Le aberrazioni ottiche in microscopia

L’aberrazione di un sistema ottico determina una differenza tra l’oggetto che si sta osservando e l’immagine che si ottiene. L’immagine che di solito è bidimensionale, consiste in una proiezione geometrica della scena reale sul piano focale del sistema secondo i principi dell’ottica geometrica ideale. Le aberrazioni possono dare scarsa nitidezza, deformazioni dell’immagine, differenze tra le immagini corrispondenti ai diversi colori, non uniformità della luminosità. Rispetto all’ottica geometrica in cui di un oggetto si ottiene un’immagine, ingrandita o rimpicciolita, con le stesse proporzioni, l’inserimento di sistemi ottici fisici (lenti) introducono delle differenze sull’immagine dovute alle proprietà geometriche delle lenti, del diametro, delle curvature e del loro indice di rifrazione. Lo scopo del progettista ottico è quello di fare in modo che attraverso l’accoppiamento di diverse lenti con proprietà differenti, non solo si ottenga l’ingrandimento desiderato ma che l’immagine sia la più possibile verosimile all’oggetto.

Le aberrazioni si dividono in due principali categorie: GEOMETRICHE e CROMATICHE.

Le aberrazioni geometriche

In rosso le principali definizioni di aberrazioni geometriche in un sistema ottico.
Il disegno è volutamente amplificato per meglio rendere l’idea dei difetti.

Aberrazione sferica

In una lente i raggi periferici sono più deviati rispetto a quelli centrali.
Succede così che invece di avere un unico punto in cui i raggi si focalizzano si crea un cono con diversi punti che non permettono di creare un’immagine utilizzabile.

Assenza di aberrazione sferica *

Presenza di aberrazione sferica *

Questo difetto porta generalmente ad avere una differenza di fuoco tra il centro di osservazione dell’oculare rispetto alla periferia.

Assenza di aberrazione sferica

Presenza di aberrazione sferica in area periferica

Esiste una caratteristica che ci permette di verificare il giusto rapporto tra l’obiettivo usato e l’oculare. Si parla in questo caso di planarità del campo cioè la capacita di ottenere nel campo visivo un’immagine perfettamente a fuoco (planare) dal centro alla periferia dell’oculare.

Come abbiamo detto in un altro capitolo su ogni obiettivo è indicato il suo valore di campo FN. Questo valore espresso in mm definisce la sua planarità massima. I valori più diffusi sono: 18, 20, 22, 25 e 26,5.
Ovviamente questi valori sono legati alla qualità complessiva dell’obiettivo. Migliore è la sua qualità complessiva e più alto sarà il suo FN.

Analogamente gli oculari hanno un loro valore di campo osservato in questo caso si parla di Indice di Campo. Anche per gli oculari esistono le stesse dimensioni: 18, 20, 22, 25 e 26,5.

Da qui si evince l’importanza di avere un giusto accoppiamento tra obiettivo e oculare. Un oculare da 22 mm usato con un obiettivo planare da 20 mm darà sicuramente delle perdite di fuoco nella parte periferica del campo. Viceversa se utilizzassimo un oculare da 22 mm con un obiettivo planare di 26,5 avremmo la certezza di avere tutto il campo osservato perfettamente a fuoco, planare.

Come si può notare da questa immagine nel caso utilizzassimo un oculare con IC 22 con un obiettivo FN 22 o superiore non si avranno aberrazioni sferiche/planari evidenti. Nel caso utilizzassimo con lo stesso oculare un obiettivo con FN 20 (linea verde) potremmo avere la zona periferica non perfettamente a fuoco.

Aberrazione Coma

La coma è un’aberrazione ottica che deriva il suo nome dal caratteristico aspetto a cometa delle immagini create dai sistemi ottici che presentano tale difetto.

La coma si ha quando l’oggetto ripreso è spostato lateralmente rispetto all’asse del sistema di un angolo θ. I raggi che passano per il centro di una lente con distanza focale f, sono focalizzati alla distanza f tangente di θ. I raggi che passano in periferia sono focalizzati invece in un punto diverso sull’asse, più lontano nel caso della coma positiva e più vicino nella coma negativa.

Il test per verificare questa aberrazione consiste nell’utilizzare un campione con micro fori. Il risultato che si può ottenere è rappresentato nella figura successiva.
In generale questa aberrazione risulta difficilmente evidente se non con strumenti di verifica specifici.

