Adaptive Optik und intelligente Spiegeltechnologie verbessern hochauflösende Mikroskopie

Ein mikromechanisches Spiegelarray mit rund 64.000 Mikrospiegeln korrigiert optische Verzerrungen und ermöglicht dadurch schärfere und kontrastreichere Aufnahmen von biologischem Gewebe. Perspektivisch könnten sowohl Grundlagenforschung als auch die medizinische Diagnostik profitieren.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Cottbus 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 – eine wichtige Voraussetzung für die biomedizinische Forschung und zukünftige Anwendungen in der medizinischen Diagnostik.

Adaptive Optik gleicht Verzerrungen aus

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.

Tausende Mikrospiegel sorgen für Flexibilität

Herzstück der Entwicklung ist ein Chip mit rund 64.000 beweglichen Mikrospiegeln. Jeder einzelne Spiegel ist nur 16 Mikrometer groß. 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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