دید کلی

هر جسم یا ماده‌ای که قادر به عبور دادن تابش اپتیکی از خود باشد وسیله اپتیکی است. مهمترین کاربرد شیشه در ساخت عدسی است که بیشتر در عینک مورد استفاده قرار می‌گیرد. عینک یک وسیله اپتیکی است که سبب ایجاد تصویر بر روی لایه دریافت کننده تصویر ، شبکیه می‌باشد. تابش الکترومغناطیسی که از اجزای جهان فیزیکی است طبیعت موجی دارد، در عوض نور یک پدیده فیزیولوژیک است که توسط گیرنده چشمی ، فقط یک قسمت کوچک از طیف تابش الکترومغناطیسی به نام طیف مرئی مشخص می‌کند. هنوز هم با گذشت قرنها از تجربه شیشه‌های معدنی بیشترین استفاده را در ساخت عدسیهای افتالمیک دارند شیشه‌های معدنی مخلوطی آمورف از ایندریدها - سیلیکاتها می‌باشند که از انجام فرآیندهای حرارتی بر روی مواد اولیه شنی بدست می‌آیند.

ضریب شکست n

ضریب شکست شیشه یک عدد حقیقی است، اگر سرعت انتشار تابش در هوای 20 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر یک 1013mbar برابر C باشد و V سرعت انتشار نور در شیشه ، ضریب شکست شیشه از رابطه زیر بدست می‌آید:

رابطه دوم یک رابطه مثلثاتی است که به قانون اسنل (Snell) شهرت دارد:

Sini = سینوس زاویه برخورد و Sinr = سینوس زاویه شکست.


هر چه ضریب شکست یک وسیله اپتیکی نسبت به محیط پرتو تابیده بیشتر باشد پرتو انکساری نسبت به پرتو عمود بر سطح بیشتر منحرف شده و سرعت انتشار آن کمتر است.

پاشندگی

پدیده تغییر ضریب شکست در یک وسیله اپتیکی به صورت تابعی از طول موج پرتو تابیده شده را پاشندگی می‌نامند. یک پرتوی چند رنگ به تعداد پرتوهای تک رنگی که آنرا تشکیل می‌دهد منشأ پرتوهای انکساری است بیشترین انحراف مربوط به پرتوهایی می‌باشد که کمترین طول موج را دارند. میزان پاشندگی از طریق محاسبه رابطه n_f - n_c که در آن c وf نوارهای مشخصه فرانهوفر (Fraunhofer) برای کادمیوم می‌باشد بدست می‌آید. معمولا مقدار n مربوط به تابش زرد در منطقه D نوارهای فرانهوفر در ناحیه جذب سدیم (n_D) می‌باشد. روش استاندارد تعیین ضریب شکست یک ماده بر همین اساس است به این گونه که نمونه‌هایی طبق یک پروتکل استاندارد تعیین شده تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند که در آن مقادیر معین برای وسیکوزیته پرتوهای تابیده با طول موج λ = 587.6nm در دمای 20 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده، این پارامتر از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

n_D - 1 را شکست می‌نامند. در اپتیک افتالمیک شیشه‌های معدنی با مقدار V بزرگتر از 50 را کراون و کمتر 50 را فلنیت می‌نامند. عکس V قدرت پاشندگی است.

• همگن: در صورت همگن بودن خصوصیات اپتیکی در تمام نقاط یکسان است. از نظر علم اپتیک این بدین معنی است که ضریب شکست برای یک پرتو با طول موج معین در تمام نقاط یکسان باشد.
  
  
• ایزوتروپی: در صورت ایزوتروپ بودن ضریب شکست با تغییر جهت پرتو تابیده شده تغییر نمی‌کند.
  
