DE102014112242A1

DE102014112242A1 - Phasenkontrast-Bildgebung

Info

Publication number: DE102014112242A1
Application number: DE102014112242.9A
Authority: DE
Inventors: Lars Stoppe; Christoph Husemann
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US10338368B2; WO2016030390A2; JP2017531201A; US20170276923A1; EP3186672A2; CN106716218A; WO2016030390A3

Abstract

Ein Objekt (100) wird aus mindestens einer Beleuchtungsrichtung (110-1, 110-2) beleuchtet. Für jede Beleuchtungsrichtung (110-1, 110-2) wird ein Intensitätsbild des Objekts (100) während des Beleuchtens erfasst. Basierend auf dem mindestens einen Intensitätsbild wird ein Phasenkontrastbild des Objekts (100) erzeugt.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds eines Objekts und eine entsprechende optische Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung Techniken, bei denen das Objekt sequentiell aus mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen beleuchtet wird und basierend auf entsprechenden Intensitätsbildern das Phasenkontrastbild erzeugt wird.
In der optischen Bildgebung von Objekten kann es häufig erstrebenswert sein, ein sogenanntes Phasenkontrastbild zu erzeugen. In einem Phasenkontrastbild ist zumindest ein Teil des Bildkontrasts durch eine Phasenverschiebung des Lichts durch das abgebildete Objekt bedingt. Damit können insbesondere solche Objekte mit vergleichsweise höheren Kontrast abgebildet werden, die keine oder nur eine geringe Schwächung der Amplitude des Lichts bewirken, jedoch eine signifikante Phasenverschiebung (Phasenobjekte). Typischerweise können biologische Proben als Objekt in einem Mikroskop eine größere Phasenänderung als Amplitudenänderung des elektromagnetischen Felds bewirken.
Es sind verschiedene Techniken zur Phasenkontrast-Bildgebung bekannt, etwa die Dunkelfeldbeleuchtung, die schiefe Beleuchtung, der Differenzieller Interferenzkontrast (DIC) oder der Zernike-Phasenkontrast. Weitere Techniken wären z.B. die sog. Schlieren-Methode (engl. knife edge) oder der helikale Phasenkontrast.
Solch vorgenannte Techniken weisen diverse Nachteile oder Einschränkungen auf. So ist es bei der DIC-Technik, der Zernike-Technik, der Schlieren-Methode und dem helikalen Phasenkontrast typischerweise notwendig, gegenüber konventioneller Amplituden-Bildgebung zusätzliche optische Elemente zwischen Probe und Detektor im Bereich der sogenannten Detektionsoptik bereitzustellen. Die kann zu konstruktiven Einschränkungen insbesondere bei modular aufgebauten Mikroskopen führen. Kosten werden typischerweise erhöht. Bei dünnen Proben tragen bei einer Dunkelfeldbeleuchtung typischerweise nur wenige Photonen zur Bildentstehung bei, was zu verrauschten Bildern mit geringerer Qualität führen kann. Eine nachfolgende Auswertung oder Analyse der Bildern kann nicht oder nur eingeschränkt möglich sein. Eine schiefe Beleuchtung führt typischerweise zu einer unsymmetrischen Kontraststeigerung, was wiederum eine verringerte Qualität der Bilder bewirken kann.
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken der Phasenkontrast-Bildgebung. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, welche einen robusten und einfachen Aufbau der optischen Vorrichtung ermöglichen und die eine gute Bildqualität ermöglichen.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds eines Objekts mit einer optischen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst das sequentielle Beleuchten des Objekts aus mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen. Das Verfahren umfasst weiterhin für jede Beleuchtungsrichtung das Erfassen eines Intensitätsbilds des Objekts während des Beleuchtens aus der jeweiligen Beleuchtungsrichtung. Das Verfahren umfasst weiterhin das Kombinieren von Ausgangsbildern zum Erhalten eines Phasenkontrastbilds des Objekts. Die Ausgangsbilder basieren auf den erfassten Intensitätsbildern. Die mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen sind jeweils einem Paar von Beleuchtungsrichtungen zugeordnet.
In anderen Worten können die mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen jeweils Paare bilden bzw. paarweise angeordnet sein. Dabei kann es möglich sein, dass eine Beleuchtungsrichtung immer nur einem Paar zugeordnet ist. Es wäre aber auch möglich, dass zumindest einige der Beleuchtungsrichtungen mehreren Paaren zugeordnet sind.
Z.B. kann die optische Vorrichtung eine Mikroskopievorrichtung sein. Das Phasenkontrastbild kann also das Objekt vergrößert abbilden. Die mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen können insbesondere unterschiedliche Winkel mit derjenigen Achse der optischen Vorrichtung einschließen, entlang derer ein idealisierter Lichtstrahl keine oder nur eine geringe Ablenkung erfährt (optische Achse). In einer einfachen Implementierung können z.B. die Intensitätsbilder des Objekts aus zwei oder drei oder mehreren beliebigen Beleuchtungsrichtungen kombiniert werden, die einen unterschiedlichen Winkel mit der optischen Achse einschließen. Dann kann sich bereits ein bestimmter Phasenkontrast-Anteil im Phasenkontrastbild ergeben.).
Während die Intensitätsbilder typischerweise keinen oder keinen signifikanten Phasenkontrast aufweisen, kann durch das Kombinieren der Ausgangsbilder das Phasenkontrastbild erzeugt werden, welches einen signifikanten Phasenkontrast-Anteil aufweist. Insbesondere im Vergleich zu anderen herkömmlichen Techniken der Phasenkontrast-Bildgebung kann mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren der Effekt einer besonders einfachen Implementierung der Phasenkontrast-Bildgebung einerseits, als auch der Effekt einer besonders einfachen und damit kostengünstigen und robusten Ausgestaltung der optischen Vorrichtung erzielt werden. Insbesondere kann es möglich sein, verschiedene herkömmliche Mikroskopievorrichtungen gemäß der hier beschriebenen Technik zu verwenden, ohne das eine Modifikation einer Detektionsoptik notwendig wäre.
Es können unterschiedliche Kriterien für die Zuordnung von zwei Beleuchtungsrichtungen zu einem Paar gelten. Z.B. können geometrische Kriterien der Beleuchtungsrichtungen eines Paars gelten, etwa in Bezug auf die optische Achse; derart kann es z.B. möglich sein, einen besonders hohen Phasenkontrastanteil in dem Phasenkontrastbild zu erzeugen. Z.B. könnten die Beleuchtungsrichtungen eines Paars symmetrisch in Bezug auf die optische Achse und / oder eine Ebene, die die optische Achse beinhaltet, angeordnet sein. Es wäre aber alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass als alternatives oder zusätzliches Kriterium der Zugehörigkeit von zwei Beleuchtungsrichtungen zu einem Paars ein Zeitpunkt des Beleuchtens und Erfassens berücksichtigt wird; z.B. können diejenigen Beleuchtungsrichtungen ein Paar bilden, für die unmittelbar oder zeitnah hintereinander das jeweilige Intensitätsbild erfasst wird; derart könnte z.B. eine gewisse Robustheit gegenüber Bewegungsartefakten erzielt werden. Im Allgemeinen kann als alternatives oder zusätzliches Kriterium für die Zugehörigkeit von zwei Beleuchtungsrichtungen zu einem Paar auch eine nachfolgende Auswertung zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds berücksichtigt werden; z.B. könnte immer für die zwei Intensitätsbilder eines Paars ein einzelnes Ausgangsbild durch Kombinieren dieser Intensitätsbilder erzeugt werden.
Es wäre möglich, dass die zwei Beleuchtungsrichtungen eines Paars korrelierende Winkel mit der optischen Achse einschließen. Korrelierende Winkel kann z.B. bedeuten: im Wesentlichen gleiche Winkel oder im Wesentlichen betragsmäßig gleiche Winkel; im Wesentlichen kann insbesondere in Bezug auf technische Begrenzungen in der Genauigkeit, wie z.B. systematische oder statistische Fehler im Erfassen der Intensitätsbilder durch die optische Vorrichtung und / oder baulich bedingte Limitation einer Beleuchtungsvorrichtung der optischen Vorrichtung charakterisiert sein. Sofern zwar absolut verschiedene, aber z.B. innerhalb der Genauigkeit der optischen Vorrichtung gleiche Winkel implementiert sind, kann dies ein solches Kriterium der im Wesentlichen gleichen Winkel erfüllen. Solche Kriterien gelten nachfolgend auf entsprechende Angaben von Winkeln und / oder anderen Eigenschaften von Beleuchtungsrichtungen oder der optischen Vorrichtung.
Zur Beschreibung von geometrischen Eigenschaften der Beleuchtungsrichtungen kann es hilfreich sein, die Beleuchtungsrichtungen durch einen Beleuchtungsvektor zu beschreiben. Die Beleuchtungsvektoren können in Bezug auf einen Ursprung der optischen Vorrichtung definiert sein, etwa in Bezug auf das Objekt und / oder einen Schnittpunkt einer Fokusebene mit der optischen Achse. Eine Länge der Beleuchtungsvektoren kann z.B. einer Amplitude der Beleuchtung aus der jeweiligen Beleuchtungsrichtung entsprechen; bei nachfolgender Erörterung der Orientierung von verschiedenen Beleuchtungsvektoren kann es entbehrlich sein, eine Länge der Beleuchtungsvektoren zu berücksichtigen. Der Winkel den ein Beleuchtungsvektor mit der optischen Achse einschließt, kann dann dem Winkel der jeweiligen Beleuchtungsrichtung entsprechen.
Z.B. kann es erstrebenswert sein, dass Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen einen Winkel miteinander einschließen, der größer als 10° ist, vorzugsweise größer als 20°, besonders vorzugsweise größer als 40° ist. Es wäre alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen jeweils einen Winkel mit der optischen Achse einschließen, der größer als 5° ist, vorzugsweise größer als 10°, besonders vorzugsweise größer als 20° ist. Derart kann erreicht werden, dass ein Differenzvektor zwischen den beiden Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen eine signifikante Komponente senkrecht zur optischen Achse aufweist; dies kann den Phasenkontrast im Phasenkontrastbild besonders stark erhöhen.
