دستگاه های نوری و خطاها

عدسی یا همان لنز Lens از جمله ابزارهای نوری می باشد که نور در اثر عبور از آن می‌شکند و همگرا یا واگرا می‌شود. عدسی‌ها از ماده‌های شفاف مانند شیشه و پلاستیک ساخته می‌شوند.

هنگامی که دستگاه های نوری را مورد بررسی قرار می دهیم به نام های مختلفی برخورد می کنیم که گاهی تمایز را برای ما مشکل می کند، در ادامه به چند نام و تعریف کوتاه از دستگاه نوری و رفع مشکلات آن خواهیم پرداخت.

1- طیف بین(Spectroscope): دستگاهی است برای شناسایی دیداری خطوط نشری. شبیه به تکفامساز بر پایه منشور یا گریتینگ می باشد. فقط به جای شکاف خروجی، یک عدسی برای مشاهده نواحی مختلف طیف مورد نظر به کار گرفته شده است.
2- رنگ سنج یا کلریمتر (Colorimeter): دستگاهی است که برای اندازه گیری جذبی به کار می رود. در این دستگاه چشم انسان به عنوان دتکتور استفاده می شود.
3-  نورسنج یا فوتومتر (Photometer): دستگاه نوری برای بررسی جذب یا نشر است که تک طول موج گزین در آن فیلتر یا صافی می باشد. (اجزاء نورسنج ها عبارتند از منبع نور، یک صافی و یک آشکارساز فوتوالکتریک) گاهی به این دستگاه، رنگ سنج فوتوالکتریک هم گفته می شود. 
4- طیف نگار (Spectrograph): در واقع شبیه به تکفامساز بر پایه منشور یا گریتینگ است که در همین بخش توضیح داده شد، با این تفاوت که شکاف خروجی، بزرگتر شده و به جای آن یک فیلم عکاسی یا یک آشکارساز قرار دارد که در معرض کل طیف پاشیده قرار داشته و کل طیف را ثبت می کند.
5- طیف سنج (Spectrometer): دستگاهی است که شدت تابش را به صورت تابعی از طول موج یا فرکانس در اختیار قرار می دهد. برخی از طیف سنج ها، چند کانالی هستند و می توانند هم زمان شدت تابش را در دو یا چند فرکانس یا طول موج ارائه دهند. به این نوع دستگاه ها چند فامساز (Polychromator) هم می گویند.
6-  طیف نور سنج (Spectrophotometer): دستگاهی است که برای بررسی جذب یا نشر به کار می رود. مانند فوتومتر بوده اما تک طول موج گزین در آنها، مونوکروماتور (حاوی منشور یا گریتینگ) می باشد.

دستگاه نوری
عدسی نازک ساده ترین دستگاه نوری است. عدسی های نازک ساده به طور عمده در ساختن عینک به کار می روند. به علاوه از عدسی ها به عنوان ذره بین (بزرگ کننده) استفاده می کنند.
همان طور که می دانید عمل بسیاری از وسایل نوری (پروژکتور اسلاید، دوربین عکاسی و غیره) را می توان به طور طرحوار به صورت کار عدسی های نازک نمایش داد. ولی عدسی نازک، فقط در موارد نسبتا نادری تصویر خوب ایجاد می کند که بشود به باریکه تکفام نازکی که از چشمه در امتداد محور اصلی یا زاویه کوچکی نسبت به آن منتشر می شود اکتفا کنیم. در اغلب مسائل عملی که این شرایط وجود ندارند، تصویر حاصل از عدسی نازک ناکامل می باشد.
سطوح اصلی و نقاط اصلی یک دستگاه
یک دستگاه نوری پیچیده ایجاد می کنیم که در آن چندین عدسی پشت یکدیگر قرار گرفته اند. به طوری که محورهای اصلی آنها منطبق است. این محور نوری، که برای تمام دستگاه یکسان است، از مراکز تمام سطوح محدود کننده تک تک عدسی ها می گذرد. باریکه ای از پرتو های موازی را طوری بر دستگاه می تابانیم که شرط کوچکی قطر در این باریکه برقرار باشد. دیده می شود که باریکه در پشت دستگاه در نقطه F’ همگرا می شود که نظیر مورد عدسی نازک آن را کانون عقبی دستگاه می نامند. با تاباندن باریکه موازی بر عدسی از طرف دیگر، کانون جلویی دستگاه (F) معین می شود. البته تعیین فاصله کانونی دستگاه مشکل است. زیرا نمی توان گفت که فاصله چه نقطه ای از دستگاه را باید تا نقاط F و معین می شود. البته تعیین فاصله کانونی دستگاه مشکل است. زیرا نمی توان گفت که فاصلخ چه نقطه ای از دستگاه را باید تا نقاط F و F’  اندازه گرفت. معمولا در یک دستگاه نوری نقطه ای مشابه مرکز نوری عدسی نازک وجود ندارد و دلیلی برای این که یکی از سطوح تشکیل دهنده دستگاه مرجع قرار گیرد در دست نیست. به خصوص، فواصل F و F’  تا سطوح خارجی دستگاه مساوی نیستند. (شکل زیر کانون های یک دستگاه نوری را نشان می دهد.)

