آنچه در این مقاله میخوانید
در اسپکتروفتومتری، جهت اندازه گیری مقدار نور جذب شده توسط یک نمونه به عنوان تابعی از طول موج آن، علاوه بر قطعات اصلی (منبع نوری، اسپکترومتر و آشکارساز)، از انواع لنز نیز استفاده می شود.
انواع مختلف لنز با متمرکز کردن و هدایت نور از ماده نمونه، نقش مهمی در اسپکتروفتومتری دارند و امکان اندازه گیری خواص جذب و عبور آن را به طور دقیق تر فراهم می کنند.
در یک اسپکتروفتومتر معمولی، یک منبع نور پرتوی را ساطع می کند که توسط یک عدسی بر روی یک تک رنگ ساز متمرکز می شود، که طول موج خاصی از نور را برای عبور از نمونه انتخاب می کند.
سپس عدسی دیگری، نوری را که از نمونه عبور کرده است جمع آوری کرده و آن را به یک آشکارساز هدایت می کند که شدت نور را اندازه گیری و ثبت نماید.
سپس خواص جذب یا انتقال نمونه را می توان بر اساس تفاوت بین شدت نور فرودی و نور عبوری یا جذب شده تعیین کرد.
تراز و کالیبراسیون مناسب لنزها برای اندازه گیری دقیق اسپکتروفتومتری بسیار مهم است.
کیفیت عدسی مورد استفاده در اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری و دقت دستگاه بسیار مهم است. لنزهای با کیفیت بالا برای به حداقل رساندن انحرافات و ابیراهی ها در مسیر نور طراحی شده اند که می تواند بر دقت اندازه گیری تأثیر چشمگیری بگذارند.
علاوه بر خود لنز، طول مسیر نمونه و نوع حلال مورد استفاده نیز می تواند بر دقت اندازه گیری در اسپکتروفتومتری تأثیر بگذارد. انتخاب دقیق لنز و شرایط آزمایشی مناسب برای اطمینان از نتایج دقیق و قابل اعتماد بسیار مهم است.
شکل1- انواع لنز در اسپکتروفتومتری
عدسی ها در انواع گوناگونی از نظر شکل، جنس و کاربرد ساخته می شوند. عدسی های موازی ساز (هماهنگ کننده) برای موازی کردن پرتوهای نور استفاده می شوkد، در حالی که از لنز فوکوس کننده برای متمرکز کردن نور بر روی نمونه استفاده می شود.
عدسی های آشکارسازی نیز برای جمع آوری نوری که از نمونه عبور کرده است و باید برای تبدیل آن به سیگنال الکتریکی به سیستم آشکارساز برسد، استفاده می شود.
یک اسپکتروفتومتر از مجموعه ای از عدسی ها استفاده کند تا ابتدا نور ورودی منبع را موازی کرده و سپس بر روی یک عنصر پراکننده متمرکز کند. این عدسی ها اغلب در یک فاصله ثابت از یکدیگر قرار می گیرند تا بهینه ترین نتایج را تضمین کنند.
موازی ساز، اجزای نوری است که برای همسان سازی پرتوهای نور با دقت بالا در تجهیزات نوری مانند اسپکتروفتومتر استفاده می شود. آنها به گونه ای طراحی شده اند که یک پرتو واگرای ورودی دریافت کرده و آن را به یک پرتو نور موازی، با زاویه واگرایی کوچک تبدیل می کنند.
طراحی موازی ساز بستگی به کاربرد خاصی دارد که برای آن استفاده می شود و معمولاً در ساده ترین حالت، یک عدسی محدب هستند.
در برخی موارد نیز ممکن است با سایر اپتیک ها، مانند یک لنز متمرکز کننده ترکیب شود تا که نور ورودی را به یک نقطه متمرکز کنند. یک موازی ساز با طراحی خوب دارای چندین ویژگی است، از جمله:
ابیراهی کروی می تواند باعث تار شدن تصویر شود، در حالی که ابیراهی رنگی می تواند منجر به حاشیه یا اعوجاج رنگ شود. راندمان بالا نیز بسیار مهم است، زیرا تضمین می کند که حداکثر مقدار نور از طریق لنز منتقل می شود و در نتیجه پرتو خروجی روشن تر و واضح تر است.
در سیستم های اندازه‌گیری نور مانند اسپکتروفتومتری، استفاده از موازی ساز تضمین می کند که نور منتشر شده، کمترین میزان پخش شدگی را داشته باشد.
از این رو، انواع موازی ساز به اسپکتروفتومترها، رنگ سنج ها یا نورسنج ها متصل می شوند تا اطمینان حاصل شود که نوری که وارد دستگاه می شود موازی است و به طور کامل ناحیه اندازه گیری مربوطه را پوشش می دهد.
