WO2019053136A1 - Bestimmung von aberrationen mittels winkel-variabler beleuchtung - Google Patents

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WO2019053136A1
WO2019053136A1 PCT/EP2018/074768 EP2018074768W WO2019053136A1 WO 2019053136 A1 WO2019053136 A1 WO 2019053136A1 EP 2018074768 W EP2018074768 W EP 2018074768W WO 2019053136 A1 WO2019053136 A1 WO 2019053136A1
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Lars STOPPE
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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    • G02B21/367—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison

Definitions

  • TECHNICAL FIELD Various embodiments of the invention relate to the determination of aberrations by means of angle-variable illumination.
  • 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. 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.
  • 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 can then
  • Parameters of the corresponding formalism can be determined.
  • Wavefront sensor however, can be relatively expensive and often requires appropriate hardware.
  • 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
  • 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 generate at least one aberration of the images based on the images
  • 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
  • a detector for capturing images wherein each image is an image of the sample object obtained by detection optics when illuminated along a corresponding one of the images Lighting direction includes.
  • the method also includes determining at least one aberration of the detection optics based on the images.
  • 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 perform a method of operating an optical device.
  • the method comprises driving a
  • Illumination module for illuminating a sample object from several
  • the method also includes driving a
  • 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.
  • a computer program includes program code that comes from at least one
  • Processor can be executed.
  • the execution of the program code causes the at least one processor to perform a method of operating an optical device.
  • the method comprises driving a
  • Illumination module for illuminating a sample object from several
  • the method also includes driving a
  • 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.
  • FIG. 1 schematically illustrates an optical device with a controller according to various examples.
  • FIG. 2 schematically illustrates a lighting module of the optical device according to various examples.
  • FIG. 3 is a flowchart of an example method.
  • FIG. 4 diagrammatically illustrates that by a detection optics of the optical
  • Device defined beam path and a distorted due to aberrations wavefront of the beam path.
  • FIG. 5 schematically illustrates images obtained by means of a detector of the optical
  • connection or coupling can be implemented.
  • 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.
  • the techniques described herein 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.
  • aberrations can be determined with a comparatively large capture range, i. even if a sample object is arranged defocused.
  • the illumination module 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.
  • a corresponding illumination direction with which the sample object is illuminated, can thus be implemented.
  • Such techniques are sometimes referred to as angle-variable illumination or angular space-structured illumination referred to, because an angular space variable light distribution is used to illuminate the sample object.
  • an amplitude object which has a comparatively small extent in the lateral plane - d. H.
  • a small circle or absorbing point could be used as the sample object.
  • 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, you could do this
  • Reference sample object can be used, i. a sample object with a priori known shape or geometry. It would also be possible, a priori
  • the sample object can then be illuminated from different illumination directions.
  • the lighting module can be controlled by a controller accordingly.
  • the different illumination directions can be implemented, for example, by flat light sources. It is then possible to capture a corresponding image for each of the illumination directions.
  • 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. Then, based on the images corresponding to the different illumination directions, at least one aberration of the detection optics can be determined.
  • the focus position may remain constant during the capture of the various images; ie a re-positioning of the sample object along the optical axis during illumination from the different illumination directions can be omitted.
  • 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.
  • the at least one aberration can be determined over several local tilts or gradients of the (system) wavefront at a pupil position.
  • the wavefront can be reconstructed and then decomposed into one or more aberrations.
  • this means that it is generally possible to determine the at least one aberration with a spatial resolution, ie for a plurality of object points. This can be the
  • FIG. 1 illustrates an exemplary optical device 100.
  • the optical device 100 implement a light microscope, for example in transmitted-light geometry. It would also be possible for the optical device 101 to be a laser scanning microscope or a
  • a detection optical system 1 12 is set up to produce an image of the sample object on a detector 14.
  • the detector 14 may then be configured to capture one or more images of the sample object.
  • a viewing through an eyepiece is possible.
  • An illumination module 1 1 1 is arranged to illuminate the sample object, which is fixed on the sample holder 1 13.
  • the lighting module 1 1 1 may in particular be adapted to an angle-variable lighting
  • the illumination module 1 1 1 1 can be set up to illuminate the sample object optionally from different illumination directions. This means that lighting with even waves from different lighting directions - d. H. at different angles - can be done.
