Optische Technologien von ZEISS

Arbeit an einem Prüfgerät für Photomasken mit Optik von ZEISS

Arbeit an einem Prüfgerät für Photomasken mit Optik von ZEISS

Mikrochips im richtigen Licht

Licht ermöglicht moderne Kommunikation

Smartphones, Kameras, Laptops: All diese elektronischen Geräte sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Immer größere Datenmengen können gespeichert oder transferiert werden. Licht bildet die Grundlage der modernen Informations- und Kommunikationstechnologie.

Die Bandbreite reicht von der Datenübertragung mit Hilfe von Lichtwellenleitern in Glasfaserkabeln bis hin zur Speicherung und Verarbeitung von Daten auf Mikrochips.

Technologien von ZEISS spielen bei der Herstellung von leistungsfähigen Mikrochips eine entscheidende Rolle. In einem Belichtungsverfahren, Lithographie genannt, wird Licht gezielt gebündelt, um kleinste Strukturen auf den Mikrochips zu erzeugen. Dafür wird eine Photomaske erstellt, die alle Informationen über die späteren Schaltkreise des Chips enthält. In einem sogenannten Wafer-Scanner fällt Licht durch die Photomaske auf eine mit photoaktivem Lack beschichtete Siliziumscheibe, dem Wafer. Die Strukturen auf der Maske werden dabei mit einem ZEISS Objektiv vierfach verkleinert. Der Wafer wird nach der Belichtung wie ein analoger Film entwickelt. Bei diesem Prozess löst sich in den belichteten Bereichen der Lack auf. Hier ist der Wafer dann leitfähig und es können Schaltkreise entstehen – auf kleinstem Raum.

Auch bei der Prozesskontrolle in der Halbleiterindustrie werden ZEISS Technologien eingesetzt. Da die Photomasken alle relevanten Daten enthalten, die auf die Wafer übertragen werden sollen, dürfen sie keine kritischen Defekte enthalten. Nur so können funktionsfähige Chips hergestellt werden. Mit Lösungen von ZEISS können Defekte auf Masken zuverlässig analysiert und repariert werden - bis auf Subnanometer genau. Und alles mit Hilfe des Lichts!

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Typische Momentaufnahme aus der Optikfertigung

Typische Momentaufnahme aus der Optikfertigung

Dünne Schichten machen den Unterschied

"Spieglein, Spieglein an der Wand..."

Diese Frage von Schneewittchens Stiefmutter an ihren Zauberspiegel kennt fast jedes Kind. Auch wenn Spiegel nur im Märchen zaubern können, haben sie doch etwas Magisches: Durch die dünne Schicht auf dem Glas entsteht eine Reflexion, und wir können uns darin spiegeln.

Die Idee, eine zusätzliche Schicht auf eine Glas-Oberfläche aufzubringen und damit deren optische Eigenschaften zu verbessern, begründete ein neues Spezialgebiet der Optik. Dünne optische Schichten bestimmen über Reflexion oder Transmission, über hell oder dunkel. Sie sind als Schlüsseltechnologie maßgeblicher Bestandteil eines jeden optischen Systems und begegnen uns im Alltag häufig. Vor allem auf Brillengläsern sorgen sie für einen reflexfreien Durchblick oder verhindern, dass ultraviolette Strahlung durch die Sonnenbrille ins Auge fällt. Sogar die Rettungsdecke im Erste-Hilfe-Kasten basiert auf der Dünnschicht-Technologie. Auch Wissenschaftler nutzen die dünnen Schichten in modernen Mikroskopen oder in Großteleskopen.

ZEISS hatte mit einer Technologie maßgeblich zur Weiterentwicklung der Dünnschichtoptik beigetragen: 1935 entwickelten Jenaer Wissenschaftler von ZEISS den sogenannten „T-Belag“. Damit werden auch heute noch störende Reflexe an optischen Flächen aus Glas vermindert und die Transmission, also die Durchlässigkeit, optischer Systeme erhöht. Um die Schicht aufzubringen wird das gewünschte Material zuerst verdampft. Später kondensiert es auf dem Trägermaterial und bildet eine feste Schicht im Mikro- bis Nanometerbereich. Diese dünnen Schichten bestimmen die physikalischen Eigenschaften und Einsatzgebiete des damit vergüteten Trägermaterials.

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Klassischer ZEISS Blinkkomparator

Klassischer ZEISS Blinkkomparator

Große Entdeckungen im Daumenkino

(Klein)Planet Pluto mit Blinkkomparator von ZEISS entdeckt

Als der Physiker Carl Pulfrich 1904 bei ZEISS seinen sogenannten Blinkkomparator entwickelte, ahnte er nicht, wie viele wichtige astronomische Entdeckungen mit seiner Erfindung gemacht werden würden.

Das Gerät ermöglicht, zwischen zwei Fotoaufnahmen schnell zu wechseln. Das ist vergleichbar mit einem Daumenkino – allerdings nur mit zwei Bildern. Zeigen beide Abbildungen beispielsweise den gleichen Himmelsausschnitt zu verschiedenen Zeiten, kann man Veränderungen zwischen den Aufnahmen leichter erkennen. So werden vor allem Bewegungen und Helligkeitsschwankungen von Himmelsobjekten sichtbar.

Mit der bei ZEISS entwickelten Technik entdeckte Henrietta Swan Leavitt 1912 den Zusammenhang zwischen der Helligkeitsänderung bestimmter Sterne und ihrer Leuchtkraft. Je langsamer die Helligkeit eines Sterns sich ändert, desto mehr Strahlung gibt er ab. Von dieser Strahlung kommt aber nicht alles auf der Erde an. Vergleicht man die errechenbare Gesamtstrahlung mit jener, die noch auf der Erde gemessen wird, kann man aus der Differenz die Entfernung der Erde zu dem Stern bestimmen. Mit dieser Methode ermittelte Edwin Hubble später erstmals die Entfernung zu unserer Nachbargalaxie Andromeda.

Die wohl berühmteste Entdeckung mit einem Blinkkomparator von ZEISS wurde 1930 gemacht: Der junge Forschungsassistent Clyde Tombaugh entdeckte am Lowell Observatorium in Arizona (USA) den damals neunten Planeten Pluto. Dazu verglich er zwei Fotos, die er am 23. und 29. Januar desselben Jahres aufgenommen hatte. Er stellte fest, dass sich einer der vermeintlichen Sterne gegenüber den anderen bewegte. Das ist typisch für Planeten.

Durch den zunehmenden Einsatz von digitaler Fototechnik hat der Blinkkomparator mittlerweile weitestgehend an Bedeutung verloren. Heute wird er fast nur für Archivrecherchen verwendet oder steht im Museum.

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Das Alfred-Jensch-Teleskop schaut zum Mond (Quelle: Christian Högner, Thüringer Landessternwarte Tautenburg)

Das Alfred-Jensch-Teleskop schaut zum Mond (Quelle: Christian Högner, Thüringer Landessternwarte Tautenburg)

Eingefangenes Licht aus dem All

Wie das Tautenburger Teleskop Licht fremder Welten einfängt

In Tautenburg, einem kleinen Ort knapp 15 Kilometer nordöstlich von Jena, steht seit 1960 das größte optische Teleskop Deutschlands. Das nach dem ZEISS Konstrukteur benannte Alfred-Jensch-Teleskop ist das wichtigste Beobachtungsinstrument der Thüringer Landessternwarte und ein Universaltalent.

Es kann in drei verschiedenen optischen Konfigurationen benutzt werden. Das Teleskop besteht sowohl aus Spiegeln, als auch aus Linsen. Herzstück ist ein Spiegel mit zwei Metern Durchmesser, der das einfallende Licht für die Beobachtung sammelt.

