DE10307744A1

DE10307744A1 - Verfahren zur Bestimmung der Intensitätswerte elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE10307744A1
Application number: DE10307744A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Westphal; Martin Dr. Kühner; Dieter GRÄFE
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Intensitätswerten elektromagnetischer Strahlung von Orten in einem Gebiet (G), wobei die elektromagnetische Strahlung eine absolute minimale Intensität und eine absolute maximale Intensität aufweist, mittels einer Detektierungseinrichtung die Meßwerte in einem Bereich von einer niedrigsten meßbaren Intensität bis zu einer höchsten meßbaren Intensität mit linear steigender Empfindlichkeit registrieren und speichern kann. DOLLAR A Bei einem solchen Verfahren wird eine Anzahl Messungen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung aus dem Gebiet (G) mit voneinander verschiedenen Meßzeiten vorgenommen, wobei nur solche Meßwerte in Zuordnung zum Ort und zur Meßzeit gespeichert werden, die kleiner als die höchste meßbare Intensität sind und als Intensitätswert für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung der mit einem Faktor multiplizierte Meßwert festgelegt wird, der für diesen Ort bei der längsten Meßzeit ermittelt worden ist, wobei der Faktor dem Quotienten aus der längsten Meßzeit und der Meßzeit entspricht, die dem betreffenden Meßwert zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Intensitätswerten elektromagnetischer Strahlung von Orten in einem Gebiet G, wobei die elektromagnetische Strahlung eine absolute minimale Intensität
und eine absolute maximale Intensität
aufweist, mittels einer Detektierungseinrichtung, die Meßwerte in einem Bereich von einer niedrigsten meßbarenren Intensität
bis zu einer höchsten meßbaren Intensität
mit linear steigernder Empfindlichkeit registrieren und speichern kann.
Bei foto- und radiometrischen Untersuchungen biochemischen und biologischen Materials, bei der Untersuchung astronomischer Objekte, aber auch beim Fotografieren und Filmen im professionellen sowie im privaten Bereich spielen auf Sensoren basierende elektro-optische – in der Regel farbauflösende – Detektierungssysteme für Helligkeiten bzw. Intensitäten eine immer größere Rolle, nicht zuletzt weil die Meßergebnisse bzw. Aufnahmen ohne Aufwand mittels eines Computers analysiert und weiterverarbeitet werden können.
Bezüglich der Detektierung ist insbesondere in den anfangs genannten wissenschaftlichen Bereichen eine genaue quantitative Messung der von einem Gebiet G – das in der Regel den Untersuchungsbereich darstellt oder aber ein oder mehrere Untersuchungsobjekte enthält – ausgehenden Strahlung wichtig, d.h. die Kenntnis seiner Helligkeit bzw. Intensität über einen großen Wellenlängenbereich mit hoher Genau igkeit über den gesamten Intensitätsbereich, der von einer absoluten minimalen Intensität
und einer absoluten maximalen Intensiät
begrenzt wird.
Für die genaue Detektierung und Wiedergabe der Intensitäten ist dabei die sogenannte Dynamik des Detektors, d.h. das Verhältnis von höchster meßbarer Intensität
zu nied rigster meßbaren Intensität
entscheidend. Der meßbare Bereich ist in der Regel kleiner als der oben erwähnte Bereich und so zu verstehen, daß in diesem Bereich die Intensitäten proportional zueinander, d.h. mit linearer Empfindlichkeit registriert werden.
Damit Bereiche mit kleinster Intensität ebenso wie solche mit großer Intensität erfaßt werden können, muß die Dynamik der Detektierungseinrichtung hinreichend groß sein – die Intensitätsunterschiede können bei bis zu 2²⁰ liegen.
Wie im folgenden deutlich werden wird, sind den üblichen Detektierungssystemen diesbezüglich jedoch Grenzen gesetzt. Um die Strahlungsintensität eines Gebiets G, welches in der Regel in zwei oder drei Dimensionen ausgedehnt ist, in einer Fläche detektieren und bestimmen zu können, werden zunächst je nach Art der Detektierung drei prinzipielle Vorgehensweisen unterschieden.
