Im Vergleich zu anderen Methoden wie z.B. der Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen digitalholographische Verfahren eine Detektion von optischen Weglängenänderungen mit interferometrischer Genauigkeit, die im Refexionsfall durch die Form des Objektes und bei Transmission durch dessen Brechungsindex bzw. deren Änderung verursacht werden. In der Lebendzellanalyse erlauben digitalholographische Verfahren eine gleichzeitig schnelle, minimal invasive, fächenhafte, markerfreie und quantitative Analyse von lebenden Zellen.
Hierbei werden die durch die Probe verursachten Variationen in der optischen Weglänge
aufgezeichnet und als quantitative Phasenkontrastbilder rekonstruiert.
Laser führen aufgrund der großen Kohärenzlänge bei der digitalen Holographie zu störenden zusätzlichen Interferenzen, die z.B. durch Mehrfachrefxionen im Aufbau verursacht werden. Der Einsatz von kurzkohärenten Lichtquellen eröffnet hierbei die Möglichkeit zur Verminderung dieser Eekte. Es ist daher zu erwarten, dass kurzkohärentes Licht zu einem geringeren Phasenrauschen und damit zu einer besseren Qualität des holographischen Phasenkontrastes führt.
Ziel dieser Arbeit ist daher der Aufbau, die Optimierung und Charakterisierung eines kurzkohärenten digitalholographischen Mikroskopiesystems, das insbesondere zur Untersuchung von Zellen eingesetzt werden soll. Hierbei werden ultrahelle Leuchtdioden (LEDs) unterschiedlicher Lichtwellenlängen auf die Eignung als Lichtquellen in der digitalen Holographie untersucht, da diese eine Kohärenzlänge von wenigen Mikrometern aufweisen.
Zunächst wird hierzu das für die spätere Anwendung wichtige spektrale Verhalten sowie das Abstrahlprofil verschiedener ultraheller LEDs ("Light Emitting Diodes") untersucht. Des Weiteren werden verschiedene Betriebsmodi und Anwendungsmethoden der eingesetzten Lichtquellen erprobt. Anschlieÿend erfolgt eine Charakterisierung der Kohärenzeigenschaften der LEDs mit einem auf einem Michelson Interferometer basierenden experimentellen Aufbau. Dabei werden die bei quasimonochromatischen Lichtquellen auftretenden Dispersionseffekte unterschiedlicher Gläser charakterisiert. Die kurzkohärenten Lichtquellen werden im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit in einem digitalholographischen Linnik-Mikroskopie-Aufbau implementiert. Zudem erfolgt ein Vergleich unterschiedlicher, räumlich und zeitlich phasenschiebender Rekonstruktionsmethoden an technischen und biologische
Proben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Motivation
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Grundlagen der Holographie
2.2 Phasenschiebende Rekonstruktionsverfahren
2.2.1 Zeitliche Phasenschiebeverfahren
2.2.2 Räumliche Phasenschiebeverfahren
2.3 Numerische Propagation der komplexen Objektwelle
2.4 Quasimonochromatische Lichtquellen
2.4.1 Dispersion von quasimonochromatischem Licht
2.4.2 Mathematische Approximation des Brechungsindex
2.5 Ultrahelle Licht emittierende Dioden
2.5.1 Funktionsweise
2.5.2 Lambert-Strahler
3 Experimentelle Methoden
3.1 Charakterisierte Lichtquellen
3.2 Aufbau und Vorgehen zur Untersuchung des Abstrahlprofils der LEDs
3.3 Methoden zur Charakterisierung der Kohärenzeigenschaften der LEDs
3.3.1 Interferometeraufbau und Justage
3.3.2 Kontrastbestimmung
3.3.3 Interferometrische Bestimmung der Kohärenzlänge
3.4 Quantifizierung des Rauschens von Phasenverteilungen
3.5 Phaseshifting und Phasestepping
3.6 Digitalholographisches Linnik-Interferenz-Mikroskop
3.7 Verwendete Gläser
3.8 Ablauf der Hologrammauswertung
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Eigenschaften von LEDs
4.1.1 Spektren der Lichtquellen
4.1.2 Abstrahlprofil der LEDs
4.2 Charakterisierung der Betriebsparameter der LEDs
4.2.1 Zeitliches Verhalten der Spektren
4.2.2 Stromabhängigkeit
4.3 Optimierung der Kontrastbestimmung durch Fourieranalyse
4.3.1 Charakterisierung des Algorithmus
