Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
© Fraunhofer IPT

Blitzschnelle 100-Prozent-Prüfung unter dem Mikroskop

© Fraunhofer IPT

© Fraunhofer IPT

Automatisierte High-Speed-Mikroskopie für biologische Präparate

© Fraunhofer IPT

Highspeed-Mikroskopie zur Qualitätskontrolle

Blitzschnelle Aufnahme großer Flächen mit mikroskopischer Auflösung

© Fraunhofer IPT
Automatische vollflächige Untersuchung eines Wafers auf mikroskopische Strukturen unter dem High-Speed-Mikroskop

Durch die High-Speed-Mikroskopie lassen sich großflächige Objekte in kürzester Zeit in mikroskopischem Maßstab aufnehmen. In der Halbleiter-, Elektronikindustrie und der Biologie ist der Bedarf an mikroskopischen Prüfverfahren besonders groß, da die zunehmende Inspektion großer Flächen einen immer schnelleren Aufnahmeprozess erfordert.

Bei der High-Speed-Mikroskopie bewegt sich das Objekt dabei im Gegensatz zum herkömmlichen Stop-and-Go-Betrieb kontinuierlich während des Aufnahmevorgangs. Dadurch kann die Probe mit sehr hohen Bildraten – je nach Kamera mit mehr als 100 fps – digitalisiert werden. Durch eine synchrone Blitzbeleuchtung wird Bewegungsunschärfe vermieden. Während des kontinuierlichen Scanvorgangs regeln echtzeitfähige Hardware-Autofokussysteme den Fokus automatisch nach, sodass die Probe an jeder Stelle scharf abgebildet wird. Die Einzelaufnahmen werden durch einen effizienten Stitching-Algorithmus zu einem hochauflösenden und großflächigen Gesamtbild zusammengefügt.

Eine Software zur echtzeitfähigen Datenaufnahme mit RAM-Recording, die am Fraunhofer IPT eigens für die High-Speed-Mikroskopie entwickelt wurde, gewährleistet, dass Bildvorverarbeitung und Stitching dank GPU-Processing ohne Verzögerung ablaufen. Die Aufnahmen können mit sepziell entwickelten Bildverarbeitungsalgorithmen automatisiert ausgewertet werden. Aktuelle Entwicklungen zielen dabei auf den Einsatz von Methoden des Maschinellen Lernens wie Deep Learning mittels Convolutional Neuronal Networks (CNN).

Obwohl das Verfahren bereits heute ca. 30-mal schneller ist als vergleichbare Stop-and-Go-Methoden arbeitet das Fraunhofer IPT daran, den Aufnahmevorgang noch weiter zu beschleunigen. Hierzu werden neben einer stetigen Verbesserung der Software regelmäßig neue Komponenten integriert, wie beispielsweise die Blitz-Beleuchtung, Sensorik für das Hardware-Autofokussystem und Kameratechnik.

Unser Leistungsangebot

  • Integration vollautomatisierter Mikroskopielösungen in Anlagen
  • Befähigung bestehender Mikroskope zur High-Speed-Bildaufnahme
  • Entwicklung und Installation leistungsfähiger Kurzpuls-Beleuchtungen
  • Individuelle Bilddatenauswertung, klassisch und KI-gestützt
  • Unterstützung bei der Entwicklung von Mikroskopiesystemen

Informationsmaterial

Labor-Audit: Portfolio

In unserem Portfolio erhalten Sie detaillierte Informationen zu unserem Leistungsspektrum. Sie haben hier zusätzlich die Möglichkeit das Portfolio herunterzuladen.

Portfolio Mikroskopie

In unserem Portfolio finden Sie detaillierte Informationen zu den einzelnen Modulen und unserem Leistungsspektrum in der Hochgeschwindigkeitsmikroskopie. Sie haben auch die Möglichkeit, das Portfolio hier herunterzuladen.

