DE102005030899B3 - Object e.g. living cell, detection method for use in e.g. analysis of cell cultures, involves illuminating object, and imaging object by phase-shifting holographic interferometry for determination of complex-valued wave field of object - Google Patents

Object e.g. living cell, detection method for use in e.g. analysis of cell cultures, involves illuminating object, and imaging object by phase-shifting holographic interferometry for determination of complex-valued wave field of object Download PDF

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Abstract

The method involves detecting a complex-valued image of an object, and determining a characteristic of the object by the analysis of the image. The object is illuminated for image detection in transmission. The object is imaged by a phase-shifting holographic interferometry for determination of the complex-valued wave field of the object. The complex-valued image is recorded by using a digital holography. The object wavefield of different focus levels are calculated by a numerical process with retention of a physical focus position. An independent claim is also included for a device for automatic object detection.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Objekterkennung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Objekterkennung, bei denen ein zu analysierendes Objekt mit geringer Lichtabsorptionsrate in Transmission beleuchtet, abgebildet und erkannt werden soll.The The present invention relates to a method and an apparatus for automatic object recognition. In particular, the present invention relates a method and a device for automatic object recognition, in which an object to be analyzed with low light absorption rate in Transmission should be illuminated, displayed and recognized.

Es ist allgemein bekannt, dass die Ausbreitung von Licht durch eine dreidimensionale Funktion beschrieben werden kann. Im allgemeinen Fall ist dies eine vektorwertige Funktion, die sechs Komponenten besitzt (drei Komponenten des elektrischen, drei Komponenten des magnetischen Feldes). Die Komponenten erfüllen das Gleichungssystem der Maxwellschen Gleichungen. Ein besonders einfach zu beschreibender Spezialfall liegt vor, wenn der elektrische bzw. magnetische Feldvektor stets parallel zu einem bestimmten Vektor liegt, was z.B. durch die Verwendung von linear polarisierten Lichtquellen technisch realisiert werden kann. In diesem Fall lässt sich die gesamte Lichtausbreitung durch eine komplexwertige skalare Funktion E statt durch dreikomponentige Funktionen beschreiben. Diese dreidimensionale skalare Funktion erfüllt die (skalaren) Maxwellgleichungen, die in Abwesenheit von freien Ladungen und Lichtquellen als Helmholtzgleichungen bezeichnet werden. Die skalare Beugungstheorie von Kirchhoff erlaubt die näherungsweise Berechnung der komplexen Funktion E im gesamten Raum aus ihren Funktionswerten an bestimmten Stellen.It is well known that the propagation of light through a three-dimensional function can be described. In general Case, this is a vector-valued function, the six components owns (three components of the electrical, three components of the magnetic field). The components fulfill the equation system of Maxwell's Equations. A particularly easy-to-describe special case occurs when the electric or magnetic field vector is always parallel to a particular vector, e.g. through the use technically realized by linearly polarized light sources can. In this case can be the total light propagation through a complex valued scalar function E instead of describing by three-component functions. This three-dimensional scalar function fulfilled the (scalar) Maxwell equations in the absence of free Charges and light sources are referred to as Helmholtz equations. The scalar diffraction theory of Kirchhoff allows the approximate Compute the complex function E in the entire space from its function values in certain places.

So kann zum Beispiel das in 1 gezeigte Bild 114 eines durch eine Linse 112 abgebildeten Objektes 110 aus der Messung des komplexwertigen Wellenfeldes E an einer von der Bildebene verschiedenen Ebene 113 berechnet werden. Eine notwendige Bedingung ist dabei die komplexwertige Messung von E, die durch die digitale Holographie realisiert werden kann. Da auch das rekonstruierte Bild 110 als komplexwertige Funktion in der Bildebene beschrieben wird, wird im folgenden der Begriff des „komplexwertigen Bildes" verwendet.For example, in 1 shown picture 114 one through a lens 112 pictured object 110 from the measurement of the complex-valued wave field E at a plane other than the image plane 113 be calculated. A necessary condition is the complex-valued measurement of E, which can be realized by digital holography. Because also the reconstructed picture 110 is described as a complex-valued function in the image plane, the term "complex-valued image" is used in the following.

Aus dem Stand der Technik sind phasensensitive Abbildungsverfahren bekannt, mit denen auch schwach absorbierende Objekte, die lediglich eine Phasenverschiebung aber keine Absorption aufweisen, abgebildet werden können. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung lebender Zellen und anderer biologischer Objekte von Interesse. Hierzu wird die Phase eines Wellenfeldes durch geeignete optische Elemente in ein Intensitätsbild (das sogenannte ,Phasenbild') überführt.Out The prior art discloses phase-sensitive imaging methods. with which even weakly absorbing objects that only have a phase shift but have no absorption, can be imaged. This is especially in the study of living cells and other biological Objects of interest. This is the phase of a wave field by suitable optical elements in an intensity image (the so-called, phase image ') transferred.

