Pourquoi faire tourner un microscope confocal améliore sa résolution

Le microscope optique est un outil de base des scientifiques. D’après le modèle ondulatoire de la lumière, sa résolution est limitée à quelques centaines de nanomètres, c’est la limite de diffraction. Les méthodes dites de « super-résolution » développées ces dernières années ont permis de repousser cette limite à quelques nanomètres, mais sont basées sur l’utilisation de molécules fluorescentes potentiellement toxiques, ce qui limite leurs applications.

Dans un article récent, des chercheurs de l’Institut Langevin ont récemment proposé une méthode originale de super-résolution, uniquement basée sur la physique des ondes. L’idée de départ est que l’image formée par un dispositif d’imagerie, ici un microscope, dépend du dispositif lui-même certes, mais aussi de la façon dont est éclairé l’objet observé. Au lieu d’une illumination constante dirigée selon l’axe optique, ils ont imaginé une illumination par une source tournante autour de l’axe optique. Par effet Doppler, cette illumination tournante singularise l’axe optique : seul un diffuseur ponctuel sur l’axe renvoie une onde monochromatique puisque la distance entre la source et ce diffuseur est constante. A contrario, un diffuseur excentré renvoie un signal modulé en fréquence car, dans ce cas, la source s’éloigne et se rapproche périodiquement de l’émetteur.


Figure : (a) Equivalent acoustique d’un microscope confocal avec une pupille circulaire. Grâce à ce dispositif on peut éclairer l’objet dans le plan focal avec tous les haut-parleurs comme pour un microscope plein champ ou simuler la rotation d’une source de lumière.
(b) Avec une illumination par une source tournante on collecte plus d’information sur l’objet par rapport à une illumination constante. Par exemple, au lieu d’obtenir une image unique d’un point on obtient plusieurs images qui possèdent en plus une phase.

Ce concept a été mis en œuvre sur une expérience d’imagerie acoustique qui offre plus de flexibilité (figure (a)) qu’une expérience optique. En utilisant une telle source sonore tournante, au lieu d’obtenir une seule image de l’objet en imagerie classique, on collecte des données spatio-temporelles sur l’objet. Ces données sont plus riches en informations sur l’objet qu’une image classique, avec une procédure mathématique simple on condense toute ces informations en plusieurs images du même objet. Sur ces nouvelles images, le mouvement de rotation se traduit par la création de vortex de phase. En faisant l’image d’un point, on s’aperçoit que la résolution de ce système est déjà meilleure que l’imagerie classique (figure (b)).
En exploitant au maximum ces nouvelles informations, on obtient finalement une image finale de l’objet avec une résolution encore meilleure.
Cette méthode peut certes s’appliquer à la microscopie mais également à d’autres domaines de l’imagerie comme l’échographie ou encore à la télécommunication.

Référence :
Superresolved Imaging Based on Spatiotemporal Wave-Front Shaping
G. Noetinger, S. Métais, G. Lerosey, M. Fink, S. M. Popoff, and F. Lemoult
Phys. Rev. Applied 19, 024032 (2023)

Contact :

Fabrice LEMOULT
Tél. : 01 80 96 30 50
Fabrice.Lemoult (arobase) espci.psl.eu
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