(A) En sten som faller i en damm ger fulla cirkulära vågor som är centrerade på slagpunkten, och dessa vågor skulle sprida sig tillbaka till samma punkt om tiden kunde vändas. Med hjälp av detta tidsomvändningsargument, om man genererar tillbaka förökande cirkulära vågor från en begränsad båge, de kommer inte nödvändigtvis att fokusera i centrum. (B) Representation av hur diffraktionseffekter konkurrerar med fokusering för en stråle av olika initialstorlek, det är en annan bländare. Går från vänster till höger på x-axeln, ingångsstrålens storlek (bländarstorlek, orange linje) ökar. För en stor balk, fokus är starkt, som leder till ett litet tvärsnitt i brännplanet (blå linje). Om bländaren minskar, en kritisk situation uppnås (streckad linje). Vid den kritiska punkt där de två linjerna korsas, fokusering och diffraktionseffekter är lika, och energi (röd) fokuseras bäst mellan linsen och det inledande fokalplanet, vilket innebär att det effektiva fokalplanet har förskjutits mot linsen. Extremt små bländare motsvarar en punktkälla och ger diffraktion utan att fokusera. Kredit:Institute for Basic Science
Forskare har upptäckt en ny egenskap för vågutbredning som leder till ett nytt sätt att förbättra upplösningen av praktiskt taget all optisk teknik, inklusive mikroskoplinser, telekommunikation, laserbaserad litografi, biologisk och astronomisk avbildning. Alla dessa system överför information och energi genom vågutbredning. Forskare vid Institute for Basic Science har upptäckt att om ljus passerar genom asymmetriska öppningar, astigmatism uppstår och kan försämra bildupplösningen. Efter att ha identifierat detta tidigare misstänkta problem, forskarna visade hur man åtgärdar det.
Medan du läser, ögonlinsen fokuserar ljuset mot ögats baksida. Dock, om linsens horisontella och vertikala fokuseringseffekt är annorlunda, den här texten visas suddig:Till exempel, de vertikala och horisontella linjerna som bildar bokstaven "T" kommer inte att fokuseras tillsammans. För att undvika denna fokuseringsfel, konstgjorda linser är optimalt utformade för att ändra formen på ljusvågfronterna från plana till perfekt sfäriska vågfronter, eftersom man tror att sfäriska vågfronter nödvändigtvis fokuserar på sitt unika krökningscentrum. Publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ), denna studie visar att forskare bör granska denna övertygelse på nytt och se över sina designstrategier.
Ett exempel på vågutbredning är cirkulära vågor som skapas av en sten som faller ner i en damm. Den exakta punkten där småstenen träffar vattnet avgör vågornas position och form. Om du kunde gå tillbaka i tiden, dessa cirkulära vågor skulle fokusera exakt på den första slagpunkten exakt, eftersom informationen om punktplatsen inte går förlorad under vågutbredning. Detta 2-D-exempel kan utvidgas till en 3D-situation där vågor är sfäriska och refokuserar exakt i mitten av sfären. Dock, I verkligheten, ljus fokuserar i allmänhet från ena sidan längs någon riktning och inte från alla riktningar, och den perfekta bilden av att fokusera från en hel cirkel eller en hel sfär är aldrig exakt relevant.
"En hel sfärisk våg är symmetrisk och har sitt fokus exakt i mitten av sfären. Men för att behålla denna sfäriska symmetri, ljus ska sprida sig från alla håll till provet. Och detta händer praktiskt taget aldrig. Vågfronter passerar genom en bländare som är begränsad till en del av en sfär, i stället för hela sfären. Följaktligen, sfärisk symmetri bryts och information går förlorad, "säger prof. Francois Amblard, motsvarande författare till studien. När det gäller dammen, detta skulle likna att gå tillbaka i tiden för att försöka fokusera om en begränsad vågbåge, i stället för de fullständiga cirkulära vågorna:Dessa bågvågor skulle inte nödvändigtvis konvergera på samma slagpunkt, eftersom information om centrumplatsen delvis går förlorad.
IBS -forskare ökade LTFM -upplösningen genom att återställa LTFM -strålens cirkulära symmetri. Bilder av en fluorescerande märkt mus lungskiva visar att den förbättrade LTFM uppnår en högre upplösning än PSM, ett resultat som aldrig nåtts tidigare. Kredit:Institute for Basic Science
IBS -teamet har bevisat att när bländaren blir mindre, fokus flyttas bakåt mot linsen, så att det inledande fokuset inte längre är i fokus. Som en konsekvens, om bländaren inte är lika i de vertikala och horisontella planen, fokusförskjutningar kommer att skilja sig åt mellan dessa riktningar, som leder till astigmatism. "Astigmatism kan uppstå även med det mest perfekta objektivet om det används med en icke-cirkulär bländare, "förklarar Kai Lou, första författaren till studien.
Teamet tillämpade idén för att förbättra en teknik som kallas line-temporal focus microscopy (LTFM, kallas även spatiotemporal fokusering), som använder en naturligt asymmetrisk ingångsstråle. Eftersom LTFM är en metod som används för att visualisera djupa biologiska strukturer, forskarna testade sin fokalskiftekorrigeringsstrategi med musens lungvävnader. En upplösning utan motstycke erhölls, som till och med överträffade en klassisk teknik som kallas punktscanningsmikroskopi (PSM).
Hur bidrar denna kunskap till förbättrad upplösning? Även om denna effekt är mycket liten och kan ignoreras för vanliga applikationer, korrigering för bländarinducerad astigmatism kan göra en signifikant skillnad i känsliga system som avancerad mikroskopi. Att förstå att astigmatism är inneboende i den brutna cirkulära symmetrin kan hjälpa till att designa korrigeringar anpassade till bländarformen, särskilt inom områden som astronomi, telekommunikation, eller med ultraljud, där icke-cirkulära bländare inte kan undvikas.
"I framtiden, vi planerar att tillämpa bländarinducerad astigmatism på ännu mer komplex informationsteknik, "sa Steve Granick, medkorrespondentförfattare till denna studie. "Dessutom, studien öppnar vägar för att i grunden förbättra utformningen av all utrustning som hanterar elektromagnetiska vågor, ultraljud, eller partiklar. Till exempel, det gäller också vågor, används med rymdantenner för att fokusera på satellit eller rymdskepp. Vi tror att det kan bidra till att designa bättre system för syntetisk mikroskopisk syn, telekommunikation, och till och med mikrovågsenheter. "
