Absolut genau

Ein Dipol in einem elektromagnetischen Feld, das durch Linsenfehler verzerrt wird. Das elektromagnetische Feld wird vom Objektiv erzeugt und regt einen Dipol – zwei Pole mit entgegengesetzter Ladung – im Teilchen an. Die gestreute Dipolwelle wird als Referenzwelle herangezogen. Sie ist die einfachste Form einer Ladungsschwingung und lässt sich daher gut berechnen. Foto: Uni Graz/Banzer

Grazer Physiker finden neue Methode zur Messung von Linsenfehlern

Die Mikroskopie ist eine der bedeutendsten Technologien zur Erforschung der Welt. Um Abbildungsfehler von beteiligten optischen Elementen, wie zum Beispiel Objektiven, korrigieren zu können, werden vergleichende Messungen angestellt. Als optische Referenzobjekte dienen unter anderem kalibrierte Spiegel. Doch auch diese können nie vollkommen fehlerfrei sein, worunter die Messgenauigkeit leidet. Ein Team von WissenschafterInnen der Universität Graz und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen/Deutschland hat nun einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen und Messungen mit nahezu hundertprozentiger Präzision durchzuführen. Die neuartige Technik ist sowohl für die Entwicklung modernster, hochwertiger Optiken und Mikroskopie-Systeme als auch für die Forschung von größter Bedeutung. Denn fehlerhafte Bilder können zu falschen Interpretationen führen, etwa bei der Bestimmung von Krankheiten, was weitreichende negative Folgen nach sich ziehen kann. Die Forschungsergebnisse der Physiker wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht.

Optische Elemente werden in der Regel mit Hilfe der Interferometrie kalibriert. Diese Messmethode nutzt das Phänomen der Interferenz von Wellen. Dabei wird eine Lichtwelle, die aus einem zu vermessenden Objektiv austritt, mit einer Lichtwelle, deren Eigenschaften man kennt, verglichen. Das Muster deren Überlagerung gibt Aufschluss über etwaige Linsenfehler. Ein Team unter der Leitung von Peter Banzer, Professor am Institut für Physik der Universität Graz, stellt nun eine neuartige Technik zur absoluten Charakterisierung von hochauflösenden Mikroskop-Objektiven vor, die kein anderes optisches Element braucht. Stattdessen verwendet sie zur Kalibrierung eine Referenzwelle, die von einem Objekt erzeugt wird, das kleiner als die Wellenlänge ist, zum Beispiel von einem Nanopartikel. „Das gestreute Licht eines solchen nanoskaligen Teilchens kann analytisch berechnet werden und ermöglicht somit die Verwendung des Streulichts als nahezu perfekte Referenzwelle“, erklärt Jörg Eismann, Erstautor der aktuellen Publikation.

Bei fast jeder Art von Mikroskopie ist das Objektiv das Schlüsselelement, das sowohl die Auflösung als auch die Qualität der erzeugten Bilder bestimmt. Die neuartige Methode ist deshalb für die Entwicklung von Mikroskopie-Systemen von entscheidender Bedeutung. Aber auch für ForscherInnen ist sie höchst relevant, denn nur die genaue Kenntnis der Linsenfehler eines Mikroskops macht es möglich, diese bei der Interpretation der Bilder entsprechend zu korrigieren.

Publikation
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

Gudrun Pichler

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