لنز اسپکتروفتومتر: انواع عدسی و کاربرد آنها در طیف سنجی

در یک اسپکتروفتومتر، علاوه بر اجزای اصلی یعنی منبع نور، سیستم تفکیک طول موج و آشکارساز، از عدسی ها یا لنزها نیز استفاده می شود. عدسی ها نور را موازی، متمرکز و هدایت می کنند و نقش مهمی در شدت نور رسیده به آشکارساز، کیفیت طیف و دقت اندازه گیری دارند.

عدسی ها همچنین در مرحله ساخت دستگاه برای تراز کردن اجزای اپتیکی و کالیبراسیون مسیر نوری استفاده می شوند. در این مقاله با انواع عدسی های مورد استفاده در اسپکتروفتومترها، جنس آنها و خطاهای اپتیکی که باید کنترل شوند آشنا می شوید.

نقش عدسی ها در مسیر نوری اسپکتروفتومتر

مسیر نور در یک اسپکتروفتومتر معمولا به این صورت است:

1. منبع نور پرتویی واگرا گسیل می کند.

2. یک عدسی موازی ساز این پرتو واگرا را به پرتویی موازی تبدیل می کند.

3. پرتو موازی از نمونه عبور می کند.

4. نور عبوری به سمت یک توری پراش یا منشور هدایت می شود تا به طول موج های مختلف تفکیک شود.

5. یک عدسی کانونی کننده نور تفکیک شده را جمع کرده و روی آشکارساز متمرکز می کند تا شدت آن اندازه گیری شود.

کیفیت عدسی ها برای دقت اندازه گیری بسیار مهم است. عدسی های باکیفیت طوری طراحی می شوند که ابیراهی ها و اتلاف نور را به حداقل برسانند.

البته در بسیاری از طیف سنج ها، به ویژه در ناحیه فرابنفش، به جای عدسی از آینه های اپتیکی مقعر استفاده می شود، چون آینه ها دچار ابیراهی رنگی نمی شوند. در طراحی هر دستگاه، بین عدسی و آینه بسته به محدوده طول موج، اندازه و هزینه انتخاب می شود.

مفاهیم پایه عدسی ها

فاصله کانونی

فاصله کانونی (f) فاصله بین عدسی و نقطه ای است که پرتوهای موازی پس از عبور از عدسی در آن جمع می شوند. توان عدسی با عکس فاصله کانونی برابر است و بر حسب دیوپتر بیان می شود. فاصله کانونی به انحنای سطوح عدسی و ضریب شکست جنس آن بستگی دارد.

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

1/f = 1/do + 1/di

ابیراهی ها

ابیراهی به خطاهایی گفته می شود که باعث می شوند عدسی نور را دقیقا در یک نقطه متمرکز نکند:

• ابیراهی کروی: در عدسی های با سطح کروی، پرتوهای لبه عدسی در نقطه ای متفاوت از پرتوهای مرکزی متمرکز می شوند و تصویر یا لکه نوری تار می شود.

• ابیراهی رنگی: چون ضریب شکست شیشه به طول موج بستگی دارد، رنگ های مختلف نور در فاصله های متفاوتی متمرکز می شوند. این ابیراهی در اسپکتروفتومترها که با طیف گسترده ای از طول موج ها کار می کنند اهمیت ویژه ای دارد.

عدسی موازی ساز (کولیماتور)

عدسی موازی ساز یا کولیماتور، پرتو واگرای ورودی را به یک پرتو موازی با واگرایی بسیار کم تبدیل می کند. برای این کار، منبع نور یا انتهای فیبر نوری در کانون عدسی قرار می گیرد.

موازی سازی پرتو باعث می شود نور به طور یکنواخت از نمونه عبور کند، با زاویه مناسب به توری پراش برسد و کمترین اتلاف نور رخ دهد. موازی سازها در اسپکتروفتومترها، رنگ سنج ها، نورسنج ها و طیف سنج های فیبر نوری استفاده می شوند.

یک عدسی موازی ساز خوب این ویژگی ها را دارد:

• ابیراهی کروی کم: برای موازی سازی دقیق پرتو

• ابیراهی رنگی کم: تا همه طول موج ها به یک اندازه موازی شوند

• عبور نور بالا: تا بیشترین مقدار نور به نمونه و آشکارساز برسد

انواع عدسی های همگرا (محدب)

عدسی های همگرا در مرکز ضخیم تر از لبه ها هستند و پرتوهای موازی را در نقطه کانونی جمع می کنند. این عدسی ها هم برای موازی سازی و هم برای کانونی کردن نور استفاده می شوند.

عدسی تخت محدب (Plano-Convex)

این عدسی یک سطح تخت و یک سطح محدب دارد و رایج ترین عدسی برای موازی سازی و کانونی کردن است. برای کمترین ابیراهی کروی، سطح محدب باید رو به پرتو موازی قرار گیرد. یعنی هنگام موازی سازی نور یک منبع نقطه ای، سطح تخت رو به منبع و سطح محدب رو به پرتو موازی خروجی است.

