Aberrationskorrektur für Echtzeitmessungen in der adaptiven konfokalen Mikroskopie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske; Dr. Stefan Scholz; Professorin Dr.-Ing. Ulrike Wallrabe
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271021903

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem kollaborativen Projekt wurde ein voll-adaptives konfokales Mikroskop realisiert, welches durch die ausschließliche Nutzung von adaptiven optischen Elementen völlig ohne mechanisch bewegte Teile auskommt und simultan einen 3D Scan und eine Aberrationskorrektur ermöglicht. Dafür wurden zunächst neuartige adaptive Linsen mit asphärischer Aberrationskorrektur untersucht und für den axialen Scan eingesetzt. Es konnte anhand von In-vivo-Fluoreszenzmessungen im Zebrabärblingsembryo nachgewiesen werden, dass derartige Linsen gleichzeitig die Durchstimmung der Brennweite und die Korrektur von symmetrischen (sphärischen) und asymmetrischen (Astigmatismus und Koma)-probeninduzierten Aberrationen ermöglichen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde das beugungsbegrenzte Scannen auf drei Dimensionen erweitert. Dafür wurde ein biaxiales adaptives Prisma entwickelt, das ein laterales Scannen in Transmission ermöglicht. In Kombination mit einer adaptiven Linse wurde damit ein voll-adaptives Mikroskop realisiert. Um eine homogene Fokusqualität über einen großen dreidimensionalen Scanbereich zu erreichen, wurde ein telezentrisches F-Theta-Objektiv designt und implementiert. Mit Fluoreszenzmessungen an Zebrabärblingsembryonen wurde nachgewiesen, dass voll adaptives, hochaufgelöstes dreidimensionales Scanning möglich ist. Bei Fluoreszenzmessungen ist zu beachten, dass die Verwendung von mindestens 2 Wellenlängen die Notwendigkeit zur Adressierung chromatischer Aberrationen mit sich bringt. Aus diesem Grund wurde eine neue achromatische adaptive Linse implementiert und deren Funktionalität erfolgreich nachgewiesen. Eine der bedeutendsten Herausforderungen bei der Anwendung der adaptiven Elemente liegt in ihrer gezielten Ansteuerung. Dies wurde hauptsächlich durch einen Regelkreis realisiert, bei dem das Verhalten der adaptiven Elemente mithilfe digitaler Holographie gemessen und die Spannungen entsprechend geregelt wurden. Zum Ende des Projektes hin wurde erfolgreich auf Methoden des maschinellen Lernens als Alternative zur klassischen Regelungstechnik umgestellt, um den adaptiven Achromaten präzise anzusteuern. Zusammenfassend konnte dieses Projekt erfolgreich demonstrieren, dass adaptive optische Elemente einen signifikanten Beitrag zur dreidimensionalen hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie leisten können. Durch ihre Fähigkeit zu flexiblen Scans und gleichzeitiger Korrektur probeninduzierter Aberrationen ermöglichen sie einen bedeutenden Fortschritt in der Bildgebung. Die Integration von maschinellem Lernen eröffnet zudem vielversprechende Perspektiven für die Entwicklung intelligenter Mikroskope, das Projekt hat somit einen wichtigen Grundstein für diese Zukunftstechnologie gelegt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• High-contrast 3D image acquisition using HiLo microscopy with an electrically tunable lens. SPIE Proceedings, 9890, 98900A.
  Philipp, Katrin; Smolarski, André; Fischer, Andreas; Koukourakis, Nektarios; Stürmer, Moritz; Wallrabe, Ulricke & Czarske, Jürgen
  
• Topological in-plane polarized piezo actuation for compact adaptive lenses with aspherical correction, ACTUATOR 2016, 15th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, pp. 228-231 (2016)
  F. Lemke; M. Stürmer; U. Wallrabe & M.C. Wapler
  
• Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens. Optics Express, 24(13), 15029.
  Philipp, Katrin; Smolarski, André; Koukourakis, Nektarios; Fischer, Andreas; Stürmer, Moritz; Wallrabe, Ulrike & Czarske, Jürgen W.
  
