WO2002068937A1 - Device and method for measuring the concentration of at least one substance in a sample - Google Patents

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WO2002068937A1 PCT/DE2002/000738 DE0200738W WO02068937A1 WO 2002068937 A1 WO2002068937 A1 WO 2002068937A1 DE 0200738 W DE0200738 W DE 0200738W WO 02068937 A1 WO02068937 A1 WO 02068937A1
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Kai Schmidt
Gerald Lauckner
Dieter Beckmann
Andreas Koch
Bodo Asmussen
Frank Theobald
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Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.
Lts Lohmann Therapie-Systeme Ag
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Abstract

The invention relates to a device and method for measuring the concentration of at least one substance in a sample, particularly in human skin. The inventive device comprises a means for exciting at least one substance by means of electromagnetic radiation and comprises a measuring cell for carrying out a detection based on the excitation of generated acoustic waves out of and/or inside the substrate. A calculating means serves to automatically convert the fluctuations in pressure that are induced by temperature changes on a surface of the sample into at least one measure that is dependent on the concentration of at least one of the substances. This enables a concentration measurement to be carried out in a rapid and precise manner by using the photoacoustic effect.

Description

Vorrichtung und Nerfahren zur Messung der Konzentration mindestens einer Device and ner driving for measuring the concentration of at least one
Substanz in einer ProbeSubstance in a sample
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Norrichtung zur Messung der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Probe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Nerfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.The invention relates to a device for measuring the concentration of at least one substance in a sample according to the preamble of claim 1 and a ner driving with the features of claim 11.
Die erfindungsgemäße Norrichtung und das erfindungsgemäße Nerfahren beruhen auf photothermischen, insbesondere photoakustischen Effekten.The inventive direction and the driving according to the invention are based on photothermal, in particular photoacoustic, effects.
Ein photothermisches Signal entsteht beim Übergang eines photostimulierten Materials (z.B. der menschlichen Haut) von einem energiereichen in einen energieärmeren Zustand. Ein Teil der dabei freiwerdenden Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgeführt.A photothermal signal is generated when a photostimulated material (e.g. human skin) changes from an energy-rich to a low-energy state. Some of the energy released in the process is dissipated to the environment in the form of heat.
Zur Detektion der frei werdenden Wärme können verschiedene Prinzipien genutzt werden, wobei sich die Meßverfahren in direkte und indirekte Nerfahren einteilen lassen. Bei den direkten werden die Temperatur oder die entstehende Druckwelle in der Probe direkt gemessen. Bei indirekten Nerfahren wird die Reaktion eines Koppelmediums auf die emittierte Wärme ausgenutzt.Various principles can be used to detect the heat released, and the measuring methods can be divided into direct and indirect ner driving. In the case of direct samples, the temperature or the resulting pressure wave in the sample are measured directly. In indirect ner driving, the reaction of a coupling medium to the emitted heat is used.
Die Photoakustik ist die älteste Form der photothermischen Messung und wurde bereits 1880 von Alexander G. Bell entwickelt. Sie ist eine indirekte Meßmethode, da bei ihr die Erwärmung und die nachfolgende Ausdehnung einer dünnen, an die Probe grenzenden Gasschicht genutzt wird. Die Ausdehnung der Gasschicht führt in einer geschlossenen Meßzelle zu einer Druckerhöhung, die mit einem empfindlichen Drucksensor (z.B. einem Mikrophon) nachweisbar ist. Der photoakustische Effekt an sich ist z.B. in G. Rosencwaig "Theory of the photoacustic effect with solids" Journal of Applied Physics Vol. 52, S. 64- 69 (1976) beschrieben.Photoacoustics is the oldest form of photothermal measurement and was developed by Alexander G. Bell in 1880. It is an indirect measurement method, since it uses the heating and subsequent expansion of a thin gas layer adjacent to the sample. The expansion of the gas layer leads to an increase in pressure in a closed measuring cell, which can be detected with a sensitive pressure sensor (eg a microphone). The photoacoustic effect itself is, for example, in G. Rosencwaig "Theory of the photoacustic effect with solids" Journal of Applied Physics Vol. 52, pp. 64-69 (1976).
Eine photoakustische Meßzelle ist z.B. aus dem deutschen Gebrauchsmuster 296 17 790 bekannt.A photoacoustic measuring cell is e.g. known from German utility model 296 17 790.
Nachteilig bei diesen bekannten Nerfahren ist, daß ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Meßwerten und den räumlichen und zeitlichen Änderungen des Konzentrationsprofils nicht sicher und effizient ermittelbar ist.A disadvantage of these known ner drives is that a functional relationship between the measured values and the spatial and temporal changes in the concentration profile cannot be determined reliably and efficiently.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Norrichtung und ein Nerfahren zu schaffen, mit denen die Ermittlung eines Konzentrationsprofil einer Substanz mittels des photoakustischen Effektes auf schnelle und genaue Weise möglich ist.The present invention has for its object to provide a direction and a ner driving with which the determination of a concentration profile of a substance by means of the photoacoustic effect is possible in a fast and accurate manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Norrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by a standard with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß wird ein Rechenmittel (z.B. Software auf einem Computer) zur automatischen Verarbeitung der durch Temperaturänderungen an einer Oberfläche der Probe hervorgerufenen Druckschwankungen verwendet. Erfindungsgemäß erfolgt dabei eine automatische Umwandlung der Meßsignale in mindestens eine Maßzahl, die von der Konzentration mindestens einer der Substanzen abhängig ist. Damit kann die Konzentration einer Substanz in der Probe vorteilhafterweise in räumlicher und zeitlicher Auflösung einfach und genau bestimmt werden.According to the invention, a computing means (e.g. software on a computer) is used for the automatic processing of the pressure fluctuations caused by temperature changes on a surface of the sample. According to the invention, the measurement signals are automatically converted into at least one measure which is dependent on the concentration of at least one of the substances. The concentration of a substance in the sample can thus advantageously be determined simply and precisely in spatial and temporal resolution.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Rechenmittel ein Mittel zur automatischen Invertierung einer Integralgleichung betreffend die Wärmeleitung mittels eines Regulationsansatzes aufweist. Die Verwendung eines Regulationsansatzes ist auf einen Computer effizient zu implementieren und führt zu stabilen Lösungen der Integralgleichung.It is particularly advantageous if the computing means has a means for automatically inverting an integral equation relating to heat conduction by means of a regulation approach. The use of a regulatory approach can be efficiently implemented on a computer and leads to stable solutions of the integral equation.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine gepulste Laservortichtung, insbesondere einen gütegeschalteten ΝdY AG-Laser, als Mittel zu Anregung der Substanz auf. Durch das kohärente Laserlicht mit Pulsen im Bereich z.B. von Νa- nosekunden und die guten Steueurungsmöglichkeiten des Laserlichts wird eine gezielte Anregung der Substanz ermöglicht.An advantageous embodiment of the device according to the invention has a pulsed laser device, in particular a Q-switched ΝdY AG laser, as a means for exciting the substance. Due to the coherent laser light with pulses in the range of eg Νa- noseconds and the good control possibilities of the laser light enable a targeted excitation of the substance.
Vorteilhafterweise ist die Meßkammer als akustischer Resonator ausgebildet, wobei die Frequenzabstimmung in Abhängigkeit einer Tiefenausdehnung der zu untersuchenden Probe einstellbar ist.The measuring chamber is advantageously designed as an acoustic resonator, the frequency tuning being adjustable as a function of a depth extension of the sample to be examined.
Mit Vorteil ist ein Mittel zur Mittelung von mindestens zwei Signale der Druckschwankungsmessung über einen vorbestimmbaren Zeitraum vorgesehen. Dabei kann z.B. eine Mittelung über zwei Lichtimplulse eines Lasers erfolgen. Eine besondere einfache Möglichkeit zur Mittelung ist die Verwendung eines digitales Speicherozilloskop als Mittel zur Mittelung.A means is advantageously provided for averaging at least two signals of the pressure fluctuation measurement over a predeterminable period of time. Here, e.g. averaging takes place over two light pulses of a laser. A particularly simple way of averaging is to use a digital storage oscilloscope as a means of averaging.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn ein Mittel zur Kalibrierung der Meßzelle, insbesondere eine Referenzmeßzelle, vorgesehen wird. Die Referenzmeßzelle mißt unabhängig von der Oberflächenstruktur der Probe und liefert daher einen echten Referenzwert.It is also advantageous if a means for calibrating the measuring cell, in particular a reference measuring cell, is provided. The reference measuring cell measures independently of the surface structure of the sample and therefore provides a real reference value.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Korrekturmittel für frequenzabhängige Übertragungsfunk- tionen der Meßkammer und / oder eines Meßkopfes verwendet wird. Damit können die dynamischen Eigenschaften des Meßkammer und / oder des Meßkopfes von den gemessenen Werten herausgerechnet werden, so daß im Ergebnis nur die Meßwerte übrigbleiben, die von der Substanz stammen.It is also advantageous if a correction means is used for frequency-dependent transmission functions of the measuring chamber and / or a measuring head. The dynamic properties of the measuring chamber and / or of the measuring head can thus be calculated out of the measured values, so that only the measured values that originate from the substance remain in the result.
Zur Auswertung der Messung ist es vorteilhaft, wenn die Meßzelle in einem Meßkopf angeordnet ist, der über eine Datenleitung mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung gekoppelt ist.To evaluate the measurement, it is advantageous if the measuring cell is arranged in a measuring head which is coupled to a data processing device via a data line.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Dabei kann die Konzentration einer Substanz in der Probe schnell ermittelt werden, wenn die gemessenen Werte der durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Druckschwankungen an einer Oberfläche der Probe automatisch in mindestens eine Maßzahl umgerechnet werden, die von der Konzentration mindestens einer der Substanzen abhängig ist. Be- sonders vorteilhaft ist es, wenn automatisch ein zeitabhängiges und / oder ortsabhängiges Konzentrationsprofil mindestes einer Substanzen ermittelt wird.The object is also achieved by a method having the features of claim 11. The concentration of a substance in the sample can be determined quickly if the measured values of the pressure fluctuations caused by temperature changes on a surface of the sample are automatically converted into at least one measure which is dependent on the concentration of at least one of the substances. loading It is particularly advantageous if a time-dependent and / or location-dependent concentration profile of at least one substance is automatically determined.
Die automatische Umrechnung ist besonders effizient, wenn das Rechenmittel automatischen eine Integralgleichung betreffend die Wärmeleitung mittels eines Regulationsansatzes löst.The automatic conversion is particularly efficient if the computing means automatically solves an integral equation relating to heat conduction using a regulation approach.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor, wenn eine gepulste Laservorrichtung zur Anregung verwendet wird. Auch ist es vorteilhaft, die Meßkammer als akustischen Resonator auszubilden.A particularly advantageous embodiment of the method according to the invention is present when a pulsed laser device is used for excitation. It is also advantageous to design the measuring chamber as an acoustic resonator.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, wenn mindestens zwei Signale der Druckschwankungsmessung über einen vorbestimmbaren Zeitraum gemittelt werden. Damit wird das Signal / Rauschverhältnis verbessert und der Einfluß niederfrequenter Störungen aus der Meßumgebnung minimiert.A further advantageous embodiment of the method according to the invention is when at least two signals of the pressure fluctuation measurement are averaged over a predeterminable period of time. This improves the signal / noise ratio and minimizes the influence of low-frequency interference from the measurement environment.
Zur Verbesserung der Auswertung ist es vorteilhaft, wenn zur Kalibrierung der Meßzelle eine Messung an einer Referenzmeßzelle vorgenommen wird.To improve the evaluation, it is advantageous if a measurement is carried out on a reference measuring cell in order to calibrate the measuring cell.
Der Einfluß der Meßvorrichtung selbst auf die gemessenen Signale läßt sich vorteilhafterweise dadurch minimieren, daß die frequenzabhängigen Übertragungsfunktionen der Meßkammer und / oder eines Meßkopfes durch eine Korrekturfunktion korrigiert werden.The influence of the measuring device itself on the measured signals can advantageously be minimized in that the frequency-dependent transfer functions of the measuring chamber and / or a measuring head are corrected by a correction function.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the figures of the drawings using several exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 eine Darstellung des photoakustischen Meßverfahrens;1 shows a representation of the photoacoustic measuring method;
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 2 is a schematic circuit diagram of an embodiment of the device according to the invention.
In Fig. 1 ist der grundsätzliche Ablauf des Meßverfahrens dargestellt. Für eine photoakustische Messung wird elektromagnetische Strahlung 101, insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichtes auf eine hier nicht dargestellte Probe gestrahlt. Unter Probe soll hier jedes Material verstanden werden, in dem mindestens eine Substanz vorhanden ist, deren Konzentration gemessen werden sollIn Fig. 1 the basic sequence of the measurement process is shown. For a photoacoustic measurement, electromagnetic radiation 101, in particular in the range of visible light, is radiated onto a sample (not shown here). Sample is to be understood here to mean any material in which there is at least one substance whose concentration is to be measured
Die Probe besitzt einen optischen Absorptionskoeefizienten 102, so daß die Strahlung in der Probe absorbiert 103 wird.The sample has an optical absorption coefficient 102 so that the radiation is absorbed 103 in the sample.
Die Probe weist ferner eine bestimmte Konversionseffizienz 104 auf, die angibt, welcher Anteil des eingestrahlten Lichtes in Wanne 105 umgewandelt wird.The sample also has a certain conversion efficiency 104, which indicates what proportion of the incident light is converted into tub 105.
Der photoakustische Effekt kann zur Messung von Eigenschaften einer Probe wie z.B. der menschlichen Haut verwendet werden, da die optischen Materialparameter, Absorptionsund Streukoeffizienten die räumliche Verteilung der optischen Energie in der Probe bestimmen. Die lokalen Temperaturänderungen (und damit auch Druckänderungen) hängen von diesen Parametern ab.The photoacoustic effect can be used to measure properties of a sample, e.g. of the human skin, since the optical material parameters, absorption and scattering coefficients determine the spatial distribution of the optical energy in the sample. The local temperature changes (and therefore also pressure changes) depend on these parameters.
Die im Absorptionsgebiet entstehende Wärme 105 breitet sich gemäß den Gesetzen der Wärmeleitung aus und kann an der Oberfläche der Probe mit einem geeigneten Meßinstrument nachgewiesen werden. Dabei entstehen thermische Wellen 106, die von der Temperaturleitfähigkeit 106a abhängen und akustische Wellen 107, die von der Schallleitfähigkeit 107a abhängen.The heat 105 generated in the absorption area spreads according to the laws of heat conduction and can be detected on the surface of the sample with a suitable measuring instrument. This creates thermal waves 106 that depend on the temperature conductivity 106a and acoustic waves 107 that depend on the sound conductivity 107a.
Soll eine photoakustische Meßvorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen mindestens einer Substanz in einer Probe eingesetzt werden, so ist eine Umrechnung der mit der Meßzelle gemessenen Druckwerte der akustischen Wellen 107 in ein zeitlich und räumlich bestimmtes Konzentrationsprofil notwendig.If a photoacoustic measuring device is to be used to determine the concentrations of at least one substance in a sample, it is necessary to convert the pressure values of the acoustic waves 107 measured with the measuring cell into a concentration profile that is determined over time and in space.
Dazu bedarf es eines mathematischen Modells, das einen Zusammenhang zwischen den Druckschwankungen und dem zu ermittelnden Konzentrationsprofil der Substanz herstellt. Ein solches Modell beinhaltet die Lösung der Wärmetransportgleichung in der Probe und in dem angrenzenden Gas. Die theoretischen Grundlagen zur Lösung der Wärmetransportgleichung sind zusammenfassend in Anhang 1 dargestellt. Darin wird gezeigt, daß das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem die Bestimmung eines zeit- und ortsaufgelösten Konzentrationsprofils ist. Die Lösung der resultierenden Integralgleichung ist geschlossen nicht möglich, so daß eine numerische Berechnung erforderlich ist.This requires a mathematical model that creates a connection between the pressure fluctuations and the concentration profile of the substance to be determined. Such a model involves solving the heat transport equation in the sample and in the adjacent gas. The theoretical foundations for solving the heat transfer equation are summarized in Appendix 1. It shows that the problem underlying the present invention is the determination of a time and location resolved concentration profile. The resulting integral equation cannot be solved closed, so that a numerical calculation is necessary.
Die verschiedenen Methoden zur Lösung und die erfindungsgemäße Verwendung eines Regularisierungsverfahren wird in Anhang 2 dargestellt.The various methods of solving and the use of a regularization method according to the invention are shown in Appendix 2.
Dabei wird für die numerische Behandlung der Integralgleichung in diskrete Zeit- und Ortsschritte zerlegt. Das entstehende Gleichungssystem wird dann mittels eines Regulari- sierungsverfahrens gelöst. Dabei hat sich für die praktische Auswertung das Tikhonov- Verfahren bewährt. Soll eine höhere Genauigkeit erzielt werden, so kann auf das EM- NNLS Verfahren zurückgegriffen werden.The numerical treatment of the integral equation is broken down into discrete time and location steps. The resulting system of equations is then solved using a regularization process. The Tikhonov method has proven itself for practical evaluation. If a higher accuracy is to be achieved, the EM-NNLS method can be used.
Für erste Untersuchungen erfolgte die Lösung der Integralgleichung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung, bei dem eine Software als Rechenmittel verwendet wurde. Alternativ läßt sich natürlich auch ein speziell hergestellter Chip dafür verwenden.For the first investigations, the integral equation was solved on a data processing device, in which software was used as the computing means. Alternatively, a specially manufactured chip can of course also be used for this.
In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung dargestellt, durch die die Konzentration mindestens einer Substanz in einer Probe 1 mittels des photoakustischen Effektes bestimmbar ist.2 shows the basic structure of a device by means of which the concentration of at least one substance in a sample 1 can be determined by means of the photoacoustic effect.
Als Beispiel soll im folgenden die Messung der Estradiol-Konzentration in Haut 1 dargestellt werden. Eine solche Messung ist insbesondere für die Untersuchung der Aufnahme dieser Substanz in die Haut von Bedeutung.The measurement of the estradiol concentration in skin 1 is shown below as an example. Such a measurement is particularly important for examining the absorption of this substance into the skin.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann grundsätzlich für alle Substanzen verwendet werden, die durch elektromagnetische Strahlung angeregt werden können, so daß diese akustische Wellen ausstrahlen. Ein typisches Anwendungsgebiet ist z.B. die Untersuchung des Eindringverhaltens von Sonnenschutzcremes in die Haut. Auch können grundsätzlich andere Materialien als Haut 1 verwendet werden.The device according to the invention can in principle be used for all substances, which can be excited by electromagnetic radiation so that they emit acoustic waves. A typical area of application is, for example, the investigation of the penetration behavior of sun protection creams into the skin. In principle, materials other than skin 1 can also be used.
Zur Erzeugung einer akustischen Welle in der Haut 1 wird ein Laser 10 als Mittel zur Anregung verwendet. Der Laser 1 ist als Nd-Yag Laser ausgebildet. Der Laser 1 strahlt Licht mit einer Wellenlänge von 355nm in Impulsen von 9ns aus. Die Lichtleistung auf der Haut beträgt zwischen 150 und 300 Mikrojoule.To generate an acoustic wave in the skin 1, a laser 10 is used as a means for excitation. The laser 1 is designed as an Nd-Yag laser. Laser 1 emits light with a wavelength of 355nm in pulses of 9ns. The light output on the skin is between 150 and 300 microjoules.
Der Laserstrahl wird über einen variablen Attenuator 11 auf einen ersten Spiegel 12 geleitet, der halbdurchlässig ist. Der erste Spiegel 12 leitet das Licht über eine optische Vorrichtung 15 (hier durch eine Linse symbolisiert), über ein Faserbündel 16 in einen grundsätzlich bekannten photoakustischen Meßkopf 18.The laser beam is guided via a variable attenuator 11 to a first mirror 12, which is semi-transparent. The first mirror 12 conducts the light via an optical device 15 (symbolized here by a lens), via a fiber bundle 16, into a fundamentally known photoacoustic measuring head 18.
Der Laserstrahl trifft dann auf die Probe 1, hier die menschliche Haut und regt die in der Probe befindliche Substanz an.The laser beam then hits sample 1, here the human skin, and excites the substance in the sample.
Die vom Meßkopf 18 aufgenommenen akustischen Schwingungen werden über einen Vorverstärker 17 über ein Ozilloskop 21 an einen Auswertungsrechner 20 übertragen.The acoustic vibrations picked up by the measuring head 18 are transmitted to an evaluation computer 20 via a preamplifier 17 and an ozilloscope 21.
Ein Teilstrahl des Laserstrahls geht durch den ersten Spiegel 12 hindurch und wird auf den zweiten Spiegel 13 gelenkt, der den Strahl über eine Referenzmeßzelle 14, das Ozilloskop 21 zu dem Auswertungsrechner 20 bringt.A partial beam of the laser beam passes through the first mirror 12 and is directed onto the second mirror 13, which brings the beam via a reference measuring cell 14, the oscilloscope 21, to the evaluation computer 20.
Auf dem Auswertungsrechner 20 werden die Meßwerte als Eingangswerte für das mathematische Modell verwendet, mit dem Aussagen über den räumlichen und ggf. zeitlichen Verlauf der Konzentration der Substanz in der Haut gewonnen werden können.On the evaluation computer 20, the measured values are used as input values for the mathematical model, with which statements about the spatial and possibly temporal course of the concentration of the substance in the skin can be obtained.
In Anhang 3 wird ausführlich die Durchführung von Experimenten mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die Auswertung der Experimente wird in Anhang 4 dargestellt. Auf der Basis der photoakustischen Spektroskopie wurde eine Methode zur zerstörungsfreien Bestimmung räumlicher Konzentrationsprofile von Chromophoren in biologischen Geweben entwickelt. Die notwendige experimentelle Anordnung besteht aus einer periodisch modulierten oder gepulsten Lichtquelle, deren Absorption im zu untersuchenden Gewebe zu einer sich mit der Zeit und dem Ort ändernden Wärmedichte führt. Das daraus resultierende Temperaturfeld an der Probenoberfläche läßt sich indirekt mit einer speziellen photoakustischen Messzelle, in der ein Mikrofon die Druckschwankungen registriert, bestimmen. Dabei wird die Ausdehnung des an die Probe angrenzenden Mediums infolge des Wärmetransportes aus dem Probenmaterial in das Medium ausgenutzt. Das Temperaturfeld an der Probenoberfläche ergibt sich als Lösung des Wärmeleitungsproblems eines thermisch homogenen Körpers mit einer sich periodisch ändernden oder gepulsten ortsabhängigen Wärmedichte. Die Abhängigkeit der Wärmedichte vom Ort in der Probe wird durch den lokalen Wert des optischen Absorptionskoeffizienten und damit der Konzentration der Chromophore bestimmt.In Appendix 3, the implementation of experiments with a device according to the invention is described in detail. The evaluation of the experiments is shown in Appendix 4. Based on photoacoustic spectroscopy, a method for the non-destructive determination of spatial concentration profiles of chromophores in biological tissues was developed. The necessary experimental arrangement consists of a periodically modulated or pulsed light source, the absorption of which in the tissue to be examined leads to a heat density that changes with time and place. The resulting temperature field on the sample surface can be determined indirectly with a special photoacoustic measuring cell in which a microphone registers the pressure fluctuations. The expansion of the medium adjacent to the sample due to the heat transfer from the sample material into the medium is used. The temperature field on the sample surface is a solution to the heat conduction problem of a thermally homogeneous body with a periodically changing or pulsed, location-dependent heat density. The dependence of the heat density on the location in the sample is determined by the local value of the optical absorption coefficient and thus the concentration of the chromophores.
Das Wärmeleitungsproblem führt auf einen Zusammenhang zwischen dem zeit- oder frequenzabhängigen Temperaturfeld an der Probenoberfläche und der Wärmedichte im Inneren der Probe in Form einer Fredholmschen Integralgleichung erster Art. Die Integralgleichung ist nur mit Hilfe numerischer Verfahren zu lösen. Die Anpassung des kontinuierlichen Problems an eine numerische Verarbeitung erfolgt über die Diskretisierung der Variablen im Orts- und Zeitbereich. Im Rahmen der Arbeit werden vier numerische Lösungsverfahren ausgewählt und die Genauigkeit ihrer Lösungen anhand von ausgesuchten repräsentativen Absorptionsprofilen überprüft. Durch die Veränderung des Signal/Rausch- Verhältnisses wird eine experimentelle Situation simuliert. Es ergeben sich Unterschiede in der Eignung der Lösungsverfahren. So ist das EM NNLS-Verfahren gut für Absorptionsprofile mit unstetigem Verlauf geeignet. Das Tikhonov- Verfahren eignet sich dagegen für langsam und stetig veränderliche Profile des optischen Absorptionskoeffizienten.The heat conduction problem leads to a connection between the time or frequency-dependent temperature field on the sample surface and the heat density inside the sample in the form of a Fredholm integral equation of the first kind. The integral equation can only be solved with the aid of numerical methods. The continuous problem is adapted to numerical processing by discretizing the variables in the local and time domain. Four numerical solution methods are selected and the accuracy of their solutions is checked using selected representative absorption profiles. An experimental situation is simulated by changing the signal / noise ratio. There are differences in the suitability of the solution methods. The EM NNLS method is well suited for absorption profiles with a discontinuous course. The Tikhonov method, on the other hand, is suitable for slowly and continuously changing profiles of the optical absorption coefficient.
Die experimentellen Untersuchungen begannen mit Schichten aus optischem Farbglasfilter und transparenten Deckgläsern. Damit konnte ein Stufenprofil des optischen Absorptionskoeffizienten definiert erzeugt werden. Die Berechnung des Absorptionsprofils aus den photoakustischen Messwerten führte zu einem tendenziell richtigen Ergebnis. Aufgrund der in der Schichtstruktur vorhandenen thermischen Inhomogenitäten war das Ergebnis, insbesondere in tieferen Schichten der Probe, verfälscht.The experimental investigations started with layers of optical colored glass filters and transparent cover glasses. A step profile of the optical absorption coefficient could thus be generated in a defined manner. The calculation of the absorption profile from the photoacoustic measurement values tended to lead to a correct result. Due to the The thermal inhomogeneities present in the layer structure were falsified, in particular in the deeper layers of the sample.
Die Untersuchung von künstlich hergestellten Gelatineschichten mit und ohne Farbstoff erlaubte die Beobachtung des Diffusionsprozesses des Farbstoffes in eine farblose Deckschicht. Bei diesem Experiment wurde der begrenzende Einfluß des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens des Messsystems besonders deutlich. Die unterschiedliche Wich- tung von Frequenzen im Messsignal führt in der Berechnung des Absorptionsprofils zu Fehlern. Die Korrektur des Übertragungsverhaltens auf mathematischem Wege brachte nur eingeschränkte Erfolge.The examination of artificially produced gelatin layers with and without dye allowed the observation of the diffusion process of the dye in a colorless top layer. The limiting influence of the frequency-dependent transmission behavior of the measuring system became particularly clear in this experiment. The different weighting of frequencies in the measurement signal leads to errors in the calculation of the absorption profile. The correction of the transmission behavior by mathematical means was only of limited success.
Die Untersuchungen an isolierter Schweinehaut im sichtbaren Spektralbereich und dem nahen UV bestätigten die theoretisch beschriebene Möglichkeit der Bestimmung von Konzentrationsprofilen äußerlich angewandter Substanzen in der Haut.The studies on isolated pig skin in the visible spectral range and the near UV confirmed the theoretically described possibility of determining concentration profiles of externally applied substances in the skin.
Die abschließenden Untersuchungen am lebenden Menschen wurden mit Sonnencreme durchgeführt. Die Verteilung der Sonnenschutzsubstanz in der Hornschicht der Haut konnte berechnet werden. Die Konzentrationsverteilung in der Haut befindet sich in Übereinstimmung mit den gesetzlichen Anforderungen an ein Sonnenschutzprodukt.The final examinations on living people were carried out with sunscreen. The distribution of the sunscreen substance in the horny layer of the skin could be calculated. The concentration distribution in the skin is in accordance with the legal requirements for a sun protection product.
Die erfindungsgemäße Messanordnung mit offener photoakustischer Messzelle eignet sich für die in-vivo-Untersuchung von Konzentrationsprofilen absorbierender Substanzen in der menschlichen Haut. Aufgrund der mikroskopischen und makroskopischen Eigenbewegungen der Haut sind Vorrichtungen zur Verminderung der Störungen im Messsignal sehr wichtig. Deshalb gelingt es ausschließlich, mit der gepulsten Anregung ein akzeptables Signal/Rausch- Verhältnis zu erreichen. Mit Hilfe der vorgestellten Regulasrisierungsver- fahren kann aus dem gemessenen Druckverlauf in der photoakustischen Zelle der Absorptionskoeffizient in Abhängigkeit vom Ort in der Probe berechnet werden.The measuring arrangement according to the invention with an open photoacoustic measuring cell is suitable for the in vivo investigation of concentration profiles of absorbing substances in human skin. Because of the microscopic and macroscopic movements of the skin, devices for reducing the interference in the measurement signal are very important. Therefore, it is only possible to achieve an acceptable signal-to-noise ratio with the pulsed excitation. With the help of the presented regulatory risk procedures, the absorption coefficient depending on the location in the sample can be calculated from the measured pressure curve in the photoacoustic cell.
Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine zerstörungsfrei arbeitende optische Nachweismethode zur Bestimmung der Konzentrationsverteilung von Chromophoren in biologischen Matrizes mit für pharmakophysiologische Anforderungen ausreichender Genauigkeit entwickelt. Die hier und in den Anhängen 1 bis 4 zitierte Literatur wird in Anhang 5 zusammenfaßt. Ferner wird in Anhang 5 noch eine Ausführung zur Lösung einer partiellen Differentialgleichung angeführt.The present work developed a non-destructive optical detection method for determining the concentration distribution of chromophores in biological matrices with sufficient accuracy for pharmacophysiological requirements. The literature cited here and in Appendices 1 to 4 is summarized in Appendix 5. In addition, an implementation for solving a partial differential equation is given in Appendix 5.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausfülirungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. The embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments given above. Rather, a number of variants are conceivable that make use of the device according to the invention and the method according to the invention even in the case of fundamentally different types.
Anhang 1 n Appendix 1 n
Theoretische GrundlagenTheoretical basics
Ein photothermisches Signal entsteht beim Übergang eines photostimulierten Systems von einem energiereichen in einen energieärmeren Zustand. Ein Teil der dabei frei werdenden Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgeführt. Die Relaxation der angeregten Elektronen wird als nicht strahlend bezeichnet. Konkurrierende Wege der Energieabgabe sind die Emission von Photonen (Fluoreszenz) oder die Nutzung der Energie zur Initiierung einer chemischen Reaktion (z. B. Photosynthese).A photothermal signal is generated when a photostimulated system changes from an energy-rich to a low-energy state. Some of the energy released in the process is dissipated to the environment in the form of heat. The relaxation of the excited electrons is called non-radiative. Competing ways of delivering energy are the emission of photons (fluorescence) or the use of energy to initiate a chemical reaction (e.g. photosynthesis).
Zur Detektion der frei werdenden Wärme können verschiedene Prinzipien genutzt werden. Sie haben den photothermischen Methoden ihren jeweiligen Namen gegeben. Die möglichen Messverfahren lassen sich in direkte und indirekte einteilen, je nachdem ob die Temperatur oder die Druckwelle im Material direkt gemessen wird, oder die Reaktion eines Koppelmediums auf die emittierte Wärme ausgenutzt wird IVargasf. Im folgenden sind die wesentlichen Verfahren kurz dargestellt und erläutert.Various principles can be used to detect the heat released. They have given the photothermal methods their respective names. The possible measuring methods can be divided into direct and indirect, depending on whether the temperature or the pressure wave in the material is measured directly, or the reaction of a coupling medium to the emitted heat is used IVargasf. The main procedures are briefly described and explained below.
• Die Photoakustik als älteste Form der photothermischen Messung wurde 1880 von A. G. Bell entdeckt. Sie gehört zu den indirekten Methoden, da bei ihr die Erwärmung und nachfolgende Ausdehnung einer dünnen, an die Probe grenzenden, Gasschicht genutzt wird. Diese Ausdehnung führt in einer geschlossenen Messzelle zu einer Druckerhöhung, die mit einem empfindlichen Drucksensor (z.B. Mikrofon) nachgewiesen werden kann /Rosencwaigl.• Photoacoustics as the oldest form of photothermal measurement was discovered in 1880 by A. G. Bell. It is an indirect method, since it uses the heating and subsequent expansion of a thin gas layer adjacent to the sample. This expansion leads to an increase in pressure in a closed measuring cell, which can be detected with a sensitive pressure sensor (e.g. microphone) / Rosencwaigl.
• Die photothermische Strahlablenkung oder auch Mirage-Effekt IBocarral nutzt die Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur. Ein parallel zur Probenoberfläche geführter Laserstrahl wird infolge der Erwärmung des durchlaufenden Mediums abgelenkt. Die Ablenkung ist proportional zur emittierten Wärme. Diese Methode zählt zu den indirekten Verfahren, da die Reaktion eines Koppelmediums auf die entstehende Wärme ausgewertet wird. • Zu den direkten Methoden zählt die Piezödetektion. Dabei wird mit Hilfe eines druckempfindlichen Piezoelements direkt in dem absorbierenden Medium oder am Behältnis desselben die generierte Druck- oder Wärmewelle gemessen IFarrow, Jackson, Tarn I.• The photothermal beam deflection or Mirage effect IBocarral uses the change of the refractive index with the temperature. A laser beam guided parallel to the sample surface is deflected as a result of the heating of the medium passing through. The deflection is proportional to the heat emitted. This method is an indirect method because the reaction of a coupling medium to the heat generated is evaluated. • Piezoelectric detection is one of the direct methods. With the help of a pressure-sensitive piezo element, the generated pressure or heat wave is measured directly in the absorbing medium or on the container thereof IFarrow, Jackson, Tarn I.
• Eine weitere direkte Messmethode besteht in der Detektion der emittierten Wärmestrahlung im Halbraum über der Probe mit Hilfe eines Infrarot- Detektors ISantosl.• Another direct measurement method consists in the detection of the emitted heat radiation in the half space above the sample with the help of an infrared detector ISantosl.
Das anregende Licht wird bei allen Verfahren periodisch in seiner Intensität moduliert. Die entstehende Wärmeemission erfolgt in gleichem Maße moduliert und kann mit frequenzselektiver Messtechnik ausgewertet werden.The intensity of the stimulating light is periodically modulated in all processes. The resulting heat emission is modulated to the same extent and can be evaluated with frequency-selective measurement technology.
Es gibt zwei wesentliche Gründe, die photothermischen Messverfahren für viele Anwendungen interessant machen.There are two main reasons that make photothermal measurement methods interesting for many applications.
• Es handelt sich bei diesen Verfahren um „zero background"-Methoden, die im Vergleich zu Transmissions- oder Reflexionsverfahren eine zehn- bis hundertfach höhere Empfindlichkeit haben IZharov/.• These methods are "zero background" methods which have a sensitivity that is ten to one hundred times higher than that of transmission or reflection methods IZharov /.
Photothermische Messverfahren nehmen eine Zwischenstellung zwischen optisch-spektroskopischen und kalorimetrischen Verfahren ein. Die Wahl der experimentellen Bedingungen entscheidet. Darauf basieren interessante spektroskopische Anwendungsfalle, die mit rein optischen Verfahren nicht zu bewältigen wären, wie zum Beispiel die zerstörungsfreie spektrale Tiefenanalyse, die im Rahmen der Arbeit behandelt wird.Photothermal measuring methods occupy an intermediate position between optical spectroscopic and calorimetric methods. The choice of experimental conditions is decisive. This is the basis for interesting spectroscopic applications that would not be possible with purely optical methods, such as the non-destructive spectral depth analysis, which is dealt with in the course of the work.
2.1 Entstehung des Photoakustischen Messsignals2.1 Generation of the photoacoustic measurement signal
Im Rahmen der Arbeit soll die photoakustische Messung in der Gasphase angewandt werden. Das Prinzipschema in Abbildung 2.1 veranschaulicht die physikalischen Schritte vom Auftreffen des Lichtes auf die Probe bis zur Entstehung von thermischen beziehungsweise akustischen Wellen. As part of the work, the photoacoustic measurement in the gas phase is to be applied. The principle diagram in Figure 2.1 illustrates the physical steps from the impact of light on the sample to the generation of thermal or acoustic waves.
Die Absorption des auf die Probe treffenden Lichtes bewirkt eine Temperaturerhöhung im Material. Die optischen Materialparameter, Absorptions- und Streukoeffizient, sowie die Form des einfallenden Lichtspots an der Probenoberfläche bestimmen die räumliche Verteilung der optischen Energie in der Probe. Die Temperaturänderung kann je nach Absorptionsgrad und Konversions- effizienz für nicht strahlende Prozesse im Material lokal verschieden sein. Die Temperaturerhöhung bewirkt eine Ausdehnung des beleuchteten Volumens in der Probe. Die damit verbundene Druckwelle ist messbar. Es handelt sich um einen direkten Nachweis im Probenmaterial.The absorption of the light striking the sample causes an increase in temperature in the material. The optical material parameters, absorption and scattering coefficient, as well as the shape of the incident light spot on the sample surface determine the spatial distribution of the optical energy in the sample. The temperature change can vary locally depending on the degree of absorption and conversion efficiency for non-radiative processes in the material. The increase in temperature causes the illuminated volume in the sample to expand. The associated pressure wave is measurable. It is a direct proof in the sample material.
Die im Absorptionsgebiet entstandene Wärme breitet sich entsprechend den Gesetzen der Wärmeleitung aus und kann an der Oberfläche der Probe mit einem geeigneten Messinstrument nachgewiesen werden. Die photoakustische Messung in der Gasphase detektiert in einem geschlossenen Volumen die vom Übertrag der thermischen Energie in das umgebende Gas herrührenden Druckschwankungen. Es handelt es sich dabei um einen indirekten Nachweis. The heat generated in the absorption area spreads according to the laws of heat conduction and can be detected on the surface of the sample with a suitable measuring instrument. The photoacoustic measurement in the gas phase detects in a closed volume the pressure fluctuations resulting from the transfer of the thermal energy into the surrounding gas. It is an indirect proof.
Im Rahmen der Arbeit werden zwei Fälle betrachtet, die sich durch die Art der Lichtmodulation unterscheiden. Die durch einen mechanischen Chopper periodisch modulierte Anregungsstrahlung und die gepulste Anregung fuhren auf zwei unterschiedliche Gleichungssysteme für den Wärmetransport in der Probe und im Gas. Die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung an der Grenzfläche Probe - Gas leitet sich aus der Lösung des jeweiligen Gleichungssystems ab. Die Temperatur dieser Grenzfläche ist dem messbaren photoakustischen Signal direkt proportional /McDonald!.Two cases are considered in the work, which differ in the type of light modulation. The excitation radiation, which is periodically modulated by a mechanical chopper, and the pulsed excitation lead to two different systems of equations for the heat transport in the sample and in the gas. The spatial and temporal temperature distribution at the sample - gas interface is derived from the solution of the respective system of equations. The temperature of this interface is directly proportional to the measurable photoacoustic signal / McDonald !.
2.2 Eigenschaften der menschlichen Haut2.2 Properties of human skin
Im Rahmen der Arbeit sollen biologische Gewebe, insbesondere Haut, untersucht werden. Die menschliche Haut ist ein komplex aufgebautes Organ, welches im wesentlichen aus den Schichten Unterhaut (Subcutis), Lederhaut (Corium) und Oberhaut (Epidermis) aufgebaut ist. Die Unterhaut besteht aus Fett- und Bindegewebe sowie größeren Blutgefäßen. Die sich anschließende Lederhaut wird aus Bindegewebe mit zahlreichen kleinen Blutgefäßen gebildet. In ihr befinden sich die Schweiß- und Talgdrüsen sowie die Haarwurzeln. Daran schließt sich die Oberhaut an, die selbst keine Blutgefäße mehr besitzt. Die Nährstofrversorgung erfolgt ausschließlich durch Diffusion aus den tiefer liegenden Geweben IRemanel. Abbildung 2.2 zeigt einen Querschnitt durch die menschliche Haut mit den Ausdehnungen der einzelnen Teilschichten.Biological tissues, especially skin, are to be examined within the scope of the thesis. Human skin is a complex organ, which essentially consists of the layers subcutis (subcutis), leather skin (corium) and epidermis. The subcutaneous tissue consists of adipose and connective tissue as well as larger blood vessels. The subsequent dermis is formed from connective tissue with numerous small blood vessels. It contains the sweat and sebum glands as well as the hair roots. This is followed by the epidermis, which itself no longer has any blood vessels. Nutrients are supplied exclusively by diffusion from the deeper IRemanel tissues. Figure 2.2 shows a cross section through the human skin with the dimensions of the individual sub-layers.
Die im Rahmen dieser Arbeit ausschließlich betrachtete Oberhaut (Epidermis) lässt sich noch einmal in mehrere Bereiche unterteilen. Die oberen Teile der Epidermis, die Hornschicht und die Differenzierungsschicht besitzen eine gemeinsame Ausdehnung von ca. 30 μm. Sie unterscheiden sich kaum in ihren optischen Eigenschaften IBrulsl. Im folgenden wird daher in erster Näherung von einer optisch homogenen Probe für die theoretische Betrachtung des photothermischen Messvorgangs ausgegangen. Die Fehler der Näherung aufgrund von Streuvorgängen in der Haut werden am Ende der Ableitung diskutiert. I(z,t,Ä) = (1 -R(Ä))I0(Ä)e-fr(l + eto<) 2 2>The epidermis, which is only considered in this work, can be subdivided into several areas. The upper parts of the epidermis, the horny layer and the differentiation layer have a common extension of approx. 30 μm. They hardly differ in their optical properties IBrulsl. In the following, therefore, an optically homogeneous sample for the theoretical consideration of the photothermal measurement process is assumed as a first approximation. The approximation errors due to scattering processes in the skin are discussed at the end of the derivation. I (z, t, Ä) = (1 -R (Ä)) I 0 (Ä) e-fr (l + e to < ) 2 2 >
R(λ) Reflexionskoeffizient ß optischer Absorptioπskoeffizient in m"1 z Ortskoordinate in mR (λ) reflection coefficient ß optical absorption coefficient in m "1 z location coordinate in m
Die explizite Wellenlängenabhängigkeit der Lichtintensität und Reflexion an der Probenoberfläche wird im folgenden unterdrückt, da die Untersuchungen im Rahmen der Arbeit mit monochromatischem Licht durchgeführt werden. Die teilweise Reflexion des Anregungslichtes an der Probenoberfläche wird durch senkrechte Einstrahlung minimiert. Den verbleibenden Reflexionsverlust berücksichtigt die effektive Intensität In an der Probenoberfläche. Die Intensität der elektromagnetischen Welle in der Tiefe Z ergibt sich damit zu (2.3).The explicit wavelength dependency of the light intensity and reflection on the sample surface is suppressed in the following, since the investigations are carried out as part of the work with monochromatic light. The partial reflection of the excitation light on the sample surface is minimized by vertical radiation. The remaining reflection loss takes into account the effective intensity In on the sample surface. The intensity of the electromagnetic wave at depth Z thus results in (2.3).
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
ff effektive Intensität des Lichtes an der Probenoberfläche in Wm * ff effective intensity of light on the sample surface in Wm *
Der Betrag der Ableitung der räumlichen Intensitätsverteilung des Lichtes in der Probe (2.3) nach der Koordinate z ist ein Maß für die in der Schicht < z, z+dz > absorbierte Strahlung.The amount of the derivation of the spatial intensity distribution of the light in the sample (2.3) according to the coordinate z is a measure of the radiation absorbed in the layer <z, z + dz>.
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
Es wird angenommen, dass die gesamte absorbierte optische Energie sofort in Wärme umgewandelt wird. Diese Näherung ist gerechtfertigt, da typische Lebensdauern angeregter Zustände im Nanosekundenbereich liegen und die Messungen der Druckoszillationen im oberen Mikrosekunden- bzw. Millisekundenbereich durchgeführt werden. Die Effizienz der Transformation des Lichtes in Wärme wird durch den Faktor η berücksichtigt. Mit diesen Annahmen lässt sich die aus der Absorption des Lichtes entstehende Wärme im Probenmaterial durch den Quellterm Q(z,t) beschreiben.It is believed that all of the optical energy absorbed is immediately converted to heat. This approximation is justified since typical lifetimes of excited states are in the nanosecond range and the pressure oscillations are measured in the upper microsecond or millisecond range. The efficiency of the transformation of light into heat is taken into account by the factor η. With these assumptions, the heat arising from the absorption of light in the sample material can be described by the source term Q (z, t).
Figure imgf000017_0003
Q Wärmedichte in Wm"3 η Konversionseffizienz von optischer Energie in Wärme
Figure imgf000017_0003
Q heat density in Wm "3 η conversion efficiency of optical energy into heat
Q(z,t) beschreibt eine sich periodisch mit der Kreisfrequenz der Modulation ω ändernde ortsabhängige Wärmedichte in der Probe. Die Amplitude der Schwingungen wird durch den optischen Absorptionskoeffizienten, die eingestrahlte Lichtintensität und die Konversionseffizienz für nichtstrahlende Relaxationsprozesse bestimmt.Q (z, t) describes a location-dependent heat density in the sample that changes periodically with the angular frequency of the modulation ω. The amplitude of the vibrations is determined by the optical absorption coefficient, the incident light intensity and the conversion efficiency for non-radiative relaxation processes.
Die Diffusion von Chromophoren in biologischen Matrizes führt entsprechend der ortsabhängigen Konzentration der Substanz zu einem sich mit der Tiefe ändernden Absorptionskoeffizienten ß(z). Daraus resultiert ein modifizierter Ausdruck für die Wärmedichte /Afromowitz/:The diffusion of chromophores in biological matrices leads to an absorption coefficient ß (z) that changes with depth depending on the location-dependent concentration of the substance. This results in a modified expression for the heat density / Afromowitz /:
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
Die Gleichung (2.6) beschreibt den Beitrag aller Schichten < z, z+dz > mit dem lokalen Abso tionskoefϊϊzienten ß(z) zur entstehenden räumlichen Verteilung der Wärme in der Probe. Durch die Integration im Exponenten werden die in unterschiedlichen Schichten absorbierten Energieanteile berücksichtigt. Mit diesem Ausdruck sind die Wärmeleitungsgleichungen (WLG) für die Probe und das gasgefüllte Messvolumen zu lösen. Die beiden Gleichungen unterscheiden sich in ihrer Struktur nur durch den Quellterm Q(z,t) für das Gebiet der Probe.Equation (2.6) describes the contribution of all layers <z, z + dz> with the local absorption coefficient ß (z) to the resulting spatial distribution of the heat in the sample. Through the integration in the exponent, the energy components absorbed in different layers are taken into account. This expression is used to solve the heat conduction equations (WLG) for the sample and the gas-filled measuring volume. The structure of the two equations differs only by the source term Q (z, t) for the area of the sample.
