LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU máy nội SOI OLYMBUS – GIFT – 2t10 và ỨNG DỤNG TRONG y học

Từ công thức 1.25 có hai trường hợp đặc biệt: Khi = −∞ vật sáng điểm P nằm trên trục chính, ở xa vô cực, chùm tia tới mặt cầu được xem là song song với trục chính, ta có:... Khi d   ả

Cần Thơ, 2013

LỜI CẢM ƠN



Một chữ cũng là thầy, nửa chữ cũng là thầy huống hồ gì những người đã có công dạy dỗ tôi từ lúc mới tập tành viết chữ, mới tập đánh vần từng chữ một đến lúc ta chuẩn bị bước vào đời, thầy cô không những truyền đạt cho tôi kiến thức mà còn dạy tôi đạo lý làm người và dạy tôi luôn cách sống Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy,

cô giáo, những người đã không ngại vất vả dạy dỗ tôi từ lúc ngỡ ngàng mới bước chân vào trường lớp đến tận bây giờ

Để có thể hoàn thành đề tài này ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân tôi cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, người thân và bạn bè

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi luôn nhận được sự hướng dẫn tận tình

và cũng rất nhiệt tình, sự quan tâm, động viên không ngừng từ thầy Hồ Hữu Hậu – giáo viên hướng dẫn của tôi Tôi xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành và lòng biết

ơn sâu sắc

Cảm ơn gia đình, nguồn động viên lớn nhất, là chỗ dựa, là hậu phương vững chắc giúp tôi vượt qua những khó khăn và tin tưởng vào bản thân mình Gia đình luôn luôn khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành tốt công việc của mình Cảm ơn thầy Hồ Hữu Hậu, bạn Nguyễn Đức Phong đã cung cấp tài liệu cho tôi Cảm ơn bạn bè đã ủng hộ, không ngừng động viên và luôn bên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Vì còn nhiều hạn chế trong quá trình thực hiện nên không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả những người thân bên cạnh tôi và chúc mọi người lời chúc sức khỏe và thành công

Xin chân thành cảm ơn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



Cần Thơ, ngày…… tháng 5 năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

Thầy Hồ Hữu Hậu

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1



Cần Thơ, ngày…… tháng 5 năm 2013

Giáo viên phản biện 1

Thầy Vương Tấn Sĩ

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2



Cần Thơ, ngày…… tháng 5 năm 2013

Giáo viên phản biện 2

Thầy Phạm Văn Tuấn

MỤC LỤC



PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

5 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 2

6 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

PHẦN NỘI DUNG 3

A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

CHƯƠNG I: QUANG HÌNH HỌC 3

1.1 Bản chất của ánh sáng 3

1.1.1 Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng 3

1.1.2 Thuyết photon 6

1.2 Những định luật cơ bản của quang hình học 7

1.2.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng 7

1.2.2 Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng 7

1.2.3 Hai định luật của Descartes 7

1.2.3.1 Định luật phản xạ ánh sáng 7

1.2.3.2 Định luật khúc xạ ánh sáng 8

1.2.3.3 Dạng đối xứng của định luật Descartes 9

1.2.4 Hiện tượng phản xạ toàn phần 9

1.3 Các dụng cụ quang học 10

1.3.1 Mặt cầu khúc xạ 10

1.3.1.1 Định nghĩa 10

1.3.1.2 Công thức mặt cầu khúc xạ 10

1.3.1.3 Độ tụ, tiêu cự, tiêu điểm của mặt cầu khúc xạ 11

1.3.1.4 Độ phóng đại ảnh 13

1.3.2 Thấu kính mỏng 13

1.3.2.1 Định nghĩa 13

1.3.2.2 Công thức của thấu kính mỏng 14

1.3.2.3 Độ tụ, tiêu cự, tiêu điểm của thấu kính mỏng 15

1.3.2.4 Vẽ ảnh qua thấu kính mỏng Độ phóng đại 17

1.3.2.5 Trục phụ, tiêu điểm phụ, tiêu diện, mặt phẳng chính 18

1.3.3 Hệ đồng trục 19

1.3.3.1 Định nghĩa 19

1.3.3.2 Các phương pháp nghiên cứu hệ đồng trục 19

1.3.3.3 Các tiêu điểm chính, mặt phẳng chính, điểm chính, tiêu cự của hệ đồng trục……… 19

1.3.3.4 Vẽ ảnh của vật qua hệ đồng trục 22

1.3.3.5 Các công thức của hệ đồng trục 23

1.3.4 Những sai sót của một hệ quang học 25

1.3.4.1 Cầu sai dọc 25

1.3.4.2 Sắc sai 26

1.3.4.3 Cosma (sao chổi) 27

1.3.4.4 Độ cong trường 27

1.3.4.5 Méo ảnh 27

CHƯƠNG II: SỢI QUANG VÀ TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 28

