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Die vorliegende Erfindung betrifft ein photoakustisches Mikroskop mit einem ein Objektiv aufweisenden Optikmodul, das elektromagnetische Strahlung in eine Probe richtet, um Druckwellen zu erzeugen, und einem Akustikmodul zur Detektion der erzeugten Druckwellen.
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Die Druckwellen entstehen, da zumindest ein Teil der mit der elektromagnetischen Strahlung eingebrachten Energie von Strukturen in der Probe absorbiert wird, was zu einer lokalen Aufheizung und nachfolgenden thermoelastischen Expansion und somit einer Schallwelle führt. Die Schallwelle wird bei der Propagation durch die Probe, wenn diese z. B. eine biologische Probe ist, sehr wenig gestreut und kann daher zur Erzeugung eines ortsaufgelösten Bildes dienen. Es ist eine hohe Eindringtiefe bei der Bildgebung von größer als ein Millimeter möglich.
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Schwierig ist jedoch die Detektion der erzeugten Druckwellen mit dem Akustikmodul. So werden häufig Piezo-Transducer eingesetzt, die einerseits relativ viel Platz und andererseits einen akustischen Kontakt zur Probe (z. B. über Wasser, Ultraschallgel, etc.) benötigen. Typische Arbeitsabstände in der Lichtmikroskopie sind jedoch meist wenige Millimeter, wodurch eine effiziente (d.h. koaxiale) Platzierung eines Transducers schwierig ist, ohne dabei den Strahlengang für die elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung der Druckwellen zu stören.
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Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein photoakustisches Mikroskop bereitzustellen, mit dem eine gute akustische Detektion der erzeugten Druckwellen möglich ist, ohne die optischen Eigenschaften des Mikroskopes unnötig zu verschlechtern.
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Die Aufgabe wird durch ein photoakustisches Mikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die optische Detektion des Drucksensors über das Objektiv ist es möglich, den Drucksensor an einer vom Objektiv erfaßbaren Position zu platzieren, an der der Drucksensor zu keiner oder keiner wesentlichen Verschlechterung für die optische Abbildungsfähigkeit des Mikroskopes führt.
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Bei dem photoakustischen Mikroskop kann die Ausleseeinheit eine interferometrische-optische Detektion durchführen. Dadurch ist eine sehr genaue Druckmessung möglich.
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Insbesondere kann der Drucksensor als Fabry-Perot-Hohlraumresonator ausgebildet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen photoakustischem Mikroskop kann das Optikmodul fokussierte elektromagnetische Strahlung in die Probe richten, kann das Optikmodul die elektromagnetische Strahlung in die Probe fokussieren oder kann das Optikmodul die elektromagnetische Strahlung kollimiert in die Probe richten.
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Ferner kann das photoakustische Mikroskop ein Bewegungsmodul zum relativen Bewegen der elektromagnetischen Strahlung und der Probe aufweisen.
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Ferner kann der Drucksensor ein Sensormaterial aufweisen, das schallinduzierte Dichteschwankungen zeigt, die zu einer Änderung der optischen Brechzahl des Sensormaterials führen. Diese Brechzahländerung kann sehr gut interferometrisch-optisch detektiert werden.
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Das Interferometer kann zum Beispiel als Michelson-Interferometer oder als Mirau-Interferometer ausgebildet sein.
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Ferner ist es möglich, das Interferometer als bildgebendes Interferometer auszubilden.
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Der Drucksensor kann am Objektiv befestigt sein. So kann der Drucksensor z. B. direkt am Objektiv bzw. dem entsprechenden Objektivtubus oder über ein Dämpfungselement am Objektiv bzw. Objektivtubus befestigt sein. Dies führt zu einer sehr kompakten Ausbildung.
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Alternativ kann der Drucksensor vom Objektiv beabstandet angeordnet sein. Dabei kann er zwischen der Probe und dem Objektiv angeordnet sein. So kann der Drucksensor beispielsweise an einem Deckglas angeordnet sein und im direkten Kontakt mit der Probe stehen.
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Ferner kann der Drucksensor vom Objektiv beabstandet und die Probe zwischen dem Objektiv und dem Drucksensor angeordnet sein.
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Der Drucksensor kann für die elektromagnetische Strahlung, die mittels des Optikmoduls in die Probe gerichtet wird, um die Druckwellen zu erzeugen, transparent (z. B. im Bereich von 300–1200 nm) und so vor dem probenseitigen Ende des Objektives angeordnet sein, daß die Beaufschlagung der Probe mit der elektromagnetischen Strahlung durch den Drucksensor hindurch erfolgt.
