За дифракционным пределом?

[wladimir]

Короткое сообщение меня просто потрясло:

Помимо почетного диплома, лауреат премии получает 250 тыс. евро. Как и в предыдущие годы, для участия в финале жюри отобрало четыре проекта. Победителем стал профессор физики из Геттингена Штефан Хелль.
Он разработал оптический микроскоп новой конструкции, разрешающая сила которого в 10 раз превышает ту, что считалась максимально возможной согласно так называемому закону синусов Аббе.
Профессор Хелль сумел обойти этот казавшийся незыблемым закон более чем столетней давности, формула которого приведена в любом учебнике оптики, сообщает MIGnews.com со ссылкой на Deutsche Welle.

Ссылка: http://www.vz.ru/news/2006/11/26/58717.html

А как же телескопы???
Это получается с апертурой 30 мм можно 600х получить???

[Михаил Никитин]

Скорее всего, дело здесь в электронной обработке изображения. Та же формула Рэлея выводилась в предположении, что глаз не различит изменение освещенности, большее, чем 5%. Если создать фотоприемник, способный зафиксировать меньшее изменение освещенности, и просканировать им все поле зрения, то при обработке полученной функции с учетом распределения энергии при дифракции на объективе можно восстановить изначальное изображение с намного большим пределом разрешения, и получить 600* с 30 мм, только не визуально. Это еще к вопросу о спутниках-шпионах, видящих звездочки на погонах. Лет десять назад собирался даже это дело рассчитывать, но перспектив постройки - 0, так что руки так и не дошли...

[Владилен]

Скорее всего, дело здесь в электронной обработке изображения. Та же формула Рэлея выводилась в предположении, что глаз не различит изменение освещенности, большее, чем 5%. Если создать фотоприемник, способный зафиксировать меньшее изменение освещенности, и просканировать им все поле зрения, то при обработке полученной функции с учетом распределения энергии при дифракции на объективе можно восстановить изначальное изображение с намного большим пределом разрешения, и получить 600* с 30 мм, только не визуально. Это еще к вопросу о спутниках-шпионах, видящих звездочки на погонах. Лет десять назад собирался даже это дело рассчитывать, но перспектив постройки - 0, так что руки так и не дошли...

Михаил, еще есть возможность возобновить работу, так как технология использована иная:
http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1184142&s=

[tlgleonid]

Скорее всего, дело здесь в электронной обработке изображения. Та же формула Рэлея выводилась в предположении, что глаз не различит изменение освещенности, большее, чем 5%.

Формула Релея выводилась из расчета, что максимум второго источника лежит на первом темном кольце и контраст перемычки между двумя максимума составит 26%. Но даже если контраст можно было бы поднять, все равно нельзя преодолеть частоту отсечения D/L, то есть получить разрешение больше 113/D.
Наверно там все-таки использована другая длинна волны а затем электронный приемник все переводит в длины, видимые глазом.(гипотеза)

[Михаил Никитин]

Так в ссылке же сказано, что лазерным импульсом возбуждается что-то типа гармоники высшего порядка, отраженной от клетки и на ней и ведутся наблюдения. Приемник, естественно, должен все это переводить в нормальный свет. С телескопом этот номер не пройдет - там мы принимаем сигнал, какой он есть.

Формула Релея выводилась из расчета, что максимум второго источника лежит на первом темном кольце и контраст перемычки между двумя максимума составит 26%. Но даже если контраст можно было бы поднять, все равно нельзя преодолеть частоту отсечения D/L, то есть получить разрешение больше 113/D.

Насчет формулы Рэлея, с чем-то ее спутал, наверное с 120/D.

А вот контраст поднимать совсем не следует, наоборот, приемник должен уловить существующий контраст, причем не только между максимумами, но и по всему изображению. Каждая точка исходного изображения представляется дающей систему дифракционных колец, подчиняющихся принципу суперпозиции. Освещенность объектива по направлению на каждую точку считается неизвестной и находится в результате решения системы уравнений, составленных для освещенностей точек. Частный случай, когда точек всего две, решается в общем виде, при этом исходные точки считаются заполняющими всю плоскость изображения.

Но приемник должен работать не по принципу Black/White, а, скорее, Gray Scale, с градациями серого цвета, которым будет соответствовать разная освещенность изображения.

[PavelB]

Так в ссылке же сказано, что лазерным импульсом возбуждается что-то типа гармоники высшего порядка, отраженной от клетки и на ней и ведутся наблюдения. Приемник, естественно, должен все это переводить в нормальный свет. С телескопом этот номер не пройдет - там мы принимаем сигнал, какой он есть.

