آینه اپتیکی چیست؟ انواع آینه تخت، مقعر و محدب و پوشش ها

آینه اپتیکی سطحی بسیار صیقلی است که نور را بازتاب می دهد. آینه های اپتیکی برای کاربردهای مختلفی مانند هدایت پرتو نور، تداخل سنجی، تصویربرداری و روشنایی طراحی می شوند و در صنایع و حوزه هایی مانند تحقیقات علمی، علوم زیستی، طیف سنجی، نجوم، مترولوژی، صنعت نیمه رسانا، سیستم های خورشیدی و روشنایی کاربرد دارند.

آینه های اپتیکی از مواد مختلفی مانند شیشه، فلز و پلاستیک و در شکل های متنوعی ساخته می شوند. انتخاب جنس، شکل و پوشش آینه به کاربرد و خواص نوری مورد نیاز بستگی دارد. برای مثال، آینه هایی با زیرلایه شیشه ای به دلیل کیفیت نوری و پایداری بالا، در ابزارهای نوری پیشرفته استفاده می شوند.

در این مقاله با انواع آینه های اپتیکی، پوشش های بازتابنده، مشخصات مهم و کاربردهای آنها آشنا می شوید.

آینه اپتیکی چگونه کار می کند؟

آینه ها بر اساس قانون بازتاب کار می کنند: زاویه بازتاب نور با زاویه تابش آن برابر است. کیفیت یک آینه اپتیکی به دو عامل اصلی بستگی دارد:

• دقت شکل سطح: اینکه سطح چقدر به شکل ایده آل، مثلا تخت یا کروی، نزدیک است.

• پوشش بازتابنده: که تعیین می کند آینه چه درصدی از نور را در هر طول موج بازتاب می دهد.

انواع آینه اپتیکی از نظر شکل

آینه های اپتیکی از نظر شکل سطح به دو گروه اصلی تقسیم می شوند:

• آینه های تخت

• آینه های منحنی (مقعر و محدب)

آینه های تخت

آینه های تخت سطحی صاف دارند و نور را با همان زاویه ای که به آنها برخورد می کند بازتاب می دهند. تصویر آینه تخت مجازی، مستقیم و هم اندازه جسم است. این آینه ها در آینه های خانگی و ابزارهای نوری برای تغییر مسیر پرتو، مانند پریسکوپ، استفاده می شوند. آینه های تخت بر اساس جنس و ساختار، انواع مختلفی دارند.

آینه شیشه ای

آینه های شیشه ای رایج ترین نوع آینه تخت هستند. این آینه ها از یک ورق شیشه تخت تشکیل شده اند که یک طرف آن با لایه نازکی از فلز بازتابنده، مانند آلومینیوم یا نقره، پوشانده شده است. این لایه فلزی نور را بازتاب داده و تصویر را ایجاد می کند.

آینه های شیشه ای بادوام هستند، اما در صورت استفاده نادرست ممکن است خراشیده شوند. هنگام تمیز کردن آنها باید از مواد شیمیایی خورنده پرهیز کرد.

آینه اکریلیک

آینه اکریلیک از نوعی پلاستیک به نام پلی متیل متاکریلات (PMMA) یا اکریلیک ساخته می شود که شفافیتی مشابه شیشه دارد، اما بسیار سبک تر و در برابر شکستن مقاوم تر است. مراحل ساخت آن عبارت اند از:

1. اکریلیک به صورت ورق های تخت ریخته گری یا اکسترود می شود.

2. پشت ورق اکریلیک در خلأ با یک لایه فلزی، معمولا آلومینیوم، پوشانده می شود تا نور را بازتاب دهد.

3. روی لایه فلزی و گاهی روی سطح جلویی، یک لایه محافظ قرار می گیرد.

آینه های اکریلیک سبک و نشکن هستند، اما سطح آنها راحت تر از شیشه خراشیده می شود و کیفیت نوری کمتری دارند. به همین دلیل بیشتر در کاربردهای تزیینی، تبلیغاتی و ایمنی استفاده می شوند.

آینه فلزی

آینه های فلزی یا از یک قطعه فلز صیقلی ساخته می شوند یا یک لایه نازک فلز روی یک زیرلایه نشانده می شود. زیرلایه می تواند شیشه، سرامیک یا فلز باشد. آینه هایی که کاملا از فلز ساخته شده اند، مانند آلومینیوم یا مس صیقلی، در محیط های صنعتی و برای لیزرهای پرتوان کاربرد دارند، چون گرما را به خوبی دفع می کنند.

مراحل ساخت آینه های با پوشش فلزی:

1. صیقل دادن زیرلایه: سطح زیرلایه با دقت بسیار بالا شکل داده و صیقل داده می شود.

2. نشاندن لایه فلزی: معمولا با روش رسوب فیزیکی بخار (PVD)؛ در این روش فلز در محفظه خلأ تبخیر شده و روی زیرلایه می نشیند.

3. لایه محافظ: برای جلوگیری از کدر شدن و خوردگی فلز، یک لایه شفاف محافظ مانند دی اکسید سیلیسیم یا فلوئورید منیزیم روی آن قرار می گیرد.

آینه سطح جلو

در آینه های معمولی، پوشش بازتابنده در پشت شیشه قرار دارد و نور ابتدا از شیشه عبور می کند. در آینه های سطح جلو یا آینه های سطح اول، پوشش بازتابنده روی سطح جلویی قرار دارد و نور پیش از ورود به شیشه بازتاب می شود.

مزیت اصلی: در آینه های پشت نقره ای، بخش کمی از نور از سطح جلویی شیشه و بیشتر آن از پوشش پشتی بازتاب می شود و یک تصویر دوگانه یا سایه دار ایجاد می شود. همچنین نور هنگام عبور از شیشه دچار جذب و پاشندگی می شود. آینه سطح جلو این مشکلات را ندارد و تصویری دقیق و واضح ایجاد می کند.

به همین دلیل تقریبا همه آینه های اپتیکی دقیق، از جمله آینه های تلسکوپ، دوربین، پروژکتور، لیزر و طیف سنج ها، از نوع سطح جلو هستند.

نکته مهم: چون پوشش بازتابنده در آینه های سطح جلو در معرض محیط است، این آینه ها نسبت به خراش و آلودگی حساس تر هستند. هرگز سطح آنها را با دست لمس نکنید و فقط با روش های ویژه تمیزکاری اپتیک تمیز کنید.

سطح تخت نوری (Optical Flat)

سطح تخت نوری یک قطعه شیشه یا سیلیس ذوب شده با سطحی بسیار تخت و دقیق است که به عنوان مرجع برای اندازه گیری تختی سطوح دیگر استفاده می شود. سیلیس ذوب شده به دلیل کیفیت نوری بالا و ضریب انبساط حرارتی بسیار کم انتخاب می شود.

تخت های نوری معمولا بدون پوشش هستند و با روش تداخل کار می کنند:

1. تخت نوری روی سطحی که باید بررسی شود قرار می گیرد.

2. با تاباندن نور تک رنگ، یک لایه بسیار نازک هوا بین دو سطح، نوارهای تداخلی روشن و تاریک ایجاد می کند.

3. شکل این نوارها نشان می دهد سطح چقدر تخت است؛ نوارهای صاف و موازی یعنی سطح کاملا تخت است و نوارهای خمیده انحراف از تختی را نشان می دهند.

دقت تخت های نوری معمولا با کسری از طول موج نور بیان می شود؛ مثلا تختی λ/10 یا λ/20. برای رسیدن به این دقت، سطح در چند مرحله با ساینده های بسیار ریز صیقل داده می شود و تختی آن در نهایت با تداخل سنج اندازه گیری می شود.

آینه های منحنی

آینه های منحنی سطح بازتابنده خمیده ای دارند و بسته به انحنای خود، پرتوهای نور را همگرا یا واگرا می کنند. دو نوع اصلی آنها عبارت اند از:

• آینه مقعر: سطح بازتابنده به سمت داخل خمیده است.

• آینه محدب: سطح بازتابنده به سمت بیرون خمیده است.

معادله آینه

رابطه بین فاصله جسم (do)، فاصله تصویر (di) و فاصله کانونی (f) در آینه های کروی از معادله آینه به دست می آید:

1/f = 1/do + 1/di

فاصله کانونی آینه کروی برابر نصف شعاع انحنای آن است (f = R/2). بزرگنمایی تصویر نیز از نسبت فاصله تصویر به فاصله جسم به دست می آید.