Probe. z ≥ O
Figure imgf000018_0002
(Z7>
Pro b e. z ≥ O
Figure imgf000018_0002
(Z7 >
Figure imgf000018_0003
Figure imgf000018_0003
TG/P Temperatur in KT G / P temperature in K.
DG/P Temperaturleitfähigkeit in mV1 p Wärmeleitfähigkeit des Probenmaterials in W m"1K"1 D G / P thermal conductivity in mV 1 p thermal conductivity of the sample material in W m "1 K " 1
Der Index G bezeichnet die Größen im Gas, der Index P die Größen im Gebiet der Probe. Die Lösung des Differentialgleichungssystems beschreibt das räumliche und zeitliche Verhalten der Temperatur der Probenoberfläche in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften des Probenmaterials. Als Randbedingung ist zu fordern, dass die Oberflächentemperatur der Probe zu jedem Zeitpunkt der des umgebenden Gases entspricht (2.9). Weiterhin muss die Grenzfläche zwischen Probe und Gas einen kontinuierlichen Wärmefluss ermöglichen (2.10).The index G denotes the sizes in the gas, the index P the sizes in the area of the sample. The solution of the system of differential equations describes this spatial and temporal behavior of the temperature of the sample surface depending on the optical properties of the sample material. As a boundary condition, it must be demanded that the surface temperature of the sample corresponds to that of the surrounding gas at all times (2.9). Furthermore, the interface between sample and gas must allow a continuous flow of heat (2.10).
TP(0,t) = TG(0,t) (2.9) T P (0, t) = T G (0, t) (2.9 )
, (2.10)
Figure imgf000019_0001
, (2.10)
Figure imgf000019_0001
kG Wärmeleitfähigkeit des Gases in W rrr -1K|-'-1k G thermal conductivity of the gas in W rrr -1K | -'- 1
Es handelt sich hierbei um ein Randwertproblem einer inhomogenen parabolischen Differentialgleichung IBronsteinl.This is a boundary value problem of an inhomogeneous parabolic differential equation IBronsteinl.
Es wird angenommen, dass alle sich periodisch ändernden Größen der Zeitabhängigkeit e(,ωt) folgen. Diese Annahme ist gerechtfertigt, da nur eingeschwungene Lösungen der WLG interessant sind /McDonald/. Die Zeitabhängigkeit lässt sich separieren und es kann der folgende Produktansatz gewählt werden.It is assumed that all periodically changing variables follow the time dependence e (, ωt) . This assumption is justified since only steady-state solutions from the WLG are interesting / McDonald /. The time dependency can be separated and the following product approach can be selected.
T(z,t) = Ψ(z,ω}e " (2 11) T (z, t) = Ψ (z, ω} e " (2 11)
Das Einsetzen des Lösungsansatzes (2.11) in die WLG für den Probenraum und das Messvolumen liefert die Gleichungen (2.12) und (2.14).The insertion of the solution (2.11) into the WLG for the sample space and the measurement volume provides equations (2.12) and (2.14).
Probe: z ≥ O (22)
Figure imgf000019_0002
Sample: z ≥ O (22 )
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0003
Figure imgf000020_0001
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Durch den Produktansatz (2.11) hat sich das Problem auf ein gewöhnliches Differentialgleichungssystem zweiter Ordnung in z reduziert. Die abgetrennten Gleichungen für die ortsabhängigen Größen des Systems lauten (2.15) und (2.16).With the product approach (2.11), the problem has been reduced to an ordinary second order differential equation system in z. The separated equations for the location-dependent quantities of the system are (2.15) and (2.16).
Figure imgf000020_0002
Figure imgf000020_0002
Die allgemeine Lösung von (2.15) ergibt sich als Superposition der Lösung der homogenen Gleichung mit einer speziellen Lösung der inhomogenen Gleichung. Die Lösungen der homogenen Gleichung für den Probenraum und damit gleichzeitig die Lösungen für das Messvolumen können direkt aufgeschrieben werden.The general solution of (2.15) results as a superposition of the solution of the homogeneous equation with a special solution of the inhomogeneous equation. The solutions of the homogeneous equation for the sample space and thus at the same time the solutions for the measurement volume can be written down directly.
ψ1pσ =^-GZ ψ 1 p σ = ^ - GZ
Figure imgf000020_0003
Figure imgf000020_0003
Die Lösung der inhomogenen Gleichung im Gebiet der Probe (2.15) setzt sich zusammen aus einer Linearkombination der Lösungen der homogenen Gleichung Ψ12und einer speziellen Lösung Ψεp der inhomogenen Gleichung.The solution of the inhomogeneous equation in the area of the sample (2.15) consists of a linear combination of the solutions of the homogeneous equation Ψ 12 and a special solution Ψ εp of the inhomogeneous equation.
Ψ(z, ώ) = clΨl (z, ώ) + c2Ψ2 (z, ώ) + Ψsp (z, ώ) &Λ 8>Ψ (z, ώ) = c l Ψ l (z, ώ) + c 2 Ψ 2 (z, ώ) + Ψsp (z, ώ) & Λ 8 >
Die spezielle Lösung Ψ^ kann durch die Methode der Variation der Konstanten gewonnen werden. Die Rechnung ist im Anhang dargestellt.
Figure imgf000021_0001
The special solution Ψ ^ can be obtained by the method of varying the constants. The invoice is shown in the appendix.
Figure imgf000021_0001
Aus physikalischen Gründen darf die Lösung für z=oo nicht unbeschränkt wachsen. Es ergibt sich aus diesem Grund für die Konstante c1 im Gebiet der Probe,For physical reasons, the solution for z = oo must not grow indefinitely. For this reason, for the constant c 1 in the area of the sample,
Cχ_P ~ ΔSP fi -SpzQV - (2.20)Cχ_ P ~ ΔS P fi - Spz QV - (2.20)
Aus gleichem Grund ergibt sich für die Konstante c2 im MessvolumenFor the same reason, the constant c 2 results in the measurement volume
c2jG = 0 (2-2Dc 2jG = 0 (2-2D
Zur Bestimmung der verbleibenden Konstanten werden die Randbedingungen (2.9) und (2.10) herangezogen. Sie führen zu einem linearen Gleichungssystem mit zwei Unbekannten zur Bestimmung der Parameter in den Lösungen im Messvolumen und in der Probe. Die Ergebnisse lautenThe boundary conditions (2.9) and (2.10) are used to determine the remaining constants. They lead to a linear system of equations with two unknowns for determining the parameters in the solutions in the measurement volume and in the sample. The results are
Figure imgf000021_0002
Figure imgf000021_0002
Das Einsetzen der gewonnenen Konstanten und der speziellen Lösung in (2.18) führt auf die gesuchten Lösungen (2.24) und (2.25) des Differentialgleichungssystems.
Figure imgf000022_0001
Inserting the constants obtained and the special solution in (2.18) leads to the sought solutions (2.24) and (2.25) of the system of differential equations.
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0002
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Die Gleichungen (2.24) und (2.25) beschreiben die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung in der Probe und im Messvolumen als Resultat der Absorption von harmonisch mit der Kreisfrequenz ω moduliertem Licht. Sie besitzen die Struktur von ebenen Wellen. Aus diesem Grund wurde von Kirkbright der Begriff thermische Welle geprägt. Die Wellenlänge der thermischen Wellen (2.26a) ergibt sich aus dem Imaginärteil von s (2.26). Sie variiert mit der Kreisfrequenz der Modulation.Equations (2.24) and (2.25) describe the spatial and temporal temperature distribution in the sample and in the measurement volume as a result of the absorption of light harmonically modulated with the angular frequency ω. They have the structure of plane waves. For this reason, Kirkbright coined the term thermal wave. The wavelength of the thermal waves (2.26a) results from the imaginary part of s (2.26). It varies with the angular frequency of the modulation.
Figure imgf000022_0003
Figure imgf000022_0003
Die Dämpfung der Welle im Material wird durch die thermische Diffusionslänge μ beschrieben IRosencwaigl . Sie ist von der Temperaturleitfähigkeit des Probenmaterials und der Modulationsfrequenz der Anregungsstrahlung abhängig.
Figure imgf000023_0001
The damping of the wave in the material is described by the thermal diffusion length μ IRosencwaigl. It depends on the temperature conductivity of the sample material and the modulation frequency of the excitation radiation.
Figure imgf000023_0001
Die thermische Diffusionslänge μ beschreibt die Entfernung, nach der die Amplitude der Welle auf den 1/e ten Teil abgeklungen ist. Damit kann sie einem räumlichen Informationshorizont gleichgesetzt werden. Nur thermische Wellen, die innerhalb einer Diffusionslänge μ entstehen, leisten einen wesentlichen Beitrag zu den Temperaturoszillationen an der Probenoberfläche. Das Analogon zum optischen Absorptionskoeffizienten ß ist die reziproke thermische Diffusionslänge μ"1 für die thermischen Wellen.The thermal diffusion length μ describes the distance after which the amplitude of the wave has decayed to the 1 / e th part. It can thus be equated to a spatial information horizon. Only thermal waves that arise within a diffusion length μ make a significant contribution to the temperature oscillations on the sample surface. The analogue to the optical absorption coefficient ß is the reciprocal thermal diffusion length μ "1 for the thermal waves.
2.3.1 Eigenschaften der Lösung2.3.1 Properties of the solution
Im folgenden werden die Eigenschaften der gefundenen Lösung diskutiert. Der messbare photoakustische Druck ist der Temperatur der Probenoberfläche (z = 0) direkt proportional. Die Betrachtungen finden daher ausschließlich an der Probenoberfläche statt. Der Ausdruck für die zeitabhängige Temperatur an der Grenzfläche Probe - Gas lautetThe properties of the solution found are discussed below. The measurable photoacoustic pressure is directly proportional to the temperature of the sample surface (z = 0). The considerations therefore only take place on the sample surface. The expression for the time-dependent temperature at the sample-gas interface is
Figure imgf000023_0002
Figure imgf000023_0002
Die Integrationen über z' und z" verlaufen beide im Gebiet der Probe. Die Integration über z" berücksichtigt die bis zur aktuellen Integrationsvariablen z' bereits absorbierten Energieanteile. Die Temperaturoszillationen sind in der vorliegenden Form schwer auszuwerten. Zur Demonstration der prinzipiellen Eigenschaften wird zunächst ein konstanter optischer Absorptionskoeffizient ß(z) = ß in der Probe angenommen. Die Integrationen lassen sich dann ausfuhren und die Gleichung (2.28) geht in eine einfachere Form über.
Figure imgf000024_0001
The integrations via z 'and z "both run in the area of the sample. The integration via z" takes into account the energy components already absorbed up to the current integration variable z'. The temperature oscillations are difficult to evaluate in the present form. To demonstrate the basic properties, a constant optical absorption coefficient ß (z) = ß in the sample is assumed. The integrations can then be carried out and equation (2.28) goes into a simpler form.
Figure imgf000024_0001
Nach Einsetzen von sP und unter Berücksichtigung des physikalisch relevanten Realteils der Oberflächentemperatur erhält man (2.30).After inserting s P and taking into account the physically relevant real part of the surface temperature, one obtains (2.30).
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000024_0002
μp = 1/ß optische Absorptionslänge in mμ p = 1 / ß optical absorption length in m
Die Lösung wird entscheidend durch das Verhältnis zwischen dem optischen Absorptionskoeffizienten ß bzw. der optischen Absorptionslänge μp und der thermischen Diffusionslänge μp bestimmt. Zwei Fälle sind zu unterscheiden: a) μP«1/ß oder μP«μß The solution is decisively determined by the relationship between the optical absorption coefficient β or the optical absorption length μ p and the thermal diffusion length μp. Two cases can be distinguished: a) μ P «1 / ß or μ P « μ ß
Die Gleichung (2.30) vereinfacht sich zuEquation (2.30) is simplified
Figure imgf000024_0003
ηpκli eff
Figure imgf000024_0003
ηpκl i eff
(l+g)kP (l + g) k P
Die Amplitude und die Phase der Oberflächentemperatur der Probe wird durch die optischen Eigenschaften bestimmt. Dieser Fall ist für spektroskopische Untersuchungen nutzbar. b) μP»1/ß oder μP»μß The amplitude and phase of the surface temperature of the sample is determined by the optical properties. This case can be used for spectroscopic examinations. b) μ P »1 / ß or μ P » μ ß
Figure imgf000025_0001
ηpκl C = eff
Figure imgf000025_0001
ηpκl C = eff
(l + g)kp (l + g) k p
Die Oszillationen der Oberflächentemperatur sind unabhängig von den Absorptionseigenschaften des Materials, solange die Bedingung μ»1/ß erfüllt wird. Die Amplitude der Temperaturoszillationen wird von den thermischen Materialparametern dominiert. Die Phase der Temperaturschwingungen ist konstant. Man spricht in diesem Fall auch von photoakustischer Sättigung IRosencwaigl.The surface temperature oscillations are independent of the material's absorption properties as long as the condition μ »1 / ß is met. The amplitude of the temperature oscillations is dominated by the thermal material parameters. The phase of the temperature fluctuations is constant. In this case, one also speaks of photoacoustic saturation IRosencwaigl.
Die in Kapitel 1 beschriebene Sonderstellung der photothermischen Messverfahren zwischen Optik und Kalorimetrie wird durch die Eigenschaften der Lösung bestätigt. Sie sind insofern bemerkenswert, als dass es möglich ist, mit einer Technik auf der Basis der Lichtabsorption Informationen über den optischen Absorptionskoeffizienten ß eines lichtundurchlässigen Materials zu gewinnen, weil nur die innerhalb einer thermischen Diffusionslänge absorbierte Energie zum Messsignal beiträgt.The special position of photothermal measurement methods between optics and calorimetry described in Chapter 1 is confirmed by the properties of the solution. They are remarkable in that it is possible to obtain information about the optical absorption coefficient β of an opaque material using a technique based on light absorption, because only the energy absorbed within a thermal diffusion length contributes to the measurement signal.
Die Fälle a und b zeigen die Beschränkungen der Lösung hinsichtlich des Verhältnisses des Abso tionskoeffizienten ß zur thermischen Diffusionslänge μP. Die thermische Diffusionslänge ist abhängig von der Modulationsfrequenz des anregenden Lichtes, daher kann durch die Erhöhung der Modulationsfrequenz die photoakustische Sättigung fast immer vermieden werden. Cases a and b show the limitations of the solution with regard to the ratio of the absorption coefficient β to the thermal diffusion length μ P. The thermal diffusion length is dependent on the modulation frequency of the exciting light, so increasing the modulation frequency can almost always avoid photoacoustic saturation.
2.3.1.1 Frequenzabhängigkeit der Amplitude2.3.1.1 Frequency dependence of the amplitude
Die Diskussion der Frequenzabhängigkeit der Amplitude der Temperaturoszillationen geht von der Lösung der WLG an der Probenoberfläche (2.24) aus. Durch Einsetzen von s ergibt sich die folgende Form:The discussion of the frequency dependence of the amplitude of the temperature oscillations starts from the solution of the WLG on the sample surface (2.24). Inserting s gives the following form:
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Gleichung (2.31) beschreibt die periodischen Änderungen der Temperatur der Probenoberfläche mit der Kreisfrequenz ω. Die Amplitude der Oszillationen ist über die thermische Diffusionslänge μ von der Kreisfrequenz der Modulation des anregenden Lichtes abhängig.Equation (2.31) describes the periodic changes in the temperature of the sample surface with the angular frequency ω. The amplitude of the oscillations is dependent on the thermal diffusion length μ from the angular frequency of the modulation of the exciting light.
Für die physikahsche Messung der Amplitude der Temperaturschwankungen ist nur der Betrag von (2.31) relevant. Durch Umformung der komplexen Anteile in (2.31) ergibt sich (2.32).Only the amount of (2.31) is relevant for the physical measurement of the amplitude of the temperature fluctuations. By transforming the complex parts in (2.31) we get (2.32).
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Gleichung (2.32) beschreibt die messbaren Temperaturoszillationen an der Probenoberfläche und deren Zusammenhang mit der ortsabhängigen Wärmedichte in der Probe. Die Oberflächentemperatur ergibt sich als Überlagerung der Wärmewellen aus unterschiedhchen Tiefen in der Probe, wobei der Anteil der Wärme aus tieferen Schichten exponentiell mit der Tiefe z fallt. Die Phase der Oszillationen steigt dagegen linear mit der Tiefe in der Probe an.Equation (2.32) describes the measurable temperature oscillations on the sample surface and their relationship with the location-dependent heat density in the sample. The surface temperature results from the superposition of the heat waves from different depths in the sample, the proportion of the heat from deeper layers falling exponentially with the depth z. In contrast, the phase of the oscillations increases linearly with the depth in the sample.
Zur Beseitigung der Zeitabhängigkeit des abgeleiteten Temperaturausdruckes ist die Betrachtung des Messvorganges notwendig. Für die Messung der mittels periodischer Modulation erzeugten photoakustischen Signale wird ein selektiver phasenempfindlicher Verstärker, ein Lock-In- Verstärker, benutzt. Er bestimmt exakt die Amplitude und Phase der Temperaturoszillationen bei der vorgegebenen Referenzfrequenz. Bei Vorgabe einer festen Frequenz ω und unter Berücksichtigung des für die physikalische Messung relevanten Realteils ergibt sich (2.33).
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To remove the time dependency of the derived temperature expression, it is necessary to consider the measuring process. A selective phase-sensitive amplifier, a lock-in amplifier, is used to measure the photoacoustic signals generated by means of periodic modulation. It precisely determines the amplitude and phase of the temperature oscillations at the specified reference frequency. If a fixed frequency ω is specified and the real part relevant for the physical measurement is taken into account, (2.33) results.
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In der expliziten Frequenzabhängigkeit der Amplitude der Temperaturoszillationen steckt die Information über die Ortsabhängigkeit der Wärmedichte Q(z) und damit auch die Information über die Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten ß(z).The explicit frequency dependency of the amplitude of the temperature oscillations contains the information about the location dependency of the heat density Q (z) and thus also the information about the location dependence of the optical absorption coefficient β (z).
Die Exponentialfunktion im Integranden sorgt für eine effektive Dämpfung der Beiträge der Wärmedichte an Positionen z > μ zu den Temperaturoszillationen der Oberfläche. In der Summation des Integrals werden daher die Anteile der Wärme in den Bereichen der Probe, für die z > μ gilt, stark unterdrückt. Nur Wärme, die innerhalb der Grenzen 0 < z/μ < 1 lokalisiert ist, trägt zur messbaren Oberflächentemperatur bei. Die Schichtdicke für die diese Bedingung erfüllt ist, lässt sich aufgrund der Frequenzabhängigkeit der thermischen Diffusionslänge μ steuern. Durch Erhöhung der Modulationsfrequenz von fi auf f2 verringert sich die Diffusionslänge von μi auf \ι2. Die Differenz der Oberflächentemperaturen gemessen bei fi und i ist proportional der Energie, die in einer Tiefe zwischen μi und μ2 absorbiert worden ist. Durch schrittweise Vergrößerung der thermischen Diffusionslänge, dass heisst Verringerung der Modulationsfrequenz, tragen mehr Schichten der Probe zur Oberflächentemperatur bei. Auf diese Weise lässt sich ein Tiefenprofϊl des Absorptionskoeffizienten ß gewinnen. Bereits Rosencwaig und Gersho, die Begründer der photoakustischen Theorie, erkannten diese besonderen Eigenschaften und schlugen eine Reihe von Anwendungen auf den Gebieten der Medizin und der zerstörungsfreien Materialanalyse vor.The exponential function in the integrand ensures effective damping of the contributions of the heat density at positions z> μ to the temperature oscillations of the surface. In the summation of the integral, the proportions of heat in the areas of the sample for which z> μ applies are strongly suppressed. Only heat that is localized within the limits 0 <z / μ <1 contributes to the measurable surface temperature. The layer thickness for which this condition is met can be controlled on the basis of the frequency dependence of the thermal diffusion length μ. Increasing the modulation frequency from fi to f 2 reduces the diffusion length from μi to \ ι 2 . The difference in surface temperatures measured at fi and i is proportional to the energy absorbed at a depth between μi and μ 2 . By gradually increasing the thermal diffusion length, i.e. reducing the modulation frequency, more layers of the sample contribute to the surface temperature. In this way, a depth profile of the absorption coefficient ß can be obtained. Rosencwaig and Gersho, the founders of photoacoustic theory, recognized these special properties and proposed a number of applications in the fields of medicine and non-destructive material analysis.
Die Abhängigkeit der Amplitude der Temperaturoszillationen an der Probenoberfläche von der Modulationsfrequenz des anregenden Lichtes ist durch Gleichung (2.33) gegeben. Sie liefert somit die mathematische Grundlage für die anschaulich beschriebene Bestimmung von räumlichen Tiefenprofilen des optischen Absorptionskoeffizienten aus einer photoakustischen Messung.The dependence of the amplitude of the temperature oscillations on the sample surface on the modulation frequency of the exciting light is given by equation (2.33). It thus provides the mathematical basis for the vividly described determination of spatial depth profiles of the optical absorption coefficient from a photoacoustic measurement.
Die Lösung des Wärmeleitungsproblems stellt sich in ihrer Frequenzabhängigkeit als eine Intergralgleichung dar. Die Gleichung gehört zur Klasse der Fredholmschen Integralgleichungen erster Art. Die Lösung der Wärmeleitungsgleichung für die gepulste Anregung wird auf einen ähnlich strukturierten Ausdruck führen. Lösungsmöglichkeiten werden in den Abschnitten 3.2 ff diskutiert.The solution of the heat conduction problem is represented in its frequency dependence as an integral equation. The equation belongs to the class of Fredholm integral equations of the first kind. The solution of Heat conduction equation for the pulsed excitation will lead to a similarly structured expression. Possible solutions are discussed in Sections 3.2 ff.
2.3.1.2 Frequenzabhängigkeit der Phase2.3.1.2 Frequency dependence of the phase
Neben der Frequenzabhängigkeit der Lösung ist die Phase gesondert zu betrachten. Sie bietet, wie bereits angedeutet, eine zweite Möglichkeit zur Gewinnung von Tiefeninformationen bei periodisch modulierter Beleuchtung. Prinzipiell ist diese Art der Messung direkt mit der pulsformigen Messung zu vergleichen, da die Laufzeit der thermischen Welle ausgewertet wird.In addition to the frequency dependency of the solution, the phase must be considered separately. As already indicated, it offers a second option for obtaining depth information with periodically modulated lighting. In principle, this type of measurement can be compared directly with the pulse-shaped measurement, since the transit time of the thermal wave is evaluated.
Anschaulich lässt sich das Verfahren wie folgt beschreiben. Es wird angenommen, dass der Prozess der Lichtabsorption und die Konversion in Temperaturschwingungen auf der Zeitskala der Modulation sofort erfolgt. Dann schwingen alle Schichten der Probe phasengleich mit der Modulationsfrequenz des anregenden Lichtes ω. Da die Messung der Temperatur nur an der Proben- oberfläche erfolgt, tragen Schichten in verschiedener Tiefe nach verschiedener Zeit zu den messbaren TemperatuiOszillationen bei. Schichten in Oberflächennähe tragen mit kleiner Phasenverschiebung und Schichten aus tieferen Bereichen der Probe mit größerer Phasenverschiebung zur resultierenden Oberflächentemperatur bei.The process can be clearly described as follows. It is believed that the process of light absorption and the conversion into temperature vibrations is instantaneous on the modulation time scale. Then all layers of the sample vibrate in phase with the modulation frequency of the exciting light ω. Since the temperature is only measured on the sample surface, layers at different depths contribute to the measurable temperature oscillations after different times. Layers near the surface contribute to the resulting surface temperature with a small phase shift and layers from deeper areas of the sample with a larger phase shift.
Für die mathematische Ableitung der Temperaturvariationen an der Oberfläche in Abhängigkeit von der Phase der thermischen Welle bei der Modulationsfrequenz ω wird ebenfalls von Gleichung (2.28) ausgegangen und sp explizit eingesetzt.Equation (2.28) is also used for the mathematical derivation of the temperature variations on the surface depending on the phase of the thermal wave at the modulation frequency ω and s p is used explicitly.
Figure imgf000028_0001
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Bei Betrachtung des Messvorganges anlog Abschnitt 2.2.1.1 und unter Berücksichtigung des Realteils ergibt sich für die Phase ΦG der Temperaturoszillationen die Gleichung (2.35).
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When considering the measuring process as described in section 2.2.1.1 and taking the real part into account, the equation (2.35) results for the phase Φ G of the temperature oscillations.
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ω,ef Referenzfrequenz in s"1 ω, ef reference frequency in s "1
Die Frequenzabhängigkeit der Phase der sinusförmigen Temperaturoszillationen an der Probenoberfläche wird, wie bereits die Amplitude, durch das Verhältnis z/μ im Integranden bestimmt. Hohe Werte von z sind gleichbedeutend mit großen Tiefen in der Probe und entsprechend großen Phasenverschiebungen. Wie auch schon im Fall der Amplitude, sorgt der Exponentialteπn in Gleichung (2.35) für eine effektive Dämpfung der thermischen Wellen, für die z/μ > 1 gilt. Nur die innerhalb der thermischen Diffusionslänge entstehenden thermischen Wellen leisten einen messbaren Beitrag zur Oberflächentemperatur. Innerhalb dieser Schicht 0 < z/μ < 1 führt die Wärmedichte am Ort z zu einer thermischen Welle mit der Phase φ = z/μ , die zu den Temperaturoszillationen an der Probenoberfläche beiträgt. Durch eine phasenempfϊndliche Messung der Öberflächentemperaturschwingungen entsprechend Gleichung (2.36) ist eine Trennung der ortsabhängigen Wärmedichte in verschiedenen Tiefen der Probe möglich.The frequency dependence of the phase of the sinusoidal temperature oscillations on the sample surface, like the amplitude, is determined by the ratio z / μ in the integrand. High values of z are synonymous with large depths in the sample and correspondingly large phase shifts. As in the case of the amplitude, the exponential term in equation (2.35) ensures effective damping of the thermal waves, for which z / μ> 1 applies. Only the thermal waves generated within the thermal diffusion length make a measurable contribution to the surface temperature. Within this layer 0 <z / μ <1, the heat density at location z leads to a thermal wave with the phase φ = z / μ, which contributes to the temperature oscillations on the sample surface. A phase-sensitive measurement of the surface temperature vibrations according to equation (2.36) enables the location-dependent heat density to be separated at different depths in the sample.
Figure imgf000029_0002
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<P = p<P = p
Diese Eigenschaft soll an einem einfachen Beispiel demonstriert werden. Angenommen die Absorption in der Probe ist derart, dass eine Wärmedichtenverteilung entsteht, die bei der dimensionslosen Tiefe z/μ = 1/50 an der Probenoberfläche und bei z/μ = 1 lokalisiert ist. Die an der Probenoberfläche messbare Temperaturschwingung hat den in der Abbildung 2.4 als Resultierende (1) dargestellten Verlauf. Zum Vergleich ist der Intensitätsverlauf der Anregungsstrahlung als Kurve 4 dargestellt. Die beiden Kurven 2 und 3 28This property will be demonstrated using a simple example. Assuming the absorption in the sample is such that a heat density distribution arises which is localized at the dimensionless depth z / μ = 1/50 at the sample surface and at z / μ = 1. The temperature oscillation that can be measured on the sample surface has the course shown in Figure 2.4 as the resultant (1). For comparison, the intensity curve of the excitation radiation is shown as curve 4. The two curves 2 and 3 28
veranschaulichen die Schwingung der Oberflächentemperatur für den Fall, dass die Probe nur jeweils eine der beiden absorbierenden Schichten enthält. Die resultierende Oberflächentemperatur ergibt sich als Superposition der Beiträge der einzelnen absorbierenden Schichten, die durch die Kurven 2 und 3 veranschaulicht werden.illustrate the vibration of the surface temperature in the event that the sample contains only one of the two absorbent layers. The resulting surface temperature is the superposition of the contributions of the individual absorbent layers, which are illustrated by curves 2 and 3.
Die aus der dimensionslosen Tiefe z/μ = 1 stammende Wärme trägt mit einer deutlichen Phasenverschiebung gegenüber der Wärme, die in der oberflächennahen Schicht bei z/μ = 1/50 entstanden ist, bei. Die Amplitudendiflerenz erklärt sich aus der Dämpfung der thermischen Welle im Material, die durch den Exponentialterm in Gleichung (2.35) beschrieben wird.The heat originating from the dimensionless depth z / μ = 1 contributes with a clear phase shift compared to the heat that was generated in the near-surface layer at z / μ = 1/50. The amplitude difference is explained by the damping of the thermal wave in the material, which is described by the exponential term in equation (2.35).
Die Temperatur der Probenoberfläche kann, wie dieses einfache Beispiel zeigt, als Summe verschiedener Schwingungen gleicher Frequenz mit unterschiedlicher Amplitude und Phasenlage aufgefasst werden /Du/. Durch eine phasenempfindliche Messung der Temperatur an der Probenoberfläche lässt sich daher die Ortsabhängigkeit der Wärmedichte Q(z) und des optischen Absorptionskoeffizienten ß(z) bestimmen. Die Auswertung der Frequenzabhängigkeit der Phase aus Gleichung (2.35) ist aufgrund der komplexen Struktur des Ausdruckes nur näherungsweise möglich.As this simple example shows, the temperature of the sample surface can be understood as the sum of different vibrations of the same frequency with different amplitude and phase position / Du /. The location-dependence of the heat density Q (z) and the optical absorption coefficient β (z) can therefore be determined by a phase-sensitive measurement of the temperature on the sample surface. The evaluation of the Frequency dependence of the phase from equation (2.35) is only possible approximately due to the complex structure of the expression.
2.4 Lösung der Wärmeleitungsgleichungen für gepulste Beleuchtung2.4 Solution of the heat conduction equations for pulsed lighting
Zur Lösung des Wärmeleitungsproblems für die gepulste Anregung wird von der eindimensionalen Anordnung aus Abbildung 2.3 ausgegangen. Die Beleuchtung der Probe erfolgt mit kurzen Lichtimpulsen, wie sie zum Beispiel von gütegeschalteten Lasern emittiert werden. Die Dauer des Lichtpulses sei so kurz, dass er durch einen Dirac'schen Delta-Impuls angenähert werden kann. Die Betrachtung der Wärmetransportgleichungen beginnt nach Ende des Lichtimpulses. Als Anfangsbedingung wird die räumliche Verteilung der absorbierten Energie in der Probe unmittelbar nach dem Laserpuls, die durch die optischen Probeneigenschaften bestimmt ist, genutzt.The one-dimensional arrangement from Figure 2.3 is used to solve the heat conduction problem for pulsed excitation. The sample is illuminated with short light pulses, such as those emitted by Q-switched lasers. The duration of the light pulse is so short that it can be approximated by a Dirac delta pulse. The consideration of the heat transfer equations begins after the end of the light pulse. The spatial distribution of the absorbed energy in the sample immediately after the laser pulse, which is determined by the optical sample properties, is used as the initial condition.
Analog zum Fall der periodisch modulierten Anregung ergibt sich ein partielles Differentialgleichungssystem für den Proben- und das Messvolumen. Die beiden homogenen WLG unterliegen den gleichen Randbedingungen (2.9) und (2.10), wie im Fall der periodisch modulierten Anregungsstrahlung. Der Anfangswert der Temperaturverteilung in der Probe ist durch die zu Beginn des Kapitel 2 abgeleitete Wärmedichte (2.6) gegeben. Der Anfangswert der Temperatur im Messvolumen sei Null. Diese Annahme ist berechtigt, da die späteren Messungen nur relative Änderungen der Temperatur berücksichtigen.Analogous to the case of periodically modulated excitation, there is a partial system of differential equations for the sample and the measurement volume. The two homogeneous WLG are subject to the same boundary conditions (2.9) and (2.10) as in the case of periodically modulated excitation radiation. The initial value of the temperature distribution in the sample is given by the heat density (2.6) derived at the beginning of Chapter 2. The initial value of the temperature in the measuring volume is zero. This assumption is justified since the subsequent measurements only take into account relative changes in temperature.
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Die Symbolik entspricht dem Fall der periodisch modulierten Anregung. Die Gleichungen für den Proben- und das Messvolumen lauten (2.38) und (2.39).
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The symbolism corresponds to the case of periodically modulated excitation. The equations for the sample and measurement volumes are (2.38) and (2.39).
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Zur Lösung des partiellen Differentialgleichungssystems ist ein anderer Ansatz als im Fall der periodischen Modulation notwendig, da die Zeitabhängigkeit der Temperatur nicht separiert werden kann. Die Gleichungen werden mittels Laplacetransformation gelöst. Gleichungen (2.38) und (2.39) gehen nach Transformation in den Laplaceraum über in (2.40) und (2.41).A different approach than in the case of periodic modulation is necessary to solve the partial differential equation system, since the time dependence of the temperature cannot be separated. The equations are solved using Laplace transform. Equations (2.38) and (2.39) are transformed into (2.40) and (2.41) after transformation into the laplace space.
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Das Problem hat sich zu einem gewöhnlichen Differentialgleichungssystem zweiter Ordnung in z vereinfacht. Ein ähnliches Gleichungssystem trat bereits bei der Lösung der WLG für die periodisch modulierte Beleuchtung auf. Die Lösungen können unter Berücksichtung der Variablenbezeichnungen daher sofort aufgeschrieben werden. An den entsprechenden Stellen der bereits gefundenen Lösungen (2.24) und (2.25) ist S durch Jξ/δ zu ersetzen. Es ergibt sich für die Laplacetransformierte der Temperatur im Probenraum (2.42) und im Messvolumen (2.43).
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The problem has been simplified to an ordinary second order differential equation system in z. A similar system of equations already occurred in the WLG's solution for periodically modulated lighting. The solutions can therefore be written down immediately taking into account the variable names. At the corresponding points of the solutions (2.24) and (2.25) already found, S is to be replaced by Jξ / δ. For the Laplace transform the temperature in the sample space (2.42) and in the measuring volume (2.43) results.
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Die Lösungen (2.42) und (2.43) müssen wieder in den Zeitbereich rücktransformiert werden. Die Einzelheiten der Rücktransformation der kompletten Lösung finden sich im Anhang. Für die weiteren Betrachtungen ist nur die Temperatur der Probenoberfläche bei z = 0 von Interesse. Die Temperatur an der Probenoberfläche nach Absorption eines Lichtimpulses wird durch (2.44) beschrieben.The solutions (2.42) and (2.43) must be transformed back into the time domain. The details of the reverse transformation of the complete solution can be found in the appendix. For further considerations, only the temperature of the sample surface at z = 0 is of interest. The temperature at the sample surface after absorption of a light pulse is described by (2.44).
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Die Oberflächentemperatur nach einem Anregungsimpuls wird im wesentlichen durch den Exponentialterm im Integranden und den Vorfaktor mit einer 1/ / Abhängigkeit bestimmt. Die thermische Welle aus einer Tiefe z = x trägt verzögert nach der sogenannten thermischen Transitzeit τ = x2/4D zur Temperatur an der Probenoberfläche bei. Die endliche Laufzeit der thermischen Wellen bietet die Möglichkeit der Separation der Wärmedichten in unterschied- liehen Probentiefen durch eine zeitlich aufgelöste Messung der Oberflächen- temperatur nach Ende des Lichtpulses.The surface temperature after an excitation pulse is essentially determined by the exponential term in the integrand and the pre-factor with a 1 / / dependency. The thermal wave from a depth z = x contributes to the temperature at the sample surface with a delay after the so-called thermal transit time τ = x 2 / 4D. The finite running time of the thermal waves offers the possibility of separating the heat densities in different sample depths due to a temporally resolved measurement of the surface temperature after the end of the light pulse.
Das Ergebnis des Wärmeleitungsproblems für die Anregung mit einem Laseφuls führt auf einen Zusammenhang zwischen der Ortsabhängigkeit der Wärmedichte in der Probe und der Zeitabhängigkeit der Oberflächentemperatur in Form einer Intergralgleichung. Gleichung (2.44) gehört ebenso wie das Ergebnis der WLG unter periodisch modulierter Beleuchtung aus Abschnitt 2.2.1.1 zur Klasse der Fredholmschen Integralgleichungen erster Art.The result of the heat conduction problem for the excitation with a laser pulse leads to a connection between the location dependence of the heat density in the sample and the time dependence of the surface temperature in the form of an integral equation. Equation (2.44), like the result of the WLG under periodically modulated lighting from Section 2.2.1.1, belongs to the class of Fredholm integral equations of the first kind.
Zur Demonstration der Lösungseigenschaften von (2.43) sei an das Beispiel aus Abschnitt 2.2.1.2 erinnert. Die Wärmequellen befinden sich bei 1 und bei 50 μm. Die resultierende Oberflächentemperatur nach gepulster Anregung hat den in der Abbildung 2.5 dargestellten Verlauf.To demonstrate the solution properties of (2.43), the example from Section 2.2.1.2 should be recalled. The heat sources are 1 and 50 μm. The resulting surface temperature after pulsed excitation has the course shown in Figure 2.5.
Zum Vergleich sind die Oberflächentemperaturen, die sich bei Proben jeweils nur einer absorbierenden Schicht ergeben würden, dargestellt. Während der ersten 5 ms wird die Temperatur an der Probenoberfläche ausschließlich durch die in der obersten Schicht bei 1 μm absorbierte Energie bestimmt. Erst danach trägt die Wärmequelle in einer Tiefe von 50 μm zur Temperatur an der Probenoberfläche deutlich verzögert bei. Die Verzögerung wird durch die Temperatur- leitfahigkeit des Probenmaterials bestimmt. Der in diesem Beispiel verwendete Wert entspricht dem der Hornschicht der menschlichen Haut ISennhenn/.For comparison, the surface temperatures that would result in samples of only one absorbent layer are shown. During the For the first 5 ms, the temperature at the sample surface is determined exclusively by the energy absorbed in the top layer at 1 μm. Only then does the heat source contribute to the temperature on the sample surface at a depth of 50 μm, with a significant delay. The delay is determined by the temperature conductivity of the sample material. The value used in this example corresponds to that of the horny layer of human skin ISennenn /.
Aus den Lösungen der Wärmeleitungsgleichungen nach optischer Anregung für die Probe und das Messvolumen konnten mathematische Beschreibungen für die Temperatur an der Probenoberfläche hergeleitet werden. Die gefundenen Beziehungen in Form einer Fredholmschen Integralgleichung erster Art beschreiben den Zusammenhang zwischen den experimentell zugänglichen Temperaturoszillationen der Probenoberfläche und der optisch erzeugten Wärmedichte in der Probe. Eine Entfaltung der Integralgleichung führt zur gesuchten Verknüpfung zwischen dem räumlich veränderlichen optischen Absoφtionseigenschaften und der Oberflächentemperatur.Mathematical descriptions for the temperature at the sample surface could be derived from the solutions of the heat conduction equations after optical excitation for the sample and the measurement volume. The relationships found in the form of a Fredholm integral equation of the first kind describe the relationship between the experimentally accessible temperature oscillations of the sample surface and the optically generated heat density in the sample. Unfolding the integral equation leads to the desired link between the spatially changeable optical absorption properties and the surface temperature.
2.5 Zusammenhang zwischen dem optischen2.5 Relationship between the optical
Absorptionskoeffizienten und der Temperatur der ProbenoberflächeAbsorption coefficient and the temperature of the sample surface
Das Ziel der Arbeit besteht in der Bestimmung unbekannter räumlicher Verläufe des optischen Absoφtionskoeffizienten ß(z) aus den photoakustischen Messwerten. In den bisherigen Ausführungen wurden ausgehend von den Lösungen der Wärmeleitungsgleichungen Beziehungen zwischen der Temperatur an der Probenoberfläche und der räumlichen Verteilung der Wärmedichte Q(z) in der Probe abgeleitet. Der Zusammenhang zwischen beiden Größen ist physikalisch eindeutig, da nur aufgrund der Lichtabsoφtion Wärme in der Probe entsteht und der die Lichtabsoφtion beschreibende Koeffizient ß ein Maß für die absorbierte Energie darstellt.The aim of the work is to determine unknown spatial profiles of the optical absorption coefficient ß (z) from the photoacoustic measurements. In the previous explanations, relationships between the temperature at the sample surface and the spatial distribution of the heat density Q (z) in the sample were derived from the solutions of the heat conduction equations. The relationship between the two variables is physically unambiguous, since heat only arises in the sample due to the light absorption and the coefficient β describing the light absorption represents a measure of the absorbed energy.
Die Ableitung des mathematischen Zusammenhangs zwischen Q(z) und ß(z) geht vom Ausdruck für die Wärmedichte in der Probe nach Absoφtion des einfallenden Lichtes (2.13) aus. Gleichung (2.13) ist nach dem optischen Absoφtionskoeffizienten ß(z) aufzulösen. Dazu wird folgende Hilfskonstruktion verwendet /Afromowitz/The derivation of the mathematical relationship between Q (z) and ß (z) is based on the expression for the heat density in the sample after absorption of the incident light (2.13). Equation (2.13) is to be solved according to the optical absorption coefficient ß (z). The following auxiliary construction is used for this / Afromowitz /
-]><*'>* (245) -]><*'> * (245)
G(z) = ηl0(l -e ° ).G (z) = ηl 0 (l -e °).
Figure imgf000036_0001
Auflösen der Gleichung (2.45) nach e° und Einsetzen liefert den1 gesuchten
Figure imgf000036_0001
Solving the equation (2.45) after e ° and inserting returns the 1 searched for
Zusammenhang (2.45) zwischen der Wärmedichte in der Probe und dem optischen Absoφtionskoeffϊzienten ß.Relationship (2.45) between the heat density in the sample and the optical absorption coefficient ß.
Figure imgf000036_0002
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Gleichung (2.46) liefert die gesuchte Verbindung zwischen der durch Absoφtion im Probenmaterial entstandenen ortsabhängigen Wärmedichte Q(z) und dem optischen Absoφtionskoeffizienten ß(z). Die Wärmedichte Q(z) kann nach Lösung der Fredholmschen Integralgleichungen erster Art aus den experimentell gewonnenen Temperaturoszillationen der Probenoberfläche berechnet werden. Daraus wiederum ist die räumliche Verteilung des optischen Absoφtionskoeffizienten ableitbar. 2.5.1 Einschränkungen für streuende ProbenEquation (2.46) provides the desired connection between the location-dependent heat density Q (z) created by absorption in the sample material and the optical absorption coefficient ß (z). The heat density Q (z) can be calculated from the experimentally obtained temperature oscillations of the sample surface after solving the Fredholm integral equations of the first kind. The spatial distribution of the optical absorption coefficient can be derived from this. 2.5.1 Limitations for scattering samples
In der Herleitung der Lösungen wurde stets eine optisch homogene Probe mit verteilten Chromophoren angenommen. Diese Annahme widerspiegelt nur näherungsweise die optischen Eigenschaften der menschlichen Haut. In Abhängigkeit von der verwendeten Lichtwellenlänge muss die Lichtstreuung in der Haut in die Betrachtung einbezogen werden, da sie zu einer Erhöhung der deponierten optischen Energie in den oberflächennahen Schichten führt. Das der Intensitätsverteilung des Lichtes zugrunde gelegte Lambert-Beersche-Gesetz ist nicht mehr anwendbar. Formal lässt sich dies durch die Verwendung eines effektiven Absoφtionskoeffizienten ßeff beheben. Dieser Koeffizient setzt sich als Summe aus dem optischen Absoφtionskoeffizienten und dem Streukoeffizienten des Gewebes für die verwendete Wellenlänge zusammen. Je größer die Wellenlänge wird, desto mehr gewinnt der Streuanteil an Einfluss.In the derivation of the solutions, an optically homogeneous sample with distributed chromophores was always assumed. This assumption only approximates the optical properties of human skin. Depending on the light wavelength used, the light scattering in the skin must be taken into account, since it leads to an increase in the deposited optical energy in the layers near the surface. The Lambert-Beersche law on which the intensity distribution of light is based is no longer applicable. Formally, this can be remedied by using an effective absorption coefficient ß eff . This coefficient is the sum of the optical absorption coefficient and the scattering coefficient of the tissue for the wavelength used. The longer the wavelength becomes, the more the scattering part gains influence.
Eine korrekte Behandlung des Streuproblems in der menschlichen Haut führt auf ein modifiziertes Lambert-Beersches-Gesetz /Prahlt (Gleichung (2.47)).Correct treatment of the scattering problem in human skin leads to a modified Lambert-Beersches law / Prahlt (equation (2.47)).
I(z) = Be~μeffZ + Ce~μtrZ (2.47)I (z) = Be ~ μeffZ + Ce ~ μtrZ (2.47)
Ohne auf die Bedeutung der Konstanten näher einzugehen, sei nur der prinzipielle Unterschied gegenüber dem Lambert-Beerschen-Gesetz angegeben. Statt des optischen Absoφtionskoeffizienten ß findet ein effektiver Schwächungskoeffizient μetf Verwendung. Er beschreibt die Abnahme der Lichtintensität in der Probe infolge von Absoφtions- und Streuvorgängen. Der zweite Term, der eine Erweiterung des Lambert-Beerschen-Gesetzes darstellt, beschreibt die Zunahme der Lichtintensität in der Tiefe z durch rückgestreutes Licht aus tieferen Schichten der Probe.Without going into the meaning of the constants, only the fundamental difference compared to the Lambert-Beerschen law is given. Instead of the optical absorption coefficient ß, an effective attenuation coefficient μ e t f is used. It describes the decrease in light intensity in the sample due to absorption and scattering processes. The second term, which is an extension of the Lambert-Beerschen law, describes the increase in light intensity at depth z due to backscattered light from deeper layers of the sample.
Unabhängig von der Verwendung der vereinfachten Betrachtungsweise oder der präzisen Herleitung von Prahl werden die Lösungen der Wärmeleitungsgleichungen in den vorherigen Kapiteln nur schwach modifiziert. Zur korrekten Berechnung der Tiefenverteilung der absorbierenden Substanzen ist im allgemeinen Fall die Kenntnis des Streukoeffizienten unerlässlich.Regardless of the use of the simplified approach or the precise derivation of Prahl, the solutions of the heat conduction equations in the previous chapters are only slightly modified. In the general case, knowledge of the scattering coefficient is essential for correctly calculating the depth distribution of the absorbing substances.
