显微镜的周期性衍射图像

当显微镜物镜形成物体的衍射极限图像时，它会在中间产生沿光轴（z 轴）和横向（x 轴和 y 轴）周期性的三维衍射图案图像平面。本程序探讨由周期性物体在多个焦深处产生的衍射图像。

程序中使用的周期物体是西门子测试星，由一系列径向黑白线组成，其间距和厚度随半径成比例增加。该对焦度滑块用于通过一系列连续的不同焦距水平的过渡试验明星形象。当滑块向右移动时，测试星目标慢慢失去焦点，直到观察到对比度和分辨率的显着损失。在高的失焦水平下，测试星会经历几次对比反转。

通过移动焦点度滑块逐渐向右移动，测试星中更精细的间距不再解析，图像的轮廓变得圆润。当图像的较高空间频率分量丢失并且间隔很近的线的衍射图像在视觉上无法分辨时，就会发生这些变化。在这个焦点水平上，在中间线间距或空间频率范围内出现的黑白线中观察到对比度的反转。这是图像亮度和位置发生 180 度相移的结果，这是由相同的干涉现象引起的，当点光源的衍射图像中的中心点的对比度周期性反转时，这种现象会引起偏离焦点（请参阅下面链接的交互式 Java 程序）。

随着图像散焦到更大程度，分辨率继续下降，表现出对比度反转的区域从测试星目标的中心向外增长。当滑块进一步移动到右侧位置时，外围附近间距大得多（空间频率较低）的测试星区开始进行对比度反转。在这一点上，在较高空间频率（较薄的间距）的黑白线之间出现了一个表现出对比度反转的新区域。在高散焦度（当滑块位于右侧时），程序窗口中可以看到两个相邻的对比度反转。

对于由交替的黑白条纹组成的测试目标，空间频率与对比度传递函数（图像与样本的对比度之比；缩写为 CTF）之间的关系如图 1 所示。该图表示一系列不同的聚焦水平，其中测量的 CTF 是根据空间频率（每单位距离的线对数）绘制的。在图中，随着空间频率的增加，对比度下降是显而易见的，焦点级别 4 和 5 处的对比度反转，其中降低的空间频率下降到 CTF 的负值。曲线编号 1 代表聚焦的测试目标，曲线 2 到 5 显示了散焦水平逐渐增加的结果。当曲线 4 和 5 在 y 轴上低于零时，对比度是相反的。