Digitale Holographie

Eine patentierte Technologie

Die Digitale Holographische Mikroskopie (DHM®) als patentierte Technologie benützt eine Video (CCD) Kamera für die Aufnahme der Hologramme, die die Information aus der Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl enthalten. Die Hologramme werden anschliessend im Computer mit numerischen Abläufen in die 3D Topographie der Muster Oberfläche gerechnet. Genannt wird dieser Prozess „Bild Rekonstruktion“. Die eigentliche Innovation beim DHM® ist die Möglichkeit, aus einer einzigen Aufnahme die präzise 3D Oberflächen Topographie zu erhalten, ohne scannen etc. Im weiteren ermöglicht sie Einflussnahme in der digitalen Prozessierung wie nie zuvor in der Mikroskopie.

Viele Anwenundungs-Fälle zeigen, dass dieses neue Konzept schnelle 3D Aufnahmen in hoher Auflösung (Nanometer Skala in der vertikalen Ebene) gepaart mit einfacher Anwendung, Flexibilität und Kosten Effizienz erlaubt. Eine umfassende Beschreibung der Methode finden Sie hier: „Simultaneous amplitude-contrast and quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconstruction of Fresnel off-axis holograms

Messprinzip

Die DHM® Technologie erzeugt in Echtzeit hochaufgelöste 3D Digitalbilder eines Samples auf Basis des Prinzips der Holographie. Die Hologramme werden dabei so erzeugt, dass der kohärente Referenzstrahl mit dem Objektstrahl vom Sample interferiert. Aufgenommen mit einer Videokamera, werden die Hologramme sogleich im Computer numerisch in 3D Information gerechnet (rekonstruiert). Ein einzelnes Hologramm wird erfasst und gerechnet in wenigen Mikrosekunden. Die DHM® eigene Software rechnet die komplette Wellenfront, die vom Sample zurückkommt, und zeigt:

  • Intensitätsbilder mit demselben Kontrast, wie man sie von der klassischen optischen Mikroskopie her kennt
  • Phasenbilder, die quantitative Daten liefern, basierend auf einer Sub-Wellenlängen Skala, die genaue und stabile 3D Messungen erlaubt

In der Auflichtkonfiguration zeigt das Phasenbild direkt die Oberflächentopographie mit Sub-Nanometer Höhenauflösung. In der Durchlichtkonfiguration zeigt das Phasenbild den Phasenshift, der durch das transparente Sample hervorgerufen wird. Dieser Shift der Phase des Lichts lässt sich dann als zugrundeliegende biologische Prozesse interpretieren. Es ist die digitale Herangehensweise zur Holographie, die nun Computer basierte Auswertungen erlaubt, ja die Video-Mikroskopie auf ein neues Level bringt. Dazu kommen einzigartige Softwarekorrekturen wie optische Abbreation, digitale Fokussierung sowie die Korrektur der Schräglage der Sampleoberfläche, ohne das Sample überhaupt berühren zu müssen.

Principle of Digital Holography

Introduction to digital holography

Holographie ist eine gut verstandene Technik. Seit der Entdeckung durch Denis Gabor 1948 [GAB48, GAB49, GAB51, GAB66], wofür er den Nobelpreis in Physik im Jahre 1971 erhielt, gab es umfangreiche Weiterentwicklungen. Beschreibungen der verschiedenen Formen und Anwendungen der klassischen Holographie finden sich in verschiedenen Büchern [GOO68, HAR96, COLL71, HAN79, STR69, SMI69, FRA87]. Des weiteren gibt es ganze Reihe historischer wissenschaftlicher Veröffentlichungen, und eine interessante Übersicht über die Entwicklung der Holographie findet sich in „E.N. Leith’s overview [LEITH97]“.

