Кіріспе

Оптикалық бейнелеу жүйесіндегі жауап. Нүктелік таралу функциясы (PSF) фокустық оптикалық бейнелеу жүйесінің нүктелік көз немесе нүктелік объектіге жауабын сипаттайды. PSF үшін жалпы термин – жүйенің импульстік жауабы; PSF – фокустық оптикалық бейнелеу жүйесінің импульстік жауабы немесе импульстік жауап функциясы (IRF). PSF көптеген жағдайларда кеңістіктік импульс ретінде қарастырылатын бір нүктелік объектіні бейнелейтін суреттегі кеңейтілген дақ ретінде қарастырылуы мүмкін. Функционалдық тұрғыдан алғанда, ол бейнелеу жүйесінің оптикалық трансфер функциясының (OTF) кеңістіктік домендегі нұсқасы (яғни, кері Фурье түрлендірілімі). Бұл Фурье оптикасында, астрономиялық бейнелеуде, медициналық бейнелеуде, электрондық микроскопияда және 3D микроскопия (конфокалды лазерлік сканерлеу микроскопиясындағы сияқты) және флуоресценттік микроскопия сияқты басқа бейнелеу техникаларында пайдалы ұғым. Бейнелеу жүйесінде нүктелік объектінің кескініндегі таралу (бұлдырлау) дәрежесі – бейнелеу жүйесінің сапасының өлшемі. Флуоресцентті микроскоптар, телескоптар немесе оптикалық микроскоптар сияқты когерентті емес бейнелеу жүйелерінде бейнелеу процесі бейне қарқындылығы бойынша сызықтық және сызықтық жүйе теориясымен сипатталады. Бұл екі объекті А және В когерентті емес бейнелеу жүйесімен бір уақытта бейнеленген кезде алынған бейне тәуелсіз бейнеленген объектілердің қосындысына тең дегенді білдіреді. Басқаша айтқанда: А-ның бейнелеуі В-ның бейнелеуіне әсер етпейді және керісінше, фотондардың өзара әрекеттеспейтін қасиетіне байланысты. Ғарыш инвариантты жүйелерде, яғни PSF бейнелеу кеңістігіндегі барлық жерде бірдей болған жағдайда, күрделі объектінің бейнесі сол объект пен PSF-тің конволюциясы болып табылады. PSF дифракциялық интегралдардан туындауы мүмкін.

Кіріспе

Оптикалық когерентті емес бейнелеу жүйелерінің сызықтық қасиетіне сәйкес, яғни Image(Object1 + Object2) = Image(Object1) + Image(Object2), микроскоптағы немесе телескоптағы нысанның бейнесі когерентті емес бейнелеу жүйесі ретінде объект жазықтығындағы өрісті 2D импульстік функциялардың салмақталған қосындысы түрінде көрсету арқылы, ал бейне жазықтығындағы өріс осы импульстік функциялардың салмақталған қосындысы түрінде есептелуі мүмкін. Бұл сызықтық жүйелер үшін жарамды суперпозиция принципі деп аталады. Жеке нысан жазықтығындағы импульстік функциялардың бейнелері нүктелік таралу функциялары (PSF) деп аталады, бұл нысан жазықтығындағы математикалық нүктелік жарық көзі бейне жазықтығында шектік аумақ құру үшін таратылатынын көрсетеді. (Математика мен физиканың кейбір салаларында оларды Грин функциялары немесе импульстік жауап функциялары деп те атауға болады. PSF бейнелеу жүйелері үшін импульстік жауап функциялары саналады. Егер нысан әртүрлі қарқындылыққа ие дискретті нүктелік нысандарға бөлінген болса, бейне әр нүктенің PSF-інің қосындысы ретінде есептеледі. PSF әдетте бейнелеу жүйесімен (мысалы, микроскоппен немесе телескоппен) толық анықталады, сондықтан жүйенің оптикалық қасиеттерін білу арқылы толық бейнені сипаттауға болады. Бұл бейнелеу процесі әдетте конволюция теңдеуімен сипатталады. Микроскоптық кескінді өңдеуде және астрономияда өлшеу құралының PSF-ін білу, (түпнұсқа) нысанды деконволюция арқылы қалпына келтіру үшін өте маңызды. Лазерлік сәулелер үшін PSF математикалық модельдеу үшін Гаусс сәулелерінің концепцияларын қолдануға болады. Мысалы, математикалық модельделген PSF пен бейненің деконволюциясы ерекшеліктердің көрінуін жақсартып, бейнедегі шуды азайтады. Бейнелеу кезінде бейнелеу сәулесінің бүйірлік бөліктерін аподизация техникасымен басуға ұмтылу қажет. Гаусс сәулесі таралымы бар бейнелеу жүйелері үшін PSF келесі теңдеумен моделенеді: мұнда k коэффициенті кесу қатынасына және сәулелену деңгейіне, NA – сандық апертураға, c – жарық жылдамдығына, f – бейнелеу сәулесінің фотондық жиілігіне, Ir – эталондық сәуленің қарқындылығына, a – түзету коэффициентіне, ал – сәуленің ортасынан z жазықтығындағы радиалдық қашықтыққа байланысты.

