(A) Une pierre tombant dans un étang produit des ondes circulaires complètes qui sont centrées sur le point d'impact, et ces vagues se propageraient en arrière sur ce même point si le temps pouvait être inversé. En utilisant cet argument d'inversion du temps, si l'on génère des ondes circulaires à rétropropagation à partir d'un arc limité, ils ne se concentreront pas nécessairement au centre. (B) Représentation de la façon dont les effets de diffraction rivalisent avec la focalisation pour un faisceau de taille initiale différente, c'est une ouverture différente. En allant de gauche à droite sur l'axe des x, la taille du faisceau d'entrée (taille d'ouverture, ligne orange) augmente. Pour un gros faisceau, la mise au point est forte, conduisant à une petite section transversale dans le plan focal (ligne bleue). Si l'ouverture est réduite, une situation critique est atteinte (ligne pointillée). Au point critique où les deux lignes se croisent, les effets de focalisation et de diffraction sont égaux, et l'énergie (rouge) est mieux focalisée entre la lentille et le plan focal initial, ce qui signifie que le plan focal effectif s'est déplacé vers la lentille. Des ouvertures extrêmement petites correspondent à une source ponctuelle et produisent une diffraction sans mise au point. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Les scientifiques ont découvert une nouvelle propriété de propagation des ondes qui conduit à une nouvelle façon d'améliorer la résolution de pratiquement toutes les technologies optiques, y compris les lentilles de microscope, télécommunications, lithographie au laser, Imagerie biologique et astronomique. Tous ces systèmes transmettent des informations et de l'énergie par propagation des ondes. Des chercheurs de l'Institute for Basic Science ont découvert que si la lumière passe à travers des ouvertures asymétriques, l'astigmatisme survient et peut dégrader la résolution de l'image. Ayant identifié ce problème jusque-là insoupçonné, les chercheurs ont montré comment y remédier.
En lisant, le cristallin focalise la lumière vers l'arrière de l'œil. Cependant, si la puissance de mise au point horizontale et verticale de l'objectif est différente, ce texte apparaîtra flou :par exemple, les lignes verticales et horizontales qui forment la lettre "T" ne seront pas nettes ensemble. Pour éviter ce défaut de mise au point, les lentilles artificielles sont conçues de manière optimale pour changer la forme des fronts d'onde lumineux de fronts d'onde planaires en fronts d'onde parfaitement sphériques, car on pense que les fronts d'onde sphériques se concentrent nécessairement à leur centre de courbure unique. Publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), cette étude montre que les scientifiques devraient réexaminer cette croyance et revoir leurs stratégies de conception.
Un exemple de propagation des ondes est celui des ondes circulaires créées par un caillou tombé dans un étang. Le point exact où le caillou touche l'eau détermine la position et la forme des vagues. Si tu pouvais remonter le temps, ces ondes circulaires se recentreraient précisément sur le point d'impact initial, car les informations sur l'emplacement du point ne sont pas perdues lors de la propagation des ondes. Cet exemple 2D peut être étendu à une situation 3D dans laquelle les ondes sont sphériques et se recentrent exactement au centre de la sphère. Cependant, dans la vraie vie, la lumière se concentre généralement d'un côté dans une direction et non de toutes les directions, et l'image idéale de la mise au point à partir d'un cercle complet ou d'une sphère complète n'est jamais exactement pertinente.
"Une onde sphérique complète est symétrique et a son foyer exactement au centre de la sphère. Cependant, pour garder cette symétrie sphérique, la lumière doit se propager dans toutes les directions sur l'échantillon. Et cela n'arrive pratiquement jamais. Les fronts d'onde traversent une ouverture limitée à une portion de sphère, au lieu de la sphère complète. Par conséquent, la symétrie sphérique est brisée et l'information est perdue, " dit le Pr François Amblard, auteur correspondant de l'étude. Dans le cas de l'étang, cela reviendrait à remonter le temps pour essayer de recentrer un arc d'onde limité, au lieu des ondes circulaires complètes :Ces ondes d'arc ne convergeraient pas nécessairement sur le même point d'impact, car les informations sur l'emplacement du centre sont partiellement perdues.
Les chercheurs de l'IBS ont augmenté la résolution LTFM en restaurant la symétrie circulaire du faisceau LTFM. Les images d'une tranche de poumon de souris marquée par fluorescence montrent que le LTFM amélioré atteint une résolution plus élevée que le PSM, un résultat jamais atteint auparavant. Crédit : Institut des sciences fondamentales
L'équipe d'IBS a prouvé qu'à mesure que l'ouverture diminue, la mise au point recule vers l'objectif, de telle sorte que la mise au point initiale n'est plus nette. En conséquence, si l'ouverture n'est pas égale dans les plans vertical et horizontal, les décalages focaux différeront entre ces directions, conduisant à l'astigmatisme. "L'astigmatisme peut survenir même avec l'objectif le plus parfait s'il est utilisé avec une ouverture non circulaire, " explique Kai Lou, premier auteur de l'étude.
L'équipe a appliqué l'idée d'améliorer une technique appelée microscopie à focalisation linéaire-temporelle (LTFM, aussi appelée focalisation spatio-temporelle), qui utilise un faisceau d'entrée naturellement asymétrique. Comme LTFM est une méthode utilisée pour visualiser des structures biologiques profondes, les chercheurs ont testé leur stratégie de correction du décalage focal avec des tissus pulmonaires de souris. Une résolution sans précédent a été obtenue, qui a même surpassé une technique classique appelée microscopie à balayage ponctuel (PSM).
Comment cette connaissance contribue-t-elle à une meilleure résolution ? Même si cet effet est très faible et peut être ignoré pour des applications ordinaires, la correction de l'astigmatisme induit par l'ouverture pourrait faire une différence significative dans les systèmes délicats comme la microscopie avancée. Comprendre que l'astigmatisme est intrinsèque à la symétrie circulaire brisée pourrait aider à concevoir des corrections adaptées à la forme de l'ouverture, en particulier dans des domaines tels que l'astronomie, télécommunication, ou aux ultrasons, où les ouvertures non circulaires ne peuvent être évitées.
"À l'avenir, nous prévoyons d'appliquer l'astigmatisme induit par l'ouverture à des technologies de transfert d'informations encore plus complexes, " a déclaré Steve Granick, co-auteur de cette étude. "De plus, l'étude ouvre des pistes pour améliorer fondamentalement la conception de tout équipement traitant les ondes électromagnétiques, échographies, ou des faisceaux de particules. Par exemple, cela s'applique aussi aux vagues, utilisé avec des antennes spatiales pour se concentrer sur un satellite ou un vaisseau spatial. Nous pensons qu'il peut contribuer à concevoir de meilleurs systèmes de vision microscopique synthétique, télécommunications, et même des appareils à micro-ondes."
