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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauschkorrektur bei der Erfassung
insbesondere von Röntgenstrahlen
mit einem Flachbilddetektor.
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Ein
derartiger Flachbilddetektor weist üblicherweise ein in einzelne
Pixelfelder unterteilte α-Silizium-Platte
auf, die zumindest in einem Teilbereich von einer lichtaktiven Fläche, der
Szintillatorschicht, überzogen
ist. Die lichtaktive Fläche
wandelt bei Auftreffen der Röntgenstrahlung
diese in Lichtimpulse um, die anschließend von einem dem jeweiligen
Pixelfeld zugewiesenen Halbleiter-Sensor erfasst und als elektrisches
Signal an einen Ausleseverstärker weitergeleitet
werden. Jedes der in Zeilen und Spalten angeordneten Pixelfelder
weist einen derartigen Halbleiter-Sensor auf. Die einzelnen Pixelfelder
bilden ein Matrixfeld.
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Üblicherweise
sind mehrere Ausleseverstärker
vorgesehen, die wiederum mehrere Kanäle, beispielsweise 120, für die jeweiligen
Spalten des Matrixfeldes aufweisen. Über jeden Kanal wird daher eine
Spalte ausgelesen. Das Auslesen erfolgt hierbei zeilenweise, also
seriell. In der Zeit zwischen zwei Auslesevorgängen wird in den einzelnen
Halbleiter-Sensoren die erfasste Lichtintensität aufsummiert.
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Aufgrund
der Mehrzahl der eingesetzten elektronischen Komponenten, insbesondere
aufgrund der Ausleseverstärker,
sind die eigentlichen Licht-Signale mit einem Rauschen, insbesondere Zeilenrauschen, überlagert.
Um dieses zu verringern, ist der Flachbilddetektor üblicherweise
unterteilt in ein aktives Feld, das der Röntgenstrahlung ausgesetzt ist,
und zumindest einem auch als „Dark
Reference Zone (DRZ)" bezeichneten
Dunkelfeld, das insbesondere keine lichtaktive Schicht aufweist.
Das dem Dunkelfeld zuzuordnende Rauschen wird erfasst und als Korrekturwert
für die
vom aktiven Feld erfassten Signale herangezogen (Zeilenrauschkorrektur,
line noise correction, LNC).
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Befindet
sich am Bildrand, also am Rand der aktiven Fläche und in der Nähe des Dunkelfeldes,
ein Hochkontrastobjekt im Strahlengang, z.B. ein Herzschrittmacher
oder ein metallisches Implantat, so liegt in unmittelbarer Nähe des Dunkelfeldes
ein Bereich mit sehr hoher Lichtintensität vor. Dies kann dazu führen, dass
dieses Licht auch in das Dunkelfeld einstrahlt, so dass von dem
entsprechenden Ausleseverstärker
deutlich erhöhte
Signalwerte erfasst werden. Am Rand dieses Objekts kommt es zudem
zu einem hochkontrastigen Übergang
von einer Zeile zur nächsten
Zeile innerhalb eines Ausleseverstärkers. Dieser Kontrastsprung
erzeugt eine Art Hochfrequenzstruktur, die zum Teil über die
gesamte Zeile sichtbar ist. Dieser Effekt wird auch als "matrix vertical high
pass behaviour (= vertikales Hochpassverhalten des Ausleseverstärkers) beschrieben.
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Nicht
zuletzt aufgrund des Einstrahlens in das Dunkelfeld, welches ja
letztendlich zur Rauschkorrektur des Zeilenrauschens herangezogen
wird, wird fälschlicherweise
ein erhöhtes
Zeilenrauschen vermutet und die Rauschkorrektur führt zu unbefriedigenden
Ergebnissen. Im Bild entstehen dadurch Zeilenstrukturen, welche
für die
klinische Bildauswertung unerwünscht
und nachteilig sind.
