專利名稱：測(cè)量和校正多斑掃描設(shè)備中的透鏡畸變的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定成像系統(tǒng)的畸變的方法，該成像系統(tǒng)具有物平面和像平面。本發(fā)明還涉及用于確定具有物平面和像平面的成像系統(tǒng)的畸變的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè) 量系統(tǒng)包括用于在物平面中生成探針光斑的陣列的斑生成器，探針光斑按照一維或二維 布拉維點(diǎn)陣布置；具有敏感區(qū)域的圖像傳感器，該敏感區(qū)域布置為能夠與圖像光斑的陣列 相互作用；以及耦合至圖像傳感器的信息處理設(shè)備。本發(fā)明還涉及使用具有物平面和像平面的成像系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行成像的方法。本發(fā)明還涉及多斑光學(xué)掃描設(shè)備，特別是多斑光學(xué)掃描顯微鏡，包括具有物平面 和像平面的成像系統(tǒng)；斑生成器，用于在物平面中生成探針光斑的陣列，由此在像平面中生 成對(duì)應(yīng)的圖像光斑的陣列，其中探針光斑按照一維或二維布拉維點(diǎn)陣布置；具有敏感區(qū)域 的圖像傳感器，該敏感區(qū)域布置為能夠與圖像光斑的陣列相互作用；以及耦合至圖像傳感 器的信息處理設(shè)備。
背景技術(shù)：
光學(xué)掃描顯微鏡是用于提供顯微樣品的高分辨率圖像的良好確立的技術(shù)。根據(jù) 此技術(shù)，在樣品中生成一個(gè)或數(shù)個(gè)區(qū)別的、高強(qiáng)度光斑。因?yàn)闃悠氛{(diào)制光斑的光，所以檢測(cè) 并分析來(lái)自光斑的光產(chǎn)生關(guān)于光斑處的樣品的信息。通過(guò)掃描樣品相對(duì)光斑的相對(duì)位置， 獲得了樣品的完全的二維或三維圖像。該技術(shù)在如下領(lǐng)域找到了應(yīng)用生命科學(xué)(生物樣 本的檢查和研究)、數(shù)字病理學(xué)(使用顯微載玻片的數(shù)字化圖像的病理學(xué))、基于自動(dòng)化圖 像的診斷學(xué)(例如，對(duì)于宮頸癌、瘧疾、肺結(jié)核)、如快速微生物學(xué)(RMB)的微生物學(xué)篩選 (screening)、以及工業(yè)計(jì)量學(xué)。通過(guò)收集在任何方向上離開光斑的光，可以從該方向?qū)悠分猩傻墓獍哌M(jìn)行成 像。特別是，可以以透射方式對(duì)光斑進(jìn)行成像，即，通過(guò)在樣品的遠(yuǎn)側(cè)檢測(cè)光。替代地，可以 以反射方式對(duì)光斑進(jìn)行成像，即，通過(guò)在樣品的近側(cè)檢測(cè)光來(lái)對(duì)光斑進(jìn)行成像。在共焦掃描 顯微鏡技術(shù)中，通常經(jīng)由生成光斑的光學(xué)器件，即經(jīng)由光斑生成器，以反射方式對(duì)光斑進(jìn)行 成像。US6248988B1提出了多斑掃描光學(xué)顯微鏡，其特征在于照明物體的多個(gè)獨(dú)立的 聚焦的光斑的陣列和對(duì)每個(gè)獨(dú)立的斑檢測(cè)來(lái)自物體的光的對(duì)應(yīng)陣列檢測(cè)器。以相對(duì)于斑的 行的小角度掃描陣列和物體的相對(duì)位置于是使得物體的整個(gè)場(chǎng)被相繼地照明并被成像在 多個(gè)像素上。由此，掃描速度得到了相當(dāng)大的增加。此目的所需的光斑的陣列通常由準(zhǔn)直光束生成，該光束由斑生成器合適地調(diào)整以 在距斑生成器一定距離處形成光斑。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，斑生成器是折射類型的或衍射類型的。 折射斑生成器包括諸如微透鏡陣列的透鏡系統(tǒng)，以及諸如W02006/035393中提出的二元相 結(jié)構(gòu)的相結(jié)構(gòu)。關(guān)于本申請(qǐng)中的圖，不同圖中出現(xiàn)的任何參考數(shù)字表示相同或類似的部件。圖1示意性地示例了多斑光學(xué)掃描顯微鏡的范例。顯微鏡10包括激光器20、準(zhǔn)直
