Độ phân giải quang học và Hệ thống hình ảnh

Nhiễu xạ đặt ra giới hạn cơ bản về chi tiết nhỏ nhất mà một hệ thống quang học có thể phân giải, được thể hiện bằng tiêu chí Rayleigh và Abbe.

Definition

Khả năng của một hệ thống quang học để phân biệt các đặc điểm gần nhau, cuối cùng bị giới hạn bởi nhiễu xạ tại khẩu độ của hệ thống và được định lượng bằng các tiêu chí liên quan đến khoảng cách phân giải nhỏ nhất với bước sóng và kích thước khẩu độ.

Scope

Chủ đề này bao gồm độ phân giải của các hệ thống hình ảnh và cách nhiễu xạ giới hạn nó. Nó bao gồm mẫu Airy của một khẩu độ tròn, tiêu chí Rayleigh và Sparrow để phân giải hai nguồn điểm, giới hạn nhiễu xạ Abbe theo khẩu độ số và bước sóng, mô tả hàm truyền quang học về độ tương phản so với tần số không gian, và các nguyên tắc của các kỹ thuật vượt qua giới hạn cổ điển. Nó kết nối lý thuyết nhiễu xạ của khẩu độ với hiệu suất thực tế của kính hiển vi, kính thiên văn, máy ảnh và mắt.

Core questions

• Khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm mà một hệ thống có thể phân giải là gì?
• Bước sóng và khẩu độ số đặt ra giới hạn độ phân giải như thế nào?
• Hàm truyền quang học mô tả độ tương phản hình ảnh như thế nào?
• Bằng cách nào có thể đạt được độ phân giải vượt quá giới hạn cổ điển?

Key concepts

• Đĩa Airy
• Tiêu chí Rayleigh
• Giới hạn Abbe
• Khẩu độ số
• Hàm truyền quang học
• Tần số không gian cắt
• Hàm trải điểm
• Siêu phân giải

Key theories

Giới hạn độ phân giải Rayleigh và Abbe

Hai nguồn điểm chỉ được phân giải khi cực đại trung tâm của một mẫu Airy nằm trên cực tiểu đầu tiên của mẫu kia; tương đương, giới hạn của Abbe cho biết đặc điểm phân giải nhỏ nhất gần bằng bước sóng chia cho hai lần khẩu độ số.

Hàm truyền quang học

Một hệ thống hình ảnh không kết hợp tái tạo mỗi tần số không gian của vật thể với độ tương phản và pha được cho bởi hàm truyền quang học, giảm xuống 0 tại tần số cắt giới hạn nhiễu xạ.

Clinical relevance

Giới hạn độ phân giải xác định các cấu trúc nhỏ nhất có thể nhìn thấy trong kính hiển vi lâm sàng và mô bệnh học cũng như trong hình ảnh nhãn khoa của võng mạc; kính hiển vi siêu phân giải mở rộng hình ảnh nghiên cứu y sinh dưới giới hạn nhiễu xạ để hình dung chi tiết dưới tế bào.

History

Rayleigh và Abbe đã độc lập thiết lập giới hạn nhiễu xạ về độ phân giải vào những năm 1870 và 1880, Abbe đã làm như vậy trong bối cảnh thiết kế kính hiển vi tại nhà máy Zeiss. Vào đầu thế kỷ XXI, các phương pháp siêu phân giải dựa trên huỳnh quang, được công nhận bởi Giải Nobel Hóa học năm 2014, đã chỉ ra rằng giới hạn cổ điển có thể được khắc phục trong những điều kiện thích hợp.

Key figures

• Lord Rayleigh
• Ernst Abbe
• Stefan Hell

Seminal works

• bornwolf1999
• goodman2017

Frequently asked questions

Tại sao một thấu kính hoàn hảo không thể tạo ra một điểm nhỏ tùy ý?

Ngay cả một thấu kính không quang sai cũng làm nhiễu xạ ánh sáng tại khẩu độ của nó, vì vậy một nguồn điểm được tạo ảnh dưới dạng một đĩa Airy có kích thước hữu hạn; khẩu độ càng lớn so với bước sóng, đĩa càng nhỏ, nhưng nó không bao giờ có thể co lại thành một điểm.

Làm thế nào để tăng khẩu độ số cải thiện độ phân giải?

Khẩu độ số cao hơn thu thập ánh sáng trên một hình nón góc rộng hơn, thu được các thành phần tần số không gian mịn hơn của vật thể và do đó giảm khoảng cách phân giải nhỏ nhất, đó là lý do tại sao các vật kính hiển vi công suất cao sử dụng dầu ngâm để tăng nó.