Quang sai (Aberration)

Có nhiều loại quang sai khác nhau, nhưng chúng thường được chia thành hai loại chính: quang sai đơn sắc và quang sai sắc sai.

Quang sai đơn sắc

Đây là loại quang sai xảy ra với ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng). Các loại quang sai đơn sắc phổ biến bao gồm:

• Quang sai cầu (Spherical aberration): Xảy ra khi các tia sáng đi qua rìa thấu kính không hội tụ tại cùng một điểm với các tia sáng đi qua tâm thấu kính. Tia sáng ngoại biên hội tụ gần thấu kính hơn, tạo ra một hình ảnh mờ.
• Quang sai coma (Coma): Làm cho các điểm sáng ngoài trục xuất hiện như hình dạng giống sao chổi hoặc giọt nước mắt. Hiệu ứng này tăng dần khi điểm nguồn sáng ở xa trục quang học.
• Quang sai loạn thị (Astigmatism): Làm cho các điểm sáng xuất hiện dưới dạng các đường thẳng hoặc elip thay vì các điểm tròn. Điều này xảy ra do sự khác biệt về độ hội tụ của thấu kính theo các hướng khác nhau.
• Quang sai méo hình (Distortion): Làm thay đổi hình dạng của ảnh, khiến các đường thẳng xuất hiện bị cong. Có hai loại méo hình chính: méo hình thùng (barrel distortion) và méo hình gối (pincushion distortion).
• Quang sai trường cong (Field curvature): Khiến hình ảnh không nằm trên một mặt phẳng mà nằm trên một mặt cong. Điều này khiến cho việc lấy nét toàn bộ hình ảnh trở nên khó khăn.

Quang sai sắc sai

Đây là loại quang sai xảy ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng của ánh sáng. Các loại quang sai sắc sai phổ biến bao gồm:

• Quang sai sắc sai dọc (Longitudinal chromatic aberration hay Axial chromatic aberration): Các bước sóng ánh sáng khác nhau hội tụ tại các điểm khác nhau dọc theo trục quang học. Điều này gây ra viền màu dọc theo các cạnh của vật thể.
• Quang sai sắc sai ngang (Lateral chromatic aberration hay Transverse chromatic aberration): Các bước sóng ánh sáng khác nhau hội tụ tại các điểm khác nhau trên mặt phẳng ảnh, tạo ra viền màu ở các cạnh của vật thể, đặc biệt là ở vùng ngoại vi của ảnh.

Nguyên nhân của quang sai

Quang sai phát sinh do nhiều yếu tố, bao gồm:

• Hình dạng của bề mặt thấu kính hoặc gương: Hình dạng không lý tưởng của bề mặt quang học có thể dẫn đến sự hội tụ không hoàn hảo của tia sáng.
• Chiết suất của vật liệu thấu kính: Sự thay đổi chiết suất theo bước sóng ánh sáng gây ra quang sai sắc sai.
• Bước sóng của ánh sáng: Ánh sáng trắng bao gồm nhiều bước sóng khác nhau, và mỗi bước sóng bị khúc xạ khác nhau.
• Góc tới của tia sáng: Tia sáng tới ở các góc khác nhau sẽ bị khúc xạ khác nhau.

Cách khắc phục quang sai

Có nhiều kỹ thuật khác nhau để giảm thiểu hoặc loại bỏ quang sai, bao gồm:

• Sử dụng nhiều thấu kính với chiết suất và hình dạng khác nhau để bù trừ quang sai của nhau: Ví dụ như sử dụng thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ kết hợp.
• Sử dụng màng chắn để hạn chế khẩu độ, giảm quang sai cầu và coma: Giảm khẩu độ làm giảm lượng tia sáng đi qua rìa thấu kính.
• Sử dụng vật liệu có chiết suất thấp: Một số vật liệu đặc biệt có thể giảm thiểu quang sai sắc sai.
• Sử dụng phần mềm xử lý ảnh để hiệu chỉnh quang sai sau khi chụp: Các thuật toán xử lý ảnh có thể phân tích và bù trừ cho các loại quang sai khác nhau.

Ảnh hưởng của quang sai

Quang sai có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hình ảnh, làm giảm độ sắc nét, độ tương phản và độ trung thực của màu sắc. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như nhiếp ảnh, thiên văn học và kính hiển vi, nơi mà độ chính xác của hình ảnh là rất quan trọng.