4.3.2 Optimierung durch Fensterfunktionen
4.4 Kalibrierung der Piezotranslatoren
4.5 Stabilität des optischen Aufbaus
4.6 Optimierung des zeitlichen Phasenschiebens
4.6.1 Vergleich der Phasenschiebealgorithmen
4.6.2 Vergleich von Phaseshifting und Phasestepping
4.7 Kohärenzlängenbestimmung
4.8 Einfluss der Dispersion
4.8.1 Untersuchung an Mikroskopie-Gläsern
4.8.2 Untersuchung an Strahlteilern
4.9 Intensitätsrauschen der Interferogramme
4.10 Abhängigkeit des Phasenrauschens vom Kontrast
4.11 Abhängigkeit des Phasenrauschens von der Belichtungszeit
4.12 Simulation der digitalholographischen Rekonstruktionsverfahren
4.12.1 Ergebnisse der Simulation der Hologrammauswertung
4.12.2 Verwendbare Trägerstreifenzahl für räumliches Phasenschieben mit LEDs
4.13 Untersuchungen zum digitalholographischen Linnik-Interferenz-Mikroskop
4.13.1 Bestimmung der Auflösung
4.13.2 Untersuchungen an Tumorzellen
4.13.3 Übergeordnete Diskussion der Messergebnisse
5 Zusammenfassung der Ergebnisse
6 Ausblick
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit untersucht den Einsatz von ultrahellen Leuchtdioden (LEDs) als Lichtquellen in der digitalen Holographie und Mikroskopie, mit dem primären Ziel, die Kohärenzeigenschaften und das dispersive Verhalten dieser Lichtquellen experimentell zu charakterisieren, um eine Optimierung digitaler Rekonstruktionsverfahren zur Untersuchung biologischer Proben zu ermöglichen.
- Experimentelle Bestimmung der spektroskopischen und kohärenten Eigenschaften verschiedener ultraheller LEDs.
- Vergleich und Optimierung von zeitlichen und räumlichen Phasenschiebeverfahren zur Rekonstruktion von Wellenfronten.
- Analyse von Dispersionseffekten in optischen Komponenten wie Mikroskopgläsern und Strahlteilern.
- Untersuchung des Phasenrauschens in digitalholographischen Rekonstruktionen unter variierenden Parametern wie Kontrast und Belichtungszeit.
- Demonstration der Anwendbarkeit des entwickelten Aufbaus an biologischen Proben (Tumorzellen).
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung und Motivation
Die Holographie ist ein Verfahren zur Aufzeichnung und Rekonstruktion von Wellenfronten, d. h., neben der Intensität wird auch die Phase eines Lichtwellenfeldes aufgenommen. Bei der digitalen Holographie wird das Hologramm, das aus der Überlagerung von zueinander kohärenten Objekt- und Referenzwellen entsteht, mit einem Rastersensor (z.B. einer CCD-Kamera) aufgezeichnet, der die Intensität des einfallenden Lichtes in ein elektrisches Signal konvertiert. Nach anschließender Diskretisierung wird die Information zur digitalen Weiterverarbeitung im Computer gespeichert. Die Rekonstruktion der Signalwelle erfolgt mit Hilfe von numerischen Rekonstruktionsalgorithmen.
Am Centrum für Biomedizinische Optik und Photonik werden digitalholographische Methoden für den Einsatz in der Mikroskopie entwickelt. Die digitalholographische Mikroskopie stellt ein Verfahren zur quantitativen Phasenkontrastmikroskopie von biologischer Proben dar und öffnet neue Möglichkeiten der Zellbeobachtung. Im Vergleich zu anderen Methoden wie z.B. der Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen digitalholographische Verfahren eine Detektion von optischen Weglängenänderungen, die im Reflexionsfall durch die Form des Objektes und bei Transmission durch dessen Brechungsindex bzw. Änderung verursacht werden. In der Lebendzellanalyse erlauben digitalholographische Verfahren eine gleichzeitig schnelle, minimal invasive, flächenhafte, markerfreie und quantitative Analyse von lebenden Zellen [1].
Hierbei werden die durch die Probe verursachten Variationen in der optischen Weglänge aufgezeichnet und als quantitative Phasenkontrastbilder rekonstruiert [2]. Laser führen aufgrund der großen Kohärenzlänge, die im Meterbereich liegen kann, bei der digitalen Holographie zu störenden zusätzlichen Interferenzen, die z.B. durch Mehrfachreflexionen im Aufbau verursacht werden.
