Hochauflösende optische Mikroskopie mittels transmissiver Mikrostrukturen (HoMiTrans)

Abstract

Die hochauflösende Untersuchung von Objektdetails ist eine wesentliche Grundlage vieler Bereiche der Forschung, Entwicklung und Fertigung. Eine einfache Möglichkeit bietet die klassische Lichtmikroskopie. Ihr Auflösungsvermögen ist allerdings durch die von E. Abbe beschriebene Auflösungsbedingung begrenzt. Daher sind in der Vergangenheit immer wieder Methoden zur Überwindung dieser Grenze untersucht worden. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Auflösung bietet das Aufbringen von Mikrosphären auf der Objektoberfläche. Die erreichbare Auflösung hängt dabei im Wesentlichen vom Durchmesser und dem Brechungsindexunterschied zwischen Mikrosphäre und Umgebungsmedium ab. In der Literatur wurden mit einem Lichtmikroskop Objekte mit einem Abstand von < 100 nm aufgelöst, was einem Auflösungsvermögen deutlich kleiner als der Wellenlänge entspricht.

Es existiert jedoch kein allgemeingültiges Modell zur Erklärung dieses experimentell beobachteten Effekts. Ein umfassendes Verständnis ist aber essentiell für die Bewertung der Grenzen des Verfahrens sowie zur Optimierung der Abbildungseigenschaften der eingesetzten Mikrostrukturen. Experimentelle Daten sind in der Literatur auf Untersuchungen an sphärische Mikrostrukturen limitiert, mit denen weder verzerrungsfreie Abbildungen noch größere Bildausschnitte realisiert werden können. Untersuchungen an Mikrostrukturen, die von einer sphärischen Form abweichen, sind auf Simulationen ihrer Fokussierungseigenschaften beschränkt.

Im Projekt wurde sowohl ein Modell zur Erklärung der Überwindung der beugungsbegrenzten Auflösung nach Abbe, als auch die experimentelle Umsetzung des entwickelten Ansatzes anhand von mittels 2-Photonen-Polymerisation (2PP) gefertigten Mikrostrukturen gezeigt. Im Gegensatz zur Literatur basiert das hier entwickelte Modell nicht auf der Lösung der Maxwell-Gleichungen, sondern auf den einfacheren Prinzipien der skalaren Beugungstheorie. Zur Beschreibung des Einflusses einer transparenten Mikrostruktur auf einWellenfeld wurde eine Propagationsmethode auf Basis des Rayleigh-Sommerfeld- Beugungsintegral in Kombination mit einer Thin-Element-Approximation entwickelt. Die Finite Refractive Index Selective Propagation (FRISP) genannte Methode ermöglicht eine vergleichsweise einfache Beschreibung der Wechselwirkung zwischen den evaneszenten Feldern und der Mikrostruktur. Die Methode ermöglicht eine erhebliche Verringerung der Rechenzeit und eine iterative Formoptimierung der Mikrostrukturen. Im Rahmen des Projektes wurden Designverfahren zur Herstellung von formtreuen transparenten Mikrostrukturen mittels 2PP entwickelt und die gefertigten Strukturen auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Aufbauend auf den Simulationsergebnissen konnte erstmals eine hochauflösende Abbildung an mittels 2PP hergestellten bikonvexen Mikrolinsen nachgewiesen werden.