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Das Objektiv kann als Immersionsobjektiv ausgebildet sein.
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Ferner kann das photoakustische Mikroskop ein Beleuchtungsmodul zum Beleuchten der Probe und ein das Objektiv aufweisendes Abbildungsmodul zum optischen Abbilden der Probe aufweisen. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskop einerseits eine photoakustische Aufnahme und andererseits eine optische Aufnahme durchgeführt werden.
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Bei der elektromagnetischen Strahlung, die in die Probe fokussiert wird, um Druckwellen zu erzeugen, kann es sich um gepulste Strahlung, Laserstrahlung und insbesondere gepulste Laserstrahlung handeln. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung kann aus dem Bereich von 300 nm bis 3 µm, bevorzugt 300 nm bis 1300 nm, 300 nm bis 1000 nm, 300 nm bis 700 nm, 700 nm bis 3 µm, 700 nm bis 1300 nm oder 700 nm bis 1000 nm handeln. Die Pulslänge bei gepulster Strahlung kann im Bereich von ns liegen.
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Bei dem photoakustischen Mikroskop können sich die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zur Erzeugung der Druckwellen und die Wellenlänge zum optischen Detektieren der druckabhängigen Eigenschaft des Drucksensors unterscheiden.
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Bei der mittels des Optikmoduls in die Probe fokussierten elektromagnetischen Strahlung liegt somit ein Fokusspot vor, der mittels des Bewegungsmoduls in der Probe bewegt wird. Dabei kann das Bewegungsmodul die Bewegung des Fokusspots bewirken und die Probe ortsfest sein. Es ist auch möglich, die Probe relativ zum Fokusspot zu bewegen. Auch die Kombination von bewegtem Fokusspot und bewegter Probe ist möglich.
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Das photoakustische Mikroskop kann ein Steuermodul aufweisen, das basierend auf den Daten des Akustikmoduls Bilddaten erzeugt.
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Das photoakustische Mikroskop kann beispielsweise als Laser-Scanning-Mikroskop ausgebildet sein. Es kann als Auflichtmikroskop oder als inverses Mikroskop ausgebildet sein.
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Das photoakustische Mikroskop kann weitere dem Fachmann bekannte Module und/oder Einheiten aufweisen, die zum Betrieb des Mikroskops notwendig sind.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskops;
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2 eine vergrößerte Ansicht des probenseitigen Endes des Objektives 4 samt Probe 3 gemäß 1;
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3 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Drucksensors 9 gemäß 2;
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4 eine Darstellung gemäß 2 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops;
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5 eine Darstellung gemäß 2 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskops;
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6 eine Darstellung des probenseitigen Endes des Objektives einer weiteren Ausführungsform des photoakustischen Mikroskops zusammen mit einer Probenkammer, und
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7 eine Darstellung gemäß 6 einer Abwandlung des erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskops.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße photoakustische Mikroskop 1 ein Optikmodul 2 zum Beleuchten einer Probe 3 und ein ein Objektiv 4 aufweisendes Abbildungsmodul 5 zum Abbilden der Probe 3.
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Das Objektiv 4 ist als Immersionsobjektiv ausgebildet. Daher ist in der schematischen Darstellung von 1 neben der Probe 3, die zwischen einem Deckglas 6 und einem Objektträger 7 liegt, ein Immersionsmedium 8 zwischen dem Deckglas 6 und dem dem Deckglas 6 zugewandten Ende des Objektives 4 eingezeichnet.
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Ferner umfaßt das Mikroskop 1 einen Drucksensor 9, der am dem Deckglas 6 bzw. der Probe 3 zugewandten Ende des Objektives 4 angeordnet ist, ein Steuermodul 10 und eine Ausgabeeinheit 11.
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Mittels des Steuermoduls 10 kann das Optikmodul 2 so angesteuert werden, daß es gepulste elektromagnetische Strahlung im Bereich von z. B. 300 nm–3 µm (nachfolgend auch Anregungsstrahlung genannt) erzeugt, die über eine im Optikmodul 2 enthaltene Ablenkeinheit 12 und das Objektiv 4 in die Probe 3 fokussiert (z. B. als Fokusspot) und in dieser bewegt wird. Ein Teil der dabei eingebrachten Energie wird von Strukturen in der Probe 3 absorbiert, was zu einer lokalen Aufheizung und nachfolgenden thermoelastischen Expansion und somit zu einer Druck- bzw. Schallwelle führt.
