WO2018172271A1 - Wellenfront-korrektur mit adaptivem optischen element - Google Patents

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WO2018172271A1
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spherical aberration
optical device
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Lars STOPPE
Jörg PETSCHULAT
Markus Sticker
Andrej KRZIC
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/0068—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes

Definitions

  • Various examples of the invention relate to an optical device comprising imaging optics as well as an adaptive optical element.
  • various examples of the invention relate to techniques for determining control parameters for the adaptive optical element.
  • adaptive optical elements include e.g. a deformable mirror, a digital micromirror device (DMD) or a spatial light modulator (SLM).
  • DMD digital micromirror device
  • SLM spatial light modulator
  • An example of such a technique is e.g. from L.P. Murray et al., "Wave front correction through image sharpness maximization” in Opto-Ireland (2005) 40-47.
  • an optical device includes imaging optics.
  • the imaging optics is set up to define a beam path with an image of a sample object arranged in an image plane of the beam path.
  • the optical device also comprises an adaptive optical element which is arranged in the beam path.
  • the optical device also includes a controller.
  • the controller is set up to perform a first optimization of control parameters of the adaptive optical element.
  • the first optimization serves to reduce at least one spherical aberration of the beam path.
  • the controller is further configured to perform a second optimization of the control parameters.
  • the second optimization is performed based on the first optimization.
  • the second optimization serves to reduce at least one non-spherical aberration of the beam path.
  • the controller is further configured to control the adaptive optical element based on the control parameters.
  • the optical device could be a microscope.
  • the optical device could be a laser scanning microscope.
  • the optical device could include a sample holder configured to fix a sample object, wherein the sample object may be, for example, a volume sample object or 3D sample object having extensions in all three spatial directions. Examples of such sample objects may be eg biological samples with cells.
  • the optical device could also be a camera with a corresponding imaging optics, such as a wide-angle lens or a telephoto lens.
  • the imaging optics it would be possible for the imaging optics to define the beam path with respect to the sample object in incident light geometry or in transmitted light geometry.
  • the imaging optics may provide the image of the sample object in the image plane at a particular magnification.
  • the imaging optics could, for example, further comprise a lighting unit which is set up to transmit light along the beam path to the sample object.
  • the adaptive optical element could, for example, be integrated in the imaging optics or mounted separately from the imaging optics.
  • the adaptive optical element may be selected from the group consisting of: deformable mirror; DMD; SLM.
  • the adaptive optical element may be configured to perform wavefront correction of the beam path.
  • the adaptive optical element can have an optically active surface, wherein the adaptive optical element can be set up to change a topology of the surface as a function of the control parameters.
  • different topologies of the surface of the adaptive optical element can be used to influence the beam path at different points of a lateral cross-sectional area to different degrees transversely to the propagation direction of the beam path.
  • an aberration of the beam path may indicate a deviation of the actual light field from a desired light field.
  • This deviation can be formally described by so-called Zernike polynomial terms or Seidel polynomial terms or spherical wave polynomial terms or stages of development.
  • different polynomial terms of Zernike development designate different aberration geometries, and thus, for example, spherical or non-spherical aberrations.
  • the at least one spherical aberration to comprise a plurality of different order Zernike polynomials each having a spherical portion.
  • non-spherical aberration different geometries of aberrations and / or different orders of the same geometry may be considered.
  • non-spherical aberrations include: a coma aberration; a trefoil aberration; a tip aberration; a tilt aberration; an astigmatism aberration; an Ashtray aberration, and a Piston aberration.
  • the first optimization and / or the second optimization can each be implemented, for example, by numerical algorithms which, on the basis of an iterative method, find those control parameters which determine the respective target variable - i. in the first optimization the at least one spherical aberration and in the second optimization the at least one non-spherical aberration - particularly well.
  • a certain quality criterion which is defined in relation to the at least one spherical aberration or with respect to the at least one non-spherical aberration, are made extremely extremal, i. e.g. maxinned or minimized.
  • techniques performed in conjunction with the first optimization and / or the second optimization include: simplex optimization (Nelder-Mead method), conjugate gradient methods, Levenberg-Marquardt algorithms, evolutionary methods such as genetic Search, etc ..
  • Performing the second optimization based on the first optimization may mean, for example, first performing the first optimization to find a set of control parameters of the adaptive optical element and then performing the second optimization using initially the set of control parameters found by the first optimization , This means that the set of control parameters found by the first optimization can serve as input for the second optimization.
  • Another example - alternatively or additionally used - for carrying out the second optimization based on the first optimization would be, for example, the use of one or more boundary conditions in the context of the second optimization, these boundary conditions being defined by the result of the first optimization.
  • An example of such a determination of boundary conditions relates to the fixation of control parameters of the adaptive optical element, which relate primarily or exclusively to the at least one spherical aberration of the beam path, in the context of performing the second optimization.
  • the first optimization and the second optimization of the control parameters for the adaptive optical element provide techniques which allow the at least one spherical aberration and the at least one non-spherical aberration of the beam path to be particularly well, accurately and / or through the appropriate wavefront correction. or reduce rapidly. Namely, by performing the first optimization and the second optimization separately and sequentially, a rough influence from the spherical aberration can be first reduced from a situation where significant aberrations of the optical path still exist based on the first optimization. Subsequently, the at least one non-spherical aberration can then be rapidly reduced-proceeding from a situation in which the at least one spherical aberration has already been reduced on the basis of the first optimization.
  • spherical aberrations can change focus position. Often it can It may be undesirable to change the focal position in the reduction of aberrations. In general, therefore, it may be possible to perform the following steps in the order mentioned: (I) finding the focus position; (II) reduction of the lowest spherical aberration while maintaining the focus position; (III) Reduction of higher-order spherical aberrations and other aberrations.
  • Such techniques are based on the recognition that the different types of aberrations can be independent of each other, for example, in a description by means of Zernike polynomial terms, since a function system standing perpendicular to one another is formed; This enables individual optimization.
  • the optical device could comprise a wavefront sensor configured to measure the geometry of the wavefront of the beam path.
  • the wavefront sensor may be provided in addition to one or more cameras providing image data of the optical devices.
  • optical aids such as guide stars
  • image data of the image of the sample object it would be possible for image data of the image of the sample object to be captured by a camera of the optical device itself Aberration be determined based on these image data of the image of the sample object or the measure of the at least one non-spherical aberration is determined based on the image data of the image of the sample object.
  • the first optimization it would be possible in this context for the first optimization to take into account a first image quality criterion of the image data as an optimization criterion and / or for the second optimization to take into account at least one second image quality criterion of the image data as the optimization criterion.
  • the respective optimization criterion could be made extremal by the appropriate optimization by means of suitable control parameters.
  • the first image quality criterion may be equal to the second image quality criterion.
  • Examples of the at least one first image quality criterion and / or the at least one second image quality criterion include: a global sharpness measure; a local severity measure; a local measure of a modulation transfer function; a global measure of spatial frequency space analysis; and a local measure of edge steepness.
  • the controller is set up to control the adaptive optical element iteratively based on different temporary control parameters in the context of the first optimization in order to obtain a plurality of image data of the image of the sample object.
  • the controller may be configured to iteratively drive the adaptive optical element based on different temporary control parameters in the context of the second optimization in order to obtain a plurality of image data of the image of the sample object. In other words, it may thus be possible to make a change in the control parameters until the image of the sample object has assumed the desired shape.
  • different techniques are possible to account for defocus aberration.
  • a defocus aberration can be treated differently, for example, depending on whether the sample object has a 2D extension or has a 3D extension:
  • the sample holder could be configured to fix a 3D sample object having an extension along the beam path which is larger than a depth of field of the imaging optics.
  • such an SD sample object could be a biological material sample object such as a cell culture, etc.
  • the controller it would then be possible for the controller to be further set up in order to position a lateral cross-sectional area of the 3D sample object in the image plane of the beam path by movement of the sample holder and to further optimize the control parameters for reducing a defocus aberration of the beam path.
  • the first optimization can be based on the further optimization.
  • the further optimization can be carried out before the first optimization.