Insbesondere kann es möglich sein, dass die Beleuchtungsvektoren von zwei Beleuchtungsrichtungen eines Paars von Beleuchtungsrichtungen durch Rotation um die optische Achse der optischen Vorrichtung um einen Winkel von größer als 25°, vorzugsweise von größer als 50°, besonders vorzugsweise von größer als 85° ineinander überführt werden können. Hierdurch wird der Differenzvektor besonders groß.
Die zwei Beleuchtungsrichtungen eines Paars von Beleuchtungsrichtungen können auch derart angeordnet sein, dass zugehörige Beleuchtungsvektoren durch Rotation um die optische Achse um einen Winkel von 160° bis 200°, vorteilhaft von 175° bis 185°, besonders vorteilhaft von 180° miteinander einschließen. Es wäre auch möglich, dass die zugehörigen Beleuchtungsvektoren durch Rotation um die optische Achse um einen Winkel von 70° bis 110°, vorteilhaft von 85° bis 95°, besonders vorteilhaft von 90° ineinander überführt werden können. In anderen Worten können die zwei Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen in einer Ebene liegen und symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die optische Achse angeordnet sein. Die optische Achse kann in dieser Ebene liegen (von dieser Ebene beinhaltet sein), z.B. wenn eine Rotation um 180° die beiden Beleuchtungsvektoren ineinander überführt. Derart kann ein vergleichsweise großer Phasenkontrast-Anteil im Phasenkontrastbild erhalten werden, denn die zwei Beleuchtungsrichtungen eines Paars sind derart komplementär zueinander angeordnet.
Im Allgemeinen kann es erstrebenswert sein, eine größere Anzahl von Beleuchtungsrichtungen zum Erhalten des Phasenkontrastbildes zu verwenden. Insbesondere kann bei entsprechender Anordnung der verschiedenen Beleuchtungsrichtungen der Phasenkontrast-Anteil in dem Phasenkontrastbild zunehmen. Zum Beispiel wäre es möglich, mehrere Paare von Beleuchtungsrichtungen zu berücksichtigen. Zum Beispiel wäre es möglich, das Objekt sequentiell aus 2 oder 4 oder 6 oder 8 Beleuchtungsrichtungen oder mehr Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten. Zum Beispiel wäre es möglich, dass ein erstes Paar von Beleuchtungsrichtungen einen ersten Differenzvektor von zugehörigen Beleuchtungsvektoren bestimmt. Ein zweites Paar von Beleuchtungsrichtungen kann entsprechend einen zweiten Differenzvektor von zugehörigen Beleuchtungsvektoren bestimmen. Der erste und zweite Differenzvektor können einen Winkel miteinander einschließen, z.B. einen Winkel von 70° bis 110°, vorteilhaft von 85° bis 95°, besonders vorteilhaft von 90°.
Es wäre entsprechend auch möglich, dass eine erste Ebene durch die Beleuchtungsvektoren eines ersten Paars von Beleuchtungsrichtungen definiert ist. Eine zweite Ebene kann z.B. durch die Beleuchtungsvektoren eines zweiten Paars von Beleuchtungsrichtungen definiert sein. Die erste Ebene und die zweite Ebene können z.B. einen Winkel von 70° bis 110° miteinander einschließen, vorteilhaft von 85° bis 95°, besonders vorteilhaft von 90°. Die Ebenen können z.B. dadurch definiert sein, dass die jeweiligen Beleuchtungsvektoren in der Ebene liegen. Es wäre auch möglich, dass die Ebenen durch einen Normalenvektor definiert sind, der parallel zu einem Differenzvektor der jeweiligen Beleuchtungsvektoren orientiert ist; die optische Achse kann in der Ebene liegen.
Derart können Differenzvektoren der Beleuchtungsvektoren der beiden Paare von Beleuchtungsrichtungen also einen vergleichsweise großen Winkel von bis zu 90° miteinander einschließen; dadurch kann der Phasenkontrast in dem Phasenkontrastbild entlang verschiedener Bildrichtungen erhöht werden. Z.B. kann ein Phasenkontrast-Anteil in dem Phasenkontrastbild besonders groß entlang solcher Bildrichtungen sein, für die Beleuchtungsvektoren eines Paar von Beleuchtungsrichtungen eine Komponente senkrecht zur optischen Achse aufweisen. Insbesondere kann ein Phasenkontrast-Anteil in dem Phasenkontrastbild besonders groß entlang solcher Richtungen sein, für die der Differenzvektor aus den Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen eine Komponente senkrecht zur optischen Achse aufweist. Deshalb kann es erstrebenswert sein, komplementär und / oder symmetrisch angeordnete Beleuchtungsrichtungen zu verwenden. Um einen isotropen Phasenkontrast in dem Phasenkontrastbild zu erzeugen kann es erstrebenswert sein, dass die Beleuchtungsrichtungen gleichmäßig verteilte Winkel mit der optischen Achse einschließen.
Es wäre z.B. möglich, mehrere Phasenkontrastbilder zu erzeugen, die einen richtungsabhängigen Phasenkontrast aufweisen. Z.B. könnte ein erstes Phasenkontrastbild einen signifikanten Phasenkontrast entlang einer ersten Bildrichtung aufweisen und ein zweites Phasenkontrastbild könnte einen signifikanten Phasenkontrast entlang einer zweiten Bildrichtung aufweisen, wobei die erste und zweite Bildrichtung einen Winkel miteinander einschließen, z.B. einen Winkel von 70° bis 110°, vorteilhaft von 85° bis 95°, besonders vorteilhaft von 90°.
Z.B. kann das Verfahren zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds gemäß dem gegenwärtigen Aspekt für ein erstes Paar von Beleuchtungsrichtungen angewendet werden und für ein zweites Paar von Beleuchtungsrichtungen angewendet werden, wodurch das erste Phasenkontrastbild und das zweite Phasenkontrastbild erzeugt wird. Differenzvektoren der jeweiligen Beleuchtungsvektoren des ersten Paars und des zweiten Paars können einen Winkel miteinander einschließen, z.B. einen Winkel von 70° bis 110°, vorteilhaft von 85° bis 95°, besonders vorteilhaft von 90°. Dann kann erreicht werden, dass das erste Phasenkontrastbild einen signifikanten Phasenkontrast entlang einer anderen Bildrichtung aufweist, als das zweite Phasenkontrastbild. Ein richtungsabhängiger Phasenkontrast kann erzeugt werden. Dies kann einen besonders hohen Informationsgehalt bei einer nachfolgenden Auswertung oder Analyse der Phasenkontrastbilder ermöglichen.
Entsprechend wäre es möglich, dass Beleuchtungsvektoren eines ersten Paars von Beleuchtungsrichtungen durch Spiegelung an einer ersten Ebene, die die optische Achse beinhaltet, ineinander überführt werden können. Beleuchtungsvektoren eines zweiten Paars von Beleuchtungsrichtungen können durch Spiegelung an einer zweiten Ebene, die die optische Achse beinhaltet und senkrecht zur der ersten Ebene steht, ineinander überführt werden. Dies kann bedeuten, dass Differenzvektoren von Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtung einen Winkel von im Wesentlichen 90° miteinander einschließen. Dann kann das Phasenkontrastbild entlang verschiedener Richtungen einen hohen Phasenkontrast aufweisen.
Voranstehend wurden verschiedene geometrische Anordnungen der mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen genannt. Grundsätzlich können verschiedenste Beleuchtungsvorrichtungen verwendet werden, um das Beleuchten des Objekts mit den verschiedenen Beleuchtungsrichtungen durchzuführen. Es kann etwa ein Scan-Spiegel z.B. in einer Feldblendenebene der Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden. Es könnte auch eine adaptive Komponente in einer Aperturblende bzw. Beleuchtungspupille der Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden; z.B. könnte die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Deutscher Patentanmeldung 10 2014 101 219.4 verwendet werden. Es wäre auch möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein Leuchtdioden-Array umfasst. Z.B. können die Leuchtdioden des Leuchtdioden-Arrays gemäß eines kartesischen Raster angeordnet sein, wobei Einheitszellen des Rasters quadratisch oder rechtecksförmig ausgestaltet sein können. Auch andere Raster können implementiert sein, etwa hexagonale Raster etc. Es wäre z.B. auch möglich, dass das Leuchtdioden-Array einen oder mehrere Ringe von Leuchtdioden, z.B. mit verschiedenen Radien umfasst. Dann kann z.B. durch Ansteuern einer bestimmten Leuchtdiode des Leuchtdioden-Arrays, die einen bestimmten Abstand gegenüber der optischen Achse aufweist, eine bestimmte Beleuchtungsrichtung implementiert werden.
So kann das Verfahren z.B. für jedes Paar von Beleuchtungsrichtungen umfassen: Ansteuern einer ersten Leuchtdiode des Leuchtdioden-Arrays zum Beleuchten des Objekts aus einer ersten Beleuchtungsrichtung; und Ansteuern einer zweiten Leuchtdiode des Leuchtdioden-Arrays zum Beleuchten des Objekts aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung. Das Leuchtdioden-Array kann z.B. n Zeilen von Leuchtdioden aufweisen und m Spalten von Leuchtdioden aufweisen. Die erste Leuchtdiode kann der ij Leuchtdiode des Leuchtdioden-Arrays entsprechen; entsprechend kann die zweite Leuchtdiode aus folgender Gruppe ausgewählt sein: n – i + 1; j Leuchtdiode; i; m – j + 1 Leuchtdiode; n – i + 1; m – j + 1 Leuchtdiode.
i kann also einen Zeilenindex des Leuchtdiodenarrays bezeichnen und damit im Bereich von 1 bis n gewählt werden. j kann also einen Spaltenindex des Leuchtdiodenarrays bezeichnen und damit im Bereich von 1 bis m gewählt werden. Sofern es sich um ein quadratischen Leuchtdioden-Array handelt, gilt m = n.
Durch ein solches, symmetrisch paarweises Ansteuern der Leuchtdioden, können insbesondere die besonderen geometrischen Beziehung, die voranstehend diskutiert wurden, implementiert werden: Für den Fall der Wahl der zweiten Leuchtdiode gemäß n – i + 1; j oder i; m – j + 1 kann sich ein Szenario wie voranstehend in Bezug auf die dritte Ebene beschrieben ergeben. Für den Fall der Wahl einer zweiten Leuchtdiode gemäß i; m – j + 1 und einer dritten Leuchtdiode gemäß n – i + 1; j kann sich der Fall oben beschriebene Fall der dritten und vierten Ebene ergeben. Für den Fall der Wahl der zweiten Leuchtdiode gemäß n – i + 1; m – j + 1, kann sich der oben beschriebene Fall der Überführung der Beleuchtungsrichtungen durch Rotation um die optische Achse um einen Winkel von im Wesentlichen 180° ergeben.