آینه مقعر

آینه مقعر یا آینه همگرا، پرتوهای نوری موازی با محور اصلی را در نقطه ای به نام کانون جمع می کند. فاصله بین مرکز آینه و کانون، فاصله کانونی نامیده می شود.

ویژگی های تصویر در آینه مقعر به موقعیت جسم بستگی دارد:

• اگر جسم دورتر از کانون باشد، تصویر حقیقی و وارونه تشکیل می شود که بسته به فاصله جسم، می تواند بزرگ تر یا کوچک تر از جسم باشد.

• اگر جسم بین کانون و آینه باشد، تصویر مجازی، مستقیم و بزرگ تر از جسم است. آینه های آرایشی و آینه های دندانپزشکی از همین ویژگی استفاده می کنند.

در تصویر حقیقی، پرتوهای نور واقعا در یک نقطه به هم می رسند و می توان تصویر را روی پرده انداخت. در تصویر مجازی، پرتوها فقط به نظر می رسد از پشت آینه می آیند.

کاربردهای آینه مقعر:

• تلسکوپ های بازتابی: آینه اصلی بیشتر تلسکوپ های بزرگ، مقعر است.

• طیف سنج ها و مونوکروماتورها: برای موازی کردن و متمرکز کردن نور

• چراغ های جلوی خودرو و چراغ قوه ها: برای ایجاد پرتو موازی از منبع نور

• نیروگاه های خورشیدی: برای متمرکز کردن نور خورشید روی یک نقطه

• دیش های ماهواره ای: برای متمرکز کردن امواج رادیویی

آینه محدب

آینه محدب یا آینه واگرا، پرتوهای نور را پس از بازتاب از هم دور می کند. ویژگی های آینه محدب عبارت اند از:

• همیشه تصویری مجازی، مستقیم و کوچک تر از جسم تشکیل می دهد.

• مرکز انحنا و کانون آن در پشت آینه قرار دارد.

• تصویر همیشه بین آینه و کانون و نزدیک تر از خود جسم به آینه تشکیل می شود.

• میدان دید بسیار وسیع تری از آینه تخت یا مقعر دارد.

به دلیل میدان دید وسیع، آینه های محدب در آینه های بغل خودرو، آینه های سر پیچ جاده ها، آینه های امنیتی فروشگاه ها و پارکینگ ها استفاده می شوند. نکته مهم این است که چون تصویر کوچک تر است، اجسام دورتر از فاصله واقعی خود به نظر می رسند؛ به همین دلیل روی آینه بغل برخی خودروها هشدار داده می شود که اجسام نزدیک تر از آن هستند که به نظر می رسند.

آینه سهموی و آینه های غیرکروی

آینه های کروی نمی توانند پرتوهای موازی را دقیقا در یک نقطه جمع کنند؛ پرتوهای دور از محور کمی جلوتر از پرتوهای نزدیک محور متمرکز می شوند. به این خطا ابیراهی کروی گفته می شود.

آینه سهموی (پارابولیک) این مشکل را ندارد و همه پرتوهای موازی با محور را دقیقا در یک نقطه متمرکز می کند. به همین دلیل در تلسکوپ ها، چراغ های قوی و دیش های ماهواره ای استفاده می شود. آینه های سهموی خارج از محور (OAP) نیز در سیستم های اپتیکی برای متمرکز کردن پرتو بدون مسدود کردن مسیر آن به کار می روند. آینه های بیضوی نیز نور را از یک کانون به کانون دیگر هدایت می کنند.

پوشش های بازتابنده آینه اپتیکی

پوشش آینه تعیین می کند چه درصدی از نور در هر طول موج بازتاب شود. انواع اصلی پوشش ها عبارت اند از:

آینه دی الکتریک

آینه های دی الکتریک به جای فلز، از چندین لایه نازک متناوب از مواد شفاف با ضریب شکست بالا و پایین ساخته می شوند. بازتاب نور از این لایه ها با هم تداخل سازنده دارد و در یک محدوده طول موج مشخص، بازتابی بسیار بالا، بیش از ۹۹ درصد، ایجاد می کند. این آینه ها نور لیزر پرتوان را بهتر از آینه های فلزی تحمل می کنند و در لیزرها و سیستم های اپتیکی دقیق کاربرد گسترده ای دارند.

