Digital-holographisches Mikroskop

Am vergangenen Donnerstag präsentierten die Schülerinnen und Schüler des Freiburg-Seminars, wie eine erfolgreiche Kooperation mit einem externen Forschungsinstitut und über Fachgrenzen hinweg aussehen kann: Im Rahmen des Projekts „HolMOS – Digital-holographisches Mikroskop für OpenScience“ entwickelten zwei Physik-AGs unter der Leitung von Michael Abendschein und Jens Meinhardt im Laufe der letzten zwei Jahre einen Prototyp, mit dem 3D-Mikroskopbilder für Schulen und private Interessierte erschwinglich werden sollen (siehe unsere vorigen Beiträge). In diesem Schuljahr waren auch die Schülerinnen und Schüler der Biologie-AG „Mikroskopie“ mit im Boot, die von Nikolaus Ruf geleitet wurde. Die Biologie-AG erkundete zunächst die Möglichkeiten der klassischen Mikroskopie, um dann den entstehenden Prototyp des neuen Mikroskops intensiv zu testen und seine Möglichkeiten auszuloten. Die Ergebnisse wurden nun im Rahmen eines Experimentalvortrags vorgestellt.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Externer Kooperationspartner des Freiburg-Seminars ist das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, als dessen Vertreter Dr. Andreas Hofmann beim Abschlussvortrag dieses Schuljahrs anwesend war. Außerdem durften wir Frau Parissius begrüßen, die Leiterin von TheoPrax beim Fraunhofer Institut für Chemische Technologie. Sie unterstützte die Schüler/innen der Physik-AG beim Projektmanagement.

Um die komplexen Anforderungen der Entwicklung zu bewerkstelligen, hat sich die Physik-AG in verschiedene Teams aufgeteilt, die im Rahmen des Vortrags ihren Arbeitsstand vorstellten.

Zunächst wurde der bisherige Werdegang des Mikroskops erläutert, in dessen Verlauf zunächst prinzipielle Konstruktionsmöglichkeiten mit Hilfe von hochwertigen, von der Universität zur Verfügung gestellten Komponenten getestet wurde. Mit diesen konnte ein sinnvoller Strahlengang sowie die Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander ermittelt werden. Für das geplante Endprodukt sind diese Komponenten allerdings zu teuer, so dass später günstigere Lösungen gefunden wurden.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Das Laser-Team erklärte, wie sie über verschiedene aufwändig selbst gebaute Lösungen nun bei einem Laserpointer als Lichtquelle gelandet sind. Der Laser ist ein zentraler Bestandteil des Mikroskops. Sein Licht wird dazu benutzt, die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts abzutasten. Der reflektierte Anteil wird mit einem Referenzstrahl verglichen und so ein 3D-Bild errechnet. Dieses entsteht durch die Anwendung komplexer Algorithmen nach der Methode der Fast-Fourier-Transformation. Die Rechenarbeit wird auf einem günstigen Mini-Computer (Raspberry Pi) durchgeführt. Die Raspberry Pi-Gruppe hat sich hierzu in dieses schwierige informatische Feld eingearbeitet und – um die Sache für spätere Endanwender zu vereinfachen – ein eigenes Programm entwickelt, mit dem die Auswertung nun grafisch bedient werden kann. So müssen spätere Nutzer des Mikroskops den Code nicht selbst verstehen.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