Wie voranstehend erläutert, können im Allgemeinen eine unterschiedliche Anzahl und Anordnung von Beleuchtungsrichtungen gewählt werden. Insbesondere können Paare von Beleuchtungsrichtungen gewählt werden, die zueinander in einer bestimmten geometrischen Beziehung stehen. In einem solchen Fall kann im Allgemeinen ein Paar einen Phasenkontrast von Struktur der Linien im Phasenkontrastbild senkrecht zu einer Verbindungslinie innerhalb des Paares erhöhen, d.h. parallel zum Differenzvektor; die Verbindungslinie innerhalb des Paares kann in diesem Fall einem Differenzwechsel der Beleuchtungsvektoren entsprechen. Im Allgemeinen kann ein besonders schnelles Durchführen des Verfahrens zum Erzeugen des Phasenkontrastbildes erstrebenswert sein; dies kann typischerweise bereits mit ein oder zwei Paaren von Beleuchtungsrichtungen erreicht werden; sofern z.B. zwei Paare von Beleuchtungsrichtungen verwendet werden, können die zwei Paare um 90° gedreht sein. Im Allgemeinen kann eine gleichmäßigere Steigerung des Phasenkontrasts im erzeugten Phasenkontrastbild mit einer höheren Abtastrate des Raums der Beleuchtungsrichtungen erreicht werden; das bedeutet, dass im Allgemeinen eine größere Anzahl von Paaren von Beleuchtungsrichtungen, die z.B. gleichmäßig oder statistisch über den entsprechenden Raum von Beleuchtungsrichtungen verteilt sind, erstrebenswert sein kann. Unterschiedlich schiefe Beleuchtungsrichtungen können insbesondere die Plastizität des Phasenkontrastbildes erhöhen. Während voranstehend insbesondere solche Beleuchtungsrichtungen diskutiert wurden, die einen endlichen Winkel mit der optischen Achse einschließen, so kann im Allgemeinen auch diejenige Beleuchtungsrichtung, die parallel zur optischen Achse steht, verwendet werden. Neben dem Einfluss einer Anzahl von berücksichtigten Beleuchtungsrichtungen bzw. verwendeter Intensitätsbilder auf den Phasenkontrast des Phasenkontrastbilds, kann auch hinsichtlich eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses das Verwenden einer größeren Anzahl von Beleuchtungsrichtungen erstrebenswert sein. Im Allgemeinen kann das Phasenkontrastbild weniger verrauscht sein, je mehr Intensitätsbilder zum Erhalten des Phasenkontrastbilds verwendet werden. Signalrauschen kann z.B. durch Photonenrauschen und/oder Kamerarauschen der einzelnen Intensitätsbilder verursacht werden.
Während voranstehend vornehmlich Techniken beschrieben wurden, welche die Art und / oder Anordnung der Beleuchtungsrichtungen betreffen, werden nachfolgend vornehmlich Techniken beschrieben, die das Erzeugen des Phasenkontrastbilds basierend auf den erfassten Intensitätsbildern betreffen.
In einer einfachen Implementierung können die Ausgangsbildern den Intensitätsbildern entsprechen. Die Ausgangsbilder können aber auch durch Anwenden von bestimmten Nachverarbeitungsschritten aus den Intensitätsbildern erhalten werden; dadurch kann es z.B. möglich sein, das Phasenkontrastbild mit einem vergleichsweise hohen Phasenkontrast und / oder vergleichsweise hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Zum Beispiel können die Ausgangsbilder durch Anwenden eines Operators auf die erfassten Intensitätsbilder erhalten werden. Der Operator kann z.B. aus folgender Gruppe ausgewählt sein: Betrag; Quadrat; Wurzel; Vorzeichenumkehr; Glättung von Bildpunkten; Aberrationskorrektur von Bildpunkten; und Normieren auf einen Mittelwert von Bildpunktwerten des jeweiligen Intensitätsbilds. Zum Beispiel kann das Normieren auf den Mittelwert umfassen: Subtrahieren eines Mittelwerts von Bildpunktwerten des jeweiligen Intensitätsbilds von jedem Bildpunktwert des jeweiligen Intensitätsbilds zum Erhalten eines entsprechenden Ausgangsbilds.
Im Allgemeinen ist es möglich, dass für jedes Intensitätsbild ein Ausgangsbild bestimmt wird, also eine 1:1-Zuordnung zwischen Intensitäsbildern und Ausgangsbildern vorliegt. Es wäre aber auch möglich, dass mehrere Intensitätsbilder zu einem Ausgangsbild zusammengefasst werden. Z.B. kann also das Ausgangsbild durch Kombinieren mehrerer Intensitätsbilder bestimmt werden
Es wäre z.B. möglich, dass das Verfahren weiterhin umfasst: Kombinieren derjenigen Intensitätsbilder, die einem Paar von Beleuchtungsrichtungen entsprechen, zu jeweils einem Ausgangsbild. Insbesondere für den Fall, dass die Beleuchtungsrichtungen, die einem Paar zugeordnet sind, bestimmte geometrische Beziehungen erfüllen, kann derart ein besonders hoher Phasenkontrast-Anteil in dem erzeugten Phasenkontrastbild erhalten werden. Die derart erhaltenen Ausgangsbilder können dann wiederum Kombiniert werden, um das Phasenkontrastbild zu erzeugen.
Durch das Kombinieren von zwei Intensitätsbildern eines Paars von Beleuchtungsrichtungen zu jeweils einem Ausgangsbild kann eine besonders große Flexibilität bei dem Vorgang des Kombinierens gewährleistet werden. Insbesondere kann es z.B. möglich sein, bei dem Kombinieren einzelne Intensitätsbilder stärker oder schwächer zu gewichten. Derart können z.B. bestimmte optische Effekte ausgeglichen werden, die durch einen Winkel, den die jeweilige Beleuchtungsrichtung mit der optischen Achse einschließt, auftreten können. Z.B. kann eine mittlere Intensität eines Intensitätsbildes, das unter einem größeren (kleineren) Winkel, den die jeweilige Beleuchtungsrichtung mit der optischen Achse einschließt, erfasst wurde, kleiner (größer) sein. Es kann möglich sein, solche Effekte durch geeignete Techniken des Kombinierens auszugleichen. Insbesondere im Vergleich zu Techniken, bei denen eine größere Anzahl von Intensitätsbildern und / oder Ausgangsbildern auf einmal kombiniert wird, kann eine erhöhte Flexibilität erreicht werden.
Z.B. könnte das Kombinieren der Intensitätsbilder eine Subtraktion der jeweiligen Intensitätsbilder zum Erhalten der Ausgangsbilder umfassen. Das Kombinieren der Ausgangsbilder kann eine Addition der Beträge der Ausgangsbilder zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds umfassen.
Im Allgemeinen ist also die Technik des Kombinierens nicht besonders beschränkt. Die verschiedenen Ausgangsbilder können z.B. subtrahiert oder addiert werden; entsprechendes gilt für die Intensitätsbilder, sofern diese zum Erhalten eines Ausgangsbilds kombiniert werden.
Zum Beispiel kann das Kombinieren der Ausgangsbilder eine gewichtete Summation der Ausgangsbilder umfassen. Bei der gewichteten Summation kann jedem Ausgangsbild ein Wichtungsfaktor zugewiesen sein. Das Verfahren kann z.B. für jedes Ausgangsbild weiterhin umfassen: Bestimmen des Wichtungsfaktors basierend auf einem Winkel, den die entsprechende Beleuchtungsrichtung mit der optischen Achse der optischen Vorrichtung einschließt. Zum Beispiel kann der Wichtungsfaktor umso größer (kleiner) bestimmt werden, je größer (kleiner) der Winkel der entsprechenden Beleuchtungsrichtung mit der optischen Achse ist. Typischweise kann nämlich ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des jeweiligen Intensitätsbilds kleiner (größer) für größere (kleinere) Winkel der jeweiligen Beleuchtungsrichtung mit der optischen Achse sein – bei gleichbleibender Amplitude des entsprechenden Beleuchtungsfelds. Derart kann z.B. für ein geringeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis in den Intensitätsbildern für größere Winkel der Beleuchtungsrichtung kompensiert werden. Z.B. kann der Wichtungsfaktor derart bestimmt werden, dass eine Komponente der jeweiligen Beleuchtungsvektoren parallel zur optischen Achse eine vorbestimmte Länge annimmt, z.B. die gleiche Länge für die verschiedenen Beleuchtungsrichtungen.
Durch das Durchführen einer gewichtete Summation kann es also möglich sein, die verschiedenen Einflüsse der verschiedenen Beleuchtungsrichtungen bzw. der verschiedenen Paaren von Beleuchtungsrichtungen auf die jeweiligen Intensitätsbilder bei dem Kombinieren zu berücksichtigen. Derart kann es möglich sein, ein besonders qualitativ hochwertiges Phasenkontrastbild zu erzeugen – z.B. insbesondere im Vergleich zu Techniken, welche pauschal verschiedene Beleuchtungsrichtungen rechts und links der optischen Achse kombinieren.
Mittels der voranstehenden Techniken kann es entbehrlich sein, weitere optische Elemente, wie sie z.B. bei herkömmlichen Phasenkontrast-Bildgebungstechniken verwendet werden, zu verwenden. Insbesondere kann z.B. das Beleuchten mit Licht derart erfolgen, dass das Licht im optischen Pfad der optischen Vorrichtung zwischen dem Objekt und einem Detektor keine Elemente durchläuft, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Polfilter; Prisma; Wollaston-Prisma; Phasenring; Graufilter. Insbesondere zu etablierten vorbekannten Techniken der Phasenkontrast-Bildgebung, wie z.B. der DIC-Technik oder der Zernike-Technik, kann so ein vereinfachter Aufbau der optischen Vorrichtung erreicht werden. Dies kann Betriebskosten senken oder eine Anfälligkeit des Betriebs gegenüber Fehlern reduzieren. Ferner kann es für das vorliegende Verfahren entbehrlich sein, besonders kohärentes Licht und/oder monochromatisches Licht zu verwenden. Zum Beispiel kann das Beleuchten mit inkohärentem Licht erfolgen. Insbesondere kann das Beleuchten des Objekts auch mit Weißlicht erfolgen, welches eine signifikante spektrale Breite aufweist. Auch derart kann es möglich sein, die Beleuchtungsvorrichtung der optischen Vorrichtung vergleichsweise kostengünstig und robust gegenüber Fehlern auszugestalten.