Anwendungen

Elektronik- und
Waferfertigung

Mit der individuell anpassungsfähigen Software des Fraunhofer IPT lassen sich sowohl einzelne Baugruppen als auch ganze Wafer auf mikroskopische Fehler untersuchen und automatisiert auswerten. Spezielle Beleuchtungsarten können integriert werden.

Biologie

Mit Phasenkontrast-, Flouriszenz-, Durchlicht und Auflichtmikroskopie kann die Highspeed-Mikroskopie ganze Zellkulturgefäße und Slides sehr schnell mikroskopieren und somit ein vollständiges Abbild erzeugen.

Mikrostrukturfertigung

Großflächige Mikrostrukturen lassen sich mit der High-Speed-Mikroskopie sehr schnell aufnehmen. Eine Inline-Bilderkennung ist möglich.

Projekte

PhaseAdaptS

Mit »PhaseAdaptS« soll ein Verfahren entwickelt werden, das in der Phasenkontrastmikroskopie den Meniskuseffekt bei der Bildaufnahme optisch ausgleicht und so schnell großflächige Aufnahmen mit deutlich erhöhtem Phasenkontrastbereich macht.

AIxCell

Im Projekt »AIxCell« haben wir gemeinsam mit unseren Partnern ein Softwaretool entwickelt, das Zellbilder automatisiert vorverarbeitet, sodass biologische Fachkräfte ein geeignetes Modell direkt auswählen und nutzen können.

Liftoscope

Im Forschungsprojekt »LIFToscope« entwickeln wir ein vollautomatisiertes System zur Zellanalyse und -separation. Ein in das High-Speed-Mikroskop integrierter Laser transferiert dabei lebende Zellen schonend und präzise.

JointPromise

In »JointPromise« entwickeln wir eine automatisierte Fertigungsplattform zur Herstellung funktionaler Gelenkimplantate.

StemCellFactory/ Discovery

Ein High-Speed-Mikroskop ermöglicht die vollständige Aufnahme von Mikrotiterplatten in weniger als einer Minute. Bildauswertung mittels Deep Learning erlaubt die Klassifizierung induziert-pluripotenter Stammzellen.

APERITIf

Der Phasenkontrast ist eines der wichtigsten Mikroskopieverfahren, um transparente, unangefärbte Zellen sichtbar zu machen. Adaptive Phasenkontrastmikroskopie vergrößert den sichtbaren Bereich um ein Vielfaches.

Veröffentlichungen

Adaptive phase contrast microscopy

(Florian Nienhaus et al., 2023) Adaptive phase contrast microscopy to compensate for the meniscus effect, Fraunhofer IPT, 2023.

LIFTOSCOPE

(Florian Nienhaus et al., 2023) LIFTOSCOPE: automatisierte Highspeed-Zelluntersuchung und -transfer. 

Automated cultivation in StemCellDiscovery

(Ochs et al., 2021): Fully Automated Cultivation of Adipose-Derived Stem Cells in the StemCellDiscovery - A Robotic Laboratory for Small-Scale, High-Throughput Cell Production Including Deep Learning-Based Confluence Estimation, Fraunhofer IPT, 2021.

Polarized Light Imaging

(Florian Nienhaus et al., 2023) Polarized Light Imaging in Life Sciences. Continuous Scanning Polarized Light Microscopy, Fraunhofer IPT, 2023.

Deep Learning

(Piotrowski et al., 2021): Deep-learning-based multi-class segmentation for automated, non-invasive routine assessment of human pluripotent stem cell culture status, Fraunhofer IPT, 2021.

High speed microscopy of moving cell culture vessels

(Schenk et al., 2016): High-speed microscopy of continuously moving cell culture vessels, Fraunhofer IPT, 2016.

Mikroskopieren in Bewegung

Mit einer schnellen Digitalisierung der Proben und einer parallel stattfindenden Bildauswertung kann automatisierte Mikroskopie für Analytik und Qualitätskontrollen beschleunigt und effizienter werden.