Versuchsanleitung: Fortgeschrittenenpraktikum der Physik für

Versuchsanleitung:
Fortgeschrittenenpraktikum der Physik
für Biophysiker
Versuch: Optische Kohärenz-Tomographie (OCT)
Grundlagen der Optischen Kohärenz-Tomographie (OCT)
Bei der Optischen Kohärenz-Tomographie handelt es sich um ein berührungsloses
Messverfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik, aber auch in
Materialwissenschaften
zunehmend
Anwendung
findet
(Für
welche
Materialien/Fragestellungen eignet sich OCT und auf Grund welcher Eigenschaften der zu
untersuchenden Stoffe?). Dabei wird unter anderem unterschieden in Time Domain und
Fourier Domain OCT (Was kennzeichnet beide Methoden, was sind Vor- und Nachteile?). Die
Eindringtiefe liegt bei etwa 1-3 mm in streuendendem Gewebe bei einer axialen Auflösung
von 1-10 µm.
Abbildung 1: Auflösung und Eindringverfahren verschiedener Diagnoseverfahren.
Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der Weißlichtinterferometrie. Dabei wird die Laufzeit
eines Signals mit Hilfe eines Interferometers verglichen. Ein Interferometerarm dient dabei
als Referenzarm bekannter optischer Weglänge, der andere wird zum Messen des Signals
verwendet. Aus dem sich ergebenden Interferenzmuster von Proben- und Referenzsignal
erhält man das Tiefenprofil der Probe.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines OCTs.
Interferenz und Kohärenz:
Unter Interferenz versteht man in der Physik die Überlagerung von zwei oder mehr
Teilwellen nach dem Superpositionsprinzip. Um das gesamte Wellenfeld
⃗⃗
in einem
Raumpunkt
zum Zeitpunkt t zu erhalten, muss man die Amplituden der Teilwellen
addieren. Die Gesamtfeldstärke des Wellenfeldes hängt sowohl von den Amplituden, als
auch von den Phasen der Teilwellen ab und ist im allgemeinen Fall sowohl zeit- als auch
ortsabhängig. Bei gegenseitiger Verstärkung von Teilwellen spricht man von konstruktiver
Interferenz, bei Auslöschung von destruktiver Interferenz.
Abbildung 3: Konstruktive bzw. destruktive Interferenz.
Ein zeitlich stabiles Interferenzmuster beliebiger Teilwellen kann nur dann beobachtet
werden, wenn sich ihre Phasendifferenz
im Raumpunkt
während der
Beobachtungsdauer um weniger als
ändert. Man spricht dann von zeitlicher Kohärenz.
Die maximale Zeitspanne, in der sich die Phasendifferenz zwischen allen in Punkt P
überlagerten Teilwellen um maximal
ändert, bezeichnet man als Kohärenzzeit
. Als
Kohärenzlänge
versteht man die Strecke, die das Licht während der
Kohärenzzeit zurücklegt.
Ändert sich hingegen die räumliche Differenz
Teilwelle während der Beobachtungszeit um weniger als
Kohärenz.
⃗⃗⃗
⃗⃗⃗ einer beliebigen
, so spricht man von räumlicher
Am Detektor ergibt sich folgendes Signal bei Überlagerung von Proben- und Referenzarm in
Abhängigkeit der zeitlichen Differenz zwischen beiden Signalen:
⟨| | ⟩
⟨|
⟨|
=⟨||
|
| ⟩
|⟩
| |
|
|
|⟩
√
: Kohärenzgrad
optischer Wegunterschied
Bei zwei Sinuswellen gilt für den optischen Kohärenzgrad:
(̅
)
̅
Auflösungsvermögen
Eine Besonderheit der OCT im Vergleich zur konventionellen Lichtmikroskopie ist die
Entkopplung der transversalen und der axialen Auflösung. Hierbei wir die transversale
Auflösung von der numerischen Apertur der verwendeten Optik begrenzt, wohingegen die
axiale Auflösung von der spektralen Breite des verwendeten Lichts abhängig ist (Wie genau
ist das zu verstehen? Von welchen Faktoren hängt die axiale Auflösung alles ab? Was ergibt
sich daraus für die Eigenschaften der verwendeten Lichtquelle?)
