การสะท้อนกลับทั้งหมด

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
มุมที่เล็กกว่าคือมุมปกติ (สีแดง) มุมที่ใหญ่กว่าคือ มุมที่สะท้อนกลับทั้งหมด (สีน้ำเงิน) (แยกสีเพื่อช่วยเกิดความเข้าใจ ไม่เกี่ยวข้องกับสีของแสง)

การสะท้อนกลับทั้งหมด คือ ปรากฏการณ์แสงลักษณะหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อรังสีของแสง ตกกระทบกับพื้นผิวของตัวกลาง ในมุมที่กว้างกว่า มุมวิกฤต เกิดขึ้นเฉพาะกรณีที่ ดัชนีหักเหของตัวกลาง ต่ำกว่า ดัชนีหักเหของของตัวกลางที่อยู่อีกด้านหนึ่งของพื้นผิวตกกระทบ โดยที่แสงไม่ผ่านออกไป และ แสงทั้งหมดสะท้อนกลับ โดยใช้กฎการสะท้อน

เมื่อแสงข้ามผ่านเส้นแบ่งระหว่างตัวกลางสองชนิด ที่มีดัชนีหักเหที่แตกต่างกัน ลำแสงอาจเกิดการหักเห ที่พื้นผิวของตัวกลางใหม่ หรือ อาจเกิดการสะท้อนกลับทั้งหมด ขึ้นกับว่ามุมตกกระทบ มากกว่า มุมวิกฤตหรือไม่ ทั้งนี้เกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ แสงเดินทางมาจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมากกว่า [n1=higher refractive index] ไปยังตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อยกว่า[n2=lower refractive index] ยกตัวอย่างเช่น เมื่อแสงเดินทางจากแก้วไปยังอากาศ

คำอธิบายทางทัศนศาสตร์[แก้]

เรย์บ๊อกซ์ รูปครึ่งวงกลม
การทดลองการสะท้อนกลับทั้งหมด ในวัสดุอะคลีลิก
การสะท้อนกลับทั้งหมดในบล็อกรูปยาว ที่ทำจากวัสดุ PMMA

การสะท้อนกลับทั้งหมด สามารถแสดงตัวอย่างได้โดยใช้ บล็อกแก้วครึ่งวงกลม ที่เรียกว่า เรย์บ๊อกซ์ โดยการส่องลำแสงเข้าไปในบล็อกแก้ว รูปร่างครึ่งวงกลมทำให้เกิดด้านเรียบ ซึ่งด้านที่เรียบนี้จะเป็นพื้นผิวตกกระทบให้กับลำแสงที่เราส่องเข้าไป ด้านผิวครึ่งวงกลมทำให้ไม่เกิดการหักเหที่ เส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง อากาศ ไปสู่ แก้ว สำหรับที่ด้านเรียบซึ่งเป็น เส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง แก้ว ไปสู่ อากาศ จะเกิดปรากฏการณ์ใดขึ้นกับ มุมตกกระทบ เมื่อ θc เป็นมุมวิกฤตที่วัดได้ จาก แสงอาทิตย์ หรือ แหล่งกำเนิดแสง

  • ถ้า θ < θc, ลำแสงจะแบ่งเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับออกมาจากเส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง และ อีกส่วนหนึ่งจะหักเหผ่านออกไป
  • ถ้า θ > θc, ลำแสงจะสะท้อนกลับทั้งหมด ที่เส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การสะท้อนกลับทั้งหมด

หลักฟิสิกส์นี้ ทำให้เกิดผลิตภัณท์ต่างๆเช่น เส้นใยแสง (ออปติกไฟเบอร์) ปริซึม ในกล้องส่องทางไกลแบบสองตา อีกทั้งยังเป็นพื้นฐานให้กับ การเจียระไนเพชร เพื่อให้เกิดการสะท้อนที่น่าชวนมอง

มุมวิกฤต[แก้]

มุมวิกฤต คือมุมอุบัติการณ์เบื้องต้น ของการเกิดการสะท้อนกลับทั้งหมด มุมตกกระทบที่เกิดการสะท้อนกลับทั้งหมดจะถูกวัดเทียบกับมุมตกกระทบที่เกิดเหตุการณ์ปกติ ที่เส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง เมื่อพิจารณาลำแสงที่ผ่านจาก แก้ว ไปสู่ อากาศ ในเหตุการณ์ปกติแสงจะผ่านออกไปสู่อากาศ แต่เมื่อ มุมตกกระทบเพิ่มขึ้นอย่างเพียงพอ มุมที่แสงผ่านออก จะเพิ่มขึ้นไปถึง มุมตั้งฉาก คือ ที่ตำแหน่ง 90องศา ณ จุดนี้จะไม่มีแสงผ่านออกไปสู่อากาศ อีกต่อไป จึงเรียกมุมนี้ว่า มุมวิกฤต มุมวิกฤต \theta_c ตามกฎของสเนลล์:

นำกฎของสเนลล์มาจัดเรียงใหม่ เราจะได้  \sin \theta_i = \frac{n_2}{n_1} \sin \theta_t เพื่อหามุมวิกฤต เราทำการหาค่าของ  \theta_i เมื่อ  \sin \theta_t = 90 {}^\circ ผลลัพธ์ที่ได้คือค่าของ \theta_i ซึ่งเท่ากับ มุมวิกฤต \theta_c
และเราสามารถแทนค่า \theta_i เราจะได้สูตรในการหาค่ามุมวิฤตเป็นดังนี้:
\theta_c = \theta_i = \arcsin \left( \frac{n_2}{n_1} \right)