5器透鏡14、分束器16、正向感測(cè)光電檢測(cè)器18、斑生成器20、樣品組件22、掃描臺(tái)30、成像 光學(xué)器件32、像素化光電檢測(cè)器34形式的圖像傳感器、視頻處理集成電路(IC)36、以及個(gè) 人計(jì)算機(jī)(PC)38。樣品組件22能夠由蓋片Μ、樣品26、以及顯微鏡載玻片觀構(gòu)成。樣品 組件22放置在耦合至電動(dòng)機(jī)(未示出)的掃描臺(tái)30上。成像光學(xué)器件32由用于得到光 學(xué)圖像的第一物鏡3 和第二透鏡3 構(gòu)成。物鏡3 和3 可以是復(fù)合物鏡。激光器12 發(fā)射由準(zhǔn)直器透鏡14準(zhǔn)直并入射到分束器16上的光束。光束的透射部分由用于測(cè)量激光 器12的光輸出的正向感測(cè)光電檢測(cè)器18捕獲。此測(cè)量的結(jié)果由激光器驅(qū)動(dòng)器(未示出) 使用以控制激光器的光輸出。光束的反射部分入射到斑生成器20上。斑生成器20調(diào)整入 射光束以在樣品26中產(chǎn)生探針光斑的陣列6 (圖2中所示)。成像光學(xué)器件32具有與樣品 26的位置重合的物平面40和與像素化光電檢測(cè)器32的敏感表面44重合的像平面42。成 像光學(xué)器件32在像平面44中生成由掃描斑的陣列照明的樣品沈的光學(xué)圖像。從而，在像 素化光電檢測(cè)器34的敏感區(qū)域44上生成圖像光斑的陣列。從光電檢測(cè)器34讀出的數(shù)據(jù) 由視頻處理IC 36處理成顯示的數(shù)字圖像并且還可能由PC 38處理。圖2中，示意性地陳述了在圖3中所示的樣品沈中生成的光斑的陣列6。陣列6 沿具有間距P的方形單位晶胞的矩形點(diǎn)陣布置。格子的兩個(gè)主軸分別取X和y方向。陣列 以與χ或y方向成斜角Y的方向?qū)悠愤M(jìn)行掃描。陣列包括標(biāo)注(i，j) WLxXLyA斑，其 中i和j分別從1至Lx和Ly。每個(gè)斑在χ方向上掃描線81、82、83、84、85、86，相鄰線之間的 y間隔為R/2，其中R為分辨率且R/2為采樣距離。分辨率與角、具有如下關(guān)系p sin γ = R/2和ρ cosy =Lx R/2。掃描的“條”的寬度為w = LR/2。以速度ν對(duì)樣品進(jìn)行掃描， 產(chǎn)生wv = LRv/2的吞吐量(單位時(shí)間的掃描面積)。清楚地，高掃描速度對(duì)吞吐量是有利 的。然而，沿掃描方向的分辨率由v/f給出，其中f為圖像傳感器的幀速率。從圖像傳感器的每個(gè)單位區(qū)域讀出強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時(shí)，掃描樣品能夠使得掃描過(guò)程 非常慢。因此，圖像數(shù)據(jù)通常僅從與圖像光斑的預(yù)測(cè)位置匹配的那些單位區(qū)域讀出。通常 地，通過(guò)將點(diǎn)陣擬合到記錄的圖像，在掃描樣品前的預(yù)準(zhǔn)備的步驟中確定圖像光斑的位置。 與確定斑的位置相比，擬合點(diǎn)陣具有某些優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需考慮斑之間的關(guān)系。首先，測(cè)量誤差是 更魯棒的。其次，避免了記憶斑的單個(gè)位置的需要。第三，從點(diǎn)陣參數(shù)計(jì)算斑位置能夠比從 存儲(chǔ)器讀取斑位置迅速得多。問(wèn)題是，通常，諸如以上參照?qǐng)D1討論的透鏡系統(tǒng)32的光學(xué)成像系統(tǒng)經(jīng)受了畸變。 此畸變能夠是桶型畸變或針墊型畸變，導(dǎo)致得到的圖像的向外或向內(nèi)凸出的外觀。此畸變 通常在一定程度上在含有光學(xué)透鏡或彎曲鏡的所有像機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡中出現(xiàn)?；兪咕?形點(diǎn)陣邊形為彎曲點(diǎn)陣。結(jié)果，將布拉維點(diǎn)陣擬合到記錄的圖像斑的步驟不正確地運(yùn)作。在 一些點(diǎn)陣點(diǎn)，實(shí)際斑發(fā)生了顯著的移位。結(jié)果，點(diǎn)陣點(diǎn)附近的強(qiáng)度與斑附近的強(qiáng)度不對(duì)應(yīng)， 并且將在數(shù)字圖像中出現(xiàn)假象。與常規(guī)光學(xué)顯微鏡相比，光學(xué)成像系統(tǒng)的畸變的影響在由 多斑掃描光學(xué)系統(tǒng)生成的圖像中更加顯著。在常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的情況下，諸如常規(guī)光學(xué)顯微 鏡或像機(jī)，畸變的影響主要限于圖像的角落。相反，在多斑掃描光學(xué)系統(tǒng)的情況下，畸變的 影響分布在整個(gè)數(shù)字圖像上。這歸因于相鄰掃描線能夠源自光學(xué)系統(tǒng)的整個(gè)視場(chǎng)上非常分 散的斑的事實(shí)，這能夠從上述圖2推得。本發(fā)明的目的是提供用于測(cè)量成像系統(tǒng)的畸變的方法和設(shè)備。本發(fā)明的另一目的 是提供用于生成具有改善的質(zhì)量的數(shù)字圖像的方法和光學(xué)掃描設(shè)備。