Im sogenannten Schmidt-Modus ist das Teleskop besonders gut zum Fotografieren astronomischer Objekte geeignet. Durch eine speziell geschliffene Korrekturlinse an der Öffnung des Teleskops werden außerdem Abbildungsfehler verringert. In dieser Einstellung ist das Tautenburger Teleskop das größte Schmidt-Teleskop der Welt.

Neben diesem Aufbau kann man das Beobachtungsinstrument auch für die Spektroskopie verwenden. Dabei wird das Licht der Sterne in seine Bestandteile, zerlegt, um mehr über deren chemische Zusammensetzung zu erfahren. Sogar für das Auffinden von Planeten um andere Sterne ist dieser Modus des Teleskops nützlich.

Als die Idee für den Bau des Teleskops entstand, hatte es zuvor noch kein Gerät dieser universellen Bauart gegeben. Hans Kienle, Direktor des Astronomischen Observatoriums in Potsdam, vergab 1949 den Auftrag an ZEISS. Elf Jahre vergingen bis zur ersten Beobachtung in Tautenburg, bei der unsere Nachbargalaxie Andromeda fotografiert wurde.

Seit dem hat das Thüringer Teleskop immer wieder maßgeblich zur modernen astronomischen Forschung beigetragen.

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Weitfeld-Fluoreszenzaufnahme von Nierenzellen mit dem ZEISS ApoTome 2 (Quelle: Michael W. Davidson, The Florida State University, USA)

Weitfeld-Fluoreszenzaufnahme von Nierenzellen mit dem ZEISS ApoTome 2 (Quelle: Michael W. Davidson, The Florida State University, USA)

Leuchtende Zellen

Fluoreszenzmikroskope ermöglichen detaillierte Einblicke für Biologie und Medizin

Es war ein Zufall, dass der ZEISS Mitarbeiter August Köhler 1904 die Fluoreszenz entdeckte. Er arbeitete an einem Ultraviolett (UV)-Mikroskop als er an einem Kristall, den er untersuchte, ein Leuchten beobachtete.

Zuerst schien es ein lästiger Nebeneffekt, dann erkannte Köhler den möglichen Nutzen. 1908 stellte er in Wien das erste Mikroskop vor, das diesen Effekt nutzte. Anfangs wurde die Erfindung vor allem von Botanikern und Mikrobiologen genutzt. Seit Mitte der 1920er hat diese Art der Mikroskopie aber auch die medizinische Forschung erobert.

Das Prinzip ist einfach: Bestimmte Farbstoffe in einer Probe - die Fluorophore - werden durch hochenergetische Strahlung angeregt und können daraufhin selbst strahlen. Dieses Leuchten der Probe nennt man Fluoreszenz. Sie tritt häufig als schwaches grünes oder rotes Licht auf.

Der Nobelpreis für Chemie 2008 markiert einen weiteren Meilenstein in der Fluoreszenzmikroskopie. Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Y. Tsien entdeckten das grün fluoreszierende Protein „GFP“ erstmals in der Qualle Aequorea victoria. Später verbanden sie das GFP-Gen mit anderen Genen, die Proteine bilden. Ein Leuchten zeigte nun, wann ein Organismus diese Eiweiße produziert. Wissenschaftler können folglich mit einem Lichtmikroskop die Aktivität eines Proteins in lebenden Zellen live beobachten. ZEISS bietet dafür heute Laser-Scanning-Mikroskopsysteme, die mit hoher Auflösung und probenschonend dreidimensionale Einblicke in diese Prozesse ermöglichen.

Moderne Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie, wie die photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie (PALM), können mithilfe von fluoreszierenden Proteinen sogar das von Ernst Abbe postulierte Auflösungslimit von Lichtmikroskopen umgehen.