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Aus
der
DE 197 46 623
C1 ist zur Berücksichtigung
von Hochkontrastobjekten in der Nähe des Dunkelfeldes für die Rauschkorrektur
eine Hochpassfilterung der Rauschsignale vorgesehen. Aus der
DE 198 60 036 C1 wird
der Verzicht auf die Dunkelzone vorgeschlagen und zur Ermittlung
von Rauschkorrekturwerten ist eine mathematische Operation vorgesehen,
die mehrere Faltungsprozesse umfasst. Aus der
DE 42 32 401 A1 sowie aus
der
US 6,697,663 B1 sind
weitere Verfahren zum Auslesen von Bildern aus Röntgen-Flachbilddektoren zu
entnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rauschkorrektur
zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Rauschkorrektur bei der Erfassung insbesondere
von Röntgenstrahlen
mit einem Festkörper-Flachbilddetektor,
der ein matrixartiges Detektorfeld mit zumindest einem Dunkelfeld und
einer aktiven Fläche
sowie mehrere Ausleseverstärker
zum zeilenweisen Auslesen der im Detektorfeld erfassten Signale
um fasst. Dem Dunkelfeld zuzuordnende Rauschsignale für ein Zeilenrauschen werden
erfasst und hieraus werden Korrekturwerte für die einzelnen Zeilen der
aktiven Fläche
ermittelt. Dabei werden die erfassten Rauschsignale der einzelnen
Zeilen des Dunkelfeldes auf Abweichungen über einen vorgegebenen Schwellwert überprüft. Im Falle
solcher unzulässigen
Abweichungen werden diese für
die Berechnung des jeweiligen Korrekturwerts gesondert berücksichtigt.
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Durch
diese Maßnahme
werden also insbesondere derartige Fälle erfasst, bei denen Hochkontrastobjekte
im Bildrandbereich, also nahe am Dunkelfeld angeordnet sind, und
die sonst üblicherweise zu
den unerwünschten
Zeilenstrukturen im klinischen Bild führen würden. Durch das hier vorgeschlagene Verfahren
werden quasi diejenigen Zeilen identifiziert, die aufgrund eines
solchen Hochkontrastobjekts betroffen sind, in die beispielsweise
Licht einstrahlt. Das Erkennen der betroffenen Zeilen im ersten
Schritt ist hierbei die Voraussetzung dafür, dass dies im zweiten Schritt
für die
Berechnung des Korrekturwerts berücksichtigt werden kann, um
eine verbesserte Rauschkorrektur zu ermöglichen.
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Vorzugsweise
wird hierbei zur Bestimmung des Schwellwerts, der eine Abweichung
als unzulässige
Abweichung charakterisiert, ein Mittelwert des Rauschsignals über die
Zeilen des Dunkelfeldes herangezogen. Insbesondere wird hier der
Mittelwert im Dunkelbild erstellt, also ohne auftreffende Röntgenstrahlung,
um sicherzustellen, dass tatsächlich
nur das elektronische Rauschen zum Signal beiträgt. Zur Bestimmung wird also
Zeile für
Zeile ausgelesen, aus dem Rausch-Signalverlauf der Zeile ein Zeilenmittelwert
gebildet und aus allen Zeilenmittelwerten ein Gesamtmittelwert für das Dunkelfeld
errechnet. Der Schwellwert bestimmt sich dann beispielsweise durch
den Mittelwert zuzüglich
eines Toleranzwertes. Rauschsignale innerhalb dieser Toleranzbreite
werden also als zulässig
identifiziert, so dass die Rauschwerte oder Rauschsignale zur Bestimmung des
Korrekturwerts herangezogen wer den können. Dieser Schwellwert in
Abhängigkeit
des Mittelwerts bildet daher ein erstes Kriterium für das Vorliegen
einer unzulässigen
Abweichung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird als weiteres, zweites Kriterium für das Vorliegen einer
unzulässigen
Abweichung zusätzlich
oder alternativ ein Signalsprung des Rauschsignals zwischen zwei
aufeinander folgenden Zeilen herangezogen. Dieses zweite Kriterium
ist daher sehr sensitiv in den Randbereichen des Hochkontrastobjekts,
in dem die Kontrastsprünge
auftreten.
