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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zum Bestimmen
der Lage einer Übergangsgrenze
oder "Schattenlinie" zwischen einem beleuchteten
Gebiet und einem dunklen Gebiet auf einem linearen gescannten Array
aus lichtempfindlichen Zellen, wobei derartige Verfahren besonders
auf Grenzwinkelrefraktometer anwendbar sind, wobei die Lage der
Schattenlinie mit dem Brechungsindex einer zu prüfenden Probe korreliert wird.
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Refraktometer
werden gemeinhin zum Messen des Brechungsindexes einer Probe verwendet. Bei
Refraktometern, die ausgebildet sind, um feste und/oder flüssige Proben
zu messen, wird der Grenzwinkel der Totalreflexion durch Lenken
eines schräg
einfallenden konvergenten Lichtstrahls an einer Oberfläche/Oberfläche-Grenze
zwischen einem Prisma mit hohem Brechungsindex und der Probe und
darauffolgendes Beobachten eines Teils des Lichtes nach der Interaktion
an der Grenze gemessen. Bei Durchlichtrefraktometern wird Licht,
das durch die Probe und das Prisma durchgelassen wird, beobachtet,
während
bei Auflichtrefraktometern das Licht, das infolge der Totalreflexion
an der Oberfläche/Oberfläche-Grenze
reflektiert wird, beobachtet wird. In jedem der beiden Fälle wird
ein beleuchtetes Gebiet über
einem Teil eines Erfassungssichtfeldes erzeugt, und die Lage der
Schattenlinie zwischen dem beleuchteten Gebiet und einem benachbarten dunklen
Gebiet in dem Erfassungssichtfeld ermöglicht, den Brechungsindex
der Probe geometrisch abzuleiten. Bei in der Branche verwendeten
einfacheren Refraktometer-Handgeräten wird eine Fadenkreuzskala über das
Sichtfeld gelegt, und der Benutzer blickt durch ein Okular, um die
Lage der Schattenlinie in Bezug auf die Fadenkreuzskala zu beobachten,
welche markiert wird, um gewünschte
Informationen wie die prozentuelle Konzentration von Feststoffen
in der Probe bereitzustellen.
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Automatische
Refraktometer wurden entwickelt, um das Herumgerate, das mit dem
visuellen Bestimmen der Lage der Schattenlinie in Bezug auf eine
Fadenkreuzskala einhergeht, zu beseitigen, wodurch die Genauigkeit
(Nähe beim
wahren Wert) und die Präzision
(Wiederholbarkeit unabhängig
von der Genauigkeit) von angezeigten Messwerten verbessert wurde.
Das US-Patent Nr. 4,640,616, erteilt am 3. Februar 1987 an Michalik,
offenbart ein auto matisches Abbe-Refraktometer, wobei ein lineares
gescanntes Array (LSA) aus lichtempfindlichen Elementen oder "Zellen" angeordnet ist,
um Licht zu erfassen, das an einer Probe/Prisma-Grenze totalreflektiert
wird. Bei einer kommerziellen Ausführungsform umfasst das lineare
gescannte Array eine gerade Linie aus Ladungsspeicherbaustein-Zellen (CCD-Zellen),
die elektronisch gescannt werden, um eine Serie von Impulssignalen
bereitzustellen, von denen jedes eine Amplitude aufweist, die zu
der Stärke
der Beleuchtung, welche durch die Zelle von einfallendem Licht empfangen
wird, proportional ist. Licht, das durch das lineare gescannte Array
empfangen wird, teilt das Array in ein beleuchtetes Gebiet und ein
benachbartes dunkles Gebiet und bildet dadurch eine Schattenlinie
auf dem Array. Die spezifische Zelle oder interpolierte Zwischenzellenfraktion, an
welcher die Schattenlinie auf das lineare gescannte Array fällt, bekannt
als die "Zellenüberquerungsanzahl", wird durch den
Brechungsindex der Probensubstanz bestimmt, die mit dem optischen
Mittel in Kontakt angeordnet wurde. Demnach ist ein Verfahren zum
Evaluieren der Impulssignale von den lichtempfindlichen Zellen erforderlich,
um die Zellenüberquerungsanzahl
zu finden. Die Zellenüberquerungsanzahl
kann dann verwendet werden, um einen Messwert des Brechungsindexes
oder eine prozentuelle Konzentration von gelösten Feststoffen, beispielsweise
Sucrose, in dem Probenmedium bereitzustellen.
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Das
Michalik-Patent lehrt eine "Schwellenbildungs"-Methode für das Verarbeiten
der Lichtstärkensignale
von den Array-Zellen, um die Zellenüberquerungsanzahl zu bestimmen.