In einem weiteren Abschnitt des Vortrags stellte die CAD-Gruppe ihre Arbeit vor. CAD steht für „Computer Aided Design“ – Computer-unterstütztes Design, was in dieser Gruppe zur Anwendung kam, um die einzelnen Halterungen für die zahlreichen Komponenten des Mikroskops zu entwerfen. Diese wurden dann auf einem 3D-Drucker gefertigt. Die Herausforderung dieser Gruppe besteht darin, die Teile möglichst klein und dennoch robust und genau zu gestalten. Später werden dann die Vorlagen-Dateien der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt, so dass jeder, der Zugang zu einem 3D-Drucker hat, die Bauteile selbst herstellen kann.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Nach einer Zusammenfassung und dem ausführlichen Dank an die vielen externen Beteiligten übernahm die Biologie-AG die Bühne. Die Schülerinnen und Schüler erläuterten, wie sie sich zunächst zu Beginn ihres Projektteils in die klassische Lichtmikroskopie einarbeiteten, um deren Möglichkeiten auszuloten und so eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, welche Anwendungen und Präparate sich für die digital-holographische Mikroskopie eignen könnten. Im Lauf des Schuljahrs intensivierte sich dann die Zusammenarbeit mit den Physik-AGs. Das Testen der entwickelten Prototypen aus der Physik-AG war für beide Seiten spannend: Die Schülerinnen und Schüler der Physik-AG konnten so zum ersten Mal erleben, wie ihre Komponenten von neuen Nutzern eingesetzt und bedient werden. Und die Schülerinnen und Schüler der Biologie-AG konnten zum ersten Mal vergleichen, welche Möglichkeiten der neue mikroskopische Ansatz gegenüber der klassischen Mikroskopie bietet.

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Es wurde deutlich, dass das Projekt HolMOS dieses Schuljahr einen enormen Schritt nach vorn gemacht hat. Der vorhandene Prototyp ist bereits beachtlich klein und besteht aus erschwinglichen Komponenten. Die Dokumentation wurde intensiv betrieben und erste Anleitungen für den Einsatz stehen bereit. Im kommenden Schuljahr geht es nun auf die Zielgerade: Bis Ende Januar 2019 werden die Arbeiten mit den Schülergruppen beendet sein. Wir freuen uns auf das zu erwartende Ergebnis.

Schon jetzt ist aber sehr klar geworden, dass die Schülerinnen und Schüler der beteiligten AGs etwas Unschätzbares erfahren haben: Sie konnten erleben, wie spannend, herausfordernd und faszinierend Forschung und Entwicklung sein können und dass man als großes, fächerübergreifendes Team mit Fachwissen und Engagement viel erreichen kann. Wir danken allen Beteiligten für Ihre hervorragende Arbeit!

HolMOS Abschlussvortrag 2018

Vor einigen Tagen ging das Projekt HOLmos – Digital-holographisches Mikroskop for OpenScience in die nächste Etappe. Zwei Physik-AGs des Freiburg-Seminars haben unter der Leitung von Michael Abendschein und Jens Meinhardt im Laufe der letzten 1 ½ Jahre einen Mikroskop-Prototyp entwickelt, der es ermöglichen soll, 3D-Mikroskopbilder für Schulen und private Interessierte erschwinglich zu machen (siehe unsere vorigen Beiträge). Dabei kooperiert das Freiburg-Seminar mit dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik, als dessen Vertreter Dr. Tobias Beckmann anwesend war. Er ist auch der Hauptansprechpartner der Physik-AG für technische Fragen. Zusätzlich konnten wir Frau Parissius, Leiterin von TheoPrax beim Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, begrüßen. Sie unterstützt die Schüler/innen beim Projektmanagement.

Seit diesem Schuljahr ist nun eine Biologie-AG unter der Leitung von Nikolaus Ruf mit im Projekt, um mögliche Anwendungen auszuloten und den Prototypen unter schulischen Nutzungsbedingungen zu testen. Nachdem sich die Schüler/innen der Biologie-AG in den vergangenen Monaten intensiv mit klassischer Mikroskopie beschäftigt hatten, kamen die beiden Teams nun am  01.03.2018 zusammen, um künftig eng gemeinsam an der technischen Weiterentwicklung des HOLmos-Mikroskops zu arbeiten. Die Schüler/innen der Physik-AG stellten ihren Arbeitsstand vor und wiesen ihre Kolleg/innen der Biologie-AG ein, wie das Mikroskop bis jetzt funktioniert und welche Tests damit schon möglich sind.