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Die Schallwelle wird, wenn die Probe 3 z. B. eine biologische Probe ist, bei der Ausbreitung durch die Probe 3 sehr wenig gestreut und kann daher zur Erzeugung eines ortsaufgelösten Bildes dienen, wobei eine hohe Eindringtiefe bei der Bildgebung von beispielsweise größer als 1 mm möglich ist. Zur Detektion der Schallwellen dient der Drucksensor 9.
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Wie in der vergrößerten Schnittdarstellung des probenseitigen Endes des Objektives 4 in 2 ersichtlich ist, umfaßt das Objektiv 4 einen Objektivtubus 13 und eine Frontlinse 14. Auf der der Probe 3 zugewandten Seite der Frontlinse 14 ist der Drucksensor 9 angeordnet, der für die gepulste Anregungsstrahlung, mit der die Probe 3 beaufschlagt wird, um die Druckwellen zu erzeugen, transparent ist. Daher ist es möglich, daß der Drucksensor 9 die Vorderseite der Frontlinse 14 vollständig überdeckt, wie dies in der beschriebenen Ausführungsform der Fall ist.
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Der Drucksensor 9 ist, wie schematisch in 1 gezeigt, mit dem Steuermodul 10 verbunden. Das Steuermodul 10 kann basierend auf den Meßdaten des Drucksensors 9 Bilddaten erzeugen, so daß eine photoakustische Bildgebung realisiert ist. Die Bilddaten können beispielsweise über die Ausgabeeinheit 11 angezeigt werden.
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Bei dem Drucksensor 9 handelt es sich um einen Sensor, der eine optisch detektierbare druckabhängige Eigenschaft aufweist. In 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Drucksensors 9 dargestellt, der als Fabry-Perot-Sensor bezeichnet werden kann und eine erste Trägerplatte 15 und eine davon beabstandete zweite Trägerplatte 16 aufweist, die auf ihren einander zugewandten Seiten jeweils eine Verspiegelung 17 und 18 aufweisen. Zwischen den beiden Trägerplatten 15 und 16 ist ein Sensormaterial 19 angeordnet, das schallinduzierte Dichteschwankungen zeigt. Als Sensormaterial können z. B. Polymere, Parylene, etc. genutzt werden. Die schallinduzierten Dichteschwankungen führen zu einer Modulation der optischen Brechzahl n des Sensormaterials. Diese Brechzahländerungen, die druckabhängig sind, werden interferometrisch-optisch gemessen. Dieses Meßprinzip ist z. B. in Beard et al., „Transduction Mechanisms of the Fabry-Perot Polymer Film Sensing Concept for Wideband Ultrasound Detection”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Band 46, Nr. 6, 1999, Seiten 1575–1582, beschrieben. Der Inhalt dieses Artikels wird bezüglich des Meßprinzips hiermit in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
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Die Verspiegelung 17, 18 ist natürlich so gewählt, daß die erforderliche Transparenz des Drucksensors 9 für die Anregungsstrahlung 26 vorliegt.
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Das optische Auslesen des Drucksensors 9 erfolgt über das Objektiv 4 (mit Hilfe z. B. einer schmalbandigen Lichtquelle, wie z. B. einem Laser, und einem optischen Detektor, die beispielsweise im Optikmodul 2 enthalten sein können), so daß die optische Funktionalität des Objektives 4 nicht eingeschränkt ist. Die Auslesestrahlung 27 ist schematisch mit gepunkteten Linien gekennzeichnet, wobei die Wellenlänge der Auslesestrahlung 27 verschieden ist zur Wellenlänge der Anregungsstrahlung 26.
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Es liegt aufgrund des beschriebenen Aufbaus und Meßprinzips eine Kompatibilität zu herkömmlichen Lichtmikroskopen vor. Es muß nur das Objektiv 4 des erfindungsgemäßen Mikroskopes eingesetzt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop 1 kann die hohe numerische Apertur des Immersionsobjektives 4 genutzt werden, um einen sehr kleinen Fokus in der Probe 3 zur Anregung der Druckwellen zu erzeugen. Es ist somit eine lokalisierte Anregung der Probe 3 mit der gepulsten Anregungsstrahlung 26 (beispielsweise Laserstrahlung mit ns-Pulsen) möglich, womit eine hohe räumliche Auflösung im photoakustischen Bildgebungsmodus erreicht wird. Die die Druckwellen erzeugende Anregungsstrahlung 26 kann die Probe 3 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 22 des Objektives 4 abrastern. Dies kann beispielsweise durch einen in der Pupille des Objektives 4 angeordneten Scanspiegel (nicht gezeigt) der Ablenkeinheit 12 verwirklicht werden, wie dies üblicherweise bei Laser-Scanning-Mikroskopen der Fall ist. Zusätzlich kann die Anregungsstrahlung 26 die Probe 3 in Richtung der optischen Achse 22 abscannen, indem die Fokusebene der Anregungsstrahlung 26 entsprechend eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch die Probe 3 entsprechend bewegt werden.
