Untersuchungen zum Einsatz kurzkohärenter Lichtquellen und numerischer Autofokussierungsverfahren in der digitalholographischen Mikroskopie (PDF)

Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 2009 im Fachbereich Physik - Optik, Note: 1 , Westfälische Wilhelms-Universität Münster (Centrum für Biomedizinische Optik und Photonik), Sprache: Deutsch, Abstract: Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Verfahren zur Rauschminderung, zur Reflexionsebenenselektion und zur numerischen Autofokussierung in der digitalholographischen Mikroskopie. Zunächst wurden die Eigenschaften der eingesetzten kurzkohärenten Superlumineszenzdioden charakterisiert und optimiert. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die Rekonstruktion der hiermit aufgenommenen digitalen Hologramme mit Methoden der räumlich phasenschiebenden Interferometrie möglich ist. Die Bildweite der rekonstruierten Wellenfelder kann anschließend mittels der faltungsbasierten Propagation variiert werden. Die Untersuchungen ergaben, dass das Phasenrauschen bei Einsatz kurzkohärenter Lichtquellen im Vergleich zur Laserlichtquelle signifikant vermindert wird. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung von angepassten Methoden der kurzkohärenten Interferometrie in der digitalholographischen Mikroskopie eine selektive Erfassung und Rekonstruktion definierter Reflexionsebenen ermöglicht. Hierbei ist die axiale Auflösung durch die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts bestimmt; eine spektrale Bandpassfilterung des Lichts bewirkt eine definierte Erhöhung der Kohärenzlänge, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber Fluktuationen in der Weglängendifferenz, z.B. durch mechanische Instabilitäten, vermindert wird.
Da die interferometrisch selektierte Objektebene im Allgemeinen nicht scharf abgebildet wird, wurde durch die Kombination von raumfrequenz- oder gradientenbasierten Bildschärfequantifizierungsverfahren mit der numerischen Propagation ein flexibler Autofokus für die digitalholographische Mikroskopie entwickelt. Hierdurch wird eine nachträgliche automatisierte Fokusstabilisierung sowie eine simultane scharfe Abbildung von Objekten in unterschiedlichen Gegenstandsweiten ermöglicht. Diese erlaubt in Kombination mit kurzkohärent-interferometrischen Verfahren eine reflexionsebenenselektive digitalholographische Auflichtmikroskopie mit automatisierter Optimierung der Abbildung. Hiermit konnte erstmals die durch eine lebende Zelle verursachte Phasenverzögerung in Auflicht bestimmt werden. Des Weiteren ermöglichen die bei der Autofokussierung von Messreihen erhaltenen Daten bei gleichzeitiger lateraler Maximalphasenbestimmung die quantitative dreidimensionalen Analyse von Objektbewegungen. Dieses Messprinzip ist z.B. zur Analyse von Sedimentations- und Migrationsprozessen von Zellen einsetzbar.