2.1 Sợi quang 28

2.1.1 Cấu tạo cơ bản của sợi quang 28

2.1.2 Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) 29

2.1.3 Phân loại sợi quang 30

2.1.3.1 Sự phân bố chiết suất trong sợi quang 30

2.1.3.2 Sợi chiết suất bậc SI (Step - Index) 30

2.1.3.3 Sợi chiết suất biến đổi GI (Graded - Index) 31

2.1.3.4 Sợi đa mode (Multi – Mode), sợi đơn mode (Single - Mode) 31

2.2 Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang 34

2.2.1 Phương trình truyền dẫn sóng 34

2.2.2 Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang 37

CHƯƠNG III: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN 38

3.1 Sơ lược về cảm biến 38

3.1.1 Khái niệm 38

3.1.2 Phân loại cảm biến 38

3.1.3 Các đại lượng đặc trưng 39

3.1.3.1 Độ nhạy của cảm biến 39

3.1.3.2 Sai số và độ chính xác 39

3.1.3.3 Độ nhanh và thời gian hồi đáp 40

3.1.3.4 Giới hạn sử dụng cảm biến 40

3.1.4 Mạch đo 41

3.1.4.1 Sơ đồ mạch đo 41

3.1.4.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo 41

3.2 Cảm biến hình ảnh 44

3.2.1 Vài nét về cảm biến hình ảnh 44

3.2.2 Cấu tạo cảm biến hình ảnh 45

3.2.3 Cảm biến hình ảnh CCD 45

B: ỨNG DỤNG 47

CHƯƠNG IV: MÁY NỘI SOI OLYMBUS – GIFT – 2T10 47

4.1 Tổng quan về máy nội soi 47

4.1.1 Lịch sử phát triển máy nội soi tiêu hóa sợi mềm 47

4.1.1.1 Lịch sử phát triển Thế Giới 47

4.1.1.2 Lịch sử và tình hình phát triển ở Việt Nam 48

4.1.2 Tổng quan về máy nội soi tiêu hóa dạ dày 50

4.1.2.1 Giới thiệu chung 50

4.1.2.2 Những thế hệ máy nội soi dạ dày ống mềm tiêu biểu 51

4.2 Máy nội soi OLYMPUS – GIF – 2T10 57

4.2.1 Sơ đồ mặt trước 57

4.2.2 Các thông số kĩ thuật 58

4.2.3 Sơ đồ khối chức năng 59

4.2.4 Chức năng của ống nội soi 60

4.2.5 Chức năng một số thành phần khác 63

4.2.5.1 Khối điều khiển chính 63

4.2.5.2 Khối bảng mạch nguồn 64

4.2.5.3 Động cơ chắn sáng 65

4.2.5.4 Hệ thống bơm khí 65

4.2.5.5 Hệ thống đèn chiếu sáng 65

4.2.6 Nguyên lí hoạt động của máy nội soi 65

CHƯƠNG V: ỨNG DỤNG NỘI SOI DẠ DÀY – TÁ TRÀNG TRONG Y HỌC 66

5.1 Sinh lý dạ dày – tá tràng 66

5.1.1 Chức năng 66

5.1.2 Cấu tạo dạ dày – tá tràng 66

5.1.2.1 Cấu tạo dạ dày 66

5.1.2.2 Cấu tạo tá tràng 67

5.1.3 Một số bệnh lý thường gặp ở dạ dày – tá tràng 68

5.1.3.1 Những bệnh lý dạ dày thường gặp 68

5.1.3.2 Nguyên nhân bệnh dạ dày - tá tràng 68

5.2 Nội soi dạ dày – tá tràng 70

5.2.1 Khái niệm nội soi dà dày – tá tràng 70

5.2.2 Những trường hợp cần thực hiện nội soi 70

5.2.3 Chống chỉ định của phương pháp soi dạ dày – tá tràng 70

5.2.3.1 Chống chỉ định tuyệt đối 70

5.2.3.2 Chống chỉ định tương đối 71

5.2.4 Đơn vị nội soi tiêu hóa 71

5.2.5 Trang thiết bị của phòng nội soi 71

5.2.6 Công tác chuẩn bị 71

5.2.7 Các bước làm thủ thuật 72

5.2.8 Lưu trữ và xuất kết quả nội soi 72

5.2.9 Những ích lợi và hạn chế của phương pháp nội soi dạ dày – tá tràng 73

5.2.9.1 Lợi ích về chuẩn đoán 73

5.2.9.2 Lợi ích về điều trị 73

5.2.9.3 Hạn chế 74

5.2.9.4 Một số biến chứng sau quá trình nội soi 74

5.2.9.5 Tai biến 74

5.3 Nội soi với dải tần ánh sáng hẹp 74

5.3.1 Sơ lược về nội soi với dải tần ánh sáng hẹp 74

5.3.2 Nội soi dải tần ánh sáng hẹp cho hình ảnh ưu việt hơn 76

5.3.3 Ích lợi của nội soi dải tần ánh sáng hẹp 76

5.4 Nội soi viên nang 78

5.4.1 Tìm hiểu về viên nang nội soi 78

5.4.2 Ưu điểm của nội soi viên nang 79

PHẦN KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH



Hình 1.1 Sóng điện từ 4

Hình 1.2 Hiện tượng phản xạ ánh sáng 7

Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần 9

Hình 1.4 Sự khúc xạ qua mặt cầu 10

Hình 1.5 Tiêu cự, tiêu điểm của mặt cầu khúc xạ 12

Hình 1.6 Độ phóng đại 13

Hình 1.7 Hình dạng của thấu kính 13

Hình 1.8 Thấu kính mỏng 14

Hình 1.9 Sự khúc xạ ánh sáng qua thấu kính mỏng 14

Hình 1.10 Tiêu điểm, tiêu cự của thấu kính mỏng 16

Hình 1.11 Vẽ ảnh qua thấu kính mỏng (a hội tụ; b phân kỳ) 18

Hình 1.12 Hệ đồng trục lý tưởng 19

Hình 1.13 Tiêu điểm ảnh của hệ đồng quy 19

Hình 1.14 Tiêu điểm vật của hệ đồng trục 20

Hình 1.15 Đường truyền tia sáng qua hệ đồng trục 21

Hình 1.16 Ảnh của một vật qua hệ đồng trục 22

Hình 1.17 Hiện tượng cầu sai dọc 25

Hình 1.18 Hiện tượng sắc sai 26

Hình 1.19 Hiện tượng Cosma 26

Hình 1.20 Hiện tượng độ cong trường 27

Hình 1.21 Hiện tượng méo ảnh 27

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản sợi quang, gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding) 28

