Zeitaufgelöste Messungen zur Bestimmung der optischen Eigenschaften streuender Medien

Abstract

Die Lichtausbreitung in trüben Medien wird maßgeblich durch Absorption und Streuung festgelegt. Diese optischen Eigenschaften können mit Messungen der zeitabhängigen Reflektanz und Transmission bestimmt werden. Dafür nimmt der beschriebene Messaufbau mit Hilfe der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung den zeitabhängigen Verlauf kurzer Lichtpulse im Pikosekundenbereich nach Durchqueren des streuenden Mediums auf. Durch Vergleich mit einem Modell der Lichtausbreitung können der Absorptionskoeffizient und der reduzierte Streukoeffizient bestimmt werden. Für die Lösung des inversen Problems wird eine nichtlineare Optimierung mit dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus eingesetzt. Es werden drei Modelle zur Berechnung der Reflektanz von anisotrop streuenden, homogenen Medien vorgestellt und verglichen. Dabei werden die relativen Abweichungen der drei Modelle zu Monte-Carlo-Simulationen und die Fehler bei der Bestimmung der Parameter der Referenzsimulationen untersucht. Mit der P3-Approximation der Strahlungsstransporttheorie können die besten Vorhersagen der zeitabhängigen Reflektanz berechnet werden. Es werden Messungen an zwei Phantomsystemen präsentiert. Erstens werden flüssige Phantome auf Basis von Intralipid 20 % verwendet, die einen Quasi-Standard bei Forschungen zur diffusen Lichtausbreitung darstellen, und zweitens feste Phantome aus Epoxidharz. Viele biologische Medien weisen zusätzlich anisotrope Strukturen auf, wie Fasern in Muskeln, Sehnen oder Holz, und können daher nicht mit isotropen Modellen der Lichtausbreitung beschrieben werden. Die häufig eingesetzte, anisotrope Diffusionstheorie wird vorgestellt und die Ergebnisse von Messungen an Fichtenholz und dem Nackenband von Rindern gezeigt. Die Resultate zeigen, dass zeitaufgelösten Messungen in Verbindung mit der anisotropen Diffusionstheorie geeignet sind, um die optischen Eigenschaften von Materialien mit anisotropen Strukturen zu bestimmen.