Demgegenüber geben konventionelle Mikroskope oder auch das menschliche Auge die Intensität des durch das Objekt transmittierten Lichtes wieder, wobei das entsprechende Bild als ,Amplitudenbild' bezeichnet wird. Bei schwach absorbierenden Objekten enthält das Amplitudenbild jedoch nur wenig Information über das Objekt, wodurch eine automatische Objekterkennung von z.B. Pflanzenpollen erschwert ist.In contrast, give conventional microscopes or even the human eye the intensity of through the object transmitted light again, with the corresponding Image referred to as 'amplitude image' becomes. For weakly absorbing objects, however, the amplitude image contains little information about the object, whereby automatic object recognition of e.g. pollen is difficult.

Zur automatischen Bilderfassung werden derzeit entweder das Amplitudenbild oder das Phasenbild verwendet.to Automatic image capture is currently either the amplitude image or the phase image is used.

Die US 2004/0057089 A1 offenbart ein Verfahren zum Vergleichen zweier komplexer Bilder, wobei zunächst zwei komplexe Bilder aufgenommen, dann Quotienten der tiefen Ortsfrequenzen bestimmt und dividiert und das zweite Bild mit dem erreichten Ergebnis modifiziert wird, um die beiden komplexen Bilder zu vergleichen. Insbesondere wird ein Laserstrahl in Meß- und Referenzstrahl geteilt, wobei der Meßstrahl vom zu untersuchenden Bauteil reflektiert und anschließend der reflektierte Meßstrahl mit dem Referenzstrahl pixelgenau überlagert und das entsprechend interferierte Muster in einer Bildebene einer CCD-Kamera überlagert wird.The US 2004/0057089 A1 discloses a method for comparing two complex pictures, taking first taken two complex images, then quotients of the low spatial frequencies determine and divide and the second image with the achieved result is modified to compare the two complex images. In particular, a laser beam is divided into measuring and reference beam, wherein the measuring beam reflected from the component to be examined and then the reflected measuring beam superimposed pixel-exactly with the reference beam and the corresponding interfered patterns superimposed on an image plane of a CCD camera becomes.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Objekterkennung anzugeben, mit denen auf eine Erzeugung eines Phasenbildes verzichtet werden kann.It is the object of the present invention, a method and a Specify a device for automatic object recognition, with which a generation of a phase image can be dispensed with.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Objekterkennung gemäß Patentanspruch 1 mit einer Erfassung eines komplexwertigen Bildes eines Objektes und einer Bestimmung zumindest eines Merkmales des Objektes durch Analyse des komplexwertigen Bildes.These The object is achieved by a method for automatic object recognition according to claim 1 with a detection of a complex-valued image of an object and a determination of at least one feature of the object Analysis of the complex-valued image.

Dementsprechend beruht die vorliegende Erfindung auf einer Bilderfassung in Verbindung mit einer sich anschließenden Objekterkennung auf Basis eines komplexwertigen Wellenfeldes. So kann auf die Erzeugung eines Phasenbildes, die nach dem Stand der Technik zumindest bei allen Phasenkontrastverfahren notwendig ist, verzichtet werden.Accordingly For example, the present invention is related to image acquisition with a subsequent Object recognition based on a complex-valued wave field. So can be based on the generation of a phase image, which according to the state of Technique is necessary at least in all phase contrast methods, be waived.

Vorteilhafterweise wird das komplexwertige Bild mittels digitaler Holographie aufgezeichnet.advantageously, the complex-valued image is recorded by means of digital holography.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Objektwellenfeld hierbei in unterschiedlichen Fokusebenen durch ein numerisches Verfahren bei Beibehaltung einer physikalischen Fokusposition berechnet.According to one preferred embodiment In this case, the object wave field is in different focal planes by a numerical method while maintaining a physical Focus position calculated.

Ein mittels der digitalen Holographie erzeugtes digitales Hologramm kann durch phasenschiebende Interferometrie aufgezeichnet werden, wobei gleichzeitig Phase und Amplitude eines Objektwellenfeldes in Verbindung mit einem Referenzwellenfeld erfaßt und aus mehreren Interferenzbildern unterschiedlicher Phasenlage das komplexwertige Bild berechnet wird. Hierbei kann das insbesondere semi-transparente Objekt bei der phasenschiebenden Interferometrie in Transmission beleuchtet werden.One digital hologram generated by digital holography can be recorded by phase-shifting interferometry where simultaneously the phase and amplitude of an object wave field detected in conjunction with a reference wave field and from multiple interference images different phase position the complex-valued image is calculated. In this case, the particular semi-transparent object in the phase-shifting interferometry be illuminated in transmission.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das zu bestimmende zumindest eine Merkmal des Objektes durch ein Verfahren zur Mustererkennung des komplexwertigen Bildes, insbesondere mit einem Algorithmus, der auf einer Fouriertransformation beruht, berechnet. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn aus bestimmten Komponenten der Fouriertransformierten, insbesondere den Absolutbeträgen der diskreten Fourierkoeffizienten des komplexen Bildes, und/oder aus Linerarkombinationen der Komponenten der Fouriertransformierten Merkmalsvektoren gebildet werden, die durch ein Klassifikationsalgorithmus bestimmten Klassen zugeordnet werden. Der Klassifikationsalgorithmus kann eine „Support Vector Machine"-Algorithmus sein.According to one another preferred embodiment the object to be determined is at least one feature of the object a method for pattern recognition of the complex-valued image, in particular with an algorithm based on a Fourier transformation, calculated. It is advantageous if from certain components the Fourier transform, in particular the absolute values of the discrete Fourier coefficients of the complex image, and / or out Linerarkombinations of the components of the Fourier transform Feature vectors are formed by a classification algorithm assigned to specific classes. The classification algorithm can a "support Vector Machine "algorithm be.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht gelöst durch eine Vorrichtung zur automatischen Objekterkennung gemäß Patentanspruch 9 mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines komplexwertigen Bildes eines Objektes und einer Einrichtung zur Analyse des komplexwertigen Bildes des Objektes.The inventive task is solved in device technical terms by a device for automatic object recognition according to claim 9 with a Device for generating a complex-valued image of an object and a device for analyzing the complex-valued image of the object.