  
• ضریب انتقال یا گذرایی : برای هر طول موج رابطه میان شار خروجی φ_a یک تابش و شار تابیده شده متناظر φ_i را نشان می‌دهد ({TEX()} {\tau} {TEX} = φ_a/φ_i). میزان برای پرتوهای خطرناک مثل UV (فرابنفش) برای مقاصد ما از اهمیت خاصی برخوردار است. دو عبارت دیگر:
  
  
  • کدری (Opacity) که عکس گذرایی است. (1/)
  • چگالی که لگاریتم در پایه 10 کدری است. (log^1/₁₀)
    
    
• ضریب جذب: برای هر طول موج رابطه میان شار جذب شده φ_a و تابیده شده متناظر φ_i را نشان می‌دهد.

شفافیت

اصولا شفافیت بالا همراه نبود ناخالصی (ناشی از اکسیدهای فلزی که در مرحله ذوب در شیشه رنگ ایجاد می‌کنند) ، ناخالصی ، عیوب از قبیل شیار ، ناخالصی ، تاری و جباب می‌باشد. هنگام صحبت از شفافیت باید میان شیشه‌های سفید و رنگی تفاوت قایل شویم. شیشه‌های سفید به دلیل اینکه ذاتا حالت جذب ندارند مناطقی را در طیف به صورت گزینش جذب نمی‌کنند ولی شیشه‌های رنگی به صورت ثابت و یا متغیر در طول موجهای خاص از طیف مرئی جذب گزینشی دارند که خاصیت رنگ را در آنها ایجاد می‌کند.

مزیت بازتابش یا بازتابندگی

ضریب بازتابش φ حاصل تقسیم شار پرتو بازتابیده شده φ_r به شار پرتو تابیده شده φ_i می‌باشد ρ = φ_r/φ_i.
ضریب بازتابش به صورت درصد گزارش می‌شود، در صورتی که φ_i = 10. فرنل (Fresnel) بر اساس تئوری موجی رابطه کلی زیر را برای ضریب بازتابش ρ بدست آورده است:

شیشه کراون

به دلیل سختی ، همگنی و برش آسان مورد توجه است. در صنعت برای ساخت آینه ، شیشه پنجره ، لیوان کریستال مورد استفاده قرار می‌گیرد. شیشه کراون دو عیب اساسی دارد:

• شکننده است، به قطعاتی بزرگ نوک تیز تبدیل می‌شود.
• برای قدرتهای تصحیح بالا ، وزن و ضخامت آن بیش از اندازه است.
  
  افزایش شیشه سازهایی از جنس بور در مخلوط اولیه از قبیل ایندرید بور B₂O₃ و بوراکس a₂B₄O₇ باعث سیال شدن جرم شیشه‌ای می‌شود، در نتیجه کراونی با دانسیته مناسب و پایین به نام بور و سیلیکات بدست می‌آید، افزودن اکسید باریم به عنوان پایدار کننده به میزان بالا به مخلوط کراون ضریب شکست را افزایش می‌دهد، بدون آنکه ضریب پاشندگی را بیش از حد بیافزاید. انواع دیگر کراون با باریم با ضریب شکست 1.6 دارای دانسیته‌ای معادل آنها کراون می‌باشند ولی میزان پاشندگی نور تا حدود 42 درصد کاهش می‌دهد.

شیشه فلینت

شامل مجموعه بزرگی از شیشه‌ها می‌باشد که مورد استفاده در صنایع تولید کریستال قرار می‌گیرد. به دلیل دارا بودن مقادیر متغیر اکسید سرب تا 70 درصد ضریب شکست این نوع شیشه می‌تواند به 1.8 برسد و مقاومت بسیار خوبی در برابر اشعه فرابنفش دارد.

عیوب

• ضریب پاشندگی بالایی دارد در حالیکه میزان بالای جذب در ناحیه آبی طیف مرئی باعث رنگ مایه زرد - قهوه‌ای می‌شود که ممکن است از نظر ظاهری مطلوب نباشد (در عینک).
  
  
• نرم هستند و سطوح آنها براحتی خط بر می‌دارد.
• سنگین هستند.
• بسادگی تراش نمی‌خورند.