Hình 2.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang 28

Hình 2.3 Khẩu độ số sợi quang 29

Hình 2.4 Dạng phân bố chiết suất trong lõi sợi SI 30

Hình 2.5 Ánh sáng đi trong sợi SI 31

Hình 2.7 Ánh sáng đi trong sợi GI 31

Hình 2.8 Ánh sáng đi trong sợi đa mode 33

Hình 2.9 Ánh sáng đi trong sợi đơn mode 33

Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch đo 41

Hình 3.2 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán 41

Hình 3.3 Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm ba OPA ghép nối điện trở 42

Hình 3.4 Sơ đồ mạch khử điện áp lệch 43

Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện áp 43

Hình 3.6 Sơ đồ mạch cầu 44

Hình 3.7 Cảm biến ảnh CCD 45

Hình 4.1 Máy nội soi video đầu tiên 48

Hình 4.2 Đầu ống nội soi của máy GIF – H260 52

Hình 4.3 Đầu ống nội soi của máy GIF – Q260 52

Hình 4.4 Đầu ống nội soi của máy GIF – XQ260 53

Hình 4.5 Đầu ống nội soi của máy GIF – XP260 53

Hình 4.6 Máy nội soi GIF – 2T160 54

Hình 4.7 Máy nội soi GIF – Q160 54

Hình 4.8 Máy nội soi GIF – Q160Z 55

Hình 4.9 Máy nội soi GIF – 1T140 56

Hình 4.10 Sơ đồ mặt trước của máy nội soi OLYMPUS – GIF – 2T10 57

Hình 4.11 Sơ đồ khối chức năng của máy nội soi OLYMPUS – GIF – 2T10 59

Hình 4.12 Cấu tạo ống nội soi bên ngoài 60

Hình 4.13 Cấu tạo ống nội soi bên trong 61

Hình 4.14 Đầu nội soi 61

Hình 4.15 Quan sát ảnh với góc 0º 62

Hình 4.16 Quan sát ảnh với góc 90º 62

Hình 4.17 Các góc quay của đầu nội soi 62

Hình 4.18 Cấu tạo ống nội soi có gắn cảm biến CCD 63

Hình 4.19 Sơ đồ khối bảng mạch điều khiển chính 64

Hình 4.20 Biến áp cách ly 64

Hình 4.21 Đèn Halogen sử dụng để tạo nguồn sáng 65

Hình 5.1 Cấu tạo dạ dày 66

Hình 5.2 Cấu tạo tá tràng 67

Hình 5.3 Viêm dạ dày 69

Hình 5.4 Viêm hành tá tràng 69

Hình 5.5 Loét dạ dày 69

Hình 5.7 Loét hành tá tràng 69

Hình 5.7 Polyp dạ dày 69

Hình 5.8 Nội soi dạ dày – tá tràng 72

Hình 5.9 Cơ chế lọc ánh sáng khác biệt của hệ thống NBI 75

Hình 5.10 Viên nang nội soi 78

Hình 5.11 Tấm điện cực 79

Hình 5.12 Máy thu dữ liệu 79

DANH MỤC BẢNG



Bảng 1.1 Thang sóng điện từ 5 Bảng 1.2 Quan hệ giữa các màu đơn sắc và bước sóng 6

PHẦN MỞ ĐẦU



1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý học là môn khoa học nghiên cứu về vật chất và sự tương tác, nó được xem

là ngành khoa học cơ bản vì các định luật vật lý chi phối tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác

Vật lý ứng dụng khắp tất cả các lĩnh vực trong đời sống xã hội, hầu hết những gì chúng ta nhìn thấy xung quanh đều có sự hiện diện của vật lý

Y học là một ngành khoa học quan trọng và vật lý với những đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực y tế đã góp phần tạo nên những thành tựu tiêu biểu trong việc bảo

vệ và chăm sóc sức khỏe cho con người Một số ứng dụng tiêu biểu của vật lý trong y học: dùng laser để trị tật cho mắt, cắt bỏ ung/bướu; chụp X quang; sử dụng cấu trúc nano để trị bệnh, nghiên cứu tác động của điện từ trường lên sức khỏe của con người,…

Ngày nay, khi khoa học ngày một tiến bộ đời sống con người ngày càng được nâng cao thì nhu cầu về chế độ ăn uống đầy đủ của con người càng được chú trọng hơn và phong cách sống cũng có những thay đổi Tuy nhiên, đó cũng là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các loại bệnh mới trong thời kì phát triển, trong đó các bệnh liên quan đến dạ dày ngày càng gia tăng nhanh chóng Nhiều thế kỷ trước, khi kĩ thuật còn rất hạn chế, con người có thể chữa bệnh bằng cách vấn đáp trực tiếp về tình hình sức khỏe của bệnh nhân sau đó tiến hành bắt mạch rồi kê toa bốc thuốc Tiến bộ hơn một bậc, người ta đã có thể tiến hành phẩu thuật để điều trị những bệnh lý xuất hiện bên trong cơ thể con người Tuy nhiên, những phương pháp chữa trị trên chưa thật sự hiệu quả và còn nhiều hạn chế Vì vậy phương pháp điều trị bằng nội soi ra đời, nó đánh dấu bước phát triển vượt bậc trong việc phát hiện sớm những thay đổi bệnh lý bên trong cơ thể con người một cách chính xác và nhanh chóng Phương pháp nội soi giúp cho việc điều trị tiến hành sớm hơn và mang lại kết quả cao hơn

Đây cũng là lý do tôi chọn đề tài “ Tìm hiểu máy nội soi Olymbus – Gift – 2T10

và ứng dụng trong y học”

Những nguyên tắc, những hiện tượng vật lý nào được ứng dụng trong máy nội soi? Máy nội soi hoạt động như thế nào và những thành tựu mà nó đạt được là gì?

