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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur linearen und kontinuierlichen Steuerung der Helligkeit von LED-Lichtquellen für optische Instrumente.
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Unter optischen Instrumenten sind im Sinne dieser Anmeldung insbesondere Lichtmikroskope zu verstehen, die zum Beispiel im Bereich der Materialwissenschaften, in der Biologie oder Medizin eingesetzt werden. Die Inspektion oder die optische Analyse jeweiliger Material- oder biologisch/medizinischen Proben kann sowohl durch eine visuelle Begutachtung durch einen Laboranten und/oder automatisiert durch ein optisches Bildverarbeitungssystem erfolgen. Unabhängig davon, ob die Analyse der zu mikroskopierenden Proben visuell, teil- oder vollautomatisiert erfolgt, ist grundsätzlich eine aktive Beleuchtung der Probe mit einer Lichtquelle notwendig. Die Helligkeit abhängig vom entsprechend dem Kontrast einer mit Auflicht bzw. Durchlicht beleuchtete Proben und abhängig von der Dynamik eines optischen Bildsensors und/oder der Empfindlichkeit des menschlichen Auges eingestellt wird.
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Für die aktive Beleuchtung zum Einsatz in oder an optischen Instrumenten setzen sich zunehmend LED-Lichtquellen durch, die sich insbesondere durch ihren geringen Energieverbrauch und ihre günstige Farbtemperatur auszeichnen, wobei die Farbtemperatur über einen breiten Helligkeitsbereich konstant gehalten werden kann.
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Eine solche, gattungsbildende LED-Lichtquelle umfasst in der Regel wenigstens eine Leuchtdiode (LED), die das eigentliche Leuchtmittel der Lichtquelle bildet, eine LED-Treiberschaltung sowie eine Batterie und/oder ein Netzteil für die elektrische Energieversorgung. Eine LED-Treiberschaltung beinhaltet im Wesentlichen eine Konstantstromquelle, über die eine konstanter Arbeitspunkt in der Spannungs/Strom-Kennlinie der LED eingestellt wird. Zum Einstellen bzw. Variieren der Helligkeit einer LED ist in einer LED-Lichtquelle zusätzlich eine Steuereinrichtung vorgesehen, die einer LED-Treiberschaltung vorgeschaltet ist, und ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal zur getakteten Ansteuerung der jeweiligen LED-Treiberschaltung bereitstellt, wobei die Helligkeit einer LED abhängig von der Pulsweite des Signals ist. Ein solches PWM-Signal wird bevorzugt mit einer digitalen Steuerlogik der Steuereinrichtung erzeugt, wobei in einem Register mit einer vorgegebenen Bitbreite der Sollwert für eine jeweilig gewünschte Pulsweite in Form eines binären Werts vorgegeben ist.
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Bei einer automatisierten Inspektion von Proben kann die notwendige Helligkeit einer LED-Lichtquelle durch das jeweilige Bildverarbeitungssystem automatisch an die Empfindlichkeit eines betreffenden Bildsensors angepasst werden. Die Steuereinrichtung einer LED-Lichtquelle umfasst hierfür eine Fernbedienungsschnittstelle, über die ein entsprechender Parameter für die Helligkeit an das Register der Steuerlogik übergeben werden kann.
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Während einer weitgehend automatisierten Analyse einer Probe besteht oftmals die Notwendigkeit zwischenzeitlich die Analyse visuell zu kontrollieren, wobei ein Laborant in diesem Fall die Helligkeit der Lichtquelle manuell an die Lichtempfindlichkeit seines Auges anpassen muss. Dabei ist in der Regel ein sprunghafter Helligkeitswechsel bei der Beleuchtung einer Probe zu vermeiden. Daher wird beim Umschalten von einer automatischen zu einer manuellen Steuerung zunächst der Helligkeitswert im Register der Steuerlogik beibehalten, der über die Schnittstelle vom Bildverarbeitungssystem vorgeben wurde. Ausgehend von diesem Wert kann die Helligkeit schrittweise, d. h. durch bitweise inkrementieren bzw. dekrementieren des Registers, verändert werden. Hierfür wird beispielsweise ein Wipptaster bereitgestellt, mit dem die LED-Lichtquelle auf- bzw. abgedimmt werden kann.