• Adaptive lenses for axial scanning in HiLo microscopy. Optics in the Life Sciences Congress, BoTu1A.2.
  Koukourakis, Nektarios; Philipp, Katrin; Lemke, Florian; Stürmer, Moritz; Wapler, Matthias; Wallrabe, Ulrike & Czarske, Jürgen
  
• Spherical aberration correction of adaptive lenses. SPIE Proceedings, 10073, 1007303.
  Philipp, Katrin; Lemke, Florian; Wapler, Matthias C.; Wallrabe, Ulrike; Koukourakis, Nektarios & Czarske, Jürgen W.
  
• Structured illumination 3D microscopy using adaptive lenses and multimode fibers. SPIE Proceedings, 10335, 1033519.
  Czarske, Jürgen; Philipp, Katrin & Koukourakis, Nektarios
  
• “Adaptive hybrid illumination microscopy employing electrically tunable lenses with aberration correction”, 24th Congress of the International Commission for Optics in Tokyo, Japan, 21.08. - 25.08.2017
  K. Philipp; N Koukourakis; F. Lemke; M. Wapler; U. Wallrabe & Jürgen W. Czarske
  
• “Adaptive hybrid illumination microscopy for Zebrafish screening”, Speckle VII 2018, 10. - 12.9.2018, Janow Podlaski (PL)
  N. Koukourakis; K. Philipp; M. Stürmer; U. Wallrabe & J.W. Czarske
  
• “Characterization of adaptive lenses using partitioned aperture wavefront imaging“, European Optical Society Biennial Meeting (EOSAM) 2018, 8. – 12.10.2018, Delft, Netherlands
  W. Wang; K. Philipp; N. Koukourakis & J. Czarske
  
• Adaptive hybrid illumination microscopy for Zebrafish screening. Biophotonics Congress: Optics in the Life Sciences Congress 2019 (BODA,BRAIN,NTM,OMA,OMP), NT3C.2.
  Koukourakis, Nektarios & Czarske, Jürgen
  
• Axial scanning and spherical aberration correction in confocal microscopy employing an adaptive lens (Conference Presentation). Adaptive Optics and Wavefront Control for Biological Systems V, 13.
  Czarske, Jürgen W.; Lemke, Florian; Wapler, Matthias C.; Wallrabe, Ulricke; Koukourakis, Nektarios & Philipp, Katrin
  
• Axial scanning employing tunable lenses: Fourier optics based system design. OSA Continuum, 2(4), 1318.
  Philipp, Katrin & Czarske, Jürgen
  
• Diffraction-limited axial scanning in thick biological tissue with an aberration-correcting adaptive lens. Scientific Reports, 9(1).
  Philipp, Katrin; Lemke, Florian; Scholz, Stefan; Wallrabe, Ulrike; Wapler, Matthias C.; Koukourakis, Nektarios & Czarske, Jürgen W.
  
• Miniaturized piezo-actuated adaptive prism for biaxial optical scanning. 2019 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (OMN), 222-223.
  Lemke, Florian; Weber, Pascal M.; Wallrabe, Ulrike & Wapler, Matthias C.
  
• Multiphysics simulation of the aspherical deformation of piezo-glass membrane lenses including hysteresis, fabrication and nonlinear effects. Smart Materials and Structures, 28(5), 055024.
  Lemke, Florian; Frey, Yasmina; Bruno, Binal P.; Philipp, Katrin; Koukourakis, Nektarios; Czarske, Jürgen; Wallrabe, Ulrike & Wapler, Matthias C.
  
• Quantitative phase imaging for in-situ monitoring of adaptive lenses. Digital Holography and Three-Dimensional Imaging 2019, M4B.5.
  Koukourakis, Nektarios; Wang, Wenjie; Philipp, Katrin & Czarske, Jürgen
  
• Ultra-Fast and Compact Varifocal Lens. 2019 IEEE 32nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 938-941.
  Wapler, Matthias C & Wallrabe, Ulrike
  
• Piezo-actuated adaptive elements in scanning microscopy (Conference Presentation). Unconventional Optical Imaging II, 50.
  Wang, Wenjie; Koukourakis, Nektarios & Czarske, Jürgen W.
  
