Tìm hiểu về thấu kính hội tụ trong hệ thống quang học

Tác giả: Bryan Ng – Giám đốc Tiếp thị

Biên tập viên: Qu Yingli – Giám đốc R&D

1. Ống kính lấy nét là gì?

Thấu kính hội tụ là một thành phần quang học có chức năng khúc xạ ánh sáng từ bề mặt cong của nó, dẫn đến sự hội tụ hoặc phân kỳ của ánh sáng truyền qua. Các đặc tính quang học của thấu kính rất quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Các ứng dụng này trải rộng từ thấu kính trong kính mắt đến các hệ thống laser phức tạp được sử dụng trong các quy trình sản xuất công nghiệp. Vật liệu và hình dạng của thấu kính hội tụ là yếu tố then chốt đối với hiệu suất của hệ thống quang học. Có thể lựa chọn các vật liệu quang học khác nhau cho phổ ánh sáng nhìn thấy. Trong khi đó, silica nung chảy, canxi florua, sapphire, v.v. cũng có thể được sử dụng cho vùng hồng ngoại gần đến hồng ngoại sóng ngắn.

2. Các loại ống kính lấy nét

Thông thường có 6 loại thấu kính hội tụ, mỗi loại có những đặc tính và ứng dụng đặc biệt. Bốn trong số đó sẽ được giới thiệu ngắn gọn dưới đây.

2.1 Thấu Kính Lồi

Thấu kính lồi, còn được gọi là thấu kính hội tụ hoặc thấu kính dương, là thấu kính dày hơn ở tâm và thuôn nhọn về phía các cạnh, như trong hình bên dưới. Những thấu kính này thường được sử dụng trong quang học vì khả năng hội tụ các tia sáng. Khi các tia sáng song song đi qua thấu kính lồi, chúng sẽ khúc xạ và hội tụ tại một tiêu điểm. Tiêu điểm này là điểm mà các tia hoặc sóng gặp nhau sau khi khúc xạ.

2.2 Thấu kính lõm

Thấu kính lõm, còn gọi là thấu kính phân kỳ hoặc thấu kính âm, là thấu kính phân kỳ chùm ánh sáng thẳng từ nguồn thành ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ dần. Ảnh thật được hình thành do sự giao nhau thực tế của các tia sáng trong khi ảnh ảo được hình thành do sự giao nhau tưởng tượng của các tia sáng. Thấu kính phân kì có thể tạo được ảnh thật và ảnh ảo. Như được thấy trong hình trên, những thấu kính lấy nét này có tâm mỏng hơn và các cạnh dày hơn, cong vào trong.

Thấu kính lõm làm cho các tia sáng song song đi qua chúng bị phân kỳ, khúc xạ ra khỏi một điểm chung ở phía đối diện của thấu kính. Tiêu điểm của thấu kính lõm là điểm mà từ đó các tia phân kỳ này xuất hiện khi bị kéo dài về phía sau. Thấu kính lõm có nhiều ứng dụng khác nhau trong việc điều chỉnh các khiếm khuyết về thị giác như cận thị (cận thị), trong đó hình ảnh tập trung ở phía trước võng mạc. Ngoài ra, thấu kính lõm được sử dụng trong các hệ thống quang học có mục tiêu là phân tán hoặc phân tán ánh sáng tới, giống như bộ mở rộng chùm tia.

2.3 Thấu kính phẳng-lồi

Thấu kính phẳng lồi là loại thấu kính có một mặt phẳng và một mặt cong ra ngoài, giống như kính lúp, như hình minh họa ở trên. Mặt phẳng được gọi là mặt "phẳng", trong khi mặt cong ra ngoài là mặt lồi. Thiết kế thấu kính này hội tụ các tia sáng song song đi qua nó đến một tiêu điểm ở phía đối diện. Thấu kính phẳng lồi được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như hệ thống hình ảnh, máy chiếu và kính lúp, nơi đặc tính hội tụ của mặt lồi đóng vai trò quan trọng. Đọc thêm về thấu kính phẳng lồi.

Bảng 1: Wavelength Opto-Electronic Thấu kính Plano-Lồi tiêu chuẩn

2.4 Thấu kính lõm phẳng

Thấu kính phẳng lõm là thấu kính có một mặt phẳng và một mặt lõm cong vào trong. Mặt phẳng được gọi là mặt "phẳng", trong khi mặt cong cong vào trong là mặt lõm. Nó có tiêu cự âm và có thể được sử dụng để chiếu sáng, mở rộng chùm tia hoặc để tăng tiêu cự của một hệ thống quang học. Đọc thêm về Thấu kính phẳng lõm.

