DE102017121291A1

DE102017121291A1 - Determination of aberrations by means of angle-variable illumination

Info

Publication number: DE102017121291A1
Application number: DE102017121291.4A
Authority: DE
Inventors: Lars Stoppe
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-03-14
Also published as: WO2019053136A1

Abstract

Eine optische Vorrichtung umfasst ein Beleuchtungsmodul (111), eine Detektionsoptik (112) und einen Detektor (114), sowie eine Steuerung. Diese ist eingerichtet, um das Beleuchtungsmodul (111) zum Beleuchten eines Probenobjekts (150) aus mehreren Beleuchtungsrichtungen (171, 172, 173) anzusteuern. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um den Detektor (114) zum Erfassen von Bildern anzusteuern, wobei jedes Bild ein durch die Detektionsoptik (112) erhaltenes Abbild (151, 152, 153) des Probenobjekts (150) bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung (171, 172, 173) beinhaltet. Die Steuerung (115) ist weiterhin eingerichtet, um basierend auf den Bildern (601, 602, 603) mindestens eine Aberration der Detektionsoptik (112) zu bestimmen.

An optical device comprises an illumination module (111), a detection optics (112) and a detector (114), and a controller. This is set up to control the illumination module (111) for illuminating a sample object (150) from a plurality of illumination directions (171, 172, 173). The controller is further arranged to drive the detector (114) to capture images, each image having an image (151, 152, 153) of the sample object (150) obtained by the detection optics (112) illuminated along a corresponding illumination direction (171 , 172, 173). The controller (115) is further configured to determine at least one aberration of the detection optics (112) based on the images (601, 602, 603).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Bestimmung von Aberrationen mittels Winkel-variabler Beleuchtung.Various embodiments of the invention relate to the determination of aberrations by means of angle-variable illumination.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Optische Vorrichtungen werden in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt. Beispielsweise werden Mikroskope zur Sichtbarmachung von kleinen Objekten verwendet. Teleskope werden oftmals verwendet, um weit entfernte Objekte zu vergrößern.Optical devices are used in a wide variety of applications. For example, microscopes are used to visualize small objects. Telescopes are often used to magnify distant objects.

Die Güte der Abbildung von Probenobjekten ist in solchen Anwendungsgebieten häufig kritisch. Beispielsweise kann es notwendig sein, den Fehler von optisch erfassten Messgrößen in Abhängigkeit der Güte der Abbildung zu quantifizieren.The quality of imaging sample objects is often critical in such applications. For example, it may be necessary to quantify the error of optically detected measured variables as a function of the quality of the image.

Um die Güte der Abbildung zu bestimmen, kann es oftmals erforderlich sein, Abbildungsfehler bzw. Aberrationen der optischen Vorrichtung zu bestimmen. Zum Beispiel können Aberrationen der optischen Vorrichtung mittels Zernike-Polynomen oder auch auf Grundlage anderer Formalismen beschrieben werden. Unterschiedliche Polynome beschreiben dann unterschiedliche Aberrationen, z.B. sphärische Aberrationen, Koma oder Astigmatismus, etc.. Es können Achs- und/oder Feldaberrationen bestimmt werden. Beim Bestimmen von Aberrationen können dann Parameter des entsprechenden Formalismus ermittelt werden.To determine the quality of the image, it may often be necessary to determine aberrations of the optical device. For example, aberrations of the optical device may be described by Zernike polynomials or based on other formalisms. Different polynomials then describe different aberrations, e.g. spherical aberrations, coma or astigmatism, etc. Axial and / or field aberrations can be determined. When determining aberrations, parameters of the corresponding formalism can then be determined.

Dabei sind unterschiedliche Techniken bekannt, um Aberrationen zu bestimmen. Ein Beispiel für eine Referenztechnik ist die Verwendung eines Wellenfrontsensors, beispielsweise eines Shack-Hartmann-Sensor. Eine entsprechende Technik ist unter anderem beschrieben in US 6,382,793 B1 . Die Verwendung eines Wellenfrontsensors kann jedoch vergleichsweise aufwendig sein und erfordert oftmals entsprechende Hardware. Entsprechendes gilt auch für eine Referenztechnik, die eine interferonmetrische Vermessung von Aberrationen umfasst.Different techniques are known to determine aberrations. An example of a reference technique is the use of a wavefront sensor, such as a Shack-Hartmann sensor. An appropriate technique is described inter alia in US 6,382,793 B1 , However, the use of a wavefront sensor can be comparatively expensive and often requires appropriate hardware. The same applies to a reference technique which comprises an interferometric measurement of aberrations.

Eine weitere Referenztechnik ist in WO 2015/091036 A1 beschrieben. Dabei kann ein Defokus-Bildstapel erfasst werden. Solche Techniken können aufgrund der Notwendigkeit das Probenobjekt an unterschiedlichen Fokuspositionen anzuordnen vergleichsweise zeitaufwendig sein.Another reference technique is in WO 2015/091036 A1 described. In this case, a defocus image stack can be detected. Such techniques may be relatively time consuming due to the need to place the sample object at different focus positions.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um mindestens eine Aberration einer Detektionsoptik einer optischen Vorrichtung zu bestimmen. Insbesondere besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, die zumindest einige der oben genannten Nachteile und Einschränkungen beheben oder lindern.Therefore, there is a need for improved techniques to determine at least one aberration of a detection optic of an optical device. In particular, there is a need for improved techniques that overcomes or mitigates at least some of the above disadvantages and limitations.

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.

Eine optische Vorrichtung mit einem Beleuchtungsmodul, einer Detektionsoptik und einem Detektor umfasst auch eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um das Beleuchtungsmodul zum Beleuchten eines Probenobjekts aus mehreren Beleuchtungsrichtungen anzusteuern. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um den Detektor zum Erfassen von Bildern anzusteuern, wobei jedes Bild ein durch die Detektionsoptik erhaltenes Abbild des Probenobjekts bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung beinhaltet. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um basierend auf den Bildern mindestens eine Aberration der Detektionsoptik zu bestimmen.An optical device with a lighting module, a detection optics and a detector also includes a controller. The controller is configured to control the lighting module to illuminate a sample object from a plurality of illumination directions. The controller is further configured to drive the detector for capturing images, each image including an image of the sample object obtained by the detection optics when illuminated along a corresponding illumination direction. The controller is further configured to determine at least one aberration of the detection optics based on the images.

Ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung umfasst das Ansteuern eines Beleuchtungsmoduls zum Beleuchten eines Probenobjekts aus mehreren Beleuchtungsrichtungen. Das Verfahren umfasst auch das Ansteuern eines Detektors zum Erfassen von Bildern, wobei jedes Bild ein durch eine Detektionsoptik erhaltenes Abbild des Probenobjekts bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung beinhaltet. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen mindestens einer Aberration der Detektionsoptik basierend auf den Bildern.A method of operating an optical device includes driving a lighting module to illuminate a sample object from a plurality of illumination directions. The method also includes driving a detector for capturing images, each image including an image of the sample object obtained by detection optics when illuminated along a corresponding illumination direction. The method also includes determining at least one aberration of the detection optics based on the images.

Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programm-Code, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Das Ausführen des Programm-Codes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung ausführt. Das Verfahren umfasst das Ansteuern eines Beleuchtungsmoduls zum Beleuchten eines Probenobjekts aus mehreren Beleuchtungsrichtungen. Das Verfahren umfasst auch das Ansteuern eines Detektors zum Erfassen von Bildern, wobei jedes Bild ein durch eine Detektionsoptik erhaltenes Abbild des Probenobjekts bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung beinhaltet. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen mindestens einer Aberration der Detektionsoptik basierend auf den Bildern.A computer program product includes program code that can be executed by at least one processor. The execution of the program code causes the at least one processor to implement a method for operating an optical system Device performs. The method includes driving a lighting module to illuminate a sample object from a plurality of illumination directions. The method also includes driving a detector for capturing images, each image including an image of the sample object obtained by detection optics when illuminated along a corresponding illumination direction. The method also includes determining at least one aberration of the detection optics based on the images.

Ein Computerprogramm umfasst Programm-Code, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Das Ausführen des Programm-Codes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung ausführt. Das Verfahren umfasst das Ansteuern eines Beleuchtungsmoduls zum Beleuchten eines Probenobjekts aus mehreren Beleuchtungsrichtungen. Das Verfahren umfasst auch das Ansteuern eines Detektors zum Erfassen von Bildern, wobei jedes Bild ein durch eine Detektionsoptik erhaltenes Abbild des Probenobjekts bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung beinhaltet. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen mindestens einer Aberration der Detektionsoptik basierend auf den Bildern.A computer program includes program code that can be executed by at least one processor. The execution of the program code causes the at least one processor to perform a method of operating an optical device. The method includes driving a lighting module to illuminate a sample object from a plurality of illumination directions. The method also includes driving a detector for capturing images, each image including an image of the sample object obtained by detection optics when illuminated along a corresponding illumination direction. The method also includes determining at least one aberration of the detection optics based on the images.

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.

Figurenlistelist of figures

1 schematically illustrates an optical device with a controller according to various examples.
2 schematically illustrates a lighting module of the optical device according to various examples.
3 FIG. 10 is a flowchart of an example method. FIG.
4 schematically illustrates the optical path defined by a detection optical system of the optical device as well as a distorted due to aberrations wavefront of the beam path.
5 schematically illustrates images captured by a detector of the optical device when illuminating a sample object having different illumination geometries.

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.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.Hereinafter, the present invention will be described with reference to preferred embodiments with reference to the drawings. 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, die es ermöglichen ein oder mehrere Aberrationen eines optischen Systems, insbesondere einer Detektionsoptik des optischen Systems zu bestimmen. Beispielsweise wäre es mittels der hierin beschriebenen Techniken möglich, Werte für die Parameter von einem oder mehreren Zernike-Polynomen zu bestimmen. Es können auch andere Formalismen zur Beschreibung der einen oder mehreren Aberrationen verwendet werden.Hereinafter, techniques are described which make it possible to determine one or more aberrations of an optical system, in particular a detection optical system of the optical system. For example, using the techniques described herein, it would be possible to determine values for the parameters of one or more Zernike polynomials. Other formalisms may also be used to describe the one or more aberrations.

Mittels solcher Techniken kann es möglich sein, ein oder mehrere Aberrationen besonders genau und zuverlässig, sowie vergleichsweise zügig zu bestimmen. Gleichzeitig kann es entbehrlich sein, besonders komplexe Hardware vorzusehen. Beispielsweise kann es mittels der hierin beschriebenen Techniken entbehrlich sein, einen Wellenfrontsensor zu verwenden. Außerdem kann es mittels der hierin beschriebenen Techniken möglich sein, ein oder mehrere Aberrationen während des Durchführens einer Messung zu bestimmen. Insbesondere im Zusammenhang mit Langzeitmessungen kann es derart ermöglicht werden, eine Entwicklung von einer oder mehreren Aberrationen als Funktion der Zeit zu überwachen. Außerdem können Aberrationen mit einem vergleichsweise großen Fangbereich bestimmt werden, d.h. auch wenn ein Probenobjekt defokussiert angeordnet ist.By means of such techniques, it may be possible to determine one or more aberrations particularly accurately and reliably, as well as comparatively quickly. At the same time, it may be unnecessary to provide particularly complex hardware. For example, by using the techniques described herein, it may be unnecessary to use a wavefront sensor. In addition, by the techniques described herein, it may be possible to determine one or more aberrations while performing a measurement. In particular, in the context of long-term measurements, it may thus be possible to monitor a development of one or more aberrations as a function of time. In addition, aberrations can be determined with a comparatively large capture range, i. even if a sample object is arranged defocused.

Verschiedene der hierin beschriebenen Techniken beruhen auf der Verwendung eines Beleuchtungsmoduls, welches ausgebildet ist, um ein Probenobjekt aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Beleuchtungsmodul eine Vielzahl von Lichtquellen - beispielsweise Leuchtdioden - aufweist, wobei die verschiedenen Lichtquellen einzeln oder gruppenweise angesteuert werden. Die Lichtquellen können beabstandet voneinander auf einer Fläche des Beleuchtungsmoduls angeordnet sein. Je nachdem, welche der Lichtquellen angeschaltet wird, kann derart eine entsprechende Beleuchtungsrichtung, mit der das Probenobjekt beleuchtet wird, umgesetzt werden. Solche Techniken werden auch manchmal als Winkel-variable Beleuchtung oder im Winkelraum strukturierte Beleuchtung bezeichnet, weil eine im Winkelraum variable Lichtverteilung zur Beleuchtung des Probenobjekts verwendet wird.Various of the techniques described herein rely on the use of a lighting module configured to illuminate a sample object from a variety of different illumination directions. For example, it would be possible for the illumination module to have a large number of light sources-for example light-emitting diodes-with the different light sources being controlled individually or in groups. The light sources may be spaced apart from one another on a surface of the illumination module. Depending on which of the light sources is switched on, a corresponding illumination direction, with which the sample object is illuminated, can thus be implemented. Such techniques are also sometimes called angular variable illumination or angular space structured illumination referred to, because a variable in the angular space light distribution for illuminating the sample object is used.

Als Probenobjekt kann zum Beispiel ein Amplitudenobjekt verwendet werden, welches eine vergleichsweise kleine Ausdehnung in der lateralen Ebene - d. h. senkrecht zur optischen Achse - aufweist. Zum Beispiel könnte ein kleiner Kreis oder ein absorbierender Punkt als Probenobjekt verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Probenobjekt mit a-priori bekannter Phasenänderung verwendet werden. Es kann auch ein Probenobjekt verwendet werden, das nur eine konstante Phasenänderung aufweist, d.h. zum keinen zeitlichen Drift oder eine Phasenänderung, die als Position im Ortsraum variiert. Insbesondere kann es im Zusammenhang mit den hierin beschriebenen Techniken erstrebenswert sein, wenn das Probenobjekt in einer Fokusebene der Detektionsoptik angeordnet ist. Beispielweise könnten dazu Autofokus-Anwendungen verwendet werden oder es könnte eine manuelle Fokussierung des Probenobjekts erfolgen. In manchen Beispielen könnte ein Referenz-Probenobjekt verwendet werden, d.h. ein Probenobjekt mit a-priori bekannter Form oder Geometrie. Es wäre aber auch möglich, ein a-priori unbekanntes Probenobjekt einer zu untersuchenden Probe zu verwenden.For example, an amplitude object which has a comparatively small extent in the lateral plane - d. H. perpendicular to the optical axis - has. For example, a small circle or absorbing point could be used as the sample object. For example, a sample object with a-priori known phase change may be used. It is also possible to use a sample object which has only a constant phase change, i. for no temporal drift or a phase change that varies as a position in the physical space. In particular, it may be desirable in the context of the techniques described herein if the sample object is located in a focal plane of the detection optics. For example, autofocus applications could be used or a manual focus of the sample object could be done. In some examples, a reference sample object could be used, i. a sample object with a priori known shape or geometry. However, it would also be possible to use an a priori unknown sample object of a sample to be examined.