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nội soi đóng vai trò quan trọng trong y học, đặc biệt nội soi tiêu hóa lại càng quan trọng hơn Đề tài được xây dựng với mục đích tìm hiểu sơ lược về máy nội soi tiêu hóa sợi mềm khi nhìn nhận ở khía cạnh vật lý để thấy được những ứng dụng vật lý

áp dụng vào máy nội soi và sau đó đưa ra những ứng dụng thực tiễn mà phương pháp nội soi mang lại

3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Tìm hiểu về các dụng cụ quang học

- Sơ lược về sợi quang và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang

- Một số khái niệm cơ bản về cảm biến, tìm hiểu cảm biến hình ảnh

- Tìm hiểu máy nội soi Olympus – Gift – 2T10 và nguyên tắc hoạt động

- Ứng dụng phương pháp nội soi trong chuẩn đoán và điều trị

4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Những ứng dụng vật lý trong máy nội soi rất nhiều nhưng vì thời gian và kiến thức có hạn nên tôi chỉ tìm hiểu một số ứng dụng vật lý tiêu biểu ở phần ống soi (phần quan trọng nhất của máy nội soi) Bên cạnh đó, máy nội soi cũng chỉ được giới thiệu một cách tổng quan và máy nội soi Olympus – Gift – 2T10 cũng không phải là thiết bị nội soi hiện đại nhất hiện nay

5 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

 Phương pháp

- Tra cứu các nguồn tài liệu liên quan tới máy nội soi và phương pháp nội soi

- Tìm hiểu về những ứng dụng của phương pháp nội soi, sưu tầm hình ảnh

- Nghiên cứu lý thuyết chuyên ngành sau đó tìm đọc, tổng hợp, phân tích, trích lọc,… những tài liệu có liên quan

 Phương tiện

- Các giáo trình chuyên ngành vật lý, công nghệ thông tin và truyền thông, y khoa

- Các bài viết, báo cáo, đồ án nghiên cứu về thiết bị y tế

6 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nhận đề tài từ GVHD, thảo luận cùng GVHD đưa ra hướng giải quyết cho đề tài

- Tìm hiểu và nghiên cứu những tài liệu liên quan đến đề tài để viết đề cương sơ

bộ

- Viết đề cương sơ bộ và nộp cho GVHD chỉnh sửa

- Tiến hành viết báo cáo và chỉnh sửa

- Báo cáo

Cuối thế kỷ 18, xuất hiện đồng thời hai giả thuyết về ánh sáng Đó là thuyết hạt của Newton và thuyết sóng của Huyghens

Cuối thế kỷ 19, trên cơ sở so sánh sự giống nhau giữa sóng ánh sáng và sóng điện từ Maxwell đã thiết lập thuyết điện từ ánh sáng

Tuy nhiên đến đầu thế kỷ 20, với việc khám phá ra hiệu ứng quang điện của Hertz ánh sáng lại quay về với bản chất hạt Năm 1905, với thuyết photon của mình Einstein đã khẳng định ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt

Ngày nay, khoa học hiện đại thừa nhận ánh sáng có tính sóng lẫn tính hạt, hay nói cách khác ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt Thuyết điện từ ánh sáng và thuyết photon được coi là hai thuyết đúng đắn về bản chất ánh sáng

1.1.1 Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng

Từ năm 1865, Maxwell đã kết luận rằng ánh sáng là sóng điện từ Kết luận này được thực nghiệm chứng minh là đúng

Theo thuyết sóng điện từ, ánh sáng truyền đến một điểm được đặc trưng bằng 2 vectơ tại điểm đó: vectơ cường độ điện trường E⃗ và vectơ cường độ từ trường H⃗ Hai vectơ này vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền ánh sáng, chúng có giá trị thay đổi theo thời gian Trường hợp đơn giản nhất có thể biểu diễn:

ban đầu Khi ánh sáng truyền đến điểm M nào đó cách O một khoảng x thì tại đó

cường độ điện trường E⃗ và cường độ từ trường H⃗ thay đổi theo quy luật:

v là tốc độ lan truyền ánh sáng của môi trường chứa hai điểm O và M

Khi ánh sáng truyền đến mắt ta chỉ có thành phần điện trường gây cảm giác sáng, còn thành phần từ trường không gây cảm giác sáng nên khi ta xét tương tác của ánh sáng với nguyên tử, phân tử vật chất ta chỉ cần quan tâm đến thành phần điện trường Biểu thức:

Khi ánh sáng truyền trong chân không, nó có tốc độ cực đại, ký hiệu là c (c = 300.000 km/s) Gọi bước sóng ánh sáng trong chân không là ta có:

n gọi là chiết suất của môi trường Biểu thức này cho ta thấy bản chất của chiết suất

của môi trường Để đơn giản sau này nói đến bước sóng ta hiểu đó là bước sóng trong

Trong quang phổ học, đặc biệt là quang phổ miền hồng ngoại người ta dùng một

đại lượng khác đó là số sóng, kí hiệu là f

Đối với miền ánh sáng nhìn thấy, mỗi chùm ánh sáng có bước sóng xác định gây nên một cảm giác màu sắc nhất định, ngược lại với mỗi chùm đơn sắc tương ứng với

một vùng bước sóng hẹp Bảng 1.2 cho ta quan hệ tương đối giữa các màu đơn sắc và

Ánh sáng gồm những hạt rất nhỏ gọi là photon hay lượng tử ánh sáng Mỗi photon mang một năng lượng xác định là:

hf

Trong đó h = 6,625.10 -34 J.s gọi là hằng số Planck còn f là tần số của sóng ánh sáng

