大望远镜系统衍射极限倍数的确定_望远镜_中国百科网
大望远镜系统衍射极限倍数的确定
    摘要：利用大气湍流的光学相关函数确定湍流光学相关时间，并在此时间内通过成像系统的光学传递函数修正大气湍流效应后定标大望远镜(500mm口径，50Om焦距)系统衍射极限倍数。
在实际大气传输或星体通过大气成像的实验研究中，往往需要较大口径和长焦距望远镜为发射或接收系统。其目的，一是为了减小光束传输衍射角，提高光束传输效率;二是增加成像系统的空间分辨率。然而不仅大气湍流效应会制约它们的实现，望远镜自身的光学质量亦是一个影响因素，因为大望远镜系统很难达到理想程度，即衍射极限系统。因此在进行以实际湍流大气为传输媒体的实验研究时，有必要将望远镜系统的光学质量进行标定，通常以理想系统衍射极限的倍数来表征.但是对于大望远镜系统而言，尤其是长焦距系统，很难在实验室的有限空间内进行光学质量的标定，必须在实际大气中进行这一工作。在以实际大气为背景，进行大系统光学质量的标定时，就必然受到湍流效应的影响，因此必须对湍流效应进行修正。实际大气湍流往往表现为非平稳随机过程，对湍流效应光学参数的描述又源于平稳随机过程本文利用对湍流效应光学参数有限序列随机采样的相关函数，首先确定大气湍流的相关时间，然后在湍流相关时间内对大气湍流光学传递函数loTFI进行长曝光的统计[2]，最终获得湍流效应修正后的大望远镜系统衍射极限倍数的定标。本文的研究实物是中科院成都光电所研制的SOOmm口径可变焦距Cassegrain望远镜系统。
1 实验原理
图l是望远镜系统定标实验光路。望远镜调焦于50Om。CCD用于记录光源成像的点扩散函数和计算湍流效应影响下的光束到达角。
1.1望远镜的衍射极限倍数
将望远镜和大气湍流一起视为整体成像系统对距离50Om处的激光光源(近似为点光源)成像，此时CCD像面上的光斑点扩散函数为
其中PSFTur为大气湍流点扩散函数，PSFTe;为望远镜系统点扩散函数，*表示卷积。其调制传递函数为点扩散函数的付里叶变换模[3]，即
F()表示付里叶变换。所以
MTF由成像面上点扩散函数的付里叶变换得到，曝光统计时有l2]
MTFTur由湍流光学统计理论，在长曝光统计时有l2]其中D为望远镜口径，r。为大气湍流相干长度，u=介刀D为规一化空间频率，f为焦距，k为空间频率，又=0.6328召m。理想望远镜成像系统的调制传递函数[2]
其截止空间频率是k。(u=1)=D/毋)，分辨率为
实际望远镜系统的空间分辨率为l2j
所以望远镜系统衍射极限的倍数可以由下式确定
1.2 大气湍流相关时间的确定
我们知道，对大气湍流光学参数的理论描述是基于平稳随机过程川由于实际大气湍流往往是一个非平稳随机过程，因此必须在有限平稳随机过程的前提下对大气湍流光学参数进行统计描述。一般认为应在湍流效应的相关时间内来进行这一工作。光束到达角起伏和其相关函数有如下关系川99其中B(劝为湍流光学相关函数，几(O为光束到达角起伏的时间函数。上式表明:到达角起伏的功率谱等于相关函数的付里叶变换。本文利用CCD像面上光斑的采样序列，计算出光束到达角的时间序列，并对其进行离散付里叶变换，然后用上式的离散形式进行付里叶逆变换，获得大气湍流光学相关函数B(T)。一般认为，当B(协下降为零时所对应的时间T。为湍流的相关时间。
2 实验参数和结果
由图l，He一Ne光经lmm小孔出射，通过500m湍流大气和接收望远镜，由透镜将光斑成像于CCD像面上。此时因光源小孔线度已小于500mm口径理想系统于SOOm距离上的极限分辨尺度，故可近似为点光源。CCD像面上光斑点扩散函数由(l)式描述。透镜焦距45Omm。实验中同时采用两台CCD记录光斑图像.其一采样频率38OHz，连续记录8192帧，用于获得到达角起伏功率谱和大气湍流光学相关函数。由于它的采样频率快，经快速付里叶变换8192个离散数据后可以获得频率为0.045一19OHz的到达角起伏功率谱。