Die scannende laseroptische Tomographie (SLOT) (engl.: Scanning Laser Optical Tomography) ist ein Bildgebungsverfahren, welches am Laser Zentrum Hannover e.V. erforscht wurde und eine Weiterentwicklung der optischen Projektionstomographie (OPT) ist. Zur effizienten Erzeugung eines breiten Spektralbereichs für das SLOT-Verfahren wurde ein Filtersystem konstruiert, welche die Weißlichtquelle an das SLOT-System koppelt. Das SLOT-Verfahren nutzt zur dreidimensionalen Bildkonstruktion die Anregung sogenannter Fluorophore in mesoskopischen Präparaten mit sichtbarem Licht. Dieses sichtbare Laserlicht wird mittels Laserdioden erzeugt, deren mögliche Anzahl im SLOT-Aufbau jedoch begrenzt ist und so nicht der ganze sichtbare Spektralbereich genutzt werden kann. Mit einer Weißlichtquelle kann ein breiter Spektralbereich ohne die Verwendung zusätzlicher Laserdioden abgedeckt werden. Anforderungen erfordern für das SLOT-Verfahren einen sicheren Umgang mit der Weißlichtquelle, eine Reduzierung des Infrarotbereichs, um ein Erhitzen der Präparate zu verhindern, und eine Erzeugung variabler Bandpässe, um den sichtbaren Wellenlängenbereich einzustellen. Hierzu wurde im Rahmen dieser Bachelorarbeit ein Anregungsfiltersystem konzipiert und aufgebaut.
Im Bereich IR-Filterung des Anregungsfiltersystems wurden vier Cold Mirrors verbaut. Theoretische Berechnungen ergaben für den Spektralbereich von 400nm bis 800nm eine Reduktion von 19,74% und von 800nm bis 2400nm eine Reduktion von 99,98%. Um den sichtbaren Spektralbereich einzustellen, wurden zwei in Serie geschaltete linear variable Filter in den Bereich Variabler Bandpass installiert, die durch Verschiebung den Spektralbereich selektieren. Diese Filter wurden charakterisiert und deren Kantenwellenlängen ermittelt. Um möglichst schmale Bandpässe zu erzeugen, wurde eine achromatische Zylinderlinse vor die linear variablen Filter installiert. Diese erzeugt ein Strahlblatt, welches einen geringeren Bereich auf diesen Filtern abdeckt.
Die anschließende Leistungsmessung ergab im Spektralbereich von 430nm bis 710nm eine reduzierte Leistung von 78,45mW. Entgegen der Erwartung weicht nicht nur der theoretisch ermittelte Spektralbereich vom experimentell ab, sondern auch die erwartete Gesamtleistung um 70,08%. Trotz dieser Abweichungen eröffnet dies die Möglichkeit einer effizienteren Anregung von Fluorophoren, wodurch ein stärkeres Fluoreszenzsignal generiert werden kann und zu einem besseren Kontrast im Bild führt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Die Weißlichtquelle
2.1.1 Solitonenzerfall als Hauptmechanismus zur Erzeugung des Superkontinuums der Weißlichtquelle von LEUKOS
2.2 Theoretische Grundlagen
2.2.1 Der Gauß-Strahl
2.2.2 Theoretische Berechnung der Strahltaille w0 hinter einer Linse
2.2.3 Die Fehlerfunktion
2.3 Optische Komponenten: Spiegel, Filter und Linsen
2.3.1 Allgemeine Eigenschaften optischer Filtern
2.3.2 Kantenfilter: Kurz- oder Langpassfilter
2.3.3 Funktionsweise eines Interferenzfilters
2.3.4 Der linear variable optische Filter
2.3.5 Zwei lineare Lang- und Kurzpassfilter in Serie
2.3.6 Die achromatische Zylinderlinse
3 Auswahl optischer Komponenten für den Aufbau des Filtersystems
3.1 Reduktion des Infrarotanteils
3.2 Beschreibung der linear variablen Filter und der Verschiebetische
3.3 Auswahlkriterien für die achromatische Zylinderlinse und dessen Funktion im Filtersystem
4 Implementierung des Anregungsfiltersystems
5 Überprüfung des entwickelten Systems
5.1 Spektrum der Weißlichtquelle hinter dem Bereich IR-Filterung
5.2 Linear variable Filter ohne achromatische Zylinderlinse
