DE102017108873A1

DE102017108873A1 - Phase-contrast imaging with transfer function

Info

Publication number: DE102017108873A1
Application number: DE102017108873.3A
Authority: DE
Inventors: Lars Stoppe; Thomas Milde
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-31
Also published as: WO2018197230A1; CN110520780A; CN110520780B

Abstract

Optisches System (100), das umfasst: einen Probenhalter (113), der eingerichtet ist, um ein Probenobjekt zu fixieren; und ein Beleuchtungsmodul (111), das eingerichtet ist, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) zu beleuchten; und eine Abbildungsoptik (112), die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) beleuchteten Probenobjekts auf einem Detektor (114) zu erzeugen; und den Detektor (114), der eingerichtet ist, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des Probenobjekts zu erfassen; und eine Steuerung (115), die eingerichtet ist, um basierend auf einer Übertragungsfunktion (400) und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen, welches einen Phasenkontrast aufweist. Dabei entspricht die Übertragungsfunktion (400) einer basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik (112) skalierten Referenz-Übertragungsfunktion (400).

An optical system (100) comprising: a sample holder (113) adapted to fix a sample object; and an illumination module (111) arranged to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry (300); and imaging optics (112) arranged to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry (300) on a detector (114); and the detector (114) arranged to detect at least one image of the sample object based on the image; and a controller (115) configured to determine a result image having a phase contrast based on a transfer function (400) and the at least one image. In this case, the transfer function (400) corresponds to a reference transfer function (400) scaled based on a size of an aperture of the imaging optics (112).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen im Allgemeinen ein optisches System mit einem Beleuchtungsmodul, das eingerichtet ist, um ein Probenobjekt mit einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere Techniken, um basierend auf einer Übertragungsfunktion und mindestens einem Bild des Probenobjekts ein Ergebnisbild zu bestimmen, welches einen Phasenkontrast aufweist.Various examples of the invention generally relate to an optical system having a lighting module configured to illuminate a sample object having a structured illumination geometry. In particular, various examples of the invention relate to techniques for determining a result image having a phase contrast based on a transfer function and at least one image of the sample object.

HINTERGRUNDBACKGROUND

In der optischen Bildgebung von Probenobjekten kann es häufig erstrebenswert sein, ein sogenanntes Phasenkontrastbild des Probenobjekts zu erzeugen. In einem Phasenkontrastbild ist zumindest ein Teil des Bildkontrasts durch eine Phasenverschiebung des Lichts durch das abgebildete Probenobjekt bedingt. Damit können insbesondere solche Probenobjekte mit vergleichsweise hohem Kontrast abgebildet werden, die keine oder nur eine geringe Schwächung der Amplitude bewirken, jedoch eine signifikante Phasenverschiebung; solche Probenobjekte werden oftmals auch als Phasenobjekte bezeichnet. Typischerweise können biologische Proben als Probenobjekt in einem Mikroskop eine vergleichsweise größere Phasenänderung als Amplitudenänderung des elektromagnetischen Felds bewirken.In optical imaging of sample objects, it may often be desirable to create a so-called phase contrast image of the sample object. In a phase contrast image, at least part of the image contrast is caused by a phase shift of the light by the imaged sample object. In particular, such sample objects can be imaged with comparatively high contrast, which cause no or only a slight weakening of the amplitude, but a significant phase shift; Such sample objects are often referred to as phase objects. Typically, biological samples as a sample object in a microscope can cause a comparatively larger phase change than an amplitude change of the electromagnetic field.

Es sind verschiedene Techniken zur Phasenkontrast-Bildgebung, etwa die Dunkelfeldbeleuchtung, die schiefe Beleuchtung, der differenzielle Interferenzkontrast (DIC) oder auch der Zernike-Phasenkontrast.There are various techniques for phase-contrast imaging, such as the dark field illumination, the oblique illumination, the differential interference contrast (DIC) or the Zernike phase contrast.

Solche vorgenannten Techniken weisen diverse Nachteile oder Einschränkungen auf. Oftmals kann es erforderlich sein, zusätzliche optische Elemente zwischen Probe und Detektor im Bereich der sogenannten Abbildungsoptik bereitzustellen, um die Phasenkontrast-Bildgebung zu ermöglichen. Daraus können konstruktive Einschränkungen resultieren. Weiterhin können applikative Einschränkungen bestehen: Zum Beispiel kann die Fluoreszenz-Bildgebung durch Vorsehen der zusätzlichen optischen Elemente erschwert werden.Such aforementioned techniques have several disadvantages or limitations. Often it may be necessary to provide additional optical elements between the sample and the detector in the region of the so-called imaging optics in order to enable the phase-contrast imaging. This can result in constructive restrictions. Furthermore, application restrictions may exist: For example, fluorescence imaging may be hampered by providing the additional optical elements.

Es sind auch Techniken bekannt, bei denen mittels strukturierter Beleuchtung ein Phasenkontrast erzielt werden kann. Ein erstes Beispiel von Techniken, die mittels strukturierter Beleuchtung ein Bild mit Phasenkontrast erzielen können, ist in DE 10 2014 112 242 A1 offenbart. Solche Techniken weisen jedoch bestimmte Einschränkungen auf. Beispielsweise kann es mittels solcher Techniken, bei denen unterschiedliche Intensitätsbilder, die mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sind, kombiniert werden, möglich sein, dass ein entsprechendes Ergebnisbild den Phasenkontrast Gradienten-artig darstellt. Dies bedeutet, dass gegenüberliegende Kanten eines Phasenobjekts ein unterschiedliches Vorzeichen des Kontrasts aufweisen können. Damit kann es mittels solcher Techniken nicht oder nur eingeschränkt möglich sein, beispielsweise Höhenprofile des Probenobjekts zu erzeugen, welches einen Kontrast aufweist, der große (kleine) Werte für hohe (tiefe) Punkte des Probenobjekts aufweist.There are also known techniques in which a phase contrast can be achieved by means of structured illumination. A first example of techniques that can achieve a phase contrast image using structured illumination is in FIG DE 10 2014 112 242 A1 disclosed. However, such techniques have certain limitations. For example, by means of such techniques in which different intensity images associated with different illumination directions are combined, it may be possible for a corresponding result image to represent the phase contrast gradient-like. This means that opposite edges of a phase object can have a different sign of contrast. Thus, it may not or only to a limited extent be possible by means of such techniques, for example to produce height profiles of the sample object having a contrast that has large (small) values for high (deep) points of the sample object.

Eine weitere Technik, bei welcher mittels strukturierter Beleuchtung ein Ergebnisbild mit Phasenkontrast erzielt werden kann, ist die sogenannte quantitative Differenz Phasenkontrast Technik (engl. quantitative differential phase contrast, QDPC). Siehe beispielsweise L. Tian und L. Waller: „Quantitative differential phase contrast imaging in an LED array microscope“, Optics Express 23 (2015), 11394 (nachfolgend Tian, Waller).Another technique in which a result image with phase contrast can be achieved by means of structured illumination is the so-called quantitative differential phase contrast technique (QDPC). See, for example, L. Tian and L. Waller: "Quantitative differential phase contrast imaging in an LED array microscope", Optics Express 23 (2015), 11394 (hereinafter Tian, Waller).

Solche Techniken weisen jedoch den Nachteil auf, dass je nach verwendetem optischen System keine gültigen Ergebnisse für ein Ergebnisbild mit einem Phasenkontrast erzielt werden können. Beispielsweise können bestimmte Erfordernisse in Bezug auf die Größe einer Apertur des Beleuchtungsmoduls relativ zu einer Größe einer Apertur eine Optik zu Detektion vorliegen. Dies kann die Möglichkeit, QDPC in praktischen Aufgabenstellungen zu verwenden, einschränken. Außerdem wurde beobachtet, dass bei der QDPC eine unerwünschte Verstärkung von abgebildeten Frequenzen auftreten kann, z.B. wenn gewisse Toleranzen in Bezug auf die verwendete Apertur vorliegen.However, such techniques have the disadvantage that, depending on the optical system used, no valid results can be obtained for a result image with a phase contrast. For example, certain requirements with respect to the size of an aperture of the lighting module relative to a size of an aperture may be optics for detection. This may limit the ability to use QDPC in practical tasks. In addition, it has been observed that undesirable amplification of imaged frequencies may occur in the QDPC, e.g. if there are certain tolerances with respect to the aperture used.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um Ergebnisbilder mit einem Phasenkontrast zu bestimmen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile beheben oder lindern.Therefore, there is a need for improved techniques for determining result images with phase contrast. In particular, there is a need for such techniques that overcome or mitigate at least some of the above limitations and disadvantages.

Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.This object is solved by the features of the independent claims. The features of the dependent claims define embodiments.

In einem Beispiel umfasst ein optisches System einen Probenhalter. Der Probenhalter ist eingerichtet, um ein Probenobjekt zu fixieren. Das optische System umfasst auch ein Beleuchtungsmodul. Das Beleuchtungsmodul ist eingerichtet, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten. Das optische System umfasst auch eine Abbildungsoptik, die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts auf einem Detektor zu erzeugen. Das optische System umfasst auch den Detektor. Der Detektor ist eingerichtet, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des Probenobjekts zu erfassen. Das optische System umfasst auch eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen. Das Ergebnisbild weist einen Phasenkontrast auf. Dabei entspricht die Übertragungsfunktion einer basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skalierten Referenz-Übertragungsfunktion.In one example, an optical system includes a sample holder. The sample holder is arranged to fix a sample object. The optical system also includes a lighting module. The illumination module is set up to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry. The optical system also includes imaging optics configured to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry on a detector. The optical system also includes the detector. The detector is configured to capture at least one image of the sample object based on the image. The optical system also includes a controller. The controller is configured to determine a result image based on a transfer function and the at least one image. The result image has a phase contrast. In this case, the transfer function corresponds to a reference transfer function scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.

