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 tại, và mẫu vật không thể được hội tụ chính xác. Lấy ví dụ, một nguồn sáng điểm sẽ xuất hiện dưới dạng một đốm bao quanh bởi quầng sáng chói hoặc dải 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 ra được, nhất là tại vùng biên của tầm nhìn.
Việc hiệu chỉnh quang hệ (như kính hiển vi chẳng hạn) đối với sự cầu sai thường được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp một nguyên tố thấu kính dương với một nguyên tố thấu kính âm có bề dày khác nhau, chúng được dán 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 hưởng tới sự tạo ảnh trùng khớp của các điểm dọc theo trục chính và làm giảm hiệu suất của thấu kính, điều đó sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ sắc nét và rõ ràng của mẫu vật. Những khiếm khuyết thấu kính này có thể thường xuyên được giảm bớt bằng cách hạn chế phơi sáng đối với vùng rìa của thấu kính bằng màn chắn, và cũng có thể sử dụng các mặt thấu kính không có dạng cầu bên trong quang hệ.
Các vật kính kính hiển vi hiện đại chất lượng cao nhất sử dụng sự cầu sai trong một số cách, gồm các kĩ thuật mài thấu kính đặc biệt, các công thức thủy tinh cải tiến, và điều khiển tốt hơn đường đi của ánh sáng. Vật kính được hiệu chỉnh cao đối với sự cầu sai thường được thiết kế trong những điều kiện đặc biệt, như hạn chế chặt chẽ chiều dày lớp thủy tinh tráng, tẩm dầu và dung sai chiết suất hẹp. Các vòng đệm hiệu chỉnh có thể điều chỉnh được có sẵn trên một số vật kính không dầu rất khô là do sự thay đổi bề dày lớp thủy tinh tráng. Người điều khiển kính hiển vi phải nghiên cứu cẩn thận các yêu cầu cơ bản của vật kính chuyên dụng để làm cho sự cầu sai nhất định không xảy ra do sử dụng vật kính dưới những điều kiện mà nó không được thiết kế để hoạt động.
Coma
Tương tự với sự cầu sai ở nhiều mặt, coma nói chung bị gặp phải với các tia sáng ngoài trục và sẽ gay gắt nhất khi kính hiển vi không được canh hàng thích hợp. Quang sai được đặt tên do sự tương đồng mạnh mẽ của nó với hình dạng của đuôi sao chổi, và rõ ràng bằng một vệt ánh sáng trông như phát ra từ một đốm tập trung tại vùng rìa của tầm nhìn. Coma thường được xem là quang sai khó giải quyết nhất vì tính không đối xứng mà nó tạo ra trong ảnh. Ví dụ, vào một ngày nắng đẹp, khi một kính phóng đại được dùng để hội tụ ảnh của Mặt Trời lên vỉa hè, quang sai coma có thể nhìn thấy trong ảnh khi kính phóng đại nghiêng đi so với các tia chủ yếu đến từ Mặt Trời. Ảnh của Mặt Trời, khi chiếu lên bê tông, sẽ kéo dài ra thành một hình giống như sao chổi đặc trưng của sự quang sai coma.
Hình dạng khác biệt hiển thị bởi ảnh chịu sự quang sai coma là kết quả của sự chênh lệch khúc xạ bởi các tia sáng truyền qua các đới thấu kính khác nhau khi góc tới trở nên xiên hơn (ngoài trục). Tính khắc nghiệt của quang sai coma là một hàm của hình dạng thấu kính mỏng. Ở mức độ lớn nhất, coma làm cho các tia kinh tuyến truyền qua rìa của thấu kính đến tại mặt phẳng ảnh gần trục chính hơn so với các tia sáng truyền qua phần giữa của thấu kính (và gần trục chính hơn, như minh họa trong hình 3). Trong trường hợp này, các tia sáng vùng rìa tạo ra ảnh nhỏ nhất và quang sai coma được gọi là âm. Trái lại, khi các tia vùng rìa hội tụ xa xuống dưới trục chính để tạo ra ảnh lớn hơn nhiều, thì quang sai đó được gọi là dương. Hình “sao chổi” có “đuôi” của nó hướng về tâm của tầm nhìn hoặc ra xa tùy thuộc vào quang sai tương ứng có giá trị âm hoặc dương. Mức độ quang sai càng lớn đối với những thấu kính có khẩu độ càng rộng, và có thể được hiệu chỉnh (một phần) bằng cách giảm kích thước khẩu độ. Các nhà chế tạo kính hiển vi luôn cố gắng hiệu chỉnh sự quang sai coma để điều chỉnh đường kính của trường vật cho một kết hợp vật kính và thị kính cho trước.
Loạn thị
Quang sai loạn thị tương tự như coma; tuy nhiên, hiện tượng này không nhạy với kích thước khẩu độ và phụ thuộc nhiều vào góc xiên của chùm tia sáng. Sự quang sai này biểu hiện bởi ảnh ngoài trục của một vật điểm xuất hiện dưới dạng một đoạn thẳng hoặc elip thay vì là một điểm riêng biệt. Tùy thuộc vào góc của chùm tia sáng ngoài trục đi vào thấu kính, ảnh đoạn thẳng có thể hướng theo hai hướng khác nhau (xem hình 4): kinh tuyến hoặc vĩ tuyến. Tỉ số cường độ của ảnh đơn vị sẽ giảm bớt, với độ rõ nét, độ chi tiết, và độ tương phản bị mất khi khoảng cách tới tâm tăng lên.
