Iso-microscopie

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... ou comment focaliser la lumière en une tâche sphérique en n’utilisant qu’une seule lentille

Un problème des techniques reposant sur la focalisation d’un rayon lumineux est que la tâche lumineuse obtenue est allongée dans la direction de l’axe optique, dont la forme rappelle celle d’un grain de riz. Cette anisotropie est due au fait que l’illumination n’est pas uniformément sphérique mais provient d’un seul côté du point de focalisation.

Les conséquences technologiques sont importantes. En microscopie, la résolution axiale est dégradée par rapport à la résolution transverse, ce qui compremet les applications en imagerie tridimensionnelle haute résolution.

Pour la même raison, dans le domaine du stockage de données, alors que les supports (CD, DVD, Blu-Ray) possèdent une grande densité d’information dans le plan du disque, les différentes couches sont empilées avec une faible densité.

Dans un article publié récemment [1], nous décrivons une méthode baptisée iso-microscopie permettant de focaliser la lumière en une tache sphérique et ainsi d’obtenir une résolution équivalente dans les trois directions de l’espace.

Une vidéo valant mieux qu’un long discours, le principe de la méthode d’iso-microscopie est décrit ci-dessous.

Cette vidéo peut être téléchargée ici 14 Mo).

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Figure 1 : Gauche : le microscope conventionnel forme une tâche de lumière allongée en forme de cigare, ce qui dégrade la résolution dans l’une des directions (la profondeur de l’échantillon). Droite : La nouvelle technique dite d’iso-microscopie (pour microscopie isotrope) permet de concentrer la lumière en une tâche sphérique garantissant une résolution identique dans les trois directions de l’espace.

Cette idée a été testée expérimentalement en enregistrant l’image tridimensionnelle de la tâche lumineuse obtenue . On observe sur la figure que, conformément aux prédictions théo-riques, l’iso-microscopie produit une tâche d’extension axiale fortement réduite.

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Figure 2 : Coupe axiale de la tâche de focalisation obtenue dans un microscope. Avec un microscope classique, la tâche de focalisation a une forme de grain de riz, allongée le long de l’axe optique (z) (image de gauche). En configuration d’iso-microscopie, la tâche lumineuse a une forme quasiment sphérique, et est encadrée de tâches secondaires d’intensité moindre. Les prédictions théoriques (image centrale) sont confirmées par l’expérience (image de droite).

Cette expérience montre qu’une mise en forme adéquate du faisceau lumineux et l’utilisation d’un miroir à la place de la lame de verre conventionnelle permettront d’améliorer considé-rablement la résolution axiale des microscopes optiques actuels. La technique d’iso-microscopie, protégée par un brevet [2], permet de s’affranchir ainsi d’une limitation fondamentale de la microscopie optique, ou plus généralement de la focalisation de la lumière. Elle a été récemment étendue au domaine de la microscopie biphotonique [4].

Références

[1] E. Mudry, E. Le Moal, P. Ferrand, P.C. Chaumet, A. Sentenac, "Isotropic diffraction-limited focusing using a single objective lens", Phys. Rev. Lett. 105, 203903 (2010) - PDF
[2] Patent pending
[3] E. Le Moal, E. Mudry, P. C. Chaumet, P. Ferrand, and A. Sentenac, "Isotropic Single Objective (ISO) microscopy : Theory and Experiment", J. Opt. Soc. Amer. A Vol. 28, pp.1586 (2011) - PDF
[4] E. Le Moal, E. Mudry, P. C. Chaumet, P. Ferrand, and A. Sentenac, "Two-photon fluorescence isotropic-single-objective microscopy", Opt. Lett. 37, 85 (2012) - PDF

Revue de presse


- "Les microscopes gagnent en relief", CNRS Le Journal, N°252-253, janvier-février 2011
- "Vers l’imagerie tridimensionnelle à haute résolution", Bulletin Electronique France (veille technologique internationale des ambassades de France à l’étranger), 4 jan 2011
- Sélection comme publication de la semaine par la plateforme Cell Observatory de l’université de Leiden, NL
- "La microscopie accède à la troisième dimension", quotidien régional La Marseillaise, 27 nov 2010
- "Mirror trick could boost Blu-ray discs" in NewScientist, 17 nov 2010
- "La microscopie accède à la troisième dimension" dans les actualités de l’INSIS du CNRS

Contact

Patrick Ferrand, E-mail

Chercheurs impliqués

Le projet iso-microscopie est mené conjointement par les équipes SEMO (théorie du renversement temporelle) et MOSAIC (développement expérimental).

- Patrick Ferrand
(MOSAIC)
- Anne Sentenac (SEMO)
- Eric Le Moal (MOSAIC/SEMO)
- Emeric Mudry (SEMO)