Insbesondere kann es entbehrlich sein, innerhalb der Detektionsoptik, d.h. zwischen Objekt und Detektor, Modifikationen gegenüber der herkömmlichen Intensitätsbildgebung vorzunehmen. Dies kann es erlauben, vorbeschriebene Techniken in verschiedenen Mikroskopen einzusetzen. Insbesondere im Vergleich zu der DIC-Technik, der Zernike-Technik und anderen Techniken, die in die Detektionsoptik eingreifen, wie z.B. die Schlieren-Methode oder der helikale Phasenkontrast, weist dies den Effekt einer erhöhten Flexibilität im Einsatz auf. Ferner kann, durch das Kombinieren der Phasenintensitätsbilder zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds, sichergestellt werden, dass auch dünne Proben im Phasenkontrastbild hell erscheinen – dies ist insbesondere vorteilhaft im Vergleich zu Phasenkontrast-Bildgebungstechniken, die auf der Dunkelfeldbeleuchtung beruhen. Bei geeigneter Wahl der Beleuchtungsrichtungen, wie obenstehend beschrieben, kann ferner sichergestellt werden, dass der Phasenkontrast im erzeugten Phasenkontrastbild in unterschiedlichen Richtungen gleichmäßig bzw. zielgerichtet erhöht wird. Insbesondere im Vergleich zur konventionellen Technik der schiefen Beleuchtung kann derart ein verbessertes Phasenkontrastbild erzeugt werden. Ferner ist es mittels der voranstehend beschriebenen Techniken möglich, eine Blende der Beleuchtungsvorrichtung gleich oder im Wesentlichen gleich zu einer Blende der Detektionsvorrichtung der optischen Vorrichtung zu wählen; insbesondere kann es entbehrlich sein, dass die Beleuchtungsblende größer als die Detektionsblende ist. Derart kann, z.B. im Vergleich mit der Dunkelfeldbeleuchtung, ein vereinfachter Aufbau der optischen Vorrichtung erhalten werden. Mittels der voranstehend beschriebenen Techniken kann es auch möglich sein, eine quantitative Phasenrekonstruktion durchzuführen, bei der ein Kontrast des erzeugten Phasenkontrastbilds proportional zu einer Phasenverschiebung ist. Insbesondere im Vergleich zu konventionellen im Bildraum operierenden Techniken, wie z.B. der Dunkelfeldbeleuchtung, der Schiefenbeleuchtung, der DIC-Technik, dem Zernike-Phasenkontrast, der Schlieren-Methode oder dem helikalen Phasenkontrast, kann derart ein besonders aussagekräftiges Phasenkontrastbild erzeugt werden. Weitere Techniken, die anstatt – wie vorliegend im Bildraum – im Ortsfrequenz-Raum operieren, wie z.B. die Fourier-Ptychographie, benötigen typischerweise umfangreichere und komplexere Rechenschritte als die vorliegenden Techniken, die im Bildraum operieren. Deshalb kann insbesondere bei Echtzeitanwendungen oder solchen Anwendungen, bei denen eine schnelle Erzeugung des Phasenkontrastbilds wünschenswert ist, die Anwendung der vorliegenden Technik besonders erstrebenswert sein.
Im Allgemeinen ist das Kombinieren der Ausgangsbilder bzw. das Erzeugen der Ausgangsbilder aus den Intensitätsbildern flexibel anpassbar. So können z.B. die Wichtungsfaktoren bei einer gewichteten Summation der Ausgangsbilder z.B. probenabhängig oder durch einen Benutzer angepasst werden. Damit kann z.B. ein auf eine bestimmte untersuchte Probe optimierter Phasenkontrast des erzeugten Phasenkontrastbilds ermöglicht werden; insbesondere kann dies möglich sein, ohne einen Hardware-Eingriff in die optische Vorrichtung vornehmen zu müssen. Dies kann insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Techniken der Phasenkontrast-Bildgebung eine vereinfachte Anpassung der Bildgebungsparameter zur Erzeugung des Phasenkontrastbilds erlauben; insbesondere können solche Bildgebungsparameter robuster und sicherer angepasst werden. Es kann auch möglich sein, die Bildgebungsparameter im Nachhinein, d.h. nach dem Beleuchten und Erfassen des Objekts anzupassen. Dies kann eine Flexibilität in der Bildgebung erhöhen. Ferner werden im Ergebnisbild Amplitudeninformationen des abgebildeten Objekts berücksichtigt. Dies kann insbesondere im Vergleich zur vorbekannten Technik der Dunkelfeldbeleuchtung ein Vorteil sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Anmeldung eine optische Vorrichtung. Die optische Vorrichtung ist eingerichtet, um ein Phasenkontrastbild eines Objekts zu erzeugen. Die optische Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um das Objekt aus mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten. Die mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen sind jeweils einem Paar von Beleuchtungsrichtungen zugeordnet. Die optische Vorrichtung umfasst einen Detektor, der eingerichtet ist, um für jede Beleuchtungsrichtung ein Intensitätsbild des Objekts während des Beleuchtens aus der jeweiligen Beleuchtungsrichtung zu erfassen. Die optische Vorrichtung umfasst ferner eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, um auf den erfassten Intensitätsbildern basierende Ausgangsbilder im Bildraum zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds des Objekts zu kombinieren.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann ein Leuchtdioden-Array umfassen. Die Leuchtdioden des Leuchtdioden-Arrays können das Objekt mit inkohärentem Licht beleuchten.
Die optische Vorrichtung gemäß dem gegenwärtig diskutierten Aspekt der Anmeldung kann eingerichtet sein, um das Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung durchzuführen.
Für eine solche optische Vorrichtung können Effekte erzielt werden, die vergleichbar sind mit den Effekten, die für das Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erhalten werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds eines Objekts mit einer optischen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst das Beleuchten des Objekts aus einer Beleuchtungsrichtung. Die Beleuchtungsrichtung schließt mit der optischen Achse der optischen Vorrichtung einen endlichen Winkel ein. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen eines Intensitätsbilds des Objekts während des Beleuchtens aus der Beleuchtungsrichtung. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verarbeiten des Intensitätsbilds zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds. Das Verarbeiten des Intensitätsbilds umfasst das Reskalieren des Phasenkontrastbilds.
Es kann also möglich sein, basierend auf nur einem einzelnen Intensitätsbild ein Phasenkontrastbild zu erzeugen. Mittels solcher Techniken kann es möglich sein, das Phasenkontrastbild besonders schnell zu erzeugen. Dies kann z.B. Vorteile in Bezug auf bewegte Proben haben. Es kann auch möglich sein, das Objekt mit vergleichsweise geringer Lichtexposition zu beleuchten. Ferner kann eine solche Technik den Effekt verringerter Rechenkapazitäten beim Erzeugen des Phasenkontrastbilds aufweisen. So kann es z.B. entbehrlich sein, mehrere Intensitätsbilder oder eine größere Anzahl von Intensitätsbildern zu Verarbeiten. Derart kann das Erzeugen des Phasenkontrastbilds durch das Nachverarbeiten besonders schnell geschehen.
Es wäre auch möglich, dass das Verfahren weiterhin umfasst:
wiederholtes Durchführen des Erfassens und des Verarbeitens des Intensitätsbilds für verschiedene Beleuchtungsrichtungen und Kombinieren der derart erzeugten Phasenkontrastbilder. Derart kann z.B. ein besonders hoher Phasenkontrast-Anteil in dem Phasenkontrastbild erzeugt werden. Auch kann erreicht werden, dass ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis in dem derart erhaltenen Phasenkontrastbild besonders hoch ist.
Im Allgemeinen können verschiedene Techniken für das Reskalieren angewendet werden. Z.B. kann das Reskalieren umfassen: Subtrahieren eines Mittelswerts von Bildpunktwerten des Intensitätsbilds von Bildpunktwerten des Intensitätsbilds. Z.B. kann der Mittelwert aller Bildpunktwerte jeweils von jedem Bildpunktwert des Intensitätsbilds subtrahiert werden. Die Bildpunktwerte können z.B. proportional zu einer Helligkeit des Objekts an der durch den jeweiligen Bildpunkt abgebildeten Position sein.
Im Allgemeinen ist es möglich, dass das Verarbeiten des Intensitätsbilds noch weitere Schritte umfasst, z.B. Glättungsschritte etc. Es wäre z.B. möglich, dass das Verarbeiten des Intensitätsbilds weiterhin das Anwenden eines Betragsoperators auf das reskalierte Intensitätsbild umfasst. Z.B. kann das Anwenden des Betragsoperators bewirken, dass für jeden Bildpunkt der jeweilige Bildpunktwert mit positivem Vorzeichen ausgegeben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Anmeldung eine optische Vorrichtung, die eingerichtet ist, um ein Phasenkontrastbild eines Objekts zu erzeugen. Die optische Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um das Objekt aus einer Beleuchtungsrichtung zu beleuchten. Die Beleuchtungsrichtung schließt einen endlichen Winkel mit der optischen Achse der optischen Vorrichtung ein. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner einen Detektor, der eingerichtet ist, um ein Intensitätsbild des Objekts während des Beleuchtens aus der Beleuchtungsrichtung zu erfassen. Die optische Vorrichtung umfasst ferner eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, um das Intensitätsbild zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds zu verarbeiten. Das Verarbeiten umfasst das Reskalieren des Phasenkontrastbilds.
Z.B. kann die optische Vorrichtung gemäß dem gegenwärtig diskutierten Aspekt eingerichtet sein, um ein Verfahren zum Bestimmen eines Phasenkontrastbilds gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Für eine solche optische Vorrichtung können Effekte erzielt werden, die vergleichbar sind mit den Effekten, die für ein Verfahren zum Bestimmen eines Phasenkontrastbilds gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erzielt werden können.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann es möglich sein, verschiedene Merkmale zu kombinieren, die voranstehend in Bezug auf Aspekte beschrieben wurden, bei denen das Phasenkontrastbild basierend auf einem oder mehreren Intensitätsbildern erzeugt wird.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
1 illustriert zweidimensional das Beleuchten eines Objekts aus zwei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen.
