Thấu kính và Quang
hình học
Thấu kính là tên gọi chung chỉthành phần thủy tinh hoặc chất liệu plastic
trong suốt, thường có dạng tròn, có hai bềmặt chính được mài nhẵn một cách đặc
biệt nhằm tạo ra sựhội tụhoặc phân kì của ánh sáng truyền qua chấtđó. Kính hiển
vi quang học hình thành ảnh của mẫu vậtđặt trên bàn soi bằng cách truyền ánh
sáng từ đèn rọi qua dãy thấu kính thủy tinh và tập trung ánh sáng này vào thịkính,
lên mặt phẳng phim trong hệcamera thông thường, hoặc lên một của một bộcảm
biến kĩthuật số.
Hoạtđộng của thấu kính đơn giản, tương tựnhưnhiều thứdùng trong kính
hiển vi, bịchi phối bởi nguyên lí khúc xạvà phản xạvà có thểhiểuđược với sựhỗ
trợcủa một vài quy luậtđơn giản vềhình học liên quan tới việc lần theo vết tia
sáng đi qua lăng kính. Ý tưởng cơbảnđược khai thác trong bài này, có nguồn gốc
từQuang hình học, sẽmang lại sựhiểu biết vềquá trình phóng đại, các tính chất
củaảnh thật và ảnh ảo, và quang sai hoặc khiếm khuyết của thấu kính.
Để tìm hiểu hệquang của một kính hiển vi đơn giản (vịtrí của các thành
phần thấu kính trong kính hiển vi phổbiến trong phòng thí nghiệmđược biểu diễn
trong hình 1), tính chất cơbản của thấu kính mỏng có hai mặt khúc xạánh sáng và
một trục quang ởchính giữa phảiđược mô tảtrước tiên. Mỗi thấu kính có hai mặt
phẳng chính và hai tiêu diệnđược xác định bằng dạng hình học của thấu kính và
mối liên hệgiữa thấu kính và ảnh hội tụ. Các tia sáng truyền qua thấu kính sẽcắt
nhau và cùng gặp nhau tại tiêu diện (xem hình 2), còn phần kéo dài của tia sáng đi
vào thấu kính sẽcắt nhau tại mặt phẳng chính với phần kéo dài của các tia sáng ló
ra khỏi thấu kính. Tiêu cựcủa thấu kính đượcđịnh nghĩa là khoảng cách giữa mặt
phẳng chính và tiêu diện, và mỗi thấu kính có một bộmặt phẳng này ởmỗi phía
(trước và sau).
Các vết tia sáng truyền qua một thấu kính thủy tinh mỏng đơn giản hai mặt
lồiđược biểu diễn trong hình 2, cùng với những thông sốhình học quan trọng khác
cần thiết cho việc hình thành ảnh hội tụbởi các tia sáng. Các tiêu điểm của thấu
kính được kí hiệu là F, và có hai tiêu điểm tách rời nhau, mộtởphía trước thấu
kính (phía bên trái trong hình 2), và mộtởphía sau thấu kính (phía bên phải). Mặt
phẳng chính của thấu kính (P và P’ trong hình 2) đượcđánh dấu bằng đường đứt
nét, khoảng cách giữa mỗi mặt phẳng chính và tiêu điểm tương ứng của nó biểu
diễn tiêu cự(f). Vì thấu kính hai mặt lồi minh họa trong hình 2 là đối xứng, nên các
mặt phẳng chính nằmởkhoảng cách bằng nhau tính từmặt thấu kính, và tiêu cự
phía trước và phía sau cũng bằng nhau.
Vật (hoặc mẫu vật) được tạoảnh bởi thấu kính đượcđặt tại mặt phẳng vật,
quy ước nằmởphía bên trái thấu kính, và được biểu diễn bằng mũi tên màu đỏ
dựng thẳng đứng từ đường thẳng chính giữa, hay trục chính, đi qua tâm của thấu
kính và vuông góc với mặt phẳng chính. Các tia sáng qua thấu kính (các mũi tên
màu vàng) phát ra từvật và đi từtrái sang phải, đi qua thấu kính tạo nên ảnh thật
phóng to (mũi tên ngược màu đỏ) trong mặt phẳng ảnh ởphía bên phải thấu kính.
Khoảng cách giữa mặt phẳng chính phía trước của thấu kính và mẫu vậtđược gọi
là khoảng cách vật, và được kí hiệu là a trong hình 2. Tương tự, khoảng cách từmặt
phẳng chính phía sau đếnảnh (kí hiệu b trong hình 2) gọi là khoảng cách ảnh.