Die Versuchsanleitung dient nur dazu eine kurze Einführung in das Thema
Optische Kohärenztomographie zu geben und beinhaltet nicht die gesamte
für den Versuch benötigte Theorie. Diese soll mit Hilfe der Fragen im Text und
der Fragen zur Versuchsvorbereitung unter Verwendung der angegebenen
oder auch selbst ausgewählter Literatur erarbeitet werden!
Literatur:
1.
2.
3.
4.
5.
W. Demtröder, Experimentalphysik 2, Springer-Lehrbuch, Berlin (2004)
D. Stifter et al.: Optische Kohärenztomografie und RöntgenComputertomografie für die Charakterisierung von
Kunststoffmaterialsystemen
A. Hassenstein et al.: Optische Kohärenztomographie in der
Makuladiagnostik
S. G. Lipson, Optik, Springer-Lehrbuch, Berlin (1995)
Unterlagen im Versuchsordner
Fragen zur Versuchsvorbereitung:
1. Erklären Sie die Begriffe Interferenz, Kohärenz, Kohärenzlänge,
Kohärenzzeit und Kohärenzgrad!
2. Wie ist die allgemeine Funktionsweise eines Zweistrahlinterferometers?
3. Erklären Sie die Funktionsweise der optischen Kohärenz-Tomographie!
4. Welche Vorteile und Anwendungsgebiete ergeben sich daraus?
5. Wodurch wird die Auflösung bei der Optischen Kohärenztomographie
bestimmt?
6. Was ist bei der Auswahl einer Lichtquelle zu beachten (Kohärenz,
Wellenlänge,…)?
7. Wie funktioniert die Umwandlung des gemessenen Interferenzsignals
zum fertigen OCT-Bild?
Versuchsdurchführung :
1. Untersuchung selbst ausgewählter biologischer Proben unter Verwendung
verschiedener
(optimaler)
Geräteparameter
(Blätter,
Insekten,
Fingerkuppe,…). Welche Proben sind geeignet und welche nicht? Und
warum ist dem so?
2. Systematische Untersuchung des Schichtsystems einer Zwiebel.
3. Was geschieht bei der Untersuchung stark reflektierender Proben (z.B.
CDs, Alufolie)? Welche Auswirkungen ergeben sich daraus für die
folgenden Messungen?
4. Ausmessen der Größen und Winkeln eines Prüfkörpers (Silizium) mit
dünnen Membranen (Probe 1). Darstellung des Ergebnisses mit Skizze. Für
die Größenbestimmung der Proben ist der richtige Brechungsindex des
vermessenen Materials von Bedeutung. Kann dieser nicht exakt eingestellt
werden, muss die zu ermittelnde Größe aus vorhandenen Werten bei
bekannten Brechungsindexen approximiert werden.
5. Bestimmen der Größe von Glaskügelchen (Probe 2). Auf eine sinnvolle
Probenpräparation achten!
6. Ausmessen der Foliendicke von Luftpolsterfolie (Probe 3).
7. Aufnahme von 3D Bildern geeigneter Proben.
8. Untersuchungen zum Thema Materialwissenschaften: Woran erkennt man
eine im inneren beschädigte Probe?
9. Untersuchung einer eigenen Probe an Hand einer sinnvollen Fragestellung.
Die Auswahl der Probe sollte unter Berücksichtigung der Vorteile der
optischen Kohärenztomographie stattfinden. Es soll ein eigener neuer
Versuchsteil entwickelt werden mit Theorie.
Hinweise: Für alle Aufgabenteile sollen OCT-Aufnahmen gemacht werden.
Außerdem sollen wichtige Geräteparameter und die Vorgehensweise bei der
Versuchsdurchführung notiert werden. Ein wichtiges Bewertungsmerkmal des
Versuches ist der selbständige und kreative Umgang mit den Versuchsteilen.
Eigene Ideen dürfen und sollen jederzeit mit in den Versuch einfließen.