2A illustriert dreidimensional das Beleuchten eines Objekts aus vier Beleuchtungsrichtungen, wobei jeweils zwei Beleuchtungsrichtungen ein Paar bilden.
2B illustriert dreidimensional das Beleuchten eines Objekts aus drei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen, wobei jeweils zwei Beleuchtungsrichtungen ein Paar bilden.
3 zeigt schematisch ein Leuchtdioden-Array, das zur Beleuchtung eines Objekts aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen verwendet werden kann.
4A illustriert einen Ablauf zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds aus Intensitätsbildern, die unter Beleuchtung eines Objekts aus verschiedenen Beleuchtungsrichtungen erfasst wurden, wobei für jedes Intensitätsbild ein Ausgangsbild erzeugt wird, wobei die Ausgangsbilder zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds kombiniert werden.
4B illustriert einen Ablauf zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds aus Intensitätsbildern, die unter Beleuchtung eines Objekts aus verschiedenen Beleuchtungsrichtungen erfasst wurden, wobei die Intensitätsbilder paarweise zu einem Ausgangsbild kombiniert werden, wobei die Ausgangsbilder zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds kombiniert werden.
5 illustriert schematisch eine optische Vorrichtung.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds.
7 zeigt eine Abhängigkeit von Wichtungsfaktoren von einem Winkel von entsprechenden Beleuchtungsrichtungen für das gewichtete Summieren von Ausgangsbildern.
8 illustriert das Beleuchten des Objekts aus einer Beleuchtungsrichtung, die einen endlichen Winkel mit der optischen Achse einschließt.
9 illustriert Bildpunktwerte eines Intensitätsbilds, das für die Beleuchtungsrichtung der 8 erfasst wird.
10 entspricht 9, wobei die Bildpunktwerte reskaliert wurden.
11 entspricht der 10, wobei auf die Bildpunktwerte ein Betragsoperator angewendet wurde.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden Techniken zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds mittels einer optischen Vorrichtung erläutert. Diese Techniken beruhen auf einer Verarbeitung bzw. Nachbearbeitung von einem oder mehreren Intensitätsbildern eines Objekts, die für bestimmte Beleuchtungsrichtungen erfasst werden. In einem Szenario kann basierend auf einem einzelnen Intensitätsbild das Phasenkontrastbild erzeugt werden. In einem weiteren Szenario kann basierend auf mehreren Intensitätsbildern das Phasenkontrastbild erzeugt werden; durch das Kombinieren von Ausgangsbildern, die auf den Intensitätsbildern basieren, kann der Phasenkontrast in dem Phasenkontrastbild erhalten werden. In einem solchen Szenario können die Beleuchtungsrichtungen insbesondere paarweise angeordnet sein und jeweils die Intensitätsbilder zu einem Ausgangsbild kombiniert werden, die einem Paar von Beleuchtungsrichtungen entsprechen. Anschließend können die derart erhaltenen Ausgangsbilder kombiniert werden, um das Phasenkontrastbild zu erzeugen.
Der Phasenkontrast des Phasenkontrastbilds kann durch geeignete Wahl der Beleuchtungsrichtungen gesteuert werden. Insbesondere kann eine geometrische Beziehung derjenigen Beleuchtungsrichtungen, die einem Paar zugeordnet sind, einen bestimmten Beitrag zum Phasenkontrast liefern. Z.B. können zwei Beleuchtungsrichtungen eines Paars von Beleuchtungsrichtungen korrelierende Winkel mit der optischen Achse der optischen Vorrichtung einschließen. Der korrelierende Winkel kann z.B. bedeuten, dass die beiden Beleuchtungsrichtungen eines Paars symmetrisch in Bezug auf die optische Achse sind oder jedenfalls betragsmäßig gleiche Winkel mit dieser einschließen. Mittels solcher Ansätze kann z.B. ein über verschiedene Bildrichtungen des Phasenkontrastbilds isotroper oder anisotroper Phasenkontrast zielgerichtet erzeugt werden. Der Phasenkontrast kann auch quantitativ bestimmt werden, sofern die Beleuchtungsrichtung und ggf. weitere Parameter der jeweiligen Beleuchtungsfelder, wie Amplitude etc., bekannt sind. Im Allgemeinen kann es erstrebenswert sein, dass zwei Beleuchtungsrichtungen eines Paars von Beleuchtungsrichtungen einen möglichst großen Winkel miteinander einschließen, z.B. größer als 10° oder größer als 20° oder größer als 40°. Es kann auch erstrebenswert sein, dass eine erste Beleuchtungsrichtung eines Paars von Beleuchtungsrichtungen einen ersten Winkel mit der optischen Achse einschließt, der z.B. größer als 5° ist oder größer als 10° ist oder größer als 20° ist. Es kann auch erstrebenswert sein, dass eine zweite Beleuchtungsrichtung eines Paars von Beleuchtungsrichtungen einen zweiten Winkel mit der optischen Achse einschließt, der z.B. größer als 5° ist oder größer als 10° ist oder größer als 20° ist. Durch solch vergleichsweise große Winkel zwischen den Beleuchtungsrichtungen eines Paars bzw. zwischen den Beleuchtungsrichtungen und der optischen Achse kann ein vergleichsweise großer Phasenkontrast-Anteil in dem Phasenkontrastbild erhalten werden.
Die vorliegenden Techniken erlauben es also durch geeignete Verarbeitung der Intensitätsbilder, d.h. nach dem eigentlichen Erfassen, aus den Intensitätsbildern Phasenkontrastbilder zu erzeugen. Es ist nicht notwendig, im Bereich eines Detektors der optischen Vorrichtung weitere optische Elemente vorzuhalten. Das Beleuchten mit Licht kann insbesondere derart erfolgen, dass das Licht im optischen Pfad der optischen Vorrichtung zwischen dem Objekt und dem Detektor keine Elemente durchläuft, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Polfilter; Prisma; Wollaston-Prisma; Phasenring; Graufilter. Insbesondere im Vergleich zu etablierten Techniken der Phasenkontrast-Bildgebung, wie z.B. die DIC-Technik, kann derart ein vereinfachter und besonders robuster Aufbau der optischen Vorrichtung erreicht werden. Das Licht kann eine signifikante spektrale Bandbreite aufweisen und muss kein besonderes Kohärenzkriterium erfüllen.
In 1 ist zunächst eine eindimensionale Ansicht einer ersten Beleuchtungsrichtung 110-1 und einer zweiten Beleuchtungsrichtung 110-2 dargestellt. In 1 ist ferner die optische Achse 120 dargestellt, sowie das beleuchtete Objekt 100. Wie aus 1 ersichtlich ist, schließt die erste Beleuchtungsrichtung 110-1 einen ersten Winkel 111-1 mit der optischen Achse 120 ein. Ferner schließt die zweite Beleuchtungsrichtung 110-2 einen zweiten Winkel 111-2 mit der optischen Achse 120 ein. Insbesondere sind die erste Beleuchtungsrichtung 110-1 und die zweite Beleuchtungsrichtung 110-2 symmetrisch in Bezug auf die optische Achse 120 angeordnet. Die Winkel 111-1, 111-2 sind betragsmäßig gleich (sofern, ausgehenden von der optischen Achse 120, der Wert des Winkels von Null hochgezählt wird; jedoch, in Abhängigkeit von der Richtung, mit einem Vorzeichen versehen).
Zur besseren geometrischen Beschreibung der Beleuchtungsrichtung 110-1, 110-2 kann auf die Beleuchtungsvektoren zurückgegriffen werden. Die Beleuchtungsvektoren können in dem Objekt 100 enden und können einen Winkel mit der optischen Achse 120 einschließen, der dem Winkel 111-1, 111-2 der jeweiligen Beleuchtungsvorrichtung 110-1, 110-2 entspricht.
Ein solches Szenario ist in 2A dreidimensional dargestellt. In 2A sind 4 Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 mittels Beleuchtungsvektoren dargestellt; die Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 schließen gleiche Winkel mit der optischen Achse 120 ein. Eine erste Beleuchtungsrichtung 110-1 kann durch Rotation um die optische Achse 120 um einen Winkel von 180° in eine dritte Beleuchtungsrichtung 110-3 überführt werden. Entsprechend liegen die erste Beleuchtungsrichtung 110-1 und die dritte Beleuchtungsrichtung 110-3, sowie die optische Achse 120 in einer ersten Ebene 201-1 (in 2A gestrichelt dargestellt). Die erste Beleuchtungsrichtung 110-1 und die dritte Beleuchtungsrichtung 110-3 bilden ein Paar von Beleuchtungsrichtungen. Z.B. können zugehörige Intensitätsbilder der ersten und dritten Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-3 zu einem Ausgangsbild kombiniert werden, z.B. durch Subtraktion oder Addition dieser Intensitätsbilder.
Aus 2A ist ferner ersichtlich, dass eine zweite Beleuchtungsrichtung 110-2 durch eine Rotation um die optische Achse 120 von 180° in eine vierte Beleuchtungsrichtung 110-4 überführt werden kann. Die zweite Beleuchtungsrichtung 110-2, die vierte Beleuchtungsrichtung 110-4, sowie die optische Achse 120 liegen in einer zweiten Ebene 201-2 (in 2A gestrichelt dargestellt). Z.B. können zugehörige Intensitätsbilder der zweiten und vierten Beleuchtungsrichtungen 110-2, 110-4 zu einem Ausgangsbild kombiniert werden. Die zwei derart erhaltenen Ausgangsbilder können wiederum zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds kombiniert werden, z.B. durch Subtraktion oder Addition dieser Intensitätsbilder. Das Phasenkontrastbild kann z.B. entlang der in 2A indizierten x und y Richtung angeordnet sein.