這些目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求中概述了進(jìn)一步的說(shuō)明和 優(yōu)選實(shí)施例。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種確定成像系統(tǒng)的畸變的方法包括如下步驟-在物平面中生成探針光斑的陣列，由此在像平面中生成對(duì)應(yīng)的圖像光斑的陣列， 其中，所述探針光斑根據(jù)一維或二維布拉維點(diǎn)陣布置；-設(shè)置圖像傳感器，使得其敏感區(qū)域與所述圖像光斑相互作用；-從所述圖像傳感器讀取圖像數(shù)據(jù)；-通過(guò)分析所述圖像數(shù)據(jù)確定所述圖像傳感器上的所述圖像光斑的位置；以及-擬合映射函數(shù)，使得所述映射函數(shù)將輔助點(diǎn)陣的點(diǎn)陣點(diǎn)映射到所述圖像光斑的 所述位置，其中，所述輔助點(diǎn)陣在幾何結(jié)構(gòu)上類似于所述探針光斑的所述布拉維點(diǎn)陣。于此，應(yīng)當(dāng)理解，映射函數(shù)將平面的任何點(diǎn)映射到平面的另一點(diǎn)。映射函數(shù)從而指 示所述成像系統(tǒng)的畸變。還假定映射函數(shù)是取決于一或數(shù)個(gè)參數(shù)的公知函數(shù)。擬合映射函 數(shù)從而涉及調(diào)節(jié)這些參數(shù)的值。可以調(diào)節(jié)所述一或數(shù)個(gè)參數(shù)，以便例如最小化映射的輔助 點(diǎn)陣點(diǎn)和圖像光斑的位置之間的平均偏差。在布拉維點(diǎn)陣為二維的情況下，其可以是五個(gè) 現(xiàn)存類型的布拉維點(diǎn)陣中的任意的點(diǎn)陣斜的、矩形的、中心矩形的、六角的、以及方形的。 輔助點(diǎn)陣在幾何結(jié)構(gòu)上類似于探針光斑的布拉維點(diǎn)陣，輔助點(diǎn)陣是與探針光斑的點(diǎn)陣相同 類型的布拉維點(diǎn)陣。從而，兩個(gè)點(diǎn)陣最多在其大小上以及在像平面中它們的取向上不同。根 據(jù)布拉維點(diǎn)陣布置探針光斑是特別有利的，因?yàn)檫@容許對(duì)除畸變本身以外的參數(shù)的快速識(shí) 別，特別是圖像光斑的畸變點(diǎn)陣相對(duì)于輔助點(diǎn)陣的取向，以及它們的大小比率。映射函數(shù)可以是旋轉(zhuǎn)函數(shù)和畸變函數(shù)的復(fù)合，其中，所述旋轉(zhuǎn)函數(shù)將所述像平面 的每個(gè)點(diǎn)繞垂直于所述像平面的軸(旋轉(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)幅度對(duì)于所述像平面的所有點(diǎn)相同的角 度，所述軸通過(guò)中心點(diǎn)，并且其中，所述畸變函數(shù)將所述像平面的每個(gè)點(diǎn)在徑向方向上相對(duì) 于所述中心點(diǎn)平移到徑向平移點(diǎn)，所述中心點(diǎn)與所述平移點(diǎn)之間的距離是所述中心點(diǎn)與所 述未平移原點(diǎn)之間的距離的函數(shù)。所述中心點(diǎn)，即旋轉(zhuǎn)軸切割像平面的點(diǎn)，可以位于圖像場(chǎng) 的中心。旋轉(zhuǎn)軸可以特別地與成像系統(tǒng)的光軸重合。然而，這不是必需的情況。旋轉(zhuǎn)軸可 以通過(guò)像平面中的任意點(diǎn)，甚至通過(guò)由傳感器實(shí)際捕獲的像平面的部分的外側(cè)的點(diǎn)。從而， 詞語(yǔ)“中心”這里指畸變的中心，而不是例如圖像場(chǎng)或圖像傳感器的敏感區(qū)域的中點(diǎn)。如果 輔助點(diǎn)陣和探針光斑的布拉維點(diǎn)陣相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)一定角度，則需要旋轉(zhuǎn)函數(shù)。例如，輔助 點(diǎn)陣可以限定為使得其點(diǎn)陣向量之一平行于圖像傳感器的敏感區(qū)域的邊緣之一，而圖像光 斑的點(diǎn)陣的對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣向量和敏感區(qū)域的邊緣限定非零角。關(guān)于畸變函數(shù)，中心點(diǎn)與平移點(diǎn) 之間的距離可以特別是中心點(diǎn)與未平移原點(diǎn)之間的距離的非線性函數(shù)?；兒瘮?shù)可以具有以下形式r' = Y f (β , r)r,r是從所述中心點(diǎn)到所述像平面的任意點(diǎn)的向量，r'是從所述中心點(diǎn)到所述徑向 平移點(diǎn)的向量，β為畸變參數(shù)，Y為比例(scale)因子，r為向量r的長(zhǎng)度，以及因子f ( β， r)為β和r的函數(shù)。因子f(i3，r)可以如下給出