Das Probenobjekt kann dann aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen beleuchtet werden. Dazu kann das Beleuchtungsmodul von einer Steuerung entsprechend angesteuert werden. Die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen können beispielsweise durch ebene Lichtquellen implementiert werden.The sample object can then be illuminated from different illumination directions. For this purpose, the lighting module can be controlled by a controller accordingly. The different illumination directions can be implemented, for example, by flat light sources.

Es ist dann möglich, für jede der Beleuchtungsrichtungen ein entsprechendes Bild zu erfassen. Dazu kann die Steuerung einen Detektor entsprechend ansteuern. Die verschiedenen Bilder beinhalten eine Abbildung des Probenobjekts bei jeweils einer definierten Beleuchtungsrichtung. Um eine entsprechende Trennung zwischen der Beleuchtung bei den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen zu erreichen, kann Multiplexen im Zeitraum, Frequenzraum und/oder Polarisationsraum erfolgen. Entsprechende Filter können vorgesehen sein und/oder die Steuerung kann eine entsprechende, zeitsequentielle Ansteuerung umsetzen.It is then possible to capture a corresponding image for each of the illumination directions. For this purpose, the controller can control a detector accordingly. The various images include an image of the sample object in each case a defined illumination direction. In order to achieve a corresponding separation between the illumination in the different directions of illumination, multiplexing in the period, frequency space and / or polarization space can take place. Corresponding filters can be provided and / or the controller can implement a corresponding time-sequential control.

Dann kann basierend auf den den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entsprechenden Bildern mindestens eine Aberration der Detektionsoptik bestimmt werden.Then, based on the images corresponding to the different illumination directions, at least one aberration of the detection optics can be determined.

Die Fokusposition kann während des Erfassens der verschiedenen Bilder konstant bleiben; d.h. eine Re-Positionierung des Probenobjekts entlang der optischen Achse während der Beleuchtung aus den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen kann unterbleiben.The focus position may remain constant during the capture of the various images; i.e. a re-positioning of the sample object along the optical axis during illumination from the different illumination directions can be omitted.

Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass die mit den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziierten Bilder je nach vorhandener Aberration der Detektionsoptik die Abbildung des Probenobjekts an unterschiedlichen Positionen beinhalten. Dies bedeutet, dass die Position der Abbildung des Probenobjekts als Funktion der vorhandenen Aberrationen des optischen Systems variiert. Dieser Effekt kann grundsätzlich ausgenutzt werden, um die mindestens eine Aberration zu bestimmen. Zum Beispiel wäre es möglich, die mindestens eine Aberration über mehrere lokale Verkippungen bzw. Gradienten der (System-)Wellenfront an einer Pupillenposition zu bestimmen. Durch Berücksichtigung der Verkippungen an mehreren Positionen kann die Wellenfront rekonstruiert werden und anschließend in ein oder mehrere Aberrationen zerlegt werden.Such techniques are based on the recognition that the images associated with the different illumination directions contain the image of the sample object at different positions, depending on the aberration of the detection optics. This means that the position of the image of the sample object varies as a function of the existing aberrations of the optical system. This effect can basically be exploited to determine the at least one aberration. For example, it would be possible to determine the at least one aberration over several local tilts or gradients of the (system) wavefront at a pupil position. By considering the tilting at multiple positions, the wavefront can be reconstructed and then decomposed into one or more aberrations.

Solche Techniken ermöglichen es, die mindestens eine Aberration ohne Verwendung eines Wellenfrontsensors, lediglich auf Grundlage der unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen zu bestimmen. Das Erfassen der verschiedenen Bilder, die mit den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sind, kann zügig erfolgen. Es kann auch eingebettet mit einer sonstigen Vermessung des Probenobjekts durchgeführt werden, beispielsweise eingebettet in eine Langzeitmessung.Such techniques make it possible to determine the at least one aberration without the use of a wavefront sensor based solely on the different directions of illumination. Capturing the various images associated with the different lighting directions can be done quickly. It can also be carried out embedded with another measurement of the sample object, for example, embedded in a long-term measurement.

1 illustriert eine beispielhafte optische Vorrichtung 100. Beispielsweise könnte die optische Vorrichtung 100 gemäß dem Beispiel der 1 ein Lichtmikroskop implementieren, beispielsweise in Durchlichtgeometrie. Es wäre auch möglich, dass die optische Vorrichtung 101 ein Laser-Scanning-Mikroskop oder ein Fluoreszenzmikroskop implementiert. Mittels der optischen Vorrichtung 100 kann es möglich sein, kleine Strukturen eines von einem Probenhalters 113 fixierten Probenobjekts vergrößert darzustellen. Eine Detektionsoptik 112 ist eingerichtet, um ein Abbild des Probenobjekts auf einem Detektor 114 zu erzeugen. Der Detektor 114 kann dann eingerichtet sein, um ein oder mehrere Bilder des Probenobjekts zu erfassen. Auch eine Betrachtung durch ein Okular ist möglich. 1 illustrates an exemplary optical device 100 , For example, the optical device could 100 according to the example of 1 implement a light microscope, for example in transmitted light geometry. It would also be possible for the optical device 101 a laser scanning microscope or a fluorescence microscope implemented. By means of the optical device 100 It may be possible to use small structures from a sample holder 113 enlarged display of the fixed sample object. A detection optics 112 is set up to take an image of the sample object on a detector 114 to create. The detector 114 may then be arranged to capture one or more images of the sample object. A viewing through an eyepiece is possible.

Ein Beleuchtungsmodul 111 ist eingerichtet, um das Probenobjekt, das auf dem Probenhaltern 113 fixiert ist, zu beleuchten. Das Beleuchtungsmodul 111 kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Winkel-variable Beleuchtung wie insbesondere eine Winkel-variable Beleuchtung des Probenobjekts zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass das Beleuchtungsmodul 111 eingerichtet sein kann, um das Probenobjekt wahlweise aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten. Dies bedeutet, dass eine Beleuchtung mit ebenen Wellen aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen - d. h. unter unterschiedlichen Winkeln - erfolgen kann. Dazu könnte das Beleuchtungsmodul 111 beispielsweise eine Vielzahl von Lichtquellen aufweisen. Es könnten auch andere Implementierungen des Beleuchtungsmoduls 111 gewählt werden, beispielsweise eine Mikrospiegel-Vorrichtung (engl. digital micromirror device, DMD) oder ein Scanner.A lighting module 111 is set up to hold the sample object on the sample holder 113 is fixed to light. The lighting module 111 In particular, it can be set up in order to enable angle-variable illumination, in particular an angle-variable illumination of the sample object. This means that the lighting module 111 may be configured to selectively illuminate the sample object from different directions of illumination. This means, that illumination with plane waves can take place from different directions of illumination, ie at different angles. This could be the lighting module 111 For example, have a plurality of light sources. There could also be other implementations of the lighting module 111 for example, a micromirror device (DMD) or a scanner.

