Аберрации объектива и их исправления

Время чтения: 14 минут

Хроматическая и сферическая аберрация, искривление поля зрения, астигматизм, кома, а также дисторсия – это проблемы, создаваемые оптическими линзами, и множественные варианты их решения привели к появлению ахроматов, планахроматов, апохроматов, планапохроматов, флюоритов, полуапохроматов, компенсирующих окуляров, а также систем, осуществляющих коррекцию числовой апертуры. В современных микроскопах искажения так сильно уменьшены, что они перестали быть основным фактором, влияющим на разрешающую способность. Однако знания об их природе, о том, как их выявлять и корректировать, чрезвычайно полезны для безошибочного выбора и удобной эксплуатации микроскопной оптики.

Ещё в начале 1700-х годов Антони ван Левенгук, глядя в свой однообъективный микроскоп, при увеличении 200 крат наблюдал изображение с цветными полосами по контуру. Но это, конечно, не помешало учёному заложить прочный фундамент микробиологии. При изучении этого явления выяснилось, что они образуются из-за того, что волны, составляющие световое излучение, разной длины, и каждый цвет преломляется оптикой под «своим» углом. Другое доказательство этого эффекта: показатель преломления стекла или любого другого прозрачного материала уникален для каждого цвета. Если синий фокусируется ближе к объективу, то красный – дальше, при этом фокусные расстояния других цветов, расположенных между ними, размещены посередине. Этот эффект известен, как осевая или аксиальная хроматическая аберрация.

Каждый цвет формирует своё изображение, и поскольку фокусные расстояния для каждого цвета различно, то также и их увеличение будет отличаться. Этот второй тип искажения называется боковой, поперечной или латеральной хроматической аберрацией. Он создаёт явление, называемое хроматической разницей в увеличении.

Ещё при жизни Левенгука было найдено средство, избавляющее от неё. Оно было реализовано в форме ахроматического дублета – оптической системы из пары линз. Он не решает проблему хроматической разницы в увеличении полностью, поскольку, хотя различные цветные изображения наложены в одной плоскости, но у них разный фокус, и каждое имеет свою главную (кардинальную) точку в дублете. В результате этого край поля зрения всё ещё остаётся окаймлён цветными полосами.

Данные системы создавались методом проб и ошибок англичанином Джоном Долландом в середине XVII века. И только в 1837 году началось систематическое конструирование ахроматических линз. В 1830 году Джозеф Джексон Листер опубликовал в "Философских трудах Лондонского Королевского микроскопического общества" статью об их математическом проектировании, а в 1837 году Эндрю Росс начал производить первые ахроматы по его дизайну. Их создатели применили два вида материала, обладающих разными оптическими свойствами: это были крон (кронглас), имеющей большой коэффициент дисперсии и флинт (флинтглас) – у которого он мал. Они помогли добиться того, чтобы свет двух цветов попадал в один и тот же фокус. Дуплеты, имеющие поправку на два цвета, обычно синий и красный, называются ахроматами. Длина волн сводимых цветов соответствуют фраунгоферовым линиям F (486,134 нм – синий) и C (656,281 нм – красный).

В последующем обнаружили, что если добавить третий материал, например, флюорит, удаётся добиться одинакового фокуса уже на трёх цветах. В конце 1800-х годов Эрнст Карл Аббе, работавший в Германии с Карлом Цейссом, разработал линзы такого типа и назвал их апохроматами, другое их наименование – триплеты.

Теперь об одной интересной особенности. Для больших увеличений первая линза составного объектива должна быть одиночной, маленькой, почти идеально сферической (фактически полусферической). В результате она сразу создаёт осевые и боковые искажения, которые необходимо исправлять с помощью других комбинаций линз. Если осевая еще подлежит коррекции, то вот боковую не удастся убрать совсем, особенно в многократно увеличивающих картинку объективах. Эта деталь и вызывает возникновение некоторой разницы в хроматическом увеличении.

Аббе решил эту проблему, выполнив окончательную боковую хроматическую коррекцию в окулярах, и назвал их компенсационными. Они намеренно создают требуемую боковую хроматическую аберрацию, чтобы нейтрализовать то, что осталось после первоначальной коррекции. Объективы, имеющие меньшее увеличение, могут быть хорошо скорректированы на осевую и боковую хроматическую аберрацию, но в этом случае компенсирующие окуляры просто внесут некоторую погрешность. Поскольку было бы неудобно менять окуляры каждый раз, когда нужно переходить с высокого увеличения на низкое, то в нынешних микроскопах все объективы изготовлены таким образом, чтобы создавать некоторое количество боковых искажений, достаточных для коррекции компенсирующими окулярами.

Следует соблюдать осторожность при комбинировании элементов оптики от разных, а иногда и от одного производителя. Это связано с тем, что конкретный набор компенсационных окуляров предназначен для работы с определёнными наборами объективов.

Оптика Левенгука также страдала и от этого типа искажений. Его так назвали из-за сферической формы собирающей линзы, и того факта, что поверхности в виде сферы по-разному преломляет монохроматический свет, проходящий на разном расстоянии от оптической оси. Когда параллельные лучи проходят через неё, то луч, проходящий ближе к её внешнему краю, будет иметь другой угол выхода, чем тот, что проходит ближе к её центру. То есть преломляться они будут под разными углами.