In einem Beispiel umfasst ein optisches System einen Probenhalter. Der Probenhalter ist eingerichtet, um ein Probenobjekt zu fixieren. Das optische System umfasst auch ein Beleuchtungsmodul. Das Beleuchtungsmodul ist eingerichtet, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten. Das optische System umfasst auch eine Abbildungsoptik, die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts auf einem Detektor zu erzeugen. Das optische System umfasst auch den Detektor. Der Detektor ist eingerichtet, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des Probenobjekts zu erfassen. Das optische System umfasst auch eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen. Das Ergebnisbild weist einen Phasenkontrast auf. Eine Größe der Apertur des Beleuchtungsmoduls ist dabei kleiner als eine Größe der Apertur der Abbildungsoptik.In one example, an optical system includes a sample holder. The sample holder is arranged to fix a sample object. The optical system also includes a lighting module. The illumination module is set up to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry. The optical system also includes imaging optics configured to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry on a detector. The optical system also includes the detector. The detector is configured to capture at least one image of the sample object based on the image. The optical system also includes a controller. The controller is configured to determine a result image based on a transfer function and the at least one image. The result image has a phase contrast. A size of the aperture of the illumination module is smaller than a size of the aperture of the imaging optics.

In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts. Basierend auf dem Abbild umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen mindestens eines Abbilds des Probenobjekts. Basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild wird ein Ergebnisbild bestimmt, welches einen Phasenkontrast aufweist. Die Übertragungsfunktion entspricht einer Referenz-Übertragungsfunktion, die basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skaliert ist.In one example, a method includes illuminating a sample object having at least one structured illumination geometry. The method also includes generating an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry. Based on the image, the method further comprises capturing at least one image of the sample object. Based on a transfer function and the at least one image, a result image is determined which has a phase contrast. The transfer function corresponds to a reference transfer function that is scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.

Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcode, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Das Ausführen des Programmcodes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts. Basierend auf dem Abbild umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen mindestens eines Abbilds des Probenobjekts. Basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild wird ein Ergebnisbild bestimmt, welches einen Phasenkontrast aufweist. Die Übertragungsfunktion entspricht einer Referenz-Übertragungsfunktion, die basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skaliert ist.A computer program product includes program code that can be executed by at least one processor. Running the program code causes the at least one processor to perform a method. The method includes illuminating a sample object having at least one structured illumination geometry. The method also includes generating an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry. Based on the image, the method further comprises capturing at least one image of the sample object. Based on a transfer function and the at least one image, a result image is determined which has a phase contrast. The transfer function corresponds to a reference transfer function that is scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.

Ein Computerprogramm umfasst Programmcode, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Das Ausführen des Programmcodes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts. Basierend auf dem Abbild umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen mindestens eines Abbilds des Probenobjekts. Basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild wird ein Ergebnisbild bestimmt, welches einen Phasenkontrast aufweist. Die Übertragungsfunktion entspricht einer Referenz-Übertragungsfunktion, die basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skaliert ist.A computer program includes program code that can be executed by at least one processor. Running the program code causes the at least one processor to perform a method. The method includes illuminating a sample object having at least one structured illumination geometry. The method also includes generating an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry. Based on the image, the method further comprises capturing at least one image of the sample object. Based on a transfer function and the at least one image, a result image is determined which has a phase contrast. The transfer function corresponds to a reference transfer function that is scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.

Mittels solcher Techniken kann es möglich sein, Ergebnisbilder mit einem Phasenkontrast besonders flexibel zu bestimmen. Solche Techniken beruhen nämlich auf der Erkenntnis, dass es mittels geeigneter Wahl der Übertragungsfunktion möglich sein kann, dass Ergebnisbild mit dem Phasenkontrast zu bestimmen, auch wenn beispielsweise eine besonders große Apertur der Abbildungsoptik verwendet wird. Solche Techniken beruhen insbesondere auf der Erkenntnis, dass zwar einerseits das Ergebnisbild nicht notwendigerweise eine quantitative Beschreibung der Phase des Probenobjekt mittels des Phasenkontrasts codiert, jedoch bei entsprechender Wahl der Übertragungsfunktion weiterhin eine qualitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts z.B. als Höhenprofil bereitstellt.By means of such techniques, it may be possible to determine results images with a phase contrast particularly flexible. Namely, such techniques are based on the knowledge that, by suitably selecting the transfer function, it may be possible to determine the result image with the phase contrast, even if, for example, a particularly large aperture of the imaging optics is used. Such techniques are based in particular on the recognition that, on the one hand, the result image does not necessarily encode a quantitative description of the phase of the sample object by means of the phase contrast, but with a suitable selection of the transfer function, a qualitative description of the phase of the sample object e.g. as height profile provides.

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.The features and features set out above, which are described below, can be used not only in the corresponding combinations explicitly set out, but also in other combinations or isolated, without departing from the scope of the present invention.

Figurenliste list of figures

1 schematically illustrates an optical system according to various examples, wherein the optical system includes a lighting module configured to illuminate a sample object having a structured illumination geometry.
2 schematically illustrates the lighting module with a plurality of lighting elements in greater detail.
3 schematically illustrates an exemplary illumination geometry that can be used by means of the illumination module to illuminate the sample object.
4 schematically illustrates an exemplary illumination geometry that can be used by means of the illumination module to illuminate the sample object.
5 schematically illustrates an exemplary illumination geometry that can be used by means of the illumination module to illuminate the sample object.
6 schematically illustrates a transfer function that may be used in determining a result image according to various examples.
7 schematically illustrates a transfer function that may be used in determining a result image according to various examples, wherein the transfer function according to FIG 7 according to the transfer function according to 8th is scaled.
8th schematically illustrates a transfer function that may be used in determining a result image according to various examples.
9 schematically illustrates transfer functions that may be used to determine a result image according to various examples.
10 FIG. 10 is a flowchart of an example method. FIG.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

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.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings.

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.In the figures, like reference characters designate the same or similar elements. The figures are schematic representations of various embodiments of the invention. Elements shown in the figures are not necessarily drawn to scale. Rather, the various elements shown in the figures are reproduced in such a way that their function and general purpose will be understood by those skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements illustrated in the figures may also be implemented as an indirect connection or coupling. A connection or coupling may be implemented by wire or wireless. Functional units can be implemented as hardware, software or a combination of hardware and software.

Nachfolgend werden Techniken beschrieben, um ein Ergebnisbild mit maßgeschneidertem Kontrast zu bestimmen. Beispielsweise kann das Ergebnisbild ein Phasenobjekt mit einem Phasenkontrast abbilden. Das Ergebnisbild kann im Allgemeinen ein Höhenprofil des Probenobjekts bereitstellen.Hereinafter, techniques will be described to determine a result image with tailored contrast. For example, the result image can map a phase object with a phase contrast. The result image may generally provide a height profile of the sample object.

Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, das Ergebnisbild durch digitale Nachbearbeitung von ein oder mehreren Bildern eines Probenobjekts zu bestimmen. Beispielsweise wäre es möglich, dass das eine oder die mehreren Bilder des Probenobjekts Intensitätsbilder sind, die selbst keinen Phasenkontrast aufweisen.The techniques described herein make it possible to determine the result image by digital post-processing of one or more images of a sample object. For example, it would be possible for the one or more images of the sample object to be intensity images which themselves have no phase contrast.

Das eine oder die mehreren Bilder des Probenobjekts können mit unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien assoziiert sein. Dies bedeutet, dass das eine oder die mehreren Bilder jeweils bei gleichzeitiger Beleuchtung des Probenobjekts mittels einer entsprechenden Beleuchtungsgeometrie durch einen Detektor erfasst werden können.The one or more images of the sample object may be associated with different illumination geometries. This means that the one or more images can each be detected by a detector with simultaneous illumination of the sample object by means of a corresponding illumination geometry.

Die unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien können beispielsweise mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sein. Die unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien bzw. assoziierte unterschiedliche Bilder können durch ZeitMultiplexen oder Frequenz-Multiplexen voneinander getrennt werden. Es wäre auch eine Trennung mittels unterschiedlicher Polarisationen möglich. Die Beleuchtungsgeometrien können eine Richtungsabhängigkeit aufweisen, beispielsweise können die Beleuchtungsgeometrien einen Gradienten der Beleuchtungsstärke entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen aufweisen. Z.B. könnte die Beleuchtungsstärke stufenförmig entlang einer Raumrichtung variieren, etwa zwischen Null und einem endlichen Wert oder zwischen zwei unterschiedlichen endlichen Werten.The different illumination geometries can be associated, for example, with different illumination directions. The different illumination geometries or associated different images can be separated from one another by time division multiplexing or frequency multiplexing. It would also be possible to separate by means of different polarizations. The illumination geometries may have a directional dependence, for example the illumination geometries may have a gradient of the illumination intensity along one or more spatial directions. For example, For example, the illuminance could vary in steps along a spatial direction, such as between zero and a finite value, or between two different finite values.

Beispielsweise kann das Probenobjekt ein Phasenobjekt umfassen, beispielsweise eine Zelle oder eine Zellkultur, etc. Das Probenobjekt kann a-priori unbekannt sein, d.h. es können unterschiedliche Probenobjekte durch den Probenhalter fixiert werden. Das Probenobjekt könnte auch für das verwendete Licht nicht-lichtdurchlässig sein. Je nach Art des Probenobjekts kann es erstrebenswert sein, das Beleuchtungsmodul und den Detektor in Auflichtgeometrie oder Durchlichtgeometrie zu betreiben. For example, the sample object may comprise a phase object, for example a cell or a cell culture, etc. The sample object may be unknown a priori, ie different sample objects may be fixed by the sample holder. The sample object could also be non-translucent for the light used. Depending on the type of sample object, it may be desirable to operate the illumination module and the detector in incident light geometry or transmitted light geometry.