Quang sai trong các hệ quang học cụ thể

• Kính thiên văn: Quang sai là một vấn đề quan trọng trong thiết kế kính thiên văn. Các kính thiên văn lớn thường sử dụng gương parabol để giảm thiểu quang sai cầu, và các thấu kính ghép achromat hoặc apochromat để giảm thiểu quang sai sắc sai.
• Kính hiển vi: Quang sai cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh trong kính hiển vi. Các vật kính hiển vi chất lượng cao được thiết kế để giảm thiểu quang sai và cung cấp hình ảnh sắc nét, rõ ràng.
• Máy ảnh: Quang sai có thể làm giảm chất lượng ảnh chụp. Các ống kính máy ảnh hiện đại thường được thiết kế với nhiều thấu kính và lớp phủ đặc biệt để giảm thiểu quang sai. Một số ống kính còn sử dụng các phần tử phi cầu để hiệu chỉnh quang sai cầu và loạn thị hiệu quả hơn.
• Mắt người: Mắt người cũng có thể bị ảnh hưởng bởi quang sai, ví dụ như quang sai cầu và quang sai sắc sai. Tuy nhiên, não bộ có khả năng bù trừ cho một số quang sai này, giúp chúng ta nhìn thấy rõ ràng.

Công thức liên quan đến quang sai

Mặc dù việc tính toán chính xác quang sai là phức tạp, nhưng có một số công thức đơn giản có thể giúp ước lượng mức độ của một số loại quang sai. Ví dụ, quang sai cầu dọc (longitudinal spherical aberration – LSA) có thể được xấp xỉ bằng công thức:

LSA ≈ $y^2 / (2f)$

trong đó $y$ là khoảng cách từ tia sáng tới trục quang học và $f$ là tiêu cự của thấu kính. Công thức này chỉ là một xấp xỉ và không hoàn toàn chính xác trong mọi trường hợp.

Các phương pháp đo lường quang sai

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo lường quang sai của một hệ quang học. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

• Kiểm tra Ronchi: Sử dụng một grating để tạo ra các vạch giao thoa, từ đó đánh giá chất lượng hình ảnh.
• Kiểm tra Foucault: Sử dụng một lưỡi dao để phân tích hình dạng mặt sóng.
• Phân tích mặt sóng (Wavefront analysis): Sử dụng các thiết bị đặc biệt để đo lường hình dạng mặt sóng của ánh sáng sau khi đi qua hệ quang học. Phương pháp này cung cấp thông tin chi tiết về các loại quang sai khác nhau.

• Hecht, Eugene. Optics. Addison-Wesley, 2017.
• Born, Max, and Emil Wolf. Principles of Optics. Cambridge University Press, 1999.
• Mahajan, Virendra N. Aberration Theory Made Simple. SPIE Press, 2011.
• Smith, Warren J. Modern Optical Engineering. McGraw-Hill Education, 2007.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa quang sai sắc dọc và quang sai sắc ngang trong thực tế?

Trả lời: Quang sai sắc dọc thể hiện rõ nhất khi quan sát một điểm sáng ở giữa trường nhìn. Các màu sắc sẽ bị tách dọc theo trục quang học, tạo ra hiệu ứng “halo” màu. Quang sai sắc ngang dễ nhận thấy hơn ở rìa trường nhìn, nơi các màu sắc bị tách theo phương ngang, tạo ra viền màu ở các cạnh của vật thể.

Ngoài việc sử dụng nhiều thấu kính, còn có những kỹ thuật nào khác được sử dụng để giảm thiểu quang sai cầu trong thiết kế ống kính?

Trả lời: Ngoài việc sử dụng nhiều thấu kính, các kỹ thuật khác bao gồm: sử dụng thấu kính phi cầu (aspheric lenses) có bề mặt được chế tạo chính xác để bù trừ cho quang sai cầu; sử dụng màng chắn nhỏ hơn để hạn chế các tia sáng đi qua rìa thấu kính; và sử dụng các vật liệu có chiết suất thấp.

Quang sai coma ảnh hưởng đến hình ảnh như thế nào và tại sao nó được gọi là “coma”?

Trả lời: Quang sai coma làm cho các điểm sáng ngoài trục xuất hiện như hình dạng giống sao chổi hoặc giọt nước mắt, với phần đuôi mờ nhạt kéo dài ra từ trung tâm. Nó được gọi là “coma” vì hình dạng giống sao chổi (comet) này.

Nếu LSA của một thấu kính là 0.1 mm với $y$ = 10 mm, tiêu cự $f$ của thấu kính đó là bao nhiêu? (Sử dụng công thức LSA ≈ $y^2 / (2f)$)

Trả lời: Từ công thức LSA ≈ $y^2 / (2f)$, ta có $f$ ≈ $y^2 / (2LSA)$. Thay $y$ = 10 mm và LSA = 0.1 mm, ta được $f$ ≈ $(10^2) / (20.1)$ = 500 mm.

Tại sao việc hiệu chỉnh quang sai lại quan trọng trong kính hiển vi?

Trả lời: Việc hiệu chỉnh quang sai trong kính hiển vi là cực kỳ quan trọng vì kính hiển vi được sử dụng để quan sát các vật thể rất nhỏ. Bất kỳ quang sai nào cũng có thể làm mờ hoặc bóp méo hình ảnh, gây khó khăn hoặc thậm chí không thể quan sát chính xác các chi tiết nhỏ. Việc giảm thiểu quang sai giúp tăng cường độ phân giải và độ tương phản của hình ảnh, cho phép quan sát rõ ràng hơn cấu trúc và chi tiết của mẫu vật.