  • the lighting module 1 1 for example, have a plurality of light sources.
  • Other implementations of the lighting module 1 1 1 could also be selected, for example a micromirror device (DMD) or a scanner.
  • DMD micromirror device
  • a controller 1 15 is provided to drive the various components 1 1 1 -1 14 of the optical device 100.
  • the controller 1 15 could be configured to drive a motor of the sample holder 1 13 to implement an autofocus application.
  • the controller 1 15 could be implemented as a microprocessor or microcontroller.
  • the controller 1 15 could include, for example, an FPGA or ASIC.
  • controller 1 could load program code from a memory (not shown in FIG. 1).
  • FIG. 2 illustrates aspects relating to the lighting module 1 1 1.
  • the illumination module 1 1 1 comprises a carrier 120, on which a plurality of light sources 121 - for example light-emitting diodes - are arranged.
  • the light sources 121 are arranged in a lattice structure. In other examples, however, the light sources 121 could also be arranged in a different manner on the carrier 120, for example annular, etc.
  • the controller 1 15 may be configured to separately control individual light sources 121, d. H. to turn individual light sources 121 on and off separately. By turning on a particular light source 121 and turning off the remaining light sources 121, 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 implemented by switching on more than one light source 121. For example, two or more adjacent light sources 121 could be turned on.
  • the illumination module 1 1 1 could have further optical elements, such as a condenser lens, etc. This is shown in FIG. 2 not shown for the sake of simplicity.
  • FIG. 3 is a flowchart of an example method.
  • the controller 1 15 could be configured to implement the method according to the example of FIG. 3 execute.
  • the controller 1 15 could load program code from a memory and then execute it. Initially, in 1001, the activation of a lighting module takes place
  • the lighting of the sample object could be time-sequential.
  • the sample object it would also be possible for the sample object to be at least partially parallel to time illuminated from the different directions of illumination. In this case, it would be possible, for example, for light associated with different illumination directions to have 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.
  • Possibility of separating the images with different lighting directions is based on a targeted, defocused positioning of the sample object.
  • the controller may be configured to defocus the sample object prior to illumination.
  • the sample object can consist of several
  • 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;
  • a detector is triggered to capture images in the multiple directions of illumination. 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.
  • two different images could be captured.
  • 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.
  • the images of the sample object can be formed on a sensor surface of the detector.
  • the detection optics may include, for example, one or more lenses, one or more field stops, etc.
  • the detection optics has aberrations. This means that a defined by the detection optics beam path a
  • the transfer function can describe the generated image as a function of the sample object.
  • At least one aberration of the detection optics is determined. This is done on the basis of the images captured in 1002.
  • Such techniques are based on the finding that the position of the images of the sample object in the different images is indicative of the wavefront of the image
  • FIG. 4 illustrates aspects relating to a ray path 129 of light.
  • Beam path 129 includes a plurality of beams 131-133.
  • the beam path 129 is defined by the detection optics 12.
  • the beam path 129 extends from the light sources 121 of the illumination module 1 1 1 along the sample object 150, through the detection optics 1 12 toward a sensor surface 21 1 of the detector 1 14.
  • Aus FIG. 4 it can be seen that the detection optics 1 12 comprises two lenses 202, 203.
  • the detection optics also include a field stop 204, which is arranged in the region of a conjugate plane 139 of the beam path 129. In the area of the conjugate plane 139, the images 151-153 of the sample object 150 are reproduced in the spatial frequency space. From FIG. 4, it can be seen that the beam 131 (dotted line) of FIG. 4, it can be seen that the beam 131 (dotted line) of FIG. 4, it can be seen that the beam 131 (dotted line) of FIG. 4, it can be seen that the beam 131 (dotted line) of FIG. 4, it can be seen that the beam
  • Lighting direction 171 corresponds.
  • the beam 132 (dotted-dashed line) corresponds to the illumination direction 172.
  • the beam 133 (dashed line) corresponds to the illumination direction 173.
  • the different illumination directions 171-173 correspond to different angles 163 with which the light impinges on the sample object 150 (for reasons of FIG For simplicity, only the angle 163 for the illumination direction 173 is shown in FIG. Depending on the angle 163 of
  • the corresponding beam 131-133 will pass through the conjugate plane 139 at different positions along the X direction
  • Illumination directions 171 - 173 different positions in the conjugate plane 139 are measured.
