In vielen Anwendungsgebieten der Lasermesstechnik kann eine adaptive örtliche und zeitliche Lichtfeldformung völlig neue Perspektiven eröffnen. In der Optogenetik sind beispielsweise sowohl schnell in drei Dimensionen adressierbare Einzelpunkte mit einem maximalen Durchmesser von 10 μm für die Stimulation einzelner Zellen als auch komplexe Muster für die Aktivierung oder Inhibierung ganzer Zellgruppen notwendig, um fortgeschrittene Analysen neuronaler Netzwerke durchzuführen. Computergenerierte Hologramme (CGH) sind durch die vielseitigen Möglichkeiten der Amplituden- und Phasenmodulation für die Mustererzeugung am besten geeignet. Zur Darstellung von CGH weit verbreitete Flüssigkristall-Flächenlichtmodulatoren besitzen oft eine Megapixelauflösung aber eine Bildrate von nur wenigen Hertz. Durch Innovationen im Consumer-Bereich stehen mit mikroelektromechanischen Scannerspiegeln und ferroelektrischen binären Phasenmodulatoren neuartige Bauelemente zur Verfügung, die gleichzeitig hohe Orts- und Zeitauflösung vereinen. Aufbauend auf solchen Geräten mit 250 Hz bzw. 1,7 kHz Bildrate wurden in dieser Arbeit computergestützte adaptive optische Systeme für den Bereich des lasergenerierten Ultraschalls sowie für die Optogenetik entwickelt und angewendet. Anhand von Computersimulationen wurden Methoden zur schnellen Erzeugung binärer Phasenhologramme verglichen. Für Fresnelhologramme führt eine Fehlerdiffusionsmethode zu rekonstruierten Bildern ähnlicher der gewünschten Intensitätsverteilung und ist dabei mehr als 10× schneller als die zweitbeste Methode, welche auf dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus beruht.
Im Bereich des lasergenerierten Ultraschalls konnten durch einen mikroelektromechanischen Senkspiegel-Modulator ringförmige Beleuchtungsmuster unterschiedlichen Durchmessers generiert werden, die eine Fokussierung von Scherwellen in verschiedenen Tiefen in einem Aluminiumwerkstück bewirkten. So können potenziell Materialeigenschaften kontaktfrei mit hoher Bandbreite erfasst werden.
Für die optogenetische Netzwerkanalyse wurden zwei Systeme zur zellulären und subzellulären dreidimensionalen Stimulation und Inhibierung entwickelt. Durch ein
iteratives Korrekturverfahren mit Zernike-Polynomen konnte durch die Korrektur
systeminhärenter Aberrationen eine nahezu beugungsbegrenzte laterale Ortsauflösung erreicht werden. Abschließend wurde die zeitliche Entwicklung der Konnektivität neuronaler Netze mit diesen Systemen beobachtet. Durch die gezielte Einzelzellstimulation konnten dabei allein mit elektrischer Stimulation nicht sichtbare Effekte wie distanzabhängige Signalgeschwindigkeiten und Verknüpfungen zwischen nicht anhand elektrischer Signale erfassbaren Neuronen beobachtet werden. Dies eröffnet neue Wege z.B. für pharmakologische Untersuchungen und die Analyse neurodegenerativer Krankheiten.:Abkürzungsverzeichnis V
Symbolverzeichnis VII
Abbildungsverzeichnis XI
Tabellenverzeichnis XV
1 Motivation/Einleitung 1
2 Grundlagen der Strahlformung 5
2.1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 5
2.1.1 Von den Maxwellgleichungen zur Helmholtzgleichung 5
2.1.2 Die Winkelspektrumsmethode zur Beschreibung der Lichtausbreitung 6
2.1.3 Phasen-Beschreibung einer Linse 8
2.1.4 Zernike-Polynome 10
2.2 Computergenerierte Hologramme 10
2.2.1 Direkte Berechnung 11
2.2.2 Fourier- und Fresnelhologramme 12
2.2.3 Simulated Annealing 16
2.2.4 Phase retrieval mittels Gerchberg-Saxton-Algorithmus 19
3 Binäre Phasenhologramme 21
3.1 Gerchberg-Saxton 23
3.2 Thresholding 23
3.3 Error Diffusion 24
3.4 Methodenvergleich - Fresnelhologramme 28
3.5 Methodenvergleich - Fourierhologramme 31
3.6 Zusammenfassung 33
4 Anwendung I: Laserultraschall 35
4.1 Einleitung 35
4.2 Problemstellung 35