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Das
einer jeweiligen Zeile zuzuordnende Rauschsignal eines Dunkelfeldes
setzt sich aus mehreren einzelnen, den Spalten des Dunkelfeldes
zuzuordnenden Rauschwerten zusammen. Hierbei wird überprüft, ob einzelne
Rauschwerte eine unzulässige Abweichung
aufweisen. Gemäß dieser
bevorzugten Ausgestaltung wird daher jedes Pixel einer einzelnen Zeile
eines Dunkelfeldes für
sich betrachtet. Um Verzerrungen bei der Bestimmung des Korrekturfaktors zu
vermeiden, werden vorzugsweise Rauschwerte, die eine solche unzulässige Abweichung
zeigen, nicht für
die Bestimmung des Korrekturwerts herangezogen.
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Weiterhin
wird vorzugsweise die gesamte Zeile des Dunkelfeldes für die Bestimmungen
des Korrekturwerts nicht herangezogen, wenn mehr als eine vorgegebene
zulässige
Anzahl von Rauschwerten unzulässige
Abweichungen aufweisen. Da mit zunehmend weniger Einzelwerten die
Qualität
des Korrekturwerts deutlich abnimmt, wird somit einer Verschlechterung
des Korrekturwerts entgegengewirkt.
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Um
dennoch einen aussagekräftigen
Korrekturwert für
die betroffene Zeile für
die aktive Fläche
zu ermöglichen,
werden zur Bestimmung der Korrekturwerte die benachbarten Zeilen
zu derjenigen Zeile, die eine unzulässige Abweichung aufweist,
herangezogen. Es wird also das Rauschsignal, beispielsweise der
vorangegangenen Zeile interpoliert oder es wird der Mit telwert aus
zwei benachbarten Zeilen gebildet, die jeweils keine unzulässigen Abweichungen aufweisen.
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Alternativ
hierzu wird für
diejenigen Zeilen, die eine unzulässige Abweichung zeigen, ein
vorbestimmter, insbesondere aus dem Mittelwert der Rauschsignale
der Zeilen des Dunkelfeldes abgeleiteter Korrekturwert herangezogen.
Auf diese Weise lässt
sich mit vergleichsweise geringem Aufwand ein sinnvoller Korrekturwert
ermitteln.
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Die
vorgenannten Ausführungen
betreffen insbesondere ein Detektorfeld, bei dem lediglich ein Dunkelfeld
vorhanden ist. Zum Teil werden auch zwei Dunkelfelder zur Bestimmung
des Korrekturwerts eingesetzt, wobei diese üblicherweise an den Randseiten
des Detektorfeldes gegenüberliegend
angeordnet sind. Für
diesen Fall wird in einer bevorzugten Ausgestaltung zu jedem der
Dunkelfelder ein Rauschsignal für
das Zeilenrauschen erfasst und jedes der Rauschsignale wird auf
unzulässige
Abweichungen überprüft.
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Zweckdienlicherweise
wird hierbei aus dem Rauschsignal für eine Zeile eines jeweiligen
Dunkelfeldes ein Zeilenmittelwert gebildet. Als weiteres, drittes
Kriterium für
das Vorliegen einer unzulässigen Abweichung
wird dann der Unterschied der beiden Mittelwerte herangezogen. Dies
ist also ein relatives Kriterium, welches die beiden Rauschsignale
der Dunkelfelder miteinander vergleicht und hieraus Rückschlüsse zieht.
Wenn beispielsweise in einem Randbereich ein Hochkontrastobjekt
liegt, so wird das diesem benachbarte Dunkelfeld ein deutlich erhöhtes Rauschsignal
aufweisen.
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Liegt
bei einem der Dunkelfelder eine unzulässige Abweichung für das Rauschsignal
vor, so wird für
die Bestimmung des Korrekturfaktors zweckdienlicherweise nur das
Rauschsignal des oder der weiteren Dunkelfelder herangezogen. Bei
der Verwendung von zwei Dunkelfeldern kann daher relativ problemlos
auf das zweite nicht betroffene Dunkelfeld zur Bestimmung des Korrekturfaktors
zurückgegriffen
werden.
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Die
im Hinblick auf die ein Detektorfeld mit nur einem Dunkelfeld vorgeschlagenen
Kriterien und Vorgehensweisen lassen sich natürlich auch bei einem Detektorfeld
mit zwei Dunkelfeldern übertragen. Insbesondere
wird in beiden Fällen
bei Erfassung einer unzulässigen
Abweichung die Zeilenrauschkorrektur auf Grundlage des erfassten
Zeilenrauschens mit der unzulässigen
Abweichung „ausgeschaltet" und es wird eine
Ersatz-Rauschkorrektur vorgenommen.