Diese Methode ist in diesem Dokument in 4 grafisch
darstellt. Gemäß einer
Schwellenwertbildungs-Methode wird ein Basislinien oder Referenz-Leerscan
ohne eine Probe (das heißt
in Bezug auf Luft) durchgeführt
und gespeichert, um eine Bezugsbeleuchtungskurve festzulegen. Die
Kurve aus dem Referenzscan wird dann mit einem vorgegebenen festen
Skalierungsfaktor, beispielsweise 94%, skaliert, um eine Schwellenkurve
wie in 4 dargestellt bereitzustellen. Die resultierende
Zelle, wo die Probenscankurve die Schwellenkurve schneidet, wird
als Zellenüberquerungsanzahl
festgelegt.
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Diese
Methode liefert präzise
und genaue Messungen, wobei die Pegel von einfallendem Licht jedoch
in einem hohen Maß geregelt
werden müssen,
da es wesentlich ist, dass die Referenz- und Probenscans vergleichbar
sind. Jedwede Abweichung der Stärkepegel
führt zu
fehlerhaften Messwerten. Da das offenbarte automatische Refraktometer
ein "Auflicht"-Refraktometer ist,
Licht, welches das lineare gescannte Array erreicht, niemals durch die
Probe tritt, ist es möglich,
die Pegel von einfallendem Licht durch Regeln der Quellenleuchtdichte
ausreichend zu regeln. Ein Vorteil der Schwellenbildungsmethode
ist, dass jedes Mal, wenn das Instrument eingeschaltet wird, ein
neuer Referenzscan durchgeführt
wird, so sich dass allmähliche Änderungen
des Ansprechverhaltens jeder lichtempfindlichen Zelle während der
Lebensdauer der Zelle (als "Ansprechdrift" bekannt) nicht auf
die Leistung des Instruments auswirken. Darüber hinaus kompensiert die
Verwendung eines Referenzscan die Varianz von einer Zelle zur anderen
als Reaktion auf einen bestimmten Beleuchtungspegel.
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Die
Verwendung eines Referenzscan und einer skalierten Schwelle ist
bei "Durchlicht"-Refraktometern problematisch,
da, anders als beim oben besprochenen Auflichtrefraktometer, Licht
durch die Probe hindurchtreten muss, ehe es das Detektor-Array erreicht.
Folglich machen es probeabhängige Faktoren,
beispielsweise Farbe, Lichtundurchlässigkeit, Dicke und Homogenität der Probe,
unpraktisch, Pegel einfallenden Lichtes an dem Detektor-Array zu regeln.
Beispielsweise kann ein Referenzscan von Luft für eine Probe klaren Wassers
geeignet sein, wäre
jedoch für
die Messung einer Probe mit geringem Durchlassvermögen, beispielsweise
Ketchup, nicht geeignet. Ein weiterer Nachteil der Schwellenmethode
ist, dass im schlimmsten Fall eine einzige defekte Zelle, die ein
fehlerhaftes Antwortsignal liefert, das Messergebnis verzerren kann.
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Das
US-Patent Nr. 5,617,201, erteilt am 1. April 1997 an Kåhre, beschreibt
ein Auflichtrefraktometer, das sich eines anderen Verfahrens zum
Bestimmen der Zellenüberquerungsanzahl
der Schattenliniengrenze bedient. Das Verfahren beinhaltet das Beschreiben
der Beleuchtungsverteilungskurve mittels eines mathematischen Modells
und das Verwenden des mathematischen Modells, um die Zellenüberquerungsanzahl
zu finden. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Beleuchtungsverteilungskurve
durch drei verschiedene gerade Linien A, B und C dargestellt, welche
ein helles Gebiet des Array, ein Übergangsgebiet des Array von
hell auf dunkel bzw. ein dunkles Gebiet des Array darstellen. Der Kreuzungspunkt
von Linie B mit Linie C wird als Zellenüberquerungsanzahl gewählt. Nichtlineare
Modelle werden ebenfalls vorgeschlagen. Eine ähnliche Methode in Bezug auf
ein Durch lichtrefraktometer wird im US-Patent Nr. 6,172,746, erteilt
am 9. Januar 2001 an Byrne et al. (dieses Patent hat einen Rechtsnachfolger
mit der vorliegenden Anmeldung gemeinsam), gelehrt und ist in diesem
Dokument durch 5 dargestellt. Allerdings erwies
sich das Verfahren, das sich schneidende, gerade "Best-Fit"-Linien beinhaltet,
die das Übergangsgebiet
und das dunkle Gebiet des Detektor-Array darstellen, als zu unpräzise für Durchlichtanwendungen,
bei denen erfasste Lichtpegel schwierig zu regeln sind. Die erzielte
Präzision
war über
den Bereich von Lichtstärken,
welche bei diesem Instrument auftreten können, ungeeignet, und somit
wurde das Verfahren letztendlich nicht angenommen.
