一個光學儀器的角分辨度(英文:angular resolution),指儀器能夠分辨遠處兩件細小物件下,它們所形成的最小夾角。角分辨度是光學儀器解像能力的量度,角分辨度愈小,解像能力愈高。角分辨度常以瑞利判據(英文:Rayleigh criterion)作為標準,最早由物理學家瑞利於1879年提出。
對於單縫繞射的情況,瑞利判據給出的條件是:
:\theta_{\mathrm{min}} = \frac{\lambda}{a} ;
對於圓孔繞射的情況,瑞利判據給出的條件是:
:\theta_{\mathrm{min}} = \frac{1.220\lambda}{a} ,
其中 是光線的波長, 是光學儀器孔隙的闊度。
解像能力與角分辨度
解像能力,是一個光學儀器,比如望遠鏡、照相機、甚至肉眼,分辨遠處兩件細小物件的能力。當兩個物件的光線,通過光學儀器的孔隙,則會發生繞射,形成艾里斑,因而互相重疊。當兩件物件相距太近,影像重疊太多,兩個影像便無法分辨。角分辨度 ,就是當兩件物件剛好能夠分辨時,它們與孔隙所形成的夾角。
兩個影像能否分辨,常以瑞利判據作為標準:兩個相等強度的點光源,其中一個的中央極大值,剛好落在另一個的第一極小值,則稱它們剛好能夠分辨。若它們的距離再遠一點,就是能夠分辨;再近一點,則無法分辨。
兩件物件間的實際距離,稱為空間分辨度 。設物件和孔隙的距離為 。當角分辨度足夠小,運用小角度近似 ,以及弧度定義 \theta = \frac{s}{r} ,可知空間分辨度為
:s \approx r\theta_{\mathrm{min}} ,
其中角分辨度 必須以弧度作單位。其倒數
:R = \frac {1} {\theta_\mathrm{min}}
又稱為鑑別率()。
單縫繞射
當波長為 的光線,經過一條闊度為 的長形單縫,繞射的光強 於角位移 的分佈可寫成:
:I( \theta ) = I_0 \left[ \frac{ \sin \left( \frac{\pi a \sin \theta}{\lambda} \right) }{\frac{\pi a \sin \theta}{\lambda}} \right]^2 。
設 I( \theta ) =0 ,可得第一個零點 發生在:
:\frac{\pi a \sin \theta_{\mathrm{min}}}{\lambda}= \pi 。
經簡化後,得 \sin \theta_{\mathrm{min}} = \frac{\lambda}{a}。
由於 一般很小,運用小角度近似 ,得到單縫繞射的瑞利判據是:
:\theta_{\mathrm{min}} = \frac{\lambda}{a} ,
其中 以弧度作單位。
若物件和單縫的距離為 ,則知空間分辨度 為
:s=\frac{\lambda r}{a} 。
從上面可見,單縫繞射的角分辨度與光線波長成正比,與單縫闊度成反比。
圓孔繞射
當波長為 的光線,經過一條直徑為 的圓孔,繞射的光強 於角位移 的分佈可寫成:
:I( \theta ) = I_0 \left[ \frac{ 2\operatorname{J_1} \left( \frac{\pi a \sin \theta}{\lambda} \right) }{\frac{\pi a \sin \theta}{\lambda}} \right]^2 ,
其中 \operatorname{J_1}(x) 是贝塞尔函数。
設 I( \theta ) =0 ,可得第一個零點 發生在:
:\frac{\pi a \sin \theta_{\mathrm{min}}}{\lambda}=3.8317 。
經簡化後,得 \sin \theta_{\mathrm{min}} = \frac{1.220\lambda}{a}。
由於 一般很小,運用小角度近似 ,得到圓孔繞射的瑞利判據是:
:\theta_{\mathrm{min}} = \frac{1.220\lambda}{a} ,
其中 以弧度作單位。
若物件和圓孔的距離為 ,則知空間分辨度 為
:s=\frac{1.220\lambda r}{a} 。
從上面可見,圓孔繞射的角分辨度與光線波長成正比,與圓孔直徑成反比。
視力
一般人的虹膜直徑約為 5 mm,肉眼對波長約 555 nm 的光最敏感,代入瑞利判據可以得:
:\theta_{\mathrm{min}} = \frac{(1.220)(555 \times 10^{-9})} { 5 \times 10^{-3}} = 0.000135 \; \mathrm{rad}
在眼科醫生或配眼鏡時所用的,一般正常的肉眼視力,至少應在 6 m 的距離看到 8.8 mm 的圖像。
:\theta \approx \frac{8.8 \times 10^{-3}} {6} = 0.00147 \; \mathrm{rad}
根據研究,大部分人的肉眼,角分辨度的極限是 0.0005 rad。在最理想的條件下,甚至可達 0.0002 rad。由此可見,人類肉眼的分辨極限,相當接近瑞利判據。
參考
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