عدسی دوکوژ (Bi-Convex)

این عدسی دو سطح محدب دارد و برای کاربردهایی مناسب است که جسم و تصویر در فاصله های نزدیک به هم از عدسی قرار دارند، مانند تصویرسازی با بزرگنمایی نزدیک به یک.

عدسی منیسک (Meniscus)

عدسی منیسک یک سطح محدب و یک سطح مقعر دارد. اگر مرکز آن ضخیم تر از لبه ها باشد، همگرا (منیسک مثبت) و اگر نازک تر باشد، واگرا (منیسک منفی) است. عدسی منیسک مثبت معمولا در کنار عدسی های دیگر استفاده می شود تا فاصله کانونی را کوتاه تر کند، بدون اینکه ابیراهی کروی زیادی اضافه کند.

عدسی غیرکروی (Aspheric)

سطح عدسی غیرکروی بخشی از یک کره نیست، بلکه شکل خاصی دارد که ابیراهی کروی را حذف می کند. یک عدسی غیرکروی می تواند کار چند عدسی کروی را انجام دهد. این عدسی ها در موازی سازی نور دیودهای لیزری، کوپل کردن نور به فیبر نوری و طیف سنج های دقیق استفاده می شوند.

عدسی GRIN

در عدسی GRIN (ضریب شکست تدریجی)، سطوح عدسی تخت هستند، اما ضریب شکست ماده از مرکز به لبه به تدریج تغییر می کند. همین تغییر ضریب شکست باعث خم شدن و متمرکز شدن نور می شود. عدسی های GRIN کوچک و استوانه ای شکل هستند و به ویژه در موازی سازهای فیبر نوری و تجهیزات کوچک کاربرد دارند.

عدسی های کانونی کننده و انواع دیگر

عدسی های کانونی کننده نور را در یک نقطه یا روی یک سطح مشخص، مانند آشکارساز یا شکاف ورودی طیف سنج، متمرکز می کنند. علاوه بر عدسی های همگرای ذکر شده، انواع دیگری از عدسی ها نیز در سیستم های اپتیکی کاربرد دارند.

عدسی واگرا (مقعر)

عدسی های مقعر در مرکز نازک تر از لبه ها هستند و پرتوهای موازی را واگرا می کنند. پرتوهای واگرا شده به نظر می رسد از یک کانون مجازی در سمت ورودی عدسی می آیند. فاصله کانونی این عدسی ها منفی است و تصویری مجازی، مستقیم و کوچک تر ایجاد می کنند.

عدسی مقعر به تنهایی نور را متمرکز نمی کند، اما در ترکیب با عدسی های همگرا، برای منبسط کردن پرتو، تنظیم فاصله کانونی و اصلاح ابیراهی ها استفاده می شود. این عدسی ها برای اصلاح نزدیک بینی نیز به کار می روند.

عدسی استوانه ای

عدسی استوانه ای فقط در یک جهت نور را متمرکز می کند و نقطه نوری را به یک خط تبدیل می کند. در طیف سنج هایی که از آرایه های خطی آشکارساز، مانند سنسور CMOSخطی، استفاده می کنند، عدسی استوانه ای نور را در جهت عمودی روی پیکسل ها متمرکز می کند و نور بیشتری به آشکارساز می رسد.

عدسی های مرکب

عدسی های مرکب از چند عدسی جداگانه تشکیل شده اند که به گونه ای کنار هم قرار می گیرند تا ابیراهی ها کاهش یابد و تصویر یا لکه نوری دقیق تری ایجاد شود. عدسی دوربین ها و میکروسکوپ ها نمونه هایی از عدسی های مرکب هستند.

عدسی آکروماتیک (Achromatic)

عدسی آکروماتیک از دو عدسی چسبیده به هم ساخته می شود: یک عدسی همگرا از شیشه کراون با پاشندگی کم و یک عدسی واگرا از شیشه فلینت با پاشندگی زیاد. با انتخاب دقیق انحنا و جنس دو عدسی، ابیراهی رنگی آنها یکدیگر را خنثی می کند و دو طول موج در یک نقطه متمرکز می شوند. عدسی های آکروماتیک ابیراهی کروی کمتری نیز دارند و در سیستم هایی که با طیف گسترده ای از نور کار می کنند بسیار مفیدند.

عدسی آپوکروماتیک (Apochromatic)

عدسی آپوکروماتیک از سه یا چند عدسی با شیشه های ویژه ساخته می شود و ابیراهی رنگی را برای سه طول موج اصلاح می کند. این عدسی ها کیفیت بالاتری از عدسی های آکروماتیک دارند و در میکروسکوپ ها و تلسکوپ های پیشرفته استفاده می شوند.

عدسی فرنل (Fresnel)

عدسی فرنل در دهه ۱۸۲۰ توسط آگوستین ژان فرنل، فیزیکدان فرانسوی، برای فانوس های دریایی اختراع شد. این عدسی از یک سری حلقه های هم مرکز تشکیل شده است که هر کدام بخشی از سطح یک عدسی معمولی هستند. این عدسی ها نیز مانند عدسی های معمولی با شکست نور کار می کنند، اما بسیار نازک تر و سبک تر هستند.