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Die
Europäische
Patentanmeldung EP-A-0071143 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen
einer Zellenüberquerungsanzahl
einer Schattenlinie zwischen einem beleuchteten Gebiet und einem
benachbarten dunklen Gebiet auf einem linearen Array aus lichtempfindlichen
Zellen in einem Refraktometer durch Bestimmen, innerhalb eines vorbestimmten
Bereiches von Zellen, des Nulldurchgangs der zweiten Ableitung eines
Stärkeprofils,
das mittels des linearen Array erhalten wurde.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Daher
ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren
zum Bestimmen der Zellenüberquerungsanzahl
einer Schattenlinie auf einem lichtempfindlichen Array bereitzustellen,
welches relativ immun gegenüber
Schwankungen des Lichtstärkepegels
ist und dabei eine ausreichende Präzision beibehält.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Verfahrens realisiert, welches nunmehr
kursorisch in einer bevorzugten Form beschrieben wird. Zunächst wird
das lichtempfindliche Array gescannt, um ein Antwortsignal von jeder
der lichtempfindlichen Zellen in dem Array zu extrahieren, welches
die Stärke
der Beleuchtung der entsprechenden Zelle durch einfallendes Licht
darstellt. Die Antwortsignale von den lichtempfindlichen Zellen
werden von analoger Form in digitale Bildpunkte umgewandelt, was
einen Satz von Datenpunkten liefert, die gemeinsam eine Beleuchtungsverteilungskurve über das
Array darstellen. Ein Bereich von Zellen, innerhalb welchem sich
die Schattenlinie befindet, wird durch Analysieren der Beleuchtungskurvendaten
festgelegt. Ein bevorzugter Vorgang zum Festlegen einer "Start"-Zelle für diesen
Bereich ist, die hellste Zelle durch Suchen nach einem Spitzenbildpunktwert
zu finden und dann jeweils eine Zelle vorwärts zu gehen, bis eine Zelle
erreicht wird, die einen Bildpunktwert aufweist, der 25% des Spitzenbildpunktwertes
beträgt.
Ein bevorzugter Vorgang zum Festlegen einer "Ende"-Zelle
ist, bei der "Start"-Zelle zu beginnen
und dann jeweils eine Zelle vorwärts
zu gehen, wobei der niedrigste Bildpunktwert, der gelesen wird,
stets aktualisiert wird, bis eine Zelle gefunden wird, die einen
Bildpunktwert aufweist, der 105% des niedrigsten Bildpunktwertes beträgt, oder
bis die letzte Zelle des Array erreicht wird. Die zweite Ableitung
der Beleuchtungsverteilungskurve über den festgelegten Bereich
von Zellen wird berechnet, und der größte positive Bereich, der durch
die zweite Ableitung begrenzt wird, wird identifiziert. Schließlich wird
der Schwerpunkt des größten positiven
Bereichs gefunden, und seine Zellennummerkoordinate gilt als Zellenüberquerungsanzahl
der Schattenlinie.
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Das
oben genannte Verfahren wird in einem automatischen Refraktometer
zum Messen des Brechungsindexes einer Probensubstanz verwendet. Das
Refraktometer umfasst ein lineares gescanntes Array mit mehreren
lichtempfindlichen Zellen und einem optischen Mittel zum Lenken
von Licht auf das Array, wobei die lichtempfindlichen Zellen, die
konkret durch das Licht beleuchtet werden, und eine Zellenüberquerungsanzahl
einer Schattenlinie, die durch beleuchtete und dunkle Gebiete des
Array definiert ist, durch den Brechungsindex einer Substanz bestimmt
werden, die in operative Zuordnung mit dem optischen Mittel angeordnet
wird. Das Refraktometer umfasst weiterhin Analog-Digital-Umsetzungsmittel
und digitale Verarbeitungsschaltungsmittel zum Durchführen des
vorhin erwähnten
Verfahrens und eine Ausgabeeinrichtung zum Melden eines Messergebnisses,
das aus der Zellenüberquerungsanzahl
abgeleitet wurde.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Das
Wesen und die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wird nun
in der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung in Zusammenschau mit den beiliegenden
Zeichnungsfiguren eingehender beschrieben. Es zeigen:
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1A ein
optisches schematisches Diagramm eines Auflichtrefraktometers, das
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist;
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1B ein
optisches schematisches Diagramm eines Durchlichtrefraktometers,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
des linearen gescannten Array von lichtempfindlichen Zellen, welches
entweder in 1A oder in 1B verwendet wird;
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3 ein
Blockdiagramm der Signalverarbeitungsschaltungen, die dem linearen
gescannten Array zugeordnet sind;
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4 ein
Schaubild, das eine Bezugsbeleuchtungskurve und eine Schwellenkurve
in Bezug auf ein lineares gescanntes Array darstellt, um ein im Stand
der Technik bekanntes Verfahren zum Bestimmen der Zellenüberquerungsanzahl
einer Schattenlinie auf einem linearen gescannten Array zu veranschaulichen;
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5 ein
Schaubild, das eine Probenbeleuchtungskurve und Linien, die an das Übergangsgebiet