شیشه‌های تیتانیوم

ضریب شکست بالا (n_D = 1.7) ، ضریب پاشندگی قابل قبول دارند می‌توان آنها را به طریق شیمیایی باز پخت نمود و تراش با سنگ الماسه جهت بیزته کردن عدسیها ، عینا مشابه شیشه کراون می‌باشد. مقادیر ضریب بازتابش بالا ، قیمت عدسی تیتانیوم دو برابر شیشه کراون است.

شیشه‌های ساخته شده از خاکهای نادر

با بکار گیری این مواد مثل نیوبیوم ، لانتانیوم ، تانتالیوم امکان ساخت شیشه‌های با ضریب شکست بالا ولی با مقادیر قابل قبول ضریب پاشندگی و چگالی زا هم شده است. در این نوع شیشه‌ها افزایش ضریب شکست همراه با افزایش ضریب بازتابش می‌باشد، از اینرو عملیات ضد بازتابش نور در عمل اجباری است.

چشم انداز

خواص شیشه یا هر وسیله اپتیکی فقط خواص اپتیک نیستند، بلکه خواص فیزیکی و شیمیایی آنرا نیز در بر می‌گیرند مثل: مقاومت در برابر سایش و ضربه ، ضریب انبساط حرارتی خطی ، مقاومت در برابر عوامل شیمیایی.

تاریخچه

در قرنهای 11 تا 16 بشر از یک اتاقک تاریک (دوربین اولیه) بعنوان چیزی شبیه به دوربین استفاده می‌کرد. برای این منظور اتاق مکعب مستطیل کوچکی را که هرگز نوری به درون آن راه نمی‌یافت، آماده می‌کردند، در وجه جلوی آن سوراخی به قطر تقریبی یک میلیمتر ایجاد می‌کردند، بدین ترتیب تصاویر صحنه‌های خارج از اتاق را روی دیوار یا پرده در وجه مقابل سوراخ در داخل اتاق منعکس می‌نمودند. البته این عمل بیشتر برای نمایش و سرگرمی بود و هرگز کار عکاسی را انجام نمی‌داد.

نحوه کار دوربینهای اولیه

در سال 1568 دانیلو باربارو این اتاقک تاریک را با یک عدسی و یک دریچه قابل تغییر مجهز نمود. بدین وسیله می‌توانست تصاویر را واضحتر به درون اتاق منعکس کند. در سال 1802 توماس وج وود و همچنین همفری دیوی با استفاده از کاغذ مخصوص تصاویر غیر ثابتی بدست آوردند. این کاغذ آغشته به محلولی بود که هرگاه در برابر نور آفتاب قرار می‌گرفت، رنگ اصلی خود را از دست می‌داد و به کلی سیاه می‌شد. آنگاه چون بر روی این کاغذ تصویر یا جسمی را قرار می‌دادند، قسمتهایی که از تابش نور مصون مانده بود، به رنگ خود باقی می‌ماند و اما سایر قسمتهای کاغذ سیاه می‌شد. بدینگونه شبح نوری از اجسام بر روی آن کاغذ عکاسی می‌شد. با این روش تصویری بدست می‌آمد که آن نیز به مجرد نور دیدن ، رنگ خود را از دست می‌داد و کاغذ یکپارچه سیاه می‌شد.

سیر تحولی و رشد

در سال 1816 جوزف نییپس با یک جعبه جواهرات یک دوربین بسیار ابتدایی ساخت و آن را با ذره بین ، میکروسکوپ نوری مجهز نمود. با این دستگاه او می‌توانست فقط عکسهای منفی بردارد. سرانجام ویلیام تالبوت نخستین کسی بود که توانست عکسهای مثبت هم بردارد، عکسهایی که ثابت و دائمی هم باقی می‌ماندند. این رویداد در سال 1835 رخ داد. در سالهای بعد دوربینهای پیشرفته‌ای به بازار عرضه شده و می‌شود.

