Lensvrije microscopen zijn niet alleen goedkoper, maar ook gemakkelijker in te passen in automatische processen. ‘We vullen een lacune waar de huidige lenstechnologie het laat afweten.’

Imec, het Leuvense onderzoekscentrum voor nano-elektronica en digitale technologie, experimenteert al jaren met lensvrije microscopen aangestuurd met laserlicht. ‘Momenteel beleeft deze beeldvormingstechniek een flinke doorbraak’, vertelt Richard Stahl, onderzoeker bij de divisie geïntegreerde beeldvorming. ‘Dat komt vooral doordat we nu beschikken over goedkope laserbronnen en beeldsensoren met veel en erg kleine pixels. Tien jaar geleden hadden we die nog niet. In ieder geval niet voor een betaalbare prijs. Je kunt gerust stellen dat de huidige doorbraak er nooit was gekomen zonder de continue vraag vanuit de game-industrie naar betere en goedkopere beeldtechnologie.’

Kader: lensvrije microscoop

Holografische beeldvorming en holografische microscopie vormen de basis onder de lensvrije microscopie. Beide technieken gaan terug tot de jaren vijftig van de vorige eeuw. Bij deze technieken wordt er geen sterk vergroot beeld op een detector geprojecteerd dat de verdeling van de lichtintensiteit toont, zoals bij een conventionele microscoop het geval is. In de plaats daarvan schijnt een min of meer coherente lichtbundel, bijvoorbeeld afkomstig van een laser, op het sample. Daarna meet een beeldsensor (meestal een CMOS-chip) de eigenschappen van het verstrooide en weerkaatste licht. De resultaten van die metingen gaan samen met de karakteristieken van de gebruikte lichtbundel naar een computer. Een slim algoritme reconstrueert én vergroot tegelijkertijd het beeld van het sample; een hologram in feite.

Focussen

Er zijn diverse verschillen met conventionele microscopen (zie kader Lensvrije microscoop). Stahl benoemt het belangrijkste verschil: ‘Onze microscopen missen de optische component, alsook het fysieke mechanisme om te focusseren. Die functies zitten bij onze lensvrije microscopen verwerkt in de software. We minimaliseren dus de hardware en gebruiken een computer, eventueel zelfs van op afstand, om het beeld samen te stellen.’

Je kunt er samples haast automatisch mee bestuderen

Het voordeel van een lensvrije microscoop? Hij is goedkoper, want er zijn geen lenzen en andere kostbare optische componenten nodig. Bovendien is de beeldresolutie – bij de prototypes van imec schommelt ze rond de micrometer – losgekoppeld van het blikveld. Dat is bij een conventionele lichtmicroscoop niet zo, wat een fijne kalibrering vereist tussen blikveld en resolutie. Een ander voordeel van de lensvrije microscoop is dat je er samples haast automatisch mee kunt bestuderen. Stahl: ‘Het focusseren gebeurt automatisch door het algoritme. Ook de beeldverwerking nadien gebeurt trouwens helemaal digitaal en volautomatisch. Dat is bijvoorbeeld heel handig als je cel- of weefselculturen bestudeert in een incubator. Daarbij wil je je samples zo weinig mogelijk manipuleren, zodat de verstoringen minimaal blijven.’

De afwezigheid van de optica en de focusmechaniek laat ook toe dat een lensvrije microscoop heel compact is. Zo is hij geschikt voor zogenoemde point-of-care-toestellen, zeg maar draagbare minilabs, om bijvoorbeeld snel op de rode of de witte bloedcellen in een bloedstaal te kunnen inzoomen.

Maar de lensvrije microscopen van imec zijn ook geschikt voor materiaalonderzoek, of om heel vlug luchtdeeltjes te analyseren. ‘Voor het Europese ruimtevaartagentschap ESA hebben we al materialen geanalyseerd op minuscule imperfecties’, vervolgt Stahl. ‘Evengoed kunnen we in een atmosferisch sample hypersnel pollen en andere allergenen identificeren. Lensvrije microscopen zijn dus toepasbaar in een zeer breed spectrum.’