und das dunkle Gebiet der Beleuchtungskurve angepasst sind, darstellt,
um ein weiteres im Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Bestimmen der
Zellenüberquerungsanzahl
einer Schattenlinie auf einem linearen gescannten Array zu veranschaulichen;
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6 ein
Flussdiagramm, welches das Verfahren der vorliegenden Erfindung
zum Bestimmen der Zellenüberquerungsanzahl
einer Schattenlinie auf einem linearen gescannten Array darstellt;
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7 ein
Schaubild, welches eine Probenbeleuchtungskurve darstellt, wobei
die erste und die zweite Ableitung der Probenbeleuchtungskurve damit
aufgetragen ist;
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8 ein
Schaubild, welches einen Satz von Beleuchtungskurven für dieselbe
Probe, jedoch mit drei verschiedenen Stärkepegeln von Licht, das auf das
lineare gescannte Array einfällt,
darstellt;
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9 ein
Schaubild, welches die zweiten Ableitungen der drei in 8 gezeigten
Beleuchtungskurven darstellt;
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10 ein
Schaubild, welches eine Probenbeleuchtungskurve darstellt und einen
bevorzugten Bereichssuchschritt veranschaulicht, der bei dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
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11 ein
Schaubild, welches die zweite Ableitung einer Probenbeleuchtungskurve
in dem Gebiet der Schattenlinie darstellt, um den Schritt des Zuordnens
einer Zellenüberquerungsanzahl
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu veranschaulichen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zunächst auf 1 der Zeichnungen Bezug nehmend, wird
darin ein Refraktometer, das gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist, schematisch dargestellt und allgemein
mit der Bezugszahl 10 gekennzeichnet. Das Refraktometer 10 ist
in 1A als Auflichtrefraktometer ähnlich jenem, welches durch
das vorhin genannte US-Patent Nr. 4,640,616 gelehrt wird, dargestellt,
wobei das Refraktometer 10 allerdings wie in 1B dargestellt
auch ein Durchlichtrefraktometer sein könnte, ähnlich jenem, welches durch
das vorhin genannte US-Patent Nr. 6,172,746 gelehrt wird. Unabhängig davon,
ob das Refraktometer 10 eine Auflicht- oder eine Durchlichtbauart
aufweist, umfasst es ein lineares gescanntes Array 12 zum
Erfassen von Licht, welches durch ein optisches Mittel, das allgemein
mit 14 gekennzeichnet ist, darauf gelenkt wird. Insbesondere,
und wie durch 2 weiterhin veranschaulicht
wird, umfasst das lineare gescannte Array 12 mehrere lichtempfindliche
Zellen 13, welche während
eines Scan jeweils ein Antwortsignal liefern, wobei die Amplitude jedes
Antwortsignals durch die Stärke
der Beleuchtung der entsprechenden Zelle durch einfallendes Licht
bestimmt wird. Lineare gescannte Arrays sind im Stand der Technik
bestens bekannt und können von
vielen Herstellern, unter anderem beispielsweise von SONY, bezogen
werden.
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Das
optische Mittel 14 dient dazu, Licht auf das lineare gescannte
Array 12 zu lenken, wobei die Zellen, die konkret durch
das Licht beleuchtet werden, durch den Brechungsindex einer Probensubstanz 16 bestimmt
werden, die in operative Zuordnung mit dem optischen Mittel 14 angeordnet
wird. Das in der beispielhaften Auflichtausführungsform aus 1A dargestellte
optische Mittel 14 umfasst der Reihe nach eine Lichtquelle 18,
einen Diffuser 20 nach der Lichtquelle, eine auf den Diffuser
folgende Kollimatorlinse 22, ein der Kollimatorlinse direkt
benachbartes Monochromator-Filter 24 zum Durchlassen einer
engen Bandbreite von Licht mit einer zentralen Wellenlänge von
589 nm, eine dem Filter direkt benachbarte Fokussierlinse 26,
einen Spiegel 28 zum Umlenken des Lichtes in ein Prisma 30 mit
hohem Brechungsindex, welches eine Probenoberfläche 30A zum Aufnehmen
einer zu prüfenden
Probensubstanz aufweist, eine Kompensationslinse 32, die dazu
dient, optische Schwankungen im Prisma 30 auszugleichen,
und einen anderen Spiegel 34 zum Umlenken des Lichtes in
Richtung des linearen gescannten Array 12. Wie zu erkennen
sein wird, stellt das optische Mittel 14 einen optischen
Weg bereit, welcher zu dem linearen gescannten Array 12 führt, wobei
ein Teil des Lichtes von dem Weg weg durch die Probensubstanz 16 durchgelassen
wird und ein anderer Teil des Lichtes intern an der Grenze der Probenoberfläche 30A und
der Probensubstanz 16 reflektiert wird, um auf dem optischen
Weg zu bleiben. Demzufolge wird von dem Brechungsindex der Probensubstanz 16 abhängen, welche
Zellen 13 konkret durch das Licht beleuchtet werden. In 2 kann
beobachtet werden, dass die Verteilung von Licht an dem linearen
gescannten Array 12 ein beleuchtetes Gebiet 5 und
ein benachbartes dunkles Gebiet 7 umfasst, welche eine
Grenze oder Schattenlinie 9 an dem Übergang von beleuchtetem Gebiet 5 zu
dunklem Gebiet 7 definieren. Demnach hängt die Zellenüberquerungsanzahl
der Schattenlinie 9 von dem Brechungsindex der Probensubstanz 16 ab.
