Các loại lăng kính phản xạ ( P.Cuối)

0
485

Bài viết cuối cùng trong series tìm hiểu về lăng kính phản xạLăng kính Abbe–König

Được đặt tên theo Ernst Abbe và Albert König, lăng kính Abbe–König dùng để đảo ảnh 180° và thường được dùng trong các ống nhòm và một số loại KTV. Nó có cấu tạo gồm 2 lăng kính thủy tinh được gắn chặt với nhau tạo thành hình chữ V lùn đối xứng. Ánh sáng đi vào vuông góc với 1 mặt, phản xạ toàn phần tại 1 mặt nghiêng 30°, rồi tiếp tục được phản xạ tại bộ phận “mái” ở đáy lăng kính. Sau đó ánh sáng được phản xạ tại mặt nghiêng 30° đối diện rồi đi ra vuông góc với mặt lăng kính.

Các lần phản xạ toàn phần làm cho ảnh được lật cả theo chiều dọc và chiều ngang. Kết quả là hình ảnh được quay 180° mà không bị lật trái-phải. Vì vậy hệ lăng kính Albert König được sử dụng như 1 hệ đảo ảnh. Không giống như hệ lăng kính Porro kép thông thường, lăng kính Albert König không làm tia ló dời vị trí so với tia tới. Điều này rất có ích trong một số dụng cụ. Ngoài ra, hệ lăng kính này cũng gọn hơn hệ Porro kép.

Khay giữ lăng kính

Lăng kính Abbe–König đôi khi được gọi tắt là “lăng kính mái”, mặc dù gây nhầm lẫn bởi có nhiều kiểu lăng kính mái khác nhau. Một biến thể của lăng kính Abbe–König thay thế bộ phận “mái” với một bề mặt phủ lớp phản xạ. Loại lăng kính này. Đây là loại lăng kính lật ảnh theo chiều dọc, nhưng không phải theo chiều ngang và làm thay đổi tính trái-phải của ảnh.

Lăng kính Schmidt-Pechan

Lăng kính Schmidt–Pechan dùng để quay ảnh 180° và thường được sử dụng trong các ống nhòm như một hệ đảo ảnh. So với các loại ống nhòm dùng lăng kính Porro kép hay Abbe-Koenig thì ống nhòm dùng lăng kính Schmidt-Pechan gọn nhẹ hơn.

Lăng kính Schmidt–Pechan là sự kết hợp của 2 lăng kính Schmidt và Pechan. Lăng kính Pechan có cấu tạo gồm 2 lăng kính ngăn cách nhau bởi 1 khe không khí. Nó có chức năng đảo ảnh hoặc lật ảnh tùy theo hướng của lăng kính, nhưng không phải cả 2 cùng lúc. Bằng cách thay lăng kính thứ 2 trong hệ Pechan bằng 1 lăng kính Schmidt, lăng kính Schmidt-Pechan cỏ thể cùng lúc đảo ảnh và lật ảnh và do vậy đóng vai trò như bộ phận xoay ảnh.

Lăng kính Schmidt-Pechan cấu tạo gồm 2 lăng kính ngăn cách nhau bởi 1 khe không khí. Lăng kính thứ 2, Schmidt, đồng thời đảo ảnh và lật ảnh, nhưng lại làm hình ảnh bị đổi góc 45°. Lăng kính thứ nhất chình lại bằng cách làm lệch tia tới 45° trước khi đi vào lăng kính Schmidt. Cả 2 lăng kính được thiết kế sao cho tia tới và tia ló đồng trục nếu hệ được chuẩn trực đúng quang trục.

Lăng kính phía dưới ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần 1 lần, tiếp đến là sự phản xạ bởi bề mặt phủ gương để định hướng chùm tia vào lăng kính Schmidt thứ 2, vì vậy hướng quay của ảnh không đổi. Lăng kính phía trên đảo ảnh bằng 3 lần phản xạ toàn phần trong mặt phẳng dọc qua trục nóc mái. Bộ phận “mái” lật ngang ảnh nhờ 2 lần phản xạ toàn phần trên 2 mái trong mặt phẳng ngang. Cặp phản xạ toàn phần này có thể coi là 1 lần phản xạ toàn phần trong mặt phẳng dọc. Sự đảo ảnh và lật ảnh kết hợp lại sẽ quay ảnh 180°. Tính trái-phải của ảnh không đổi.

Sự phản xạ tại mặt đáy của lăng kính thứ nhất không phải do phản xạ toàn phần bởi góc tới nhỏ hơn góc giới hạn. Đây là điểm khác biệt so với các loại lăng kính mái khác như lăng kính Abbe-Koenig. Mặt này của lăng kính Schmidt-Pechan đòi hỏi phải được phủ lớp phản xạ.

