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Diese Erfindung betrifft das Messen von ionisierender Strahlung (Radioaktivität) mittels digital auslesbaren Bildsensoren (z. B. CCD oder CMOS-Sensoren).
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Bekannt sind Messgeräte zur Detektion von ionisierender Strahlung (z. B. Geiger-Müller-Zählrohr oder Halbleiterdetektoren), welche speziell für diesen Zweck konzipiert wurden. Bekannt sind zudem Kameras (sowohl Photo- als auch Video-) welche zur Wandlung von sichtbarem Licht in eine digital auslesbare Information geeignet sind. Diese Kameras sind vorwiedend für den mobilen Einsatz gedacht (z. B. digitale Kompaktkameras, Webcams, Bildsensoren in Mobiltelefonen(Handy)/Smartphones/Netbooks/Notebooks).
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Der Trend in mobilen Geräten geht zur Vereinigung möglichst vieler Sensoren für verschiedene physikalische Messgrößen in einem Gerät. Die Kombination Bildsensor, Mikrophon, grober Lagesensor/Beschleunigungssensor und Bedienungstasten gehört seit einigen Jahren zum Standard. Einige Geräte (z. B. IPhone) haben zusätzlich noch GPS, Kompass und präzise Beschleunigungssensoren im Einsatz.
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Weitere Sensoren sind nur schwierig zu integrieren, da sowohl der Platzbedarf, als auch die Kosten steigen würden. Wir sprechen hier von Geräten unter 500 g Gesamtgewicht (typisch 90–250 g) und einer Preisklasse von z. B. unter 500 Euro.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt die Erweiterung von Geräten mit digital auslesbarem Bildsensor um die Funktionalität eines Sensors für ionisierende Strahlung. Dieses hauptsächlich auf die Auswertung der Daten des optischen Sensors beschränkte Verfahren zur Bestimmung der Intensität von ionisierender Strahlung ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Vorteil der Erfindung ist das Messen von ionisierender Strahlung mittels vorhandenem Bildsensor ohne zusätzlichen Platzbedarf und nahezu ohne zusätzliche Kosten (programmierbare Auswerteelektronik für Bilddaten ist typischerweise vorhanden).
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Ein Anwendungsfall für dieses Messverfahren besteht bei Menschen die Angst vor jeglicher Strahlung haben, die hiermit typischerweise beruhigt werden könnten.
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Es ist bekannt, dass ionisierende Strahlung (Röntgen, Gamma (auch Alpha, Beta), kosmische Strahlung, schnelle Elektronen oder Protonen) auf Grund ihrer Fähigkeit bei Wechselwirkung mit Materie Ionen/Ladungen freizusetzen in aufgenommenen Bildern (speziell bei hoher Belichtungszeit) helle lokale Störungen im Bild hervorrufen. Dieser Effekt tritt auch bei analog belichteten Bildern auf.
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In Nachtaufnahmen des Sternenhimmels (nicht nur hier, aber hier besonders gut sichtbar) treten sogenannte 'cosmics' auf. Nicht zu Verwechseln mit den zusätzlich auftretenden s. g. 'hotpixels', die auf Grung von Fehlern im Sensorchip ein festes (primär von Belichtungszeit und Temperatur abhängiges) Muster bzw. Rauschen, welches nur bestimmte Pixel (Bildpunkte) betrifft, hinzufügen/darstellen.
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Auch wenn es sich bei Licht um Strahlung handelt, wird im Folgenden mit dem Wort 'Strahlung' ionisierende Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums (ca. 380–750 nm) bezeichnet.
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Wenn es nun durch digitale Bildauswertung (image processing) gelingt die festen Sensorfehler (hotpixel) von den deutlich seltener (bei natürlicher Strahlungsintensität) und plötzlich und an beliebiger Position auftretenden Strahlungsblitzen zu trennen, dann hätte man zusätzlich eine Messmöglichkeit für ionisierende Strahlung zu Verfügung. Das Problem der Signaltrennung (sichtbares Licht – Strahlungsereignis) stellt sich bei herkömmlichen Sensoren für ionisierende Strahlung nicht, da dort (aufbaubedingt) kein Licht eindringen kann.
