Diffraction-limited system (original) (raw)

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Unter optischer oder räumlicher Auflösung versteht man in der Mikroskopie den Abstand, den zwei Strukturen mindestens haben müssen, um nach der optischen Abbildung noch als getrennte Bild-Strukturen wahrgenommen zu werden. Dabei wird beispielsweise der zur getrennten Erkennung nötige minimale Abstand zweier punktförmiger Objekte oder der minimale Abstand zwischen Linien in einem optischen Gitter betrachtet. Die erreichbare Auflösung ist in der klassischen Lichtmikroskopie fundamental dadurch begrenzt, dass die das Objekt umgebenden optischen Nahfelder nicht durch das optische System übertragen werden, was manchmal auch als Beugung am freien Raum bezeichnet wird. Dieser minimale Objektabstand wird als Auflösungsgrenze oder Abbe-Limit bezeichnet. Ernst Abbe hat diese Beziehung im 19. Jahrhundert beschrieben. Neuere methodische Ansätze erlauben eine Auflösung deutlich jenseits dieser Grenze, sie werden zusammenfassend als englisch Superresolution Microscopy (deutsch superauflösende Mikroskopie) bezeichnet. Derartige Techniken sind beispielsweise RESOLFT-Mikroskopie mit STED-Mikroskopie, Mikroskopie mit modulierter Beleuchtung (SIM), Photoactivated Localization Microscopy (STORM-Mikroskopie) und optisches Rasternahfeldmikroskop. Es gibt verschiedene Ansätze, die erzielbare Auflösung zu bestimmen. Abbe ging von einem Gitter mit eng beieinander liegenden Linien aus, die von Licht durchstrahlt werden, und berechnete, wie dicht die Linien sein dürfen, so dass sie gerade noch als Linien aufgelöst werden können. Abbe untersuchte beleuchtete (passive) Objekte. John William Strutt, 3. Baron Rayleigh betrachtete punktförmige Lichtquellen. Er beschrieb den Abstand aktiver Objekte, die gerade noch als getrennt zu erkennen waren. Diesem Ansatz verwandt ist die Bestimmung der Halbwertsbreite des mikroskopischen Signals einer punktförmigen Lichtquelle. Alle drei Ansätze führen rechnerisch zu sehr ähnlichen Werten für die Auflösung. Um die theoretisch mögliche Auflösung zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass genügend Licht gesammelt wird. Bei Hellfeldmikroskopie ist dies in der Regel unproblematisch. Bei der Fluoreszenzmikroskopie können niedrige Intensitäten in Verbindung mit kurzen Belichtungszeiten dazu führen, dass zu wenige Photonen am Detektor auftreffen und der erreichte Kontrast zur getrennten Erkennung der Strukturen nicht ausreicht. Von der Auflösung zu unterscheiden ist die Nachweisbarkeit und die erreichbare Positionierungsgenauigkeit. Mit Dunkelfeldmikroskopie, besonders der Ultramikroskopie, oder der Fluoreszenzmikroskopie lassen sich noch Partikel nachweisen, deren Größe erheblich unter der Auflösungsgrenze liegt, bei Fluoreszenzmikroskopie bis hinunter zu einzelnen Farbstoffmolekülen. Bei der Positionierungsgenauigkeit geht es darum, die Position einer Oberfläche oder eines Körpers möglichst genau im Raum zu bestimmen. Dazu kann das Helligkeitsmaximum des von einem Körper ausgehenden Lichts bestimmt werden. Dies ist mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich möglich. In beiden Fällen unterschreitet die Auflösung jedoch nicht die Auflösungsgrenze: Es ist beispielsweise nicht möglich festzustellen, ob ausgesandtes Licht tatsächlich von einer punktartigen Struktur stammt oder von mehreren nahe beieinander liegenden. (de)
