Refractive adaptive optics in Microscopy

Abstract: Adaptive optics (AO) is a key tool for restoring image quality in microscopic imaging through turbulent media. Traditionally, AO relies on reflective correction elements, resulting in cumbersome and complex systems. An alternative, refractive, and transmissive correction element, the Deformable Phase Plate (DPP), has the potential to simplify these complexities by providing a compact, low-cost, and in-line solution for AO microscopy implementations. This thesis develops and analyzes compact plug-and-play AO implementations for commercial microscopes using the DPP technology.

An enclosure for the DPP is developed, which allows it to be seamlessly integrated as a plug-and-play AO attachment into different microscopic imaging techniques to realize either a pupil or conjugate AO modality.

A pupil AO modality is incorporated into a commercial widefield microscope and, additionally, into a commercial two-photon microscope. For aberration determination and correction, a modal decomposition-based algorithm is employed. To overcome the anisoplanatism in pupil AO modalities, the algorithm is expanded by a numerical field of view (FOV) segmentation functionality. In addition to the pupil AO, an in-line conjugate AO modality is realized at the exit port of the widefield microscope. In each AO realization, aberration corrections are performed while investigating various imaging scenarios, such as imaging mouse brain tissue and fluorescent beads through custom-made aberrating layers.
Besides dynamic AO realizations, an analysis is performed, where the DPP is employed as a static free-form phase plate at the aperture stop of high-end microscope objectives (MOs). The goal is to compensate for misalignment-induced aberrations during their assembly.

Employing the AO attachment in the widefield microscope for the pupil AO modality, near-diffraction limited correction over a segmented FOV size of 171 x 171 um x um is demonstrated. In the conjugate AO modality, a remarkable correction quality over a FOV size of 230 x 230 um x um is achieved. In a simulation-based assembly study, misalignment-induced aberrations are compensated by the DPP at the aperture stop for two high-end MOs. After compensation, both lenses exhibit near-diffraction limited performance over a large FOV
Abstract: Adaptive Optik (AO) ist ein wichtiges Instrument zur Wiederherstellung der Bildqualität bei der mikroskopischen Abbildung durch turbulente Medien. Traditionell basiert die AO auf reflektierenden Korrekturelementen, was zu schwerfälligen und komplexen Systemen führt. Ein alternatives, refraktives und transmissives Korrekturelement, die Deformable Phase Plate (DPP), hat das Potenzial, diese Komplexität zu vereinfachen, indem es eine kompakte, kostengünstige und geradelinige Lösungen für AO Implementierungen in der Mikroskopie bietet. Diese Arbeit entwickelt und analysiert kompakte Plug-and-Play AO Implementierungen für kommerzielle Mikroskope basierend auf der DPP-Technologie.

Ein Gehäuse wird für die DPP entwickelt, mit dem sie als Plug-and-Play AO-Aufsatz nahtlos in verschiedene Mikroskope integriert werden kann, um entweder eine Pupillen- oder eine konjugierte AO-Modalität zu realisieren.

Eine Pupillen AO-Modalität wird in einem kommerziellen Weitfeldmikroskop und zusätzlich in einen kommerziellem Zwei-Photonen-Mikroskop realisiert. Zur Bestimmung und Korrektur von Aberrationen wird ein Algorithmus verwendet, der auf modaler Dekomposition basiert. Um den Anisoplanatismus bei den Pupillen AO-Modalitäten zu überwinden, wird der Algorithmus um eine numerische Sichtfeldsegmentierungsfunktion erweitert. Zusätzlich zur Pupillen AO, wird am Ausgang des Weitfeldmikroskops eine geradelinige konjugierte AO-Modalität realisiert. In jeder AO-Realisierung werden Aberrationskorrekturen durchgeführt, während verschiedene Bildgebungsszenarien untersucht werden, z. B. die Abbildung von Mäusegehirngewebe und fluoreszierenden Kügelchen durch maßgeschneiderte Aberrationsschichten.

Neben dynamischen AO-Realisierungen wird auch eine Analyse durchgeführt, bei der die DPP als statische Freiform-Phasenplatte an der Aperturblende von High-End Mikroskopobjektiven (MOs) eingesetzt wird. Ziel ist es, die durch Ausrichtungsfehler verursachten Aberrationen während der Montage zu kompensieren.

Durch die Verwendung des AO-Aufsatzes im Weitfeldmikroskop für die Pupillen-AO-Modalität wird eine nahezu beugungsbegrenzte Korrektur über ein segmentiertes Sichtfeld (FOV) von 171 x 171 um x um demonstriert. Bei der konjugierten AO-Modalität wird eine bemerkenswerte Korrekturqualität über eine FOV-Größe von 230 x 230 um x um erreicht. In einer simulationsbasierten Montagestudie werden für zwei High-End MOs, Ausrichtungsfehler bedingte Aberrationen an der Aperturblende durch die DPP kompensiert. Nach der Kompensation zeigen beide Objektive eine nahezu beugungsbegrenzte Leistung über einen großes FOV

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Elektrotechnik, Elektronik
• Schlagwort: Adaptive Optik ; Abbildungsfehler ; Mikroskopie ; Konfokale Mikroskopie ; Adaptive Optik ; Mikroskopobjektiv ; Mikroskopie ; Abbildungsfehler

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2024
• Urheber: Dorn, Alex
• Beteiligte Personen und Organisationen: Ataman, Çağlar ; Rohrbach, Alexander ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Gisela-und-Erwin-Sick-Professur für Mikrooptik ; Microsystems for Biomedical Imaging Laboratory ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/247330
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2473300
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 14.08.2025, 10:57 MESZ