Eine Steuerung 115 ist vorgesehen, um die verschiedenen Komponenten 111-114 der optischen Vorrichtung 100 anzusteuern. Beispielsweise könnte die Steuerung 115 eingerichtet sein, um einen Motor des Probenhalters 113 anzusteuern, um eine Autofokus-Anwendung zu implementieren. Beispielsweise könnte 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 könnte beispielsweise Programm-Code aus einem Speicher laden (in 1 nicht dargestellt).A controller 115 is provided to the different components 111 - 114 the optical device 100 head for. For example, the controller could 115 be set up to a motor of the sample holder 113 to implement an autofocus application. 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 for example, could load program code from a memory (in 1 not shown).

2 illustriert Aspekte in Bezug auf das Beleuchtungsmodul 111. In der beispielhaften Implementierung gemäß 2 umfasst das Beleuchtungsmodul 111 einen Träger 120, auf welchem eine Vielzahl von Lichtquellen 121 - beispielsweise Leuchtdioden - angeordnet sind. In dem Beispiel der 2 sind die Lichtquellen 121 in einer Gitterstruktur angeordnet. In anderen Beispielen könnten die Lichtquellen 121 aber auch in einer anderen Art und Weise auf dem Träger 120 angeordnet sein, beispielsweise ringförmig, etc. 2 illustrates aspects related to the lighting module 111 , In the example implementation according to FIG 2 includes the lighting module 111 a carrier 120 on which a variety of light sources 121 - For example, light-emitting diodes - are arranged. In the example of 2 are the light sources 121 arranged in a grid structure. In other examples, the light sources could 121 but also in a different way on the carrier 120 be arranged, for example, annular, etc.

Die Steuerung 115 kann eingerichtet sein, um einzelne Lichtquellen 121 gesondert anzusteuern, d. h. um einzelne Lichtquellen 121 getrennt an- und auszuschalten. Indem eine bestimmte Lichtquelle 121 angeschaltet wird und die übrigen Lichtquellen 121 ausgeschaltet werden, kann die Beleuchtung des Probenobjekts unter einer bestimmten Beleuchtungsrichtung implementiert werden. Es wäre aber auch möglich, dass eine bestimmte Beleuchtungsrichtung durch das Anschalten von mehr als einer Lichtquelle 121 implementiert wird. Beispielweise könnten zwei oder mehr benachbarte Lichtquellen 121 angeschaltet werden.The control 115 can be set up to individual light sources 121 to control separately, ie to individual light sources 121 turn on and off separately. By a particular light source 121 is turned on and the other light sources 121 can be turned off, the illumination of the sample object can be implemented under a particular illumination direction. However, it would also be possible for a particular illumination direction to be achieved by switching on more than one light source 121 is implemented. For example, two or more adjacent light sources 121 be turned on.

Das Beleuchtungsmodul 111 könnte weitere optische Elemente aufweisen, beispielsweise eine Kondensor-Linse, etc.. Dies ist in 2 aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt.The lighting module 111 could have other optical elements, such as a condenser lens, etc. This is in 2 not shown for the sake of simplicity.

3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Beispielsweise könnte die Steuerung 115 eingerichtet sein, um das Verfahren gemäß dem Beispiel der 3 auszuführen. Beispielsweise könnte die Steuerung 115 dazu Programm-Code aus einem Speicher laden und diesen anschließend ausführen. 3 FIG. 10 is a flowchart of an example method. FIG. For example, the controller could 115 be set up the procedure according to the example of 3 perform. For example, the controller could 115 To do this, load the program code from a memory and then execute it.

Zunächst erfolgt in 1001 das Ansteuern eines Beleuchtungsmoduls, um ein Probenobjekt aus mehreren Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten.First, in 1001 driving a lighting module to illuminate a sample object from a plurality of illumination directions.

Beispielsweise könnte das Beleuchten des Probenobjekts zeitsequentiell erfolgen. Es wäre aber auch möglich, dass das Probenobjekt zumindest teilweise zeitparallel aus den verschiedenen Beleuchtungsrichtungen beleuchtet wird. Dabei wäre es z.B. möglich, dass mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiertes Licht unterschiedliche Frequenzen und/oder Polarisationen aufweist. Dann kann eine Trennung durch geeignete Filter oder entsprechende Bildpunkte eines Detektors mit geeigneter Sensitivität erfolgen, etwa rot-grün-blau Bildpunkte. Eine weitere Möglichkeit zur Trennung der Abbilder bei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen beruht auf einer zielgerichteten, defokussierten Positionierung des Probenobjekts. Die Steuerung kann also eingerichtet sein, um das Probenobjekt vor der Beleuchtung zu defokussieren. Dann kann das Probenobjekt aus mehreren Beleuchtungsrichtungen gleichzeitig - d.h. zumindest zeitüberlappend - beleuchtet werden. Durch den Defokus ergibt sich eine räumliche Trennung der einzelnen Abbilder, sodass man die entsprechenden Positionen aufgelöst für die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen bestimmen kann. Der Defokus kann z.B. gemessen werden und dann im Zusammenhang mit einem Kugelwellen-Beitrag zu einem die Wellenfront annähernden Polynom berücksichtigt werden; der Kugelwellen-Beitrag könnte auch frei angepasst werden.For example, the lighting of the sample object could be time-sequential. However, it would also be possible for the sample object to be illuminated from the different illumination directions at least partially in parallel with time. It would be e.g. it is possible that light associated with different illumination directions has different frequencies and / or polarizations. Then, a separation by suitable filters or corresponding pixels of a detector with appropriate sensitivity can be done, such as red-green-blue pixels. Another possibility for separating the images in different illumination directions is based on a targeted, defocused positioning of the sample object. Thus, the controller may be configured to defocus the sample object prior to illumination. Then, the sample object can be scanned simultaneously from multiple illumination directions - i. at least time-overlapping - illuminated. Due to the defocus results in a spatial separation of the individual images, so you can determine the corresponding positions resolved for the different directions of illumination. The defocus may e.g. are measured and then taken into account in connection with a spherical wave contribution to a polynomial approaching the wavefront; The spherical wave contribution could also be adjusted freely.

In 1002 erfolgt das Ansteuern eines Detektors zum Erfassen von Bildern bei den mehreren Beleuchtungsrichtungen. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sind. Beispielsweise könnte ein erstes Bild mit einer ersten Beleuchtungsrichtung assoziiert sein und ein zweites Bild könnte mit einer zweiten Beleuchtungsrichtung assoziiert sein. Dadurch kann erreicht werden, dass unterschiedliche Bilder ein Abbild des Probenobjekts beinhalten, dass durch Beleuchtung des Probenobjekts bei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entsteht.In 1002 the driving of a detector for capturing images takes place in the plurality of illumination directions. This means that different images are associated with different lighting directions. For example, a first image could be associated with a first illumination direction and a second image could be associated with a second illumination direction. As a result, it can be achieved that different images contain an image of the sample object that results from illumination of the sample object in different illumination directions.

Im Allgemeinen könnten beispielsweise zwei unterschiedliche Bilder erfasst werden. Es könnten aber auch mehr als zwei Bilder erfasst werden, z.B. mehr als zehn oder mehr als hundert Bilder jeweils bei entsprechenden Beleuchtungsrichtungen.In general, for example, two different images could be captured. However, more than two images could also be captured, e.g. more than ten or more than a hundred images in each case with corresponding lighting directions.

