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 ; Biomedizinische Systemtechnik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520544232

Zur dreidimensionalen Untersuchung von biologischen Zellen oder Gewebe werden automatisierte mikroskopische Verfahren mit hohen Orts- und Zeitauflösungen benötigt. Die Zwei-Photonen-Mikroskopie kann die geforderte hohe Auflösung bieten, benötigt jedoch als punktförmiges Verfahren Scans in drei Dimensionen, wodurch ein limitierte Zeitauflösung folgt. Adaptiv optische Elemente besitzen grundsätzlich das Potenzial diese Limitierung für volumetrische Scans zu durchbrechen. Allerdings geht die Nutzung von adaptiven Komponenten mit dem Durchstimmen von Aberrationen einher, was für die Anregung der Zwei-Photonen-Mikroskopie ein Problem darstellt. Wie in den ersten beiden Förderperioden dargestellt, können diese und probeninduzierte Aberrationen mit adaptiven Linsen kompensiert werden. Durch die Nutzung von adaptiven Linsen für einen axialen Scan und dem adaptiven Prisma für einen lateralen Scan ist zudem die Implementierung von schnellen 3D Scans ohne mechanische Bewegung möglich. In der dritten Projektphase soll ein voll-adaptives, smartes Zwei-Photonen-Mikroskop realisiert werden, das mit einem adaptiven Mirkosopobjektiv und dem adaptiven Prisma schnelle Scans, sowie die dynamische Korrektur von Aberrationen ermöglicht. Dafür werden als erstes die adaptiven Komponenten aus den vorherigen Projektphasen mit einem Ultrakurzpulslaser charakterisiert und falls erforderlich an die höhere Energiedichte angepasst. Anschließend wird eine adaptive Bi-Aktor-Linse zur Aberrationskorrektur und zum axialen Scannen in ein Mikroskopobjektiv integriert. Dieses ermöglicht in Kombination mit dem adaptiven Prisma die Korrektur proben- und systeminduzierter Aberrationen (Defokus, Astigmatismus, Koma und sphärische Aberration) sowie einen 3D Scan der Probe ohne mechanische Verschiebung. Durch die Piezokeramiken als Aktormaterial wird eine Hysterese in das Verhalten der adaptiven Komponenten eingebracht. Außerdem wird durch eine Vervielfachung der Aktoren in einem aberrationskorrigierenden 3D-Scan-System die Ansteuerung deutlich komplexer als für eine einzelne adaptive Linse. Für solch hoch komplexe Multiple-Input Systeme wird die Auslegung eines Reglers zunehmend aufwändiger und eine optimale Ansteuerung benötigt immer mehr Iterationen. Als Alternative zur klassischen Regelungstechnik sollen Methoden aus dem maschinellen Lernen, wie neuronale Netze und Reinforcement Learning zur Steuerung des Gesamtsystems eingesetzt werden, um ein automatisiertes Mikroskop zu realisieren. Das geplante Zwei-Photonen-Mikroskop bietet durch das neue adaptive Objektiv und die verbesserte Ansteuerung die Möglichkeit der Miniaturisierung, Automatisierung und der Entwicklung von kompakten und robusten optischen Systemen. Für erste Demonstrationsmessungen soll zur Untersuchung der Effekte von Goitrogenen in Zebrabärblingsembryonen Anwendung finden. Im Ergebnis wird ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung von adaptiven optischen Elemente und der smarten Mikroskopie geleistet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Nektarios Koukourakis