  • one or more control parameters found in the further optimization that relate to the defocus aberration could be considered as constraints in the first optimization. It would also be possible for the control parameters obtained in the further optimization to be used as input for the first optimization. Instead of a separate optimization to reduce the defocus aberration, the defocus aberration could also be considered in the context of the first optimization and / or the second optimization. In some examples, it would also be possible for the first optimization to perform the joint reduction of the at least one spherical aberration and the defocus aberration.
  • the first optimization can have a target size that is defined both in terms of a reduction of the at least one spherical aberration, and in terms of a reduction of the defocus aberration.
  • the at least one spherical aberration and the defocus aberration can be defined by different Zernike polynomials.
  • the controller it would also be possible for the controller to be configured not to perform the first optimization to reduce a defocus aberration of the beam path.
  • Such a technique may be desirable in particular in connection with 3D sample objects: There, different positions of the 3D sample object along the beam path can each show different sections of the 3D sample object (lateral cross-sectional areas), so that in particular in connection with a Based on the image of the sample object determined image quality criticism can be obtained misleading results. Namely, when changing the defocus aberration, not only the image of the lateral cross-sectional area of the sample object but also the imaged lateral cross-sectional area itself may change.
  • the first optimization it would be possible for the first optimization to take into account a predetermined value or value range of a defocus aberration of the beam path as a boundary condition.
  • the value of the defocus aberration could be fixed or fixed within the range of values.
  • the first optimization may take into account a given relationship between the at least one spherical aberration and a defocus aberration of the beam path as a constraint.
  • Such techniques may be based on the knowledge that there may be a correlation between Zernike polynomial expressions describing the at least one spherical aberration and Zernike polynomial expressions describing the defocus aberration. Then such a dependency can be compensated for finding control parameters in the context of the first optimization. As a result, it is possible to prevent the focal position from being displaced into another cross-sectional plane of the 3D sample object parallel to the beam path.
  • a method includes generating an image of a sample object in an image plane of an optical device beam path. The method also comprises performing a first optimization of control parameters of an adaptive optical element arranged in the beam path for reducing at least one spherical aberration of the beam path. The method further comprises performing a second optimization of the control parameters to reduce at least one non-spherical aberration of the beam path based on the first optimization. The method further comprises controlling the adaptive optical element based on the control parameters.
  • FIG. 1 schematically illustrates an optical device having imaging optics, an adaptive optical element, and a controller according to various examples.
  • FIG. 2 is a flowchart of a method according to various examples.
  • FIG. 3 schematically illustrates performing optimization according to various examples.
  • a first optimization serves to reduce at least one spherical aberration; while a second optimization serves to reduce at least one non-spherical aberration.
  • the wavefront correction techniques described herein are used in imaging a 3D sample object, ie, a sample object that has an extension along the beam path that is greater than a depth-of-field of the imaging optics. These techniques are based on the insight that free optimization - for example also with respect to a defocus aberration - can sometimes not be desired for such 3D sample objects. In particular, in free optimization of the defocus aberration, a focus position of the 3D sample object may be changed. As a result, it can happen that different lateral cross-sectional areas of the 3D sample object are imaged, so that the information content of the image thus obtained can be changed unintentionally.
  • a certain value or range of defocus aberration as a constraint to perform optimization, eg, to reduce at least one non-spherical aberration or to reduce at least one spherical aberration. to take into account.
  • a relationship between the at least one spherical aberration and the defocus aberration may be considered: this means that some variation in the at least one spherical aberration may result in a further change in defocus aberration determined by the relationship To avoid changing the focus position of the 3D sample object.
  • the focal position can be described by the radius of a spherical wave;
  • the spherical wave can be described as a development in rotationally symmetric Zernike polynomial terms, ie, spherical aberrations.
  • FIG. 1 illustrates aspects relating to an optical device 100.
  • the optical device 100 includes a sample holder 101, wherein in general the sample holder 101 is optional.
  • the optical device 100 further comprises imaging optics 102 and a camera 103.
  • a beam path 109 is defined by the imaging optics 102 and extends between the sample holder 101 and the camera 103. Light passing along the beam path 109 may be used to image one through the sample holder 101 fixed sample object, for example, a 3D sample object can be used.
  • the imaging optics 102 include an adaptive optical element 105.
  • the adaptive optical element 105 it would also be possible for the adaptive optical element 105 to be separate from the imaging optics 102.
  • a controller 104 is connected to both the adaptive optical element 105 and the camera 103.
  • the controller 104 could be replaced by a Microcontroller, FPGA, ASIC or a processor to be implemented in the context of software.
  • FIG. 2 is a flowchart of an example method.
  • a sample object is positioned with respect to the beam path 109.
  • the sample object it would be possible in this context for the sample object to be fixed in the beam path 109 by means of the sample holder 101.
  • a first optimization is performed in step 1002.
  • the optimization determines control parameters for the adaptive optical element 105.
  • the first optimization in step 1002 serves to reduce a spherical aberration of the beam path 109.
  • This may mean that the target size of the optimization one or more Zernike polynomial terms that the spherical aberration of the beam path 109 describe are.
  • indices 1, 4, and 1 are spherical aberrations, see, e.g. NOLL, Robert J. Zernike polynomials and atmospheric turbulence. JOsA, 1976, 66th ed., No. 3, pp. 207-21 1.
  • the indices 4 and 1 describe 1 spherical aberrations of higher order than the index 1.
  • the first optimization in step 1002 may involve only the reduction of the lowest order spherical aberration, wherein one or more higher order spherical aberrations are reduced by the second optimization in step 1003.
  • a second optimization is performed. Also in the context of the second optimization in step 1003, control parameters for the adaptive optical element 105 are determined.
  • the second optimization in step 1003 serves to reduce at least one non-spherical aberration of the beam path 109. This may mean that the target variable of the optimization is one or more Zernike polynomial terms describing the non-spherical aberration of the beam path 109.
  • performing the second optimization in step 1003 is based on performing the first optimization in step 1002. This may mean, for example, that the second optimization in step 1003 is one based on the first one Optimization in step 1002 given value or range of the at least one spherical aberration considered as a boundary condition. Alternatively or additionally, it would also be possible for the second optimization to be performed in step 1003 on the basis of certain control parameters for the adaptive optical element 105 which are obtained from the first optimization in step 1002.
  • the in FIG. 2 can be used in particular with respect to an SD sample object which is fixed by the sample holder 101, for example.
  • the 3D sample object may have an extension along the beam path 109 that is greater than a depth of focus range of the imaging optics 102.
  • different cross-sectional areas of the 3D sample object can then be positioned in an image plane of the beam path 109 that is imaged by the camera 103.
  • Different features or structures may be arranged in different cross-sectional areas of the 3D sample object, so that the information imaged by the camera 103 may vary depending on the choice of the cross-sectional plane. Therefore, in some examples, it may be particularly desirable that correcting the defocus aberration does not result in a shift in the focus position of the 3D sample object.
  • the controller 104 may be configured to perform further optimization of the control parameters to reduce the defocus aberration of the beam path 109, separate from the first optimization in step 1002 and the second optimization in step 1003.
  • the first optimization in step 1002 is based on this further optimization, ie the further optimization for the reduction of the defocus aberration is performed before step 1002.
  • this further optimization for the reduction of the defocus aberration could also be carried out in intermediate steps 1002 and 1003 or else also after step 1003.
  • it can be particularly well ensured does not lead to an unwanted change in the focus position of the 3D sample object.
  • this could be ensured by allowing defocus aberration interactions with other aberrations,
  • a spherical aberration be avoided in the context of further optimization by fixing the appropriate values.
  • the controller 104 could be configured to perform the first optimization in step 1002 for joint reduction of the at least one spherical aberration and the defocus aberration.
  • Such an implementation could e.g. in particular in connection with 2D sample objects which have no extension along the beam path which is greater than the depth of focus range of the imaging optics 102. In such a case, namely a change in the focus position of the 2D sample object could have no or no significant negative influence in Reference to the information contained in a corresponding image of the sample object.