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Es ist bekannt, dass die vom menschlichen Auge empfundene Helligkeit einer Lichtquelle proportional zum Logarithmus der von der Lichtquelle ausgesendeten Strahlungsleistung ist. Dagegen ist die abgegebene Strahlungsleistung einer Leuchtdiode, die als Lichtquelle in optischen Instrumenten zunehmend an Bedeutung gewinnt, proportional zu der von ihr aufgenommenen elektrischen Leistung.
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Bei einer digitalen Helligkeitssteuerung, deren Register nur eine auf beispielsweise auf 4 Bit begrenzte Bitbreite und somit nur geringe Anzahl von Quantisierungsstufen – in diesem Beispiel 16 – bereitstellt, ergibt sich das Problem, dass bei einer linearen Ansteuerung eines LED-Treibers sich Helligkeitssprünge insbesondere in den dunklen Bereichen der LED-Helligkeit ergeben. Die alternative Verwendung vieler Stufen, z. B. von 1024 Stufen mit einem 10 Bit Register, ist für die manuelle Verstellung der Helligkeit sehr umständlich, da bei großen Helligkeitsänderungen entsprechend viele Stufen eines Tasters durchschritten werden müssen.
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Diesen Problemen wird nach dem Stand der Technik durch die Verwendung einer nichtlinearen Quantisierungskennlinie begegnet, mit der ein digitaler Wert für die Helligkeit beispielsweise exponentiell in eine korrespondierende elektrische analoge Ausgangsleistung im LED-Treiber umgesetzt wird. Eine solche exponentielle Steuerung der LED-Leistung ist beispielsweise aus der
US 6975079 bekannt und wird im Folgenden auch als logarithmische Helligkeitssteuerung bezeichnet. Zur Verwirklichung werden Prozessor-gestützte Geräte mit abgespeicherter nichtlinearer Kennlinie oder mit einem nichtlinearen Konversionsmodul verwendet. Dieses ist jedoch in Bezug auf die benötigten Bauteile recht aufwändig und einfachere Bauformen wären wünschenswert. Bei dieser Steuerung weisen ferner sämtliche nichtlinearen Kennlinien zunächst bei geringerem Licht eine geringere Steigung auf, dies bedeutet, es wird bei geringerem Licht ein größerer Stellweg eines Bedienelements benötigt, als bei höheren Lichtintensitäten. Diese Art der Nichtlinearität kann aber gerade bei der Mikroskopie, beispielsweise bei Dunkelfeld- oder Phasenkontrastanwendungen nachteilig sein. Auch bei größeren Helligkeiten kann eine sehr feinfühlige, dies bedeutet mit großem Stellweg verbundene Einstellung vorteilhaft sein, insbesondere wenn feine Helligkeitsunterschiede bei hohen Helligkeiten noch präzisen Kontrast aufweisen sollen. Bei der digitalen Bildaufzeichnung darf beispielsweise eine maximale Helligkeit nicht überschritten werden und kommt der exakten Belichtung von Bildbereichen mit hoher Helligkeit große Bedeutung zu. Wird nämlich der größte aufzeichenbare Helligkeitswert überschritten, wird nur noch eine unstrukturierte weiße Fläche ohne jeglichen Bildkontrast aufgezeichnet. Da man bei der Mikroskopie in der Regel Bilder mit einem möglichst großen Kontrastumfang aufzeichnen will, ist bei diesen Anwendungen gerade auch die feinfühlige Verstellung höherer und hoher Lichtintensitäten von großem Vorteil und es besteht ein Interesse daran, Lichtquellen zur Verfügung zu haben die im Gegensatz zur
US 6975079 im gesamten Einstellbereich auch feinfühlige Verstellungen erlauben.
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Die logarithmische Helligkeitssteuerung von LED-Lichtquellen stellt zwar ein Kompromiss zwischen einer guten manuellen Verstellbarkeit mit wenigen Stufen und einer ausreichenden Feinheit mit vielen Stufen im geringen Helligkeitsbereich dar, aber während die visuell wahrgenommene Helligkeit der LED-Lichtquelle linear zunimmt, wächst ihre Beleuchtungsstärke exponentiell, so dass zwischen großen Helligkeitsstufen große Sprünge in der Beleuchtungsstärke auftreten. Daher besteht auch die Gefahr, dass lichtempfindliche Proben leicht zerstört werden können, da hohe Beleuchtungsstärken leicht erreicht, aber vom Auge aufgrund seiner logarithmischen Sensibilität nicht wahrgenommen werden. Somit gibt es für einen Laboranten keine Rückkopplung beim Einstellen der Helligkeit, in welchem Bereich der Beleuchtungsstärke sich die Lichtquelle befindet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Helligkeitssteuerung von LED-Lichtquellen bereitzustellen, mit der die zuvor genannten Nachteile der bekannten Lösungen vermieden oder gemildert werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den Gegenstand gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch und dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch gegeben.
