Fraunhofer IPMS entwickelt Mikroskop-Spiegelarray für schärfere Gewebeaufnahmen

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat die Entwicklung eines mikroelektromechanischen Spiegelfelds angekündigt, das zur Korrektur optischer Aberrationen in der biomedizinischen Bildgebung entwickelt wurde. Die für die Integration in optische Mikroskopsysteme konzipierte, halbleiterbasierte Technologie für adaptive Optik zielt auf diagnostische Instrumente und die biologische Forschung ab, indem sie die Lichtstreuung innerhalb heterogener Zellproben reduziert.

Kompensation von Wellenfrontaberrationen in biologischen Proben
In der biologischen Mikroskopie verursachen Unterschiede des Brechungsindex innerhalb zellulärer Strukturen eine starke Lichtstreuung und Variationen des optischen Wegs. Diese Störungen führen zu Phasenaberrationen, die die optische Wellenfront beeinträchtigen und bei der Untersuchung tiefer Gewebeschichten die Fokusschärfe, den Kontrast und die Schärfentiefe reduzieren. Systeme mit adaptiver Optik überwinden diese Einschränkungen, indem sie ein kompensierendes Phasenprofil auf die verzerrte optische Wellenfront anwenden.

Herkömmliche Systeme mit adaptiver Optik trennen die Erfassung von Phasenfehlern von der Wellenfrontmodulation und benötigen dafür spezielle Sensoren, etwa Shack-Hartmann-Wellenfrontsensoren, in Kombination mit verformbaren Spiegeln oder räumlichen Lichtmodulatoren. Die von Fraunhofer IPMS entwickelte Architektur vereint die Erfassung von Aberrationen und die Wellenfrontkorrektur in einem einzigen Array. Dadurch entfallen zusätzliche optische Messpfade und die Systemausrichtung wird vereinfacht.

Mikromechanische Aktuatorarchitektur und Betriebsdaten
Der räumliche Lichtmodulator ist als Halbleiter-Mikrochip ausgeführt und integriert rund 64.000 einzeln ansteuerbare Piston-Mikrospiegel. Jedes reflektierende Element ist 16 Mikrometer breit. Die einzelnen Spiegel bewegen sich ausschließlich in einer Piston-Bewegung ohne Winkelverkippung und können dabei 256 diskrete Auslenkungsstufen einnehmen.

Der mikroelektromechanische Aktuator arbeitet mit Schaltfrequenzen von bis zu 1.000 Hertz und ermöglicht damit eine dynamische Phasenmodulation. Das Spiegelfeld bietet eine funktionale optische Antwort über einen Spektralbereich vom tiefen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot und arbeitet unabhängig vom Polarisationszustand des einfallenden Lichts. Bei der ersten Validierung konnte das System strukturelle Details in streuenden Medien, darunter Zellulosenetzwerke und Zellschichten der Hornhaut, erfolgreich auflösen und gleichzeitig die Einkopplung von Laserstrahlen in tiefe Probenbereiche verbessern. Die Zyklen für Identifikation und Korrektur benötigen derzeit aufgrund des Rechenaufwands der Algorithmen mehrere Minuten. Die weitere Optimierung konzentriert sich daher auf eine Phasenkorrektur in Echtzeit.




Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die in der ursprünglichen Produktankündigung nicht enthalten sind.

Adaptive Optik in der biowissenschaftlichen Mikroskopie wird hauptsächlich mit Spatial Light Modulators auf Basis von Liquid Crystal on Silicon (LCOS) oder mit Voice-Coil- bzw. piezoelektrisch angesteuerten verformbaren Spiegeln von Herstellern wie Boston Micromachines Corporation, Imagine Optic und Thorlabs umgesetzt.

MEMS-Spiegelarrays mit Piston-Bewegung unterscheiden sich in mehreren messbaren Betriebsparametern grundlegend von verformbaren Spiegeln mit durchgehender Membran und nematischen Flüssigkristallbauelementen:

Zeitliche Reaktion: Herkömmliche nematische LCOS-Spatial-Light-Modulatoren weisen Reaktionszeiten von 10 bis 50 Millisekunden auf, wodurch die Bildwiederholraten bei Raumtemperatur auf etwa 20 bis 100 Hertz begrenzt sind. Durchgehende verformbare Spiegel und elektrostatisch angesteuerte Piston-MEMS-Arrays erreichen hingegen Aktuatorbandbreiten zwischen 1 Kilohertz und mehreren zehn Kilohertz und ermöglichen dadurch die Kompensation dynamischer physiologischer Schwankungen.

Polarisation und chromatische Eigenschaften: Nematische Flüssigkristallbauelemente modulieren nur linear polarisiertes Licht entlang einer bestimmten Orientierung und erfordern daher polarisationsstabile Strahlengänge oder Doppel-Display-Anordnungen für unpolarisierte Signale. Metallische Piston-MEMS-Spiegelarrays modulieren die optische Phase durch eine mechanische physikalische Verschiebung (Weglängenänderung: ΔL = 2 × Δz). Dadurch ermöglichen sie eine breitbandige, polarisationsunabhängige Modulation über UV-, sichtbare und NIR-Spektralbereiche hinweg, ohne polarisationsabhängige Phasenverluste.

Phasenhub und Grenzen der Aktuation: Kommerzielle verformbare Spiegel von Anbietern wie Boston Micromachines bieten typischerweise mechanische Auslenkungen zwischen 1,5 und 5,5 Mikrometern und ermöglichen damit Phasenverschiebungen über mehrere Wellenlängen im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich. Mikrospiegelarrays, die ausschließlich für die Phasenmodulation ausgelegt sind, müssen eine ausreichende Auslenkung erreichen, um bei der vorgesehenen Betriebswellenlänge mindestens eine optische Phasenänderung von 2π zu ermöglichen und somit als effektive segmentierte Phasenmodulatoren zu funktionieren.

Bearbeitet von Natania Lyngdoh, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

www.ipms.fraunhofer.com