Programmable Microscopy using spatial light modulator based pupil manipulation (ProPupil)
Final Report Abstract
Gegenüber der ursprünglichen Planung wurden zwei weitere Aufbauten erstellt. Nicht erfolgreich waren die Versuche zur Dekonvolution, die letztlich keine befriedigende Ergebnisse erzielten, vermutlich aufgrund des unbefriedigenden Signal-Rausch-Verhältnisses der gewonnen Bilder. Aus Zeitgründen konnten hier keine weiteren ausführlichen Untersuchungen vorgenommen werden. Im Rahmen der Projektfortsetzung konnten die in den ersten beiden Projektjahren gestarteten Untersuchungen erfolgreich fortgeführt werden. Aufgrund der doch erheblichen Probleme des Experimentalaufbaus hinsichtlich der Lichteffizienz für Ramanmessungen war ein erheblicher zusätzlicher Aufwand notwendig. Die Arbeiten zur Aberrationskorrektur konnten sowohl abbildungsseitig als auch projektionsseitig auf feldabhängige Bildfehler erfolgreich erweitert werden. Die Vor- und Nachteile der programmierbaren Mikroskopie konnten im Projekt deutlich herausgearbeitet werden. Hierzu wurden verschiedene programmierbare Mikroskope erstellt sowie eine Vielzahl mikroskopischer Verfahren implementiert und untersucht. Neue Messmethodiken im Bereich des Phasenkontrasts, der Stereomikroskopie sowie der konfokalen Mikroskopie konnten untersucht werden. Abschließend soll die letztlich im Projekt gewonnene Einschätzung hinsichtlich der Vor- und Nachteile der untersuchten Verfahren nochmals zusammenfassend dargestellt werden: Aberrationskorrektur: Die Aberrationskorrektur funktioniert ohne Zweifel sehr gut. Auch mit preiswerten Optiken lassen sich – auch bei hoher numerischer Apertur - beugungsbegrenzte Abbildungsqualitäten erzielen. Feldabhängige Aberrationen lassen sich ebenfalls sehr gut korrigieren. Phasenkontrastverfahren: Auch bei der Abbildung von Phasenstrukturen kann die programmierbare Mikroskopie gegenüber konventionellen Systemen deutliche Vorteile verbuchen, denn eine Kombination verschiedener Techniken und eine optimale Parametrierung ist möglich. Stereomikroskopie: Das Verfahren funktioniert wie erwartet und kann in Auflicht eine interessante Alternative liefern. Hier wäre idealerweise zukünftig eine komplett automatisierte quantitative Auswertung wünschenswert. Spektroskopische Verfahren: Der prinzipielle Nachweis der Ramanmessung wurde zwar im Projekt erbracht, allerdings zeigte sich, dass der Einsatz beim Stand der Technik (deutliche Verluste bei der Lichtmodulation) nicht praktikabel erscheint. Insbesondere muss eine zusätzliche variable konfokale Blende mittels einem zusätzlichen Lichtmodulator verwendet werden (hoher Aufwand). Defokussierung/Dekonvolution: Die mechaniklose Defokussierung ist ohne Zweifel ein deutlicher Vorteil der programmierbaren Mikroskopie und hohe Reproduzierbarkeiten und sehr feine Defokussierungen werden ohne zusätzliche Hardware erzielt. Die Dekonvolution konnte – vermutlich aufgrund des geringen Signal- Rausch-Verhältnisses – in der zur Verfügung stehenden Zeit nicht sinnvoll demonstriert werden. Konfokale Mikroskopie: Hier besteht ein großes Potential für die programmierte Kontrolle einzelner Höhen auf technischen Objekten. Frei wählbare Positionen lassen sich parallelisiert vermessen und Messunsicherheiten im Sub-µm Bereich sind hierbei realisierbar. Besonders interessant ist die Möglichkeit der abbildungsseitigen Aufspaltung der Punkte in mehrere Punkte mit unterschiedlichem Defokus und Astigmatismus. Hierdurch lässt sich prinzipiell die Höhe von N Positionen mit nur einem Bild konfokal hochgenau bestimmen. Uns erscheint insbesondere diese neue konfokale Messmethodik eine interessante Variante für verschiedene industrielle Inspektionsaufgaben zu sein. Weitere Untersuchungen dieser Methodik werden daher in diesem Bereich fortgesetzt. Die im Projekt realisierte und untersuchte programmierbare Mikroskopie hat eine Reihe klarer Vorteile, insbesondere eben die Möglichkeit, 1) verschiedenste Mikroskopieverfahren ohne Änderung der Hardware zu realisieren und frei zu parametrieren, 2) die preiswerte Erzielung beugungsbegrenzter Abbildungen und Projektionen sowie 3) ein Betrieb ohne mechanische Verstellung (insbesondere Defokus). Die wesentlichen Nachteile der Methodik sind: 1) Das begrenzte Ortsbandbreitenprodukt (2 MPixel) der verwendeten Lichtmodulatoren in Verbindung mit der nichtidealen Modulationscharakteristik führt letztlich zu einer Begrenzung des Objektfelds. Im Projekt konnte die Begrenzung durch eine Mehrbildbelichtungstechnik mit digitaler Nachbearbeitung eliminiert werden. Allerdings bedeutet dieser Ansatz eben den Nachteil der Mehrfachaufnahme. 2) Die Methodik arbeitet nur mit quasi-monochromatischem Licht. Kohärenz ist nicht notwendig, aber chromatische Aberrationen limitieren den Einsatz auf einen engen Spektralbereich. Mit LEDs als Lichtquellen führt dies zu deutlichen Einschränkungen hinsichtlich der Lichteffizienz. 3) Die Lichteffizienz wird weiter durch die Lichtmodulatoren (Beugungseffizienz) vermindert. Diese Nachteile müssen beim Einsatz der programmierbaren Mikroskopie beachtet werden und es ist anwendungsabhängig zu entscheiden, ob die oben genannten Vorteile, die Nachteile jeweils überwiegen.
Publications
- „Vertical differential interference contrast'', Optical Engineering 51(2011), 013204
M. Warber, T. Haist, M. Hasler, W. Osten
- „Stereo vision in spatial-light-modulator based microscopy“, Optics Letters 37 (2012), 2238-2240
M. Hasler, T. Haist, W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.37.002238) - "Programmable microscopy" in Multi- Dimensional Imaging (Ed.: B. Javidi) (2014): 153-173
T. Haist, M. Baranek, M. Hasler, W. Osten
- "Holographic projection with field-dependent aberration correction", Optics Express 23 (2015): 5590-5595
T. Haist, A. Peter, W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.23.005590) - "Object field expansion in spatial light modulator-based phase contrast microscopy", Optical Engineering 54 (2015): 043107-043107
M. Hasler, T. Haist, W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1117/1.OE.54.4.043107)
