Hiện tượng quang sai của hệ thấu kính.doc

ÁNH SÁNG VÀ THẤU KÍNH (Phần II)
Phần II: Hiện tượng quang sai của hệ thấu kính
Kính hiển vi và các thiết bị quang học khác thường bị ảnh hưởng bởi các lỗi thấu kính làm méo ảnh bởi nhiều cơ chế đa dạng liên quan tới những khiếm khuyết (thường được gọi là chung là quang sai) có nguồn gốc từ dạng hình cầu của các bề mặt thấu kính. Có ba nguồn gốc chính của hoạt động thấu kính không lí tưởng được quan sát thấy ở kính hiển vi.



Trong số ba loại sai sót chủ yếu của thấu kính, hai loại liên quan tới sự định hướng của đầu sóng và tiêu diện so với trục quang của kính hiển vi. Những loại sai sót này bao gồm các lỗi thấu kính trên trục như sắc sai và cầu sai, và các lỗ ngoài trục chủ yếu biểu hiện như coma, loạn thị, và cong trường. Loại quang sai thứ ba, thường thấy trong kính hiển vi ghi hình nổi có hệ thấu kính phóng to/thu nhỏ, là sự méo hình, gồm cả méo tang trống và méo gối cắm kim.
Nói chung, hệ quả cuối cùng của quang sai trong kính hiển vi là nó gây ra các khiếm khuyết ở những đặc trưng nhỏ xíu và chi tiết mẫu vật của ảnh quan sát thấy hoặc ghi hình kĩ thuật số. Thấu kính nhân tạo được dùng lần đầu tiên trong kính hiển vi vào thế kỉ thứ 18 khi nhà chế tạo thiết bị người London John Dollond phát hiện thấy sự sắc sai có thể được làm giảm hoặc loại trừ bằng việc sử dụng kết hợp hai loại thủy tinh khác nhau để chế tạo thấu kính. Vài thập kỉ sau, trong thế kỉ 19, các vật kính tiêu sắc (không bị sắc sai) có khẩu độ số cao được phát triển, mặc dù vẫn còn tồn tại các sự méo dạng hình học với thấu kính. Các chất thủy tinh hiện đại và chất phủ chống phản xạ, cùng với kĩ thuật mài và chế tạo tiên tiến, đã loại trừ đa số quang sai khỏi vật kính kính hiển vi ngày nay. Tuy nhiên, vẫn phải quan tâm tới những hiện tượng nhân tạo này, nhất là khi kiểm soát kính hiển vi kĩ thuật số độ phóng đại cao, hoặc khi làm việc với kính hiển vi ảnh nổi có hệ thấu kính phóng to/thu nhỏ.
Sắc sai
Một trong những khiếm khuyết phổ biến nhất quan sát thấy ở các thấu kính dạng cầu, sự sắc sai, xảy ra vì thấu kính khúc xạ các màu khác nhau trong ánh sáng trắng ở những góc khác nhau theo bước sóng (xem hình 1). Ánh sáng đỏ không bị khúc xạ cùng góc như ánh sáng lục hoặc ánh sáng lam nên tiêu điểm trên trục chính của thấu kính hơi lệch xa thấu kính hơn đối với ánh sáng đỏ. Tương tự, ánh sáng lục bị hội tụ gần thấu kính hơn ánh sáng đỏ, và ánh sáng lam bị hội tụ trong một mặt phẳng gần thấu kính nhất. Hiện tượng này thường được gọi là sự tán sắc và xảy ra ở một mức độ nhất định đối với tất cả các thấu kính có dạng cầu. Sự bất lực của thấu kính trong việc mang tất cả màu sắc vào một mặt phẳng tiêu chung làm cho kích thước ảnh và tiêu điểm đối với mỗi trong ba bước sóng chiếm ưu thế hơi khác đi. Kết quả là một vân màu hay quầng hào quang xuất hiện xung quanh ảnh, với màu của quầng hào quang thay đổi khi tiêu điểm của vật kính thay đổi.
Sắc sai thường đi kèm với sự chênh lệch độ phóng đại ảnh xuất hiện như là một hệ quả của sự thay đổi mặt phẳng tiêu đối với mỗi nhóm màu, một hiệu ứng thường được gọi là sự lệch sắc phóng đại. Quang sai thuộc loại này có thể được làm giảm đáng kể, hoặc loại trừ, bằng cách chế tạo các thấu kính ghép gồm từng nguyên tố thấu kính có đặc điểm tán sắc màu khác nhau. Nhiều loại thấu kính quang đa dạng hiện có sẵn cho các nhà thiết kế thấu kính. Ví dụ, thủy tinh crown có tính chất tán sắc cho phép nó ghép đôi trong hệ đôi thấu kính cùng với nguyên tố thấu kính thủy tihn flint để tạo ra một hệ đôi thấu kính tiêu sắc làm hội tụ các bước sóng lam và đỏ trong cùng mặt phẳng ảnh. Một quang hệ có công thức thủy tinh và hình dạng càng phức tạp, tinh vi, càng có khả năng làm giảm sự sắc sai.
Cầu sai
Một khiếm khuyết khác có thể gây hệ quả nghiêm trọng lên ảnh tạo bởi kính hiển vi, sự cầu sai, có nguyên nhân do sử dụng các thấu kính có bề mặt hình cầu, hiện tại thì đó là phương pháp thực tiễn duy nhất để chế tạo thấu kính. Cầu sai xảy ra khi sóng ánh sáng truyền qua vùng ngoài rìa của thấu kính không được mang vào hội tụ chính xác với sóng ánh sáng truyền qua vùng chính giữa (xem hình 2 cho một ví dụ sử dụng ánh sáng đơn sắc đỏ). Kết quả là mặt phẳng ảnh rạch ròi không tồn