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Das ZEISS Planetarium in Jena (Quelle: Sternevent GmbH)

Das ZEISS Planetarium in Jena (Quelle: Sternevent GmbH)

Der Himmel auf Erden

Wie Jena die Geschichte der Planetarien prägte

Das Zeiss-Planetarium in Jena wurde am 18. Juli 1926 eröffnet und ist damit das betriebsälteste der Welt. Durch seine neue Projektionstechnik von ZEISS gehört es heute gleichzeitig zu den modernsten Planetarien weltweit. 

Eine frühe Idee, einen künstlichen Sternhimmel zu erzeugen, gab es im 17. Jahrhundert in Schleswig-Holstein. In einem riesigen Globus mit drei Metern Durchmesser konnten bis zu zwölf Personen im Kerzenlicht schimmernde, vergoldete Nagelköpfe an der Decke bewundern. Diese waren den Sternkonstellationen am Nachthimmel nachempfunden.

Vermutlich von dieser neuen Technik angeregt, baute der Jenaer Gelehrte Erhard Weigel 1661 auf dem Dach des Jenaer Schlosses ein ähnliches Gerät auf. Löcher in der Außenwand einer 5-Meter-Kuppel stellten hier die Sterne dar.

1913 wandte sich auch Oskar von Miller, der Gründer des Deutschen Museums in München, wegen der Fertigung einer „drehbaren Sternkuppel“ an Dr. Walther Bauersfeld bei Carl Zeiss in Jena. Die Idee, eine große, schwere Kuppel mit den Sternen zu bewegen, schien aber nicht realisierbar. Bauersfeld wollte stattdessen die Sternbewegung unabhängig gestalten und konstruierte ein Gerät auf der Basis optisch-mechanischer Lichtprojektion. Der erste Projektor von ZEISS strahlte mithilfe von 31 Projektoren 4500 Sterne an das Innere der Kuppel. 1923 lief damit eine erste Vorstellung in München.

In Jena entwickelte ZEISS den Projektor weiter und installierte einen Versuchsprojektor auf dem Dach des Werks – auch für öffentliche Vorführungen. Von August 1924 bis Januar 1926 besuchten fast 80.000 Menschen dieses „Wunder von Jena“. Wegen der großen Nachfrage wurde daraufhin das heutige Zeiss-Planetarium errichtet.

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Arbeitsschritt des SMILE-Verfahrens

Arbeitsschritt des SMILE-Verfahrens

Wenn Licht das Auge schärft

Präzise Laserchirurgie korrigiert Sehfehler schonend und schnell

Laserlicht und Auge – das kann eine gefährliche Kombination sein. Deshalb muss man in vielen Laserlaboren eine Schutzbrille tragen und im Umgang mit Laserpointern vorsichtig sein. Doch ein Laser kann auch Sehfehler beheben.

In der Laserchirurgie wird bei kurz- oder weitsichtigen Menschen gezielt die Krümmung der Hornhaut mit Laserlicht bearbeitet - in nur wenigen Minuten und nahezu schmerzfrei. Die Umwelt wird wieder scharf auf der Netzhaut abgebildet.

Die weltweit am weitesten verbreitete Methode zur Korrektur von Fehlsichtigkeit mithilfe eines Lasers ist das LASIK-Verfahren. Dabei wird die obere Schicht der Hornhaut ein Stück aufgeschnitten und „aufgeklappt“. Darunter kann die Krümmung der Hornhaut dann bearbeitet werden. Ärzte setzen dafür Laser ein, die in kurzen Impulsen ultraviolettes Licht aussenden. Es besitzt die Kraft, das Hornhautgewebe zu verdampfen, und zwar an genau den richtigen Stellen und nur genau so viel, dass die Hornhaut die gewünschte Form erhält und der Sehfehler des Betroffenen ausgeglichen wird. Das umliegende Gewebe wird dabei kaum erwärmt. Mit diesem Verfahren lassen sich allein in Deutschland rund 130.000 Menschen im Jahr ihre Fehlsichtigkeit behandeln.

