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 . 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. 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. 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