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Das
dargestellte optische Mittel ähnelt
größtenteils
dem in US-Patent 4,640,616 beschriebenen. Natürlich wird zu erkennen sein,
dass verschiedene optische Konfigurationen eine ähnliche Funktion ausführen können, einschließlich Durchlichtkonfigurationen
wie die in 1B dargestellte, wobei der Teil
von Licht, der durch die Probensubstanz durchgelassen wird, zu dem
linearen gescannten Array hingelenkt wird, und der Teil von Licht,
der an der Prisma/Proben-Grenze reflektiert wird, von dem optischen
Weg weggelenkt wird. Das optische Mittel 14 aus 1B umfasst
der Reihe nach eine Lichtquelle 18', ein Beleuchtungsfenster 20' nach der Lichtquelle,
ein Beleuchtungsprisma 21 zum Beleuchten der Probensubstanz 16,
ein Probenprisma 30',
welches die Probensubstanz trägt,
einen winkelig positionierbaren Spiegel 23, ein Monochromator-589nm-Filter 24,
ein Kollimatorlinsensystem 22' und einen Strahlenteiler 25.
Das dargestellte Beispiel einer Durchlichtkonfiguration für das optische
Mittel 14 wird im US-Patent Nr. 6,172,746 gelehrt. Die
konkrete Zusammensetzung des optischen Mittels des Refraktometers 10 kann dem
versierten Fachmann überlassen
werden, da es ja die Verarbeitung der Antwortsignale von dem linearen
gescannten Array 12 ist, die für die vorliegende Erfindung
entscheidend ist. Tatsächlich
ist die Erfindung in einem weiten Sinne nicht auf ein Refraktometer
beschränkt,
sondern auf jede beliebige Anwendung, bei welcher die Lage (Zellenüberquerungsanzahl)
einer Schattenlinie in Bezug auf ein Detektorarray bestimmt werden
soll.
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Das
lineare gescannte Array 12 und die verschiedenen Elemente
des optischen Mittels 14 sind vorzugsweise in einer festen
Beziehung zueinander in einem Gehäuse (nicht dargestellt) angebracht.
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Nunmehr
wird das Augenmerk auf 3 der Zeichnungen gelenkt, welche
ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltungen zum Verarbeiten
der Antwortsignale von Zellen 13 des linearen gescannten
Array 12 darstellt. Eine Zentraleinheit 36 ist über einen
Adress/Daten-Bus 37 mit anderen Schaltungen und elektronischen
Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen des Refraktometers 10 verbunden.
Eine Tastenfeldeingabeeinrichtung 38 und eine LCD-Anzeige 39 sind
vorzugsweise als eine Eingabe- und eine Ausgabeeinrichtung vorgesehen,
wobei jedoch auch andere Eingabeeinrichtungen, beispielsweise eine
Tastatur und eine Maus, und andere Ausgabeeinrichtungen, beispielsweise
ein CRT-Bildschirm und ein Drucker, möglich sind. Speicherblöcke umfassen
einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) 40 zum Speichern
von Programmvariablen, die nicht gespeichert werden müssen, wenn
das Instrument ausgeschaltet wird, einen elektrisch löschbaren,
programmierbaren Flash-Festwertspeicher (EEPROM) 41 zum
Speichern von ausführbarem Code
und Sucrose-Umrechnungsfaktoren, die durch die International Commission
for Uniform Methods of Sugar Analysis zur Verfügung gestellt wurden; und ein
EEPROM 42 zum Speichern von änderbaren Benutzereinstellungen,
Kalibrierdaten und anwenderspezifisch anpassbaren Umrechnungstabellen.
Die Aufgabe des Lesens von Messinformationen, einschließlich Informationen
von einem Temperatursensor 31, der dem Probenprisma 30, 30' zugeordnet
ist, und Signalinformationen von dem linearen gescannten Array 12,
wird durch eine programmierbare Timer-Schaltung 43 und
eine programmierbare Logikschaltung 44 gesteuert. Die Amplitude
jedes Antwortsignals wird durch die Stärke der Beleuchtung der entsprechenden
Zelle 13 durch einfallendes Licht, seit die Zelle zuletzt
entladen wurde, bestimmt. Die Antwortsignale werden einem Tiefpassfilter 45 unterzogen,
und die Amplituden der Antwortsignale werden mittels eines Analog-Digital-Umsetzers 46 von analoger
in digitale Form umgewandelt, wodurch eine Reihe von Datenpunkten
bereitgestellt wird, die aus einer Zellennummer, welche die Ordinalposition der
konkreten Zelle 13 in dem linearen gescannten Array 12 definiert,
und der entsprechenden digitalisierten Amplitude, welche die Stärke der
Beleuchtung anzeigt, die durch jene Zelle erfasst wird, bestehen.