عدسی محدب که به عنوان عدسی همگرا نیز شناخته می شود، قطعه ای شفاف است که حداقل یک سطح منحنی شکل دارد که بخش مرکزی آن ضخیم تر از لبه ها است. برخی از مواد رایج مورد استفاده برای ساخت عدسی ها عبارت اند از: کوارتز، شیشه بوروسیلیکات و یاقوت کبود.
ساختار محدب باعث می‌شود که پرتوهای موازی نوری که از آن عبور می‌کنند، در نقطه ای به نام نقطه کانونی همگرا شوند یا به هم نزدیک شوند.
شکل2- تشکیل تصویر در عدسی محدب
میزان خمش نور توسط یک عدسی محدب، به انحنای سطوح آن و ضریب شکست ماده ای که از آن ساخته شده است بستگی دارد. فاصله کانونی عدسی محدب، فاصله بین عدسی و نقطه کانونی آن است و با توان یا قدرت عدسی نسبت معکوس دارد.
انواع مختلفی از موازی ساز وجود دارد، از جمله:
این نوع عدسی ها دارای سطحی صاف در یک طرف و سطحی محدب در سمت دیگر هستند. سطح محدب معمولاً به عنوان سمت ورودی استفاده می شود، جایی که پرتو واگرا وارد عدسی می شود و سمت مسطح، یک پرتو موازی تولید می کند.
شکل3- موازی ساز نوع Plano-Convex
این لنزها دارای دو سطح محدب هستند که به سمت بیرون برآمده می شوند. آنها برای کاربردهایی استفاده می شوند که نیاز به کنترل دقیق تر پرتو نوری دارند.
شکل4- موازی ساز نوع Bi-Convex
این عدسی ها دارای یک سطح مقعر و یک سطح محدب هستند که شکلی منحنی واری را ایجاد می کنند. آنها معمولاً در کولیماتورهای دیود لیزری مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا موازی سازی بسیار خوبی را ارائه می دهند و ابیراهی کروی را نیز به طور چشمگیری کاهش می دهند.
شکل5- لنزهای نوع Meniscus
این عدسی ها دارای سطح غیر کروی هستند که به آنها اجازه می دهد پرتوهای همسو با کیفیت بالاتری را نسبت به انواع کروی سنتی تولید کنند.
شکل6- موازی ساز نوع Aspheric
این گروه از لنزها، دارای ضریب شکست متغیر (Graded index) هستند که به تدریج در سراسر لنز تغییر می کند و این امکان را فراهم می کند که یک پرتو همسو با حداقل ابیراهی تولید شود.
شکل7- موازی ساز نوع GRIN
لنزهای متمرکز کننده، اجزای نوری هستند که می توان آن ها را طوری تنظیم کرد تا تصویر یک جسم را در مرکز قرار دهند.
در حقیقت آنها بر اساس خم کردن نوری که از آنها می گذرد، در یک نقطه خاص که به عنوان نقطه کانونی شناخته می شود، آن را همگرا می کنند.
موقعیت نقطه کانونی به انحنای لنز و فاصله بین لنز و جسم مورد مشاهده بستگی دارد و انواع مختلفی از این نوع وجود دارد، از جمله:
لنزهای مرکب از چندین عدسی مجزا تشکیل شده اند که به روشی خاص مرتب می گردند تا به اثر دلخواه برسند.
به عنوان مثال، برخی از دوربین ها از چندین عدسی محدب و مقعر برای ایجاد یک سیستم نوری پیچیده تر استفاده می کنند که در نهایت تصاویر واضح تری با ابیراهی کمتر و شفاف تر تولید می کنند.
انواع مختلفی از لنزهای متمرکز کننده مورد استفاده در اپتیک وجود دارد و هر نوع مزایا و معایب خاص خود را دارد و بسته به کاربرد خاص برای اهداف مختلفی استفاده می شود، از جمله:
این عدسی ها قابلیت هر دوی همگرا و واگرا کردن پرتوهای نور را دارند و در این مورد، نوع همگرا مد نظر است و ساختمان آنها به گونه ای است که در مرکز، ضخیم تر از لبه ها هستند.
شکل8- عدسی محدب
عدسی های مقعر که به لنزهای واگرا نیز معروف هستند، عدسی هایی هستند که در مرکز نازک تر از لبه ها می باشند. این عدسی ها باعث می شوند که پرتوهای نور در هنگام عبور از آنها، پخش یا واگرا شوند.
فاصله کانونی این عدسی ها منفی است و برای اصلاح نزدیک بینی و سایر مشکلات بینایی نیز استفاده می شوند.
هنگامی که پرتوهای موازی نور از یک عدسی مقعر عبور می کنند، شکسته می شوند تا از هم جدا شوند. نقطه ای که در آن پرتوهای شکسته شده همگرا می شوند، نقطه کانونی نامیده می شود.
