Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat eine neuartige Technologie zur signifikanten Optimierung der Bildqualität in der optischen Mikroskopie entwickelt. Ein speziell konzipiertes mikromechanisches Spiegelarray (MEMS) kompensiert optische Aberrationen, die bei der Penetration von biologischem Gewebe entstehen. Durch diese Wellenfrontkorrektur lassen sich subzelluläre Strukturen mit höherer Schärfe abbilden, was maßgebliche Fortschritte für die biomedizinische Forschung und die optische Diagnostik ermöglicht.
Kompensation von Lichtstreuung durch sensorlose Adaptive Optik
Die Lichtstreuung und Refraktionsindex-Inhomogenität in biologischem Gewebe stellen primäre Limitationen für die hochauflösende Gewebemikroskopie dar, da sie zu Phasensprüngen, Abbildungsfehlern und einer reduzierten Eindringtiefe führen. Mittels Adaptiver Optik (AO) wird die Wellenfront des Anregungs- bzw. Emissionslichts dynamisch moduliert, um diese Phasenfehler zu korrigieren. Herkömmliche AO-Systeme erfordern hierfür jedoch meist zusätzliche Wellenfrontsensoren (z. B. Shack-Hartmann-Sensoren) sowie komplexe optische Strahlengänge. „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.
Technische Spezifikationen und Dynamik des MEMS-Arrays
Kernstück der Systemarchitektur ist ein Silizium-Chip mit ca. 64.000 einzeln ansteuerbaren Mikrospiegeln. Bei einer Kantenlänge von jeweils 16 µm lässt sich jedes Bildelement rein translativ in 256 diskrete Hubpositionen auslenken. Die pisonische Ansteuerung erfolgt kippfrei mit einer Modulationsfrequenz von bis zu 1 kHz, was eine Phasenkorrektur in Echtzeit ermöglicht. Die reflektierende Oberfläche ist für ein breites Spektralband vom tiefen Ultraviolett (DUV) bis zum nahen Infrarotbereich (NIR) ausgelegt und arbeitet vollständig polarisationsunabhängig, was eine hohe Kompatibilität mit diversen Mikroskopieverfahren (z. B. Konfokal-, Multiphotonen- oder Fluoreszenz-Lebensdauermikroskopie) gewährleistet.
Experimentelle Validierung an biologischen Matrices
Die funktionale Leistungsfähigkeit des Moduls wurde an unterschiedlichen biologischen Präparaten und stark streuenden Probenmedien nachgewiesen. „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.
Perspektiven für die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung
Derzeit benötigt der iterative Korrekturalgorithmus noch wenige Minuten zur vollständigen Bestimmung und Kompensation komplexer Wellenfrontstörungen. Die laufende Weiterentwicklung fokussiert sich auf die Algorithmenoptimierung, um eine Phasenanpassung in Echtzeit zu realisieren. Langfristig bietet die MENS-basierte Adaptive Optik das Potenzial, hochauflösende Tiefengewebemikroskopie in der biologischen Grundlagenforschung und klinischen Analytik effizienter und zugänglicher zu gestalten.
Quelle
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS (09/2026)