ساختمان دوربین عکاسی

دوربین عکاسی از یک اتاقک تاریک تشکیل شده که بر جدارهای آن یک عدسی محدب با فاصله کانونی ثابت قرار دارد. در جدار مقابل این عدسی فیلم و بین فیلم و عدسی دیافراگم وجود دارد. علاوه بر این دوربین به دستگاه تنظیم فاصله (مسافت یاب نوری)، شاتر یا بندان ، نورسنج (طیف سنج نوری) و منظره یاب مجهز است.

طرز کار دوربین عکاسی

در هنگام عکسبرداری عدسی دوربین را جلو و عقب می‌بریم تا آنکه در منظره یاب تصویر واضحی از جسم مورد نظر دیده شود. در این حالت تصویری حقیقی و معکوس می‌تواند روی فیلم تشکیل شود که با فشار دکمه دیافراگم باز می‌شود و نور در مدت مشخص به فیلم می‌رسد و تصویر جسم را روی آن بوجود می‌آورد.

فیلم عکاسی

فیلم عکاسی به گونه خاصی تهیه شده است یعنی آنکه مواد شیمیایی خاصی در بر دارد که نور می‌تواند بر آنها اثر بگذارد و تصویر خارجی بر آن نقش ببندد. یکی از بهترین روشهای عکسبرداری (نورنگاری) ، آشکارسازی تابش بوسیله دانه‌های املاح هالوژنی نقره است. چرا که برای حساس کردن یک بلور هالوژنی نقره تنها چند فوتون کافی است. پس از آنکه یک فیلم نور دهی شد، مقدار تیرگی حاصل در یک خاص به عوامل زیر بستگی دارد:

1. تابندگی به منظور نور دهی
2. طول موج تابش
3. مدت زمان نور دهی
4. شرایط ظهور فیلم

مکانیزم ضبط تصویر روی فیلم

انرژی لازم برای تبدیل برومور نقره یا یدور نقره به نقره عنصری از ماده شیمیایی مورد استفاده در فرآیند ظهور فراهم می‌شود. پیش از ظهور اطلاعات بصورت یک تصویر نهان به شکل دانه‌های حساس شده روی شیشه یا فیلم ذخیره شده است. از ظاهر کردن فیلم یک تصویر منفی( نگاتیو) بدست می‌آید. نگاتیو یعنی خلاف آنچه در صاحب تصویر دیده می‌شود. پس بنابراین قسمتهای روشن صاحب تصویر بر روی فیلم تیره می‌افتد و برعکس قسمتهای تیره آن بصورت روشن نقش می‌بندد.

چون دانه‌های املاح هالوژنی نقره به تنهایی فقط به نور آبی و نور فرا بنفش نزدیک حساسند، باید مواد رنگی یا رنگیزه‌هایی به آنها افزوده شود تا تابش بخشهای دیگر بیناب را جذب کنند و برای حساس کردن دانه‌ها ، مسیر فراهم آورند. فیلمهای فرو سرخ هم موجودند، ولی باید با مراقبت ویژه نگهداری شوند. چون به سبب حساسیت به گرما خیلی زود آسیب می‌بینند.

چاپ عکس

در مرحله چاپ فیلم ، عکس مثبت ( پوزیتیو) بدست می‌آید. پوزیتیو یعنی تصویری که درست مانند خود صاحب تصویر است. برای تهیه عکس مثبت ، فیلم را بر روی کاغذ مخصوصی قرار داده ، سپس از روی آن نوری را عبور می‌دهند. در نتیجه قسمتهای تیره فیلم بر روی کاغذ ، روشن و قسمتهای روشن آن نیز تیره چاپ می‌شود. چنین تصویری درست مطابق همان شخص یا چیزی است که قبلا با دوربین عکس آنها را بصورت نگاتیو برداشته بودیم.