f (β , r) = 1+βτ20從而，如下給出畸變函數(shù)r' = γ (l+β r2)r,
其是本領(lǐng)域公知的形式。擬合所述映射函數(shù)的步驟可以包括首先擬合所述旋轉(zhuǎn)函數(shù)；以及然后擬合所述 畸變函數(shù)。旋轉(zhuǎn)函數(shù)可以例如擬合到僅與畸變效應(yīng)可以忽略的敏感區(qū)域的中心區(qū)相關(guān)的記 錄的圖像數(shù)據(jù)。一旦確定了旋轉(zhuǎn)函數(shù)，至少是近似地確定了旋轉(zhuǎn)函數(shù)，則可以更容易地?cái)M合 畸變函數(shù)。當(dāng)然，可以結(jié)合畸變函數(shù)進(jìn)一步調(diào)節(jié)映射函數(shù)。擬合所述映射函數(shù)的步驟可以包括首先擬合所述比例因子Y的值；以及然后擬 合所述畸變參數(shù)β的值?？梢岳绺鶕?jù)與畸變效應(yīng)可以忽略的敏感區(qū)域的中心區(qū)相關(guān)的 圖像數(shù)據(jù)確定比例因子Y，至少是近似地確定。在擬合所述映射函數(shù)的步驟中，可以迭代確定所述映射函數(shù)。可以例如通過(guò)遺傳 算法或通過(guò)最陡下降方法確定映射函數(shù)?？梢栽谛畔⑤d體上存儲(chǔ)所述映射函數(shù)。在此上下文中，“存儲(chǔ)所述映射函數(shù)”意指 存儲(chǔ)描繪映射函數(shù)所需的所有參數(shù)，諸如旋轉(zhuǎn)角以及畸變參數(shù)。特別是可以在耦合至圖像 傳感器的信息處理設(shè)備的隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)映射函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，用于確定成像系統(tǒng)的畸變的測(cè)量系統(tǒng)包括-斑生成器，用于在所述物平面中生成探針光斑的陣列，所述探針光斑根據(jù)一維或 二維布拉維點(diǎn)陣布置，-圖像傳感器，具有敏感區(qū)域，所述敏感區(qū)域布置為能夠與圖像光斑的陣列相互作 用，以及-信息處理設(shè)備，耦合至所述圖像傳感器，其中，所述信息處理設(shè)備承載用于執(zhí)行如權(quán)利要求1所述的方法的如下步驟的可 執(zhí)行指令-從所述圖像傳感器讀取圖像數(shù)據(jù)；-確定所述圖像光斑的位置；以及-擬合映射函數(shù)。所述圖像傳感器可以特別是像素化圖像傳感器，諸如像素化光電檢測(cè)器。信息處 理設(shè)備可以包括集成電路、PC、或任何其它類型的數(shù)據(jù)處理裝置，特別是任何可編程信息處 理設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，對(duì)樣品進(jìn)行成像的方法包括以下步驟-在所述物平面中設(shè)置所述樣品；-在所述物平面中，從而在所述樣品中，生成探針光斑的陣列，由此在所述像平面 中生成對(duì)應(yīng)的圖像光斑的陣列，其中，所述探針光斑根據(jù)一維或二維布拉維點(diǎn)陣布置；-設(shè)置圖像傳感器，使得其敏感區(qū)域與所述圖像光斑相互作用；-通過(guò)將映射函數(shù)應(yīng)用于輔助點(diǎn)陣的點(diǎn)陣點(diǎn)，確定所述圖像傳感器的所述敏感區(qū) 域上的讀出點(diǎn)，所述輔助點(diǎn)陣在幾何結(jié)構(gòu)上類似于所述探針光斑的布拉維點(diǎn)陣；以及-從所述敏感區(qū)域上的所述讀出點(diǎn)讀取圖像數(shù)據(jù)。圖像傳感器可以特別是像素化圖像傳感器。在此情況下，讀取圖像數(shù)據(jù)的步驟可以包括-從讀出集讀取圖像數(shù)據(jù)，每個(gè)讀出集與對(duì)應(yīng)的讀出點(diǎn)相關(guān)聯(lián)并包括圖像傳感器 的一個(gè)或多個(gè)像素，所述一個(gè)或多個(gè)像素位于對(duì)應(yīng)的讀出點(diǎn)處或位于其附近。