Die erste Ebene 201-1 des ersten Paars von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-3 und die zweite Ebene 201-2 des zweiten Paars von Beleuchtungsrichtungen 110-2, 110-4 schließen einen Winkel von 90° miteinander ein. In 2A ist ferner eine Verbindungslinie bzw. ein erster Differenzvektor 115-1 der Beleuchtungsvektoren des ersten Paars von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-3 dargestellt. Es ist auch ein zweiter Differenzvektor 115-2 der Beleuchtungsvektoren des zweiten Paars von Beleuchtungsrichtungen 110-2, 110-4 dargestellt. Aus 2A ist ersichtlich, dass diese Differenzvektoren 115-1, 115-2 auch einen Winkel von 90° miteinander einschließen, nämlich entsprechend der ersten und zweiten Ebene 201-1, 201-2. Typischerweise erhöht das erste Paar von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-3 den Phasenkontrast im Phasenkontrastbild senkrecht zu dem entsprechenden Differenzvektor 115-1. Entsprechend erhöht das zweite Paar von Beleuchtungsrichtungen 110-2, 110-4 den Phasenkontrast im Phasenkontrastbild senkrecht zu dem entsprechenden Differenzvektor 115-2. Da in dem Szenario der 2A die beiden Differenzvektoren 115-1, 115-2 einen Winkel von 90° miteinander einschließen, d.h. gleichmäßig über dem Raum der Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 verteilt sind, kann in dem Phasenkontrastbild ein vergleichsweise isotroper Phasenkontrast entlang der verschiedenen Bildrichtungen erzeugt werden. Es wäre z.B. möglich, durch das Berücksichtigen weiterer Beleuchtungsrichtungen (in 2A nicht gezeigt), die mit der optischen Achse 120 weitere Winkel einschließen, eine erhöhte Isotropie des Phasenkontrasts entlang verschiedener Bildrichtungen des Phasenkontrastbilds zu erzeugen.
Im Szenario der 2A sind diejenigen Richtungen, entlang derer ein hoher Phasenkontrast vorliegt, um 45° gegenüber den xy-Bildachsen Phasenkontrastbilds verkippt. Durch geeignetes bilden von Paaren von Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 kann es auch möglich sein, erhöhten Phasenkontrast entlang der xy-Bildachsen des Phasenkontrastbilds zu erzeugen. Dies ist in 2B gezeigt. In dem Szenario der 2B bilden die Beleuchtungsrichtungen 110-1 und 110-2 ein erstes Paar. Die Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-4 bilden ein zweites Paar; dies bedeutet, dass die zweite Beleuchtungsrichtung 110-2 zwei Paaren zugeordnet ist. Aus 2B ist ferner ersichtlich, dass eine dritte Ebene 201-3 (in 2B mit gestrichelten Linien gezeigt) die optische Achse 120 beinhaltet. Ferner beinhaltet eine vierte Ebene 201-4 (in 2B mit gestrichelten Linien gezeigt) die optische Achse 120. Die dritte Ebene 201-3 und die vierte Ebene 201-4 sind zueinander senkrecht orientiert. Die Beleuchtungsvektoren der Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-2 des ersten Paars können durch Spiegelungen der dritten Ebene 201-3 in einander übergeführt werden. Hingegen können die Beleuchtungsvektoren 110-1, 110-4 des zweiten Paares von Beleuchtungsrichtungen durch Spiegelungen der vierten Ebene 201-4 in einander überführt werden.
Wie aus 2B ersichtlich ist, sind die Differenzvektoren 115-1, 115-2 des ersten und zweiten Paars von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-2, 110-4 senkrecht unter einem Winkel von 90° zueinander orientiert (vgl. auch 2A). Gleichzeitig sind die Differenzvektoren 115-1, 115-2 jeweils parallel zu den x-, y-Bildachsen des Phasenkontrastbilds orientiert (anders als in 2A). Wiederum können die Intensitätsbilder, die zu den Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-2, 110-4 eines Paares gehören, jeweils zu einem Ausgangsbild kombiniert werden. Diese Ausgangsbilder können dann zu einem einzelnen Phasenkontrastbild kombiniert werden. Dieses Phasenkontrastbild weist wiederum einen vergleichsweise isotrop verteilten Phasenkontrast entlang der verschiedenen Richtungen auf.
Es wäre aber auch möglich, für das erste Paar von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-2 ein erstes Phasenkontrastbild zu erzeugen und für das zweite Paar von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-4 ein zweites Phasenkontrastbild zu erzeugen. Diese beiden Phasenkontrastbilder weisen dann entlang unterschiedlicher Bildrichtungen einen erhöhten Phasenkontrast auf. Dies kann z.B. bei der Analyse von Eigenschaften des abgebildeten Objekts 100 vorteilhaft sein. Insbesondere weist das erste Phasenkontrastbild, welches basierend auf dem ersten Paar von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-2 bestimmt wird, entlang der y-Bildrichtung einen erhöhten Phasenkontrast auf. Entsprechend weist das zweite Phasenkontrastbild, welches basierend auf dem zweiten Paar von Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-4 bestimmt wird, entlang der x-Bildrichtung einen erhöhten Phasenkontrast auf.
In den 2A und 2B wurden jeweils hochsymmetrische Fälle gezeigt. In 2A ist es möglich, paarbildende Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 durch Rotation um die optische Achse um einen Winkel von im Wesentlichen 180° ineinander zu überführen. In 2B ist es möglich, paarbildende Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 durch Rotation um die optische Achse 120 um einen Winkel von im Wesentlichen 90° ineinander zu überführen. Z.B. im Detail in Bezug auf 2B: Hier kann die erste Beleuchtungsrichtung 110-1 durch Rotation um die optische Achse 120 um 90° in die zweite Beleuchtungsrichtung 110-2 überführt werden und um –90° in die vierte Beleuchtungsrichtung 110-4. Es wäre aber auch möglich, die Beleuchtungsrichtungen derart anzuordnen, dass sie durch einen anderen Drehwinkel um die optische Achse 120 ineinander überführt werden können. So wäre es möglich, dass die paarbildenden Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 durch Rotation um die optische Achse 120 um einen anderen Winkel als 90° oder 180°, z.B. einen Winkel von größer als 25°, oder vorzugsweise größer als 50° ineinander überführt werden können. Im Allgemeinen können die Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 durch Spiegelung an derjenigen Ebene 201-3, 201-4, die die optische Achse 120 beinhaltet und einen Normalenvektor aufweist, der parallel zum entsprechenden Differenzvektor 115-1, 115-2 zwischen den jeweiligen paarbildenden Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 orientiert ist, ineinander überführt werden.
Es ist im Allgemeinen auch nicht erforderlich, dass die Beleuchtungsvektoren der verschiedenen Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 auf einem Kreis in Bezug auf die optische Achse 120 angeordnet sind, also durch Rotation um die optische Achse 120 ineinander überführt werden können wie es in dem hochsymmetrischen Fall der 2A und 2B der Fall ist. Z.B. können die Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 eines Paars von Beleuchtungsrichtungen unterschiedliche Winkel mit der optischen Achse 120 einschließen.
Solche geometrische Beziehung, wie sie in Bezug auf die 2A und 2B erläutert wurden, können z.B. durch verschiedene Beleuchtungsvorrichtungen implementiert werden, die nur eine endliche Anzahl von möglichen Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 bereitstellen. In anderen Worten, können – je nach Beleuchtungsvorrichtung – nur ganz bestimmte Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 realisiert werden. Dann kann z.B. jeweils die nächstliegende Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4 ausgewählt werden, die ein vorgegebenes geometrisches Kriterium – wie z.B. Rotation um die optische Achse 120 um einen bestimmten Winkel – möglichst gut erfüllt. Im Rahmen der Genauigkeit der Beleuchtungsvorrichtung erfüllt diese Auswahl dann das geometrische Kriterium.
Grundsätzlich ist es also möglich, verschiedenste Beleuchtungsvorrichtungen 511 zur Beleuchtung des Objekts aus den verschiedenen Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 zu verwenden. In 3 ist ein Beispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung 511 in Form eines Leuchtdioden(LED)-Arrays dargestellt. Das LED-Array 511 in 3 umfasst 4 Zeilen von LEDs und 4 Spalten von LEDs, die symmetrisch in Bezug auf die optische Achse 120 angeordnet sind. Um z. B. das Beleuchten des Objekts 100 entlang der Beleuchtungsrichtung 110-1 zu ermöglichen, kann die LED 300-11 angesteuert werden. Um das Beleuchten des Objekts 100 entlang der Beleuchtungsrichtung 110-2 zu ermöglichen, kann die LED 300-10 angesteuert werden. Um das Beleuchten des Objekts 100 entlang der Beleuchtungsrichtung 110-3 zu ermöglichen, kann die LED 300-6 angesteuert werden. Um das Beleuchten des Objekts 100 entlang der Beleuchtungsrichtung 110-4 zu ermöglichen, kann die LED 300-7 angesteuert werden. Zum Beispiel können, analog zu einer Technik, wie sie in 2B dargestellt wird, folgende LEDs 300-1–300-16 Paaren von Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 entsprechen: LED 300-1 und LED 300-12, LED 300-5 und LED 300-9; LED 300-2 und LED 300-14; LED 300-6 und LED 300-10; LED 300-2 und LED 300-15; LED 300-7 und LED 300-11; LED 300-4 und LED 300-16; LED 300-8 und LED 300-12. Zum Beispiel können die jeweiligen Intensitätsbilder eines Paares von Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4subtrahiert werden, um jeweils ein Ausgangsbild zu erhalten. Die derart erhaltenen Ausgangsbilder können dann summiert werden, um ein erstes Phasenkontrastbild zu erzeugen. Das erste Phasenkontrastbild weist dann einen besonders hohen Phasenkontrast entlang der x-Bildrichtung auf.
Entsprechend wäre es auch möglich, die folgenden LEDs 300-1–300-16 jeweils zu Paaren von Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 zu kombinieren, um einen hohen Phasenkontrast entlang der y-Bildrichtung zu erzeugen: LED 300-1 und LED 300-4; LED 300-5 und LED 300-8; LED 300-2 und LED 300-3; LED 300-6 und LED 300-7; LED 300-9 und LED 300-12; LED 300-13 und LED 300-16; LED 300-10 und LED 300-11; LED 300-14 und LED 300-15. In einem solchen Szenario kann ein erstes Phasenkontrastbild DPGC_x gemäß folgender Formel berechnet werden: DPGC_x = I₁ – I₁₃ + I₅ – I₉ + I₂ – I₁₄ + I₆ – I₁₀ + I₃ – I₁₅ + I₇ – I₁₁ + I₄ – I₁₆ + I₈ – I₁₂ (1)
Entsprechend ist es möglich, ein zweites Phasenkontrastbild DPGC_y gemäß folgender Gleichung zu berechnen: DPGC_y = I₁ – I₄ + I₅ – I₈ + I₂ – I₃ + I₆ – I₇ + I₉ – I₁₂ + I₁₃ – I₁₆ + I₁₀ – I₁₁ + I₁₄ – I₁₅ (2) wobei I_i jeweils das Intensitätsbild mit Beleuchtung des Objekts 100 aus der jeweiligen Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4, die dem Ansteuern der entsprechenden LED 300-1–300-16 entspricht.