4.3 Strahlformung beliebiger Wellenfronten mit Phase Retrieval 37
4.4 Versuchsaufbau 40
4.5 Durchgeführte Messungen 42
4.6 Zusammenfassung 45
5 Anwendung II: Optogenetik 47
5.1 Problemstellung und Stand der Technik 47
5.2 Versuchsaufbau für Fresnelhologramme 53
5.2.1 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fresnelhologrammen 53
5.2.2 Ferroelektrischer binärer räumlicher Phasenmodulator 54
5.2.3 Berechnung computergenerierter Fresnelhologramme 56
5.2.4 Verwendete Zellkultur 57
5.2.5 Minimale Ortsauflösung 58
5.2.6 Framerate des Modulators 60
5.2.7 Erzeugung mehrerer Fokusse 61
5.2.8 Beispielhafte Einzelzellstimulation 63
5.3 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fourierhologrammen 65
5.3.1 Experimenteller Aufbau 66
5.3.2 Abschätzung der Ortsauflösung 68
5.3.3 Erzeugung von Lichtmustern und Aberrationskorrektur 69
5.3.4 Erzeugung mehrerer Fokusse 72
5.3.5 Testmessungen mit Fluoreszenzpartikeln in 2d/3d 73
5.3.6 Zusammenfassung 77
5.4 Untersuchung der Konnektivität neuronaler Netze 78
5.4.1 Zellkultur 80
5.4.2 Lokalisierung einzelner Neuronen 80
5.4.3 Experimentelles Vorgehen 81
5.4.4 Ergänzungen zum holographischen Stimulationsaufbau 83
5.4.5 Spike-Sorting 84
5.4.6 Vergleich von Aktivitätsprofilen von Weitfeld- und holographischer Stimulation 85
5.4.7 Peri-Event-Raster und -Zeithistogramme 86
5.4.8 Post-Stimulus-Zeit-Histogramm (PSTH) der holographischen Stimulation 86
5.4.9 Entfernungsabhängige Reaktionen der Neuronen auf holographische Stimulation 86
5.4.10 Funktionellen Konnektivität der Spontanaktivität (Baseline) 87
5.4.11 Kartierung funktioneller Konnektivität durch Einzelzellstimulation 88
5.4.12 Holographische Einzelzellstimulation 90
5.4.13 Zeitliche Dynamik der Konnektivität 95
5.4.14 Diskussion 99
5.4.15 Zusammenfassung 101
6 Zusammenfassung 103
Literaturverzeichnis 107 / In many application areas of laser measurement technology, adaptive local and temporal light field shaping can open up completely new perspectives. In optogenetics, for example, single foci with a maximum diameter of 10 μm, addressable in three dimensions, as well as complex light patterns are necessary for the the activation or inhibition of single cells or whole cell groups, respectively, to perform in-depth analyses of neuronal networks. Computer-generated holograms (CGH) are best suited for this purpose due to their versatile possibilities of amplitude and phase modulation. To display these, fast spatial light modulators (SLM) with a large number of pixels are required. Widely used liquid crystal SLMs, however, often have a megapixel resolution but a frame rate of only a few Hertz. Due to innovations in the consumer sector, microelectromechanical scanner mirrors and ferroelectric binary phase modulators are available, which offer high spatial and temporal resolution at the same time. Building on such devices with 250 Hz and 1.7 kHz frame rate, respectively, this work presents the development and application of computer-aided adaptive optical systems for laser-generated ultrasound and optogenetics. Based on computer simulations, methods for the fast generation of binary phase holograms were compared. For Fresnel holograms, an error diffusion method led to reconstructed images with highest similarity to the desired intensity distributions and was more than 10× faster than the second best method, which was based on the Gerchberg-Saxton algorithm.
In the field of laser-generated ultrasound, a microelectromechanical modulator was
used to generate ring-shaped illumination patterns of different diameters, which allow a focussing of shear waves in varying depths in an aluminium workpiece. This
way, material properties can potentially be detected without contact and with a high
bandwidth.