In den zu untersuchenden biologischen Geweben findet vorwiegend Vorwärtsstreuung mit einer Wellenlängenabhängigkeit von ~λ*°'4 statt, daher wird im Rahmen der Arbeit davon ausgegangen, dass der Fehler, hervorgerufen durch die Streuung des Lichtes in der Probe, vernachlässigbar ist In the biological tissues to be examined predominantly forward scattering with a wavelength dependence of ~ λ * ° ' 4 takes place, therefore in Within the scope of the work it was assumed that the error caused by the scattering of the light in the sample is negligible
Anhang 2Appendix 2
Verfahren zur Lösung der FredholmschenProcedure for solving the Fredholmsche
Integralgleichungen erster ArtIntegral equations of the first kind
Die in Kapitel 2 gelösten Wärmeleitungsgleichungen beschreiben die Ausbreitung der thermischen Wellen, die durch Absoφtion von periodisch moduliertem und gepulstem Licht entstehen. Die Lösung stellt eine Beziehung zwischen der experimentell zugänglichen Oberflächentemperatur und der ortsabhängigen Wärmedichte im Inneren der Probe dar. Die gefundenen mathematischen Zusammenhänge gehören zur Klasse der Fredholmschen Integralgleichungen erster Art, deren allgemeine Form durch Gleichung (3.1) beschrieben wird.The thermal conduction equations solved in Chapter 2 describe the propagation of the thermal waves that result from the absorption of periodically modulated and pulsed light. The solution represents a relationship between the experimentally accessible surface temperature and the location-dependent heat density inside the sample. The mathematical relationships found belong to the class of Fredholm integral equations of the first kind, the general form of which is described by equation (3.1).
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Integralgleichungen dieser Form treten in vielen Problemen der mathematischen Physik auf. Eine analytische Lösung der Gleichung (3.1) ist schwer möglich, da keine mathematische Beschreibung für Q(z) zur Verfugung steht. Mindestens eine Näherungslösung des Problems ist jedoch mit Verfahren der numerischen Mathematik möglich. Dafür muss die Integralgleichung zunächst in eine für die numerische Weiterverarbeitung passende Form gebracht werden.Integral equations of this form occur in many problems in mathematical physics. An analytical solution to equation (3.1) is difficult because there is no mathematical description for Q (z) available. However, at least one approximate solution to the problem is possible using numerical mathematics methods. For this, the integral equation must first be brought into a form suitable for further numerical processing.
3.1 Approximation der Integralgleichung3.1 Approximation of the integral equation
Die Anwendung numerischer Verfahren zur Lösung der Integralgleichung (3.1) macht eine Diskretisierung der Variablen im Orts- und Zeitbereich notwendig. Die Diskretisierung im Zeitbereich ist vorgegeben, da es sich bei der Temperatur T um eine experimentell bestimmte Größe handelt, die nur an den Messpunkten bekannt ist. Die Diskretisierung im Ortsraum kann willkürlich, dem jeweiligen Problem angepasst, erfolgen. Eine gleichförmige Unterteilung stellt dabei den einfächsten Fall dar. Die kontinuierliche Integralgleichung (3.1) geht damit über in eine Summation über die diskreten Orts- und Zeitpunkte.The use of numerical methods to solve the integral equation (3.1) makes it necessary to discretize the variables in the space and time domain. The discretization in the time domain is predefined since the temperature T is an experimentally determined variable that is only known at the measuring points. The discretization in the local area can be arbitrary, adapted to the respective problem. A uniform subdivision is the simplest case. The continuous integral equation (3.1) thus turns into a summation over the discrete locations and times.
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oder in Matrizenschreibweise T = KQ
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or in matrix notation T = KQ
Die Integralgleichung wird nach der Diskretisierung der Ortsvariablen z und der Zeit t durch eine Matrizengleichung approximiert. Jede einzelne Spalte der Matrix K beschreibt den zeitlichen Temperaturverlauf an der Probenoberfläche nach Anregung einer in x und y Richtung unendlich ausgedehnten Wärmedichtenverteilung der Dicke Δz in einer Tiefe von iΔz.The integral equation is approximated by a matrix equation after the discretization of the location variable z and the time t. Each individual column of the matrix K describes the temperature profile over time on the sample surface after excitation of a heat density distribution of the thickness Δz infinitely extended in the x and y directions at a depth of iΔz.
Ein sich kontinuierlich mit der Tiefe z ändernder Absoφtionskoeffizient wird durch Flächen konstanter Absoφtion angenähert. Abbildung 3.1 veranschaulicht die durchgeführte Approximation einer ortsabhängigen Verteilung durch diskrete Stützpunkte. 3.1.1 Eigenschaften der approximierten IntegralgleichungAn absorption coefficient that changes continuously with the depth z is approximated by areas of constant absorption. Figure 3.1 illustrates the approximation of a location-dependent distribution using discrete support points. 3.1.1 Properties of the approximated integral equation
Die durch die Approximation gewonnene Gleichung (3.2) gehört zur Gruppe der Operatorgleichungen, die man in korrekt und nicht korrekt gestellt unterteilt. Sie ist korrekt gestellt, wenn folgendes gilt:The equation (3.2) obtained by the approximation belongs to the group of operator equations, which are divided into correctly and incorrectly put. It is correct if the following applies:
1. Für jedes T hat Gleichung (3.2) eine eindeutige Lösung Q.1. For each T, equation (3.2) has a unique solution Q.
2. Die Lösung Q ist stabil gegenüber Störungen von T, das heißt K"1 existiert im gesamten Definitionsraum von T ITikhonovl.2. The solution Q is stable against disturbances of T, ie K "1 exists in the entire definition space of T ITikhonovl.
Ist eine der Bedingungen verletzt, handelt es sich um ein inkorrekt gestelltes Problem. Das heißt, es existiert keine eindeutige Lösung der Integralgleichung oder die Lösung ist keine kontinuierliche Funktion. Bereits kleine Ungenauig- keiten, wie zum Beispiel Rundungsfehler der linken Gleichungsseite führen zu starken Oszillationen der Lösung. Das Problem wird als instabil bezeichnet. Im vorliegenden Fall repräsentiert die linke Gleichungsseite, die Temperatur T, eine Messgrösse. Die in ihr enthaltenen Messfehler sind nur in sehr engen Grenzen zu beeinflussen. Das Problem muss daher stabil formuliert sein, um aus der Temperatur die Ortsabhängigkeit der Wärmedichte berechnen zu können.If one of the conditions is violated, the problem is incorrect. That is, there is no unique solution to the integral equation, or the solution is not a continuous function. Even small inaccuracies, such as rounding errors on the left side of the equation, lead to strong oscillations of the solution. The problem is said to be unstable. In the present case, the left side of the equation, the temperature T, represents a measured variable. The measurement errors it contains can only be influenced within very narrow limits. The problem must therefore be formulated in a stable way in order to be able to calculate the location-dependent heat density from the temperature.
Die Klassifizierung der Probleme hinsichtlich der Stabilität ihrer Lösungen erfolgt über die Konditionszahl der Matrix K. Diese Zahl bildet sich als Quotient aus dem größten und kleinsten singulären Wert der Matrix K. Sie beträgt für den Fall der gepulsten Anregung 1.66- 1017. Es muss daher von einem äußerst instabilen Lösungsverhalten der Gleichung (3.2) ausgegangen werden. Das gesamte Problem wird in der Literatur als „severely ill posed" bezeichnet /Power/.The problems with regard to the stability of their solutions are classified using the condition number of the matrix K. This number is formed as the quotient of the largest and smallest singular value of the matrix K. It is 1.66-10 17 in the case of pulsed excitation. An extremely unstable solution behavior of equation (3.2) must therefore be assumed. The entire problem is referred to in the literature as "severely ill posed" / Power /.
Die Instabilität der Lösung soll an einem Beispiel demonstriert werden. Die Lösung Q der algebraischen Gleichung (3.2) ergibt sich formal durch Multiplikation von links mit K"1.The instability of the solution will be demonstrated using an example. The solution Q of the algebraic equation (3.2) results formally by multiplication from the left by K "1 .
K^Q (3.3)K ^ Q (3.3)
Diese formal durchgeführte Operation ist mit den Matrizen K, die sich aus den Lösungen der Wärmeleitungsgleichung ergeben, überwiegend nicht durchführbar. Die Matrizen sind im allgemeinen Fall nicht quadratisch und nicht regulär. Eine rverse Matrix K'1 existiert daher nicht. Einen Ausweg aus dem Problem bietet die Matrix K+, die möglichst viele Eigenschaften der hrversen K"1 besitzt. K* bezeichnet die Moore-Penropse- Pseudoinverse der Matrix K. Die Pseudoinverse kann zur näherungsweisen Lösung der Gleichung (3.3) herangezogen werden /Hansen/.This formally performed operation cannot be carried out with the matrices K that result from the solutions of the heat conduction equation. In general, the matrices are not square and not regular. A reverse matrix K '1 therefore does not exist. One way out of the problem is offered by the matrix K + , which has as many properties as possible of the reversed K "1. K * denotes the Moore-Penropse pseudo-inverse of the matrix K. The pseudo-inverse can be used to solve the equation (3.3) approximately / Hansen /.
Die bei der Anwendung des skizzierten Lösungsverfahrens auftretenden Probleme sollen anhand eines einfachen Beispiels erläutert werden. Es wird von der eindimensionalen Anordnung aus Abbildung 2.3 ausgegangen. Die Absoφtion des Probenmaterials ist an der Oberfläche am stärksten und fällt exponentiell in die Tiefe der Probe ab. Die Absoφtion eines Lichtpulses in der Probe führt nach (2.14) auf eine räumlich verteilte Wärmedichte. Die daraus resultierenden Änderungen der Oberflächentemperatur wurden mit der Lösung (2.43) der Wärmeleitungsgleichung für gepulste Anregung berechnet. Das Ergebnis zeigt Abbildung 3.2. Die Probe wurde durch 40 Schichten mit einer Dicke von je 1.6 μm approximiert. Die Datenakqmsitionsrate der Messung betrug 0.5 ms und die Anzahl der Temperaturmesswerte 135. Die das Problem beschreibende Matrix K besteht damit aus 135 Zeilen und 40 Spalten.The problems that arise when using the sketched solution method will be explained using a simple example. The one-dimensional arrangement from Figure 2.3 is assumed. The absorption of the sample material is strongest on the surface and drops exponentially into the depth of the sample. According to (2.14), the absorption of a light pulse in the sample leads to a spatially distributed heat density. The resulting changes in surface temperature were calculated using the solution (2.43) of the heat conduction equation for pulsed excitation. The result is shown in Figure 3.2. The sample was approximated by 40 layers with a thickness of 1.6 μm each. The data acquisition rate of the measurement was 0.5 ms and the number of measured temperature values was 135. The matrix K describing the problem thus consists of 135 rows and 40 columns.
Es wurde angenommen, dass die Umwandlung der absorbierten optischen Strahlung in thermische Energie vollständig und ohne Zeitverzug abläuft. Mit der so gewonnenen theoretischen Oberflächentemperatur und der Pseudo- inversen K* wird die Gleichung (3.2) gelöst. Das Ergebnis zeigt Abbildung 3.3.It was assumed that the conversion of the absorbed optical radiation into thermal energy takes place completely and without delay. Equation (3.2) is solved with the theoretical surface temperature and the pseudo inverse K *. The result is shown in Figure 3.3.
Der Vergleich der Näherungslösimg Q(z) der Integralgleichung (3.1) mit dem tatsächlichen Verlauf der Wärmedichte in der Probe zeigt deutliche Unterschiede. Die relativen Abweichungen lagen im Bereich von MO"13. Das heißt, nur Rundungsfehler, Fehler aus der Diskretisierung oder der Bildung der Pseudoinversen haben zu den beobachteten Abweichungen geführt. Die Temperatur der Probenoberfläche ging mit numerischer Genauigkeit in die Berechnung ein.The comparison of the approximate solution Q (z) of the integral equation (3.1) with the actual course of the heat density in the sample shows clear differences. The relative deviations were in the range of MO "13. That means that only rounding errors, errors from the discretization or the formation of the pseudo inverses led to the observed deviations. The temperature of the sample surface was included in the calculation with numerical accuracy.
Die Situation ändert sich grundlegend, wen experimentell gewonnene Temperaturdaten mit Messfehlern angenommen werden. Zur Simulation von realen Messwerten wird der Temperaturwert zu jedem Messzeitpunkt durch einen zufällig verteilten Wert ersetzt. Die Schwankungsbreite beträgt ±0.5% des maximalen theoretischen Temperaturwertes. Die so berechnte simulierte Zeitabhängigkeit T(t) unterscheidet sich in der direkten grafischen Gegenüberstellung nicht sichtbar von der Orgmalfunktion. Das Ergebnis der Lösung der Ferdholmschen Integralgleichung mittels Pseudoinverser und simulierten Temperaturmesswerten zeigt Abbildung 3.4.The situation changes fundamentally if experimentally obtained temperature data with measurement errors are assumed. To simulate For real measurement values, the temperature value is replaced by a randomly distributed value at each measurement time. The fluctuation range is ± 0.5% of the maximum theoretical temperature value. The simulated time dependency T (t) calculated in this way does not differ visibly from the org function in the direct graphic comparison. The result of solving Ferdholm's integral equation using pseudo inverses and simulated temperature measurements is shown in Figure 3.4.
Die bereits in Bild 3.3 sichtbaren Oszillationen der Lösung haben sich um mehrere Größenordnungen verstärkt. Es sind keinerlei Gemeinsamkeiten mit der Ausgangsverteilung mehr erkennbar.The oscillations of the solution that are already visible in Figure 3.3 have increased by several orders of magnitude. There are no longer any similarities with the initial distribution.
Eine exakte Lösung der Gleichung (3.3) mit realen Temperaturmesswerten scheint daher unmöglich. Es existieren jedoch mathematische Verfahren, die eine näherungsweise Lösung gestatten. Diese Methoden werden als Regulationsverfahren bezeichnet. Sie stellen effiziente und stabile Algorithmen zur Verfügung, die die Oszillationen der Lösung dämpfen und gleichzeitig den Näherungsfehler so klein wie möglich halten. Sie wichten die oftmals physikalisch motivierten Nebenbedingungen, um eine möglichst exakte Approximation der tatsächlichen Lösung zu erhalten.An exact solution of equation (3.3) with real temperature measurements therefore seems impossible. However, there are mathematical methods that allow an approximate solution. These methods are called regulatory procedures. They provide efficient and stable algorithms that dampen the solution's oscillations and at the same time keep the approximation error as small as possible. They weight them often physically motivated constraints in order to obtain an exact approximation of the actual solution.
In den folgenden Abschnitten werden vier ausgesuchte mathematische Verfahren in ihrer Anwendbarkeit auf das vorliegende Problem untersucht. Anhand von künstlich erzeugten Temperatuφrofilen wird die Qualität der Approximation der einzelnen Regulationsverfahren evaluiert.The following sections examine four selected mathematical methods in terms of their applicability to the problem at hand. The quality of the approximation of the individual regulation methods is evaluated on the basis of artificially generated temperature profiles.
3.2 Regulationsverfahren3.2 Regulation procedure
Eine exakte Lösung der Gleichung (3.2), die sich aus der Diskretisierung der Integralgleichung der Wärmeleitungsprobleme ergab, ist in den meisten Fällen nicht möglich. Gefundene Lösungen sind extrem instabil und somit nicht auswertbar. Regulationsverfahren ersetzen die mathematisch exakte Lösung durch eine Approximation. Die Genauigkeit der Approximation wird durch die sogenannte Restnorm |T-KQ| beschrieben. Die Regulationsverfahren minimieren diese Restnorm, so dass eine möglichst gute Annäherung an die tatsächliche Lösung erreicht wird. Neben der Minimierung der Restnorm wird in vielen Verfahren die Minimierung der Lösungsnorm |Q| als Nebenbedingung eingesetzt.An exact solution of equation (3.2), which resulted from the discretization of the integral equation of the heat conduction problems, is not possible in most cases. The solutions found are extremely unstable and therefore cannot be evaluated. Regulation procedures replace the mathematically exact solution with an approximation. The accuracy of the approximation is determined by the so-called residual standard | T-KQ | described. The regulatory procedures minimize this residual standard so that the best possible approximation to the actual solution is achieved. In addition to minimizing the residual standard, the minimization of the solution standard | Q | used as a constraint.
3.2.1 Singular Value Decomposition3.2.1 Singular Value Decomposition
Bevor die eigentlichen Regulationsverfahren behandelt werden, wird das Verfahren der Singular value decomposition (SVD) vorgestellt. Es handelt sich hierbei um ein universelles mathematisches Hilfsmittel zur Lösung und Evaluierung inkorrekt gestellter Probleme /Hansen/.Before the actual regulatory procedures are dealt with, the singular value decomposition (SVD) procedure is introduced. It is a universal mathematical tool for solving and evaluating incorrectly posed problems / Hansen /.
K e Rmxn sei eine rechteckförmige Matrix mit m > π. Als SVD Zerlegung bezeichnet man die Faktorisierung der Form (3.4). K = usvτ Let K e R mxn be a rectangular matrix with m> π. SVD decomposition is the factorization of the form (3.4). K = usv τ
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Die Matrizen U und V sind unitär, es gilt UU =W =En. S ist eine Diagonalmatrix, die in ihrer Diagonalen die nicht negativen singulären Werte von K in absteigender Reihenfolge besitzt. Die Vektoren uf und V| bezeichnet man als rechte bzw. linke singuläre Vektoren der Matrix K ILawsonl. Die bereits im vorigen Abschnitt erwähnte Konditionszahl der Matrix K ergibt sich aus SιfsmaX(n). Die SVD Faktorisierung der Matrix K ist eindeutig.The matrices U and V are unitary, UU = W = E n . S is a diagonal matrix that has the non-negative singular values of K in descending order in its diagonal. The vectors u f and V | are called right or left singular vectors of the matrix K ILawsonl. The condition number of the matrix K mentioned in the previous section results from Sιfs maX (n). The SVD factorization of the matrix K is clear.
Auf das Produkt USVT können algebraische Lösungsalgorithmen angewandt werden, denen die Matrix K nicht zugänglich war. Die Inverse der Matrix K lässt sich nun als sogenannte Moore-Pennrose-Pseudoinverse bilden. Sie geht für den Fall einer quadratischen Matrix K über in die Inverse K"1.Algebraic solution algorithms to which the matrix K was not accessible can be applied to the product UPS T The inverse of the matrix K can now be formed as a so-called Moore-Pennrose pseudoinverse. In the case of a square matrix K, it changes into the inverse K "1 .
K+ = VτSTlUK + = V τ ST l U
Mit dieser Pseudoinversen ist die Gleichung Q = K'1T lösbar.With this pseudo inverse, the equation Q = K '1 T can be solved.
Die Untersuchung der Zerlegungsfaktoren U, V, S gibt Hinweise auf die Eigenschaften des Problems. Am Beispiel des Integralkerns aus der Lösung der Wärmeleitungsgleichung für gepulste Anregung soll dies verdeutlicht werden. Die Matrix K des Problems aus Abschnitt 3.1 wird mittels SVD in Faktoren zerlegt. Die singulären Werte der Matrix K sind in Abbildung 3.5 dargestellt. Examination of the decomposition factors U, V, S gives indications of the properties of the problem. This should be illustrated using the example of the integral core from the solution of the heat conduction equation for pulsed excitation. The matrix K of the problem from section 3.1 is broken down into factors using SVD. The singular values of the matrix K are shown in Figure 3.5.
Die Anzahl der singulären Werte entspricht der Zahl der Spalten der1 Matrix K. Das Verhältnis des größten zum kleinsten singulären Wert beträgt .66-1017. Abbildung 3.6 zeigt die zugehörigen rechten und linken singulären Vektoren der Matrix K. The number of singular values corresponds to the number of columns of the 1 matrix K. The ratio of the largest to the smallest singular value is .66-10 17 . Figure 3.6 shows the associated right and left singular vectors of matrix K.
Den Abbildungen 3.5 und 3.6 lassen sich zwei wesentliche Gesichtepunkte entnehmen:Figures 3.5 and 3.6 show two main points of view:
1. Die singulären Werte streben langsam ohne besondere Lücke gegen Null.1. The singular values slowly strive towards zero without a special gap.
2. Die linken und rechten singulären Vektoren zeigen mit kleiner werdenden singulären Werten mehr Vorzeichenwechsel.2. The left and right singular vectors show more sign changes with decreasing singular values.
Diese Eigenschaften weisen auf ein stark inkorrekt gestelltes Problem hin /Hansen/. Verwertbare Lösungen werden sich daher nicht auf dem in Abschnitt 3.1 beschriebenen direkten Weg unter Nutzung der Pseudoinversen gewinnen lassen. Die Eigenschaften der Operatorgleichung machen den Einsatz von Regulationsverfahren zur Berechnung einer stabilen Lösung der ortsabhängigen Wärmedichte notwendig. 3.2.2 Regulationsverfahren von TikhonovThese properties indicate a very incorrect problem / Hansen /. Usable solutions can therefore not be obtained in the direct way described in section 3.1 using the pseudo-inverses. The properties of the operator equation make it necessary to use regulation methods to calculate a stable solution of the location-dependent heat density. 3.2.2 Tikhonov's regulatory procedures
Das ältestes und auch bekanntestes Regulationsverfahren geht zurück auf den rassischen Mathematiker Tikhonov und trägt auch seinen Namen. Dem Verfahren liegt eine genaue Analyse der Situation zugrunde.The oldest and most well-known regulatory procedure goes back to the racial mathematician Tikhonov and also bears his name. The procedure is based on a precise analysis of the situation.
Die genaue Betrachtung des Problems (3.2) führt auf eine veränderte Integralgleichung. Da die Temperaturwerte an der Probenoberfläche nicht absolut genau bekannt sind, lässt sich der Ansatz T(t) = T \t) + λS(t) verwenden /Phillips/. S(t) beschreibt die Abweichungen der gemessenen Werte von den unbekannten exakten Werten T t). λ ist ein Wichtungsfaktor, der als Regulationsparameter bezeichnet wird. Die Matrixapproximation der Integralgleichung verändert sich mit diesem Ansatz zu Gleichung (3.5).A closer look at the problem (3.2) leads to a changed integral equation. Since the temperature values on the sample surface are not absolutely known, the approach T (t) = T \ t) + λS (t) can be used / Phillips /. S (t) describes the deviations of the measured values from the unknown exact values T t). λ is a weighting factor, which is called the regulation parameter. The matrix approximation of the integral equation changes with this approach to equation (3.5).
T + λS = KQ (3 5)T + λS = KQ (3 5)
S Störmatrix, λ RegulationsparameterS disturbance matrix, λ regulation parameters
Das Tikhonov- Verfahren sucht eine Näherungslösung der Gleichung (3.5) in Abhängigkeit vom Parameter λ. Die Näherung wird durch Minimierung der Restnorm |(T - λS)-KQ|2 und Minimierung der Lösungsnorm |Q|2 bestimmt. Die Matrix S ist in vielen Fällen die Einheitsmatrix. Gelöst wird die Gleichung (3.5) durch die in Matlab® implementierte Routine der Methode der kleinsten Quadrate.The Tikhonov method looks for an approximate solution to equation (3.5) depending on the parameter λ. The approximation is achieved by minimizing the residual standard | (T - λS) -KQ | 2 and minimization of the solution standard | Q | 2 determined. The matrix S is the unit matrix in many cases. Equation (3.5) is solved by the routine of the least squares method implemented in Matlab ® .
Die Wahl des Parameters λ ist das eigentliche Problem der Lösung. Er ist verantwortlich für die Dämpfung der Lösungsoszillationen, muss jedoch so gewählt werden, dass einerseits die Oszillationen wirkungsvoll unterdrückt werden, andererseits die Lösung Q nicht zu stark geglättet wird.The choice of the parameter λ is the real problem of the solution. He is responsible for damping the solution oscillations, but must be selected so that on the one hand the oscillations are effectively suppressed, on the other hand the solution Q is not smoothed too much.
3.2.3 Expectation Minimum Regulationsverfahren3.2.3 Expectation Minimum Regulation Procedure
Von Power wurde eine Klasse alternativer Regulationsverfahren vorgeschlagen, die die stabilisierende Wirkung von normalverteiltem Rauschen verwenden. Die Bezeichnung Expectation minimum (EM) für die Klasse von Regulations- verfahren ergibt sich aus der statistischen Auswertung einer Vielzahl unabhängiger Lösungsversuche.Power has proposed a class of alternative regulation methods that use the stabilizing effect of normally distributed noise. The term expectation minimum (EM) for the class of regulatory process results from the statistical evaluation of a large number of independent attempts at solution.
Im Vergleich zum vorgestellten Tikhonov- Verfahren handelt es sich um einen grundsätzlich anderen Ansatz. Die Matrix K, der Kern des Integrals, wird mit wohldefiniertem normalverteiltem Rauschen der Amplitude n „verrauscht".Compared to the Tikhonov method presented, it is a fundamentally different approach. The matrix K, the kernel of the integral, is "noisy" with well-defined, normally distributed noise of the amplitude n.
K<Xj,tk) k{xj,tk) 3-6>K < Xj , t k ) k {x j , t k ) 3 - 6 >
rv Zufallsvariable, die einer Normalverteilung unterliegtrv random variable which is subject to a normal distribution
Im folgenden werden die zufälligen Größen, die nach Vorschrift (3.6) verändert wurden, mit einem Dach über dem Originalsymbol gekennzeichnet. Die aus Gleichung (3.2) hervorgegangene zu lösende modifizierte Gleichung lautet (3.7).In the following, the random sizes that were changed according to regulation (3.6) are marked with a roof over the original symbol. The modified equation to be solved from equation (3.2) is (3.7).
T = KQ (3'7) T = KQ (3 ' 7)
Die entstandene Gleichung wird mehrfach mit einer neuen zufälligen Matrix K gelöst. Im Ergebnis erhält man eine Vielzahl von zufälligen Lösungen Q.. Die Lösung des Ursprungsproblems (3.2) wird durch Bildung des arithmetischen Mittelwertes entsprechend (3.8) approximiert.The resulting equation is solved several times with a new random matrix K. The result is a large number of random solutions Q .. The solution to the original problem (3.2) is approximated by forming the arithmetic mean according to (3.8).
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Der von Power geprägte Begriff Erwartungsminimum, wurde gewählt, da die Lösung des Problems (3.2) sich als Erwartungswert einer sich zuf llig ändernden Lösung von Gleichung (3.7) ergibt.The term expectation minimum, coined by Power, was chosen because the solution to the problem (3.2) is the expected value of a randomly changing solution of equation (3.7).
Die Verbindung mit der in Abschnitt 3.2.2 vorgestellten Regulationsmethode von Tikhonov ergibt sich über die Varianz der Verteilung des Rauschens, mit der der Integralkern in Matrixform K modifiziert wird. Ohne auf die konkrete Herleitung einzugehen, soll hier nur die Äquivalenz der Varianz des Rauschens in K und des Parameters λ des Tikhonov-Regulationverfahrens für das Problem angegeben werden /Power/. 3.2.3.1 Expectation Minimum Verfahren + Singular Value DecompositionThe connection with the Tikhonov regulation method presented in section 3.2.2 results from the variance in the distribution of the noise with which the integral core is modified in matrix form K. Without going into the specific derivation, only the equivalence of the variance of the noise in K and the parameter λ of the Tikhonov regulation method for the problem should be given here / Power /. 3.2.3.1 Expectation Minimum Procedure + Singular Value Decomposition
Die „verrauschte" Operatorgleichung (3.7) kann mit verschiedenen Verfahren gelöst werden. Eine Möglichkeit besteht in der Berechnung der Moore- Pennrose-Pseudoinversen mittels SVD und der anschließenden Lösung von Q = K*T. Statt der aus der exakten Matrix K berechneten Pseudoinversen lässt sich ebenso die aus einer verrauschten Matrix gebildete Pseudoinverse verwenden. Die Lösung der Operatorgleichung wird damit zu einer sich zufällig ändernden Größe. Viele Lösungsversuche und deren anschließende Mittelung fuhren entsprechend dem EM-Schema auf das gesuchte Ergebnis.The "noisy" operator equation (3.7) can be solved with various methods. One possibility is to calculate the Moore-Pennrose pseudo-inverse using SVD and then solve Q = K * T. Instead of the pseudo-inverse calculated from the exact matrix K, The solution of the operator equation thus becomes a randomly changing quantity. Many attempts at solution and their subsequent averaging lead to the desired result according to the EM scheme.
Im Rahmen der Arbeit wurde zur Durchfuhrung der Matrizenfaktorisierung und Berechnung der Pseudoinversen die MATLAB® Routine pinv genutzt.The MATLAB ® routine pinv was used to carry out the matrix factorization and to calculate the pseudo inverses.
3.2.3.2 Expectation Minimum Verfahren + Methode der kleinsten nicht negativen Quadrate3.2.3.2 Expectation minimum method + method of least non-negative squares
Eine weitere Möglichkeit der Lösung ergibt sich unter Nutzung eines erstmals von awson und Hanson vorgeschlagenen Verfahrens, welches als Methode der kleinsten Quadrate mit nicht negativer Nebenbedingung (Non Negative Least Squares) bezeichnet wird.A further possibility of the solution results from the use of a method proposed by awson and Hanson for the first time, which is referred to as the method of the least squares with non-negative constraints.
Als Methode der kleinsten Quadrate wird folgendes approximierendes Verfahren bezeichnet. Gegeben sind eine reelle Matrix Amxn mit Rang(A) < min(m,n) und ein reeller Vektor bm. Gesucht ist ein reeller Vektor x„, der die Euklidische Norm |Ax - b| minimiert.The following approximate method is called the least squares method. Given a real matrix A mxn with rank (A) <min (m, n) and a real vector b m . We are looking for a real vector x „which meets the Euclidean norm | Ax - b | minimized.
Das Gleichheitszeichen des Problems Ax = b wird durch eine Approximation ersetzt Ax s b. Die Genauigkeit der Approximation wird durch die Euklidische Norm |Ax - b| bestimmt. Als zusätzliche Nebenbedingung kann Ax > h eingeführt werden. Im Fall des NNLS-Verfahrens wird als Nebenbedingung x ≥ 0 gewählt.The equals sign of the problem Ax = b is replaced by an approximation Ax s b. The accuracy of the approximation is determined by the Euclidean norm | Ax - b | certainly. As an additional constraint, Ax> h can be introduced. In the case of the NNLS method, x ≥ 0 is selected as a secondary condition.
Die verrauschte Operatorgleichung wird entsprechend dem EM-Schema mit der numerischen Routine NNLS aus MATLAB® gelöst. Die Bildung des Mittel- wertes mehrerer unabhängiger Lösungsversuche führt auf die gesuchte regularisierte Lösung Q.The noisy operator equation is solved according to the EM scheme with the numerical routine NNLS from MATLAB ® . The formation of the middle value of several independent solution attempts leads to the regularized solution Q.
3.2.4 Verfahren der konjugierten Gradienten3.2.4 Conjugate gradient method
Als einziger Vertreter der iterativen Regulationsverfahren findet das von Hestenes und Stiefel vorgeschlagene Verfahren der konjugierten Gradienten (CGM — Conjugate Gradient Method) in dieser Arbeit Anwendung.As the only representative of the iterative regulation method, the conjugate gradient method (CGM - Conjugate Gradient Method) proposed by Hestenes and Stiefel is used in this work.
Ein interessanter Fakt im Zusammenhang mit diskreten inkorrekt gestellten Problemen ist die schnellere Konvergenz der niederfrequenten Anteile in der Lösung gegenüber den höherfrequenten Anteilen /Hansen/. Das CGM Verfahren besitzt also bereits in sich ein stabilisierendes Verhalten. Als Regulationsparameter dient die Anzahl der notwendigen Iterationsschritte. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es die direkte Berechnung von K'1, respektive der entsprechenden Pseudoinversen, umgeht und statt dessen das Produkt KTK berechnet. Inwieweit sich dieser Vorteil auf ein stabileres Lösungsverhalten auswirkt, ist problemabhängig und kann nicht a priori eingeschätzt werden.An interesting fact in connection with discrete, incorrectly posed problems is the faster convergence of the low-frequency components in the solution compared to the higher-frequency components / Hansen /. The CGM process therefore already has a stabilizing behavior. The number of iteration steps required serves as the regulation parameter. A major advantage of the method is that it avoids the direct calculation of K '1 or the corresponding pseudo inverses and instead calculates the product K T K. The extent to which this advantage affects a more stable solution behavior depends on the problem and cannot be assessed a priori.
3.3 Methoden zur Wahl des Regulationsparameters3.3 Methods for choosing the regulation parameter
Die in den vorangegangenen Abschnitten vorgestellten mathematischen Verfahren lösen ein gegebenes Problem unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Parameters, dem Regulationsparameter. Er ist verantwortlich für den Grad der Dämpfung der Lösungsoszillationen, aber auch für die Abweichung der approximierten von der tatsächlichen Lösung. Das Regulationsverfahren ist wertlos, wenn keine Methoden zur Bestimmung des optimalen Wertes des Regulationsparameters zur Verfugung stehen. Die Wahl des dämpfenden Parameters ist der kritischste Teil des gesamten Verfahrens.The mathematical methods presented in the previous sections solve a given problem with the help of an additional parameter, the regulation parameter. He is responsible for the degree of damping of the solution oscillations, but also for the deviation of the approximated from the actual solution. The regulation process is worthless if no methods are available for determining the optimal value of the regulation parameter. The choice of damping parameter is the most critical part of the whole process.
In den folgenden Abschnitten werden drei Methoden zur Bestimmung des optimalen Wertes des Regulationsparameters vorgestellt. Es handelt sich dabei um die L-Kurve, die allgemeine Kreuzbewertung und das Quasi-Optimum- Kriterium.The following sections present three methods for determining the optimal value of the regulation parameter. These are around the L-curve, the general cross evaluation and the quasi-optimum criterion.
3.3.1 L-Kurve3.3.1 L curve
Die einfachste und intuitiv zugängliche grafische Hilfe zur Wahl des Regulationsparameters stellt die L-Kurve dar. Sie wurde von Lawson und H nson erstmals genutzt. Die L-Kurve trägt die Norm der regularisierten Lösung |Qreg| gegen die Restnorm |KQre3 — T| für alle Regulationsparameter auf. Sie stellt das Herzstück einer jeden Regulation, die Balance zwischen der Minimierung der Lösungs- und der Restnorm, grafisch dar.The L-curve is the simplest and intuitively accessible graphic help for choosing the regulation parameter. It was first used by Lawson and H nson. The L curve carries the norm of the regularized solution | Qreg | against the residual standard | KQ re3 - T | for all regulation parameters. It graphically represents the heart of every regulation, the balance between minimizing the solution and the residual norm.
Die Kurve hat die charakteristische Form eines L, daher auch die Bezeichnung L-Kurve. Der senkrechte Teil der Kurve beinhaltet Lösungen des Regulationsproblems, die durch den Fehler der Messung, des Experiments oder der Diskretisierung bestimmt werden. Die Norm der Lösungen reagiert empfindlich auf Veränderungen des Regulationsparameters. Der waagerechte Teil der Kurve repräsentiert Lösungen, die durch den Fehler der Regulationsverfahrens bestimmt werden. In diesem Teil der Kurve reagiert die Restnorm empfindlich auf Änderungen des Parameters.The curve has the characteristic shape of an L, hence the name L curve. The vertical part of the curve contains solutions to the regulatory problem, which are determined by the error of the measurement, experiment or discretization. The norm of the solutions is sensitive to changes in the regulation parameter. The horizontal part of the curve represents solutions that are determined by the error of the regulatory process. In this part of the curve, the residual standard is sensitive to changes in the parameter.
Der beste Kompromiss zwischen der zunehmenden Dämpfung der Lösungsoszillationen und dem ansteigenden Fehler befindet sich in der Nähe des Fußpunktes des L-förmigen Plots. Der optimale Regulationsparameter des Problems liegt an dieser Stelle der L-Kurve.The best compromise between the increasing damping of the solution oscillations and the increasing error is near the base of the L-shaped plot. The optimal regulation parameter of the problem lies at this point of the L-curve.
Abschließend sei noch auf eine Besonderheit der L-Kurve im Zusammenhang mit dem Tikhonov-Regulationsverfahren hingewiesen. Es existiert keine Lösung in der durch Lösungs- und Restnorm aufgespannten Ebene, die unterhalb der L- Kurve des Tikhonov- Verfahrens Hegt. Die Lösungen anderer Regulationsverfahren liegen in der Zeichnungsebene auf der Tikhonov-L-Kurve oder oberhalb. Es kann daher bei gegebener Lösungsnorm keine kleinere Restnorm als die des Tikhonov-Regulationverfahrens geben. Vergleiche mit anderer Verfahren sind daher einfach durch den Vergleich der entsprechenden L-Kurven möglich /Hansen/.Finally, a special feature of the L curve in connection with the Tikhonov regulation process should be pointed out. There is no solution in the plane defined by the solution and residual norm, which lies below the L-curve of the Tikhonov method. The solutions of other regulation methods lie in the drawing plane on the Tikhonov-L curve or above. For a given solution standard, there can therefore be no smaller residual standard than that of the Tikhonov regulation method. Comparisons with other methods are therefore possible simply by comparing the corresponding L-curves / Hansen /.
3.3.2 Allgemeine Kreuzbewertung3.3.2 General cross evaluation
Die allgemeine Kreuzbewertung (GCV-Generalized Cross Validation) geht zurück auf Golub. Ihr liegen folgende Überlegungen zugrunde. Ein Element tk des Vektors T wird weggelassen und die regularisierte Lösung Qk(λ) wird gesucht. Stellt der Regulationsparameter λ eine optimale Wahl dar, muss das k- te Element von KQk(λ) « t sein. Das heißt, bei optimaler Wahl von λ wird der AusdruckThe general cross evaluation (GCV-Generalized Cross Validation) goes back to Golub. It is based on the following considerations. An element t k of the vector T is omitted and the regularized solution Q k (λ) is sought. If the regulation parameter λ represents an optimal choice, the kth element of KQ must be k (λ) «t. This means that if λ is optimally selected, the expression becomes
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minimal. Diese Bedingung wird auch als Methode der einfachen Kreuzbewertung bezeichnet. Die allgemeine Kreuzbewertung nutzt eine drehungsinvariante Form dieses Ausdruckes. Damit ergeben sich zwei Argumentationen für die Wahl des Regulationsparameters. • Das Fehlen eines Elements des Datenvektors muss bei optimaler Wahl des Regulationsparameters in der Lösung berücksichtigt werden.minimal. This condition is also called the simple cross-rating method. The general cross evaluation uses a rotation invariant form of this expression. This results in two arguments for the choice of the regulation parameter. • The absence of an element of the data vector must be taken into account in the solution when the regulation parameter is optimally selected.
• Weiterhin muss die Wahl des Regulationsparameters unabhängig von orthogonalen Transformationen von T sein /Hansen/.• Furthermore, the choice of the regulation parameter must be independent of orthogonal transformations from T / Hansen /.
Das führt auf eine Funktion G, in deren Minimum der optimale Regulationsparameter zu finden ist.This leads to a function G, in the minimum of which the optimal regulation parameter can be found.
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Em Einheitsmatrix der Dimension mxmE m standard matrix of dimension mxm
K' bezeichnet die Matrix, die die regularisierte Lösung erzeugt, d.h. Q„„ = K*T.K 'denotes the matrix that produces the regularized solution, i.e. Q "" = K * T.
3.3.3 Quasi-Optimum-Kriterium3.3.3 Quasi-optimal criterion
Das Quasi-Optimum-Kriterium geht davon aus, dass die Lösung beim optimalen Wert des Regulationsparameters eine geglättete Funktion darstellt. Daher sind die relativen Änderungen der Lösung mit dem Regulationsparameter nur gering. Die mathematische Umsetzung dieser Überlegung kommt in der QuasiOptimum-Funktion (3.10) zum Ausdruck.The quasi-optimum criterion assumes that the solution represents a smoothed function at the optimal value of the regulation parameter. Therefore, the relative changes in the solution with the regulation parameter are only slight. The mathematical implementation of this consideration is expressed in the QuasiOptimum function (3.10).
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Qλ Lösung des Regulationsproblems mit Regulationsparameter λQλ solution of the regulation problem with regulation parameter λ
Der optimale Wert des Regulationsparameters λ befindet sich im Minimum der Funktion 0(λ). Diese Herangehensweise findet ebenso wie die vorangegangenen Methoden eine gute Balance zwischen den Fehlern experimenteller Natur und der eingeführten Dämpfung durch das Regulationsverfahren /Hansen/. Streng genommen ist die Quasi-Optimum-Funktion nur für kontinuierliche Abhängigkeiten der Lösung vom Regulationsparameter definiert. Für diskrete Werte des Regulationsparameters wird die infinitesimale Differenz d durch die endliche Differenz Δ ersetzt. 3.4 Vergleich der Regulationsverfahren durch numerische TestrechnungenThe optimal value of the regulation parameter λ is in the minimum of the function 0 (λ). Like the previous methods, this approach strikes a good balance between errors of an experimental nature and the damping introduced by the regulation process / Hansen /. Strictly speaking, the quasi-optimal function is only defined for continuous dependencies of the solution on the regulation parameter. For discrete values of the regulation parameter, the infinitesimal difference d is replaced by the finite difference Δ. 3.4 Comparison of regulatory procedures using numerical test calculations
Die vorgestellten Regulationsverfahren sind bekannte Verfahren der numerischen Mathematik. Ihre mathematischen Eigenschaften wurden eingehend untersucht. Die Bewertung der relativen Stärken und Schwächen der Verfahren in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ortsabhängigkeiten des Absorptionskoeffizienten unter simulierten experimentellen Bedingungen ist bisher noch nicht vorgenommen worden. Die Einschätzung des Leistungsvermögens der unterschiedlichen Regulationsverfahren ist anhand von Modellabsorptionsprofilen durchzuführen. Diese Profile müssen die Grenzfalle möglicher Ortsabhängigkeiten des optischen Absorptionskoeffizienten enthalten, um die wesentlichen Eigenschaften der Verfahren erkennen zu lassen. Aus diesem Grunde wurden die in Abbildung 3.8 dargestellten räumlichen Verteilungen des optischen Absorptionskoeffizienten ausgewählt.The presented regulation methods are known methods of numerical mathematics. Their mathematical properties have been examined in detail. The relative strengths and weaknesses of the methods as a function of different spatial dependencies of the absorption coefficient under simulated experimental conditions have not yet been assessed. The assessment of the performance of the different regulatory procedures is to be carried out using model absorption profiles. These profiles must contain the limit trap of possible spatial dependencies of the optical absorption coefficient in order to reveal the essential properties of the method. For this reason, the spatial distributions of the optical absorption coefficient shown in Figure 3.8 were selected.
Eine wesentliche Motivation der vorliegenden Arbeit ist die Schaffung einer Möglichkeit zur zerstörungsfreien Untersuchung der räumlichen Konzentrationsverteilung äußerlich angewandter Substanzen in der menschlichen Haut. Die Diffusion applizierter Substanzen führt im allgemeinen Fall auf eine exponentiell mit der Tiefe abnehmende Konzentration der Substanz. Aus diesem Grund wurden die beiden exponentiellen Abhängigkeiten des Absorptionskoeffizienten zu Testrechnungen ausgewählt. Sie unterscheiden sich durch ein lokales Maximum, welches durch eine eventuell in der Probe vorhandene Diffusionsbarriere hervorgerufen werden kann. Der monoton steigende und fallende Absorptionskoeffizient wurde als Grenzfall der Diffusionsvorgänge ebenfalls in das Ensemble der Testprofile aufgenommen. An essential motivation of the present work is the creation of a possibility for the non-destructive investigation of the spatial concentration distribution of externally applied substances in the human skin. The diffusion of applied substances generally leads to a concentration of the substance that decreases exponentially with depth. For this reason, the two exponential dependencies of the absorption coefficient on test calculations were selected. They differ by a local maximum, which can be caused by a diffusion barrier that may be present in the sample. The monotonically increasing and decreasing absorption coefficient was also included in the ensemble of the test profiles as a limit case of the diffusion processes.
Die räumliche Abhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten in Form einer Stufe und einer Deltafunktion wurden gewählt, da sie Aufschluss über die Fähigkeit der Regulationsverfahren geben, große Konzentrationsgradienten aufzulösen.The spatial dependency of the optical absorption coefficient in the form of a step and a delta function was chosen because they provide information about the ability of the regulatory process to resolve large concentration gradients.
Ausgehend von den verschiedenen räumlichen Absorptionsprofilen wurden die zeitlichen Temperaturverläufe an der Probenoberfläche nach gepulster Lichtanregung unter Nutzung von Gleichung (2.44) berechnet. Die Temperaturdaten wurden anschließend verschieden stark verrauscht, um Daten eines Experimentes zu simulieren. Dazu wurde Vorschrift (3.11) wurde verwendet. tk =tk +rv*max(T) (3.li>Based on the different spatial absorption profiles, the temperature curves over time at the sample surface after pulsed light excitation were calculated using equation (2.44). The temperature data were then subjected to different levels of noise in order to simulate data from an experiment. Rule (3.11) was used for this. t k = t k + rv * max (T) (3.li>
T = (_, ,t2 , 4) exakte berechnete Temperatur,T = (_,, t 2 , 4 ) exact calculated temperature,
T = (f ,t2,.it) verrauschte Temperatur, rv Zufallsvariable einer Normalverteilung max() Maximalwert des Temperaturvektors.T = (f, t 2 , .i t ) noisy temperature, rv random variable of a normal distribution max () maximum value of the temperature vector.
Die Varianz der Normalverteilung wurde in Schritten zwischen 0,001 und 0,3 variiert, um experimentelle Situationen mit unterschiedlichem Signal/Rausch- Verhältnis zu simulieren.The variance of the normal distribution was varied in steps between 0.001 and 0.3 to simulate experimental situations with different signal / noise ratios.
Aus den so gewonnenen simulierten experimentellen Temperaturdaten wurde die räumliche Verteilung des optischen Absorptionskoeffizienten mit Hilfe der vier Regulationsverfahren Tikhonov, EM SVD, EM NNLS und CGM berechnet. Die Regulationsverfahren wurden unter MATLAB® in Form von Anwenderprogrammen erstellt.The spatial distribution of the optical absorption coefficient was calculated from the thus obtained simulated experimental temperature data using the four regulation methods Tikhonov, EM SVD, EM NNLS and CGM. The regulation procedures were created under MATLAB ® in the form of user programs.