5.2.1 Charakterisierung der Kantenwellenlängen λK: Langpassfilter
5.2.2 Charakterisierung der Kantenwellenlängen λK: Kurzpassfilter
5.2.3 Erzeugung der minimalen Bandpassbreite durch die linear variablen Filter
5.2.4 Erzeugung eines variablen Bandpasses
5.3 Linear variable Filter mit achromatische Zylinderlinse
5.3.1 Charakterisierung und Einstellung der achromatischen Zylinderlinse in den Strahlengang
5.3.2 Charakterisierung der Kantenwellenlängen λK: Langpassfilter
5.3.3 Charakterisierung der Kantenwellenlängen λK: Kurzpassfilter
5.3.4 Umrechnung der mittels Spektrometer gemessenen Intensität in Leistung
5.3.5 Erzeugung der minimalen Bandpassbreite durch die linear variablen Filter
5.3.6 Erzeugung eines variablen Bandpasses
6 Fazit und Ausblick
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Anregungsfiltersystems für die scannende laseroptische Tomographie (SLOT), das eine effiziente Nutzung einer Weißlichtquelle anstelle von begrenzten Laserdioden ermöglicht. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, wie der Infrarotanteil der Quelle reduziert werden kann, um eine thermische Schädigung der Proben zu vermeiden, und wie gleichzeitig variable Bandpässe zur gezielten Anregung von Fluorophoren erzeugt werden können.
- Entwicklung eines Filtersystems zur IR-Reduktion mittels Cold Mirrors.
- Einsatz linear variabler Filter zur Erzeugung durchstimmbarer Bandpässe.
- Verwendung einer achromatischen Zylinderlinse zur Strahlformung (Strahlblatt).
- Experimentelle Charakterisierung der Filter und des Gesamtsystems.
Auszug aus dem Buch
2.3.6 Die achromatische Zylinderlinse
Als Achromat oder auch Dichromat wird ein Objektiv bezeichnet, welches in der Regel aus zwei verkitteten optischen Komponenten besteht. Die eine optische Komponente besitzt meist einen niedrigeren Brechungsindex, wie z.B. Kronglas mit positiver Brechkraft und die andere besitzt einen hohen Brechungsindex, wie z.B. Flintglas mit negativer Brechkraft. Hierbei dient die optische Komponente mit niedrigeren Brechungsindex und positiver Brechkraft als Sammellinse und die optische Komponente mit höheren Brechungsindex und negativer Brechkraft als Zerstreuungslinse (Thöniß, 2004). Mit einer relativ kleinen Abbe-Zahl (Brechzahl größer als bei der Sammellinse) weist die Zerstreuungslinse eine stärkere Dispersion als die Sammellinse auf (Schröder und Treiber, 2014). Durch diese Eigenschaften kann die chromatische Längsaberration teilweise verringert werden (Demtröder, 2014).
Fällt nun weißes Licht auf eine Linse/ Sammellinse, dann liegt der Brennpunkt vom kurzwelligen Anteil des Lichts vor dem Brennpunkt des langwelligen Anteils (siehe Abb.: 2.19) (Demtröder, 2014).
Wie aus der Abbildung 2.20 zu sehen ist, verschwindet die Schnittweite für zwei Farben, für die rote und blaue Wellenlänge. Dieses optische System ist auf die Korrektur der Schnittweite für zwei Farben limitiert. Eine Verringerung des Farblängsfehlers für mehrere Farben kann mit bestimmten Linsenkombinationen und Linsenmaterialien generiert werden. Aufgrund des nichtlinearen Verlaufs der Dispersion in optischen Gläsern, kann eine Korrektion der Schnittweite für alle Wellenlängen nicht erreicht werden. (Thöniß, 2004; Demtröder, 2014) Neben dem Farblängsfehler korrigiert der Achromat auch den Öffnungsfehler bzw. die sphärische Aberration. Der Öffnungsfehler ist ein Schärfefehler, beidem die Schnittweite abhängig von der Einfallshöhe des Strahls ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die scannende laseroptische Tomographie (SLOT) und die Motivation zur Entwicklung eines neuen Anregungsfiltersystems für Weißlichtquellen.