In questa figura si possono vedere gli effetti di una coma molto amplificata.*

Assenza di aberrazione coma

Presenza di aberrazione coma

Aberrazione Astigmatica

L’astigmatismo è un’aberrazione presente in un sistema singolo o composto di lenti. I raggi che si propagano in due piani intersecanti l’asse ottico ad angoli diversi, ad esempio perpendicolari tra loro, hanno fuochi differenti e proiettando l’immagine di un punto, lo stesso risulta deformato.
Se un sistema ottico con astigmatismo viene utilizzato per formare l’immagine di una croce, le linee orizzontali e verticali saranno a fuoco a due distanze diverse.

Visivamente un’immagine prodotta da un sistema astigmatico apparirà più o meno evidentemente deformata. Un punto risulterà ellittico, con parte del bordo sfocato o sdoppiata.

Aberrazione Distorsione

La distorsione ottica si verifica nel momento in cui ai punti del piano oggetto costituenti una certa figura corrispondono immagini che non hanno nessuna proporzionalità con l’oggetto di origine. Questo fenomeno è dovuto in buona parte al fatto che le superfici esterne delle lenti sono curve o sferiche.
La distorsione è un difetto che mostra gli oggetti in direzione diversa da quella in cui realmente si trovano, ne esistono di due tipi: a cuscino e a barile

Bassa Distorsione

Alta Distorsione

Le aberrazioni cromatiche

Questa classe di aberrazioni è dovuta alla natura della luce utilizzata, luce bianca (policromatica) e i componenti ottici utilizzati per la costruzione delle lenti. Tipo di lenti, concave, convesse, raggio di curvatura indice di rifrazione del vetro utilizzato.
Una lente singola è associabile per effetti di rifrazione ad un prisma.

In questo caso la luce bianca che incide in un punto verrà scomposta nelle sue componenti.
Le lunghezze d’onda più corte (blu) sono più deviate, quelle di lunghezza maggiore (rosso) saranno meno deviate. Si forma cosi una zona in cui per ogni lunghezza d’onda abbiamo un fuoco differente.*

Per convenzione in ottica si considerano tre lunghezze d’onda per definire il grado di correzione del sistema: Blu/Verde/Rosso (RGB).
Quello che i progettisti di obiettivi devono cercare di ottenere e che le tre lunghezze d’onda di riferimento coincidano nello stesso fuoco per garantire un’immagine cromaticamente uguale all’oggetto. Ci sono tre classi di obiettivi che identificano il livello di correzione di questa aberrazione. In generale la principale correzione si effettua affiancando lenti con caratteristiche ottiche e curvature differenti. Lo scopo è sempre quello di correggere le aberrazioni garantendo gli ingrandimenti come da progetto teorico.

Le classi sono tre: obiettivi Acromatici, Semi-Apocromatici (Fluorite), Apocromatici.

Acromatico

Doppietto ottico	Correzione di 2 lunghezze d’onda Λ

Acromatico

Doppietto ottico	Correzione di due lunghezze d’onda Λ con la terza più vicina rispetto ad un Acromatico

Apocromatico

Tripletto ottico	Correzione di tre lunghezze d’onda Λ

Come si correggono le aberrazioni?

Come avete visto nell’immagine precedente gli obiettivi sono costruiti con numerosi elementi ottici. I vetri che vengono utilizzati hanno indici di rifrazioni differenti tra loro. Ci sono tipologie di lenti concave, convesse o un mix di queste. Più è alta la correzione che vogliamo ottenere più il numero di lenti ed il loro abbinamento aumenta. Un punto fondamentale nella costruzione di questi sistemi consiste anche nell’utilizzo di sistemi di antiriflesso sulle superfici delle lenti che non solo aumentano la luminosità complessiva del sistema ma permettono anche di eliminare riflessioni, diffrazioni di lunghezze d’onda specifiche che potrebbero creare disturbo al sistema ottico complessivo.
Riassumendo le categorie di obiettivi e le loro caratteristiche sono quelle in tabella.

Tipo Obiettivo	Correzione	Planarità su FN
Acromatico	2 Λ. su tre	18-20-22
Semi-Apocromatico	2 Λ. su tre. La terza è più vicina al fuoco rispetto ad un acromatico	25-26,5
Apocromatico	3 Λ. su tre	25-26,5

Come scegliere gli obiettivi più adatti?

L’applicazione specifica d’uso determina normalmente la categoria di obiettivo più adatto. Questa scelta è ovviamente influenzata anche da budget ed è per questo che vi invitiamo a contattarci per approfondire la scelta del microscopio e degli obiettivi o per definire un setup specifico per le vostre applicazioni.
Potete rivolgervi e scrivere a:

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*Immagini fonte Wikipedia

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