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Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Eine Helligkeitssteuerung für LED-Lichtquellen optischer Instrumente, die insbesondere für Lichtmikroskope geeignet ist, umfasst eine elektronischen Treiberschaltung für wenigstens eine LED, eine digitale Steuerlogik, ein Bedienelement zum manuellen Einstellen eines Helligkeitswerts. Die Steuerlogik stellt ein Signal bereit, mit dem eine entsprechende Leistung am Ausgang der Treiberschaltung variable einstellbar ist. Die Steuerlogik umfasst zum Beispiel ein 8 Bit oder bevorzugt ein 10 Bit breites Register, in dem ein der Leistung am Ausgang der Treiberschaltung entsprechender binärer Wert gespeichert ist.
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Erfindungsgemäß ist ein Inkrementalgeber als Bedienelement zum Einstellen der Helligkeit vorgesehen, mit dem ein aktueller Wert für die Helligkeit im Register dekrementierbar und inkrementierbar ist. Die Größe eines Inkrements oder Dekrements ist abhängig von der jeweiligen Pulsfrequenz des Inkrementalgebers und ist aus einer von wenigstens zwei Stufen auswählbar. Eine feine Stufe umfasst ein 1 Bit großes Inkrement bzw. Dekrement, so dass die Leistung am Ausgang der Treiberschaltung zumindest in der feinsten Stufe beispielsweise über 256 bzw. 1024 Stufen quasikontinuierlich veränderbar ist.
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Mit der Erfindung wird eine quasilineare Regelung für die Helligkeit von Leuchtdioden bereitgestellt, die über den gesamten Helligkeitsbereich eine sehr feine, d. h. eine beispielsweise 256stufige, Helligkeitssteuerung erlaubt, ohne dabei die Möglichkeit einer schnellen Verstellung der gewünschten Helligkeit einzuschränken.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann eine Helligkeitssteuerung zusätzlich eine Eingabeschnittstelle zum Anschließen einer externen Vorrichtung zum automatischen Einstellen des Helligkeitswerts aufweisen.
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Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass ein über die Schnittstelle programmierter Wert für die Helligkeit einer LED-Lichtquelle beim manuellen Einstellen zunächst beibehalten wird, und abhängig von der Bewegung des Inkrementalgebers in Stufen verschiedener Größe inkrementierbar oder dekrementierbar ist. Ein fixer Zusammenhang einer Reglerposition und einer Helligkeit bekannter analoger Helligkeitssteuerungen optischer Instrumente existiert somit nicht. Plötzliche Helligkeitsänderungen beim Umschalten zwischen einer automatischen Helligkeitsregelung und einer manuellen Helligkeitssteuerung wird bei der erfindungsgemäßen Lösung vermieden.
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Bevorzugter Weise ist der Inkrementalgeber als Drehgeber ausgeführt, der einem jeweiligen Benutzer einen Drehknopf zur manuellen Veränderung der Helligkeit bereitstellt.
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Die Helligkeitssteuerung umfasst bevorzugt einen Digital-Analog-Wandler, der als Signal eine variable Spannung zur Ansteuerung der Treiberschaltung bereitstellt, wobei die Treiberschaltung einen spannungsgesteuerten Stromregler umfasst.
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Eine Treiberschaltung mit einer solchen spannungsgesteuerten Stromregelung zeichnet sich gegenüber einem mit einem pulsweitenmodulierten Signal getakteten konventionellen LED-Treibermodul dadurch aus, dass bei einer Kameraaufnahme durch den konstanten Strom Intensitätsschwankungen während der Belichtungszeit vermieden werden. Insbesondere bei Kameraaufnahmen mittels Durchlicht müssen teilweise sehr geringe Helligkeitswerte an der Lichtquelle eingestellt werden, um eine optimale Belichtungs- und Kontrastverhältnisse für eine Kamera zu gewährleisten. Bei solchen geringen Helligkeitswerten führt das ungünstige Puls-Pausen-Verhältnis des PWM-Signals zu einem flimmern der LED-Lichtquelle, das unerwünschte Artefakten in den Aufnahmen hervorrufen kann.
