Beugungsgrenze

Beugungsgrenze bezeichnet in der Optik die fundamentale Grenze der Auflösungsfähigkeit eines Abbildungssystems, resultierend aus der Beugung des Lichts am Aperturrand. Zwei nahe beieinander liegende Punkte werden durch das Beugungsmuster des Systems geprägt und können erst getrennt aufgefasst werden, wenn ihre Bildpunkte räumlich unterscheidbar sind. Die Grenze hängt primär von der Lichtwellenlänge und der numerischen Apertur des Systems ab.

Die häufig zitierte Rayleigh-Kriterium definiert die Auflösbarkeit als den Abstand, bei dem das Maximum des Bildpunkts eines Punkts durch das erste Minimum des anderen Punkts angedeutet wird. Formal gilt sin(θ) ≈ 1,22 λ / D, oder lateral d ≈ 0,61 λ / NA, wobei NA = n sin α. Das Abbe-Kriterium gibt d = λ / (2 NA). Die Beugung wird durch das Airy-Muster beschrieben; das zentrale Maximum dominiert die Beugung.

Faktoren der Beugungsgrenze sind Wellenlänge λ, die Öffnungsgröße bzw. NA und das Medium, in dem das Licht läuft. Höhere NA oder kürzere Wellenlänge verbessern die Auflösung; größere Öffnungen erhöhen sie ebenfalls. In der Praxis gilt die Beugungsgrenze vor allem für optische Mikroskope und Teleskope.

Überwindung der Grenze: Techniken wie Nahfeldoptik, strukturierte Beleuchtung (SIM) oder superauflösende Verfahren (STED, PALM, STORM) können die Beugungsgrenze unter bestimmten Bedingungen überwinden. Ebenso bieten Elektronenmikroskopie und andere Teilchenbildgebungsformen alternative Auflösungsbereiche. Historisch ist die Beugungsgrenze eng mit Ernst Abbe und Lord Rayleigh verbunden.