Adaptive Optik 64.000 Mikrospiegel korrigieren Abbildungsfehler bei der Gewebemikroskopie

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Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

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Ein mikromechanisches Spiegelarray des Fraunhofer IPMS soll die Bildqualität optischer Mikroskope bei stark streuenden Proben verbessern. Rund 64.000 einzeln steuerbare Mikrospiegel formen dazu die Wellenfront des Lichts. An Hornhautzellen und weiteren Proben lieferte die adaptive Optik laut Institut schärfere und kontrastreichere Bilder. Für eine Korrektur nahezu in Echtzeit ist allerdings noch Entwicklungsarbeit nötig.

Wer mit einem Mikroskop in biologisches Gewebe blickt, stößt auf ein grundsätzliches Problem: Auf seinem Weg durch die Probe wird Licht gestreut und die Wellenfront verformt. Dadurch entstehen Abbildungsfehler, Kontrast und Bildschärfe nehmen ab und die nutzbare Eindringtiefe wird begrenzt. Adaptive Optik versucht, solche Störungen durch eine gezielte Veränderung der Wellenfront auszugleichen [1].

Forscher am Institutsteil „Integrated Silicon Systems“ (ISS) des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Cottbus setzen dafür einen Flächenlichtmodulator mit rund 64.000 beweglichen Mikrospiegeln ein. Die einzelnen Spiegel sind jeweils 16 Mikrometer (µm) groß. Jeder lässt sich in 256 unterschiedliche Positionen bewegen, ohne dabei gekippt zu werden. Die Spiegel werden also senkrecht zu ihrer Oberfläche verschoben. Diese sogenannten Senk- oder Piston-Spiegel ermöglichen eine gezielte Phasenmodulation des reflektierten Lichts und damit die Korrektur von Wellenfrontverzerrungen [1,2].

Spiegelposition bis zu 1.000-mal pro Sekunde veränderbar

Die Position der einzelnen Mikrospiegel lässt sich laut IPMS bis zu 1.000-mal pro Sekunde anpassen. Das Spiegelarray ist für Wellenlängen vom tiefen Ultraviolett bis in den nahen Infrarotbereich ausgelegt und arbeitet unabhängig von der Polarisation des Lichts. Damit lässt sich die Technik grundsätzlich mit unterschiedlichen Mikroskopieverfahren kombinieren [1].

Die hohe Stellgeschwindigkeit der Mikrospiegel bedeutet allerdings nicht, dass das komplette adaptive System bereits mit dieser Geschwindigkeit korrigiert. Der verwendete Algorithmus benötigt derzeit noch wenige Minuten, um Bildverzerrungen vollständig zu bestimmen und auszugleichen. Das IPMS will diesen Prozess künftig so beschleunigen, dass die Korrektur nahezu in Echtzeit erfolgen kann [1].

Die beiden Geschwindigkeiten sind also zu unterscheiden: Die Aktoren selbst können ihre Position sehr schnell ändern. Wie schnell ein adaptives optisches System insgesamt arbeitet, hängt aber auch davon ab, wie die Bildfehler bestimmt, die benötigten Spiegelstellungen berechnet und die Korrektur überprüft werden.

Versuche mit Hornhautzellen

Die Forscher haben die Technik nach Angaben des IPMS bereits an Proben wie Hornhautzellen und Zellulose erprobt. Dabei seien die Aufnahmen sichtbar schärfer und kontrastreicher geworden. Außerdem sei es dem Team gelungen, Laserlicht gezielt durch stark streuendes Material zu fokussieren. Das Institut sieht darin einen Ansatz, Strukturen auch in tieferen Gewebeschichten mit besserer Bildqualität untersuchen zu können [1].

Wie groß der Zugewinn tatsächlich ist, lässt sich aus den veröffentlichten Daten allerdings nicht quantifizieren. Das IPMS nennt weder Messwerte für den Gewinn an Auflösung oder Kontrast noch eine konkrete zusätzlich erreichbare Eindringtiefe. Über einen Vergleich mit anderen Systemen der adaptiven Optik lagen keine Daten vor.

Das Institut beschreibt zudem einen weiteren Vorteil seines Ansatzes: Während für die Bestimmung von Wellenfrontfehlern häufig zusätzliche Sensoren oder aufwendige optische Systeme eingesetzt werden, soll das neue Spiegelarray nach Angaben von Dr. Maxim Darvin, Projektleiter am Fraunhofer IPMS, Bestimmung und Korrektur der Bildfehler miteinander verbinden. Wie diese Rückkopplung im Detail funktioniert, wird nicht erläutert [1].

Medizinische Diagnostik ist noch Zukunftsperspektive

Für die Medizintechnik liegt der Reiz der Entwicklung vor allem in der präzisen und schnellen Modulation des Lichts. Senkspiegel-Arrays des IPMS können zur Wellenfrontkontrolle in adaptiven optischen Systemen eingesetzt werden und ermöglichen laut Institut höhere Modulationsfrequenzen als flüssigkristallbasierte Technologien. Als eines der möglichen Anwendungsfelder seiner Flächenlichtmodulatoren nennt das IPMS die fortschrittliche medizinische Bildgebung [2].

Was macht ein Senkspiegel?

Ein herkömmlicher Kippspiegel verändert die Richtung des reflektierten Lichtstrahls. Ein Senkspiegel, auch Piston-Spiegel genannt, wird dagegen senkrecht zu seiner Oberfläche verschoben. Dadurch verändert sich der optische Weg des reflektierten Lichts und damit dessen Phase. Weil das Licht den Weg zum Spiegel und wieder zurück durchläuft, entspricht die Änderung des optischen Weges dem Doppelten des Spiegelhubs. Schon sehr kleine Bewegungen können deshalb eine relevante Phasenverschiebung erzeugen. Werden viele Mikrospiegel unterschiedlich weit ausgelenkt, lässt sich die Form einer Wellenfront gezielt beeinflussen. In der adaptiven Optik kann eine solche Gegenkorrektur Wellenfrontfehler ausgleichen, die beispielsweise durch streuendes Gewebe entstehen. [2]

Von einem diagnostischen Medizinprodukt ist die aktuelle Entwicklung jedoch noch entfernt. Die bislang veröffentlichten Ergebnisse beziehen sich auf experimentelle Proben und nicht auf klinische Untersuchungen. Das IPMS bezeichnet medizinische Diagnostik entsprechend als zukünftiges Anwendungsgebiet [1].

Die Arbeiten sind Teil des Verbundprojekts OASYS – „Optoelektronische Sensoren für anwendungsnahe Systeme für Lebenswissenschaften und intelligente Fertigung“. Das Projekt läuft vom 1. September 2023 bis zum 31. August 2028 und wird mit rund 12,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert. Koordiniert wird OASYS von der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg. Zum Verbund gehören außerdem das Fraunhofer IPMS, das Ferdinand-Braun-Institut und das IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik [1].

Quellen

[1] Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS. Schärferer Blick ins Gewebe dank intelligenter Spiegeltechnologie [Internet]. Dresden: Fraunhofer IPMS; 2026 Sep 10 [zitiert 2026 Sep 10]. Verfügbar unter: https://www.ipms.fraunhofer.de/de/press-media/press/2026/Adaptive-optics.html
[2] Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS. Flächenlichtmodulatoren – Optische Aktoren [Internet]. Dresden: Fraunhofer IPMS; [aktualisiert 2026 Apr 27; zitiert 2026 Sep 10]. Verfügbar unter: https://www.ipms.fraunhofer.de/de/Components-and-Systems/Components-and-Systems-Actuators/Optical-Actuators/spatial-light-modulators.html