عدسی های فرنل برای جمع آوری و متمرکز کردن نور در ابعاد بزرگ، مانند فانوس های دریایی، چراغ های نورافکن، متمرکزکننده های خورشیدی و حسگرهای حرکتی، مناسب هستند. اما کیفیت تصویر آنها پایین است و در اندازه گیری های دقیق طیف سنجی کمتر استفاده می شوند.

جنس عدسی های اسپکتروفتومتر

جنس عدسی تعیین می کند که عدسی کدام طول موج ها را عبور می دهد. این موضوع در اسپکتروفتومترها که در ناحیه فرابنفش، مرئی و فروسرخ کار می کنند اهمیت زیادی دارد:

برای اندازه گیری در ناحیه فرابنفش، استفاده از عدسی های کوارتز یا سیلیس ذوب شده ضروری است، چون شیشه معمولی نور فرابنفش را جذب می کند.

در ناحیه فروسرخ نیز شیشه های معمولی نور را جذب می کنند. به همین دلیل در طیف سنجی و تصویربرداری فروسرخ از عدسی های ساخته شده از ژرمانیوم، سیلیکون یا سلنید روی استفاده می شود که در این ناحیه شفاف هستند.

پوشش ضدبازتاب

هر سطح عدسی بدون پوشش، حدود ۴ درصد نور را بازتاب می دهد. در سیستم هایی با چند عدسی، این اتلاف قابل توجه است. پوشش های ضدبازتاب این بازتاب را در محدوده طول موج مشخصی به شدت کاهش می دهند و عبور نور را افزایش می دهند.

عدسی های جمع کننده نور برای آشکارساز

در بسیاری از اسپکتروفتومترها، یک یا چند عدسی نور خروجی از نمونه یا سیستم تفکیک طول موج را جمع آوری کرده و روی سطح حساس آشکارساز متمرکز می کنند. هدف این عدسی ها رساندن بیشترین مقدار نور به آشکارساز و افزایش نسبت سیگنال به نویز است. جنس این عدسی ها نیز باید با ناحیه طیفی دستگاه سازگار باشد. برای آشنایی با انواع آشکارسازها، مقاله [آشکارساز نوری] را بخوانید.

نکات نگهداری عدسی های اپتیکی

• هرگز سطح عدسی را با دست برهنه لمس نکنید؛ عدسی ها را از لبه ها و با دستکش بگیرید.

• گرد و غبار را ابتدا با هوای فشرده تمیز و بدون روغن برطرف کنید.

• برای تمیز کردن، از دستمال مخصوص اپتیک و حلال های مناسب مانند الکل خالص استفاده کنید.

• عدسی ها را در محفظه های تمیز و خشک نگهداری کنید تا از خراش و آلودگی در امان باشند.

سوالات متداول درباره لنز اسپکتروفتومتر

عدسی موازی ساز چه کاری انجام می دهد؟

پرتو واگرای منبع نور را به پرتویی موازی تبدیل می کند تا نور به طور یکنواخت از نمونه عبور کرده و با زاویه مناسب به توری پراش برسد.

چرا در اسپکتروفتومتر UV از عدسی کوارتز استفاده می شود؟

چون شیشه معمولی نور فرابنفش را جذب می کند، اما کوارتز و سیلیس ذوب شده آن را به خوبی عبور می دهند.

عدسی آکروماتیک چیست؟

عدسی ای از دو جزء با شیشه های متفاوت که ابیراهی رنگی را کاهش می دهد و دو طول موج را در یک نقطه متمرکز می کند.

سطح محدب عدسی تخت محدب باید رو به کدام سمت باشد؟

برای کمترین ابیراهی کروی، سطح محدب باید رو به پرتو موازی باشد.

چرا گاهی در طیف سنج ها به جای عدسی از آینه استفاده می شود؟

چون آینه ها دچار ابیراهی رنگی نمی شوند و در محدوده گسترده ای از طول موج ها، از فرابنفش تا فروسرخ، کار می کنند.

جمع بندی

عدسی ها در اسپکتروفتومتر ها نور را موازی، متمرکز و هدایت می کنند و نقش مهمی در دقت اندازه گیری دارند. عدسی های موازی ساز مانند تخت محدب، غیرکروی و GRIN پرتو منبع را موازی می کنند و عدسی های کانونی کننده و جمع کننده، نور را روی شکاف یا آشکارساز متمرکز می کنند. عدسی های آکروماتیک و آپوکروماتیک ابیراهی رنگی و عدسی های غیرکروی ابیراهی کروی را کاهش می دهند. انتخاب جنس مناسب عدسی، مانند کوارتز برای فرابنفش و ژرمانیوم برای فروسرخ، برای عملکرد صحیح دستگاه ضروری است.

برای آشنایی با اسپکتروفتومتر های بلورآزما و معیارهای انتخاب آنها، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

منابع

• Gradient-Index Lenses in Imaging Applications Using Zemax Program