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Diese und weitere Merkmale sowie weitere damit einhergehende Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur linearen und kontinuierlichen Steuerung einer Referenzspannung für eine Helligkeitsregelung von Leuchtdioden;
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2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur linearen und kontinuierlichen Helligkeitsregelung von Leuchtdioden;
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, die einen Inkrementalgeber 1, einen Mikrokontroller 2 sowie eine spannungesteuerte Stromquelle 3 umfasst, wobei die Stromquelle einen konstanten Strom für eine Leuchtdiode 4 oder eine Anzahl in Reihe geschalteter Leuchtdioden bereitstellt.
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Die Stromquelle 3 wird durch eine analoges Spannungssignal angesteuert, das von einen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 23 des Mikrokontroller 2 bereitgestellt wird, wobei der D/A-Wandler 23 sowohl im Mikrokontroller integriert, als auch als externer Baustein an einem 10 Bit breiten digitalen Ausgabe-Port ausgeführt sein kann.
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Zum manuellen Einstellen eines gewünschten Helligkeitswerts ist eingansseitig am Mikrokontroller 2 ein Inkrementalgeber als Bedienelement vorgesehen, der bevorzugt in Form eines Drehgebers 1 ausgeführt ist, mit dem ein aktuell in einem Register des Mikrokontroller gespeicherter Wert für die Helligkeit inkrementiert oder dekrementiert werden kann.
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Ein solcher Drehgeber 1 umfasst in der Regel einen mechanischen Drehknopf an dessen Drehachse beispielsweise eine runde Scheibe mit einem optischen oder elektrischen Schlitzraster angebracht ist, wobei das Raster mit einem Paar optischer Sensoren oder einem Paar Schleifkontakte abgetastet wird. Die jeweils zwei Sensoren eines Paares von Sensoren werden derart zueinander versetzt angeordnet, dass beim Drehen und Abtasten des Rasters die beiden Sensoren zwei getrennte periodische Rechtecksignale erzeugen, deren Pulsfrequenz der Drehgeschwindigkeit des Drehknopfes entspricht, und wobei die Signale zueinander phasenversetzt, beispielsweise um 90° zueinander phasenversetzt sind. Die Signale werden zur Auswertung über zwei getrennte Signalleitungen 11, 12 dem Mikrokontroller 2 zugeführt und von diesem zyklisch abgetastet.
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Die Abtastfrequenz, mit der die Rechtecksignale auf den Eingängen 11, 12 des Mikrokontrollers abgetastet werden, ergibt sich aus der für einen Benutzer schnellstmöglichen Drehung des Drehknopfes, d. h. der schnellstmöglichen Pulsfrequenz des Drehgebers, wobei das Abtasttheorem nach Shannon Berücksichtigung finden kann. Bei jeder Abtastung wird ein Interrupt 22 ausgelöst, durch den auf bei beiden Signaleingängen 11, 12 überprüft wird, ob eine Signaländerung zur vorherigen Abtastung stattgefunden hat.
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Mit dem Erfassen einer Signaländerung auf einem der beiden Eingänge 11, 12 wird zunächst eine im Mikrokontroller abgelegte Wertetabelle 221 abgefragt, mit der die jeweilige Drehrichtung des Drehgebers 1 bestimmbar ist. Somit wird im Folgenden festgelegt, ob eine Inkrementierung oder eine Dekrementierung des Helligkeitswertes erfolgen soll.
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Gleichzeitig wird ein Timer 222 gestartet, mit dem das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signaländerungen gemessen wird. Diese Zeitdauer wird über eine zweite Wertetabelle ausgewertet, wodurch anschließend bestimmt wird, um wie viele Schritte der Helligkeitswert im einem wenigstens 10 Bit breitem Register 223 inkrementiert oder dekrementiert wird. Der entsprechende Helligkeitswert wird mit Hilfe eines D/A-Wandlers 24 in einen analogen Spannungswert umgesetzt, der einer spannungsgesteuerten Stromquelle 3 zugeführt wird. Ein 10 Bit D/A-Wandler stellt mit 1024 Stufen eine ausreichend feinstufig einstellbare Spannung bereit, die einer spannungsgesteuerten Stromquelle 3 zugeführt wird. Die spannungsgesteuerte Stromquelle 3 regelt den durch die Leuchtdioden 4 fließenden Strom auf einen durch die Spannung vorgegebenen Wert.
