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Ergebnisse mit VPDK
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Weiterentwicklungen
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Weiterentwicklungen
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Weiterentwicklungen
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Liebe Leser,

auf den folgenden Seiten stelle ich meine Arbeiten dar, die sich mit verschiedenen neuen Beleuchtungstechniken in der Lichtmikroskopie befassen, welche zu fundamentalen Verbesserungen der Bildqualität und gesteigerter visueller Informationen führen, speziell bei der Untersuchung von sog. „Problemobjekten“. Speziell die dreidimensionale Architektur komplex strukturierter Objekte, filigrane oberflächliche Texturen und feine Details im Inneren solcher Objekte können in überlegener Deutlichkeit sichtbar werden. Lichtabsorbierende oder lichtreflektierende Strukturen von hoher Dichte und phasenverschiebende Strukturen geringer Dichte lassen sich mit meinen Methoden simultan darstellen. In Objekten, die durch regional hohe Schwankungen ihrer Dicke und Dichte gekennzeichnet sind, können alle Bereiche zeitgleich in maximaler Bildqualität beobachtet werden. Die komplementäre Information mikroskopischer Bilder, welche im Hellfeld, Dunkelfeld und Phasenkontrast erhältlich ist, wird in den resultierenden Bildern kombiniert und typische Artefakte wie Haloing, Shade-off und sonstige Überstrahlungen können verringert werden. Daher sind die Bilder, die mit meinen neuen Methoden erzeugt werden, durch verringerte Artefakte, verbesserte Präzision in der Visualisierung feiner Details, gesteigerte Schärfentiefe und gleichzeitig exzellente laterale Auflösung gekennzeichnet. In vielen wissenschaftlichen Bereichen, die sich mit der Lichtmikroskopie befassen und Hellfeld, Dunkelfeld und Phasenkontrast als Standardtechniken einsetzen, versprechen die neuen Methoden grundlegende Verbesserungen – in der direkten Beobachtung ebenso wie in der Mikrofotografie.

Am Anfang meiner Arbeiten stand ein Abdruckpräparat einer Schneeflocke, welches ich unter Verwendung des Einbettungsmediums „Entellan“ im Dezember 2010 erstellt hatte. Dies war ein schwieriges und zeitaufwendiges Unterfangen, aber schließlich gelang es mir, eine einzelne Schneeflocke so zu präparieren, dass sie plan und symmetrisch auf der Oberfläche der dünnen Entellan-Schicht einen Abdruck bildete. Ich war jedoch anschließend enttäuscht über die insgesamt flache und wenig befriedigende Darstellung, die ich bei Anwendung normaler Beleuchtungstechniken von diesem Präparat erhalten konnte. Im Hell- und Dunkelfeld konnten nur die Randkonturen des Abdruckes klar erkannt werden, während die dreidimensionale Morphologie, speziell die vorhandenen vertikalen Eindrücke der Schneeflockenarme im Abdruckpräparat nicht sichtbar waren. Aus diesem Grund versuchte ich im Folgejahr, den Lichtweg der Beleuchtungsstrahlen zu verändern, um das Relief der Schneeflocke und deren dreidimensionale Struktur im mikroskopischen Bild zu akzentuieren. Aus diesen Versuchen resultierte zunächst die Entwicklung des variablen Hell-Dunkelfeld-Kontrastes (VHDK). Anschließend erprobte ich meine Methode auch mit verschiedenen anderen Objekten bei unterschiedlichen Vergrößerungen. Im nächsten Schritt wurde die herkömmliche Dunkelfeldbeleuchtung im variablen Hell-Dunkelfeld-Kontrast durch axiales (zentrales) Dunkelfeld ersetzt, welches mit Hilfe entsprechend ausgelegter Lichtstopper erzeugt wurde. Im Weiteren wurde die Hellfeldkomponente durch Phasenkontrast ersetzt, so dass variabler Phasen-Dunkelfeld-Kontrast (VPDK) ausgeführt werden konnte. Schließlich wurde Phasenkontrast mit Hellfeld kombiniert, so dass auch ein variabler Phasen-Hellfeld-Kontrast (VPHK) implementiert werden konnte. Bei Anwendung der letzteren Methode können lichtabsorbierende Details zusammen mit Phasenstrukturen geringer Dichte in maximaler Qualität im resultierenden Bild sichtbar gemacht werden. Im VPHK erwies sich eine Filterung der beiden beleuchtenden Lichtkomponenten in unterschiedlichen Farben und deren örtliche Trennung als maßgeblicher „Schlüssel zum Erfolg“, so dass Phasenkontrastbilder mit Hellfeldbildern überlagert werden konnten, ohne wechselseitige „Störungen“ bzw. Bildbeeinträchtigungen hervorzurufen.