The resolution of an optical imaging system – a microscope, telescope, or camera – can be limited by factors such as imperfections in the lenses or misalignment. However, there is a principal limit to the resolution of any optical system, due to the physics of diffraction. An optical system with resolution performance at the instrument's theoretical limit is said to be diffraction-limited. The diffraction-limited angular resolution of a telescopic instrument is inversely proportional to the wavelength of the light being observed, and proportional to the diameter of its objective's entrance aperture. For telescopes with circular apertures, the size of the smallest feature in an image that is diffraction limited is the size of the Airy disk. As one decreases the size of the aperture of a telescopic lens, diffraction proportionately increases. At small apertures, such as f/22, most modern lenses are limited only by diffraction and not by aberrations or other imperfections in the construction. For microscopic instruments, the diffraction-limited spatial resolution is proportional to the light wavelength, and to the numerical aperture of either the objective or the object illumination source, whichever is smaller. In astronomy, a diffraction-limited observation is one that achieves the resolution of a theoretically ideal objective in the size of instrument used. However, most observations from Earth are seeing-limited due to atmospheric effects. Optical telescopes on the Earth work at a much lower resolution than the diffraction limit because of the distortion introduced by the passage of light through several kilometres of turbulent atmosphere. Advanced observatories have started using adaptive optics technology, resulting in greater image resolution for faint targets, but it is still difficult to reach the diffraction limit using adaptive optics. Radio telescopes are frequently diffraction-limited, because the wavelengths they use (from millimeters to meters) are so long that the atmospheric distortion is negligible. Space-based telescopes (such as Hubble, or a number of non-optical telescopes) always work at their diffraction limit, if their design is free of optical aberration. The beam from a laser with near-ideal beam propagation properties may be described as being diffraction-limited. A diffraction-limited laser beam, passed through diffraction-limited optics, will remain diffraction-limited, and will have a spatial or angular extent essentially equal to the resolution of the optics at the wavelength of the laser. (en)
Tá bunteorainn le taifeach gach córais optaigh. Deirtear go bhfuil díraonadh teoranta ag córas optach má dhéanann sé íomhánna a bhfuil a dtaifeach uillinneach chomh cruinn le teorainn theoiriciúil na huirlise Tá taifeach uirlise i gcóimheas le toirt a cuspóra agus i gcóimheas inbhéartaithe le tonnfhad an tsolais atá á scrúdú. I gcás teileascóip a bhfuil cró ciorclach aige, is ionann toirt an ruda is lú in íomhá a bhfuil díraonadh teoranta aici agus méid an diosca Airy (an ball solais is fearr fócas is féidir le lionsa foirfe le cró ciorclach a dhéanamh agus é teoranta ag díraonadh an tsolais). Méadaíonn an díraonadh de réir mar a laghdaítear méid an chró sa lionsa. An díraonadh amháin a chuireann srian leis an gcuid is mó de na lionsaí is nua, fearacht f/22. Níl teorainn díraonta ann ach san fhadréimse. Is féidir taifeach i bhfad níos airde a fháil le háiseanna gar-réimse a oibríonn níos lú ná tonnfhad amháin solais ó phlána na híomhá. (ga)
Con il termine inglese diffraction limited, che significa letteralmente "limitato dalla sola diffrazione", si indica un sistema ottico con la capacità di produrre immagini con risoluzione angolare così buona fino al limite teorico dello strumento. In pratica il limite della sua risoluzione è quello imposto dalla diffrazione e non può pertanto essere ulteriormente perfezionato. Il potere risolvente di un sistema di imaging ottico come un microscopio o telescopio o macchina fotografica può essere limitato da molteplici fattori come imperfezioni o cattivi allineamenti delle lenti. C'è comunque un massimo fondamentale nella risoluzione di ogni sistema ottico che è dovuto alla diffrazione. Per una data apertura numerica (NA, numerical aperture), la risoluzione di microscopia per oggetti piatti sotto illuminazione coerente può essere perfezionata usando la microscopia interferometrica. Usando le immagini parziali prese da un registratore olografico della distribuzione nel campo dell'ottica complessa, l'immagine a larga apertura può essere ricostruita