64.000 Spiegel für schärfere Mikroskopbilder
Biologisches Gewebe streut Licht und macht Mikroskopbilder unscharf. Forschende des Fraunhofer IPMS haben einen Chip mit Tausenden winzigen Spiegeln entwickelt, der solche Störungen ausgleichen soll.
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Dr. Maxim Darvin und Felix Bennewitz erforschen neuartige Mikrospiegel. Die Technik soll Störungen des Lichts ausgleichen und so schärfere Mikroskopbilder ermöglichen. © Sascha Thor, BTU
Je tiefer Forschende mit einem Mikroskop in Gewebe blicken, desto schwieriger wird es, Strukturen scharf zu erkennen. Denn das Gewebe lenkt das Licht ab und stört die Abbildung. Forschende am Cottbuser Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS haben einen neuen Spiegelchip entwickelt, der diese Störungen ausgleichen soll. Er könnte künftig schärfere Bilder aus tieferen Gewebeschichten ermöglichen.
64.000 Spiegel steuern das Licht
Beim Durchdringen von Gewebe wird Licht gestreut. Die Strahlen erreichen das Mikroskop nicht mehr wie vorgesehen, das Bild verliert an Schärfe. Besonders problematisch ist das bei lebendem Gewebe und bei tieferen Einblicken in Proben. Um solche Bildfehler auszugleichen, gibt es bereits eine Technik, die adaptive Optik heißt. Dabei wird das Licht gezielt verändert, damit am Ende wieder ein schärferes Bild entsteht. Bisher sind dafür häufig zusätzliche Sensoren oder komplizierte optische Systeme nötig.
"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.
Kern der neuen Technik ist ein Chip mit rund 64.000 beweglichen Spiegeln. Diese sind so klein, dass vier von ihnen nebeneinander auf die Dicke eines menschlichen Haares passen. Jeder Spiegel kann sich in 256 Stufen absenken. Durch die gezielte Einstellung der Spiegel gleicht der Chip Verzerrungen des Lichts aus. Bis zu 1.000-mal pro Sekunde lassen sich die Spiegel neu justieren.
Korrektur soll schneller werden
Die Forschenden haben die Technik bereits an verschiedenen biologischen Proben getestet. "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", sagt Darvin. Das Team schaffte es zudem, Laserlicht durch stark streuendes Material zu bündeln. Dadurch lassen sich auch Strukturen in tieferen Gewebeschichten mit höherer Bildqualität untersuchen.
Obwohl die Spiegel sich schnell verstellen, benötigt das System derzeit noch einige Minuten, um Bildverzerrungen vollständig zu bestimmen und zu korrigieren. Die Forschenden arbeiten daran, diesen Prozess zu beschleunigen. Künftig soll das nahezu in Echtzeit geschehen. Gelingt das, könnte die Technik die hochauflösende Mikroskopie schneller und einfacher machen. Langfristig könnte sie auch in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden.
Die Arbeiten sind Teil des Forschungsprojekts OASYS, das bis August 2028 läuft. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert es mit rund 12,5 Millionen Euro. Neben dem Fraunhofer IPMS sind die BTU Cottbus-Senftenberg, das Ferdinand-Braun-Institut FBH und das IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik beteiligt.