In Zusammenarbeit mit Augenärzten aus ganz Deutschland hat ZEISS Geräte für die neueste Methode der Laserchirurgie, dem SMILE-Verfahren, entwickelt. Dabei geht man noch schonender vor: Ohne die Oberfläche der Hornhaut zu verletzen, wird in deren Inneren mit einem Laser ein linsenförmiges Gewebescheibchen ausgeschnitten. Der Laser reiht dazu winzige Bläschen aneinander und trennt so das Scheibchen heraus, das danach durch einen winzigen seitlichen Schnitt entfernt wird. Auch dadurch ändert sich die Hornhautkrümmung und der Patient kann wieder scharf sehen. Laserlicht und Auge kann also durchaus eine gute Kombination sein.

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Ansicht eines Zytoskeletts mit PALM (Quelle: S. Niwa, N. Hirokawa, University of Tokyo, Japan)

Ansicht eines Zytoskeletts mit PALM (Quelle: S. Niwa, N. Hirokawa, University of Tokyo, Japan)

Mit Lichtblitzen das Innere von Zellen erkunden

Wie leuchtende Proteine helfen, das Auflösungslimit von Lichtmikroskopen zu überwinden

Wie entstehen Synapsen zwischen Nervenzellen? Welche Rolle spielen Proteine bei lebensbedrohlichen Krankheiten? All diese Fragen können durch superauflösende Mikroskopie untersucht werden, denn damit können Strukturen von nur 20 Nanometern abgebildet werden.

Das liegt weit jenseits der von Ernst Abbe im 19. Jahrhundert berechneten Auflösungsgrenze. Für die Entwicklung dieser Technologie wurde den Wissenschaftlern Eric Betzig, Stefan Hell und William Moerner der Nobelpreis für Chemie 2014 verliehen.

Gerade die von Betzig und seinem Kollegen Harald Hess entwickelte Methode – die photoaktivierte Lokalisationsmikroskopie (PALM) – eignet sich sehr gut für die Untersuchung lebender Zellen. Das ZEISS ELYRA Mikroskopsystem arbeitet mit dieser Methode. Bei PALM werden durch kurze Lichtblitze fluoreszente Proteine zum Leuchten angeregt - bei jedem Lichtblitz statistisch aber nur sehr wenige. Von diesen werden solange Bilder aufgenommen, bis die Intensität der Fluoreszenz stark abgenommen hat. Danach regt ein neuer Lichtblitz andere Proteine an.

Weil zu nah beieinander liegende Leuchtpunkte nach dem Auflösungslimit von Abbe nicht voneinander getrennt werden könnten, ist es entscheidend, dass immer nur wenige Proteine leuchten. Weit separierte Proteine kann man dagegen punktgenau orten, auch wenn sie durch Beugungseffekte zunächst ausgedehnt erscheinen. Mit mathematischen Algorithmen werden diese Effekte herausgerechnet. Die häufige Wiederholung des Verfahrens lässt jedes Protein einmal leuchten. Werden die Einzelbilder mit den errechneten Positionen addiert, erhält man ein Abbild der kompletten Zelle. Durch die Addition wird das Auflösungslimit der Einzelbilder umgangen und Vorgänge im Inneren von Zellen bleiben nicht länger ein Geheimnis.

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Augenvermessung mit der optischen Kohärenz-Tomografie

Augenvermessung mit der optischen Kohärenz-Tomografie

Augenkrankheiten im Fokus

Optische Kohärenz-Tomografie: Wie Infrarotstrahlung hilft, kleinste Strukturen im Auge zu erkennen

Der Weg aus dem Labor in die Praxis war bemerkenswert kurz: Nur sechs Jahre sind von der wissenschaftlichen Erstbeschreibung der Optischen Kohärenz-Tomografie (OCT) bis zur Marktreife erster Produkte vergangen.

