Überwindung der optischen Auflösungsgrenze

Unterstützung durch Mikrokugeln ermöglicht interferometrische Topografiemessungen

03.11.2022 - USA

Bei der Messung mit Licht ist die laterale Ausdehnung der Strukturen, die von einem optischen Abbildungssystem aufgelöst werden können, grundsätzlich beugungsbegrenzt. Die Überwindung dieser Beschränkung ist ein Thema von großem Interesse in der jüngsten Forschung, und es wurden mehrere Ansätze in diesem Bereich veröffentlicht. In einer kürzlich im Journal of Optical Microsystems veröffentlichten Studie stellt ein Forscherteam der Universität Kassel in Deutschland einen Ansatz vor, bei dem Mikrokugeln direkt auf der Oberfläche des Objekts platziert werden, um die Grenzen der interferometrischen Topografiemessungen für die optische Auflösung kleiner Strukturen zu erweitern.

Bildgebung unterhalb der Auflösungsgrenze wird häufig mit Systemen erreicht, die mit Sondenmarkierung arbeiten, wie z. B. die Fluoreszenzmikroskopie, die eine Präparation der Probe erfordert. Andere Systeme, wie z. B. Rasterkraftmikroskope, können eine 20-mal bessere laterale Auflösung liefern als beugungsbegrenzte optische Systeme. Sie beruhen jedoch auf taktilen Messprinzipien, die für bestimmte Anwendungen, insbesondere in der Biobildgebung, ungeeignet sein können. Daher kann die Unterstützung durch Mikrokügelchen eine Lösung für eine schnelle und markierungsfreie Bildgebung unterhalb der Beugungsgrenze bieten.

Ein Linnik-Interferometeraufbau mit zwei hochauflösenden Mikroskopobjektiven ermöglicht schnelle und berührungslose Topographiemessungen feiner Strukturen. Die Durchführung eines Tiefenscans ermöglicht die Erfassung von Phaseninformationen, die zur Rekonstruktion der Oberflächentopographie verwendet werden können. Mit einer zusätzlichen Mikrokugel im Abbildungspfad wird die physikalische Beugungsgrenze dieses Systems erweitert.

Obwohl experimentelle Studien vielversprechende Ergebnisse zeigten, blieben theoretische Erklärungen zu den relevanten Abbildungsmechanismen, die die verbesserte Auflösung ermöglichen, bisher unklar. Die relevanten Mechanismen wurden mit Hilfe von Analysen im 3D-Raumfrequenzbereich sowie durch Vergleich mit rigorosen Simulationen und Ray-Tracing-Berechnungen untersucht. Untersuchungen im Fourier-Bereich liefern die von der Mikrokugel in das Fernfeld übertragenen und vom Mikroskopobjektiv erfassten Ortsfrequenzen. In Kombination mit den rigorosen Simulationen des resultierenden Nahfeldes ermöglicht dies eine vollständige Simulation des Abbildungsprozesses mit Mikrokugeln, so dass umfangreiche Untersuchungen durchgeführt werden können. Darüber hinaus ermöglicht das Raytracing die Untersuchung der Ausbreitung einzelner Lichtstrahlen innerhalb der Mikrokugel und trägt damit zu einem besseren Verständnis der wesentlichen physikalischen Effekte bei.

"Sowohl in der aktuellen Forschung als auch bei industriellen Anwendungen besteht ein Bedarf an schnellen Messsystemen unterhalb der physikalischen Auflösungsgrenze, die keine aufwändige Probenvorbereitung erfordern. Die Mikrokugel-gestützte Interferenzmikroskopie ermöglicht solche optischen topographischen Oberflächenmessungen, und diese Arbeit trägt zu einem tieferen Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen bei", so Lucie Hüser, Hauptautorin der Arbeit.

Die Ergebnisse der Forscher liefern hilfreiche Werkzeuge für ein tieferes Verständnis der mikrokugelgestützten Interferometrie, die dazu genutzt werden können, das Wissen über die physikalischen Mechanismen der mikrokugelgestützten Interferometrie zu erweitern. Darüber hinaus ist die effektive Vergrößerung der numerischen Apertur des Systems einschließlich der Mikrokugel und des relativ kleinen Sichtfelds unter der Mikrokugel wahrscheinlich der wichtigste Mechanismus, der topografische Messungen unterhalb der Auflösungsgrenze ermöglicht.

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Originalveröffentlichung

Hüser et al., “Microsphere assistance in interference microscopy with high numerical aperture objective lenses,” J. Opt. Microsystems 2(4) 044501 2022.

https://www.chemie.de/news/1178316/ueberwindung-der-optischen-aufloesungsgrenze.html

Originalveröffentlichung

Hüser et al., “Microsphere assistance in interference microscopy with high numerical aperture objective lenses,” J. Opt. Microsystems 2(4) 044501 2022.

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