  • the controller 104 may be configured not to perform the first optimization in step 1002 to reduce the defocus aberration. This may mean, for example, that Zernike polynomial terms relating to the defocus aberration remain fixed at a certain value or within a certain range of values.
  • the first optimization in step 1002 may consider a predetermined value or range of defocus aberration as a constraint. This predetermined value or value range could be derived, for example, from an initial value or value range for the defocus aberration immediately after performing step 1001.
  • performing the first optimization in step 1002 to reduce spherical aberration may also cause an inherent change in defocus aberration: this may occur, for example, when coupling between the Zernike polynomial terms for spherical aberration and for the defocus aberration is present.
  • the first optimization in step 1002 takes into account a predetermined relationship between the at least one spherical aberration and the defocus aberration as a constraint. Namely, this relationship may correspond to the coupling between the Zernike polynomial terms.
  • a predetermined relationship between the at least one spherical aberration and the defocus aberration as a constraint. Namely, this relationship may correspond to the coupling between the Zernike polynomial terms.
  • changing the control parameters to reduce the spherical aberration will not result in a shift in the focus position of the 3D sample object.
  • FIG. 3 is a flowchart of an example method.
  • FIG. FIG. 3 illustrates aspects relating to performing the first optimization at step 1002 and performing the second optimization at step 1003, respectively.
  • step 101 1 image data of the image of the sample object is detected by the camera 103.
  • the image data 101 1 images a cross-sectional area of the 3D sample object positioned in the corresponding image plane of the imaging optics 102.
  • the camera may e.g. have multiple pixels, wherein different pixels are assigned to different lateral positions perpendicular to the beam path.
  • step 1002 it is then checked whether one or more image quality criteria are met by the image of the sample object in the current image data from the current iteration of step 101 1.
  • the image quality criteria may e.g. for the first optimization in step 1002 and the second optimization in step 1003 may be chosen the same or different. Examples of such image quality criteria include: a global degree of sharpness; a local severity measure; a local measure of a modulation transfer function; a global measure of spatial frequency space analysis; and a local measure of edge steepness.
  • step 1002 If the image quality criterion is not met in step 1002, ie, has not yet taken extreme values, for example, a determined modified set of adaptive optical element control parameters is determined in step 1013 and then in step 1014 the adaptive optical element 105 based on the in Step 1003 is driven to a particular set of control parameters.
  • a determined modified set of adaptive optical element control parameters is determined in step 1013 and then in step 1014 the adaptive optical element 105 based on the in Step 1003 is driven to a particular set of control parameters.
  • the type and extent of the change can be determined by the optimization algorithm used in the context of the corresponding optimization.
  • step 101 image data is detected by the camera 103 again.
  • step 1002 it is again checked whether the image quality criterion is fulfilled, ie, for example, has assumed an extreme value.
  • controller 104 is configured to, within the context of the corresponding optimization, iteratively drive adaptive optical element 105 based on different temporary control parameters from step 1013 to obtain multiple image data of the image of the sample object in the various iterations of step 101 1 ,
  • a first optimization the majority of aberrations in the optical device, typically defocus and For example, a first optimization could be performed to reduce one or more spherical aberrations of a beam path, disregarding one or more non-spherical aberrations of the beam path remain, ie corresponding values, for example, remain fixed by Zernike polynomial terms or be predefined as boundary conditions
  • the one or more non-spherical aberrations n of the beam path can then be reduced when performing a second optimization based on the first optimization.
  • the techniques described herein may be implemented in particular in the context of an image quality criterion that is obtained from image data of an image of the sample object obtained by a camera.
  • additional hardware for the wavefront correction is provided, such as a wavefront sensor or a guide star.
  • a more accurate reduction of aberrations can be made: in particular, aberrations of the imaging optics can be taken into account, which can not be measured by the specific positioning of the wavefront sensor in such conventional reference implementations.

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Abstract

Eine optische Vorrichtung (100) umfasst eine Abbildungsoptik (102) und ein adaptives optisches Element (105). Eine Steuerung (104) ist eingerichtet, um eine erste Optimierung von Steuerparametern des adaptiven optischen Elements (105) zur Reduktion einer sphärischen Aberration durchzuführen. Die Steuerung (104) ist weiterhin eingerichtet, um basierend auf der ersten Optimierung eine zweite Optimierung der Steuerparameter zur Reduktion mindestens einer nicht-sphärischen Aberration durchzuführen.

Description

Beschreibung
Wellenfront-Korrektur mit adaptivem optischen Element
TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen eine optische Vorrichtung, die eine Abbildungsoptik sowie ein adaptives optisches Element umfasst. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere Techniken, um Steuerparameter für das adaptive optische Element zu ermitteln.
HINTERGRUND
Es sind verschiedene Techniken bekannt, um eine Wellenfront-Korrektur eines durch eine Abbildungsoptik definierten Strahlengangs einer optischen Vorrichtung durchzuführen. Beispiele für adaptive optische Elemente umfassen z.B. einen verformbaren Spiegel, eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (englisch „ Digital Micro- Mirror Device; DMD") oder einen Raumlichtmodulator (englisch„Spatial Light Modulator; SLM"). Ein Beispiel für eine solche Technik ist z.B. aus L.P. Murray et al.„Wave front correction through image sharpness maximization" in Opto-Ireland (2005) 40-47 bekannt.
Dabei wurde jedoch beobachtet, dass solche vorbekannten Techniken zur Wellenfront- Korrektur teilweise schlechte Ergebnisse in Bezug auf die Qualität der Wellenfront- Korrektur erzielen können. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass bestimmte Aberrationen des Strahlengangs nicht oder nur ungenügend durch die Wellenfront- Korrektur reduziert bzw. korrigiert werden. Oftmals kann das Durchführen der Wellenfront-Korrektur auch vergleichsweise lange dauern, sodass die eigentliche Bildgebung behindert oder verzögert wird. KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Wellenfront-Korrektur. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die Aberrationen des Strahlengangs, für welchen die Wellenfront-Korrektur durchgeführt wird, genau, zuverlässig und zügig reduzieren können.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
In einem Beispiel umfasst eine optische Vorrichtung eine Abbildungsoptik. Die Abbildungsoptik ist eingerichtet, um einen Strahlengang mit einem in einer Bildebene des Strahlengangs angeordneten Abbilds eines Probenobjekts zu definieren. Die optische Vorrichtung umfasst auch ein adaptives optisches Element, welches im Strahlengang angeordnet ist. Die optische Vorrichtung umfasst auch eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um eine erste Optimierung von Steuerparametern des adaptiven optischen Elements durchzuführen. Die erste Optimierung dient der Reduktion mindestens einer sphärischen Aberration des Strahlengangs. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, um eine zweite Optimierung der Steuerparameter durchzuführen. Die zweite Optimierung wird basierend auf der ersten Optimierung durchgeführt. Die zweite Optimierung dient der Reduktion mindestens einer nicht-sphärischen Aberration des Strahlengangs. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, um das adaptive optische Element basierend auf den Steuerparametern zu steuern. Beispielsweise könnte die optische Vorrichtung ein Mikroskop sein. Beispielsweise könnte die optische Vorrichtung ein Laser-Scanning-Mikroskop sein. Beispielsweise könnte die optische Vorrichtung einen Probenhalter umfassen, der eingerichtet ist, um ein Probenobjekt zu fixieren, wobei das Probenobjekt beispielsweise ein Volumen- Probenobjekt oder 3D-Probenobjekt sein kann, welches Ausdehnungen in allen drei Raumrichtungen aufweist. Beispiele für solche Probenobjekte können z.B. biologische Proben mit Zellen sein. In anderen Beispielen könnte die optische Vorrichtung auch eine Kamera mit einer entsprechenden Abbildungsoptik, z.B. einem Weitwinkel-Objektiv oder einem Tele-Objektiv sein. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Abbildungsoptik den Strahlengang in Bezug auf das Probenobjekt in einer Auflicht-Geometrie oder in einer Durchlicht-Geometrie definiert. Die Abbildungsoptik kann das Abbild des Probenobjekts in der Bildebene mit einer bestimmten Vergrößerung bereitstellen. Die Abbildungsoptik könnte beispielsweise weiterhin eine Beleuchtungseinheit aufweisen, die eingerichtet ist, um Licht entlang des Strahlengangs auf das Probenobjekt zu senden.
