Microscopie is het werkpaard van hedendaags biowetenschappelijk onderzoek, waardoor morfologische en chemische inspectie van levend weefsel mogelijk wordt met een steeds grotere ruimtelijke en temporele resolutie. Hoewel moderne microscopen echte technische wonderen zijn, minieme afwijkingen van ideale beeldomstandigheden zullen nog steeds leiden tot optische aberraties die de beeldkwaliteit snel verminderen. Een mismatch tussen de brekingsindices van het monster en het onderdompelingsmedium, afwijkingen in de dikte van monsterhouders of dekglaasjes, de effecten van veroudering op het instrument - dergelijke afwijkingen kunnen zich manifesteren in de vorm van sferische aberratie en focusfouten. Ook, in het bijzonder voor diepe weefselbeeldvorming, een essentieel instrument in neurobiologisch onderzoek, een inhomogene brekingsindex van het monster en de complexe vorm van het oppervlak kan leiden tot extra aberraties van hogere orde.

Adaptieve optische microscopie

Adaptieve optica (AO), een beeldcorrectietechniek die voor het eerst werd gebruikt in astronomische telescopen om de effecten van atmosferische turbulentie te compenseren, is de state-of-the-art methode om dynamisch te corrigeren voor monster- en systeem-geïnduceerde aberraties in een microscopiesysteem. Een typisch AO-systeem heeft een actieve, vormverschuivend optisch element dat de inverse van de in het systeem aanwezige golffrontfout kan reproduceren. Gewoonlijk in de vorm van een vervormbare spiegel of een ruimtelijke lichtmodulator met vloeibare kristallen, de beperkingen van dit element bepalen de kwaliteit van haalbare aberratiecorrectie en daarmee de wijdverbreide toepasbaarheid van AO-microscopie.

Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , onderzoekers van de Universiteit van Freiburg, Duitsland, hebben een aanzienlijke vooruitgang geboekt in AO-microscopie door de demonstratie van een nieuwe AO-module die bestaat uit twee vervormbare faseplaten (DPP's). In tegenstelling tot vervormbare spiegels, het DPP-systeem is een golffrontmodulator die in transmissie werkt, waardoor directe AO-integratie met bestaande microscopen mogelijk is. In deze AO-configuratie, vergelijkbaar met hifi-luidsprekers met aparte woofer- en tweetereenheden, een van de optische modulatoren is geoptimaliseerd voor lage-ruimtelijke frequentie-afwijkingen, terwijl de tweede wordt gebruikt voor hoogfrequente correctie.

Trapsgewijze modulatie

Een grote uitdaging voor een AO-systeem met meerfasige modulatoren is hoe deze op optisch equivalente (geconjugeerde) posities te plaatsen, vaak meerdere extra optische componenten nodig om het beeld door te geven totdat het de detector bereikt. Daarom, het configureren van zelfs twee modulatoren in een AO-systeem is een hele uitdaging. Aangezien de DPP's zijn <1 mm dik, het cascaderen van twee of meer modulatoren binnen acceptabele nabijheid wordt aanzienlijk praktischer. Het team van Freiburg ontwikkelde ook een nieuwe methode om meervoudige fasemodulatoren optimaal te regelen, ongeacht hun individuele specificaties, waardoor mogelijk nog veel meer apparaten kunnen worden gecascadeerd voor een groter bereik en meer betrouwbaarheid.

Om zijn prestaties te demonstreren, het team integreerde hun nieuwe AO-systeem in een op maat gemaakte fluorescentiemicroscoop, waarbij monster-geïnduceerde aberraties iteratief worden geschat zonder een golffrontsensor. Beeldvormingsexperimenten op synthetische monsters toonden aan dat het nieuwe AO-systeem niet alleen het aberratiecorrectiebereik verdubbelt, maar verbetert ook de correctiekwaliteit aanzienlijk. Het werk toont aan dat meer geavanceerde aberratiecorrectieschema's, zoals multi-conjugaat adaptieve optica, net zo eenvoudig en met nieuwe en meer geavanceerde besturingsmethoden kunnen worden geïmplementeerd.