In verschiedenen Beispielen wird eine Übertragungsfunktion für die digitale Nachbearbeitung von ein oder mehreren Bildern zum Erhalten des Ergebnisbilds verwendet. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion eine Objektübertragungsfunktion und/oder eine Optikübertragungsfunktion des optischen Systems bezeichnen. Die Übertragungsfunktion kann geeignet sein, um bei einer bestimmten Beleuchtung und einem bestimmten Probenobjekt das mindestens eine Bild vorherzusagen. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion einen reellwertigen Anteil aufweisen und/oder einen imaginären Anteil aufweisen. Dabei kann der reellwertige Anteil der Übertragungsfunktion einer Abnahme der Intensität des Lichts bei Durchlaufen des Probenobjekts entsprechen. Ein Amplitudenobjekt weist typischerweise eine signifikante Dämpfung des Lichts auf. Entsprechend kann der imaginären Anteil der Übertragungsfunktion einer Verschiebung der Phase des das Probenobjekt durchlaufenden Lichts bezeichnen. Ein Phasenobjekt weist typischerweise eine signifikante Verschiebung der Phase des Lichts auf. Nachfolgend werden insbesondere Techniken beschrieben, um den imaginären Anteil der Übertragungsfunktion zu bestimmen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend nicht jedes Mal darauf referenziert, dass die Techniken den imaginären Anteil der Übertragungsfunktion betreffen. In manchen Beispielen kann eine rein imaginäre Übertragungsfunktion ohne reellwertigen Anteil verwendet werden.In various examples, a transfer function is used for digital post processing of one or more images to obtain the resulting image. For example, the transfer function may designate an object transfer function and / or an optical transfer function of the optical system. The transfer function may be suitable for predicting the at least one image for a specific illumination and a specific sample object. For example, the transfer function may have a real-valued component and / or an imaginary component. In this case, the real-valued component of the transfer function can correspond to a decrease in the intensity of the light when passing through the sample object. An amplitude object typically has significant attenuation of the light. Accordingly, the imaginary part of the transfer function may denote a shift in the phase of the light passing through the sample object. A phase object typically has a significant shift in the phase of the light. In the following, techniques are described in particular to determine the imaginary part of the transfer function. For the sake of simplicity, reference will not be made below to the fact that the techniques relate to the imaginary part of the transfer function. In some examples, a purely imaginary transfer function without real valued part may be used.

Dabei können unterschiedliche Techniken zum Bestimmen der Übertragungsfunktion verwendet werden. In einem Beispiel könnte die Übertragungsfunktion auf Grundlage einer Technik nach Abbe bestimmt werden. Mittels einer Technik nach Abbe könnte eine Referenz-Übertragungsfunktion bestimmt werden. Dabei kann das Probenobjekt in unterschiedliche Ortsfrequenzanteile separiert werden. Dann kann eine Überlagerung unendlich vieler harmonischer Gitter das Probenobjekt modellieren. Auch die Lichtquelle kann zerlegt werden in die Summe verschiedener Punktlichtquellen. Ein weiteres Beispiel betrifft die Bestimmung der Optikübertragungsfunktion, welche das Abbild des Probenobjekts für eine bestimmte Beleuchtungsgeometrie beschreibt, basierend auf einer Technik gemäß Hopkins, siehe H.H. Hopkins „On the Diffraction Theory of Optical Images“, Proceedings ofthe Royal Society A: Mathematical, Physical Engineering Sciences 217 (1953) 408-432 . Daraus kann die Transmissions-Kreuzkoeffizientenmatrix (engl. transmission cross-coefficient matrix, TCC) bestimmt werden, die manchmal auch als partiell-kohärente Objektübertragungsfunktion bezeichnet wird. Der TCC kann als Referenz-Übertragungsfunktion dienen. Der TCC entspricht in etwa der Übertragungsfunktion der partiell kohärenten Abbildung und enthält die Eigenschaften des optischen Systems sowie der Beleuchtungsgeometrie. Die Frequenzen, die die Optik übertragen, beschränken sich auf das Gebiet, in dem der TCC Werte ungleich 0 annimmt. Ein System mit hohem Kohärenzfaktor bzw. Kohärenzparameter hat demzufolge ein größeres Gebiet mit TCC ≠ 0 und ist in der Lage, höhere Ortsfrequenzen abzubilden. Im TCC steckt typischerweise die gesamte Information des optischen Systems und die TCC berücksichtigt oftmals auch komplexwertige Pupillen wie z. B. beim Zernike-Phasenkontrast oder ausgelöst durch Aberrationen. Die TCC kann eine Trennung der Optikübertragungsfunktion von der Objektübertragungsfunktion ermöglichen. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass die Übertragungsfunktion vorgegeben ist und keine Bestimmung als TCC oder nach Abbe erfolgen muss.Different techniques for determining the transfer function can be used. In one example, the transfer function could be determined based on a technique according to Abbe. By means of a technique according to Abbe, a reference transfer function could be determined. In this case, the sample object can be separated into different spatial frequency components. Then an overlay of infinitely many harmonic gratings can model the sample object. The light source can also be decomposed into the sum of different point light sources. Another example concerns the determination of the optics transfer function which describes the image of the sample object for a particular illumination geometry based on a Hopkins technique, see HH Hopkins "On the Diffraction Theory of Optical Images", Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical Engineering Sciences 217 (1953) 408-432 , From this, the transmission cross-coefficient matrix (TCC) can be determined, sometimes referred to as a partially coherent object transfer function. The TCC can serve as a reference transfer function. The TCC roughly corresponds to the transfer function of the partially coherent image and contains the properties of the optical system as well as the illumination geometry. The frequencies that transmit the optics are limited to the area in which the TCC assumes values other than 0. A system with a high coherence factor or coherence parameter consequently has a larger area with TCC ≠ 0 and is able to map higher spatial frequencies. The TCC typically contains all the information of the optical system and the TCC often also takes into account complex valued pupils such as B. in Zernike phase contrast or triggered by aberrations. The TCC may allow separation of the optics transfer function from the object transfer function. In some examples, it is also possible that the transfer function is predetermined and no determination must be made as TCC or Abbe.

Je nach verwendeter Übertragungsfunktion können unterschiedliche Techniken zum Bestimmen des Ergebnisbilds verwendet werden. Eine beispielhafte Technik ist in Tian, Waller in Bezug auf Gl. 13 beschrieben. Dort ist dargestellt, wie basierend auf einer Tichonov Regularisierung ein Ergebnisbild mittels inverses Fourier-Transformation und basierend auf der Übertragungsfunktion H* und ferner basierend auf der Ortsfrequenzraum-Repräsentation einer Kombination Ĩ_DPC von zwei Bildern des Probenobjekts bei unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien bestimmt werden kann: $F^{- 1} {\frac{Σ_{j} H_{j}^{*} (u) \cdot {\tilde{I}}_{D P C, j} (u)}{Σ_{j} {| H_{j} (u) |}^{2} + α}}$

Depending on the transfer function used, different techniques for determining the result image may be used. An exemplary technique is described in Tian, Waller with reference to Eq. 13 described. It shows how based on a Tichonov regularization a result image can be determined by inverse Fourier transformation and based on the transfer function H * and also based on the spatial frequency space representation of a combination Ĩ _DPC of two images of the sample object with different illumination geometries:

F^{- 1} {\frac{Σ_{j} H_{j}^{*} (u) \cdot {\tilde{I}}_{D P C . j} (u)}{Σ_{j} {| H_{j} (u) |}^{2} + α}}

Dabei beschreibt Ĩ_DPc die spektrale Zerlegung einer Kombination von zwei Bildern I_T nd I_B, die bei unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien, die zueinander komplementäre Halbkreise beleuchten, erfasst wurden: $I_{D P C} = \frac{I_{T} - I_{B}}{I_{T} + I_{B}}$

In this case, Ĩ _{DPc describes} the spectral decomposition of a combination of two images I _T nd I _B , which were recorded at different illumination _geometries that illuminate mutually complementary semicircles:

I_{D P C} = \frac{I_{T} - I_{B}}{I_{T} + I_{B}}

Dies sind Beispiele. Im Allgemeinen muss die Beleuchtungsgeometrie beispielsweise nicht streng Halbkreis-förmig sein. Z.B. könnten vier Leuchtdioden verwendet werden, die auf einem Halbkreis angeordnet sind. Z.B. könnten also definierte Beleuchtungsrichtungen verwendet werden, also etwas einzelne Leuchtdioden. Ferner könnte in Gl. 2 auch die Normalisierung auf 1 erfolgen, anstatt auf I_T + I_B, oder auf einen anderen Wert. Statt einer Verrechnung von I_T und I_B könnten in anderen Beispielen auch die Rohdaten selbst verwendet werden, also z.B. I_DPC = I_T oder I_DPC = I_B. Durch die Bildung eines entsprechenden Quotienten in Gl. 2 können andernfalls störende Einflüsse wie sonstige Stoffeigenschaften, Farbe, etc. reduziert werden. Durch die Bildung der Differenz kann insbesondere ein Absorptionsanteil aufgrund eines reellwertigen Anteils der Übertragungsfunktion reduziert werden. I_DPC ist proportional zum lokalen Anstieg der Phasenverschiebung aufgrund des Probenobjekts. Die Phasenverschiebung kann durch eine Änderung der Dicke des Probenobjekts bzw. der Topographie des Probenobjekts verursacht sein und/oder durch eine Änderung der optischen Eigenschaften.These are examples. For example, in general, the illumination geometry need not be strictly semi-circular. For example, four LEDs could be used, which are arranged on a semicircle. For example, could be defined Lighting directions are used, so some individual LEDs. Furthermore, in Eq. 2 also normalize to 1 instead of I _T + I _B , or to some other value. Instead of offsetting I _T and I _B , the raw data itself could also be used in other examples, eg I _DPC = I _T or I _DPC = I _B. By forming a corresponding quotient in Eq. 2 otherwise disturbing influences such as other material properties, color, etc. can be reduced. By forming the difference, in particular, an absorption component due to a real-valued component of the transfer function can be reduced. I _DPC is proportional to the local increase in phase shift due to the sample object. The phase shift can be caused by a change in the thickness of the sample object or the topography of the sample object and / or by a change in the optical properties.