Die erste Möglichkeit besteht in der Abrasterung der Fläche mittels eines punktförmigen Detektors. Als Detektoren werden hier meist Fotomultiplier oder Fotodioden verwendet. Die räumliche Ausdehnung dieser Detektoren ist in der Regel nur geringen Beschränkungen unterworfen, weshalb sie so ausgelegt werden können, daß sie im Vergleich mit anderen Detektoren eine hohe Dynamik aufweisen – üblicherweise von mehr als 10⁵ bzw. 2¹⁷. Diese hohe Dynamik kann jedoch nur erreicht werden, wenn das Rauschen hinreichend unterdrückt wird. Da das Rauschen von Fotomultipliern und Fotodioden vorwiegend thermische Ursachen hat, muß die Detektierungseinrichtung über eine Kühlung verfügen. Solche Detektierungssysteme werden häufig in Verbindung mit kohärenten Lichtquellen eingesetzt, da auf diese Weise punktförmige Abrasterungen mit hoher räumlicher Auflösung möglich sind. In der Schrift US 6,160,618 wird angedeutet, daß der Dynamikbereich des dort beschriebenen Detektierungssystems durch Variation der Leistung der kohärenten Lichtquelle variiert werden kann, wobei jedoch die Vorgehensweise dazu nicht näher erläutert wird. Daraus läßt sich ersehen, daß auf Fotomultipliern bzw. Fotodioden basierende Systeme zwar über eine hohe Dynamik verfügen, jedoch aufwendig gestaltet und daher nur für wissenschaftliche Zwecke geeignet sind. Für einen Einsatz in digitalen Fotoapparaten oder digitalen Videokameras für den privaten Gebrauch beispielsweise sind sie ungeeignet, nicht zuletzt auch wegen der punktförmigen Abrasterung eines Gebietes, was mit einem nicht unerheblichen Zeitaufwand verbunden ist.
Eine zweite Möglichkeit ist die Abrasterung der Fläche mit einem Zeilendetektor, eine dritte die Erfassung der Fläche mit einem flächenhaften Detektor. Da die Realisierung beider Möglichkeiten jeweils eine Anordnung von mindestens zwei einzelnen Detektoren bzw. Sensoren erfordert, können sie hier zusammen betrachtet werden. Typische Detektoren zur zeilenweisen Abrasterung einer Fläche sind CCD-Zeilen (CCD: Charged Coupled Device) oder Fotodiodenzeilen, typi sche Detektoren zur flächenhaften Erfassung sind CCD-Arrays oder matrixartige Anordnungen von Fotodioden. In digitalen Fotoapparaten bzw. Kameras werden typischerweise CCD-Arrays, d.h. flächenhafte Detektoren aus matrixartig angeordneten einzelnen CCD-Sensoren verwendet.
Bei derartigen Detektierungseinrichtungen möchte man in der Regel gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung einerseits und eine hohe Dynamik andererseits realisieren. Die hohe Auflösung kann durch eine entsprechend große Anzahl von Einzelsensoren, im folgenden auch als Pixel bezeichnet, erreicht werden. Die gesamte Ausdehnung des Detektors ist jedoch insbesondere aufgrund der abbildenden Optik räumlich begrenzt. Aus diesem Grund möchte man die Größe der einzelnen Pixel so gering wie möglich halten. Dies ist jedoch insofern problematisch als die Größe der Pixel eng mit der Dynamik des Detektors verknüpft ist: Wird die Pixelgröße verringert, so verringert sich auch die Dynamik. Ein Pixel besteht typischerweise aus einem MOS-Kondensator (MOS: Metal Oxide Semiconductor, bzw. Metalloxid-Halbleiter), dessen Ladungskapazität im wesentlichen proportional zur Pixelgröße ist. Auftreffende Photonen werden in Ladungen umgewandelt und diese Ladungen über einen Zeitraum – die Meßzeit – gesammelt. Je heller das Licht ist, desto mehr Photonen treffen auf ein Pixel und desto mehr Ladung wird im Kondensator angesammelt. Die maximal meßbare Lichtmenge bzw. -intensität wird daher durch die Ladungskapazität der Pixel begrenzt. Die minimal meßbare Lichtmenge bzw. -intensität wird durch das sogenannte Ausleserauschen, welches im Zusammenhang mit der Bestimmung der im Kondensator gespeicherten Ladung bzw. Anzahl von Elektronen auftritt, und das thermische Dunkelrauschen bestimmt, wobei allerdings nur das Dunkelrauschen durch Kühlung nennenswert verringert werden kann.
