A microscopia é o carro-chefe da pesquisa em ciências da vida contemporânea, permitindo a inspeção morfológica e química de tecidos vivos com resolução espacial e temporal cada vez maior. Mesmo que os microscópios modernos sejam verdadeiras maravilhas da engenharia, desvios mínimos das condições ideais de imagem ainda levarão a aberrações ópticas que degradam rapidamente a qualidade da imagem. Uma incompatibilidade entre os índices de refração da amostra e seu meio de imersão, desvios na espessura dos suportes de amostra ou vidros de cobertura, os efeitos do envelhecimento no instrumento - tais desvios podem se manifestar na forma de aberração esférica e erros de foco. Também, particularmente para imagens de tecidos profundos, uma ferramenta essencial na pesquisa em neurobiologia, um índice de refração não homogêneo da amostra e sua forma de superfície complexa podem levar a aberrações adicionais de ordem superior.

Microscopia óptica adaptativa

Óptica adaptativa (AO), uma técnica de correção de imagem usada pela primeira vez em telescópios astronômicos para compensar os efeitos da turbulência atmosférica, é o método mais moderno para corrigir de forma dinâmica as aberrações induzidas por amostra e sistema em um sistema de microscopia. Um sistema AO típico apresenta um ativo, elemento óptico de mudança de forma que pode reproduzir o inverso do erro de frente de onda presente no sistema. Normalmente assumindo a forma de um espelho deformável ou um modulador de luz espacial de cristal líquido, as limitações deste elemento definem a qualidade da correção de aberração alcançável e, portanto, a aplicabilidade generalizada da microscopia AO.

Conforme relatado em Fotônica Avançada , pesquisadores da Universidade de Freiburg, Alemanha, fizeram um avanço significativo na microscopia AO através da demonstração de um novo módulo AO composto por duas placas de fase deformáveis ​​(DPPs). Em contraste com os espelhos deformáveis, o sistema DPP é um modulador de frente de onda operando em transmissão, permitindo integração direta AO com microscópios existentes. Nesta configuração AO, semelhantes a alto-falantes de alta fidelidade com unidades de woofer e tweeter separadas, um dos moduladores ópticos é otimizado para aberrações de baixa frequência espacial, enquanto o segundo é usado para correção de alta frequência.

Modulação em cascata

Um grande desafio para um sistema AO com vários moduladores de fase é como colocá-los em posições opticamente equivalentes (conjugadas), frequentemente exigindo vários componentes ópticos adicionais para retransmitir a imagem até que ela alcance o detector. Portanto, configurar até mesmo dois moduladores em um sistema AO é muito desafiador. Uma vez que os DPPs são <1 mm de espessura, cascatear dois ou mais moduladores dentro de uma proximidade aceitável torna-se substancialmente mais prático. A equipe de Freiburg também desenvolveu um novo método para controlar de forma otimizada vários moduladores de fase, independentemente de suas especificações individuais, potencialmente permitindo o cascateamento de muitos mais dispositivos para maior alcance e fidelidade.

Para demonstrar seu desempenho, a equipe integrou seu novo sistema AO em um microscópio de fluorescência customizado, onde as aberrações induzidas por amostra são estimadas iterativamente sem um sensor de frente de onda. Experimentos de imagem em amostras sintéticas demonstraram que o novo sistema AO não apenas dobra a faixa de correção de aberração, mas também melhora muito a qualidade da correção. O trabalho demonstra que esquemas de correção de aberração mais avançados, como óptica adaptativa multiconjugada, pode ser implementado tão facilmente e com métodos de controle novos e mais avançados.