Ситуация выглядит ещё хуже тогда, когда лучи расходятся, как это происходит, когда они исходят из образца. Это приводит к размыванию изображения – то есть ему не хватает чёткости.

Простой способ уменьшить этот эффект – поместить диафрагму или использовать объектив с ограничителем на входе, чтобы блокировать часть периферийных лучей. К сожалению, это решение ограничивает количество света, попадающего в микроскоп, что снижает его разрешающую способность. Работы Листера также показали, что для коррекции сферической аберрации можно комбинировать несколько линз.

Как и хроматические, есть осевые и боковые сферические аберрации, и степень их проявления будет отличаться для разных цветов. Оптика, сконструированная Россом, была сферически скорректирована для одного цвета и хроматически для двух. Её актуальное название – ахроматы. Они сферически скорректированы для линии натрия D (зелёно-жёлтая) и хроматически для линий водорода F (синяя) и C (красная).

Примерно в то же время, когда Росс осуществлял свои разработки, было обнаружено, что нанесение тонкой пластинки стекла на образец улучшает картинку. Это связано с тем, что дифрагированный свет, который мог бы быть потерян под действием покровного стекла, изменяет свой путь и сильнее приближается к апертуре объектива.

Разработанная Россом оптика была настолько качественно скорректирована, что он смог заметить, что даже покровное стекло вносит некоторые сферические искажения. Например, если оно излишне толстое, то образец кажется находящимся слишком близко к объективу, а обратный эффект возникает, когда оно, наоборот, чересчур тонкое.

Листер предположил, что влияние толщины можно устранить, изменяя расстояние между наборами линзами. Поскольку величина необходимой коррекции зависит от показателя преломления и толщины покровного стекла, то был необходим некоторый тип регулировки для выполнения этой коррекции. Росс изготовил первый объектив с регулируемым передним элементом. Позже, в 1855 году, Ф. Х. Уэнхем модернизировал его, сделав регулируемым задний, а не передний элемент.

Сегодняшние сухие объективы с большой числовой апертурой оснащены коррекцией для учёта толщины покровного стекла. Преломление у покровных стёкол стандартизировано, но по-прежнему существует множество видов. Большинство производимой оптики, независимо от того, есть ли у неё корректирующая манжета или нет, имеет поправку на толщину 0,17 мм (или покровное стекло под номером 1,5: толщиной от 0,16 до 0,19 мм). Важно помнить об этом при подготовке образцов для микроскопии, чтобы избежать непреднамеренных сферических искажений. Выбор защитного стекла под номером 1.5 будет правильным, если оно соприкасается или почти касается образца. Если же расстояние между ними превышает минимальное, то лучше подойдёт покровное стекло номер 1 (толщиной от 0,13 до 0,17 мм).

Следующие четыре искажения создают сдвиг в сторону от центральной оптической оси. К ним относятся астигматизм, кома, дисторсия и искривление поля зрения. Астигматизм представляет собой следствие асимметрии линзы. При ней две световых волны, идущих под прямым углом друг относительно друга, имеют разные фокусные расстояния. Вертикальная волна фокусируется ближе к объективу, а горизонтальная - дальше. В результате этого формируется изображение, которое выглядит растянутым в направлении одной плоскости фокусировки и противоположном ему в другой. В результате мы видим недостаточную резкость.

Кома возникает, когда луч света подходит к линзе не по оптической оси. Часть лучей, которые проходят через центр, будет фокусироваться ближе, чем проходящие через её периферию. Фактически кома – это комбинация астигматизма и сферической аберрации.

Изображённая на рисунке – проекция, представляющая собой картину света, наблюдаемую при взгляде по оптической оси.

Особое значение имеет искажение, называемое искривлением поля зрения. Оно возникает из-за того, что изогнутая поверхность линзы создаёт искривлённую плоскость изображения. Это приводит к тому, что наблюдаемая картинка оказывается расфокусированной по краям, когда она находится в фокусе в центре, и наоборот.

Однако это явление не так критично при обычном наблюдении за образцом, но очень важно при выполнении фотографирования. Кривизна оптического поля устранима путём добавления дополнительных элементов в оптику, но это также требует внесения изменений во все остальные корректирующие элементы объектива, или же в окуляр. В настоящее время большинство производителей предлагают планарные объективы с коррекцией кривизны поля зрения. Их использование и подходит для выполнения фотографических снимков.

Дисторсия создаёт два дополнительных вида искажений. Их легко определить, если использовать образец в виде квадратной сетки из прямых линий. Первое – это бочкообразная дисторсия — тип искажения, когда изображение имеет большее увеличение в центре, чем по краям. Другой вид – отрицательная дисторсия или как её ещё иногда называют – «пинцет». Её результат – картинка, которая больше увеличена по краям, чем в центре. Дисторсия является следствием совместного влияния кривизны поля зрения и сферической аберрации, и наиболее заметна она при использовании объективов с очень малым увеличением.