流行科学: 光学显微镜及其分辨率极限

故事始于光学显微镜. 随着中世纪黑暗时代的结束，欧洲进入了文艺复兴时期. 在文化和艺术得到极大发展的同时，现代自然科学也慢慢发展: 文艺复兴时期出现了第一台光学显微镜. 制造第一台光学显微镜的人不再完全可用（一个人说它是16世纪末由两家荷兰眼镜制造商发明的），但这并不重要. 重要的是，从那时起，科学家就可以使用光学显微镜观察这种外观，观察对象还包括各种活生物体. 在那个时代，随便看看叶子和草也是一个重大发现: 著名的罗伯特·胡克先生（Robert Hooke）于1665年用光学显微镜观察了红酒瓶的软木塞，发现了细胞的存在. 现代生物学和微生物学都源于光学显微镜，光学显微镜也已成为生命科学中必不可少的工具. 当人们观察越来越小的事物时，人们不禁会怀疑光学显微镜的外观如何？

“可以看到多少”被更科学的说法“分辨率有多高”代替. 分辨率（严格来说是光学分辨率）描述了成像系统解析成像细节的能力，或者成像系统可以分辨的两点之间的最小距离. 1873年，物理学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）得出结论，传统光学显微镜的分辨率具有物理极限，该极限是所用光波波长的一半（大约0.2微米或200纳米）.

为什么会这样？为了理解这一点，我们回到高中物理曾经引入的单缝衍射实验: 当光束穿过狭缝时，中间的明亮条纹的两侧将出现一系列交替的明暗条纹. 这是因为光是电磁波，当被狭缝限制时，会发生衍射，偏离直线的情况. 如果光不是通过狭缝而是通过圆孔光学系统分辨率，则该圆孔将限制光在所有方向上的传播，从而使光在所有方向上衍射，从而形成圆孔衍射图样或“ Auri”（通风盘）: 此图案的中心有一个相对较大的亮点，有一些交替的明暗交替的环. 同样，由于存在衍射，成像系统无法将光会聚成无限小的点，而只能在像面上形成有限大小的艾里斑. 任何光学仪器的成像过程都可以视为将物平面上无数的细点转换为艾里斑，然后将它们叠加在像面上. 结果是，任何成像系统获得的图像都无法准确描述物体的所有细节.

那么，可以在图像平面上呈现出多少精细的细节？如果物平面上有两个点，则在通过光学成像系统后会生成两个艾里斑. 当这两个点相距较远时，像平面上的艾里斑也将相距更远-此时，我们可以轻松地区分物平面上的两个点. 如果将两点逐渐靠近，则艾里点也将接近. 当它们接近一个圆点的中心和另一个圆点的边缘时，我们达到了能够区分两个点的极限（这称为瑞利准则）. 如果这两个点更近，则像平面上的两个艾里斑将几乎重叠并变成圆形点，那么物平面上的两个点将无法区分. 因此，艾里斑的直径使理想的光学系统具有最高的分辨率. 在光学显微镜中，该值大约是光波波长的一半光学系统分辨率，即0.2微米或200纳米.

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