Wenn man über Wissenschaft und Forschung nachdenkt, gibt es wohl kaum eine Technologie, die so wichtig ist wie die Mikroskopie. Die Mikroskopie ist nicht nur als Werkzeug für die Forschung von größter Bedeutung, sie ist auch das Herzstück diverser wissenschaftlicher Communities und Industriezweigen, die sich auf die Entwicklung neuartiger Mikroskopiesysteme und Abbildungstechniken spezialisieren. Bei der Entwicklung solcher Systeme ist die Charakterisierung und Messung der Abbildungsfehler der beteiligten optischen Elemente, z. B. der Mikroskopobjektive, ein entscheidender und wesentlicher Schritt. In der Regel sind solche Messungen vergleichender Natur und erfordern ein kalibriertes Gerät, das als Benchmark dient, um Informationen über das zu untersuchende optische Element zu erhalten. In der Optik erfolgt eine solche Kalibrierung in der Regel mit Hilfe der Interferometrie, bei der optische Referenzobjekte, z. B. ein Spiegel und ein Strahlteiler, zur Erzeugung einer Referenzwelle verwendet werden. Die Qualität dieser Elemente und ihre Kalibrierung stellen somit eine Obergrenze für die Messgenauigkeit dar, da sich ihre Unvollkommenheiten und Kalibrierungsfehler direkt auf die gemessene Wellenfront des untersuchten Elements auswirken.
Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern der Universität Graz (Österreich) und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (Deutschland) einen Weg gefunden, dieses grundlegende Problem zu umgehen. Ihre Ergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht. Unter der Leitung von Peter Banzer stellt das Team eine neuartige Technik zur absoluten Charakterisierung von Mikroskopobjektiven mit hoher numerischer Apertur vor, die ohne ein aberrationsfreies oder bereits bekanntes optisches Referenzelement funktioniert. Zu diesem Zweck wird die Referenzwelle von einem Objekt erzeugt, das kleiner als die Wellenlänge ist, also z.B. von einem Nanopartikel. Die Emission eines solchen nanoskaligen Streuers kann analytisch berechnet werden und ermöglicht die Verwendung von Streulicht als nahezu perfekte Referenzwelle, was zu einer herausragenden Performance der beschriebenen Technik führt.
Bei fast jeder Art von Mikroskopie ist das Mikroskopobjektiv zweifellos das Schlüsselelement, das sowohl die Auflösung als auch die Qualität der erzeugten Bilder bestimmt. Die neuartige Methode ist deshalb für die Entwicklung von hochmodernen, qualitativ hochwertigen Optiken und Mikroskopiesystemen von höchster Relevanz relevant. Die Messung der Aberrationen von Mikroskopobjektiven ist jedoch nicht nur während ihrer Entwicklung wichtig. Die Arbeit mit einem vorcharakterisierten Mikroskopobjektiv und die genaue Kenntnis dessen Fehler ermöglicht auch die Umsetzung weitreichender Fehlerkorrekturstrategien und erlaubt eine quantitative Datenerfassung. Daher ist die veröffentlichte Studie von großem Interesse und immenser Wichtigkeit für ein sehr breites Publikum, von Epidemiologen, Biologen, Chemikern und Physikern bis hin zu praktisch allen, die mit bildgebenden Systemen arbeiten.
J. S. Eismann, M. Neugebauer, K. Mantel, P. Banzer, Absolute characterization of high numerical aperture microscope objectives utilizing a dipole scatterer, Light: Science and Applications 10, article number: 223 (2021); https://doi.org/10.1038/s41377-021-00663-x
Kontakt: Peter Banzer oder Jörg S. Eismann; Optics of Nano and Quantum Materials (website)