Z.B. können zwei Bilder I_DPC,1 sowie I_DPC,2 bestimmt werden, einmal mit einem Paar von halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrien, die oben-unten in einer lateralen Ebene senkrecht zum Strahlengang angeordnet sind (I_DPC,1), und einmal mit einem Paar von halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrien, die links-rechts in der lateralen Ebene angeordnet sind (I_DPC,2). Dann kann sowohl I_DPC,1, als auch I_DPC,2 beim Bestimmen des Ergebnisbilds berücksichtigt werden, siehe Summationsindex j in Gl. 1.For example, two images I _{DPC, 1} and I _{DPC, 2} may be determined, once with a pair of semi-circular illumination geometries arranged top to bottom in a lateral plane perpendicular to the _{optical path} (I _{DPC, FIG. 1} ), and once with a pair of Semicircular illumination geometries, which are arranged left-right in the lateral plane (I _{DPC, 2} ). Then, both I _{DPC, 1} , and I _{DPC, 2} can be taken into account in determining the result image, see Summation Index j in Eq. 1.

Solche Techniken beruhen auf bestimmten Annahmen und Vereinfachungen, beispielsweise im Falle der o.g. Formulierung einer schwachen Objektnäherung (engl. weak object approximation) und der TCC. In anderen Beispielen können aber andere Näherungen und Formalismen verwendet werden. Beispielsweise könnte eine andere Invertierung anstelle der Tichonov-Regularisierung verwendet werden, beispielsweise eine direkte Integration oder eine anderweitig ausgebildete Fourier-Filterung. Auch in solchen Abwandlungen können die grundlegenden Eigenschaften der Übertragungsfunktion, wie in den verschiedenen Beispielen hierin beschrieben, erhalten bleiben.Such techniques are based on certain assumptions and simplifications, for example in the case of the above-mentioned. Formulation of a weak object approximation and the TCC. In other examples, however, other approximations and formalisms may be used. For example, another inversion could be used instead of Tichonov regularization, such as direct integration or otherwise-trained Fourier filtering. Even in such modifications, the basic properties of the transfer function as described in the various examples herein may be retained.

1 illustriert ein beispielhaftes optisches System 100. Beispielsweise könnte das optische System 100 gemäß dem Beispiel der 1 ein Lichtmikroskop implementieren beispielsweise in Durchlichtgeometrie. Ein solches Mikroskop könnte zur Phasenkontrast-Bildgebung verwendet werden. In anderen Beispielen könnte das optische System 100 gemäß dem Beispiel der 1 auch ein Lichtmikroskop implementieren, in Auflichtgeometrie. Beispielsweise könnte ein entsprechendes Lichtmikroskop in Auflichtgeometrie zur Materialprüfung verwendet werden. Dazu kann ein Höhenprofil des Probenobjekts erstellt werden. 1 illustrates an exemplary optical system 100 , For example, the optical system could 100 according to the example of 1 implementing a light microscope, for example, in transmitted light geometry. Such a microscope could be used for phase-contrast imaging. In other examples, the optical system could 100 according to the example of 1 also implement a light microscope, in incident light geometry. For example, a corresponding light microscope in Auflichtgeometrie could be used for material testing. For this a height profile of the sample object can be created.

Mittels des optischen Systems 100 kann es möglich sein, kleine Strukturen eines von einem Probenhalter 113 fixierten Probenobjekts vergrößert darzustellen. Beispielsweise könnte das optische System 100 ein Weitfeldmikroskop implementieren, bei welchem eine Probe vollflächig beleuchtet wird. In manchen Beispielen kann die Abbildungsoptik 112 ein Abbild des Probenobjekts auf einem Detektor 114 erzeugen. Der Detektor 114 kann dann eingerichtet sein, um ein oder mehrere Bilder des Probenobjekts zu erfassen. Auch eine Betrachtung durch ein Okular ist denkbar.By means of the optical system 100 It may be possible to use small structures one of a sample holder 113 enlarged display of the fixed sample object. For example, the optical system could 100 implement a wide-field microscope in which a sample is illuminated over its entire surface. In some examples, the imaging optics 112 an image of the sample object on a detector 114 produce. The detector 114 may then be arranged to capture one or more images of the sample object. A viewing through an eyepiece is conceivable.

In manchen Beispielen können Abbildungsoptiken 112 mit einer großen Apertur verwendet werden. Beispielsweise könnte die Abbildungsoptik 112 eine numerische Apertur von nicht kleiner als 0,2 aufweisen, optional von nicht kleiner als 0,3, weiter optional von nicht kleiner als 0,5. Beispielsweise könnte die Abbildungsoptik 112 ein Immersionsobjektiv aufweisen.In some examples, imaging optics may be used 112 to be used with a large aperture. For example, the imaging optics 112 have a numerical aperture of not less than 0.2, optionally not smaller than 0.3, further optional not smaller than 0.5. For example, the imaging optics 112 have an immersion objective.

Das optische System 100 umfasst auch ein Beleuchtungsmodul 111. Das Beleuchtungsmodul 111 ist eingerichtet, um das Probenobjekt, das auf dem Probenhalter 113 fixiert ist, zu beleuchten. Beispielsweise könnte diese Beleuchtung mittels der Köhler'schen Beleuchtung implementiert werden. Dabei wird eine Kondensorlinse und eine Kondensor-Aperturblende verwendet. Dies führt zu einer besonders homogenen Intensitätsverteilung des zur Beleuchtung verwendeten Lichts in der Ebene des Probenobjekts. Beispielsweise kann eine partiell inkohärente Beleuchtung implementiert werden. Das Beleuchtungsmodul 111 könnte auch eingerichtet sein, um das Probenobjekt in Dunkelfeldgeometrie zu beleuchten.The optical system 100 also includes a lighting module 111 , The lighting module 111 is set up to hold the sample object on the sample holder 113 is fixed to light. For example, this lighting could be implemented by means of Köhler illumination. In this case, a condenser lens and a condenser aperture diaphragm is used. This leads to a particularly homogeneous intensity distribution of the light used for the illumination in the plane of the sample object. For example, a partially incoherent illumination can be implemented. The lighting module 111 could also be set up to illuminate the sample object in dark field geometry.

In dem Beispiel der 1 ist das Beleuchtungsmodul 111 eingerichtet, um eine strukturierte Beleuchtung zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass mittels des Beleuchtungsmoduls 111 unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien des zur Beleuchtung des Probenobjekts verwendeten Lichts implementiert werden können. Die unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien können einer Beleuchtung des Probenobjekts aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entsprechen.In the example of 1 is the lighting module 111 set up to allow structured lighting. This means that by means of the lighting module 111 different lighting geometries of the light used to illuminate the sample object can be implemented. The different illumination geometries can correspond to illumination of the sample object from different illumination directions.

Dabei sind in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen unterschiedliche Hardware-Implementierungen möglich, um die unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien bereitzustellen. Beispielsweise könnte das Beleuchtungsmodul 111 mehrere einstellbare Beleuchtungselemente umfassen, die eingerichtet sind, um lokal Licht zu modifizieren oder auszusenden. Eine Steuerung 115 kann das Beleuchtungsmodul 111 bzw. die Beleuchtungselemente zum Implementieren einer bestimmten Beleuchtungsgeometrie ansteuern.In the various examples described herein, different hardware implementations are possible to provide the different illumination geometries. For example, the lighting module could 111 comprise a plurality of adjustable lighting elements arranged to locally modify or emit light. A controller 115 can the lighting module 111 or control the lighting elements to implement a specific lighting geometry.

Beispielsweise könnten die Steuerung 115 als Mikroprozessor oder Mikrocontroller implementiert sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Steuerung 115 beispielsweise einen FPGA oder ASIC umfassen. Die Steuerung 115 kann alternativ oder zusätzlich auch den Probenhalter 113, die Abbildungsoptik 112, und / oder den Detektor 114 ansteuern. For example, the controller could 115 be implemented as a microprocessor or microcontroller. Alternatively or additionally, the controller could 115 For example, include an FPGA or ASIC. The control 115 may alternatively or additionally also the sample holder 113 , the imaging optics 112 , and / or the detector 114 drive.

2 illustriert Aspekte in Bezug auf das Beleuchtungsmodul 111. In 2 ist dargestellt, dass das Beleuchtungsmodul 111 eine Vielzahl von einstellbaren Beleuchtungslementen 121 in einer Matrixstruktur aufweist. Die Matrixstruktur ist dabei in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang des Lichts orientiert (laterale Ebene; Ortsraumkoordinaten x, y). 2 illustrates aspects related to the lighting module 111 , In 2 is shown that the lighting module 111 a variety of adjustable Beleuchtungslementen 121 in a matrix structure. The matrix structure is oriented in a plane perpendicular to the beam path of the light (lateral plane, spatial coordinates x, y).

Anstatt einer Matrixstruktur wäre es in anderen Beispielen auch möglich, andere geometrische Anordnungen der einstellbaren Elemente zu verwenden, beispielsweise ringförmig, halbkreisförmig etc.Instead of a matrix structure, it would also be possible in other examples to use other geometric arrangements of the adjustable elements, for example ring-shaped, semicircular, etc.

In einem Beispiel könnten die einstellbaren Beleuchtungselemente 121 als Lichtquellen, beispielsweise als Leuchtdioden, implementiert sein. Dann wäre es zum Beispiel möglich, dass unterschiedliche Leuchtdioden mit unterschiedlicher Lichtstärke Licht zur Beleuchtung des Probenobjekts emittieren. Dadurch kann eine Beleuchtungsgeometrie implementiert werden. In einer weiteren Implementierung könnte das Beleuchtungsmodul 111 als räumlicher Lichtmodulator (Engl., spatial light modulator, SLM) implementiert sein. Der SLM kann ortsaufgelöst einen Eingriff in eine Kondensorpupille nehmen, was eine direkte Auswirkung auf die Bildgebung - zum Beispiel formalisiert mittels der TCC abgebildet - haben kann.In one example, the adjustable lighting elements could 121 be implemented as light sources, for example as light-emitting diodes. For example, it would then be possible for different light-emitting diodes with different light intensity to emit light for illuminating the sample object. As a result, a lighting geometry can be implemented. In another implementation, the lighting module could 111 be implemented as a spatial light modulator (SLM). The SLM may be spatially resolved to engage in a condenser pupil, which may have a direct impact on imaging - for example, modeled using the TCC.

