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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum automatischen
Erkennen der Größe eines
Gegenstands und ein diese verwendendes automatisches Analysegerät.
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Eine
Vorrichtung zum automatischen Erkennen der Größe eines Gegenstands wird in
verschiedenen Bereichen benötigt.
So sind zum Beispiel eine Vorrichtung zur Halbleiterherstellung
und ein Analysegerät
nach der Beschreibung in den japanischen Patent-Offenlegungsschriften
2000-105247 und Hei 11-83865 bekannt.
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In
einem herkömmlichen
automatischen Analysegerät
zum Erfassen der Höhe
eines Aufbewahrungsbehälters
wie zum Beispiel eines Reagenzglases oder eines Probennäpfchens
zur Aufnahme einer Probe, wie in 3 gezeigt,
sind die Leuchtdioden 29 und die Fotodetektoren (zum Beispiel
Fototransistoren oder Fotodioden) 30 in einer Feldanordnung
an den Befestigungsplatten 31 auf beiden Seiten eines Reagenzglases
angeordnet, und Änderungen
aufgrund des Blockierens des von den Leuchtdioden erzeugten Lichts 32 durch
das Reagenzglas werden von den Fotodetektoren 30 erfasst,
und die Höhe
wird gemessen.
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Die
Treiberschaltung 33 ist an die Leuchtdioden 29 und
die Empfangsschaltung an die Fotodetektoren 30 angeschlossen.
Weiter wird mit einem Laser-Wegsensor, einem Ultraschall-Wegsensor
und einem Reflexions- oder Durchlass-Laser-Unterscheidungssensor die Höhe eines
Reagenzglases oder der Füllstand
einer Probe gemessen. Die genannten Sen soren sind getrennt von einem
optischen Informationsleser zum Lesen des Inhalts eines Codemusterschilds
auf einem Behälter
zur Aufnahme einer Probe angeordnet.
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Weiter
ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2000-283824 die
Verwendung eines CCD-Sensors zum Lesen eines Codemusters auf einem
Behälter
zur Aufnahme einer Probe, zum Gewinnen von Informationen und zum
Messen der Höhe des
Behälters
beschrieben.
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EP 0903681 beschreibt eine
Vorrichtung zum automatischen Erkennen der Größe eines Erkennungsobjekts
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen werden in einer Probenentnahmeeinheit eines automatischen
Analysegeräts als
ein Behälter
zur Aufnahme einer Probe ein Reagenzglas (auch einschließlich eines
Blutentnahmeröhrchens)
und ein Behälter
zur Aufnahme einer sehr kleinen Menge der Probe, ein so genanntes
Probennäpfchen,
verwendet.
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Diese
Aufbewahrungsbehälter
werden auf ein Gestell wie in 4 gegeben
und in die Probenentnahmeeinheit eines Analysegeräts eingesetzt.
Es kann aber auch ein einzelnes Reagenzglas oder ein einzelnes Probennäpfchen in
ein Gestell geladen werden, oder ein auf ein Reagenzglas aufgesetztes Probennäpfchen kann
in ein Gestell geladen werden.
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Der
Grund hierfür
ist der, dass, weil ein Probenunterscheidungs-Codemuster nicht direkt
an dem Probennäpfchen
angebracht werden kann, das Unterscheidungs-Codemuster an dem darunter
befindlichen Reagenzglas angebracht wird.
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Wie
bereits erwähnt
ist in den Fällen
eines einzelnen Reagenzglases, eines einzelnen Probennäpfchens
und eines auf das Oberteil eines Reagenzglases aufgesetzten Probennäpfchens
der Füllstand
einer Probe in jedem einzelnen Behälter sehr unterschiedlich.
Wenn eine Probe in der Probenentnahmeeinheit des automatischen Analysegeräts mit hoher Geschwindigkeit
abgegeben werden soll, ist ein schneller Betrieb des Probenentnahmearms
wesentlich.