Das adaptive optische Element könnte beispielsweise in die Abbildungsoptik integriert sein oder separat zur Abbildungsoptik angebracht sein. Das adaptive optische Element kann aus folgender Gruppe ausgewählt sein: verformbarer Spiegel; DMD; SLM. Das adaptive optische Element kann eingerichtet sein, um eine Wellenfront-Korrektur des Strahlengangs durchzuführen. Dazu kann das adaptive optische Element eine optisch wirksame Oberfläche aufweisen, wobei das adaptive optische Element eingerichtet sein kann, um in Abhängigkeit von den Steuerparametern eine Topologie der Oberfläche zu verändern. Insbesondere können unterschiedliche Topologien der Oberfläche des adaptiven optischen Elements dazu verwendet werden, um den Strahlengang an unterschiedlichen Punkten einer lateralen Querschnittsfläche quer zur Ausbreitungsrichtung des Strahlengangs unterschiedlich stark zu beeinflussen.
Durch die Wellenfront-Korrektur können ein oder mehrere Aberrationen des Strahlengangs reduziert bzw. kompensiert werden. Eine Aberration des Strahlengangs kann eine Abweichung des tatsächlichen Lichtfelds von einem Soll-Lichtfeld bezeichnen. Manchmal kann diese Abweichung formal durch sogenannte Zernike-Polynomialterme oder Seidel-Polynomialterme oder Kugelwellen-Polynomialterme oder Entwicklungsstufen dieser beschrieben werden. Dabei bezeichnen z.B. unterschiedliche Polynomialterme der Zernike-Entwicklung unterschiedliche Geometrien der Aberration, und damit z.B. sphärische oder nicht-sphärische Aberrationen. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die mindestens eine sphärische Aberration mehrere Zernike- Polynome unterschiedlicher Ordnung umfasst, die jeweils einen sphärischen Anteil aufweisen. In Bezug auf die nicht-sphärische Aberration können unterschiedliche Geometrien von Aberrationen berücksichtigt werden und/oder unterschiedliche Ordnungen derselben Geometrie. Beispiele für nicht-sphärische Aberrationen umfassen: eine Koma-Aberration; eine Trefoil-Aberration; eine Tip-Aberration; eine Tilt-Aberration; eine Astigmatismus Aberration; eine Ashtray-Aberration, und eine Piston-Aberration.
Die erste Optimierung und/oder die zweite Optimierung können beispielsweise jeweils durch numerische Algorithmen implementiert werden, welche auf Grundlage eines iterativen Verfahrens solche Steuerparameter auffinden, welche die jeweilige Zielgröße - d.h. bei der ersten Optimierung die mindestens eine sphärische Aberration und bei der zweiten Optimierung die mindestens eine nicht-sphärische Aberration - besonders gut erfüllen. Dazu kann z.B. ein bestimmtes Gütekriterium, welches in Bezug auf die mindestens eine sphärische Aberration bzw. in Bezug auf die mindestens eine nichtsphärische Aberration definiert ist, extremal gestaltet werden, d.h. z.B. maxinniert oder minimiert werden. Beispiele für Techniken, die im Zusammenhang mit der ersten Optimierung und/oder der zweiten Optimierung durchgeführt werden, umfassen: Simplex-Optimierung (Nelder-Mead-Verfahren), Verfahren der konjugierten Gradienten, Levenberg-Marquardt-Algorithmen, evolutionäre Verfahren wie beispielsweise eine genetische Suche, etc..
Das Durchführen der zweiten Optimierung basierend auf der ersten Optimierung kann z.B. bedeuten, dass zunächst die erste Optimierung zum Auffinden eines Satzes von Steuerparametern des adaptiven optischen Elements durchgeführt wird und anschließend die zweite Optimierung unter initialer Verwendung des durch die erste Optimierung aufgefundenen Satzes von Steuerparametern durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass der durch die erste Optimierung aufgefundene Satz von Steuerparametern als Eingang für die zweite Optimierung dienen kann. Ein weiteres - alternativ oder zusätzlich verwendetes - Beispiel für das Durchführen der zweiten Optimierung basierend auf der ersten Optimierung beträfe z.B. die Verwendung von ein oder mehreren Randbedingungen im Rahmen der zweiten Optimierung, wobei diese Randbedingungen durch das Ergebnis der ersten Optimierung definiert sind. Ein Beispiel für eine solche Bestimmung von Randbedingungen betrifft die Fixierung von Steuerparametern des adaptiven optischen Elements, die primär oder ausschließlich die mindestens eine sphärische Aberration des Strahlengangs betreffen, im Rahmen des Durchführens der zweiten Optimierung. Durch die erste Optimierung und die zweite Optimierung der Steuerparameter für das adaptive optische Element werden Techniken bereitgestellt, welche es ermöglichen, die mindestens eine sphärische Aberration und die mindestens eine nicht-sphärische Aberration des Strahlengangs durch die geeignete Wellenfront-Korrektur besonders gut, genau und/oder zügig zu reduzieren. Indem nämlich die erste Optimierung und die zweite Optimierung getrennt und aufeinanderfolgend durchgeführt werden, kann zunächst - ausgehend von einer Situation, bei der noch signifikante Aberrationen des Strahlengangs vorliegen - auf Grundlage der ersten Optimierung ein grober Einfluss durch die sphärische Aberration reduziert werden. Anschließend kann dann die mindestens eine nicht-sphärische Aberration - ausgehend von einer Situation, bei welcher auf Grundlage der ersten Optimierung bereits die mindestens eine sphärische Aberration reduziert wurde - zügig reduziert werden. Durch die Trennung in zwei Optimierungen, kann insgesamt eine Genauigkeit und Schnelligkeit beim Auffinden der geeigneten Steuerparameter erhöht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Techniken, welche beispielsweise eine gekoppelte Optimierung hinsichtlich aller verschiedenen möglicherweise vorhandenen Aberrationen des Strahlengangs durchführen, kann derart ein besonders robustes Auffinden von Steuerparametern, die die Aberrationen des Strahlengangs insgesamt reduzieren, gewährleistet werden. Beispielsweise ist der freie Parameterraum, der von der ersten Optimierung und der zweiten Optimierung durchsucht wird, vergleichsweise begrenzt. Dadurch kann eine schnellere Konvergenz erzielt werden. Die Trennung des Gesamt-Optimierungsproblems in die erste und die zweite Optimierung spiegelt den physikalischen Sachverhalt der unterschiedlichen Arten von Aberrationen wieder. Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass niedrigere Ordnungen der Aberrationen - insbeosndere sphärische Aberrationen - oftmals primär zu störenden Bildverfälschungen beitragen. Gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann es daher möglich sein, diese im Rahmen der ersten Optimierung zu korrigieren bzw. zu reduzieren; dadurch kann ein guter Bildkontrast erhalten werden, der dann als Grundlage für die zweite Optimierung dienen kann.
Verschiedene hierin beschriebene Beispiele beruhen weiterhin auf der Erkenntnis, dass sphärische Aberrationen eine Fokuslage verändern können. Dabei kann es oftmals unerwünscht sein, die Fokuslage bei der reduktion der Aberrationen zu verändern. Im Allgemeinen kann es daher möglich sein, die folgenden Schritte in der genannten Reihenfolge auszuführen: (I) Finden der Fokuslage; (II) Reduktion der niedrigsten sphärischen Aberration unter Beibehaltung der Fokuslage; (III) Reduktion weiterer sphärischen Aberrationen höherer Ordnung und anderer Aberrationen. Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass die unterschiedliche Typen von Aberrationen beispielsweise bei einer Beschreibung mittels Zernike-Polynomialtermen voneinander unabhängig sein können, da ein senkrecht zueinander stehendes Funktionensystem ausgebildet wird; dies ermöglicht die individuelle Optimierung.