Die Dynamik einer Kamera mit einer auf einem CCD-Array basierenden Detektierungseinrichtung ist somit durch den Quotienten aus der Ladungskapazität pro Pixel und dem Rauschen pro Pixel gegeben, beides gemessen in der Anzahl von Elektronen. Zur Weiterverarbeitung der registrierten Informationen wird eine Analog-Digital-Wandlung durchgeführt. Beträgt die Dynamik des CCD-Arrays beispielsweise 4.000, so führt man vorzugsweise eine Wandlung mit 12 Bit durch, auf diese Weise erhält man 2¹² = 4.096 Abstufungen für Intensitätswerte.
Auf dieser Technik basierende Kameras für den nichtwissenschaftlichen Gebrauch weisen in der Regel nur eine Dynamik von 8 Bit, d.h. 256 Helligkeitsstufen auf. Dies ist ein sehr geringer Wert im Vergleich zu konventionellem Filmmaterial, welches eine Dynamik von etwa 13 Bit hat, und macht sich nachteilig z.B. dadurch bemerkbar, daß helle Bereiche im Bild schnell zur Übersteuerung führen. Zwar gibt es, u.a. für wissenschaftliche Zwecke, CCD-Kameras mit deutlich höherer Dynamik von beispielsweise 16 Bit, diese Kameras sind jedoch im Vergleich zu 8-Bit-Kameras sehr teuer und verfügen nur über eine geringere Anzahl von Pixeln, d.h. eine geringere Ortsauflösung als die 8-Bit-Kameras, da die Pixel größer sind. Bei den nicht-wissenschaftlichen Kameras läßt sich jedoch die Pixelgröße nicht weiter erhöhen, da sonst die CCD-Array zu groß würde und teure Optik benötigt würde. Ein weiterer Nachteil wäre die lange Zeit, die für die Analog-Digital-Wandlung bei hoher Dynamik benötigt würde und die die Verwendung von auf CCD-Arrays basierenden Detektierungseinrichtungen mit hoher Dynamik in digitalen Videokameras nahezu ausschließt. Bei einer hohen Dynamik der Detektierungseinrichtung werden in der Regel auch die Fluktuationen im Intensitätssignal größer als die Auflösung zwischen zwei Intensitätsstufen, so daß gerade im Bereich niedriger Intensitäten die Helligkeitsauflösung nicht verbessert wird.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, das dynamische Verhalten von solchen Detektierungseinrichtungen zu verbessern. In der Schrift US 6,252,536 B1 wird ein System beschrieben, mit dem die Dynamik von 10 Bit auf 13 Bit erweitert werden kann. Dies wird mittels eines zusätzlichen 2-Bit-Analog-Digital-Wandlers erreicht. Das Verfahren ist jedoch aufgrund der damit verbundenen komplexen Schaltung aufwendig und sehr speziell.
In der Schrift US 6,188,433 B1 ist ein weiterer Ansatz beschrieben, um die Dynamik eines CCD-Arrays zu vergrößern. Hier wird während der Belichtung des CCD-Arrays die Intensität verringert, so daß auch für hohe Intensitäten keine Sättigung der Kondensatorkapazität eintritt, da die Rate, mit der die Ladung angesammelt wird, verringert wird.
In der Schrift DE 37 34 957 A1 wird ein System beschrieben, das mittels logarithmischer Komprimierung der Helligkeitssignale den Dynamikbereich vergrößert. Auch diesem System liegt eine komplexe Schaltungsstruktur zugrunde.
Andere Ansätze erhöhen nur scheinbar die Dynamik, d.h. sie erhöhen nicht die eigentliche Dynamik der Detektierungseinrichtung, wie etwa das in der Schrift JP 2001-320613 A vor gestellte System, bei dem Belichtungszeiten für Videokameras anhand vorab gespeicherter Belichtungszeiten in Abhängigkeit von der Intensität bestimmt werden. Die Detektierungseinrichtung an sich behält dabei immer die gleiche Dynamik, d.h. für ein aufgenommenes Bild ist die Dynamik, egal bei welcher Belichtungszeit, immer dieselbe.
