Dépasser la limite de résolution optique

Lors d’une mesure avec de la lumière, l’étendue latérale des structures qui peut être résolue par un système d’imagerie optique est fondamentalement limitée par la diffraction. Le dépassement de cette limitation est un sujet de grand intérêt dans les recherches récentes, et plusieurs approches ont été publiées dans ce domaine.

Dans une étude récente publiée dans le Journal des microsystèmes optiquesune équipe de chercheurs de l’Université de Kassel en Allemagne présente une approche qui utilise des microsphères placées directement sur la surface de l’objet pour étendre les limites des mesures de topographie interférométrique pour la résolution optique de petites structures.

L’imagerie en dessous de la limite de résolution est souvent obtenue avec des systèmes qui utilisent un marquage de sonde, comme la microscopie à fluorescence, qui nécessite la préparation de l’échantillon. D’autres systèmes, tels que les microscopes à force atomique, peuvent fournir une résolution latérale 20 fois meilleure que les systèmes optiques à diffraction limitée. Cependant, ils reposent sur des principes de mesure tactiles qui peuvent être inadaptés à certaines applications, notamment en bio-imagerie. Par conséquent, l’assistance des microsphères peut fournir une solution pour une imagerie rapide et sans étiquette en dessous de la limite de diffraction.

Une configuration d’interféromètre Linnik comprenant deux objectifs de microscope à haute résolution fournit des mesures topographiques rapides et sans contact de structures fines. La réalisation d’un balayage en profondeur permet d’acquérir des informations de phase qui peuvent être utilisées pour reconstruire la topographie de surface. Avec une microsphère supplémentaire dans le chemin d’imagerie, la limite de diffraction physique de ce système est étendue.

Bien que des études expérimentales aient montré des résultats prometteurs, les explications théoriques tenant compte des mécanismes d’imagerie pertinents permettant l’amélioration de la résolution restaient floues jusqu’à présent. Les mécanismes pertinents ont été examinés au moyen d’analyses dans le domaine des fréquences spatiales 3D ainsi que par comparaison avec des simulations rigoureuses et des calculs de lancer de rayons.

Des investigations dans le domaine de Fourier donnent les fréquences spatiales transmises par la microsphère dans le champ lointain et obtenues par l’objectif du microscope. En combinaison avec les simulations rigoureuses du champ proche résultant, cela permet une simulation complète du processus d’imagerie avec des microsphères, et ainsi, des investigations approfondies peuvent être effectuées.

De plus, le lancer de rayons permet d’étudier la propagation des rayons lumineux individuels à l’intérieur de la microsphère et, par conséquent, contribue à une meilleure compréhension des principaux effets physiques.

« Dans les recherches récentes ainsi que dans les applications industrielles, il existe un besoin de systèmes de mesure rapides en dessous de la limite de résolution physique qui ne nécessitent pas une préparation approfondie des échantillons. La microscopie interférentielle assistée par microsphère permet de telles mesures de surface topographiques optiques, et ce travail contribue à un une meilleure compréhension des mécanismes physiques sous-jacents », a déclaré Lucie Hüser, auteur principal de l’article.

Les découvertes des chercheurs fournissent des outils utiles pour une meilleure compréhension de l’interférométrie assistée par microsphère, qui peuvent être utilisés pour élargir les connaissances sur les mécanismes physiques de l’interférométrie assistée par microsphère. De plus, l’élargissement effectif de l’ouverture numérique du système incluant la microsphère et le champ de vision plutôt petit sous la microsphère est probablement le mécanisme le plus pertinent permettant des mesures topographiques en dessous de la limite de résolution.