Im Rahmen der ersten Optimierung können unterschiedliche Techniken verwendet werden, um ein Maß für die sphärische Aberration des Strahlengangs als Optimierungskriterium zu bestimmen. Entsprechend können im Rahmen der zweiten Optimierung unterschiedliche Techniken verwendet werden, um ein Maß für die mindestens eine nicht-sphärische Aberration als Optimierungskriterium zu bestimmen. D.h. es können unterschiedliche Gütekriterien verwendet werden. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass zum Bestimmen eines solchen Maßes der mindestens einer sphärischen Aberration und/oder der mindestens einen nicht-sphärischen Aberration dedizierte Hardware vorhanden ist. Beispielsweise könnte die optische Vorrichtung einen Wellenfront-Sensor umfassen, der eingerichtet ist, um die Geometrie der Wellenfront des Strahlengangs zu vermessen. Der Wellenfront-Sensor kann zusätzlich zu ein oder mehreren Kameras bereitgestellt werden, die Bilddaten der optischen Vorrichtungen bereitstellen. Es wäre in anderen Beispielen auch möglich, dass z.B. optische Hilfsmittel, wie beispielsweise Führungssterne (englisch „Guide Stars") in den Strahlengang eingeblendet werden. Dann könnte z.B. basierend auf einer Abweichung in Form und/Position und/Orientierung eines solchen Führungssterns von einem Referenzwert die mindestens eine sphärische Aberration und/oder die mindestens eine nichtsphärische Aberration bestimmt werden. In noch weiteren Beispielen wäre es aber möglich, dass Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts durch eine Kamera der optischen Vorrichtung selbst erfasst werden. Dann könnte das Maß für die mindestens eine sphärische Aberration basierend auf diesen Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts bestimmt werden bzw. das Maß für die mindestens eine nicht-sphärische Aberration basierend auf den Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts bestimmt werden. Beispielsweise wäre es in diesem Zusammenhang möglich, dass die erste Optimierung ein erstes Bildgütekriterium der Bilddaten als Optimierungskriterium berücksichtigt und/oder die zweite Optimierung mindestens eine zweites Bildgütekriterium der Bilddaten als Optimierungskriterium berücksichtigt. Beispielsweise könnte das jeweilige Optimierungskriterium durch die entsprechende Optimierung durch geeignete Steuerparameter extremal gestaltet werden. In manchen Beispielen kann das erste Bildgütekriterium gleich dem zweiten Bildgütekriterium sein. Beispiele für das mindestens eine erste Bildgütekriterium und/oder das mindestens eine zweite Bildgütekriterium umfassen: ein globales Schärfemaß; ein lokales Schärfemaß; ein lokales Maß einer Modulationsübertragungsfunktion; ein globales Maß einer Ortsfrequenzraumanalyse; und ein lokales Maß einer Kantensteilheit.
Dabei wäre es in den verschiedenen Beispielen möglich, dass die Steuerung eingerichtet ist, um im Rahmen der ersten Optimierung das adaptive optische Element iterativ basierend auf unterschiedlichen temporären Steuerparametern anzusteuern um mehrere Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung eingerichtet sein, um im Rahmen der zweiten Optimierung das adaptive optische Element iterativ basierend auf unterschiedlichen temporären Steuerparametern anzusteuern, um mehrere Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts zu erhalten. In anderen Worten kann es also möglich sein, solange eine Veränderung der Steuerparameter vorzunehmen, bis das Abbild des Probenobjekts die gewünschte Form angenommen hat. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen sind unterschiedliche Techniken möglich, um eine Defokus-Aberration zu berücksichtigen. Dabei kann eine Defokus- Aberration beispielsweise unterschiedlich behandelt werden, je nachdem ob das Probenobjekt eine 2D-Ausdehnung aufweist oder eine 3D-Ausdehnung aufweist: Beispielsweise könnte der Probenhalter eingerichtet sein, um ein 3D-Probenobjekt zu fixieren, welches eine Ausdehnung entlang des Strahlengangs aufweist, die größer als ein Tiefenschärfebereich der Abbildungsoptik ist. Beispielsweise könnte ein solches SD- Probenobjekt ein Probenobjekt aus biologischem Material wie beispielsweise eine Zellkultur etc. sein. Dann wäre es möglich, dass die Steuerung weiter eingerichtet ist, um durch Bewegung des Probenhalters eine laterale Querschnittsfläche des 3D-Probenobjekts in der Bildebene des Strahlengangs zu positionieren und um eine weitere Optimierung der Steuerparameter zur Reduktion einer Defokus-Aberration des Strahlengangs durchzuführen. Die erste Optimierung kann auf der weiteren Optimierung basieren. Dies bedeutet in anderen Worten, dass die weitere Optimierung vor der ersten Optimierung durchgeführt werden kann. Beispielsweise könnten ein oder mehrere Steuerparameter, die im Rahmen der weiteren Optimierung aufgefunden wurden und die die Defokus- Aberration betreffen, im Rahmen der ersten Optimierung als Randbedingungen betrachtet werden. Es wäre auch möglich, dass die Steuerparameter, die im Rahmen der weiteren Optimierung erhalten werden, als Eingang für die erste Optimierung verwendet werden. Anstatt einer getrennten Optimierung zur Reduktion der Defokus-Aberration, könnte die Defokus-Aberration auch im Zusammenhang mit der ersten Optimierung und/oder der zweiten Optimierung berücksichtigt werden. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass die erste Optimierung zur gemeinsamen Reduktion der mindestens einen sphärischen Aberration und der Defokus-Aberration durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass die erste Optimierung eine Zielgröße aufweisen kann, die sowohl hinsichtlich einer Reduktion der mindestens einen sphärischen Aberration definiert ist, als auch hinsichtlich einer Reduktion der Defokus-Aberration. Beispielsweise wäre es möglich, dass die mindestens eine sphärische Aberration und die Defokus-Aberration durch unterschiedliche Zernike-Polynome definiert werden.
In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass die Steuerung eingerichtet ist, um die erste Optimierung nicht zur Reduktion einer Defokus-Aberration des Strahlengangs durchzuführen. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere Zielgrößen der ersten Optimierung nicht in Bezug auf die Defokus-Aberration festgelegt sein können. Eine solche Technik kann insbesondere im Zusammenhang mit 3D-Probenobjekten erstrebenswert sein: Dort können unterschiedliche Positionierungen des 3D-Probenobjekts entlang des Strahlengangs jeweils unterschiedliche Ausschnitte des 3D-Probenobjekts (laterale Querschnittsflächen) zeigen, so dass insbesondere im Zusammenhang mit einem auf Grundlage des Abbilds des Probenobjekts bestinnnnten Bildgütekritehums irreführende Ergebnisse erhalten werden können. Beim Verändern der Defokus-Aberration kann sich nämlich nicht nur das Abbild der lateralen Querschnittsfläche des Probenobjekts verändern, sondern auch der abgebildete lateralen Querschnittsfläche selbst.
Zum Beispiel wäre es in diesem Zusammenhang möglich, dass die erste Optimierung einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich einer Defokus-Aberration des Strahlengangs als Randbedingung berücksichtigt. Zum Beispiel könnte nämlich der Wert der Defokus-Aberration fixiert werden oder innerhalb des Wertebereichs fixiert werden. Dadurch kann z.B. vermieden werden, dass aufgrund der ersten Optimierung ein Verstellen der Fokuslage in Bezug auf unterschiedliche laterale Querschnittsflächen eines 3D-Probenobjekts erfolgt.