  • Illumination directions 171 - 173 different positions in the conjugate plane 139 are measured.
  • 1 -D representation in FIG. 4 is a 2-D survey of different
  • Positions in the XY plane is possible.
  • 2-D array of light sources 121 see FIG 2
  • the sample object 150 is arranged in a focal plane 201 of the detection optical system 12;
  • the specimen object 150 which initially had a defocusing-which corresponds to a focus position 180 not equal to 0 (in FIG. 4, the specimen object 150 arranged in a defocused manner is shown in dashed lines) -is focused.
  • suitable autofocus applications e.g. interferometrically or based on a sharpness measure of the image of the sample object 150.
  • This wavefront 260 (dotted line in FIG. 4) is formed by the course of the various beams 131 - 133. From FIG. 4, it can be seen that wavefront 260 does not form a straight line, ie is not flat. The wavefront is distorted. The local tiltings 261 of the wavefront 260 with respect to the Z-direction or with respect to the optical axis 130 are caused by one or more aberrations of the detection optics 12. For example, imperfections of the lenses 202, 203 could cause the aberrations. The aberrations or curved wavefront 260 cause the images 151-153 of the sample object 150 to have different distances 181-183 with respect to the optical axis 130 (or another reference point). This is also in FIG. 5 is shown.
  • FIG. FIG. 5 illustrates aspects relating to images 601-603 associated with the different illumination directions 151-153. From FIG. 5 it can be seen that the images 151-153 of the sample object have different distances 181-183 from the optical axis 130 due to the aberrations of the detection optical system 12. 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 region of the conjugate plane 139 (see FIG. It is then possible, the positions of the images 151-153 for the different images 601-603 or the different
  • the positions of the images correspond to the distances 181 -183.
  • the at least one aberration of the detection optics 1 12 can be determined.
  • object recognition techniques could be used.
  • Landmark recognition techniques could also be used, for example in a priori reference sample objects.
  • edge filter For example, a geometric centroid of the images 151-153 demarcated by the edges could be determined in determining the position.
  • the distances 181-183 can then be determined. These distances 181-183 can tilt 261 of the
  • 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 of the corresponding illumination direction 171-173 be determined.
  • the thus-determined tilts 261 may be directly translated into corresponding parameters of polynomials that are the aberrations
  • the polynomials at the corresponding "nodes" can be adjusted particularly precisely, In particular, it may be desirable to determine many tilts at widely spaced positions in the XY plane.
  • Zernike polynomials could be used Alternatively or additionally, the geometrical shape of wavefront 260 of beam path 129 could also be determined by integrating tilt in the XY plane 261. Again, this wavefront geometric shape describes the aberrations.
  • the sample object 150 used has a comparatively small extent along the X direction.
  • the sample object 150 may have a comparatively small extent in the lateral XY plane.
  • the sample object 150 could be a
  • Diameter of the field stop 204 is, optionally less than 5%, further optionally less than 1%. This can make it possible to measure the geometric shape of the wavefront 260 with a particularly high spatial resolution.
  • Focusing position 180 are detected. In such a case, it may be possible to determine the focus position 180.
  • suitable techniques can be used, for example techniques that provide a degree of sharpening of the corresponding
  • Focusing position to consider it may be possible to compensate for such global DE focussing of the sample object. For example, it would be possible to assume 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.
  • 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 are implemented. For each focus position then another image can be detected. This can be done for at least one illumination direction 171-173; but it could also be for several or all
  • the at least one aberration can then be determined, e.g. using the techniques described in WO 2015/091036 A1. In this case, e.g. the
  • Wavefront be reconstructed locally.
  • 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.
  • the at least one aberration can be determined with particularly high accuracy.
  • one or more aberrations of a detection optics can be determined.
  • these techniques are made possible by a simple and robust design.
  • an LED array can be used as the lighting module to implement the angle-variable lighting. 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 (English, on-site measurement).
  • Field aberrations can also be determined.
  • axis and field aberrations can be determined simultaneously.
  • the techniques described herein can be performed particularly quickly.
  • 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

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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.

Description

Bestimmung von Aberrationen mittels Winkel-variabler Beleuchtung
TECHNISCHES GEBIET Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Bestimmung von Aberrationen mittels Winkel-variabler Beleuchtung.
