Korrigering af mikroskopers syn

Forskere har opdaget en ny egenskab ved bølgeudbredelse, der fører til en ny måde at forbedre opløsningen på stort set alle optiske teknologier, herunder mikroskoplinser, telekommunikation, laserbaseret litografi, biologisk og astronomisk billeddannelse. Alle disse systemer sender information og energi gennem bølgeudbredelse. Forskere ved Institute for Basic Science har opdaget, at hvis lys passerer gennem asymmetriske åbninger, astigmatisme opstår og kan forringe billedopløsningen. Efter at have identificeret dette tidligere uventede problem, forskerne viste, hvordan man kan afhjælpe det.

Mens du læser, øjenlinsen fokuserer lyset på bagsiden af ​​øjet. Imidlertid, hvis objektivets vandrette og lodrette fokuseringsevne er forskellig, denne tekst vil fremstå som sløret:F.eks. de lodrette og vandrette linjer, der danner bogstavet "T", kommer ikke i fokus sammen. For at undgå denne fokuseringsfejl, kunstige linser er optimalt designet til at ændre lysbølgefronternes form fra plane til perfekt sfæriske bølgefronter, fordi det menes, at sfæriske bølgefronter nødvendigvis fokuserer på deres unikke krumningscenter. Udgivet i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), denne undersøgelse viser, at videnskabsmænd bør genoverveje denne tro og revidere deres designstrategier.

Et eksempel på bølgeudbredelse er cirkulære bølger skabt af en sten, der faldt ned i en dam. Det nøjagtige punkt, hvor småstenen rammer vandet, bestemmer bølgernes position og form. Hvis du kunne gå tilbage i tiden, disse cirkulære bølger ville fokusere præcist på det første slagpunkt, fordi oplysningerne om punktplaceringen ikke går tabt under bølgeudbredelse. Dette 2-D-eksempel kan udvides til en 3-D-situation, hvor bølger er sfæriske og genfokuserer nøjagtigt i midten af ​​sfæren. Imidlertid, i det virkelige liv, lys fokuserer generelt fra den ene side i en eller anden retning og ikke fra alle retninger, og det ideelle billede af fokusering fra en hel cirkel eller en hel sfære er aldrig ligefrem relevant.

"En fuld sfærisk bølge er symmetrisk og har sit fokus nøjagtigt i midten af ​​sfæren. for at beholde denne sfæriske symmetri, lys skal forplante sig fra alle retninger på prøven. Og det sker stort set aldrig. Bølgefronter passeres gennem en blænde, der er begrænset til en del af en kugle, i stedet for hele sfæren. Følgelig, sfærisk symmetri er brudt, og information går tabt, "siger prof. Francois Amblard, tilsvarende forfatter til undersøgelsen. I tilfælde af dammen, dette ville svare til at gå tilbage i tiden for at forsøge at genfokusere en begrænset bølgebue, i stedet for de fulde cirkulære bølger:Disse buebølger ville ikke nødvendigvis konvergere på det samme slagpunkt, fordi oplysninger om centerplaceringen delvist går tabt.

IBS-teamet har bevist, at efterhånden som blænden bliver mindre, fokus skifter baglæns mod linsen, sådan at det oprindelige fokus ikke længere er i fokus. Som en konsekvens, hvis blænden ikke er lige i de lodrette og vandrette planer, fokalforskydninger vil variere mellem disse retninger, fører til astigmatisme. "Astigmatisme kan forekomme selv med det mest perfekte objektiv, hvis det bruges med en ikke-cirkulær blænde, "forklarer Kai Lou, første forfatter til undersøgelsen.

Teamet anvendte ideen om at forbedre en teknik kaldet line-temporal focus microscopy (LTFM, også kaldet spatiotemporal fokusering), som gør brug af en naturligt asymmetrisk indgangsstråle. Da LTFM er en metode, der bruges til at visualisere dybe biologiske strukturer, forskerne testede deres fokalskiftekorrigeringsstrategi med muselungevæv. Der blev opnået en hidtil uset løsning, der endda overgik en klassisk teknik kaldet point scanning microscopy (PSM).

Hvordan bidrager denne viden til forbedret opløsning? Selvom denne effekt er meget lille og kan ignoreres til almindelige applikationer, korrigering for blænde-induceret astigmatisme kan gøre en væsentlig forskel i sarte systemer som avanceret mikroskopi. At forstå, at astigmatisme er iboende for den brudte cirkulære symmetri, kan hjælpe med at designe korrektioner tilpasset blændeformen, især inden for områder som astronomi, telekommunikation, eller med ultralyd, hvor ikke-cirkulære åbninger ikke kan undgås.

"I fremtiden, vi planlægger at anvende blænde-induceret astigmatisme på endnu mere komplekse informationsoverførselsteknologier, " sagde Steve Granick, medkorrespondentforfatter til denne undersøgelse. "I øvrigt, undersøgelsen åbner veje til grundlæggende at forbedre designet af alt udstyr, der håndterer elektromagnetiske bølger, ultralyd, eller partikelstråler. For eksempel, det gælder også for bølger, bruges med rumantenner til at fokusere på satellit eller rumskib. Vi mener, at det kan bidrage til at designe bedre systemer inden for syntetisk mikroskopisk syn, telekommunikation, og endda mikrobølgeenheder. "