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Die Signaltrennung in digitalen Bildsensoren (Strahlung – hotpixel, herkömmlicher Bildinhalt) wird bei abgedunkelten (z. B. zugehaltenen) Sensoren einfacher. Beispielsweise kann der Verschluss (für die Belichtungszeit) vor dem Sensor geschlossen bleiben, eine mechanische Abdeckung (Staub- und Kratzschutz) ebenso. Hierfür sind ggf. Firmwareänderungen nötig, die das Auslesen der Sensordaten im geschlossenen Zustand erlauben. Prinzipiell ist die Bestimmung von Strahlungsblitzen (Ereignissen) auch bei relativ hellen Bildern möglich (z. B. durch die Auswertung des Grauwerthistogramms). Um den Auswertungsaufwand klein zu halten, sollte eine relativ lange Belichtungszeit gewählt werden (z. B. mehrere Bilder summieren oder höhere Belichtungszeit (z. B. x2, x3, xN, 0.5 s..1000 s). Jegliche vorgeschaltete Bildkorrektur sollte hier entfallen, da sie das Ergebnis eher verschlechtert als verbessert.
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Auf Grund der geringen wirksamen Chipfläche (einige Quadratmillimeter bis hin zu einigen Quadratzentimetern bei nur wenigen Mikrometern (μm) Dicke) ist das Signal/Rauschverhältnis (SNR) deutlich schlechter als bei den bekannten Sensoren für radioaktive Strahlung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten nur einzelne zufällige Ereignisse pro Minute oder gar Stunde auf. Dieser Nachteil kann durch eine längere Messzeit und/oder Kombination mehrerer Sensoren ausgeglichen/verringert werden. Es könnten beispielsweise mehrere Geräte (z. B. Smartphones) miteinander vernetzt werden um eine höhere effektive Sensorfläche zu erreichen.
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Es existieren Verfahren zur Bestimmung von Hotpixels in digitalen Bildern. Wenn man nun alle bekannten Hotpixels entfernt, bleiben nur Strahlungsblitze (Ereignisse pro Minute) und neue Hotpixels (etwa einer pro Megapixel und Jahr) übrig.
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Ein Strahlungsereignis kann sich über mehrere benachbarte Pixel erstrecken (lineare Strecke, offener Polygonzug, Linie mit Knick). Auf Grund der niedrigen zu erwartenden Ereignisrate kann das Zählen auf maximal ein Ereignis pro Frame reduziert werden (wenn die Belichtungszeit oder effektive Belichtungszeit (bei aufsummierten Bildern) klein ist gegenüber der Ereignisrate (z. B. 1 s, 10 oder 100 s)).
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Die Strahlungsintensität berechnet sich nun aus Anzahl der detektierten Strahlungsblitze pro Messzeit multipliziert mit einem gerätespezifischen Faktor.
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Die Signaltrennung kann über die Verwendung von Grauwerthistogrammen, Helligkeitshistogrammen, Differenzbildern, Schwellwertverfahren (Sättigungsdetektion), Kantenbildern, Linien- oder Punktfindungsverfahren beruhen.
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Die erwarteten zu detektierenden Ereignisse sind sowohl zeitlich, als auch örtlich scharf aufgelöst (< 1 ms und wenige Pixel ausgedehnt mit scharfen Kanten (hell/dunkel-Ortsabstand < 1..2 Pixel)). Beispielsweise weist eine plötzliche und kurzzeitig vorübergehende Zunahme der Anzahl der gesättigten bzw. besonders hellen Pixel auf ein Ereignis hin, speziell wenn sie örtlich begrenzt ist (lokal, nicht global auf Sensor).
