Wetenschappers hebben een nieuwe eigenschap van golfvoortplanting ontdekt die leidt tot een nieuwe manier om de resolutie van vrijwel alle optische technologieën te verbeteren, inclusief microscooplenzen, telecommunicatie, op laser gebaseerde lithografie, biologische en astronomische beeldvorming. Al deze systemen zenden informatie en energie door middel van golfvoortplanting. Onderzoekers van het Institute for Basic Science hebben ontdekt dat als licht door asymmetrische openingen gaat, astigmatisme ontstaat en kan de beeldresolutie verslechteren. Na het identificeren van dit eerder onvermoede probleem, de onderzoekers lieten zien hoe het te verhelpen.

Tijdens het lezen, de ooglens richt het licht naar de achterkant van het oog. Echter, als het horizontale en verticale scherpstelvermogen van de lens verschillend is, deze tekst wordt wazig weergegeven:bijvoorbeeld de verticale en horizontale lijnen die de letter "T" vormen, zullen niet samen in beeld komen. Om dit scherpsteldefect te voorkomen, kunstmatige lenzen zijn optimaal ontworpen om de vorm van de lichtgolffronten te veranderen van vlakke in perfect sferische golffronten, omdat wordt aangenomen dat sferische golffronten zich noodzakelijkerwijs concentreren op hun unieke krommingscentrum. Gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), deze studie toont aan dat wetenschappers deze overtuiging opnieuw moeten onderzoeken en hun ontwerpstrategieën moeten herzien.

Een voorbeeld van golfvoortplanting zijn cirkelvormige golven die ontstaan ​​door een kiezelsteen die in een vijver valt. Het exacte punt waar de kiezelsteen het water raakt, bepaalt de positie en de vorm van de golven. Als je terug kon in de tijd, die cirkelvormige golven zouden zich precies opnieuw concentreren op het eerste impactpunt, omdat de informatie over de puntlocatie niet verloren gaat tijdens golfvoortplanting. Dit 2D-voorbeeld kan worden uitgebreid tot een 3D-situatie waarin golven bolvormig zijn en zich precies in het midden van de bol concentreren. Echter, in het echte leven, licht concentreert zich over het algemeen van één kant langs een bepaalde richting en niet van alle richtingen, en het ideale beeld van scherpstellen vanuit een volledige cirkel of een volledige bol is nooit precies relevant.

"Een volledige sferische golf is symmetrisch en heeft zijn focus precies in het midden van de bol. Echter, om deze sferische symmetrie te behouden, licht moet zich vanuit alle richtingen op het monster voortplanten. En dit gebeurt vrijwel nooit. Golffronten gaan door een opening die beperkt is tot een deel van een bol, in plaats van de volle bol. Bijgevolg, sferische symmetrie wordt verbroken en informatie gaat verloren, " zegt prof. François Amblard, corresponderende auteur van de studie. In het geval van de vijver dit zou vergelijkbaar zijn met teruggaan in de tijd om te proberen een beperkte golfboog opnieuw te focussen, in plaats van de volledige cirkelvormige golven:deze booggolven zouden niet noodzakelijkerwijs op hetzelfde inslagpunt samenkomen, omdat informatie over de centrumlocatie gedeeltelijk verloren gaat.

Het IBS-team heeft bewezen dat naarmate het diafragma kleiner wordt, de focus verschuift naar achteren in de richting van de lens, zodat de aanvankelijke focus niet meer in focus is. Als gevolg hiervan, als de opening niet gelijk is in de verticale en horizontale vlakken, brandpuntsverschuivingen zullen verschillen tussen deze richtingen, leidend tot astigmatisme. "Astigmatisme kan zelfs optreden bij de meest perfecte lens als deze wordt gebruikt met een niet-cirkelvormig diafragma, " legt Kai Lou uit, eerste auteur van de studie.

Het team paste het idee toe om een ​​techniek genaamd line-temporal focussing microscopy (LTFM, ook wel spatiotemporele focussering genoemd), die gebruik maakt van een natuurlijk asymmetrische ingangsbundel. Aangezien LTFM een methode is die wordt gebruikt om diepe biologische structuren te visualiseren, de onderzoekers testten hun focal shift-correctiestrategie met muislongweefsels. Een ongekende resolutie werd verkregen, die zelfs beter presteerde dan een klassieke techniek genaamd point scanning microscopie (PSM).

Hoe draagt ​​deze kennis bij aan een betere resolutie? Hoewel dit effect erg klein is en voor gewone toepassingen kan worden genegeerd, correctie voor astigmatisme veroorzaakt door diafragma kan een significant verschil maken in delicate systemen zoals geavanceerde microscopie. Begrijpen dat astigmatisme intrinsiek is aan de gebroken cirkelvormige symmetrie, kan helpen bij het ontwerpen van correcties die zijn afgestemd op de vorm van de opening, vooral op gebieden als astronomie, telecommunicatie, of met echo's, waar niet-ronde openingen niet kunnen worden vermeden.

"In de toekomst, we zijn van plan astigmatisme door diafragma toe te passen op nog complexere technologieën voor informatieoverdracht, " zei Steve Granick, co-correspondent auteur van dit onderzoek. "Bovendien, de studie opent mogelijkheden om het ontwerp van apparatuur die elektromagnetische golven verwerkt in wezen te verbeteren, echo's, of deeltjesstralen. Bijvoorbeeld, het geldt ook voor golven, gebruikt met ruimteantennes om te focussen op satelliet of ruimteschip. Wij geloven dat het kan bijdragen aan het ontwerpen van betere systemen voor synthetisch microscopisch gezichtsvermogen, telecommunicatie, en zelfs magnetrons."