3 illustriert Aspekte in Bezug auf eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie 300. In 3 ist die bereitgestellte Lichtstärke 301 für die verschiedenen einstellbaren Elemente 121 des Beleuchtungsmoduls 111 entlang der Achse X-X' aus 2 dargestellt. Die Beleuchtungsgeometrie 300 weist eine Abhängigkeit von der Position entlang der Achse X-X' auf und ist daher strukturiert. 3 illustrates aspects relating to an exemplary lighting geometry 300 , In 3 is the light intensity provided 301 for the different adjustable elements 121 of the lighting module 111 along the axis XX 'off 2 shown. The lighting geometry 300 has a dependence on the position along the axis XX 'and is therefore structured.

4 illustriert Aspekte in Bezug auf eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie 300. 4 illustriert die Beleuchtungsgeometrie 300 abstrakt von dem verwendeten Beleuchtungsmodul 111. In dem Beispiel der 4 wird eine Beleuchtungsgeometrie 300 verwendet, bei der eine Seite beleuchtet wird (schwarze Farbe in 4) und die andere Seite nicht beleuchtet wird (weiße Farbe in 4). In 5 ist eine weitere beispielhafte Beleuchtungsgeometrie dargestellt (mit entsprechender Farbkodierung, wie bereits in Bezug auf 4 beschrieben). 4 illustrates aspects relating to an exemplary lighting geometry 300 , 4 illustrates the illumination geometry 300 abstract of the used lighting module 111 , In the example of 4 becomes a lighting geometry 300 used in which one side is illuminated (black color in 4 ) and the other side is not lit (white color in 4 ). In 5 another exemplary illumination geometry is shown (with corresponding color coding, as already described with reference to FIG 4 described).

6 illustriert Aspekte in Bezug auf eine beispielhafte Übertragungsfunktion 400 (wobei in 6 schwarz einen Betrag von +1 und weiß einen Betrag von -1 codiert; die Koordinaten u_x und u_y sind im Ortsfrequenzraum definiert und entsprechen dort den Ortsraumkoordinaten x und y). Die Übertragungsfunktion 400 kann dazu verwendet werden, um basierend auf einem Bild, welches beispielsweise mit der Beleuchtungsgeometrie 300 gemäß dem Beispiel der 4 erfasst wurde, ein Ergebnisbild zu bestimmen. Das Ergebnisbild kann einen Phasenkontrast aufweisen. Das Ergebnisbild kann ein Höhenprofil des Probenobjekts beinhalten. 6 illustrates aspects relating to an exemplary transfer function 400 (where in 6 black is an amount of +1 and knows an amount of -1 encoded; the coordinates u _x and u _y are defined in the spatial frequency space and correspond there to the spatial coordinates x and y). The transfer function 400 can be used to, based on an image, which, for example, with the illumination geometry 300 according to the example of 4 was determined to determine a result image. The result image may have a phase contrast. The result image may include a height profile of the sample object.

In dem Beispiel der 6 weist die Übertragungsfunktion 400 eine Symmetrieachse 405 auf, die einer Symmetrieachse 305 der Beleuchtungsgeometrie 300 entspricht. Dadurch kann es möglich sein, dass die Übertragungsfunktion 400 passend zu der Beleuchtungsgeometrie 300 gewählt wird. Dadurch kann das Ergebnisbild einen besonders starken Kontrast aufweisen.In the example of 6 has the transfer function 400 an axis of symmetry 405 on, that of a symmetry axis 305 the illumination geometry 300 equivalent. This may make it possible for the transfer function 400 suitable for the lighting geometry 300 is selected. As a result, the result image can have a particularly strong contrast.

In 6 ist auch der Durchmesser der Detektorapertur der Abbildungsoptik 112 dargestellt. Weil eine partiell inkohärente Beleuchtung verwendet wird, ist die Übertragungsfunktion bis zur zweifachen Größe der Detektorapertur der Abbildungsoptik 112 ungleich Null.In 6 is also the diameter of the detector aperture of the imaging optics 112 shown. Because partially incoherent illumination is used, the transfer function is up to twice the detector aperture of the imaging optics 112 nonzero.

7 illustriert auch Aspekte in Bezug auf eine Übertragungsfunktion 400. Das Beispiel der 7 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 6. Jedoch ist in dem Beispiel der 6 die Größe der Detektorapertur größer als in dem Beispiel der 6 (vgl. horizontale gestrichelte Linien; N_A bezeichnet die Größe der Detektorapertur). 7 also illustrates aspects related to a transfer function 400 , The example of 7 basically corresponds to the example of 6 , However, in the example of 6 the size of the detector aperture is larger than in the example of 6 (see horizontal dashed lines, N _A denotes the size of the detector aperture).

Dabei ist aber die Übertragungsfunktion 400 entsprechend skaliert auf die in 7 im Vergleich zu 6 vergrößerte Detektorapertur. Beispielsweise könnte die Übertragungsfunktion 400 gemäß dem Beispiel der 6 als Referenz-Übertragungsfunktion dienen. Dann könnte zum Beispiel die Steuerung 115 eingerichtet sein, um die Übertragungsfunktion 400 gemäß dem Beispiel der 7 basierend auf einer Skalierung dieser Referenz-Übertragungsfunktion auf die vergrößerte Apertur der Abbildungsoptik 112 zu bestimmen.But here is the transfer function 400 scaled accordingly to the in 7 compared to 6 enlarged detector aperture. For example, the transfer function 400 according to the example of 6 serve as a reference transfer function. Then, for example, the controller could 115 be set up to the transfer function 400 according to the example of 7 based on a scaling of this reference transfer function to the enlarged aperture of the imaging optics 112 to determine.

Basierend auf solchen Techniken ist es möglich, dass Ergebnisbild mit dem Phasenkontrast auch für Szenarien zu bestimmen, bei denen die Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 111 kleiner ist als die Größe der Apertur der Abbildungsoptik 112. Insbesondere kann es in solchen Beispielen möglich sein, dass eine besonders große Apertur für die Abbildungsoptik 112 verwendet wird, was bei bestimmten Anwendungsfällen zur Bildgebung mittels des optischen Systems 100 erstrebenswert sein kann. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 111 kleiner ist als 50 % der Größe der Apertur der Abbildungsoptik 112, optional kleiner als 20 %, weiter optional kleiner als 5 %. Dadurch kann besonders sensitiv gemessen werden.Based on such techniques, it is possible to determine the result image with the phase contrast even for scenarios where the size of the aperture of the lighting module 111 smaller than the size of the aperture of the imaging optics 112 , In particular, it may be possible in such examples that a particularly large aperture for the imaging optics 112 which is used in certain applications for imaging by means of the optical system 100 can be desirable. For example, it would be possible for the size of the aperture of the lighting module 111 less than 50 % of the size of the aperture of the imaging optics 112 , optionally less than 20%, further optionally less than 5%. This makes it possible to measure particularly sensitive.

Aus den Beispielen der 6 und 7 ist ersichtlich, dass es möglich sein kann, die Übertragungsfunktion 400 unabhängig von der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 111 zu bestimmen. Dies kann in anderen Worten bedeuten, dass beispielsweise eine Ausdehnung oder bestimmte Merkmale - wie z.B. Extremwerte, Nullstellen, Wendepunkte, etc. - der Übertragungsfunktion 400 nicht von der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 111 abhängen. Beispielsweise weisen die Übertragungsfunktionen 400 in den Beispielen der 6 und 7 keine Merkmale auf, wie beispielsweise lokale Extremwerte oder Nullstellen, die in Abhängigkeit der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 111 im Ortsfrequenzraum - d.h. im zum Ortsraum konjugierten Raum - positioniert wären. Zwischen dem Ortsraum und dem Ortsfrequenzraum kann durch Fourieranalyse und inverse Fourieranalyse transformiert werden. Ortsfrequenzen bezeichnen dabei den Kehrwehrt einer räumlichen Periodenlänge. Vielmehr ist der Bereich, innerhalb welchem die Übertragungsfunktion 400 Werte ungleich Null annimmt, durch die Größe der Apertur der Abbildungsoptik 112 bestimmt.From the examples of 6 and 7 it can be seen that it may be possible to use the transfer function 400 regardless of the size of the aperture of the lighting module 111 to determine. In other words, this can mean that, for example, an expansion or certain features - such as extreme values, zeros, inflection points, etc. - of the transfer function 400 not the size of the aperture of the lighting module 111 depend. For example, have the transfer functions 400 in the examples of 6 and 7 no features, such as local extremes or zeroes, which depend on the size of the aperture of the lighting module 111 in the spatial frequency space - ie in the space conjugated to the space - would be positioned. Between the spatial domain and the spatial frequency space can be transformed by Fourier analysis and inverse Fourier analysis. Spatial frequencies denote the sweep of a spatial period length. Rather, the area within which is the transfer function 400 Assumes values other than zero, by the size of the aperture of the imaging optics 112 certainly.

Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass es auch für solche, in Abhängigkeit der Größe der Apertur der Abbildungsoptik skalierte Übertragungsfunktionen 400 möglich sein kann, dass Ergebnisbild mit einem aussagekräftigen Kontrast zu bestimmen - beispielsweise einem Phasenkontrast oder mit einem Höhenprofil des Probenobjekts. Dabei kann der Kontrast im Ergebnisbild in manchen Beispielen keine quantitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts beinhalten, jedoch eine qualitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts. Insbesondere kann die qualitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts konsistent im Bereich des gesamten Bilds bereitgestellt werden. Insbesondere im Vergleich zu Referenztechniken wie z.B. in DE 10 2014 112 242 A1 beschrieben, bei denen unterschiedliche Gradienten der Phase des Probenobjekts - beispielsweise an gegenüberliegenden Kanten des Probenobjekts - mit unterschiedlichem Vorzeichen des Kontrasts im Ergebnisbild abgebildet werden, kann dies einen Vorteil aufweisen.Such techniques are based on the recognition that it is also for such, depending on the size of the aperture of the imaging optics scaled transfer functions 400 It may be possible to determine the result image with a meaningful contrast - for example, a phase contrast or with a height profile of the sample object. Incidentally, in some examples, the contrast in the result image may not include a quantitative description of the phase of the sample object, but a qualitative description of the phase of the sample object. In particular, the qualitative description of the phase of the sample object can be consistently provided in the area of the entire image. In particular compared to reference techniques such as in DE 10 2014 112 242 A1 This can have an advantage in that different gradients of the phase of the sample object-for example on opposite edges of the sample object-are imaged with different signs of the contrast in the resulting image.