2 Grundlagen: Theoretische Herleitung der Superkontinuum-Erzeugung, des Gauß-Strahls und der optischen Filtermechanismen sowie der Interferenzfilter.
3 Auswahl optischer Komponenten für den Aufbau des Filtersystems: Analyse und Auswahl der Komponenten zur Infrarot-Reduktion und zur Erzeugung variabler Bandpässe basierend auf theoretischen Modellen.
4 Implementierung des Anregungsfiltersystems: Dokumentation der konstruktiven Umsetzung des Filtersystems mittels CAD-Design und mechanischem Aufbau.
5 Überprüfung des entwickelten Systems: Experimentelle Evaluierung des Spektrums, Charakterisierung der Filtercharakteristiken und Messung der Bandpass-Eigenschaften mit und ohne Zylinderlinse.
6 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse sowie Möglichkeiten für zukünftige Automatisierungen und Verbesserungen des SLOT-Verfahrens.
Schlüsselwörter
SLOT, scannende laseroptische Tomographie, Weißlichtquelle, Superkontinuum, Anregungsfiltersystem, Kaltspiegel, Interferenzfilter, linear variable Filter, achromatische Zylinderlinse, chromatische Längsaberration, Bandpassfilter, Strahltaille, Solitonenzerfall, Fluoreszenz, Bildgebung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung eines neuen Anregungsfiltersystems, das eine Weißlichtquelle für die scannende laseroptische Tomographie (SLOT) nutzbar macht, um den nutzbaren Spektralbereich zu erweitern.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Themen sind die spektrale Filterung von Hochleistungs-Weißlichtquellen, der Schutz biologischer Präparate vor Infrarotstrahlung und die präzise Steuerung der Wellenlängenanregung für Fluoreszenz-Bildgebungsverfahren.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Das Ziel ist die Konstruktion eines Systems, das den leistungsstarken Infrarotanteil der Weißlichtquelle minimiert und gleichzeitig variable Bandpässe im sichtbaren Bereich erzeugt, um eine effiziente und flexible Fluorophoren-Anregung zu gewährleisten.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Die Arbeit kombiniert theoretische Berechnungen (z.B. Gauß-Strahlanalyse, Fehlerfunktion zur Filtercharakterisierung) mit experimentellen Messungen mittels Spektrometern und thermischen Leistungsmessköpfen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Komponentenauswahl (Spiegel/Filter), die mechanische Implementierung in ein lichtdichtes Gehäuse sowie eine umfassende experimentelle Überprüfung der Filterleistung unter verschiedenen Bedingungen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind SLOT-Verfahren, Superkontinuum, Cold Mirrors, linear variable Filter, achromatische Zylinderlinse und Strahlformung.
Warum wird eine achromatische Zylinderlinse im Filtersystem verwendet?
Sie dient dazu, den Laserstrahl zu einem Strahlblatt zu formen, wodurch ein wesentlich schmalerer Bandpass auf den linear variablen Filtern erreicht werden kann, als dies mit einem runden Strahl möglich wäre.
Was ist die Schlussfolgerung bezüglich des erzielten Bandpasses?
Das entwickelte System ermöglicht die Einstellung eines schmalen Bandpasses, wobei die achromatische Zylinderlinse die Bandbreite gegenüber dem System ohne Linse signifikant reduziert, auch wenn experimentelle Abweichungen von der Theorie auftraten.
Warum ist die Reduktion des Infrarotbereichs essenziell für SLOT?
Ohne die Reduktion würde die hohe Infrarotstrahlung der Weißlichtquelle zu einer starken Erhitzung und Zerstörung der biologischen Präparate führen, was eine dreidimensionale Bildgebung unmöglich machen würde.
- Arbeit zitieren
- Thomas Hildebrandt (Autor:in), 2016, Aufbau und Charakterisierung eines Anregungsfiltersystems für die laseroptische Tomographie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/442620