所述探針光斑的陣列和所述圖像光斑的陣列可以相對(duì)于所述圖像傳感器是不可 動(dòng)的。于是，所述方法可以包括以下步驟通過(guò)所述探針光斑的陣列掃描所述樣品。由此， 相對(duì)于所述樣品對(duì)所述探針光斑的陣列進(jìn)行移位，由此探測(cè)樣品上不同位置。所述方法還可以包括以下步驟通過(guò)如本發(fā)明的第一方面所述的方法擬合所述映 射函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，耦合到多斑光學(xué)掃描設(shè)備的圖像傳感器的信息處理設(shè)備 承載用于執(zhí)行以上參照本發(fā)明的第三方面討論的方法的以下步驟的可執(zhí)行指令-確定所述圖像傳感器上的讀出點(diǎn)；以及-從讀出點(diǎn)讀取圖像數(shù)據(jù)。從而，能夠以自動(dòng)方式確定圖像傳感器上的讀出位置，并且能夠以自動(dòng)方式從讀 出點(diǎn)讀取圖像數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)以上參照本發(fā)明的第一方面描述的方法確定映射函數(shù)。映射 函數(shù)的特征可以例如在于以上介紹的畸變參數(shù)β。所述圖像傳感器的所述敏感區(qū)域是平的。應(yīng)當(dāng)注意，可以主要通過(guò)使用具有近似 彎曲的敏感區(qū)域的圖像傳感器補(bǔ)償圖像畸變。然而，平的圖像傳感器比彎曲的圖像傳感器 的制造要簡(jiǎn)單得多，并且能夠通過(guò)以近似方式確定讀出點(diǎn)來(lái)克服使用平的圖像傳感器時(shí)通 常產(chǎn)生的畸變的問(wèn)題，如以上所解釋的。多斑光學(xué)掃描設(shè)備可以包括如關(guān)于本發(fā)明的第二方面描述的測(cè)量系統(tǒng)。這容許借 助于多斑光學(xué)掃描設(shè)備本身擬合映射函數(shù)。在此情況下，所述斑生成器、所述圖像傳感器、以及所述信息處理設(shè)備可以分別是 所述測(cè)量系統(tǒng)的所述斑生成器、所述圖像傳感器、以及所述信息處理設(shè)備。從而，可以為兩 個(gè)目的采用這些元件中的每一個(gè)，兩個(gè)目的即確定成像系統(tǒng)的畸變和探測(cè)樣品?？傊?，本發(fā)明給出了用于校正由多斑掃描光學(xué)設(shè)備的光學(xué)成像系統(tǒng)的通?；円?起的假象的方法，該多斑掃描光學(xué)設(shè)備特別是多斑掃描光學(xué)顯微鏡?？梢圆捎霉鈱W(xué)設(shè)備中 的斑陣列的已知規(guī)律首先測(cè)量、以及然后校正存在于光學(xué)成像系統(tǒng)中的桶或針墊型透鏡畸 變。由此，大大減小了多斑顯微鏡生成的圖像中的所述畸變引起的假象，如果不是完全消除 這些假象的話。該方法總體容許改善由多斑設(shè)備獲取的圖像。同時(shí)，其容許使用具有更強(qiáng) 的桶畸變的較便宜的透鏡，同時(shí)保持相同的圖像質(zhì)量。附加地，于此概述的發(fā)明能夠用于測(cè) 量各種光學(xué)系統(tǒng)的透鏡畸變。


圖1示意性地示例多斑光學(xué)掃描設(shè)備的范例；圖2示意性地示例在樣品內(nèi)生成的光斑的陣列；圖3示例圖像光斑的記錄的陣列和輔助點(diǎn)陣；圖4示例圖3中所示的圖像光斑的記錄的陣列以及映射的輔助點(diǎn)陣；圖5示例旋轉(zhuǎn)函數(shù)；圖6示例畸變函數(shù)；
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法的流程圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第三方面的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖3中描繪的是以上參照?qǐng)D1描述的圖像傳感器34的敏感區(qū)域44。還指示了借 助于成像光學(xué)器件32聚焦在敏感區(qū)域44上的圖像光斑46。還指示了與圖1中所示的探針 光斑6的布拉維點(diǎn)陣8在幾何結(jié)構(gòu)上類似的輔助布拉維點(diǎn)陣46。輔助點(diǎn)陣48的大小和取 向選擇為使得其點(diǎn)陣點(diǎn)，即用于示例點(diǎn)陣48的線的交點(diǎn)，與圍繞敏感區(qū)域44的中心點(diǎn)的區(qū) 中的圖像光斑48重合，中心點(diǎn)為成像系統(tǒng)34的光軸(未示出)切割敏感區(qū)域44的點(diǎn)。要 強(qiáng)調(diào)的是，圖像光斑46是有形的，輔助點(diǎn)陣48是抽象概念。