Die Abbilder des Probenobjekts können auf einer Sensorfläche des Detektors entstehen. Dazu kann eine Detektionsoptik zwischen dem Detektor und dem Probenobjekt vorgesehen sein. Die Detektionsoptik kann zum Beispiel ein oder mehrere Linsen, ein oder mehrere Feldblenden, etc. aufweisen.The images of the sample object can be formed on a sensor surface of the detector. For this purpose, a detection optics can be provided between the detector and the sample object. The Detection optics may include, for example, one or more lenses, one or more field stops, etc.

Insbesondere ist es möglich, dass die Detektionsoptik Aberrationen aufweist. Dies bedeutet, dass ein durch die Detektionsoptik definierter Strahlengang eine unregelmäßige Wellenfront aufweisen kann. Aberrationen können quantifiziert werden im Rahmen einer Transferfunktion. Die Transferfunktion kann das erzeugte Abbild als Funktion des Probenobjekts beschreiben.In particular, it is possible that the detection optics has aberrations. This means that a beam path defined by the detection optics can have an irregular wavefront. Aberrations can be quantified as part of a transfer function. The transfer function can describe the generated image as a function of the sample object.

Entsprechende Techniken sind z.B. grundsätzlich im Zusammenhang mit US 2014/118 529 A1 . Die dort beschriebenen Techniken beruhen auf einem Ansatz im Zusammenhang mit der Fourier-Ptychographie und weisen den Nachteil auf, dass lediglich eine globale Bestimmung von Aberrationen ermöglicht wird. Außerdem ist der dort beschriebene Algorithmus zur Bestimmung von Aberrationen vergleichsweise komplex und erfordert eine große Anzahl von Hardware-Ressourcen.Corresponding techniques are, for example, basically associated with US 2014/118 529 A1 , The techniques described there are based on an approach in the context of Fourier ptychography and have the disadvantage that only a global determination of aberrations is made possible. In addition, the algorithm for determining aberrations described therein is comparatively complex and requires a large number of hardware resources.

In 1003 wird mindestens eine Aberration der Detektionsoptik bestimmt. Dies erfolgt auf Basis der in 1002 erfassten Bilder.In 1003 At least one aberration of the detection optics is determined. This is done on the basis of in 1002 captured images.

Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass die Position der Abbilder des Probenobjekts in den verschiedenen Bildern indikativ für die Wellenfront des Strahlengangs sein können. Dies ist auch im Zusammenhang mit 4 beschrieben.Such techniques are based on the recognition that the position of the images of the sample object in the different images can be indicative of the wavefront of the beam path. This is also related to 4 described.

4 illustriert Aspekte in Bezug auf einen Strahlengang 129 von Licht. Der Strahlengang 129 umfasst mehrere Strahlen 131 - 133. Der Strahlengang 129 wird durch die Detektionsoptik 112 definiert. Der Strahlengang 129 verläuft von den Lichtquellen 121 des Beleuchtungsmoduls 111 entlang des Probenobjekts 150, durch die Detektionsoptik 112 hin zu einer Sensorfläche 211 des Detektors 114. 4 illustrates aspects related to a ray path 129 of light. The beam path 129 includes several rays 131 - 133 , The beam path 129 is through the detection optics 112 Are defined. The beam path 129 runs from the light sources 121 of the lighting module 111 along the sample object 150 , through the detection optics 112 towards a sensor surface 211 of the detector 114 ,

Aus 4 ist ersichtlich, dass die Detektionsoptik 112 zwei Linsen 202, 203 umfasst. Die Detektionsoptik umfasst auch eine Feldblende 204, die im Bereich einer konjugierte Ebene 139 des Strahlengangs 129 angeordnet ist. Im Bereich der konjugierte Ebene 139 werden die Abbilder 151 - 153 des Probenobjekts 150 im Ortsfrequenzraum wiedergegeben.Out 4 it can be seen that the detection optics 112 two lenses 202 . 203 includes. The detection optics also includes a field stop 204 that are in the range of a conjugate level 139 of the beam path 129 is arranged. In the area of the conjugate level 139 become the images 151 - 153 of the sample object 150 reproduced in the spatial frequency space.

Aus 4 ist ersichtlich, dass der Strahl 131 (gepunktete Linie) der Beleuchtungsrichtung 171 entspricht. Der Strahl 132 (gepunktet - gestrichelte Linie) entspricht der Beleuchtungsrichtung 172. Der Strahl 133 (gestrichelte Linie) entspricht der Beleuchtungsrichtung 173. Die verschiedenen Beleuchtungsrichtungen 171 - 173 entsprechen unterschiedlichen Winkeln 163, mit denen das Licht auf das Probenobjekt 150 auftrifft (aus Gründen der Einfachheit ist in 4 nur der Winkel 163 für die Beleuchtungsrichtung 173 dargestellt). Je nach Winkel 163 der verwendeten Beleuchtungsrichtung 171 - 173, verläuft der entsprechende Strahl 131 - 133 an unterschiedlichen Positionen entlang der X-Richtung durch die konjugierte Ebene 139. Deshalb können durch die Verwendung unterschiedlicher Beleuchtungsrichtungen 171 - 173 unterschiedliche Positionen in der konjugierten Ebene 139 vermessen werden.Out 4 it can be seen that the beam 131 (dotted line) of the illumination direction 171 equivalent. The beam 132 (dotted - dashed line) corresponds to the direction of illumination 172 , The beam 133 (dashed line) corresponds to the illumination direction 173 , The different directions of illumination 171 - 173 correspond to different angles 163 with which the light is placed on the sample object 150 impinges (for the sake of simplicity is in 4 only the angle 163 for the direction of illumination 173 shown). Depending on the angle 163 the used illumination direction 171 - 173 , the corresponding beam passes 131 - 133 at different positions along the X direction through the conjugate plane 139 , Therefore, by using different lighting directions 171 - 173 different positions in the conjugate plane 139 be measured.

Trotz der 1-D Darstellung in 4 ist eine 2-D Vermessung unterschiedlicher Positionen in der XY-Ebene möglich ist. Dazu kann z.B. 2-D Array von Lichtquellen 121 (vgl. 2) verwendet werden, welches eingerichtet ist, um Beleuchtungsrichtungen in 2-D bereitzustellen.Despite the 1-D representation in 4 is a 2-D survey of different positions in the XY plane is possible. This can eg be 2-D array of light sources 121 (see. 2 ) which is arranged to provide lighting directions in 2-D.