8 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Übertragungsfunktion 400 (wobei in 8 schwarz einen Betrag von +1 und weiß einen Betrag von -1 codiert; die Koordinaten u_x und u_y sind im Ortsfrequenzraum definiert und entsprechen dort den Ortsraumkoordinaten x und y). Die Übertragungsfunktion 400 kann dazu verwendet werden, um basierend auf einem Bild, welches beispielsweise mit der Beleuchtungsgeometrie 300 gemäß dem Beispiel der 5 erfasst wurde, ein Ergebnisbild mit einem Phasenkontrast zu bestimmen. In 8 ist auch der Durchmesser der Detektorapertur der Abbildungsoptik 112 dargestellt. 8th illustrates aspects related to a transfer function 400 (where in 8th black is an amount of +1 and knows an amount of -1 encoded; the coordinates u _x and u _y are defined in the spatial frequency space and correspond there to the spatial coordinates x and y). The transfer function 400 can be used to, based on an image, which, for example, with the illumination geometry 300 according to the example of 5 was detected to determine a result image with a phase contrast. In 8th is also the diameter of the detector aperture of the imaging optics 112 shown.

Aus den 6-8 ist ersichtlich, dass die Übertragungsfunktion 400 in Abhängigkeit der strukturierten Beleuchtungsgeometrie 300 bestimmt werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Geometrie der Übertragungsfunktion 400 im Ortsfrequenzraum die Beleuchtungsgeometrie 300 im Ortsraum nachbildet. Durch solche Techniken kann ein besonders starker Kontrast in dem Ergebnisbild erzielt werden, d.h. ein hohes Signalzu-Rauschverhältnis beispielsweise für den Phasenkontrast oder das Höhenprofil.From the 6-8 it can be seen that the transfer function 400 depending on the structured illumination geometry 300 can be determined. In particular, it is possible that the geometry of the transfer function 400 in the spatial frequency space the illumination geometry 300 imitates in the physical space. By means of such techniques, a particularly strong contrast can be achieved in the resulting image, ie a high signal-to-noise ratio, for example for the phase contrast or the height profile.

9 illustriert Aspekte in Bezug auf verschiedene Übertragungsfunktionen 400 (unterschiedliche Übertragungsfunktionen sind in 9 mit der durchgezogene Linie, der gestrichelten Linie, der gepunkteten Linie, sowie der gestrichelten-gepunkteten Linie dargestellt). 9 illustrates aspects related to different transfer functions 400 (different transfer functions are in 9 shown by the solid line, the dashed line, the dotted line, and the dashed-dotted line).

Die in 9 dargestellten Übertragungsfunktionen 400 können beispielsweise für unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien verwendet werden (in 9 sind die Beleuchtungsgeometrien nicht dargestellt).In the 9 illustrated transfer functions 400 For example, they can be used for different lighting geometries (in 9 the lighting geometries are not shown).

In 9 ist die Übertragungsfunktion 400 entlang einer Achse u_x des Ortsfrequenzraums dargestellt. In manchen Beispielen könnte die Übertragungsfunktion lediglich entlang einer Koordinate des Ortsfrequenzraums eine Variation aufweisen; in anderen Beispielen könnte aber eine Variation entlang zweier orthogonaler Achsen u_x und u_y vorliegen.In 9 is the transfer function 400 along an axis u _{x of} the spatial frequency space. In some examples, the transfer function could only vary along a coordinate of the spatial frequency space; in other examples, however, there could be variation along two orthogonal axes u _x and u _y .

In dem Beispiel der 9 ist beispielsweise eine Übertragungsfunktion 400 als monoton steigende lineare Funktion ausgebildet (durchgezogene Linie). Außerdem ist in dem Beispiel der 9 eine weitere Übertragungsfunktion 400 als monoton steigende Sigmoid-Funktion ausgebildet (gestrichelte Linie). In dem Beispiel der 9 ist eine weitere Übertragungsfunktion 400 als gefaltete, monoton fallende, lineare Funktion ausgebildet (gepunktete Linie). In dem Beispiel der 9 ist eine weitere Übertragungsfunktion 400 als Stufenfunktion ausgebildet (gepunktete Linie).In the example of 9 is for example a transfer function 400 formed as a monotonically increasing linear function (solid line). In addition, in the example of the 9 another transfer function 400 formed as a monotonously increasing sigmoid function (dashed line). In the example of 9 is another transfer function 400 formed as a folded, monotonically decreasing, linear function (dotted line). In the example of 9 is another transfer function 400 formed as a step function (dotted line).

Solche Ausbildungen von Übertragungsfunktionen 400 sind rein beispielhaft und in anderen Beispielen können anders ausgebildete Übertragungsfunktionen verwendet werden oder aber Überlagerungen der in dem Beispiel der 9 dargestellten Übertragungsfunktionen 400. Jedoch können die in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen verwendete Übertragungsfunktionen bestimmte Merkmale bzw. Charakteristiken aufweisen, die eine besonders gute Bestimmung des Ergebnisbild ermöglichen. Solche Merkmale von verwendeten Übertragungsfunktionen werden nachfolgend beschrieben.Such training of transfer functions 400 are purely exemplary and in other examples, differently shaped transfer functions can be used or overlays of the in the example of 9 illustrated transfer functions 400 , However, the transfer functions used in the various examples described herein may have certain characteristics or characteristics allow a particularly good determination of the result image. Such features of transfer functions used will be described below.

Aus den Beispielen der Übertragungsfunktionen 400 in 9 ist ersichtlich, dass es möglich ist, die Übertragungsfunktionen 400 für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 112 ohne lokale Extremwerte auszubilden, d.h. ohne lokale Maxima oder Minima die kleiner wären, als die absoluten Extremwerte (d.h. die Amplituden von +1 bzw. -1 im Beispiel der 9). Dies kann durch eine monoton steigende oder fallende Übertragungsfunktion erzielt werden, oder durch eine Stufenfunktion.From the examples of the transfer functions 400 in 9 it can be seen that it is possible to use the transfer functions 400 for spatial frequencies within the aperture of the imaging optics 112 without local extreme values, ie without local maxima or minima which would be smaller than the absolute extreme values (ie the amplitudes of +1 or -1 in the example of FIG 9 ). This can be achieved by a monotone increasing or decreasing transfer function, or by a step function.

Eine solche Vermeidung von lokalen Extremwerten kann insbesondere vorteilhafte Effekte in Bezug auf die Reduktion von Signalrauschen bzw. Artefakten im Ergebnisbild aufweisen. Beispielsweise weisen die von Tian und Waller verwendeten Übertragungsfunktionen (siehe Tian und Waller: 2, links oben) lokale Extremwerte innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik auf. Manchmal kann es vorkommen, dass - beispielsweise baulich bedingt - eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Apertur und der nominellen Apertur der Abbildungsoptik vorliegt. Dann kann die Position der lokalen Extremwerte der Übertragungsfunktion in Bezug auf die tatsächliche Apertur falsch im Ortsfrequenzraum positioniert sein; dies bewirkt, dass in den Bildern beinhaltete Frequenzen aufgrund der in Bezug auf die tatsächliche Apertur falsch im Ortsfrequenzraum positionierten lokalen Extremwerte irrtümlicherweise eine starke Verstärkung erfahren, was zu Artefakten im Ergebnisbild führen kann. Indem gemäß der verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele eine Übertragungsfunktion ohne lokale Extremwerte innerhalb der Detektorapertur bzw. der doppelten Detektorapertur verwendet wird, kann eine solche irrtümliche Verstärkung von in den Bildern beinhalteten Frequenzen aufgrund eines verschoben positionierten lokalen Extremwerts der Übertragungsfunktion vermieden werden. Es resultiert eine gleichförmige Propagation der in den erfassten Bildern beinhalteten Frequenzen.Such avoidance of local extreme values may in particular have advantageous effects with regard to the reduction of signal noise or artifacts in the resulting image. For example, the transfer functions used by Tian and Waller (see Tian and Waller: 2 , top left) local extreme values within the double aperture of the imaging optics. Sometimes it may happen that - for example due to structural reasons - there is a deviation between the actual aperture and the nominal aperture of the imaging optics. Then, the position of the local extreme values of the transfer function with respect to the actual aperture may be incorrectly positioned in the spatial frequency space; this causes the frequencies included in the images to erroneously gain a strong gain due to the local extreme values incorrectly positioned in the spatial frequency space with respect to the actual aperture, which can lead to artifacts in the resulting image. By using a transfer function with no local extremes within the detector aperture or the double detector aperture, according to the various examples described herein, such erroneous amplification of frequencies included in the images due to a shifted local extreme of the transfer function can be avoided. This results in a uniform propagation of the frequencies included in the acquired images.

