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光學(xué)分辨率有極限嗎,?

來(lái)源:聯(lián)合光科技(北京)有限公司   2025年03月17日 16:27  
CC:小鶴,,你說(shuō)按照幾何光學(xué)的定律,是不是我們通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇透鏡的焦距就可以造出很大很大放大倍數(shù)的顯微鏡系統(tǒng),將任何細(xì)小的物體放大到可以清晰觀測(cè)的程度,?
 


薛定諤的鶴:你想得美,,大家都知道光學(xué)分辨率越高,,系統(tǒng)的精度越高,,科學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得的信息更精確。但恩斯特·阿貝博士早在19世紀(jì)70年代就給光學(xué)顯微鏡的分辨率安排了一個(gè)天花板,。今天正好一起來(lái)學(xué)習(xí)解讀一下這個(gè)分辨率極限公式吧,。


 


解讀阿貝公式前,我們先了解幾個(gè)概念:
 

分辨率

可以將密集的點(diǎn)區(qū)分為單個(gè)的點(diǎn)的能力,。
 

分辨率極限(最大分辨率)

可識(shí)別為不同點(diǎn)的最小間距,。光學(xué)分辨率極限的判定,最早是由物理學(xué)家恩斯特阿貝博士在1873年發(fā)現(xiàn),,可判定任何光學(xué)成像的分辨率理論極限,。

 
艾里斑

凸透鏡能將入射光聚焦到它的焦點(diǎn)上,但由于透鏡口徑有一定大小,,光線透過(guò)時(shí)會(huì)由于波動(dòng)特性會(huì)發(fā)生衍射,,無(wú)法將光線聚成無(wú)限小的焦點(diǎn)上,而只會(huì)形成一定能量分布的光斑,。中央是明亮的圓斑,,周圍有一組較弱的明暗相間的同心環(huán)狀條紋,把其中以第一暗環(huán)為界限的中央亮斑稱為艾里斑(Airy Disk),。圖1為兩個(gè)等光強(qiáng)的艾里斑從重疊到逐步分開(kāi)的影像,。
 

圖1
 

圖2為雙凸透鏡顯微系統(tǒng)示意圖,我們可以看到:把物體靠近眼睛,,可以增大孔徑角(Angular Aperture)就可以增大在眼睛視網(wǎng)膜上的成像,,也就是提高了分辨率。
圖2
 
從光的波動(dòng)屬性分析,,物體細(xì)節(jié)對(duì)光的波動(dòng)的反射才是物體被觀察到的根本原因,。通過(guò)發(fā)射波長(zhǎng)等于或者小于物體大小的波,它被反射回觀察者,。而被觀測(cè)物可以被觀測(cè)到的最小尺度就是1/2波長(zhǎng),,小于這個(gè)尺度被觀測(cè)物將無(wú)法反射光波,從而無(wú)法被觀測(cè),。
 

圖3
最終,,阿貝博士得出的阿貝簡(jiǎn)單判定(Abbe Simple Criterion)為:
式中λ為使用光線的波長(zhǎng)值,n為光路中透鏡對(duì)介質(zhì)的折射率系數(shù),,α為入射光束與透鏡光軸間的夾角,。
 

但是在實(shí)際應(yīng)用中,被測(cè)物體不是一個(gè)點(diǎn)而是一系列物點(diǎn)的集合,。每一個(gè)物點(diǎn)經(jīng)過(guò)有限直徑的透鏡后,,在像平面上都會(huì)產(chǎn)生文中開(kāi)頭提到的艾里斑,,如果兩個(gè)物點(diǎn)的艾里斑重疊到無(wú)法分辨,我們則認(rèn)為這兩個(gè)物點(diǎn)無(wú)法被分辨,,圖4中讓兩個(gè)等光強(qiáng)的非相干點(diǎn)像逐步分開(kāi),,當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)像中心間隔等于艾里斑的半徑R,這樣的艾里斑可以被認(rèn)為是物點(diǎn)可以被分辨的最小尺寸,,這種不同于阿貝簡(jiǎn)單判定的方式叫做瑞利判定(Rayleigh Criterion),。
 




圖4


那么我們來(lái)計(jì)算一下按照瑞利判定,可被分辨的艾里斑的半徑(也就是可以被分辨的最小尺寸)與生成這個(gè)艾里斑的光波波長(zhǎng)的關(guān)系,。圖5為原理示意圖,。
 



圖5


中間演算過(guò)程涉及到冗長(zhǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)變換以及各種函數(shù)方程,最終計(jì)算結(jié)果為:

式中λ為使用光線的波長(zhǎng)值,,n為光路中透鏡對(duì)介質(zhì)的折射率系數(shù),,α為入射光束與透鏡光軸間的夾角。


普通光學(xué)顯微鏡,,為提高分辨率極限(使d 值降低),,就需要從兩個(gè)方面著手:

 

一、減小λ值

可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍:390nm~760nm,,取可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為較短數(shù)值λ=400nm時(shí)(相當(dāng)于紫色光),,d≈200nm=0.2μm,這基本上可認(rèn)為是一般光學(xué)顯微鏡的最高分辨能力了,。

圖6


在可見(jiàn)光波段想要獲得更好的分辨率極限,,顯微鏡系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就要盡量選用藍(lán)紫光線作為照明光源。
 

二,、增大n•sinα的值,,這個(gè)值也被標(biāo)為NA值(數(shù)值孔徑)

選用折射率的更大的介質(zhì),以及增大孔徑角有助于提高顯微鏡的分辨率,。顯微物鏡上都會(huì)標(biāo)識(shí)NA值(如圖6中標(biāo)識(shí)NA值為0.055),,同等放大倍率的物鏡,更大的數(shù)值孔徑可以獲得更好的分辨率,。

圖7

 

恩斯特·阿貝博士是耶拿最有名的物理學(xué)家,、光學(xué)家,在人類歷史留下的寶貴財(cái)富遠(yuǎn)不止阿貝公式,。還有阿貝正弦條件,,阿貝數(shù),阿貝最早在蔡司推行了8小時(shí)工作制,,成為現(xiàn)代雇員保障制度的先導(dǎo)者,。為了紀(jì)念阿貝博士的偉大貢獻(xiàn),位于月球背面的一座大約形成于30多億年前的撞擊坑被命名為阿貝環(huán)形山。在耶拿,,卡爾蔡司,,恩斯特阿貝,以及奧托肖特三人被稱為耶拿三杰,,也代表著德國(guó)光學(xué)之城耶拿的輝煌成就,。



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