Quang sai ở hệ thấu kính pptx

Quangsai ở hệ thấu kính
Kínhhiển vi vàcác thiếtbị quang học khác thườngbị ảnhhưởngbởi các lỗi
thấu kínhlàmméo ảnh bởi nhiều cơ chế đa dạng liên quan tới những khiếm
khuyết (thường được gọi là chunglà quangsai) có nguồn gốc từ dạng hình cầucủa
các bề mặt thấu kính. Có ba nguồn gốc chính của hoạtđộng thấu kính không lí
tưởng được quansát thấy ở kính hiển vi.
Trongsố ba loại sai sótchủ yếu củathấu kính, hai loại liên quantới sự định
hướngcủa đầusóng và tiêu diệnso với trụcquang củakínhhiển vi.Những loại sai
sót này bao gồm các lỗi thấu kínhtrên trục như sắc saivà cầu sai, và cáclỗ ngoài
trụcchủ yếubiểu hiện như coma,loạnthị, và cong trường. Loại quangsai thứ ba,
thường thấy trongkính hiển vi ghi hình nổicó hệ thấu kính phóngto/thunhỏ, là
sự méo hình, gồm cả méo tang trống và méo gối cắm kim.
Nói chung, hệ quả cuối cùng của quang saitrong kính hiển vilà nó gây ra các
khiếmkhuyết ở những đặc trưng nhỏ xíu và chi tiếtmẫu vật của ảnhquan sátthấy
hoặc ghi hình kĩ thuật số.Thấu kínhnhân tạo được dùng lần đầu tiêntrong kính
hiển vivào thế kỉ thứ 18khi nhàchế tạo thiết bị người London JohnDollondphát
hiện thấy sự sắc sai có thể được làm giảm hoặc loại trừ bằngviệc sử dụng kết hợp
hai loại thủytinh khác nhau để chế tạo thấu kính. Vàithập kỉ sau, trongthế 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 dạnghình học với thấu kính. Các chất thủy tinh hiệnđại
và chất phủ chống phản xạ, cùngvới kĩ thuật mài vàchế tạo tiên tiến, đã loại trừ đa
số quangsai khỏi vật kínhkính hiển vi ngày nay. Tuy nhiên, vẫn phải quan tâm tới
những hiện tượng nhân tạo này, nhất là khi kiểm soát kính hiểnvi kĩ thuật số độ
phóngđại cao,hoặc khilàm việc với kínhhiển vi ảnh nổi cóhệ thấukính 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 ravì thấu kính khúc xạ các màu khácnhau trong ánh sáng
trắngở những góc khácnhau theo bước sóng(xemhình 1). Ánhsángđỏ không bị
khúcxạ cùng góc như ánh sáng lụchoặc ánh sáng lam nên tiêu điểm trên trục
chínhcủa thấu kính hơi lệch xathấu kính hơn đối với ánh sángđỏ. Tương tự, ánh

sáng lục bị hộitụ gần thấu kính hơn ánhsáng đỏ, và ánh sánglam bị hội tụ trong
một mặt phẳng gần thấu kính nhất. Hiện tượng này thường đượcgọilà sự tán sắc
và xảyra ở một mức độ nhất địnhđối với tất cả các thấu kínhcó dạng cầu.Sự bất
lực của thấukínhtrongviệc mangtất cả màu sắcvào mộtmặt phẳng tiêu chung
làm cho kích thước ảnh vàtiêu điểm đối với mỗi trongba bướcsóng chiếm ưuthế
hơi khácđi. Kết quả làmột vân màu hay quầng hào quang xuất hiện xungquanh
ảnh, với màu củaquầnghào quangthayđổi khi tiêu điểm củavật kínhthay đổi.