Bei dem in der Schrift US 2002/0012071 A1 vorgestellten System hat wiederum der Benutzer die Möglichkeit, zusätzlich zu einer vorgegebenen Belichtungszeit zwei weitere Belichtungszeiten vorzugeben und das Bild mit diesen drei Belichtungszeiten aufzunehmen. Die drei aufgenommenen Bilder werden anschließend gespeichert, ob eine Weiterverarbeitung stattfindet, wird nicht gesagt.
All dies zeigt, daß die geringe Dynamik von Detektierungseinrichtungen ein großes Problem darstellt, wobei die zu seiner Lösung vorgeschlagenen Methoden meist aufwendig und sehr speziell sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die effektive Dynamik einer Detektierungseinrichtung gegenüber der eigentlichen Dynamik dieser Einrichtung vergrößert werden kann, wobei der Aufwand so gering wie möglich gehalten werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß eine Anzahl N Messungen M_j (j=1,...,N) der Intensität der elektromagnetischen Strahlung aus dem Gebiet G vorgenommen wird, mit N ≥ 2 und voneinander verschiedenen, bevorzugt abstei genden Meßzeiten t_j, wobei nur solche Meßwerte in Zuordnung zum Ort und zur Meßzeit t_j gespeichert werden, die kleiner als die höchste meßbare Intensität
sind, und als Intensitätswert für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung der mit einem Faktor f_j multiplizierte Meßwert festgelegt wird, der für diesen Ort bei der längsten Meßzeit t_j ermittelt worden ist, wobei der Faktor f_j dem Quotienten aus der längsten Meßzeit t₁ und der Meßzeit t_j entspricht, die dem betreffenden Meßwert zugeordnet ist.
Dabei ist die bevorzugte Durchführung der Messungen M_j mit absteigenden Meßzeiten t_j eine rein willkürliche Festlegung, die der Systematik halber gewählt wurde – wichtig ist allein, daß sich die Meßzeiten t_j jeweils voneinander unterscheiden.
Dieses Verfahren ist dann vorteilhaft anwendbar, wenn der absolute Intensitätsbereich
größer als der meßbare Intensitätsbereich
ist. Ist beispielsweise der absolute Intensitätsbereich etwas kleiner als doppelt so groß wie der meßbare Intensitätsbereich, so läßt er sich mittels zweier Messungen so abdecken, daß die Intensitäten immer mit linearer Empfindlichkeit registriert werden. Bei der Durchführung beider Messungen wird die erste Messung mit einer Meßzeit t₁ durchgeführt, so daß beispielsweise die untere Hälfte des absoluten Intensitätsbereichs abgedeckt wird. Die andere Messung t₂ wird dann mit der Hälfte der Meßzeit t₁, d.h. t₂ = t₁/2 durchgeführt. Die Reihenfolge der Messungen kann dabei selbstverständlich auch vertauscht werden. In beiden Messungen werden ortsabhängig nur dieje nigen Meßwerte in Zuordnung zum Ort und zur Meßzeit gespei
chert, die kleiner als die höchste meßbare Intensität
sind. Falls die Detektierungseinrichtung mit einem CCD-Array ausgestaltet ist, werden die registrierten Meßwerte, d.h. Ladungszustände bzw. Spannungsabfälle, mittels einer Analog-Digital-Wandlung in Zahlenwerte umgewandelt. In der ersten Messung mit der Meßzeit t₁ werden daher für Orte, an denen die Intensität in der oberen Hälfte des absoluten Intensitätsbereichs liegt, noch keine Meßwerte abgespeichert. Dies geschieht erst in der zweiten Messung mit der kürzeren Meßzeit t₂. In der zweiten Messung M₂ werden natürlich auch solche Intensitäten registriert, für die schon in der ersten Messung M₁ ein Meßwert abgespeichert wurde, so daß für einige Orte zwei Meßwerte vorliegen. Von diesen wird dann derjenige, der bei der längeren Meßzeit – bei mehr als zwei Messungen der längsten Meßzeit – registriert wurde, ausgewählt. Alle ausgewählten Meßwerte werden dann bezüglich der längsten Meßzeit normiert, wobei dieser Schritt auch schon vor der Auswahl der Meßwerte erfolgen kann. Dazu wird der Meßwert mit einem Faktor f_j multipliziert, der sich aus dem Quotienten von längster Meßzeit und der dem Meßwert zugeordneten Meßzeit t_j ergibt, in diesem Falle ist also f₂ = t₁/t₂ = 2.