Für die Berechnung wurden die in nachfolgender Tabelle zusammengefassten Parameter verwendet.The parameters summarized in the table below were used for the calculation.
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Für jede Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten vom Ort und jedes Signal Rausch- Verhältnis wurde bei den vier getesteten Regulationsverfahren der optimale Regulationsparameter mittels visueller Inspektion der L-Kurve, allgemeiner Kreuzbewertung und Quasi-Optimum-Kriterium durchgeführt. Die sich aus dieser Vielfalt ergebenden Kombinationen summieren sich zu fast SOO verschiedenen Lösungen mit eigenen Rest- und Lösungsnormen. Aufgrund der Datenfülle erscheint es wenig sinnvoll, alle Ergebnisse der numerischen Testrechnungen im Detail zu präsentieren. Es werden daher nur die Eigenschaften einiger repräsentativer Beispiele herausgegriffen und näher betrachtet. Die nicht explizit gezeigten Ergebnisse werden in verbalen Einschätzungen in Relation zu den gezeigten Beispielen bewertet.For each dependency of the absorption coefficient on the location and each signal-to-noise ratio, the optimal regulation parameter was carried out in the four tested regulation methods by means of visual inspection of the L-curve, general cross evaluation and quasi-optimal criterion. The combinations resulting from this diversity add up to almost SOO different solutions with their own residual and solution standards. Due to the large amount of data, it makes little sense to present all results of the numerical test calculations in detail. Therefore, only the properties of some representative examples are selected and examined in more detail. They don't results shown explicitly are evaluated in verbal assessments in relation to the examples shown.
Zunächst wird der Einfluss des Verfahrens der Wahl des Regulationsparameters auf die regularisierte Lösung diskutiert. Anschließend werden einige Besonderheiten des EM-Regulationverfahrens gegenüber dem Tikhonov- und CGM- Verfahren hervorgehoben. Abschließend erfolgt ein Vergleich der berechneten Profile bei ausgewählten Werten des Signal/Rausch-Verhältnisses.First, the influence of the method of choosing the regulatory parameter on the regularized solution is discussed. Afterwards, some special features of the EM regulation process are emphasized compared to the Tikhonov and CGM processes. Finally, the calculated profiles are compared for selected values of the signal / noise ratio.
3.4.1 Einfluss der Methoden zur Wahl des Regulationsparameters auf die Lösung3.4.1 Influence of the methods for the choice of the regulation parameter on the solution
Im Rahmen der numerischen Tests wurde der Regulationsparameter mittels visueller Inspektion der L-Kurve, mittels allgemeiner Kreuzbewertung und unter Nutzung des Quasi-Optimum-Kriteriurns bestimmt. Jede der drei Methoden versucht, einen ausgewogenen Kompromiss zwischen den experimentell bedingten Fehlern und dem Fehler, der durch das Regulationsverfahren eingeführt wird, zu finden. Dazu werden verschiedene Strategien benutzt, die bereits unter Punkt 3.3 beschrieben wurden. Es ist deshalb anzunehmen, dass sich die gefundenen optimalen Regulationsparameter unterscheiden. Im folgenden wird anhand der vorgestellten Testabsoφtionsprofile der Einfluss des Verfahrens zur Bestimmung des optimalen Regulationsparameters auf dessen Wert und den relativen Fehler der Lösung bewertet.In the context of the numerical tests, the regulation parameter was determined by visual inspection of the L-curve, by means of a general cross evaluation and using the quasi-optimum criterion. Each of the three methods tries to strike a balance between the experimental error and the error introduced by the regulatory process. Various strategies are used for this, which have already been described under point 3.3. It can therefore be assumed that the optimal regulation parameters found differ. In the following, the influence of the method for determining the optimal regulation parameter on its value and the relative error of the solution is evaluated on the basis of the presented test absorption profiles.
Als Besonderheit ist das direkte CGM- Verfahren zu erwähnen, bei dem die Wahl des Regulationsparameters (Iterationsschritte) nur durch das grafische Hilfsmittel L-Kurve möglich war.A special feature is the direct CGM method, in which the selection of the regulation parameter (iteration steps) was only possible using the graphic aid L-curve.
3.4.1.1 L-Kurve3.4.1.1 L curve
Die visuelle Inspektion der L-Kurve sucht den optimalen Wert des Regulationsparameters in der Nähe des Fußpunktes des L-förmigen Plots. Dazu wird für jedes Absorptionsprofil und jedes Regulationsverfahren die Lösungsnorm gegenüber der Restnorm dargestellt. Es zeigt sich, dass mit steigendem Rauschen in den simulierten experimentellen Temperaturdaten die Form des L sich zu einem stumpfem Winkel wandelt. Die Abbildung 3.9 illustriert dieses Verhalten.The visual inspection of the L-curve searches for the optimal value of the regulation parameter near the base of the L-shaped plot. For this purpose, the solution standard is presented for each absorption profile and each regulatory procedure compared to the residual standard. It can be seen that with increasing noise in the simulated experimental temperature data, the shape of the L changes to an obtuse angle. Figure 3.9 illustrates this behavior.
Besonders stark ausgeprägt ist die beschriebene Veränderung der L-Kurve beim EM NNLS- und CGM-Verfahren. Die beiden anderen Regulationsverfahren zeigen eine ähnliche, jedoch deutlich schwächer ausgeprägte Tendenz. Die Ortsabhängigkeit des Absorptionsprofils hatte keinen Einfluss auf die Form der L-Kurve.The change in the L curve described is particularly pronounced in the EM NNLS and CGM method. The other two regulatory procedures show a similar, but significantly weaker tendency. The location dependence of the absorption profile had no influence on the shape of the L curve.
Das Abknicken des waagerechten Teils der L-Kurve ist auf den steigenden Einfluss des experimentell bedingten Fehlers in den Lösungen der Operatorgleichung zurückzufuhren. Das Regulationsverfahren kann diese Fehler nicht mehr wirkungsvoll eliminieren. Es zeigte sich, dass das EM NNLS-Verfahren schon bei kleineren experimentellen Fehlern an die Grenzen der sinnvollen Berechnung stößt, als die übrigen Regulationsverfahren.The kinking of the horizontal part of the L curve is due to the increasing influence of the experimentally induced error in the solutions of the operator equation. The regulatory process can no longer effectively eliminate these errors. It was shown that the EM NNLS method Even with small experimental errors, the limits of meaningful calculation reach the limits of the other regulation methods.
Die Veränderung des L-förmigen Plots mit ausgeprägtem Knick zu einem gerundeten Winkel fuhrt zu größeren Unsicherheiten bei der visuellen Wahl des Regulationsparameters. In den numerischen Tests wurde stets der in Abbildung 3.10 beispielhaft bezeichnete Punkt als optimaler Wert angenommen.Changing the L-shaped plot with a pronounced kink to a rounded angle leads to greater uncertainties in the visual choice of the regulation parameter. In the numerical tests, the point given as an example in Figure 3.10 was always assumed to be the optimal value.
Der so ermittelte Regulationsparameter war für fast alle möglichen Kombinationen aus Absorptionsprofil, Rauschen und Regulationsverfahren kleiner oder gleich dem Wert, der mittels verallgemeinerter Kreuzbewertung gefunden wurde. 34.1.2 Allgemeine KreuzbewertungThe regulation parameter determined in this way was less than or equal to the value found by means of a generalized cross-evaluation for almost all possible combinations of absorption profile, noise and regulation method. 34.1.2 General cross evaluation
Die allgemeine Kreuzbewertung (Generalized Cross Validation) prüft durch Weglassen eines einzelnen Temperaturmesswertes die Güte des gewählten Regulationsparameters. Im Minimum der GCV-Funktion ist der berechnete Temperaturwert eine gute Approximation des in den Temperaturdaten nicht berücksichtigten Wertes. Abbildung 3.11 zeigt den typischen Verlauf der GCV-Funktion am Beispiel des linear steigenden Rampenprofils, dessen Temperaturdaten mit 3 % verrauscht wurden.The generalized cross validation checks the quality of the selected regulation parameter by omitting a single temperature measurement. In the minimum of the GCV function, the calculated temperature value is a good approximation of the value not considered in the temperature data. Figure 3.11 shows the typical course of the GCV function using the example of the linearly increasing ramp profile, the temperature data of which was noisy with 3%.
Die Vergrößerung der GCV-Funktion in Abbildung 3.11 illustriert ein Problem, welches bei der Nutzung der verallgemeinerten Kreuzbewertung auftritt Nicht immer ist das absolute Minimum der Funktion gleichbedeutend mit der optimalen Wahl des Regulationsparameters. Man erkennt, dass es wenigstens noch ein weiteres Minimum bei λ = 10"6 gibt. Es ist daher vorteilhafter, nach einem lokalen Minimum zu suchen.Das Beispiel aus Abbildung 3.11 zeigt, dass auch bei Nutzung der GCV-Funktion eine visuelle Übeφrüfung des Regulationsparameters notwendig ist.The enlargement of the GCV function in Figure 3.11 illustrates a problem that occurs when using the generalized cross-evaluation. The absolute minimum of the function is not always synonymous with the optimal choice of the regulation parameter. It can be seen that there is at least one further minimum at λ = 10 "6. It is therefore more advantageous to search for a local minimum. The example from Figure 3.11 shows that A visual check of the regulation parameter is also necessary when using the GCV function.
3.4.1.3 Quasi-Optimum-Kriterium3.4.1.3 Quasi-optimal criterion
Die Quasi-Optimum-Funktion beschreibt die Änderungen der Lösungsnorm relativ zu den Änderungen des Regulationsparameters. Der optimale Wert des Regulationsparameters findet sich im Minimum der Funktion (3.10). Abbildung 3.12 zeigt beispielhaft den Verlauf einer solchen Funktion.The quasi-optimum function describes the changes in the solution standard relative to the changes in the regulation parameter. The optimum value of the regulation parameter can be found in the minimum of the function (3.10). Figure 3.12 shows an example of the course of such a function.
Das absolute Minimum der Quasi-Optimum-Funktion entsprach in allen untersuchten Fällen einem Regulationsparameter, der dem Optimum nahe kommt. Der Absolutwert des Regulationsparameters gefunden mittels Quasi-Optimum- Funktion war der größte für alle getesteten Absoφtionsprofile und Regulationsverfahren. Die Lösungen erschienen stark geglättet. 3.4.1.4 Vergleich der Verfahren zur Bestimmung des RegulationsparametersThe absolute minimum of the quasi-optimum function corresponded to a regulation parameter in all cases examined that comes close to the optimum. The absolute value of the regulation parameter found using the quasi-optimum function was the largest for all tested absorption profiles and regulation processes. The solutions appeared to be very smooth. 3.4.1.4 Comparison of the procedures for determining the regulation parameter
In rast allen untersuchten Kombinationen aus Absorptionsprofil, Regulationsverfahren und Signal/Rausch- Verhältnis wird der jeweils größte We t des Regulationsparameters durch das Quasi-Optimum-Kriterium ermittelt. Die Abbildungen 3.13 und 3.14 illustrieren diesen Sachverhalt am Beispiel eines Stufenabsorptionsprofils, rekonstruiert mittels Tikhonov und EM NNLS.The largest value of the regulation parameter is determined by the quasi-optimal criterion in all examined combinations of absorption profile, regulation method and signal / noise ratio. Figures 3.13 and 3.14 illustrate this situation using the example of a step absorption profile, reconstructed using Tikhonov and EM NNLS.
Die allgemein erkennbare Tendenz eines mit sinkendem Signal/Rausch- Verhältnis ansteigenden Regulationsparameters erklärt sich aus der Zunahme der Messfehler im Signal und dem damit notwendigen höheren Grad der Regulation für die Lösung.The generally recognizable tendency of a regulation parameter increasing with a decreasing signal-to-noise ratio can be explained by the increase in measurement errors in the signal and the higher degree of regulation required for the solution.
Vom allgemeinen Verhalten der drei Verfahren fällt lediglich der am stärksten verrauschte Wert etwas aus dem Rahmen. Die simulierte Messkurve ist in diesem Fall jedoch so stark verrauscht, dass es ohne Wissen des tatsächlichen Verlaufes unmöglich ist, visuell Informationen aus der Messung abzuleiten. Of the general behavior of the three methods, only the most noisy value is somewhat out of the ordinary. In this case, however, the simulated measurement curve is so noisy that it is impossible to visually derive information from the measurement without knowing the actual course.
Die regularisierten Lösungen, die mittels visueller Inspektion der L-Kurve gewonnen wurden, haben die kleinste Restnorm. Sie sind also vom Standpunkt des Fehlers genau, besitzen andererseits jedoch die jeweils größte Lösungsnorm. Dieses Verhalten erweist sich als vorteilhaft für Absorptionsprofile, die starke Diskontinuitäten, wie zum Beispiel das Stufenprofil, aufweisen.The regularized solutions, which were obtained by visual inspection of the L-curve, have the smallest residual standard. So they are accurate from the point of view of the error, but on the other hand they have the greatest solution standard. This behavior proves to be advantageous for absorption profiles that have strong discontinuities, such as the step profile.
Das Quasi-Optimum-Kriterium wählt Lösungen, die sich durch die kleinste Lösungsnorm auszeichnen. Sie erscheinen im Vergleich zu den Lösungen, die das L-Kurven Kriterium liefert, geglättet. Dieses Verhalten geht zu Lasten der Restnorm. Sie nimmt bei Verwendung des Quasi-Optimum-Kriteriums die höchsten Werte an. Das Regulationsverfahren ist daher gut für die Berechnung sich langsam und stetig ändernder Absorptionsprofile geeignetThe quasi-optimum criterion selects solutions that are characterized by the smallest solution standard. They appear smooth compared to the solutions provided by the L-curve criterion. This behavior is at the expense of the residual standard. It takes the highest values when using the quasi-optimal criterion. The regulation method is therefore well suited for the calculation of slowly and constantly changing absorption profiles
Die allgemeine Kreuzbewertung markiert die Mitte und kann für Absorptionsprofile mit und ohne Diskontinuitäten gleichermaßen verwendet werden.The general cross rating marks the middle and can be used equally for absorption profiles with and without discontinuities.
Die skizzierten Eigenschaften der Auswahlverfahren für den optimalen Wert des Regulationsparameters sind nur als Tendenz zu verstehen. Im Einzelfall ist es immer besser, mehrere Verfahren parallel anzuwenden und das Ergebnis visuell einzuschätzen. Im folgenden wurde daher stets das Auswahlverfahren genutzt, welches sich durch einen minimalen relativen Fehler der Lösung auszeichnet. Als relativer Fehler wird IQ"* -Ql definiert. Qrθk bezeichnet die mittels Regulationsverfahren gefundene Bbsung, Q das Orginal.The outlined properties of the selection process for the optimal value of the regulation parameter are only to be understood as a tendency. In individual cases it is always better to use several procedures in parallel and to visually assess the result. In the following, the selection process was therefore always used which is characterized by a minimal relative error of the solution. I Q "* - Q l is defined as a relative error. Q rθk denotes the solution found by means of a regulation process, Q the original.
3.4.2 Besonderheiten des EM-Regulationsverfahrens3.4.2 Special features of the EM regulation procedure
Die mittels EM-Regulationsverfahren gefundene Lösung der Operatorgleichung (3.48) ergibt sich als Mittelwert sich zufällig ändernder Lösungen der individuell verrauschten Operatorgleichungen. Es existiert daher eine Abhängigkeit der Rest- und Lösungsnorm von der Anzahl der Wiederholungen der Lösungsversuche. Im Rahmen der Arbeit wurde stets, sofern nicht explizit daraufhingewiesen, mit 150 Wiederholungen gearbeitet. Die sich bei gegebener Restnorm ergebenden Lösungsnormen sind vergleichbar mit denen aus den nicht statistischen Regulationsverfahren. Die zugehörigen Lösungen erscheinen jedoch ungenauer, da sie prinzipbedingt statistische Schwankungen aufweisen. Aufgrund der Normdefinition kann eine statistische Schwankung mit räumlich kurzer Periode um den richtigen Wert dieselbe Lösungsnorm besitzen, wie eine geglättete Lösung. Durch Erhöhung der Anzahl der Mittelungen lässt sich dieses Verhalten drastisch reduzieren. Allerdings steigt dann auch die benötigte Rechenzeit extrem an. Die komplette Berechnung der Lösung mit 50 verschiedenen Werten des Regulationsparameters mittels EM NNLS-Verfahren und 300 Wiederholungen benötigen auf einem PC PI 233 MHz immerhin 1,5 h.The solution to the operator equation (3.48) found using the EM regulation method is the average of solutions of the individually noisy operator equations that change randomly. There is therefore a dependency of the residual and solution standard on the number of repetitions of the solution attempts. Unless explicitly stated otherwise, 150 repetitions were used in the work. The solution standards that result for a given residual standard are comparable with those from the non-statistical regulatory procedures. However, the associated solutions appear to be less precise, since they show statistical fluctuations due to the principle. Due to the definition of the norm, a statistical fluctuation with a spatially short period around the correct value can have the same solution norm as a smoothed solution. This behavior can be drastically reduced by increasing the number of averages. However, the computing time required then increases extremely. The complete calculation of the solution with 50 different values of the regulation parameter using the EM NNLS method and 300 repetitions takes 1.5 hours on a PC PI 233 MHz.
Am Beispiel eines Stufenabsorptionsprofils soll das Verhalten der Lösung in Abhängigkeit von der Zahl der Wiederholungen im EM-Lösungsverfahren demonstriert werden. Das dimensionslose Signal/Rausch- Verhältnis der simulierten experimentellen Daten betrug 204. Die Rekonstruktion wurde mittels EM SVD-Verfahren durchgeführt. Abbüdung 3.15 stellt die Rest- und Lösungsnorm des Ergebnisses in Abhängigkeit von der Zahl der durchgeführten Mittelungen dar. Using the example of a step absorption profile, the behavior of the solution depending on the number of repetitions in the EM solution process is to be demonstrated. The dimensionless signal / noise ratio of the simulated experimental data was 204. The reconstruction was carried out using the EM SVD method. Figure 3.15 represents the residual and solution norm of the result depending on the number of averages carried out.
Bereits nach wenigen Wiederholungen nähert sich die Restnorm ihrem Endwert an. Die ausschließliche Betrachtung dieser Norm sagt nur wenig über die Güte der Lösung des Regulationsverfahrens aus. Die Lösungsnorm muss ebenfalls in die Betrachtungen einbezogen werden. Sie fällt kontinuierlich mit der Anzahl der Mittelungen. Nach ca. 100 Lösungsversuchen hat sich ihr Wert bis auf eine Differenz von 0.25% dem Endwert angenähert. Der Fehler durch die Beschränkung auf 150 Wiederholungen für die statistischen Regulationsverfahren im Rahmen der Arbeit ist daher vernachlässigbar.After just a few repetitions, the residual standard approaches its final value. The exclusive consideration of this standard says little about the quality of the solution of the regulation process. The solution standard must also be included in the considerations. It falls continuously with the number of averages. After approx. 100 solution attempts, their value approximated the final value with a difference of 0.25%. The error due to the limitation of 150 repetitions for the statistical regulatory procedures in the context of the work is therefore negligible.
Abbildung 3.16 stellt die mit verschieden großer Zahl von Wiederholungen berechneten Lösungen des EM SVD- Verfahrens im Vergleich zur Lösung des Tikhonov-Verfahrens dar. Die mittels EM-Regulationsverfahren gewonnene Lösung erscheinen mit steigender Anzahl von Lösungsversuchen stärker geglättet Sie unterscheiden sich bei einer genügend großen Anzahl von Lösungsversuchen nur noch gering von den Ergebnissen des Tikhonov- Verfahrens. Bei genauer Betrachtung der Abbildung 3.16 ist ein geringeres Überschwingen der EM-Lösung im Bereich von 0 - 20 μm erkennbar. Die Unterschiede der beiden Lösungen in tieferen Bereichen der Probe sind vernachlässigbar. Ein Vergleich der Abbildungen 3.15 und 3.16 zeigt, daß die Verringerung der Lösungsnorm gleichbedeutend mit der Glättung der regularisierten Lösung istFigure 3.16 shows the solutions of the EM SVD method calculated with a different number of repetitions compared to the solution of the Tikhonov method. The solution obtained by means of the EM regulation method appears more smoothed with increasing number of solution attempts. They differ with a sufficiently large number of attempts to solve only a small amount of the results of the Tikhonov method. A closer look at Figure 3.16 reveals a slight overshoot of the EM solution in the range of 0 - 20 μm. The differences between the two solutions are in deeper areas of the sample negligible. A comparison of Figures 3.15 and 3.16 shows that the reduction in the solution standard is equivalent to the smoothing of the regularized solution
Es bleibt festzustellen, dass das EM- Verfahren das Stufenprofil mit geringerem Überschwingen in der Umgebung der Sprungstelle berechnet und somit eine genauere Rekonstruktion liefert, als das Tikhonov -Verfahren. Diese Eigenschaft der EM- Verfahren wird auch noch bei anderen Absorptionsprofilen mit Unstetigkeitsstellen auffallen. 3.4.3 Ergebnisse der Regulationsverfahren mit unterschiedlichen TestprofilenIt remains to be seen that the EM method calculates the step profile with less overshoot in the vicinity of the jump point and thus provides a more accurate reconstruction than the Tikhonov method. This property of the EM process will also be noticed in other absorption profiles with discontinuities. 3.4.3 Results of the regulatory procedures with different test profiles
Die Absorptionsprofile sind zur besseren Auswertung und Darstellung der Ergebnisse in zwei Klassen unterteilt worden. In der Klasse der sich langsam stetig ändernden Absorptionsprofile finden sich die linear fallende und steigende Funktion des Ortes sowie die beiden exponentiell fallenden Profile. In die Klasse der sich schnell und unstetig ändernden Profile wurden das Deltaprofil sowie die aufsteigende und fallende Stufe aufgenommen. Die Absorptionsprofile wurden zusammengefasst, da sie ähnliche Anforderungen an die Regulationsverrahren hinsichtlich der Auflösung von hohen Ortsfrequenzen in der Lösung stellen. Zum Vergleich der Regulationsverfahren wurde jeweils die der Regulationsparameter mit dem jeweils kleinsten relativen Fehler der Lösung verwendetThe absorption profiles have been divided into two classes for better evaluation and presentation of the results. In the class of slowly changing absorption profiles, there is the linearly falling and increasing function of the location as well as the two exponentially falling profiles. The delta profile, as well as the ascending and descending stages, have been included in the class of rapidly and continuously changing profiles. The absorption profiles were summarized because they place similar demands on the regulatory process with regard to the resolution of high spatial frequencies in the solution. To compare the regulation procedures, the regulation parameters with the smallest relative error of the solution were used
3.4.3.1 Räumlich stetige Absorptionsprofile3.4.3.1 Spatially continuous absorption profiles
Die Diffusion von Chromophoren in ein biologisches Gewebe fuhrt in den meisten Fällen auf sich räumlich stetig und kontinuierlich ändernde Konzentrationsverläufe. Das Lösungsverhalten der Regulationsverfahren bei Berechnung der untersuchten stetigen Absorptionsprofile gibt daher Aufschluss über die Eignung der mathematischen Verfahren für die Anwendung auf medizinische und biologische Fragestellungen.In most cases, the diffusion of chromophores into a biological tissue leads to spatially constantly and continuously changing concentration profiles. The solution behavior of the regulatory procedures when calculating the examined continuous absorption profiles therefore provides information about the suitability of the mathematical procedures for application to medical and biological questions.
Jedes der vier getesteten Regulationsverfahren ist prinzipiell in der Lage, die sich langsam und stetig räumlich ändernden Verläufe des optischen Absorptionskoeffizienten in der Probe zu berechnen. Selbst die mit 30% des Temperaturmaximums stark verrauschten Temperaturdaten führten zu tendenziell korrekten Abhängigkeiten des Absorptionskoeffizienten vom Ort in der Probe. Ein solch extrem großer Meßfehler ist während der durchgeführten experimentellen Untersuchungen nicht aufgetreten.In principle, each of the four tested regulation methods is able to calculate the slowly and steadily spatially changing curves of the optical absorption coefficient in the sample. Even the temperature data, which was very noisy with 30% of the maximum temperature, tended to lead to correct dependencies of the absorption coefficient on the location in the sample. Such an extremely large measurement error did not occur during the experimental investigations.
Der maximale Messfehler, der eine Berechnung des Absorptionsprofils mit einem relativen Fehler kleiner als 15% erlaubt, hängt vom Typ des Absorptionsprofils ab. Er schwankt zwischen 5% und 10% des Temperaturmaximums. Aus den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen lassen sich keine allgemein- gültigen Vorschriften zur Auswahl des passenden Regulationsverfahrens ableiten. Es sind jedoch eindeutige Trends erkennbar. Die Abbildung 3.17 stellt die relativen Fehler . der Lösungen in Abhängigkeit vom verwendeten Regulationsverfahren und vom Rauschen in den Temperaturdaten dar. The maximum measurement error that allows the absorption profile to be calculated with a relative error of less than 15% depends on the type of the absorption profile. It fluctuates between 5% and 10% of the maximum temperature. From the results of the numerical investigations, no general derive applicable regulations for the selection of the appropriate regulatory procedure. However, there are clear trends. Figure 3.17 shows the relative errors. of the solutions depending on the regulation process used and the noise in the temperature data.
Der relative Fehler der Lösungen steigt bei allen Regulationsverfahren mit dem Rauschen in den Messwerten an. Die Regulationsverfahren sind grundsätzlich nicht in der Lage die simulierten Temperaturmessfehler auszugleichen. Die Ergebnisse der einzelnen Verfahren können sich fiir identische Messwerte im Detail stark unterscheiden.The relative error of the solutions increases with all regulation methods with the noise in the measured values. The regulation procedures are generally not able to compensate for the simulated temperature measurement errors. The results of the individual methods can differ greatly in detail for identical measured values.
Die Lösungen des Tikhonov-Regulationsverfahrens besitzen fast ausnahmslos den kleinsten relativen Fehler. Die Ergebnisse des EM SVD- und des EM NNLS-Verfahren wiesen vergleichbar große relative Fehler auf. Die Ursache für die Unterschiede zwischen den Tikhonov-Lösungen und den Lösungen der EM-Verfahren liegt im Wesentlichen in der auf 150 beschränkten Anzahl von Mittelungen der EM- Verfahren. Wie bereits in Abschnitt 3.4.2 gezeigt, ist es möglich, durch Erhöhung der Anzahl der Wiederholungen im EM- Verfahren die Ergebnisse des Tikhonov-Regulationsverfahrens zu erreichen. Die in den Abbildungen 3.18 - 3.25 zusammengestellten Ergebnisse zeigen, dass der grafische Mittelwert, gelegt durch die Stützpunkte der Lösungen der EM-Verfahren, nahezu mit der Tikhonov-Lösung überein- stimmt.Das CGM- Verfahren weicht zum Teil stark vom allgemeinen Trend ab. Das CGM- Verfahren ist ein iteratives Verfahren, bei dem die Anzahl der Iterationsschritte als Regulationsparameter verwendet wird. Da nur ganze Schritte möglich sind, ist nicht für alle Signal/Rausch- Verhältnisse eine optimale Wahl des Regulationsparameters der Lösung möglich. Besonders ausgeprägt zeigt sich dieses Verhalten in Abbildung 3.25. Bei ausgewählten Werten des Rauschens in den Temperaturdaten erreicht das CGM Verfahren jedoch einen relativen Fehler, der kleiner oder gleich dem des Tikhonov-Regulationsverfahrens ist. Das regularisierende Verhalten ist offensichtlich gut. Im vorhegenden Fall müsste es in Richtung einer langsameren Konvergenz überarbeitet werden. Keines der untersuchten Regulationsverfahren konnte das lokale Maximum des exponentiellen Abfalls aus den Abbildungen 3.20 und 3.21 auflösen. Bereits ab einem relativen Rauschanteil von 0.1% im Signal wird das Maximum bis zur Unkenntlichkeit in der Lösung geglättet. Das Tikhonov-Regulationsverfahren berechnet zwar den qualitativ richtigen Verlauf, die Position des Maximums ist jedoch verschoben. Kleinere lokale Maxima und Besonderheiten in der Ortsabhängigkeit des Absorptionkoeffizienten sind im Experiment mit den gewählten Parametern offensichtlich nicht auflösbar.Almost without exception, the solutions of the Tikhonov regulatory procedure have the smallest relative error. The results of the EM SVD and EM NNLS methods showed comparably large relative errors. The reason for the differences between the Tikhonov solutions and the solutions of the EM methods essentially lies in the number of averages of the EM methods limited to 150. As already shown in section 3.4.2, it is possible to achieve the results of the Tikhonov regulation procedure by increasing the number of repetitions in the EM procedure. The results summarized in Figures 3.18 - 3.25 show that the graphical mean, based on the bases of the solutions of the EM methods, is almost identical to the Tikhonov solution. The CGM method differs greatly from the general trend. The CGM method is an iterative method in which the number of iteration steps is used as a regulation parameter. Since only whole steps are possible, an optimal choice of the regulation parameter of the solution is not possible for all signal / noise ratios. This behavior is particularly pronounced in Figure 3.25. However, with selected noise values in the temperature data, the CGM method achieves a relative error that is less than or equal to that of the Tikhonov regulation method. The regularizing behavior is obviously good. In the present case, it would have to be revised towards slower convergence. None of the regulatory procedures examined was able to resolve the local maximum of the exponential drop from Figures 3.20 and 3.21. From a relative noise component of 0.1% in the signal, the maximum is smoothed to the point of being unrecognizable in the solution. The Tikhonov regulation procedure calculates the qualitatively correct course, but the position of the maximum is shifted. Smaller local maxima and peculiarities in the location dependence of the absorption coefficient are obviously not resolvable in the experiment with the selected parameters.
Das Tikhonov-Regulationsverfahren ist f r sich langsam und stetig ändernde räumliche Abhängigkeiten des optischen Absorptionskoeffizienten das geeigneteste Verfahren. Zeigt die Tikhonov-Lösung starke Oszillationen um Null, sollte das EM NNLS-Verfahren angewendet werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die benötigte Rechenzeit. Das CGM- Verfahren ist nicht geeignet, da die Regularisierung durch Iterationen nicht immer eine optimale Anpassung an die gegebene experimentelle Situation erlaubt. Die Regulationsverfahren, die mit einem quasi-kontinuierlichen Regulationsparameter arbeiten, können sich weitaus besser anpassen.The Tikhonov regulation method is the most suitable method for slowly and constantly changing spatial dependencies of the optical absorption coefficient. If the Tikhonov solution shows strong oscillations around zero, the EM NNLS method should be used. The disadvantage of this method is the computing time required. The CGM method is not suitable because the regularization through iterations does not always allow an optimal adaptation to the given experimental situation. The regulation processes that work with a quasi-continuous regulation parameter can adapt much better.
3.4.3.2 Räumlich unstetige Absorptionsprofile3.4.3.2 Spatially inconsistent absorption profiles
Figure imgf000072_0001
Beispiel die Stufenprofile oder das Deltaprofil, stellt hohe Anforderungen an die Regulationsverfahren. Die verwendeten Profile sind künstlicher Natur und treten während der Untersuchung biologischer Materialien kaum auf. Sie sollen vielmehr die Grenzen der Regulationsverfahren aufzeigen, große räumliche Absorptionsgradienten zu berechnen. Keine der getesteten Methoden konnte die räumliche Originalverteilung des optischen Absorptionskoeffizienten wieder exakt berechnen. Bereits die mit 0,1% des Temperaturmaximums verrauschten Daten führten zu einer geglätteten Stufe. Die relativen Fehler der Lösungen sind daher insgesamt größer, als die vergleichbaren Fehler aus Abschnitt 3.4.3.1. Mit ansteigendem Rauschen in den Temperaturdaten wird der relative Fehler der Lösung nur wenig größer. Erst ab einem Messfehler von 30% des Temperatur- maximums beginnt der Fehler der Lösung überproportional stark anzusteigen.
Figure imgf000072_0001
For example, the step profile or the delta profile places high demands on the regulation process. The profiles used are artificial and rarely occur during the investigation of biological materials. Rather, they are intended to show the limits of the regulation process to calculate large spatial absorption gradients. None of the methods tested was able to exactly calculate the original spatial distribution of the optical absorption coefficient. Even the data noisy at 0.1% of the maximum temperature led to a smoothed step. The relative errors of the solutions are therefore larger overall than the comparable errors from section 3.4.3.1. As the noise in the temperature data increases, the relative error of the solution only increases slightly. Only when there is a measurement error of 30% of the maximum temperature does the solution error start to increase disproportionately.
Abbildung 3.26 stellt die relativen Fehler der Lösungen in Abhängigkeit vom Messfehler in den Temperaturdaten dar. Der relative Fehler der Lösungen des EM SVD-, CGM- und Tikhonov-Verfahrens ist für alle untersuchten Profile ähnlich groß, wobei der Einfluß des Meßfehlers gering ist Er ist jedoch deutlich größer als bei der Berechnung sich stetig ändernder Absorptionsprofile. Insbesondere ist das Deltaprofil aus den Lösungen der drei genannten Regulationsverrahren nicht zu erkennen. Das EM NNLS-Verfahren eignet sich gut für die Rekonstruktion unstetiger Absorptionsprofile. Es war selbst in der Lage das Deltaprofil als solches bis zu einem Messfehler von 1% des Temperaturmaximums aufzulösen. Auch die Ergebnisse der Berechnung des Stufenprofils sind ausnahmslos besser als die der anderen Regulationsverfahren. Keines der Verfahren konnte jedoch die Stufenfunktion wieder als Stufe abbilden. Die Regulationsverfahren führten ausnahmslos zu einer Glättung der Stufe. Die räumliche Position des abrupten Abfalls bleibt jedoch bis zu einem Messfehler von 5% des Temperaturmaximums noch erkennbar. Die Abbildungen 3.27- 3.32 zeigen die rekonstruierten Lösungen im Vergleich zum Original. Figure 3.26 shows the relative errors of the solutions as a function of the measurement error in the temperature data. The relative error of the solutions of the EM SVD, CGM and Tikhonov method is similarly large for all examined profiles, the influence of the measurement error being small however, significantly larger than when calculating continuously changing absorption profiles. In particular, the delta profile cannot be recognized from the solutions of the three regulation procedures mentioned. The EM NNLS method is well suited for the reconstruction of discontinuous absorption profiles. It was able to resolve the delta profile as such up to a measurement error of 1% of the maximum temperature. The results of the calculation of the step profile are, without exception, better than those of the other regulation methods. However, none of the methods could reproduce the step function as a step again. The regulatory procedures invariably smoothed the level. However, the spatial position of the abrupt drop remains recognizable up to a measurement error of 5% of the maximum temperature. Figures 3.27-3.32 show the reconstructed solutions compared to the original.
Die mittels EM NNLS gefundene Lösung folgt dem Original der aufsteigenden Stufe am exaktesten. Nicht nur der steile Anstieg wird gut aufgelöst, auch das Überschwingen für Positionen > 30 μm in der Probe ist geringer, als bei den übrigen Methoden.The solution found using EM NNLS most closely follows the original of the ascending level. Not only is the steep rise resolved well, the overshoot for positions> 30 μm in the sample is less than with the other methods.
Die Rekonstruktion der Deltafunktion ist ein Test für die Regulationsverfahren, bis zu welchem Grad diese in der Lage sind räumliche Positionen exakt aufzu¬ lösen. Es zeigt sich, dass die Position des Maximums der regularisierten Lösungen bis zu einem relativen Fehler der Daten von 5 % mit dem Maximum des Originals zusammenfällt Nur das EM NNLS-Verfahren berechnet jedoch die Deltafunktion als solche bis zu einem relativen Fehler von 0,5 % richtig. Alle anderen Verfahren fuhren zu einer Glättung des Deltaprofils. Mit steigendem Rauschen in den Temperaturdaten vergrößern sich die Amplituden der Nebenmaxima in den Lösungen, so dass eine korrekte Bestimmung der Position des Hauptmaximums nicht mehr möglich ist Die Form des Deltaprofils lässt sich ohnehin nur in der EM NNLS-Lösung erkennen. Ohne Kenntnis des Originals weisen die Lösungen der Tikhonov-Regulation, des EM SVD- und CGM- Verfahrens keinen Bezug zu einem deltaformigen Absorptionsprofil auf.The reconstruction of the delta function is to solve a test for the regulation process, the degree to which these are able aufzu spatial positions exactly ¬. It turns out that the position of the maximum of the regularized solutions up to a relative error of the data of 5% coincides with the maximum of the original. However, only the EM NNLS method calculates the delta function as such up to a relative error of 0.5%. right. All other methods lead to a smoothing of the delta profile. With increasing noise in the temperature data, the amplitudes of the secondary maxima in the solutions increase, so that a correct determination of the position of the main maximum is no longer possible. The shape of the delta profile can only be seen in the EM NNLS solution anyway. Without knowing the Originals of the solutions of the Tikhonov regulation, the EM SVD and CGM methods have no relation to a delta-shaped absorption profile.
3.5 Schlussfolgerungen3.5 conclusions
Der Vergleich von vier verschiedenen Regulationsverfahren anhand von Testprofilen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften offenbart die Leistungsfähigkeit und die Grenzen der Regulationsverfahren. Stetige , langsam veränderliche, räumliche Profile des optischen Absorptionskoeffizienten können durch die Verfahren bis zu einem relativen Messfehler von 5 % des Temperaturmaximums sicher rekonstruiert werden. Spezielle kleinere Maxima oder Minima können nicht aufgelöst werden. Einen Ausweg kann hier die Verwendung einer feineren Diskretisierung des Ortsraumes bieten. Allerdings steigt damit auch die zur Rekonstruktion benötigte Rechenzeit deutlich an. Im Fall der EM-Verfahren kann mit einem Pentium® II 230 MHz Prozessor durchaus ein Vz Tag erreicht werden. Alternativ kann mit einer ungleichförmigen Unterteilung gearbeitet werden, die im Bereich der lokalen Besonderheit feiner unterteilt. Allerdings ist für eine solche Vorgehensweise die ungefähre Kenntnis des räumlichen Verlaufes des optischen Absorptionskoeffizienten notwendig.The comparison of four different regulatory procedures based on test profiles with very different properties reveals the performance and the limits of the regulatory procedures. Continuous, slowly changing, spatial profiles of the optical absorption coefficient can be reliably reconstructed by the method up to a relative measurement error of 5% of the maximum temperature. Special smaller maxima or minima cannot be resolved. One way out can be to use a finer discretization of the local area. However, this also significantly increases the computing time required for the reconstruction. In the case of the EM process, a Vz day can be achieved with a Pentium ® II 230 MHz processor. Alternatively, you can work with a non-uniform subdivision, which divides more finely in the area of the local peculiarity. However, an approximate knowledge of the spatial course of the optical absorption coefficient is necessary for such a procedure.
Die Rekonstruktion nicht stetiger Profile des optischen Absorptionskoeffizienten war mit den getesteten Regulationsverfahren nur bedingt möglich. Nur das EM NNLS-Verfahren ist in der Lage, einen deltaförmigen Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten bis zu einem Messfehler von 1 % des Temperaturmaximums sicher zu rekonstruieren.The reconstruction of non-continuous profiles of the optical absorption coefficient was only possible to a limited extent with the tested regulatory procedures. Only the EM NNLS method is able to reliably reconstruct a delta-shaped course of the optical absorption coefficient up to a measurement error of 1% of the maximum temperature.
Die schlechte Eignung der Regulationsverfahren für unstetige Absorptionsprofile ist vor dem Hintergrund der Themenstellung der Arbeit nur von untergeordneter Bedeutung. In biologischen Materialien und Geweben sind solche Änderungen der Absorptionseigenschaften, wie in den verwendeten Testprofilen, nicht zu erwarten.The poor suitability of the regulatory procedures for discontinuous absorption profiles is only of minor importance against the background of the topic of the work. In biological materials and tissues, such changes in the absorption properties as in the test profiles used are not to be expected.
Für die Auswertungen der experimentellen Ergebnisse im Rahmen der Arbeit ist das Tikhonov-Regulationsverfahren oder, bei höheren Genauigkeitsanforderungen, das EM NNLS-Verfahren zu bevorzugen. For the evaluation of the experimental results within the scope of the thesis, the Tikhonov regulation method or, in the case of higher accuracy requirements, the EM NNLS method should be preferred.
Die thermischen Transportparameter der betrachteten Schichten werden im Rahmen des Modells ebenfalls als konstant angenommen.The thermal transport parameters of the layers under consideration are also assumed to be constant in the model.
2.3 Lösung der Wärmeleitungsgleichung für periodisch intensitätsmodulierte Beleuchtung der Probe2.3 Solution of the heat conduction equation for periodically intensity-modulated illumination of the sample
Die theoretische Behandlung des Problems erfordert, ausgehend von den optischen Eigenschaften des Probenmaterials und der daraus resultierenden Kenntnis der absorbierten Energie, die Lösung der Gleichungen für den Wärmetransport in der Probe und im angrenzenden Gas IRosencwaigl.Theoretical treatment of the problem, based on the optical properties of the sample material and the resulting knowledge of the absorbed energy, requires the solution of the equations for heat transport in the sample and in the adjacent gas IRosencwaigl.
Die Beleuchtung soll senkrecht zur Probenoberfläche und homogen erfolgen. Es wird angenommen, dass die beleuchtete Fläche groß genug ist, um radiale Verluste zu vernachlässigen. Das heißt, die Dauer der Beleuchtung soll klein gegen die Zeit sein, die die thermische Welle bis zur Erreichung der Grenze des Lichtflecks auf der Oberfläche benötigt. Damit sind die Voraussetzungen für eine näherungsweise eindimensionale Behandlung des Problems gegeben. Es wi von dem in Abbildung 2.3 skizzierten Modell ausgegangen.Illumination should be perpendicular to the sample surface and homogeneous. It is assumed that the illuminated area is large enough to neglect radial losses. This means that the duration of the lighting should be short compared to the time it takes for the thermal wave to reach the limit of the light spot on the surface. This is the prerequisite for one given approximately one-dimensional treatment of the problem. The model outlined in Figure 2.3 is assumed.
Eine homogene, nicht streuende Probe entsprechend Abbildung 2.3 wird mi intensifätsmoduliertem Licht mit der Modulationsfrequenz ω bestrahlt. Du wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften der Probe beschreibt de] spektrale optische Absorptionskoeffizient ß(λ). Die Lichtintensität der einfal¬ lenden Strahlung sei l(t,λ), wobei nur der Realteil der komplexen Amplitude physikalisch relevant istA homogeneous, non-scattering sample according to Figure 2.3 is irradiated with intensity-modulated light with the modulation frequency ω. The wavelength-dependent absorption properties of the sample describes the spectral optical absorption coefficient ß (λ). The light intensity of einfal ¬ lumbar radiation is l (t, λ), wherein only the real part of the complex amplitude is physically relevant
I(t,λ)=I0(W+ "") <2 1>I (t, λ) = I 0 (W + "") < 2 1 >
I Lichtintensität an der Probenoberfläche in Wm"2 lo Modulationsamplitude in Wm'2 ω Modulationsfrequenz in s"1 t Zeit in s λ Wellenlänge in nmI light intensity on the sample surface in Wm " 2 lo modulation amplitude in Wm '2 ω modulation frequency in s" 1 t time in s λ wavelength in nm
Die Abnahme der Lichtintensität für optisch homogene, nicht streuende Proben senkrecht zur Oberfläche beschreibt das Lambert-Beersche-Gesetz /Bergmann- Schaefert. Der an der Probenoberfläche reflektierte Lichtanteil wird durch den Reflexionskoeffizienten R(λ) berücksichtigt, der im allgemeinen Fall ebenfalls eine Funktion der Wellenlänge ist Die Lichtintensität in der Probe, in Abhängigkeit von z, ist durch (2.2) gegeben. Anhang 3The decrease in light intensity for optically homogeneous, non-scattering samples perpendicular to the surface is described in the Lambert-Beersche law / Bergmann-Schaefert. The proportion of light reflected on the sample surface is taken into account by the reflection coefficient R (λ), which in the general case is also a function of the wavelength. The light intensity in the sample, depending on z, is given by (2.2). Appendix 3
Experimenteller TeilExperimental part
Die experimentellen Arbeiten wurden an einem Laboraufbau durchgefühlt. Ei besaß die notwendigen Freiheitsgrade, um Modifizierungen ohne größeren Auf¬ wand durchführen zu können. Für die Experimente wurden zwei unterschiedliche Konfigurationen verwendet Sie unterscheiden sich hinsichtlich der verwendeten Lichtquelle und der Akquisition der Messsignale. Für die gepulste Anregung wurde ein NdYag-Laser und fiir die periodisch modulierte Anregung eine Xenon-Bogenlampe verwendet. Die Messung der mittels periodisch moduliertem Licht angeregten Druckoszillationen erfolgte mit einem Lock-In- Verstärker. Für die Experimente mit Laseranregung wurde ein digitales. Speicheroszilloskop verwendet Die Messzellen waren in beiden Fällen identisch. Abbildung 4.1 zeigt ein Prinzipschema des verwendeten Messplatzes. The experimental work was carried out on a laboratory setup. Ei had the necessary degrees of freedom to be able to carry out modifications without major effort . Two different configurations were used for the experiments. They differ with regard to the light source used and the acquisition of the measurement signals. An NdYag laser was used for the pulsed excitation and a xenon arc lamp for the periodically modulated excitation. The pressure oscillations excited by means of periodically modulated light were measured with a lock-in amplifier. A digital one was used for the experiments with laser excitation. Storage oscilloscope used The measuring cells were identical in both cases. Figure 4.1 shows a basic diagram of the measuring station used.
Der Wechsel zwischen den beiden Messaufbauten geschieht durch Justierung des Umlenkspiegels #3 im Strahlengang. Die in der Abbildung 4.1 dargestellte zweite photoakustische Messzelle diente als Referenz zum Aufzeichnen der Intensitätsschwankungen der Anregungsstrahlung. Zu diesem Zweck befand sich in der Messkammer der Referenzzelle eine rußgeschwärzte Glasscheibe.The change between the two measurement setups is done by adjusting the deflection mirror # 3 in the beam path. The second photoacoustic measuring cell shown in Figure 4.1 served as a reference for recording the intensity fluctuations of the excitation radiation. For this purpose, a soot-blackened glass pane was located in the measuring chamber of the reference cell.
