blízko
Vyberte si svůj web
Globální
Sociální média
Zobrazení: 0 Autor: Editor webů Publikování Čas: 2025-06-26 Původ: Místo
Difrakční limit nám říká nejmenší detail, jaký může optický systém vidět, protože světlo působí jako vlna. V optice je tento limit přísným pravidlem pro to, jak mohou vypadat jasné věci. Pokud jsou dvě hvězdy nebo světlomety automobilů daleko od sebe, vidíme je jako dva body. Ale pokud se přiblíží, difrakce způsobí, že jejich lehká směs a rozmazání. Vědci používají rovnice jako d = λ / (2 nA), aby se ukázalo, jak vlnová délka a numerická apertura ovlivňují to, co můžeme vidět. Pokusy dokazují , že difrakce vždy ovlivňuje obrázky v reálném životě.
| techniky zobrazování | (NM) | Popis rozsahu rozlišení |
|---|---|---|
| SED | 20 - 50 | Dostane velmi ostré obrazy kolem difrakčního limitu pomocí stimulované vyčerpání emisí. |
| BOUŘE | 20 - 50 | Mohou vidět jednotlivé molekuly se super rozlišením. |
| DLAŇ | 20 - 50 | Stejně jako Storm nám to umožňuje vidět velmi malé věci. |
| SIM | 100 - 200 | Poskytuje lepší rozlišení a pracuje s živými buňkami. |
Vědět o difrakční limitu pomáhá lidem pochopit, co optické nástroje mohou a nemohou udělat.
The Difrakční limit je nejmenší detail, který můžeme vidět s optikou, protože světlo se šíří jako vlny, když prochází malými prostory.
Jak jasný je obraz, závisí na vlnové délce světla a numerické cloně čočky. Kratší vlnové délky a větší otvory objasňují obrázky.
Kritérium Rayleigh nám říká, kdy dva body vypadají odděleně. Pomáhá optickým nástrojům měřit, jak dobře mohou vidět detaily.
Nové metody super-rozlišení, jako jsou STED a Storm, používají speciální světelné vzory a triky s molekulami. Uvidíme věci menší než difrakční limit.
Vědět o difrakční limitu pomáhá vědcům vyrábět lepší mikroskopy a kamery. To jim umožňuje studovat drobné věci v biologii a materiálech.
Difrakční limit nám říká nejmenší detail, jaký můžeme vidět. To se stane proto, že Světlo se ohýbá, když prochází malými prostory . Světlo působí jako vlna, takže se šíří a mísí. Vědci používají difrakční limit, aby věděli, jak mohou být jasné mikroskopy, dalekohledy a kamery. Limit se mění s barvou světla a velikostí otvoru v zařízení.
Světlo se pohybuje ve vlnách. Když prochází malou dírou nebo kolem okraje, šíří se. To vytváří vzory s jasnými a tmavými skvrnami. To se nazývají difrakční vzory. V Youngově experimentu s dvojitým štěrbinem se lehké vlny mísí dohromady. Jasné skvrny se objevují, kde se přidávají vlny a tmavé skvrny se zobrazují, kde se zruší. Kolik šíří světla závisí na jeho barvě a velikosti otvoru. Pokud je díra téměř stejně malá jako vlnová délka světla, šíření je větší. Toto šíření ztěžuje vidět dva body jako samostatné, pokud jsou blízko.
Moderní experimenty, stejně jako mach-uhnder interferometr , také dokazují, že světlo je vlna. Tyto testy ukazují, že difrakce je skutečná a nejen nápad. Vlnová povaha světla stanoví hlavní limit toho, kolik detailů můžeme vidět.
Youngův experiment s dvojitým štěrbinem ukazuje:
Světlo dělá jasné a tmavé pruhy kvůli míchání vln.
Pruhy závisí na barvě světla a na tom, jak daleko jsou štěrbiny.
Experiment prokazuje, že se rozprostírá světlo, což vede k difrakčnímu limitu.
Když světlo prochází kulatým otevřením, jako a Objektiv , dělá to speciální vzorec. Tomu se říká vzdušný vzor. Střed je jasné místo zvané vzdušný disk. Kolem toho jsou prsteny, které se stmívají. Velikost vzdušného disku závisí na barvě světla a numerické cloně čočky. Kratší vlnová délka nebo větší clona zmenšuje vzdušný disk menší. To nám pomáhá vidět více podrobností.