Der Einsatz von kurzkohärenten Lichtquellen eröffnet hierbei die Möglichkeit zur Verminderung dieser Effekte, da nur innerhalb des Kohärenzbereiches Interferenzen auftreten können. Es ist daher zu erwarten, dass kurzkohärentes Licht zu einem geringeren Phasenrauschen und damit zu einer besseren Qualität der holographischen Phasenkontrastbilder führt [3, 4].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Motivation: Dieses Kapitel motiviert den Einsatz von kurzkohärenten LEDs in der digitalen Holographie zur Rauschminderung und definiert das Ziel der Arbeit, die Optimierung und Charakterisierung eines solchen Mikroskopiesystems.
2 Theoretische Grundlagen: Hier werden die mathematischen Grundlagen der digitalen Holographie, verschiedene Phasenschiebeverfahren, numerische Rekonstruktionsmethoden sowie die theoretische Beschreibung von quasimonochromatischen Lichtquellen und LEDs detailliert dargelegt.
3 Experimentelle Methoden: Dieses Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau zur Charakterisierung der LEDs, die Methoden zur Bestimmung von Kontrast und Kohärenzlänge sowie die Implementierung des Linnik-Interferenz-Mikroskops und der angewandten Algorithmen.
4 Ergebnisse und Diskussion: Hier werden die experimentellen Messergebnisse zu LED-Eigenschaften, Stabilität, Dispersionseinflüssen sowie zur Performance der Phasenrekonstruktion an technischen und biologischen Proben präsentiert und kritisch analysiert.
5 Zusammenfassung der Ergebnisse: Dieses Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen, insbesondere die Eignung ultraheller LEDs für die digitale Holographie und die erzielten Verbesserungen hinsichtlich Rauschminderung und Systemstabilität.
6 Ausblick: Der Ausblick diskutiert mögliche zukünftige Entwicklungen, wie die Integration von Autofokus-Algorithmen und den Einsatz optimierter Geometrien für eine noch effizientere Zellbeobachtung.
Schlüsselwörter
Digitale Holographie, Mikroskopie, Leuchtdioden, LED, Kohärenz, Phasenrauschen, Phasenrekonstruktion, Interferometrie, Dispersion, Linnik-Interferenz-Mikroskop, Bildrekonstruktion, quantitative Phasenmikroskopie, Signalverarbeitung, Optik, Zellanalyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von ultrahellen, kurzkohärenten Leuchtdioden (LEDs) als alternative Lichtquellen für die digitale Holographie und Mikroskopie, um störende Interferenzeffekte zu reduzieren.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der experimentellen Charakterisierung von LEDs, der Analyse von Kohärenzeigenschaften, der Untersuchung von Dispersion in optischen Medien und der Optimierung von Algorithmen zur Phasenrekonstruktion.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist die Charakterisierung der Lichtquellen und die Optimierung des gesamten digitalholographischen Mikroskopiesystems, um eine hochqualitative, quantitative Zellbeobachtung mit reduziertem Rauschen zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine Kombination aus theoretischer Modellierung (z.B. skalare Beugungstheorie) und umfangreichen experimentellen Messreihen mittels Michelson-Interferometern und digitaler Bildverarbeitung angewandt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Rekonstruktionsverfahren, die detaillierte Beschreibung des experimentellen Aufbaus sowie die umfassende Präsentation und Diskussion der Messergebnisse.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit am besten charakterisieren?
Digitale Holographie, kurzkohärente LEDs, Phasenrauschen, Kohärenz, Interferometrie und quantitative Phasenmikroskopie.
Welche Rolle spielt die Dispersion in der untersuchten Mikroskopie?
Die Dispersion beeinflusst die effektive Kohärenzlänge beim Durchgang durch optische Komponenten wie Mikroskopgläser; deren Auswirkungen werden quantifiziert, um sie im Messaufbau zu minimieren oder rechnerisch zu kompensieren.
Wie erfolgreich ist die Rauschminderung durch LEDs im Vergleich zu Lasern?
Die Messungen zeigen, dass der Einsatz von kurzkohärenten LEDs im Vergleich zu klassischen Lasern zu einer signifikanten Reduzierung des Phasenrauschens in den rekonstruierten Bildern führt.
- Citation du texte
- Stephan Stürwald (Auteur), 2008, Einsatz von ultrahellen Leuchtdioden in der digitalen Holographie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/210263