Тарих және әдістер

Нүктелік таралу функцияларының дифракциялық теориясын алғаш рет 19 ғасырда Эйри зерттеді. Ол аберрациясыз, кемелді құралдың нүктелік таралу функциясының амплитудасы мен қарқындылығы үшін формула жасады (осыны Айри дискісі деп атайды). 1930-1940 жылдары Зернике мен Нижбоер оптимальды фокустық жазықтыққа жақын аберрациялық нүктелік таралу функцияларының теориясын зерттеді. Олардың талдауындағы орталық рөлді Зернике шеңберлі полиномдары атқарады, олар айналмалы симметриясы бар кез келген оптикалық жүйенің аберрацияларын тиімді түрде бейнелеуге мүмкіндік береді. Жақындағы талдамалық нәтижелер Нижбоер мен Зернике әдісін нүктелік таралу функциясын бағалау үшін оптимальды фокустық нүктеге жақын үлкен көлемге кеңейтуге мүмкіндік берді. Бұл кеңейтілген Нижбоер-Зернике (ENZ) теориясы конфокалды микроскопияда немесе астрономиядағы емес-идеалды бейнелеу жағдайларында үш өлшемді нысандардың бұрыс бейнеленуін зерттеуге мүмкіндік береді. ENZ теориясы сонымен қатар оптикалық құралдарды олардың аберрацияларына қатысты сипаттау үшін, фокус арқылы қарқындылық таралуын өлшеу және тиісті кері есепті шешу арқылы қолданылды.

Микроскопиялық

Микроскопияда ПСФ-ты эксперименттік анықтау үшін субрезолюциялы (нүкте тәрізді) сәулелену көздері қажет. Бұл мақсатта әдетте кванттық нүктелер мен флуоресценттік бөлшектер қолданылады. Жоғарыда сипатталған теориялық модельдер, керісінше, әртүрлі бейнелеу шарттары үшін ПСФ-ты толыққанды есептеуге мүмкіндік береді. ПСФ-тың ең ықшам дифракциялық шектеулі пішіні көбінесе қаланады. Дегенмен, тиісті оптикалық элементтерді (мысалы, кеңістіктік жарық модуляторды) пайдалану арқылы ПСФ пішінін әртүрлі қолдануларға бейімдеуге болады.

Астрономия

Байқаулық астрономияда ПСФ-ты эксперименттік жолмен анықтау көбінесе өте оңай, себебі нүктелік көздер (жұлдыздар немесе квазарлар) жеткілікті мөлшерде болады. ПСФ-тың түрі мен көзі аспапқа және оның қолданылу жағдайына қарай кең ауқымда өзгеріп отыруы мүмкін. Радиотелескоптар мен дифракциялық шектеулі ғарыш телескоптары үшін ПСФ-тағы басым факторлар Фурье доменіндегі апертура конфигурациясынан шығарылуы мүмкін. Іс жүзінде, күрделі оптикалық жүйедегі түрлі компоненттердің әсерінен бірнеше фактор қатысуы мүмкін. ПСФ-ты толық сипаттауға детектордағы жарық (немесе фотоэлектрон) таралуы, сондай-ақ ғарыш кемесінің немесе телескоптың бақылау қателіктері де кіреді. Жердегі оптикалық телескоптар үшін атмосфералық турбуленттілік (астрономиялық көру деп аталады) ПСФ-қа ең үлкен әсер етеді. Жоғары ажыратымдылықтағы жер бетіндегі бейнелеуде ПСФ бейнедегі орнына қарай өзгеретін болады (бұл әсер анисопланетизм деп аталады). Жердегі адаптивті оптикалық жүйелерде ПСФ жүйенің апертурасымен және түзетілмеген атмосфералық факторлардың жиынтығынан тұрады.

Литографиялық

PSF сонымен қатар тесіктің дәстүрлі фокустық бейнелеуінің негізгі шегі болып табылады, ең кішкентай басылған өлшем 0,6-0,7 толқын ұзындығы/NA диапазонында болады, мұнда NA – бейнелеу жүйесінің сандық апертурасы. Мысалы, 13,5 нм толқын ұзындығы және NA=0,33 параметрі бар EUV жүйесі үшін бейнелеуге болатын ең кішкентай жеке тесіктің мөлшері 25-29 нм аралығында шамаланады. Фазалық ығысу маскасы 180 градус фазалық жиектерге ие, бұл жоғарырақ ажыратымдылыққа мүмкіндік береді.