Bei der Messung mit Licht ist die laterale Ausdehnung der durch ein optisches Abbildungssystem auflösbaren Strukturen grundsätzlich beugungsbegrenzt. Die Überwindung dieser Einschränkung ist ein Thema von großem Interesse in der neueren Forschung, und mehrere Ansätze wurden auf diesem Gebiet veröffentlicht.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Zeitschrift für optische Mikrosystemestellt ein Forscherteam der Universität Kassel in Deutschland einen Ansatz vor, bei dem Mikrokügelchen direkt auf der Oberfläche des Objekts platziert werden, um die Grenzen interferometrischer Topografiemessungen für die optische Auflösung kleiner Strukturen zu erweitern.
Eine Bildgebung unterhalb der Auflösungsgrenze wird häufig mit Systemen erreicht, die eine Sondenmarkierung verwenden, wie z. B. Fluoreszenzmikroskopie, die eine Vorbereitung der Probe erfordert. Andere Systeme wie Rasterkraftmikroskope können eine 20-mal bessere laterale Auflösung liefern als beugungsbegrenzte optische Systeme. Sie beruhen jedoch auf taktilen Messprinzipien, die für bestimmte Anwendungen ungeeignet sein können, insbesondere in der Bio-Bildgebung. Daher kann die Unterstützung durch Mikrosphären eine Lösung für eine schnelle und markierungsfreie Bildgebung unterhalb der Beugungsgrenze bieten.
Ein Linnik-Interferometeraufbau mit zwei hochauflösenden Mikroskopobjektiven ermöglicht schnelle und berührungslose Topographiemessungen feiner Strukturen. Das Durchführen eines Tiefenscans ermöglicht die Erfassung von Phaseninformationen, die zur Rekonstruktion der Oberflächentopographie verwendet werden können. Mit einer zusätzlichen Mikrokugel im Abbildungspfad wird die physikalische Beugungsgrenze dieses Systems erweitert.
Obwohl experimentelle Studien vielversprechende Ergebnisse zeigten, blieben theoretische Erklärungen unter Berücksichtigung der relevanten Abbildungsmechanismen, die die verbesserte Auflösung ermöglichen, bisher unklar. Die relevanten Mechanismen wurden mittels Analyse im 3D-Ortsfrequenzbereich sowie durch Vergleich mit rigorosen Simulationen und Raytracing-Berechnungen untersucht.
Untersuchungen im Fourier-Bereich liefern die von der Mikrosphäre ins Fernfeld übertragenen und vom Mikroskopobjektiv erhaltenen Ortsfrequenzen. In Kombination mit den rigorosen Simulationen des resultierenden Nahfeldes ermöglicht dies eine vollständige Simulation des Bildgebungsprozesses mit Mikrokugeln und damit umfangreiche Untersuchungen.
Darüber hinaus ermöglicht Raytracing die Untersuchung der Ausbreitung einzelner Lichtstrahlen innerhalb der Mikrosphäre und trägt so zu einem besseren Verständnis der wesentlichen physikalischen Effekte bei.
„In der neueren Forschung sowie in industriellen Anwendungen besteht ein Bedarf an schnellen Messsystemen unterhalb der physikalischen Auflösungsgrenze, die keine aufwändige Probenvorbereitung erfordern. Die mikrokugelgestützte Interferenzmikroskopie ermöglicht solche optischen topografischen Oberflächenmessungen, und diese Arbeit trägt dazu bei tieferes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen“, sagte Lucie Hüser, Erstautorin der Veröffentlichung.
Die Ergebnisse der Forscher stellen hilfreiche Werkzeuge für ein tieferes Verständnis der mikrosphärengestützten Interferometrie bereit, die zur Erweiterung des Wissens über physikalische Mechanismen in der mikrosphärengestützten Interferometrie verwendet werden können. Darüber hinaus ist die effektive Vergrößerung der numerischen Apertur des Systems einschließlich der Mikrosphäre und des eher kleinen Sichtfelds unter der Mikrosphäre wahrscheinlich der relevanteste Mechanismus, der topografische Messungen unterhalb der Auflösungsgrenze ermöglicht.
Mehr Informationen:
Lucie Hüser et al, Mikrosphärenunterstützung in der Interferenzmikroskopie mit Objektiven mit hoher numerischer Apertur, Zeitschrift für optische Mikrosysteme (2022). DOI: 10.1117/1.JOM.2.4.044501