2.3. Искажения изображения объекта в микроскопе.

Изображение, создаваемое оптической системой, будет правильным, т.е. геометрически подобным объекту, если:
каждая точка плоскости предмета изображается точкой;
все точки изображения этой плоскости лежат в плоскости, перпендикулярной оси системы;
масштаб изображения один и тот же по всему полю изображения.
Эти требования для идеальной оптической системы удовлетворяются, если используются:
параксиальные пучки света, т.е. узкие пучки, направленные вдоль оптической оси;
монохроматический свет, обеспечивающий определённое значение показателя преломления.
В конструкции микроскопа приходится использовать широкие пучки света сложного спектрального состава, что и является причиной возникновения ошибок, искажений, или аберраций, изображений. В соответствии с причинами возникновения аберрации разделяют на:
геометрические, вызываемые действием широких или узких, но внеосевых косых пучков;
хроматические, связанные с тем, что при прохождении светового пучка через стекло линзы происходит разложение света в спектр из-за различия в показателях преломления для света различных длин волн рис. 11.

Рис. 11. Разложение луча света в спектр при прохождении линзы:

Ф - фиолетовый цвет;
З - зелёный цвет;
К - красный цвет.

Геометрические (монохроматические) аберрации включат в себя: сферическую аберрацию, кому, астигматизм, кривизну поля, дисторсию.
Хроматические аберрации включают в себя: хроматизм положения и хроматизм увеличения.
Рассмотрим некоторые виды аберраций и пути их устранения.
Сферическая аберрация характеризуется тем, что лучи света, вышедшие из точки объекта О (рис. 12,а), расположенной на оптической оси, после преломления всеми элементами оптической системы, не собираются в одну точку. Каждый луч пересекает оптическую ось в различных её точках.

Рис. 12 Схема возникновения а и исправления б сферической аберрации:

1,2 - лучи света;
3 -собирающая линза;
4- рассеивающая линза.

Таким образом, точка объекта, лежащая на оптической оси, изображается более или менее размытым пятном O'. Сферическая аберрация возникает потому, что лучи 1 и 2, исходящие из точки О объекта, падают на преломляющую поверхность (линзу) на различном расстоянии от оптической оси и преломляются в разной степени.
Кома - нарушение симметрии в изображении.
Дисторсия - нарушение геометрии объекта, связанное с непостоянством линейного увеличения системы. Искажения усиливаются от центра к краю изображения.
Кривизна изображения - изображение плоского объекта располагается на неплоской поверхности.
Геометрические аберрации устраняются путём применения последовательности собирающей 1 и рассеивающей линз в объективе и окуляре (рис. 12, б).
Хроматическая аберрация положения - пересечение лучей с различной длиной волны происходит в разных местах вдоль оптической оси.
Хроматическая разность увеличения - изображение объекта имеет вид "слоёного" пирога, когда разноцветные изображения разного увеличения накладываются друг на друга Это связано с различным фокусным расстоянием разных длин волн света (лучей разного цвета), которое приводит к изображению точек объекта находящихся вне оптической оси на разных расстояниях от оси.
Хроматические аберрации исправляются путём комбинации линз из различных сортов стекла с различными показателями преломления или использованием монохроматических пучков света.
В зависимости от исправления того или иного вида аберраций различают следующие типы объективов.
Ахроматы - имеют исправленную сферическую аберрацию только в отношении жёлто-зелёного цвета (l = 550┘575 нм), наиболее видимого при визуальном наблюдении8, и исправленную продольную хроматическую аберрацию для двух частей спектра - жёлто-зелёного и красного (рис. 13). Эти объективы сохранились только на устаревшем оборудовании или входят в комплект дешёвого оборудования. Для улучшения качества изображения деталей структуры объективом-ахроматом рекомендуется использовать жёлто-зелёный светофильтр.
Апохроматы - отличаются более высокой степенью коррекции: хроматическая аберрация положения исправлена для всей видимой части светового спектра (красные, зелёные и фиолетовые лучи фокусируются вместе). Сферическая аберрация исправлена для зелёных, синих и фиолетовых лучей (рис. 13).

Рис. 13. Схемы исправления хроматической (выше оптической оси) и сферической (ниже оптической оси) аберрации объективов:

a - косые лучи, b- параксиальные лучи (узкие пучки света, направленные вдоль оптической оси), К, Ф, З - соответственно, лучи красного, фиолетового и зелёного цветов.

Полевые аберрации, обнаруживаемые по полю изображения и редко в центре (кома, астигматизм, дисторсия, кривизна поля), в апохроматах исправлены только на 1/2 поля, т.е. без перефокусировки возможно наблюдение в пределах 1/2 изображения по центру видения. Это приводит к увеличению времени наблюдения, т.к. требует постоянной перефокусировки на край поля. Апохроматы применяются там, где требуется качественная микрофотография. Объектива маркируются на корпусе буквами АПО.
Планобъективы - объективы с исправлением полевых аберраций. Выпускают планахроматы (маркируются - ПЛАН) и планапохроматы (с исправлением ошибок во всём световом диапазоне, маркируются - ПЛАНАПО). Планобъективы увеличивают поле исследования за счёт резкого видения объекта по всему полю.
Все ранее рассмотренные типы объективов отличаются не вполне исправленной хроматической разностью увеличения (ХРУ), что требует применения с такими объективами компенсационных окуляров.
Объективы без хроматической разности увеличения - на сегодняшний день это лучшие объективы нового поколения.
Объективы отражённого света, применяемые в металлографическом световом микроскопе, по типу оптической коррекции маркируются вначале обозначения буквами ЭПИ.
В России широко используется оптическое оборудование немецкой фирмы Zeiss. Объективы этой фирмы для металлографических микроскопов маркируются по типу оптической коррекции следующим образом:
Epiplan - эпипланахроматы отражённого света для темного/светлого поля;
Epiplan-Apochromat - эпипланапохроматы отражённого света для темного/светлого поля.