Hierbei kann die Einrichtung zur Erzeugung des komplexwertigen Bildes als eine digitale Holographieeinrichtung ausgebildet sein. Die digitale Holographieeinrichtung kann zur Erzeugung digitaler Hologramme durch phasenschiebende Interferometrie vorgesehen sein, bei der gleichzeitig Phase und Amplitude eines Objektwellenfeldes in Verbindung mit einem Referenzwellenfeld erfassbar und aus mehreren Interferenzbildern unterschiedlicher Phasenlage das komplexwertige Bild berechenbar sind. Hierbei kann das insbesondere semi-transparente Objekt zur Durchführung der phasenschiebenden Interferometrie in Transmission beleuchtet sein.in this connection the means for generating the complex-valued image may be a digital holography device may be formed. The digital Holography device can be used to generate digital holograms phase-shifting interferometry be provided at the same time Phase and amplitude of an object wave field in conjunction with a Reference wave field detectable and from several interference images different phasing the complex-valued image calculable are. Here, the particular semi-transparent object for execution the phase-shifting interferometry in transmission illuminated be.

Die Holographieeinrichtung weist vorzugsweise eine kohärente Strahlquelle und einen polarisierenden Strahlteiler auf, mit dem ein von der Strahlquelle emittierter Strahl in zwei Teilstrahlen, den Referenzstrahl und den Objektstrahl, aufspaltbar ist. Zwischen Strahlquelle und Strahlteiler kann eine Halbwellen-Verzögerungsplatte angeordnet sein, wobei durch Drehung einer Rotationsachse der Halbwellen-Verzögerungsplatte eine Intensität in beiden Teilstrahlen wählbar ist. Zudem kann der Referenzstrahl über eine Teleskopeinrichtung aufweitbar sein, in deren Brennpunkt eine Blende zur Homogenisierung eines Strahlquerschnittes des Referenzstrahls angeordnet ist.The Holography device preferably has a coherent beam source and a polarizing beam splitter with which one of the Beam source emitted beam into two sub-beams, the reference beam and the object beam, is splittable. Between beam source and Beam splitter can be arranged a half-wave retardation plate, wherein by rotation of a rotation axis of the half-wave retardation plate an intensity selectable in both partial beams is. In addition, the reference beam via a telescope device be expandable, in the focal point of an aperture for homogenization a beam cross-section of the reference beam is arranged.

Die Vorrichtung zur Objekterkennung weist zudem bevorzugterweise einen insbesondere durch einen piezoelektrischen Kristall verschiebbaren Spiegel auf, wobei der Referenzstrahl über den Spiegel auf einen ortsauflösenden Lichtdetektor, insbesondere ein „Charge Coupled Device" (CCD) geführt ist.The Device for object recognition also preferably has one in particular displaceable by a piezoelectric crystal Mirror on, wherein the reference beam through the mirror on a spatially resolving light detector, in particular a "batch Coupled Device "(CCD) guided is.

Die Vorrichtung kann zudem eine weitere Verzögerungsplatte aufweisen, mit der eine Polarisation des Objektstrahles in eine Polarisation des Referenzstrahles überführbar ist.The Device may also have a further retardation plate, with a polarization of the object beam in a polarization of the Reference beam is transferable.

Die Vorrichtung kann außerdem ein Mikroskopobjektiv aufweisen, mit dem der Objektstrahl, nachdem dieser das zu untersuchende Objekt durchlaufen hat, auf den Lichtsektor abbildbar ist.The Device can as well a microscope objective with which the object beam, after this has passed through the object to be examined, the light sector can be mapped.

