Аберрации

Другим параметром, влияющим на качество изображения и разрешение оптической системы, является правильная настройка и использование качественной оптики. Одной из важнейших помех на пути к точному воспроизведению изображения объекта являются аберрации.

Аберрациями называются ошибки или погрешности изображения в оптической системе, вызванные отклонениями луча от идеального направления при взаимодействии света с материалом линзы. Такие ошибки могут служить серьезной помехой для исследователя и даже приводить к ошибочным интерпретациям полученных изображений. К счастью, существуют подходы, позволяющие избавиться от аберраций, что и реализуется во многих современных микроскопах. Рассмотрим наиболее важные для микроскопии типы аберраций и способы их корректировки.

Рис.9.Хроматическая аберрация.

Хроматические аберрации вызваны тем, что световые лучи разной длины волны при прохождении через линзы фокусируются в разных плоскостях. Это связано с дисперсией света – зависимостью показателя преломления стекла от длины волны проходящего через него света. Получается, что фокусное расстояние для синего света оказывается меньше, чем для красного, поскольку синие лучи имеют больший коэффициент преломления (рис.9). На изображении хроматические аберрации выглядят как цветные ореолы вокруг объекта. Это аксиальные хроматические аберрации. Избавляться от таких аберраций научились еще в конце XVIII в. путем использования систем из двух линз, выполненных из стекол с различными дисперсиями. При этом синий и красный (но не зеленый) лучи приходят в одну плоскость. Такие оптические конструкции называются ахроматами. Более сложные системы линз позволяют совместить фокусы красного, зеленого и синего цветов. Эти системы позволяют практически полностью избавиться от хроматических аберраций и используются при изготовлении высококачественных объективов – апохроматов. Существуют также и латеральные хроматические аберрации, проявляющиеся в различной степени увеличения изображения для разных длин волн. Синее изображение будет несколько больше, чем красное и зеленое. Такие аберрации особенно заметны при больших увеличениях в микроскопах на периферии поля зрения. Скорректировать латеральные хроматические аберрации помогает использование специальных окуляров.

Рис.10.Сферическая аберрация.

Сферические аберрации. Монохроматический луч света (одной длины волны), проходя через линзу, фокусируется в разных точках в зависимости от того, прошел ли он ближе к центру или к периферии линзы. При этом лучи, прошедшие около центра преломляются слабо, а лучи с периферии – сильно. Результатом являются разные точки фокуса для этих лучей (рис.10). Искажения изображения, вызванные таким феноменом, и есть сферические аберрации. Изображение при этом выглядит размытым. Устранить эффект сферических аберраций можно ограничив освещение периферических участков линзы с помощью диафрагмы, используя линзы со сложной несферической поверхностью, а также применяя системы линз со сферическими аберрациями разного знака. Степень коррекции сферических аберраций зависит от длины волны света. В современных объективах сферические аберрации исправлены в зеленом для ахроматов, в красном и синем – для апохроматов.

Рис.11.Коррекция на толщину покровного стекла.

Коррекция на толщину покровного стекла. При работе с сухими (не использующими иммерсионные жидкости) объективами больших увеличений и числовых апертур могут возникать сферические аберрации вследствие использования нестандартных покровных стекол. Этот феномен возникает из-за того, что лучи, идущие от объекта, подвергаются дополнительному преломлению (на границе между покровным стеклом и воздухом) до того, как они попадают в объектив. В результате, точка объекта будет казаться выше или ниже в зависимости от величины угла, под которым расходятся преломляющиеся лучи (рис.11). Объективы, как правило, скорректированы на толщину покровного стекла 0, 17мм, исключение составляют объективы для минералогических исследований, которые рассчитаны на работу без покровных стекол. Некоторые объективы имеют поворотное кольцо, позволяющее настраивать его на разную толщину покровного стекла.

Рис.12.Кривизна поля.

Рис.13.Аберрация кома.

Кривизна поля. Этот тип аберраций вызван тем, что поверхность линзы имеет сферическую форму. Изображение, сформированное линзой объектива, является не абсолютно плоским, а также имеет некоторую кривизну (рис.12). На практике это приводит к тому, что наблюдатель может видеть увеличенный объект четким и контрастным либо в центре поля зрения, либо на периферии, но не по всему полю. При обычном рассматривании объекта через окуляр эта аберрация не является большой помехой, поскольку можно легко настроить фокус микровинтом на разных участках образца, но при фотографировании кривизна поля накладывает серьезные ограничения на возможность анализа полученного изображения. Избавиться от аберраций такого типа полностью нельзя, но в настоящее время разработаны объективы, в которых кривизна поля практически полностью устраняется. В своем названии они имеют приставку Plan- или Plano- (например, Plan-Apochromat).

Кома. Этот тип искажения во многом сходен со сферической аберрацией. Косые лучи, проходящие от точки объекта через линзу, формируют изображение точки в виде фигуры, похожей на хвост кометы (отсюда и название) (рис.13). Степень искажения изображения увеличивается при использовании линз с большой кривизной поверхности и с большими апертурами и может быть скорректирована уменьшением апертуры. Часто кома возникает при неверной юстировке микроскопа.

Астигматизм, как и кома, возникает тогда, когда лучи света, проходят под углом к главной оптической оси объектива. При этом вместо изображения точки возникает эллипс или короткая линия. Астигматизм может иметь место при использовании некачественных линз и погрешности в их взаимном расположении в объективах. В результате точной настройки оптических элементов при производстве объективов этот тип аберраций не возникает.

Как уже упоминалось, на ранних этапах аберрации сильно ограничивали применение микроскопии. Но в настоящее время природа различного типа аберраций подробно описана, и разработаны эффективные способы их корректировки, которые применяются в современных микроскопах.