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Durch die Anordnung des Drucksensors 9 am der Probe zugewandten Ende des Objektives 4 liegt ein zuverlässiger akustischer Kontakt zwischen der Probe 3 und dem Drucksensor 9 aufgrund des Immersionsmediums 8 vor. Ferner kann die Probenpräparation so durchgeführt werden, wie es bei der Lichtmikroskopie üblich ist. Das erfindungsgemäße Mikroskop 1 weist somit eine zusätzliche Funktionalität auf. Mit ihm kann ein photoakustisches Bild erzeugt werden. Ferner kann das Objektiv 4 zur herkömmlichen optischen Bildgebung eingesetzt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop 1 erfolgt somit in vorteilhafter Weise die Abtastung des Drucksensors 9 und die Anregung der Probe 3 über das Objektiv 4 und somit über dasselbe optische System.
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In 4 ist eine Abwandlung des bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Mikroskopes gezeigt. Im Unterschied zum bisher beschriebenen Mikroskop 1 ist der Drucksensor 9 nicht am Objektiv 4 angeordnet, sondern an der der Probe 3 zugewandten Seite des Deckglases 6 und somit zwischen dem Deckglas 6 und der Probe 3.
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In 5 ist eine weitere Abwandlung gezeigt, bei der der Drucksensor 9 an der der Probe 3 zugewandten Seite des Objektträgers 7 und somit zwischen der Probe 3 und dem Objektträger 7 angeordnet ist.
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In 6 ist eine weitere Abwandlung gezeigt. Diese betrifft die Untersuchung von größeren Proben 3, die in einer z. B. mit Wasser gefüllten Probenkammer 23 angeordnet sind. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Mikroskop gemäß 1 bis 3 eingesetzt. Zur Abdichtung zwischen dem Objektiv 4 und der Probenkammer 23 ist eine Ringdichtung 24 vorgesehen.
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In 7 ist eine weitere Abwandlung gezeigt, in der der Drucksensor 9 an einem inneren Fenster 25 in der Probenkammer 23 angeordnet ist.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde das Interferometer des Sensors 9 stets als reines Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das Interferometer des Sensors 9 als Michelson-Interferometer mit einem Fabry-Perot-Hohlraumresonator in einem Arm des Interferometers auszuführen. Alternativ kann dies statt einer Michelson-Geometrie auch mit einer Mirau-Geometrie des Interferometers ausgeführt werden. Dies ist vorteilhaft, da ungewollte Phasenunterschiede im Sensormaterial 19 durch Kompensationselemente (Phasenplatte) im Referenzarm des Interferometers (Michelson bzw. Mirau) ausgeglichen werden können. Auch können diese Interferometer bildgebend ausgelegt werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
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Insbesondere die Tatsache, das Interferometer bildgebend auszulegen, kann dazu genutzt werden, nicht nur die Stärke, sondern auch die Richtung der Druckwelle (akustischen Welle) zu bestimmen. Dazu wird die optische Detektion des Interferometers nicht nur mit einem Detektor, sondern mit mehreren Detektoren, die wegen der Abbildung auch bestimmten räumlichen Bereichen des Sensormaterials 19 zugeordnet werden können, durchgeführt. Außer der räumlichen Zuordnung kann mit diesen mehreren Detektoren auch eine Diskriminierung gegen Echo-Artefakte durchgeführt werden.
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Auch bei der Ausbildung als Fabry-Perot-Interferometer (wie z. B. in Verbindung mit 1 bis 3 beschrieben ist) können beim Vorsehen von mehreren Detektoren bestimmte räumliche Bereiche den mehreren Detektoren zugeordnet werden. Dazu wird das Ausleselicht des Interferometers in die Pupille des Mikroskopobjektivs 4 fokussiert. Nach dieser Fokussierung können der ein- und ausgehende Strahl mittels einer Polarisationsoptik oder eines optischen Isolators voneinander getrennt werden und der zurückkommende Strahl kann z. B. über ein Mikrolinsenarray auf ein Photodetektorarray fokussiert werden. Alternativ können der ein- und ausgehende Strahl auch durch eine Pupillenteilung voneinander getrennt werden.
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Der Drucksensor 9 kann auch als flexibles Membran ausgebildet werden, deren Schwingung optisch gemessen wird, z. B. mit einem Laservibrometer.
