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使用点扩散函数的衍射极限成像系统的分辨率

2022.07.20

 
成像系统的性能与其分辨率有关,但分辨率的定义各不相同。在超分辨率显微镜中,傅里叶环相关[1]用于评估分辨率。 在衍射极限显微镜中,分辨率是用瑞利或斯派罗准则估算的[2]。在实践中,这些系统的分辨率也可以用微粒测量,微粒选择明显小于预期分辨率,选定上述标准之一。这些微粒充当形成PSF的点发源,其尺寸给出了图像分辨率的估计值,同样,该尺寸根据其定义而变化。在本文中,我们使用OpticStudio中的PSF来更客观地评估衍射极限成像系统的分辨率
 
方法一:多重结构编辑器(相干成像)
 
显微镜设计
在整篇文章中,我使用了基于TL4X-SAP物镜(4X,0.2 NA)和TTL200管镜的显微镜设计,如图1所示。这两种透镜都可由THORLABS网站以黑盒形式提供。
 
图 1 - 由THORLABS的黑匣子元件组成的显微镜设计。放大倍数为4X,数值孔径 (NA) 为0.2。
 

我们使用“真实图像高度”定义并指定了在X和Y半宽为6.656毫米的正方形上具有相等面积的五个视场,对应于物平面中的1.664毫米。视场由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm2物理尺寸的科学 CMOS (sCMOS) 探测器进行建模。这些探测器通常用于显微镜,可以在Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相机产品中找到。 我还使用了OpticStudio的波长 F、d、C(可见光)预设。 使用标准执行优化:具有四个环和六个臂的RMS波前质心,以及默认的空气边界约束(0 到 1000 毫米)。此外,该系统还受到远心和-4倍放大倍率的限制(在此显微镜设计中,图像是颠倒的)。

我选择这种显微镜设计是因为它相对容易设置并且具有实际应用。例如,机器视觉应用中通常需要远心性。我们始终保持优化简单,本文无意描述显微镜设计的一般情况。然而,本文的结果和结论适用于大多数具有共轭物体和像平面的成像系统,其中对衍射的大部分贡献发生在出瞳处,这意味着惠更斯点扩散函数 (PSF) 是评价系统性能的一个好参考。

 
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使用点扩散函数的衍射极限成像系统的分辨率
2022-07-20 14:57:42
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