Diese Daten stellen gemeinsam eine Beleuchtungsverteilungskurve
in Bezug auf das lineare gescannte Array 12 dar.
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Wenn
wir uns jetzt 6–11 zuwenden, so
wird darin nunmehr ein bevorzugtes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Bestimmen der Zellenüberquerungsanzahl
der Schattenlinie 9 auf der Basis der digitalisierten Amplitudeninformationen von
den Zellen 13 des linearen gescannten Arrays 12 beschrieben.
Zunächst
wird gemäß Schritt 50 das
lineare gescannte Array 12 elektronisch gescannt, und die
Antwortimpulse werden digitalisiert, wie oben beschrieben wurde.
Die digitalisierten Antwortsignale werden in der Folge als "Bildpunkte" bezeichnet.
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Eine
Dunkelstromkorrekturroutine wird in Schritt 52 hinsichtlich
des resultierenden Datensatzes durchgeführt. Eine der beiden hauptsächlichen unerwünschten
Nebenwirkungen der CCD-Array-Technologie ist das Hinzufügen eines
sogenannten "Dunkelstroms" zu den Bildpunkten.
Dunkelstrom, welcher in linearer Beziehung zur Belichtungszeit steht,
sind Signalinformationen, die durch eine Zelle bei Nichtvorhandensein
von Licht erzeugt werden, und wird durch zufällige thermische Effekte und andere
Quellen verursacht. Eine Dunkelstromkorrektur ist bei Signalverarbeitungsanwendungen üblich, wird
hier jedoch kurz beschrieben. Wenn das Refraktometer 10 zunächst eingeschaltet
wird, wird das lineare gescannte Array 12 durch Durchführen eines Scan
mit der schnellsten möglichen
Belichtung und eines Scan mit der langsamsten möglichen Belichtung auf Dunkelstromrauschen
charakterisiert, und beide Scans werden im Speicher gespeichert.
Die Korrektur wird durch Verwenden einer linearen Interpolation
des schnellen und des langsamen Scan und Finden des theoretischen
Dunkelstroms, welchen der aktuelle Scan aufweisen sollte, angewandt.
Mit anderen Worten führt,
wenn der Dunkelstrom aus der schnellen Belichtung für eine bestimmte
Zelle 10 und der Dunkelstrom aus der langsamen Belichtung
für jene
Zelle 20 ist, eine Belichtungsgeschwindigkeit, die genau
in der Mitte zwischen schnell und langsam liegt, zu einem Dunkelstromwert
von 15. Der entsprechende Dunkelstromwert wird von dem aktuellen
Scanwert von jedem Bildpunkt subtrahiert.
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Auf
die Dunkelstromkorrektur folgt das Anwenden eines sich bewegenden
Durchschnittsfilters auf die Bildpunktdaten in Schritt 54.
Die zweite unerwünschte
Nebenwirkung des CCD-Array ist das Schwanken der Empfindlichkeit
von Zelle zu Zelle in dem Array. Um mit diesem Schwanken fertig
zu werden, wird ein sich bewegendes Durchschnittsfilter auf die
Daten auf eine bei der Signalverarbeitung übliche Weise angewandt. Das
sich bewegende Durchschnittsfilter entfernt hochfrequente Signalkomponenten,
während
es die niederfrequenten Komponenten durchtreten lässt. Jeder
Bildpunkt erhält
den Durchschnitt der Bildpunkte, welcher durch die um diesen herum
liegenden Zellen generiert wird. Beispielsweise wird in einem sich
bewegenden Fünf-Punkt-Durchschnittsfilter
dem Bildpunkt X der Wert (Bildpunkt (X – 2) + Bildpunkt (X – 1) + Bildpunkt X
+ Bildpunkt (X + 1) + Bildpunkt (X – 2))/5) gegeben.
