从波动光学来看透镜成像

作者: 中科院物理所

来源: 锐光凯奇

发布日期: 2022-12-20 11:42:46

本文介绍了阿⻉在蔡司公司研究显微镜设计时提出的光学镜头正弦定律成像原理,以及通过波动光学解释显微镜分辨率上限的理论。文章还详细阐述了阿⻉成像实验的原理和系统,包括二维傅⾥叶变换在光学成像中的应用,以及实验中使用的器材和步骤。

阿⻉在蔡司公司从事显微镜的设计和研究,提出光学镜头的正弦定律成像原理论,为蔡司公司设计了精良的显微镜。当时普遍认为优良显微镜的关键在于减低像差和提⾼放⼤倍率,认为显微镜的分辨率是⽆限的。减低光学镜头像差的⼀个简单办法是⽤⼩的孔径,蔡司公司于是推出⼩孔径的显微镜,但结果反⽽不如以前⽣产的孔径较⼤的显微镜。阿⻉为了探索个中原因,从理论和试验两个⽅⾯进⾏研究。

通过⼤量的实验,观察显微镜物镜焦平⾯上的衍射图样,提出显微镜物镜的⼆次衍射成像理论,并提出:1)显微镜的分辨率存在上限,2)显微镜的分辨率和光的波⻓、显微镜物镜孔径的关系式。

光学成像是将“物”以其“像”的形式呈现出来,基于⼏何光学的成像理论,只能给出⼀些简单的光学成像信息,只有借助于波动光学,才能获得复杂的传输与结构信息。阿⻉成像原理是1873年,德国科学家阿⻉在研究如何提⾼显微镜分辨本领时提出的;原理指出,成像分为两个步骤,第⼀步是相⼲光照明下,物光在透镜后焦⾯上形成特殊的衍射光分布;第⼆步是衍射光继续向前传播,复合成像。

要想⽐较深刻地理解阿⻉成像原理,需要深刻地理解光学傅⾥叶变换与成像的基本原理。本实验中光波的衍射传播满⾜菲涅尔近似条件,这样,当知道上⼀个⾯的光场分布时,就可以计算推导出下⼀个⾯的光场分布。

现在,再回过头来看阿⻉成像理论,第⼀步是相⼲光照明下,物光在透镜后焦⾯形成特殊的衍射光分布,假设物光的光场分布函数是t(x,y),经过透镜后在透镜后焦⾯上光场分布为T(x,y)=F(t(x,y)),这⼀步是把物光分解成为⼀系列具有不同空间频率的光场分布,这个⾯称为傅⾥叶频谱⾯;第⼆步是衍射光继续向前传播,复合成像,这⼀步就可以看作是不同频谱信息的周期性函数的叠加。

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