numericamente. Il potere risolvente di un dato strumento è proporzionale alla grandezza del suo obiettivo, e inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda della luce che viene osservata. Per un telescopio con apertura circolare, la grandezza del più piccolo dettaglio osservabile di un'immagine limitata dalla sola diffrazione è la dimensione del disco di Airy. In astronomia, un'osservazione si dice diffraction limited quando viene limitata solo dalla potenza ottica dello strumento usato. Comunque, la maggior parte delle osservazioni da terra sono limitate a causa degli effetti atmosferici. I telescopi ottici sulla Terra lavorano a un potere risolvente molto più basso del limite di diffrazione a causa della distorsione prodotta dal passaggio della luce per diversi chilometri nella turbolenta atmosfera. Tradizionalmente, incrementando la dimensione degli specchi primari nei telescopi a terra, era in uso incrementare la capacità dell'assembramento di luce dello strumento. Questo permise ai deboli oggetti extragalattici di essere rappresentati, ma senza migliorarne la risoluzione.Tecniche come la speckle imaging possono essere usate per ottenere immagini limitate dalla sola diffrazione di oggetti luminosi. Alcuni osservatori progrediti hanno recentemente iniziato ad usare la tecnologia dell'ottica adattiva, ottenendo un più alto, ma è ancora difficile pervenire al limite di diffrazione usando l'ottica adattiva. Anche una può essere costruita con l'uso di metamateriali e il limite di diffrazione non è più lungo del limite/vincolo. I radiotelescopi sono frequentemente limitati dalla sola diffrazione, poiché le lunghezze d'onda che essi usano (da millimetri a metri) sono così lunghe che la distorsione atmosferica diventa trascurabile. I telescopi spaziali (come lo HST, o diversi telescopi non ottici) lavorano sempre al loro limite di diffrazione, se la loro configurazione è libera da aberrazione ottica. (it)
回折限界（かいせつげんかい、英: diffraction-limit）とは、顕微鏡や望遠鏡などの光学系における、光の回折に起因する、分解能の理論的な限界である。回折限界は、対象を識別するために必要な緻密さと比較して、光の波長が十分に長いことによって生じるため、回折限界を超える分解能を得るためには、より短い波長の波（例えば、電子線）を観測に用いる等の手段が考えられる。 (ja)
현미경, 망원경 또는 카메라와 같은 광학 시스템의 해상도는 렌즈의 불완전성 또는 오정렬과 같은 요인에 의해 제한될 수도 있지만 그 해상도에는 회절의 물리학에 의한 근본적인 한계가 존재한다. 광학 기기의 이론적 한계의 분해능 성능을 갖는 광학 시스템을 회절 한계에 있다고 한다. 망원경 기기의 회절 한계 각 분해능은 관찰되는 빛의 파장에 비례하고 대물렌즈의 입사 개구의 구경에 반비례한다. 원형의 개구가 있는 망원경의 경우 회절 한계에 있는 이미지에서 가장 작은 특징의 크기는 에어리 원반의 크기이다. 망원경 렌즈의 개구의 크기가 작아질수록 회절은 비례하여 증가한다. f/22와 같은 작은 개구에서 대부분의 최신 렌즈는 회절에 의해서만 제한되고 수차 또는 기타 구조적 결함에 의해 제한되지 않는다. 현미경 기기의 경우 회절 한계 공간 분해능은 빛의 파장과, 대물렌즈 또는 대물 조명원 중의 작은 개구수에 비례한다. 천문학에서 회절 한계 관측은 사용된 장비의 크기에서 이론적으로 이상적인 대물렌즈의 분해능을 달성하는 관측이다. 그러나 대부분의 지상 관측은 대기 효과에 의하여 시상이 제한된다. 지구에 있는 광학 망원경은 수 킬로미터의 난기류 대기를 통과하는 빛으로 인해 왜곡이 발생하기 때문에 회절 한계보다 훨씬 낮은 해상도로 작동한다. 첨단 관측소에서는 적응 광학 기술을 사용하기 시작하여 희미한 목표물에 대한 이미지 해상도가 향상되었지만 적응 광학을 사용하여 회절 한계에 도달하는 것은 여전히 어렵다. 전파 망원경은 사용하는 파장(밀리미터에서 미터까지)이 충분히 길어서 대기 왜곡을 무시할 수 있기 때문에 회절 한계에 있는 경우가 많다. 우주 기반 망원경(예: 허블 또는 다수의 비광학 망원경)은 설계에 광학 수차가 없는 경우 항상 회절 한계에서 작동한다. 거의 이상적인 빔 전파 특성을 가지는 레이저의 빔은 회절 한계에 있는 것으로 설명될 수 있다. 회절 한계 광학계를 통과한 회절 한계 레이저 빔은 회절 한계 상태를 유지하고 레이저 파장에서 광학계의 해상도와 본질적으로 동일한 공간 또는 각도 해상도를 갖는다. (ko)
Onder diffractielimiet wordt de afstand verstaan waarop twee naastgelegen punten nog te onderscheiden zijn met een optisch meetinstrument. De diffractielimiet is afhankelijk van de golflengte van het gebruikte licht en bedraagt een halve golflengte. (nl)
Limite de difração ou difração limitada pode ser um sistema óptico com a capacidade de produzir imagens com resolução angular tão boa quanto o limite teórico do instrumento. Em astronomia, uma observação com difração limitada é aquela que é limitada apenas pela potência óptica do instrumento usado. No entanto, a maioria das observações da Terra que estão sendo feitas são limitadas devido aos efeitos atmosféricos. (pt)