Erwähnenswert ist auch, dass, neben der digitalen Holographie mit ihrer zunehmenden Bedeutung in jüngerer Zeit, auch die mehr klassische Holographie in neue Gebiete vorstösst und nicht bloss auf „Kunst“ reduziert werden darf. Forschung in den 50er und 60er Jahren durch mehrere berühmte Persönlichkeiten wie D. Gabor, E.N. Leith, A. Lohmann, R.J. Collier, J. Upatnieks, G. Stroke, N. Hartman, Yu. N. Denisyuk, S. Benton, R.F. Vanligte, J.W. Goodman, R. Dändliker and N. Abramson gipfelten in einer ganzen Reihe interessanter Anwendungen. Beispiele sind: holographische Datenspeicherung [SHEL97, ORT03], Photorefraktive Kristall Hologramm Aufnahme [ROO03], Licht-im-Flug für ultraschnelle Aufnahmen von Phänomenen [YAMA05],  Metrologie Anwendungen, TV Holographie [POO05] und so weiter. Im Weiteren sind alle Aspekte der Holographie eine Quelle der Inspiration für die Entwicklung der digitalen Holographie. Als ein Beispiel wurde die Konfiguration des DHM, gezeigt von E. Cuche [CUC99b], bereits 1966 von R.F. VanLighten und H. Oserberg [VAN66] präsentiert.

Betreffend die digitale Holographie: die ersten Computer gerechneten Rekonstruktionen von Hologrammen gehen auf die späten Sechzigerjahre zurück, etwa zwanzig Jahre nach den bahnbrechenden Publikationen durch Denis Gabor. Die Idee dazu kam 1967 von J.W. Goodman and R.W. Laurence [GOO67]. Gemacht wurden die Berechnungen dann zu Beginn der 70er Jahre von M.A. Kronrod and L.P. Yaroslavsky [KRO72a, KRO72b]. Aber die Hologramme wurden weiterhin auf einer photographischen Platte aufgenommen, optisch vergrössert und schliesslich gesampelt, bevor sie numerisch rekonstruiert wurden.

 

 

(English)
Hologram recording on photographic plateHologram recording on photographic plate
(English)
Hologram reconstructionHologram reconstruction

Die erste komplette digitale holographische Aufnahme & Rekonstruktion führte Coquoz et al. [COQ92, COQ93a, COQ93b] gefolgt von U. Schnars and W. Jüptner in 1994 [SCHN94a] aus. Das Aufkommen der (charge coupled device) CCD-Kamera ermöglichte dann die Aufnahme von Fresnel Hologrammen, gleichbedeutend mit schnelleren Aufnahme- und Rekonstruktions-Raten und erst noch grösserer Flexibilität.

Wichtige Schritte in der Evolution dieser Technik und deren Algorithmen waren: die Aufnahme durch endoskopische Instrumente, [COQ95, SCHE99, SCHE01, KOLE03, PED03], die Verwendung langer Wellenlängen [ALL03], sowie kurz-kohärente Laserquellen [CUC97, IND00, PED01a, PED02, MAS05, MAL05]. Ein ganz wichtiger Schritt war die Gewinnung nicht nur der Amplituden-, sondern auch der Phasen-Information. In-line Techniken erfordern Phasen-Shift entweder mit mehreren aufeinanderfolgenden Hologramm-Aufnahmen [YAM97, ZHA98, LAI00, GUO02, YAM03, AWA04, MILGA05] oder mit gleichzeitigen Aufnahmen [KOLI92, MILL01, WYA03].

In off-axis Konfiguration, U. Schnars [SCHN94b] konnte die Deformation eines Spezimen aufzeigen, indem er die Differenz der Phase zwischen den zwei Zuständen nutzte. Allerdings gibt diese Doppel-Belichtungstechnik nicht die absolute Phase des Spezimen wider. Eine Lösung für absolute Phasen Messungen wurde von Etienne Cuche in Form der off-axis Geometrie vorgeschlagen [CUC99a] und wurde dann patentiert [CUCPat]. Man nimmt eine flache Referenz-Oberfläche an einer flachen Stelle des Spezimen und lässt ein Verfahren laufen zur Kompensation der Phasen Deformation. Die komplette Wellenfront ist so aus einem einzigen Hologramm rekonstruiert, was dem ursprünglichen, eigentlichen Ziel der Holographie entspricht. Ebenfalls E. Cuche zeigte [CUC99b], dass die Phasen Kompensationstechnik auch in der holographischen Mikroskopie funktioniert.