Quang sai ở 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Quang sai ở hệ thấu kính Quang sai ở hệ thấu kính Kính hiển vi và các thiết bị quang học khác thường bị ảnh hưởng bởi các lỗithấu kính làm méo ảnh bởi nhiều cơ chế đa dạng liên quan tới những khiếmkhuyết (thường được gọi là chung là quang sai) có nguồn gốc từ dạng hình cầu củacác bề mặt thấu kính. Có ba nguồn gốc chính của hoạt động thấu kính không lítưởng 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 địnhhướng của đầu sóng và tiêu diện so với trục quang của kính hiển vi. Những loại saisót này bao gồm các lỗi thấu kính trên trục như sắc sai và cầu sai, và các lỗ ngoàitrục 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, làsự 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 cáckhiếm khuyết ở những đặc trưng nhỏ xíu và chi tiết mẫu vật của ảnh quan sát thấyhoặc ghi hình kĩ thuật số. Thấu kính nhân tạo được dùng lần đầu tiên trong kínhhiển vi vào thế kỉ thứ 18 khi nhà chế tạo thiết bị người London John Dollond pháthiện thấy sự sắc sai có thể được làm giảm hoặc loại trừ bằng việc sử dụng kết hợphai 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 dùvẫn còn tồn tại các sự méo dạng hình học với thấu kính. Các chất thủy tinh hiện đạivà chất phủ chống phản xạ, cùng với kĩ thuật mài và chế tạo tiên tiến, đã loại trừ đasố quang sai khỏi vật kính kính hiển vi ngày nay. Tuy nhiên, vẫn phải quan tâm tớinhững hiện tượng nhân tạo này, nhất là khi kiểm soát kính hiển vi kĩ thuật số độphóng đại cao, hoặc khi làm việc với kính hiển vi ảnh nổi có hệ thấu kính phóngto/thu nhỏ. Sắc sai Một trong những khiếm khuyết phổ biến nhất quan sát thấy ở các thấu kínhdạng cầu, sự sắc sai, xảy ra vì thấu kính khúc xạ các màu khác nhau trong ánh sángtrắng ở những góc khác nhau theo bước sóng (xem hình 1). Ánh sáng đỏ không bịkhúc xạ cùng góc như ánh sáng lục hoặc ánh sáng lam nên tiêu điểm trên trụcchính của thấu kính hơi lệch xa thấu kính hơn đối với ánh sáng đỏ. Tương tự, ánhsáng lục bị hội tụ gần thấu kính hơn ánh sáng đỏ, và ánh sáng lam bị hội tụ trongmột mặt phẳng gần thấu kính nhất. Hiện tượng này thường được gọi là sự tán sắcvà xảy ra ở một mức độ nhất định đối với tất cả các thấu kính có dạng cầu. Sự bấtlực của thấu kính trong việc mang tất cả màu sắc vào một mặt phẳng tiêu chunglàm cho kích thước ảnh và tiêu điểm đối với mỗi trong ba bước sóng chiếm ưu thếhơi khác đi. Kết quả là một vân màu hay quầng hào quang xuất hiện xung quanhảnh, 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 làmột hệ quả của sự thay đổi mặt phẳng tiêu đối với mỗi nhóm màu, một hiệu ứngthường được gọi là sự lệch sắc phóng đại. Quang sai thuộc loại này có thể được làmgiảm đáng kể, hoặc loại trừ, bằng cách chế tạo các thấu kính ghép gồm từngnguyên tố thấu kính có đặc điểm tán sắc màu khác nhau. Nhi ều loại thấu kínhquang đa dạng hiện có sẵn cho các nhà thiết kế thấu kính. Ví dụ, thủy tinh crown cótính chất tán sắc cho phép nó ghép đôi trong hệ đôi thấu kính cùng với nguyên tốthấu kính thủy tihn flint để tạo ra một hệ đôi thấu kính tiêu sắc làm hội tụ các bướcsóng lam và đỏ trong cùng mặt phẳng ảnh. Một quang hệ có công thức thủy tinh vàhình 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 kínhhiển 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 xảyra khi sóng ánh sáng truyền qua vùng ngoài rìa của thấu kính không được mangvào hội tụ chính xác với sóng ánh sáng truyền qua vùng chính giữa (xem hình 2cho một ví dụ sử dụng ánh sáng đơn sắc đỏ). Kết quả là mặt phẳng ảnh rạch ròikhông tồn tại, và mẫu vật không thể được hội tụ chính xác. Lấy ví dụ, một nguồnsáng điểm sẽ xuất hiện dưới dạng một đốm bao quanh bởi quầng sáng chói hoặcdải vân nhiễu xạ khi kính hiển vi được mang vào tiêu điểm “tốt nhất” của nó.Những mẫu vật phức tạp có chiều dày đáng kể thường bị mờ đi nên không nhận rađược, nhất là tại vùng biên của tầm nhìn. Việc hiệu chỉnh quang hệ (như kính hiển vi chẳng hạn) đối với sự cầu saithường được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp một nguyên tố thấu kính dươngvới một nguyên tố thấu kính âm có bề dày khác nhau, chúng được dán với nhauhình thành nên một nhóm thấu kính phức hợp. Cầu sai rất quan trọng về mặt độphân giải của thấu kính vì chúng ảnh hưởng tới sự tạo ảnh trùng khớp của cácđiểm dọc theo trục chính và làm giảm hiệu suất của thấu kính, điề ...