Das Physik-Team hat sich in verschiedene Arbeitsgruppen aufgeteilt. Zunächst zeigte die Mikroskop-Gruppe, wie der Grundaufbau des Strahlengangs ermittelt und unter anderem mit der Software GeoGebra simuliert wurde. Als nächstes erläuterten die Schüler der CAD-Gruppe, welche Bauteile sie entworfen und mit dem 3D-Drucker produziert haben. Diese Bauteile tragen alle relevanten Teile des Mikroskops und ermöglichen es, diese flexibel auf einer kostengünstigen Metallschiene zu montieren. Im Anschluss zeigte die Gruppe „Raspberry Pi“, wie weit die Entwicklung der bildgebenden Software bereits vorangeschritten ist. Schließlich zeigte die Gruppe „Stromtreiber“ ihren Arbeitsstand. Ihre Aufgabe ist es, eine gleichmäßige und zuverlässige Stromquelle zur Verfügung zu stellen, die zum Betrieb des Messlasers zwingend erforderlich ist.

Nach dem Vortrag tauschten sich die Gruppen zusammen mit den Lehrern und den anwesenden Experten intensiv aus, um die weiteren Schritte zu planen und so das Projekt bis zum Ende des Schuljahrs weiter voran zu bringen.

Vortrag

Die Ergebnisse der Arbeit in diesem Schuljahr werden am 05.07.2018 beim Vortrag der Physik-AG präsentiert. Der Vortrag beginnt um 17:30 Und und findet im Vortragssaal der Richard-Fehrenbach Gewerbeschule in Freiburg statt.
   
Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Vor einigen Tagen ging ein bemerkenswertes Projekt in die zweite Runde: Schülerinnen und Schüler  des Freiburg-Seminars für Mathematik und Naturwissenschaften trafen sich mit Forschern des Fraunhofer Instituts für Physikalische Messtechnik, um in das zweite Jahr des Projekts „HolMOS“ zu starten. Die Abkürzung steht für „Digital-holographisches Mikroskop für Open Science“. Dahinter verbirgt sich das Vorhaben, die bisher nur für Profis verfügbare und sehr teure Messtechnik der digitalen Holographie für Schulen und private Anwender zugänglich und erschwinglich zu machen.

Um dieses Ziel zu erreichen, bringen die Forscher des Fraunhofer IPM u.a. ihr Know-How und ihre bereits entwickelten Profi-Komponenten ein, die Schülerinnen und Schüler der Physik-Arbeitsgemeinschaft unter der Leitung von Michael Abendschein und Jens Meinhardt forschen während ihrer wöchentlichen Treffen daran, wie diese Komponenten durch günstige Alternativen ersetzt werden können. Während des ersten Projektjahrs wurden hier bereits sehr gute Fortschritte gemacht, die bei verschiedenen Anlässen auch schon der Öffentlichkeit vorgestellt wurden.

Neu in diesem Schuljahr ist die Mitarbeit einer Biologie Arbeitsgemeinschaft unter der Leitung von Nikolaus Ruf: Die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler dieser AG wird es sein, Anwendungsfelder für den schulischen Einsatz zu finden und zu dokumentieren. Außerdem soll diese Gruppe die Prototypen testen, die in der Physik-AG entwickelt werden. Schließlich kommt allen Schülerinnen und Schüler die wichtige Aufgabe zu, ihre Entwicklungsarbeit so in allgemein verständliche Anleitungen zu übersetzen, dass später alle Interessierten mit den neu entwickelten Geräten arbeiten können.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

Bei der Kick-Off-Veranstaltung, die im Gebäude des Fraunhofer IPM in Freiburg stattfand, gab Dr. Tobias Beckmann den Schülerinnen und Schülern sowie ihren betreuenden Lehrern zunächst einen Überblick über die Kernpunkte der Technologie, die im Projekt zum Einsatz kommt. Ein Teil der Schüler war zwar schon im letzten Jahr dabei, viele sind aber auch neu dazu gekommen. Außerdem legte er den einzelnen Gruppen dar, welche Arbeitspakete sie dieses Jahr erwarten und in welchem zeitlichen Rahmen die Ergebnisse möglichst vorliegen sollten.