Jak daleko od sebe jsou dva vzdušné disky rozhodující, pokud vidíme dva body jako oddělené. Pokud jsou disky příliš blízko, mísí se a vypadají jako jeden. Vědci používají matematiku k nalezení velikosti vzdušného disku a jak daleko od sebe musí být dva body, aby je jasně viděli:
| aspekt | popis | vzorec / měření |
|---|---|---|
| Závislost velikosti vzduchu vzoru | Vzdušená velikost disku se mění s numerickým otvorem (NA) a vlnovou délkou (λ). | Vzdušný diskový poloměr r = 1,22λ / (2 nA (obj)) |
| Numerická clona (NA) | Na rozlišení změny čočky a kondenzátoru; Na (obj) = n sin (θ), kde n je index lomu a θ je polovina úhlu světelného kuželu. | Na (obj) = n sin (θ) |
| Nastavení rozlišení | Použití kratší vlnové délky nebo větší NA zmenšuje vzdušný disk menší a zlepšuje rozlišení. | Zobrazeno v experimentech a výucech s posuvníky pro λ a na. |
Interaktivní lekce a testy ukazují, jak změna barvy světla nebo velikosti otvoru mění vzdušný disk a co můžeme vidět. Vzdušný vzorec se děje kvůli difrakci a vlnové povaze světla.
Kritérium Rayleigh dává pravidlo, kdy můžeme vidět pouze dva body jako samostatné. Říká se, že dva body jsou právě od sebe odděleny, když střed jednoho vzdušného disku s prvním tmavým prstenem druhého. To znamená, že vzdálenost mezi dvěma vzdušnými disky musí být alespoň tak velká jako střed disku. Kritérium Rayleigh používá tento vzorec:
Rozlišení = 0,61λ / NA
Zde je λ barva světla a NA je numerický otvor. Kritérium Rayleigh propojuje difrakční limit na části optického systému. Nejedná se o přísný zákon, ale funguje to pro většinu případů.
| Kritérium | Popis | vzorec | podporuje důkazy |
|---|---|---|---|
| Kritérium Rayleigh | Dva body jsou vidět od sebe, když střed jednoho vzdušného disku odpovídá prvnímu tmavému prstenci druhého. | Rozlišení = 0,61λ / NA | Grafy ukazují dva vrcholy s poklesem 20-30% mezi nimi, což ukazuje, že je lze vidět odděleně. |
| Sparrow limit | Limit, kde se dva body mísí bez poklesu mezi nimi. | Rozlišení = 0,47λ / NA | Grafy ukazují rovnoměrný jas mezi vrcholy, takže body nelze vidět odděleně. |
| Fyzický základ | Rozlišení závisí na difrakci a světelných vlnách, což omezuje to, co můžeme vidět. | Na základě funkce rozšiřování bodového rozšiřování a Fourierovy transformace obrazu. | Pokusy a počítačové modely prokazují tyto limity. |
Kritérium Rayleigh pochází z myšlenek i testů. Lord Rayleigh to udělal na základě toho, jak lidé vidí kontrast mezi dvěma body. Jas uprostřed dvou vzdušných disků klesne na asi 26,5% nejvyššího jasu. Tato kapka umožňuje lidem vidět dva body jako oddělené. Kritérium Rayleigh se používá hodně, protože odpovídá tomu, co lidé vidí a jaké testy ukazují.
Vědci zkontrolovali Rayleigh kritérium mnoha způsoby. Zjistili, že difrakční limit je skutečnou hranicí pro pravidelné zobrazování. Nové metody, jako je super-rozlišení, však mohou někdy dělat lépe než Rayleigh Criterion pomocí dalších detailů, jako je fáze světla. Tyto nové způsoby ukazují, že difrakční limit pochází z toho, jak měříme světlo, nikoli z tvrdé stěny v přírodě.
Kritérium Rayleigh a vzdušné disky pomáhají vědcům vydávat jasná pravidla pro vidění detailů v optice. Ukazují, jak světlé vlny a difrakční vzory spolupracují na nastavení difrakčního limitu. Učením se tyto myšlenky mohou lidé lépe vyrábět a používat optické nástroje.
Optické rozlišení znamená, jak dobře může systém rozeznat dva blízké body. Limit pochází z toho, jak světlo působí jako vlna. Když světlo prochází čočkou nebo otvorem, šíří se. Toto šíření se nazývá difrakce . Díky tomu jsou dva body, jako by se mísily, pokud jsou příliš blízko.
V roce 1873 Ernst Abbe zjistil, že nejmenší mezera je třeba vidět dva body jako oddělené. Tato mezera závisí na barvě světla a numerickém otvoru čočky. Vzorec Abbe je d = λ/(2NA) . Zde je D nejmenší mezera, λ je barva a Na je numerická clona. To ukazuje, že difrakce nastavuje pevný limit pro optické rozlišení. Funkce šíření bodů ukazuje, že jeden bod světla vypadá jako malé místo, ne dokonalá tečka. Pokud se dvě místa překrývají, obrázek se rozmazává.