این مشکلات را به نحو زیر می توان رفع نمود:
برای عدسی نازک، تمام ترسیم ها را می توانیم یدون تحلیل مسیر پرتو ها در عدسی انجام دهیم و به نمایش عدسی با صفحه اصلی اش اکتفا کنیم.
تحلیل خواص دستگاه های نوری پیچیده نشان می دهد که در این حالت نیز می توان بدون در نظر گرفتن مسیر واقعی پرتوها در دستگاه ترسیم ها را انجام داد. ولی به جای دستگاه نوری پیچیده می توان نه یک صفحه بلکه دو صفحه اصلی عمود بر محور نوری دستگاه قرار داد که محور را در دو نقطه موسوم به نقاط اصلی H و H’ قطع می کنند.
با معلوم کردن محل کانون های اصلی روی محور، مشخصه کاملی از دستگاه نوری را در اختیار خواهیم داشت. دوره سطوح خارجی محدود کننده دستگاه که به صورت قوس های پررنگی در شکل زیر نشان داده شده اند، زائد می باشند. دو صفحه اصلی دستگاه جایگزین تنها صفحه اصلی عدسی نازک می شوند: انتقال از یک دستگاه به عدسی نازک حاکی از این است که دو صفحه اصلی به یکدیگر نزدیک تر می شوند تا جایی که به یکی تبدیل می شوند، یعنی نقاط اصلی H و H’ به یکدیگر نزدیک تر می شوند و سرانجام با مرکز نوری عدسی انطباق می یابند. (شکل زیر صفحه های اصلی یک دستگاه نوری را نشان می دهد.)

بنابراین مثل این است که صفحه های اصلی یک دستگاه به تجزیه صفحه اصلی عدسی نازک مربوط است. این شرط با خاصیت اساسی صفحه های اصلی سازگار است.
پرتویی که وارد دستگاه می شود صفحه اصلی اول را در همان ارتفاع h قطع می کند که پرتو خروجی صفحه اصلی دوم را قطع می کند. 

ما این واقعیت را که چنین جفت صفحه هایی عملا در هر دستگاه نوری وجود دارند اثبات نمی کنیم، اگر چه اثبات آن نسبتا ساده می باشد. ما فقط به یافتن روش به کارگیری این مشخصه ها در ترسیم تصاویر اکتفا می کنیم.
صفحه های اصلی و نقاط اصلی ممکن است داخل یا خارج دستگاه و به صورت نامتقارن نسبت به سطوح محدود کننده دستگاه قرار داشته باشند. (مثلا در یک طرف دستگاه)

