Ernst Abbe (1840-1905)

Ernst Abbe là nhà toán học và vật lí học lỗi lạc người Đức, người đã có một số đóng góp quan trọng nhất cho sự thiết kế thấu kính dùng cho kính hiển vi quang học. Khi còn nhỏ, Abbe sống trong một gia đình nghèo khó. Cha ông phải làm việc mỗi ngày 16 giờ đồng hồ để nuôi vợ và con. Abbe tự tìm đường học vấn bằng cách tìm học bổng và cùng với sự giúp đỡ của ông chủ của cha ông.

Abbe học vật lí và toán học với tư cách sinh viên tại trường Đại học Jena và sau đó thì vào trường Đại học Göttingen, nơi ông lấy bằng tiến sĩ nhiệt động lực học. Năm 1863, Abbe vào làm tại Đại học Jena, ông giảng dạy vật lí học. Ông gặp Carl Zeiss vào năm 1866 và bắt đầu hết sức quan tâm với các vấn đề quang học thuộc lĩnh vực hiển vi học giữa thế kỉ 19.

Cùng với Zeiss, Abbe đã lập ra một công ti và ông là giám đốc nghiên cứu của Zeiss Optical Works vào cuối năm 1866. Trong sáu năm tiếp sau đó, Zeiss và Abbe đã làm việc cật lực để thiết lập các nền tảng khoa học cho sự thiết kế và chế tạo các hệ quang học tiên tiến. Năm 1869, họ đã giới thiệu một “thiết bị chiếu sáng” mới được thiết kế để tăng thêm hiệu quả của sự rọi sáng hiển vi. Ba năm sau đó, vào năm 1872, Abbe thiết lập lí thuyết sóng của sự tạo ảnh hiển vi của ông và định nghĩa cái sau này gọi là “Điều kiện Sin Abbe”. Vài năm sau đó, Zeiss bắt đầu tung ra đội hình 17 vật kính hiển vi được thiết kế trên cơ sở các tính toán lí thuyết của Abbe. Trích phát biểu của Abbe:

“Dựa trên một nghiên cứu chính xác của các chất liệu được sử dụng, các thiết kế mà tính toán vừa đề cập đến chi tiết cuối cùng – mọi độ cong, mọi bề dày, và mọi lỗ hở của thấu kính – cho nên mọi thử nghiệm và sai sót đều bị loại trừ”.

Những thấu kính này lần đầu tiên được thiết kế dựa trên lí thuyết quang sóng âm và các định luật vật lí. Chất lượng cao của các vật kính Zeiss đã mang về cho hãng Zeiss tiếng tăm khắp năm châu về chất lượng và đổi mới.

Tuy nhiên, vẫn còn đó một số vấn đề khó khăn, vì chất lượng của thủy tinh quang học sản xuất trong thời kì ấy không đủ cao để mang lại độ phân giải lí thuyết mà điều kiện sin Abbe đòi hỏi. Thủy tinh sử dụng trong chế tạo thấu kính dùng cho kính hiển vi không đồng nhất và có xu hướng chịu sự phân tách pha khi nguội đi. Điều này dẫn tới sự biến thiên chiết suất trong thủy tinh, và sóng ánh sáng đi qua thấu kính chế tạo bằng loại thủy tinh này bị gãy khúc không theo quy tắc. Độ phân giải cao là không thể đạt được. Abbe chuyển sang một số ý tưởng nêu ra bởi nhà chế tạo đồng hồ người Thụy Sĩ, Pierre Louis Guinaud, người vài năm trước đó đã phát triển một phương pháp khuấy trộn thủy tinh nóng chảy để làm tăng tính đồng nhất của hỗn hợp.

Ngay cả với sự cải tiến này, Abbe vẫn không bị thuyết phục rằng không đã đạt tới giai đoạn cao nhất của hiệu suất ở thủy tinh quang học. Ông đã gặp Otto Schott vào năm 1881; Schott là một nhà hóa học người thủy tinh với một bằng tiến sĩ ngành vật lí ở trường Đại học Jena. Trong vài năm sau đó, Abbe và Schott đã phát triển một vài công thức thủy tinh mới và tiến hành điều chỉnh đối với hỗn hợp và quá trình tôi luyện để loại trừ các khiếm khuyết bên trong và chế tạo ra thủy tinh quang học có chiết suất đồng đều. Năm 1884, Schott, Abbe và Zeiss đã thành lập một công ti mới tên gọi là Schott and Sons ở Jena, nước Đức. Thực nghiệm tiếp tục với các công thức thủy tinh và kĩ thuật phân tách đã mang lại những kết quả tốt đẹp và vào năm 1886, họ đã giới thiệu một loại vật kính mới, kính tiêu sắc.

Vật kính tiêu sắc là những thấu kính hiển vi chính xác nhất và hiệu quả nhất từng được chế tạo. Chúng loại trừ sắc sai và đưa khả năng phân giải của kính hiển vi đến giới hạn mà nó được sử dụng ngày nay. Đúng như Abbe tính toán, không có lượng tinh chế thủy tinh hay tính toán lí thuyết nào về hình dạng thấu kính có thể thoát khỏi giới hạn của độ phân giải đối với ánh sáng nhìn thấy, giá trị đó vào khoảng nửa micron.

Người bạn thân của Abbe, Carl Zeiss, qua đời vào hôm 03/12/1888, và ông xem đây là một tổn thất to lớn. Năm 1889, Abbe thành lập Carl Zeiss Foundation để tưởng niệm người bạn quá cố của mình, và vào năm 1891 ông đã chuyển phần vốn của ông trong Optical Workshop và Schott Glassworks sang công ti mới. Abbe quản lí Zeiss Optical Works và đã đưa ra một số ý tưởng đổi mới giúp cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân. Những ý tưởng này là đi trước thời đại nhiều năm, nhưng ngày nay chúng được áp dụng rộng rãi, thí dụ như ngày làm việc tám giờ, trả lương cho ngày lễ, ngày nghỉ ốm đau, và lương hưu.