(a) Schematisk layout av det utvecklade fluorescensmikroskopet som innehåller den nya AO-modulen som består av två kaskadkopplade DPP. (b) Detaljerad vy av tvärsnittet av kaskadkopplade DPP. Den första DPP är optimerad för att korrigera låga spatiala frekvensaberrationer av ljus med stora amplituder, och den andra är optimerad för högfrekvenskorrigering (liknar bas-/diskantsystem i hi-fi-högtalare). (c) Experimentellt tagna bilder av fluorescerande mikropärlor med och utan aberrationskorrigering med den utvecklade AO-modulen. Kredit:SPIE
Mikroskopi är arbetshästen för samtida biovetenskaplig forskning, möjliggör morfologisk och kemisk inspektion av levande vävnad med ständigt ökande rumslig och tidsmässig upplösning. Även om moderna mikroskop är verkliga tekniska underverk, små avvikelser från idealiska bildförhållanden kommer fortfarande att leda till optiska aberrationer som snabbt försämrar bildkvaliteten. En oöverensstämmelse mellan provets brytningsindex och dess nedsänkningsmedium, avvikelser i tjockleken på provhållare eller täckglas, effekterna av åldrande på instrumentet — sådana avvikelser kan visa sig i form av sfärisk aberration och fokuseringsfel. Också, speciellt för djupvävnadsavbildning, ett viktigt verktyg inom neurobiologi forskning, ett inhomogent brytningsindex för provet och dess komplexa ytform kan leda till ytterligare avvikelser av högre ordning.
Adaptiv optikmikroskopi
Adaptiv optik (AO), en bildkorrigeringsteknik som först användes i astronomiska teleskop för att kompensera effekterna av atmosfärisk turbulens, är den senaste metoden för att dynamiskt korrigera för prov- och systeminducerade aberrationer i ett mikroskopisystem. Ett typiskt AO-system har en aktiv, formskiftande optiskt element som kan reproducera inversen av vågfrontsfelet som finns i systemet. Vanligtvis i form av antingen en deformerbar spegel eller en rymdljusmodulator med flytande kristaller, begränsningarna för detta element definierar kvaliteten på den möjliga aberrationskorrigeringen och därmed den utbredda tillämpbarheten av AO-mikroskopi.
Som rapporterats i Avancerad fotonik , forskare från universitetet i Freiburg, Tyskland, har gjort ett betydande framsteg inom AO-mikroskopi genom demonstrationen av en ny AO-modul som består av två deformerbara fasplattor (DPP). I motsats till deformerbara speglar, DPP-systemet är en vågfrontsmodulator som arbetar i transmission, möjliggör direkt AO-integration med befintliga mikroskop. I denna AO-konfiguration, liknande hi-fidelity-högtalare med separata bas- och diskantenheter, en av de optiska modulatorerna är optimerad för låga spatiala frekvensaberrationer, medan den andra används för högfrekvent korrigering.
Kaskadkopplande optofluidfasmodulatorer för prestandaförbättring i refraktiv adaptiv optik. Kredit:SPIE
Kaskadmodulering
En stor utmaning för ett AO-system med flerfasmodulatorer är hur man placerar dem på optiskt ekvivalenta (konjugerade) positioner, ofta kräver flera extra optiska komponenter för att vidarebefordra bilden tills den når detektorn. Därför, att konfigurera även två modulatorer i ett AO-system är mycket utmanande. Eftersom DPPs är <1 mm i tjocklek, att kaskadkoppla två eller flera modulatorer inom acceptabel närhet blir väsentligt mer praktiskt. Freiburg-teamet utvecklade också en ny metod för att optimalt styra flerfasmodulatorer oavsett deras individuella specifikationer, potentiellt möjliggör kaskadkoppling av många fler enheter för ökad räckvidd och trohet.
För att demonstrera dess prestanda, teamet integrerade sitt nya AO-system i ett specialbyggt fluorescensmikroskop, där provinducerade aberrationer iterativt uppskattas utan en vågfrontssensor. Avbildningsexperiment på syntetiska prover visade att det nya AO-systemet inte bara fördubblar aberrationskorrigeringsintervallet, men förbättrar också korrigeringskvaliteten avsevärt. Arbetet visar att mer avancerade system för aberrationskorrigering, såsom multikonjugat adaptiv optik, kan implementeras lika enkelt och med nya och mer avancerade styrmetoder.