HINTERGRUND 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. 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.
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.
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 interferonmet sche Vermessung von Aberrationen umfasst.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
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.
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.
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. 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.
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
FIG. 1 illustriert schematisch eine optische Vorrichtung mit einer Steuerung gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 2 illustriert schematisch ein Beleuchtungsmodul der optischen Vorrichtung gemäß verschiedener Beispiele. FIG. 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
FIG. 4 illustriert schematisch den durch eine Detektionsoptik der optischen
Vorrichtung definierten Strahlengang sowie eine aufgrund von Aberrationen verzerrte Wellenfront des Strahlengangs.
FIG. 5 illustriert schematisch Bilder, die mittels eines Detektors der optischen
Vorrichtung bei Beleuchtung eines Probenobjekts mit unterschiedlichen
Beleuchtungsgeometrien erfasst wurden. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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 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.
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.
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.
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. 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. 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. Dann kann basierend auf den den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entsprechenden Bildern mindestens eine Aberration der Detektionsoptik bestimmt werden. 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. 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. Dies bedeutet in anderen Worten, dass es im Allgemeinen möglich ist, die mindestens eine Aberration mit einer Ortsauflösung, d.h. für mehrere Objektpunkte, zu bestimmen. Dazu kann die
Differenz zwischen Abbildungspositionen des Probenobjekts in den verschiedenen Bildern, wie beschrieben, ortsaufgelöst bzw. für verschiedene Bildpunkte
berücksichtigt werden. Das heißt unterschiedliche Bereiche des Probenobjekts (etwa links-rechts und oben-unten oder mit größerer Ortsauflösung) können eine
unterschiedliche Differenz der jeweiligen Abbildungspositionen aufweisen.
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.
FIG. 1 illustriert eine beispielhafte optische Vorrichtung 100. Beispielsweise könnte die optische Vorrichtung 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 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 1 13 fixierten
Probenobjekts vergrößert darzustellen. Eine Detektionsoptik 1 12 ist eingerichtet, um ein Abbild des Probenobjekts auf einem Detektor 1 14 zu erzeugen. Der Detektor 1 14 kann dann eingerichtet sein, um ein oder mehrere Bilder des Probenobjekts zu erfassen. Auch eine Betrachtung durch ein Okular ist möglich. Ein Beleuchtungsmodul 1 1 1 ist eingerichtet, um das Probenobjekt, das auf dem Probenhaltern 1 13 fixiert ist, zu beleuchten. Das Beleuchtungsmodul 1 1 1 kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Winkel-variable Beleuchtung wie
insbesondere eine Winkel-variable Beleuchtung des Probenobjekts zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass das Beleuchtungsmodul 1 1 1 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 1 1 1 beispielsweise eine Vielzahl von Lichtquellen aufweisen. Es könnten auch andere Implementierungen des Beleuchtungsmoduls 1 1 1 gewählt werden, beispielsweise eine Mikrospiegel- Vorrichtung (engl, digital micromirror device, DMD) oder ein Scanner.
Eine Steuerung 1 15 ist vorgesehen, um die verschiedenen Komponenten 1 1 1 -1 14 der optischen Vorrichtung 100 anzusteuern. Beispielsweise könnte die Steuerung 1 15 eingerichtet sein, um einen Motor des Probenhalters 1 13 anzusteuern, um eine Autofokus-Anwendung zu implementieren. Beispielsweise könnte die Steuerung 1 15 als Mikroprozessor oder Mikrocontroller implementiert sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Steuerung 1 15 beispielsweise einen FPGA oder ASIC umfassen. Die Steuerung 1 15 könnte beispielsweise Programm-Code aus einem Speicher laden (in FIG. 1 nicht dargestellt).
FIG. 2 illustriert Aspekte in Bezug auf das Beleuchtungsmodul 1 1 1 . In der
beispielhaften Implementierung gemäß FIG. 2 umfasst das Beleuchtungsmodul 1 1 1 einen Träger 120, auf welchem eine Vielzahl von Lichtquellen 121 - beispielsweise Leuchtdioden - angeordnet sind. In dem Beispiel der FIG. 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.
Die Steuerung 1 15 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.