آینه دیکروئیک و تقسیم کننده پرتو

• آینه دیکروئیک: نوعی آینه دی الکتریک که برخی طول موج ها را بازتاب داده و بقیه را عبور می دهد؛ برای جدا کردن رنگ های نور.

• تقسیم کننده پرتو (Beam Splitter): بخشی از نور را بازتاب داده و بقیه را عبور می دهد؛ برای تقسیم یک پرتو به دو پرتو در تداخل سنج ها و سیستم های نوری.

مشخصات مهم در انتخاب آینه اپتیکی

• تختی یا دقت سطح: معمولا با کسری از طول موج بیان می شود؛ مانند λ/4 برای کاربردهای عمومی و λ/10 یا بهتر برای کاربردهای دقیق.

• کیفیت سطح: با شاخص خراش و حفره (Scratch-Dig) بیان می شود؛ مثلا ۶۰-۴۰ برای کاربردهای عمومی و ۱۰-۵ برای لیزرهای پرتوان.

• جنس زیرلایه: شیشه های اپتیکی مانند N-BK7، سیلیس ذوب شده برای پایداری حرارتی و عبور فرابنفش، و شیشه های با انبساط حرارتی بسیار کم برای تلسکوپ ها.

• نوع پوشش: متناسب با طول موج کاری

• آستانه آسیب لیزر: برای کاربردهای لیزری

کاربرد آینه اپتیکی در طیف سنج ها

یکی از کاربردهای مهم آینه های اپتیکی در طیف سنج ها و اسپکتروفتومترهاست. در طراحی رایجی به نام چرنی ترنر، دو آینه مقعر به کار می رود: آینه اول نور ورودی را موازی کرده و به توری پراش می فرستد و آینه دوم نور تجزیه شده را روی آشکارساز متمرکز می کند. استفاده از آینه به جای عدسی، از ابیراهی رنگی جلوگیری می کند، چون بازتاب نور برخلاف شکست، به طول موج وابسته نیست. برای آشنایی با این دستگاه ها، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

سوالات متداول درباره آینه اپتیکی

تفاوت آینه اپتیکی با آینه معمولی چیست؟

آینه اپتیکی معمولا پوشش بازتابنده روی سطح جلویی، دقت سطح بسیار بالا و پوششی متناسب با طول موج کاری دارد، اما آینه معمولی پشت نقره ای است و دقت سطح کمتری دارد.

آینه سطح جلو چیست؟

آینه ای که پوشش بازتابنده آن روی سطح جلویی قرار دارد و تصویر دوگانه ایجاد نمی کند، اما نسبت به خراش حساس تر است.

تفاوت آینه مقعر و محدب چیست؟

آینه مقعر نور را همگرا می کند و بسته به موقعیت جسم، تصویر حقیقی یا مجازی تشکیل می دهد، اما آینه محدب نور را واگرا می کند و همیشه تصویری مجازی، مستقیم و کوچک تر ایجاد می کند.

چرا در آینه بغل خودرو از آینه محدب استفاده می شود؟

چون میدان دید بسیار وسیع تری فراهم می کند، هرچند اجسام را کوچک تر و دورتر نشان می دهد.

بهترین پوشش آینه برای لیزر کدام است؟

پوشش دی الکتریک که در طول موج لیزر بازتاب بیش از ۹۹ درصد دارد و توان بالا را بهتر تحمل می کند.

جمع بندی

آینه های اپتیکی سطوح بازتابنده دقیقی هستند که در ابزارهای نوری، تحقیقات علمی، نجوم، طیف سنجی، لیزرها و صنعت کاربرد دارند. این آینه ها از نظر شکل به آینه های تخت و منحنی (مقعر، محدب، سهموی و بیضوی) و از نظر ساختار به آینه های شیشه ای، اکریلیک، فلزی و سطح جلو تقسیم می شوند. انتخاب آینه مناسب به شکل سطح، دقت، کیفیت سطح، جنس زیرلایه و نوع پوشش بازتابنده، مانند آلومینیوم، نقره، طلا یا دی الکتریک، بستگی دارد.

برای آشنایی با محصولات اپتیکی بلورآزما، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• Optical Mirrors

• Mirrors