同时由到达角起伏的方差可以获得湍流横向相干长度13，4]1010.fa为到达角，:。的实验值为90mm。图2(a)为到达角起伏功率谱。图2(b)是在图2(a)数据基础上由(9)式离散形式求得的大气湍流规一化相关函数。由该图可以看到，在11秒时，相关函数曲线出现负值(不是由于测量波动)，即负相关，所以湍流相关时间取为11秒。第二台CCD的采样帧频为10Hz，但其像素分辨率高于前者，用于获得成像系统的调制传递函数MTF。由11秒内的110幅光斑图像求和平均的FFT获得长曝MTF。由(4)式计算出长曝光情况下的大气湍流调制传递函数MTFTu，。图3给出了长曝光MTF和长曝MTFTur的曲线。最后由(3)式求得长曝光平均湍流效应修正后的望远镜系统MTFTel，示于图3。由(8)式获得望远镜系统衍射极限的倍数B=3.087。
在考虑大气湍流效应影响修正的情况下，利用光学成像系统空间分辨率与理想系统空间分辨率比值的平方根倒数关系确定大望远镜系统的衍射极限倍数是一个有效的手段。它一方面有助于我们了解实际望远镜系统的光学性质，为定量化激光大气传输实验提供发射系统的性能指标。另一方面解决了对大望远镜系统进行室内定标的困难，并提供了消除大气湍流影响的方法。
1 5.潘契夫.谈镐生译.随机函数与湍流，北京:科学出版社，1976
2 GoodmanJW.StatistiealOPties.Wiley一InterscieneePublieation，1985
3 TysonRK.PrineiPlesofAdaPtive0Pties.AcademiePress，1991 4FriedDL.OPticalResolutionThroughRandomlyInhomogeneousMediumforVeryLongandVeryShortExPosure.JOSA，2一1379
本文作者：吴毅 王英俭 吴旭斌
收录时间:日 04:44:30 来源:中国测控网 作者:匿名
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衍射极限光圈是什么　　衍射极限光圈是什么？网友提到这个问题，小编今天跟大家解答一下。这是我们摄影中的专有名词，其英文为DLA(Diffraction Limited Aperture)，字面直译应该叫做&&。那么首先我们看一下衍射是什么，也就是光的衍射。　　光的衍射(Diffraction)指光在传播路径中，遇到障碍物或小孔(狭缝)时，偏离直线绕过障碍物继续传播的现象。光经过圆形口径后成像，并不会汇聚成绝对的点，而是形成明暗相间，距离不等的同心圆光斑，其中中央斑最大，集中了84%的能量，可以看作衍射扩散的主要部分，被称为Airy Disc(爱里斑)。衍射是有一定的限度的，那么衍射极限又是什么呢？小编给大家一一道来。　　衍射极限(Diffraction Limit)是指不考虑光学系统几何像差，一个完美光学系统的分辨率仅受衍射(光波波长)限制的情况。简单来说，在收小时，Airy Disc的角距离越来越小，但达到某个极限之后，这个角距离不小反而增大。这是有一定的依据的。　　Rayleigh判据：如果两个相邻点形成的Airy Disc的角距离小于一个Airy Disc角距离时，这两个点无法分辨。就是如果两成像点(其实是两个斑点)混到一块的时候，自然就分不清了。因此对于光圈为圆形或类圆形的，其衍射极限分辨率就是Airy Disc的直径。　　如果Airy Disc等于成像元件单个像素尺寸，成像元件的分辨率等于镜头衍射极限分辨率，相机能够充分利用镜头的衍射极限分辨率。如果Airy Disc大于数码相机成像元件单个像素尺寸，则衍射极限分辨率成为瓶颈，成像元件的分辨率无法发挥&&用一个像素点分辨一个成像点和十个像素点分辨一个成像点有啥区别?小编用公式跟大家解释一下。　　衍射极限公式是sin&=1.22&/D。其中&是角分辨率，&是波长，D是光圈直径。