数值孔径NA、分辨率极限与衍射极限

2021年9月30日 4点热度 0条评论 来源: weixin_30790841

一、数值孔径

 

 数值孔径(NA):是一个无量纲的数,用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。越大,收集到的光越多,分辨率越高。

 描述了透镜收光锥角的大小,决定着透镜收光能力和空间分辨率。

 数值孔径(NA)是透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(2α)半数的正弦之乘积。

 用公式表示如下:NA = n * sin α。 

 孔径角越大,进入透镜的光通量就越大,它与透镜的有效直径成正比,与焦点的距离成反比。

 

 在显微镜系统中,对于给定的物镜,孔径角已经固定,若想增大其NA值,唯一的办法是增大介质折射率n值

基于这一原理,就产生了水浸系物镜和油浸物镜。

 

二、分辨率极限与衍射极限

一般来讲,要获得高的分辨率,一定要用数值孔径大的物镜(更高NA的物镜)。

通常的物镜口径总是有限的,不可能把物体散射的所有光都收集到。

即使能够造出一个接近理想的物镜,能收集到所有的远场散射光,分辨率也不是无限小。

还有一个物理原理上的限制,叫“衍射极限”

与物体对光的衍射能力(或散射能力)有关。见衍射极限 - ostartech - 博客园 https://www.cnblogs.com/wxl845235800/p/9380900.html

 

物体的细节越小,衍射光的角度越大。

如果物体的细节处(微尺度)的空间频率和波长一样大,那么衍射光的角度a就是90度了。

 

如果细节处的尺寸更小,这部分空间频率的成分失去了对光的衍射能力!

入射光除了吸收和透射,不会有其它角度的散射

换句话说,就是如果物体的细节比波长小,那么这个物体其实是不散射光的,是透明的,也就是说

光波“看”不到比它波长更小的物体的细节!

考虑有角度的入射光,这个极限大概是波长的一半。这就是衍射极限的来源。物镜的口径造得再大,也无法超越这个极限。(大概是0.44λ,NA=1.4时)

 

 

 

【参考文献】

科学网—[转载]光学-透镜:数值孔径,分辨率,衍射极限 - 张欢欢的博文 http://blog.sciencenet.cn/blog-3254469-1017416.html

光学显微镜能看到波长的多少倍的象? - 知乎 https://www.zhihu.com/question/50641039

Ernst Abbe 据何认为衍射极限是200纳米? - 知乎 https://www.zhihu.com/question/30159989

 

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