For optogenetic network analysis, two systems for cellular and subcellular three-dimensional stimulation and inhibition were developed. Using ferroelectric liquid crystal modulators, frame rates up to the kilohertz range can be achieved. An iterative correction procedure with Zernike polynomials was able to correct system-inherent aberrations to achieve almost diffraction-limited lateral spatial resolution. Applying these systems, the temporal evolution of neural network connectivity was observed. Through targeted single-cell stimulation, effects not visible with electrical stimulation alone, such as distance-dependent signal velocities and connections between neurons undetectable by electrical recording, were observed. This opens up new ways for pharmacological investigations and the analysis of neurodegenerative diseases.:Abkürzungsverzeichnis V
Symbolverzeichnis VII
Abbildungsverzeichnis XI
Tabellenverzeichnis XV
1 Motivation/Einleitung 1
2 Grundlagen der Strahlformung 5
2.1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 5
2.1.1 Von den Maxwellgleichungen zur Helmholtzgleichung 5
2.1.2 Die Winkelspektrumsmethode zur Beschreibung der Lichtausbreitung 6
2.1.3 Phasen-Beschreibung einer Linse 8
2.1.4 Zernike-Polynome 10
2.2 Computergenerierte Hologramme 10
2.2.1 Direkte Berechnung 11
2.2.2 Fourier- und Fresnelhologramme 12
2.2.3 Simulated Annealing 16
2.2.4 Phase retrieval mittels Gerchberg-Saxton-Algorithmus 19
3 Binäre Phasenhologramme 21
3.1 Gerchberg-Saxton 23
3.2 Thresholding 23
3.3 Error Diffusion 24
3.4 Methodenvergleich - Fresnelhologramme 28
3.5 Methodenvergleich - Fourierhologramme 31
3.6 Zusammenfassung 33
4 Anwendung I: Laserultraschall 35
4.1 Einleitung 35
4.2 Problemstellung 35
4.3 Strahlformung beliebiger Wellenfronten mit Phase Retrieval 37
4.4 Versuchsaufbau 40
4.5 Durchgeführte Messungen 42
4.6 Zusammenfassung 45
5 Anwendung II: Optogenetik 47
5.1 Problemstellung und Stand der Technik 47
5.2 Versuchsaufbau für Fresnelhologramme 53
5.2.1 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fresnelhologrammen 53
5.2.2 Ferroelektrischer binärer räumlicher Phasenmodulator 54
5.2.3 Berechnung computergenerierter Fresnelhologramme 56
5.2.4 Verwendete Zellkultur 57
5.2.5 Minimale Ortsauflösung 58
5.2.6 Framerate des Modulators 60
5.2.7 Erzeugung mehrerer Fokusse 61
5.2.8 Beispielhafte Einzelzellstimulation 63
5.3 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fourierhologrammen 65
5.3.1 Experimenteller Aufbau 66
5.3.2 Abschätzung der Ortsauflösung 68
5.3.3 Erzeugung von Lichtmustern und Aberrationskorrektur 69
5.3.4 Erzeugung mehrerer Fokusse 72
5.3.5 Testmessungen mit Fluoreszenzpartikeln in 2d/3d 73
5.3.6 Zusammenfassung 77
5.4 Untersuchung der Konnektivität neuronaler Netze 78
5.4.1 Zellkultur 80
5.4.2 Lokalisierung einzelner Neuronen 80
5.4.3 Experimentelles Vorgehen 81
5.4.4 Ergänzungen zum holographischen Stimulationsaufbau 83
5.4.5 Spike-Sorting 84
5.4.6 Vergleich von Aktivitätsprofilen von Weitfeld- und holographischer Stimulation 85
5.4.7 Peri-Event-Raster und -Zeithistogramme 86
5.4.8 Post-Stimulus-Zeit-Histogramm (PSTH) der holographischen Stimulation 86
5.4.9 Entfernungsabhängige Reaktionen der Neuronen auf holographische Stimulation 86
5.4.10 Funktionellen Konnektivität der Spontanaktivität (Baseline) 87
5.4.11 Kartierung funktioneller Konnektivität durch Einzelzellstimulation 88
5.4.12 Holographische Einzelzellstimulation 90
5.4.13 Zeitliche Dynamik der Konnektivität 95
5.4.14 Diskussion 99
5.4.15 Zusammenfassung 101
6 Zusammenfassung 103
Literaturverzeichnis 107
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87737 |
| Date | 27 October 2023 |
| Creators | Schmieder, Felix |
| Contributors | Czarske, Jürgen, Heisterkamp, Alexander, Koch, Edmund, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.5281/zenodo.6281875 |
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