Das Beleuchtungsmodul 1 1 1 könnte weitere optische Elemente aufweisen, beispielsweise eine Kondensor-Linse, etc.. Dies ist in FIG. 2 aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt. FIG. 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Beispielsweise könnte die Steuerung 1 15 eingerichtet sein, um das Verfahren gemäß dem Beispiel der FIG. 3 auszuführen. Beispielsweise könnte die Steuerung 1 15 dazu Programm-Code aus einem Speicher laden und diesen anschließend ausführen. Zunächst erfolgt in 1001 das Ansteuern eines Beleuchtungsmoduls, um ein
Probenobjekt aus mehreren Beleuchtungsrichtungen zu beleuchten.
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.
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.
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.
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. 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.
Entsprechende Techniken sind z.B. grundsätzlich im Zusammenhang mit US
2014/1 18 529 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.
In 1003 wird mindestens eine Aberration der Detektionsoptik bestimmt. Dies erfolgt auf Basis der in 1002 erfassten Bilder.
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 FIG. 4
beschrieben.
FIG. 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 1 12 definiert. Der Strahlengang 129 verläuft von den Lichtquellen 121 des Beleuchtungsmoduls 1 1 1 entlang des Probenobjekts 150, durch die Detektionsoptik 1 12 hin zu einer Sensorfläche 21 1 des Detektors 1 14. Aus FIG. 4 ist ersichtlich, dass die Detektionsoptik 1 12 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. Aus FIG. 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 FIG. 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. Trotz der 1 -D Darstellung in FIG. 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. FIG. 2) verwendet werden, welches eingerichtet ist, um
Beleuchtungsrichtungen in 2-D bereitzustellen. In FIG. 4 ist das Probenobjekt 150 in einer Fokusebene 201 der Detektionsoptik 1 12 angeordnet; dazu wurde das Probenobjekt 150, das zunächst eine Defokussierung - die einer Fokusposition 180 ungleich 0 entspricht (in FIG. 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 FIG. 4 ist im Bereich der konjugierten Ebene 139 die Wellenfront 260 des
Strahlengangs 129 dargestellt. Diese Wellenfront 260 (gepunktete Linie in FIG. 4) wird gebildet durch den Verlauf der verschiedenen Strahlen 131 - 133. Aus FIG. 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 1 12 hervorgerufen. Zum Beispiel könnten Innperfektionen der Linsen 202, 203 die Aberrationen bewirken. 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 FIG. 5 dargestellt.
FIG. 5 illustriert Aspekte in Bezug auf Bilder 601 - 603, die mit den verschiedenen Beleuchtungsrichtungen 151 - 153 assoziiert sind. Aus FIG. 5 ist ersichtlich, dass die Abbilder 151 - 153 des Probenobjekts aufgrund der Aberrationen der Detektionsoptik 1 12 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 FIG. 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 1 12 bestimmt werden. 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.
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.
Aus den FIGs. 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.
Es wäre in anderen Beispielen aber auch möglich, vergleichsweise große
Probenobjekte zu verwenden. Dann können nämlich feldabhängige Effekte der entsprechenden Punktspreizfunktion gemittelt werden.
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 .
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.
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.
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.
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. 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.
Beispielsweise wurden voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf ein Mikroskop beschrieben. Die hierein beschriebenen Techniken können aber auch Anwendung bei anderen optischen Vorrichtungen finden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Optische Vorrichtung (100) mit einem Beleuchtungsmodul (1 1 1 ), einer
Detektionsoptik (1 12) und einem Detektor (1 14), wobei die optische Vorrichtung (100) umfasst:
- eine Steuerung (1 15), die eingerichtet ist, um das Beleuchtungsmodul (1 1 1 ) zum Beleuchten eines Probenobjekts (150) aus mehreren Beleuchtungsrichtungen (171 , 172, 173) anzusteuern,
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um den Detektor (1 14) zum Erfassen von Bildern (601 , 602, 603) anzusteuern, wobei jedes Bild (601 , 602, 603) ein durch die Detektionsoptik (1 12) erhaltenes Abbild (151 , 152, 153) des Probenobjekts (150) bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden
Beleuchtungsrichtung (171 , 172, 173) beinhaltet,
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um basierend auf den Bildern (601 , 602, 603) mindestens eine Aberration der Detektionsoptik (1 12) zu bestimmen.
