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. Die digitalholographische Mikroskopie stellt ein Verfahren zur quantitativen Phasenkontrastmikroskopie von biologischen 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 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, Flächenhafte, 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 groÿen Kohärenzlänge, die im Meterbereich liegen kann, bei der digitalen Holographie zu störenden zusätzlichen Interferenzen, die z.B. durch Mehrfachereflexionen 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 LED-Licht zu einem geringeren Phasenrauschen und damit zu einer besseren Qualität des holographischen Phasenkontrastes führt.
Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau, die Optimierung und Charakterisierung eines kurzkohärenten digitalholographischen Mikroskopiesystems, das insbesondere zur Untersuchung von Zellen eingesetzt werden soll.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung und Motivation
- 2 Theoretische Grundlagen
- 2.1 Grundlagen der Holographie
- 2.2 Phasenverschiebende Rekonstruktionsverfahren
- 2.2.1 Zeitliches Phasenverschiebeverfahren
- 2.2.2 Räumliches Phasenverschiebeverfahren
- 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
- 4.1.3 Charakterisierung der Betriebsparameter der LEDs
- 4.2.1 Zeitliches Verhalten der Spektren
- 4.2.2 Stromabhängigkeit
- 4.2 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
- 4.8.1 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 des digitalholographischen Rekonstruktionsverfahrens
- 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
- 4.1 Eigenschaften von LEDs
- 5 Zusammenfassung der Ergebnisse
- 6 Ausblick
- Literaturverzeichnis
- A Anhang
- A.1 Technische Angaben
- A.1.1 Helium-Neon-Laser
- A.1.2 Spektrometer
- A.1.3 Lichtleistungsmessgerät
- A.1.4 Messkameras
- A.1.5 Piezotranslatoren
- A.1.6 A/D-Wandlerkarte
- A.1.7 Auflösungs-Testchart
- A.1.8 Kalibrierungs-Testchart
- A.1.9 Zellpräparation
- A.2 Ausführliche Messergebnisse
- A.1 Technische Angaben
- B Liste der Variablen
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Diplomarbeit widmet sich der Anwendung ultraheller Leuchtdioden (LEDs) in der digitalen Holographie. Das Hauptziel ist die Optimierung des Phasenkontrastes und die umfassende Charakterisierung der Kohärenzeigenschaften dieser LEDs, um ihre Eignung als Lichtquellen für die digitalholographische Mikroskopie, insbesondere für biologische Proben, zu bewerten.
- Optimierung des Phasenkontrastes in der digitalen Holographie
- Charakterisierung von ultrahellen LEDs hinsichtlich Kohärenz, Spektren und Betriebsparametern
- Entwicklung und Einsatz digitalholographischer Mikroskopie-Aufbauten, insbesondere des Linnik-Interferenz-Mikroskops
- Analyse und Quantifizierung von Rauschphänomenen in Interferogrammen
- Anwendung der Methode auf technische und biologische Proben
- Vergleich verschiedener Phasenverschiebe- und Rekonstruktionsverfahren
Auszug aus dem Buch
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 zum untersuchenden Objekt und Referenzwellen entsteht, mit einem Phasensensor (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 biologischen Proben dar und öffnet neue Möglichkeiten der Zellbeobachtung. Im Vergleich zu anderen Methoden wie z. B. der Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen digitalholographische Verfahren eine Detektion von optische Weglängenänderungen mit interferometrischer Genauigkeit, die im Reflexionsfall 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, flächenhafte, markerfreie und quantitative Analyse von lebenden Zellen [1].
Hierbei werden die durch die Probe verursachten Signalphasen 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 kurz kohärenten Lichtquellen eröffnet hierbei die Möglichkeit zur Verminderung dieses Effekts, da nur innerhalb des Kohärenzbereiches Interferenzen auftreten können. Es ist daher zu erwarten, dass kurz kohärente, Licht zu einem verringerten Phasen kontrast und damit zu einer besseren Qualität des holographischen Phasenkontrastes führt [3, 4]. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau, die Optimierung und Charakterisierung eines kurz kohärenten digitalholographischen Mikroskopsystems, das insbesondere zur Untersuchung von Zellen eingesetzt werden soll. Hierbei werden ultrahelle Leuchtdioden (LEDs) unterschiedlicher Wellenlängen auf die Eignung als Lichtquellen in der digitalen Holographie untersucht, da diese eine Kohärenzlänge von wenigen Mikrometern aufweisen und die Anschaffungskosten gering sind.
Zunächst wird hier das für die spätere Anwendung wichtige spektrale Verhalten sowie das Abstrahlprofil verschiedener ultraheller LEDs ("Light Emitting Diodes") untersucht. Des Weiteren werden verschiedene Betriebsmodi und Anwendungen der eingesetzten Lichtquellen erprobt. Anschließend erfolgt eine Charakterisierung der Kohärenzeigenschaften der LEDs mit einem auf einem Michelson Interferometer basierenden experimentellen Aufbau. Dabei werden die bei quasimonochromatischen Lichtquellen auftretenden Dispersionsstreifen unterschiedlicher Gläser charakterisiert. Hierzu erfolgt die Optimierung eines Streifen kontrastalgorithmus für vergleichende Kontrastanalysen. Die kurz kohärenten 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 biologischen Proben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Motivation: Dieses Kapitel führt in die digitale Holographie und ihre Anwendung ein, beleuchtet die Herausforderungen bei der Phasenkontrastoptimierung und begründet die Verwendung ultraheller LEDs als Lichtquellen.
