Пределы разрешения и круговые апертуры

Физика > Пределы разрешения и круговые апертуры

 

Читайте о дифракционном пределе разрешения и эффекте дифракции: предел Аббе для разрешения микроскопа, как улучшить разрешение объектива, формула.

В оптическом изображении фундаментальная граница разрешения обусловливается дифракцией.

Основные пункты

• Эффекты дифракции ярче всего проявляются для волн, чья длина практически совпадает с размерами дифрагующих объектов.
• Дифракционный предел вычисляется по формуле: 
• Предел выступает пропорциональным длине волны, из-за чего увеличивается разрешение.

Термины

• Дифракция – волновой изгиб на стыке с отверстиями или преградами.
• Наноструктуры – шкала между молекулярной и микроскопической структурами.
• Апертура – диаметр отверстия, ограничивающего ширину светового прохода по всей системе.

Оптическая система, нацеленная на формирование изображения, обладает максимумом для показателя разрешения, что обусловлено дифракцией.

У телескопов с круговыми апертурами наименьшей функцией будет размер диска Эйри. Если апертура в линзе уменьшается, то дифракция увеличивается. Вы заметите это, так как кольца от дифракции становятся более отчетливыми. Точно также, если объекты с изображениями уменьшаются, то объекты из дифракции размывают границы.

Дифракционные эффекты наиболее ярко проявляют себя для волн, чья длина практически сходится с размерами дифрагующих объектов. Длина волны пучка образа накладывает фундаментальное ограничение на разрешение в любой оптической системе.

Компьютерное изображение диска Эйри. Интенсивность серой шкалы скорректировали, чтобы увеличить яркость внешних колец диаграммы

Дифракционный предел Аббе для микроскопа

В микроскоп очень сложно наблюдать за субволновыми структурами из-за дифракционного предала Аббе. В 1873 году выяснилось, что свет, перемещающийся в среде не может свестись к пятну с радиусом меньше, чем:

Это выяснил Эрнст Аббе. Знаменатель nsinθ – числовая апертура. В современной оптике он способен достигать 1.4, поэтому предел Аббе – d = . В зеленом свете с 500 нм, предел = 250 нм.

Улучшение разрешения

Если вам нужно увеличить разрешение, то можно использовать более короткие длины волн, вроде УФ и рентгеновские микроскопы. Однако при лучшем разрешении они слишком дорогие и обладают недостатком контраста в биологических образцах (могут повредить их). Остальные способы также упираются в высокую стоимость или сложность осуществления. Как правило, к ним обращаются, если необходимо решить подмножество проблем с изображением.

---