Auf diese Weise kann man mit einer Detektierungseinrichtung von eigentlich geringer Dynamik mittels mehrerer Aufnahmen desselben Gebiets G bei unterschiedlichen Belichtungszeiten die effektive Dynamik der Detektierungseinrichtung wesentlich erhöhen und ein Bild zusammensetzen, daß mit dieser effektiven Dynamik aufgenommen zu sein scheint.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die längste Meßzeit t₁ so vorgegeben, daß die absolute minimale Intensität
mit der niedrigsten meßbaren Intensität
übereinstimmt. Die so vorgegebene Meßzeit t₁ ist die kürzestmögliche Meßzeit, bei der die niedrigsten Intensitäten noch registriert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die kürzeste Meßzeit t_N so vorgegeben, daß das Verhältnis der kürzesten Meßzeit t_N zur längsten Meßzeit t₁ kleiner oder gleich dem Verhältnis der höchsten meßbaren Intensität
zur absoluten maximalen Intensität
ist. Alle anderen Meßzeiten werden dann zwischen diesen beiden liegend gewählt, und der ganze absolute Intensitätsbereich kann mit Messungen abgedeckt werden. Um die Auswertung einfacher zu gestalten ist es vorteilhaft, die Meßzeiten so zu wählen, daß sich je zwei Meßzeiten um jeweils einen ganzzahligen Faktor unterscheiden. Verwendet man beispielsweise zur Detektierung CCD-Kameras, bei denen man die Meßwerte nach einer Analog-Digital-Wandlung erhält, ist es vorteilhaft, die Meßzeiten so festzulegen, daß sich je zwei Meßzeiten um einem Faktor 2^k, mit k ∊ IN, unterscheiden.
Im Prinzip kann bei der Durchführung dieses Verfahrens auf zusätzliche Schaltungen ganz verzichtet werden und die Zusammensetzung des resultierenden Bildes aus den ausgewählten Intensitätswerten bei der Nachbearbeitung an einem PC erfolgen. Die Erfindung umfaßt jedoch auch Vorrichtungen, die zur Durchführung speziell dieses Verfahrens vorgesehen sind. Bei einer solchen Vorrichtung, die eine Detektierungseinrichtung mit mindestens einer Empfangseinheit zur Registrierung von Meßwerten und eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe der Meßwerte zur weiteren Bearbeitung umfaßt, ist eine Speichereinheit zur Speicherung von Meßwerten aus einer Anzahl N Messungen M_j mit voneinander verschiedenen Meßzeiten t_j (j=1,...,N) und N ≥ 2, in Zuordnung zum Ort und zur Meßzeit t_j vorgesehen. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit zur Bestimmung des Intensitätswert für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung als denjenigen, mit einem Faktor f_j multiplizierten Meßwert, der für diesen Ort bei der längsten Meßzeit t_j ermittelt worden ist, vorgesehen, wobei der Faktor f_j dem Quotienten aus der längsten Meßzeit und der Meßzeit t_j entspricht, die dem betreffenden Meßwert zugeordnet ist.
In einer Ausführung der Erfindung ist genau eine Empfangseinheit vorgesehen, mit der dann zeitlich aufeinanderfolgende Messungen bei verschiedenen Meßzeiten durchgeführt werden.
In einer anderen Ausführung der Erfindung sind N Empfangseinheiten zur gleichzeitigen Durchführung von Messungen vorgesehen. Mit einer solchen Anordnung läßt sich die gesamte Meßdauer erheblich verkürzen.