Vědci používají k měření řešení různých pravidel. Patří sem Kritérium Rayleigh , limit Dawes, limit Abbe a limit vrabců. Každé pravidlo říká, jak blízko mohou být dva body, než se rozostří dohromady. Níže uvedená tabulka porovnává tyto limity:
| kritéria | Poměr | poměru vlnové délky vlnové délky/průměru clony (radiánský) | rozlišení (oblouk sekundy) na | rozlišení průměru clony mm (ARC sekundy) na průměr clony clony na palec na palec na palec |
|---|---|---|---|---|
| Rayleigh | 0.61 | 1.22 | 138 | 5.45 |
| Dawes | 0.515 | 1.03 | 116 | 4.56 |
| Abbe | 0.50 | 1.00 | 113 | 4.46 |
| Vrabec | 0.47 | 0.94 | 107 | 4.20 |
Rozlišení Abbe i Rayleigh Criterion ukazují, že limit závisí na barvě světla a otevření čočky. Nové digitální kamery mohou někdy vidět více podrobností pomocí speciálních triků. Difrakce však stále stanoví hlavní limit.
Mnoho věcí se mění, jak dobře Optický systém může vidět podrobnosti. Nejdůležitější jsou barva světla, velikost otvoru a F-číslo. Kratší vlnové délky nám pomáhají vidět menší věci. Větší otevření umožňuje více světla a dělá obraz ostřejší.
Níže uvedená tabulka ukazuje, jak tyto věci mění rozlišení:
| Numerické rozlišení | vlnové délky (NM) | (µm)) |
|---|---|---|
| 0.10 | 550 | 2.75 |
| 0.25 | 550 | 1.10 |
| 0.40 | 550 | 0.69 |
| 0.65 | 550 | 0.42 |
| 1.25 | 550 | 0.22 |
| 0.95 | 360 | 0.19 |
| 0.95 | 400 | 0.21 |
| 0.95 | 450 | 0.24 |
| 0.95 | 500 | 0.26 |
| 0.95 | 550 | 0.29 |
| 0.95 | 600 | 0.32 |
| 0.95 | 650 | 0.34 |
| 0.95 | 700 | 0.37 |
Tato tabulka ukazuje, že vyšší numerický otvor nebo kratší vlnová délka dává lepší rozlišení. Například, pokud numerická apertura jde od 0,10 do 1,25, rozlišení se zlepší z 2,75 um do 0,22 um. Pokud vlnová délka klesne z 700 nm na 360 nm, rozlišení se také zlepšuje.
Tip: Abychom získali nejlepší rozlišení, vědci používají čočky s vysokým numerickým otvorem a světlem s krátkou vlnovou délkou.
Pro usnesení také záleží na dalších věcech, jako je velikost pixelů v kamer. Menší pixely mohou zobrazit více podrobností, ale pouze až do difrakční limit. Number F je délka čočky dělená jeho šířkou. Nižší číslo F znamená širší otevření, které pomáhá systému vidět podrobněji.
Následující tabulka ukazuje, jak různé věci ovlivňují hustotu a rozlišení informací:
| Variační efekt parametrů na | o optickém rozlišení (hustota informací, i_d) | poznámky |
|---|---|---|
| Zvýšení numerického otvoru (NA) | Zvýšení NA z 0,7 na 0,8 má za následek 2,1 x zvýšení I_D | NA ovlivňuje jak funkci optického přenosu (OTF), tak úhel sběru fotonů, což je velmi vlivné |
| Snížení emisní vlnové délky | Změna vlnové délky z 0,8 μm na 0,7 μm dává pouze 1,5 × zvýšení I_D | Vlnová délka ovlivňuje rozlišení, ale méně silně než NA |
| Strukturovaná frekvence osvětlení (SIM) | Obecně platí, že vyšší strukturovaná frekvence osvětlení (K_ST) zvyšuje I_D a zlepšuje rozlišení, ale existují výjimky, pokud nižší frekvence překonávají vyšší vyšší | Běžná praxe používá frekvenci na hranici OTF, ale některé nižší frekvence mohou přinést lepší rozlišovací sílu |
| Velikost pixelů (související s otvorem a vzorkováním) | Menší velikost pixelu zlepšuje přenos frekvence a zvyšuje I_D, zejména v blízkosti hranice difrakčního limitu | Pixel Binning působí jako filtr s nízkým průchodem, což snižuje rozlišení; Zlepšení je méně výrazné poblíž frekvence DC |
Níže uvedený liniový graf ukazuje, že vyšší numerická clona a kratší vlnová délka dávají lepší rozlišení:
Frekvence mezní hodnoty je nejvyšší detail, který se může zobrazit optický systém. Je to konečný limit toho, kolik detailů můžeme vidět. Frekvence mezní hodnoty závisí na numerickém otvoru a barvě světla. Pokud se pokusíme vidět detaily menší než tohle, obraz ztratí kontrast a detaily zmizí.