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Zu
diesem Zweck ist es wünschenswert,
den Füllstand
der Probe zu erkennen, bevor der Abgabevorgang durchgeführt wird,
und die Absenkgeschwindigkeit des Probenentnahmearms zu steuern.
Mittels Bildverarbeitung mit einem Wegsensor unter Verwendung eines
Lasers oder Ultraschallwellen und einer Videokamera kann die Höhe eines
Aufbewahrungsbehälters
mit hoher Präzision
erfasst werden. Die Sensoreinheit und die Betriebssteuerschaltung sind
jedoch teuer, und es ist nicht bevorzugt, sie für ein automatisches Analysegerät zu benutzen.
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Weiter
ist bei einem Detektor, bei dem Leuchtdioden und Fotodetektoren
in einer Matrixanordnung wie in 3 angeordnet
sind, trotz des günstigen
Elementpreises ein Aufbau zur Befestigung der Elemente nötig, und
die Höhe
muss stufenweise ermittelt werden; außerdem kann der Detektor nicht
dünn ausgeführt werden,
weil die Auflösung durch
die Größe der Leuchtdioden
und Fotodetektoren bestimmt wird und viele Treiberschaltungen und Erfassungsschaltungen
für die
Leuchtdioden nötig sind.
Daher ist die Höhe
der verwendbaren Reagenzgläser
begrenzt.
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Das
automatische Analysegerät
ist vorstehend konkret beschrieben. Die gleichen Ausführungen
gelten aber auch für
andere allgemeine Dimensionsdetektoren.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung
zum präzisen
Erkennen einer optionalen Länge
eines Gegenstands mit einem preiswerten System, zum Beispiel der
Länge eines
Reagenzglases.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum automatischen
Erkennen der Größe eines
Erkennungsobjekts mit einem Erkennungsobjekt, dessen Größe gemessen
werden soll, einer Hintergrundtafel, die hinter dem Erkennungsobjekt
angeordnet ist, eine Bezugslinie aufweist und länger als das Erkennungsobjekt
ist, und einer Steuerung zum Abtasten des Erkennungsobjekts und
der Hintergrundtafel von vorne und zum automatischen Erkennen der
Größe des Erkennungsobjekts
auf der Grundlage eines erhaltenen Signals.
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Weiter
besteht ein anderer Aspekt in der Bereitstellung eines automatischen
Analysegeräts
unter Verwendung des vorstehend genannten Detektors.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines automatischen Analysegeräts unter
Anwendung der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine perspektivische Draufsicht des automatischen Analysegeräts in 1.
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3 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm eines herkömmlichen Beispiels zum Erkennen
der Behälterhöhe.
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4 zeigt
eine schematische Ansicht eines konkreten Beispiels für verschiedene
Aufbewahrungsbehälter.
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5 zeigt
eine Illustration zur Veranschaulichung des Betriebs nach der Ausführungsform.
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6 zeigt
eine schematische Ansicht eines Beispiels für das Hintergrundmuster.
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7 zeigt
eine Illustration eines vergrößerten Ausschnitts
von 6.
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8 zeigt
ein Flussdiagramm für
den Messablauf.
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9 zeigt Fälle, bei denen der Hintergrund schwarz
ist bzw. die Ausgabewellenform keinen Hintergrund enthält, wenn
sich das Hintergrundmuster ändert.
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10 zeigt einen Fall, bei dem der Hintergrund
in der Ausgabewellenform weiß ist,
wenn sich das Hintergrundmuster ändert.
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11 zeigt einen Fall, bei dem ein Codemuster
für den
Hintergrund verwendet wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
Ausführungsform
ausführlich
beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Bereichen
ein gesetzt werden, so etwa zum automatischen Erkennen der Größe eines Wafers
durch eine Vorrichtung zur Halbleiterherstellung oder zum automatischen
Erkennen der Länge eines
Reagenzglases mit einer Probe durch ein automatisches Analysegerät. Nachstehend
wird jedoch die Anwendung der vorliegenden Erfindung für ein automatisches
Analysegerät
beschrieben.