確定敏感區(qū)域44上的讀出點(diǎn) 的簡(jiǎn)單方法是選擇輔助點(diǎn)陣48的點(diǎn)陣點(diǎn)為讀出點(diǎn)，敏感區(qū)域是記錄的光強(qiáng)度值待讀出的 區(qū)域。然而，歸因于成像系統(tǒng)32的桶型畸變，輔助點(diǎn)陣48的點(diǎn)和圖像光斑46的位置之間 的一致性在敏感區(qū)域44的角落附近相當(dāng)差。雖然在敏感區(qū)域的中心，一致性是很好的，但 是就討論的點(diǎn)與圖像中心之間的距離來(lái)說(shuō)，其惡化了。從而，如果記錄的強(qiáng)度是讀出的輔助 布拉維點(diǎn)陣48的點(diǎn)陣點(diǎn)，將在樣品的數(shù)字圖像中引起實(shí)質(zhì)上的假象，這歸因于在讀出點(diǎn)記 錄的強(qiáng)度通常顯著低于在圖像光斑46的位置的強(qiáng)度的事實(shí)。圖4中所示的是以上參照?qǐng)D3討論的敏感區(qū)域44和圖像光斑46。還指示了畸變 點(diǎn)陣50。通過(guò)將映射函數(shù)應(yīng)用于布拉維點(diǎn)陣48的每個(gè)點(diǎn)陣，從以上參照?qǐng)D3討論的輔助布 拉維點(diǎn)陣48獲得畸變點(diǎn)陣50，該映射函數(shù)將圖平面(即圖1中所示的像平面42)的任意 點(diǎn)映射為圖平面的另一點(diǎn)。在最一般的形式上，映射函數(shù)為平移、旋轉(zhuǎn)以及畸變的復(fù)合。然 而，歸因于點(diǎn)陣的周期性，可以忽略平移函數(shù)。在所示的范例中，通過(guò)首先分析圖像傳感器 的整個(gè)敏感區(qū)域44以找出圖像光斑46的位置，然后擬合畸變參數(shù)β，使得畸變點(diǎn)陣50的 每個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)與對(duì)應(yīng)圖像光斑46的位置重合，來(lái)確定映射函數(shù)。然后選擇畸變布拉維點(diǎn)陣50 的點(diǎn)陣點(diǎn)為讀出點(diǎn)。通過(guò)僅從覆蓋讀出點(diǎn)的敏感區(qū)域44的那些像素提取強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在圖1 中所示的探針光斑6的位置獲得了關(guān)于圖1中所示的樣品沈的正確信息(無(wú)假象)。以不 是在布拉維點(diǎn)陣48的點(diǎn)陣點(diǎn)而是在畸變布拉維點(diǎn)陣50的點(diǎn)陣點(diǎn)獲取斑的強(qiáng)度的模式操作 多斑顯微鏡在得到的強(qiáng)度和對(duì)比圖像中產(chǎn)生顯著較少的假象。作為附加的好處，找出讀出 點(diǎn)的此畸變補(bǔ)償方法還返回光學(xué)系統(tǒng)的畸變性質(zhì)(畸變軸和強(qiáng)度)。提出的用于消除多斑圖像中的畸變的方法從而包括兩步。第一步是通過(guò)利用斑陣 列的已知規(guī)格結(jié)構(gòu)，測(cè)量光學(xué)成像系統(tǒng)的實(shí)際桶型或針墊型透鏡畸變的參數(shù)。第二步是調(diào) 整圖像傳感器上獲取單個(gè)斑的強(qiáng)度數(shù)據(jù)的位置。根據(jù)本發(fā)明，使用從圖像傳感器獲取的數(shù) 字圖像，在數(shù)字域上有利地執(zhí)行兩個(gè)步驟。通過(guò)利用斑陣列的常規(guī)結(jié)構(gòu)測(cè)量透鏡畸變的直接的方法是借助于迭代。通過(guò)使輔 助布拉維點(diǎn)陣迭代地畸變直至其擬合傳感器圖像中的斑的記錄的布置，獲得了透鏡的(系 統(tǒng)的)的畸變參數(shù)。例如，在方形點(diǎn)陣的情況下，斑(j，k)的位置如下定義，i和k為整數(shù)〒β二 〒q+ MjkArjt =(j\k)p
其中，^是圖像的中心，且其中χ和y軸沿陣列的方向。于是畸變的點(diǎn)陣如下給出 斑(j，k)的位置
權(quán)利要求