Níže uvedená tabulka ukazuje, jak jsou spojeny mezní frekvence a rozlišení: Vztah
| /účinek parametru | /faktoru na limit rozlišení (dˆ/λ) |
|---|---|
| Numerická clona (NA) | Omezení rozlišení lineárně se měří s 1/na (vyšší NA → lepší rozlišení) |
| Poměr signál-šum (SNR) | Vyšší SNR → nižší minimální rozlišení vzdálenosti; nižší SNR zvyšuje dˆ/λ |
| Spektrální oddělení (A) | Nenulo A (spektrální zobrazování) umožňuje stejné prostorové rozlišení při vyšších hladinách šumu ve srovnání s A = 0 |
| Variance šumu (σ⊃2;) | Pro 5 = 0,5, σ⊃2; může být dvakrát vyšší; pro A = 1, σ⊃2; může být pětkrát vyšší pro udržení řešení |
| Kompromisy | Spektrální vylepšení zlepšuje rozlišení, ale vyžaduje vyšší doba získávání a komplexní hardware |
Frekvence mezní hodnoty působí jako filtr. Blokuje detaily, které jsou příliš malé na to, aby to systém viděl. Kritérium Rayleigh a funkce šíření bodů ukazuje, jak mezní frekvence omezuje to, co můžeme vidět. Pokud jsou o dva body blíže než tento limit, jejich obrázky se mísí.
Počítačové modely ukazují, že mezní frekvence závisí na typu signálu a šumu. Ostrannější spektrální funkce Uvidíme jemnější podrobnosti. Při spektroskopickém zobrazování nastavuje frekvence mezní frekvence nejmenší rozdíl ve frekvenci, kterou vidíme.
POZNÁMKA: Frekvence mezní hodnoty je důležitá, protože vysvětluje, proč ani ty nejlepší čočky a senzory nevidí detaily menší než určitá velikost. Ukazuje skutečné limity všech optických systémů.
Optická mikroskopie pomáhá vědcům vidět věci příliš malé pro naše oči. Mikroskopy používají čočky k zaostření světla a vytváření obrazů malých objektů. Difrakční bariéra však zabrání mikroskopům vykazovat každý malý detail. Když světlo prochází čočkou, šíří se a dělá rozmazané skvrny. Toto šíření omezuje, jak ostrý může být obraz. Ovlivněny jsou rozlišení stran-na stranu i nahoru a dolů. Nejmenší věc, kterou může mikroskop zobrazit, závisí na barvě světla a čočky F.
Níže uvedená tabulka ukazuje, jak změna změny F-Number změní, jaké podrobnosti můžeme vidět:
| ) | Rozlišení s omezeným difrakcí (LP/MM |
|---|---|
| 1.4 | ~ 1370 |
| 2 | ~ 960 |
| 2.8 | ~ 690 |
| 4 | ~ 480 |
| 5.6 | ~ 340 |
| 8 | ~ 240 |
| 11 | ~ 175 |
| 16 | ~ 120 |
Pokud se F-Number zvětšuje, mikroskop uvidí méně detailů. Níže uvedený graf ukazuje toto:
Když vědci používají mikroskopy, vidí Speckle vzory a rozmazání z difrakce. Tyto vzory míchají okraje a objasňují obrázek. Některé nové metody mohou pomoci opravit ztracené detaily, ale v mikroskopii je to stále výzva.
Vědci našli způsoby, jak se dostat přes difrakční bariéru v mikroskopech. Někteří používají speciální světelné vzory nebo zapíná zářivky. Jiní natahují vzorek, aby byl větší. Tyto triky pomáhají mikroskopům vidět mnohem menší věci než dříve.