Các vấn đề gặp phải:

Lớp chuyển tiếp Thủy tinh-Không khí
Tất cả các bề mặt tới và ló của chùm tia đều phải được phủ quang học để giảm thiểu hao hụt ánh sáng. Loại lớp phủ phải được lựa chọn kĩ lưỡng bởi cùng 1 mặt của lăng kính có thể vừa đóng vai trò cho tia sáng đi qua (cần lớp phủ chống phản xạ tốt), vừa đóng vai trò phản xạ toàn phần (cần lớp phủ phản xạ tối đa). Nghiên cứu của Konrad Seil tại Swarovski Optik trong bài viết “Tiến bộ trong thiết kế ống nhòm” cho thấy lớp phủ chống phản xạ đơn cho hình ảnh với độ tương phản tối ưu nhất.

Hao hụt do phản xạ

Khi tia sáng tới lớp phân cách thủy tinh-không khí với góc tới nhỏ hơn góc giới hạn, hiện tượng phản xạ toàn phần không xảy ra. Để khắc phục vấn đề trên, người ta phủ gương lên các mặt đó, thường là nhôm (phản xạ 87%-93%) hay bạc (phản xạ 95%-98%). Khả năng truyền sáng của lăng kính có thể được cải thiện bằng cách sử dụng lớp phủ điện môi thay cho lớp phủ gương kim loại. Điều này khiến cho bề mặt lăng kính có vai trò như gương điện môi. Lớp phủ điện môi đa lớp làm tăng tính phản xạ của bề mặt lăng kính bằng cách đóng vai trò như một bộ phản xạ Bragg phân tán. Một lớp phủ điện môi được thiết kế tốt có thể cho độ phản xạ tới hơn 99% trên phổ ánh sáng nhìn thấy, cải thiện đáng kể so với lớp phủ nhôm hay bạc và chất lượng của lăng kính Schmidt-Pechan tương đương với lăng kính Porro hay Abbe-Koenig.

Việc đòi hỏi lớp phủ gương khiến lăng kính Schmidt-Pechan tốn kém hơn các loại hệ đảo ảnh khác chỉ dựa hoàn toàn vào hiện tượng phản xạ toàn phần như lăng kính Porro hay Abbe-Koenig.

Hiệu chỉnh pha

Việc phản xạ toàn phần nhiều lần làm cho ánh sáng truyền qua bị trễ pha tùy theo độ phân cực, tương tự như trong tinh thể thoi Fresnel. Điều này cần phải được hạn chế bằng các lớp phủ hiệu chỉnh pha đa lớp đặt trên 1 mặt mái, nhằm tránh các hiệu ứng giao thoa không mong muốn cũng như sự hao hụt độ tương phản của hình ảnh.

Trong 1 lăng kính mái không có lớp phủ hiệu chỉnh pha, ánh sáng phân cực s và phân cực p đạt được các pha hình học khác nhau khi chúng đi qua lăng kính phía trên. Khi 2 thành phần phân cực được tái tổ hợp, sự giao thoa giữa ánh sáng phân cực s và p tạo ra sự phân bố cường độ khác nhau giữa phương vuông góc với cạnh mái và dọc theo cạnh mái. Hiệu ứng này làm giảm độ tương phản và phân giải của hình ảnh theo phương vuông góc với cạnh mái, cho chất lượng ảnh thấp hơn so với lăng kính Porro.

Hiệu ứng nhiễu xạ cạnh mái cũng có thể hiện ra dưới dạng vạch nhọn nhiễu xạ vuông góc với cạnh mái, tạo ra bởi các điểm sáng trong ảnh. Ngoài ra hiệu ứng này còn xuất hiện dưới dạng sự giãn dài của đĩa Airy theo hướng vuông góc với đỉnh mái. Đây là sự nhiễu xạ do sự gián đoạn tại đỉnh mái.

Các hiệu ứng giao thoa không mong muốn được hạn chế bằng phương pháp kết tủa hơi một lớp phủ điện môi đặc biệt-lớp phủ bù pha-lên các mặt mái của lăng kính. Lớp phủ này hiệu chỉnh lại sự khác nhau về pha hình học giữa ánh sáng phân cực s và p sao cho cả 2 có độ dịch pha như nhau và không có hiện tượng giao thoa làm giảm chất lượng ảnh.

Nguyễn Tùng Lâm
Hội Thiên văn Nghiệp dư Hà Nôi

Comments

comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here