4.1 Optische und mechanische Komponenten4.1 Optical and mechanical components
4.1.1 Messplatz für periodisch modulierte Anregung4.1.1 Measuring station for periodically modulated excitation
Der Messplatz für die Untersuchung von Proben mittels periodisch modulierter Anregungsstrahlung bestand aus den Komponenten Lichtquelle, Mono- chromator, Chopper, Messzelle mit Mikrofon, Verstärker und Lock-In- Verstärker.The measuring station for the examination of samples using periodically modulated excitation radiation consisted of the components light source, monochromator, chopper, measuring cell with microphone, amplifier and lock-in amplifier.
4.1.1.1 Lichtquelle4.1.1.1 Light source
Eine wesentliche Motivation der Arbeit bestand in der Schaffung einer Möglichkeit zur zerstörungsfreien Bestimmung der Konzentrationstiefenverteilung von Chromophoren in der menschlichen Haut. Die verwendete Lichtquelle müsste demzufolge den Wellenlängenbereich abdecken, in dem die Haut keine oder nur eine geringe Absorption aufweist. Das ist im Bereich vom nahen Ultraviolett (UV, 320 - 400 nm) über das sichtbare Licht (400 - 700 nm) bis hin zu Teilen vom nahen Infrarot (NIR, 700 - 1400 nm) der Fall. Der sichtbare Bereich und das nahe UV sind dabei von besonderem Interesse, da die potentiell zu untersuchenden Chromophore in diesem Spektralbereich intensive elektronische Übergänge aufweisen. Im NIR lassen sich nur die um mehrere Größenordnungen schwächeren Kombinations- und Oberschwingungen der Moleküle anregen.An essential motivation of the work was the creation of a possibility for the non-destructive determination of the concentration depth distribution of chromophores in human skin. The light source used would therefore have to cover the wavelength range in which the skin has little or no absorption. This is the case in the range from near ultraviolet (UV, 320 - 400 nm) through visible light (400 - 700 nm) to parts from near infrared (NIR, 700 - 1400 nm). The visible range and the near UV are of particular interest, since the chromophores to be investigated have intense electronic transitions in this spectral range. In the NIR, only the combination and harmonics of the molecules, which are several orders of magnitude weaker, can be excited.
Als Lichtquelle wurde daher eine 150 W Xenon-Bogenlampe gewählt. Dieser Lampentyp emittiert im interessierenden Spektralbereich ein fast kontinuierliches Spektrum. Die Bogenlampe befand sich in einem Lampenhaus der Fa. ORIEL. Das Licht des Plasmabogens wird durch einen elliptischen Spiegel und einen Kollimator in nahezu paralleles Licht verwandelt. Für die Experimente im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich war das Lampenhaus mit einem Wasserfilter ausgerüstet, der die intensiven Infrarotanteile der Strahlung absorbierte. Das Licht wurde durch eine Plankonvexlinse auf den Eintrittsspalt des Monochromators fokussiert.A 150 W xenon arc lamp was therefore chosen as the light source. This type of lamp emits an almost continuous spectrum in the spectral range of interest. The arc lamp was in a lamp house from ORIEL. The light from the plasma arc is reflected by an elliptical mirror and transforms a collimator into almost parallel light. For the experiments in the ultraviolet and visible spectral range, the lamp house was equipped with a water filter that absorbed the intense infrared components of the radiation. The light was focused on the entrance slit of the monochromator through a plano-convex lens.
4.1.1.2 Monochromator4.1.1.2 Monochromator
Der Monochromator dient zur Zerlegung des polychromatischen Lichtes der Xenon-Bogenlampe in quasi-monochromatisches Licht. Das dispersive Element des Monochromators ist ein Beugungsgitter. Die räumliche Auffächerung des einfallenden polychromatischen Lichtes durch das Gitter wird durch die allgemeine Gittergleichung (4.1) beschrieben /Bergmann-Schaeferl . Der Winkel ß ist positiv, wenn sich der ausfallende Strahl auf der gleichen Seite relativ zur Gitternormalen befindet wie der einfallende Strahl, sonst ist ß negativ.The monochromator is used to split the polychromatic light of the xenon arc lamp into quasi-monochromatic light. The dispersive element of the monochromator is a diffraction grating. The spatial fanning out of the incident polychromatic light through the grating is described by the general grating equation (4.1) / Bergmann-Schaeferl. The angle ß is positive if the incident beam is on the same side relative to the grating normal as the incident beam, otherwise ß is negative.
mλ = g(sin a ± sin ß ) (4- J ) mλ = g (sin a ± sin ß) ( 4 - J)
m Beugungsordnung λ Wellenlänge in nm g Gitterkonstante α Winkel des einfallenden Strahls relativ zur Gitternormalen ß Winkel des ausfallenden Strahls relativ zur Gitternormalenm diffraction order λ wavelength in nm g grating constant α angle of the incident beam relative to the grating standard ß angle of the outgoing beam relative to the grating standard
Einfallendes monochromatisches Licht wird in verschiedene Beugungsordnungen und in unterschiedliche Raumrichtungen gebeugt. Durch Positionierung eines Spaltes an geeigneter Position relativ zum Beugungsgitter lassen sich aus dem Beugungsbild des Gitters Abschnitte quasi-monochromatischen Lichtes herausfiltern. Die spektrale Bandbreite und Intensität des transmittierten Lichtes ist durch die Breite des Spaltes bestimmt Der im Experiment verwendete Monochromator besaß variable Spaltbreiten zwischen 0.05 und 3.16 mm am Eintritt- und Austrittsspalt. Die spektrale Bandbreite des monochromatischen Lichtes variiert in Abhängigkeit vom verwendeten Gitter zwischen 0.5 und 20 nm. In den Experimenten wurden Spaltbreiten zwischen 1.24 und 3.16 mm verwendet Damit konnte ein Kompromiss zwischen ausreichender Lichtintensität und spektraler Reinheit des Lichtes erzielt werden. Die höheren Beugungsordnungen ab 620 nm wurden mit sogenannten Kantenfiltern eliminiert. Die Aufteilung der Lichtintensität in die einzelnen Beugungsordnungen ist beim idealen Beugungsgitter unabhängig von der Wellenlänge. Im Experiment sind deutliche Abweichungen vom Ideal zu beobachten. Zur Beschreibung realer Beugungsgitter wurde die Effizienz des Gitters eingeführt. Sie ist ein Maß für den Anteil des Lichtes, der in die im Monochromator nutzbare erste Ordnung gebeugt wird. Die Effizienz ist eine relative Größe und bezieht sich auf die Gesamtintensität des einfallenden Lichtes. Eine für alle Wellenlängen konstante Effizienz ist in der Realität nicht erreichbar. Sie kann durch die Form und Tiefe der Furchen des Gitters beeinflusst werden. Dieser Vorgang wird in der englischsprachigen Literatur als „blazing" bezeichnet. Ein Gitter mit der Blaze- Wellenlänge 300 nm arbeitet mit der höchsten Effizienz bei 300 nm. Die im experimentellen Aufbau verwendeten Gitter hatten Blazewellenlängen von 250 und 500 nm.Incident monochromatic light is diffracted in different diffraction orders and in different spatial directions. By positioning a slit at a suitable position relative to the diffraction grating, sections of quasi-monochromatic light can be filtered out of the diffraction image of the grating. The spectral bandwidth and intensity of the transmitted light is determined by the width of the slit. The monochromator used in the experiment had variable slit widths between 0.05 and 3.16 mm at the entry and exit slits. The spectral bandwidth of the monochromatic light varies depending on the grating used between 0.5 and 20 nm. In the experiments, slit widths between 1.24 and 3.16 mm were used. A compromise between sufficient light intensity and spectral purity of the light could be achieved. The higher diffraction orders from 620 nm were eliminated with so-called edge filters. The division of the light intensity into the individual diffraction orders is independent of the wavelength in the ideal diffraction grating. Clear deviations from the ideal can be observed in the experiment. The efficiency of the grating was introduced to describe real diffraction gratings. It is a measure of the proportion of light that is diffracted into the first order that can be used in the monochromator. The efficiency is a relative quantity and refers to the total intensity of the incident light. Efficiency that is constant for all wavelengths cannot be achieved in reality. It can be influenced by the shape and depth of the furrows in the grid. This process is referred to in the English literature as "blazing". A grating with the blaze wavelength 300 nm works with the highest efficiency at 300 nm. The grids used in the experimental setup had blaze wavelengths of 250 and 500 nm.
1 Abbildung 4.2 ist die relative Effizienz der beiden verwendeten Beugungsgitter in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Die nutzbaren Wellenlängenbereiche, die sich aus der Mechanik des Monochromators ergeben, sind als Einschub im Diagramm zu sehen. Die Verwendung unterschiedlicher Gitter erlaubt eine effiziente Uberdeckung des Spektralbereichs des nahen UV und sichtbaren Lichtes. 1 Figure 4.2 shows the relative efficiency of the two diffraction gratings used as a function of the wavelength. The usable wavelength ranges that result from the mechanics of the monochromator can be seen as an insert in the diagram. The use of different gratings allows an efficient coverage of the spectral range of the near UV and visible light.
Es handelt sich bei dem verwendeten Modell um einen universellen Labor- monochromator der Fa. ORIEL (77250) vom Czerny-Tumer-Typ. Der Monochromator wurde über eine IEEE-Schnittstelle von einem handelsüblichen IBM- PC angesteuert. Die Experimente wurden im Schrittverfähren durchgeführt, bei dem nacheinander die gewünschten Wellenlängenpositionen angefahren und jeweils eine vordefinierte Messzeit abgewartet wurde.The model used is a universal laboratory monochromator from ORIEL (77250) of the Czerny-Tumer type. The monochromator was controlled by a commercially available IBM PC via an IEEE interface. The experiments were carried out using the step method, in which the desired wavelength positions were approached one after the other and a predefined measurement time was waited for in each case.
4.1.1.3 Chopper4.1.1.3 Chopper
Das kontinuierliche Licht der Xenon-Bogenlampe wurde durch einen mechanischen Chopper der Fa. HMS periodisch in seiner Intensität moduliert. Der Chopper besteht aus einer sich drehenden Schlitzscheibe, deren Segmente den Lichtstrahl alternierend unterbrechen und passieren lassen. Die Modulationsf equenz fm0d ergibt sich aus der Anzahl der Schlitze und der Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe nach (4.2).
Figure imgf000084_0001
The intensity of the continuous light from the xenon arc lamp was periodically modulated by a mechanical chopper from HMS. The chopper consists of a rotating slotted disc, the segments of which alternately interrupt and allow the light beam to pass. The modulation frequency f m0d results from the number of slots and the speed of rotation of the disk according to (4.2).
Figure imgf000084_0001
S Anzahl der SchlitzeS number of slots
U Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe in s~1 U Speed of rotation of the disk in s ~ 1
Durch die Verwendung unterschiedlich stark geschlitzter Scheiben lässt sich ein Frequenzbereich von 4 Hz bis 4 kHz überdecken.A frequency range from 4 Hz to 4 kHz can be covered by using slices of different thicknesses.
Die rotierende Schlitzscheibe erzeugt eine nahezu rechteckförmige Intensitätsmodulation des Anregungslichtes. Abweichungen vom idealen Rechteck treten während der Ein- und Austrittsphase der Scheibensegmente in den Lichtstrahl auf.The rotating slotted disc produces an almost rectangular intensity modulation of the excitation light. Deviations from the ideal rectangle occur during the entry and exit phase of the pane segments in the light beam.
Im Gegensatz zum theoretischen Ansatz aus Abschnitt 2 handelt es sich bei der Art der Modulation nicht um eine sinusförmige Schwingung. Es ist zu prüfen, welche Modifikationen die bereits hergeleiteten Gleichungen erfahren müssen, um auf die konkrete experimentelle Situation Anwendung zu finden.In contrast to the theoretical approach from Section 2, the type of modulation is not a sinusoidal oscillation. It must be checked which modifications the already derived equations have to undergo in order to be applied to the specific experimental situation.
Abbüdung 4.3 zeigt, dass die Abweichungen vom rechteckfόrmigen Verlauf gering sind. Es ist daher in erster Näherung möglich, die periodische Modulation des Lichtes durch eine Rechteckfunktion der folgenden Form darzustellen:Figure 4.3 shows that the deviations from the rectangular course are small. In a first approximation it is therefore possible to represent the periodic modulation of the light by a rectangular function of the following form:
für O < t < T/2 γ(t) S Q for O <t <T / 2 γ (t) SQ
fürT/2 < t <T « Q^ for T / 2 <t <T «Q ^
c Konstante (ergibt sich aus maximaler Intensität des Lichtes) T Periodendauer der Schwingung in s c constant (results from the maximum intensity of the light) T period of the oscillation in s
Die Rechteckschwingung lässt sich in eine unendliche Fourierreihe (4.3) entwickeln IBronsteinl.The square wave can be developed into an infinite Fourier series (4.3) IBronsteinl.
(4.3) :(t\ - 1 i 2 » sin((2ι» + l) W' ~ 2 ir£j 2»+l(4.3) : ( t \ - 1 i 2 » sin ((2ι» + l) W '~ 2 ir £ j 2 »+ l
Die Approximation der Rechteckfunktion findet durch eine unendliche Reihe harmonischer Funktionen mit steigenden ungeraden Frequenzen statt. Die Beiträge der höheren GUeder zur Summe fallen wie 1/n. Setzt man diese Approximation in die Lösung (2.25) der Wärmeleitungsgleichung für den Gasraum aus Abschnitt 2.2 ein, ergibt sich Gleichung (4.4).The approximation of the rectangular function takes place through an infinite series of harmonic functions with increasing odd frequencies. The contributions of the higher GUeder to the sum fall like 1 / n. If you insert this approximation into the solution (2.25) of the heat conduction equation for the gas space from section 2.2, you get equation (4.4).
(4.4)(4.4)
Figure imgf000085_0001
Die Lösung stellt sich in Form einer Summe dar. Sie besteht aus einem Gleichanteil und unendlich vielen Summanden, deren Struktur der in Abschnitt 2.2 abgeleiteten Lösung des Wärmeleitungsproblems entspricht. Der Gleichanteil ist mit der verwendeten Messtechnik nicht zu erfassen und wird daher im weiteren vernachlässigt. Die verwendete Lock-m-Messtechnik filtert aus dem durch Gleichung (4.4) beschriebenen Summensignal den Anteil einer einzelnen Frequenz heraus. Die in Abschnitt 2.2 untersuchte Frequenzabhängigkeit der Temperatur nach periodisch modulierter Anregung kann damit unter Berücksichtigung eines Vorfaktors übertragen werden. In gleichem Maße gilt das für die Abhängigkeit der Phase der Oberflächentemperatur von den Absorptionseigenschaften der Probe.
Figure imgf000085_0001
The solution is presented in the form of a sum. It consists of a constant component and an infinite number of summands, the structure of which corresponds to the solution to the heat conduction problem derived in Section 2.2. The direct component cannot be recorded with the measurement technology used and is therefore neglected in the following. The Lock-m measurement technique used filters the portion of a single frequency out of the sum signal described by equation (4.4). The frequency dependency of the temperature after periodically modulated excitation examined in section 2.2 can thus be transferred taking into account a pre-factor. The same applies to the dependence of the phase of the surface temperature on the absorption properties of the sample.
Damit sind alle abgeleiteten Ergebnisse aus Abschnitt 2 auf die experimentell gewonnenen Messwerte anwendbar.All derived results from section 2 can thus be applied to the experimentally obtained measured values.
4.2 Messplatz für gepulste Anregung - NdYag-Laser4.2 Measuring station for pulsed excitation - NdYag laser
Die Anregungslichtquelle für Messplatz 2 besteht aus einem gütegeschalteten Laser. Das aktive Laserelement ist ein ca. 1 cm langer Stab aus Neodym- Ytrium-Aluminium-Granat Der Laser wird mittels Xenon-Blitzlampen optisch gepumpt. Die Pumpleistung beträgt 35 J. Die Pulsdauer der emittierten Lichtpulse im gütegeschalteten Betrieb beträgt 8 - ns. Neben der fundamentalen Emission bei 1064 nm standen die Frequenzvervielfachten bei 532, 355 und 266 nm zur Verfügung. Die maximale Pulsleistung betrug 300 mJ bei 1064 nm.The excitation light source for measuring station 2 consists of a Q-switched laser. The active laser element is an approx. 1 cm long rod made of neodymium-ytrium aluminum garnet. The laser is optically pumped using xenon flash lamps. The pump power is 35 J. The pulse duration of the emitted light pulses in Q-switched operation is 8 - ns. In addition to the fundamental emission at 1064 nm, the frequency multiples at 532, 355 and 266 nm were available. The maximum pulse power was 300 mJ at 1064 nm.
Die Laserleistung wurde mit Hilfe eines variablen Abschwächers der jeweiligen Probensituation angepasst Typische Pulsleistungen lagen im Bereich von Ö.5 - 2 mJ auf der Probe. 4.3 Photoakustische MesszelleThe laser power was adjusted to the respective sample situation with the aid of a variable attenuator. Typical pulse powers were in the range of Ö.5 - 2 mJ on the sample. 4.3 Photoacoustic measuring cell
4.3.1 Berechnung des photoakustischen Messsignals4.3.1 Calculation of the photoacoustic measurement signal
Die in den Abschnitten 2.2 und 2.3 abgeleiteten Ergebnisse der Wärmeleitungsgleichung mit unterschiedlichen Formen der Lichtanregung bilden die Grundlage für die Betrachtung der Signalentstehung in der photoakustischen Messzelle.The results of the heat conduction equation with different forms of light excitation derived in Sections 2.2 and 2.3 form the basis for the consideration of the signal generation in the photoacoustic measuring cell.
Die Messzelle ist strenggenommen ein abgeschlossenes Volumen, in dem sich die zu untersuchende Probe befindet. Das Licht gelangt durch eine Begrenzungsfläche in das Volumen der Messzelle und trifft; auf die Probe. Als Abschluss der Messzelle dient ein optisches Fenster oder das Ende einer optischen Faser bzw. eines Faserbündels. In einer weiteren Begrenzungsfläche befindet sich ein Messinstrument zur Bestimmung der Druckänderungen infolge der Absorption des Lichtes in der Probe. Der Druck wird mittels Mikrofon oder Piezoelement gemessen.Strictly speaking, the measuring cell is a closed volume in which the sample to be examined is located. The light enters the volume of the measuring cell through a boundary surface and hits it; put to the test. An optical window or the end of an optical fiber or a fiber bundle serves as the end of the measuring cell. In a further boundary surface there is a measuring instrument for determining the pressure changes due to the absorption of the light in the sample. The pressure is measured using a microphone or piezo element.
Es wird angenommen, dass das verwendete Fenstermaterial keine Absorption im betrachteten Spektralbereich besitzt, so dass die Berechnung des photoakustischen Messsignals mit den Ergebnissen aus den vorangegangenen Abschnitten durchgeführt werden kann.It is assumed that the window material used has no absorption in the spectral range under consideration, so that the calculation of the photoacoustic measurement signal can be carried out with the results from the preceding sections.
Unter normalen experimentellen Bedingungen, dass heißt Zimmertemperatur und atmosphärischer Luftdruck, kann das Gas in der Messzelle durch die ideale Gasgleichung beschrieben werden /Greiner/, n eindimensionalen Fall lautet sie;Under normal experimental conditions, i.e. room temperature and atmospheric air pressure, the gas in the measuring cell can be described by the ideal gas equation / Greiner /, it is one-dimensional case;
R (45) p(z,0«jrTfcO-R (45) p ( z , 0 « jrTfcO-
R = 8.3143 Jt 'mor1 Gaskonstante L Länge des Gasraumes in mR = 8.3143 Jt 'mor 1 gas constant L length of the gas space in m
Aufgrund der geringen Temperaturänderungen wird die Dichte des Gases im gesamten Messvolumen als konstant angesehen. Das Messinstrument detektiert den über das Volumen der Messzelle räumlich gemittelten Druck. Durch Integration der Gleichung (4.5) im Gasraum in den Grenzen -L und 0 ergibt sich die mathematische Formulierung im eindimensionalen Fall:Due to the small temperature changes, the density of the gas is regarded as constant in the entire measuring volume. The measuring instrument detects the pressure spatially averaged over the volume of the measuring cell. By integrating equation (4.5) in the gas space within the limits -L and 0, the mathematical formulation results in the one-dimensional case:
Figure imgf000088_0001
Figure imgf000088_0001
Gleichung (4.6) beschreibt den Zusammenhang zwischen den Druckschwankungen in der Messzelle und dem Temperaturverlauf im Gas und in der Probe. Der theoretische Ausdruck für den Druck entspricht bis auf eine Apparatefunktion dem im Experiment gemessenen. Das explizite Einsetzen der Temperatur im Gasraυm als Lösung der Wärmeleitungsgleichung f hrt zu einer mathematischen Beschreibung für die photoakustische Messgröße.Equation (4.6) describes the relationship between the pressure fluctuations in the measuring cell and the temperature profile in the gas and in the sample. The theoretical expression for the pressure corresponds to the one measured in the experiment except for an apparatus function. The explicit use of the temperature in the gas space as a solution to the heat conduction equation leads to a mathematical description for the photoacoustic measurement variable.
4.3.2 Druckoszillationen nach periodisch modulierter Anregung4.3.2 Pressure oscillations after periodically modulated excitation
Aus Abschnitt 2.2 ist die Lösung der Wärmeleitungsgleichung bekannt Durch Einsetzen dieser Lösung in (4.6) ergibt sich für den Druck in der photoakustischen Messzelle Gleichung (4.7). Dabei sind die Einflüsse der Messzelle und des Mikrofons inklusive Verstärker durch den Faktor A(ω), der im allgemeinen Fall frequenzabhängig ist, berücksichtigt.The solution of the heat conduction equation is known from section 2.2. By inserting this solution in (4.6), the pressure in the photoacoustic measuring cell is given by equation (4.7). The influences of the measuring cell and the microphone including amplifier are taken into account by the factor A (ω), which is frequency-dependent in the general case.
Figure imgf000088_0003
(1 + g)LkPsP
Figure imgf000088_0002
Figure imgf000088_0003
(1 + g) Lk P s P
Figure imgf000088_0002
Figure imgf000088_0004
Figure imgf000088_0004
Vertauschen der Integrationsreihenfolge und Ausf hren der Integration über z im Gasraum führt zu Gleichung (4.8). JP / (i+g)LkpSpsG Exchanging the order of integration and executing the integration via z in the gas space leads to equation (4.8). JP / (i + g ) Lk pSp s G
Figure imgf000089_0001
Figure imgf000089_0001
Bis auf eine Konstante und den die Zelleigenschaften berücksichtigenden Term A(ω) handelt es sich dabei um die Oberflächentemperatur der Probe. Alle Ergebnisse der theoretischen Abschnitte sind daher grundsätzlich auf die gemessenen Druckoszillationen anwendbar.Except for a constant and the term A (ω) taking into account the cell properties, this is the surface temperature of the sample. All results of the theoretical sections are therefore basically applicable to the measured pressure oscillations.
Aus dem Vorfaktor des Integrals lassen sich einige Eigenschaften ableiten, die für die Amplitude des photoakustischen Signals entscheidend sind. Die Abbildung 4.4 illustriert das Verhalten dieses Faktors in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz des Anregungslichtes.From the prefactor of the integral, some properties can be derived that are decisive for the amplitude of the photoacoustic signal. Figure 4.4 illustrates the behavior of this factor depending on the modulation frequency of the excitation light.
Die Abhängigkeit des photoakustischen Messsignals von der Zelldimension L ist deutlich zu erkennen.The dependence of the photoacoustic measurement signal on the cell dimension L can be clearly seen.
• Je größer das Volumen, dass heißt je größer L, desto kleiner sind die Amplituden der Druckoszillationen.• The larger the volume, ie the larger L, the smaller the amplitudes of the pressure oscillations.
• Je größer das Messvolumen, desto mehr werden die niederfrequenten Anteile der Druckoszillationen gegenüber den hochfrequenten Anteilen verstärkt. • The larger the measurement volume, the more the low-frequency components of the pressure oscillations are amplified compared to the high-frequency components.
Die konkrete Form der photoakustischen Messkammer verändert die Frequenzabhängigkeit der Oberflächentemperatur, die in Abschnitt 2.2 diskutiert wurde. Die Berechnung der Wärmedichte in der Probe aus dem photoakustischen Signal muss daher mit einer modifizierten Matrixapproximation des Integralkerns K aus 3.1 durchgeführt werden.The specific shape of the photoacoustic measuring chamber changes the frequency dependence of the surface temperature, which was discussed in Section 2.2. The calculation of the heat density in the sample from the photoacoustic signal must therefore be carried out with a modified matrix approximation of the integral core K from 3.1.
4.3.3 Druckänderung nach gepulster Anregung4.3.3 Pressure change after pulsed excitation
Zur Berechnung der Druckänderung in der photoakustischen Messzelle nach gepulster Anregung wird von der Lösung der Wärmeleitungsgleichung im Laplaceraum (2.42) ausgegangen. Die Laplacetransformierte des Drucks in der Zelle lässt sich formal bilden, da die Integration über die Ortsvariable z unabhängig von der Zeit t durchgeführt werden kann. » o (4.9)To calculate the pressure change in the photoacoustic measuring cell after pulsed excitation, the solution of the heat conduction equation in the laplace room (2.42) is used. The Laplace transform of the pressure in the cell can be formally formed, since the integration can be carried out via the location variable z independently of the time t. » O (4.9)
(p(ξ)) = j jfG(z'9ξ)dz< (p (ξ)) = j jf G (z ' 9 ξ) dz <
ξ: Variable im Laplaceraumξ: Variable in the laplace room
Einsetzen des konkreten Ausdruckes f r die Temperaturabhängigkeit im Laplaceraum führt auf Gleichung (4.10).Inserting the specific expression for the temperature dependence in the laplace space leads to equation (4.10).
Figure imgf000091_0001
Figure imgf000091_0001
Durch Vertauschen der Integration lässt sich Gleichung (4.10) in eine auswertbare Form überfuhren. Die Integration über die Variable z lässt sich ausführen und man erhält (4.11).By swapping the integration, equation (4.10) can be converted into an evaluable form. The integration via the variable z can be carried out and one obtains (4.11).
Figure imgf000091_0002
Figure imgf000091_0002
Dieser Ausdruck beschreibt die räumlich gemittelten Druckänderungen im Laplaceraum. Die korrespondierende Zeitabhängigkeit des Druckes erhält man durch Rücktransformation. Die Beeinflussung der Druckamplitude durch die Eigenschaften der Messzelle und des Mikrofons wird analog dem Fall der periodischen Modulation durch den Faktor A(t) berücksichtigt. Die Verknüpfung im Zeitbereich ist eine Faltung mit dem zeitabhängigen Druck in der Messzelle. This expression describes the spatially averaged pressure changes in the laplace room. The corresponding time dependency of the pressure is obtained by reverse transformation. The influence of the pressure amplitude by the properties of the measuring cell and the microphone is taken into account analogously to the case of periodic modulation by the factor A (t). The link in the time domain is a convolution with the time-dependent pressure in the measuring cell.
(p(t)) = A(t)*L-l [(p(ξ))](p (t)) = A (t) * L- l [(p (ξ))]
Figure imgf000092_0001
Figure imgf000092_0001
L"1 - Operator der inversen LaplacetransformationL "1 - inverse Laplace transform operator
Da die Integration der Rücktransformation über ξ unabhängig von der Integration über z' ist, können die Integrationen vertauscht werden.Since the integration of the back transformation via ξ is independent of the integration via z ', the integrations can be interchanged.
(4.13)(4.13)
Figure imgf000092_0002
Figure imgf000092_0002
Die Rücktransformation erfolgte mit Hilfe der Korrespondenzen (4.14) und (4.15) ICarslaw undJaeger/.
Figure imgf000093_0001
The back transformation was carried out with the help of correspondence (4.14) and (4.15) ICarslaw andJaeger /.
Figure imgf000093_0001
Die Auswertung des mathematischen Ausdruckes für die messbaren Druckoszillationen ist im Vergleich zu den Ergebnissen im Fall der periodischen Modulation komplizierter. Die Einflüsse der Zelldimensionen auf die Amplitude und den zeitlichen Verlauf des Drucks in der Messzelle lassen sich auch hier darstellen.The evaluation of the mathematical expression for the measurable pressure oscillations is more complicated compared to the results in the case of periodic modulation. The influences of the cell dimensions on the amplitude and the time course of the pressure in the measuring cell can also be shown here.
Bei der Auswertung der Abbildung 4.5 sind zwei Punkte besonders hervorzuheben: • Mit wachsendem Volumen der Messzelle sinkt die messbare Druckamplitude.Two points should be emphasized when evaluating Figure 4.5: • As the volume of the measuring cell increases, the measurable pressure amplitude decreases.
• Der Gradient der Druckänderung in der Messzelle sinkt mit steigendem Volumen.• The gradient of the pressure change in the measuring cell decreases with increasing volume.
Diese Schlussfolgerungen wurden in ähnlicher Form bereits bei der Anregung mit periodisch moduUertem Licht gezogen. Für die Konstruktion der Messzelle ergibt sich daher vom theoretischen Standpunkt die Forderung nach einem möglichst minimalen Volumen.These conclusions have already been drawn in a similar form when excited with periodically modulated light. Theoretically, the design of the measuring cell therefore requires the smallest possible volume.
4.3.4 Aufbau der Messzelle4.3.4 Structure of the measuring cell
Die photoakustische Messzelle ist die entscheidende Komponente des experimentellen Auf baus. Es wurde eine sogenannte offene Messzelle eigener Konstruktion verwendet. Der Begriff offen bezieht sich dabei auf den Zustand ohne Probe. Die zur Messung notwendige gasdichte Kammer bildet sich beim Aufsetzen auf das Probenmaterial. Das Gegenstück zu offenen photoakustischen Zellen bilden die geschlossenen Zellen. Hier wird die Probe in einem vor- denhierten Messvolumen plaziert, welches während der Messung geschlossen ist. Diese Zellen haben den Nachteil, dass nur kleinere Proben oder Bruchstücke von ausgedehnten Proben untersucht werden können. Für die Untersuchungen an menschlicher Haut können nur offene Messzellen verwendet werden.The photoacoustic measuring cell is the crucial component of the experimental setup. A so-called open measuring cell of our own design was used. The term open refers to the state without a sample. The gas-tight chamber required for the measurement is formed when it is placed on the sample material. The counterpart to open photoacoustic cells are the closed cells. Here the sample is placed in a pre-vented measurement volume, which is closed during the measurement. These cells have the disadvantage that only smaller samples or fragments of extended samples can be examined. Only open measuring cells can be used for examinations on human skin.
Bei der Konstruktion photoakustischer Messzellen sind eine Reihe von Bedingungen zu berücksichtigen:A number of conditions must be taken into account when designing photoacoustic measuring cells:
1. Die Messkammer soll so klein wie möglich sein, um die Amplitude der sich bildenden Druckschwankungen so groß wie möglich werden zu lassen. Experimentelle Untersuchungen durch Aamodt und Murphy haben gezeigt, dass eine minimale Größe nicht unterschritten werden darf. Sie wird durch die Temperaturleitfähigkeit des Gases in der Messkammer und der angestrebten unteren Messf equenz bestimmt. Die bestimmende Größe ist die bereits aus Abschnitt 2 bekannte thermische Diffusionslänge des Gases. Sie beträgt zum Beispiel für Luft und 100 Hz Modulationsf equenz 1 mm. Unterschreitet der Abstand zwischen Probenoberfläche und Fenster diesen Wert, führt die Ableitung der thermischen Energie aus dem Gas in das Fenstermaterial zu einer Verringerung der messbaren Druckamplitude.1. The measuring chamber should be as small as possible in order to make the amplitude of the pressure fluctuations as large as possible. Experimental investigations by Aamodt and Murphy have shown that the minimum size must not be undercut. It is determined by the temperature conductivity of the gas in the measuring chamber and the target lower measuring frequency. The determining variable is the thermal diffusion length of the gas already known from section 2. For example, it is 1 mm for air and 100 Hz modulation frequency. If the distance between the sample surface and the window falls below this value, the dissipation of the thermal energy from the gas into the window material leads to a reduction in the measurable pressure amplitude.
2. Die Messzelle sollte so konstruiert sein, dass störender Schall das Mikrofon während einer Messung nicht erreichen kann. Die Realisierung dieser Forderung ist die schwierigste Aufgabenstellung an die Zellkonstruktion.2. The measuring cell should be constructed in such a way that disturbing sound cannot reach the microphone during a measurement. Realizing this requirement is the most difficult task for cell construction.
3. Es muss vermieden werden, dass das Anregungslicht auf die Mikrofon- membran fallen kann, da dies zu kohärenten Störungen führt, die nicht zu eliminieren sind.3. It must be avoided that the excitation light can fall on the microphone diaphragm, since this leads to coherent interference that cannot be eliminated.
4. Die Messzelle sollte im angestrebten Frequenzbereich keine ausgeprägten Resonanzen besitzen, um die Auswertung der Messsignale für die Tiefeninformationen des optischen Absorptionskoeffizienten nicht zu erschweren.4. The measuring cell should not have any pronounced resonances in the desired frequency range, so as not to complicate the evaluation of the measuring signals for the depth information of the optical absorption coefficient.
Nicht alle Forderungen lassen sich in gleichem Ausmaß realisieren. In der konstruierten Messzelle wurde ein ausgewogener Kompromiss zwischen allen aufgeführten Forderungen gefunden. Abbildung 4.6 zeigt die verwendete Zelle im Ouersehnϊ-tNot all requirements can be met to the same extent. A balanced compromise between all the listed requirements was found in the constructed measuring cell. Figure 4.6 shows the cell used in the Ouersehnϊ-t
Die Messkammer, der Verbindungskanal zwischen ihr und dem Mikrofon sowie das Gasvolumen vor dem Mikrofon bilden einen klassischen akustischen Resonator. Er wird im allgemeinen als Helmholtzresonator bezeichnet. Bei spezifischen Frequenzen existieren aus diesem Grund Signalüberhöhungen, die bei der Datenauswertung berücksichtigt werden müssen. Die Resonanzfrequenz kann nach der Theorie des Hehnholtzresonators für kreisförmige Querschnitte des Verbindungskanals zwischen Mikrofonvolumen und Kammervolumen nach Gleichung (4.68) berechnet werden /Fereneliusl .The measuring chamber, the connection channel between it and the microphone and the gas volume in front of the microphone form a classic acoustic resonator. It is generally referred to as a Helmholtz resonator. For this reason, there are signal increases at specific frequencies that must be taken into account when evaluating data. The resonance frequency can be calculated according to the theory of the Hehnholtz resonator for circular cross-sections of the connecting channel between microphone volume and chamber volume according to equation (4.68) / Fereneliusl.
Figure imgf000096_0001
Figure imgf000096_0001
V« Volumen der Messkammer in m3 VM Volumen des Mikrofons in m3 d Durchmesser des Kanals in m lk Länge des Kanals in m c Schallgeschwindigkeit im Gas in m s"1 V «volume of the measuring chamber in m 3 V M volume of the microphone in m 3 d diameter of the channel in ml k length of the channel in mc speed of sound in the gas in ms " 1
Im vorliegenden Fall ergibt sich eine Resonanzfrequenz von 2.5 kHz. Dabei wurden die folgenden Abmessungen der Messzelle zugrunde gelegt.In the present case there is a resonance frequency of 2.5 kHz. The following dimensions of the measuring cell were used as a basis.
VM = 2.29 1Cr8 m3 d = 1.6 10-3 mV M = 2.29 1Cr 8 m 3 d = 1.6 10- 3 m
Vκ = 2.55 10"8 m3 c = 300 m/s lκ = 1.8 10-3 mV κ = 2.55 10 "8 m 3 c = 300 m / s lκ = 1.8 10- 3 m
Die experimentell ermittelte Resonanzfrequenz beträgt 2.73 kHz. Die Abweichungen vom theoretischen Wert liegen in der Vereinfachung des Modells begründet. Die Theorie geht von einem Übertragungskanal mit ideal glatter Oberfläche aus, so dass es zu keinerlei Turbulenzen im Kanal kommt Ebenso sind die Kanaleintritts- und Austrittsöfmungen nicht kreisförmig, sondern elliptisch. Das in der Berechnung benutzte Mikrofonvolumen ist mit einem großem Fehler behaftet, da es extrem schwierig war, dieses zu bestimmen, ohne die empfindliche Membran zu verletzen.The experimentally determined resonance frequency is 2.73 kHz. The deviations from the theoretical value are due to the simplification of the model. The theory is based on a transmission channel with an ideally smooth surface, so that there is no turbulence in the channel. The channel inlet and outlet openings are not circular, but elliptical. The microphone volume used in the calculation is associated with a large error since it was extremely difficult to determine it without damaging the sensitive membrane.
Trotz dieser Einschränkungen beschreibt die grobe Näherung des Helmholtz- resonators das Übertragungs verhalten der Zelle gut. 4.4 MikrofonDespite these limitations, the rough approximation of the Helmholtz resonator describes the cell's transmission behavior well. 4.4 microphone
Die Absorption des Anregungslichtes lässt in der Probe eine sich mit der Modulationsfrequenz pulsierende Wärmequelle entstehen. Der periodische Übergang der Wärme von der Probenoberfläche in den angrenzenden Gasraum führt in dem Volumen der geschlossenen Messzelle zu einer periodischen Druckänderung. Diese Druckänderung wird mit einem Mikrofon der Fa. Brüel & Kjaer vom Typ 4189 gemessen.The absorption of the excitation light creates a heat source that pulsates with the modulation frequency in the sample. The periodic transfer of heat from the sample surface into the adjacent gas space leads to a periodic change in pressure in the volume of the closed measuring cell. This pressure change is measured with a Brüel & Kjaer 4189 microphone.
Das verwendete Messmikrofon arbeitet als Druckmikrofon. Es besteht aus einer Membran, deren Vorderseite der Schall- oder Druckquelle zugewandt und deren Rückseite vollständig gegen Schallwirkungen isoliert ist. Die Auslenkungen der Membran sind daher vom Druck in der Messkammer abhängig. Für alle Frequenzen, deren Schallwellenlänge groß gegen die Abmessungen der Mikrofonmembran ist, wird das Mikrofon von allen Seiten gleichförmig vom selben Druck getroffen /Günther/. Unter Berücksichtigung der Abmessungen der photoakustischen Messzelle, die im Millimeter-Bereich liegen und den Schallwellenlängen, die je nach Modulationsfrequenz zwischen mehreren hundert Metern und einigen zehn Zentimetern liegen, kann im Rahmen der Untersuchungen von gleichförmigen Druckschwankungen in der Zelle ausgegangen werden.The measuring microphone used works as a pressure microphone. It consists of a membrane, the front of which faces the sound or pressure source and the back of which is completely insulated against sound effects. The deflections of the membrane are therefore dependent on the pressure in the measuring chamber. For all frequencies whose sound wavelength is large compared to the dimensions of the microphone membrane, the microphone is hit uniformly from all sides by the same pressure / Günther /. Taking into account the dimensions of the photoacoustic measuring cell, which are in the millimeter range and the sound wavelengths, which, depending on the modulation frequency, are between several hundred meters and a few tens of centimeters, uniform pressure fluctuations in the cell can be assumed within the scope of the investigations.
Die Auslenkung der Mikrofonmembran wird nach dem Kondensatorprinzip gemessen. Die Membran bildet mit einer Gegenelektrode in der Mikrofonkapsel einen Kondensator. Die Bewegung der Membran infolge äußerer Druckänderungen führt zu Kapazitätsänderungen. Daraus lassen sich Spannungsverläufe gewinnen, die in einem weiten Amplitudenbereich dem Druckverlauf proportional sind.The deflection of the microphone membrane is measured according to the capacitor principle. The membrane forms a capacitor with a counter electrode in the microphone capsule. The movement of the membrane as a result of external pressure changes leads to changes in capacity. From this, voltage profiles can be obtained that are proportional to the pressure profile over a wide range of amplitudes.
Damit das Mikrofon nicht als Barometer wirkt, wird über eine Kapillarröhre ein Druckausgleich des Membranrückvolumens ermöglicht. Die Justage dieses Druckausgleiches durch den Hersteller erlaubt die Realisierung nahezu jeder beliebigen unteren Grenzfrequenz. Die Abweichungen des realen Mikrofonaufbaus vom idealisierten Druckmikrofon führen zu einem speziellen frequenzabhängigen Übertragungsverhalten, dass in Abbildung 4.7 dargestellt ist.So that the microphone does not act as a barometer, a pressure compensation of the diaphragm back volume is made possible via a capillary tube. Adjustment of this pressure equalization by the manufacturer enables almost any lower limit frequency to be implemented. The deviations of the real microphone structure from the idealized pressure microphone lead to a special frequency-dependent transmission behavior, which is shown in Figure 4.7.
Das Übertragungsmaß des Mikrofons verläuft im Bereich von 7 Hz bis 3.S kHz nahezu glatt. Als untere Grenzfrequenz wird der 3dB Abfall des Übertragungsmaßes bezeichnet Sie liegt für das benutzte Mikrofon bei 3 Hz. Die obere Grenzfrequenz beträgt 7 kHz.The transmission factor of the microphone runs almost smoothly in the range from 7 Hz to 3.S kHz. The 3dB drop in the transmission dimension is referred to as the lower limit frequency. It is 3 Hz for the microphone used. The upper limit frequency is 7 kHz.
4.5 Vorverstärker und Mikrofonverstärker4.5 Preamplifier and microphone amplifier
Die Ausgangssignale des Mikrofons liegen im μV- und sub-μV-Bereich. Die geringen Spannungen müssen für eine stabile Messung verstärkt werden. Gleichzeitig ist eine Signalkonditionierung notwendig, die eine Weiterleitung zum eigentlichen Messgerät gestattet. Als Vorverstärker wurde das Modell 2669 der Fa. Brttel & Kjaer verwendet. Es ist optimal auf die verwendeten Mikrofone angepass Zur Vermeidung von elektromagnetischen Interferenzen ist der Vorverstärker direkt mit der Mikrofonkapsel verbunden. Es handelt sich bei diesem Modell grundsätzlich um einen Transimpedanzwandler mit linearem Frequenzgang zwischen 5 Hz und 50 kHz. Die Versorgungsspannung wird von der Mikrofonversorgung Typ 5935 bereitgestelltThe microphone output signals are in the μV and sub-μV range. The low voltages have to be increased for a stable measurement. At the same time, signal conditioning is necessary to allow forwarding to the actual measuring device. Model 2669 from Brttel & Kjaer was used as a preamplifier. It is optimal on the microphones used matched To avoid electromagnetic interference, the preamplifier is connected directly to the microphone capsule. This model is basically a transimpedance converter with a linear frequency response between 5 Hz and 50 kHz. The supply voltage is provided by the microphone supply type 5935
Die Signalverstärkung kann in Stufen zwischen 0 und 50 dB geregelt werden. Die verstärkten Messsignale wurden ohne weitere Verarbeitung dem DC- gekoppelten Verstärkerausgang der Versorgungseinheit entnommen.The signal gain can be regulated in steps between 0 and 50 dB. The amplified measurement signals were taken from the DC-coupled amplifier output of the supply unit without further processing.
4.5.1 Lock-In-Verstärker4.5.1 Lock-in amplifier
Das am Ausgang des Mikrofonvorverstärkers anliegende Messsignal ist ein komplexes Frequenzgemisch, bestehend aus dem photoakustischen Summensignal und verschiedenen Störftequenzen. Da es sich bei dem Messmstrument um ein Mikrofon handelt, führt jede Schwingung innerhalb des Frequenzbandes des Mikrofons zu einem Signal an dessen Ausgang. Diese Störsignale treten jedoch unkorreliert mit der Modulationsfrequenz des Lichtes auf. Daher können sie zu einem großen Teil aus dem Messsignal eliminiert werden.The measurement signal at the output of the microphone preamplifier is a complex frequency mix consisting of the photoacoustic sum signal and various interference frequencies. Since the measuring instrument is a microphone, every oscillation within the frequency band of the microphone leads to a signal at its output. However, these interference signals occur uncorrelated with the modulation frequency of the light. Therefore, they can be largely eliminated from the measurement signal.
Die Funktion des Verstärkers beruht auf der Multiplikation des Frequenzgemisches mit einer Referenzfrequenz und anschließender Tieφassfilterung. Die Multiplikation führt zu einer Effektivwertgleichrichtung der harmonischen Anteile mit der Referenzfrequenz im Eingangssignal. Die anschließende Tieφassfilterung trennt die verbleibenden hochfrequenten Anteile vom Gleichsignal. Das Ausgangssignal ist ein Maß für den harmonischen Anteil mit der Referenzfrequenz im Eingangssignal.The function of the amplifier is based on the multiplication of the frequency mixture by a reference frequency and subsequent low-pass filtering. The multiplication leads to an effective value rectification of the harmonic components with the reference frequency in the input signal. The subsequent low-pass filtering separates the remaining high-frequency components from the direct signal. The output signal is a measure of the harmonic component with the reference frequency in the input signal.
Als f equenzselektiver schmalbandiger Verstärker wurde ein Lock-In der Fa. Stanford Research Typ SR 830 benutzt. Es handelt sich bei diesem Modell um einen zweiphasigen Lock-In, der den Real- und Imaginärteil des Signals gleichzeitig bestimmt. Die Bandbreite der Verstärkung betrug bei typischen Messeinstellungen weniger als 100 mHz. 4.5.2 OszilloskopA lock-in from Stanford Research type SR 830 was used as the frequency-selective narrowband amplifier. This model is a two-phase lock-in, which determines the real and imaginary part of the signal at the same time. The bandwidth of the gain was less than 100 mHz with typical measurement settings. 4.5.2 Oscilloscope
Die Aufzeichnung der Druckamplitude nach gepulster Anregung wurde mit einem digitalen Speicheroszilloskop LeCroy 9314A durchgeführt. Das Oszilloskop besitzt eine Bandbreite von 400 MHz. Die maximal mögliche Abtastrate beträgt lOOMs/s. Unter Berücksichtigung des Abtasttheorems erlaubt das Oszilloskop die Messung von Signalen mit einer Bandbreite bis 50 MHz. Die maximale Anzahl von Messpunkten für eine Kurvenform beträgt 50000. Die zu untersuchenden Signale hegen in ihrer Bandbreite deutlich unter der messtechnischen Begrenzung des Oszilloskops. Die zur Auswertung genutzten Signalverläufe p(t) wurden durch die Mittelung von 10 aufeinander folgenden Laserpulsen gewonnen. Die Messkurven wurden zur weiteren Bearbeitung auf dem internen Floppydisk-Laufwerk gesichert.The pressure amplitude after pulsed excitation was recorded using a LeCroy 9314A digital storage oscilloscope. The oscilloscope has a bandwidth of 400 MHz. The maximum possible sampling rate is lOOMs / s. Taking the sampling theorem into account, the oscilloscope allows the measurement of signals with a bandwidth up to 50 MHz. The maximum number of measuring points for a waveform is 50,000. The bandwidth of the signals to be examined is clearly below the measurement limits of the oscilloscope. The signal curves p (t) used for the evaluation were obtained by averaging 10 successive laser pulses. The measurement curves were saved on the internal floppy disk drive for further processing.