از آنجایی که نقطه کانونی یک عدسی مقعر در پشت عدسی قرار دارد، تصویری که توسط عدسی ایجاد می شود مجازی (نه واقعی) و قائم است.
شکل 9- تشکیل تصویر در عدسی مقعر
این عدسی ها در یک طرف دارای سطح مقعر و در طرف دیگر سطح محدب هستند که هم خاصیت همگرا و هم واگرا به آنها می دهد (شکل 5).
این لنزها شکل غیر کروی دارند که این امکان را برای آنها فراهم می کند تا برخی انحرافات را در سیستم های تصویربرداری تصحیح کنند.
شکل10- عدسی متمرکز کننده نوع Aspheric
این لنزهای فشرده معمولاً از یک سری حلقه های متحدالمرکز برای پراش نور استفاده می کنند که هر کدام دارای انحنای کمی متفاوت هستند و امکان طراحی کلی عدسی نازک تری را فراهم می‌کند.
آنها توسط فیزیکدان فرانسوی آگوستین ژان فرنل در اوایل قرن نوزدهم اختراع شدند و امروزه معمولاً در کاربردهای مختلفی و در اشکال مختلف استفاده می شوند.
شکل 11- انواع عدسی های فرنل
شکل 12- عدسی نوع فرنل و از بین بردن ابیراهی رنگی
لنزهای فرنل با خم کردن نور در حین عبور از میان حلقه ها کار می کنند و در نتیجه تصویری بزرگ تر یا متمرکز ایجاد می کنند و می توانند به گونه ای طراحی شوند که دارای خواص نوری خاصی مانند کاهش ابیراهی رنگی یا افزایش راندمان عبور نور باشند.
این لنزها از دو یا چند عنصر ساخته شده از انواع مختلف شیشه تشکیل شده اند که برای به حداقل رساندن ایبراهی رنگی طراحی شده اند.
ایبراهی رنگی، نوعی ابیراهی نوری است و زمانی رخ می دهد که رنگ های مختلف نور در هنگام عبور از یک عدسی، در زوایای کمی متفاوت شکسته می شوند که می تواند منجر به تار شدن تصاویر یا ظاهر شدن حاشیه های رنگی در اطراف لبه های آن شود.
شکل 13- ابیراهی رنگی در لنزها
شکل14- لنز آکروماتیک و حذف ابیراهی رنگی
عدسی‌های آکروماتیک از ترکیب دو نوع شیشه با ضریب شکست متفاوت ساخته می‌شوند، به طوری که این دو شیشه خواص پراکندگی متفاوتی دارند، به این معنی که طول موج های مختلف نور را به طور متفاوتی پراکنده می کنند.
با انتخاب دقیق انحنا و ضخامت، می توان انحراف رنگی ناشی از هر عنصر را از بین برد و در نتیجه تصویری شفاف و واضح به دست آورد.
این لنزها شبیه لنزهای آکروماتیک هستند اما از ترکیب عدسی های مختلف با ضریب شکست های متفاوت، برای کاهش بیشتر انحراف رنگی استفاده می کنند.
لنزهای آشکارساز نوعی از عدسی های نوری هستند که در سیستم های تصویربرداری برای تمرکز نور بر روی آشکارساز استفاده می شوند که معمولاً از شیشه یا پلاستیک ساخته می شوند و دارای سطح منحنی هستند که نور ورودی را شکسته و آن را در نقطه خاصی متمرکز می کند.
یکی از کاربردهای رایج لنزهای آشکارساز در سیستم های اسپکتروفتومتری و تصویربرداری مادون قرمز (IR) است. نور مادون قرمز طول موج بیشتری نسبت به نور مرئی دارد و بنابراین متمرکز کردن آن با عدسی های سنتی دشوارتر است.
لنزهای آشکارساز که به طور خاص برای تصویربرداری IR طراحی شده اند، اغلب از موادی مانند ژرمانیوم یا سیلیکون ساخته می شوند که نسبت به نور مادون قرمز شفاف تر از مواد نوری استاندارد مانند شیشه هستند.
لنزهای آشکارساز همچنین در سیستم های تصویربرداری اشعه ایکس استفاده می شوند، جایی که به ثبت تصاویر با وضوح بالا از ساختارهای داخلی بدن کمک می کنند.
این لنزها معمولاً از مواد تخصصی ساخته می شوند که قادر به مقاومت در برابر تشعشعات قوی و با شدت بالای تولید شده توسط دستگاه های اشعه ایکس هستند.
شکل15-شماتیک عملکردی یک لنز آشکارساز
پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید
Gradient-Index Lenses in Imaging Applications Using Zemax Program
مقالات منتشر شده در ساعاتی قبل
عالیع