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Die
nächste
Gruppe von Schritten 56 bis 74 umfasst eine bevorzugte
Routine zum Festlegen eines Bereiches von Zellen des linearen gescannten Array,
in welchem sich die Schattenlinie 9 befindet, für weitere
Verarbeitung innerhalb des Bereiches. Es wird auch auf 10 Bezug
genommen, welche eine grafische Darstellung der bevorzugten Routine
vorsieht. Gemäß Schritt 56 wird
der gesamte Satz von Bildpunktdaten durchsucht, um die hellste Zelle
mit dem höchsten
Bildpunktwert zu finden, und ihre Zellennummer und ihr Bildpunktwert
werden im Speicher gespeichert. Als nächstes werden in Schritt 58 Bildpunktdaten
aus der gemäß Darstellung
in 10 rechts davon nächsten Zelle gelesen und in
Schritt 60 verglichen, um zu bestimmen, ob sie kleiner
gleich 25% des Bildpunktwertes der hellsten Zelle, die in Schritt 56 lokalisiert
und gespeichert wurde, sind. Schritt 58 wird wiederholt,
bis eine Zelle, die das 25%-Kriterium aus Schritt 60 erfüllt, erreicht
wird, wobei dann die entsprechende Zellennummer als START-Zelle
des Bereiches im Speicher gespeichert wird und der Bildpunktwert
als ein DUNKELSTER Bildpunktwert in Schritt 62 gespeichert
wird. Dieser Vorgang zum Zuweisen der START-Zelle des Bereiches
liefert stets eine START-Zelle, die deutlich vor dem Ort der Schattenlinie
und deutlich nach der hellsten Zelle angeordnet ist, und trägt auch
dazu bei sicherzustellen, dass jedwede Anomalien im Scan ignoriert
werden. Sobald die START-Zelle identifiziert wurde, wird die Routine
in Schritt 64 durch Lesen der nächsten gemäß Darstellung in 10 rechts
davon liegenden Zelle fortgesetzt. Der Bildpunktwert wird gemäß Schritt 66 mit
dem zuvor gespeicherten DUNKELSTEN Bildpunktwert verglichen. Wenn
der verglichene Bildpunktwert kleiner als der zuvor gespeicherte
DUNKELSTE Bildpunktwert ist, wird der verglichene Bildpunktwert
in Schritt 68 als neuer DUNKELSTER Bildpunktwert gespeichert.
Wenn der verglichene Bildpunktwert jedoch nicht kleiner als der zuvor
gespeicherte DUNKELSTE Bildpunktwert ist, dann fällt die Beleuchtungskurve nicht
mehr ab, und der Bildpunktwert der Zelle wird in Schritt 70 überprüft, um zu
bestimmen, ob er ein vorbestimmtes Endkriterium erfüllt. In
der bevorzugten Routine wird, wenn der Bildpunktwert größer gleich
105% dem DUNKELSTEN Bildpunktwert ist, die Zellennummer bei Schritt 72 als
END-Zelle gespeichert. Wenn keine Zelle das 105%-Endkriterium erfüllt, kommt
gemäß Schritt 74 ein
Standard-Endkriterium zum Tragen, derart, dass die letzte Zelle
in dem Array als END-Zelle zugewiesen wird. Wenn weder das 105%-Kriterium
noch das Letztzellen-Kriterium erfüllt wird, kehrt der Prozessfluss
von Schritt 74 zu Schritt 64 zurück, um die
nächste
Zelle zu lesen. Das Ziel bei der bevorzugten Methode zum Finden
des ENDES des Bereichs, wie aus 10 hervorgeht,
ist, einen 5% Anstieg in der Beleuchtungskurve zu finden und, falls
dies nicht möglich
ist, die letzte Zelle als END-Zelle zu wählen. Bestimmte Typen von Proben können Anomalien
in dem Scan verursachen, welche von diesem Schritt somit ignoriert
werden.
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Es
wird hier festgehalten, dass einer der Vorzüge der Bereichssuchroutine,
die in dem vorangehenden Absatz beschrieben wurde, ist, dass sie
die Suche nach der Schattenlinie 9 rasch einengt, wodurch
somit die Notwendigkeit, weitere Rechenzeit in Bezug auf Bildpunkte
aufzuwenden, die nicht im lokalen Gebiet der Schattenlinie liegen,
entfällt.
Allerdings ist es, wie aus der unten stehenden Beschreibung deutlich
wird, möglich,
dass man den Bereich einfach als die gesamte Linie von Zellen 13 in
dem linearen gescannten Array 12 enthaltend behandeln könnte, derart,
dass die erste Zelle START und die letzte Zelle ENDE ist, wobei
diese Lösung
jedoch nicht bevorzugt wird, da sie nicht imstande ist, potenzielle
Anomalien in der Beleuchtungskurve, die Ergebnisse beeinträchtigen
können,
zu beseitigen. Natürlich
können
andere Bereichsuchmethoden verwendet werden. Folglich ist der Schritt
des Festlegens eines Bereiches von Zellen des linearen gescannten
Array, in welchem sich die Schattenlinie befindet, nicht auf die
oben beschriebene bevorzugte Methode beschränkt und soll weitgehend eine
einfache Methode umfassen, welche einen Bereich über das gesamte Array festlegt,
wie auch selektivere Methoden, welche den Bereich von Zellen relativ
zu dem gesamten Array einengen.