เมื่อมุมตกกระทบมีค่าเท่ากับมุมวิกฤตพอดี ลำแสงสะท้อนจะตั้งฉากกับ เส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง เพื่อการยกตัวอย่าง ลำแสงที่มองเห็นได้ เดินทางผ่าน แผ่นอะคริลิก (ที่มีค่าดัชหักเหเท่ากับ 1.50) เข้าไปสู่อากาศ (ที่มีค่าดัชนีหักเหเท่ากับ 1.00). การคำนวณหาค่าของมุมวิกฤต สำหรับตัวกลาง อะคลีลิก ไปสู่ อากาศ ทำได้ดังนี้

\theta _{c}=\arcsin \left( 1.00/1.50 \right)=41.8{}^\circ

ลำแสงตกกระทบที่ เส้นแบ่งเขตระหว่างตัวกลาง ถ้ามีค่าน้อยกว่า 41.8° จะเกิดปรากฏการณ์ ส่องผ่านบางส่วนสะท้อนบางส่วน แต่เมื่อมุมตกกระทบมีค่ามากกว่า 41.8° จะเกิดปรากฏการณ์ สะท้อนกลับทั้งหมด จะไม่มีแสงส่องผ่านไปยังอากาศเลย

ถ้าค่าเศษส่วน: \frac{n_2}{n_1} มีค่ามากกว่า 1 การคำนวณหา arcsine จะไม่สามารถทำได้ ในความหมายนี้คือจะไม่มีทางเกิด การสะท้อนกลับทั้งหมด ไม่ว่ามุมตกกระทบนั้นจะมีค่ามากแค่ไหน หรือน้อยแค่ไหนก็จะไม่เกิด ปรากฏการณ์สะท้อนกลับทั้งหมด

ดังนั้นมุมวิกฤต จะมีค่าก็ต่อเมื่อ \frac{n_2}{n_1} มีค่าน้อยกว่า 1

การนำไปใช้งาน[แก้]

  • เส้นใยแสง ที่ใช้งานหลากหลายด้านเช่นใน กล้องเอ็นโดสโคป สำหรับงานด้านการแพทย์ และ ในงานด้านโทรคมนาคม.
  • อุปกรณ์ตรวจวัดฝน สำหรับรถยนต์ ที่ใช้ในการควบคุมที่ปัดน้ำฝนอัตโนมัติ
  • อุปกรณ์ที่น่าสนใจอื่นๆที่ใช้ การสะท้อนกลับทั้งหมด เพื่อการคัดกรองแสง [1]
  • กล้องส่องทางไกลแบบสองตา ใช้หลักการสะท้อนกลับทั้งหมด เพื่อให้ได้ภาพที่คมชัด
  • จอแสดงภาพแบบมัลติทัช ใช้ด้านตรงข้ามของการสะท้อนกลับทั้งหมดในการรวมภาพจากกล้อง เพื่อให้ ซอฟต์แวร์ บันทึกการกำหนดตำแหน่งแบบหลายตำแหน่งพร้อมๆกัน
  • Gonioscopy เพื่อดูมุมทางกายวิภาคศาสตร์ ระหว่าง คอร์เนีย กับ ไอริส (อวัยวะภายในลูกนัยน์ตา)
  • Gait analysis CatWalk,[2] เป็นเครื่องมือที่ใชัหลักการสะท้อนกลับทั้งหมดในการรวมภาพ จากกล้องความเร็วสูง ในการวิเคราะห์ พื้นที่จำเพาะที่ทำการเฝ้าดูในห้องทดลองปฏิบัติการ
  • Fingerprint เป็นเครื่องมือที่ใช้หลักการสะท้อนกลับทั้งหมด ในการบันทึกภาพถ่ายลายมือบุคคล โดยไม่ต้องใช้หมึก
  • Flashlights lenses.[3]

ตัวอย่างที่พบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน[แก้]

ภาพการสะท้อนกลับทั้งหมดของเต่าทะเลสีเขียว มองเห็นได้ที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศ

การสะท้อนกลับทั้งหมดสามารถพบเห็นได้ เมื่อเราไปว่ายน้ำ เมื่อเรามองจากใต้น้ำจะเห็นได้ว่า ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศ มีสภาพเหมือนกระจก ตัวอย่างที่พบเห็นได้ง่ายที่สุดคือ การสะท้อนกลับทั้งหมดของ แสงจากเพชร ซึ่งส่องความเป็นประกายให้เห็นได้อย่างเด่นชัด

อ้างอิง[แก้]

  1. Moreno, Ivan; J. Jesus Araiza, Maximino Avendano-Alejo (2005). "Thin-film spatial filters" (PDF). Optics Letters 30 (8): pp. 914–916. Bibcode:2005OptL...30..914M. doi:10.1364/OL.30.000914. PMID 15865397. 
  2. "Catwalk". Noldus.com. สืบค้นเมื่อ 26 August 2010. 
  3. "Lenses". Surefire.com. สืบค้นเมื่อ 26 August 2010. 

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]