In 4 ist das Probenobjekt 150 in einer Fokusebene 201 der Detektionsoptik 112 angeordnet; dazu wurde das Probenobjekt 150, das zunächst eine Defokussierung - die einer Fokusposition 180 ungleich 0 entspricht (in 4 ist das defokussiert angeordnete Probenobjekt 150 gestrichelt dargestellt) - aufwies, fokussiert. Dies kann durch geeignete Autofokus-Anwendungen erfolgen, z.B. interferometrisch oder auf Grundlage eines Schärfemaßes der Abbildung des Probenobjekts 150.In 4 is the sample object 150 in a focal plane 201 the detection optics 112 arranged; this was the sample object 150 that initially has a defocusing - that of a focus position 180 not equal to 0 (in 4 is the defocused sample object 150 dashed lines) - exhibited, focused. This can be done by suitable autofocus applications, eg interferometrically or based on a sharpness of the image of the sample object 150 ,

In 4 ist im Bereich der konjugierten Ebene 139 die Wellenfront 260 des Strahlengangs 129 dargestellt. Diese Wellenfront 260 (gepunktete Linie in 4) wird gebildet durch den Verlauf der verschiedenen Strahlen 131 - 133. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Wellenfront 260 keine gerade Linie ausbildet, d. h. nicht eben ist. Die Wellenfront ist verzerrt. Die lokalen Verkippungen 261 der Wellenfront 260 gegenüber der Z-Richtung bzw. gegenüber der optischen Achse 130 werden durch ein oder mehrere Aberrationen der Detektionsoptik 112 hervorgerufen. Zum Beispiel könnten Imperfektionen der Linsen 202, 203 die Aberrationen bewirken.In 4 is in the range of the conjugate level 139 the wavefront 260 of the beam path 129 shown. This wavefront 260 (dotted line in 4 ) is formed by the course of the different rays 131 - 133 , Out 4 you can see that the wavefront 260 does not form a straight line, ie is not flat. The wavefront is distorted. The local tilting 261 the wavefront 260 opposite to the Z-direction or with respect to the optical axis 130 are caused by one or more aberrations of the detection optics 112 caused. For example, imperfections of the lenses could 202 . 203 which cause aberrations.

Die Aberrationen bzw. die gekrümmte Wellenfront 260 bewirken, dass die Abbilder 151 - 153 des Probenobjekts 150 unterschiedliche Abstände 181 - 183 in Bezug auf die optische Achse 130 (oder einen anderen Referenzpunkt) aufweisen. Dies ist auch in 5 dargestellt.The aberrations or the curved wavefront 260 cause the images 151 - 153 of the sample object 150 different distances 181 - 183 in terms of the optical axis 130 (or another reference point). This is also in 5 shown.

5 illustriert Aspekte in Bezug auf Bilder 601 - 603, die mit den verschiedenen Beleuchtungsrichtungen 151 - 153 assoziiert sind. Aus 5 ist ersichtlich, dass die Abbilder 151 - 153 des Probenobjekts aufgrund der Aberrationen der Detektionsoptik 112 unterschiedliche Abstände 181 - 183 zur optischen Achse 130 aufweisen. Diese Abstände 181 - 183 sind proportional zur Verkippung 261 des entsprechenden Bereichs der Wellenfront 260 des Strahlengangs 129 im Bereich der konjugierten Ebene 139 (vergleiche 4). Es ist dann also möglich, die Positionen der Abbilder 151-153 für die verschiedenen Bilder 601 - 603 bzw. die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen 171 - 173 zu bestimmen. Die Positionen der Abbilder entsprechen den Abständen 181-183. Unter Berücksichtigung der Positionen der Abbilder 151 - 153 kann dann die mindestens eine Aberration der Detektionsoptik 112 bestimmt werden. 5 illustrates aspects relating to images 601 - 603 that with the different lighting directions 151 - 153 are associated. Out 5 it can be seen that the images 151 - 153 of the sample object due to the aberrations of the detection optics 112 different distances 181 - 183 to the optical axis 130 exhibit. These distances 181 - 183 are proportional to the tilt 261 of the corresponding area of the wavefront 260 of the beam path 129 in the area of the conjugate plane 139 (see 4 ). It is then possible, the positions of the images 151 - 153 for the different pictures 601 - 603 or the different directions of illumination 171 - 173 to determine. The positions of the images correspond to the distances 181 - 183 , Taking into account the positions of the images 151 - 153 can then the at least one aberration of the detection optics 112 be determined.

Dabei können in den verschiedenen hierin beschriebenen Techniken unterschiedliche Ansätze zur Bestimmung der Position der Abbilder 151 - 153 verwendet werden. Beispielsweise könnten Techniken der Objekterkennung eingesetzt werden. Es könnten auch Techniken der Landmarken-Erkennung - zum Beispiel bei a-priori bekannten Referenzprobenobjekten - eingesetzt werden. Es wäre auch möglich, einen Kantenfilter zu verwenden. Beispielsweise könnte ein geometrischer Schwerpunkt der durch die Kanten abgegrenzten Abbilder 151 - 153 beim Bestimmen der Position ermittelt werden.Different techniques for determining the position of the images may be used in the various techniques described herein 151 - 153 be used. For example, object recognition techniques could be used. Landmark recognition techniques could also be used, for example in a priori reference sample objects. It would also be possible to use an edge filter. For example, a geometric center of gravity of the images demarcated by the edges could be 151 - 153 be determined when determining the position.

In Abhängigkeit der bestimmten Position können dann die Abstände 181 - 183 ermittelt werden. Diese Abstände 181 - 183 können Verkippung 261 des entsprechenden Bereichs der Wellenfront des Strahlengangs 129 im Bereich der konjugierten Ebene 139 beschreiben. Die laterale Position des entsprechenden Bereichs - d. h. die Position des entsprechenden Bereichs in der XY-Ebene - kann basierend auf dem Winkel 163 der entsprechenden Beleuchtungsrichtung 171 - 173 bestimmt werden. Die derart bestimmten Verkippungen 261 können zum Beispiel direkt in entsprechende Parameter von Polynomen, die die Aberrationen beschreiben, umgerechnet werden. Wenn eine Vielzahl von Verkippungen an unterschiedlichen Positionen der XY-Ebene bestimmt wurden, dann können die Polynome an den entsprechenden „Stützstellen“ besonders genau angepasst werden. Insbesondere kann es erstrebenswert sein, viele Verkippungen an weit auseinanderliegenden Positionen in der XY-Ebene zu bestimmen. Beispielsweise könnten Zernike-Polynome verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich könnte auch die geometrische Form der Wellenfront 260 des Strahlengangs 129 bestimmt werden, durch Integration der Verkippung 261 in der XY-Ebene. Auch diese geometrische Form der Wellenfront beschreibt die Aberrationen.Depending on the specific position then the distances 181 - 183 be determined. These distances 181 - 183 can tilt 261 of the corresponding area of the wavefront of the beam path 129 in the area of the conjugate plane 139 describe. The lateral position of the corresponding area - that is, the position of the corresponding area in the XY plane - may be based on the angle 163 the corresponding lighting direction 171 - 173 be determined. The thus determined tiltings 261 For example, they can be directly converted into corresponding parameters of polynomials that describe the aberrations. If a large number of tilts have been determined at different positions of the XY plane, then the polynomials at the corresponding "interpolation points" can be adapted particularly precisely. In particular, it may be desirable to determine many tilts at widely spaced positions in the XY plane. For example, Zernike polynomials could be used. Alternatively or additionally, the geometric shape of the wavefront could also be used 260 of the beam path 129 be determined by integration of tilting 261 in the XY plane. This geometric shape of the wavefront also describes the aberrations.