In 3 sind für die LEDs 300-1–300-16 ferner Zeilen- und Spaltenindizes vermerkt; so weist z.B. die LED 300-7 den Zeilenindex i = 3 und den Spaltenindex j = 2 auf. Im Allgemeinen kann, um z.B. die Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 gemäß einer der 2A, 2B zu implementieren, das Verfahren umfassen: Ansteuern einer ersten Leuchtdiode 300-1–300-16 zum Beleuchten des Objekts aus einer ersten Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4 und Ansteuern einer zweiten LED 300-1–300-4 zum Beleuchten des Objekts aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4. Die erste LED 300-1–300-16 weist dann den Zeilenindex i und den Spaltenindex j auf. Die zweite LED 300-1–300-16 kann dann den Zeilenindex n – i + 1 aufweisen und den unveränderten Spaltenindex j aufweisen, vgl. Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-2 im Szenario der 2B. Die zweite LED 300-1–300-16 kann auch den unveränderten Zeilenindex i aufweisen und den Spaltenindex m – j + 1 aufweisen, vgl. Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-4 im Szenario der 2B. Es wäre auch möglich, dass die zweite LED 300-1–300-16 den Zeilenindex n – i + 1 und den Spaltenindex m – j + 1 aufweist, vgl. die paarbildenden Beleuchtungsrichtungen 110-1, 110-3, sowie die paarbildenden Beleuchtungsrichtungen 110-2, 110-4 der 2A.
Während in 3 ein Szenario diskutiert wurde, bei dem ein kartesisches Gitter von LEDs 300-1–300-16 verwendet wurde, so kann im Allgemeinen eine andere Anordnungen von LEDs 300-1–100-16 für das LED-Array 511 zu verwenden. Z.B. wäre es möglich, eine kreisförmige Anordnung von LEDs 300-1–100-16 als LED-Array 511 zu verwenden. Dann wäre es z.B. insbesondere möglich, die voranstehend in Bezug auf die 2A und 2B diskutierten Szenarien besonders einfach bzw. besonders genau zu implementieren, bei denen verschiedene Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 durch Rotation um die optische Achse 120 ineinander überführt werden können.
In 4A ist das Kombinieren von Intensitätsbildern 401-1–401-6 dargestellt. In dem Szenario der 4A werden drei Paare 420-1–420-3, die jeweils aus zwei Intensitätsbildern 401-1–401-6 bestehen, erhalten. Zum Beispiel könnte das erste Paar 420-1 der Intensitätsbilder 401-1, 401-2 der Beleuchtungsrichtung 110-1 und der Beleuchtungsrichtung 110-3 (vgl. 2A) entsprechen. In dem Szenario der 4A wird für jedes der Intensitätsbilder 401-1–401-6 ein entsprechendes Ausgangsbild 402-1–402-6 bestimmt (in 4A durch den horizontalen Pfeil dargestellt). In einer einfachen Implementierung entsprechen die Ausgangsbilder 402-1–402-6 den Intensitätsbildern 401-1–401-6. Es kann auch ein Operator auf die erfassten Intensitätsbilder 401-1–401-6 angewendet werden, um die Ausgangsbilder 402-1–402-6 zu erzeugen. Zum Beispiel könnte der Operator aus folgender Gruppe ausgewählt sein: Betrag; Quadrat; Wurzel; Vorzeichenumkehr; Glättung von Bildpunkten; Aberrationskorrkektur von Bildpunkten und Normieren auf einen Mittelwert von Bildpunktwerten des jeweiligen Intensitätsbilds. Dann werden die Ausgangsbilder 402-1–402-6 zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds 410 kombiniert. Dieses Kombinieren kann z.B. durch Summation, Subtraktion, Division oder Multiplikation der verschiedenen Ausgangsbilder 402-1–402-6 miteinander geschehen. Hierbei können z.B. unterschiedliche Ausgangsbilder 402-1–402-6 die unterschiedlichen Paaren 420-1–420-3 von Intensitätsbildern 401-1–401-6 entsprechen unterschiedliche Vorzeichen erhalten; es wäre entsprechend auch möglich, dass jeweils ein erstes Ausgangsbild 402-1–402-6, das einem ersten Intensitätsbild 401-1–401-6 eines Paares 420-1–420-3 entspricht, ein umgekehrtes Vorzeichen im Vergleich zu einem zweiten Ausgangsbild 402-1–402-6 erhält. Bei dem Kombinieren der Ausgangsbilder 402-1–402-6 können weiterhin Wichtungsfaktoren für die einzelnen Ausgangsbilder 402-1–402-6 berücksichtigt werden. Dadurch kann der Einfluss verschiedener Ausgangsbilder 402-1–402-6 und damit verschiedene Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 auf das Phasenkontrastbild 410 gesteuert werden.
In 4B ist eine weitere Technik zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds 410 dargestellt. In dem Szenario der 4B werden jeweils zwei Intensitätsbilder 401-1–401-6 eines Paares 420-1–420-3 zu einem Ausgangsbild 402-1–402-2 kombiniert, z.B. durch Addition, Subtraktion, Multiplikation oder Division. Gleichzeitig wäre es möglich, einen der vorgenannten Operatoren auf die verschiedenen Intensitätsbilder 401-1–401-6 oder das derart erhaltene Ausgangsbild 402-1–402-3 anzuwenden. Dann werden die Ausgangsbilder 402-1–402-3 wiederum kombiniert, um das Phasenkontrastbild 410 zu erzeugen.
Während in 4A und 4B jeweils insgesamt sechs Intensitätsbilder 401-1–401-6 verwendet werden, kann es im Allgemeinen möglich sein, mit nur zwei Intensitätsbildern 401-1–401-6 das Phasenkontrastbild 410 zu erzeugen.
In 5 ist eine optische Vorrichtung 500 dargestellt, mit der sich die voranstehend beschriebenen Techniken implementieren lassen. Die optische Vorrichtung 500 umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung 511, die z.B. in Form des LED-Arrays (vgl. 3) implementiert sein kann. Das Objekt 100 wird durch einen Probenhalter 513 in einem optischen Pfad des Lichts von der Beleuchtungsvorrichtung 511 zu einem Detektor 512 gehalten. Ferner weist die optische Vorrichtung 500 eine Recheneinheit 514 auf, die eingerichtet sein kann, um die verschiedenen Schritte zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds 410 (vgl. 4A und 4B) durchzuführen. Die optische Vorrichtung 500 kann weiterhin einen Speicher 515 aufweisen, z.B. einen nicht-flüchtigen Speicher oder einen flüchtigen Speicher. Der Speicher 515 kann entsprechende Steuerinformationen für die Recheneinheit 514 umfassen, damit diese die verschiedenen Techniken zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds wie obenstehend beschrieben ausführen kann.
In 6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds dargestellt. Das Verfahren beginnt mit Schritt S601. Im Schritt S601 wird das Objekt 100 beleuchtet. Insbesondere kann das Beleuchten mit inkohärentem Licht erfolgen. Das Licht, mit dem das Objekt 100 in Schritt S601 beleuchtet wird, kann insbesondere eine signifikante Bandbreite aufweisen, d.h. es kann nicht monochromatisch sein. Zum Beispiel könnte das Objekt 100 in Schritt S601 mit Weißlicht beleuchtet werden.
Insbesondere erfolgt das Beleuchten des Objekts 100 in Schritt S601 aus mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4. Das Objekt wird in Schritt S601 z.B. zunächst aus einer ersten Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4 beleuchtet und gleichzeitig wird ein Intensitätsbild 401-1–401-6 erfasst. Dann erfolgt das Beleuchten des Objekts 100 aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4; gleichzeitig wird ein weiteres Intensitätsbild 401-1–401-6 erfasst.
In Schritt S602 erfolgt das Kombinieren der Intensitätsbilder 401-1–401-6 zum Erzeugen des Phasenkontrastbildes 410. Verschiedene Techniken können zum Kombinieren eingesetzt werden. Insbesondere können beim Kombinieren Wichtungsfaktoren berücksichtigt werden, die einen Einfluss der verschiedenen Intensitätsbilder 401-1–401-6 bzw. darauf basierende Ausgangsbilder 402-1–402-6 auch das Phasenkontrastbild bestimmen. In Schritt S602 können z.B. jeweils die beiden Intensitätsbilder 401-1–401-6 eines Paars zu einem Ausgangsbild 402-1–402-6 kombiniert werden.
In 7 ist eine beispielhafte Abhängigkeit des Einflusses der verschiedenen Intensitätsbilder 401-1–401-6 auf das Phasenkontrastbild 410 in Abhängigkeit des Winkels 111, den die jeweilige Beleuchtungsrichtung 110-1–110-4 mit der optischen Achse 120 einschließt, dargestellt. Zum Beispiel kann der Einfluss der jeweiligen Intensitätsbilder 401-1–401-6 umso größer (kleiner) sein, je größer (kleiner) je größer der Betrag des Winkels 111 ist.
In 8 ist ein Szenario dargestellt, in dem das Objekt 100 aus einer einzelnen Beleuchtungsrichtung 110-1 beleuchtet wird. Dazu kann z.B. eine einzelne LED 300-1–300-16 angeschaltet werden. Aus 8 ist ersichtlich, dass die Beleuchtungsrichtung 110-1 einen endlichen Winkel 111-1 mit der optischen Achse 120 einschließt. Das Objekt 100 in der 8 hat zwei stufenförmige Kanten oder Ränder und bildet dazwischen ein Plateau.