当&很小时，sin&约等于tag&，约等于d/f，其中d是最小分辨尺寸，f是焦距。　　推导出d/f=1.22&/D， 推导出f/D=d/1.22&。f/D就是焦距/光圈直径，这是啥?光圈f值啊!　　A=d/(1.22&)。A是光圈f值。当d等于成像元件像素点尺寸p时，A就是衍射极限光圈。　　DLA=p/(1.22&)，也就是：衍射极限光圈=像素尺寸/(1.22x光波波长)　　所以，衍射极限光圈与单个像素间距大小有关。像素密度，衍射极限光圈越大；成像面积越大，衍射极限光圈越小；总之像素密度越大，越不适合用小光圈。　　编后语：衍射极限光圈是什么?小编从光的衍射，衍射极限，判断依据等进行解释，其实衍射极限光圈与单个像素间距大小有关。而且他们之间的关系是：像素密度，衍射极限光圈越大;成像面积越大，衍射极限光圈越小;总之像素密度越大，越不适合用小光圈。不知道你现在可以理解了吗?小编将在相关阅读中推荐关于光圈的小知识，进行小科普。相关阅读:焦距、拍摄距离和光圈的关系是什么光圈数值怎么看光圈和快门有什么关系&
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大家都在搜作者：彭科峰 王静 张孟枭 来源： 发布时间： 8:44:05
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深度解析诺贝尔奖：打破光学显微的极限
■本报记者 彭科峰 王静 实习生 张孟枭
10月8日，2014年度诺贝尔化学奖揭晓，美国科学家埃里克&白兹格、威廉姆&艾斯科&莫尔纳尔和德国科学家斯特凡&W&赫尔三人成为最终的幸运儿。官方称，该奖是为表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。
在接受《中国科学报》记者采访时，专家们认为，本届诺贝尔自然科学奖存在明显的&偏技术&的倾向。目前，在超分辨率荧光显微技术领域，国内也不乏人才，但相关设备主要靠进口，国家对于这些技术的研究关注不足，支持不够。
偏向于技术
&偏冷门&&&这是一些科学家对于本届诺贝尔化学奖的第一印象。
中国科学院院士刘忠范是纳米化学与纳米结构器件研究的专家，对于这三名美德科学家获奖，他向《中国科学报》记者表示&感觉有些意外&。
北京大学医药卫生分析中心细胞分析实验室袁兰博士认为，此次诺贝尔化学奖偏向于生物化学方向，这是因为生物化学不分家。&要搞好生物研究，首先要有化学基础。同时，很多仪器都是基于荧光信号，发光的多为化学物质。比如，人体的代谢，分子的相互作用等都是化学领域的内容。&
从物理学奖的蓝光LED，到化学奖的超分辨率荧光显微技术，刘忠范认为，2014年的诺贝尔奖明显存在偏技术的倾向。
长期以来，光学显微镜的分辨率都被认为是有极限的，它不可能超过二分之一个光波长度。然而，获奖的三位科学家打破了这一极限，使光学显微镜步入了纳米时代。
中科院化学所研究员王树向《中国科学报》介绍，超分辨率荧光显微技术从原理上打破了原有的光学远场衍射极限对光学系统极限分辨率的限制，在荧光分子帮助下很容易超过光学分辨率的极限，达到纳米级分辨率。这一技术在生物、化学、医学等多个学科拥有广泛的应用。
&此前，超分辨技术在相关领域是空白的，白兹格等人的研究恰巧弥补了这项空白。&袁兰表示。这项技术对于纳米、分子、生物应用等研究都有很大帮助。&一般这些研究都是靠电镜进行，超高分辨对于活体细胞的研究意义之大，是其他显微镜所不能取代的。&
王树认为，利用超高分辨率显微镜，可以让科学家们在分子水平上对活体细胞进行研究，如观察活细胞内生物大分子与细胞器微小结构以及细胞功能如何在分子水平表达及编码，对于理解生命过程和疾病发生机理具有重要意义。
&冤家&亦&亲家&
白兹格毕业于康奈尔大学，后在贝尔实验室工作。他的主要贡献是研发了用于分子生物学、神经科学的光学成像工具。鲜为人知的是，他还和北京大学长江讲座教授、美国科学院院士谢晓亮有过一段&缘分&。