Aus den in 9 dargestellten Beispielen der Übertragungsfunktionen 400 ist ferner ersichtlich, dass Implementierungen möglich sind, bei denen die Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 112 bzw. innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 112 keine Werte oder im Wesentlichen keine Werte gleich Null annimmt, d.h. lediglich endliche Werte ungleich Null annimmt. Im Allgemeinen kann es manchmal erstrebenswert sein, zu vermeiden, dass die Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 112 bzw. innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 112 vergleichsweise kleine Werte - beispielsweise bezogen auf ein Maximum aller Betragswerte der Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb des entsprechenden Bereichs - annimmt. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur oder der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 112 keine Betragswerte <5 % eines Maximums aller Betragswerte der Übertragungsfunktion 400 für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 112 aufweist, optional keine Werte <2 %, weiter optional keine Werte <0,5 %. Ein solches Verhalten kann z.B. durch eine Stufenfunktion bereitgestellt werden.From the in 9 illustrated examples of the transfer functions 400 It will also be appreciated that implementations are possible where the spatial frequency transfer function is within the aperture of the imaging optics 112 or within the double aperture of the imaging optics 112 assumes no values or substantially no values equal to zero, ie assumes only non-zero finite values. In general, it may sometimes be desirable to avoid having the spatial frequency transfer function within the aperture of the imaging optics 112 or within the double aperture of the imaging optics 112 comparatively small values - for example, based on a maximum of all magnitude values of the transfer function for spatial frequencies within the corresponding range - assumes. For example, it would be possible for the spatial frequency transfer function to be within the aperture or double aperture of the imaging optics 112 no amount values <5% of a maximum of all amount values of the transfer function 400 for spatial frequencies within the aperture of the imaging optics 112 optionally, no values <2%, further optional no values <0.5%. Such a behavior can be provided eg by a step function.

Solchen Techniken liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Werte gleich Null für die Übertragungsfunktion 400 in einer Unterdrückung der entsprechenden in den Bildern beinhalteten Frequenzen entsprechen kann. Oftmals kann es aber erstrebenswert sein, dass innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 112 bzw. innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 112 keine Unterdrückung von entsprechenden in den Bildern beinhalteten Frequenzen erfolgt. Beispielsweise ist aus Tian und Waller: 2, links oben ersichtlich, dass in einem ausgedehnten Bereich im Zentrums der Apertur der Optik die Übertragungsfunktion Werte gleich Null annehmen kann. Dabei sind die Bereiche, in denen die Übertragungsfunktion Werte gleich Null annimmt, umso größer, je kleiner ein Verhältnis zwischen der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul und der Größe der Apertur der Optik ist. Dies bedeutet, dass es gemäß der in Tian und Waller beschriebenen Referenztechniken nicht oder nur eingeschränkt möglich sein kann, ein aussagekräftiges Ergebnisbild mit Phasenkontrast zu bestimmen, wenn die Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul signifikant kleiner ist als die Größe der Apertur der Optik. Diese Einschränkung der Referenzimplementierung kann durch die verschiedenen hierin beschriebenen Techniken behoben werden. Insbesondere kann es durch die geeignete Wahl der Übertragungsfunktion ohne Werte gleich Null bzw. sehr kleine Werte innerhalb der einfachen Apertur der Abbildungsoptik 112 bzw. der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 112 möglich sein, auch für vergleichsweise große Aperturen der Abbildungsoptik 112 bzw. vergleichsweise kleine Aperturen des Beleuchtungsmodul 111 das Ergebnisbild mit dem Phasenkontrast zu bestimmen.Such techniques are based on the knowledge that values equal zero for the transfer function 400 in a suppression of the corresponding frequencies included in the images. Often, however, it may be desirable that within the aperture of the imaging optics 112 or within the double aperture of the imaging optics 112 no suppression of corresponding frequencies included in the images takes place. For example, from Tian and Waller: 2 In the upper left corner, it can be seen that in an extended area in the center of the aperture of the optics, the transfer function can assume values equal to zero. In this case, the smaller the ratio between the size of the aperture of the illumination module and the size of the aperture of the optics, the larger the areas in which the transfer function assumes values equal to zero. This means that, according to the reference techniques described in Tian and Waller, it may not be possible or only possible to a limited extent to determine a meaningful phase-contrast result image if the size of the aperture of the illumination module is significantly smaller than the size of the aperture of the optic. This limitation of the reference implementation may be remedied by the various techniques described herein. In particular, by the suitable choice of the transfer function without values, it can be equal to zero or very small values within the simple aperture of the imaging optics 112 or the double aperture of the imaging optics 112 be possible, even for comparatively large apertures of the imaging optics 112 or comparatively small apertures of the illumination module 111 to determine the result image with the phase contrast.

Aus dem Beispiel der 9 ist ferner ersichtlich, dass die dort dargestellten Übertragungsfunktionen für Ortsfrequenzen außerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 112 Werte gleich Null annehmen. Im Allgemeinen kann es möglich sein, dass Übertragungsfunktionen verwendet werden, außerhalb der von der Abbildungsoptik 112 übertragenen Ortsfrequenzen Werte im Wesentlichen gleich Null annehmen, d.h. typischerweise außerhalb der einfachen Apertur oder der doppelten Apertur bei partiell phaseninkohärenter Beleuchtung. Beispielsweise wäre es möglich, dass die verwendeten Übertragungsfunktionen für Ortsfrequenzen außerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik keine Betragswerte >5 % eines Maximums aller Betragswerte der Übertragungsfunktionen für Ortsfrequenzen innerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik aufweisen, optional keine Werte größer als 2 %, weiter optional keine Werte größer als 0,5 %. Derart kann vermieden werden, dass Artefakte oder Rauschen im Ergebnisbild verstärkt wird.From the example of 9 It can also be seen that the transfer functions for spatial frequencies shown there are outside the double aperture of the imaging optics 112 Take values equal to zero. In general, it may be possible to use transfer functions outside of the imaging optics 112 transmitted spatial frequencies assume values substantially equal to zero, ie typically outside the single aperture or the double aperture with partially phase-incoherent illumination. For example, it would be possible for the transfer functions used for spatial frequencies outside the single or double aperture of the imaging optics to have no magnitude values of> 5% of a maximum of all absolute values of the transfer functions for spatial frequencies within the single or double aperture of the imaging optics, optionally no values greater than 2%, further optional no values greater than 0.5%. In this way it can be avoided that artifacts or noise in the result image is amplified.

10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Zunächst wird in 1001 ein Probenobjekt fixiert, beispielsweise mithilfe eines Probenhalters. Beispielsweise kann das Probenobjekt ein Phasenobjekt sein. Beispielsweise könnte das Probenobjekt Zellen oder Zellkulturen umfassen. Das Probenobjekt könnte ein Phasenobjekt umfassen. 1001 ist optional. 10 FIG. 10 is a flowchart of an example method. FIG. First, a sample object is fixed in 1001, for example using a sample holder. For example, the sample object may be a phase object. For example, the sample object could comprise cells or cell cultures. The sample object could comprise a phase object. 1001 is optional.

Dann wird in 1002 das Probenobjekt mit ein oder mehreren strukturierten Beleuchtungsgeometrien beleuchtet. Dazu kann ein entsprechendes Beleuchtungsmodul entsprechend angesteuert werden. Es wäre zum Beispiel möglich, dass das Probenobjekt mit zwei komplementären Beleuchtungsgeometrien beleuchtet wird, die zum Beispiel halbkreisförmig ausgebildet sind und unterschiedlichen Halbkreisen innerhalb der Apertur des entsprechenden Beleuchtungsmodul entsprechen.Then, in 1002, the sample object is illuminated with one or more structured illumination geometries. For this purpose, a corresponding lighting module can be controlled accordingly. For example, it would be possible for the specimen object to be illuminated with two complementary illumination geometries, which are semicircular, for example, and correspond to different semicircles within the aperture of the corresponding illumination module.

In 1003 werden ein oder mehrere Bilder des Probenobjekts mittels einer Abbildungsoptik sowie mittels eines Detektors, beispielsweise eines CMOS oder CCD-Sensors, erfasst. 1003 kann das entsprechende Ansteuern des Detektors umfassen. Das Bild oder die Bilder beinhalten jeweils ein Abbild des Probenobjekts. Dabei sind unterschiedliche Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien aus 1002 assoziiert.In 1003 For example, one or more images of the sample object are detected by means of imaging optics and by means of a detector, for example a CMOS or CCD sensor. 1003 may include the appropriate driving of the detector. The image or images each include an image of the sample object. Different images are associated with different illumination geometries from 1002.

In manchen Beispielen können zwei Paare von Bildern erfasst werden, die jeweils mit komplementären, halbkreisförmigen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sind. In anderen Beispielen könnten aber auch nur zwei Bilder oder drei Bilder erfasst werden.In some examples, two pairs of images may be detected, each associated with complementary semicircular illumination directions. In other examples, however, only two images or three images could be captured.

Es könnte dann eine Differenzbildung erfolgen, z.B. gemäß $\begin{matrix} \frac{I_{l i n k s} - I_{r e c h t s}}{I_{l i n k s} + I_{r e c h t s}} \\ \frac{I_{o b e n -} I_{u n t e n}}{I_{o b e n} + I_{u n t e n}} \end{matrix}$

wobei I(links) und I(rechts) die Bilder bezeichnen, die jeweils mit einer links oder rechts orientierten halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrie assoziiert sind und wobei I(oben) und I(unten) die Bilder bezeichnen, die jeweils mit einer oben oder unten orientierten halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrie assoziiert sind.It could then be a difference, for example, according to

\begin{matrix} \frac{I_{l i n k s} - I_{r e c H t s}}{I_{l i n k s} + I_{r e c H t s}} \\ \frac{I_{O b e n -} I_{u n t e n}}{I_{O b e n} + I_{u n t e n}} \end{matrix}

where I (left) and I (right) denote the images respectively associated with a left or right oriented semicircular illumination geometry and where I (top) and I (bottom) denote the images, each with a top or bottom oriented semicircular illumination Lighting geometry are associated.

