Achs-Auflösung: Schlüsselparameter für die Auswahl des ÜLG-Systems

01 Axiale Auflösung – Definition und Bedeutung

Die optische Kohärenztomographie (OCT) mit ihren Vorteilen des berührungslosen Betriebs, der hohen Auflösung und der Echtzeitbildgebung hat in der medizinischen Diagnostik, industriellen Inspektion, Materialwissenschaft und anderen Bereichen breite Anwendung gefunden. Als zentraler Parameter für die Auswahl eines OCT-Spektrometers bestimmt die axiale Auflösung direkt die Fähigkeit des Systems, feine Strukturen entlang der Tiefenrichtung einer Probe aufzulösen.

Unter der sogenannten axialen Auflösung versteht man den Mindestabstand entlang der Tiefenrichtung (also der Lichtausbreitungsrichtung), bei dem zwei benachbarte Strukturen deutlich unterschieden werden können. Sie wird typischerweise in Mikrometern (μm) ausgedrückt. Vereinfacht ausgedrückt funktioniert die axiale Auflösung bei einem großen Gewebe wie ein „Seziermesser“ – je höher die axiale Auflösung (je kleiner der numerische Wert), desto dünner ist der Schnitt, der erhalten werden kann, wodurch subtilere Strukturunterschiede erfasst werden. In Anwendungen wie der Augenheilkunde, Dermatologie und Materialprüfung bestimmt die axiale Auflösung direkt die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen.

Eine höhere axiale Auflösung ermöglicht dünnere „Scheiben“ und reichere Details.

02 Berechnung der axialen Auflösung

Die axiale Auflösung ist kein fester Wert; sie wird durch mehrere Parameter des OCT-Systems bestimmt. Das Verständnis der Einflussfaktoren ermöglicht die Auswahl optimaler Parameter für eine bestimmte Anwendung und ermöglicht so einen Ausgleich der Leistungsanforderungen, ohne dass unnötige Kosten durch eine zu hohe Auflösung entstehen.

Die wichtigsten Faktoren, die die axiale Auflösung beeinflussen, sind die optischen Eigenschaften der Lichtquelle, von denen die zentrale Wellenlänge (λ₀) und die spektrale Bandbreite (Δλ) am kritischsten sind. Diese beiden Parameter bestimmen direkt die theoretische axiale Auflösung. Eine in der Branche häufig verwendete vereinfachte Formel lautet:

Δz = (2ln2/π)·(λ₀²/Δλ) = 0,44 * (λ₀²/Δλ)

Dabei ist Δz die axiale Auflösung, λ₀ die zentrale Wellenlänge der Lichtquelle und Δλ die spektrale Bandbreite. Die Formel zeigt intuitiv, dass:

• Je breiter die spektrale Bandbreite (Δλ) ist, desto höher ist die axiale Auflösung (kleineres Δz).
• Je kürzer die Zentralwellenlänge (λ₀), desto höher ist die axiale Auflösung; umgekehrt verringert eine längere Wellenlänge die Auflösung.

Zum Beispiel:

• Eine Lichtquelle mit einer zentralen Wellenlänge von 850 nm und einer Bandbreite von 50 nm liefert eine theoretische axiale Auflösung von etwa 6,36 μm – ausreichend für die Beobachtung der Netzhautschicht in der Augenheilkunde.
• Eine 850-nm-Quelle mit einer Bandbreite von 100 nm erreicht eine theoretische Auflösung von etwa 3,2 μm – geeignet für anspruchsvolle Forschung auf zellulärer Ebene.
• Bei einer zentralen Wellenlänge von 1300 nm und gleicher Bandbreite sinkt die axiale Auflösung auf 8–12 μm, was besser für Anwendungen geeignet ist, die eine tiefere Eindringtiefe erfordern.

Die Netzhaut besteht aus 10 Schichten mit einer Gesamtdicke von etwa 10–15 μm; Die dünnste Schicht ist nur etwa 1 μm, die dickste etwa 40 μm.

In einem OCT-System sollte nicht nur die Bandbreite der Lichtquelle die Anforderungen an die axiale Auflösung erfüllen, sondern auch die Bandbreite des Spektrometers. JINSP bietet Spektrometer mit verschiedenen Bandbreiten an, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden:

Wie in der Tabelle oben zu sehen ist, stehen die axiale Auflösung und die Erkennungstiefe in einem Kompromissverhältnis: Eine Verbesserung des einen führt zwangsläufig zu einer Verschlechterung des anderen. Dies lässt sich intuitiv mit einer Kamera-Analogie verstehen – man kann nicht gleichzeitig ein größeres Sichtfeld und feinere Details erfassen; Sie müssen entsprechend den tatsächlichen Anforderungen abwägen und dabei entweder ein bestimmtes Sichtfeld oder einige Details opfern. Daher ist es bei der Gestaltung und Auswahl eines OCT-Systems wichtig, sich auf die primären Anforderungen zu konzentrieren und entsprechende Kompromisse einzugehen.

03 Einfluss des Brechungsindex auf die axiale Auflösung

Zusätzlich zu den Quellenparametern wird die axiale Auflösung auch durch den Brechungsindex (n) des Mediums, optische Aberrationen, die Abtastrate des Detektors und andere Faktoren beeinflusst. In praktischen Anwendungen verändert der Brechungsindex des Mediums die axiale Auflösung. Die korrigierte Formel kann wie folgt vereinfacht werden:

Δz = 0,44/n · (λ₀²/Δλ)

Dabei ist n der Brechungsindex des Probenmediums (z. B. für biologische Gewebe n ≈ 1,33). Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl eines OCT-Systems im medizinischen Bereich. Beim vorherigen Beispiel einer 850-nm-Quelle mit 50-nm-Bandbreite beträgt die theoretische axiale Auflösung in Luft etwa 6,36 μm, in Gewebe beträgt sie jedoch etwa 4,8 μm.

Darüber hinaus können optische Aberrationen und die Abtastrate des Detektors die tatsächliche axiale Auflösung um 20–30 % im Vergleich zum theoretischen Wert verringern, daher sollte bei der Systemauswahl ein Spielraum reserviert werden.