Heute nutzen Augenärzte weltweit OCT-Geräte von ZEISS zur Untersuchung von Patienten mit schwerwiegenden Netzhauterkrankungen. Dem Markterfolg vorausgegangen war eine enge Zusammenarbeit des Unternehmens mit den amerikanischen OCT-Pionieren seit Beginn der 1990er Jahre. Diese Zusammenarbeit stand in der von Carl Zeiss selbst begründeten Tradition, im direkten Austausch mit Wissenschaftlern besonders praxistaugliche Geräte zu entwickeln. Zugleich ist der Siegeszug der OCT-Technologie ein gelungenes Beispiel für den heute oft geforderten Transfer aus der Wissenschaft in die Wirtschaft.

OCT liefert als optische Entsprechung der akustischen Ultraschalltechnologie ein Bild von der inneren Struktur eines Körperteils. Statt mit unhörbar hohen Tönen arbeitet OCT jedoch mit Licht im Infrarot-Bereich, wie man es von Wärme-Lampen kennt. In puncto Auflösung ist das Licht dem Schall weit überlegen: Mit OCT lassen sich zwei Punkte unterscheiden, die nur fünf Tausendstel Millimeter auseinanderliegen – das entspricht einem Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares. Der für Untersuchungen am Auge bisher übliche Ultraschall erreicht nur wenige Zehntelmillimeter Auflösung.

Den Augenarzt versetzt OCT in die Lage, krankhafte Veränderungen in den einzelnen Schichten der Netzhaut und an der Makula – dem Punkt des schärfsten Sehens – zu erkennen. Solche Veränderungen können als Folge einer Zuckererkrankung auftreten oder altersbedingt sein. Außerdem kann der Arzt mit OCT sehr frühzeitig Veränderungen der Nervenfasern in der Netzhaut und damit den Beginn eines Grünen Stars feststellen.

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Auswertung der Daten des ZEISS IOLMasters

Auswertung der Daten des ZEISS IOLMasters

Die Vermessung des Auges – berührungslos und schmerzfrei

Mit optischer Biometrie zu neuer Sehkraft

Menschen, die an der Augenkrankheit Grauer Star leiden, nehmen ihre Umgebung zunehmend so wahr, als blickten sie durch einen Wasserschleier. Davon leitet sich auch der medizinische Fachbegriff "Katarakt" (griechisch für Wasserfall) ab. Werden sie nicht behandelt, droht ihnen Erblindung.

Weltweit steigt die Anzahl der Betroffenen. Grauer Star lässt sich aber vergleichsweise einfach behandeln. Der ambulante Austausch der getrübten Linse gegen eine Kunstlinse ist die weltweit am häufigsten durchgeführte Operation. Etwa 90 Prozent der Patienten erreichen dabei eine gute bis hervorragende Sehleistung – viele davon ganz ohne Brille! Dafür ist aber die Wahl der richtigen Kunstlinse entscheidend, die wiederum eine genaue Vermessung der Augapfellänge, des Hornhautradius und des Abstandes zwischen Hornhaut und Linse erfordert. ZEISS bietet bereits seit 15 Jahren Geräte an, mit denen der Arzt diese Untersuchungen im Gegensatz zur Messung mit Ultraschall berührungslos und deshalb schmerzfrei vornehmen kann. Die diesen Geräten zugrunde liegende „Optische Biometrie“ nutzt das Phänomen der Interferenz, also der Überlagerung zweier Lichtwellen, deren Phasenbeziehung stets gleich bleibt. Dafür benötigt man einen Laser als Quelle, denn von einer Glühlampe ausgesandte Lichtwellen ändern ihre Phasenbeziehung sehr schnell und zufällig.

Bis heute in Jena produziert, gehört der ZEISS IOLMaster zu den erfolgreichsten Produkten für die Augenheilkunde der letzten Jahre. Nach inzwischen weltweit mehr als 100 Millionen IOL-Berechnungen gilt das Gerät international als Standard für die gesamte Branche, wenn es um die exakte Berechnung von Kunstlinsen für Kataraktpatienten geht.

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