm ảnh của thấu kính phân kì nằm phía trước thấu kính, trong khi tiêu điểm vật nằm phía sau thấu kính.
– Tiêu diện:
Cả tiêu điểm và tiêu diện của thấu kính phân kì đều là ảo, được hình thành bởi đường kéo dài của các tia sáng.
Tiêu cự, độ tụ
– Tiêu cự của thấu kính được xác định bằng công thức:f = OF’
Đối với thấu kính phân kì: f < 0 (tương ứng với tiêu điểm ảnh F’ ảo).
– Độ tụ của thấu kính:
Trong đó:
f là tiêu cự (m)
D là độ tụ (dp)
Đối với thấu kính phân kì: D < 0
Sự tạo ảnh bởi thấu kính
Khái niệm về ảnh và vật trong quang học
– Ảnh điểm được xác định là điểm đồng quy của chùm tia ló hoặc đường kéo dài của chúng.
+ Ảnh điểm là thật khi chùm tia ló hội tụ.
+ Ảnh điểm là ảo khi chùm tia ló phân kì.
– Vật điểm được xác định là điểm đồng quy của chùm tia tới hoặc đường kéo dài của chúng.
+ Vật điểm là thật khi chùm tia tới là chùm phân kì.
+ Vật điểm là ảo khi chùm tia tới là chùm hội tụ.
Phương pháp tạo ảnh bởi thấu kính
– Các tia đặc biệt:
+ Tia tới đi qua quang tâm O sẽ truyền thẳng.
+ Tia tới song song với trục chính sẽ tạo ra tia ló hoặc đường kéo dài đi qua tiêu điểm ảnh chính F’.
+ Tia tới đi qua tiêu điểm vật chính F hoặc đường kéo dài đi qua F sẽ tạo ra tia ló chạy song song với trục chính.
– Tia bất kỳ:
+ Phương pháp 1:
- Bắt đầu bằng việc vẽ một trục phụ song song với tia tới.
- Xác định tiêu điểm ảnh phụ.
- Tia ló (hoặc đường kéo dài) đi qua tiêu điểm ảnh phụ.
+ Phương pháp 2:
- Bắt đầu bằng việc vẽ tiêu điểm vật phụ.
- Vẽ một trục phụ đi qua tiêu điểm vật phụ đó.
- Tia ló chạy song song với trục phụ.
– Ảnh được xác định bằng cách vẽ đường đi của tia sáng.
Các trường hợp ảnh tạo bởi thấu kính
Ứng dụng của thấu kính
Thấu kính, với khả năng tập trung hoặc phân tán ánh sáng, có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:
- Ứng dụng trong quang học: Thấu kính là một phần không thể thiếu của các hệ thống quang học như ống nhòm, kính hiển vi, kính viễn vọng, và máy ảnh. Chúng giúp tăng cường độ phóng đại và độ sắc nét của hình ảnh, cho phép quan sát và nghiên cứu các đối tượng với độ chi tiết cao.
- Ứng dụng trong công nghệ: Thấu kính được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị quang học như máy quét, máy in, máy ảnh, và thiết bị ghi hình. Công nghệ thấu kính cũng được áp dụng trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính bảng, và máy quét vân tay.
- Ứng dụng trong y học: Thấu kính được sử dụng trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh về mắt. Các loại thấu kính được sử dụng trong kính áp tròng, kính cận, và kính đeo. Ngoài ra, thấu kính cũng được sử dụng trong các thiết bị y tế khác như máy siêu âm và máy MRI.
- Ứng dụng trong công nghiệp: Thấu kính được sử dụng trong công nghiệp để kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo lường và điều chỉnh các quy trình sản xuất. Các hệ thống quang học dựa trên thấu kính được sử dụng trong việc xử lý ảnh, nhận dạng và phân loại sản phẩm.
- Ứng dụng trong thiên văn học: Thấu kính là một phần quan trọng của các thiết bị thiên văn như kính viễn vọng và ống nhòm thiên văn. Chúng cho phép quan sát và nghiên cứu các vật thể ở xa trong vũ trụ như các ngôi sao, hành tinh, và thiên hà.
- Ứng dụng trong khoa học và giáo dục: Thấu kính được sử dụng trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học. Chúng cũng là một công cụ quan trọng trong giáo dục, giúp học sinh và sinh viên hiểu được các khái niệm cơ bản về quang học và hình ảnh.