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1, 2 und 4 zeigen
schematische Blockdiagramme einer Ausführungsform eines automatischen
Analysegeräts
unter Anwendung der vorliegenden Erfindung. In 1 besteht
eine Steuerung 2 aus einem Informationsprozessor oder einer Ablaufsteuerung
mit einer Hilfsspeichereinheit wie zum Beispiel einer MPU, einem
Speicher, einer E/A-Einheit,
einer Kommunikationsschaltung oder einer Festplatte und verarbeitet
oder steuert die für
den Betrieb und den Analysebetrieb des automatischen Analysegeräts nötigen Informationen.
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Eine
Analyseeinheit 5 ist, wie in 2 gezeigt,
auf einer beweglichen Reaktionsscheibe 26 zum Befüllen mehrerer
Reaktionszellen 22 angeordnet, bei denen es sich um Behälter zum
Mischen eines Reagenz und einer Probe und zum gleichzeitigen Bewegen
beider handelt, misst die Extinktion mit einem Detektor 27 und
analysiert die Bestandteile der Probe, die das Analyseobjekt ist.
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Ein
Reagenzbehälter 6 dient
zur Aufnahme eines für
die Analyse verwendeten Reagenz, zum Transportieren eines nötigen Reagenz
in die Position, in der das Reagenz mit einer Reagenzsonde 25 eingesaugt
werden kann, und zum Kühlhalten
des Reagenz. Eine Probenentnahmeeinheit 4 gibt eine Probe,
die das Analyseobjekt ist, in ein Reagenzglas 11 und ein
Probennäpfchen 37,
und die Probenentnahmeeinheit 4 weist eine Struktur auf,
um eine zu analysierende Probe in die Position zu transportieren,
in der die Probe von einer Probensonde 24 abgegeben werden
soll.
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Für die Steuerung 2,
die Analyseeinheit 5, den Reagenzbehälter 6 und die Probenentnahmeeinheit 4 wird
die nötige Energie
zum Betrieb der einzelnen Elemente aus einer Energiezufuhreinheit 3 in
der Vorrichtung geliefert. Die Energiezufuhreinheit 3 in der
Vorrichtung wandelt die Energie in die für jedes Teil der Vorrichtung
nötige
Spannung, Stromstärke und
Frequenz um und liefert sie an diese.
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Das
Probennäpfchen 37 wird
auf ein Gestell 13 gegeben und in die Abgabeposition transportiert. Das
Reagenzglas 11 wird mit einem Codemuster 12 zur
eigenen Unterscheidbarkeit versehen, und der Inhalt des Codemusters 12 wird
mit einem optischen Informationsleser 7 gelesen.
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Bei
dieser Ausführungsform
arbeitet der optische Informationsleser 7 mit einem Laser-Abtastsystem.
Die gelesene Information des Codemusters 12 wird über eine
Codemuster-Kommunikationsleitung 20 an
die Steuerung 2 übertragen,
und die Analyse der Analysegegenstände entsprechend des Inhalts wird
gestartet.
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An
der Position, an der der optische Informationsleser 7 das
Codemuster 12 liest, weist dieses Analysegerät, wie in 1 gezeigt,
eine Hintergrundtafel 14 an der gegenüberliegenden Seite des optischen
Informationslesers 7 mit dem Reagenzglas 11 auf.
Die Größe der Hintergrundtafel 14 ist
länger
als die Länge
des Reagenzglases 11, das ein Erkennungsobjekt ist.
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Auf
der Hintergrundtafel 14 ist zum Beispiel eine schwarze
Bezugslinie 15 in waagerechter Richtung angebracht, und
wenn ein Laserstrahl 16 von dem optischen Informationsleser 7,
wie in 5 gezeigt, auf das an dem Reagenzglas 11 angebrachte Codemuster 12 abgestrahlt
wird, wird der Laserstrahl 16 auch auf die Hintergrundtafel 14 abgestrahlt.
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Der
optische Informationsleser 7 erfasst zuerst die Bezugslinie 15.