2. Optische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 ,
wobei die Steuerung (1 15) eingerichtet ist, um für jedes Bild (601 , 602, 603) die Position (181 , 182, 183) des jeweiligen Abbilds (151 , 152, 153) des
Probenobjekts (150) zu bestimmen,
wobei die Steuerung (1 15) eingerichtet ist, um basierend auf den mit den Bildern (601 , 602, 603) assoziierten Positionen (181 , 182, 183) des jeweiligen
Abbilds (151 , 152, 153) die mindestens eine Aberration zu bestimmen.
3. Optische Vorrichtung (100) nach Anspruch 2,
wobei die Steuerung (1 15) eingerichtet ist, um basierend auf den mit den Bildern (601 , 602, 603) assoziierten Positionen (181 , 182, 183) des jeweiligen
Abbilds (151 , 152, 153) eine Verkippung (261 ) eines Bereichs einer Wellenfront (260) eines durch die Detektionsoptik (1 12) definierten Strahlengangs (129) zu bestimmen.
4. Optische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3,
wobei die Steuerung (1 15) eingerichtet ist, um für jedes Bild (601 , 602, 603) die laterale Position (181 , 182, 183) des jeweiligen Bereichs der Wellenfront (260) senkrecht zur optischen Achse (130) der Detektionsoptik (1 12) und in einer konjugierten Ebene (139) des Strahlengangs (129) basierend auf einem Winkel (163) der entsprechenden Beleuchtungsrichtung (171 , 172, 173) zu bestimmen. 5. Optische Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um eine Fokusposition (180) des Probenobjekts (150) zu bestimmen,
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um die mindestens eine Aberration der Detektionsoptik (1 12) basierend auf der Fokusposition (180) zu bestimmen.
6. Optische Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, sowie nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um die Verkippung (261 ) unter Berücksichtigung eines Kugelwellen-Beitrags zur Wellenfront (260), der aus der Fokusposition (180) resultiert, zu bestimmen.
7. Optische Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um das Probenobjekt
(150) vor dem Beleuchten aus den mehreren Beleuchtungsrichtungen (171 , 172, 173) zu fokussieren.
8. Optische Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:
- einen verstellbaren Probenhalter (1 13),
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um für zumindest eine
Beleuchtungsrichtung (171 , 172, 173) den verstellbaren Probenhalter (1 13) bei unterschiedlichen Fokuspositionen (180) zu positionieren,
wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um den Detektor (1 14) zum Erfassen von weiteren Bildern (601 , 602, 603) anzusteuern, wobei jedes weitere Bild (601 , 602, 603) ein durch die Detektionsoptik (1 12) erhaltenes Abbild (151 , 152, 153) des Probenobjekts (150) bei einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung (171 , 172, 173) und einer entsprechenden Fokusposition (180) beinhaltet, wobei die Steuerung (1 15) weiterhin eingerichtet ist, um weiterhin basierend auf den weiteren Bildern (601 , 602, 603) die mindestens eine Aberration der
Detektionsoptik (1 12) zu bestimmen. 9. Optische Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei das Probenobjekt (150) eine Ausdehnung in einer lateralen Ebene (XY) senkrecht zur optischen Achse (130) der Detektionsoptik (1 12) aufweist, die kleiner als 10 % der Ausdehnung einer Feldblende (204) der Detektionsoptik (1 12) ist, optional kleiner als 5 %, weiter optional kleiner als 1 %.
10. Optische Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Steuerung (1 15) eingerichtet ist, um die mindestens eine Aberration der Detektionsoptik mit einer Ortsauflösung für mehrere Objektpunkte zu bestimmen. 1 1 . Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung, das umfasst:
- Ansteuern eines Beleuchtungsmoduls zum Beleuchten eines Probenobjekts (150) aus mehreren Beleuchtungsrichtungen (171 , 172, 173),
- Ansteuern eines Detektors (1 14) zum Erfassen von Bildern (601 , 602, 603), wobei jedes Bild (601 , 602, 603) ein durch eine Detektionsoptik (1 12) erhaltenes Abbild (151 , 152, 153) des Probenobjekts (150) bei Beleuchtung entlang einer entsprechenden Beleuchtungsrichtung (171 , 172, 173) beinhaltet,
- Bestimmen mindestens einer Aberration der Detektionsoptik (1 12) basierend auf den Bildern (601 , 602, 603).
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
wobei das Verfahren von einer optischen Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 -10 durchgeführt wird.
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