&1993年10月，在加拿大温哥华的一次会议上，白兹格宣布单分子成像获得成功。当时我在听众席上，觉得很遗憾。&谢晓亮说。当时在美国太平洋西北国家实验室（PNNL）工作的他，和同事没日没夜地做同一方向的实验，但还是被贝尔实验室抢了先。
美国和法国化学家分别在1989年和1990年做出了低温单分子实验；1990年美国化学家在溶液里用激光检测到了单个分子的荧光，但没有成像。
在这种背景下，谢晓亮开始想如何才能在室温下做单分子成像，这也成为他在PNNL面试时提出的新方向，最后获得通过。&应该说，在某种程度上，谢晓亮和白兹格是竞争对手。&刘忠范说。
中科院生物物理所研究员徐平勇向《中国科学报》介绍，白兹格做科研十分严谨，每项工作的每一个细节，都必须做到完美、精准之后才会发表。由此，他所做的技术往往能在多方面得到应用，获得很多数据。
生活中，白兹格非常低调，不喜欢与外界接触，他的学生曾代他去领一个重要奖项。另外，他还是第二个获诺奖的中国女婿。
&而现在，他无疑是全世界做非线性结构光照最好的科学家。&徐平勇说。
&国外牵头做，我国在跟跑&
上世纪八九十年代，有两项和显微镜相关的技术在同时发展，一个是扫描隧道显微镜，一个是近场光学显微镜，白兹格主要的贡献是和近场光学显微镜有关。但后来，人们对扫描隧道显微镜使用得比较多，近场光学显微镜便遭到冷落。
&近场光学显微镜可以说是&工匠的艺术&，可操作性比较差。当然，评委把诺贝尔奖给他，我觉得主要是看中与超分辨率荧光技术的结合与发展。&刘忠范说。
无独有偶，德国科学家斯特凡&W&赫尔的主要贡献是发明了STED显微镜，实现了超高精度显微技术的一大突破。袁兰介绍，STED技术现在在理论上已经可以达到40~50nm的分辨率，&人们已经能够通过它看到微管蛋白是什么样的&。
袁兰认为，目前，世界上超分辨率荧光显微技术已经很成熟，遗憾是，&国外牵头做，我国在跟跑&。并且，使用的仪器也是从国外购买。
王树介绍，我国的科学工作者在超分辨率荧光显微技术领域做了很多工作，在提高成像分辨率上达到了较高水平，&但在该领域的原始创新方面还有待突破&。
&我们国家对于这些技术的研究关注不足，支持不够，科研人员没有从技术投入中得到资助。而国外的超高分辨，发明之后很快就进入市场了，而我们的技术转化很慢，往往存在理论和实践应用的脱节。&袁兰说，&我国有很多应用嗷嗷待哺，急需技术支持、经费支持和政策支持。&
《中国科学报》 ( 第1版 要闻)
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以下评论只代表网友个人观点，不代表科学网观点。&
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国外大学的科研，很多项目一做就是十年等等的，中国都是追求短时间出高成绩，这必然导致科研成果创新性不足，看看那些一年发N多篇国外期刊的80后教授就知道了，一个实验可以发两到三篇文章
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这个化学奖，与我们平时理解的化学实在相距甚远，人称“理综”。
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在中国做科研是很需要冒险精神的，用一生去冒险。
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物理奖是偏技术，但这个化学奖可以更偏基础物理！打破极限既有探索的意义又有应用前景：生物成像只能算是一个应用，这个奖是很有科学含量的。
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国外没有那么多外行的行政人员整天思考着怎么管理这些科研人员
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