Auch in Gl. 3 ist das Berücksichtigen des Nenners als Normierung optional. Es wäre möglich, allein die Differenzen zu berücksichtigen. Es könnten auch die Rohdaten I_links bzw. I_rechts bzw. I_oben bzw. I_unten verwendet werden, d.h. ohne paarweise Verrechnung gem. Gl. 3 bzw. Gl. 2.Also in Eq. 3, considering the denominator as normalization is optional. It would be possible to consider only the differences. It could also be the raw data I _left or I _right or I _above or I used _below , ie, without pairing according to. Eq. 3 or Eq. Second

Dann erfolgt in 1004 das Bestimmen eines Ergebnisbildes, welches einen Phasenkontrast aufweist. Das Bestimmen des Ergebnisbild erfolgt in 1004 basierend auf einer Übertragungsfunktion, welche die Abbildung des Probenobjekts mittels des entsprechenden optischen Systems für die entsprechenden Beleuchtungsgeometrien beschreibt. Das Ergebnisbild wird auch basierend auf dem mindestens einen in 1003 erfassten Bild bestimmt. Dazu könnte Beispielsweise zuvor eine Differenzbildung und ggf. Normierung aus mehreren in 1003 erfassten Bildern erfolgen, die mit unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien assoziiert sind.Then, in 1004, determining a result image having a phase contrast is performed. The determination of the result image is made in 1004 based on a transfer function which describes the imaging of the sample object by means of the corresponding optical system for the corresponding illumination geometries. The result image is also determined based on the at least one image captured in 1003. For this purpose, for example, a difference formation and possibly normalization could be carried out beforehand from a plurality of images recorded in 1003, which are associated with different illumination geometries.

Zum Beispiel könnte das Verfahren gemäß 10 weiterhin das Skalieren einer Referenz-Übertragungsfunktion auf eine Größe der Apertur der Abbildungsoptik umfassen. Dies bedeutet, dass eine Anpassung der Referenz-Übertragungsfunktion auf die Größe der Apertur der Abbildungsoptik erfolgen kann.For example, the method according to 10 further comprising scaling a reference transfer function to a size of the aperture of the imaging optics. This means that an adaptation of the reference transfer function to the size of the aperture of the imaging optics can take place.

Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, um auch bei vergleichsweise großen Aperturen der verwendeten Abbildungsoptik ein Ergebnisbild zu bestimmen, das einen starken Kontrast aufweist, der z.B. die Phase oder die Höhe eines Probenobjekts kodiert. Diese Techniken beruhen auf einer Berücksichtigung der Größe der Apertur der Abbildungsoptik. Dabei kann beispielsweise eine vorgegebene Referenz-Übertragungsfunktion gemäß der Größe der Apertur der Abbildungsoptik skaliert werden. Die Referenz-Übertragungsfunktion kann deshalb auch als artifizielle Übertragungsfunktion bezeichnet werden, weil sie Abweichungen gegenüber der aufgrund der Beleuchtungsgeometrie theoretisch erwarteten Übertragungsfunktion aufweisen kann.In summary, techniques have been described above to determine, even at comparatively large apertures of the imaging optics used, a result image having a high contrast, e.g. encodes the phase or height of a sample object. These techniques are based on considering the size of the aperture of the imaging optics. In this case, for example, a predetermined reference transfer function can be scaled according to the size of the aperture of the imaging optics. The reference transfer function can therefore also be referred to as an artificial transfer function because it can have deviations from the theoretically expected transfer function due to the illumination geometry.

Solche Techniken können bestimmte Vorteile aufweisen. Beispielsweise kann die Größe der Apertur der Abbildungsoptik flexibel dimensioniert werden. Insbesondere könnten beispielsweise Immersionsobjektive verwendet werden. Mittels der hierin beschriebenen Techniken kann durch geeignete Wahl der Übertragungsfunktion ein besonders großer Phasenkontrast im Ergebnisbild erzielt werden. Insbesondere kann eine Verstärkung des Phasenkontrast beispielsweise gegenüber den Referenzimplementierungen gemäß Tian und Waller erfolgen. Außerdem wäre es zum Beispiel möglich, bestimmte Formen von Hardware-implementierten Phasenkontrast Bildern, etwa Zernike-Kontrast, digital nachzubilden.Such techniques may have certain advantages. For example, the size of the aperture of the imaging optics can be flexibly dimensioned. In particular, for example, immersion objectives could be used. By means of the techniques described herein, by suitable choice of the transfer function, a particularly large phase contrast can be achieved in the resulting image. In particular, a gain of the phase contrast, for example, compared to the reference implementations according to Tian and Waller done. In addition, for example, it would be possible to digitally replicate certain forms of hardware-implemented phase-contrast images, such as Zernike contrast.

Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.Of course, the features of the previously described embodiments and aspects of the invention may be combined. In particular, the features may be used not only in the described combinations but also in other combinations or per se, without departing from the scope of the invention.

Die Skalierung der Amplituden der verschiedenen hierin beschriebenen Übertragungsfunktionen ist rein beispielhaft. Zum Beispiel wurden in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen oftmals Übertragungsfunktionen mit einer Amplitude von +1 bzw. -1 dargestellt, jedoch kann es in anderen Beispielen auch möglich sein, Übertragungsfunktionen mit anderen Amplituden zu verwenden.The scaling of the amplitudes of the various transfer functions described herein is merely exemplary. For example, transfer functions having amplitudes of +1 and -1, respectively, have often been illustrated in the various examples described herein, however, in other examples, it may also be possible to use transfer functions of other amplitudes.

Weiterhin wurden beispielsweise verschiedene Implementierungen in Bezug auf Beleuchtung des Probenobjekts mit partiell kohärenten Licht beschrieben. Dabei ist die Bandbreite der übertragenen Ortsfrequenzen gleich der doppelten Apertur der Abbildungsoptik. In anderen Beispielen könnten aber auch andere Techniken zur Beleuchtung verwendet werden, sodass die Bandbreite der übertragenen Ortsfrequenzen anders dimensioniert ist. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann dies berücksichtigt werden, indem beispielsweise eine entsprechende Skalierung einer Referenz-Übertragungsfunktion bis zum theoretischen Maximum der übertragenen Ortsfrequenzen erfolgt.Further, for example, various implementations with respect to illumination of the sample object with partially coherent light have been described. The bandwidth of the transmitted spatial frequencies is equal to twice the aperture of the imaging optics. However, in other examples, other techniques could be used for illumination, such that the bandwidth of the transmitted spatial frequencies is different. In the various examples described herein, this may be taken into account, for example by a corresponding scaling of a reference transfer function up to the theoretical maximum of the transmitted spatial frequencies.

Ferner wurden hierin verschiedene Beispiele beschrieben, bei denen eine besonders große Apertur der Abbildungsoptik verwendet wird. Die hierin beschriebenen Beispiele können aber auch für andere Fälle eingesetzt werden, beispielsweise für Fälle in denen die Größe der Apertur des Beleuchtungsmoduls größer oder in etwa gleich zu der Größe der Apertur der Abbildungsoptik ist. Auch in solchen Fällen kann ein Ergebnisbild mit einem besonders starken Kontrast erzielt werden.Further, various examples have been described herein in which a particularly large aperture of the imaging optics is used. However, the examples described herein can also be used for other cases, for example in cases where the size of the aperture of the illumination module is greater than or approximately equal to the size of the aperture of the imaging optics. Even in such cases, a result image can be achieved with a particularly strong contrast.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014112242 A1 [0005, 0050]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

H. H. Hopkins "On the Diffraction Theory of Optical Images", Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical Engineering Sciences 217 (1953) 408-432 [0025]

Claims

Optical system (100), comprising: a sample holder (113) arranged to fix a sample object, an illumination module (111) arranged to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry (300), imaging optics (112) arranged to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry (300) on a detector (114), the detector (114) arranged to detect at least one image of the sample object based on the image, and a controller (115) arranged to determine a result image having a phase contrast based on a transfer function (400) and the at least one image, the transfer function (400) based on a size of an aperture of the imaging optic (400); 112) corresponds to the scaled reference transfer function (400).

Optical system (100), comprising: a sample holder (113) arranged to fix a sample object, an illumination module (111) arranged to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry (300), imaging optics (112) arranged to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry (300) on a detector (114), the detector (114) arranged to detect at least one image of the sample object based on the image, and a controller (115) arranged to determine, based on a transfer function (400) and the at least one image, a result image having a phase contrast, wherein a size of the aperture of the illumination module (111) is smaller than a size of the Aperture of the imaging optics (112).

Optical system (100) after Claim 2 wherein the transfer function (400) corresponds to a reference transfer function (400) scaled to a size of an aperture of the imaging optics (112).

The optical system (100) of any one of the preceding claims, wherein the size of the aperture of the illumination module (111) is less than 50% of the aperture size of the imaging optic (112), optionally less than 20%, further optionally less than 5%.

The optical system (100) of any one of the preceding claims, wherein the spatial frequency transmission function (400) within the single or double aperture of the imaging optics (112) does not have magnitude values less than 5% of a maximum of all magnitudes of the spatial frequency within the simple spatial transfer functions (400) or double aperture of the imaging optics (112), optionally no values less than 2%, further optionally no values less than 0.5%.

The optical system (100) of any one of the preceding claims, wherein the spatial frequency transfer function (400) within the aperture of the imaging optics (112) has no local extremes.

Optical system (100) according to one of the preceding claims, wherein the transfer function (400) is determined as a function of the at least one structured illumination geometry (300).

An optical system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the transfer function (400) is a step function.

An optical system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the transfer function (400) is a monotonically increasing or monotonically decreasing function, optionally being a linear function or a sigmoid function.

An optical system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the transfer function (400) has an axis of symmetry (405) corresponding to an axis of symmetry (305) of the at least one illumination geometry (300).

An optical system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the transmission function (400) for spatial frequencies outside the single or double aperture of the imaging optics (112) does not have magnitude values greater than 5% of a maximum of all magnitude values of the spatial frequency within the simple spatial transfer functions (400) or double aperture of the imaging optics (112), optionally no values greater than 2%, further optionally no values greater than 0.5%.

The optical system (100) of any one of the preceding claims, wherein the controller (115) is arranged to determine the result image based on inverse Fourier transform Tichonov regularization.

A method comprising: illuminating a sample object having at least one structured illumination geometry, generating an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry, based on the image capturing at least one image of the sample object, and determining, based on a transfer function (400) and the at least one image: a result image having a phase contrast, wherein the transfer function (400) corresponds to a reference transfer function (400) scaled to a size of an aperture of the imaging optics (112).

Method according to Claim 13 wherein the method of an optical system (100) according to one of Claims 1 - 12 is performed.