Bevorzugterweise ist außerdem eine Recheneinheit vorgesehen, mit der das entstehende Interferenzbild weiter verarbeitbar ist. Die Recheneinheit kann zudem zur Steuerung und/oder Regelung einer Phase des Referenzstrahles, insbesondere mittels Verschiebung des Spiegels, vorgesehen sein. Die Recheneinheit kann weiterhin zur Analyse des komplexwertigen Bildes durch Berechnung der Fouriertransformierten ausgebildet sein. Dabei können mit der Recheneinheit aus bestimmten Komponenten der Fouriertransformierten, insbesondere den Absolutbeträgen der diskreten Fourierkoeffizienten des komplexen Bildes, und/oder aus Linearkombinationen der Komponenten der Fouriertransformierten Merkmalsvektoren bildbar sein, die durch einen Klassifikationsalgorithmus bestimmten Klassen zuordenbar sind. Dieser Klassifikationsalgorithmus kann eine ,Support Vector Machine' sein.preferably, is also a computing unit provided with the resulting interference pattern can be processed further. The arithmetic unit can also control and / or regulating a phase of the reference beam, in particular be provided by means of displacement of the mirror. The arithmetic unit can continue to analyze the complex-valued image by calculation be formed of the Fourier transform. It can with the arithmetic unit of certain components of the Fourier transform, especially the absolute amounts the discrete Fourier coefficient of the complex image, and / or from linear combinations of the components of the Fourier-transformed feature vectors be formed by a classification algorithm Classes are assignable. This classification algorithm can to be a 'Support Vector Machine'.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Objekterkennung ist die Recheneinheit dazu vorgesehen, das Objektwellenfeld in unterschiedlichen Fokusebenen durch ein numerisches Verfahren bei Beibehaltung einer physikalischen Fokusposition zu berechnen.According to one preferred embodiment the device for object recognition, the computing unit is provided to the object wave field in different focal planes through numerical method while maintaining a physical focus position to calculate.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. In diesen zeigen:The The present invention will be described below with reference to preferred embodiments in conjunction with the associated Drawings closer described. In these show:

1 eine schematische Darstellung eines durch eine Linse abgebildeten Objektes, 1 a schematic representation of an object imaged by a lens,

2 eine Darstellung mehrerer aus einer einzigen Holographie-Aufnahme rekonstruierter Bilder in unterschiedlichen Bildebenen, und 2 a representation of several reconstructed from a single holographic image images in different image planes, and

3 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Bilderfassungseinrichtung. 3 a schematic representation of the structure of an image capture device.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur automatischen Objekterkennung durch komplexwertige Bilderfassung beschrieben, welche eine phasenschiebende interferometrische Holographie (PIH), eine Merkmalsberechnung auf Basis der Fouriertransformation und eine Klassifizierung durch den „Support Vector Machine"-Algorithmus" umfassen.following is an embodiment of Device and method for automatic object recognition described by complex-valued image acquisition, which is a phase-shifting interferometric holography (PIH), a feature calculation Basis of the Fourier transformation and a classification by the "Support Vector Machine "algorithm" include.

Zur Bilderfassung wird das Objekt zunächst in Transmission beleuchtet und durch phasenschiebende holographische Interferometrie abgebildet, mit deren Hilfe sich das komplexwertige Wellenfeld des Objektes bestimmen lässt.to Image capture, the object is first illuminated in transmission and imaged by phase-shifting holographic interferometry, with their help, the complex-valued wave field of the object determine.

In 3 ist der Aufbau der Bilderfassungseinrichtung schematisch dargestellt.In 3 the structure of the image capture device is shown schematically.

Die Bilderfassungseinrichtung weist eine kohärente Strahlquelle 1 zur Erzeugung eines Lichtstrahles auf. Dieser Lichtstrahl wird durch einen polarisierenden Strahlteiler 3 mit linearer Polarisation in zwei Teilstrahlen, den Referenzstrahl 4 und den Objektstrahl 5, aufgespalten.The image capture device has a coherent beam source 1 for generating a light beam. This light beam is transmitted through a polarizing beam splitter 3 with linear polarization in two partial beams, the reference beam 4 and the object beam 5 , split.

Eine Intensität in beiden Teilstrahlen 4, 5 wird durch Drehung einer Rotationsachse einer Halbwellen-Verzögerungsplatte eingestellt, wodurch ein maximaler Interferenzkontrast in vorteilhafter Weise erzeugbar ist.An intensity in both partial beams 4 . 5 is adjusted by rotation of a rotation axis of a half-wave retardation plate, whereby a maximum interference contrast can be generated in an advantageous manner.

Der Referenzstrahl 4 wird über eine Teleskopeinrichtung 6 aufgeweitet, in dessen Brennpunkt eine Blende zur Homogenisierung des Strahlquerschnittes 7 angeordnet ist.The reference beam 4 is via a telescope device 6 expanded, in the focal point of an aperture for homogenization of the beam cross-section 7 is arranged.

Anschließend fällt der Referenzstrahl über einen durch einen piezoelektrischen Kristall verschiebbaren Spiegel 8 und einen nicht polarisierenden Strahlteiler 9 auf einen ortsauflösenden Lichtdetektor 10, z.B. ein „charge coupled device" (CCD).Subsequently, the reference beam is incident on a mirror which can be displaced by a piezoelectric crystal 8th and a non-polarizing beam splitter 9 on a spatially resolving light detector 10 , eg a "charge coupled device" (CCD).