• Piezo-actuated adaptive prisms for continuously adjustable bi-axial scanning. Smart Materials and Structures, 29(9), 095004.
  Lemke, Florian; Weber, Pascal M.; Philipp, Katrin; Czarske, Jürgen W.; Koukourakis, Nektarios; Wallrabe, Ulrike & Wapler, Matthias C.
  
• Real-time monitoring of adaptive lenses with high tuning range and multiple degrees of freedom. Optics Letters, 45(2), 272.
  Wang, Wenjie; Philipp, Katrin; Koukourakis, Nektarios & Czarske, Jürgen W.
  
• 3D-scanning microscopy with adaptive lenses and prisms for zebrafish studies. Journal of Optical Microsystems, 1(02).
  Wang, Wenjie; Lemke, Florian; Wapler, Matthias C.; Wallrabe, Ulrike; Czarske, Jürgen W. & Koukourakis, Nektarios
  
• A One-Inch Aperture Piezoelectric Tunable Lens with Small Footprint. 2021 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers), 427-430.
  Gowda, Hitesh G. B.; Graf, Tobias & Wallrabe, Ulrike
  
• Einstellbare Prismen mit Glas-Luft Interface: Ein Vergleich verschiedener Aktuierungsmethoden, Mikrosystemtechnikkongress 2021, Ludwigsburg, Germany, pp. 306–309 (2021)
  P. M. Weber; F. Lemke & M. C. Wapler
  
• A 3D scanner: low footprint piezoelectric tunable optical scanner. MOEMS and Miniaturized Systems XXI, 15.
  Gowda, Hitesh G. B.; Gräf, Tobias & Wallrabe, Ulrike
  
• Assignment of Focus Position with Convolutional Neural Networks in Adaptive Lens Based Axial Scanning for Confocal Microscopy. Applied Sciences, 12(2), 661.
  Schmidt, Katharina; Koukourakis, Nektarios & Czarske, Jürgen
  
• Tunable doublets: piezoelectric glass membrane lenses with an achromatic and spherical aberration control. Optics Express, 30(26), 46528.
  Gowda, Hitesh G. B.; Wapler, Matthias C. & Wallrabe, Ulrike
  
• Chromatic aberration correction employing reinforcement learning. Optics Express, 31(10), 16133.
  Schmidt, Katharina; Guo, Ning; Wang, Wenjie; Czarske, Juergen & Koukourakis, Nektarios
  
• Chromatic aberration correction using reinforcement learning. Emerging Topics in Artificial Intelligence (ETAI) 2023, 35.
  Schmidt, Katharina; Guo, Ning; Wang, Wenjie; Czarske, Juergen W. & Koukourakis, Nektarios
  
• Fully refractive telecentric f-theta microscope based on adaptive elements for 3D raster scanning of biological tissues. Optics Express, 31(18), 29703.
  Wang, Wenjie; Schmidt, Katharina; Wapler, Matthias C.; Wallrabe, Ulrike; Czarske, Jürgen W. & Koukourakis, Nektarios
  
• Higher order wavefront correction and axial scanning in a single fast and compact piezo-driven adaptive lens. Optics Express, 31(14), 23393.
  Gowda, Hitesh G. B.; Wallrabe, Ulrike & Wapler, Matthias C.
  
• Piezo-actuated higher order wavefront correction lens, TRANSDUCERS 2023, TRANSDUCERS 2023, Kyoto, Jp., pp. 1477-1479 (2023)
  H.G.B Gowda; M.C. Wapler & U. Wallrabe
  
• Reliability of tunable lenses: feedback sensors and the influence of temperature, orientation, and vibrations. Applied Optics, 62(12), 3072.
  Gowda, Hitesh G. B.; Bruno, Binal P.; Wapler, Matthias C. & Wallrabe, Ulrike