Optomechatronisches System Super-Mikroskop im Mikrowellen-Format

Anbieter zum Thema

Universität Bielefeld

FAULHABER Antriebssysteme

Schneider Electric GmbH

HMS Technology Center GmbH

Bielefelder Forschende schrumpfen ein hochkomplexes optomechatronisches System von Kühlschrank- auf Mikrowellengröße. Das neuartige Mikroskop überwindet das physikalische Beugungslimit und macht bisher unsichtbare Prozesse in lebenden Zellen sichtbar.

Für Ingenieure ist die nahtlose Integration von Optik, Mechanik und Elektronik auf kleinstem Raum eine ständige und oft knifflige Herausforderung. Wenn es dabei jedoch um hochpräzise Photonik geht, die an die Grenzen der Physik stößt, wird das Packaging zu einem echten Faszinationsthema. Genau dieses Kunststück ist einem Forschungsteam der Universität Bielefeld gelungen: Mit dem neuartigen Super-Mikroskop „Lightweaver“ bringen die Wissenschaftler um Dr. Henning Ortkraß und Dr. Marcel Müller ein Gerät auf den Markt, das bisher Unsichtbares auf zellulärer Ebene scharf abbildet.

Bisher waren die etablierten Systeme so groß wie ein bis zwei große Kühlschränke. Unser Mikroskop hat die Größe einer Mikrowelle.

Dr. Henning Ortkraß, Universität Bielefeld

Massives Downsizing bei zehnfacher Leistung

Das Besondere aus Engineering-Sicht ist die extreme Komprimierung der Technik bei gleichzeitiger Leistungssteigerung. „Unser Mikroskop ist ein hochkomplexes System: optisch, mechanisch und elektronisch“, erklärt der Physiker Dr. Henning Ortkraß. „Bildlich gesprochen: Bisher waren die etablierten Systeme so groß wie ein bis zwei große Kühlschränke. Unser Mikroskop hat die Größe einer Mikrowelle.“ Trotz dieses massiven Platzvorteils liefert die Hardware ein mehr als zehnfach größeres Bildfeld als bisherige High-End-Lösungen.

Photonik

Optische Metamaterialien so schnell drucken wie eine Zeitung

Musterprojektion überwindet das Beugungslimit

Das Geheimnis hinter der enormen Detailtiefe liegt in der gezielten Bildverarbeitung und strukturierten Beleuchtung – ein Prinzip, das in abgewandelter Form auch bei 3D-Sensoren in der industriellen Qualitätssicherung genutzt wird. Das System erreicht eine Auflösung unterhalb des physikalischen Beugungslimits von Licht.

„Wir projizieren ein Streifenmuster in die Probe, nehmen dann mehrere Bilder von der Probe mit verschobenem Streifenmuster auf und können dadurch eine zweifache Auflösungserhöhung erzielen“, erklärt Ortkraß. Gepaart mit einer hohen Bildrate lassen sich so dynamische Vorgänge in Echtzeit verfolgen.

Prozessüberwachung im menschlichen Filter

Was in der industriellen Bildverarbeitung der Inspektion von Bauteilen dient, nutzt das Lightweaver-Team, um biomedizinische Prozesse zu überwachen. So konnten die Forschenden beispielsweise an Leberzellen live visualisieren, wie diese ihre Filterfunktion durch die schnelle Veränderung winziger Poren anpassen. Dieses Wissen ist für die Pharmaindustrie extrem wertvoll, um vorherzusagen, wie Medikamente verstoffwechselt werden oder welche toxischen Wechselwirkungen bei der Gabe mehrerer Wirkstoffe (etwa bei Risikopatienten) entstehen.

Nach fünf Jahren intensiver Entwicklungszeit steht der Hardware-Aufbau des Geräts und die Patente sind angemeldet. Um den Schritt vom Labor-Demonstrator zum marktreifen Serienprodukt zu gehen, wird die bevorstehende Start-up-Gründung nun mit 1,15 Millionen Euro aus dem Exist-Forschungstransfer gefördert. Bis Ende 2027 soll das System den Markteintritt meistern – ein klassischer Technologietransfer, der beweist, was modernes System-Engineering auf kleinstem Raum leisten kann.

Engineering

Billardroboter zeigt Mechatronik im Einsatz