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Der Mikrokontroller 2 umfasst zusätzliche eine in der 1 nicht dargestellte Ein-/Ausgabe-Schnittstelle, über die ein Helligkeitswert von einer ebenfalls nicht dargestellten externen Einrichtung als Fernsteuersignal übergeben werden kann. Der Drehimpulsgeber 1, der als Bedienelement zur manuellen Helligkeitssteuerung verwendet wird, ermöglicht eine Verstellung eines aktuellen Helligkeitswertes, wobei der im Vergleich zu einem Potentiometer feste Zusammenhang zwischen der Reglerposition und Helligkeit aufgehoben ist. Anstelle einer nach dem Stand der Technik bekannten festen Zuordnung zwischen der Stellung eines Drehreglers und einem Helligkeitswert ermöglicht die Erfindung eine manuelle Erhöhung oder Reduzierung der Helligkeit einer LED-Lichtquelle von jedem zuvor eingestellten Wert aus. Helligkeitssprünge beim Umschalten von einer automatischen auf eine manuelle Helligkeitssteuerung werden somit bei optischen Instrumenten vermieden.
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Die über 1024 Stufen variierbare Helligkeit ermöglicht somit eine lineares und quasikontinuierliches Einstellen der Strahlungsleistung einer Leuchtdiode, wobei eine jeweilige Stufe etwa 0,1% der maximalen Leistung entspricht.
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Die Größe eines Inkrements oder Dekrements wird von der Pulsfrequenz des Betätigungsorgans abhängig gemacht. Dazu wird die mit dem Timer 222 ermittelte Zeitdauer zwischen zwei Signaländerungen an zumindest einem Ausgang des Drehgeber 1 ermittelt und mit einer dem Timer zugeordneten Wertetabelle abgeglichen. Bei einer geringen Pulsfrequenz erzeugt der Drehimpulsgeber ein Signal mit einer langen Periodendauer bzw. geringer Frequenz, so dass die Helligkeit um eine Stufe, d. h. um ±1 Bit verändert wird. Überschreitet die Pulsfrequenz und die damit korrespondierende Periodendauer eines Rechtecksignals einen in der Wertetabelle des Mikrokontrollers abgelegten Wert, so wird die Helligkeit um mehrere Stufen z. B. um ±50 Bit verändert.
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Diese geschwindigkeitsabhängige Helligkeitsregelung ermöglicht somit insbesondere bei großen Änderungen einer LED-Helligkeit eine komfortable Bedienung bei einer gleichzeitig feinen Stufung der Helligkeitswerte.
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Die Geschwindigkeitsabhängigkeit kann 2-, 3- oder mehrstufig ausgeführt werden. Dazu werden eine bzw. mehrere Grenzfrequenzen definiert, zwischen denen die Helligkeit jeweils um eine feste Stufung erhöht bzw. reduziert wird. Die Zuordnung zwischen Pulsfrequenz und den jeweiligen Stufungen kann in beliebiger Weise erfolgen und somit an die jeweiligen Bedürfnisse einer komfortablen Bedienung angepasst werden.
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Die Geschwindigkeitsabhängigkeit kann ferner über einen funktionalen Zusammenhang ausgeführt sein. Bei einem Rechtecksignal mit einer Frequenz f das während einer Drehung des Drehgeber erzeugt wird könnte die Helligkeit z. B. um f/Hz Stufen erhöht oder reduziert werden, wobei in einem funktionalen Zusammenhang selbstverständlich nur ganze Stufen verwirklicht werden. Ein solcher funktionaler Zusammenhang kann auch überlinear (z. B. quadratisch oder exponentiell), unterlinear (z. B. wurzelförmig oder logarithmisch oder aus mehreren Funktionsabschnitten zusammengesetzt sein.
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Wie in der 2 dargestellt kann die vorliegende Erfindung auch mit einem FPGA 5 anstelle eines Mikrokontrollers ausgeführt werden. Die Abtastung der beiden Kanäle aus dem Drehgeber 1 erfolgt über ein generiertes Taktsignal, das dem FPGA 5 bereitgestellt wird. Bei jedem erfolgten Takt werden beide Kanäle des Drehgeber 1 abgefragt und auf Zustandsänderung untersucht. Hierzu wird eine Wertetabelle abgefragt, über die die Drehrichtung erkannt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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