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Mit
der hier beschriebenen Zeilenrauschkorrektur kann der Effekt des „vertikalen
Hochpassverhaltens des Ausleseverstärkers" im Bereich des Dunkelfeldes erkannt
und korrigiert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischer und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 einen
Flachbilddetektor nach Art einer Blockbilddarstellung und
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2 einen
schematischen Signalverlauf über
die Bandbreite eines Ausleseverstärkers für unterschiedliche Situationen
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Ein
Flachbilddetektor 2 gemäß 1 umfasst
ein matrixartiges Detektorfeld 4 mit insgesamt n-Zeilen
und m-Spalten. Das Detektorfeld 4 weist randseitig jeweils
mehrere Spalten überdeckend
ein nicht strahlungssensitives Dunkelfeld 6 sowie zwischen
diesen beiden Dunkelfeldern 6 eine strahlungssensitive,
aktive Fläche 8 auf.
Im Bereich der Dunkelfelder 6 weist das Detektorfeld 4 – anders
als im Bereich der aktiven Fläche 8 – keine
lichtaktive oder Szintillatorschicht auf, welche bei auftreffender Röntgenstrahlung
Lichtquanten er zeugt, die dann von hier nicht näher dargestellten Halbleiter-Detektoren
erfasst werden. In Betriebsmodi, bei denen ein weitergehender Teilbereich
des Detektorfeldes 4 beispielsweise durch Blenden abgeschattet
ist, können sich
die Dunkelfelder 6 auch auf solche Flächen erstrecken, die zwar prinzipiell
eine lichtaktive Beschichtung aufweisen, die jedoch in dem jeweiligen Betriebsmodus
nicht bestrahlt wird.
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Der
Flachbilddetektor 2 weist weiterhin eine Ansteuervorrichtung 10 zum
zeilenweisen Ansteuern des Detektorfeldes 4 auf. Jedes
Pixelfeld des Detektorfeldes 4 umfasst einen Halbleiter-Sensor
zur Erfassung der Lichtintensität
als Maß für die auf
das jeweilige Pixelfeld aufgetroffenen Röntgenstrahlung. In einer Zeile
sind daher insgesamt M solche Sensoren angeordnet.
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Das
Detektorfeld 4 umfasst ferner eine Mehrzahl von Ausleseverstärkern 12,
die wiederum mehrere einzelne Kanäle, beispielsweise 120, aufweisen, wobei
jeder Kanal genau einer der insgesamt m-Spalten zugeordnet ist.
Die insgesamt m-Spalten des Detektorfeldes 4 sind daher
in einzelne Spaltenblöcke 14 unterteilt,
wie in 1 dargestellt ist, und die jeweils einem Ausleseverstärker 12 zugeordnet sind.
Wie aus 1 ferner zu entnehmen ist, erstrecken
sich die Dunkelfelder 6 nicht zwangsweise über einen
kompletten Spaltenblock 14.
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Während des
Betriebs wird das Detektorfeld 4 über die Ansteuereinrichtung 10 zeilenweise
angesteuert, d.h. die Ansteuerung des Detektorfelds 4 erfolgt
derart, dass jeweils eine Zeile nach der anderen seriell ausgelesen
wird. Ein jeweiliger Ausleseverstärker 12 erhält also
zeilenweise die Signaldaten seiner ihm zugeordneten Spalten des
jeweiligen Spaltenblocks 14. Aufgrund der Auswerteelektronik sind
die eigentlichen Bildsignale von elektronischem Rauschen überlagert,
das insbesondere von den Ausleseverstärkern 12 herrührt.
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Um
dieses Rauschen zumindest weitgehend zu eliminieren wird eine sogenannte
Zeilenrauschkorrektur (line noise correction, LNC) vorgenommen. Hierzu
wird für
jede Zeile des Dunkelfeldes 6 ein Korrekturfaktor oder
Korrekturwert ermittelt. Dieser ist üblicherweise das arithmetische
Mittel der einzelnen Rauschwerte der einzelnen Spalten Kanäle des Ausleseverstärkers 12 einer
jeweiligen Zeile. Dieser Korrekturwert wird dann üblicherweise
von den über
die aktive Fläche 8 erfassten
Bildsignalen abgezogen.