Für das Szenario der 8 wird ein entsprechendes Intensitätsbild 401-1 erfasst, siehe 9. In 9 sind Bildpunktwerte des Intensitätsbilds 401-1 in der x-z-Ebene dargestellt. Aus 9 ist ersichtlich, dass an der in 8 linksseitig (rechtsseitig) dargestellten Kante des Objekts 100 die Bildpunktwerte besonders große (kleine) Werte annehmen. Im Bereich des Plateaus des Objekts 100 nehmen die Bildpunktwerte im Wesentlichen konstante Werte an.
Dann wird das Intensitätsbild 401-1 verarbeitet, um das Phasenkontrastbild 410 zu erzeugen. In 10 ist das reskalierte Intensitätsbild 401-1 dargestellt und als Ausgangsbild 402-1 bezeichnet. Dazu wird ein Mittelwert der Bildpunktwerte des Intensitätsbilds 401-1 bestimmt und dieser Mittelwert dann von allen Bildpunktwerten abgezogen. Deshalb verschiebt sich in der Darstellung der 10 die Kurve der Bildpunktwerte nach unten.
Dann wird auf das Ausgangsbild 402-1 ein Betragsoperator angewendet, der für jeden Bildpunktwert den Betrag liefert. Ferner kann eine Glättung erfolgen. Dadurch wird das Phasenkontrastbild 410 erzeugt, siehe 11.
Anhand solcher Techniken kann also vergleichsweise unkompliziert z.B. lediglich anhand eines einzelnen Intensitätsbilds 401-1–401-6 das Phasenkontrastbild 410 erzeugt werden, welches einen signifikanten Phasenkontrast-Anteil aufweist. Natürlich wäre es optional auch möglich, mehrere derart erhaltene Phasenkontrastbilder 410, z.B. für verschiedene Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 anschließend zu einem Ergebnisbild kombinieren, um z.B. das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern oder einen isotroperen Phasekontrast-Anteil in dem so erzeugten Ergebnisbild zu erhalten. In einem solchen Szenario kann es entbehrlich sein, dass die verschiedenen Beleuchtungsrichtungen 110-1–110-4 paarweise angeordnet sind.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, welche das Erzeugen des Phasenkontrastbilds durch gezieltes Kombinieren von Intensitätsbildern, die unter unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen erfasst sind, ermöglichen. Ferner wurden Techniken illustriert, die es ermöglichen, durch gezieltes Verarbeiten eines Intensitätsbilds ein Phasenkontrastbild zu erzeugen. Insofern kann z.B. von einem digitalen Phasengradienten-Kontrast gesprochen werden. Insbesondere kann es entbehrlich sein, besondere optische Elemente, wie z.B. Prismen etc., gemäß herkömmlicher Techniken der Phasenkontrast-Bildgebung zu verwenden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014101219 [0023]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds (410) eines Objekts (100) mit einer optischen Vorrichtung (500), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – sequentielles Beleuchten des Objekts (100) aus mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4), – für jede Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4: Erfassen eines Intensitätsbilds (401-1–401-6) des Objekts (100) während des Beleuchtens aus der jeweiligen Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4), wobei die mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) jeweils einem Paar (420-1–420-3) von Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) zugeordnet sind, – Kombinieren von auf den erfassten Intensitätsbildern (401-1–401-6) basierenden Ausgangsbildern (402-1–402-6) im Bildraum zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds (410) des Objekts (100).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zwei Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) eines Paars (420-1–420-3) korrelierende Winkel mit der optischen Achse (120) der optischen Vorrichtung (500) einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) einen Winkel miteinander einschließen, der größer als 10° ist, vorzugsweise größer als 20° ist, besonders vorzugsweise größer als 40° ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüchen, wobei Beleuchtungsvektoren eines Paars von Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) jeweils einen Winkel mit der optischen Achse (120) der optischen Vorrichtung (500) einschließen, der größer als 5° ist, vorzugsweise größer als 10° ist, besonders vorzugsweise größer als 20° ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein erstes Paar (420-1–420-3) von Beleuchtungsrichtungen (420-1–420-3) einen ersten Differenzvektor von zugehörigen Beleuchtungsvektoren bestimmt, wobei ein zweites Paar (420-1–420-3) von Beleuchtungsrichtungen (420-1–420-3) einen zweiten Differenzvektor von zugehörigen Beleuchtungsvektoren bestimmt, wobei der erste Differenzvektor (115-1, 115-2) und der zweite Differenzvektor (115-1, 115-2) einen Winkel miteinander einschließen.
Verfahren nach Anspruch 5 wobei das Verfahren zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds (410) jeweils für das erste Paar (420-1–420-3) und für das zweite Paar (420-1–420-3) von Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) angewendet wird, um ein erstes Phasenkontrastbild (410) und ein zweites Phasenkontrastbild (410) zu erzeugen,
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das sequentielle Beleuchten des Objekts (100) aus in Paaren (420-1–420-3) angeordneten Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) umfasst: – für jedes Paar (420-1–420-3): Ansteuern einer ersten Leuchtdiode eines Leuchtdioden-Arrays einer Beleuchtungsvorrichtung der optischen Vorrichtung (500) zum Beleuchten des Objekts (100) aus einer ersten Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) und Ansteuern einer zweiten Leuchtdiode (300-1–300-16) des Leuchtdioden-Arrays zum Beleuchten des Objekts (100) aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4), wobei das Leuchtdioden-Array n Zeilen aufweist und m Spalten aufweist, wobei die erste Leuchtdiode (300-1–300-16) der i;j Leuchtdiode (300-1–300-16) des Leuchtdioden-Arrays entspricht, wobei die zweite Leuchtdiode (300-1–300-16) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: n – i + 1; j Leuchtdiode (300-1–300-16); i; m – j + 1 Leuchtdiode (300-1–300-16); n – i + 1; m – j + 1 Leuchtdiode (300-1–300-16).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: – Kombinieren derjenigen Intensitätsbilder, die einem Paar (420-1–420-3) von Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) entsprechen, zu jeweils einem Ausgangsbild.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: – Anwenden eines Operators auf die erfassten Intensitätsbilder zum Erhalten der Ausgangsbilder (402-1–402-6), wobei der Operator aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Betrag; Quadrat; Wurzel; Vorzeichenumkehr; Glättung von Bildpunkten; Aberrationskorrektur von Bildpunkten; und Normieren auf einen Mittelwert von Bildpunktwerten des jeweiligen Intensitätsbilds (401-1–401-6).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche wobei das Kombinieren der Ausgangsbilder (402-1–402-6) eine gewichtete Summation der Ausgangsbilder (402-1–402-6) umfasst, bei der jedem Ausgangsbild ein Wichtungsfaktor zugewiesen ist, wobei das Verfahren optional weiterhin umfasst: – für jedes Ausgangsbild: Bestimmen des Wichtungsfaktors basierend auf einem Winkel, den die entsprechende Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) mit der optischen Achse (120) der optischen Vorrichtung (500) einschließt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Beleuchten des Objekts (100) Kriterien erfüllt, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: – Beleuchten mit inkohärentem Licht; – Beleuchten mit Weißlicht; und – Beleuchten derart, das Licht im optischen Pfad der optischen Vorrichtung (500) zwischen dem Objekt (100) und einem Detektor keine Elemente durchläuft, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Polfilter; Prisma; Wollaston Prisma; Phasenring; und Graufilter.
Optische Vorrichtung (500), die eingerichtet ist, um ein Phasenkontrastbild (410) eines Objekts (100) zu erzeugen, wobei die optische Vorrichtung (500) umfasst: – eine Beleuchtungsvorrichtung (511), die eingerichtet ist, um das Objekt (100) aus mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) zu beleuchten, wobei die mindestens zwei Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) jeweils einem Paar (420-1–420-3) von Beleuchtungsrichtungen (110-1–110-4) zugeordnet sind, – einen Detektor (512), der eingerichtet ist, um für jede Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) ein Intensitätsbild (401-1–401-6) des Objekts (100) während des Beleuchtens aus der jeweiligen Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) zu erfassen, – eine Recheneinheit (514), die eingerichtet ist, um auf den erfassten Intensitätsbildern (401-1–401-6) basierende Ausgangsbilder (402-1–402-6) im Bildraum zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds (410) des Objekts (100) zu kombinieren.
Optische Vorrichtung (500) nach Anspruch 12, wobei die optische Vorrichtung (500) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11 durchzuführen.
Verfahren zum Erzeugen eines Phasenkontrastbilds (410) eines Objekts (100) mit einer optischen Vorrichtung (500), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Beleuchten des Objekts (100) aus einer Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4), wobei die Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) einen endlichen Winkel mit der optischen Achse der optischen Vorrichtung (500) einschließt, – Erfassen eines Intensitätsbilds (401-1–401-6) des Objekts (100) während des Beleuchtens aus der Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4), – Verarbeiten des Intensitätsbilds (401-1–401-6) zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds (410), wobei das Verarbeiten des Intensitätsbilds (401-1–401-6 das Reskalieren des Phasenkontrastbilds (410) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Reskalieren umfasst: – Subtrahieren eines Mittelwerts von Bildpunktwerten des Intensitätsbilds (401-1–401-6) von Bildpunktwerten des Intensitätsbilds (401-1–401-6).
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Verarbeiten des Intensitätsbilds (401-1–401-6) weiterhin umfasst: – Anwenden eines Betragsoperators auf das reskalierte Intensitätsbild (401-1–401-6).
Optische Vorrichtung (500), die eingerichtet ist, um ein Phasenkontrastbild (410) eines Objekts (100) zu erzeugen, wobei die optische Vorrichtung (500) umfasst: – eine Beleuchtungsvorrichtung (511), die eingerichtet ist, um das Objekt (100) aus einer Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) zu beleuchten, wobei die Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) einen endlichen Winkel mit der optischen Achse der optischen Vorrichtung (500) einschließt, – einen Detektor (512), der eingerichtet ist, um ein Intensitätsbild (401-1–401-6) des Objekts (100) während des Beleuchtens aus der Beleuchtungsrichtung (110-1–110-4) zu erfassen, – eine Recheneinheit (514), die eingerichtet ist, um das Intensitätsbild (401-1–401-6) zum Erzeugen des Phasenkontrastbilds (410) zu verarbeiten, wobei das Verarbeiten des Intensitätsbilds (401-1–401-6) das Reskalieren des Phasenkontrastbilds (410) umfasst.
Optische Vorrichtung (500) nach Anspruch 17, wobei die optische Vorrichtung (500) weiterhin eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16 durchzuführen