Als Empfangseinheiten können alle punktförmigen, eindimensionalen, oder zweidimensionalen Detektoren verwendet werden, wobei in den ersten beiden Fällen das Gebiet G punkt- bzw. zeilen- oder spaltenweise abgerastert werden muß. Im letzten Fall kann das ganze Gebiet G durch eine entsprechende Optik auf die Fläche der Empfangseinheit abgebildet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als Empfangseinheit ein CCD-Array vorgesehen. In diesem Fall ist dem CCD-Array ein Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der Meßwerte in Zahlenwerte nachgeordnet. Insbesondere bei der Verwendung mehrerer Empfangseinheiten kann der Intensitätswert für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung auch schon vor der Analog-Digital-Wandlung durch eine elektronische Schaltung bestimmt werden. Dabei wird vorzugsweise ein digitaler Signalprozessor oder eine frei programmierbare Gatter-Anordnung, die entsprechend programmiert ist, verwendet. Ebenso gut können diese aber auch dem Analog-Digital-Wandler nachgeordnet sein.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
1 eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung und
2 die Bestimmung von Intensitätswerten für ein Gebiet G mittels zweier Messungen.
In 1 ist zunächst eine Anordnung gezeigt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Von einem Gebiet G geht elektromagnetische Strahlung aus, diese Strahlung kann die unterschiedlichsten Ursachen haben. Es kann sich dabei z.B. um die reflektierte Strahlung von einem oder mehreren Objekten, die in dem Gebiet G enthalten sind, handeln. Dies wird beispielsweise in der digitalen Photographie für nicht-wissenschaftliche Zwecke häufig der Fall sein. Es kann sich aber auch um Proben biologischen oder biochemischen Materials handeln, die mittels Mikroskopie untersucht werden sollen und dann beispielsweise im Durchlicht beleuchtet werden, so daß es sich bei der elektromagnetischen Strahlung um transmittierte Strahlung handelt. Schließlich kann das Gebiet G auch Objekte enthalten, die selbst elektromagnetische Strahlung aussenden, wie astronomische Objekte oder biochemische, fluoreszierende Objekte. Dem Wellenlängenbereich sind dabei keine Grenzen gesetzt, sofern die Detektierungseinrichtung die Wellenlängen nur registrieren kann.
Im hier in 1 dargestellten Fall handelt es sich um eine biochemische Probe P auf einem Träger, der im Durchlicht mit einer Beleuchtungsquelle B beleuchtet wird. Die transmittierte elektromagnetische Strahlung wird dann mittels einer Abbildungsoptik A auf die Empfangseinheit 1 einer Detektierungseinrichtung abgebildet. Bei dieser kann es sich beispielsweise um eine CCD-Kamera handeln, die Empfangseinheit 1 wäre in diesem Fall ein CCD-Array. Um die elektromagnetische Strahlung zu registrieren, wird für eine vorgegebenen Meßzeitspanne ein Shutter 2 geöffnet. Während der Meßzeitspanne trifft elektromagnetische Strahlung auf das CCD-Array, wo die Photonen in Ladungen umgewandelt werden. Die Empfangseinheit 1 ist mit einem Analog-Digital-Wandler 3 gekoppelt, wo nach Ende der Messung für jeden Einzelsensor des CCD-Arrays das Ergebnis digitalisiert wird. Der so modifizierte Meßwert wird in einer Speichereinheit 4 gespeichert, und zwar in Zuordnung zum Ort auf dem CCD-Array und zur Meßzeit, mit der er bestimmt wurde. Aus den gespeicherten Werten wird nach Abschluß aller Messungen mittels eines digitalen Signalprozessors 5 als Intensitätswert für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung derjenige Meßwert ausgewählt, der für diesen Ort bei der längsten Meßzeit ermittelt worden ist; dieser wird mit einem Faktor multipliziert, der dem Quotienten aus der längsten Meßzeit und der Meßzeit, die dem betreffenden Meßwert zugeordnet ist, entspricht.
Die so gewonnene Matrix von Intensitätswerten hat eine höhere effektive Dynamik als die eigentliche Dynamik der Detektierungseinrichtung aus CCD-Array und Analog-Digital-Wandler, und wird über eine Ausgabeeinheit 6 zur weiteren Verarbeitung ausgegeben, beispielsweise in eine Datei oder auf einen Bildschirm.