Wenn der Leser 7 die Bezugslinie 15 erfasst, aktiviert
er einen internen Zeitgeber oder Zähler und misst dann die Zeit,
bis der Leser 7 das gestreute Licht von dem oberen Ende
des Reagenzglases 11 oder des Probennäpfchens 37 erfasst,
das heißt
die Zeit, die der in 5 und 6 gezeigten
Höhenerfassungsperiode 41 entspricht.
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Die
relativen Höhen
der Bezugslinie 15 bzw. des optischen Informationslesers 7 sind
in dem Analysegerät
festgelegt, so dass sich durch den Höhenunterschied zwischen dem
Reagenzglas 11 und dem in der Mitte positionierten Probennäpfchen 37 die vorstehend
erwähnte
Höhenerfassungsperiode 41 ändert und
der entsprechend Wert für
die Höhe
des Reagenzglases 11 und des in der Mitte angeordneten Probennäpfchens 37 gemessen
werden kann.
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Danach
durchläuft
der optische Informationsleser 7 die Ruheperiode 42 und
liest dann während
der Codemuster-Leseperiode 43 den Inhalt des zur Unterscheidung
angebrachten Codemusters 12. Ist das Lesen erfolgreich,
bedeutet dies, dass ein Reagenzglas vorhanden ist, so dass der optische
Informationsleser 7 unter der Annahme der Zeitdaten in der
Höhenerfassungsperiode 41 zu
diesem Zeitpunkt als Daten zur Beurteilung der Höhe des Reagenzglases 11 diese über die
Codemuster-Kommunikationsleitung 20 an die Steuerung 2 überträgt.
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Die
Steuerung 2, im Unterschied zu den jeweiligen früheren Vorrichtungen,
erstellt eine Vergleichstabelle zwischen den Zeitdaten in der Höhenerfassungsperiode 41,
der Höhe
der verschiedenen Reagenzgläser 11 und
Probennäpfchen 37 und
der Höhe,
wenn diese kombiniert sind, und entscheidet, ob die bei Bedarf in
der Höhenerfassungsperiode 41 übertragenen
Zeitdaten die für
ein langes Reagenzglas 35, für ein kurzes Reagenzglas 36,
für das
Probennäpfchen 37,
für ein
langes Reagenzglas plus Probennäpfchen 38 oder
für ein
kurzes Reagenzglas plus Probennäpfchen 39 sind.
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Bei
der Erstellung der Vergleichstabelle, in dem Einstellverfahren bei
der Installation der Vorrichtung, beim Einschalten der Vorrichtung
oder bei der Wartung der Vorrichtung werden die Höhe des zu verwendenden
Reagenzglases 11, die Höhe
des zu verwendenden Probennäpfchens 37 und
die Höhe, wenn
diese kombiniert sind, einmal von dem optischen Informationsleser 7 gelesen
und vorbereitet und in der Steuerung 2 als Bezugsdaten
gespeichert, wodurch der Effekt von Unterschieden in der Vorrichtung
verringert wird.
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Nach
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann mit dem optischen Informationsleser, der
ursprünglich
nur die Funktion zum Lesen des Codemusters hat, die Höhe des Probenaufbewahrungsbehälters wie
zum Beispiel des Reagenzglases und des Probennäpfchens gemessen werden, so
dass spezielle Sensoren für
die Höhenmessung
nicht nötig sind
und die Kosten gesenkt werden. Außerdem entfällt die Einstellung der speziellen
Sensoren, und die Wartungsfähigkeit
wird verbessert. Darüber
ist die Anzahl der Teile geringer und die Zuverlässigkeit wird verbessert.
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Sind
zusätzlich
zu der Bezugslinie 15 mehrere Markierungen oder Striche
auf der Hintergrundtafel 14 angebracht, kann die Erkennungsgenauigkeit verbessert
werden. 6 zeigt eine schematische Ansicht
eines Beispiels für
den Fall, dass mehrere Striche auf der Hintergrundtafel als ein
Hintergrundmuster angebracht sind, und 7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
davon.
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Weiter
ist ein Hilfssymbol auf der Hintergrundtafel 14 vorgesehen.