Формула Релея выводилась из расчета, что максимум второго источника лежит на первом темном кольце и контраст перемычки между двумя максимума составит 26%. Но даже если контраст можно было бы поднять, все равно нельзя преодолеть частоту отсечения D/L, то есть получить разрешение больше 113/D.

Насчет формулы Рэлея, с чем-то ее спутал, наверное с 120/D.

А вот контраст поднимать совсем не следует, наоборот, приемник должен уловить существующий контраст, причем не только между максимумами, но и по всему изображению. Каждая точка исходного изображения представляется дающей систему дифракционных колец, подчиняющихся принципу суперпозиции. Освещенность объектива по направлению на каждую точку считается неизвестной и находится в результате решения системы уравнений, составленных для освещенностей точек. Частный случай, когда точек всего две, решается в общем виде, при этом исходные точки считаются заполняющими всю плоскость изображения.

Но приемник должен работать не по принципу Black/White, а, скорее, Gray Scale, с градациями серого цвета, которым будет соответствовать разная освещенность изображения.

С помощью нанопокрытий и веществ с отрицательным показателем преломления этот предел по частоте отсечения D/L уже обошли, только телескопчик с такими зеркалами стоит пока дороже Хаббла  . Ну и обошли вроде всего на 30-50%.

[Владилен]

Думаю ветку необходимо перенести в раздел Астрономия и компьютеры, тогда можно будет обсуждать обход критерия Рэлея при помощи обработки.
Лет пять назад забросил это дело из-за невозможности борьбы с шумом, но сейчас снова появились идеи.

[yevogre]

А вот контраст поднимать совсем не следует, наоборот, приемник должен уловить существующий контраст, причем не только между максимумами, но и по всему изображению.

Пожалуйста, поясните мысль.
При бОльшем контрасте и обработка будет проще (ИМХО) - возразите, пожалуйста.

[echech]

При бОльшем контрасте и обработка будет проще

Что такое повышенный контраст? Это нелинейное преобразование, которое обедняет область средних яркостей и искуственно обогащает область больших и малых, что обедняет динамический диапазон кадра в целом, усиливает цифровые шумы и предоставляет дополнительные трудности для дальнейшей цифровой обработки с целью "вытащить" более тонкие детали.

[yevogre]

Это если повышения контраста добиваться путём срезания полутонов. Согласен.
А если этого добиваться путём снижения (может несколько по-дилетантски выражусь)
Функции Рассеяния Точки? Т.е. сближения максимумов за счёт уменьшения кружка рассеяния?

[Asafan]

С помощью нанопокрытий и веществ с отрицательным показателем преломления этот предел по частоте отсечения D/L уже обошли, только телескопчик с такими зеркалами стоит пока дороже Хаббла  . Ну и обошли вроде всего на 30-50%.

Обалдеть... Сижу в деревне, а в мире такое творится  . Небось, авторы изобретения тоже Нобелевские лауреаты?

[Михаил_Никитин]

Михаил Никитин

Это я  .

Спасибо неизвестным хакерам, из-за которых пришлось переустанавливать систему, и спамерам, извратившимся над моим почтовым ящиком.

yevogre
Пожалуйста, поясните мысль.
При бОльшем контрасте и обработка будет проще (ИМХО) - возразите, пожалуйста.

Это так, пока мы работаем в пределах частоты отсечения. Если хотим преодолеть - необходимо подвергнуть анализу как можно менее искаженную картину распределения освещенности, при которой оттенок серого должен быть именно им, а не черным или белым.

Vladilen Ural
Думаю ветку необходимо перенести в раздел Астрономия и компьютеры, тогда можно будет обсуждать обход критерия Рэлея при помощи обработки.

Похоже, самый реальный способ осуществления идеи. Делаем цифровой снимок с очень большим увеличением (пока представляется черно-белый вариант с градациями серого), обрабатываем его с учетом дифракции на объективе и остаточных аберраций, и получаем исходное изображение.

Насчет шумов, если это атмосферные флуктуации, может, вообще с ними не бороться? Просто сделать несколько последовательных снимков, обработать каждый, а потом посмотреть, что на выходе? Шумы матрицы, это серьезнее, но решение должно быть и здесь!

Правда, я не большой специалист по обработке снимков, но такая идея возникла даже вне связи с цифровым фото.

yevogre
А если этого добиваться путём снижения (может несколько по-дилетантски выражусь)
Функции Рассеяния Точки? Т.е. сближения максимумов за счёт уменьшения кружка рассеяния?