Дифракцио́нный преде́л — это минимальное значение размера пятна (пятно рассеяния), которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не позволяет получить явление дифракции электромагнитных волн. Дифракционный предел был открыт в 1873 году Эрнстом Аббе. Минимальный дифракционный предел определяется формулой dmin = λ/(2n), где λ — длина электромагнитной волны в вакууме, n — показатель преломления среды. Иногда под дифракционным пределом понимается не линейный, а угловой размер, определяемый по формуле ψmin = 1,22 λ/D (критерий Рэлея, предложен в 1879 году), где D — апертура оптического прибора. (ru)

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回折限界（かいせつげんかい、英: diffraction-limit）とは、顕微鏡や望遠鏡などの光学系における、光の回折に起因する、分解能の理論的な限界である。回折限界は、対象を識別するために必要な緻密さと比較して、光の波長が十分に長いことによって生じるため、回折限界を超える分解能を得るためには、より短い波長の波（例えば、電子線）を観測に用いる等の手段が考えられる。 (ja)
Onder diffractielimiet wordt de afstand verstaan waarop twee naastgelegen punten nog te onderscheiden zijn met een optisch meetinstrument. De diffractielimiet is afhankelijk van de golflengte van het gebruikte licht en bedraagt een halve golflengte. (nl)
Limite de difração ou difração limitada pode ser um sistema óptico com a capacidade de produzir imagens com resolução angular tão boa quanto o limite teórico do instrumento. Em astronomia, uma observação com difração limitada é aquela que é limitada apenas pela potência óptica do instrumento usado. No entanto, a maioria das observações da Terra que estão sendo feitas são limitadas devido aos efeitos atmosféricos. (pt)
Unter optischer oder räumlicher Auflösung versteht man in der Mikroskopie den Abstand, den zwei Strukturen mindestens haben müssen, um nach der optischen Abbildung noch als getrennte Bild-Strukturen wahrgenommen zu werden. Dabei wird beispielsweise der zur getrennten Erkennung nötige minimale Abstand zweier punktförmiger Objekte oder der minimale Abstand zwischen Linien in einem optischen Gitter betrachtet. (de)
The resolution of an optical imaging system – a microscope, telescope, or camera – can be limited by factors such as imperfections in the lenses or misalignment. However, there is a principal limit to the resolution of any optical system, due to the physics of diffraction. An optical system with resolution performance at the instrument's theoretical limit is said to be diffraction-limited. (en)
Tá bunteorainn le taifeach gach córais optaigh. Deirtear go bhfuil díraonadh teoranta ag córas optach má dhéanann sé íomhánna a bhfuil a dtaifeach uillinneach chomh cruinn le teorainn theoiriciúil na huirlise Níl teorainn díraonta ann ach san fhadréimse. Is féidir taifeach i bhfad níos airde a fháil le háiseanna gar-réimse a oibríonn níos lú ná tonnfhad amháin solais ó phlána na híomhá. (ga)
Con il termine inglese diffraction limited, che significa letteralmente "limitato dalla sola diffrazione", si indica un sistema ottico con la capacità di produrre immagini con risoluzione angolare così buona fino al limite teorico dello strumento. In pratica il limite della sua risoluzione è quello imposto dalla diffrazione e non può pertanto essere ulteriormente perfezionato. Anche una può essere costruita con l'uso di metamateriali e il limite di diffrazione non è più lungo del limite/vincolo. (it)
현미경, 망원경 또는 카메라와 같은 광학 시스템의 해상도는 렌즈의 불완전성 또는 오정렬과 같은 요인에 의해 제한될 수도 있지만 그 해상도에는 회절의 물리학에 의한 근본적인 한계가 존재한다. 광학 기기의 이론적 한계의 분해능 성능을 갖는 광학 시스템을 회절 한계에 있다고 한다. 망원경 기기의 회절 한계 각 분해능은 관찰되는 빛의 파장에 비례하고 대물렌즈의 입사 개구의 구경에 반비례한다. 원형의 개구가 있는 망원경의 경우 회절 한계에 있는 이미지에서 가장 작은 특징의 크기는 에어리 원반의 크기이다. 망원경 렌즈의 개구의 크기가 작아질수록 회절은 비례하여 증가한다. f/22와 같은 작은 개구에서 대부분의 최신 렌즈는 회절에 의해서만 제한되고 수차 또는 기타 구조적 결함에 의해 제한되지 않는다. 현미경 기기의 경우 회절 한계 공간 분해능은 빛의 파장과, 대물렌즈 또는 대물 조명원 중의 작은 개구수에 비례한다. 전파 망원경은 사용하는 파장(밀리미터에서 미터까지)이 충분히 길어서 대기 왜곡을 무시할 수 있기 때문에 회절 한계에 있는 경우가 많다. 우주 기반 망원경(예: 허블 또는 다수의 비광학 망원경)은 설계에 광학 수차가 없는 경우 항상 회절 한계에서 작동한다. (ko)
Дифракцио́нный преде́л — это минимальное значение размера пятна (пятно рассеяния), которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не позволяет получить явление дифракции электромагнитных волн. Дифракционный предел был открыт в 1873 году Эрнстом Аббе. (ru)

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