Les chercheurs ont développé un nouveau type de microscope qui peut acquérir des images extrêmement grandes et haute résolution d'objets non-plateaux dans un seul instantané. Cette innovation pourrait accélérer la recherche et le diagnostic médical ou être utile dans les applications d'inspection de qualité.
« Bien que les microscopes traditionnels supposent que l'échantillon est parfaitement plat, des échantillons réels tels que des sections de tissu, des échantillons de plantes ou des matériaux flexibles peuvent être incurvés, inclinés ou inégaux », a déclaré le chef de l'équipe de recherche Roarke Horstmeyer de l'Université Duke.
« Avec notre approche, il est possible d'ajuster l'orientation à travers l'échantillon, de sorte que tout reste au foyer même si la surface de l'échantillon n'est pas stable, tout en évitant la numérisation lente ou les lentilles spéciales coûteuses. »
Dans le journal Lettres d'optiqueles chercheurs montrent que le microscope, qu'ils appellent le panorama, peuvent capturer les détails submicroniques – 1/60 à 1/120 le diamètre d'un cheveux humains – acroser une zone à peu près de la taille d'un dime américain sans déplacer l'échantillon. Il produit une image détaillée à l'échelle des gigapixels, qui a 10 à 50 fois plus de pixels que l'image moyenne de la caméra pour smartphone.
« Cet outil peut être utilisé partout où une imagerie détaillée est nécessaire. Par exemple, en pathologie médicale, elle pourrait scanner des lames de tissus entières, telles que celles d'une biopsie, à la résolution cellulaire presque instantanément », a déclaré Haitao Chen, un doctorant du laboratoire de Horstmeyer.
« Dans la science des matériaux ou l'inspection industrielle, il pourrait rapidement inspecter les grandes surfaces telles qu'une plaquette de puce dans les détails. »
Clarté à grande échelle
Les microscopes conventionnels ont presque toujours un compromis entre l'imagerie d'une petite zone avec des détails élevés ou une grande zone en détail. La production d'images de gigapixels à haute résolution nécessite généralement une optique complexe ou la tâche longue du balayage des tuiles d'un échantillon.
De plus, les échantillons réels sont rarement parfaitement plats à travers une vue à l'échelle des centimètres, ce qui nécessite généralement une numérisation mécanique de l'échantillon de haut en bas pour garder les différentes pièces au point, ralentissant davantage le processus d'imagerie.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont créé ce qui peut être considéré comme un système à caméra multiple qui agit comme un seul microscope géant. Le microscope combine une lentille télécentrique développée à l'origine pour la fabrication de puces avec une grande lentille de tube qui projette une image de l'échantillon sur un tableau plat de 48 petites caméras, chacune imaginant une partie de la scène ou de l'échantillon.
Étant donné que chaque caméra peut être concentrée indépendamment pour correspondre à la surface de l'échantillon, tout le champ de vision reste tranchant même si l'échantillon est incurvé. Cela élimine le besoin de numérisation, qui peut prendre jusqu'à une heure. Les images de chaque appareil photo sont automatiquement cousues dans une image continue à l'aide du logiciel, un processus qui prend environ cinq à 10 minutes.
« L'objectif télécentrique permet d'imaginer un champ très large sans distorsion, tandis que l'approche multi-caméra surmonte la limite de taille et de résolution habituelle d'un seul capteur », a déclaré Chen. « Cette combinaison nous permet d'acquérir une image en gigapixel sans couture en un seul instantané, aplatissant toute courbure de manière adaptative. »
Un coup, un détail élevé
Les chercheurs ont testé le nouveau microscope en imaginant une diapositive préparée de tissu cérébral de rat sous illumination de champ vif, qui utilise la lumière blanche pour révéler la structure des tissus. Sans aucune numérisation, le réseau de caméras 48 a capturé toute la tranche – une image de 630 MP – dans un instantané. L'image résultante a clairement montré des structures cellulaires mesurant aussi petites que 0,84 µm, ainsi que les neurones et les dendrites à travers l'échantillon.
Ils ont également utilisé le microscope pour acquérir simultanément un champ vif et une image de fluorescence de la peau d'oignon posée sur une surface légèrement incurvée. Lorsqu'ils ont concentré chaque appareil photo sur la courbure locale, la couche incurvée entière est restée tranchante. Les images de champ brillant ont révélé des parois cellulaires nettes, tandis que les images de fluorescence ont clairement montré des noyaux colorés.
« En termes pratiques, nous avons vu un énorme saut dans le débit et la flexibilité: plus de pièces mobiles, pas de piment fastidieux et pas d'angle aveugle entre les caméras », a déclaré Horstmeyer.
« Par rapport aux microscopes multi-caméras plus anciens qui nécessitaient une numérisation pour combler les lacunes et maintenir la concentration, notre approche donne une couverture complète continue à la résolution du submicron. »
Les chercheurs s'efforcent maintenant d'améliorer le microscope en ajoutant plus de caméras ou de capteurs plus grands pour capturer un champ encore plus grand – comme une boîte de Pétri entière – dans un seul coup.
Ils développent également un système de mise au point automatisé, de sorte que chaque appareil photo n'a plus à être ajusté manuellement pour chaque échantillon. Les avancées informatiques pourraient également permettre des reconstructions 3D, des cartes de profondeur en temps réel ou une vidéo en direct des processus microscopiques.