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Befindet
sich nahe am Bildrand des Dunkelfelds 6 ein Hochkontrastobjekt 16,
beispielsweise ein Herzschrittmacher oder ein metallisches Implantat, wie
dies durch das dunkel schraffierte Viereck in 1 dargestellt
ist, so liegt ein Bereich mit sehr hoher Strahlungsintensität vor. Auf
Grund des abrupten und hochkontrastigen Übergangs an den Randbereichen
des Hochkontrastobjekts 16 von einer Zeile zur nächsten Zeile
wird zum einen eine Art Hochfrequenzstruktur erzeugt, die in der
jeweiligen Zeile über die
gesamte Kanalbreite des linken Ausleseverstärkers 12a zu erkennen
ist. Dieser Effekt wird auch als vertikales Hochpassverhalten des
Ausleseverstärkers 12a beschrieben.
Im Hinblick auf die Rauschkorrektur ist hierbei von besonderem Nachteil,
dass dieser Effekt nicht nur Spalten (Kanäle) des Ausleseverstärkers erfasst, über die
sich das Hochkontrastobjekt 16 befindet. Vielmehr sind
auch angrenzende Spalten/Kanäle
und üblicherweise
der gesamte Ausleseverstärker 12a betroffen.
Zum Teil ist sogar die gesamte Zeile des Detektorfeldes 4 über alle
Spalten hinweg betroffen. Wird nun diese „defekte" Zeile des Dunkelfelds 6 für die Bestimmung
eines Korrekturfaktors herangezogen, so wird dies zu einer fehlerhaften
Rauschkorrektur führen.
Insgesamt können sich
daher bei Vorliegen eines derartigen Hochkontrastobjektes 16 fehlerhafte
Zeilenstrukturen im klinischen Bild ergeben.
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Ein
erste Möglichkeit
zur Reduzierung dieses Effekts (vertikales Hochpassverhalten des
Ausleseverstärkers 12a)
besteht darin, dass sich das Dunkelfeld 6 zumindest über die
gesamte Kanalbreite des Ausleseverstärkers 12a erstreckt
und damit einen kompletten Spaltenblock 14 umfasst. In
diesem Fall würde
nämlich
innerhalb des Auslöseverstärkers 12a kein
Kontrastsprung erfolgen, da er ja keine „aktive Fläche" aufweist. Dies wird beispielsweise
durch eine geeignete Kollimation des Strahlengangs beispielsweise
mit Hilfe von Blenden ermöglicht.
Oder es wird eine Bleiabdeckung in den Randbereichen des Detektorfeldes 4 vorgenommen.
Dies ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden und dadurch unpraktisch.
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Erfindungsgemäß ist zur
Korrektur dieses Effektes vorgesehen, dass die zur Rauschkorrektur
erfassten Rauschsignale des Dunkelfeldes 6 auf unzulässige Abweichungen,
also auf Abweichungen über einen
vorgegebenen Schwellwert hinaus, überprüft werden und dass dann für diese
Zeilen dies bei der Bestimmung des Korrekturfaktors oder Korrekturwerts
berücksichtigt
wird. In einem ersten Schritt wird daher bei diesem Verfahren identifiziert,
ob ein derartiger unerwünschter
Effekt vorliegt und in einem zweiten Schritt werden dann die geeigneten
Konsequenzen für
die Rauschkorrektur gezogen. Dieses Verfahren lässt sich sowohl auf ein Detektorfeld
mit nur einem Dunkelfeld als auch auf Detektorfelder 4 mit mehreren,
insbesondere zwei gegenüberliegenden Dunkelfeldern 6 anwenden.
