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Bildinversionsmikroskopie


Auflösungssteigerung mit Hilfe eines bildinvertierenden Interferometers

In der modernen Medizin und Biologie sind hochauflösende Mikroskope wichtige Hilfsmittel für Forschung und Diagnostik. Bei biologischen Objekten ist die in vivo Beobachtung oft von besonderem Interesse. Elektronenmikroskopische Methoden sowie UV-Strahlung eignen sich aufgrund der hochenergetischen Teilchenstrahlung bzw. der notwendigen Präparataufbereitung nicht zur Untersuchung lebender Zellen.


Von Sandeau et al. wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem mit Hilfe einer Bildinversion das laterale Auflösungsvermögen von 4Pi-Mikroskopen verbessert werden kann [1]. Das Funktionsprinzip konnte später von Wicker und Heintzmann auf konfokale Fluoreszenzmikroskope übertragen werden [2]. Dabei wird die räumliche Inkohärenz des emittierten Fluoreszenzlichtes ausgenutzt um das Auflösungsvermögen und den Bildkontrast zu verbessern. Hierfür wird das Bild am Ausgang des Mirkoskops mit einer räumlich invertierten Kopie überlagert. Aufgrund der räumlichen Inkohärenz des Lichtes können nur in einem sehr kleinen Bereich um die Inversionsachse Interferenzen beobachtet werden. Dieser ist jedoch kleiner als das Punktbild des Mikroskops, weswegen man durch die Auswertung dieser Interferenzstrukturen das laterale Auflösungsvermögen steigern kann. Da so nur Informationen von einem Punkt auf der Inversionsachse gewonnen werden können, muss das Objekt Punkt für Punkt gescannt werden. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig ein Nachteil, da es sich bei vielen modernen Mikroskopieverfahren um scannende Techniken handelt.


Am IAO wird an der praktischen Umsetzung dieses lange ausschließlich theoretisch beschriebenen Verfahrens gearbeitet. Neben der Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Messung der interferometrischen Punktbildverwaschungsfunktion [3] konnten wir in einem ersten Schritt das Auflösungsvermögen eines optischen Rastermikroskops um 12% verbessern [4]. Durch die Optimierung des Versuchsaufbaus war es daraufhin möglich eine Auflösungssteigerung von ca. 26% zu erreichen [5]. Neben einzelnen Punktobjekten konnten mit diesem neuartigen Verfahren von uns erstmals praxisnahe 2D-Strukturen aufgenommen werden, darunter beispielsweise Cluster von Polystyrolkügelchen (Abb. 2).


Zur Zeit wird das bildinvertierende Interferometer überarbeitet und neu aufgebaut (Verweis auf stud. Arbeiten). Im fertigen Ausbaustadium könnte so eine maximale Auflösungssteigerung von ca. 32% erreicht werden.



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Abbildung 1: Zwei Lichtpunkte im Abstand von 2,50 µm. Während die Punktquellen mit dem herkömmlichen Mikroskop nicht mehr aufgelöst werden können (schwarz), sind sie interferometrisch dargestellt (rot) noch deutlich zu erkennen.

 

 


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Abbildung 2:
Aufnahme von Polystyrolkügelchen. Während die innere Struktur der Cluster mit dem herkömmlichen Mikroskop nicht mehr aufgelöst werden kann (links), sind interferometrisch deutlich mehr Details erkennbar (rechts).

  

  

  

 

Literatur

[1] N. Sandeau and H. Giovannini, "Increasing the lateral resolution of 4pi fluorescence microscopes," J. Opt. Soc. Am. A 23, 1089-1095 (2006)

[2] K. Wicker and R. Heintzmann, "Interferometric resolution improvement for confocal microscopes," Opt. Express 15, 12206-12216 (2007)

[3] D. Weigel, H. Babovsky, A. Kiessling, and R. Kowarschik, "Investigation of the impulse response of an image inversion interferometer ," Opt. Commun. 283, 368-372 (2010)

[4] D. Weigel, H. Babovsky, A. Kiessling, and R. Kowarschik, "Investigation of the resolution ability of an image inversion interferometer," Opt. Commun. 284, 2273-2277 (2011)

[5] D. Weigel, R. Foerster, H. Babovsky, A. Kiessling, and R. Kowarschik, "Enhanced resolution of microscopic objects by image inversion interferometry," Opt. Express 19, 26451-26462 (2011)

 

Ansprechpartner:

Dr. Holger Babovsky
Telefon: +49 3641 947660
E-Mail: