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.
The point spread function (PSF) describes the response of a focused optical imaging system to a point source or point object. A more general term for the PSF is the system's impulse response; the PSF is the impulse response or impulse response function (IRF) of a focused optical imaging system. The PSF in many contexts can be thought of as the extended blob in an image that represents a single point object, that is considered as a spatial impulse. In functional terms, it is the spatial domain version (i. e., the inverse Fourier transform) of the optical transfer function (OTF) of an imaging system. It is a useful concept in Fourier optics, astronomical imaging, medical imaging, electron microscopy and other imaging techniques such as 3D microscopy (like in confocal laser scanning microscopy) and fluorescence microscopy. The degree of spreading (blurring) in the image of a point object for an imaging system is a measure of the quality of the imaging system. In non coherent imaging systems, such as fluorescent microscopes, telescopes or optical microscopes, the image formation process is linear in the image intensity and described by a linear system theory. This means that when two objects A and B are imaged simultaneously by a non coherent imaging system, the resulting image is equal to the sum of the independently imaged objects. In other words: the imaging of A is unaffected by the imaging of B and vice versa, owing to the non interacting property of photons. In space invariant systems, i. e. those in which the PSF is the same everywhere in the imaging space, the image of a complex object is then the convolution of that object and the PSF. The PSF can be derived from diffraction integrals.
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.
Image(Object1 + Object2) = Image(Object1) + Image(Object2)
the image of an object in a microscope or telescope as a non coherent imaging system can be computed by expressing the object plane field as a weighted sum of 2D impulse functions, and then expressing the image plane field as a weighted sum of the images of these impulse functions. This is known as the superposition principle, valid for linear systems. The images of the individual object plane impulse functions are called point spread functions (PSF), reflecting the fact that a mathematical point of light in the object plane is spread out to form a finite area in the image plane. (In some branches of mathematics and physics, these might be referred to as Green's functions or impulse response functions. PSFs are considered impulse response functions for imaging systems. When the object is divided into discrete point objects of varying intensity, the image is computed as a sum of the PSF of each point. As the PSF is typically determined entirely by the imaging system (that is, microscope or telescope), the entire image can be described by knowing the optical properties of the system. This imaging process is usually formulated by a convolution equation. In microscope image processing and astronomy, knowing the PSF of the measuring device is very important for restoring the (original) object with deconvolution. For the case of laser beams, the PSF can be mathematically modeled using the concepts of Gaussian beams. For instance, deconvolution of the mathematically modeled PSF and the image, improves visibility of features and removes imaging noise. In imaging, it is desired to suppress the side lobes of the imaging beam by apodization techniques. In the case of transmission imaging systems with Gaussian beam distribution, the PSF is modeled by the following equation:
where k factor depends on the truncation ratio and level of the irradiance, NA is numerical aperture, c is the speed of light, f is the photon frequency of the imaging beam, Ir is the intensity of reference beam, a is an adjustment factor and is the radial position from the center of the beam on the corresponding z plane.
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.