ứng với photon đó

Trong chân không photon truyền đi với một tốc độ xác định là c = 3.10 8 m/s Mỗi

photon truyền đi trong môi trường thì có lưỡng tính sóng hạt vì theo Einstein mỗi

photon có tốc độ c, năng lượng  hf , khối lượng m (khối lượng động, photon không

có khối lượng tĩnh) được xác định theo công thức   mc2 Kết hợp với (1.12) ta suy ra:

hf h h

p mc

c cT 

Với p = mc là động lượng của photon đặc trưng cho tính chất hạt, là bước sóng đặc

trưng cho tính chất sóng (sóng điện từ)

Cường độ của một chùm tia sáng sẽ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian

1.2 Những định luật cơ bản của quang hình học

1.2.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Định luật được phát biểu:

“Trong một môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng, ánh sáng truyền theo đường thẳng”

Khi ánh sáng truyền qua những lỗ thật nhỏ hoặc gặp những chướng ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật trên không còn đúng nữa

1.2.2 Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng

Định luật được phát biểu:

“Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau Nghĩa là, tác dụng của một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác”

1.2.3 Hai định luật của Descartes

Thực nghiệm xác định rằng, khi tia sáng OI tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì tia sáng bị tách thành hai tia: tia phản xạ IR 1

1.2.3.2 Định luật khúc xạ ánh sáng

Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ

là một số không đổi

1 21 2

sinsin

i n

n 21 là một số không đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường, được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1

Nếu n 21 > 1 thì i 2 < i 1, tia khúc xạ gần pháp tuyến và môi trường 2 được gọi là

chiết quang hơn môi trường 1 Ngược lại, nếu n 21 < 1 thì i 2 > i 1, tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn và môi trường 2 kém chiết quang hơn môi trường 1

 Chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối

Nếu gọi v1và v2là vận tốc ánh sáng trong môi trường 1 và 2, từ thực nghiệm chứng tỏ:

1 21 2

v n v

Đối với không khí v ≈ c nên n ≈ 1

Ta tìm mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối của hai môi trường và chiết suất tuyệt đối của chúng Từ (1.16) có thể viết:

v v v n

Nếu môi trường thứ nhất là không khí thì n 1 ≈ 1 và n 21 ≈ n 2 Do đó có thể coi chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với không khí

1.2.3.3 Dạng đối xứng của định luật Descartes

Từ (1.15) và (1.18) có thể viết:

2 21 1

sinsin

n i

n

Hay:

n 1 sini 1 = n 2 sini 2 (1.20) Biểu thức (1.20) là dạng đối xứng của định luật Descartes

1.2.4 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Hai điều kiện để hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra:

- Thứ nhất là ánh sáng phải đi từ môi trường chiết quang mạnh hơn sang môi trường chiết quang kém hơn, thí dụ đi từ nước ra không khí Khi đó ta có:

n 1 sini 1 = n 2 sini 2

Ở đây vì n 1 > n 2 nên i 1 < i 2, tức là góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ Khi tăng góc tới

thì góc khúc xạ cũng tăng, nhưng luôn luôn có i 1 < i 2 Khi góc khúc xạ i 2 = 900 thì góc

tới đến một giá trị gọi là góc tới giới hạn (i g)

- Thứ hai là góc tới phải lớn hơn (hay tối thiểu là bằng) góc tới giới hạn, tức là:

Đặt một điểm sáng P trên trục chính của mặt cầu (trục đi qua đỉnh O và tâm C)

Ta xét sự khúc xạ của hai tia sau: tia đặc biệt PO truyền thẳng, dọc theo trục chính và tia PM đi gần trục gặp mặt cầu tại điểm M dưới góc tới i, khúc xạ qua mặt

cầu dưới góc khúc xạ ′ và cắt tia PO tại ′ Điểm ′ là ảnh của điểm P sau mặt cầu

Chọn chiều dương để tính các đoạn thẳng là chiều truyền của tia sáng, góc là đỉnh O của mặt cầu Đặt OPd , OPd và OCR Chú ý d, d , R là các giá trị

đại số, trên Hình 1.4 thì d có giá trị âm, d và R có giá trị dương

Vì tia PM đi gần trục nên góc α rất bé, ta có: POPM và P O P M

n

n

+

M

Công thức (1.25) là công thức của mặt cầu khúc xạ và được xây dựng với giả

thiết điểm P là thật, nhưng cũng đúng trong trường hợp P là điểm ảo

1.3.1.3 Độ tụ, tiêu cự, tiêu điểm của mặt cầu khúc xạ

Đối với một mặt cầu khúc xạ cho trước thì đại lượng n n

R

  của công thức (1.25)

là một lượng không đổi Nó đặc trưng cho khả năng khúc xạ nhiều hay ít và được gọi

là độ tụ của mặt cầu khúc xạ, ký hiệu Φ:

n n R

 

Đơn vị của độ tụ trong hệ SI là điốp (dp)

Từ công thức (1.25) có hai trường hợp đặc biệt:

Khi = −∞ (vật sáng điểm P nằm trên trục chính, ở xa vô cực, chùm tia tới mặt cầu được xem là song song với trục chính), ta có:

Khoảng cách OF  f được gọi là tiêu cự thứ hai của mặt cầu khúc xạ Điểm

là tiêu điểm chính thứ hai của nó Đó chính là điểm hội tụ của chùm tia song song với trục chính khi khúc xạ qua mặt cầu

Khi d   (ảnh nằm trên trục chính, ở xa vô cực, chùm tia ló ra khỏi mặt cầu song song với trục chính), ta có:

Hình 1.5 Tiêu cự, tiêu điểm của mặt cầu khúc xạ

Trường hợp điểm sáng P ở xa vô cùng nhưng nằm ngoài trục chính thì chùm tia

tới sẽ song song với một trục phụ nào đó và điểm hội tụ của chùm tia này gọi là tiêu điểm phụ

Mặt phẳng chứa các tiêu điểm gọi là mặt phẳng tiêu hay tiêu diện Đối với các chùm tia đi gần trục chính, một cách gần đúng có thể coi tiêu diện là mặt phẳng đi qua tiêu điểm chính và vuông góc với trục chính

Từ các công thức (1.26), (1.27) và (1.29) ta có thể biểu diễn công thức mặt cầu dưới dạng:

1.3.1.4 Độ phóng đại ảnh

Ảnh của một đoạn thẳng vuông góc với trục chính cho bởi mặt cầu khúc xạ cũng

là một đoạn thẳng vuông góc với trục chính

Vì chỉ xét các tia gần trục, các góc i, nhỏ nên có:tanisin , tani isini

Mặt khác theo định luật khúc xạ: nsininsini

Từ các công thức trên suy ra:

Sau đây ta chỉ xét các thấu kính có giới hạn là mặt cầu Trên Hình 1.8 O1, O2 là

đỉnh; R 1 , R 2 là bán kính của các mặt cầu giới hạn Khoảng cách d = O1O2 gọi là bề dày

của thấu kính Nếu bề dày d của thấu kính rất nhỏ so với các bán kính và so với

khoảng cách từ thấu kính đến vật và tới ảnh thì thấu kính được gọi là thấu kính mỏng

Các đường thẳng qua tâm O và không trùng với trục chính được gọi là trục phụ

1.3.2.2 Công thức của thấu kính mỏng

Xét một thấu kính mỏng giới hạn bởi hai mặt cầu có các đỉnh là O1 và O2, các

bán kính là R 1 và R 2 chiết suất là n Môi trường trước và sau thấu kính có chiết suất n 1

Đối với mặt cầu thứ hai (đỉnh O2) vật là điểm , ảnh là điểm , ta có:

1.3.2.3 Độ tụ, tiêu cự, tiêu điểm của thấu kính mỏng

Độ tụ của thấu kính mỏng được định nghĩa như sau:

So sánh độ tụ của thấu kính mỏng và độ tụ của mặt cầu khúc xạ ta thấy rằng độ

tụ của thấu kính mỏng bằng tổng độ tụ của hai mặt cầu khúc xạ giới hạn nó:

1 2

Từ công thức của thấu kính mỏng ta rút ra hai trường hợp:

Khi = −∞ (vật sáng điểm P ở xa vô cực nhưng nằm trên trục chính, chùm tia tới coi như song song với trục chính), ta có:

Khoảng cách OF  flà tiêu cự thứ hai và là tiêu điểm chính thứ hai của thấu kính mỏng (Hình 1.10 a,b)

Khi d   (ảnh nằm trên trục chính, ở xa vô cực, chùm tia ló song song với trục chính), ta có:

Khi Φ > 0 thì f  0: chùm tia tới song song với trục chính qua thấu kính và hội

tụ tại tiêu điểm chính thứ hai Trường hợp này là tiêu điểm thật, thấu kính được gọi là thấu kính hội tụ

Khi Φ < 0 thì f  0: chùm tia tới song song với trục chính qua thấu kính trở thành chùm tia phân kỳ có đường kéo dài đồng quy ở Tiêu điểm là tiêu điểm ảo Thấu kính trong trường hợp này được gọi là thấu kính phân kỳ

1.3.2.4 Vẽ ảnh qua thấu kính mỏng Độ phóng đại

Để các định vị trí ảnh của một điểm bất kỳ trên vật ta vẽ hai trong số ba tia đặc biệt sau:

- Tia tới song song với trục chính cho tia ló (hay đường kéo dài của nó) đi qua tiêu điểm chính

- Tia tới (hay đường kéo dài của nó) đi qua tiêu điểm chính F, cho tia ló song

song với trục chính

- Tia tới đi qua quang tâm O sẽ truyền thẳng

Tương tự như mặt cầu khúc xạ, độ phóng đại của ảnh qua thấu kính được xác

Mặt phẳng chứa các tiêu điểm gọi là tiêu diện Thấu kính mỏng có hai tiêu diện

là hai mặt phẳng vuông góc với trục chính và đi qua các tiêu điểm chính

Hai mặt phẳng chứa vật AB và chứa ảnh gọi là hai mặt phẳng liên hợp

Nếu ta tìm được vị trí đặt vật AB sao cho độ phóng đại = +1 (ảnh có độ lớn bằng vật và cùng chiều với vật) thì hai mặt phẳng liên hợp của nó được gọi là mặt phẳng chính

Giao điểm các mặt phẳng chính với trục chính gọi là các điểm chính Đối với thấu kính mỏng, hai mặt phẳng chính trùng nhau và trùng với mặt phẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với trục chính Do đó hai điểm chính của thấu kính mỏng trùng nhau và trùng với quang tâm O

1.3.3 Hệ đồng trục

1.3.3.1 Định nghĩa

Một hệ thống gồm nhiều môi trường trong suốt, đồng chất, có chiết suất khác nhau ngăn cách bởi những mặt cầu (hoặc mặt phẳng) có tâm cùng nằm trên một đường thẳng được gọi là hệ đồng trục

Đường thẳng đi qua tâm các mặt cầu gọi là trục chính của hệ

1.3.3.2 Các phương pháp nghiên cứu hệ đồng trục

Có hai phương pháp để nghiên cứu hệ đồng trục:

- Phương pháp thứ nhất: Xét sự khúc xạ ánh sáng từ mặt cầu này sang mặt cầu khác

- Phương pháp thứ hai: Tìm những điểm và những mặt phẳng đặc biệt đặc trưng cho hệ Sử dụng phương pháp này thì các tính toán trở nên đơn giản hơn vì không cần

để ý đến đường truyền thật của ánh sáng trong hệ và kết quả thu được tương tự như đối với mặt cầu khúc xạ và thấu kính mỏng

1.3.3.3 Các tiêu điểm chính, mặt phẳng chính, điểm chính, tiêu cự của hệ đồng trục

Một hệ đồng trục được coi là lý tưởng khi một chùm đồng quy qua nó vẫn là một chùm đồng quy

Xét một hệ đồng trục lý tưởng có hai mặt ngoài cùng là và và bên trong gồm nhiều mặt ngăn cách Trục chính của hệ là

Chùm tia song song với trục chính tới hệ khi ra khỏi hệ vẫn là chùm đồng quy Tùy thuộc vào hệ cụ thể mà chùm đồng quy có thể là chùm hội tụ (Hình 1.13a), chùm phân kỳ (Hình 1.13b) hay chùm song song (Hình 1.13c)

Hình 1.13 Tiêu điểm ảnh của hệ đồng quy

Điểm nằm trên trục chính là giao điểm của những tia ló ra khỏi hệ (hoặc đường kéo dài của chúng) gọi là tiêu điểm chính thứ hai (hay tiêu điểm ảnh) của hệ Trường hợp đặc biệt, chùm tia ló ra khỏi hệ vẫn là chùm tia song song với trục chính thì nằm ở vô cùng Tiêu điểm chính thứ hai này có thể là thật hay ảo và nằm bên trong hoặc bên ngoài hệ Hệ đồng trục này được gọi là hệ vô tiêu

Người ta cũng chứng minh được rằng, phía trước hệ bao giờ cũng có một điểm F nằm trên trục chính, sao cho chùm tia xuất phát từ F hoặc đồng quy tại F sau khi ra khỏi hệ sẽ cho chùm tia song song với trục chính Điểm F đó được gọi là tiêu điểm

chính thứ nhất (hay tiêu điểm vật) của hệ

Hình 1.14 Tiêu điểm vật của hệ đồng trục

Tiêu diện chính thứ nhất và tiêu diện chính thứ hai của hệ là các mặt phẳng

vuông góc với trục chính tại các tiêu điểm F và

Chùm tia sáng phát ra từ một điểm bất kỳ nằm trên tiêu diện thứ nhất sau khi qua

hệ sẽ cho chùm tia ló song song với trục chính Chùm tia sáng song song với trục chính sau khi qua hệ sẽ cho chùm tia ló đồng quy tại một điểm trên tiêu diện thứ hai

Ta tìm vị trí đặt vật sao cho độ phóng đại = +1 tức là ảnh của nó qua hệ đồng trục có độ lớn bằng vật và cùng chiều với vật

chính F, như hình 1.15

Hình 1.15 Đường truyền tia sáng qua hệ đồng trục

Tia 1 qua tiêu điểm chính thứ nhất F tới mặt khúc xạ đầu tiên tại I Sau khi

truyền qua hệ tới mặt khúc xạ cuối cùng tại rồi ló ra khỏi hệ theo phương song song với trục chính (tia 1 )

Tia 2 song song với trục chính tới mặt khúc xạ đầu tiên tại K rồi tới mặt khúc xạ

cuối cùng tại và cho tia ló ra khỏi hệ theo phương đi qua tiêu điểm thứ hai (tia

2 )

Chùm tia (12) tới hệ là chùm đồng quy tại P và sau khi ra khỏi hệ chùm ló (1

-2 ) vẫn đồng quy tại Điểm là ảnh của điểm P cho bởi hệ đồng trục và chúng là

hai điểm liên hợp

Mặt phẳng HP và H vuông góc với trục chính và đi qua các điểm P và gọi

là hai mặt phẳng liên hợp Khi đặt vật trong mặt phẳng này thì khi qua hệ sẽ cho ảnh

trong mặt phẳng kia với độ phóng đại = +1

Mặt phẳng HP gọi là mặt phẳng chính thứ nhất còn H gọi là mặt phẳng chính thứ hai

Giao điểm H và của các mặt phẳng chính với trục chính gọi là các điểm chính thứ nhất và điểm chính thứ hai của hệ

Khoảng cách từ điểm chính thứ nhất H tới tiêu điểm chính thứ nhất F gọi là tiêu

cự thứ nhất f của hệ: f HF

Tương tự ta có tiêu cự thứ hai f của hệ: f H F 

Chiều dương để lấy các giá trị đại số của f và f cùng với chiều truyền ánh sáng

1.3.3.4 Vẽ ảnh của vật qua hệ đồng trục

Ta có thể vẽ ảnh của một vật cho bởi hệ một cách dễ dàng nhờ các tia đặc biệt khi biết các mặt phẳng chính và các tiêu điểm chính của hệ đồng trục

Vẽ ảnh của vật AB có dạng một đoạn thẳng nhỏ vuông góc với trục chính (Hình

1.16), trước hết ta vẽ ảnh của điểm B nằm ngoài trục chính bằng cách vẽ từ B hai tia

đặc biệt sau:

- Tia 1 song song với trục chính cắt mặt phẳng chính thứ nhất tại P, sau khi qua

hệ tia ló của nó (tia 1 ) sẽ đi từ điểm trên mặt phẳng chính thứ hai sao cho HP =