In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass die erste Optimierung eine vorgegebene Beziehung zwischen der mindestens einen sphärischen Aberration und einer Defokus-Aberration des Strahlengangs als Randbedingung berücksichtigt. Solche Techniken können auf der Erkenntnis beruhen, dass eine Korrelation zwischen Zernike- Polynomialausdrücken, die die mindestens eine sphärische Aberration beschreiben, und Zernike-Polynomialausdrücken, die die Defokus-Aberration beschreiben, bestehen kann. Dann kann eine solche Abhängigkeit nach Auffinden von Steuerparametern im Rahmen der ersten Optimierung kompensiert werden. Dadurch kann vermieden werden, dass die Fokuslage in eine andere Querschnittsebene des 3D-Probenobjekts parallel zum Strahlengang verschoben wird. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die zweite Optimierung einen basierend auf der ersten Optimierung bestimmten vorgegebenen Wert oder Wertebereich der mindestens einen sphärischen Aberration als Randbedingung berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass die zweite Optimierung einen basierend auf der ersten Optimierung bestimmten vorgegebenen Wert oder Wertebereich der Defokus- Aberration als weitere Randbedingung berücksichtigt. Derart kann die Abhängigkeit der zweiten Optimierung basierend auf der ersten Optimierung implementiert werden. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Erzeugen eines Abbilds eines Probenobjekts in einer Bildebene eines Strahlengangs einer Abbildungsoptik. Das Verfahren umfasst auch das Durchführen einer ersten Optimierung von Steuerparametern eines im Strahlengang angeordneten adaptiven optischen Elements zur Reduktion mindestens einer sphärischen Aberration des Strahlengangs. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen einer zweiten Optimierung der Steuerparameter zur Reduktion mindestens einer nicht-sphärischen Aberration des Strahlengangs basierend auf der ersten Optimierung. Das Verfahren umfasst weiterhin das Steuern des adaptiven optischen Elements basierend auf den Steuerparametern.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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.
FIG. 1 illustriert schematisch eine optische Vorrichtung mit einer Abbildungsoptik, einem adaptiven optischen Element und einer Steuerung gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele.
FIG. 3 illustriert schematisch das Durchführen einer Optimierung gemäß verschiedener Beispiele.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden Techniken zur Wellenfront-Korrektur beschrieben. Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, zuverlässig und zügig Steuerparameter für ein adaptives optisches Element im Strahlengang einer Abbildungsoptik einer optischen Vorrichtung aufzufinden, die Aberrationen des Strahlengangs reduzieren. Dazu werden gemäß verschiedener Beispiele mehrere getrennte Optimierungen durchgeführt. Eine erste Optimierung dient der Reduktion von mindestens einer sphärischen Aberration; während eine zweite Optimierung der Reduktion von mindestens einer nicht-sphärischen Aberration dient. Indem unterschiedliche Optimierungen zur Reduktion der mindestens einen sphärischen Aberration und der mindestens einen nicht-sphärischen Aberration verwendet werden, ist es möglich, eine besonders zügige und robuste Technik zum Bestimmen der Steuerparameter auf Grundlage der Optimierungen zu implementieren.
In manchen Beispielen werden die hierin beschriebenen Techniken zur Wellenfront- Korrektur bei der Abbildung eines 3D-Probenobjekts verwendet, d.h. eines Probenobjekts welches eine Ausdehnung entlang des Strahlengangs hat, die größer ist als ein Tiefenschärfebereich der Abbildungsoptik. Diese Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass eine freie Optimierung - beispielsweise auch in Bezug auf eine Defokus-Aberration - für solche 3D-Probenobjekte manchmal nicht gewünscht sein kann. Insbesondere kann es bei der freien Optimierung der Defokus-Aberration vorkommen, dass eine Fokuslage des 3D-Probenobjekts verändert wird. Dadurch kann es vorkommen, dass unterschiedliche laterale Querschnittsflächen des 3D-Probenobjekts abgebildet werden, so dass der Informationsgehalt des derart erhaltenen Bilds ungewollt abgeändert werden kann. Um eine solche Veränderung der Fokuslage zu vermeiden, kann es in manchen Beispielen möglich sein, einen bestimmten Wert oder Wertebereich der Defokus- Aberration als Randbedingung beim Durchführen einer Optimierung, z.B. zur Reduktion mindestens eine nicht-sphärischen Aberration oder zur Reduktion mindestens einer sphärischen Aberration, zu berücksichtigen. In manchen Beispielen kann insbesondere eine Beziehung zwischen der mindestens einen sphärischen Aberration und der Defokus- Aberration berücksichtigt werden: dies bedeutet, dass eine gewisse Veränderung der mindestens einen sphärischen Aberration in einer durch die Beziehung bestimmten weiteren Veränderung der Defokus-Aberration resultieren kann, um eine Veränderung der Fokuslage des 3D-Probenobjekts zu vermeiden. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass die Fokuslage durch den Radius einer Kugelwelle beschrieben werden kann; die Kugelwelle kann als Entwicklung in rotationssysmmetrische Zernike-Polynomialterme, d.h. sphärische Aberrationen, beschrieben werden.
FIG. 1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine optische Vorrichtung 100. Die optische Vorrichtung 100 umfasst einen Probenhalter 101 , wobei im Allgemeinen der Probenhalter 101 optional ist.
Die optische Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Abbildungsoptik 102 sowie eine Kamera 103. Ein Strahlengang 109 ist durch die Abbildungsoptik 102 definiert und verläuft zwischen dem Probenhalter 101 und der Kamera 103. Licht, das entlang des Strahlengangs 109 verläuft, kann zur Bildgebung eines durch den Probenhalter 101 fixierten Probenobjekts, beispielsweise eines 3D-Probenobjekts, verwendet werden.
In FIG. 1 ist auch dargestellt, dass die Abbildungsoptik 102 ein adaptives optisches Element 105 umfasst. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass das adaptive optische Element 105 getrennt von der Abbildungsoptik 102 angeordnet ist.
Eine Steuerung 104 ist sowohl mit dem adaptiven optischen Element 105, als auch mit der Kamera 103 verbunden. Beispielsweise könnte die Steuerung 104 durch einen MikroController, FPGA, ASIC oder einen Prozessor im Zusammenhang mit Software implementiert werden.
FIG. 2 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Zunächst wird in Schritt 1001 ein Probenobjekt in Bezug auf den Strahlengang 109 positioniert. Beispielsweise wäre es in diesem Zusammenhang möglich, dass das Probenobjekt mittels des Probenhalters 101 im Strahlengang 109 fixiert wird.
Anschließend wird eine erste Optimierung in Schritt 1002 durchgeführt. Die Optimierung ermittelt Steuerparameter für das adaptive optische Element 105. Die erste Optimierung in Schritt 1002 dient dabei zur Reduktion ein sphärischen Aberration des Strahlengangs 109. Dies kann bedeuten, dass die Zielgröße der Optimierung ein oder mehrere Zernike- Polynomialterme, die die sphärische Aberration des Strahlengangs 109 beschreiben, sind. Beispielsweise sind gemäß der Noll-Indizierung der Zernike-Polynomialterme die Indizes 1 , 4 und 1 1 sphärische Aberrationen, siehe z.B. NOLL, Robert J. Zernike polynomials and atmospheric turbulence. JOsA, 1976, 66. Jg., Nr. 3, S. 207-21 1 . Dabei beschreiben die Indizes 4 und 1 1 sphärische Aberrationen höherer Ordnung als der Index 1 . Manchmal kann die erste Optimierung in Schritt 1002 allein die Reduktion der sphärischen Aberration niedrigster Ordnung betreffen, wobei ein oder mehrere sphärische Aberrationen höherer Ordnung durch die zweite Optimierung in Schritt 1003 reduziert werden.
Anschließend wird in Schritt 1003 eine zweite Optimierung durchgeführt. Auch im Rahmen der zweiten Optimierung in Schritt 1003 werden Steuerparameter für das adaptive optische Element 105 ermittelt. Dabei dient die zweite Optimierung in Schritt 1003 der Reduktion mindestens einer nicht-sphärischen Aberration des Strahlengangs 109. Dies kann bedeuten, dass die Zielgröße der Optimierung ein oder mehrere Zernike- Polynomialterme, die die nicht-sphärische Aberration des Strahlengangs 109 beschreiben, sind.