Eine Polarisition des Objektstrahles 5 wird durch eine weitere Verzögerungsplatte 11 in eine Polarisation des Referenzstrahles 4 überführt, um den maximalen Interferenzkontrast zu erzielen.A polarization of the object beam 5 gets through another delay plate 11 in a polarization of the reference beam 4 transferred to achieve the maximum interference contrast.

Hiernach durchläuft der Objektstrahl 5 das zu untersuchende Objekt 12, welches durch ein Mikroskopobjektiv 13 auf den Lichtdetektor 10 abgebildet wird.After that, the object beam passes through 5 the object to be examined 12 passing through a microscope lens 13 on the light detector 10 is shown.

Das auf dem Lichtdetektor 10 entstehende Interferenzbild wird auf einem Digitalrechner 14 weiterverarbeitet, der auch die Phase des Referenzstrahles 4 durch ein Verschieben des Spiegels 8 steuert.That on the light detector 10 resulting interference image is on a digital computer 14 further processed, which is also the phase of the reference beam 4 by moving the mirror 8th controls.

Aus mehreren Interferenzbildern unterschiedlicher Phasenlage wird dann ein komplexwertiges Bild des Objektes 12 berechnet. Dazu werden die Intensitäten der bei bekannter Referenzwellenphase aufgenommenen Bilder durch arithmetische Operationen pixelweise miteinander verrechnet. Je nach Größe des Phasenschrittes werden mindestens drei, zur Verbesserung des Signals auch mehr als fünf, Interferenzbilder des Objektes 12 verwendet.From several interference images of different phase position then becomes a complex-valued image of the object 12 calculated. For this purpose, the intensities of the images taken in the known reference wave phase are calculated by pixel-wise arithmetic operations. Depending on the size of the phase step, at least three, to improve the signal, more than five, interference images of the object 12 used.

Anschließend werden bestimmte Merkmale des komplexen Wellenfeldes berechnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Merkmale die Absolutbeträge der diskreten Fourierkoeffizienten des komplexen Bildes. Gleichermaßen können jedoch auch Linearkombinationen hieraus eingesetzt werden, die je nach der spezifischen Problemstellung ausgewählt werden. Mehrere geeignete Merkmale werden zu einem Merkmalsvektor zusammengefasst, der das zu analysierende Objekt repräsentiert.Then be calculates certain features of the complex wave field. In the present embodiment these features are the absolute values of the discrete Fourier coefficients of the complex picture. equally can However, linear combinations thereof are used, depending be selected according to the specific problem. Several suitable ones Characteristics are combined to form a feature vector that contains the represents object to be analyzed.

Das Objektwellenfeld wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Fokusebenen (beispielsweise die Ebene 113 in 1) durch ein numerisches Verfahren (bei Beibehaltung der physikalischen, in 1 als „Bild 114" angedeuteten Fokusebene) berechnet. Ergebnisse dieses numerischen Verfahrens sind in 2 angegeben. Dabei zeigt 2 mehrere aus einer einzigen Hologramm-Aufnahme rekonstruierte Bilder (wiedergegeben ist die rekonstruierte Amplitude des komplexen Bildes nach einer Schwellwertbildung) zweier Birkenpollen, die verschiedenen Fokusebenen entsprechen. Die Feinheit der wiedergegebenen Details ist vor der Fokusebene (Bilder 115 und 116) geringer als in der Fokusebene (Bild 117) und nimmt dahinter entsprechend wieder ab (Bilder 118 und 119). Bei der Aufnahme ist eine genaue Kenntnis der Lage nicht erforderlich, sie kann im Nachhinein aus der Hologrammrekonstruktion erschlossen werden.The object wave field is according to a preferred embodiment in different focal planes (for example, the plane 113 in 1 ) by a numerical method (keeping the physical, in 1 as a picture 114 The results of this numerical method are given in 2 specified. It shows 2 a plurality of images reconstructed from a single hologram image (reproduced is the reconstructed amplitude of the complex image after thresholding) of two birch pollen corresponding to different focal planes. The fineness of the reproduced details is in front of the focal plane (pictures 115 and 116 ) lower than in the focal plane (Fig 117 ) and decreases behind accordingly (pictures 118 and 119 ). When recording a precise knowledge of the situation is not required, it can be developed later from the hologram reconstruction.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, Objekte anhand ihrer (Licht-)Absorption und ihres Brechungsindexes automatisch zu klassifizieren. Dies ist insbesondere bei semi-transparenten Objekten, wie sie in biologischen Anwendungen, z.B. in der Analyse von Zellkulturen oder bei der Bestimmung von Pflanzenpollen häufig vorkommen, von Vorteil.With the method described above and the one described above Device is it possible Objects based on their (light) absorption and their refractive index to classify automatically. This is especially true for semi-transparent objects, as used in biological applications, e.g. in the analysis of cell cultures or common in the determination of plant pollen, is an advantage.