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Wenn
wir nun zu 6 zurückkehren und auch auf 7 bis 9 Bezug
nehmen, so wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen
der Zellenüberquerungsanzahl
durch Konzentrieren auf den Bereich von Zellen von START bis ENDE
fortgesetzt. Insbesondere wird die erste Ableitung der Beleuchtungskurve
von START bis ENDE in Schritt 76 berechnet, so dass die
zweite Ableitung der Beleuchtungskurve von START bis ENDE in Schritt 78 berechnet
werden kann. 7 umfasst Kurven der ersten
und der zweiten Ableitung, die über
eine Beleuchtungskurve von einem Probenscan gelegt sind. Die erste
Ableitung ist ein Maß für das Gefälle der
Beleuchtungskurve, und für
diese Anwendung kann sie als die Differenz im Bildpunktwert zwischen
benachbarten Zellen berechnet werden. Die zweite Ableitung ist ein
Maß für das Gefälle des Gefälles der
Beleuchtungskurve (das heißt,
sie ist die "Flankensteilheit" der "Flankensteilheit"). Bei dieser Anwendung
ist sie die Differenz zwischen ersten Ableitungen von Bildpunktwerten.
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Wie
aus 7 und 9 zu ersehen ist, weist die
Kurve der zweiten Ableitung einen positiven "Buckel" mit größtem Bereich in der Nachbarschaft der
Schattenlinie auf. Wichtig ist, wie durch 9 veranschaulicht
wird, dass dieser größte positive
Bereich an derselben Zellennummernkoordinate auftaucht, unabhängig von
dem Stärkepegel
von Licht, welches auf das lineare gescannte Array einfällt. Der Schritt 80 umfasst
das Suchen von START bis ENDE nach dem größten positiven Bereich, der
durch die zweite Ableitung definiert wird, beispielsweise durch numerische
Integration. Die oben beschriebene Bereichssuchmethode bietet neben
der Geschwindigkeit einen zweiten Vorteil, indem sie potenzielle
Anomalien in der Beleuchtungskurve beseitigt, welche mitunter Buckel
in der zweiten Ableitung mit größeren Bereichen
als der Buckel der tatsächlichen
Lage der Schattenlinie verursachen. Wenn diese Anomalien nicht ignoriert
werden, können
daraus fehlerhafte Messungen entstehen.
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Der
nächste
Schritt 82 ist, den "Schwerpunkt" oder Flächenschwerpunkt
des größten positiven
Bereiches zu finden, der durch die zweite Ableitung definiert wird.
Mathematisch erfolgt dies durch Beginnen, wo die zweite Ab leitung
die Nullachse nach positiv überquert
am Beginn des größten positiven
Bereiches, dann Integrieren, bis die zweite Ableitung Null wieder
nach negativ überquert.
Dies beschreibt den gesamten positiven Bereich des Buckels. Nochmals
bei der positiven Überquerung
beginnend, wird neuerlich eine Integration durchgeführt, bis
die Zelle, welche diese zweite Integration auf über die Hälfte des gesamten Bereiches
bringt, gefunden wird. Der Schwerpunkt wird dann durch Rückwärtsschreiten
um eine Zelle, um unter die Hälfte-Zelle
zu gelangen, und darauffolgendes Interpolieren, um die tatsächliche
Zellkoordinate des Schwerpunkts zu finden, lokalisiert. Wie aus 11 hervorgeht,
wird diese Zellkoordinate als die Zellenüberquerungsanzahl der Schattenlinie
betrachtet und als solches in Schritt 84 von 6 gespeichert.
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Wie
oben besprochen wurde, ändert
sich die Zellenüberquerungsanzahl
der Schattenlinie 9 in Abhängigkeit von dem Brechungsindex
der Probensubstanz 16. Folglich kann, da der optische Weg
und andere physikalische Eigenschaften des optischen Mittels 14 bekannte
Systemparameter sind, welche gespeichert werden können, die
Zellenüberquerungsanzahl
verwendet werden, um den Brechungsindex zu berechnen. Der Brechungsindex
wird direkt als Ausgabe gemeldet oder in eine zweckmäßigere Form,
beispielsweise Feststoffe in Prozent, umgewandelt. Es ist auch möglich, temperaturkompensierte
Messungen zu berechnen und zu melden, wenn ein Temperatursensor
bereitgestellt wird, um die Temperatur der Probensubstanz 16 zu
messen.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht eine verbesserte Präzision (Wiederholbarkeit) von
Refraktometermessungen vor, sogar in Fällen, in denen ein breiter
Bereich von Lichtstärken
beteiligt ist. Eine verbesserte Messgenauigkeit folgt aus einer verbesserten
Präzision,
da die Genauigkeit durch Verwendung von Proben, die bestens bekannte
Eigenschaften aufweisen, "einkalibriert" wird, ehe irgendwelche
Messungen vorgenommen werden. Demnach ist das vorliegende Verfahren
zur Bestimmung der Schattenlinie sowohl in automatischen Auflicht-
als auch in automatischen Durchlichtrefraktometern anwendbar.