In manchen Beispielen basiert das Durchführen der zweiten Optimierung in Schritt 1003 auf dem Durchführen der ersten Optimierung in Schritt 1002. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die zweite Optimierung in Schritt 1003 einen basierend auf der ersten Optimierung in Schritt 1002 vorgegebenen Wert oder Wertebereich der mindestens einen sphärischen Aberration als Randbedingung berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass das Durchführen der zweiten Optimierung in Schritt 1003 ausgehend von bestimmten Steuerparametern für das adaptive optische Element 105 geschieht, die aus der ersten Optimierung in Schritt 1002 erhalten werden.
Die in FIG. 2 beschriebenen Techniken können insbesondere in Bezug auf ein SD- Probenobjekt verwendet werden, welches beispielsweise durch den Probenhalter 101 fixiert wird. Das 3D-Probenobjekt kann eine Ausdehnung entlang des Strahlengangs 109 aufweisen, die größer als ein Tiefenschärfebereich der Abbildungsoptik 102 ist.
Je nach Stellung des Probenhalters 101 bzw. je nach Positionierung in Schritt 1001 können dann unterschiedliche Querschnittsflächen des 3D-Probenobjekts in einer Bildebene des Strahlengangs 109, die durch die Kamera 103 abgebildet wird, positioniert werden. In unterschiedlichen Querschnittsflächen des 3D-Probenobjekts können unterschiedliche Merkmale oder Strukturen angeordnet sein, so dass je nach Wahl der Querschnittsebene die durch die Kamera 103 abgebildete Information variieren kann. Deshalb kann es in manchen Beispielen besonders erstrebenswert sein, dass eine Korrektur der Defokus-Aberration nicht zu einer Verschiebung der Fokusposition des 3D- Probenobjekts führt. In manchen Beispielen kann deshalb die Steuerung 104 eingerichtet sein, um eine weitere Optimierung der Steuerparameter zur Reduktion der Defokus- Aberration des Strahlengangs 109 durchzuführen, getrennt von der ersten Optimierung in Schritt 1002 und der zweiten Optimierung in Schritt 1003. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass die erste Optimierung in Schritt 1002 auf dieser weiteren Optimierung basiert, d.h. dass die weitere Optimierung zur Reduktion der Defokus-Aberration vor Schritt 1002 durchgeführt wird. In anderen Beispielen könnte diese weitere Optimierung zur Reduktion der Defokus-Aberration aber auch in Zwischenschritten 1002 und 1003 durchgeführt werden oder aber auch nach Schritt 1003. Im Rahmen einer solchen dedizierten weiteren Optimierung zur Reduktion der Defokus-Aberration kann besonders gut sichergestellt werden, dass es nicht zu einer ungewollten Veränderung der Fokuslage des 3D-Probenobjekts kommt. Insbesondere könnte dies dadurch sichergestellt werden, dass Wechselwirkungen der Defokus-Aberration mit anderen Aberrationen, beispielsweise einer sphärischen Aberration, im Rahmen der weiteren Optimierung durch Fixierung der entsprechenden Werte vermieden werden.
In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass die Steuerung 104 eingerichtet ist, um die erste Optimierung in Schritt 1002 zur gemeinsamen Reduktion der mindestens einen sphärischen Aberration und der Defokus-Aberration durchzuführen. Eine solche Implementierung könnte z.B. insbesondere im Zusammenhang mit 2D-Probenobjekten erstrebenswert sein, die keine Ausdehnung entlang des Strahlengangs aufweisen, die größer ist, als der Tiefenschärfebereich der Abbildungsoptik 102. In einem solchen Fall könnte nämlich eine Veränderung der Fokuslage des 2D-Probenobjekts keinen oder keinen signifikanten negativen Einfluss in Bezug auf die in einem entsprechenden Bild des Probenobjekts beinhaltete Information haben.
In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass die Steuerung 104 eingerichtet ist, um die erste Optimierung in Schritt 1002 nicht zur Reduktion der Defokus-Aberration durchzuführen. Dies kann bedeuten, dass zum Beispiel Zernike-Polynomialterme, die die Defokus-Aberration betreffen, bei einem bestimmten Wert oder innerhalb eines bestimmten Wertebereichs fixiert verbleiben. Beispielsweise könnte die erste Optimierung in Schritt 1002 einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich der Defokus- Aberration als Randbedingung berücksichtigen. Dieser vorgegebene Wert oder Wertebereich könnte sie beispielsweise aus einem initialen Wert oder Wertebereich für die Defokus-Aberration unmittelbar nach Durchführen von Schritt 1001 ableiten.
In manchen Beispielen kann es vorkommen, dass das Durchführen der ersten Optimierung in Schritt 1002 zur Reduktion der sphärischen Aberration auch eine inhärente Veränderung der Defokus-Aberration bewirkt: dies kann beispielsweise vorkommen, wenn eine Kopplung zwischen den Zernike-Polynomialtermen für die sphärische Aberration und für die Defokus-Aberration vorliegt. Insbesondere in einem solchen Fall kann es erstrebenswert sein, dass die erste Optimierung in Schritt 1002 eine vorgegebene Beziehung zwischen der mindestens einen sphärischen Aberration und der Defokus-Aberration als Randbedingung berücksichtigt. Diese Beziehung kann nämlich der Kopplung zwischen den Zernike-Polynomialtermen entsprechen. Derart kann erreicht werden, dass eine Veränderung der Steuerparameter zur Reduktion der sphärischen Aberration nicht in einer Verschiebung der Fokuslage des 3D-Probenobjekts resultiert.
FIG. 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. FIG. 3 illustriert Aspekte in Bezug auf das Durchführen der ersten Optimierung in Schritt 1002 bzw. in Bezug auf das Durchführen der zweiten Optimierung in Schritt 1003.
Zunächst werden in Schritt 101 1 mittels der Kamera 103 Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts erfasst. Wenn es sich um ein 3D-Probenobjekt handelt, bilden die Bilddaten 101 1 eine Querschnittsfläche des 3D-Probenobjekts ab, die in der entsprechenden Bildebene der Abbildungsoptik 102 positioniert ist. Die Kamera kann z.B. mehrere Bildpunkte aufweisen, wobei unterschiedliche Bildpunkte unterschiedlichen lateralen Positionen senkrecht zum Strahlengang zugeordnet sind. In Schritt 1002 wird dann überprüft, ob ein oder mehrere Bildgütekriterien durch das Abbild des Probenobjekts in den aktuellen Bilddaten aus der aktuellen Iteration von Schritt 101 1 erfüllt sind. Die Bildgütekriterien können z.B. für die erste Optimierung in Schritt 1002 und die zweite Optimierung in Schritt 1003 gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Beispiele für solche Bildgütekriterien umfassen: ein globales Schärfemaß; ein lokales Schärfemaß; ein lokales Maß einer Modulationsübertragungsfunktion; ein globales Maß einer Ortsfrequenzraumanalyse; und ein lokales Maß einer Kantensteilheit.
Wenn das Bildgütekriterium in Schritt 1002 noch nicht erfüllt ist, d.h. zum Beispiel noch keinen Extremwerte angenommen hat, wird in Schritt 1013 ein bestimmter veränderter Satz von Steuerparametern für das adaptive optische Element bestimmt und anschließend in Schritt 1014 das adaptive optische Element 105 basierend auf dem in Schritt 1003 bestimmten Satz von Steuerparametern angesteuert. Dies bedeutet, dass eine andere Wellenfront-Korrektur implementiert wird. Beispielsweise könnte eine inkrementelle Veränderung der Wellenfront-Korrektur verwendet werden. Die Art und Stärke der Veränderung kann durch den im Rahmen der entsprechenden Optimierung verwendeten Optimierungsalgorithmus bestimmt sein. Dann werden in Schritt 101 1 erneut Bilddaten durch die Kamera 103 erfasst. In Schritt 1002 wird erneut überprüft, ob das Bildgütekriterium erfüllt ist, d.h. zum Beispiel einen Extremwert angenommen hat. Anstatt des Auffindens des Extremwerts für das Bildgütekriterium Schritt 1012 wäre es auch möglich, dass ein oder mehrere andere Abbruchkriterien für das Durchführen der entsprechenden Optimierung verwendet werden. Beispiele für solche Abbruchkriterien wären z.B. Anzahl der Iterationen oder Erreichen eines vorgegebenen Werts oder Wertebereichs für das Bildgütekriterium.