Unter Berücksichtigung meiner bisherigen praktischen Erprobungen könnten die von mir vorgestellten Methoden unter anderem für Diatomeen-Forscher, Biologen, Geologen und Paläontologen von speziellem Interesse sein, wenn Diatomeen-Schalen oder Gehäuse von Foraminiferen und Radiolarien untersucht werden sollen. Darüber hinaus dürfte meine Methode auch vorteilhaft sein, wenn Nanno-Fossilien zu untersuchen sind, deren Größe nahe am vorgegebenen Auflösungslimit eines Lichtmikroskops liegt. Auch bei kristallographischen Untersuchungen können meine Methoden zu verbesserter Bildgebung beitragen. In Biologie und Medizin ist eine verbesserte visuelle Gesamtinformation zu erwarten, wenn komplexe Objekte zu untersuchen sind, die sowohl aus phasenverschiebenden Strukturen geringer Dichte als auch aus lichtabsorbierenden oder reflektierenden Details höherer Dichte bestehen. So sollten beispielsweise Einschlusskörper hoher Dichte und sonstige optisch dichte Einlagerungen im Inneren von Zellen bzw. Ausfällungen im interstitiellen Raum gleichzeitig mit den umgebenden zellulären Komponenten geringerer Dichte in maximaler Klarheit dargestellt werden können. Auch in Objekten, die aus unterschiedlich strukturierten dünnen und dicken Zonen bestehen, wird die globale Bildinformation maximiert sein. In Objekten der erwähnten Art können alle vorhandenen Einzelheiten in maximaler Präzision detektiert werden. Da die laterale und vertikale Auflösung (Feldtiefe, Schärfentiefe, Tiefenschärfe) jeweils maximiert ist, können meine Methoden auch zu einer verbesserten Bildqualität und erhöhter visueller Information beitragen, wenn Bakterienzellen in maximaler Vergrößerung zu untersuchen sind. Sofern meine Techniken, die für durchfallendes Licht entwickelt wurden, in Auflicht-Illuminatoren integriert werden, könnten meine Techniken auch im industriellen Bereich für eine verbesserte Bildgebung in der Materialprüfung und in den Materialwissenschaften eingesetzt werden, da hier üblicher Weise in auffallendem Licht gearbeitet wird.

Die vorgestellten Methoden sollten auch ein wesentliches Potential für eine kommerzialisierte Nutzung haben und unter diesem Aspekt auch für Hersteller von Interesse sein, die sich in der Produktion und Weiterentwicklung von Lichtmikroskopen engagieren. Die entwickelten Techniken können mit überschaubaren Kosten in bereits vorhandene Standardausrüstungen implementiert werden, so dass normale Labormikroskope mit diesen attraktiven Zusatzfunktionen ausgerüstet werden können. Auf diese Weise ergibt sich für Mikroskopiker die Möglichkeit, ihre bereits vorhandenen Mikroskope aufzurüsten und meine Methoden in Ergänzung zu den etablierten Standardtechniken einzusetzen, ohne in ein neues Mikroskop investieren zu müssen.

Auf dem Bundeswettbewerb „Jugend forscht“, der im Mai 2012 in Jena stattfand, wurden meine Arbeiten mit dem 1. Platz im Fach Physik ausgezeichnet. Zusätzlich wurden sie zur Teilnahme am 24. European Union Contest für Young Scientists (EUCYS) nominiert, der vom 21. September bis 26. September 2012 in Bratislava stattfindet. Auf diesem Wettbewerb erhielt ich den "Eiroforum Special Donated Prize".

Meine Originalarbeit, welche auf dem Bundeswettbewerb “Jugend forscht” prämiert wurde, ist auf der Homepage der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) als PDF im Volltext hinterlegt und über folgenden Download-Link erhältlich:

http://www.dgzfp.de/Portals/24/IZ/PDF/Jugend%20forscht/RW%20Rheinland-Pfalz%20-%20Bitburg%202012.pdf


  Eine englische Version meiner Homepage findet sich unter www.timm-piper.com.



Letztes Update: 10.08.2012
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