Sắc saithường đi kèm với sự chênh lệch độ phóng đại ảnh xuấthiện như là
một hệ quả của sự thay đổi mặt phẳng tiêuđối vớimỗi nhóm màu, một hiệu ứng
thường được gọi làsự lệch sắc phóng đại.Quang sai thuộc loại này có thể đượclàm
giảm đáng kể, hoặc loại trừ, bằng cách chế tạo các thấu kính ghép gồm từng
nguyêntố thấu kính cóđặc điểmtán sắc màu khác nhau. Nhiều loại thấu kính
quangđa dạnghiện có sẵn cho cácnhà thiếtkế thấu kính.Ví dụ, thủy tinh crowncó
tính chất tán sắc cho phép nó ghép đôi tronghệ đôi thấu kínhcùng với nguyên tố
thấu kínhthủy tihn flint để tạo ramột hệ đôi thấu kính tiêu sắc làm hội tụ cácbước
sóng lamvà đỏ trong cùng mặtphẳng ảnh.Một quang hệ có công thức thủy tinhvà
hình dạng càng phức tạp, tinhvi, càng có khả nănglàm giảm sự sắc sai.
Cầu sai
Một khiếm khuyết khác cóthể gây hệ quả nghiêm trọng lên ảnh tạo bởi kính
hiển vi,sự cầu sai, có nguyên nhândo sử dụng cácthấu kínhcó bề mặt hình cầu,
hiện tại thì đó là phươngpháp thực tiễn duynhấtđể chế tạothấu kính. Cầu sai xảy
ra khi sóngánhsáng truyền qua vùng ngoài rìa của thấu kínhkhông được mang
vào hội tụ chính xác với sóng ánh sáng truyền qua vùngchính giữa (xem hình 2
cho mộtví dụ sử dụngánhsáng đơn sắc đỏ).Kết quả là mặt phẳng ảnh rạch ròi
khôngtồn tại, và mẫu vật không thể được hội tụ chính xác. Lấy ví dụ,một nguồn
sáng điểm sẽ xuất hiện dưới dạng một đốmbao quanhbởi quầng sángchói hoặc
dải vân nhiễu xạ khi kính hiển vi được mangvào tiêu điểm “tốt nhất” của nó.
Những mẫu vật phức tạp có chiều dày đáng kể thườngbị mờ đi nên không nhận ra
được, nhất là tại vùng biên của tầm nhìn.
Việc hiệu chỉnh quang hệ (như kínhhiển vichẳng hạn) đối với sự cầu sai

thường được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp một nguyên tố thấu kínhdương
với một nguyên tố thấu kínhâm có bề dày khác nhau,chúng đượcdán với nhau
hình thành nên một nhóm thấu kính phức hợp. Cầu sai rất quan trọng về mặt độ
phân giải của thấu kính vì chúng ảnh hưởngtới sự tạo ảnh trùng khớp của các
điểm dọc theo trục chính vàlàm giảm hiệu suất củathấu kính, điều đó sẽ ảnh
hưởngnghiêm trọng đếnđộ sắc nét và rõ ràng của mẫu vật. Những khiếm khuyết
thấu kínhnày có thể thường xuyên được giảm bớtbằng cách hạn chế phơi sáng đối
với vùngrìa của thấu kínhbằngmàn chắn,và cũngcó thể sử dụng các mặt thấu
kính không có dạng cầu bên trong quang hệ.
Các vật kính kính hiển vihiện đại chất lượng cao nhất sử dụng sự cầu sai
trong một số cách, gồm các kĩ thuật mài thấu kínhđặc biệt, các công thức thủy tinh
cải tiến, và điềukhiển tốthơnđường đi của ánh sáng. Vật kínhđượchiệu chỉnh cao
đối với sự cầu sai thường đượcthiết kế trongnhững điềukiện đặcbiệt, như hạn
chế chặt chẽ chiều dày lớp thủytinh tráng, tẩm dầu và dungsai chiết suấthẹp. Các
vòng đệmhiệuchỉnh có thể điều chỉnhđược cósẵn trên một số vật kính không dầu
rất khôlà do sự thay đổi bề dàylớp thủy tinh tráng. Người điều khiển kính hiểnvi
phải nghiên cứucẩn thận các yêu cầu cơ bản của vật kính chuyên dụngđể làm cho
sự cầu sai nhất định không xảy ra do sử dụngvật kính dưới những điều kiện mà nó
khôngđược thiết kế để hoạt động.