4.6 Signalverarbeitung4.6 Signal processing
4.6.1 Frequenzverhalten des Messsystems4.6.1 Frequency behavior of the measuring system
Bei der Beschreibung des Messplatzes ist deutlich geworden, dass jede der einzelnen Komponenten ein ausgeprägtes frequenzabhängiges Übertragungsverhalten besitzt. Einige der Überttagungskennlinien, wie zum Beispiel für das Mikrofon, den Vorverstärker und den Verstärker, werden durch den Hersteller bereitgestellt Das Übertragungsverhalten der Messzelle ist jedoch unbekannt. Die Approximation durch einen Helmholtzresonator ist nur ungenügend, wie bereits ein einfacher Vergleich der Resonanzfrequenzen aus Abschnitt 4.3.4 zeigte. Es ist deshalb notwendig, das Übertragungsverhalten der gesamten Messzelle inklusive Mikrofon und Verstärker zu bestimmen, da auch eine gegenseitige Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden kann.When describing the measuring station, it became clear that each of the individual components has a pronounced frequency-dependent transmission behavior. Some of the transmission characteristics, such as for the microphone, the preamplifier and the amplifier, are provided by the manufacturer. However, the transmission behavior of the measuring cell is unknown. The approximation by a Helmholtz resonator is only insufficient, as a simple comparison of the resonance frequencies from section 4.3.4 already showed. It is therefore necessary to determine the transmission behavior of the entire measuring cell, including the microphone and amplifier, since mutual interference cannot be ruled out.
Die Bestimmung der f equenzabhängigen Übertragungseigenschaften muss mit einem Probenmaterial erfolgen, dessen optische und thermische Eigenschaften bekannt sind. Die Reproduktion einer Probe aus diesem Material sollte unter Laborbedingungen einfach möglich sein. Die photoakustische Messung arbeitet nach einem Remissionsprinzip. Daher sind Messwerte nur bei genau spezifizierten Bedingungen vergleichbar. Die allgemeine Vergleichbarkeit photoakustisch gewonnener Messdaten erfordert die Normierung der Daten auf eine Referenz. Das Referenzmaterial sollte die gesamte einfallende optische Energie in Wärme umsetzen. Ruß erfüllt alle genannten Anforderungen in nahezu idealer Art und Weise. Eine rußgeschwärzte Glasplatte stellt einen fast idealen Absorber dar, der die gesamte einfallende Strahlung aufhimmt und in Wärme umwandelt. Die beschreibenden Gleichungen vereinfachen sich dadurch wesentlich. Die räumliche Verteilung des Absorptionskoeffizienten in der Rußschicht kann durchThe frequency-dependent transmission properties must be determined using a sample material whose optical and thermal properties are known. It should be easy to reproduce a sample from this material under laboratory conditions. The photoacoustic measurement works on a remission principle. Therefore, measured values can only be compared under precisely specified conditions. The general comparability of photoacoustically obtained measurement data requires the data to be standardized to a reference. The reference material should convert all of the incident optical energy into heat. Soot fulfills all of the above requirements in an almost ideal manner. A soot-blackened glass plate is an almost ideal absorber that absorbs all of the incident radiation and converts it to heat. This significantly simplifies the descriptive equations. The spatial distribution of the absorption coefficient in the soot layer can be determined by
ß(z) = ß = constß (z) = ß = const
approximiert werden.be approximated.
Damit vereinfachen sich die Gleichungen (4.8) für den Druck in der Messzelle. Es ergibt sich für die Anregung mit periodisch intensitätsmoduliertem Licht Gleichung (4.17).This simplifies the equations (4.8) for the pressure in the measuring cell. Equation (4.17) results for excitation with periodically intensity-modulated light.
(4-17)(4-17)
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Die Amplitude und Phase der photoakustischen Druckschwankungen haben damit folgende Form: A ,. Λ . CßA(ω) l-2cos(r)e-r +e-2r The amplitude and phase of the photoacoustic pressure fluctuations thus have the following form: A,. Λ . CßA (ω) l-2cos (r) e- r + e- 2r
A phtude: pAmplitude(β>) = y - „2 2 , * — : ~' <4-18> ω 2 V ß μP +2ßμP +2A phtude: p Amplitude ( β >) = y - „2 2, * -: ~ '< 4 - 18 > ω 2 V ß μ P + 2ßμ P +2
+ G# p +y(cos(r)--e -sin(r) Phase: »to(^) = arctan( ^ — ' . ), (4.19) cos(r) - e + ( ?« + l)sιn(r) + G # p + y (cos (r) - e -sin (r) phase: »to (^) = arctan (^ - '.), (4.19 ) cos (r) - e + (?« + L) sιn (r)
Die hohe Absorption der Rußschicht gestattet eine weitere Approximation. Wenn ß » 1 gilt, kann der Nenner von (4.18) durch ßμP ersetzt werden. Die Frequenzabhängigkeit ändert sich damit von ω"3ßzu ω"\The high absorption of the soot layer allows a further approximation. If ß »1 applies, the denominator of (4.18) can be replaced by ßμ P. The frequency dependence thus changes from ω "3ß to ω " \
Die Abbildungen 4.8 und 4.9 vergleichen die theoretische und experimentell bestimmte Frequenzabhängigkeit der Amplitude und Phase des photoakustischen Signals. Als Probe wurde eine rußgeschwärzte Glasplatte verwendet, die auch als Referenz für die weiteren Untersuchungen diente.Figures 4.8 and 4.9 compare the theoretical and experimentally determined frequency dependence of the amplitude and phase of the photoacoustic signal. A soot-blackened glass plate was used as a sample, which also served as a reference for further investigations.
Die theoretisch beschriebene ω"1 -Abhängigkeit des Messsignals wird in einem weiten Frequenzintervall bestätigt. Deutlich erkennbar sind Abweichungen vom linearen Verlauf im hoch- und niederfrequenten Bereich. Die akustischen Resonanzen des Messkopfes sind verantwortlich für die Nichtlinearität zwischen 1.5 kHz und 4 kHz. Die Unterschiede im niederfrequenten Bereich beruhen zum einen auf dem Frequenzgang des Mikrofons und sind zum Teil auch durch Vereinfachungen im beschreibenden Modell erklärbar, welches den Einfluss des optischen Fensters auf die Druckoszillationen vernachlässigt. Arbeiten von Korpiun und Büchner, sowie Aamodt und Murphy haben gezeigt, dass bei Berücksichtigung dieser Effekte die Abweichungen bei niedrigen Frequenzen teilweise beschreibbar sind. Die Komplexität der Lösungen nimmt durch die Einführung einer weiteren Differentialgleichung jedoch stark zu. Die Messungen im Rahmen der Arbeit werden im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 3 kHz durchgeführt, in dem die entsprechenden Korrekturen gering sind. Die mathematischen Algorithmen aus Abschnitt 3 lassen sich jedoch ohne Einschränkung auch auf komplexere Modelle anwenden. In diesem Fall ist eine Modifikation der Kernmatrix K notwendig.The theoretically described ω "1 dependency of the measurement signal is confirmed in a wide frequency interval. Deviations from the linear course in the high and low frequency range are clearly recognizable. The acoustic resonances of the measuring head are responsible for the non-linearity between 1.5 kHz and 4 kHz. The differences in the low-frequency range are based on the one hand on the frequency response of the microphone and can partly be explained by simplifications in the descriptive model, which neglects the influence of the optical window on the pressure oscillations. Works by Korpiun and Büchner, as well as Aamodt and Murphy have shown that taking these effects into account, the deviations at low frequencies can be described in part. However, the complexity of the solutions increases significantly due to the introduction of another differential equation. The measurements within the scope of the work are carried out in the frequency range between 10 Hz and 3 kHz, in which the corrections are minor. However, the mathematical algorithms from Section 3 can also be applied to more complex models without restriction. In this case, a modification of the core matrix K is necessary.
Zur besseren Vergleichbarkeit wurde die theoretische Phasenabhängigkeit mit einer Konstante additiv korrigiert. Der Vergleich der Phasen in Theorie und Experiment zeigt deutliche Unterschiede. Trotz der sichtbar großen Abweichungen lassen sich diese durch Argumente analog dem Amplitudenvergleich erklären. Die starke Änderung der Phase oberhalb von 2 kHz ist eindeutig durch die Resonanzgeometrie des Messkopfes verursacht Wird dieser Einfluss eliminiert, ergibt sich ein linear mit der Frequenz fallender Phasenunterschied, der dem verwendeten Mikrofon zugeschrieben werden muss.For better comparability, the theoretical phase dependency was additively corrected. The comparison of the phases in theory and experiment shows clear differences. Despite the visible large deviations, these can be explained by arguments analogous to the amplitude comparison. The strong change in the phase above 2 kHz is clearly due to the resonance geometry of the measuring head causes If this influence is eliminated, there is a phase difference that decreases linearly with the frequency and must be attributed to the microphone used.
Die in den Abbildungen 4.8 und 4.9 deutlich erkennbaren Resonanzüberhöhungen, infolge der akustischen Resonatorgeometrie des Messkopfes, sind für die Messungen mittels periodischer Modulation von untergeordneter Bedeutung, da der Messbereich aus technischen Gründen die Grenze von 3 kHz nicht überschreitet Das Frequenzspektrum des Dmcks in der Messzelle nach gepulster Anregung wird dagegen entscheidend von den Resonanzen beeinflusst, insbesondere dann, wenn das Probenmaterial eine hohe optische Absorption aufweist, da die Druckänderung in der Messzelle einen großen hochfrequenten Anteil besitzt.The resonance peaks that can be clearly seen in Figures 4.8 and 4.9 due to the acoustic resonator geometry of the measuring head are of minor importance for measurements using periodic modulation, since the measuring range does not exceed the 3 kHz limit for technical reasons. The frequency spectrum of the pressure in the measuring cell pulsed excitation, on the other hand, is decisively influenced by the resonances, especially when the sample material has a high optical absorption, since the pressure change in the measuring cell has a large high-frequency component.
Bei Anregung mit gepulstem Licht vereinfacht sich die mathematische Beschreibung des photoakustischen Messsignals bei Annahme eines konstanten optischen Absorptionskoeffizienten. Die Integrationen in Gleichung (4.13) lassen sich ausführen und es ergibt sich (4.20).When excited with pulsed light, the mathematical description of the photoacoustic measurement signal is simplified if a constant optical absorption coefficient is assumed. The integrations in equation (4.13) can be carried out and we get (4.20).
0*»)« 0 * ») «
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Die ROcktransformation aus dem Laplaceraum liefert den exakten Ausdruck für den Druck in der photoakustischen Messzelle. The RO transform from the laplace room provides the exact expression for the pressure in the photoacoustic measuring cell.
C4.21)C4.21)
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Die Auswertung der Gleichung (4.21) ist in der vorliegenden Form schwierig. Für die Messung von Ruß im experimentell relevanten Zeitbereich von 0 — 0.1 sec lassen sich jedoch einige Näherungen einführen.The evaluation of equation (4.21) in this form is difficult. However, some approximations can be introduced for the measurement of soot in the experimentally relevant time range from 0 - 0.1 sec.
erfc(ßjDpl) & 0erfc (ßjDpl) & 0
eφi-jJ - + ßJÖ s 0eφi- j J - + ßJÖ s 0
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Der Ausdruck für den Druck in der Messzelle vereinfacht sich damit unter Vernachlässigung der zeitunabhängigen Tenne zu (4.22).The expression for the pressure in the measuring cell is thus simplified, neglecting the time-independent threshing floor (4.22).
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Der Druck in der Messzelle verhält sich ähnlich der Oberflächentemperatur der Probe für den Fall eines konstanten optischen Absorptionskoeffizienten. Auf diesen Zusammenhang wurde bereits bei den Ergebnissen der periodischen Modulation hingewiesen. Bei Annahme eines Absoφtionskoeffizienten von 106 m'1 ergibt sich der in der Abbildung 4.10 dargestellte Verlauf des Druckes. Der tatsächlich gemessene Druckverlauf mit einer Rußprobe ist zum Vergleich dargestellt.The pressure in the measuring cell behaves similarly to the surface temperature of the sample in the case of a constant optical absorption coefficient. This connection has already been pointed out in the results of the periodic modulation. Assuming an absorption coefficient of 10 6 m '1 , the pressure curve shown in Figure 4.10 results. The actually measured pressure curve with a soot sample is shown for comparison.
Die Resonanzen im Signal sind deutlich erkennbar. Sie sind bei gepulster Anregung nicht vemachlässigbar, sondern müssen auf mathematischem Wege eliminiert werden. Der Vergleich der beiden Signalverläufe macht eindrücklich klar, dass die Kenntnis der Apparatefunktion K(t) von großer Bedeutung ist Sie lässt sich durch die Entfaltung der beiden dargestellten Kurven gewinnen.The resonances in the signal are clearly visible. With pulsed excitation they are not negligible, but must be eliminated mathematically. The comparison of the two signal curves makes it clear that the knowledge of the apparatus function K (t) is of great importance. It can be obtained by unfolding the two curves shown.
4.6.2 Verarbeitung der Messsignale4.6.2 Processing the measurement signals
Die vorangegangenen Abschnitte haben die frequenzabhängigen Übertragungseigenschaften der einzelnen Komponenten der photoakustischen Messplätze behandelt Die Berücksichtigung dieser Eigenschaften ist für die Auswertung der Messdaten von großer Bedeutung. Eine genaue Berechnung der räumlichen Verteilung des Absorptionskoeffizienten in der Probe ist nur nach Korrektur der systembedingten unterschiedlichen Wichtung der Frequenzanteile im Messsignal möglich. In Abschnitt 4.6.1 wurde die Apparatefunktion A eingeführt. Sie beschreibt das frequenzabhängige Übertragungsverhalten des gesamten Messsystems. A(ω) kann aus der Zeit- oder Frequenzabhängigkeit des Druckes bei Anregung einer Rußprobe gewonnen werden. Das Messsignal entspricht im Zeitbereich einer Faltung der Apparatefunktion mit dem theoretischen photoakustischen Messwert. Im Frequenzbereich entspricht dieser Zusammenhang einer einfache Multiplikation. Die Messwerte müssen daher einer Entfaltung mit der Apparatefunktion A unterzogen werden. Für die einzelnen Messregimes sind verschiedene Algorithmen zu verwenden.The previous sections dealt with the frequency-dependent transmission properties of the individual components of the photoacoustic measuring stations. Taking these properties into account is of great importance for the evaluation of the measurement data. A precise calculation of the spatial distribution of the absorption coefficient in the sample is only possible after correcting the system-related different weighting of the frequency components in the measurement signal. Apparatus function A was introduced in section 4.6.1. It describes the frequency-dependent transmission behavior of the entire measuring system. A (ω) can be obtained from the time or frequency dependence of the pressure when a soot sample is excited. The measurement signal corresponds in the time domain to a folding of the apparatus function with the theoretical photoacoustic measurement value. In the frequency domain, this relationship corresponds to a simple multiplication. The measured values must therefore be unfolded using the apparatus function A. Different algorithms are to be used for the individual measuring regimes.
Periodische ModulationPeriodic modulation
Die Messungen werden im Frequenzbereich durchgeführt. Zu Beginn der Experimente wird ein sogenanntes Referenzfrequenzspektrum aufgenommen. Diese Referenz beinhaltet die Amplituden und Phaseninformation des Übertragungsverhaltens des gesamten Detektionssystems und wird zur Korrektur der Messwerte genutzt.The measurements are carried out in the frequency domain. At the beginning of the experiments, a so-called reference frequency spectrum is recorded. This reference contains the amplitudes and phase information of the transmission behavior of the entire detection system and is used to correct the measured values.
Der korrigierte photoakustische Messwert ergibt sich durch einfache punktweise Divison des Messsignals p(ωj)/A(<Dj). Die Phase des Messsignals wird ebenso punktweise additiv korrigiert.The corrected photoacoustic measured value results from a simple point-by-point division of the measurement signal p (ωj) / A (<Dj). The phase of the measurement signal is also corrected additively point by point.
Gepulste AnregungPulsed excitation
Die Messung erfolgt im Zeitbereich. Daher ist eine Entfaltung der Apparatefunktion A(t) und des Messsignals p(t) durchzuführen. Vor Beginn der Messung wird auch hier ein Referenzspektrum aufgenommen. Es ist mit den im Experiment genutzten Abtastraten und Signallängen aufzunehmen. Die weitere Vorgehensweise besteht aus drei Schritten:The measurement takes place in the time domain. The device function A (t) and the measurement signal p (t) must therefore be developed. Before starting the measurement, a reference spectrum is also recorded here. It is to be recorded with the sampling rates and signal lengths used in the experiment. The further procedure consists of three steps:
1. Transformation des Referenz- und Messsignals in den Frequenzbereich1. Transformation of the reference and measurement signal in the frequency domain
R(t) → R(ω) p(t) →p(ω)'R (t) → R (ω) p (t) → p (ω) '
2. Berechnung der Apparatefunktion A(ω) durch Division der Referenz durch 1/Vö> . Bildung des korrigierten Messsignals durch Division mit der Apparatefunktion A(ω), 3. Rücktransformation des korrigierten Messsignals p(ώ) →p(t).2. Calculate the apparatus function A (ω) by dividing the reference by 1 / Vö>. Formation of the corrected measurement signal by division with the apparatus function A (ω), 3. Reverse transformation of the corrected measurement signal p (ώ) → p (t).
Diese theoretisch korrekte Behandlung der Daten führt in der Praxis zu erheblichen Problemen. Die Ursachen hierfür liegen in der numerischen Umsetzung der Fouriertransformation, insbesondere der Rücktransformation. Die strikte Anwendung oben dargestellter Schritte führt, unter Nutzung der MATLAB® - Routine FFT, zu starken Oszillationen im korrigierten Messsignal, die es fiir die weitere Auswertung unbrauchbar machen.This theoretically correct treatment of the data leads to considerable problems in practice. The reasons for this lie in the numerical implementation of the Fourier transformation, in particular the back transformation. The strict application of the steps outlined above, using the MATLAB ® routine FFT, leads to strong oscillations in the corrected measurement signal, which make it unusable for further evaluation.
Die Korrektur der Messdaten im Frequenzbereich ist mit einer Filterung gleichzusetzen. Das Problem besteht darin, die entsprechende Filterübertragungsfunktion zu modellieren. Das numerische Programmpaket MATLAB® stellt eine Reihe stabiler Filterroutinen zur Verfügung, die für diese Aufgabe geeignet sind. Aus praktischen Gründen wurde die Aufgabe in zwei Teilschritte zerlegt. Im ersten Schritt wurde die Überttagungsfunktion im Frequenzbereich größer als 200 Hz durch eine parametrische Modellierung als Filter mit unendlicher Impulsantwort (HR-Filter) ausgebildet Im zweiten Schritt wurde das niederfrequente Übertragungsverhalten, bis zur Übertragungsgrenze des Mikrofons, durch einen inversen Chebychev-Tieφassfilter 2. Art dargestellt. Die Kombination der beiden Filter beschreibt näherungsweise das Übertragungsverhalten des Messsystems.Correcting the measurement data in the frequency domain is equivalent to filtering. The problem is to model the corresponding filter transfer function. The numerical program package MATLAB ® provides a series of stable filter routines that are suitable for this task. For practical reasons, the task was broken down into two parts. In the first step, the transmission function in the frequency range greater than 200 Hz was formed by parametric modeling as a filter with an infinite impulse response (HR filter) shown. The combination of the two filters approximately describes the transmission behavior of the measuring system.
Die Messdaten wurden nacheinander mit den beiden beschriebenen Filtern bearbeitet Abschließend folgte eine Tieφassfilterung zur Eliminierung der, aus der numerischen Verarbeitung stammenden, hochfrequente Signalanteile. Die Korrektur der Messsignale auf diesem Wege erwies sich im Vergleich zur direkten Verarbeitung im Fourierraum als weitaus stabiler. Die beschriebene Vorgehensweise dämpft die im Messsignal deutlich erkennbaren Resonanzen. Eine vollständige Beseitigung war nicht möglich. Die Reduktion der Resonanzamplituden im Signal war jedoch ausreichend, um die weitere Bearbeitung der Messwerte mit den unter Abschnitt 3 vorgestellten Verfahren zu ermöglichen. Abbildung 4.11 vergleicht die Frequenzspektren eines photoakustischen Messsignals vor und nach der numerischen Korrektur. Der Resonanzpeak bei 3 kHz ist nach der Filterung deutlich kleiner geworden. Eine vollständige Beseitigung war nicht möglich. Der niederfrequente Verlauf des Spektrums bleibt unverändert. The measurement data were processed one after the other with the two filters described. Finally, low-pass filtering was carried out to eliminate the high-frequency signal components resulting from the numerical processing. The correction of the measurement signals in this way proved to be far more stable compared to the direct processing in the Fourier space. The procedure described dampens the resonances that are clearly recognizable in the measurement signal. A complete elimination was not possible. However, the reduction in the resonance amplitudes in the signal was sufficient to allow further processing of the measured values using the methods presented in section 3. Figure 4.11 compares the frequency spectra of a photoacoustic measurement signal before and after the numerical correction. The resonance peak at 3 kHz has become significantly smaller after filtering. A complete elimination was not possible. The low-frequency course of the spectrum remains unchanged.
Die Qualität der Korrektur ist ausreichend, da für die abschließende Berechnung mittels Regulationsverfahren eine maximale Anzahl von ca. 150 Messpunkten genutzt werden kann. Dies wiederum bedeutet eine Abtastrate des Signals von ca. 0.2 ms - 1 ms. Die Beeinflussung des Messsignals durch Resonanzen in diesem Frequenzbereich ist ohnehin deutlich reduziert.The quality of the correction is sufficient, since a maximum of approximately 150 measuring points can be used for the final calculation using the regulation process. This in turn means a sampling rate of the signal of approx. 0.2 ms - 1 ms. The influence of the measurement signal by resonances in this frequency range is significantly reduced anyway.
Der Vergleich der Übertragungsfiinktionen des Mikrofons und des angenäherten Cheybyscheff-Filters 2. Art zeigt die Güte der Näherung im Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 50 Hz. Abbildung 4.12 stellt die beiden Übertragungskennlinien gegenüber. The comparison of the transmission functions of the microphone and the approximated 2nd type Cheybyscheff filter shows the quality of the approximation in the frequency range between 1 Hz and 50 Hz. Figure 4.12 compares the two transmission characteristics.
Der Verlauf der Mikrofonkennlinie konnte durch den verwendeten Filter über einen großen Frequenzbereich gut angenähert werden. Abweichungen existieren zwischen 6 Hz und 40 Hz. Die größte Abweichung von rund 1 dB tritt bei 10 Hz auf. Der Unterschied in den Überfragungskennlinien führt bei der Verarbeitung der Messwerte zu einer Dämpfung der Frequenzanteile im angesprochenen Bereich um bis zu 1 dB gegenüber dem tatsächlichen Wert.The course of the microphone characteristic could be approximated well by the filter used over a large frequency range. Deviations exist between 6 Hz and 40 Hz. The largest deviation of around 1 dB occurs at 10 Hz. The difference in the survey characteristic curves leads to a damping of the frequency components in the mentioned range by up to 1 dB compared to the actual value when processing the measured values.
Die Kombination der Filterung im hochfrequenten Bereich zur Reduktion der Resonanzen im Messsignal mit der Filterung im niederfrequenten Bereich zur Korrektur der Hochpasswirkung des Messsystems hat sich als effiziente und stabile Methode erwiesen, mit der alle Messdaten ohne gravierende Verfälschungen bearbeitet werden konnten. 4.7 FehlerquellenThe combination of filtering in the high-frequency range to reduce the resonances in the measurement signal with filtering in the low-frequency range to correct the high-pass effect of the measuring system has proven to be an efficient and stable method with which all measurement data could be processed without serious falsifications. 4.7 Sources of error
Die durch die Absorption von Licht im Probenmaterial hervorgerufenen Temperaturänderungen bewirken in der photoakustischen Messzelle Druck- oszillationen, die mit einem Mikrofon gemessen werden. Prinzipbedingt reagiert das Mikrofon auf jede Art von Druckänderungen, unabhängig von ihrem Ursprung. Aus diesem Grund ist die Beschäftigung mit möglichen Fehlerquellen und Artefakten in den Messdaten notwendig. Die wesentlichsten Ursachen für Störungen des photoakustischen Messsignals sind hörbarer Schall, Relativbewegungen zwischen Probe und Messkopf, Köperschall oder Bewegungen des Messkopfes mit der Probe. Die Amplitude der Störungen übersteigt in den meisten Fällen die der photoakustischen Druckoszillationen. Es sind daher Vorkehrungen zu treffen, um die Störeinflüsse auf das Messsignal zu minimieren. Die Maßnahmen können sowohl konstruktiver Natur sein, als auch im Rahmen der Messwerterfassung liegen.The temperature changes caused by the absorption of light in the sample material cause pressure oscillations in the photoacoustic measuring cell, which are measured with a microphone. In principle, the microphone responds to any type of pressure change, regardless of its origin. For this reason, dealing with possible sources of error and artifacts in the measurement data is necessary. The main causes of disturbances in the photoacoustic measurement signal are audible sound, relative movements between the sample and the measuring head, structure-borne sound or movements of the measuring head with the sample. In most cases, the amplitude of the interference exceeds that of the photoacoustic pressure oscillations. Precautions must therefore be taken to minimize the interference with the measurement signal. The measures can be both constructive in nature and within the scope of the measured value acquisition.
Reduktion des UmgebungsschallsReduction of ambient noise
Die einfachste und naheliegendste Möglichkeit zur Verminderung von äußeren Einflüssen auf das Messsignal besteht in der Reduktion des Laborlärms. Diese Forderung ist durch den Experimentierenden in aller Regel gut zu erfüllen. Ein Problem stellen die niederfrequenten Anteile des Störschalls dar, die vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen werden können. Diese Schwingungen mit Frequenzen kleiner als 1 Hz lassen sich durch konstruktive Vorkehrungen nur sehr schlecht dämpfen. Ihre Ursache liegt meist in konstruktiven Fehlem der Bauausführung des Gebäudes. Sie können, wie im Labor des Verfassers, beträchtliche Amplituden annehmen.The simplest and most obvious way to reduce external influences on the measurement signal is to reduce laboratory noise. As a rule, this requirement can be met well by the experimenter. The low-frequency components of interference noise, which can no longer be perceived by the human ear, are a problem. These vibrations with frequencies lower than 1 Hz are very difficult to dampen by constructive measures. Their cause mostly lies in construction errors in the construction of the building. As in the author's laboratory, they can assume considerable amplitudes.
Der Einfluss dieser Schwingungen kann durch einen entsprechend dimensionierten schwingungsgedämpften Aufbau verringert werden. Durch die Wahl eines Mikrofons mit einer unteren Grenzfrequenz oberhalb des störenden Frequenzbereiches kann der Einfluss auf das Messsignal weiter vermindert werden.The influence of these vibrations can be reduced by an appropriately dimensioned vibration-damped structure. By choosing a microphone with a lower cut-off frequency above the disturbing frequency range, the influence on the measurement signal can be further reduced.
Beide Maßnahmen wurden im Rahmen der Arbeit berücksichtigt. Der Aufbau für Messungen an Proben befand sich komplett auf einem schwingungs- gedämpften optischen Tisch. Während der in-vivo Messungen wurde der Messkopf mit einer elastischen Halterung fixiert. Die Grenzfrequenz des verwendeten Mikrofons beträgt 3.5 Hz.Both measures were taken into account in the work. The setup for measurements on samples was completely on a vibration subdued optical table. During the in-vivo measurements, the measuring head was fixed with an elastic holder. The cutoff frequency of the microphone used is 3.5 Hz.
Reduktion von RelativbewegungenReduction of relative movements
Dieser Punkt ist von großer Bedeutung für in-vivo Untersuchungen an lebenden Objekten. Naturgemäß sind die dem Experiment zugänglichen Körperpartien ständig in Bewegung, so dass eine kontrollierte Messung über einen längeren Zeitraum nur schwer möglich ist. Eine Lösung stellt die relative Fixierung des Messkopfes auf der Haut durch eine Halterung dar. Der Nachteil besteht in der eingeschränkten Untersuchungsmöglichkeit, da nur noch Arm oder Bein zugänglich sind. Aufgrund des Eigengewichtes des Messkopfes konnten auch mit dieser Lösung Relativbewegungen nicht vollständig unterdrückt werden. Eine Umkehr des Prinzips, quasi die Befestigung des Körperteils auf der Mess-This point is of great importance for in-vivo investigations on living objects. Naturally, the body parts accessible to the experiment are constantly in motion, so that a controlled measurement over a longer period of time is difficult. One solution is the relative fixation of the measuring head on the skin by means of a holder. The disadvantage is the limited possibility of examination, since only the arm or leg are accessible. Due to the weight of the measuring head, relative movements could not be completely suppressed even with this solution. A reversal of the principle, the attachment of the body part to the measuring
Die federnde Aufhängung des Messkopfes vermindert die Übertragung von Schwingungen aus der Anordnung und sorgt gleichzeitig für einen konstanten Anpressdruck. Durch die Auflage des Armes auf zwei Stützen werden Bewegungen weitestgehend vermieden.The resilient suspension of the measuring head reduces the transmission of vibrations from the arrangement and at the same time ensures a constant Contact pressure. By placing the arm on two supports, movements are largely avoided.
Körperschallstructure-borne sound
Störungen durch Körperschall können die verschiedensten Ursachen haben und lassen sich kaum durch konstruktive Maßnahmen beseitigen. Die Nutzung einer schwingungsgedämpft gelagerten Messanordnung reduziert den Einfluss bereits erheblich. Diese Lösung eignet sich jedoch nur für Messungen an toten Proben. Untersuchungen an lebenden Objekten werden von Störungen beeinflusst, die ihre Ursache im Stoffwechsel des Organismus haben und nicht beeinflussbar sind. Der Blutfluss in den Gefäßen und Muskelkontraktionen verursachen Störungen im Frequenzbereich unter 20 Hz.Structure-borne noise can have a variety of causes and can hardly be eliminated by constructive measures. The use of a vibration-damped measuring arrangement already reduces the influence considerably. However, this solution is only suitable for measurements on dead samples. Studies on living objects are influenced by disorders that are caused by the metabolism of the organism and cannot be influenced. Blood flow in the vessels and muscle contractions cause disturbances in the frequency range below 20 Hz.
In Abbildung 4.14 werden die Störungen der Messung aufgrund der Aktivität des Organismus mit den Störungen, die durch externe Schallquellen bedingt sind, verglichen. Die Grenze von 20 Hz stellt für die photoakustischen Experimente mittels periodischer Modulation des Lichtes ein Limit dar, unterhalb dessen die elektronische Datenverarbeitung keine ausreichende Dämpfung mehr gewährleisten kann. Figure 4.14 compares the measurement disturbances due to the activity of the organism with the disturbances caused by external sound sources. The limit of 20 Hz represents a limit for the photoacoustic experiments by means of periodic modulation of the light, below which the electronic data processing can no longer guarantee adequate attenuation.
Bei der Verwendung von gepulstem Anregungslicht können diese Störungen weitestgehend durch Mittelwertbildung einer Anzahl von Messzyklen ausgeglichen werden.When using pulsed excitation light, these disturbances can be largely compensated for by averaging a number of measurement cycles.
Bewegung des GesamtsystemsMovement of the overall system
Bewegungen des Komplexes aus Messkopf und Probe stellen ausschließlich für Messungen an lebenden Objekten ein Problem dar. Eine Teillösung besteht, wie bereits beschrieben, in der Fixierung des Messkopfes relativ zur Probe. Durch die Verkürzung der Messzeit kann die Wahrscheinlichkeit einer Bewegung innerhalb der Messung weiter reduziert werden.Movements of the measuring head and sample complex represent a problem only for measurements on living objects. As already described, a partial solution consists in fixing the measuring head relative to the sample. By shortening the measurement time, the probability of movement within the measurement can be further reduced.
Vergleich periodische Modulation - gepulste AnregungComparison of periodic modulation - pulsed excitation
In den vorangegangenen Abschnitten wurden die vielfältigen Fehlerquellen der photoakustischen Messung durch äußere Einflüsse beschrieben und diskutiert. Besonders kritisch sind dabei die Untersuchungen am lebenden Objekt. Die Methode der periodischen Modulation ist ohne Einschränkungen für alle toten Proben geeignet, bei denen die lange Messdauer ohne Einfluss auf das Signal/Rausch- Verhältnis bleibt Aufgrund der durch körpereigene Störungen vorgegebenen unteren Grenzfrequenz von ca. 20 Hz erschließt sich diesem Messverfahren eine Tiefe von maximal 20 μm (Temperaturleitfähigkeit 2.8 10"8m2/s). Damit bleibt das Verfahren mr die meisten medizinischen Fragestellungen von untergeordneter Bedeutung. Vorteilhaft kann das Verfahren für die spektrale Untersuchung von Hautpartien eingesetzt werden, wenn Chopperfrequenzen im Bereich von einigen 100 Hz bis zu 2 kHz genutzt werden können. Das entspricht einem Messfenster von ca.2 - 6 μm Tiefe.In the previous sections, the various sources of error in photoacoustic measurement due to external influences were described and discussed. The investigations on the living object are particularly critical. The method of periodic modulation is suitable for all dead samples without restrictions, for which the long measurement duration has no influence on the signal-to-noise ratio. Due to the lower cut-off frequency of approx. 20 Hz specified by the body's own disturbances, this measurement method has a maximum depth 20 μm (temperature conductivity 2.8 10 "8 m 2 / s). This means that the method remains of minor importance for most medical questions. The method can advantageously be used for the spectral examination of skin areas if chopper frequencies in the range from a few 100 Hz to 2 kHz can be used, which corresponds to a measuring window of approx. 2 - 6 μm depth.
Die gepulste Anregung kann durch eine adäquate Datenakquisition den gesamten Frequenzbereich des Mikrofons ausnutzen und somit ein Messfenster von ca. 4 μm bis 200 μm erreichen. Die Begrenzung in der Tiefe ist durch die Obere Grenzfrequenz des Mikrofons und die Übertragungseigenschaften des Messkopfes bedingt. Sie kann unter Nutzung einer Messkopfgeometrie mit anderen Resonanzeigenschaften leicht auf 1 bis 2 μm gesenkt werden,The pulsed excitation can utilize the entire frequency range of the microphone through adequate data acquisition and thus achieve a measurement window of approx. 4 μm to 200 μm. The limitation in depth depends on the upper limit frequency of the microphone and the transmission properties of the measuring head. It can easily be reduced to 1 to 2 μm using a measuring head geometry with other resonance properties,
Die gepulste Anregung ist vom Standpunkt der Störungsbetrachtung für in-vivo Untersuchungen das geeignetere Messverfahren. Aufgrund des Fehlens von kontinuierlich durchstimmbaren Lasern muss die periodische Modulation bei spektralen Fragestellungen noch eingesetzt werden. The pulsed excitation is the more suitable measuring method from the point of view of the disturbance for in-vivo investigations. Due to the lack of Periodically modulated lasers still have to be used for spectral questions.
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Auswertung der ExperimenteEvaluation of the experiments
Die Experimente sollen die Übereinstimmung der in den Abschnitten 2 bis 4 dargelegten Theorie mit den praktischen Messergebnissen an einigen ausgewählten Beispielen verdeutlichen. Zunächst werden Proben aus nicht lebendem Material untersucht, um die allgemeinen Aussagen der Theorie zu prüfen. Im Anschluss werden einige Messungen an Gelatine und Schweinehaut vorgestellt, deren thermophysikalische Eigenschaften dem lebenden Objektes nahe kommen. Den Abschluss büden Experimente am lebenden biologischen Gewebe. Dieses schrittweise Vorgehen wurde gewählt, da die experimentellen Schwierigkeiten der Messung am lebenden Objekt den Grad der Überemsthnmung mit der Theorie stark überdecken können.The experiments should clarify the agreement of the theory presented in sections 2 to 4 with the practical measurement results using a few selected examples. First, samples of non-living material are examined in order to test the general statements of the theory. Subsequently, some measurements on gelatin and pig skin are presented, the thermophysical properties of which come close to the living object. The conclusion would be experiments on living biological tissue. This step-by-step approach was chosen because the experimental difficulties of measuring the living object can overwhelm the degree of over-exposure with theory.
5.1 Farbglasfilter mit transparenter Deckschicht5.1 Colored glass filter with a transparent top layer
Die ersten Untersuchungen fanden an einer künstlich aufgebauten Schichtstruktur aus unterschiedlich stark absorbierenden Gläsern statt. Ein optischer Farbglasfilter vom Typ RG 610 wurde mit einer verschieden großen Zahl von Mikroskopierdeckgläsern bedeckt. Das entstehende räumliche Profil des optischen Absorptionskoeffizienten unterscheidet sich nur wenig von dem im Abschnitt 3 verwendeten Stufenprofil. Die Position der Stufe im räumlichen Absorptionsprofil der Schichtstruktur lässt sich durch die Anzahl der verwendeten Deckgläser steuern. Die optischen und thermischen Eigenschafren des optischen Filtermaterials sind bekannt. Durch den schichtweisen Aufbau der Probe lassen sich unterschiedliche Ortsabhängigkeiten des optischen Absorptionskoeffizienten leicht erstellen und reproduzieren. Ein Tropfen Wasser zwischen den einzelnen Glasschichten diente zur Verbesserung des Wärmekontaktes.The first investigations were carried out on an artificially constructed layer structure made of glasses with different absorbances. An optical colored glass filter of the type RG 610 was covered with a different number of microscope cover glasses. The resulting spatial profile of the optical absorption coefficient differs only slightly from the step profile used in section 3. The position of the step in the spatial absorption profile of the layer structure can be controlled by the number of cover glasses used. The optical and thermal properties of the optical filter material are known. The layered structure of the sample makes it easy to create and reproduce different spatial dependencies of the optical absorption coefficient. A drop of water between the individual glass layers served to improve the thermal contact.
Aus dem Schichtaufbau der Proben ergeben sich Abweichungen vom zu Grunde gelegten Modell des thermisch homogenen Körpers. Die Grenzflächen zwischen den Glasschichten wirken als thermische Barrieren, die zu einer Veränderung des Wärmeflusses in der Struktur fuhren. Durch die Verwendung verschiedener Glassorten ergibt sich streng genommen ein sogenanntes phototheimisches Problem 3. Art /Power/.The layer structure of the samples results in deviations from the underlying model of the thermally homogeneous body. The interfaces between the glass layers act as thermal barriers that lead to a change of the heat flow in the structure. Strictly speaking, the use of different types of glass results in a so-called phototheim problem of the 3rd kind / power /.
Die Struktur wurde trotz dieser Einschränkungen ausgewählt, da durch die Schichtung mit Wasser als Haftvermittler eine effektive Reduzierung der thermischen Barrieren erreicht werden kann und sich andererseits die Temperaturleitfahigkeit der beiden verwendeten Glassorten nur geringfügig unterschied. Die Struktur eignet sich daher für die prinzipielle Untersuchung der Algorithmen und des Messaufbaus. Bei der Auswertung und Interpretation der Ergebnisse müssen die Besonderheiten des Systems jedoch berücksichtigt werden. Die physikalischen Eigenschaften des Filters sowie der Mikroskopierdeckgläser sind in folgender Tabelle zusammengefasst.The structure was selected despite these restrictions, since the layering with water as an adhesion promoter can effectively reduce the thermal barriers and, on the other hand, the temperature conductivity of the two types of glass used differed only slightly. The structure is therefore suitable for the basic investigation of the algorithms and the measurement setup. However, the special features of the system must be taken into account when evaluating and interpreting the results. The physical properties of the filter and the microscope cover glasses are summarized in the following table.
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Die Abdichtung der offenen photoakustischen Messzelle auf dem Glas wurde mit Vakuumfett realisiert.The open photoacoustic measuring cell was sealed on the glass with vacuum grease.
5.1.1 Gepulste Anregung5.1.1 Pulsed excitation
Es wurden fünf verschiedene Schichtsysteme untersucht. Die Anzahl der Deckgläser variierte zwischen eins und fünf. In Abbildung 5.1 sind die aufgenommenen Messkurven nach gepulster Anregung mit einem frequenzverdoppelten NdYag-Laser bei 532 nm dargestellt. Five different layer systems were examined. The number of coverslips varied between one and five. Figure 5.1 shows the recorded measurement curves after pulsed excitation with a frequency-doubled NdYag laser at 532 nm.
Das Maximum des Druckes verschiebt sich deutlich in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Deckgläser. Die Amplitude sinkt mit zunehmender Dicke der Deckglasschicht. Die Ursache der zeitlichen Verschiebung liegt in der endlichen Laufzeit der durch den Laserimpuls angeregten thermischen Wellen im Probenmaterial. Je dicker die zu durchquerende Schicht der Deckgläser, desto mehr Zeit benötigen die im Farbglasfilter erzeugten thermischen Wellen zum Erreichen der Oberfläche. Die Dämpfung der thermischen Wellen in der durchquerten Deckschicht führt zur beobachteten Verringerung der Druckamplitude.The maximum of the pressure shifts significantly depending on the number of cover glasses used. The amplitude decreases with increasing thickness of the cover glass layer. The cause of the time shift lies in the finite running time of the thermal waves in the sample material excited by the laser pulse. The thicker the cover glass layer to be traversed, the more time the thermal waves generated in the colored glass filter need to reach the surface. The damping of the thermal waves in the crossed cover layer leads to the observed reduction in the pressure amplitude.
Der unmittelbar nach Ende des Laserpulses zum Zeitpunkt t = 0 erkennbare Anstieg des photoakustischen Messsignals wird durch die Absorption des Laserlichtes in den Deckgläsern hervorgerufen. Er ist nahezu unabhängig von der Zahl der verwendeten Deckgläser. Besonders deutlich wird dieses Verhalten an den Kurven 3, 4 und 5. In den Kurven 1 und 2 dominiert die Absorption im optischen Farbglasfilter über den Anteil der Deckgläsern. Am Beispiel der Ergebnisse des Stufenabsorptionsprofils lässt sich eine Schwäche des Messsystems, die bereits im Abschnitt 4 diskutiert wurde, illustrieren. Die Frequenzanteile der photoakustischen Druckwelle werden durch das frequenzabhängige Übertragungsverhalten des Messaufbaus unterschiedlich stark gewichtet. Daraus ergeben sich Abweichungen der experimentellen Daten von den theoretischen Werten. Die untere Grenzfrequenz des Systems beträgt ca. 10 Hz. Daher können insbesondere niederfrequente Druckänderungen in der Messzelle nicht mehr aufgelöst werden. Im konkreten Fall führt das zum beobachteten frühzeitigen Abfall des Drucks. Die im Abschnitt 4.6 beschriebene Filterung der Messdaten im niederfrequenten Bereich dient zur Korrektur dieses Verhaltens.The increase in the photoacoustic measurement signal which can be seen immediately after the end of the laser pulse at time t = 0 is caused by the absorption of the laser light in the cover glasses. It is almost independent of the number of coverslips used. This behavior becomes particularly clear on curves 3, 4 and 5. In curves 1 and 2, the absorption in the optical colored glass filter dominates over the proportion of cover glasses. A weakness of the measuring system, which was already discussed in Section 4, can be illustrated using the results of the step absorption profile as an example. The frequency components of the photoacoustic pressure wave are weighted differently by the frequency-dependent transmission behavior of the measurement setup. This results in deviations of the experimental data from the theoretical values. The lower limit frequency of the system is approx. 10 Hz. Therefore, especially low-frequency pressure changes in the measuring cell can no longer be resolved. In the specific case, this leads to the observed early drop in pressure. The filtering of the measurement data in the low-frequency range described in section 4.6 serves to correct this behavior.
Nach Filterung der Messdaten wurde der Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten in der Probe mittels EM NNLS berechnet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5.2 zusammengefasstAfter filtering the measurement data, the course of the optical absorption coefficient in the sample was calculated using EM NNLS. The results are summarized in Figure 5.2
Das Ergebnis der Berechnungen für das Absorptionsprofil mit einem Deckglas entspricht in der räumlichen Position der Stufe bei ca. 140 μm dem verwendeten Schichtaufbau. Der Fehler der Lösung steigt mit der Anzahl der verwendeten Deckgläser. Die Ursache fiir dieses Verhalten wurde bereits zu Beginn dieses Abschnittes diskutiert. Sie liegt im wesentlichen in dem zugrunde gelegten Modell des Wärmetransports. Die Struktur der Probe weicht vom Ideal des thermisch homogenen Körpers ab. Die entstehenden Grenzflächen behindern den Wärmefluss aus den tieferen Schichten der Probe. Es entstehen Reflexionserscheinungen. Daraus folgt, dass der Fehler der Berechnung des optischen Absorptionskoeffizienten mit der Anzahl der Grenzflächen ansteigt.The result of the calculations for the absorption profile with a cover glass corresponds to the layer structure used in the spatial position of the step at approx. 140 μm. The error of the solution increases with the number of coverslips used. The cause of this behavior was discussed at the beginning of this section. It lies essentially in the underlying model of heat transport. The structure of the sample deviates from the ideal of the thermally homogeneous body. The resulting interfaces hinder the flow of heat from the deeper layers of the sample. There are reflections. It follows that the error in the calculation of the optical absorption coefficient increases with the number of interfaces.