Những thông sốnày là những thành phần cơbản xác định quang hình học của thấu
kính đơn giản và có thểdùng để tính những tính chất quan trọng của thấu kính,
nhưtiêu cựvà độ phóng đại
Thấu kính có thểlà dương hoặc âm tùy thuộc vào chúng làm cho các tia sáng
truyền qua hội tụvào một tiêu điểm, hoặc phân kì ra xa trục chính và đi vào không
gian. Thấu kính dương (minh họa trong hình 2 và 3) làm hội tụcác tia sáng tới
song song với trục chính và hội tụchúng tại tiêu diện, tạo nên ảnh thật. Nhưchỉrõ
trong hình 3, thấu kính dương có một hoặc hai mặt lồi và ởgiữa dày hơn ngoài rìa.
Đặcđiểm chung của thấu kính dương là chúng phóng to vật khi chúng đượcđặt
giữa vật và mắt người. Ngược lại, thấu kính âm làm phân kì các tia sáng tới song
song và tạo nên ảnh bằng cách kéo dài các vết tia sáng truyền qua thấu kính đến
một tiêu điểm nằm sau thấu kính. Thấu kính âm có ít nhất một mặt lõm và ởgiữa
mỏng hơn ngoài rìa (xem hình 3). Khi thấu kính âm đượcđặt giữa vật và mắt, nó
không tạo nên ảnh thật, mà làm giảm (hoặc thu nhỏ) kích thước biểu kiến của vật
bằng cách tạo nên ảnh ảo.
Sựphân biệt giữaảnh thật và ảnh ảo là một khái niệm quan trọng khi ghi
ảnh mẫu vật qua thấu kính hoặc hệgương, cho dù là hệgồm một hay nhiều thành
phần. Nói chung, ảnh được xác định bởi vùng trong đó các tia sáng (và phần kéo
dài của chúng) trởnên hội tụlà kết quảcủa sựkhúc xạbởi thấu kính hoặc sựphản
xạbởi gương. Trong trường hợp các tia sáng cắt nhau tại một tiêu điểm, ảnh là thật
và có thểxem trên màn hứng, ghi lên phim, hoặc chiếu lên mặt bộcảm biến như
CCD hoặc CMOSđặtởmặt phẳng ảnh. Khi các tia sáng phân kì, nhưng chiếu phần
kéo dài tưởng tượng hội tụtại một tiêu điểm, ảnh là ảo và không thểxem trên màn
hứng, ghi lên phim. Để có thểmường tượng được, ảnh thật phảiđược hình thành
trên võng mạc của mắt. Khi nhìn mẫu vật qua thịkính của kính hiển vi, ảnh thật
hình thành trên võng mạc, nhưng cái thực sự được nhận thức bởi nhà quan sát tồn
tại dưới dạng ảnh ảo nằm khoảng chừng 10 inch (25 cm) phía trước mắt.
Các dạng hình học thấu kính cơbảnđối với thành phần thấu kính dương
minh họa trong hình 3 là hai mặt lồi (hình 3a) và phẳng-lồi (hình 3b, có một bềmặt
phẳng). Ngoài ra, thấu kính lồi-khum (hình 3c) có cảmặt lồi và mặt lõm có độ cong
tương đương, nhưng ởgiữa dày hơn ngoài rìa. Thấu kính hai mặt lồi là thấu kính
phóng đạiđơn giản nhất, và có tiêu điểm và độ phóng đại phụthuộc vào góc cong
của bềmặt. Góc cong càng lớn thì tiêu cựcàng ngắn, vì sóng ánh sáng bịkhúc xạ ở
góc lớn hơn so với trục chính của thấu kính. Bản chấtđối xứng của thấu kính hai
mặt lồi làm giảm tối thiểu quang sai cầu trong những ứng dụng trong đó ảnh và vật
nằmđối xứng nhau. Khi một quang hệhai mặt lồi hoàn toàn đối xứng (trong thực
tế,độ phóng đại là 1:1), quang sai cầu có giá trịcực tiểu và coma và méo hình cũng
đạt cực tiểu hoặc triệt tiêu. Nói chung, thấu kính hai mặt lồi hoạtđộng với quang
sai cực tiểuở độ phóng đại từ0,2x đến 5x. Thấu kính lồi chủyếuđược dùng trong
các ứng dụng hội tụvà phóng đạiảnh.
Thấu kính phẳng-lồiđiển hình (hình 3b) có một mặt lồi dương và một mặt
phẳng ởphía bên kia thấu kính. Những thành phần thấu kính này làm hội tụcác tia
sáng song song vào một tiêu điểm dương và hình thành ảnh thực có thểchiếu hoặc
điều chỉnh bằng các bộlọc không gian. Sựkhông đối xứng của thấu kính phẳng-lồi