H và đi qua tiêu điểm chính thứ hai

- Tia 2 đi qua tiêu điểm chính thứ nhất và cắt mặt phẳng chính thứ nhất tại K, tia

ló của nó (tia 2 ) sẽ đi từ điểm trên mặt phẳng chính thứ hai sao cho = và

ló ra song song với trục chính

Hình 1.16 Ảnh của một vật qua hệ đồng trục

Giao điểm của hai tia ló là ảnh của điểm B Từ dựng đoạn thẳng vuông góc với trục chính và cắt nó tại , chính là ảnh của vật AB qua hệ

Nếu môi trường trước và sau hệ có chiết suất bằng nhau thì tia tới 3 đi qua điểm

chính thứ nhất H sẽ cho tia ló (tia 3 ) đi qua điểm chính thứ hai và song song với tia tới Khi đó có thể sử dụng hai trong ba tia đặc biệt trên để vẽ ảnh của một vật nằm ngoài trục chính

Đây là công thức Niutơn của hệ đồng trục

 Công thức Gauss (tìm mối liên hệ giữa d d , với f f , của hệ)

Từ Hình 1.16, ta có:

xFAFH HA HFHA  f d

xF A F H H A  H F H A  fdThay x x, vào (1.53), ta có:

Trong đó n n, là chiết suất môi trường trước và sau hệ

Trường hợp chiết suất môi trường trước và sau hệ khác nhau nn:

+ Khi tiêu điểm F là ảnh thật của vật ở xa vô cực thì f  0 và Φ > 0 Hệ này được gọi là hệ hội tụ

+ Khi tiêu điểm F là ảnh ảo của vật ở xa vô cực thì f  0 và Φ < 0 Hệ này được gọi là hệ phân kỳ

+ Khi tiêu điểm F ở xa vô cực thì f   và Φ = 0 Hệ này gọi là hệ vô tiêu

Trường hợp chiết suất môi trường trước và sau hệ bằng nhau nn thì từ công thức độ tụ ta có:

> 0 khi y và cùng dấu hay ảnh cùng chiều với vật

< 0 khi y và khác dấu hay ảnh ngược chiều với vật

Chú ý: các công thức của hệ đồng trục giống các công thức của thấu kính mỏng

và mặt cầu khúc xạ nhưng giữa chúng có sự khác nhau quan trọng:

- Mặt cầu khúc xạ và thấu kính mỏng chỉ có một điểm chính trùng đỉnh của mặt

cầu hay quang tâm của thấu kính Điểm này lấy làm gốc để xác định các đoạn thẳng f,

f  và d,

- Hệ đồng trục có hai điểm chính H và Điểm H làm gốc để xác định các đoạn

f,d Điểm làm gốc để xác định các đoạn f ,

1.3.4 Những sai sót của một hệ quang học

Như đã biết vật điểm chỉ cho ảnh điểm qua các hệ quang học cũng như qua một

hệ quang học khi chùm tia tới là chùm tia đơn sắc và đi gần trục (tức là điều kiện tương điểm phải thỏa mãn) Nhưng trong thực tế, ít có chùm tia đơn sắc nên khi truyền qua ánh sáng bị tán sắc và trong thực tế chùm tới cũng là chùm rộng Vì những lí do

đó nên chùm tia ló ra khỏi hệ không còn đồng quy tại một điểm, nghĩa là có sự sai lệch của ảnh so với vật Những sai sót này còn gọi là quang sai

Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu một số dạng sai sót chủ yếu của hệ quang học

1.3.4.1 Cầu sai dọc

Một chùm sáng rộng phát ra từ điểm A trên trục chính của một thấu kính hội tụ (Hình 1.17a) Các tia tới phần giữa của thấu kính (gần quang tâm hơn) bị khúc xạ ít hơn so với các tia tới phần rìa của thấu kính, do đó các tia ló cắt trục chính tại nhiều điểm khác nhau Hay nói cách khác, điểm A qua thấu kính không phải là một ảnh mà

là vô số ảnh nằm trên đoạn Nếu đặt màn quan sát vuông góc với trục chính trong khoảng đến thì thấy ảnh của điểm A không phải là một điểm mà là một vệt sáng tròn Dạng sai sót trên gọi là cầu sai dọc

Hình ảnh cầu sai dọc cũng có thể thu được khi ta cho chùm tia rộng song song với trục chính tới thấu kính (Hình 1.17b) Trong đó các tia đi gần hội tụ tại F , còn các tia khác đi xa trục hơn và cắt trục chính tại các điểm nằm giữa và

Khoảng cách  s  f f r giữa hai điểm và F rđược gọi là độ cầu sai dọc hay

độ cầu sai

Hình 1.17 Hiện tượng cầu sai dọc

Như vậy, nguyên nhân tạo ra cầu sai dọc là do các tia sáng của chùm tia rộng đến gặp thấu kính bị khúc xạ với các góc khác nhau

Để khử cầu sai dọc người ta ghép các thấu kính hội tụ và phân kỳ có bán kính và chiết suất thích hợp khác nhau

1.3.4.2 Sắc sai

Khi dùng ánh sáng không đơn sắc thì sau khi qua thấu kính các tia ló không hội

tụ tại một điểm mà hội tụ tại những điểm khác nhau, nằm trong khoảng từ A t đến A đ

(Hình 1.18) Dạng sai sót này gọi là sắc sai

Nguyên nhân của sắc sai là do hiện tượng tán sắc ánh sáng Do chiết suất thấu kính phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng nên khúc xạ của các tia ló có màu sắc khác nhau là khác nhau Tia đỏ bị khúc xạ ít nhất, tia tím bị khúc xạ nhiều nhất nên điểm hội tụ của tia tím gần thấu kính hơn điểm hội tụ đ của tia đỏ Do đó ảnh của điểm