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Mikroskopie mit synthetischer Apertur


Digitale Holografie / Holografische InterferometrieMikroskopie mit synthetischer AperturHolografische 3D-Vermessung

Mikroskopie mit synthetischer Apertur

Das Prinzip der synthetischen Apertur wurde ursprünglich für flugzeug- und satellitengestützte RADAR-Systeme entwickelt. Aufgrund der begrenzten Apertur der Empfänger wird hier kein Bild aufgenommen, sondern aus großer Entfernung einzelne Teile des Fourierspektrums eines Objektes abgetastet. Aus den einzelnen Teilen kann dann das Fourierspektrum des Objektes wieder digital zusammengesetzt ("synthetisiert") werden. Mit Hilfe einer Fouriertransformation gewinnt man dann aus dem Fourierspektrum die Amplitude und Phase in der Objektebene. Es hier also wichtig, dass Amplitude und Phase gleichermaßen gemessen werden. Bei RADAR-Strahlung ist diese Messung aufgrund der relativ niedrigen Frequenzen (MHz-GHz) noch direkt möglich. Bei Licht im visuellen Spektralbereich benötigt man holografische Methoden. Es bieten sich verschiedene Verfahren an, das Prinzip der synthetischen Apertur in der Optik anzuwenden:

  • Vorbeibewegen eines Empfängers am Objekt
  • Vorbeibewegen des Objektes am Empfänger
  • Drehung/Kippung des Objektes
  • Verkippung der Beleuchtungswelle

Allen Verfahren ist gemeinsam, dass ein optischer Empfänger (Mikroskop, Kamera etc...) nacheinander unterschiedliche Ausschnitte des Fourierspektrums eines Objektes abtastet. Am IAO wird im Moment ein Mikroskop mit synthetischer Apertur entwickelt, das mit dem letztgenannten Prinzip der Verkippung der Beleuchtungswelle arbeitet. Ein wesentlicher Bestandteil der Forschungstätigkeit ist dabei die digitale Synthese des Fourierspektrums. Abbildung 1 zeigt die Grundauflösung des mikroskopischen Systems. Abbildung 2 illustriert das Auflösungsvermögen des Systems nach der Apertursynthese. Die zusammengesetzte synthetische Apertur ist in Abbildung 3 abgebildet, der rote Kreis markiert hier die Grundapertur des Systems. Das Auflösungsvermögen des Systems wurde hier mehr als verdoppelt [1].

In Zukunft sollen die Experimente mit synthetischer Apertur so weiterentwickelt werden, dass sie auch ohne abbildendes System funktionieren. Dies hat den Vorteil, dass technischer Aufwand und Kosten sinken und die Verfahren effektiver miniaturisiert werden können. Dies bringt allerdings auch eine kompliziertere rechnerische Auswertung mit sich, für die neue Auswertealgorithmen entwickelt werden müssen. Weitere Arbeiten sollen zu einer noch weiter vergrößerten synthetischen Apertur, sowie zu verbesserten numerischen Algorithmen führen.

[1] Bühl, J.; Babovsky, H.; Kiessling, A., and Kowarschik, R.:
"Digital synthesis of multiple off-axis holograms with overlapping Fourier spectra"
Optics Communications,2010, 283, 3631-3638

Abbildungen

holo_hanfried_low_klein
Abb. 1: Grundauflösung des Systems
(Zweipunktauflösung ca. 4,2 µm)

holo_hanfried_high_klein
Abb. 2: Nach der Apertursynthese von 5 Einzelnen-Aperturen hat sich das Auflösungsvermögen mehr als verdoppelt
(Zweipunktauflösung jetzt ca. 2,0 µm)

holo_spektrum_voll_klein
Abb. 3: Synthetisiertes Spektrum; der rote Kreis markiert die eigentliche Apertur des Systems


Ansprechpartner:

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