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光學分辨率有極限嗎?

來源:聯合光科技(北京)有限公司   2025年03月17日 16:27  
CC:小鶴,你說按照幾何光學的定律,是不是我們通過適當的選擇透鏡的焦距就可以造出很大很大放大倍數的顯微鏡系統,將任何細小的物體放大到可以清晰觀測的程度?
 


薛定諤的鶴:你想得美,大家都知道光學分辨率越高,系統的精度越高,科學實驗獲得的信息更精確。但恩斯特·阿貝博士早在19世紀70年代就給光學顯微鏡的分辨率安排了一個天花板。今天正好一起來學習解讀一下這個分辨率極限公式吧。


 


解讀阿貝公式前,我們先了解幾個概念:
 

分辨率

可以將密集的點區分為單個的點的能力。
 

分辨率極限(最大分辨率)

可識別為不同點的最小間距。光學分辨率極限的判定,最早是由物理學家恩斯特阿貝博士在1873年發現,可判定任何光學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上,但由于透鏡口徑有一定大小,光線透過時會由于波動特性會發生衍射,無法將光線聚成無限小的焦點上,而只會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狀條紋,把其中以第一暗環為界限的中央亮斑稱為艾里斑(Airy Disk)。圖1為兩個等光強的艾里斑從重疊到逐步分開的影像。
 

圖1
 

圖2為雙凸透鏡顯微系統示意圖,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膜上的成像,也就是提高了分辨率。
圖2
 
從光的波動屬性分析,物體細節對光的波動的反射才是物體被觀察到的根本原因。通過發射波長等于或者小于物體大小的波,它被反射回觀察者。而被觀測物可以被觀測到的最小尺度就是1/2波長,小于這個尺度被觀測物將無法反射光波,從而無法被觀測。
 

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

但是在實際應用中,被測物體不是一個點而是一系列物點的集合。每一個物點經過有限直徑的透鏡后,在像平面上都會產生文中開頭提到的艾里斑,如果兩個物點的艾里斑重疊到無法分辨,我們則認為這兩個物點無法被分辨,圖4中讓兩個等光強的非相干點像逐步分開,當兩個點像中心間隔等于艾里斑的半徑R,這樣的艾里斑可以被認為是物點可以被分辨的最小尺寸,這種不同于阿貝簡單判定的方式叫做瑞利判定(Rayleigh Criterion)。
 




圖4


那么我們來計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)與生成這個艾里斑的光波波長的關系。圖5為原理示意圖。
 



圖5


中間演算過程涉及到冗長的傅里葉級數變換以及各種函數方程,最終計算結果為:

式中λ為使用光線的波長值,n為光路中透鏡對介質的折射率系數,α為入射光束與透鏡光軸間的夾角。


普通光學顯微鏡,為提高分辨率極限(使d 值降低),就需要從兩個方面著手:

 

一、減小λ值

可見光的波長范圍:390nm~760nm,取可見光的波長為較短數值λ=400nm時(相當于紫色光),d≈200nm=0.2μm,這基本上可認為是一般光學顯微鏡的最高分辨能力了。

圖6


在可見光波段想要獲得更好的分辨率極限,顯微鏡系統在設計時就要盡量選用藍紫光線作為照明光源。
 

二、增大n•sinα的值,這個值也被標為NA值(數值孔徑)

選用折射率的更大的介質,以及增大孔徑角有助于提高顯微鏡的分辨率。顯微物鏡上都會標識NA值(如圖6中標識NA值為0.055),同等放大倍率的物鏡,更大的數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家、光學家,在人類歷史留下的寶貴財富遠不止阿貝公式。還有阿貝正弦條件,阿貝數,阿貝最早在蔡司推行了8小時工作制,成為現代雇員保障制度的先導者。為了紀念阿貝博士的偉大貢獻,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,也代表著德國光學之城耶拿的輝煌成就。



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