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In vielen Bereichen der Biomedizin, der Mikrosystemtechnik und der Mikrochemie ist es erforderlich, winzig kleine Objekte berührungsfrei zu manipulieren und abzubilden. Dabei werden die Teilchen mit Hilfe von optischen Pinzetten eingefangen und mit modernen optischen Abbildungsverfahren abgebildet. Das Institut für Technische Optik (ITO) entwickelt ein kombiniertes System zum Einfangen und zur verbesserten Darstellung mikroskopischer Objekte, das komplett holografisch gesteuert wird. Das Werkzeug erlaubt es, Zellen dreidimensional und höchst präzise zu bewegen und abzubilden.
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Optische Pinzetten bedienen sich der Möglichkeit, mittels Licht einen Impuls auf ein Objekt zu übertragen und damit Kräfte wirken zu lassen. Durch die Impulsänderung, die die Photonen eines Laserstrahls bei der Ablenkung an einem Objekt erfahren, lassen sich mikroskopische Objekte im Fokus eines Lasers einfangen und bewegen. Von besonderer Bedeutung sind sie in den Lebenswissenschaften, dort ermöglichen sie den Biologen das Greifen, Separieren und Bewegen von Zellen. Dabei werden die Lichtfelder in konventionellen Systemen mechanisch, in der Regel mit Hilfe von Spiegeln, bewegt. Arbeitet man mit mehreren Zellen gleichzeitig, stößt dies jedoch schnell an Grenzen, da das optische System sehr komplex und unflexibel wird. Hier sollen holografisch gesteuerte Systeme, wie sie das ITO entwickelt, Abhilfe schaffen: Durch den Einsatz eines hochauflösenden dynamischen Li.htmlodulators als Hologramm lässt sich eine nahezu beliebige Anzahl von Einfang- oder Bearbeitungslichtfeldern erzeugen, die völlig unabhängig voneinander dreidimensional bewegt werden können. Die so generierten Spots sind auf wenige Nanometer genau steuerbar. Neben einer dreidimensionalen Bewegung lassen sich Zellen auch gezielt rotieren oder kippen.
Im Rahmen des BMBF-Projekts AZTEK entwickelt das ITO in Kooperation mit der Holoeye AG und der TILL Photonics GmbH ein System zur verbesserten Abbildung und Manipulation von transparenten Objekten. Die holografische Pinzette arbeitet im zellschonenden nahen Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometern. Gesteuert wird sie durch ein LC-Display, wie es auch in konventionellen Daten- beziehungsweise Videoprojektoren eingesetzt wird. Der Li.htmlodulator kann neben dem Einsatz zur holografischen Mikromanipulation ebenfalls zur Darstellung von Phasenobjekten eingesetzt werden. Hierzu lassen sich durch geeignete Ansteuerung verschiedene konventionelle Phasenkontrastverfahren realisieren. Durch die Kombination mehrerer Bilder, die in schneller Folge mit unterschiedlichen durch den Li.htmlodulator dargestellten Filtern gewonnen werden, sollen erweiterte, auf spezielle Anwendungen hin optimierte Darstellungen von transparenten Objekten ermöglicht werden. Gleichzeitig lassen sich Bildfehler, wie sie insbesondere durch die abzubildende Probe selbst entstehen, korrigieren. Die Bildfehler der Probe werden hierbei ebenfalls durch den Li.htmlodulator durch eine Mehrbildtechnik ermittelt, so dass für deren Messung keine zusätzliche Hardware erforderlich ist.
Die Berechnung der Hologramme erfolgt – auch für große Fallenzahlen – in Videoechtzeit. Da die komplette Hologrammberechnung auf der Grafikkarte des Rechners durchgeführt wird, reicht hierfür ein konventioneller PC. Dabei nutzen die Wissenschaftler den Umstand, dass die Leistung von handelsüblichen Grafikkarten, wie sie für Videospiele eingesetzt werden, für parallelisierbare Aufgaben um etwa das Zehnfache über der des Hauptprozessors in einem PC liegt. Diese Technik wird im Projekt außer zur Hologrammberechnung auch zur schnellen Bildverarbeitung eingesetzt.
uk
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