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In einigen Geräten mit integrierter Kamera (z. B. das IPhone von Apple) findet eine Normalisierung der Bildhelligkeit statt. Um das Bild (nach einer Vorverarbeitung) speicherplatzsparend abzulegen (z. B. 8 Bit/Pixel = 1 Byte/Pixel), werden die Grauwerte die der Sensor liefert (z. B. 9, 10, 11, 12 oder 16 Bit) so runterskaliert (Skalierungsfaktor S < 1), dass der maximale Grauwert 255 (= 28 – 1) beträgt. D. h. bei dunklen Bildern beträgt der maximale Grauwert weniger als 255, wohingegen er bei hellen Bildern (ab einer bestimmten lokalen Maximalhelligkeit) stets 255 beträgt. Optional kann bei dunklen Bildern zusätzlich ein heraufskalieren stattfinden (Skalierungsfaktor S > 1).
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Eine Anpassung der Helligkeit/Grauwerte muss nicht linear sein (z. B. Gamma), jedoch ist sie typischerweise (oft streng) monoton (abgesehen von einer zusätzlichen Inversion/Negation).
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Wenn nun ein Strahlungsereignis eintritt (also ein sehr heller Pixel nahe der Sättigung hinzukommt), wird durch eine solche globale Skalierung das Spektrum der Grauwerte (Grauwert-Histogramm) nach unten (zu 0, dunkel) verschoben. Zusätzlich oder alternativ (je nach optischem Bildmuster, also dem was der Bildsensor normalerweise sieht – Licht) wird das Maximum (letzter gefüllter Eintrag) des Histogramms nach oben verschoben.
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Bei Strahlungsereignissen klafft häufig (nicht zwangsläufig) eine Lücke im Histogramm, da der gesättigte Strahlungspixel nichts mit dem häufig zusammenhängenden Spektrum des optischen Bildinhalts zu tun hat.
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Eine Verschiebung des Helligkeits-Spektrums zeigt sich z. B. in einer (sprunghaften) Veränderung des mittleren Grauwertes, des Medianes (Zentralwert) oder eines anderen aus dem Histogramm berechenbaren Wertes. Das Helligkeitsmaximum kann ebenfalls aus dem Histogramm abgelesen werden oder aber direkt bestimmt werden. Eine sprunghafte Veränderung der gerade beschriebenen Werte (Mittelwert, Median, Maximum oder ähnlichem) deutet auf ein Strahlungsereignis hin. Wobei sich das Maximum meist in die entgegengesetzte Richtung bewegt, als der Rest des Spektrums (bzw. abhängig vom Bild in der Sättigung verbleibt).
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Da typischerweise ein Bayer-Sensor (Bayer-Matrix, jeder Bildpunkt misst nur eine Farbe – RGB) verwendet wird, findet in der Vorverarbeitung (welche auch schon im Bildsensor erfolgen kann) eine Zusammenfassung von (meist) zwei benachbarten gleichfarbigen Pixeln (z. B. durch Mittelung) statt. Daher kann ein gesättigter Sensor-Pixel auch als mehrere (z. B. 2, 3, 4 oder mehr) benachbarte Pixel mittlerer Helligkeit im vorverarbeiteten Bild abgebildet sein (verwaschen/unscharf).
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Zur Ermittlung eines sinnvollen Messwertes für die Strahlungsintensität sollte die Messzeit so lange andauern, bis eine festgelegte Ereigniszahl eingetreten ist (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, oder mehr; optimal 2..10). Dies wird bei hohen Strahlungsstärken früher erreicht. Mit zunehmender Messzeit sinkt stets der Messfehler.
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Wenn ein Ereignis registriert wird (z. B. anhand des Histogramms), kann das Bild genauer nachuntersucht werden (selbst wenn dadurch ein oder mehrere Folgebilder wegen erhöhter Auswertungszeit ausgelassen (skipped frame) werden müssten. Dadurch können fehlerhafte Ereigniszählungen verringert werden und/oder sogar die Richtung der Strahlungsquelle grob bestimmt werden (cosα: flacher Einfall → längerer ausgerichteter Strich). Eine paarweise Zusammenfassung (z. B. Filter) zweier benachbarter Pixel (oben-unten, links-rechts, diagonal /-\) inkl. eines Schwellwertes liefert schnell eine der vier Vorzugsrichtungen (Richtungshistogramm HOG).