Neben dieser Besonderheit fällt ein kontinuierlicher Abfall des optischen Absorptionskoeffizienten mit steigender Anzahl der Deckgläser auf. Die Ursache liegt im niederfrequenten Übertragungsverhalten des Messsystems. Die Korrektur der Messdaten durch die beschriebene Filterung ist nur näherungsweise richtig. Die verbleibende Dämpfung der Frequenzen kleiner als 10 Hz im Messsignal führt zu einer Untergewichtung der entsprechenden Signalamplituden im Regulationsverfahren. Die betroffenen langsamen und erst längere Zeit nach Ende des Laserpulses auftretenden Druckänderungen werden durch thermische Wellen verursacht, die ihren Ursprung in tieferen Schichten der Probe haben. Die Lösung wird daher den Absorptionskoeffzienten in diesen Regionen der Probe verkleinert darstellen.In addition to this peculiarity, there is a continuous decrease in the optical absorption coefficient with an increasing number of cover glasses. The cause lies in the low-frequency transmission behavior of the measuring system. The correction of the measurement data by the filtering described is only approximately correct. The remaining attenuation of the frequencies less than 10 Hz in the measurement signal leads to an underweighting of the corresponding signal amplitudes in the regulation process. The slow and affected pressure changes that occur only after the laser pulse has ended are caused by thermal waves that originate in deeper layers have the sample. The solution will therefore represent the absorption coefficient in these regions of the sample in a reduced form.
Mit dem besprochenen Verfahren gelingt es trotz dieser Emschränkungen den ortsabhängigen Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten zumindest tendenziell richtig zu berechnen. Die Absorption der Deckgläser, die im Vergleich zum Farbglasfilter um den Faktor 103 geringer ist, kann nicht aufgelöst werden. Lediglich für die Proben 3 - 5, bei denen bereits in den Messdaten der Beitrag der Deckschicht gut zu erkennen war, ist ein von der Oberfläche fallender Absorptionskoeffizient berechnet worden. Das notwendige Regulationsverfahren führt zu einem Informationsverlust Es unterdrückt Einzelheiten mit geringen Amplituden in der Ortsabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten. Das Experiment zeigt deutlich die Möglichkeiten, aber auch die Probleme der praktischen Berechnung der optischen Eigenschaften aus den gemessenen photoakustischen Daten. Konekte Ergebnisse lassen sich nur bei Proben erzielen, die näherungsweise dem Modell des thermisch homogenen Körpers entsprechen. Darüber hinaus muss die Temperaturleitfähigkeit des Probenmaterials bekannt sein. Für den verwendeten Messaufbau sollte der Anteil der Frequenzen im Messsignal unter 10 Hz möglichst gering sein, um die Fehler der Lösung aufgrund der Verarbeitung der Messsignale zu minimieren.In spite of these limitations, the method discussed succeeds in calculating the location-dependent profile of the optical absorption coefficient, at least as a tendency, correctly. The absorption of the cover glasses, which is 10 3 times lower than that of the colored glass filter, cannot be resolved. An absorption coefficient falling from the surface was only calculated for samples 3 - 5, for which the contribution of the cover layer was already clearly visible in the measurement data. The necessary regulation process leads to a loss of information. It suppresses details with small amplitudes in the position dependence of the absorption coefficient. The experiment clearly shows the possibilities, but also the problems of practical calculation of the optical properties from the measured photoacoustic data. Concrete results can only be achieved with samples that approximate the model of the thermally homogeneous body. In addition, the temperature conductivity of the sample material must be known. For the measurement setup used, the proportion of frequencies in the measurement signal should be as low as possible below 10 Hz in order to minimize the errors in the solution due to the processing of the measurement signals.
5.1.2 Periodisch modulierte Anregung5.1.2 Periodically modulated excitation
Die Untersuchungen mittels periodisch modulierter Anregungsstrahlung wurden mit den bereits unter 5.1.1 benutzten Schichtstrukturen durchgeführt. Der ortsabhängige Verlauf des optischen Absoφtionskoeffizienten soll aus der Frequenzabhängigkeit der Amplitude berechnet werden. Die Experimente wurden mit dem unter Abschnitt 4 beschriebenen Messplatz durchgeführt. Die Chopperfrequenz überstrich den Bereich zwischen 3 Hz und 50 Hz. Der Chopper war mit einer 2-Schlitzscheibe ausgerüstet. Nur so konnte die notwendige Frequenzstabilität erreicht werden. Die Schrittweite variierte je nach Frequenzbereich zwischen 1 und 4 Hz. Die Messdauer pro Frequenzwert betrug 20 s. Die Messdaten wurden auf Ruß als Referenz normiert. Die Untersuchungen fanden ebenso wie die Laserexperimente bei 532 nm statt.The investigations using periodically modulated excitation radiation were carried out with the layer structures already used in 5.1.1. The location-dependent course of the optical absorption coefficient is to be calculated from the frequency dependence of the amplitude. The experiments were carried out with the measuring station described in section 4. The chopper frequency covered the range between 3 Hz and 50 Hz. The chopper was equipped with a 2-slot disc. This was the only way to achieve the necessary frequency stability. The step size varied between 1 and 4 Hz depending on the frequency range. The measurement duration per frequency value was 20 s. The measurement data were standardized on soot as a reference. The investigations as well as the laser experiments took place at 532 nm.
Abbildung 5.3 stellt die Ergebnisse als frequenzabhängige Amplitude und Phase der Druckoszillationen in der Messzelle dar. Proben mit mehr als zwei Deckgläsern konnten nicht untersucht werden, da das Signal/Rausch-Verhältnis dieser Messungen nur ungenügend war. Der Chopper arbeitete in dem für diese Messungen notwendigen Bereich von 1-2 Hz instabil. Die damit verbundenen Störungen können durch den Lόck-In- Verstärker nicht unterdrückt werden. Figure 5.3 shows the results as the frequency-dependent amplitude and phase of the pressure oscillations in the measuring cell. Samples with more than two cover glasses could not be examined because the signal / noise ratio of these measurements was only insufficient. The chopper was unstable in the range of 1-2 Hz required for these measurements. The associated interference cannot be suppressed by the Lόck-In amplifier.
Die Amplitude und Phase verlaufen für beide Proben im Frequenzbereich größer als 30 Hz nahezu deckungsgleich. Zu tieferen Frequenzen schließt sich ein lokales Minimum der Amphtude an. Es befindet sich je nach Anzahl der Deckgläser bei ca. 25 Hz bzw. 10 Hz. Darauf folgt mit weiter fallender Frequenz ein monotoner Anstieg der Amplitude bis zum Maximalwert bei der unteren Grenzfrequenz des Experimentes. Die Phase zeigt in der Nähe des lokalen Minimums der Amplitude einen Sprung.The amplitude and phase are almost congruent for both samples in the frequency range greater than 30 Hz. At lower frequencies there is a local minimum of the amphtude. Depending on the number of cover glasses, it is at approx. 25 Hz or 10 Hz. This is followed by a monotonous increase in the amplitude as the frequency continues to decrease to the maximum value at the lower limit frequency of the experiment. The phase shows a jump near the local minimum of the amplitude.
Das beobachtete Verhalten wird maßgeblich durch die frequenzabhängige thermische Diflusions-länge μ (Gl. 2.27) bestimmt. Sie steuert die aktive Schichtdicke in der Probe, aus der thermische Wellen zum Messsignal beitragen können. Die Erhöhung der Chopperfrequenz verkleinert die aktive Schicht Oberhalb von 30 Hz tragen nur noch thermische Wellen, die innerhalb des am Messkopf anliegenden Deckglases erzeugt werden, zum Messsignal bei. Das Deckglas absorbiert über die gesamte Materialstärke gleichförmig. Der photoakustische Druck ändert sich daher bei weiterer Erhöhung der Frequenz nicht. Aus dem gleichen Grund ändern sich die Druckamplitude und -phase für die Probe mit zwei Deckgläsern bis zu einer Chopperfrequenz von ca.10 Hz nur wenig. Die thermische Diffusionslänge befindet sich im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 30 Hz innerhalb des zweiten Deckgläschens.The behavior observed is largely determined by the frequency-dependent thermal diffusion length μ (Eq. 2.27). It controls the active layer thickness in the sample, from which thermal waves can contribute to the measurement signal. Increasing the chopper frequency reduces the active layer. Above 30 Hz, only thermal waves that are within the am Measuring head adjacent cover glass are generated to the measurement signal. The cover slip absorbs uniformly over the entire material thickness. The photoacoustic pressure therefore does not change with a further increase in frequency. For the same reason, the pressure amplitude and phase for the sample with two cover glasses change only slightly up to a chopper frequency of approx. 10 Hz. The thermal diffusion length is in the frequency range between 10 Hz and 30 Hz within the second cover slip.
Das lokale Minimum der Amplitude und der abrupte Abfall der Phase bei ca. 25 Hz bzw. 10 Hz ist ein Indiz für den Durchgang der thermischen Diffusionslänge durch eine thermische Barriere. Sie führt auf der dem Farbfilter zugewandten Seite zu einer Vergrößerung der Wärmedichte infolge teilweiser Reflexion der thermischen Welle. Umgekehrt verringert sich die Wärmedichte im Vergleich zum theoretischen Ansatz auf der oberflächennahen Seite. Der Verdacht auf thermische Inhomogenitäten wurde bereits bei der Auswertung der Ergebnisse für die gepulste Anregung geäußert. Die vorliegenden Ergebnisse der periodischen Modulation bestätigen die Annahme.The local minimum of the amplitude and the abrupt drop in phase at approx. 25 Hz and 10 Hz is an indication of the passage of the thermal diffusion length through a thermal barrier. On the side facing the color filter, it leads to an increase in the heat density due to partial reflection of the thermal wave. Conversely, the heat density is reduced compared to the theoretical approach on the surface near the surface. The suspicion of thermal inhomogeneities was already expressed when evaluating the results for the pulsed excitation. The results of the periodic modulation confirm the assumption.
Aus den Messdaten wurde, wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben, der räumliche Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten berechnet. Die Resultate sind in Abbildung 5.4 dargestellt.As described in the previous sections, the spatial profile of the optical absorption coefficient was calculated from the measurement data. The results are shown in Figure 5.4.
Die Ergebnisse stimmen mit der tatsächlichen Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten weitgehend überein. Die Abweichungen sind auf die bereits diskutierten thermischen Inhomogenitäten, bedingt durch den Schichtaufbau, zurückzuführen. Die Stufe im Profil des Absorptionskoeffizienten erscheint im Ergebnis um ca. 10 bzw. 30 μm in die Probe verschoben. Der relative Fehler hegt damit im Bereich von 10%. The results largely agree with the actual location dependence of the optical absorption coefficient. The deviations are due to the thermal inhomogeneities already discussed, due to the layer structure. The level in the profile of the absorption coefficient appears shifted into the sample by approx. 10 or 30 μm. The relative error is therefore in the range of 10%.
Im Vergleich zu den Ergebnissen der gepulsten Anregung sind die berechneten Absorptionsprofile in positive z-Richtung in die Probe verschoben. Der Fehler ist insgesamt geringer. Das ist vor allem auf die direkt im Frequenzraum effizienter arbeitende Korrektur der Messdaten zurückzuführen.Compared to the results of the pulsed excitation, the calculated absorption profiles are shifted into the sample in the positive z direction. The overall error is less. This is primarily due to the correction of the measurement data, which works more efficiently in the frequency domain.
Die Versuche zeigen deutlich, welcher Frequenzbereich für Messungen mittels periodisch modulierter Anregungsstrahlung genutzt werden muss, um Tiefenauflösung im Bereich vom 100 μm eneichen zu können. Für die menschliche Haut beträgt die benötigte untere Grenzfrequenz ca. 1 Hz. Dieser Frequenzbereich ist durch den bestehenden Messaufbau nicht erreichbar. Das Messsystem eignet sich daher nicht zur Bestimmung der Absorption der menschlichen Haut bis zu einer maximalen Tiefe von 100 μm. Die photoakustische Untersuchung mit periodisch moduliertem Anregungslicht ist daher nur für Tiefen kleiner 100 μm sinnvoll. Die Dauer der Messung pro Frequenz liefert ein weiteres Argument gegen den Einsatz für in-vivo Untersuchungen. Aufgrund der notwendigen Einschwingzeit des Lock-In- Verstärkers sind ca. 10 - 15 s pro Frequenzwert notwendig. Die Dauer der gesamten Messung beträgt damit schon bei geringen Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich des Frequenzbereiches und der Frequenzschrittweite 5 Minuten. Bei solch langer Messdauer können Störungen, die auf die Bewegung des lebenden Objektes zurückzuführen sind, nicht mehr kompensiert werden. Aus diesem Grund sind die folgenden Experimente ausschließUch mit dem gepulsten Licht eines gütegeschalteten Lasers durchgeführt worden.The experiments clearly show which frequency range must be used for measurements using periodically modulated excitation radiation in order to be able to achieve depth resolution in the range of 100 μm. The lower limit frequency required for human skin is approx. 1 Hz. This frequency range cannot be reached with the existing measurement setup. The measuring system is therefore not suitable for determining the absorption of human skin up to a maximum depth of 100 μm. The photoacoustic examination with periodically modulated excitation light is therefore only useful for depths less than 100 μm. The duration of the measurement per frequency provides a further argument against the use for in-vivo investigations. Due to the necessary settling time of the lock-in Amplifiers require approx. 10 - 15 s per frequency value. The duration of the entire measurement is thus 5 minutes even with low accuracy requirements with regard to the frequency range and the frequency step size. With such a long measurement duration, disturbances that can be traced back to the movement of the living object can no longer be compensated for. For this reason, the following experiments have only been carried out with the pulsed light of a Q-switched laser.
5.2 Gelatineschichten5.2 Gelatin layers
Die thermischen Eigenschaften von Gelatine unterscheiden sich nur wenig von denen biologischer Gewebe. Schichten aus farbloser und gefärbter Gelatine entsprechen dem zugrunde gelegten Modell des thermisch homogenen Körpers. Durch den Schichtaufbau lässt sich reproduzierbar ein Anfangswert ß(z) einstellen, dessen räumliche Veränderung aufgrund von Diffusionsvorgängen mit der photoakustischen Methode verfolgt werden kann.The thermal properties of gelatin differ little from those of biological tissues. Layers of colorless and colored gelatin correspond to the underlying model of the thermally homogeneous body. The layer structure makes it possible to reproducibly set an initial value β (z), the spatial change of which can be followed using the photoacoustic method due to diffusion processes.
Zur Herstellung wurde handelsübliche Gelatine in destilliertem Wasser aufgelöst. Ein Teil der Lösung wurde mit Gentianaviolett eingefärbt. Gentianaviolett wird in der Mikrobiologie als Standardfarbstoff eingesetzt. Durch Anfärbung einer Bakterienkultur mit dem Farbstoff lässt sich eine Differenzierung in gram positive und gram negative Organismen vornehmen. Durch Ausgießen der Gelatine in Petrischalen entstanden farblose und gefärbte Schichten aus Gelatine. Nach Ende des Geliervorganges betrug die Schichtdicke der farblosen Schicht ca. 0.25 mm und die der farbigen Schicht 3 mm. Durch Übereinanderlegen der halbfesten Schichten entstanden die in Abbildung 5.5 skizzierten Strukturen. For the preparation, commercially available gelatin was dissolved in distilled water. Part of the solution was stained with gentian violet. Gentian violet is used as the standard dye in microbiology. By staining a bacterial culture with the dye, it is possible to differentiate between gram-positive and gram-negative organisms. By pouring the gelatin into Petri dishes, colorless and colored layers of gelatin were created. After the gelling process had ended, the layer thickness of the colorless layer was approximately 0.25 mm and that of the colored layer was 3 mm. The structures outlined in Figure 5.5 were created by superimposing the semi-solid layers.
Die Gelatine besteht zum überwiegenden Teil aus Wasser. Daher kann als Temperaturleitfahigkeit näherungsweise die des Wassers angenommen werden. Zu Beginn der Untersuchungen wurde ein Kontrollexperiment durchgeführt, das die Richtigkeit dieser Annahme bestätigte. Dazu wurde eine Anordnung zur Messung des inversen pyroelektrischen Effektes IChirtocl, bei der die Dämpfung einer Wärmewelle im Material ausgewertet wird, genützt; Während des Geliervorgangs, über einen Zeitraum von einem Tag, ergaben sich keine nennenswerte Änderungen der Temperaturleitfähigkeit.The gelatin mainly consists of water. Therefore, the temperature conductivity of water can be assumed approximately. At the beginning of the investigations, a control experiment was carried out, which confirmed the correctness of this assumption. An arrangement for measuring the inverse pyroelectric effect IChirtocl, in which the damping of a heat wave in the material is evaluated, was used for this purpose; During the gelling process over a period of one day, there were no significant changes in the temperature conductivity.
Die Diffusion der Chromophore aus der gefärbten in die farblose Gelatineschicht beginnt sofort nach der Präparation der Schichtstruktur. Ziel des Experiments ist die Verfolgung des Difrusionsvorgangs durch Messung der photoakustischen Druckantwort zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die räumliche Abgrenzung der farblosen von der gefärbten Gelatine kann, bedingt durch die Dicke der farblosen Schicht, nicht mehr aufgelöst werden. Die Laufzeit der thermischen Wellen in der farblosen Gelatine beträgt mehr als 0.15 s. Die daraus resultierenden Druckamplituden sind aufgrund des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens des Messsystems nicht mehr nachweisbar. Die Experimente sollen vielmehr zeigen, wie die Chromophore in die Deckschicht diffundieren und sich das räumliche Profil des optischen Absorptionskoeffizienten dadurch zeitlich verändert.The diffusion of the chromophores from the colored into the colorless gelatin layer begins immediately after the preparation of the layer structure. The aim of the experiment is to track the diffusion process by measuring the photoacoustic pressure response at different times. The spatial delimitation of the colorless from the colored gelatin can no longer be resolved due to the thickness of the colorless layer. The duration of the thermal waves in the colorless gelatin is more than 0.15 s. The resulting pressure amplitudes are no longer detectable due to the frequency-dependent transmission behavior of the measuring system. Rather, the experiments should show how the chromophores in the cover layer diffuse and the spatial profile of the optical absorption coefficient changes over time.
Struktur AStructure A
Die photoakustischen Druckamplituden nach Anregung der Struktur A mit einem Laserpuls bei 532 nm zeigt Abbildung 5.6. Die gesamte Amplitude steigt vom Beginn des Experimentes kontinuierlich an. Der Anstieg erfolgt jedoch nicht gleichförmig. Mit der Zeit verringern sich die relativen Änderungen. Aufgrund des Konzentrationsunterschieds zwischen farbloser und gefärbter Schicht diffundieren die Farbmoleküle des Gentianaviolett in die Deckschicht. Dadurch steigt die Konzentration des Farbstoffes in der Deckschicht was wiederum zur Vergrößerung der absorbierten Energie und damit zur Erhöhung der Druckamplitude führt. Die Diffusionskinetik folgt exponenüellen Gesetzmäßigkeiten. Die relativen Änderungen der Chromophorenkonzentration in der Deckschicht sind daher zu Beginn des Experimentes größer als am Ende. Figure 5.6 shows the photoacoustic pressure amplitudes after excitation of structure A with a laser pulse at 532 nm. The entire amplitude increases continuously from the start of the experiment. However, the rise is not uniform. The relative changes decrease over time. Due to the difference in concentration between the colorless and the colored layer, the color molecules of the gentian violet diffuse into the top layer. This increases the concentration of the dye in the top layer, which in turn leads to an increase in the absorbed energy and thus to an increase in the pressure amplitude. The diffusion kinetics follows exponential laws. The relative changes in the chromophore concentration in the top layer are therefore greater at the beginning of the experiment than at the end.
Das Maximum der Messkurven aus Abbildung 5.6 entfernt sich im Verlauf des Experiments mehr und mehr vom Urspmng der Zeitachse. Abbildung 5,7 hebt dieses Verhalten noch einmal gesondert hervor. Dargestellt ist die Zeitdifferenz zwischen Ende des Laserpulses und dem photoakustischen Druckmaximum in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Messung. Als Startpunkt t = 0 wird das Ende der Probenpräparation angenommen.The maximum of the measurement curves from Figure 5.6 moves away more and more from the original of the time axis in the course of the experiment. Figure 5.7 highlights this behavior again. The time difference between the end of the laser pulse and the photoacoustic pressure maximum is shown as a function of the time of the measurement. The end of the sample preparation is assumed to be the starting point t = 0.
Das abgebildete Verhalten wird durch den bereits beschriebenen Diffusionsvorgang der Farbmoleküle in die Deckschicht verursacht Zum Zeitpunkt t = 0, der in diesem Experiment nicht aufgelöst werden konnte, entsteht das gemessene photoakustische Signal nur durch die Eigenabsorption der farblosen Schicht Durch Diffusion steigt die Anzahl der Chromophore in der Deckschicht mit der Zeit an. Der räumliche Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten wandelt sich dadurch von einem konstanten Wert zu Beginn des Experimentes zu einem exponentiell zur Grenzschicht ansteigenden Verlauf. Damit ändert sich die Energieverteilung nach Absorption des Lichtes in der Schicht. Der in tieferen Schichten absorbierte Energieanteil steigt an, was zur beobachteten Veränderung des Druckverlaufes mit der Dauer des Experimentes führt. Die Messkurven sind bezüglich des resonanten Übertragungsverhaltens der Messzelle nicht korrigiert worden. Die Anstiegszeit des Druckes war zu gering, um die akustischen Resonanzen der Messzelle anzuregen. Die Berechnung der ortsabhängigen Wärmedichte in der Probe fand mittels EM NNLS-Verfahren statt. Die erzielten Ergebnisse sind in Abbildung 5.8 dargestelltThe behavior shown is caused by the previously described diffusion process of the color molecules into the top layer.At time t = 0, which could not be resolved in this experiment, the measured photoacoustic signal is only created by the self-absorption of the colorless layer.Diffusion increases the number of chromophores the top layer over time. The spatial course of the optical absorption coefficient changes from a constant value at the beginning of the experiment to a course that increases exponentially to the boundary layer. This changes the energy distribution after absorption of the light in the layer. The amount of energy absorbed in the deeper layers increases, which leads to the observed change in the pressure curve with the duration of the experiment. The measurement curves have not been corrected with regard to the resonant transmission behavior of the measuring cell. The rise time of the pressure was too short to stimulate the acoustic resonances of the measuring cell. The location-dependent heat density in the sample was calculated using the EM NNLS method. The results obtained are shown in Figure 5.8
Die Ortsabhängigkeit des optischen Absorptϊonskoetπzienten aus wuuuug . .« ist dem Konzentrationsprofil der Gentianaviolettmoleküle in der Deckschicht gleichzusetzen. Bereits nach 5 Minuten hat der Farbstoff einen großen Teil der Deckschicht durchquert. Die Grenze zwischen farblosem und gefärbtem Abschnitt verläuft zu diesem Zeitpunkt bei ca. 150 μm. Sie verschiebt sich mit der Zeit weiter in Richtung Oberfläche. Damit einher geht die Zunahme der Gesamtkonzentration in der Schicht Nach 18 Minuten existiert offensichtlich kein Bereich in der zuvor farblosen Deckschicht, der nicht mit Farbstoffrnolekulen durchsetzt ist. Dieses Ergebnis deckt sich mit Beobachtungen während der Versuche zur Probenpräparation. Die Deckschicht färbte sich dort sichtbar innerhalb weniger Minuten.The spatial dependence of the optical absorber coefficient from wuuuug. . «Is to be equated to the concentration profile of the gentian violet molecules in the top layer. The dye has already passed through a large part of the top layer after only 5 minutes. At this point, the boundary between the colorless and colored section runs at approx. 150 μm. Over time it shifts towards the surface. This is accompanied by an increase in the total concentration in the layer. After 18 minutes there is obviously no area in the previously colorless top layer which is not permeated with dye molecules. This result coincides with Observations during sample preparation experiments. The top layer colored there visibly within a few minutes.
Abbildung 5.S stellt den Absorptionskoeffizienten erst ah einer Tiefe von 50 μm dar. Aufgrund der geringen Absorption des Lichtes in der farblosen Deckschicht sollte sich in den oberflächennahen Schichten ein konstanter optischer Absorptionskoeffizient nahe Null ergeben. Im Ergebnis der Berechnung ist jedoch ein starker Anstieg beginnend vom ersten Punkt bis zu einem Maximum bei 20 μm mit anschließendem starken Abfall zu beobachten (Abbildung 5.9). Das Ergebnis ist unabhängig von der Art des verwendeten Regulationsverfahrens.Figure 5.S shows the absorption coefficient only at a depth of 50 μm. Due to the low absorption of light in the colorless top layer, a constant optical absorption coefficient should be close to zero in the layers near the surface. As a result of the calculation, however, a sharp increase can be observed starting from the first point up to a maximum at 20 μm with a subsequent sharp decline (Figure 5.9). The result is independent of the type of regulatory procedure used.
Die unvollständige Korrektur der Messdaten im niederfrequenten Bereich kann eine mögliche Erklärung für das Verhalten liefern. Sie führt zur Fehlbewertung entscheidender Frequenzanteile im Messsignal. Aus der in Abbildung 5.9 dargestellten Lösung lässt sich ein Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 60 Hz abschätzen, in dem die Ungenauigkeiten liegen. Diese Frequenzen ergeben sich unter Berücksichtigung der Temperaturleitfahigkeit der Gelatine und der thermischen Transitzeit τ = x2/4D. Ein Vergleich der Übertragungskennlinien des Systems mit dem zur Datenverarbeitung genutzten Filter aus Abschnitt 4.6 zeigte die unvollständige Korrektur der Messdaten in diesem Frequenzbereich. Eine weitere mögliche Erklärung liegt im Materialabtrag an der Oberfläche der Struktur, dabei kann es sich sowohl um adsorbierte Moleküle, als auch um Gelatine handeln. Eine solche Ablation fuhrt zu einer Druckerhöhung in der Messzelle. Sie tritt während der Beleuchtungsdauer des Laserpulses auf und klingt danach schnell ab. Bei der Auswertung der Druckänderungen in der Messzelle führt dieser Fehler zu einer Überbewertung der Absorption der oberflächennahen Schichten.The incomplete correction of the measurement data in the low-frequency range can provide a possible explanation for the behavior. It leads to mispricing decisive frequency components in the measurement signal. A frequency range between 10 Hz and 60 Hz, in which the inaccuracies lie, can be estimated from the solution shown in Figure 5.9. These frequencies result from the consideration of the thermal conductivity of the gelatin and the thermal transit time τ = x 2 / 4D. A comparison of the transmission characteristics of the system with the filter from Section 4.6 used for data processing showed the incomplete correction of the measurement data in this frequency range. Another possible explanation is the removal of material from the surface of the structure, which can be both adsorbed molecules and gelatin. Such an ablation leads to an increase in pressure in the measuring cell. It occurs during the duration of the illumination of the laser pulse and then quickly subsides. When evaluating the pressure changes in the measuring cell, this error leads to an overestimation of the absorption of the layers near the surface.
Grundsätzlich bestätigt der gefundene räumliche Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten die bereits bei der Diskussion der Drucksignale in Abbildung 5.6 vermuteten Vorgänge in der Probe. Die steigende Konzentration der Chromophore in der ursprünglich farblosen Schicht führt zu einer Erhöhung der Wärmedichte und einer deutlichen Verschiebung der Grenze zwischen farbloser und gefärbter Gelatine zu oberflächennahen Schichten in der Probe.Basically, the found spatial course of the optical absorption coefficient confirms the processes in the sample that were already assumed during the discussion of the pressure signals in Figure 5.6. The increasing concentration of the chromophores in the originally colorless layer leads to an increase in the heat density and a clear shift in the boundary between colorless and colored gelatin to layers near the surface in the sample.
Struktur BStructure B
Struktur B unterscheidet sich von Struktur A nur durch die Dicke der farblose Gelatinedeckschicht. Die Präparation fand unmittelbar vor der ersten Messung statt. Somit konnte der Startpunkt der Diffusion mit aufgenommen werden. Abbildung 5.10 zeigt die gemessene Druckantwort in Abhängigkeit von der Dauer des Experimentes. Die Kurvenform verändert sich im Laufe des Experimentes stark. Das photoakustische Drucksignal weist zu Beginn des Experiments einen exponentiellen Abfall auf. Die Kurvenform deutet auf eine nahezu gleichförmige Verteilung der absorbierten optischen Energie in der Deckschicht kurz nach der Probenpräparation hin. In diesem Stadium des Versuches ist die Konzentration des Farbstoffes in der Deckschicht gering, so dass der Kurvenverlauf wesentlich durch die Eigenabsorption der Gelatine bestimmt wird. Mit der Zeit erhöht sich die Konzentration des Farbstoffes in der Deckschicht infolge Diflüsion. Damit steigt die in dieser Schicht absorbierte optische Energie. Das photoakustische Signal ändert sich in ähnlicher Weise wie bereits bei Struktur A festgestellt.Structure B differs from structure A only in the thickness of the colorless gelatin top layer. The preparation took place immediately before the first measurement. The starting point of the diffusion could thus be included. Figure 5.10 shows the measured pressure response depending on the duration of the experiment. The curve shape changes significantly in the course of the experiment. The photoacoustic pressure signal exhibits an exponential drop at the beginning of the experiment. The curve shape indicates an almost uniform distribution of the absorbed optical energy in the cover layer shortly after the sample preparation. At this stage of the experiment, the concentration of the dye in the top layer is low, so that the course of the curve is essentially due to the self-absorption of the gelatin is determined. Over time, the concentration of the dye in the top layer increases due to diffusion. This increases the optical energy absorbed in this layer. The photoacoustic signal changes in a manner similar to that already determined for structure A.
Ein direkter Vergleich der photoakustischen Druckänderungen der untersuchten Gelatineproben aus den Abbildung 5.10 und 5.6 zeigt, dass sich die Kurvenform nach den ersten 15 bis 30 Minuten kaum noch ändert. Im Bereich zwischen 0 und 0.03 s sind nach 30 Minuten, abgesehen von der Amplitude des Druckes, fast keine Unterschiede mehr feststellbar. Die Amplituden unterscheiden sich nahezu um den Faktor 2. Die Angleichung der Kurven deutet auf eine sehr schnelle Diffusion hin. Dieses Verhalten deckt sich mit den experimentellen Beobachtungen, die bereits nach sehr kurzer Zeit eine deutliche Verfärbung der Deckschicht erkennen ließen. Die Messdaten wurden analog dem Vorgehen bei der Auswertung der Ergebnisse von Struktur A behandelt. Die Resultate des sich anschließenden EM NNLS-Regulationsverfahrens zeigt Abbildung 5.11.A direct comparison of the photoacoustic pressure changes of the examined gelatin samples from Figures 5.10 and 5.6 shows that the curve shape hardly changes after the first 15 to 30 minutes. In the range between 0 and 0.03 s, apart from the amplitude of the pressure, almost no differences can be determined after 30 minutes. The amplitudes differ almost by a factor of 2. The alignment of the curves indicates a very fast diffusion. This behavior coincides with the experimental observations, which showed a clear discoloration of the top layer after a very short time. The measurement data were treated analogously to the procedure for evaluating the results of structure A. The results of the subsequent EM NNLS regulation procedure are shown in Figure 5.11.
Die berechneten Ortsabhängigkeiten des optischen Absorptionskoeffizienten für Struktur A und B ähneln sich sehr. Der Wert des Absorptionskoeffizienten ist jedoch nur noch halb so groß. Bedingt durch die zweifach dickere Deckschicht verteilen sich die Chromophore in einem doppelt so großen Volumen, was zu einer Verringerung der Farbstoflkonzentration in der Deckschicht und damit zu einer geringeren Amplitude fuhren muss. Die Grenze zwischen dem farblosen und dem gefärbten Bereich in der Deckschicht unterscheidet sich kaum von der in Struktur A. Die räumliche Verschiebung dieser Grenze erfolgt bei Struktur B deutlich schneller, da der Konzentrationsunterschied der Chromophore in der farblosen und gefärbten Gelatineschicht als treibende Diffusionskraft größer ist. Die Versuche mit den Gelatineschichten haben gezeigt, dass die mathematischen Verfahren in der Lage sind, das Diffusionsverhalten von absorbierenden Substanzen in einer nicht oder wenig absorbierenden Matrix zu beschreiben. Die Lösungen sind mit Vorsicht zu interpretieren, da sich Unzulänglichkeiten in der Datenauswertung gravierend auf das Ergebnis auswirken können. Trotz dieser Einschränkungen lassen sich aus den photoakustischen Messungen Informationen ableiten, die auf keinem anderen Wege ohne Zerstörung der Probe zu gewinnen sind.The calculated spatial dependencies of the optical absorption coefficient for structure A and B are very similar. However, the value of the absorption coefficient is only half that. Due to the double-thick top layer, the chromophores are distributed in twice the volume, which must lead to a reduction in the dye concentration in the top layer and thus to a lower amplitude. The boundary between the colorless and the colored area in the top layer hardly differs from that in structure A. The spatial shift of this boundary occurs significantly faster in structure B, since the difference in concentration of the chromophores in the colorless and colored gelatin layer is greater as the driving diffusion force. The experiments with the gelatin layers have shown that the mathematical methods are able to describe the diffusion behavior of absorbent substances in a non-absorbent or poorly absorbent matrix. The solutions should be interpreted with caution, as inadequacies in the data evaluation can have a serious impact on the result. Despite these restrictions, information can be derived from the photoacoustic measurements that cannot be obtained in any other way without destroying the sample.
5.3 In-vitro Untersuchungen an Schweinehaut5.3 In-vitro tests on pig skin
In den folgenden Abschnitten werden Untersuchungen an isolierter Schweinehaut vorgestellt. Die Haut stammte aus der Innenseite des Schenkels. Die Entnahme erfolgte unmittelbar nach Tötung des Tieres. Die vereinzelt vorhandenen Borsten wurden entfernt Die so erhaltene Hautprobe wies eine große visuelle und taktile Ähnlichkeit mit der des Menschen auf. Die Messungen fand ca. 3 h nach dem Tod des Tieres statt.In the following sections, studies on isolated pig skin are presented. The skin came from the inside of the thigh. The removal took place immediately after the animal was killed. The isolated bristles were removed. The skin sample obtained in this way showed a great visual and tactile similarity to that of humans. The measurements took place about 3 hours after the animal's death.
5.3.1 Sonnencreme5.3.1 Sunscreen
Sonnencremes eignen sich ideal für die Untersuchung mit photothermischen Messmethoden. Sie haben die Aufgabe, die kurzwellige UV Strahlung, die im Organismus zu Schäden führen kann, zu absorbieren und in eine für den Organismus unschädliche Energieform umzuwandeln. Die Klasse der chemischen Absorber unter den Sonnencremes nimmt die entsprechende Strahlung auf und wandelt die Energie in Wärme um. Die Fluoreszenz der Verbindungen ist vernachlässigbar. Die von den Substanzen absorbierte Energie kann durch die photothermischen Messverfahren bestimmt werden. Es hat daher in der Vergangenheit eine Vielzahl von Versuchen gegeben, diese Messverfahren zur Charakterisierung des Verhaltens von Sonnenschutzsubstanzen auf und in der Haut einzusetzen llmhoff, Kölmel, Foulet/. Sonnenschutzsubstanzen sind auch aus einem anderen Grund ein interessantes Untersuchungsobjekt. Das Verhalten der Substanzen in der Haut ist von den Herstellern aufgrund verschiedener staatlicher Vorschriften gut untersucht. Es ist prinzipiell bekannt, in welchen Hautschichten sich die Substanzen aufhalten. Sie befinden sich ausschließlich im stratum corneum, der Hornschicht, die je nach Körperteil zwischen 2 μm und 20 μm dick sein kann. Das Durchdringen der Grenze zwischen der Hornschicht und der sich darunter befindlichen lebenden Haut findet nicht statt. Die experimentelle Situation entspricht daher dem zugrunde gelegten Modell eines thermisch homogenen Körpers.Sun creams are ideal for testing with photothermal measurement methods. They have the task of absorbing the short-wave UV radiation, which can lead to damage in the organism, and converting it into a form of energy that is harmless to the organism. The class of chemical absorbers under the sunscreen absorbs the corresponding radiation and converts the energy into heat. The fluorescence of the compounds is negligible. The energy absorbed by the substances can be determined by the photothermal measuring methods. There have therefore been numerous attempts in the past to use these measurement methods to characterize the behavior of sunscreen substances on and in the skin. Llmhoff, Kölmel, Foulet /. Sun protection substances are also an interesting object of investigation for another reason. The behavior of the substances in the skin has been well examined by the manufacturers due to various state regulations. It is known in principle in which skin layers the substances are located. They are found exclusively in the stratum corneum, the horny layer, which can be between 2 μm and 20 μm thick, depending on the part of the body. The penetration of the boundary between the horny layer and the living skin underneath does not take place. The experimental situation therefore corresponds to the underlying model of a thermally homogeneous body.
Die Untersuchungen fanden mit einer Lichtwellenlänge von 355 nm statt. Die Absorption der als UV-A Filter wirkenden Sonnenschutzsubstanzen befindet sich bei dieser Lichtenergie nahezu im Maximum. Die Eigenabsorption in den oberen Hautschichten ist im Vergleich zur Sonnencreme geringer. Die Eindringtiefe der Strahlung beträgt ca. 50 μm IBruls Weil/. Damit sind alle notwendigen experimentellen Voraussetzungen für eine Verfolgung der Diffusionsprozesse mit der photoakustischen Methode gegeben.The investigations took place with a light wavelength of 355 nm. With this light energy, the absorption of the sun protection substances acting as UV-A filters is almost at the maximum. The self-absorption in the upper layers of the skin is lower compared to the sunscreen. The penetration depth of the radiation is approx. 50 μm IBruls Weil /. This provides all the necessary experimental requirements for tracking the diffusion processes using the photoacoustic method.
Im folgenden Experiment wurden 3 mg des Produktes SC8 Suncare der Fa. St Etienne Kosmetik, Herbsleben mittels Abdruck auf einem 2 x 2 cm großen Hautareal möglichst gleichförmig verteüt. Die Messungen fanden vor dem Auftragen der Substanz, unmittelbar nach Applikation, nach 5, 15 und 45 Minuten statt. Die Ergebnisse sind in Abbüdung 5.12 zusammengestellt Die gezeigten Messdaten wurden bezüglich der akustischen Zellresonanz korrigiert. In the following experiment, 3 mg of the product SC8 Suncare from St Etienne Cosmetics, Herbsleben were distributed as uniformly as possible by means of an impression on a 2 x 2 cm skin area. The measurements were carried out before application of the substance, immediately after application, after 5, 15 and 45 minutes. The results are summarized in Fig. 5.12. The measurement data shown have been corrected with regard to acoustic cell resonance.
Die Absorption des Anregungslichtes durch die Sonnencreme führt zu einem deutlichen Anstieg der Amplitude des Messsignals. Der zeitliche Verlauf ändert sich im Vergleich zur Situation ohne Creme nur wenig. Die Unterschiede in den beiden Kurven im oberen Drittel der Abbildung 5.12 sind eindeutig auf die Creme zurückzuführen. Die Substanz liegt unmittelbar nach dem Auftragen als Fihn an der Hautoberfläche. Der größte Teil der entstehende Wärme kommt daher nur aus den unmittelbar an der Hautoberfläche liegenden Schichten.The absorption of the excitation light by the sunscreen leads to a significant increase in the amplitude of the measurement signal. The time course changes little compared to the situation without cream. The differences in the two curves in the upper third of Figure 5.12 are clearly due to the cream. The substance is immediately on the surface of the skin as a film. Most of the heat generated therefore only comes from the layers directly on the surface of the skin.
Die Diffusion der Sonnenschutzsubstanzen in die Hornschicht und ihre gleichzeitig beginnende Zersetzung fuhren in der Folge zur Verringerung der photoakustischen Signalamplitude. Die steigende Konzentration der Substanzen in tieferen Schichten der Hornhaut führt zu den im mittleren und unteren Diagramm der Abbildung 5.12 sichtbaren Veränderungen im Zeitverlauf. Die dargestellten Messwerte wurden hinsichtlich der akustischen Zellresonanz korrigiert. Die Berechnung der Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten erfolgte mittels Tikhonov-Regulationsverfahren. Die negativen Werte der Lösung wurden gleich Null gesetzt. Die Ergebnisse der Berechnung sind in Abbildung 5.13 dargestelltThe diffusion of the sunscreen substances into the horny layer and their simultaneous decomposition subsequently lead to a reduction in the photoacoustic signal amplitude. The increasing concentration of substances in the deeper layers of the cornea leads to the changes over time that are visible in the middle and lower diagram in Figure 5.12. The measured values shown were corrected with regard to acoustic cell resonance. The local dependence of the optical absorption coefficient was calculated using the Tikhonov regulation method. The negative values of the solution were set to zero. The results of the calculation are shown in Figure 5.13
Die Lösungen des Regulationsverfahrens belegen eindeutig, das bereits bei der Diskussion der Messdaten beschriebene Verhalten der Sonnencreme in der Haut. Die Substanzen befinden sich alle noch in der Hornschicht, deren Ausdehnung am Punkt der Messung ca. 10 μm betragen hat. Nach einer anfänglichen Konzentration der Creme an der Hautoberfläche erfolgt ein schnelles Eindringen der Substanz in die Hornschicht Bereits nach 5 Minuten wurde eine mittlere Tiefe von ca. 8 μm erreicht Im weiteren Verlauf des Experimentes verschiebt sich die Konzentration des Wirkstoffes nur noch langsam in die Haut hinein. Mit 136The solutions of the regulation procedure clearly prove that the behavior of the sunscreen in the skin, which was already described in the discussion of the measurement data. The substances are all still in the horny layer, the extent of which was approx. 10 μm at the point of measurement. After an initial concentration of the cream on the surface of the skin, the substance quickly penetrates into the horny layer. An average depth of approx. 8 μm was reached after only 5 minutes. In the further course of the experiment, the concentration of the active ingredient shifts only slowly into the skin , With 136
der Diffusion in tiefere Schichten erfolgt eine Verringerung der Konzentration in den oberflächennahen Schichten. Die aus den Ergebnissen in Abbildung 5.13 ableitbaren Konzentrationsänderungen an der Probenoberfläche und in der Tiefe sind nicht identisch. Die Diffusion der Substanzen erfolgt ohne räumliche Vorzugsrichtung in der Hornschicht. Die Messung schneidet aus dem Diffusionsvolumen in Form einer Halbkugel lediglich eine Scheibe heraus. Trotz dieser prinzipiellen Einschränkung lassen sich wertvolle Informationen über die Ausbreitung der Substanz in der Haut gewinnen. Durch eine punktweise Untersuchung der Oberfläche lassen sich auch quasi dreidimensionale Diffusionsprofile berechnen.the diffusion into deeper layers leads to a reduction in the concentration in the layers near the surface. The changes in concentration at the sample surface and in depth that can be derived from the results in Figure 5.13 are not identical. The substances are diffused in the horny layer without a preferred spatial direction. The measurement only cuts one disk out of the diffusion volume in the form of a hemisphere. Despite this fundamental limitation, valuable information about the spread of the substance in the skin can be obtained. By examining the surface point by point, quasi-three-dimensional diffusion profiles can also be calculated.
5.3.2 Gentianaviolett5.3.2 Gentian violet
In einer weiteren Versuchsreihe wurden Diffusionsexperimente mit Gentianaviolett, einem Farbstoff der bei einer Wellenlänge von 532 nm absorbiert, durchgeführt. Die Schweinehaut wurde wie zu Beginn des Abschnittes 5.3 beschrieben, behandelt. Der grundlegende Unterschied zum Experiment mit Sonnenschutzpräparaten hegt in der deutlich geringeren Eigenabsorption der Haut im grünen Spektralbereich. Die Eindringtiefe des Lichtes liegt bei ca.2 cm ICheong, Beissertl.In a further series of experiments, diffusion experiments were carried out with gentian violet, a dye that absorbs at a wavelength of 532 nm. The pig skin was treated as described at the beginning of section 5.3. The fundamental difference to the experiment with sun protection products lies in the significantly lower self-absorption of the skin in the green spectral range. The penetration depth of the light is approx. 2 cm ICheong, Beissertl.
Ein Tropfen von 5 μl Gentianaviolettlösung wurde auf die zu untersuchende HautsteUe gegeben. Innerhalb weniger Sekunden war die Flüssigkeit komplett von den Hautschichten aufgenommen und mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar. Messungen wurden vor dem Auftragen der Farblösung, nach 2 und nach 10 min durchgeführt. Die Messergebnisse zeigt Abbildung 5.14. Die Daten wurden bezüglich der akustischen Resonanz der Messzelle und den Schwankungen der Laserintensität korrigiert. A drop of 5 ul gentian violet solution was placed on the skin area to be examined. The liquid was completely absorbed by the skin within a few seconds and was no longer visible to the naked eye. Measurements were taken before applying the color solution, after 2 and after 10 min. The measurement results are shown in Figure 5.14. The data were corrected for the acoustic resonance of the measuring cell and the fluctuations in the laser intensity.
Die vor Zugäbe des Farbstoffes aufgenommene Kurve wird durch die Eigenabsorption der Hautprobe bei 532 nm bestimmt Die Haut besaß keine sichtbare Verfärbung. Es waren auch keinerlei größere Blutgefäße erkennbar. Die beobachtete Absorption ist daher auf die Pigmentierung der Haut im betrachteten Wellenlängenbereich zurückzufuhren.The curve recorded before the addition of the dye is determined by the self-absorption of the skin sample at 532 nm. The skin had no visible discoloration. No larger blood vessels were visible. The absorption observed is therefore due to the pigmentation of the skin in the wavelength range under consideration.
Nach Zugabe des Farbstoffes ist nahezu eine Verdopplung der Druckamplitude, sowie eine Veränderung der Zeitabhängigkeit festzustellen. Das Messsignal fällt wesentlich langsamer ab. Nach 40 ms ist es noch immer nicht auf seinen Anfangswert gesunken. Die Unterschiede zwischen den Messungen nach 2 und 10 Minuten sind gering. Sie beschränken sich auf das Zeitintervall von 10 bis 40 ms. Die beobachteten Änderungen im photoakustischen Drucksignal in Abbildung 5.14 beruhen auf der Absorption des Laserlichtes durch den zugegebenen Farbstoff. Die applizierte Farbstofflösung erreicht aufgrund ihrer wässrigen Konsistenz bereits nach ca. 2 min eine stationäre Verteilung in der Hautschicht. Die Diflüsion des Farbstoffes unterscheidet sich damit deutlich After adding the dye, the pressure amplitude is almost doubled and the time dependence changes. The measurement signal drops much more slowly. After 40 ms, it still has not dropped to its initial value. The differences between the measurements after 2 and 10 minutes are small. They are limited to the time interval from 10 to 40 ms. The observed changes in the photoacoustic pressure signal in Figure 5.14 are based on the absorption of the laser light by the added dye. Due to its aqueous consistency, the applied dye solution reaches a stationary distribution in the skin layer after only 2 minutes. The diffusion of the dye differs significantly
vom Difmsionsverhalten der Sonnenschutzsubstanzen, die nur sehr langsam eine größere Tiefe in der Haut erreichen.on the diffusion behavior of the sun protection substances, which only very slowly reach a greater depth in the skin.