با استفاده از سطوح اصلی، می توانیم فاصله های کانونی دستگاه را معین کنیم. فاصله های کانونی یک دستگاه نوری فاصله های نقاط اصلی از کانون های متناظر می باشند. بنابراین اگر کانون جلویی و نقطه اصلی جلویی را با F و H و کانون عقبی و نقطه اصلی عقبی را با F’ و H’ نشان دهیم آنگاه f’= H’F’ فاصله کانونی عقبی دستگاه و f=HF فاصله کانونی جلویی آن است. 
اگر در هر دو طرف دستگاه محیط یکسان (مثل هوا) وجود داشته باشد آن وقت کانون های جلویی و عقبی در این محیط قرار دارند و نظیر عدسی نازک داریم  f= f’
ترسیم تصویر در یک دستگاه
اگر محل صفحه های اصلی و کانونی یک دستگاه را بدانیم، می توانیم تصویر در دستگاه را بدون وارد شدن در جزئیات مربوط به ویژگی های خاص آن (تعداد سطوح شکننده، محل آنها، انحنا و غیره) ترسیم کنیم. برای ترسیم تصویر، کافی است که دو پرتو از پرتوهایی که می توان آنها را به سهولت ترسیم کرد بکشیم. (مسیر پرتوها را در شکل زیر مشاهده کنید.)

پرتو 1 موازی محور اصلی بر دستگاه می تابد. اگر این پرتو صفحه اصلی جلو یی را در نقطه Q قطع کند، آن گاه بنابر خاصیت صفحه های اصلی، این پرتو صفحه اصلی عقبی را در نقطه Q و در همان ارتفاع در بالای محور قطع خواهد کرد و با عبور از دستگاه از نقطه F’ روی محور اصلی خواهد گذشت.

پرتو 2 از کانون جلویی می گذرد و صفحه اصلی را در نقطه R قطع می کند. این پرتو از صفحه اصلی عقبی در همان ارتفاع می گذرد (R’H’=RH) و به موازات محور اصلی از دستگاه خارج می شود.
این جفت پرتو را می توان برای ترسیم تصویر نقطه S₂ در دستگاه معلوم به کار برد. به این ترتیب، تصویر قطعه خط S₁S₂ قطعه خط S’₁S’₂ خواهد بود.

معایب دستگاه های نوری
 موقع بررسی تشکیل تصاویر اشیای گسترده در دستگاه های نوری، فرض بر این بود که تصویر همیشه با باریکه های نازک نور که با زاوایه های کوچک با محور اصلی آن می تابند تشکیل می شوند. هر دو فرض عملا هیچ وقت در مسائل نوری برقرار نمی باشدو برای داشتن تابندگی بالا، باید پرتوهای پهنی به کار روند، یعنی عدسی هایی با دهانه های بزرگ نیاز می باشد.

 فرض دوم نیز در تمام مواردی که وسیله باید از نقاط دور از محور اصلی تصویر تشکیل دهد نقض می شود (مثل موقعی که عکسبرداری می کنید). با حذف این محدودیت ها، تصویر به طرز قابل توجهی خراب می شود، تصویر محو و نا روشن می شود، جزئیات تار و غیر قابل تشخیص می شوند. به علاوه مشابهت بین شی و تصویر گاهی از دست می رود.

 همچنین باید پدیده ای را که بر تصویر تشکیل شده توسط دستگاه نوری تاثیر می گذارد، یعنی بستگی ضریب شکست شیشه های نوری به طول موج را به حساب آوریم. این بستگی توضیح می دهد که چرا لبه های تصویر تشکیل شده در نور سفید رنگی اند.
در دستگاه های واقعی، حذف کامل معایب دستگاه های نوری نا ممکن است. ولی، تحلیل موشکافانه خطاهای دستگاه های نوری یافتن روشی برای تقلیل تاثیر آنها را ممکن ساخته است.
خطاهای وسایل نوری امروزی را آنچنان تقلیل داده اند که تاثیر آنها بر کیفیت تصاویر نا محسوس می باشد.

منبع:
http://chemica.ir

مرکز یادگیری سایت تبیان - مرجان سلیمانیان