Bảng 2: Wavelength Opto-Electronic Thấu kính lõm Plano tiêu chuẩn

3. Nguyên tắc lấy nét của thấu kính

3.1 Khúc xạ

Khi ánh sáng di chuyển từ môi trường đẳng hướng này sang môi trường đẳng hướng khác, nó sẽ thay đổi hướng truyền và vận tốc, như thấy trong hình bên dưới.

Định luật Snell phát biểu rằng, đối với một cặp môi trường cho trước, tỷ số giữa các sin của góc tới Theta 1 và góc khúc xạ theta 2 bằng tỷ số chiết suất của hai môi trường, hoặc tương đương, với Tỷ số vận tốc pha trong hai môi trường (v1 và v2). Hiện tượng này được gọi là khúc xạ. Thấu kính lồi, với độ cong ra ngoài, hội tụ các tia sáng song song về một tiêu điểm ở phía đối diện. Mặt khác, thấu kính lõm có độ cong hướng vào trong làm cho các tia song song bị phân kỳ. Sự tương tác giữa hình dạng của thấu kính và tính chất khúc xạ của ánh sáng là trọng tâm của việc lấy nét.

3.2 Tiêu cự

Tiêu cự của ống kính là một thông số quan trọng để hiểu nguyên tắc lấy nét. Đó là khoảng cách từ thấu kính đến điểm mà các tia song song hội tụ (đối với thấu kính lồi) hoặc phân kỳ (đối với thấu kính lõm). Thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn hơn sẽ hội tụ ánh sáng mạnh hơn, trong khi tiêu cự dài hơn tạo ra sự hội tụ dần dần hơn.

3.3 Số khẩu độ (Số F)

Số F là thước đo tốc độ và độ rõ nét của hệ thống quang học. Đó là tỷ lệ giữa khoảng cách tiêu cự và kích thước khẩu độ. Hệ thống nhanh có số F nhỏ như F/1, F/2 hoặc F/3. Hệ thống chậm có số F lớn như F/8, F/15 hoặc thậm chí F/20. Số f nhanh hơn cho thấy đồng tử vào rộng hơn và do đó khẩu độ lớn hơn. Khẩu độ lớn hơn cho phép nhiều ánh sáng đi vào hệ thống quang học hơn, giúp ống kính lấy nét có số f thấp hơn phù hợp hơn với điều kiện ánh sáng yếu.

Số f cũng ảnh hưởng đến độ sâu trường ảnh, là phạm vi khoảng cách trong ảnh có vẻ sắc nét ở mức chấp nhận được. Số f cao hơn (khẩu độ nhỏ hơn) dẫn đến độ sâu trường ảnh lớn hơn, nghĩa là nhiều cảnh sẽ được lấy nét hơn, trong khi số f thấp hơn (khẩu độ lớn hơn) mang lại độ sâu trường ảnh nông hơn.

4. Phạm vi bước sóng và quang sai

Như đã đề cập ở trên, Định luật Snell phát biểu rằng góc khúc xạ bị ảnh hưởng bởi chiết suất của vật liệu. Sự thay đổi bước sóng sẽ gây ra sự thay đổi chỉ số khúc xạ, hiện tượng này gọi là sự tán sắc. Quang sai là sự không hoàn hảo trong việc hình thành hình ảnh. Nhiều loại quang sai khác nhau, chẳng hạn như quang sai màu và quang sai hình cầu, có thể làm biến dạng hình ảnh. Quang sai màu xảy ra do một thấu kính không thể tập trung các bước sóng ánh sáng khác nhau tại cùng một điểm. Hệ thống lấy nét tiên tiến sử dụng các biện pháp khắc phục, bao gồm thấu kính phi cầu và nhiều thành phần thấu kính, để giảm thiểu quang sai này và tối ưu hóa chất lượng hình ảnh.

5. Bạn đang tìm nhà cung cấp ống kính lấy nét đáng tin cậy?

Với cơ sở vật chất hiện đại và kinh nghiệm phong phú, Wavelength Opto-Electronic thiết kế và sản xuất chất lượng thấu kính hội tụ trong các loại khác nhau từ thấu kính lõm, phẳng-lõm, lồi, phẳng-lồi, sụn và bóng. Mặc dù có sẵn các giải pháp sẵn có (như được minh họa trong bảng sản phẩm ở trên), chúng tôi cũng có thể tùy chỉnh thấu kính lấy nét từ thông số kỹ thuật tiêu chuẩn đến độ chính xác cao và sử dụng các vật liệu quang học khác nhau từ thủy tinh, pha lê, kim loại đến nhựa.