1.一種確定成像系統(tǒng)(32)的畸變的方法，所述成像系統(tǒng)具有物平面(40)和像平面 (42)，其中所述方法包括如下步驟-在所述物平面(40)中生成(201)探針光斑(6)的陣列，由此在所述像平面(42)中 生成對(duì)應(yīng)的圖像光斑(46)的陣列，其中，所述探針光斑(6)根據(jù)一維或二維布拉維點(diǎn)陣(8)布置；-設(shè)置(202)圖像傳感器(34)，使得其敏感區(qū)域(44)與所述圖像光斑(46)相互作用； -從所述圖像傳感器(34)讀取(203)圖像數(shù)據(jù)；-通過(guò)分析所述圖像數(shù)據(jù)確定(204)所述敏感區(qū)域(44)上的所述圖像光斑(46)的位 置；以及-擬合(205)映射函數(shù)，使得所述映射函數(shù)將輔助點(diǎn)陣(48)的點(diǎn)陣點(diǎn)映射到所述圖像 光斑(46)的所述位置，其中，所述輔助點(diǎn)陣(48)在幾何結(jié)構(gòu)上類似于所述探針光斑(6)的 所述布拉維點(diǎn)陣(8)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述映射函數(shù)是旋轉(zhuǎn)函數(shù)和畸變函數(shù)的復(fù)合，其 中，所述旋轉(zhuǎn)函數(shù)將所述像平面(42)的每個(gè)點(diǎn)(56)繞垂直于所述像平面的軸旋轉(zhuǎn)幅度對(duì) 于所述像平面(42)的所有點(diǎn)相同的角度(68)，所述軸通過(guò)中心點(diǎn)(54)，并且其中，所述畸 變函數(shù)將所述像平面的每個(gè)點(diǎn)(56)在徑向方向上相對(duì)于所述中心點(diǎn)(54)平移到徑向平移 點(diǎn)(64)，所述中心點(diǎn)(54)與所述平移點(diǎn)(64)之間的距離是所述中心點(diǎn)(54)與所述未平移 原點(diǎn)(56)之間的距離的函數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述畸變函數(shù)具有以下形式 r' = Yf (β , r)r,r是從所述中心點(diǎn)(54)到所述像平面(42)的任意點(diǎn)(56)的向量，r'是從所述中心 點(diǎn)(54)到所述徑向平移點(diǎn)(64)的向量，β為畸變參數(shù)，Y為比例參數(shù)，r為r的長(zhǎng)度，以 及因子f(i3，r)為β和r的函數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述因子f(β，r)如下給出 f (β , r) = 1+βι·2。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，擬合(205)所述映射函數(shù)的步驟包括 -首先擬合所述旋轉(zhuǎn)函數(shù)；以及-然后擬合所述畸變函數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，擬合(205)所述映射函數(shù)的步驟包括 -首先擬合所述比例因子Y的值；以及-然后擬合所述畸變參數(shù)β的值。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，擬合(205)所述映射函數(shù)的步驟包括 -迭代確定所述映射函數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟 -在信息載體(36、38)上存儲(chǔ)(206)所述映射函數(shù)。
9.一種用于確定具有物平面(40)和像平面(42)的成像系統(tǒng)(32)的畸變的測(cè)量系統(tǒng) (10)，所述測(cè)量系統(tǒng)包括-斑生成器(10)，用于在所述物平面(40)中生成探針光斑(6)的陣列，由此在所述像 平面(42)中生成對(duì)應(yīng)的圖像光斑(46)的陣列，所述探針光斑根據(jù)一維或二維布拉維點(diǎn)陣⑶布置，-圖像傳感器(34)，具有敏感區(qū)域(44)，所述敏感區(qū)域布置為能夠與所述圖像光斑 (46)的所述陣列相互作用，以及_信息處理設(shè)備(36、38)，耦合至所述圖像傳感器(34)，其中，所述信息處理設(shè)備承載用于執(zhí)行如權(quán)利要求1的方法所述的如下步驟的可執(zhí)行 指令-從所述圖像傳感器(34)讀取(203)圖像數(shù)據(jù)； -確定所述圖像光斑(46)的位置；以及 -擬合(205)映射函數(shù)。
10.一種使用具有物平面(40)和像平面(42)的成像系統(tǒng)(32)對(duì)樣品(26)進(jìn)行成像 的方法，所述方法包括如下步驟-在所述物平面(40)中設(shè)置所述樣品(26)；-在所述物平面(40)中，從而在所述樣品中，生成(302)探針光斑(6)的陣列，由此在 所述像平面(42)中生成對(duì)應(yīng)的圖像光斑(46)的陣列，其中，所述探針光斑根據(jù)一維或二維 布拉維點(diǎn)陣(8)布置；-設(shè)置(303)圖像傳感器(34)，使得其敏感區(qū)域(44)與所述圖像光斑(46)相互作用； -通過(guò)將映射函數(shù)應(yīng)用于輔助點(diǎn)陣(48)的點(diǎn)陣點(diǎn)，確定(304)所述圖像傳感器(34)的 