Anschließend wurden die Schülerinnen und Schüler von Dr. Alexander Bertz und Annelie Schiller durch die Räumlichkeiten des Fraunhofer IPM geführt, wo sie sich einen Eindruck verschaffen konnten, wie die Arbeit der Forscher dort aussieht.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

Die Entwicklung dieses Mikroskops erfordert nicht nur physikalisch-technisches Fachwissen, in das sich die Schülerinnen und Schüler einarbeiten müssen. Auch das Projektmanagement ist eine wichtige Komponente. Bei der Erarbeitung der entsprechenden Methoden und Kenntnisse werden die Schülerinnen und Schüler von Dr. Martina Parrisius begleitet, die das TheoPrax-Zentrum des Fraunhofer Instituts für Chemische Technologie in Pfinztal leitet.

Am Ende der gelungenen Veranstaltung erinnerte Andreas Kalt, Koordinator des Projekts auf Seiten des Freiburg-Seminars, die Schülerinnen und Schüler daran, dass sie durch ihr Interesse und ihr Engagement eine spannende Kooperation voranbringen, die ihnen wertvolle Einblicke in den Arbeitsalltag zwischen universitärer Forschung und industrieller Anwendung ermöglicht.

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

Kick-off Veranstaltung 2 – HolMOS

Foto: Fraunhofer IPM

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Am 06.10.2016 wurde es endlich ernst für die Schülerinnen und Schüler der Arbeitsgemeinschaften „Wellen und Quanten“ und „Angewandte Physik“ im Freiburg-Seminar: Zusammen mit ihren Lehrern Michael Abendschein und Jens Meinhardt sowie der Seminarleitung trafen sie sich mit den Forschern des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM, um ein lange vorbereitetes Projekt zu starten. Im Rahmen dieses Projekts mit dem Namen „Digital-holographisches Mikroskop für OpenScience“ (HolMOS) werden die Schülerinnen und Schüler intensiv bei der Entwicklung und  Erprobung eines neuartigen Mikroskops mitwirken, das als fertiges Produkt auch in ihren eigenen Schulen zum Einsatz kommen könnte.  Das Projekt wird im Rahmen der Initiative „Open Photonik“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und ist auf drei Jahre angelegt. Langfristiges Ziel ist es, alle Informationen zum Bau und auch zur Theorie des digital-holographischen Mikroskops öffentlich zu machen. Dies soll in Form einer offenen Internetplattform realisiert werden.
Beim offiziellen Start des Projekts (Kick-off) erfuhren die Schülerinnen und Schüler im Vortrag von Dr. Tobias Beckmann (IPM) nähere Details zu den physikalischen Hintergründen der geplanten Technik, zur Struktur des Projekts und zu den Arbeitsfeldern, in denen ihr Engagement besonders gefragt sein wird. In den ersten AG-Sitzungen des Schuljahres waren die Schülerinnen und Schüler mit ihren Lehrern aber auch nicht untätig gewesen: Sie hatten sich bereits in die ersten Schritte des Projekts eingearbeitet und brachten eine Reihe von konkreten Fragen an die Mitarbeiter des IPM mit. „Ich hätte nicht gedacht, dass jetzt schon so tiefgreifende Fragen gestellt werden – die Schülerinnen und Schüler sind fit und sehr gut vorbereitet.“ zeigte sich Dr. Alexander Bertz, Gruppenleiter am Fraunhofer IPM, überrascht.
Überhaupt herrschte bei der Veranstaltung eine sehr motivierte Stimmung voller fachlichem Interesse und Vorfreude. Die Lernenden und ihre Lehrer hatten Gelegenheit, die Räumlichkeiten und v.a. ein Forschungslabor im IPM zu besichtigen. Sie konnten die dem künftigen Mikroskop zugrunde liegenden Technologien direkt begutachten und Fragen dazu stellen. Umgekehrt können die Forscher des IPM (neben den bereits genannten auch Dr. Andreas Blug und Dr. Markus Fratz) über die Lernplattform des Freiburg Seminars jederzeit auf die Ergebnisse der Schülerinnen und Schüler zugreifen und sich so einen Eindruck vom Arbeitsfortschritt machen.
So wurde das Projekt „HolMOS“ mit viel positivem Schwung auf den Weg gebracht. Es wird nun in den nächsten Monaten in enger Zusammenarbeit zwischen den Schülerinnen und Schülern des  Freiburg Seminars und dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM weitergeführt werden.