מפתח נומרי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

מִפְתָ‏‏ח נומרי (Numerical aperture, מסומן כ-NA) הוא פרמטר חסר יחידות המתאר את זווית האיסוף של אור לתוך רכיב אופטי. הגדרת המפתח הנומרי היא שונה במערכות אופטיות שונות.

הגדרה כללית[עריכת קוד מקור | עריכה]

זווית \theta מוגדרת כחצי הזווית שבין הנקודה ממנה מגיע האור, לבין הרכיב האופטי.

ברוב המערכות האופטיות, המפתח הנומרי מוגדר כ: \textrm{NA}=n\cdot\sin\theta, כאשר \ n הוא מקדם השבירה של התווך ו-\ \theta היא חצי זווית הראש של חרוט האור הנאסף אל תוך הרכיב האופטי (ראו שרטוט משמאל). במקרה הכללי ביותר, הנקודה ממנה מגיע האור יכולה להיות במרחקים שונים מהרכיב האופטי, והמפתח הנומרי ישתנה בהתאם.

עבור עדשה או רכיב אופטי הנמצאים בסביבה של אוויר, המפתח הנומרי המקסימלי הוא NA=1.

מפתח נומרי במיקרוסקופיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מכיוון שעדשת אובייקטיב של מיקרוסקופ חייבת להיות במרחק קבוע מהאובייקט עליו מסתכלים על-מנת שהוא יראה ממוקד, ניתן להגדיר את המפתח הנומרי של האובייקטיב (עבור מרחקים שונים הזווית תשתנה, ולכן גם המפתח הנומרי, אבל במרחקים כאלה האובייקט ממילא לא יראה ברור). ככל שהגדלת האובייקטיב גדולה יותר כך מרחק המוקד שלו קטן יותר, כלומר האובייקטיב צריך להיות קרוב יותר לאובייקט, ומכאן שהזווית \ \theta תהיה גדולה יותר ולכן גם המפתח הנומרי יגדל.

ישנם אובייקטיבים שונים שמתאימים לעבוד בסביבה של מים או שמן אימרסיה. מכיוון שמקדמי השבירה שלהם גדולים ממקדם השבירה של אוויר, גם המפתח הנומרי יגדל וערכו יכול להיות גדול מ-1 (מפתח נומרי של אובייקטיבים שונים נע בין הערכים 0.14 ו-1.45).

למפתח הנומרי במיקרוסקופ ישנה חשיבות רבה לקביעת כושר ההפרדה (רזולוציה אופטית) של המיקרוסקופ, כלומר היכולת להבדיל בין שני עצמים הקרובים זה לזה, הנתון על ידי:

\ d=\frac{0.6\lambda}{\textrm{NA}}

כאשר \ \lambda הוא אורך הגל. עצמים הנמצאים במרחק קטן מ-\ d זה מזה יראו כעצם אחד.

מפתח נומרי בצילום[עריכת קוד מקור | עריכה]

Numerical aperture for a lens.svg

בצילום המונח המקובל לשימוש הוא f number (מסומן כ- \ f/\#או כ-\ N) ולא מפתח אופטי, אך יש קשר בין המונחים. f number מוגדר כיחס בין מרחק המוקד של עדשה, \ f, לבין הקוטר שלה, \ D:

\ f/\#=\frac{f}{D}

דמותו של עצם הנמצא באינסוף תיווצר בנקודת המוקד של העדשה, ולכן המפתח הנומרי עבור דמות כזאת נתונה על ידי:

\ \mathrm{NA_i}=n\sin\theta=n\sin\left[ \arctan\left( \frac{D}{2f} \right) \right]\approx n\frac{D}{2f}

בהנחה שמקדם השבירה הוא של אוויר, \ n=1, נקבל את היחס בין מפתח נומרי ל-f number:

\ f/\#=\frac{1}{2\mathrm{NA_i}}

מפתח נומרי בסיבים אופטיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

המפתח הנומרי בסיבים אופטיים מוגדר בצורה שונה ומשמעותו היא זווית האור שיכול להיכנס לתוך הסיב ולהתקדם לאורכו.

בסיב אופטי ישנה ליבה עם מקדם שבירה \ n_1, הגדול ממקדם השבירה של המעטפת, \ n_2. הזווית הקריטית לקבלת החזרה פנימית מלאה נתונה על ידי: \ \sin\theta_c=\frac{n_2}{n_1}.

Fiber optic numerical aperture.svg

נחשב את זווית הכניסה המקסימלית,\ \theta_A כך שהאור הנכנס אל תוך הסיב יוכל להתקדם לאורכו: (ראו איור)

לפי חוק סנל, \ n\sin\theta_A=n_1\sin\theta_R.

ניתן לראות ש-\ \theta_R=90^\circ-\theta_c, ולכן נקבל: \ n\sin\theta_A=n_1\sin(90^\circ-\theta_c)=n_1\cos\theta_c

נשתמש בזהות הטריגונומטרית \ \cos\alpha=\sqrt{1-\sin^2\alpha}, ונקבל את המפתח הנומרי:

\ \textrm{NA}=n\sin\theta_A=n_1\cdot\sqrt{1-\frac{n_2^2}{n_1^2}}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}

דרך נוספת להגדיר את המפתח הנומרי היא בעזרת השינוי היחסי בין מקדמי השבירה של הליבה והמעטפת (בדרך כלל הוא קטן מאוד):

\ \Delta=\frac{n_1^2-n_2^2}{2n_1^2}=\frac{(n_1-n_2)(n_1+n_2)}{2n_1^2}\simeq\frac{(n_1-n_2)\cdot 2n_1}{2n_1^2}=\frac{n_1-n_2}{n_1}

והמפתח הנומרי יוגדר:

\ \textrm{NA}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}=n_1\sqrt{2\Delta}

הזווית \ \theta_A מתארת את "חרוט הקליטה" של הסיב. קרן אור שתיכנס דרך החרוט (כלומר בזווית קטנה מ-\ \theta_A) תתקדם לאורך הסיב (מסומן בכחול באיור) והיא נקראת קרן מונחה (guided ray), לעומת זאת, קרן אור שתגיע מחוץ לחרוט (כלומר בזווית גדולה מ-\ \theta_A) תזלוג החוצה דרך מעטפת הסיב (מסומן באדום באיור) והיא נקראת קרן קורנת (radiated ray).

עבור סיב חד-אופן אי אפשר לדבר על "מודל הקרניים" של האור (אופטיקה גאומטרית), וצריך לעבור למודל גלי של האור. במקרה כזה, הזווית \ \theta תינתן על ידי ההתבדרות של הקרן:

\ \theta=\frac{\lambda}{\pi\omega_0}

כאשר \ \theta נתונה ברדיאנים, \ \lambda הוא אורך הגל, ו-\ \omega_0 הוא רוחב הקרן בתוך הסיב (מחושב בעזרת התדירות המנורמלת, V-number).

טווח הערכים של המפתח הנומרי בסיבים הוא בדרך-כלל 0.1-0.4.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקורות וקישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]