Hochauflösende optische Mikroskopie mittels transmissiver Mikrostrukturen (HOMiTrans)

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Bernhard Bergmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431605610

Die hochauflösende Untersuchung von Objektdetails ist eine wesentliche Grundlage vieler Bereiche der Forschung, Entwicklung und Fertigung. Eine einfache Möglichkeit bietet die klassische Lichtmikroskopie. Ihr Auflösungsvermögen ist allerdings durch die von E. Abbe beschriebene Auflösungsbedingung begrenzt. Daher sind in der Vergangenheit immer wieder Methoden zur Überwindung dieser Grenze untersucht worden. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Auflösung bietet das Aufbringen von Mikrosphären auf der Objektoberfläche. Die erreichbare Auflösung hängt dabei im Wesentlichen vom Durchmesser und dem Brechungsindexunterschied zwischen Mikrosphäre und Umgebungsmedium ab. In der Literatur wurden mit einem Lichtmikroskop Objekte mit einem Abstand von < 100 nm aufgelöst, was einem Auflösungsvermögen deutlich kleiner als der Wellenlänge entspricht.Derzeit existiert jedoch kein allgemeingültiges Modell zur Erklärung dieses experimentell beobachteten Effekts. Ein umfassendes Verständnis ist aber essentiell für die Bewertung der Grenzen und Möglichkeiten des Verfahrens sowie zur Optimierung der Abbildungseigenschaften der eingesetzten Mikrostrukturen. Experimentelle Daten sind in der Literatur auf Untersuchungen an sphärischen Mikrostrukturen limitiert, mit denen weder verzerrungsfreie Abbildungen noch größere Bildausschnitte realisiert werden können. Untersuchungen an Mikrostrukturen, die von einer sphärischen Form abweichen, sind auf Simulationen ihrer Fokussierungseigenschaften beschränkt, experimentelle Umsetzungen liegen nicht vor.Im Rahmen des beantragten Vorhabens werden zwei Ziele verfolgt: 1. Entwicklung eines theoretischen Modells zur Erklärung der Überwindung der beugungsbegrenzten Auflösungsgrenze nach Abbe (im Folgenden als Hochauflösung bezeichnet): Im Gegensatz zur Literatur basiert der hier verfolgte Ansatz nicht auf der Lösung der Maxwell-Gleichungen, sondern auf den einfacheren Prinzipien der skalaren Beugungstheorie, speziell einem erweiterten Huygens-Fresnel-Ansatz zum Verständnis des Effekts der Hochauflösung. Dieser Ansatz soll im Projekt dazu dienen, die Einkopplung der evaneszenten Felder in die Mikrostruktur in einfacher Weise zu beschreiben. Dies führt zu einer Verringerung der Rechenzeit und erlaubt eine iterative Optimierung der Mikrostrukturen in Bezug auf die Abbildungsqualität. 2. Experimentelle Umsetzung der theoretischen Erkenntnisse: Während in der Literatur bisher nur sphärische Strukturen experimentell untersucht und asphärische Strukturen nur durch Simulationen beschrieben wurden, sollen hier Sphären und Freiform-Strukturen mittels direktem Laserschreiben hergestellt, optisch charakterisiert und daran der Effekt der Hochauflösung gezeigt werden. Das beantragte Vorhaben ermöglicht somit, ein grundsätzliches theoretisches Verständnis der Hochauflösung zu erlangen, sowie die Strukturen für optimierte, hochauflösende optische Lichtmikroskopie durch direkt schreibbare sphärische und Freiform-Mikrostrukturen praktisch anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen