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WO2018197230A1 - Phasenkontrast-bildgebung mit übertragungsfunktion - Google Patents

Phasenkontrast-bildgebung mit übertragungsfunktion Download PDF

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WO2018197230A1
WO2018197230A1 PCT/EP2018/059452 EP2018059452W WO2018197230A1 WO 2018197230 A1 WO2018197230 A1 WO 2018197230A1 EP 2018059452 W EP2018059452 W EP 2018059452W WO 2018197230 A1 WO2018197230 A1 WO 2018197230A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transfer function
image
aperture
sample object
imaging optics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/059452
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lars STOPPE
Thomas Milde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microscopy GmbH filed Critical Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority to CN201880025065.8A priority Critical patent/CN110520780B/zh
Publication of WO2018197230A1 publication Critical patent/WO2018197230A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/14—Condensers affording illumination for phase-contrast observation
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    • G—PHYSICS
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    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • 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 examples of the invention generally relate to an optical system having a lighting module configured to illuminate a sample object having a structured illumination geometry. Various examples of the invention relate in particular to techniques based on a
  • phase contrast image In one embodiment, it may often be desirable to create a so-called phase contrast image of the sample object.
  • Phase contrast image is at least a part of the image contrast by a
  • phase shift of the light caused by the imaged sample object can be imaged with comparatively high contrast, which cause no or only a slight weakening of the amplitude, but a significant phase shift;
  • sample objects are often referred to as phase objects.
  • biological samples as a sample object in a microscope can cause a comparatively larger phase change than an amplitude change of the electromagnetic field.
  • phase-contrast imaging such as
  • phase-contrast imaging This can be constructive Restrictions result. Furthermore, application restrictions may exist: For example, fluorescence imaging may be hampered by providing the additional optical elements.
  • phase contrast can be achieved by means of structured illumination.
  • a first example of techniques which can achieve an image with phase contrast by means of structured illumination is disclosed in DE 10 2014 1 12 242 A1. However, such techniques have certain
  • Phase contrast technique (English, quantitative differential phase contrast, QDPC). See, for example, L. Tian and L. Waller: “Quantitative differential phase contrast imaging in an LED array microscope", Optics Express 23 (2015), 1 1394 (hereinafter Tian, Waller), however, such techniques have the disadvantage that, depending on For example, certain requirements with respect to the size of an aperture of the lighting module relative to a size of an aperture may be optic-to-detection
  • an optical system in one example, includes a sample holder.
  • the sample holder is arranged to fix a sample object.
  • the optical system also includes a lighting module.
  • the illumination module is set up to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry.
  • the optical system also includes imaging optics configured to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry on a detector.
  • the optical system also includes the detector.
  • the detector is configured to generate at least one image of the image based on the image
  • the optical system also includes a controller.
  • the controller is configured to determine a result image based on a transfer function and the at least one image.
  • the result image has a phase contrast.
  • the transfer function corresponds to a reference transfer function scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.
  • an optical system in one example, includes a sample holder.
  • the sample holder is arranged to fix a sample object.
  • the optical system also includes a lighting module.
  • the illumination module is set up to illuminate the sample object with at least one structured illumination geometry.
  • the optical system also includes imaging optics configured to generate an image of the sample object illuminated with the at least one structured illumination geometry on a detector.
  • the optical system also includes the detector. Of the Detector is arranged to generate at least one image of the image based on the image
  • the optical system also includes a controller.
  • the controller is configured to determine a result image based on a transfer function and the at least one image.
  • the result image has a phase contrast.
  • a size of the aperture of the illumination module is smaller than a size of the aperture of the imaging optics.
  • a method in one example, includes illuminating a sample object having at least one structured illumination geometry. The method also includes generating an image of the one having the at least one structured one
  • Illumination geometry illuminated specimen object Based on the image, the method further comprises capturing at least one image of the sample object. Based on a transfer function and the at least one image, a result image is determined which has a phase contrast.
  • Transfer function corresponds to a reference transfer function that is scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.
  • a computer program product includes program code that can be executed by at least one processor. Running the program code causes the at least one processor to perform a method. The method includes illuminating a sample object with at least one structured one
  • the method also includes generating an image of the illuminated one with the at least one structured illumination geometry
  • the method further comprises capturing at least one image of the sample object. Based on a transfer function and the at least one image, a result image is determined which contains a
  • the transfer function corresponds to a reference transfer function that is scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.
  • a computer program includes program code that can be executed by at least one processor. Executing the program code causes the at least one processor performs a method. The method includes the
  • the method also includes generating an image of the illuminated one with the at least one structured illumination geometry
  • the method further comprises capturing at least one image of the sample object. Based on a transfer function and the at least one image, a result image is determined which contains a
  • the transfer function corresponds to a reference transfer function that is scaled based on a size of an aperture of the imaging optics.
  • Phase contrast to determine particularly flexible are based on the knowledge that, by suitably selecting the transfer function, it may be possible to determine the result image with the phase contrast, even if, for example, a particularly large aperture of the imaging optics is used.
  • the result image does not necessarily encode a quantitative description of the phase of the sample object by means of the phase contrast, but with a suitable choice of the transfer function, a qualitative description of the phase of the
  • Sample object e.g. as height profile provides.
  • FIG. 1 schematically illustrates an optical system according to various examples, the optical system having a lighting module configured to illuminate a sample object having a structured illumination geometry.
  • FIG. 2 schematically illustrates the lighting module having a plurality of
  • FIG. 3 schematically illustrates an exemplary illumination geometry that can be used to illuminate the sample object by means of the illumination module.
  • FIG. 4 schematically illustrates an exemplary illumination geometry that can be used to illuminate the sample object by means of the illumination module.
  • FIG. 5 schematically illustrates an exemplary illumination geometry that can be used to illuminate the sample object by means of the illumination module.
  • FIG. 6 schematically illustrates a transfer function that may be used in determining a result image according to various examples.
  • FIG. 7 schematically illustrates a transfer function that may be used in determining a result image, according to various examples, wherein the transfer function of FIG. 7 with respect to the transfer function according to FIG. 8 is scaled.
  • FIG. 8 schematically illustrates a transfer function that may be used in determining a result image according to various examples.
  • FIG. 9 schematically illustrates transfer functions that may be used to determine a result image according to various examples.
  • FIG. 10 is a flowchart of an example method.
  • connections and couplings between functional units and elements illustrated in the figures may also be implemented as an indirect connection or coupling.
  • a connection or coupling may be implemented by wire or wireless.
  • Functional units can be implemented as hardware, software or a combination of hardware and software.
  • the result image can map a phase object with a phase contrast.
  • the result image can be in
  • Sample object are intensity images which themselves have no phase contrast.
  • the one or more images of the sample object may be associated with different illumination geometries. This means that the one or more images can each be detected by a detector with simultaneous illumination of the sample object by means of a corresponding illumination geometry.
  • the different lighting geometries can, for example, with
  • Illumination geometries or associated different images can be separated from one another by time multiplexing or frequency multiplexing. It would also be possible to separate by means of different polarizations.
  • Illumination geometries may have a directionality, for example, the illumination geometries may have a gradient of illuminance along one or more spatial directions.
  • the illuminance could vary in steps along a spatial direction, such as between zero and a finite value, or between two different finite values.
  • the sample object may comprise a phase object, such as a cell or cell culture, etc.
  • the sample object may be a-priori unknown, i. Different sample objects can be fixed by the sample holder.
  • the sample object could also be non-translucent for the light used.
  • the transfer function can be a
  • the transfer function may be suitable for predicting the at least one image for a specific illumination and a specific sample object.
  • the transfer function may have a real-valued component and / or an imaginary component.
  • the real-valued component of the transfer function can contribute to a decrease in the intensity of the light Pass through the sample object correspond.
  • An amplitude object typically has significant attenuation of the light.
  • the imaginary portion of the transfer function may be a shift in the phase of the sample object
  • phase object typically has a significant shift in the phase of the light.
  • techniques are described in particular to determine the imaginary part of the transfer function. For the sake of simplicity, reference will not be made below to the fact that the techniques relate to the imaginary part of the transfer function. In some examples, a purely imaginary transfer function without real valued part may be used.
  • the transfer function could be determined based on a technique according to Abbe.
  • a technique according to Abbe a reference transfer function could be determined.
  • the sample object can be separated into different spatial frequency components.
  • an overlay of infinitely many harmonic gratings can model the sample object.
  • the light source can also be decomposed into the sum of different point light sources.
  • Another example relates to the determination of the optics transfer function which describes the image of the sample object for a particular illumination geometry based on a Hopkins technique, see H.H.
  • TCC transmission cross-coefficient matrix
  • the frequencies that transmit the optics are limited to the area in which the TCC assumes values other than 0.
  • a system with a high coherence factor or coherence parameter consequently has a larger area with TCC ⁇ 0 and is capable of higher
  • the TCC typically contains all the information of the optical system and the TCC often takes into account even complex valued pupils such. B. in Zernike phase contrast or triggered by aberrations.
  • the TCC may allow separation of the optics transfer function from the object transfer function. In some examples, it is also possible that the
  • Transfer function is specified and no determination must be made as TCC or Abbe.
  • Sample object can be determined with different illumination geometries:
  • I DPC describes the spectral decomposition of a combination of two images / approximately IB, which were recorded at different illumination geometries that illuminate mutually complementary semicircles:
  • the illumination geometry need not be strictly semi-circular.
  • four LEDs could be used, which are arranged on a semicircle.
  • a semicircle For example, could be defined
  • Phase shift can be caused by a change in the thickness of the sample object or the topography of the sample object and / or by a change in the optical properties.
  • two images I DPC and I DPC, 2 can be determined, once with a pair of semi-circular illumination geometries that are arranged top-bottom in a lateral plane perpendicular to the beam path (I D pc, i) an d once with a pair of semicircular illumination geometries arranged left-right in the lateral plane (l DPC , 2) - Then both I DPC and I DPC> 2 can be taken into account in determining the result image, see Summation Index in Eq. 1 .
  • FIG. 1 illustrates an example optical system 100.
  • the optical system 100 according to the example of FIG. 1 implement a light microscope, for example in transmitted-light geometry.
  • a microscope could for example
  • Phase contrast imaging can be used.
  • the optical system 100 according to the example of FIG. 1 also implement a light microscope, in Auflichtgeometrie.
  • a corresponding Light microscope used in Auflichtgeometrie for material testing.
  • a height profile of the sample object can be created.
  • the optical system 100 it may be possible to enlarge small structures of a sample object fixed by a sample holder 13.
  • the optical system 100 could implement a wide field microscope in which a sample is fully illuminated.
  • the imaging optics 12 may generate 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 conceivable.
  • imaging optics 112 could have a numerical aperture of not less than 0.2, optionally not less than 0.3, more optionally not less than 0.5.
  • the imaging optics 1 12 could have an immersion objective.
  • the optical system 100 also includes a lighting module 1 1 1. Das
  • Illumination module 1 1 1 is set up to the sample object, which on the
  • Sample holder 1 13 is fixed to light.
  • this lighting could be implemented by means of Köhler illumination.
  • Köhler illumination There will be a
  • Condenser lens and a condenser aperture used This leads to a particularly homogeneous intensity distribution of the light used for the illumination in the plane of the sample object.
  • a partially incoherent lens and a condenser aperture used This leads to a particularly homogeneous intensity distribution of the light used for the illumination in the plane of the sample object.
  • Lighting be implemented.
  • the lighting module 1 1 1 could also be set up to illuminate the sample object in dark field geometry.
  • the lighting module 1 1 1 is set up to allow structured lighting. This means that by means of
  • Illumination module 1 1 1 different illumination geometries of the
  • Illumination of the sample object used light can be implemented.
  • the different illumination geometries can correspond to illumination of the sample object from different illumination directions.
  • the lighting module 1 1 1 could include a plurality of adjustable lighting elements configured to locally modify or emit light.
  • a controller 1 15 can the
  • Lighting module 1 1 1 or the lighting elements to implement a specific lighting geometry to control.
  • the controller 1 15 could be implemented as a microprocessor or microcontroller. Alternatively or additionally, the controller 1 15 could include, for example, an FPGA or ASIC. The controller 1 15 may alternatively or additionally also the sample holder 1 13, the imaging optics 1 12, and / or the detector 1 14 control.
  • FIG. 2 illustrates aspects relating to the lighting module 1 1 1.
  • the lighting module 1 1 1 a variety of adjustable
  • Illumination elements 121 in a matrix structure.
  • the matrix structure is oriented in a plane perpendicular to the beam path of the light (lateral plane;
  • the adjustable illumination elements 121 could be implemented as light sources, such as light emitting diodes. For example, it would then be possible for different light-emitting diodes with different light intensity to emit light for illuminating the sample object. As a result, a lighting geometry can be implemented.
  • the Illumination module 1 1 1 as a spatial light modulator (English, spatial light modulator, SLM) to be implemented. The SLM can be spatially resolved into an intervention
  • Condenser pills which may have a direct impact on imaging - for example, formalized by the TCC.
  • FIG. FIG. 3 illustrates aspects related to an exemplary illumination geometry 300.
  • FIG. 3 is the provided luminous intensity 301 for the various adjustable ones
  • the illumination geometry 300 has a dependence on the position along the axis XX 'and is therefore structured.
  • FIG. 4 illustrates aspects related to an example illumination geometry 300.
  • FIG. 4 illustrates the illumination geometry 300 abstractly from the illumination module 1 1 1 used.
  • an illumination geometry 300 is used in which one side is illuminated (black color in FIG. 4) and the other side is not illuminated (white color in FIG. 4).
  • FIG. 5 another exemplary illumination geometry is shown (with corresponding color coding as already described with respect to FIG. 4).
  • FIG. 6 illustrates aspects relating to an example transfer function 400
  • the transfer function 400 may be used to generate, based on an image, for example, the
  • Illumination geometry 300 according to the example of FIG. 4 was recorded
  • the result image may have a phase contrast.
  • the result image may include a height profile of the sample object.
  • the transmission function 400 has an axis of symmetry 405 which corresponds to an axis of symmetry 305 of the illumination geometry 300.
  • the transfer function 400 it may be possible for the transfer function 400 to match the Illumination geometry 300 is selected.
  • the result image can have a particularly strong contrast.
  • the diameter of the detector aperture of the imaging optics 1 12 is also shown. Because a partially incoherent illumination is used, the
  • Imaging optics 1 12 not equal to zero.
  • FIG. 7 also illustrates aspects relating to a transfer function 400.
  • the example of FIG. 7 basically corresponds to the example of FIG. 6. However, in the example of FIG. 6, the size of the detector aperture is greater than in the example of FIG. 6 (see horizontal dashed lines, NA indicates the size of the detector aperture).
  • the transfer function 400 is scaled correspondingly to the in FIG. 7 compared to FIG. 6 enlarged detector aperture.
  • the transfer function 400 is scaled correspondingly to the in FIG. 7 compared to FIG. 6 enlarged detector aperture.
  • Transfer function 400 according to the example of FIG. 6 serve as a reference transfer function.
  • the controller 1 15 could be configured to perform the transfer function 400 according to the example of FIG. 7 based on a scaling of this reference transfer function on the enlarged aperture of the imaging optics 1 12 to determine.
  • a particularly large aperture for the imaging optics 1 12 used becomes what happens at certain
  • Illumination module 1 1 1 is less than 50% of the size of the aperture of the imaging optics 1 12, optionally less than 20%, further optionally less than 5%. This makes it possible to measure particularly sensitive. From the examples of FIGS. 6 and 7 it can be seen that it may be possible to transfer function 400 irrespective of the size of the aperture of the
  • Illumination module 1 1 1 to determine.
  • this may mean that, for example, an extension or certain features - such as e.g. Extreme values, zeros, inflection points, etc. - the transfer function 400 does not depend on the size of the aperture of the lighting module 1 1 1.
  • the transfer function 400 does not depend on the size of the aperture of the lighting module 1 1 1.
  • Transfer functions 400 in the examples of FIGS. 6 and 7 have no features, such as local extreme values or zeros, which depend on the size of the aperture of the illumination module 1 1 1 in the spatial frequency space - i. in the space conjugated to the space - would be positioned. Between the place space and the
  • Spatial frequency space can be transformed by Fourier analysis and inverse Fourier analysis. Spatial frequencies thereby denote the sweep of a spatial
  • the contrast in the result image may not include a quantitative description of the phase of the sample object, but a qualitative description of the phase of the sample object.
  • the qualitative description of the phase of the sample object can be consistently provided in the area of the entire image.
  • reference techniques such as e.g. described in DE 10 2014 1 12 242 A1 in which different gradients of the phase of the sample object - for example, on opposite edges of the sample object - are mapped with different signs of contrast in the result image, this may have an advantage.
  • FIG. Figure 8 illustrates aspects relating to a transfer function 400 (in Figure 8, black encodes an amount of +1 and knows an amount of -1; the coordinates u x and ty are defined in the spatial frequency space and correspond there the
  • the transfer function 400 may be used to generate, based on an image, for example, the
  • Illumination geometry 300 according to the example of FIG. 5 was recorded
  • the transfer function 400 can be determined as a function of the structured illumination geometry 300.
  • the geometry of the transfer function 400 in the spatial frequency space can simulate the illumination geometry 300 in the spatial domain.
  • a particularly strong contrast can be achieved in the resulting image, i. a high signal-to-noise ratio, for example for the phase contrast or the height profile.
  • FIG. 9 illustrates aspects related to various transfer functions 400
  • FIG. 9 (Different transfer functions are shown in Fig. 9 by the solid line, the dashed line, the dotted line, and the dashed-dotted line).
  • the in FIG. 9 can be used for different illumination geometries, for example (in FIG. 9
  • FIG. 9 is the transfer function 400 along an axis u x of
  • a transfer function 400 is formed as a monotonically increasing linear function (solid line).
  • another transfer function 400 is formed as a monotone increasing Sigmoid function formed (dashed line).
  • another transfer function 400 is formed as a folded, monotonically decreasing, linear function (dotted line).
  • FIG. 9 is another
  • Transfer function 400 formed as a step function (dotted line).
  • transfer functions 400 are purely exemplary, and in other examples, differently configured transfer functions may be used or overlays of the type shown in the example of FIG. 9 shown
  • transfer functions 400 have certain characteristics or characteristics that allow a particularly good determination of the result image. Such features of transfer functions used will be described below. From the examples of the transfer functions 400 in FIG. 9, it is apparent that it is possible to form the spatial frequency transfer functions 400 within the aperture of the imaging optics 112 without local extremes, i. without local maxima or minima which would be smaller than the absolute extremes (i.e., the amplitudes of +1 and -1, respectively, in the example of FIG. This can be achieved by a monotone increasing or decreasing transfer function, or by a step function.
  • Detector aperture is used, such an erroneous amplification of frequencies contained in the images due to a shifted positioned local extreme value of the transfer function can be avoided. It results in one
  • Transfer function for spatial frequencies within the aperture of the imaging optics 1 12 or within the double aperture of the imaging optics 1 12 comparatively small values - for example, based on a maximum of all magnitude values of the
  • Such behavior may be e.g. be provided by a step function.
  • Transfer function 400 may correspond to a suppression of the corresponding frequencies contained in the images. Often, however, it may be desirable that within the aperture of the imaging optics 1 12 or within the double aperture of the imaging optics 1 12 no suppression of corresponding in the
  • the transfer function may be possible by the appropriate choice of the transfer function without values equal to zero or very small values within the simple aperture of the imaging optics 1 12 or the double aperture of the imaging optics 1 12, even for comparatively large apertures of the imaging optics 1 12 or comparatively small apertures of the illumination module 1 1 1 to determine the result image with the phase contrast.
  • Transmission functions for spatial frequencies outside the double aperture of the imaging optics 1 12 assume values equal to zero. In general, it may be possible to use transfer functions outside of that
  • Imaging optics 1 12 transmitted spatial frequencies assume values substantially equal to zero, ie typically outside the single aperture or the double aperture with partially phase-incoherent illumination.
  • the transfer functions used for spatial frequencies outside the single or double aperture of the imaging optics it would be possible for the transfer functions used for spatial frequencies outside the single or double aperture of the imaging optics to have no magnitude values of> 5% of a maximum of all absolute values of the transfer functions for spatial frequencies within the single or double aperture of the imaging optics, optionally no values greater than 2%, further optional no values greater than 0.5%. In this way it can be avoided that artifacts or noise in the result image is amplified.
  • FIG. 10 is a flowchart of an example method.
  • a sample object is fixed in 1001, for example using a sample holder.
  • the sample object may be a phase object.
  • the sample object could Cells or cell cultures.
  • the sample object could comprise a phase object.
  • 1001 is optional.
  • the sample object is structured with one or more
  • Illuminated lighting geometries This can be a corresponding
  • Lighting module to be controlled accordingly.
  • the sample object it would be possible for the sample object to be illuminated with two complementary illumination geometries, for example semicircular and different
  • one or more images of the sample object are scanned using a
  • Imaging optics and by means of a detector, such as a CMOS or CCD sensor, detected. 1003 may include the appropriate driving of the detector.
  • the image or images each include an image of the sample object. Different images are associated with different illumination geometries from 1002.
  • two pairs of images may be detected, each associated with complementary semicircular illumination directions. In other examples, however, only two images or three images could be captured.
  • l (left) and l (right) denote the images respectively associated with a left or right oriented semicircular illumination geometry and where l (top) and I (below) denote the images respectively associated with a top or bottom oriented semicircular illumination geometry.
  • the determination of the result image is made in 1004 based on a transfer function which describes the imaging of the sample object by means of the corresponding optical system for the corresponding illumination geometries.
  • the result image is also determined based on the at least one image captured in 1003. For this purpose, for example, a difference formation and, if necessary, standardization could be carried out beforehand from a plurality of images recorded in 1003, which with
  • the method of FIG. 10 further comprises scaling a reference transfer function to a size of the aperture of the imaging optics. This means that an adaptation of the reference transfer function to the size of the aperture of the imaging optics can take place.
  • a predetermined reference transfer function can be scaled according to the size of the aperture of the imaging optics.
  • the reference transfer function can therefore also be referred to as an artificial transfer function because it can have deviations from the theoretically expected transfer function due to the illumination geometry.
  • Such techniques may have certain advantages.
  • the size of the aperture of the imaging optics can be flexibly dimensioned. In particular, for example, immersion objectives could be used.
  • phase contrast By means of the techniques described herein, by suitable choice of the transfer function, a particularly large phase contrast can be achieved in the resulting image. In particular, a gain of the phase contrast, for example, compared to the reference implementations according to Tian and Waller done. In addition, for example, it would be possible to digitally replicate certain forms of hardware-implemented phase-contrast images, such as Zernike contrast.
  • Transfer functions is purely exemplary. For example, transfer functions having amplitudes of +1 and -1, respectively, have often been illustrated in the various examples described herein, however, in other examples, it may also be possible to use transfer functions of other amplitudes.
  • the bandwidth of the transmitted spatial frequencies is equal to twice the aperture of
  • Imaging optics In other examples, however, other techniques could be used for illumination, so the bandwidth of the transmitted

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Abstract

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

Description

Phasenkontrast-Bildgebung mit Übertragungsfunktion
TECHNISCHES GEBIET Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen im Allgemeinen ein optisches System mit einem Beleuchtungsmodul, das eingerichtet ist, um ein Probenobjekt mit einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten. Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen insbesondere Techniken, um basierend auf einer
Übertragungsfunktion und mindestens einem Bild des Probenobjekts ein Ergebnisbild zu bestimmen, welches einen Phasenkontrast aufweist.
HINTERGRUND
In der optischen Bildgebung von Probenobjekten kann es häufig erstrebenswert sein, ein sogenanntes Phasenkontrastbild des Probenobjekts zu erzeugen. In einem
Phasenkontrastbild ist zumindest ein Teil des Bildkontrasts durch eine
Phasenverschiebung des Lichts durch das abgebildete Probenobjekt bedingt. Damit können insbesondere solche Probenobjekte mit vergleichsweise hohem Kontrast abgebildet werden, die keine oder nur eine geringe Schwächung der Amplitude bewirken, jedoch eine signifikante Phasenverschiebung; solche Probenobjekte werden oftmals auch als Phasenobjekte bezeichnet. Typischerweise können biologische Proben als Probenobjekt in einem Mikroskop eine vergleichsweise größere Phasenänderung als Amplitudenänderung des elektromagnetischen Felds bewirken. Es sind verschiedene Techniken zur Phasenkontrast-Bildgebung, etwa die
Dunkelfeldbeleuchtung, die schiefe Beleuchtung, der differenzielle Interferenzkontrast (DIC) oder auch der Zernike-Phasenkontrast.
Solche vorgenannten Techniken weisen diverse Nachteile oder Einschränkungen auf. Oftmals kann es erforderlich sein, zusätzliche optische Elemente zwischen Probe und Detektor im Bereich der sogenannten Abbildungsoptik bereitzustellen, um die
Phasenkontrast-Bildgebung zu ermöglichen. Daraus können konstruktive Einschränkungen resultieren. Weiterhin können applikative Einschränkungen bestehen: Zum Beispiel kann die Fluoreszenz-Bildgebung durch Vorsehen der zusätzlichen optischen Elemente erschwert werden. Es sind auch Techniken bekannt, bei denen mittels strukturierter Beleuchtung ein Phasenkontrast erzielt werden kann. Ein erstes Beispiel von Techniken, die mittels strukturierter Beleuchtung ein Bild mit Phasenkontrast erzielen können, ist in DE 10 2014 1 12 242 A1 offenbart. Solche Techniken weisen jedoch bestimmte
Einschränkungen auf. Beispielsweise kann es mittels solcher Techniken, bei denen unterschiedliche Intensitätsbilder, die mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sind, kombiniert werden, möglich sein, dass ein entsprechendes Ergebnisbild den Phasenkontrast Gradienten-artig darstellt. Dies bedeutet, dass gegenüberliegende Kanten eines Phasenobjekts ein unterschiedliches Vorzeichen des Kontrasts aufweisen können. Damit kann es mittels solcher Techniken nicht oder nur eingeschränkt möglich sein, beispielsweise Höhenprofile des Probenobjekts zu erzeugen, welches einen
Kontrast aufweist, der große (kleine) Werte für hohe (tiefe) Punkte des Probenobjekts aufweist.
Eine weitere Technik, bei welcher mittels strukturierter Beleuchtung ein Ergebnisbild mit Phasenkontrast erzielt werden kann, ist die sogenannte quantitative Differenz
Phasenkontrast Technik (engl, quantitative differential phase contrast, QDPC). Siehe beispielsweise L. Tian und L. Waller:„Quantitative differential phase contrast imaging in an LED array microscope", Optics Express 23 (2015), 1 1394 (nachfolgend Tian, Waller). Solche Techniken weisen jedoch den Nachteil auf, dass je nach verwendetem optischen System keine gültigen Ergebnisse für ein Ergebnisbild mit einem Phasenkontrast erzielt werden können. Beispielsweise können bestimmte Erfordernisse in Bezug auf die Größe einer Apertur des Beleuchtungsmoduls relativ zu einer Größe einer Apertur eine Optik zu Detektion vorliegen. Dies kann die Möglichkeit, QDPC in praktischen
Aufgabenstellungen zu verwenden, einschränken. Außerdem wurde beobachtet, dass bei der QDPC eine unerwünschte Verstärkung von abgebildeten Frequenzen auftreten kann, z.B. wenn gewisse Toleranzen in Bezug auf die verwendete Apertur vorliegen. KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken, um Ergebnisbilder mit einem Phasenkontrast zu bestimmen. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile beheben oder lindern.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
In einem Beispiel umfasst ein optisches System einen Probenhalter. Der Probenhalter ist eingerichtet, um ein Probenobjekt zu fixieren. Das optische System umfasst auch ein Beleuchtungsmodul. Das Beleuchtungsmodul ist eingerichtet, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten. Das optische System umfasst auch eine Abbildungsoptik, die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts auf einem Detektor zu erzeugen. Das optische System umfasst auch den Detektor. Der Detektor ist eingerichtet, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des
Probenobjekts zu erfassen. Das optische System umfasst auch eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen. Das Ergebnisbild weist einen Phasenkontrast auf. Dabei entspricht die Übertragungsfunktion einer basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skalierten Referenz- Übertragungsfunktion.
In einem Beispiel umfasst ein optisches System einen Probenhalter. Der Probenhalter ist eingerichtet, um ein Probenobjekt zu fixieren. Das optische System umfasst auch ein Beleuchtungsmodul. Das Beleuchtungsmodul ist eingerichtet, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten. Das optische System umfasst auch eine Abbildungsoptik, die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts auf einem Detektor zu erzeugen. Das optische System umfasst auch den Detektor. Der Detektor ist eingerichtet, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des
Probenobjekts zu erfassen. Das optische System umfasst auch eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen. Das Ergebnisbild weist einen Phasenkontrast auf. Eine Größe der Apertur des Beleuchtungsmoduls ist dabei kleiner als eine Größe der Apertur der Abbildungsoptik.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten
Beleuchtungsgeometrie beleuchteten Probenobjekts. Basierend auf dem Abbild umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen mindestens eines Abbilds des Probenobjekts. Basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild wird ein Ergebnisbild bestimmt, welches einen Phasenkontrast aufweist. Die
Übertragungsfunktion entspricht einer Referenz-Übertragungsfunktion, die basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skaliert ist.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcode, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Das Ausführen des Programmcodes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten
Beleuchtungsgeometrie. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten
Probenobjekts. Basierend auf dem Abbild umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen mindestens eines Abbilds des Probenobjekts. Basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild wird ein Ergebnisbild bestimmt, welches einen
Phasenkontrast aufweist. Die Übertragungsfunktion entspricht einer Referenz- Übertragungsfunktion, die basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skaliert ist.
Ein Computerprogramm umfasst Programmcode, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Das Ausführen des Programmcodes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das
Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten
Beleuchtungsgeometrie. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie beleuchteten
Probenobjekts. Basierend auf dem Abbild umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen mindestens eines Abbilds des Probenobjekts. Basierend auf einer Übertragungsfunktion und dem mindestens einen Bild wird ein Ergebnisbild bestimmt, welches einen
Phasenkontrast aufweist. Die Übertragungsfunktion entspricht einer Referenz- Übertragungsfunktion, die basierend auf einer Größe einer Apertur der Abbildungsoptik skaliert ist.
Mittels solcher Techniken kann es möglich sein, Ergebnisbilder mit einem
Phasenkontrast besonders flexibel zu bestimmen. Solche Techniken beruhen nämlich auf der Erkenntnis, dass es mittels geeigneter Wahl der Übertragungsfunktion möglich sein kann, dass Ergebnisbild mit dem Phasenkontrast zu bestimmen, auch wenn beispielsweise eine besonders große Apertur der Abbildungsoptik verwendet wird.
Solche Techniken beruhen insbesondere auf der Erkenntnis, dass zwar einerseits das Ergebnisbild nicht notwendigerweise eine quantitative Beschreibung der Phase des Probenobjekt mittels des Phasenkontrasts codiert, jedoch bei entsprechender Wahl der Übertragungsfunktion weiterhin eine qualitative Beschreibung der Phase des
Probenobjekts z.B. als Höhenprofil bereitstellt.
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 ein optisches System gemäß verschiedener Beispiele, wobei das optische System ein Beleuchtungsmodul aufweist, das eingerichtet ist, um ein Probenobjekt mit einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie zu beleuchten.
FIG. 2 illustriert schematisch das Beleuchtungsmodul mit einer Vielzahl von
Beleuchtungselementen in größerem Detail. FIG. 3 illustriert schematisch eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie, die mittels des Beleuchtungsmoduls zur Beleuchtung des Probenobjekts verwendet werden kann.
FIG. 4 illustriert schematisch eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie, die mittels des Beleuchtungsmoduls zur Beleuchtung des Probenobjekts verwendet werden kann.
FIG. 5 illustriert schematisch eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie, die mittels des Beleuchtungsmoduls zur Beleuchtung des Probenobjekts verwendet werden kann.
FIG. 6 illustriert schematisch eine Übertragungsfunktion, die gemäß verschiedener Beispiele beim Bestimmen eines Ergebnisbilds verwendet werden kann.
FIG. 7 illustriert schematisch eine Übertragungsfunktion, die gemäß verschiedener Beispiele beim Bestimmen eines Ergebnisbilds verwendet werden kann, wobei die Übertragungsfunktion gemäß FIG. 7 gegenüber der Übertragungsfunktion gemäß FIG. 8 skaliert ist.
FIG. 8 illustriert schematisch eine Übertragungsfunktion, die gemäß verschiedener Beispiele beim Bestimmen eines Ergebnisbilds verwendet werden kann. FIG. 9 illustriert schematisch Übertragungsfunktionen, die gemäß verschiedener Beispiele zum Bestimmen eines Ergebnisbilds verwendet werden können. FIG. 10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
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.
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, um ein Ergebnisbild mit
maßgeschneidertem Kontrast zu bestimmen. Beispielsweise kann das Ergebnisbild ein Phasenobjekt mit einem Phasenkontrast abbilden. Das Ergebnisbild kann im
Allgemeinen ein Höhenprofil des Probenobjekts bereitstellen.
Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, das Ergebnisbild durch digitale Nachbearbeitung von ein oder mehreren Bildern eines Probenobjekts zu bestimmen. Beispielsweise wäre es möglich, dass das eine oder die mehreren Bilder des
Probenobjekts Intensitätsbilder sind, die selbst keinen Phasenkontrast aufweisen. Das eine oder die mehreren Bilder des Probenobjekts können mit unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien assoziiert sein. Dies bedeutet, dass das eine oder die mehreren Bilder jeweils bei gleichzeitiger Beleuchtung des Probenobjekts mittels einer entsprechenden Beleuchtungsgeometrie durch einen Detektor erfasst werden können.
Die unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien können beispielsweise mit
unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sein. Die unterschiedlichen
Beleuchtungsgeometrien bzw. assoziierte unterschiedliche Bilder können durch Zeit- Multiplexen oder Frequenz-Multiplexen voneinander getrennt werden. Es wäre auch eine Trennung mittels unterschiedlicher Polarisationen möglich. Die
Beleuchtungsgeometrien können eine Richtungsabhängigkeit aufweisen, beispielsweise können die Beleuchtungsgeometrien einen Gradienten der Beleuchtungsstärke entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen aufweisen. Z.B. könnte die Beleuchtungsstärke stufenförmig entlang einer Raumrichtung variieren, etwa zwischen Null und einem endlichen Wert oder zwischen zwei unterschiedlichen endlichen Werten.
Beispielsweise kann das Probenobjekt ein Phasenobjekt umfassen, beispielsweise eine Zelle oder eine Zellkultur, etc. Das Probenobjekt kann a-priori unbekannt sein, d.h. es können unterschiedliche Probenobjekte durch den Probenhalter fixiert werden. Das Probenobjekt könnte auch für das verwendete Licht nicht-lichtdurchlässig sein. Je nach Art des Probenobjekts kann es erstrebenswert sein, das Beleuchtungsmodul und den Detektor in Auflichtgeometrie oder Durchlichtgeometrie zu betreiben.
In verschiedenen Beispielen wird eine Übertragungsfunktion für die digitale
Nachbearbeitung von ein oder mehreren Bildern zum Erhalten des Ergebnisbilds verwendet. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion eine
Objektübertragungsfunktion und/oder eine Optikübertragungsfunktion des optischen Systems bezeichnen. Die Übertragungsfunktion kann geeignet sein, um bei einer bestimmten Beleuchtung und einem bestimmten Probenobjekt das mindestens eine Bild vorherzusagen. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion einen reellwertigen Anteil aufweisen und/oder einen imaginären Anteil aufweisen. Dabei kann der reellwertige Anteil der Übertragungsfunktion einer Abnahme der Intensität des Lichts bei Durchlaufen des Probenobjekts entsprechen. Ein Amplitudenobjekt weist typischerweise eine signifikante Dämpfung des Lichts auf. Entsprechend kann der imaginären Anteil der Übertragungsfunktion einer Verschiebung der Phase des das Probenobjekt
durchlaufenden Lichts bezeichnen. Ein Phasenobjekt weist typischerweise eine signifikante Verschiebung der Phase des Lichts auf. Nachfolgend werden insbesondere Techniken beschrieben, um den imaginären Anteil der Übertragungsfunktion zu bestimmen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend nicht jedes Mal darauf referenziert, dass die Techniken den imaginären Anteil der Übertragungsfunktion betreffen. In manchen Beispielen kann eine rein imaginäre Übertragungsfunktion ohne reellwertigen Anteil verwendet werden.
Dabei können unterschiedliche Techniken zum Bestimmen der Übertragungsfunktion verwendet werden. In einem Beispiel könnte die Übertragungsfunktion auf Grundlage einer Technik nach Abbe bestimmt werden. Mittels einer Technik nach Abbe könnte eine Referenz-Übertragungsfunktion bestimmt werden. Dabei kann das Probenobjekt in unterschiedliche Ortsfrequenzanteile separiert werden. Dann kann eine Überlagerung unendlich vieler harmonischer Gitter das Probenobjekt modellieren. Auch die Lichtquelle kann zerlegt werden in die Summe verschiedener Punktlichtquellen. Ein weiteres Beispiel betrifft die Bestimmung der Optikübertragungsfunktion, welche das Abbild des Probenobjekts für eine bestimmte Beleuchtungsgeometrie beschreibt, basierend auf einer Technik gemäß Hopkins, siehe H.H. Hopkins„On the Diffraction Theory of Optical Images", Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical Engineering Sciences 217 (1953) 408-432. Daraus kann die Transmissions-Kreuzkoeffizientenmatrix (engl, transmission cross-coefficient matrix, TCC) bestimmt werden, die manchmal auch als partiell-kohärente Objektübertragungsfunktion bezeichnet wird. Der TCC kann als Referenz-Übertragungsfunktion dienen. Der TCC entspricht in etwa der
Übertragungsfunktion der partiell kohärenten Abbildung und enthält die Eigenschaften des optischen Systems sowie der Beleuchtungsgeometrie. Die Frequenzen, die die Optik übertragen, beschränken sich auf das Gebiet, in dem der TCC Werte ungleich 0 annimmt. Ein System mit hohem Kohärenzfaktor bzw. Kohärenzparameter hat demzufolge ein größeres Gebiet mit TCC Φ 0 und ist in der Lage, höhere
Ortsfrequenzen abzubilden. Im TCC steckt typischerweise die gesamte Information des optischen Systems und die TCC berücksichtigt oftmals auch komplexwertige Pupillen wie z. B. beim Zernike-Phasenkontrast oder ausgelöst durch Aberrationen. Die TCC kann eine Trennung der Optikübertragungsfunktion von der Objektübertragungsfunktion ermöglichen. In manchen Beispielen wäre es auch möglich, dass die
Übertragungsfunktion vorgegeben ist und keine Bestimmung als TCC oder nach Abbe erfolgen muss.
Je nach verwendeter Übertragungsfunktion können unterschiedliche Techniken zum Bestimmen des Ergebnisbilds verwendet werden. Eine beispielhafte Technik ist in Tian, Waller in Bezug auf Gl. 13 beschrieben. Dort ist dargestellt, wie basierend auf einer Tichonov Regularisierung ein Ergebnisbild mittels inverses Fourier-Transformation und basierend auf der Übertragungsfunktion H* und ferner basierend auf der
Ortsfrequenzraum-Repräsentation einer Kombination IDPC von zwei Bildern des
Probenobjekts bei unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien bestimmt werden kann:
Figure imgf000012_0001
Dabei beschreibt IDPC die spektrale Zerlegung einer Kombination von zwei Bildern /rund IB, die bei unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien, die zueinander komplementäre Halbkreise beleuchten, erfasst wurden:
Dies sind Beispiele. Im Allgemeinen muss die Beleuchtungsgeometrie beispielsweise nicht streng Halbkreis-förmig sein. Z.B. könnten vier Leuchtdioden verwendet werden, die auf einem Halbkreis angeordnet sind. Z.B. könnten also definierte
Beleuchtungsrichtungen verwendet werden, also etwas einzelne Leuchtdioden. Ferner könnte in Gl. 2 auch die Normalisierung auf 1 erfolgen, anstatt auf IT + IB , oder auf einen anderen Wert. Statt einer Verrechnung von /r und IB könnten in anderen
Beispielen auch die Rohdaten selbst verwendet werden, also z.B. IDPC = IT oder IDPC = IB . Durch die Bildung eines entsprechenden Quotienten in Gl. 2 können andernfalls störende Einflüsse wie sonstige Stoffeigenschaften, Farbe, etc. reduziert werden. Durch die Bildung der Differenz kann insbesondere ein Absorptionsanteil aufgrund eines reellwertigen Anteils der Übertragungsfunktion reduziert werden. IDPC ist proportional zum lokalen Anstieg der Phasenverschiebung aufgrund des Probenobjekts. Die
Phasenverschiebung kann durch eine Änderung der Dicke des Probenobjekts bzw. der Topographie des Probenobjekts verursacht sein und/oder durch eine Änderung der optischen Eigenschaften.
Z.B. können zwei Bilder IDPC sowie IDPC,2 bestimmt werden, einmal mit einem Paar von halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrien, die oben-unten in einer lateralen Ebene senkrecht zum Strahlengang angeordnet sind (IDpc,i), und einmal mit einem Paar von halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrien, die links-rechts in der lateralen Ebene angeordnet sind (lDPC,2 )- Dann kann sowohl IDPC , als auch IDPC>2 beim Bestimmen des Ergebnisbilds berücksichtigt werden, siehe Summationsindexy in Gl. 1 .
Solche Techniken beruhen auf bestimmten Annahmen und Vereinfachungen, beispielsweise im Falle der o.g. Formulierung einer schwachen Objektnäherung (engl, weak object approximation) und der TCC. In anderen Beispielen können aber andere Näherungen und Formalismen verwendet werden. Beispielsweise könnte eine andere Invertierung anstelle der Tichonov-Regularisierung verwendet werden, beispielsweise eine direkte Integration oder eine anderweitig ausgebildete Fourier-Filterung. Auch in solchen Abwandlungen können die grundlegenden Eigenschaften der
Übertragungsfunktion, wie in den verschiedenen Beispielen hierin beschrieben, erhalten bleiben.
FIG. 1 illustriert ein beispielhaftes optisches System 100. Beispielsweise könnte das optische System 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 1 ein Lichtmikroskop implementieren beispielsweise in Durchlichtgeometrie. Ein solches Mikroskop könnte zur
Phasenkontrast-Bildgebung verwendet werden. In anderen Beispielen könnte das optische System 100 gemäß dem Beispiel der FIG. 1 auch ein Lichtmikroskop implementieren, in Auflichtgeometrie. Beispielsweise könnte ein entsprechendes Lichtmikroskop in Auflichtgeometrie zur Materialprüfung verwendet werden. Dazu kann ein Höhenprofil des Probenobjekts erstellt werden.
Mittels des optischen Systems 100 kann es möglich sein, kleine Strukturen eines von einem Probenhalter 1 13 fixierten Probenobjekts vergrößert darzustellen. Beispielsweise könnte das optische System 100 ein Weitfeldmikroskop implementieren, bei welchem eine Probe vollflächig beleuchtet wird. In manchen Beispielen kann die Abbildungsoptik 1 12 ein Abbild des Probenobjekts auf einem Detektor 1 14 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 denkbar.
In manchen Beispielen können Abbildungsoptiken 1 12 mit einer großen Apertur verwendet werden. Beispielsweise könnte die Abbildungsoptik 1 12 eine numerische Apertur von nicht kleiner als 0,2 aufweisen, optional von nicht kleiner als 0,3, weiter optional von nicht kleiner als 0,5. Beispielsweise könnte die Abbildungsoptik 1 12 ein Immersionsobjektiv aufweisen.
Das optische System 100 umfasst auch ein Beleuchtungsmodul 1 1 1. Das
Beleuchtungsmodul 1 1 1 ist eingerichtet, um das Probenobjekt, das auf dem
Probenhalter 1 13 fixiert ist, zu beleuchten. Beispielsweise könnte diese Beleuchtung mittels der Köhler'schen Beleuchtung implementiert werden. Dabei wird eine
Kondensorlinse und eine Kondensor-Aperturblende verwendet. Dies führt zu einer besonders homogenen Intensitätsverteilung des zur Beleuchtung verwendeten Lichts in der Ebene des Probenobjekts. Beispielsweise kann eine partiell inkohärente
Beleuchtung implementiert werden. Das Beleuchtungsmodul 1 1 1 könnte auch eingerichtet sein, um das Probenobjekt in Dunkelfeldgeometrie zu beleuchten.
In dem Beispiel der FIG. 1 ist das Beleuchtungsmodul 1 1 1 eingerichtet, um eine strukturierte Beleuchtung zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass mittels des
Beleuchtungsmoduls 1 1 1 unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien des zur
Beleuchtung des Probenobjekts verwendeten Lichts implementiert werden können. Die unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien können einer Beleuchtung des Probenobjekts aus unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entsprechen.
Dabei sind in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen unterschiedliche Hardware-Implementierungen möglich, um die unterschiedlichen
Beleuchtungsgeometrien bereitzustellen. Beispielsweise könnte das Beleuchtungsmodul 1 1 1 mehrere einstellbare Beleuchtungselemente umfassen, die eingerichtet sind, um lokal Licht zu modifizieren oder auszusenden. Eine Steuerung 1 15 kann das
Beleuchtungsmodul 1 1 1 bzw. die Beleuchtungselemente zum Implementieren einer bestimmten Beleuchtungsgeometrie ansteuern.
Beispielsweise könnten 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 kann alternativ oder zusätzlich auch den Probenhalter 1 13, die Abbildungsoptik 1 12, und / oder den Detektor 1 14 ansteuern.
FIG. 2 illustriert Aspekte in Bezug auf das Beleuchtungsmodul 1 1 1 . In FIG. 2 ist dargestellt, dass das Beleuchtungsmodul 1 1 1 eine Vielzahl von einstellbaren
Beleuchtungslementen 121 in einer Matrixstruktur aufweist. Die Matrixstruktur ist dabei in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang des Lichts orientiert (laterale Ebene;
Ortsraumkoordinaten x, y).
Anstatt einer Matrixstruktur wäre es in anderen Beispielen auch möglich, andere geometrische Anordnungen der einstellbaren Elemente zu verwenden, beispielsweise ringförmig, halbkreisförmig etc.
In einem Beispiel könnten die einstellbaren Beleuchtungselemente 121 als Lichtquellen, beispielsweise als Leuchtdioden, implementiert sein. Dann wäre es zum Beispiel möglich, dass unterschiedliche Leuchtdioden mit unterschiedlicher Lichtstärke Licht zur Beleuchtung des Probenobjekts emittieren. Dadurch kann eine Beleuchtungsgeometrie implementiert werden. In einer weiteren Implementierung könnte das Beleuchtungsmodul 1 1 1 als räumlicher Lichtmodulator (Engl., spatial light modulator, SLM) implementiert sein. Der SLM kann ortsaufgelöst einen Eingriff in eine
Kondensorpupille nehmen, was eine direkte Auswirkung auf die Bildgebung - zum Beispiel formalisiert mittels der TCC abgebildet - haben kann.
FIG. 3 illustriert Aspekte in Bezug auf eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie 300. In FIG. 3 ist die bereitgestellte Lichtstärke 301 für die verschiedenen einstellbaren
Elemente 121 des Beleuchtungsmoduls 1 1 1 entlang der Achse Χ-Χ' aus FIG. 2 dargestellt. Die Beleuchtungsgeometrie 300 weist eine Abhängigkeit von der Position entlang der Achse X-X' auf und ist daher strukturiert.
FIG. 4 illustriert Aspekte in Bezug auf eine beispielhafte Beleuchtungsgeometrie 300. FIG. 4 illustriert die Beleuchtungsgeometrie 300 abstrakt von dem verwendeten Beleuchtungsmodul 1 1 1. In dem Beispiel der FIG. 4 wird eine Beleuchtungsgeometrie 300 verwendet, bei der eine Seite beleuchtet wird (schwarze Farbe in FIG. 4) und die andere Seite nicht beleuchtet wird (weiße Farbe in FIG. 4). In FIG. 5 ist eine weitere beispielhafte Beleuchtungsgeometrie dargestellt (mit entsprechender Farbkodierung, wie bereits in Bezug auf FIG. 4 beschrieben). FIG. 6 illustriert Aspekte in Bezug auf eine beispielhafte Übertragungsfunktion 400
(wobei in FIG. 6 schwarz einen Betrag von +1 und weiß einen Betrag von -1 codiert; die Koordinaten uxund uy sind im Ortsfrequenzraum definiert und entsprechen dort den Ortsraumkoordinaten x und y). Die Übertragungsfunktion 400 kann dazu verwendet werden, um basierend auf einem Bild, welches beispielsweise mit der
Beleuchtungsgeometrie 300 gemäß dem Beispiel der FIG. 4 erfasst wurde, ein
Ergebnisbild zu bestimmen. Das Ergebnisbild kann einen Phasenkontrast aufweisen. Das Ergebnisbild kann ein Höhenprofil des Probenobjekts beinhalten.
In dem Beispiel der FIG. 6 weist die Ü bertrag ungsfunktion 400 eine Symmetrieachse 405 auf, die einer Symmetrieachse 305 der Beleuchtungsgeometrie 300 entspricht. Dadurch kann es möglich sein, dass die Übertragungsfunktion 400 passend zu der Beleuchtungsgeometrie 300 gewählt wird. Dadurch kann das Ergebnisbild einen besonders starken Kontrast aufweisen.
In FIG. 6 ist auch der Durchmesser der Detektorapertur der Abbildungsoptik 1 12 dargestellt. Weil eine partiell inkohärente Beleuchtung verwendet wird, ist die
Übertragungsfunktion bis zur zweifachen Größe der Detektorapertur der
Abbildungsoptik 1 12 ungleich Null.
FIG. 7 illustriert auch Aspekte in Bezug auf eine Übertragungsfunktion 400. Das Beispiel der FIG. 7 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 6. Jedoch ist in dem Beispiel der FIG. 6 die Größe der Detektorapertur größer als in dem Beispiel der FIG. 6 (vgl. horizontale gestrichelte Linien; NA bezeichnet die Größe der Detektorapertur).
Dabei ist aber die Übertragungsfunktion 400 entsprechend skaliert auf die in FIG. 7 im Vergleich zu FIG. 6 vergrößerte Detektorapertur. Beispielsweise könnte die
Übertragungsfunktion 400 gemäß dem Beispiel der FIG. 6 als Referenz- Übertragungsfunktion dienen. Dann könnte zum Beispiel die Steuerung 1 15 eingerichtet sein, um die Übertragungsfunktion 400 gemäß dem Beispiel der FIG. 7 basierend auf einer Skalierung dieser Referenz-Übertragungsfunktion auf die vergrößerte Apertur der Abbildungsoptik 1 12 zu bestimmen.
Basierend auf solchen Techniken ist es möglich, dass Ergebnisbild mit dem
Phasenkontrast auch für Szenarien zu bestimmen, bei denen die Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 1 1 1 kleiner ist als die Größe der Apertur der Abbildungsoptik 1 12. Insbesondere kann es in solchen Beispielen möglich sein, dass eine besonders große Apertur für die Abbildungsoptik 1 12 verwendet wird, was bei bestimmten
Anwendungsfällen zur Bildgebung mittels des optischen Systems 100 erstrebenswert sein kann. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Größe der Apertur des
Beleuchtungsmodul 1 1 1 kleiner ist als 50 % der Größe der Apertur der Abbildungsoptik 1 12, optional kleiner als 20 %, weiter optional kleiner als 5 %. Dadurch kann besonders sensitiv gemessen werden. Aus den Beispielen der FIGs. 6 und 7 ist ersichtlich, dass es möglich sein kann, die Übertragungsfunktion 400 unabhängig von der Größe der Apertur des
Beleuchtungsmodul 1 1 1 zu bestimmen. Dies kann in anderen Worten bedeuten, dass beispielsweise eine Ausdehnung oder bestimmte Merkmale - wie z.B. Extremwerte, Nullstellen, Wendepunkte, etc. - der Übertragungsfunktion 400 nicht von der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 1 1 1 abhängen. Beispielsweise weisen die
Übertragungsfunktionen 400 in den Beispielen der FIGs. 6 und 7 keine Merkmale auf, wie beispielsweise lokale Extremwerte oder Nullstellen, die in Abhängigkeit der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul 1 1 1 im Ortsfrequenzraum - d.h. im zum Ortsraum konjugierten Raum - positioniert wären. Zwischen dem Ortsraum und dem
Ortsfrequenzraum kann durch Fourieranalyse und inverse Fourieranalyse transformiert werden. Ortsfrequenzen bezeichnen dabei den Kehrwehrt einer räumlichen
Periodenlänge. Vielmehr ist der Bereich, innerhalb welchem die Übertragungsfunktion 400 Werte ungleich Null annimmt, durch die Größe der Apertur der Abbildungsoptik 1 12 bestimmt.
Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass es auch für solche, in Abhängigkeit der Größe der Apertur der Abbildungsoptik skalierte Übertragungsfunktionen 400 möglich sein kann, dass Ergebnisbild mit einem aussagekräftigen Kontrast zu bestimmen - beispielsweise einem Phasenkontrast oder mit einem Höhenprofil des Probenobjekts. Dabei kann der Kontrast im Ergebnisbild in manchen Beispielen keine quantitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts beinhalten, jedoch eine qualitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts. Insbesondere kann die qualitative Beschreibung der Phase des Probenobjekts konsistent im Bereich des gesamten Bilds bereitgestellt werden. Insbesondere im Vergleich zu Referenztechniken wie z.B. in DE 10 2014 1 12 242 A1 beschrieben, bei denen unterschiedliche Gradienten der Phase des Probenobjekts - beispielsweise an gegenüberliegenden Kanten des Probenobjekts - mit unterschiedlichem Vorzeichen des Kontrasts im Ergebnisbild abgebildet werden, kann dies einen Vorteil aufweisen.
FIG. 8 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Übertragungsfunktion 400 (wobei in FIG. 8 schwarz einen Betrag von +1 und weiß einen Betrag von -1 codiert; die Koordinaten ux und ty Sind im Ortsfrequenzraum definiert und entsprechen dort den
Ortsraumkoordinaten x und y). Die Übertragungsfunktion 400 kann dazu verwendet werden, um basierend auf einem Bild, welches beispielsweise mit der
Beleuchtungsgeometrie 300 gemäß dem Beispiel der FIG. 5 erfasst wurde, ein
Ergebnisbild mit einem Phasenkontrast zu bestimmen. In FIG. 8 ist auch der
Durchmesser der Detektorapertur der Abbildungsoptik 1 12 dargestellt.
Aus den FIGs. 6-8 ist ersichtlich, dass die Übertragungsfunktion 400 in Abhängigkeit der strukturierten Beleuchtungsgeometrie 300 bestimmt werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Geometrie der Übertragungsfunktion 400 im Ortsfrequenzraum die Beleuchtungsgeometrie 300 im Ortsraum nachbildet. Durch solche Techniken kann ein besonders starker Kontrast in dem Ergebnisbild erzielt werden, d.h. ein hohes Signal- zu-Rauschverhältnis beispielsweise für den Phasenkontrast oder das Höhenprofil. FIG. 9 illustriert Aspekte in Bezug auf verschiedene Übertragungsfunktionen 400
(unterschiedliche Übertragungsfunktionen sind in FIG. 9 mit der durchgezogene Linie, der gestrichelten Linie, der gepunkteten Linie, sowie der gestrichelten-gepunkteten Linie dargestellt). Die in FIG. 9 dargestellten Übertragungsfunktionen 400 können beispielsweise für unterschiedliche Beleuchtungsgeometrien verwendet werden (in FIG. 9 sind die
Beleuchtungsgeometrien nicht dargestellt).
In FIG. 9 ist die Übertragungsfunktion 400 entlang einer Achse ux des
Ortsfrequenzraums dargestellt. In manchen Beispielen könnte die Übertragungsfunktion lediglich entlang einer Koordinate des Ortsfrequenzraums eine Variation aufweisen; in anderen Beispielen könnte aber eine Variation entlang zweier orthogonaler Achsen ux und uy vorliegen. In dem Beispiel der FIG. 9 ist beispielsweise eine Übertragungsfunktion 400 als monoton steigende lineare Funktion ausgebildet (durchgezogene Linie). Außerdem ist in dem Beispiel der FIG. 9 eine weitere Übertragungsfunktion 400 als monoton steigende Sigmoid-Funktion ausgebildet (gestrichelte Linie). In dem Beispiel der FIG. 9 ist eine weitere Übertragungsfunktion 400 als gefaltete, monoton fallende, lineare Funktion ausgebildet (gepunktete Linie). In dem Beispiel der FIG. 9 ist eine weitere
Übertragungsfunktion 400 als Stufenfunktion ausgebildet (gepunktete Linie).
Solche Ausbildungen von Übertragungsfunktionen 400 sind rein beispielhaft und in anderen Beispielen können anders ausgebildete Übertragungsfunktionen verwendet werden oder aber Überlagerungen der in dem Beispiel der FIG. 9 dargestellten
Übertragungsfunktionen 400. Jedoch können die in den verschiedenen hierin
beschriebenen Beispielen verwendete Übertragungsfunktionen bestimmte Merkmale bzw. Charakteristiken aufweisen, die eine besonders gute Bestimmung des Ergebnisbild ermöglichen. Solche Merkmale von verwendeten Übertragungsfunktionen werden nachfolgend beschrieben. Aus den Beispielen der Übertragungsfunktionen 400 in FIG. 9 ist ersichtlich, dass es möglich ist, die Übertragungsfunktionen 400 für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 1 12 ohne lokale Extremwerte auszubilden, d.h. ohne lokale Maxima oder Minima die kleiner wären, als die absoluten Extremwerte (d.h. die Amplituden von +1 bzw. -1 im Beispiel der FIG. 9). Dies kann durch eine monoton steigende oder fallende Übertragungsfunktion erzielt werden, oder durch eine Stufenfunktion.
Eine solche Vermeidung von lokalen Extremwerten kann insbesondere vorteilhafte Effekte in Bezug auf die Reduktion von Signalrauschen bzw. Artefakten im Ergebnisbild aufweisen. Beispielsweise weisen die von Tian und Waller verwendeten
Übertragungsfunktionen (siehe Tian und Waller: FIG. 2, links oben) lokale Extremwerte innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik auf. Manchmal kann es
vorkommen, dass - beispielsweise baulich bedingt - eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Apertur und der nominellen Apertur der Abbildungsoptik vorliegt. Dann kann die Position der lokalen Extremwerte der Übertragungsfunktion in Bezug auf die tatsächliche Apertur falsch im Ortsfrequenzraum positioniert sein; dies bewirkt, dass in den Bildern beinhaltete Frequenzen aufgrund der in Bezug auf die tatsächliche Apertur falsch im Ortsfrequenzraum positionierten lokalen Extremwerte irrtümlicherweise eine starke Verstärkung erfahren, was zu Artefakten im Ergebnisbild führen kann. Indem gemäß der verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele eine Übertragungsfunktion ohne lokale Extremwerte innerhalb der Detektorapertur bzw. der doppelten
Detektorapertur verwendet wird, kann eine solche irrtümliche Verstärkung von in den Bildern beinhalteten Frequenzen aufgrund eines verschoben positionierten lokalen Extremwerts der Übertragungsfunktion vermieden werden. Es resultiert eine
gleichförmige Propagation der in den erfassten Bildern beinhalteten Frequenzen.
Aus den in FIG. 9 dargestellten Beispielen der Übertragungsfunktionen 400 ist ferner ersichtlich, dass Implementierungen möglich sind, bei denen die Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 1 12 bzw. innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 1 12 keine Werte oder im Wesentlichen keine Werte gleich Null annimmt, d.h. lediglich endliche Werte ungleich Null annimmt. Im Allgemeinen kann es manchmal erstrebenswert sein, zu vermeiden, dass die
Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 1 12 bzw. innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 1 12 vergleichsweise kleine Werte - beispielsweise bezogen auf ein Maximum aller Betragswerte der
Übertragungsfunktion für Ortsfrequenzen innerhalb des entsprechenden Bereichs - annimmt. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Übertragungsfunktion für
Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur oder der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 1 12 keine Betragswerte <5 % eines Maximums aller Betragswerte der
Übertragungsfunktion 400 für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 1 12 aufweist, optional keine Werte <2 %, weiter optional keine Werte <0,5 %. Ein solches Verhalten kann z.B. durch eine Stufenfunktion bereitgestellt werden.
Solchen Techniken liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Werte gleich Null für die
Übertragungsfunktion 400 in einer Unterdrückung der entsprechenden in den Bildern beinhalteten Frequenzen entsprechen kann. Oftmals kann es aber erstrebenswert sein, dass innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik 1 12 bzw. innerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 1 12 keine Unterdrückung von entsprechenden in den
Bildern beinhalteten Frequenzen erfolgt. Beispielsweise ist aus Tian und Waller: FIG. 2, links oben ersichtlich, dass in einem ausgedehnten Bereich im Zentrums der Apertur der Optik die Übertragungsfunktion Werte gleich Null annehmen kann. Dabei sind die Bereiche, in denen die Übertragungsfunktion Werte gleich Null annimmt, umso größer, je kleiner ein Verhältnis zwischen der Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul und der Größe der Apertur der Optik ist. Dies bedeutet, dass es gemäß der in Tian und Waller beschriebenen Referenztechniken nicht oder nur eingeschränkt möglich sein kann, ein aussagekräftiges Ergebnisbild mit Phasenkontrast zu bestimmen, wenn die Größe der Apertur des Beleuchtungsmodul signifikant kleiner ist als die Größe der Apertur der Optik. Diese Einschränkung der Referenzimplementierung kann durch die verschiedenen hierin beschriebenen Techniken behoben werden. Insbesondere kann es durch die geeignete Wahl der Übertragungsfunktion ohne Werte gleich Null bzw. sehr kleine Werte innerhalb der einfachen Apertur der Abbildungsoptik 1 12 bzw. der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 1 12 möglich sein, auch für vergleichsweise große Aperturen der Abbildungsoptik 1 12 bzw. vergleichsweise kleine Aperturen des Beleuchtungsmodul 1 1 1 das Ergebnisbild mit dem Phasenkontrast zu bestimmen.
Aus dem Beispiel der FIG. 9 ist ferner ersichtlich, dass die dort dargestellten
Übertragungsfunktionen für Ortsfrequenzen außerhalb der doppelten Apertur der Abbildungsoptik 1 12 Werte gleich Null annehmen. Im Allgemeinen kann es möglich sein, dass Übertragungsfunktionen verwendet werden, außerhalb der von der
Abbildungsoptik 1 12 übertragenen Ortsfrequenzen Werte im Wesentlichen gleich Null annehmen, d.h. typischerweise außerhalb der einfachen Apertur oder der doppelten Apertur bei partiell phaseninkohärenter Beleuchtung. Beispielsweise wäre es möglich, dass die verwendeten Übertragungsfunktionen für Ortsfrequenzen außerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik keine Betragswerte >5 % eines Maximums aller Betragswerte der Übertragungsfunktionen für Ortsfrequenzen innerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik aufweisen, optional keine Werte größer als 2 %, weiter optional keine Werte größer als 0,5 %. Derart kann vermieden werden, dass Artefakte oder Rauschen im Ergebnisbild verstärkt wird. FIG. 10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Zunächst wird in 1001 ein Probenobjekt fixiert, beispielsweise mithilfe eines Probenhalters. Beispielsweise kann das Probenobjekt ein Phasenobjekt sein. Beispielsweise könnte das Probenobjekt Zellen oder Zellkulturen umfassen. Das Probenobjekt könnte ein Phasenobjekt umfassen. 1001 ist optional.
Dann wird in 1002 das Probenobjekt mit ein oder mehreren strukturierten
Beleuchtungsgeometrien beleuchtet. Dazu kann ein entsprechendes
Beleuchtungsmodul entsprechend angesteuert werden. Es wäre zum Beispiel möglich, dass das Probenobjekt mit zwei komplementären Beleuchtungsgeometrien beleuchtet wird, die zum Beispiel halbkreisförmig ausgebildet sind und unterschiedlichen
Halbkreisen innerhalb der Apertur des entsprechenden Beleuchtungsmodul
entsprechen.
In 1003 werden ein oder mehrere Bilder des Probenobjekts mittels einer
Abbildungsoptik sowie mittels eines Detektors, beispielsweise eines CMOS oder CCD- Sensors, erfasst. 1003 kann das entsprechende Ansteuern des Detektors umfassen. Das Bild oder die Bilder beinhalten jeweils ein Abbild des Probenobjekts. Dabei sind unterschiedliche Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien aus 1002 assoziiert.
In manchen Beispielen können zwei Paare von Bildern erfasst werden, die jeweils mit komplementären, halbkreisförmigen Beleuchtungsrichtungen assoziiert sind. In anderen Beispielen könnten aber auch nur zwei Bilder oder drei Bilder erfasst werden.
Es könnte dann eine Differenzbildung erfolgen, z.B. gemäß hinks ~ ^rechts
^ links + ^rechts fopen " Junten
loben + hinten / x
wobei l(links) und l(rechts) die Bilder bezeichnen, die jeweils mit einer links oder rechts orientierten halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrie assoziiert sind und wobei l(oben) und l(unten) die Bilder bezeichnen, die jeweils mit einer oben oder unten orientierten halbkreisförmigen Beleuchtungsgeometrie assoziiert sind.
Auch in Gl. 3 ist das Berücksichtigen des Nenners als Normierung optional. Es wäre möglich, allein die Differenzen zu berücksichtigen. Es könnten auch die Rohdaten llinks bzw. Irechts bzw. Ioben bzw. Iunten verwendet werden, d.h. ohne paarweise Verrechnung gem. Gl. 3 bzw. Gl. 2.
Dann erfolgt in 1004 das Bestimmen eines Ergebnisbildes, welches einen
Phasenkontrast aufweist. Das Bestimmen des Ergebnisbild erfolgt in 1004 basierend auf einer Übertragungsfunktion, welche die Abbildung des Probenobjekts mittels des entsprechenden optischen Systems für die entsprechenden Beleuchtungsgeometrien beschreibt. Das Ergebnisbild wird auch basierend auf dem mindestens einen in 1003 erfassten Bild bestimmt. Dazu könnte Beispielsweise zuvor eine Differenzbildung und ggf. Normierung aus mehreren in 1003 erfassten Bildern erfolgen, die mit
unterschiedlichen Beleuchtungsgeometrien assoziiert sind.
Zum Beispiel könnte das Verfahren gemäß FIG. 10 weiterhin das Skalieren einer Referenz-Übertragungsfunktion auf eine Größe der Apertur der Abbildungsoptik umfassen. Dies bedeutet, dass eine Anpassung der Referenz-Übertragungsfunktion auf die Größe der Apertur der Abbildungsoptik erfolgen kann.
Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, um auch bei vergleichsweise großen Aperturen der verwendeten Abbildungsoptik ein Ergebnisbild zu bestimmen, das einen starken Kontrast aufweist, der z.B. die Phase oder die Höhe eines Probenobjekts kodiert. Diese Techniken beruhen auf einer Berücksichtigung der Größe der Apertur der Abbildungsoptik. Dabei kann beispielsweise eine vorgegebene Referenz-Übertragungsfunktion gemäß der Größe der Apertur der Abbildungsoptik skaliert werden. Die Referenz-Übertragungsfunktion kann deshalb auch als artifizielle Übertragungsfunktion bezeichnet werden, weil sie Abweichungen gegenüber der aufgrund der Beleuchtungsgeometrie theoretisch erwarteten Übertragungsfunktion aufweisen kann. Solche Techniken können bestimmte Vorteile aufweisen. Beispielsweise kann die Größe der Apertur der Abbildungsoptik flexibel dimensioniert werden. Insbesondere könnten beispielsweise Immersionsobjektive verwendet werden. Mittels der hierin beschriebenen Techniken kann durch geeignete Wahl der Übertragungsfunktion ein besonders großer Phasenkontrast im Ergebnisbild erzielt werden. Insbesondere kann eine Verstärkung des Phasenkontrast beispielsweise gegenüber den Referenzimplementierungen gemäß Tian und Waller erfolgen. Außerdem wäre es zum Beispiel möglich, bestimmte Formen von Hardware-implementierten Phasenkontrast Bildern, etwa Zernike-Kontrast, digital nachzubilden.
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.
Die Skalierung der Amplituden der verschiedenen hierin beschriebenen
Übertragungsfunktionen ist rein beispielhaft. Zum Beispiel wurden in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen oftmals Übertragungsfunktionen mit einer Amplitude von +1 bzw. -1 dargestellt, jedoch kann es in anderen Beispielen auch möglich sein, Übertragungsfunktionen mit anderen Amplituden zu verwenden.
Weiterhin wurden beispielsweise verschiedene Implementierungen in Bezug auf Beleuchtung des Probenobjekts mit partiell kohärenten Licht beschrieben. Dabei ist die Bandbreite der übertragenen Ortsfrequenzen gleich der doppelten Apertur der
Abbildungsoptik. In anderen Beispielen könnten aber auch andere Techniken zur Beleuchtung verwendet werden, sodass die Bandbreite der übertragenen
Ortsfrequenzen anders dimensioniert ist. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann dies berücksichtigt werden, indem beispielsweise eine entsprechende Skalierung einer Referenz-Übertragungsfunktion bis zum theoretischen Maximum der übertragenen Ortsfrequenzen erfolgt. Ferner wurden hierin verschiedene Beispiele beschrieben, bei denen eine besonders große Apertur der Abbildungsoptik verwendet wird. Die hierin beschriebenen Beispiele können aber auch für andere Fälle eingesetzt werden, beispielsweise für Fälle in denen die Größe der Apertur des Beleuchtungsmoduls größer oder in etwa gleich zu der
Größe der Apertur der Abbildungsoptik ist. Auch in solchen Fällen kann ein Ergebnisbild mit einem besonders starken Kontrast erzielt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optisches System (100), das umfasst:
- einen Probenhalter (1 13), der eingerichtet ist, um ein Probenobjekt zu fixieren, - ein Beleuchtungsmodul (1 1 1 ), das eingerichtet ist, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) zu beleuchten,
- eine Abbildungsoptik (1 12), die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) beleuchteten
Probenobjekts auf einem Detektor (1 14) zu erzeugen,
- den Detektor (1 14), der eingerichtet ist, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des Probenobjekts zu erfassen, und
- eine Steuerung (1 15), die eingerichtet ist, um basierend auf einer
Übertragungsfunktion (400) und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen, welches einen Phasenkontrast aufweist,
wobei die Übertragungsfunktion (400) einer basierend auf einer Größe einer
Apertur der Abbildungsoptik (1 12) skalierten Referenz-Übertragungsfunktion (400) entspricht.
2. Optisches System (100), das umfasst:
- einen Probenhalter (1 13), der eingerichtet ist, um ein Probenobjekt zu fixieren,
- ein Beleuchtungsmodul (1 1 1 ), das eingerichtet ist, um das Probenobjekt mit mindestens einer strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) zu beleuchten,
- eine Abbildungsoptik (1 12) die eingerichtet ist, um ein Abbild des mit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) beleuchteten
Probenobjekts auf einem Detektor (1 14) zu erzeugen,
- den Detektor (1 14), der eingerichtet ist, um basierend auf dem Abbild mindestens ein Bild des Probenobjekts zu erfassen, und
- eine Steuerung (1 15), die eingerichtet ist, um basierend auf einer
Übertragungsfunktion (400) und dem mindestens einen Bild ein Ergebnisbild zu bestimmen, welches einen Phasenkontrast aufweist,
wobei eine Größe der Apertur des Beleuchtungsmoduls (1 1 1 ) kleiner ist als eine Größe der Apertur der Abbildungsoptik (1 12).
3. Optisches System (100) nach Anspruch 2,
wobei die Übertragungsfunktion (400) einer auf eine Größe einer Apertur der Abbildungsoptik (1 12) skalierter Referenz-Übertragungsfunktion (400) entspricht..
4. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Größe der Apertur des Beleuchtungsmoduls (1 1 1 ) kleiner als 50 % der Größe der Apertur der Abbildungsoptik (1 12) ist, optional kleiner als 20 %, weiter optional kleiner als 5 %. 5. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Übertragungsfunktion (400) für Ortsfrequenzen innerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik (1 12) keine Betragswerte kleiner als 5 % eines Maximums aller Betragswerte der Übertragungsfunktion (400) für Ortsfrequenzen innerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik (1 12) aufweist, optional keine Werte kleiner als 2 %, weiter optional keine Werte kleiner als 0,
5 %.
6. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Übertragungsfunktion (400) für Ortsfrequenzen innerhalb der Apertur der Abbildungsoptik (1 12) keine lokalen Extremwerte aufweist.
7. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Übertragungsfunktion (400) in Abhängigkeit der mindestens einen strukturierten Beleuchtungsgeometrie (300) bestimmt ist.
8. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Übertragungsfunktion (400) eine Stufenfunktion ist.
9. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Übertragungsfunktion (400) eine monoton steigende oder monoton fallende Funktion ist, optional eine lineare Funktion oder eine Sigmoid-Funktion ist.
10. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsfunktion (400) eine Symmetrieachse (405) aufweist, die einer Symmetrieachse (305) der mindestens einen Beleuchtungsgeometrie (300) entspricht.
1 1 . Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Übertragungsfunktion (400) für Ortsfrequenzen außerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik (1 12) keine Betragswerte größer als 5 % eines Maximums aller Betragswerte der Übertragungsfunktion (400) für
Ortsfrequenzen innerhalb der einfachen oder doppelten Apertur der Abbildungsoptik (1 12) aufweist, optional keine Werte größer als 2 %, weiter optional keine Werte größer als 0,5 %.
12. Optisches System (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Steuerung (1 15) eingerichtet ist, um das Ergebnisbild basierend auf einer Tichonov-Regularisierung mit inverser Fourier-Transformation zu bestimmen.
13. Verfahren, das umfasst:
- Beleuchten eines Probenobjekts mit mindestens einer strukturierten
Beleuchtungsgeometrie (300),
- Erzeugen eines Abbilds des mit der mindestens einen strukturierten
Beleuchtungsgeometrie (300) beleuchteten Probenobjekts,
- basierend auf dem Abbild: Erfassen mindestens eines Bilds des Probenobjekts, und
- basierend auf einer Übertragungsfunktion (400) und dem mindestens einen Bild:
Bestimmen eines Ergebnisbilds, welches einen Phasenkontrast aufweist,
wobei die Übertragungsfunktion (400) einer auf eine Größe einer Apertur der Abbildungsoptik (1 12) skalierten Referenz-Übertragungsfunktion (400) entspricht.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei das Verfahren von einem optischen System (100) nach einem der
Ansprüche 1 - 12 ausgeführt wird.
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