In 2 ist gezeigt, wie mit einer Detektierungseinrichtung, die eine Dynamik von 2¹², d.h. 12 Bit, aufweist (im folgenden der Einfachheit halber 12-Bit-Kamera genannt), mittels zweier Messungen eine effektive Dynamik von 16 Bit erzielt werden kann. Im oberen, mit (a) gekennzeichneten Bild ist die tatsächliche Intensität der von dem Gebiet G ausgehenden elektromagnetischen Strahlung gezeigt. Dabei kann es sich z.B um eine fluoreszierende Probe handeln. Der Einfachheit halber, und um das Prinzip zu verdeutlichen, wurde hier eine Beschränkung des Gebiets G auf eine Größe, die mit einem CCD-Array aus 4 x 4 Einzelsensoren abgedeckt werden kann, vorgenommen. Die absoluten Intensitäten liegen in einem Bereich zwischen 45 und 64.045, erfordern also eigentlich eine 16-Bit-Kamera. Die erste Meßzeit t₁ wird nun so festgelegt, daß die absolute minimale Intensität
mit der niedrigsten Meßbaren Intensität
übereinstimmmit. Das Meßergebnis der mit der Meßzeit t₁ durchgeführten Messung ist in 2 in der Mitte links dargestellt und mit (b) ge kennzeichnet. Da die Detektierungseinrichtung nur über eine Dynamik von 12 Bit verfügt, sind nur Meßwerte registriert worden, deren Intensität geringer als 4.096 ist. Alle Intensitäten oberhalb von 4.096 liegen außerhalb des Dynamikbereichs der Kamera und können daher bei dieser Meßzeit nicht mehr erfaßt werden. Die Felder der Matrix, in denen kein Wert erfaßt wurde, sind mit Sternchen gekennzeichnet.
Um auch für die noch nicht erfaßten Intensitäten Meßwerte zu erhalten, wird eine zweite Messung mit einer zweiten Belichtungszeit t₂ durchgeführt. Die zweite Meßzeit t₂ beträgt dabei genau 1/16 der ersten Meßzeit t₁. Das Ergebnis dieser, ebenfalls mit der 12-Bit-Kamera durchgeführten Messung, ist in 2 in der Mitte auf der rechten Seite im mit (c) gekennzeichneten Bild dargestellt. Aus diesen beiden Messungen wird nun für jeden Ort ein Meßwert als Intensitätswert ausgewählt, und zwar derjenige, der für diesen Ort bei der längeren der beiden Meßzeiten ermittelt worden ist. In diesem Fall werden also aus der ersten Messung alle registrierten Meßwerte ausgewählt, und aus der zweiten Messung alle Meßwerte, für die bei der ersten Messung noch kein Meßwert registriert worden war. Die ausgewählten Werte werden noch mit einem Faktor f₁ bzw. f₂ multipliziert, bevor sie zu einem Gesamtbild, welches im unteren Teil von 2 im mit (d) gekennzeichneten Bild dargestellt ist, zusammengefügt werden. Diese Ergebnismatrix weist die gewünschte Dynamik von 16 Bit auf. Vergleicht man die in 2 Bild (d) dargestellte Ergebnismatrix mit der ursprünglichen Intensitätsmatrix (a), so sind bei den aus der mit der Meßzeit t₂ durchgeführten Messung übernommenen Werten kleine Abweichungen zu erkennen. Diese Abweichungen ergeben sich durch die verkürzte Belichtungszeit bei der zweiten Messung, was eine Rundung der einzelnen Intensitäten zur Folge hat. Diese Rundungsfehler werden jedoch bewußt in Kauf genommen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch alle anderen Dynamikerweiterungen abdeckt, also beispielsweise die Realisierung von 16-Bit-Messungen mit einer 8-Bit-Kamera, etc. Ebenso können auch nicht ganzzahlige Dynamikerweiterungen mit der Erfindung durchgeführt werden, hierzu muß lediglich das Belichtungszeitverhältnis auf einen nicht ganzzahligen Wert gesetzt werden. Die Einzelaufnahmen mit den unterschiedlichen Meßzeiten können entweder nacheinander mit demselben Detektor oder gleichzeitig mit verschiedenen ortsauflösenden Detektoren oder in Kombination durchgeführt werden.