Níže uvedená tabulka uvádí některé nové metody a jak pomáhají:
| Princip | / metodika techniky | Kvantitativní vylepšení / metrika rozlišení |
|---|---|---|
| Minflux | Používá osvětlení ve tvaru ořechu a stochastické přepínání fluoroforů | Dosahuje rozlišení na úrovni nanometrů; Zvýšená rychlost při sledování jedné molekuly |
| Expanzní mikroskopie (EXM) | Fyzicky rozšiřuje vzorek až o 20násobnou lineární expanzi pomocí otovatelného hydrogelu | Až 20násobné zlepšení rozlišení v kombinaci se standardní mikroskopií |
| SED | Vzorované osvětlení k vyčerpání fluorescence kolem ohniskového místa, ostření obrazu | Rozlišení se zlepšilo mimo difrakční limit (~ desítky nanometrů) |
| Storm / Palm / Fpalm | Stochastická aktivace a lokalizace jednotlivých molekul | Rozlišení subdifrakce rekonstrukcí pozic jednotlivých fluoroforů |
| Iscat | Detekce bez štítků pomocí rušení rozptýleného světla | Přesnost lokalizace nanometru (<1% difrakčního limitu při 532 nm) |
| Mikroskopie nanofluidní rozptyl | Detekce molekul bez štítků v nanochannelech | Zobrazování jednotlivých biologických nanočástic v reálném čase tak malých jako desítky KDA |
| Výpočetní vylepšení | Pokročilé zpracování obrazu a vylepšení/vylepšení založené na AI | Zlepšuje kvalitu a rozlišení obrazu nad optickými limity |
Tyto nové způsoby umožňují vědcům vidět kolem starých limitů mikroskopů. Například demultiplexování prostorového režimu a mikroskopie skenování obrázků pomáhají ukázat více podrobností ve všech směrech, což je jasnější.
Mikroskopie s super rozlišením změnila způsob, jakým se mikroskopy používají. Tyto metody umožňují vědcům vidět věci menší než difrakční bariéra. Sted, Storm, Palm a SIM k tomu používají inteligentní triky se světlem a molekulami.
Lokalizační mikroskopie s jednou molekulou (SMLM) mění fluorofory za zapnuté a vypnuté, aby se našla jejich přesná místa.
DNA-Paint a qd-mazmí používají speciální molekuly nebo kvantové tečky pro ještě ostřejší obrázky.
Stimulované vyčerpání emisí (STED) používá speciální paprsek k zmenšení světelného místa, takže vidíme více detailů.
Strukturovaná mikroskopie osvětlení (SIM) používá vzorované světlo k zobrazení dalších detailů.
Studie ukazují, že mikroskopie s super rozlišením může vidět věci menší než 250 nanometrů, mnohem lepší než běžné mikroskopy. Pro tyto objevy byla udělena Nobelova cena za rok 2014 v chemii. Vědci tyto metody neustále vyrábějí, takže můžeme studovat nejmenší části buněk a materiálů. Mikroskopie s super-rozlišením nám nyní pomáhá dozvědět se více o biologii a vědě.
Difrakční limit je nejmenší detail, který můžeme vidět se světlem. Vědět o tomto limitu pomáhá lidem vytvářet lepší nástroje pro vidění drobných věcí. Vědci a inženýři používají tyto znalosti k vytváření lepších zobrazovacích zařízení. Nové mikroskopy nyní mohou vidět mnohem menší věci než dříve. Níže uvedená tabulka ukazuje, jak nám tyto nové metody pomáhají vidět více:
| techniky / konceptu. | / zlepšení | Klíčové rysy a mechanismy techniky |
|---|---|---|
| Konvenční optická mikroskopie | ~ 200 nm (viditelné světlo) | Omezeno difrakcí; Numerická apertura a vlnová délka definují rozlišení |
| Nanoskopie s iontem helia iontů | ~ 28 nm (téměř 10x zlepšení) | Používá heliové ionty pro zobrazování ultravyšeného prostorového rozlišení |
| Sted, Palm, Storm | Přesnost nanometru | Použijte speciální světelné vzory a přepínání molekul k překonání difrakčních limitů |
Vědci stále hledají nové způsoby, jak vidět ještě menší detaily v biologii a materiálech.
The Difrakční limit se děje, protože se ve vlnách pohybuje světlo. Když světlo prochází malou dírou, šíří se. Toto šíření je obtížné vidět drobné věci.
Žádná normální čočka nebo mikroskop se nemůže dostat přes difrakční limit. Vlnová povaha světla vždy stanoví limit. Metody super rozlišení mohou pomoci, ale používají speciální triky.
Modré nebo fialové světlo má kratší vlnovou délku než červené světlo. Kratší vlnové délky pomáhají optickým systémům vidět menší věci. Vědci často vybírají modré světlo pro jasnější obrázky.
Metody super-rozlišení používají speciální světelné vzory, triky molekuly nebo počítače. Tyto způsoby umožňují vědcům vidět věci menší než normální limit difrakce.
Tip: Mikroskopy s super-rozlišením pomáhají vědcům studovat malé buněčné části, které běžné mikroskopy nemohou ukázat.