Trong kính hiển vi rẻ tiền, loạn thị thường là kết quả của độ cong thấu kính không đối xứng do sai sót trong chế tạo hoặc gắn không khớp lên khung của nó hoặc sự định hướng bên trong vật kính hình tang trống. Lỗi loạn thị thấu kính thường được hiệu chỉnh bằng cách thiết kế vật kính kính hiển vi mang lại khoảng cách chính xác của từng nguyên tố thấu kính cũng như hình dạng thấu kính và chiết suất thích hợp. Sự canh hàng và điều chỉnh cẩn thận từng nguyên tố thấu kính được thực hiện với miếng đệm và miếng chèn nhằm làm giảm hoặc loại trừ ảnh hưởng của loạn thị.
Cong trường
Cũng thường gọi là sự cong tầm nhìn, sự quang sai này là kết quả tự nhiên của việc sử dụng thấu kính có các bề mặt cong, rất quen thuộc với các nhà hiển vi học có kinh nghiệm. Khi ánh sáng hội tụ qua một thấu kính cong, thì mặt phẳng ảnh tạo bởi thấu kính đó sẽ bị cong, như minh họa trong hình 5. Ảnh có thể hội tụ trên một vùng nằm giữa các điểm A và B, tạo ra một sự hội tụ sắc nét hoặc lên rìa hoặc lên vùng chính giữa. Được phân loại là nhóm quang sai ngoài trục, sự cong trường tạo ra mặt phẳng ảnh có hình dạng một mặt cầu lõm (giống như một mặt thấu kính lồi) khi nhìn từ phía vật kính. Mặc dù các đới liên tiếp có thể mang vào hội tụ bằng cách tịnh tiến vật kính, nhưng toàn bộ ảnh không thể hội tụ đồng thời lên một mặt phẳng như mặt phẳng phim hoặc bề mặt của bộ cảm biến ảnh CCD hoặc CMOS.
Các nhà chế tạo quang học xử lí sự cong trường bằng cách thêm vào một nguyên tố thấu kính hiệu chỉnh cho vật kính trong những vật kính trường-phẳng được thiết kế đặc biệt. Mặc dù sự hiệu chỉnh quang cho sự cong trường yêu cầu phải thêm một vài thấu kính mới, nhưng những vật kính này (gọi là vật kính phẳng) là loại phổ biến nhất được sử dụng ngày nay. Sự cong trường ít khi bị loại trừ hoàn toàn, nhưng người ta thường khó phát hiện sự cong ở rìa với đa số vật kính đã hiệu chỉnh phẳng. Kết quả là những mức độ cong trường rất hạn chế không làm giảm giá trị ảnh chụp hiển vi hoặc ảnh kĩ thuật số. Hiện tượng này diễn ra gay gắt hơn ở độ phóng đại thấp và có thể là vấn đề nghiêm trọng đối với ảnh chụp hiển vi.
Méo hình
Méo hình là quang sai quan sát thấy phổ biến ở kính hiển vi ảnh nổi, và nó được biểu hiện bởi sự biến đổi hình dạng của ảnh chứ không phải độ nét hoặc phổ màu sắc. Hai loại méo hình thường thấy nhất, méo hình dương và âm (thường gọi là méo hình gối cắm kim và hình tang trống) có thể thường có mặt trong những ảnh rất sắc nét đã được hiệu chỉnh quang sai tốt như đối với cầu sai và sắc sai, cũng như coma và loạn thị. Khi ảnh chịu sự méo hình, hình dạng thật của vật không còn được duy trì trong ảnh. Hình 6 minh họa sự méo hình gối cắm kim và méo hình tang trống trong ảnh của một mạch tích hợp vi xử lí của máy tính.
Méo hình có thể khó phát hiện, đặc biệt khi quang sai tương đối nhẹ và vật thiếu cấu trúc tuần hoàn. Loại hiện tượng này xảy ra gay gắt nhất ở những vật có các đường thẳng, như hình lưới, hình vuông, hình chữ nhật, hoặc các hình đa giác khác sắp xếp đều đặn sẵn sàng biểu hiện sự cong có mặt do méo hình. Méo hình thường tìm thấy trong các thiết kế quang sử dụng các hệ thấu kính phức hợp (chụp ảnh xa, mắt đỏ, và phóng to/thu nhỏ) chứa các thấu kính khum, lõm, bán cầu và thấu kính lồi dày. Các hệ thấu kính phức tạp, như ống phóng to/thu nhỏ, có thể có sự méo hình rõ rệt hơn, chúng biến đổi theo tiêu cự, tạo ra méo hình gối cắm kim ở tiêu cự dài và méo hình tang trống ở tiêu cự ngắn. Vì lí do này nên kính hiển vi ảnh nổi phóng to/thu nhỏ thường có một lượng méo hình đáng kể có mặt và các nhà chế tạo kính hiển vi phải tiêu tốn nhiều công sắc để làm giảm bớt sự quang sai này.
Tác giả: Mortimer Abramowitz, Kenneth R.Spring, Michael Davidson