Die in Abbildung 5.14 gezeigten Messergebnisse wurden mit dem Regulationsverfahren von Tikhonov verarbeitet Der Regulationsparameter wurde durch das Quasi-Optimum-Kriterium bestimmt. Diese Auswahl erfolgte, da es sich um einen Diffiisionsvorgang handelt, bei dem ein sich langsam und stetig mit der Tiefe änderndes Konzentrationsprofil zu erwarten ist. Die Ergebnisse der Rechnung sind in Abbildung 5.15 dargestellt.The measurement results shown in Figure 5.14 were processed using the Tikhonov regulation method. The regulation parameter was determined by the quasi-optimum criterion. This selection was made because it is a diffusion process in which a concentration profile that changes slowly and steadily with the depth can be expected. The results of the calculation are shown in Figure 5.15.
Die Ergebnisse aus Abbildung 5.15 belegen die bei der Diskussion der Kurvenform geäußerten Vermutungen. Die Eigenabsorption der Schweinehaut findet in den oberen Hautschichten bis ca. 30 μm statt. In tieferen Schichten ist keine Absorption nachweisbar. Der Farbstoff fuhrt zu einem sich quadratisch mit der Tiefe ändernden Absorptionskoeffizienten, der bei ca. 160 μm noch nicht auf Null abgeklungen war. Die Veränderung zwischen der ersten und zweiten Messung ist nur gering. Die Konzentration des Farbstoffes verschiebt sich leicht in die Tiefe der Haut. Bemerkenswert ist, dass sich an der Konzentration in den oberen Schichten nur wenig ändert. Die Ursache könnte in einem Farbstoffdepot an der Grenze zwischen Oberhaut und Lederhaut liegen, welches sich langsam in die Tiefe entleert.The results from Figure 5.15 support the assumptions made when discussing the curve shape. The pig's own absorption takes place in the upper layers of the skin down to approx. 30 μm. No absorption is detectable in deeper layers. The dye leads to an absorption coefficient that changes quadratically with the depth, which had not yet decayed to zero at approx. 160 μm. The change between the first and second measurement is only slight. The concentration of the dye shifts slightly into the depth of the skin. It is noteworthy that the Concentration in the upper layers changes little. The cause could be a dye depot on the border between epidermis and dermis, which slowly empties into the depths.
Die erzielten Ergebnisse sind als plausibel einzustufen. Eine Überprüfung mit einem zerstörenden Verfahren konnte nicht durchgeführt werden, da die entsprechenden Voraussetzungen für die Anfertigung von Gewebeschnitten fehlten. Die Experimente an isolierten Hautproben haben trotz allem gezeigt, dass die Nutzung der photoakustischen Messmethode mit anschließender Berechnung der Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten auf die Haut angewandt werden können. Die verbleibenden Arbeiten müssen an einer Vielzahl von Proben evtl. im klinischen Maßstab durchgeführt werden, um eine statistische Absicherung zu erhalten. Unbedingt notwendig sind Kontrolluntersuchungen mittels Gewebeschnitten. Im Rahmen der Arbeit konnte das nicht geleistet werden, da das Thema auf die physikalisch technische Seite der Problemstellung ausgerichtet war.The results achieved are to be classified as plausible. A check using a destructive method could not be carried out because the corresponding requirements for making tissue sections were missing. In spite of everything, the experiments on isolated skin samples have shown that the use of the photoacoustic measurement method with subsequent calculation of the location dependence of the optical absorption coefficient can be applied to the skin. The remaining work may have to be carried out on a large number of samples on a clinical scale in order to obtain statistical validation. Check-ups using tissue sections are absolutely necessary. This could not be achieved in the course of the work, since the topic was oriented towards the physical and technical side of the problem.
5.4 In-vivo Messung mit Sonnencreme5.4 In vivo measurement with sunscreen
Bereits bei der Untersuchung der Diffusion von Sonnencreme an der isolierten Schweinehaut waren die grundlegenden Eigenschaften derAlready when investigating the diffusion of sunscreen on the isolated pig skin, the basic properties of the
Sonnenschutzsubstanzen deutlich geworden. Als Abschluss der Untersuchungen soll eine weitere Messung mit Sonnencreme, diesmal am lebenden Menschen vorgestellt werden. Das Experiment hat demonstrativen Charakter, da keinerlei Überprüfung der Konzentrationsverteilung in der Haut vorgenommen werden kann. Die Untersuchung eines Farbstoffes in der Haut wurde ebenfalls in Erwägung gezogen. Da die chemischen Reaktionen, die durch den thermisch aktivierten Farbstoff in der Haut ausgelöst werden können, nicht bekannt sind, wurde aus gesundheitlichen Bedenken darauf verzichtet.Sun protection substances become clear. At the end of the investigations, another measurement with sunscreen, this time on living people, will be presented. The experiment has a demonstrative character, since the concentration distribution in the skin cannot be checked in any way. Examination of a dye in the skin was also considered. Since the chemical reactions that can be triggered by the thermally activated dye in the skin are not known, it has been avoided for health reasons.
Die Untersuchungen fanden an der inneren Seite des linken Unterarms statt. Der Verfasser fungierte als Proband. Während des Messvorgangs wurde der Arm auf der in Abschnitt 4.1 beschriebenen Halterung gelagert. Die Messungen fanden vor Anwendung der Creme und zu festgelegten Zeitpunkten danach statt. In der Zwischenzeit wurde die Hautstelle mit einem Vließ abgedeckt. 3 mg des Sonnenschutzproduktes SC8 Suncare wurden mittels Abdrucktechnik auf einer ca. 2 x 2 cm großen Fläche am Arm möglichst gleichförmig verteilt Die erste Messung fand 5 Minuten nach Anwendung der Creme statt. Die Ergebnisse der Messung sind in Abbildung 5.16 zusammengestelltThe examinations took place on the inner side of the left forearm. The author acted as a subject. During the measurement process, the arm was placed on the holder described in section 4.1. The measurements were carried out before the cream was applied and at specified times afterwards. In the meantime, the skin area was covered with a fleece. 3 mg of Sun protection product SC8 Suncare was distributed as evenly as possible on an arm area of approx. 2 x 2 cm using the impression technique. The first measurement took place 5 minutes after application of the cream. The results of the measurement are summarized in Figure 5.16
Das photoakustische Drucksignal steigt bedingt durch die Absorption der Creme nach Anwendung der Substanz im Vergleich zur unbehandelten Haut an. Die Änderungen der Amplitude bleiben in den ersten zwei Stunden gering, die Schwankungen befinden sich noch innerhalb der Messgenauigkeit Nach ca. 4 h wird die Absorption der Creme an der untersuchten HautsteUe geringer, die Amplitude des Messsignals sinkt. Nach 6 h war sie jedoch noch immer deutlich größer als die Eigenabsorption der HautThe photoacoustic pressure signal increases due to the absorption of the cream after application of the substance compared to the untreated skin. The changes in the amplitude remain small in the first two hours, the fluctuations are still within the measurement accuracy. After approx. 4 hours, the absorption of the cream on the examined skin control is lower, the amplitude of the measurement signal decreases. After 6 hours, however, it was still significantly larger than the skin's own absorption
Die Zeitabhängigkeit des Messsignals änderte sich im Verlauf der gesamten Untersuchung nur wenig. Der Grund für dieses Verhalten liegt in den Diffusionseigenschaften der Sonnencreme, welche fast ausnahmslos in der oberen Hornschicht lokalisiert ist. Die Dicke dieser Hautschicht beträgt an der Innenseite des Arms nur ca. 5 - 10 μm. Aufgrund des durch die Übertragungseigenschaften des Mikrofons definierten Messfensters lässt sich die Diffusion der Creme in diese Schicht nicht erfassen. Aus der Abbildung 5.16 lassen sich demzufolge lediglich Informationen über die Gesamtabsorption der Creme in der oberen Hornschicht ableiten. Ein Fortschreiten der Diffusion der Sonnenschutzsubstanzen über die Grenze zur lebenden Haut hinaus wäre im Messsignal erkennbar. Die Ergebnisse zeigen jedoch in Übereinstimmung mit der Produktspezifikation, dass diese Grenze nicht überwunden wird.The time dependence of the measurement signal changed only slightly during the entire investigation. The reason for this behavior lies in the diffusion properties of the sunscreen, which is almost exclusively located in the upper horny layer. The thickness of this skin layer on the inside of the arm is only approx. 5 - 10 μm. Because of the Diffusion of the cream into this layer cannot be recorded due to the transmission properties of the microphone defined measurement window. From Figure 5.16, only information about the total absorption of the cream in the upper horny layer can be derived. A progress of the diffusion of the sun protection substances beyond the border to the living skin would be recognizable in the measurement signal. However, the results, in accordance with the product specification, show that this limit is not overcome.
Di Amplitude des Drucks in Abbildung 5.16 nimmt mit der Zeitdauer des Experimentes ab. Die Ursachen finden sich in der Zersetzung und lateralen Diffusion der absorbierenden Stoffe der Creme.The amplitude of the pressure in Figure 5.16 decreases with the duration of the experiment. The causes are found in the decomposition and lateral diffusion of the cream's absorbent substances.
Die Berechnung der Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten in der Haut bestätigt die bei der Diskussion der Messkurven geäußerten Vermutungen. Die Ergebnisse des Tikhonov-Regulationsverfahrens sind in Abbildung 5.17 dargestellt Die negativen Werte der Lösung wurden für die Darstellung gleich Null gesetzt. The calculation of the spatial dependence of the optical absorption coefficient in the skin confirms the assumptions made when discussing the measurement curves. The results of the Tikhonov regulatory procedure are shown in Figure 5.17. The negative values of the solution were set to zero for the presentation.
Das ultraviolette Licht wird ausschließlich in der obersten Hautschicht absorbiert, deren Dicke nach Abbildung 5.17 mit 6 μm abgeschätzt werden kann. Die Anwendung der Sonnenschutzcreme führt zu einem Anstieg der Absorption, wobei sich der in Oberflächennähe absorbierte Energieanteil gegenüber dem im Intervall 4 - 6 μm absorbierten Anteil erhöht. Der Film aus Sonnenschutzsubstanzen, der sich zu diesem Zeitpunkt noch größtenteils auf der Haut befindet, führt zu der beobachteten Verschiebung. In der Folge dringt die Creme in die Hornschicht ein und verteilt sich in ihr. Bedingt durch diesen Difhisionsvorgang verschiebt sich das Maximum des Absoφtionskoeffizienten in die Haut hinein. Die Abnahme der Absorption wird im wesentlichen durch die Zersetzung und laterale Diffusion der Creme hervorgerufen.The ultraviolet light is only absorbed in the uppermost skin layer, the thickness of which can be estimated at 6 μm according to Figure 5.17. The application of the sunscreen leads to an increase in the absorption, whereby the amount of energy absorbed near the surface increases compared to the amount absorbed in the 4 - 6 μm interval. The film of sunscreen substances, which is still largely on the skin at this time, leads to the observed shift. As a result, the cream penetrates into the horny layer and is distributed in it. Due to this diffusion process, the maximum of the absorption coefficient shifts into the skin. The decrease in absorption is essentially caused by the decomposition and lateral diffusion of the cream.
Die Ergebnisse zeigen, dass Untersuchungen am lebenden Menschen möglich sind. Die durch die Untersuchung einer aktiven lebenden Probe auftretenden Störungen können durch die Nutzung der gepulsten Anregung in Kombination mit einer fixierenden Auflage des Körperteils reduziert werden.The results show that studies on living people are possible. The disturbances arising from the examination of an active living sample can be reduced by using the pulsed excitation in combination with a fixing support of the body part.
5.5 Diskussion der Ergebnisse5.5 Discussion of the results
Die durchgeführten Experimente mit lebender und toter Materie konnten die Möglichkeit der Berechnung der Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten aus den photoakustischen Druckänderungen in den Grundzügen bestätigen. Die aufgetretenen Abweichungen zwischen den Ergebnissen und dem tatsächlichen Verlauf konnten durch die spezifischen Eigenschaften der Messapparatur erklärt werden.The experiments carried out with living and dead matter were able to confirm the possibility of calculating the spatial dependence of the optical absorption coefficient from the photoacoustic pressure changes in the basics. The deviations that occurred between the results and the actual course could be explained by the specific properties of the measuring apparatus.
Die photoakustische Messmethode ist grundsätzlich ein Remissionsverfahren. Diesen Verfahren ist die Beeinflussung durch vielfältige Materialparameter gemein. Ein Vergleich mit der bekannteren Fluoreszenzmessung kann dies verdeutlichen. Bei Anregung der Fluoreszenz eines Stoffes werden Photonen geringerer Energie emittiert. Die Ausbreitung der Photonen im umgebenden Medium wird durch die Absorptions- und Streueigenschaften für die jeweilige Photonenenergie bestimmt Der ideale Detektor registriert daher nicht das ursprünglich emittierte Photon, sondern ein durch Absorption- und Streuprozesse verändertes. Die Photoakustik steht vor einem ähnlichen Problem. Die Amplitude der im Material entstehenden thermischen Welle ist von der eingestrahlten Lichtintensität, dem optischen Absorptionskoeffizienten und der Konversionseffizienz für nichtstrahlende Prozesse, die auch als thermische Quantenausbeute bezeichnet werden kann, abhängig. Die Lichtintensität erschließt sich der KontroUe auf einfache Art und Weise. Die gesuchte Größe ist der optische Absorptionskoeffizient. Die thermische Quantenausbeute ist unbekannt und wird näherungsweise mit Eins angenommen. Der in dieser Näherung enthaltene Fehler ist prinzipieller Natur und lässt sich nur durch eine exakte Bestimmung in einem separaten Versuch eliminieren. Diese Untersuchungen hätten den Rahmen der Arbeit gesprengt. Absolute Messungen waren daher nicht möglich. Die erhaltenen relativen Ergebnisse erlauben nur den uneingeschränkten Vergleich innerhalb eines Materials. Da es sich bei den potenziell zu untersuchenden Vorgängen um Diffusionsprozesse in gleichbleibenden Matrizes handelt, ist diese Vorgehensweise berechtigt und erlaubt auch quantitative Vergleiche.The photoacoustic measuring method is basically a remission method. These processes are influenced by various material parameters. A comparison with the better known fluorescence measurement can clarify this. When the fluorescence of a substance is excited, photons of lower energy are emitted. The spread of the photons in the surrounding medium is determined by the absorption and scattering properties for the respective photon energy. The ideal detector therefore does not register the originally emitted photon, but one that has been changed by absorption and scattering processes. Photoacoustics face a similar problem. The amplitude of the thermal wave generated in the material depends on the incident light intensity, the optical absorption coefficient and the conversion efficiency for non-radiative processes, which can also be referred to as thermal quantum efficiency. The light intensity is easily accessible to the KontroUe. The size sought is the optical absorption coefficient. The thermal quantum yield is unknown and is assumed to be approximately one. The error contained in this approximation is of a fundamental nature and can only be eliminated by an exact determination in a separate experiment. These investigations had gone beyond the scope of the work. Absolute measurements were therefore not possible. The relative results obtained only allow an unrestricted comparison within a material. Since the processes to be investigated are diffusion processes in constant matrices, this procedure is justified and also allows quantitative comparisons.
Die thermischen Wellen werden auf ihrem Weg zum Detektor durch die Temperaturleitfähigkeit des durchquerten Mediums beeinfmsst. Die exakte Kenntnis dieses Materialparameters ist für die Berechnung der Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten von Bedeutung. Zu große Werte führen zu einer Überbewertung der Absorption in oberflächennahen Bereichen, wohingegen zu geringe Werte zu einer Verlagerung der Absorption in tiefere Bereiche der Probe führt. Die Fehler im Parameter Temperaturleitfähigkeit führen direkt zu Fehlinterpretationen in der Amplitude und Ortsabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten.The thermal waves are influenced on their way to the detector by the thermal conductivity of the medium being traversed. The exact knowledge of this material parameter is important for the calculation of the spatial dependence of the optical absorption coefficient. Values that are too large lead to an overestimation of the absorption in areas close to the surface, whereas values that are too low lead to a displacement of the absorption in deeper areas of the sample. The errors in the temperature conductivity parameter directly lead to misinterpretations in the amplitude and location dependence of the absorption coefficient.
Für erfolgreiche Untersuchungen muss weiterhin sichergestellt sein, dass es sich um ein thermisch homogenes Material handelt. Die Probleme und Mehrdeutigkeiten bei der Untersuchung von Schichtstrukturen sind bei der Auswertung der Versuche mit Farbglasfiltern deutlich geworden.For successful investigations, it must also be ensured that it is a thermally homogeneous material. The problems and ambiguities in the examination of layer structures have become clear when evaluating the tests with colored glass filters.
Die bisher beschriebenen Einflussgrößen sind prinzipieller physikalischer Natur. Dazu kommt eine experimentelle Schwierigkeit, die sich aus dem frequenzabhängigen Übertragungsverhalten der Messapparatur ergibt. Die daraus resultierende Verfälschung der Messdaten muss bei der Auswertung berücksichtigt werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die experimentellen Schwierigkeiten beherrschbar sind. Die Einsatzfähigkeit des verwendeten Messaufbaus fiir in- vivo Untersuchungen am Menschen ist jedoch beschränkt. Das Detektionsverfahren mit einem Mikrofon als sensitivem Element führt zu einer Vielzahl von Störungen. Ein Ausweg könnte ein kontaktfrei arbeitendes Messverfahren, wie die photothermische Radiometrie sein. Die notwendigen Lichtintensitäten für ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis sind noch zu hoch, als dass in-vivo Experimente durchführbar sind. The influencing factors described so far are of a general physical nature. There is also an experimental difficulty that arises from the frequency-dependent transmission behavior of the measuring apparatus. The resulting falsification of the measurement data must be taken into account in the evaluation. The results show that the experimental difficulties are manageable. However, the usability of the measurement setup used for in vivo human examinations is limited. The detection method with a microphone as a sensitive element leads to a large number of disturbances. One way out could be a non-contact measurement method, such as photothermal radiometry. The necessary light intensities for a sufficient signal / noise ratio are still too high for in-vivo experiments to be feasible.
Anhang 5 145Appendix 5 145
Literaturliterature
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TIKHONOV A. N., GONCHARSKY A. V., STEPANOV V. V., YAGOLA A. G.TIKHONOV A. N., GONCHARSKY A. V., STEPANOV V. V., YAGOLA A. G.
Numerical Methods for the Solution of 111 Posed Problems Kluwer Academic PublishersNumerical Methods for the Solution of 111 Posed Problems Kluwer Academic Publishers
VARGAS H., MIRANDA L.C.M. (1988) Photoacoustic and related photothermal techniques Physics Reports-Review Section of Physics Letters 161: S.43-101 ZHAROV V.P., LETOKHOV V.S. (1986) Laser Optoacoustic Spectroscopy Springer Series in Optical Sciences 37 ; Springer Verlag Berlin VARGAS H., MIRANDA LCM (1988) Photoacoustic and related photothermal techniques Physics Reports-Review Section of Physics Letters 161: S.43-101 ZHAROV VP, LETOKHOV VS (1986) Laser Optoacoustic Spectroscopy Springer Series in Optical Sciences 37; Springer Verlag Berlin
Anhangattachment
8.1 Gewinnung der speziellen Lösung der inhomogenen Differentialgleichung für das Gebiet der Probe nach der Methode von Cauchy8.1 Obtaining the special solution of the inhomogeneous differential equation for the area of the sample using the Cauchy method
Die zu lösende inhomogene Differentialgleichung mit den Symbolen aus Kapitel 2 lautet:The inhomogeneous differential equation to be solved with the symbols from Chapter 2 reads:
d er2Ψ ~r p. ι ιωuß , st,
Figure imgf000155_0001
the 2 Ψ ~ r p. ι ιωuß , st,
Figure imgf000155_0001
Die Lösung der homogenen Gleichung bildet die Grundlage für die Bestimmung einer speziellen Lösung der inhomogenen Gleichung. Sie lautet:The solution of the homogeneous equation forms the basis for the determination of a special solution of the inhomogeneous equation. It is:
Ψ(z) = c^! (z) + c2Ψ2 (z) (8-2>Ψ (z) = c ^ ! (z) + c 2 Ψ 2 (z) ( 8 - 2 >
mitWith
. , <8 3>, , < 8 3 >
Die Konstanten Ci werden so bestimmt, dass sie der Forderung (2.4) für beliebiges y genügen.The constants Ci are determined in such a way that they satisfy the requirement (2.4) for any y.
Ψ(z) = cleSpZ + c2e~SpZ =Ψ (z) = c l e SpZ + c 2 e ~ SpZ =
Ψ'(z) = cλspespz - c2spe-spz = -Q(y) (8'4) Ψ '(z) = c λ s p e spz - c 2 s p e- spz = -Q (y) (8'4)
Es ergeben sich die folgenden Werte für die Konstanten:
Figure imgf000156_0001
The following values result for the constants:
Figure imgf000156_0001
Daraus ergibt sich nach der Vorschrift von Cauchy /Bronsteinl die spezielle Lösung der inhomogenen Differentialgleichung zuThis leads to the special solution of the inhomogeneous differential equation according to the instructions of Cauchy / Bronsteinl
Figure imgf000156_0002
Figure imgf000156_0002
8.2 Rücktransformation der Lösung der WLG nach gepulster Beleuchtung8.2 Reverse transformation of the WLG solution after pulsed lighting
Die Lösung des Differentialgleichungssystems (2.39) und (2.40) lautet im Laplaceraum mit der Symbolik aus Kapitel 2:The solution of the differential equation system (2.39) and (2.40) in the laplace room with the symbols from Chapter 2 is:
Figure imgf000156_0003
Figure imgf000156_0003
Gesucht ist die Rücktransformation der Lösung in der Probe am Punkt z= 0 (Probenoberfläche). Durch die Besclu*änkung auf die Oberfläche vereinfacht sich der Ausdruck und es ergibt sich Gleichung (8.8).
Figure imgf000157_0001
We are looking for the reverse transformation of the solution in the sample at point z = 0 (sample surface). By Besclu * änkung simplified to the surface of the term and the result is Equation (8.8).
Figure imgf000157_0001
-1 Operator der iπversen Laplacetraπsformation-1 operator of the inverse Laplacetraπsformation
Die Integrationen der Rücktransformation über die Laplacevariable ξ und die Integration über z' im Gebiet der Probe erfolgen unabhängig voneinander und können daher in ihrer Reihenfolge vertauscht werden. Unter Nutzung der Korrespondenz (8.9) /Carslaw und Jaeger/ lautet die Lösung der -ücktransformierten Temperatur an der Probenoberfläche (8.10).The integrations of the reverse transformation via the Laplace variable ξ and the integration via z 'in the area of the sample take place independently of one another and can therefore be interchanged in their order. Using the correspondence (8.9) / Carslaw and Jaeger / the solution is the back-transformed temperature on the sample surface (8.10).
Figure imgf000157_0002
Figure imgf000157_0002
Figure imgf000157_0003
Figure imgf000157_0003
Kurzbeschreibungen der AbbildungenBrief descriptions of the pictures
Abbildung 2.1 Prinzipschema mit Einflussgrößen zur Entstehung eines photoakustischen Mess- signalsFigure 2.1 Principle diagram with influencing variables for the creation of a photoacoustic measurement signal
Abbildung 2.2 Schematische Darstellung des Aufbaus der Säugetierhaut /Remane/Figure 2.2 Schematic representation of the structure of the mammalian skin / Remane /
Abbildung 2.3 Modell der photoakustischen MesszelleFigure 2.3 Model of the photoacoustic measuring cell
Abbildung 2.4 Oszillationen der Temperatur an der Probenoberfläche nach Anregung einer Schichtstruktur mit absorbierenden Schichten bei lμm und 50μm TiefeFigure 2.4 Oscillations of the temperature on the sample surface after excitation of a layer structure with absorbing layers at lμm and 50μm depth
Abbildung 2.5 Temperatur an der Oberfläche einer schichtförmig aufgebauten Probe mit absorbierenden Schichten in lμm und 50μm Tiefe nach Anregung mit einem Laserpuls; Temperaturleitfähigkeit : 2 , 8xl0~8m2/sFigure 2.5 Temperature at the surface of a layered sample with absorbing layers in lμm and 50μm depth after excitation with a laser pulse; Temperature conductivity: 2, 8xl0 ~ 8 m 2 / s
Abbildung 3.1 Approximation eines sich kontinuierlich mit der Tiefe z ändernden AbsorptionskoeffizientenFigure 3.1 Approximation of an absorption coefficient that changes continuously with the depth z
Abbildung 3.2 Zeitabhängigkeit der Temperatur der Probenoberfläche nach impulsförmiger Anregung; der Einschub zeigt die Ortsabhängigkeit des optischen AbsorptionskoeffizientenFigure 3.2 Time dependence of the temperature of the sample surface after pulsed excitation; the inset shows the spatial dependence of the optical absorption coefficient
Abbildung 3.3 Vergleich der vorgegebennen Wärmedichteverteilung mit der mittels Pseudoinver- ser K+ berechneten Q(z) Abhängigkeit Abbildung 3.4 Wärmedichtenverteilung Q(z) berechnet aus verrauschten Temperaturdaten (±0,5% des Temperaturtnaximums) unter Verwendung der Pseudoinversen K+ Figure 3.3 Comparison of the specified heat density distribution with the Q (z) dependency calculated using the pseudo-inverter K + Figure 3.4 Heat density distribution Q (z) calculated from noisy temperature data (± 0.5% of the temperature maximum) using the pseudo inverse K +
Abbildung 3.5 Singuläre Werte der Matrixapproximation des Integralkerns für gepulste Anregung mit den Parametern aus Abschnitt 3.1Figure 3.5 Singular values of the matrix approximation of the integral core for pulsed excitation with the parameters from section 3.1
Abbildung 3.6 Rechte und linke singuläre Vektoren der Matrix K aus dem Beispiel aus Abschnitt 3.1 für die Spalten 1, 10 und 20Figure 3.6 Right and left singular vectors of the matrix K from the example from section 3.1 for columns 1, 10 and 20
Abbildung 3.7 Allgemeine Form der L-Kurve als grafisches Hilfsmittel zur Wahl des RegulationsparametersFigure 3.7 General shape of the L-curve as a graphic aid for the selection of the regulation parameter
Abbildung 3.8 Ortsabhängigkeiten des optischen Absorptionskoeffizienten für den Vergleich der RegulationsverfahrenFigure 3.8 Location dependencies of the optical absorption coefficient for the comparison of the regulation procedures
Abbildung 3.9 L-Kurve des EM NNLS-Regulationsverfah- rens für die Berechnung eines exponen- tiell fallenden Absorptionsprofils; Temperaturdaten mit 0,1% bzw. 30% des Terape- raturmaximums verrauschtFigure 3.9 L curve of the EM NNLS regulation method for the calculation of an exponentially falling absorption profile; Temperature data noisy with 0.1% or 30% of the maximum temperature
Abbildung 3 . 10 Vergrößerung der L-Kurve aus Abbildung 3 . 9 (30% Rauschen) mit optimalem Regulationsparameter Abbildung 3.11 GCV-Funktion in Abhängigkeit des Regulationsparameters Lambda für ein aufsteigendes Rampenprofil, rekonstruiert mittels EM SVD bei 3% Rauschen; Einschub: vergrößerter Ausschnitt der GCV-FunktionFigure 3. 10 Enlargement of the L curve from Figure 3. 9 (30% noise) with optimal regulation parameter Figure 3.11 GCV function depending on the regulation parameter lambda for an ascending ramp profile, reconstructed using EM SVD with 3% noise; Insert: enlarged section of the GCV function
Abbildung 3.12 Quasi-Optimum-Funktion der Rekonstruktion eines Stufenprofils mittels Tikhonov-Regulationsverfahren; simulierte Temperaturmesswerte waren mit 5% des Temperaturmaximums verrauschtFigure 3.12 Quasi-optimal function of the reconstruction of a step profile using the Tikhonov regulation method; Simulated temperature measurements were noisy with 5% of the maximum temperature
Abbildung 3.13 Optimaler Regulationsparameter zur Rekonstruktion eines Stufenprofils mittels EMNNLS in Abhängigkeit vom Rauschen in den Temperaturdaten und der Wahl des RegulationsparametersFigure 3.13 Optimal regulation parameter for the reconstruction of a step profile using EMNNLS depending on the noise in the temperature data and the choice of the regulation parameter
Abbildung 3.14 Optimaler Regulationsparameter zur Rekonstruktion eines Stufenprofils mittels Tikhonov-Regulation in Abhängigkeit vom Rauschen in den Temperaturdaten und der Wahl des RegulationsparametersFigure 3.14 Optimal regulation parameter for the reconstruction of a step profile by means of Tikhonov regulation depending on the noise in the temperature data and the choice of the regulation parameter
Abbildung 3.15 Rest- und Lösungsnorm in Abhängigkeit der Zahl der Wiederholungen für das EM SVD-Regulationsverfahren an einem Stufenabsorptionsprofil (S/N = 204)Figure 3.15 Residual and solution standard depending on the number of repetitions for the EM SVD regulation procedure on a step absorption profile (S / N = 204)
Abbildung 3.16 Regularisierte Lösung in Abhängigkeit von der Zahl der Mittelungen für das EM SVD-Verfahren im Vergleich zur Lösung des Tikhonov-Regulationsverfahrens Abbildung 3.17 Relativer Fehler der Lösungen für glatte, langsam veränderliche Profile des optischen Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit vom Rauschen in den simulierten Temperaturdaten; die Prozentangaben beziehen sich auf das Maximum der TemperaturFigure 3.16 Regularized solution depending on the number of averages for the EM SVD procedure compared to the solution for the Tikhonov regulation procedure Figure 3.17 Relative error of the solutions for smooth, slowly changing profiles of the optical absorption coefficient depending on the noise in the simulated temperature data; the percentages relate to the maximum of the temperature
Abbildung 3.18 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauschtFigure 3.18 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum
Abbildung 3.19 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.19 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes with the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 3.20 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauschtFigure 3.20 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum
Abbildung 3.21 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren im Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.21 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes in the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 3.22 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauscht Abbildung 3.23 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.22 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum Figure 3.23 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 3.24 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauschtFigure 3.24 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum
Abbildung 3.25 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.25 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes with the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 3.26 Relativer Fehler der Lösungen berechnet mit den vier untersuchten Regulationsverfahren bei Anregung von Absorptionsprofilen als nicht stetige Funktion des OrtesFigure 3.26 Relative error of the solutions calculated with the four investigated regulation methods when excitation profiles are excited as a non-continuous function of the location
Abbildung 3.27 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauschtFigure 3.27 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum
Abbildung 3.28 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.28 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 3.29 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauscht Abbildung 3.30 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.29 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum Figure 3.30 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 3.31 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 0,5% des Maximums verrauschtFigure 3.31 Comparison of the solutions of the four examined regulatory processes with the original; the temperature values were noisy at 0.5% of the maximum
Abbildung 3.32 Vergleich der Lösungen der vier untersuchten Regulationsverfahren mit dem Original; die Temperaturwerte waren mit 10% des Maximums verrauschtFigure 3.32 Comparison of the solutions of the four examined regulatory procedures with the original; the temperature values were noisy at 10% of the maximum
Abbildung 4.4 Blockschaltbild des Verwendeten Messauf- baus für gepulste und periodisch modulierte Anregung des photoakustischen MesssignalsFigure 4.4 Block diagram of the measurement setup used for pulsed and periodically modulated excitation of the photoacoustic measurement signal
Abbildung 4.2 Relative Effizienz der verwendeten Beugungsgitter in Abhängigkeit der transmittierten WellenlängeFigure 4.2 Relative efficiency of the diffraction gratings used depending on the transmitted wavelength
Abbildung 4.3 Zeitabhängigkeit der Lichtintensität in der photoakustischen Messzelle, gemessen mit einer Si-Photodiode im Vergleich zu einer Rechteckfunktion gleicher FrequenzFigure 4.3 Time dependence of the light intensity in the photoacoustic measuring cell, measured with an Si photodiode compared to a rectangular function of the same frequency
Abbildung 4.4 Photoakustische Druckamplitude in der Messzelle in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz bei unterschiedlichen Längen der Gassäule über der Probe Abbildung 4.5 Messbarer Druck in der photoakustischen Messzelle nach Absorption eines Lichtimpulses durch ein homogen absorbierendes Material in Abhängigkeit von der Länge der Gassäule über der ProbeFigure 4.4 Photoacoustic pressure amplitude in the measuring cell as a function of the modulation frequency with different lengths of the gas column above the sample Figure 4.5 Measurable pressure in the photoacoustic measuring cell after absorption of a light pulse by a homogeneously absorbing material depending on the length of the gas column above the sample
Abbildung 4.6 Querschnitt durch die verwendete offene photoakustische MesszelleFigure 4.6 Cross section through the open photoacoustic measuring cell used
Abbildung 4.7 Frequenzgang des Übertragungsmaßes des verwendeten 1/2" Mikrofon vom Typ 4189 unter Berücksichtigung der DruckkammerverwendungFigure 4.7 Frequency response of the transmission dimension of the used 1/2 "type 4189 microphone taking into account the use of the pressure chamber
Abbildung 4.8 Vergleich der photoakustischen Signalamplitude in Theorie und ExperimentFigure 4.8 Comparison of the photoacoustic signal amplitude in theory and experiment
Abbildung 4.9 Vergleich der Frequenzabhängigkeit der Phase des photoakustischen Signals in Theorie und ExperimentFigure 4.9 Comparison of the frequency dependence of the phase of the photoacoustic signal in theory and experiment
Abbildung 4.10 Vergleich des photoakustischen Signals in Theorie und Experiment Beleuchtung einer rußgeschwärzten Glasplatte mit einem Laserpuls von 9ns PulsdauerFigure 4.10 Comparison of the photoacoustic signal in theory and experiment Illumination of a soot-blackened glass plate with a laser pulse of 9ns pulse duration
Abbildung 4.11 Frequenzspektrum eines typischen photoakustischen Signals vor und nach der numerischen KorrekturFigure 4.11 Frequency spectrum of a typical photoacoustic signal before and after the numerical correction
Abbildung 4.12 Vergleich der Mikrofonübertragungsfunktion mit dem Übertragungsverhalten des zur Datenbehandlung verwendeten Filters Abbildung 4 . 13 Prinzipskizze der in-vivo Messanordnung mit elastischer Aufhängung der Messzelle und Unterstützungspunkten für den ArmFigure 4.12 Comparison of the microphone transmission function with the transmission behavior of the filter used for data handling Figure 4. 13 Principle sketch of the in-vivo measuring arrangement with elastic suspension of the measuring cell and support points for the arm
Abbildung 4.14 Vergleich der Fourierspektren der Störpegel für die offenen Messzelle (ohne Probe) mit der in-vivo Messsituation mit aufgelegtem ArmFigure 4.14 Comparison of the Fourier spectra of the interference level for the open measuring cell (without sample) with the in-vivo measuring situation with the arm on
Abbildung 5.1 Photoakustische Druckamplitude nach Anregung der Schichtsysteme bestehend aus dem Farbfilter RG 610 und Deckgläsern mit einem Laserpuls; Kurvenindex = Anzahl der DeckgläserFigure 5.1 Photoacoustic pressure amplitude after excitation of the layer systems consisting of the color filter RG 610 and cover glasses with a laser pulse; Curve index = number of coverslips
Abbildung 5 .2 Ortsabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten für die Schichtstrukturen aus Abbildung 5.1Figure 5 .2 Location dependence of the optical absorption coefficient for the layer structures from Figure 5.1
Abbildung 5.3 Amplitude und Phase der photoakustischen Druckoszillationen in der Messzelle in Abhängigkeit von der Chopperfrequenz für eine SchichtStruktur, bestehend aus einem Farbglasfilter RG 610 und einem bzw. zwei MikroskopierdeckgläsernFigure 5.3 Amplitude and phase of the photoacoustic pressure oscillations in the measuring cell as a function of the chopper frequency for a layer structure, consisting of a colored glass filter RG 610 and one or two microscope cover glasses
Abbildung 5 .4 Aus den Druckoszillationen bei periodisch modulierter Anregung berechnete Ortsabhängigkeiten des optischen Absorptionskoeffizienten der untersuchten Schi cht s t rukt urenFigure 5 .4 Location dependencies of the optical absorption coefficient of the investigated layer structures calculated from the pressure oscillations with periodically modulated excitation
Abbildung 5.5 Schematischer Aufbau der in den Experimenten verwendeten Gelatineschichten Abbildung 5.6 Druckverlauf in der photoakustischen Messzelle 5, 10, 18, 38 und 60 Minuten nach Präparation der SchichtenFigure 5.5 Schematic structure of the gelatin layers used in the experiments Figure 5.6 Pressure curve in the photoacoustic measuring cell 5, 10, 18, 38 and 60 minutes after preparation of the layers
Abbildung 5.7 Zeitdifferenz zwischen Ende des Laserpulses und dem photoakustischen Druckmaximum in der Messzelle in Abhängigkeit von der Dauer des ExperimentesFigure 5.7 Time difference between the end of the laser pulse and the photoacoustic pressure maximum in the measuring cell depending on the duration of the experiment
Abbildung 5 .8 Verlauf des optischen Absorptionskoeffi zienten in Abhängigkeit der Tiefe in der Gelatinestruktur zu unterschiedlichen Zeiten nach Beginn des ExperimentesFigure 5 .8 Course of the optical absorption coefficient depending on the depth in the gelatin structure at different times after the start of the experiment
Abbildung 5 . 9 Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit der Tiefe in der Gelatinestruktur in den oberflächennahen BereichenFigure 5. 9 Course of the optical absorption coefficient depending on the depth in the gelatin structure in the areas near the surface
Abbildung 5.10 Druckverlauf in der photoakustischen Messzelle in Abhängigkeit von der Zeit nach Präparation der Struktur B; Messungen nach 0, 10, 15, 30, 45 und 60 MinutenFigure 5.10 Pressure curve in the photoacoustic measuring cell as a function of the time after preparation of structure B; Measurements after 0, 10, 15, 30, 45 and 60 minutes
Abbildung 5 . 11 Räumlicher Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten in der Gelatinestruktur B in Abhängigkeit von der Dauer des ExperimentsFigure 5. 11 Spatial course of the optical absorption coefficient in the gelatin structure B depending on the duration of the experiment
Abbildung 5 . 12 Zeitabhängigkeit des photoakustischen Drucksignals gemessen vor und nach der Anwendung von SC8 Suncare Abbildung 5 . 13 Abhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten bei 355nm in der Schweinehaut vor und nach der Anwendung von SonnencremeFigure 5. 12 Time dependence of the photoacoustic pressure signal measured before and after using SC8 Suncare Figure 5. 13 Dependence of the optical absorption coefficient at 355nm in the pig skin before and after the application of sunscreen
Abbildung 5 . 14 Zeitabhängiges photoakustisches Messsignal vor und nach der Zugabe von Gentianaviolett auf SchweinehautFigure 5. 14 Time-dependent photoacoustic measurement signal before and after the addition of gentian violet to pig skin
Abbildung 5 . 15 Berechneter Verlauf des optischen Absorptionskoeffizienten bei 532nm vor und nach Zugabe einer Gentianaviolettlösung in der SchweinehautFigure 5. 15 Calculated curve of the optical absorption coefficient at 532nm before and after adding a gentian violet solution in the pig skin
Abbildung 5.16 Hautareal am linken Unterarm vor und zu unterschiedlichen Zeiten nach der Anwendung von SC8 SuncareFigure 5.16 Area of skin on left forearm before and at different times after using SC8 Suncare
Abbildung 5.17 Profil des optischen Absorptionskoeffizienten bei 355nm vor und nach Anwendung von Sonnencreme in der menschlichen Haut Figure 5.17 Profile of the optical absorption coefficient at 355nm before and after the application of sunscreen in human skin

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung zur Messung der eines zeitlichen und / oder räumlichen Konzentrationprofils mindestens einer Substanz in einer Probe, insbesondere der menschlichen Haut, mit einem Mittel zur Anregung mindestens einer Substanz durch elektromagnetische Strahlung und mit einer Meßzelle zur Erfassung aufgrund der Anregung erzeugter akustischer Wellen aus und / oder in der Probe,1. Device for measuring a temporal and / or spatial concentration profile of at least one substance in a sample, in particular human skin, with a means for excitation of at least one substance by electromagnetic radiation and with a measuring cell for detection based on the excitation of acoustic waves generated and / or in the sample,
gekennzeichnet durchmarked by
durch ein Rechenmittel zur automatischen Umrechnung der durch Temperaturänderungen an einer Oberfläche der Probe hervorgerufenen Druckschwankungen in mindestens eine Maßzahl, die von der Konzentration mindestens einer der Substanzen abhängig ist.by means of a computing means for automatically converting the pressure fluctuations caused by temperature changes on a surface of the sample into at least one measure which is dependent on the concentration of at least one of the substances.
2. Norrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenmittel automatischein zeitabhängiges und / oder ortsabhängiges Konzentrationsprofil mindestes einer der Substanzen ermittelt.2. Norrichtung according to claim 1, characterized in that the computing means automatically determines a time-dependent and / or location-dependent concentration profile of at least one of the substances.
Norrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenmittel ein Mittel zur automatischen Lösung einer Integralgleichung betreffend die Wärmeleitung mit tels eines Regulationsansatzes aufweist.The device according to claim 1 or 2, characterized in that the computing means has a means for automatically solving an integral equation relating to heat conduction by means of a regulation approach.
4. Norrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gepulste Laservorrichtung als Mittel zu Anregung, insbesondere mit einem gütegeschalteten ΝdYAG-Laser. 4. Norrichtung according to at least one of the preceding claims, characterized by a pulsed laser device as a means for excitation, in particular with a Q-switched ΝdYAG laser.
5. Norrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßkammer als akustischer Resonator ausgebildet ist, wobei die Frequenzabstimmung in Abhängigkeit einer Tiefenausdehnung der zu untersuchenden Probe (1) einstellbar ist.5. Norrichtung according to at least one of the preceding claims, characterized in that the measuring chamber is designed as an acoustic resonator, the frequency tuning depending on a depth of the sample to be examined (1) is adjustable.
6. Norrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Mittelung von mindestens zwei Signale der Druckschwankungsmessung über einen vorbestimmbaren Zeitraum.6. Norrichtung according to at least one of the preceding claims, characterized by a means for averaging at least two signals of the pressure fluctuation measurement over a predetermined period.
7. Norrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Mittelung als digitales Speicherozilloskop ausgebildet ist.7. Norrichtung according to claim 6, characterized in that the means for averaging is designed as a digital storage oscilloscope.
8. Norrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Kalibrierung der Meßzelle, insbesondere eine Referenzmeßzelle.8. Norrichtung according to at least one of the preceding claims, characterized by a means for calibration of the measuring cell, in particular a reference measuring cell.
9. Norrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Korrekturmittel für frequenzabhängige Übertragungsfunktionen der Meßkammer und / oder eines Meßkopfes.9. Norrichtung according to at least one of the preceding claims, characterized by a correction means for frequency-dependent transfer functions of the measuring chamber and / or a measuring head.
10. Norrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle in einem Meßkopf angeordnet ist, der über eine Datenverbindungsleitung mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung gekoppelt ist.10. Norrichtung according to at least one of the preceding claims, characterized in that the measuring cell is arranged in a measuring head which is coupled via a data connection line to a data processing device.
11. Nerfahren zur Messung der Konzentration mindestens einer Substanz in einer Probe, insbesondere der menschlichen Haut, bei dem mindestens eine Substanz durch elektromagnetische Strahlung angeregt wird, und die durch die Anregung erzeugte akustische Welle mit einer Meßzelle erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß11. ner driving for measuring the concentration of at least one substance in a sample, in particular human skin, in which at least one substance is excited by electromagnetic radiation and the acoustic wave generated by the excitation is detected with a measuring cell, characterized in that
die gemessenen Werte der durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Druckschwankungen an einer Oberfläche der Probe automatisch in mindestens eine Maßzahl umgerechnet werden, die von der Konzentration mindestens einer der Substanzen abhängig ist.the measured values of the pressure fluctuations on a surface of the sample caused by temperature changes are automatically converted into at least one measure which is dependent on the concentration of at least one of the substances.
12. Nerfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß automatisch ein zeitabhängiges und / oder ortsabhängiges Konzentrationsprofil mindestes einer Substanzen ermittelt wird.12. Ner driving according to claim 11, characterized in that a time-dependent and / or location-dependent concentration profile of at least one substance is automatically determined.
13. Nerfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenmittel au to manschen eine Integralgleichung betreffend die Wärmeleitung mittels eines Regula tionsansatzes löst.13. Nerfahr according to claim 11 or 12, characterized in that the computing means au to mansch an integral equation regarding heat conduction solves by means of a regulatory approach.
14. Nerfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz mit einer gepulsten Laservorrichtung insbesondere mit einem gütegeschalte ten ΝdY AG-Laser angeregt wird.14. Ner driving according to at least one of claims 11 to 13, characterized in that the substance is excited with a pulsed laser device, in particular with a Q-switched ΝdY AG laser.
15. Nerfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer als akustischer Resonator ausgebildet ist und die Frequenzabstimmung in Abhängigkeit einer Tiefenausdehnung der zu untersuchenden Probe eingestellt wird.15. Ner driving according to at least one of claims 11 to 14, characterized in that the measuring chamber is designed as an acoustic resonator and the frequency tuning is set as a function of a depth extension of the sample to be examined.
16. Nerfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Signale der Druckschwankungsmessung über einen vorbestimmbaren Zeitraum gemittelt werden. 16. Ner driving according to at least one of claims 11 to 15, characterized in that at least two signals of the pressure fluctuation measurement are averaged over a predetermined period.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, durch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der Meßzelle Messung an einer Referenzmeßzelle vorgenommen wird.17. The method according to at least one of claims 11 to 16, characterized in that for calibration of the measuring cell measurement is carried out on a reference measuring cell.
18. Nerfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängigen Übertragungsfunktionen der Meßkammer und / oder eines Meßkopfes durch eine Korrekturninktion korrigiert werden. 18. Ner driving according to at least one of claims 11 to 17, characterized in that the frequency-dependent transfer functions of the measuring chamber and / or a measuring head are corrected by a correction.
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