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Intelligente Spiegeltechnologie Adaptive Optik: bessere Korrektur optischer Verzerrungen

Von Fraunhofer IPMS 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme
Sick AG
FAULHABER SA

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat eine neue Technologie entwickelt, mit der sich die Bildqualität optischer Mikroskope deutlich verbessern lässt. Ein speziell entwickeltes mikromechanisches Spiegelarray korrigiert optische Verzerrungen, die beim Blick in biologisches Gewebe entstehen. Dadurch werden selbst feine Strukturen schärfer sichtbar.

Dr. Maxim Darvin und Felix Bennewitz erforschen am Fraunhofer IPMS in Cottbus neuartige Mikrospiegel für eine schärfere Auflösung von Mikroskopen.(Bild: Sascha Thor,BTU)
Dr. Maxim Darvin und Felix Bennewitz erforschen am Fraunhofer IPMS in Cottbus neuartige Mikrospiegel für eine schärfere Auflösung von Mikroskopen.
(Bild: Sascha Thor,BTU)

Eine der grössten Herausforderungen bei der Mikroskopie ist die Lichtstreuung, denn biologisches Gewebe verzerrt Licht auf seinem Weg durch die Probe. Die Folge sind unscharfe Bilder und eine begrenzte Eindringtiefe. Besonders bei lebenden Proben erschwert dies eine hochauflösende Untersuchung. Um diese Verzerrungen auszugleichen, kommt die sogenannte adaptive Optik zum Einsatz. Sie verändert gezielt die Wellenfrontform des Lichts und kann dadurch Bildfehler korrigieren. Bisher waren dafür jedoch häufig zusätzliche Sensoren oder aufwendige optische Systeme erforderlich.

«Bisher mussten Mikroskope die Bildfehler zunächst messen und anschliessend korrigieren. Unser neues Spiegelarray übernimmt beides gleichzeitig – das spart Zeit und vereinfacht den gesamten Aufbau» erklärt Dr. Maxim Darvin, Projektleiter am Fraunhofer IPMS.

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Bewegliche Mikrospiegel auf dem Chip

Herzstück der Entwicklung ist ein Chip mit rund 64 000 beweglichen Mikrospiegeln. Jeder einzelne Spiegel ist nur 16 Mikrometer gross – auf die Dicke eines menschlichen Haares passen also etwa vier solcher Spiegel nebeneinander. Jeder einzelne davon lässt sich äusserst präzise in 256 verschiedene Senkspiegelpositionen einstellen, ohne dabei zu kippen, und passt seine Ausrichtung bis zu 1.000-mal pro Sekunde an. Dadurch kann das System optische Störungen nahezu ohne Verzögerung ausgleichen. Es eignet sich für Wellenlängen vom tiefen Ultraviolett bis in den nahen Infrarotbereich und ist unabhängig von der Polarisation des Lichts. Das macht es flexibel und für unterschiedliche Mikroskopieverfahren einsetzbar.

«Wir konnten die Leistungsfähigkeit unserer Entwicklung bereits an verschiedenen biologischen Proben demonstrieren, darunter Hornhautzellen und Zellulose. In allen Fällen lieferte unsere adaptive Optik sichtbar schärfere und kontrastreichere Aufnahmen. Ausserdem ist es uns gelungen, das Laserlicht gezielt durch stark streuende Materialien zu fokussieren. Dadurch lassen sich auch Strukturen in tieferen Gewebeschichten mit höherer Bildqualität untersuchen» so Darvin.

Aufgrund des Algorithmus benötigt das System derzeit noch wenige Minuten, um Bildverzerrungen vollständig zu bestimmen und zu korrigieren. Ziel der weiteren Entwicklung ist es, diese Prozesse künftig nahezu in Echtzeit durchzuführen. Damit kann die Technologie langfristig dazu beitragen, hochauflösende Mikroskopie schneller, einfacher und leistungsfähiger zu machen, sowohl in der biologischen Grundlagenforschung als auch in zukünftigen diagnostischen Anwendungen der Medizin.

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