2 Theoretische Grundlagen: Hier werden die fundamentalen Prinzipien der Holographie, verschiedene Rekonstruktionsverfahren, die numerische Propagation von Wellen sowie die Eigenschaften quasimonochromatischer Lichtquellen und ultraheller Leuchtdioden detailliert erläutert.
3 Experimentelle Methoden: Das Kapitel beschreibt die experimentellen Aufbauten und Verfahren zur Charakterisierung der Lichtquellen, zur Bestimmung ihrer Kohärenzeigenschaften mittels Interferometrie und die Grundlagen der digitalholographischen Mikroskopie.
4 Ergebnisse und Diskussion: Dieses umfangreiche Kapitel präsentiert und analysiert die Messdaten zu den Eigenschaften von LEDs, die Optimierung der Kontrastbestimmung durch Fourieranalyse, die Stabilität des Aufbaus, die Kohärenzlängenbestimmung sowie die Rauschanalyse in den Interferogrammen.
5 Zusammenfassung der Ergebnisse: Die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit werden zusammengefasst, insbesondere hinsichtlich der Eignung von LEDs für die digitale Holographie und der erreichten Optimierungen sowie der Leistungen des entwickelten Mikroskops.
Schlüsselwörter
Digitale Holographie, Leuchtdioden, LEDs, Phasenkontrast, Kohärenzlänge, Interferometrie, Linnik-Mikroskop, Phasenrauschen, Rekonstruktionsverfahren, Optische Methoden, Lichtquellencharakterisierung, Messtechnik, Wellenfronten, Biomedizinische Optik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Diese Diplomarbeit untersucht den Einsatz ultraheller Leuchtdioden (LEDs) in der digitalen Holographie, insbesondere zur Optimierung des Phasenkontrastes und zur Charakterisierung der LEDs als Lichtquellen für die digitalholographische Mikroskopie.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themenfelder sind die digitale Holographie, die Charakterisierung von LEDs (Spektren, Abstrahlprofil, Kohärenz), die Optimierung von Phasenkontrastmethoden, die Rauschanalyse in Interferogrammen und die Anwendung in der biomedizinischen Optik.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, ein kurz kohärentes digitalholographisches Mikroskopsystem zu entwickeln, zu optimieren und zu charakterisieren, das ultrahelle LEDs als Lichtquellen nutzt, um insbesondere Zellen zu untersuchen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit verwendet Methoden der digitalen Holographie, die auf der Aufzeichnung und Rekonstruktion von Wellenfronten basieren. Dies beinhaltet Interferometrie zur Kohärenzcharakterisierung und numerische Rekonstruktionsalgorithmen zur Bildgenerierung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die Eigenschaften von LEDs wie Spektren und Betriebsparameter vorgestellt, die Optimierung der Kontrastbestimmung mittels Fourieranalyse, die Stabilität des Messaufbaus, die Kohärenzlängenbestimmung sowie detaillierte Untersuchungen zum Phasenrauschen und Simulationen des Rekonstruktionsverfahrens.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird charakterisiert durch Schlüsselwörter wie Digitale Holographie, Leuchtdioden, Phasenkontrast, Kohärenzlänge, Interferometrie, Linnik-Mikroskop, Phasenrauschen und Rekonstruktionsverfahren.
Welche Vorteile bieten ultrahelle Leuchtdioden gegenüber herkömmlichen Lichtquellen in der Holographie?
Ultrahelle LEDs bieten den Vorteil einer geringen Kohärenzlänge, was störende Interferenzen durch Mehrfachreflexionen im optischen Aufbau reduziert und somit zu einem verbesserten Phasenkontrast in der digitalen Holographie führt. Zudem sind sie kostengünstiger in der Anschaffung.
Was ist der Unterschied zwischen zeitlichen und räumlichen Phasenschiebeverfahren, die in dieser Arbeit untersucht werden?
Zeitliche Phasenschiebeverfahren erfordern eine sequentielle Akquisition mehrerer Interferogramme mit variierender Phase, während räumliche Phasenschiebeverfahren die Phaseninformation aus einem einzelnen Interferogramm extrahieren, typischerweise durch räumliche Modulation oder Gitter im Aufbau.
Wie wird die Kohärenzlänge der LEDs experimentell bestimmt und optimiert?
Die Kohärenzlänge wird experimentell mittels eines Michelson-Interferometers bestimmt. Die Optimierung erfolgt durch die Analyse und Anpassung von Parametern wie der Dispersion in optischen Elementen und der Nutzung spezifischer Algorithmen zur Kontrastbestimmung.
Welche Arten von Proben werden in den Experimenten hauptsächlich untersucht und warum?
Die Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung technischer Proben zur Kalibrierung und Evaluation des Systems sowie auf biologische Proben, insbesondere lebende Zellen wie Tumorzellen. Letzteres dient der Demonstration des Potenzials der digitalholographischen Mikroskopie für markerfreie Lebendzellanalyse.
- Quote paper
- Stephan Stuerwald (Author), 2007, Einsatz von ultrahellen Leuchtdioden in der digitalen Holographie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/317012