1: Empfangseinheit
2: Shutter
3: Analog-Digital-Wandler
4: Speichereinheit
5: digitaler Signalprozessor
6: Ausgabeeinheit
A: Abbildungsoptik
B: Beleuchtungsquelle
G: Gebiet
P: Probe
f₁, f₂: Faktor
t₁, t₂: Meßzeiten

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Intensitätswerte elektromagnetischer Strahlung von Orten in einem Gebiet (G), – wobei die elektromagnetische Strahlung eine absolute minimale InIntensität
und eine absolute maximale Intensität
aufweist, – mittels einer Detektierungseinrichtung, die Meßwerte in einem Bereich von einer niedrigsten meßbaren Intensität
bis zu einer höchsten meßbaren Intensität
mit linear steigender Empfindlichkeit registrieren und speichern kann, – dadurch gekennzeichnet, daß – eine Anzahl (N) Messungen (M_j) (j=1,...,N) der Intensität der elektromagnetischen Strahlung aus dem Gebiet (G) vorgenommen wird, mit N ≥ 2 und voneinander verschiedenen, bevorzugt absteigenden Meßzeiten (t_j), – wobei nur solche Meßwerte in Zuordnung zum Ort und zur Meßzeit (t_j) gespeichert werden, die kleiner als die höchste meßbare Intensität
sind, – und als Intensitätswert für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung der mit einem Faktor (f_j) multiplizierte Meßwert festgelegt wird, der für diesen Ort bei der längsten Meßzeit (t_j) ermittelt worden ist, – wobei der Faktor (f_j) dem Quotienten aus der längsten Meßzeit (t₁) und der Meßzeit (t_j) entspricht, die dem betreffenden Meßwert zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längste Meßzeit (t₁) so vorgegeben wird, daß die absolute minimale Intensität
mit der niedrigsten meßbaren Intensität
übereinstimmt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kürzeste Meßzeit (t_N) so vorgegeben wird, daß das Verhältnis der kürzesten Meßzeit (t_N) zur längsten Meßzeit (t₁) kleiner oder gleich dem Verhältnis der höchsten meßbaren Intensität
zur absoluten maximalen Intensität
ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Meßzeiten sich jeweils um einen ganzzahligen Faktor unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich je zwei Meßzeiten um einen Faktor 2^k, mit einer natürlichen Zahl (k), unterscheiden.
Vorrichtung zur Bestimmung der Intensitätswerte elektromagnetischer Strahlung von Orten in einem Gebiet (G) nach einem der vorgenannten Verfahrensschritte, umfassend – eine Detektierungseinrichtung mit mindestens einer Empfangseinheit zur Registrierung von Meßwerten und – eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe der Meßwerte zur weiteren Verarbeitung, – dadurch, gekennzeichnet, daß – eine Speichereinheit zur Speicherung von Meßwerten aus einer Anzahl (N) Messungen (M_j) mit voneinander verschiedenen Meßzeiten (t_j) (j=1,...,N) und N ≥ 2, in Zuordnung zum Ort und zur Meßzeit (t_j) vorgesehen ist und weiterhin – eine Auswerteeinheit zur Bestimmung des Intensitätswerts für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung als denjenigen, mit einem Faktor (f_j) multiplizierten Meßwert, der für diesen Ort bei der längsten Meßzeit (t_j) ermittelt worden ist, vorgesehen ist, – wobei der Faktor (f_j) dem Quotienten aus der längsten Meßzeit und der Meßzeit (t_j) entspricht, die dem betreffenden Meßwert zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß genau eine Empfangseinheit zu zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß N Empfangseinheiten zur gleichzeitigen Durchführung von Messungen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangseinheit ein CCD-Array vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit ein digitaler Signalprozessor zur Bestimmung des Intensitätswerts für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit eine frei programmierbare Gatter-Anordnung vorgesehen ist, die zur Bestimmung des Intensitätswerts für die von einem Ort ausgehende elektromagnetische Strahlung programmiert ist.