Coma
Tương tự vớisự cầu sai ở nhiều mặt, coma nói chung bị gặp phải với các tia
sáng ngoài trục và sẽ gay gắtnhất khikính hiển vi không được canh hàng thích
hợp. Quangsaiđược đặttên dosự tươngđồng mạnhmẽ của nóvới hình dạng của
đuôisao chổi, vàrõ ràng bằng một vệt ánhsáng trông như phát ra từ một đốm tập
trung tạivùng rìa của tầm nhìn. Comathườngđược xemlàquangsai khó giải
quyết nhất vì tính không đối xứng mà nó tạora trong ảnh. Vídụ, vào mộtngày
nắng đẹp, khi một kínhphóng đại được dùng để hội tụ ảnh của MặtTrời lên vỉa hè,
quangsai comacó thể nhìn thấy trong ảnhkhi kính phóng đại nghiêng đi so vớicác
tia chủ yếu đến từ Mặt Trời.Ảnh củaMặt Trời,khi chiếulên bê tông, sẽ kéo dàira
thành một hình giống như sao chổi đặc trưng của sự quang sai coma.

Hình dạng khácbiệt hiển thị bởi ảnh chịusự quang sai coma là kết quả của
sự chênh lệchkhúcxạ bởi các tia sáng truyền qua các đới thấu kính khác nhau khi
góc tới trở nên xiên hơn (ngoài trục). Tính khắc nghiệtcủa quangsai coma là một
hàm của hình dạng thấu kính mỏng.Ở mức độ lớn nhất,coma làm cho các tiakinh
tuyến truyền quarìa củathấu kínhđến tại mặt phẳng ảnh gầntrụcchính hơnso
với các tia sáng truyền quaphần giữa củathấu kính (và gần trục chính hơn, như
minh họa tronghình 3). Trong trường hợp này, các tia sáng vùng rìa tạo raảnh
nhỏ nhất và quang sai comađược gọi là âm.Trái lại, khi các tia vùng rìa hội tụ xa
xuống dưới trụcchính để tạo ra ảnhlớn hơnnhiều, thì quangsai đó được gọi là
dương.Hình “sao chổi” có “đuôi”của nó hướng về tâm củatầm nhìn hoặc ra xatùy
thuộcvào quangsai tương ứngcó giá trị âm hoặc dương. Mứcđộ quang sai càng
lớn đốivới những thấukính cókhẩu độ càng rộng,và có thể được hiệu chỉnh (một
phần)bằngcách giảm kích thướckhẩu độ.Các nhà chế tạo kính hiển vi luôncố
gắnghiệu chỉnh sự quang saicoma để điều chỉnhđườngkính của trườngvật cho
một kết hợp vật kính vàthị kính cho trước.
Loạn thị
Quangsai loạn thị tương tự như coma; tuynhiên, hiện tượng này không
nhạy với kích thước khẩu độ và phụ thuộcnhiều vào góc xiêncủa chùm tia sáng.
Sự quang sainày biểu hiện bởi ảnhngoài trục của một vật điểm xuất hiện dưới
dạng một đoạn thẳng hoặc elipthayvì là một điểmriêng biệt.Tùy thuộc vào góc
của chùmtia sáng ngoài trục đi vào thấu kính, ảnh đoạn thẳng có thể hướng theo
hai hướngkhác nhau (xemhình 4):kinh tuyến hoặc vĩ tuyến. Tỉ số cườngđộ của
ảnh đơnvị sẽ giảm bớt, với độ rõ nét,độ chi tiết, và độ tương phảnbị mất khi
khoảng cách tới tâm tăng lên.
Trongkính hiển virẻ tiền, loạnthị thường là kết quả của độ cong thấu kính
khôngđối xứng dosai sót trongchế tạo hoặc gắn khôngkhớplên khungcủanó
hoặc sự địnhhướng bên trong vật kính hìnhtang trống.Lỗiloạn thị thấu kính
thường được hiệu chỉnh bằng cáchthiết kế vật kínhkính hiển vi mang lại khoảng
cách chính xác của từngnguyên tố thấu kínhcũngnhư hìnhdạng thấu kínhvà
chiết suất thích hợp. Sự canh hàngvà điều chỉnhcẩnthậntừng nguyên tố thấu

kính được thực hiện với miếng đệmvà miếng chèn nhằm làm giảm hoặc loại trừ
ảnh hưởngcủa loạn thị.
