點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)工程的案例
Ansys Zemax | 什么是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（ PSF ）
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本文討論了如何在 OpticStudio 中對點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行建模和解釋。使用的分析特征是 Spot Diagram、FFT PSF 和 Huygens PSF。將討論每種工具的優(yōu)點(diǎn)，以及用于最準(zhǔn)確分析的有用特征設(shè)置。
介紹
光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) （PSF） 是單個點(diǎn)光源產(chǎn)生的輻照度分布。（望遠(yuǎn)鏡拍攝遙遠(yuǎn)恒星的圖像就是一個很好的例子。盡管源可能是一個點(diǎn)，但圖像不是。有兩個主要原因：首先系統(tǒng)中的像差會將圖像傳播到有限的區(qū)域；其次衍射效果也會擴(kuò)散圖像，即使在沒有像差的系統(tǒng)中也是如此。
OpticStudio 有三種基本類型的 PSF 計算：幾何（無衍射）點(diǎn)列圖、基于衍射的 FFT 和 Huygens PSF。本文將討論基本理論，并就正確使用每種類型的 PSF 提供一些指導(dǎo)。
點(diǎn)列圖
OpticStudio 中最基本的分析功能之一是點(diǎn)列圖。此功能從物空間中的單視場點(diǎn)發(fā)射許多光線，通過光學(xué)系統(tǒng)追跡所有光線，并繪制所有光線相對于某個公共參考的 （x，y） 坐標(biāo)。因此，點(diǎn)列圖本身就可以看作一個幾何 PSF。
這里使用的示例光學(xué)系統(tǒng)是一個焦距為 50 mm 的單拋物面 F/5 反射鏡，物位于無窮遠(yuǎn)處。該系統(tǒng)是一個簡化的牛頓望遠(yuǎn)鏡，包含的示例文件為 PSF_Newtonian.ZMX。以下是光學(xué)系統(tǒng)的外觀：
兩個視場點(diǎn)（一個在軸上，另一個呈 2 度角）的點(diǎn)列圖如下所示。
請注意，點(diǎn)列圖是光線落點(diǎn)的集合，每個點(diǎn)表示一條光線。光線之間沒有相互作用或干擾。點(diǎn)列圖在顯示望遠(yuǎn)鏡的幾何或光線像差的影響方面非常有效。離軸幾何 PSF 清楚地顯示了系統(tǒng)的彗差和像散。然而在軸上，點(diǎn)列圖預(yù)測了完美的成像。但這是否準(zhǔn)確代表了光學(xué)系統(tǒng)的性能？為了回答點(diǎn)列圖結(jié)果的這個問題，我們需要將點(diǎn)列分布與衍射極限響應(yīng)進(jìn)行比較。
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這周小編要和大家討論一下
什么是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)
概要
這篇文章講述了：
什么是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)？
點(diǎn)列圖
快速傅里葉變換計算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（ FFT PSF ）
惠更斯算法計算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（ Huygens PSF ）
如何使用非序列模式下的透鏡和探測器觀察惠更斯積分
對于序列模式下的透鏡組，分析點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)時如何在惠更斯和快速傅里葉變換計算兩者間進(jìn)行選擇
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什么是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（ PSF ）？
PSF 是一個物空間的點(diǎn)光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的輻射照度分布。望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)行星成像就是一個很好的 PSF 例子：由于行星距離我們非常遠(yuǎn)以至于我們在任何條件下都可以把它當(dāng)做一個點(diǎn)。雖然發(fā)光光源是一個理想的點(diǎn)，但是像點(diǎn)并不是一個點(diǎn)。這是因?yàn)閮蓚€主要原因：首先，光學(xué)系統(tǒng)的像差會影響像點(diǎn)，使其在有限的區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散；其次，即使光學(xué)系統(tǒng)沒有像差，衍射效應(yīng)同樣會使像點(diǎn)發(fā)生擴(kuò)散。
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在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
簡介
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成 PSF 的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設(shè)計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計。放大倍數(shù)為 4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm
2物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。這些探測器通常用于顯微鏡，可以在 Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相機(jī)產(chǎn)品中找到。
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在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
簡介
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成 PSF 的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設(shè)計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計。放大倍數(shù)為 4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm 2 物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。這些探測器通常用于顯微鏡，可以在 Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相機(jī)產(chǎn)品中找到。
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ZEMAX軟件技術(shù)應(yīng)用專題：使用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率
在本文中，我建議使用在OpticStudio中計算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的PSF的兩種方法。 第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。 在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成PSF的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用OpticStudio中的PSF來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計
在整篇文章中，我使用了基于TL4X-SAP物鏡（4X，0.2 NA）和TTL200管鏡的顯微鏡設(shè)計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由THORLABS網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由THORLABS的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計。放大倍數(shù)為4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在X和Y半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm2物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。這些探測器通常用于顯微鏡，可以在Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相機(jī)產(chǎn)品中找到。 我還使用了OpticStudio的波長 F、d、C（可見光）預(yù)設(shè)。
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在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
簡介
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成 PSF 的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設(shè)計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計。放大倍數(shù)為 4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm2物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。這些探測器通常用于顯微鏡，可以在 Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相機(jī)產(chǎn)品中找到。
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