مقدمه

تمام نگاری یک تکنیک انقلابی است که عکسبرداری سه بعدی (یعنی کامل) از یک جسم و یا یک صحنه را ممکن می‌کند. این تکنیک در سال 1948 توسط گابور ابداع شد (در آن زمان به منظور بهتر کردن توان تفکیک میکروسکوپ الکترونی پیشنهاد شد) و بصورت یک پیشنهاد عملی در آمد، اما قابلیت واقعی این تکنیک پس از اختراع لیزر نشان داده شد.
ایجاد هولوگرام

برای ایجاد هولوگرام به یک چشمه نور همدوس که در آن ، امواج همفاز هستند (نور لیزر) نیاز داریم. اساس تمام نگاری به این صورت است که باریکه لیزر بوسیله آینه که قسمتی از نور را عبور می‌دهد، به دو باریکه (بازتابیده و عبوری) تقسیم می‌شوند. باریکه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می‌کند، در حالی که باریکه عبوری جسمی را که باید تمام نگاری شود روشن می‌کند. به این ترتیب قسمتی از نوری که از جسم پراکنده شده هم روی صفحه حساس (فیلم) می‌افتد. به علت همدوس بودن باریکه‌ها یک نقش تداخلی از ترکیب دو باریکه روی صفحه تشکیل می‌شود.

حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی کافی بررسی شود، می‌توان این فریزهای تداخلی را مشاهده کرد. فاصله بین دو فریز تاریک متوالی معمولا حدود 1 میکرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی که صفحه را بوسیله چشم بررسی می‌کنیم به نظر نمی‌رسد که حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد، اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط کاملی از جسم اولیه است (هولوگرام انعکاسی یکی از انواع فراوان هولوگرامهاست).

مشاهده هولوگرام

برای مشاهده هولوگرام باید نور را تحت همان زاویه دسته پرتو اصلی که به هنگام عکسبرداری بر فیلم تابانده‌ایم، بر فیلم بتابانیم. در این صورت نمونه‌های تداخلی مضبوط بر فیلم نور را پراش داده چنان منعکس می‌کنند که جهت و شدت امواج تابشی اصلی ، که به هنگام عکسبرداری ایجاد شده است، مجددا بوجود آید. حال فرض کنید که صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی که در معرض نور قرار داشت باز گردانیم و جسم تحت مطالعه را برداریم..

باریکه بازتابیده اکنون با فریزهای روی صفحه برهمکنش می‌کنند و دوباره در پشت صفحه یک باریکه پراشیده ایجاد می‌کند. بنابراین ناظری که به صفحه نگاه می‌کند جسم را در پشت صفحه می‌بیند، طوری که انگار هنوز هم جسم در آنجاست. هر یک از دو چشم ، هر نقطه مفروض را بواسطه یک نمونه تداخلی جداگانه مشاهده می‌کند. بدین ترتیب برای هر نقطه از تصویر ، ناظر یک تصویر مجازی سه بعدی را پشت صحفه هولوگرافی شناور است، می‌بیند. با تغییر شدت نور که در نتیجه تغییر زاویه مشاهده ، ایجاد می‌شود، چنین می‌نماید که شی در پشت هولوگرام واقعا وجود دارد.

خصوصیات تمام نگاری

یکی از جالبترین خصوصیات تمام نگاری این است که جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می‌دهد، بنابراین با حرکت دادن چشم از محل تماشا می‌توان طرف دیگر جسم را مشاهده کرد. توجه کنید که برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را برآورد:.

1. درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه کافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشکیل شود.
   
   
2. وضعیت نسبی جسم ، صفحه و باریکه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه که حدود چند ثانیه طول می‌کشد تغییر کند. در واقع تغییر محل نسبی باید کمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از در هم شدن نقش تداخلی جلوگیری کند.
   
   
3. قدرت تفکیک صفحه عکاسی باید به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط کند.

کاربرد

تمام نگاری به عنوان یک تکنیک ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تا کنون در کاربردهای هنری داشته است تا در کاربردهای علمی. اما بر اساس تمام نگاری از یک تکنیک تداخل سنجی تمام نگاشتی در کاربردهای علمی به عنوان وسیله‌ای برای ضبط و اندازه گیری واکنشها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است. عکس دو بعدی ، نور را در همه جهات، با شدتی یکسان منعکس می‌سازد.