Er zijn al enkele bedrijven die een lensvrije microscoop van imec gebruiken, al betekent dat nog niet dat het ‘systeem’ ook al commercieel verkrijgbaar is. ‘Zo zien wij het in ieder geval niet’, stelt de imec-onderzoeker. ‘Wij noemen het dan ook een evaluatiesysteem. Klanten met wie we een goede band hebben, kunnen zo’n systeem kopen. In ruil ontvangen wij dan graag hun feedback. Imec heeft immers niet de ambitie om een producent van microscopen te worden. De algoritmen en de belichtingstechnologie hebben we natuurlijk wel gepatenteerd, dus hoogstens komt er ooit een spin-off.’

Nanoscoop

Ook aan de Technische Universiteit Delft werken onderzoekers al enkele jaren naarstig aan lensvrije microscopen, al kun je hier wellicht beter spreken van ‘nanoscopen’. Ze draaien namelijk op hoogenergetische röntgenstralen die details zichtbaar maken van enkele nanometers groot. In Delft liggen er geen levende organismes (of delen ervan) onder de beeldsensor, maar dode materie, bijvoorbeeld siliciumwafers om minuscule fouten tijdens de fabricage van micro- of nanochips op te sporen. ‘In dit gebied van enkele tientallen nanometers zijn er geen hoogkwalitatieve lenzen beschikbaar’, zegt hoogleraar optica Paul Urbach. ‘En dus zoeken we naar alternatieven zonder afbeeldingslenzen.’

‘We vullen een lacune in waar de lenstechnologie het laat afweten.’

Net als bij de lensvrije lichtmicroscopen van imec, werken Urbach en zijn collega’s met laserbundels, weliswaar samengesteld uit röntgenstralen. Een voorwaarde voor een goede werking van de microscoop is dat de karakteristieken van de laserbundels heel precies bekend zijn. Door die informatie te combineren met de eigenschappen van de weerkaatste of verstrooide röntgenstralen – die heel nauwkeurig en veelvuldig moeten worden gemeten en vastgelegd – en ze vervolgens met software te verwerken, ontstaat een uitermate scherp beeld. Overigens heeft de lens in Delft niet helemaal afgedaan. Urbach: ‘We gebruiken nog lenzen om zo veel mogelijk verstrooide straling naar de beeldsensors te sturen. Die hoeven echter geen hoge afbeeldingskwaliteit te hebben, omdat ze geen beeld op een detector moeten projecteren.’

Opmerkelijk aan de Delftse lensvrije microscopen is dat ze zelfs details van de grootteorde van de golflengte van de röntgenstralen in beeld kunnen brengen. ‘Hiervoor moeten we de interactie van het sample met het invallende licht wel nauwkeuriger beschrijven dan bij objecten die groter zijn’, zegt Urbach. ‘We willen een driedimensionaal beeld construeren, waarbij we de verstrooiing van het licht berekenen door de Maxwellvergelijkingen op te lossen (de wetten die bepalen hoe elektromagnetische golven zoals röntgenstralen zich gedragen, en die toelaten de bron van de verstrooiing te reconstrueren, red.). Het is nog altijd hetzelfde principe, alleen een stuk ingewikkelder.’

Microchips

De Delftenaar denkt dat zijn techniek vooral interessant is om hyperfijne en driedimensionale beelden te maken van microchips. ‘Door de steeds verdergaande miniaturisering in de chipindustrie zullen we transistors en chips straks met röntgenstralen kunnen etsen op siliciumwafers. Nu kunnen we die extreem kleine structuren nog niet goed in beeld brengen, omdat van de huidige technieken of de resolutie te laag is of het penetrerende vermogen te wensen overlaat.’ Zoals Stahl het formuleert: ‘We willen de conventionele microscopen niet wegconcurreren, we vullen een lacune in waar de lenstechnologie het laat afweten.’

Kader: LINX-project

Eind 2017 sleepte de groep van Paul Urbach van de TU Delft een forse NWO-subsidie binnen. Het doel van het LINX-project (lensless imaging of 3D nanostructures with soft x-rays) is om nanostructuren zichtbaar te maken met röntgenstralen met een golflengte tussen 10 en 30 nm. In het consortium zitten ook diverse andere Nederlandse universiteiten, TNO en bedrijven zoals de Eindhovense chipfabrikant ASML.