Aus dem Beispiel der FIG. 3 ist ersichtlich, dass die Steuerung 104 eingerichtet ist, um im Rahmen der entsprechenden Optimierung das adaptive optische Element 105 iterativ basierend auf unterschiedlichen temporären Steuerparametern aus Schritt 1013 anzusteuern, um mehrere Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts in den verschiedenen Iterationen von Schritt 101 1 zu erhalten.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken zur Wellenfront-Korrektur beschrieben, die verschiedene Aberrationen eines Strahlengangs einer Abbildungsoptik einer optischen Vorrichtung besonders schnell und mit einer besonders großen „Fangbereich" reduzieren. Dabei wird in einer ersten Optimierung der Hauptteil der Aberrationen in der optischen Vorrichtung, typischerweise Defokus und sphärische Aberration, in einem vergleichsweise niedrigdimensionalen Raum optimiert, bei welchen ein oder mehrere nicht-sphärische Aberrationen unberücksichtigt bleiben. Beispielsweise könnte eine erste Optimierung durchgeführt werden, zur Reduktion einer oder mehrerer sphärischer Aberrationen eines Strahlengangs. Dabei könnten ein oder mehrere nichtsphärische Aberrationen des Strahlengangs unberücksichtigt bleiben, d.h. entsprechende Werte, beispielsweise von Zernike-Polynomialtermen fixiert verbleiben oder als Randbedingungen vorgegeben sein. Die ein oder mehreren nicht-sphärischen Aberrationen des Strahlengangs können dann beim Durchführen einer zweiten Optimierung, die auf der ersten Optimierung aufbaut, reduziert werden. Die hierin beschriebenen Techniken können beispielsweise insbesondere im Zusammenhang mit einem Bildgütekriterium, das aus Bilddaten eines Abbilds des Probenobjekts, dass durch eine Kamera erhalten wird, implementiert werden. In einem solchen Fall ist es entbehrlich, dass zusätzliche Hardware für die Wellenfront-Korrektur vorgesehen wird, wie beispielsweise ein Wellenfront-Sensor oder ein Führungsstern. Neben einer einfacheren Implementierung ohne einen Wellenfront-Sensor, kann eine genauere Reduktion von Aberrationen erfolgen: insbesondere können auch solche Aberrationen der Abbildungsoptik berücksichtigt werden, die durch die bestimmte Positionierung des Wellenfront-Sensors bei solchen herkömmlichen Referenzimplementierungen nicht vermessen werden können.
In solchen Beispielen wäre es auch möglich, dass lediglich Teile der Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts bei dem Durchführen der ersten Optimierung und/oder der zweiten Optimierung berücksichtigt werden. Dadurch können Aberrationen ortsaufgelöst für unterschiedliche laterale Positionen senkrecht zum Strahlengang reduziert werden.
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.

Claims

Patentansprüche
1 . Optische Vorrichtung (100), die umfasst:
- eine Abbildungsoptik (102), die eingerichtet ist, um einen Strahlengang (109) mit einem in einer Bildebene des Strahlengangs angeordneten Abbild eines
Probenobjekts zu definieren,
- ein adaptives optisches Element (105), das im Strahlengang angeordnet ist, und
- eine Steuerung (104), die eingerichtet ist, um
- eine erste Optimierung von Steuerparametern des adaptiven optischen
Elements zur Reduktion mindestens einer sphärischen Aberration des Strahlengangs durchzuführen,
- basierend auf der ersten Optimierung eine zweite Optimierung der
Steuerparameter zur Reduktion mindestens einer nicht-sphärischen Aberration des Strahlengangs durchzuführen, und
- das adaptive optische Element basierend auf den Steuerparametern zu steuern.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 , die weiterhin umfasst:
- eine Kamera (103), die eingerichtet ist, um Bilddaten des Abbilds des
Probenobjekts zu erfassen,
wobei die erste Optimierung mindestens ein erstes Bildgütekriterium der Bilddaten als Optimierungskriterium berücksichtigt und/oder wobei die zweite
Optimierung mindestens ein zweites Bildgütekriterium der Bilddaten als
Optimierungskriterium berücksichtigt.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2,
wobei die Steuerung eingerichtet ist, um im Rahmen der ersten Optimierung das adaptive optische Element iterativ basierend auf unterschiedlichen temporären
Steuerparametern anzusteuern um mehrere Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts zu erhalten, und/oder
wobei die Steuerung eingerichtet ist, um im Rahmen der zweiten Optimierung das adaptive optische Element iterativ basierend auf unterschiedlichen temporären Steuerparametern anzusteuern, um mehrere Bilddaten des Abbilds des Probenobjekts zu erhalten.
4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
wobei das mindestens eine erste Bildgütekriterium und/oder das mindestens eine zweite Bildgütekriterium aus der Gruppe ausgewählt sind, die umfasst: ein globales Schärfemaß; ein lokales Schärfemaß; ein lokales Maß einer
Modulationsübertragungsfunktion; ein globales Maß einer Ortsfrequenzraumanalyse; und ein lokales Maß einer Kantensteilheit.
5. Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:
- einen Probenhalter (101 ), der eingerichtet ist, um ein 3D-Probenobjekt zu fixieren, das eine Ausdehnung entlang des Strahlengangs aufweist, die größer als ein Tiefenschärfebereich der Abbildungsoptik ist.
6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5,
wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, um durch Bewegung des
Probenhalters eine Querschnittsebene des 3D-Probenobjekts in der Bildebene zu positionieren und um eine weitere Optimierung der Steuerparameter zur Reduktion einer Defokus-Aberration des Strahlengangs durchzuführen,
wobei die erste Optimierung auf der weiteren Optimierung basiert.
7. Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die erste Optimierung zur gemeinsamen
Reduktion der mindestens einen sphärischen Aberration und einer Defokus-Aberration des Strahlengangs durchzuführen.
8. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -6,
wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die erste Optimierung nicht zur
Reduktion einer Defokus-Aberration des Strahlengangs durchzuführen.
9. Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Optimierung einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich einer Defokus-Aberration des Strahlengangs als Randbedingung berücksichtigt.
10. Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die erste Optimierung eine vorgegebene Beziehung zwischen der mindestens einen sphärischen Aberration und einer Defokus-Aberration des
Strahlengangs als Randbedingung berücksichtigt.
1 1 . Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die zweite Optimierung einen basierend auf der ersten Optimierung bestimmten vorgegebenen Wert oder Wertebereich der mindestens einen sphärischen Aberration als Randbedingung berücksichtigt und optional eine Defokus-Aberration des Strahlengangs als weitere Randbedingung berücksichtigt.
12. Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die mindestens eine nicht-sphärische Aberration aus folgender Gruppe ausgewählt ist: eine Koma-Aberration; eine Trefoil-Aberration; eine Tip-Aberration; eine Tilt-Aberration; eine Astigmatismus Aberration; eine Ashtray-Aberration; und eine Piston-Aberration.
13. Optische Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die erste Optimierung zur Reduktion einer ersten sphärischen Aberration des Strahlengangs eingerichtet ist,
wobei die zweite Optimierung zur Reduktion einer zweiten sphärischen
Aberration des Strahlengangs eingerichtet ist,
wobei die zweite sphärische Aberration höherer Ordnung ist, als die erste sphärische Aberration.
14. Verfahren, das umfasst:
- Erzeugen eines Abbilds eines Probenobjekts in einer Bildebene eines
Strahlengangs einer Abbildungsoptik, - Durchführen einer ersten Optimierung von Steuerparametern eines im
Strahlengang angeordneten adaptiven optischen Elements zur Reduktion mindestens einer sphärischen Aberration des Strahlengangs,
- basierend auf der ersten Optimierung: Durchführen einer zweiten Optimierung der Steuerparameter zur Reduktion mindestens einer nicht-sphärischen Aberration des
Strahlengangs, und
- Steuern des adaptiven optischen Elements basierend auf den
Steuerparametern.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
wobei das Verfahren von der optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -13 durchgeführt wird.
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