Zwischen dem in einer Ebene im Objektabstand z1 gemessenen komplexen Wellenfeld fz1(x,y) und dem Wellenfeld fz(x,y) in einer beliebigen anderen Ebene z besteht, im Rahmen der Gültigkeit der Fraunhofer-Näherung, ein einfacher mathematischer Zusammenhang: Fz(x,y) = FrTz-z1[f](x,y),wobei FrTz-z1[f] = FrTD[f] die Fresnel-Tranformation zum Abstand D der Funktion f ist (Th. Kreis: Handbook of Holographie Interferometry, Seiten 25 ff.). Dementsprechend kann bei bekanntem Abstand D des gemessenen Wellenfeldes zur gewünschten Fokusebene durch Berechnung der Fresnel-Transformation des gemessenen Bildes das fokussierte Wellenfeld im Rahmen der Gültigkeit der Fraunhofer-Näherung berechnet werden. Falls der Abstand D bekannt ist, können daher die Merkmalsvektoren der Klassifizierung so definiert werden, daß deren Werte invariant unter der Fresnel-Transformation FrTD[f] sind, so daß eine von der Fokuseinstellung unabhängige Bilderkennung erfolgen kann.Between the complex wave field f z1 (x, y) measured in a plane at the object distance z1 and the wave field f z (x, y) in any other plane z, a simple mathematical relationship exists within the scope of the validity of the Fraunhofer approximation: F z (x, y) = FrT z-z1 [F] (x, y), where FrT z-z1 [f] = FrT D [f] is the Fresnel transformation to the distance D of the function f (Th. Circle: Handbook of Holography Interferometry, pages 25 ff.). Accordingly, with a known distance D of the measured wave field to the desired focal plane by calculating the Fresnel transformation of the measured image, the focused wave field can be calculated within the scope of the validity of the Fraunhofer approximation. If the distance D is known, therefore, the feature vectors of the classification can be defined such that their values are invariant under the Fresnel transformation FrT D [f], so that image recognition independent of the focus adjustment can be performed.

Das Verfahren zur Objekterkennung ermöglicht es also, das Wellenfeld eines Objektes in unterschiedlichen Fokussierungen zu berechnen, ohne die physikalische Fokusposition zu verändern. Mit entsprechenden Digitalrechnern ergibt sich dadurch ein Geschwindigkeitsvorteil, da bei der Bildaufnahme ein physikalisches Fokussieren nicht notwendig ist, sondern das Wellenfeld durch ein numerisches Verfahren in der korrekten Ebene berechnet werden kann.The A method of object recognition thus makes it possible to use the wave field to calculate an object in different foci, without changing the physical focus position. With appropriate digital computers This results in a speed advantage, as in the image recording physical focusing is not necessary, but the wave field calculated by a numerical method in the correct plane can be.

An die Merkmalsberechnung schließt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel die automatische Objekterkennung an. Die Objekterkennung umfasst die Klassifizierung des vorstehend beschriebenen Merkmalsvektors, d.h. die Zuordnung zu einer bestimmten Klasse.At the feature calculation closes in the present embodiment the automatic object recognition. The object recognition includes the Classification of the feature vector described above, i. the assignment to a particular class.

Diese Zuordnung erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den „suppert vector machine" (SVM)-Algorithmus, der jedem Merkmalsvektor eineindeutig eine Klasse zuordnet, die zuvor durch Lernvektoren definiert wurde.These Assignment is made in the present embodiment by the suppert vector machine (SVM) algorithm, which uniquely assigns a class to each feature vector, the previously defined by learning vectors.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel umfasst dementsprechend eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Objekterkennung, wobei komplexwertige Bilder eines Objektes analysiert werden. Die komplexwertigen Bilder werden vorliegend durch digitale Holographie aufgezeichnet. Bei der digitalen Holographie handelt es sich vorliegend um eine phasenschiebende Interferometrie. Dabei kann die Analyse des komplexwertigen Bildes durch die Berechnung mit der Fouriertransformierten realisiert werden, wobei vorzugsweise aus bestimmten Komponenten der Fouriertransformierten bzw. deren Linearkombinationen Merkmalsvektoren gebildet werden, die durch einen Klassifikationsalgorithmus bestimmten Klassen zugeordnet werden. Der Klassifikationsalgorithmus ist vorliegend ein „suppert vector machine"-Algorithmus.The embodiment described above Accordingly, an apparatus and a method for automatic Object recognition, where complex-valued images of an object are analyzed become. The complex-valued images are in the present case by digital Holography recorded. In digital holography acts this is a phase-shifting interferometry. there can the analysis of the complex-valued image by the calculation be realized with the Fourier transform, preferably from certain components of the Fourier transform or their Linear combinations feature vectors are formed by assign a classification algorithm to certain classes. The classification algorithm is presently a suppert vector machine "algorithm.

Kurz gefasst betrifft das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Bilderfassung und anschließende automatische Objekterkennung auf Basis eines komplexwertigen Wellenfeldes, wobei unter „automatischer Objekterkennung" eine Objekterkennung durch EDV zu verstehen ist.Short In summary, the present embodiment relates to an image capture and subsequent automatic Object recognition based on a complex-valued wave field, wherein under "automatic Object recognition "one Object recognition by computer is to be understood.