Cong trường
Cũng thường gọi là sự cong tầm nhìn,sự quang sai này là kếtquả tự nhiên
của việcsử dụng thấu kínhcó các bề mặt cong,rất quenthuộcvới các nhà hiển vi
học có kinhnghiệm. Khi ánh sáng hội tụ qua một thấukính cong,thì mặt phẳng
ảnh tạobởi thấu kính đó sẽ bị cong, như minh họa trong hình5. Ảnh có thể hội tụ
trên mộtvùngnằm giữacác điểm A và B, tạo ra mộtsự hội tụ sắc nét hoặc lên rìa
hoặc lênvùngchính giữa. Được phân loạilà nhómquang sai ngoài trục, sự cong
trường tạo ra mặt phẳngảnh có hình dạngmột mặt cầu lõm (giống như một mặt
thấu kínhlồi) khinhìn từ phía vật kính.Mặcdù các đới liên tiếpcó thể mang vào
hội tụ bằng cách tịnh tiếnvật kính,nhưngtoàn bộ ảnh không thể hội tụ đồng thời
lên mộtmặt phẳng như mặt phẳngphimhoặc bề mặt của bộ cảm biến ảnh CCD
hoặc CMOS.
Các nhà chế tạo quanghọc xử lí sự cong trườngbằng cách thêm vào một
nguyêntố thấu kính hiệu chỉnhchovật kính trongnhữngvật kính trường-phẳng
được thiết kế đặcbiệt. Mặc dù sự hiệu chỉnhquang chosự cong trường yêu cầu
phải thêmmột vài thấu kínhmới,nhưngnhữngvậtkính này(gọilàvậtkínhphẳng)
là loạiphổ biến nhất đượcsử dụng ngày nay. Sự cong trườngít khi bị loạitrừ hoàn
toàn,nhưng ngườita thường khóphát hiện sự cong ở rìa với đa số vật kính đã hiệu
chỉnhphẳng. Kết quả là những mức độ cong trườngrấthạn chế không làmgiảm
giá trị ảnh chụp hiển vi hoặc ảnh kĩ thuậtsố. Hiện tượngnàydiễn ra gay gắt hơn ở
độ phóng đại thấp và có thể là vấn đề nghiêm trọng đối vớiảnh chụp hiển vi.
Méo hình
Méo hìnhlà quang sai quansátthấy phổ biến ở kính hiển vi ảnh nổi, vànó
được biểu hiện bởi sự biến đổi hình dạngcủa ảnhchứ không phải độ nét hoặc phổ
màu sắc. Hai loại méo hìnhthường thấy nhất, méo hình dương và âm (thườnggọi
là méohình gối cắm kimvà hình tangtrống) có thể thường cómặt trong những
ảnh rất sắc nét đã được hiệu chỉnhquang saitốt như đối vớicầu saivà sắc sai,
cũng như coma và loạn thị. Khi ảnh chịu sự méo hình, hình dạng thật củavật không

còn được duy trìtrong ảnh. Hình 6 minh họa sự méo hình gối cắm kimvà méohình
tang trốngtrong ảnh củamột mạch tích hợp vi xử lí của máy tính.
Méo hìnhcó thể khó phát hiện, đặc biệt khiquang saitương đốinhẹ và vật
thiếucấu trúctuần hoàn. Loại hiện tượngnày xảy ra gay gắtnhất ở những vật có
các đườngthẳng, như hìnhlưới, hình vuông,hình chữ nhật, hoặc các hình đa giác
khác sắpxếpđều đặn sẵn sàng biểu hiện sự cong có mặt do méo hình.Méo hình
thường tìm thấy trongcác thiết kế quang sử dụng các hệ thấu kính phức hợp (chụp
ảnh xa,mắt đỏ, và phóng to/thu nhỏ) chứa các thấukính khum, lõm,bán cầu và
thấu kínhlồi dày. Các hệ thấu kínhphức tạp, như ống phóngto/thu nhỏ, có thể có
sự méo hìnhrõ rệt hơn, chúngbiến đổi theo tiêu cự, tạo ra méo hình gối cắmkim ở
tiêu cự dài và méo hìnhtang trống ở tiêu cự ngắn.Vì lí do này nên kínhhiển viảnh
nổi phóngto/thunhỏ thường có một lượngméo hình đáng kể có mặt và các nhà
chế tạo kính hiểnvi phải tiêu tốn nhiều công sắc để làm giảmbớt sự quang sainày.
a