Увеличением диаметра объектива?

[yevogre]

Увеличением диаметра объектива?

Снижением аберраций системы. При увеличении диаметра объектива получите обратный
эффект - ФРТ увеличится, прежде всего из-за сферохроматизма.

[Суворов Владимир]

. Небось, авторы изобретения тоже Нобелевские лауреаты?

Как жаль, что не лауреаты ленинского комсомола.

[Михаил_Никитин]

yevogre, так я изначально предполагал устройство без аберраций, параболическое высокоточное и термостабилизированное зеркало, например. А при увеличении диаметра линзового объектива естественно, надо очень сильно увеличить его фокус, если это обычный дублет. Но в любом случае, даже если убрать все аберрации, то диаметр пятна рассеяния не удастся сделать менее дифракционного. А идея была как раз о преодолении (в разы!) дифракционного предела путем тщательного анализа распределения освещенности в изображении.

Нужно сначала применить алгоритм расчета в идеальном случае, а затем учетсь измеренные аберрации реального объектива.   

[yevogre]

Идея понятна. Только тут возникает вопрос - Вы хотите увидеть то, что есть
или то, что вам хочет показать разработчик алгоритма ?
Предложить устройство без аберраций можно - а рассчитать и изготовить?
Без обид - мы с коллегой работаем как раз в области повышения разрешающей способности
систем. Но мы  - динозавры, т.е. считаем, что геометрическая оптика ещё не всё сказала.
Электроника её обогнала в разы. Так почему не идут по пути совершенствования оптических
параметров а доверяют догадкам - алгоритмам обработки изображения?

[Михаил_Никитин]

Я хочу создать алгоритм, который позволит увидеть то, что есть, где-то там, в бесконечности, без искажений входным отверстием объектива. "Рассчитать и изготовить" это один путь. Второй - взять то, что есть, тщательно измерить аберрации, и учесть их в распределении энергии. И получить дифракционно ограниченную систему не так уж сложно - достаточно хорошо что-нибудь задиафрагмировать. Роль апертуры перестает быть критична и может быть скомпенсирована чувствительностью фотоприемника. Кроме того, система может быть сделана простой - зеркало или одиночная плоско-выпуклая линза - в этих случаях исключаются аберрации от децентровок оптических элементов многолинзовых систем. В общем виде, есть взаимно-однозначное соответствие между суммой волновых фронтов на входе в объектив и освещенностью точек изображения, так что остается решить обратную задачу - восстановить исходный волновой фронт с направления на каждую точку.

А геометрия - увы. Да, есть отдельные ухищрения, особенно в случае с центральным экранированием, но все это крутится вокруг критерия Рэлея. Параболическое зеркало - чем не дифракционно ограниченная система? По геометрической оптике изображение должно быть точечным, но вылазит волновая природа света... Экранируем, разрешение чуть повышается.

Так что единственный выход, позволяющий получить нормальное 600-кратное изображение с 30-мм объектива - это обработка исходного снимка. Я даже уверен, что военные такую технологию давно используют на разведывательных спутниках, но держат в секрете. Задача данной ветки - сделать ее достоянием каждого желающего.

[GNM]

Не могу удержаться от критики:

1) Идеальных оптических схем нет. Даже парабола дает идеальное изображение только в одной точке - в центре;
2) АЧХ реальных оптических схем как правило имеют нули. Попытка поднять уровень из нуля обречена на провал;
3) Обрабатка снимка с целью улучшения разрешения пожирает динамический диапазон (ДД) фотоприемника. Фотоприемники с реально большим ДД стоят не меньше объективов с большой аппертурой. Тут, мне кажется, установился некий баланс.

В общем, ход ваших мыслей верный, но больших успехов на этом пути не просматривается.

[Stepa]

Как вы будете обходить проблему вот такого сорта:

амплитуда в точке - комплексная величина, но детектор скалярен и измеряет лишь ее квадрат.

[VD]

Думаю ветку необходимо перенести в раздел Астрономия и компьютеры, тогда можно будет обсуждать обход критерия Рэлея при помощи обработки.
Лет пять назад забросил это дело из-за невозможности борьбы с шумом, но сейчас снова появились идеи.

Да давно уже,  несколько лет,  как обошли этот предел.  На 24" рефлекторе разделяли и меряли позиционные углы у двойных звезд на уровне менее 0.1" .  Сделано было в Крыму,  в Южной Лаборатории ГАИШ  В.Ю. Теребижем и В. Бирюковым.