Umgehung von Auflösungsgrenzen: Fourier-Ptychographie-Mikroskopie

Zusammenfassung

Die Auflösung eines klassischen Mikroskop ist durch die numerische Apertur des Objektivs begrenzt. Je größer die numerische Apertur ist, desto höher ist die erreichbare Auflösung. Das hat jedoch oft Nachteile. Sowohl das Sichtfeld als auch der Arbeitsabstand wird kleiner, die Tiefenschärfe nimmt ab und die optischen Komponenten werden teurer und anspruchsvoller. Bei der Fourier-Ptychographie nutzt man stattdessen viele Messungen, die jeweils nur einen Teil der Objektinformation enthalten. Jede Aufnahme entsteht bei einer anderen Beleuchtungsrichtung. Dadurch verschiebt sich der erfasste Ausschnitt des Objekt-Spektrums im Fourier-Raum. Wenn man alle Aufnahmen gemeinsam auswertet, ergibt sich eine synthetisch vergrößerte Apertur. Das führt zu einer höheren effektiven Auflösung, ohne dass das Sichtfeld im selben Maß kleiner werden muss.

Ziel des Projekts ist der Aufbau eines solchen “computationalen” Mikroskops, das durch Mehrfachmessungen mit variierter Beleuchtungsgeometrie und Fourier-Ptychographie eine synthetisch vergrößerte Apertur realisiert und daraus hochaufgelöste Bilder (Amplitude und Phase) rekonstruiert.

Ein eigenes Mikroskop wird für OpenLab zur Basisinfrastruktur, weil es schnelle und nicht destruktive Sicht auf Mikrostrukturen liefert. In Projekten zu integrierten Schaltungen ist das zentral für Inspektion und Fehlersuche, etwa nach einzelnen Lithographieschritten.

In der Zellbiologie ist zusätzlich die Phaseninformation wertvoll. Viele Zellen sind nahezu transparent, sodass reine Intensitätsbilder oft wenig Kontrast liefern. Phasenbilder machen Unterschiede in optischer Weglänge sichtbar und damit indirekt Struktur, Dicke und Brechungsindexvariationen. Das ermöglicht Beobachtung und quantitative Auswertung, etwa bei Wachstum, Morphologieänderungen oder Dynamik in lebenden Proben.

Ein solches computationales Mikroskop passt gut zu OpenLabs, weil es Optik, Mechanik, Elektronik und Software verbindet und als Plattform dient. Viele studentische Projekte können darauf aufbauen, statt jedes Mal bei null zu beginnen. Das Projekt profitiert stark von anderen OpenLabs-Vorhaben, besonders von der motorisierten XYZ-Mikrometer-Stage. Sie ermöglicht kontrollierte Z-Scans für Defokuskorrektur und erlaubt automatisierte XY-Scans für großflächige Mosaike, etwa bei Chip-Inspektion oder Zell-Analysen.

Komplexität
★★★★☆ (4/5)

Kosten
★★★☆☆ (3/5)

Learnings

  • Optik, Fourier-Optik, Elektronik
  • Mechanik/Vibrationsisolierung
  • Steuerungselektronik: Design und Programmierung
  • Programmierung grafischer Benutzeroberflächen

Materialliste

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