所述敏感區(qū)域(44)上的讀出點(diǎn)，所述輔助點(diǎn)陣在幾何結(jié)構(gòu)上類似于所述探針光斑(6)的所 述布拉維點(diǎn)陣(8)；以及-從所述敏感區(qū)域(44)上的所述讀出點(diǎn)讀取(305)圖像數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述探針光斑(6)的所述陣列和所述圖像光斑 (46)的所述陣列相對(duì)于所述圖像傳感器(34)是不可動(dòng)的，并且其中，所述方法包括如下步 驟-通過(guò)所述探針光斑(6)的所述陣列掃描所述樣品(26)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括如下步驟-通過(guò)如權(quán)利要求1所述的方法擬合(205)所述映射函數(shù)。
13.—種多斑光學(xué)掃描設(shè)備(10)，特別是多斑光學(xué)掃描顯微鏡，包括 -成像系統(tǒng)(32)，具有物平面(40)和像平面(42)，-斑生成器(20)，用于在所述物平面(40)中生成探針光斑(6)的陣列，由此在所述像 平面(42)中生成對(duì)應(yīng)的圖像光斑(46)的陣列，其中，所述探針光斑(6)根據(jù)一維或二維布 拉維點(diǎn)陣(8)布置；-圖像傳感器(34)，具有敏感區(qū)域(44)，所述敏感區(qū)域布置為能夠與所述圖像光斑 (46)的所述陣列相互作用；以及_信息處理設(shè)備(36、38)，耦合至所述圖像傳感器(34)，其中，所述信息處理設(shè)備承載用于執(zhí)行如權(quán)利要求10的方法所述的如下步驟的可執(zhí) 行指令-確定(304)所述圖像傳感器(34)上的讀出點(diǎn)；以及 -從所述讀出點(diǎn)讀取(305)圖像數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求13所述的多斑光學(xué)掃描設(shè)備(10)，其中，所述圖像傳感器(34)的所述敏感區(qū)域(44)是平的。
15.如權(quán)利要求13所述的多斑光學(xué)掃描設(shè)備(10)，其中，所述多斑光學(xué)掃描設(shè)備包括 如權(quán)利要求9所述的測(cè)量系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求15所述的多斑光學(xué)掃描設(shè)備(10)，其中，所述斑生成器(20)、所述圖像 傳感器(34)、以及所述信息處理設(shè)備(36、38)分別是所述測(cè)量系統(tǒng)的所述斑生成器(20)、 所述圖像傳感器(34)、以及所述信息處理設(shè)備(36、38)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種確定成像系統(tǒng)(32)的畸變的方法，所述成像系統(tǒng)具有物平面(40)和像平面(42)。所述方法包括如下步驟通過(guò)分析圖像數(shù)據(jù)確定(204)圖像傳感器(34)的敏感區(qū)域(44)上的圖像光斑(46)的位置；以及擬合(205)映射函數(shù)，使得所述映射函數(shù)將輔助點(diǎn)陣(48)的點(diǎn)陣點(diǎn)映射到所述圖像光斑(46)的位置，其中，所述輔助點(diǎn)陣(48)在幾何結(jié)構(gòu)上類似于所述探針光斑(6)的布拉維點(diǎn)陣(8)。本發(fā)明還提供使用具有物平面(40)和像平面(42)的成像系統(tǒng)(32)對(duì)樣品進(jìn)行成像的方法，所述方法包括以下步驟通過(guò)將映射函數(shù)應(yīng)用于輔助點(diǎn)陣(48)的點(diǎn)陣點(diǎn)，確定(304)所述圖像傳感器(34)的所述敏感區(qū)域(44)上的讀出點(diǎn)，所述輔助點(diǎn)陣在幾何結(jié)構(gòu)上類似于所述探針光斑(6)的布拉維點(diǎn)陣(8)；以及從所述敏感區(qū)域(44)上的所述讀出點(diǎn)讀取(305)圖像數(shù)據(jù)。還公開了用于確定成像系統(tǒng)的畸變的測(cè)量系統(tǒng)(10)、以及多斑光學(xué)掃描設(shè)備(10)。
文檔編號(hào)G02B21/00GK102119326SQ200980130830
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者B·胡什肯, S·斯托林加 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司