(A) Una pietra che cade in uno stagno produce onde circolari complete che sono centrate sul punto di impatto, e quelle onde si propagherebbero indietro nello stesso punto se il tempo potesse essere invertito. Usando questo argomento di inversione temporale, se si generano onde circolari che si propagano all'indietro da un arco limitato, non si concentreranno necessariamente al centro. (B) Rappresentazione di come gli effetti di diffrazione competono con la messa a fuoco per un raggio di diversa dimensione iniziale, questa è un'apertura diversa. Andando da sinistra a destra sull'asse x, la dimensione del raggio in ingresso (dimensione dell'apertura , linea arancione) aumenta. Per un grande raggio, la messa a fuoco è forte, che porta a una piccola sezione trasversale nel piano focale (linea blu). Se l'apertura è ridotta, si raggiunge una situazione critica (linea tratteggiata). Nel punto critico in cui le due linee si incrociano, gli effetti di messa a fuoco e di diffrazione sono uguali, e l'energia (rosso) è meglio focalizzata tra l'obiettivo e il piano focale iniziale, il che significa che il piano focale effettivo si è spostato verso l'obiettivo. Aperture estremamente piccole corrispondono a una sorgente puntiforme e producono diffrazione senza messa a fuoco. Credito:Istituto per le scienze di base
Gli scienziati hanno scoperto una nuova proprietà della propagazione delle onde che porta a un nuovo modo per migliorare la risoluzione di praticamente tutte le tecnologie ottiche, comprese le lenti del microscopio, telecomunicazioni, litografia laser, imaging biologico e astronomico. Tutti questi sistemi trasmettono informazioni ed energia attraverso la propagazione delle onde. I ricercatori dell'Institute for Basic Science hanno scoperto che se la luce passa attraverso aperture asimmetriche, l'astigmatismo insorge e può degradare la risoluzione dell'immagine. Avendo identificato questo problema precedentemente insospettato, i ricercatori hanno mostrato come porvi rimedio.
Mentre leggo, la lente dell'occhio focalizza la luce nella parte posteriore dell'occhio. Però, se la potenza di messa a fuoco orizzontale e verticale dell'obiettivo è diversa, questo testo apparirà sfocato:ad esempio, le linee verticali e orizzontali che formano la lettera "T" non verranno messe a fuoco insieme. Per evitare questo difetto di messa a fuoco, le lenti artificiali sono progettate in modo ottimale per modificare la forma dei fronti d'onda della luce da planari a fronti d'onda perfettamente sferici, perché si ritiene che i fronti d'onda sferici si focalizzino necessariamente nel loro unico centro di curvatura. Pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), questo studio mostra che gli scienziati dovrebbero riesaminare questa convinzione e rivisitare le loro strategie di progettazione.
Un esempio di propagazione delle onde sono le onde circolari create da un sassolino caduto in uno stagno. Il punto esatto in cui il sassolino colpisce l'acqua determina la posizione e la forma delle onde. Se potessi tornare indietro nel tempo, quelle onde circolari si rifocalizzerebbero precisamente sul punto di impatto iniziale, perché le informazioni sulla posizione del punto non vengono perse durante la propagazione dell'onda. Questo esempio 2-D può essere esteso a una situazione 3-D in cui le onde sono sferiche e si rifocalizzano esattamente al centro della sfera. Però, nella vita reale, la luce generalmente si concentra da un lato lungo una certa direzione e non da tutte le direzioni, e l'immagine ideale della messa a fuoco da un cerchio completo o da una sfera completa non è mai esattamente rilevante.
"Un'onda completamente sferica è simmetrica e ha il suo fuoco esattamente al centro della sfera. Tuttavia, per mantenere questa simmetria sferica, la luce dovrebbe propagarsi da tutte le direzioni sul campione. E questo praticamente non accade mai. I fronti d'onda vengono fatti passare attraverso un'apertura limitata a una porzione di una sfera, invece della sfera piena. Di conseguenza, la simmetria sferica è rotta e l'informazione è persa, "dice il prof. Francois Amblard, corrispondente autore dello studio. Nel caso dello stagno, sarebbe come tornare indietro nel tempo per cercare di rifocalizzare un arco d'onda limitato, invece delle onde circolari complete:queste onde ad arco non convergerebbero necessariamente sullo stesso punto di impatto, perché le informazioni sulla posizione del centro sono parzialmente perse.
I ricercatori di IBS hanno aumentato la risoluzione LTFM ripristinando la simmetria circolare del raggio LTFM. Le immagini di una fetta di polmone di topo etichettata in modo fluorescente mostrano che l'LTFM migliorato raggiunge una risoluzione più elevata rispetto a PSM, un risultato mai raggiunto prima. Credito:Istituto per le scienze di base
Il team IBS ha dimostrato che man mano che l'apertura si riduce, la messa a fuoco si sposta indietro verso l'obiettivo, tale che il focus iniziale non è più a fuoco. Come conseguenza, se l'apertura non è uguale nei piani verticale e orizzontale, gli spostamenti focali differiranno tra queste direzioni, che porta all'astigmatismo. "L'astigmatismo può verificarsi anche con l'obiettivo più perfetto se utilizzato con un'apertura non circolare, " spiega Kai Lou, primo autore dello studio.
Il team ha applicato l'idea per migliorare una tecnica chiamata microscopia di messa a fuoco linea-temporale (LTFM, chiamata anche messa a fuoco spaziotemporale), che fa uso di un fascio di ingresso naturalmente asimmetrico. Poiché LTFM è un metodo utilizzato per visualizzare strutture biologiche profonde, i ricercatori hanno testato la loro strategia di correzione dello spostamento focale con tessuti polmonari di topo. È stata ottenuta una risoluzione senza precedenti, che ha persino superato una tecnica classica chiamata microscopia a scansione di punti (PSM).
In che modo questa conoscenza contribuisce a una migliore risoluzione? Anche se questo effetto è molto piccolo e può essere ignorato per le applicazioni ordinarie, la correzione dell'astigmatismo indotto dall'apertura potrebbe fare una differenza significativa in sistemi delicati come la microscopia avanzata. Comprendere che l'astigmatismo è intrinseco alla simmetria circolare rotta potrebbe aiutare a progettare correzioni su misura per la forma dell'apertura, soprattutto in campi come l'astronomia, telecomunicazione, o con gli ultrasuoni, dove le aperture non circolari non possono essere evitate.
"Nel futuro, abbiamo in programma di applicare l'astigmatismo indotto dall'apertura a tecnologie di trasferimento delle informazioni ancora più complesse, " ha detto Steve Granick, co-autore corrispondente di questo studio. "Inoltre, lo studio apre strade per migliorare sostanzialmente la progettazione di qualsiasi apparecchiatura che gestisca le onde elettromagnetiche, ultrasuoni, o fasci di particelle. Per esempio, vale anche per le onde, utilizzato con antenne spaziali per concentrarsi su satellite o astronave. Riteniamo che possa contribuire a progettare sistemi migliori nella vista microscopica sintetica, telecomunicazioni, e persino dispositivi a microonde."
