數值孔徑NA、分辨率極限與衍射極限


一、數值孔徑

 

 數值孔徑(NA):是一個無量綱的數,用以衡量該系統能夠收集的光的角度范圍。越大,收集到的光越多,分辨率越高。

 描述了透鏡收光錐角的大小,決定着透鏡收光能力和空間分辨率。

 數值孔徑(NA)是透鏡與被檢物體之間介質的折射率(n)和孔徑角(2α)半數的正弦之乘積。

 用公式表示如下:NA = n * sin α。 

 孔徑角越大,進入透鏡的光通量就越大,它與透鏡的有效直徑成正比,與焦點的距離成反比。

 

 在顯微鏡系統中,對於給定的物鏡,孔徑角已經固定,若想增大其NA值,唯一的辦法是增大介質折射率n值

基於這一原理,就產生了水浸系物鏡和油浸物鏡。

 

二、分辨率極限與衍射極限

一般來講,要獲得高的分辨率,一定要用數值孔徑大的物鏡(更高NA的物鏡)。

通常的物鏡口徑總是有限的,不可能把物體散射的所有光都收集到。

即使能夠造出一個接近理想的物鏡,能收集到所有的遠場散射光,分辨率也不是無限小。

還有一個物理原理上的限制,叫“衍射極限”

與物體對光的衍射能力(或散射能力)有關。見衍射極限 - ostartech - 博客園 https://www.cnblogs.com/wxl845235800/p/9380900.html

 

物體的細節越小,衍射光的角度越大。

如果物體的細節處(微尺度)的空間頻率和波長一樣大,那么衍射光的角度a就是90度了。

 

如果細節處的尺寸更小,這部分空間頻率的成分失去了對光的衍射能力!

入射光除了吸收和透射,不會有其它角度的散射

換句話說,就是如果物體的細節比波長小,那么這個物體其實是不散射光的,是透明的,也就是說

光波“看”不到比它波長更小的物體的細節!

考慮有角度的入射光,這個極限大概是波長的一半。這就是衍射極限的來源。物鏡的口徑造得再大,也無法超越這個極限。(大概是0.44λ,NA=1.4時)

 

 

 

【參考文獻】

科學網—[轉載]光學-透鏡:數值孔徑,分辨率,衍射極限 - 張歡歡的博文 http://blog.sciencenet.cn/blog-3254469-1017416.html

光學顯微鏡能看到波長的多少倍的象? - 知乎 https://www.zhihu.com/question/50641039

Ernst Abbe 據何認為衍射極限是200納米? - 知乎 https://www.zhihu.com/question/30159989

 


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