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2 zeigt
einen beispielhaften Signalverlauf S über die gesamte Bandbreite
des linken Ausleseverstärkers 12a und
zwar für
zwei insbesondere aufeinander folgende Zeilen, zwischen denen der Kontrastsprung
erfolgt. Die normale Zeile, die noch keine Einwirkung des Hochkontrastobjektes 16 zeigt, ist
hierbei punktiert dargestellt, wohingegen die vom Hochkontrastobjekt 16 beeinflusste
Zeile als durchgezogene Linie dargestellt ist. Die vertikal gestrichelte
Linie unterteilt hier schematisch den linken Bereich des Ausleseverstärkers 12a,
welcher dem Dunkelfeld 6 zugeordnet ist von der rechten
Seite des Ausleseverstärkers 12a,
welcher der aktiven Fläche 8 zugewiesen
ist.
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Im
Normalfall (punktierte Linie) und ohne Einstrahlung wird der Signalverlauf-S
in etwa um einen Mittelwert X schwanken. Dieser Mittelwert X als arithmetisches
Mittel der einzelnen Rauschwerte der Kanäle des Ausleseverstärkers 12a für das Dunkelfeld 6 ist
zugleich ein geeigneter Korrekturfaktor für die Zeilenrauschkorrektur.
Die weiterhin eingezeichneten horizontalen gestrichelten Linien
geben hierbei einen oberen und unteren Toleranzbereich an, innerhalb
dessen eine Abweichung vom Mittelwert X noch als zulässig betrachtet
wird. Insbesondere die obere gestrichelte Linie definiert einen
Schwell – oder Grenzwert
g, oberhalb dessen eine unzulässige
Abweichung vorliegt.
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Liegt
das Hochkontrastobjekt 16 vor, so kann sich dies – wie durch
die durchgezogene Kurve dargestellt – dahingehend äußern, dass
Licht auch in das eigentlich nicht sensitive Dunkelfeld 6 einstrahlt, so
dass sich auch hier deutlich erhöhte
Signalwerte für
die einzelnen Kanäle/Spalten
ergeben. Weist das Detektorfeld 4 nur ein Dunkelfeld 6 auf,
so wird zweckdienlicherweise überprüft, ob die
einzelnen Rauschwerte pro Spalte (einzelne Pixelwerte) oberhalb
des erlaubten Schwellwerts 9 liegen. Ist dies der Fall,
werden sie für
die Rauschkorrektur nicht berücksichtigt. Übersteigt
die Anzahl der einzelnen Pixelwerte, die oberhalb des zulässigen Schwellwerts 9 liegen,
eine vorbestimmte Anzahl, so dass nur noch eine zu geringe Anzahl
an Rest-Pixelwerten für
die Bestimmung des Korrekturfaktors verbleibt, so wird die gesamte
Zeile für
die Ermittlung des Korrekturfaktors nicht berücksichtigt. In diesem Fall
wird dann aus voran- oder nachfolgenden Zeilen eine Interpolation vorgenommen,
oder es wird ein Mittelwert aus den Korrekturfaktoren benachbarter
Zeilen gebildet, oder es wird ein vordefinierter Korrekturfaktor
zugrunde gelegt, der sich beispielsweise aus dem Mittelwert aller
Zeilen-Korrekturfaktoren bestimmt. Liegen zwei oder mehr Dunkelfelder 6 vor,
so kann für
jedes Dunkelfeld prinzipiell auf die gleiche Weise vorgegangen werden.
Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit,
die zwei Korrekturfaktoren der Dunkelfelder 6 miteinander
zu vergleichen und bei Übersteigen
einer vorbestimmten Differenz zwischen den beiden Korrekturwerten
den höheren
Korrekturwert zur Zeilenrauschkorrektur nicht zu berücksichtigen.
Alternativ werden beide Korrekturwerte nicht berücksichtigt und es erfolgt auch
hier eine Interpolation von benachbarten Zeilen oder eine Mittelwertbildung
aus benachbarten Zeilen oder es wird ein vorbestimmter Korrekturfaktor herangezogen.
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Mit
dem vorbeschriebenen Verfahren wird insbesondere ein durch ein Hochkontrastobjekt
hervorgerufenes vertikales Hochpassverhalten des Ausleseverstärkers 12a im
Bereich der Dunkelfelder 6 erkannt und wirkungsvoll korrigiert,
so dass Bildartefakte weitgehend unterdrückt und vermieden werden. Mit
diesem Verfahren werden zugleich auch vergleichbare Effekte, wie
Lichteinstrahlung in das Dunkelfeld, erkannt und korrigiert.