Claims (24)

Verfahren zur automatischen Objekterkennung mit einer Erfassung eines komplexwertigen Bildes eines Objektes und einer Bestimmung zumindest eines Merkmales des Objektes durch Analyse des komplexwertigen Bildes, wobei das Objekt zur Bilderfassung in Transmission beleuchtet und durch phasenschiebende holographische Interferometrie zur Bestimmung eines komplexwertigen Wellenfeldes des Objektes abgebildet wird.Method for automatic object recognition with a detection of a complex-valued image of an object and a determination of at least one feature of the object by analysis of the complex-valued image, wherein the object for image acquisition in Transmission illuminated and by phase-shifting holographic Interferometry for the determination of a complex wave field of the Object is displayed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das komplexwertige Bild mittels digitaler Holographie aufgezeichnet wird.Method according to claim 1, characterized in that that this complex-valued image recorded by means of digital holography becomes. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektwellenfeld in unterschiedlichen Fokusebenen durch ein numerisches Verfahren bei Beibehaltung einer physikalischen Fokusposition berechnet wird.Method according to claim 2, characterized in that that this Object wave field in different focal planes by a numerical Method calculated while maintaining a physical focus position becomes. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels der digitalen Holographie erzeugtes digitales Hologramm durch phasenschiebende Interferometrie aufgezeichnet wird, wobei gleichzeitig Phase und Amplitude eines Objektwellenfeldes in Verbindung mit einem Referenzwellenfeld erfaßt und aus mehreren Interferenzbildern unterschiedlicher Phasenlage das komplexwertige Bild berechnet werden.Method according to claim 2 or 3, characterized the existence digital hologram generated by digital holography is recorded by phase-shifting interferometry, wherein simultaneously the phase and amplitude of an object wave field in combination detected with a reference wave field and from multiple interference images different phase position the complex-valued image are calculated. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ein semi-transparentes Objekt bei der phasenschiebenden Interferometrie in Transmission beleuchtet wird.Method according to claim 4, characterized in that that this a semi-transparent Object in phase-shifting interferometry in transmission is illuminated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Merkmal des Objektes durch ein Verfahren zur Mustererken nung des komplexwertigen Bildes, insbesondere mit einem Algorithmus, der auf einer Fourier-Transformation beruht, berechnet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that this at least one feature of the object by a method for pattern recognition of the complex-valued image, in particular with an algorithm, which is based on a Fourier transform is calculated. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus bestimmten Komponenten der Fouriertransformierten, insbesondere den Absolutbeträgen der diskreten Fourierkoeffizienten des komplexen Bildes, und/oder aus Linearkombinationen der Komponenten der Fouriertransformierten Merkmalsvektoren gebildet werden, die durch einen Klassifikationsalgorithmus bestimmten Klassen zugeordnet werden.Method according to Claim 6, characterized that out certain components of the Fourier transform, in particular the absolute amounts the discrete Fourier coefficient of the complex image, and / or from linear combinations of the components of the Fourier transform Feature vectors are formed by a classification algorithm assigned to specific classes. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Klassifikationsalgorithmus ein „Support vector machine"-Algorithmus ist.Method according to Claim 7, characterized in that the classification algorithm includes "Support vector machine" algorithm is. Vorrichtung zur automatischen Objekterkennung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines komplexwertigen Bildes eines Objektes durch phasenschiebende holographische Interferometrie und einer Einrichtung zur Analyse des komplexwertigen Bildes des Objektes, wobei das Objekt zur Durchführung der phasenschiebenden Interferometrie in Transmission beleuchtet ist.Device for automatic object recognition, with a device for generating a complex image of a Object by phase-shifting holographic interferometry and a Device for analyzing the complex-valued image of the object, the object being carried the phase-shifting interferometry in transmission illuminated is. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des komplexwertigen Bildes als eine digitale Holographieeinrichtung ausgebildet ist.Device according to claim 9, characterized in that that the Device for generating the complex-valued image as a digital one Holographieeinrichtung is formed. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Holographieeinrichtung zur Erzeugung digitaler Hologramme durch phasenschiebende Interferometrie vorgesehen ist, bei der gleichzeitig Phase und Amplitude eines Objektwellenfeldes in Verbindung mit einem Referenzwellenfeld erfaßbar und aus mehreren Interferenzbildern unterschiedlicher Phasenlage das komplexwertige Bild berechenbar sind.Device according to claim 10, characterized in that that the digital holography device for generating digital holograms is provided by phase-shifting interferometry, at the same time Phase and amplitude of an object wave field in conjunction with a Reference wave field detectable and from multiple interference images of different phase the complex-valued image can be calculated. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das semi-transparente Objekt zur Durchführung der phasenschiebenden Interferometrie in Transmission beleuchtet ist.Device according to claim 11, characterized in that that this semi-transparent Object for execution the phase-shifting interferometry in transmission illuminated is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Holographieeinrichtung eine kohärente Strahlquelle (1) und einen polarisierenden Strahlteiler (3) aufweist, mit dem ein von der Strahlquelle (1) emittierter Strahl in zwei Teilstrahlen, den Referenzstrahl (4) und den Objektstrahl (5), aufspaltbar ist.Device according to one of Claims 10 to 12, characterized in that the holography device is a coherent beam source ( 1 ) and a polarizing beam splitter ( 3 ), with which one of the beam source ( 1 ) emitted beam into two sub-beams, the reference beam ( 4 ) and the object beam ( 5 ), is splittable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Halbwellen-Verzögerungsplatte (2) zwischen Strahlquelle (1) und Strahlteiler (3), wobei durch Drehung einer Rotationsachse der Halbwellen-Verzögerungsplatte (2) eine Intensität in beiden Teilstrahlen (4, 5) wählbar ist.Device according to one of Claims 11 to 13, characterized by a half-wave retardation plate ( 2 ) between the beam source ( 1 ) and beam splitters ( 3 ), wherein by rotating an axis of rotation of the half-wave retardation plate ( 2 ) an intensity in both partial beams ( 4 . 5 ) is selectable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl (R) über eine Teleskopiereinrichtung (6) aufweitbar ist, in deren Brennpunkt eine Blende zur Homogenisierung eines Strahlquerschnittes (7) des Referenzstrahls (R) angeordnet ist.Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the reference beam (R) via a telescoping device ( 6 ) is expandable, in the focal point of a diaphragm for homogenizing a beam cross-section ( 7 ) of the reference beam (R) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch einen, insbesondere durch einen piezoelektrischen Kristall verschiebbaren, Spiegel (8), wobei der Referenzstrahl (R) über den Spiegel (8) auf einen ortsauflösenden Lichtdetektor (10), insbesondere ein „Charge coupled device" (CCD), geführt ist.Device according to one of Claims 11 to 15, characterized by a mirror (in particular displaceable by a piezoelectric crystal) ( 8th ), with the reference beam (R) passing through the mirror ( 8th ) to a spatially resolving light detector ( 10 ), in particular a "charge coupled device" (CCD), is guided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch eine weitere Verzögerungsplatte (11), mit der eine Polarisation des Objektstrahles (O) in eine Polarisation des Referenzstrahles (R) überführbar ist.Device according to one of claims 11 to 16, characterized by a further retardation plate ( 11 ), with which a polarization of the object beam (O) in a polarization of the reference beam (R) can be transferred. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch ein Mikroskopobjektiv (13), mit dem der Objektstrahl, nachdem dieser das zu untersuchende Objekt (12) durchlaufen hat, auf den Lichtdetektor (10) abbildbar ist.Device according to one of claims 11 to 17, characterized by a microscope objective ( 13 ), with which the object beam, after this the object to be examined ( 12 ) has passed through the light detector ( 10 ) is mapped. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (14), mit der das entstehende Interferenzbild weiterverarbeitbar ist.Device according to one of claims 11 to 18, characterized by a computing unit ( 14 ), with which the resulting interference pattern can be further processed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (14) zur Steuerung und/oder Regelung einer Phase des Referenzstrahles (R), insbesondere mittels Verschiebung des Spiegels (8), vorgesehen ist.Device according to one of claims 11 to 19, characterized in that the arithmetic unit ( 14 ) for controlling and / or regulating a phase of the reference beam (R), in particular by means of displacement of the mirror ( 8th ), is provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (14) zur Analyse des komplexwertigen Bildes durch Berechnung der Fouriertransformierten.Device according to one of Claims 9 to 20, characterized by a computing unit ( 14 ) for analyzing the complex-valued image by calculating the Fourier transform. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Recheneinheit (14) aus bestimmten Komponenten der Fouriertransformatierten, insbesondere der Absolutbeträge der diskreten Fourierkoeffizienten des komplexen Bildes, und/oder aus Linearkombinationen der Komponenten der Fouriertransformierten Merkmalsvektoren bildbar sind, die durch einen Klassifikationsalgorithmus bestimmten Klassen zuordenbar sind.Apparatus according to claim 21, characterized in that with the arithmetic unit ( 14 ) can be formed from certain components of the Fourier transform, in particular the absolute values of the discrete Fourier coefficients of the complex image, and / or from linear combinations of the components of the Fourier transform feature vectors, which can be assigned to certain classes by a classification algorithm. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Klassifikationsalgorithmus ein „Support vector machine"-Algorithmus ist.Device according to claim 22, characterized in that that the Classification algorithm is a "support vector machine" algorithm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (14), mit der das Objektwellenfeld in unterschiedlichen Fokusebenen durch ein numerisches Verfahren bei Beibehaltung einer physikalischen Fokusposition berechenbar ist.Device according to one of Claims 9 to 23, characterized by a computing unit ( 14 ), with which the object wave field in different focal planes can be calculated by a numerical method while maintaining a physical focus position.
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