Aus den 4 und 5 ist ersichtlich, dass das verwendete Probenobjekt 150 eine vergleichsweise kleine Ausdehnung entlang der X-Richtung aufweist. Im Allgemeinen kann das Probenobjekt 150 eine vergleichsweise kleine Ausdehnung in der lateralen XY-Ebene aufweisen. Z.B. könnte im Allgemeinen das Probenobjekt 150 eine Ausdehnung in der lateralen XY-Eben aufweisen, die kleiner als 10 % des Durchmessers der Feldblende 204 ist, optional kleiner als 5 %, weiter optional kleiner als 1 %. Dies kann es ermöglichen, die geometrische Form der Wellenfront 260 mit einer besonders großen Ortsauflösung zu vermessen.From the 4 and 5 it can be seen that the sample object used 150 has a comparatively small extent along the X direction. In general, the sample object 150 have a relatively small extent in the lateral XY plane. For example, in general, the sample object could 150 have an extension in the lateral XY plane less than 10% of the diameter of the field stop 204 is optionally less than 5%, further optionally less than 1%. This may allow the geometric shape of the wavefront 260 to measure with a particularly high spatial resolution.

Es wäre in anderen Beispielen aber auch möglich, vergleichsweise große Probenobjekte zu verwenden. Dann können nämlich feldabhängige Effekte der entsprechenden Punktspreizfunktion gemittelt werden.It would also be possible in other examples to use comparatively large sample objects. In that case, field-dependent effects of the corresponding point spread function can then be averaged.

Manchmal kann es vorkommen, dass es aufgrund von bestimmten Limitierung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, das Probenobjekt 150 in der Fokusebene 201 anzuordnen, d. h. die Fokusposition 180 gleich null zu wählen. Dann kann ein Szenario auftreten, bei welchem die Bilder 601 - 603 bei einer endlichen Fokusposition 180 erfasst werden. In einem solchen Fall könnte es möglich sein, die Fokusposition 180 zu bestimmen. Dazu können geeignete Techniken eingesetzt werden, beispielsweise Techniken, die ein Schärfemaß der entsprechenden Abbildung des Probenobjekts berücksichtigen. Es könnten auch interferonmetrische Ansätze verwendet werden. Es wäre auch möglich, die Fokusposition 180 durch Verwendung unterschiedlicher Beleuchtungsrichtungen zu bestimmen, siehe zum Beispiel DE 10 2014 109 687 A1 .Sometimes it may happen that, due to certain limitations, it is impossible or only possible to a limited extent, the sample object 150 in the focal plane 201 to arrange, ie the focus position 180 to choose zero. Then a scenario may occur in which the images 601 - 603 at a finite focus position 180 be recorded. In such a case, it might be possible to focus position 180 to determine. For this purpose, suitable techniques may be used, for example techniques that take into account a severity of the corresponding image of the sample object. Interferometric approaches could also be used. It would also be possible to focus the position 180 by using different directions of illumination, see, for example DE 10 2014 109 687 A1 ,

Es ist dann möglich, beim Bestimmen der mindestens einen Aberration die Fokusposition zu berücksichtigen. Insbesondere kann es möglich sein, eine solche globale DE Fokussierung des Probenobjekts zu kompensieren. Beispielsweise wäre es nämlich möglich, einen bestimmten Kugelwellen-Beitrag zur geometrischen Form der Wellenfront 260 des Strahlengangs 129 aufgrund der endlichen Fokusposition 180 anzunehmen.It is then possible to consider the focus position when determining the at least one aberration. In particular, it may be possible to compensate for such global DE focussing of the sample object. For example, it would be possible, a certain spherical wave contribution to the geometric shape of the wavefront 260 of the beam path 129 due to the finite focus position 180 to accept.

Es ist nicht in allen Fällen notwendig, die Fokuspositionen beim Bestimmen der Aberration a-priori zu kennen. Vielmehr wäre es auch möglich, einen Kugelwellen-Beitrag als freien Parameter bei der Anpassung von Aberrations-Polynomen zu berücksichtigen. Der Kugelwellen-Beitrag könnte dann im Nachhinein bestimmt werden, ohne dass a-priori bekannt ist, ob das Probenobjekt fokussiert oder defokussiert angeordnet ist. Dann keine nachträgliche Bereinigung der Effekte aufgrund der defokussierten Anordnung des Probenobjekts erfolgen.It is not necessary in all cases to know a priori the focus positions when determining the aberration. Rather, it would also be possible to consider a spherical wave contribution as a free parameter in the adaptation of aberration polynomials. The spherical wave contribution could then be determined retrospectively without a priori knowing whether the sample object is focused or defocused. Then no subsequent cleanup of the effects due to the defocused arrangement of the sample object done.

Solche hierin beschriebenen Techniken können in manchen Beispielen auch mit weiteren Techniken zur Bestimmung von ein oder mehreren Aberrationen kombiniert werden. Zum Beispiel wäre es in manchen Beispielen möglich, dass ein Defokus-Stapel von weiteren Bildern erfasst wird. Dies bedeutet, dass ein verstellbarer Probenhalter angesteuert werden kann, sodass nacheinander unterschiedliche Fokuspositionen 180 umgesetzt werden. Für jede Fokuspositionen kann dann ein weiteres Bild erfasst werden. Dies kann für zumindest eine Beleuchtungsrichtung 171 - 173 erfolgen; es könnte aber auch für mehrere oder alle Beleuchtungsrichtungen erfolgen. Auf Grundlage der weiteren Bilder eines Defokus-Stapels kann dann die mindestens eine Aberration bestimmt werden, z.B. anhand der in WO 2015/091036 A1 beschriebenen Techniken. Dabei kann z.B. die Wellenfront lokal rekonstruiert werden. Diese lokale Rekonstruktion der Wellenfront kann alternativ oder zusätzlich zu einer mittels der obenstehend beschriebenen Techniken bestimmten Verkippung der Wellenfront bei der Bestimmung der mindestens einen Aberration berücksichtigt werden. Derart kann die mindestens eine Aberration mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden. Außerdem kann bei einer solchen Technik erreicht werden, dass nicht nur eine lokale Verkippung 261 in einem engen Bereich der Wellenfront 260 in der konjugierten Ebene 139 bestimmt werden kann; vielmehr kann es möglich sein, die geometrische Form der Wellenfront 260 in einem vergleichsweise größeren Bereich in der konjugierten Ebene - welcher dem entsprechenden Winkel 163 der mit dem Defokus-Stapel der weiteren Bilder assoziierten Beleuchtungsrichtung 171 - 173 entspricht - zu bestimmen.Such techniques described herein may also be combined with other techniques for determining one or more aberrations in some examples. For example, in some examples, it would be possible to capture a defocus stack of additional images. This means that an adjustable sample holder can be controlled so that successively different focus positions 180 be implemented. For each focus position can then another image be recorded. This can be for at least one direction of illumination 171 - 173 respectively; but it could also be done for several or all lighting directions. On the basis of the further images of a defocus stack then the at least one aberration can be determined, for example based on the in WO 2015/091036 A1 described techniques. In this case, for example, the wavefront can be locally reconstructed. This local reconstruction of the wavefront can be taken into account as an alternative or in addition to a tilting of the wavefront determined by the techniques described above in the determination of the at least one aberration. In this way, the at least one aberration can be determined with particularly high accuracy. In addition, it can be achieved with such a technique that not only a local tilt 261 in a narrow area of the wavefront 260 in the conjugate plane 139 can be determined; rather, it may be possible to use the geometric shape of the wavefront 260 in a comparatively larger area in the conjugate plane - which corresponds to the corresponding angle 163 the illumination direction associated with the defocus stack of the further images 171 - 173 corresponds - to determine.

Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, die es auf Grundlage der Winkel-variablen Beleuchtung eines Probenobjekts ermöglichen, ein oder mehrere Aberrationen einer Detektionsoptik zu bestimmen. Diese Techniken werden durch einen einfachen und robusten Aufbau ermöglicht. Z.B. kann ein LED-Array als Beleuchtungsmodul zur Implementierung der Winkel-variablen Beleuchtung verwendet werden. Es ist möglich, die Techniken mit einer festen Fokusposition und einer festen Position des Detektors zu implementieren. Dies bedeutet, dass keine beweglichen Teile während der entsprechenden Messung benötigt werden; dies vereinfacht und beschleunigt die Messung. Die hierein beschriebenen Techniken können auch bei vergleichsweise starken Aberrationen verwendet werden; d.h. der Fangbereich ist groß. Eine Erweiterung von bestehenden optischen Vorrichtungen mit einem Beleuchtungsmodul zur Winkel-variablen Beleuchtung ist oftmals einfach möglich. Die Aberrationen können also vor Ort ohne großen Hardware-Aufwand bestimmt werden (engl. on-site measurement). Auch Feldaberrationen können bestimmt werden. Außerdem können Achs- und Feldaberrationen gleichzeitig bestimmt werden. Die hierein beschriebenen Techniken können besonders schnell durchgeführt werden. Außerdem sind die benötigten Rechenschritte vergleichsweise einfach, sodass auch der Rechenaufwand begrenzt ist. Es ist sogar möglich, die Aberrationen mit Standard-Proben - d.h. anderweitig zu vermessenden, a-priori unbekannten Probenobjekten - durchzuführen; es sind nicht notwendigerweise Referenzprobenobjekte mit a-priori bekannter Form erforderlich. Es wäre also möglich, quasi unbekannte Probenobjekte zu verwenden. In einem solchen Zusammenhang kann es möglich sein, einen Abstand zwischen den Positionen der Abbilder des Probenobjekts bei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtung mittels Bildverarbeitungstechniken - z.B. Objekterkennung, Landmarkenerkennung, Musterabgleich, etc.. - zu bestimmen. Die kann für unterschiedliche Feldpositionen durchgeführt werden.In summary, techniques have been described above that enable one or more aberrations of detection optics to be determined based on the angle variable illumination of a sample object. These techniques are made possible by a simple and robust design. For example, For example, an LED array may be used as the lighting module to implement the angle-variable illumination. It is possible to implement the techniques with a fixed focus position and a fixed position of the detector. This means that no moving parts are needed during the corresponding measurement; This simplifies and speeds up the measurement. The techniques described herein can be used even with comparatively strong aberrations; i.e. the catch area is big. An extension of existing optical devices with an illumination module for angle-variable illumination is often easily possible. The aberrations can therefore be determined on-site without much hardware effort (on-site measurement). Field aberrations can also be determined. In addition, axis and field aberrations can be determined simultaneously. The techniques described herein can be performed particularly quickly. In addition, the required calculation steps are relatively simple, so that the computational effort is limited. It is even possible to compare the aberrations with standard samples - i. perform a-priori unknown sample objects to be measured elsewhere; it is not necessary to require reference sample objects of a priori form. It would thus be possible to use quasi-unknown sample objects. In such a context, it may be possible to set a distance between the positions of the images of the sample object in different illumination directions by means of image processing techniques - e.g. Object recognition, landmark detection, pattern matching, etc .. - to determine. This can be done for different field positions.

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.

Beispielsweise wurden voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf ein Mikroskop beschrieben. Die hierein beschriebenen Techniken können aber auch Anwendung bei anderen optischen Vorrichtungen finden.For example, various examples relating to a microscope have been described above. However, the techniques described herein may also find application in other optical devices.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6382793 B1 [0005]
WO 2015/091036 A1 [0006, 0057]
US 2014118529 A1 [0039]
DE 102014109687 A1 [0054]

Claims

An optical device (100) comprising an illumination module (111), detection optics (112) and a detector (114), the optical device (100) comprising: a controller (115) arranged to control the illumination module (111) for illuminating a sample object (150) from a plurality of illumination directions (171, 172, 173), wherein the controller (115) is further adapted to operate the detector ( 114) for capturing images (601, 602, 603), each image (601, 602, 603) displaying an image (151, 152, 153) of the sample object (150) obtained by the detection optics (112) when illuminated along a corresponding illumination direction (171, 172, 173), wherein the controller (115) is further adapted to determine based on the images (601, 602, 603) at least one aberration of the detection optics (112).

Optical device (100) according to Claim 1 wherein the controller (115) is arranged to determine, for each image (601, 602, 603), the position (181, 182, 183) of the respective image (151, 152, 153) of the sample object (150) Controller (115) is arranged to determine the at least one aberration based on the positions (181, 182, 183) of the respective image (151, 152, 153) associated with the images (601, 602, 603).

Optical device (100) according to Claim 2 wherein the controller (115) is arranged to tilt (261) a region based on the positions (181, 182, 183) of the respective image (151, 152, 153) associated with the images (601, 602, 603) a wavefront (260) of a beam path (129) defined by the detection optics (112).

Optical device (100) according to Claim 3 , wherein the controller (115) is set up in order, for each image (601, 602, 603), to determine the lateral position (181, 182, 183) of the respective region of the wavefront (260) perpendicular to the optical axis (130) of the detection optics (112 ) and in a conjugate plane (139) of the beam path (129) based on an angle (163) of the corresponding illumination direction (171, 172, 173).

The optical device (100) of any one of the preceding claims, wherein the controller (115) is further configured to determine a focus position (180) of the sample object (150), wherein the controller (115) is further configured to detect the at least one aberration the detection optics (112) based on the focus position (180) to determine.

Optical device (100) according to Claim 5 , as well as after Claim 3 or 4 wherein the controller (115) is further configured to determine the tilt (261) in consideration of a spherical wave contribution to the wavefront (260) resulting from the focus position (180).

The optical device (100) of any one of the preceding claims, wherein the controller (115) is further configured to focus the sample object (150) before illuminating from the plurality of illumination directions (171, 172, 173).

An optical device (100) according to any one of the preceding claims, further comprising: an adjustable sample holder (113), wherein the controller (115) is further configured to position the adjustable sample holder (113) at different focus positions (180) for at least one illumination direction (171, 172, 173), wherein the controller (115) is further configured to detect the detector (114) for capturing further images (601, 602, 603), wherein each further image (601, 602, 603) includes an image (151, 152, 153) of the sample object (150) obtained by the detection optics (112) a corresponding illumination direction (171, 172, 173) and a corresponding focus position (180), wherein the controller (115) is further configured to further determine, based on the further images (601, 602, 603), the at least one aberration of the detection optics ( 112).

Optical device (100) according to one of the preceding claims, wherein the sample object (150) has an extension in a lateral plane (XY) perpendicular to the optical axis (130) of the detection optics (112) which is smaller than 10% of the extent of a field stop (X). 204) of the detection optics (112), optionally less than 5%, further optionally less than 1%.

A method of operating an optical device, comprising: Activating a lighting module for illuminating a sample object (150) from a plurality of illumination directions (171, 172, 173), - activating a detector (114) for capturing images (601, 602, 603), each image (601, 602, 603) having an image (151, 152, 153) of the sample object (150) obtained by detection optics (112). when illuminated along a respective illumination direction (171, 172, 173), - determining at least one aberration of the detection optics (112) based on the images (601, 602, 603).

Method according to Claim 10 wherein the method of an optical device (100) according to one of Claims 1 - 9 is carried out.