Das Hilfssymbol wird verwendet, um dem optischen Informationsleser 7 die Position
der Bezugslinie 15 eindeutig anzugeben und dessen Funktion
zu verbessern. Insbesondere dient das Hilfssymbol dazu, den Digitalisierer
in dem optischen Informationsleser 7 zurückzusetzen.
Außerdem
kann durch Verwendung des Hilfssymbols, auch wenn der optische Informationsleser
von oben nach unten abtastet, eine bessere Leseleistung erzielt werden.
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Wie
in 6 und 7 gezeigt, wird ein projizierter
Laserstrahl an der Kante des Reagenzglases gebrochen und reflektiert,
so dass der Kontrollpunkt B durch die erhaltene Wellenform gestört wird.
Mit zunehmendem Winkel θ wird
die Störung
stärker. Dasselbe
gilt auch bei Verwendung von anderem Licht als einem Laserstrahl,
zum Beispiel bei LED-Licht.
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8 zeigt
ein Flussdiagramm für
die Durchführung
der Messung. Der optische Informationsleser 7 führt eine
optische Abtastung von unten nach oben mit einer Abtastgeschwindigkeit
von 500 Abtastungen pro Sekunde durch. Ein Laserstrahl wird projiziert,
und die Fotodetektordaten werden in ein Binärformat umgesetzt (digitalisiert)
und an die Steuerung 2 übertragen.
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Zuerst
wird der Kontrollpunkt A gesucht, das heißt der obere Punkt des Hintergrundmusters
(der obere Punkt des nicht durch das Reagenzglas unterbrochenen
Teils). Dieser Punkt wird durch die verstrichene Zeit (in Mikrosekunden)
vom linken Anfangspunkt der Binärwellenform
angegeben.
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Als
Nächstes
wird, vom Kontrollpunkt A nach links zurück, der Kontrollpunkt B gesucht.
Bei der Berechnung des Kontrollpunkts B aus dem Kontrollpunkt A
entspricht der Wert der Länge
des Reagenzglases. Wenn die Ausgangszeit in die Länge umgewandelt
und von der Länge
des oberen Punkts des Hintergrundmusters (Bezugslinie) abgezogen
wird, erhält
man die Länge
des Reagenzglases. Durch mehrfaches Wiederholen der Messung und
Berechnung des Durchschnitts kann optisches Rauschen entfernt werden.
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9 bis 11 zeigen
die Ausgabewellenformen, wenn sich das Hintergrundmuster ändert, wobei
(A) das gesamte Kurvendiagramm und (B) ein vergrößertes Teildiagramm ist. Die
jeweiligen Signalwellenformen sind ein Zeittaktssignal in der oberen Reihe,
eine von der Abtastvorrichtung erfasste analoge Wellenform in der
mittleren Reihe und eine von dem Mikrocomputer übertragene Binärsignal-Wellenform
in der unteren Reihe.
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9 zeigt die Fälle, dass der Hintergrund schwarz
ist bzw. kein Hintergrund vorgesehen ist. Das Reagenzglas als das
Erkennungsobjekt ist transparent, so dass keine Wellenform erhalten
wird, die einen Änderungspunkt
angibt. 10 zeigt einen Fall, dass
der Hintergrund weiß ist
und eine Wellenform an der Kante des Reagenzglases erhalten wird. Die
Wellenform ist jedoch instabil, so dass die Mög lichkeit besteht, dass aufgrund
der relativen Position der Lichtprojektion und der Form des Reagenzglases keine
ausreichende Wellenform erhalten wird.
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11 zeigt einen Fall, dass ein Codemuster
als ein Hintergrundmuster vorgesehen ist und die Kontrollpunkte
A und B präzise
erfasst werden.
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Die
automatische Vorrichtung zur Größenerkennung
nach der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu dem vorstehend ausführlich beschriebenen
automatischen Analysegerät
auch für
Anwendungen zum automatischen Messen der Größe und Länge von Gegenständen, zum
Beispiel zum automatischen Erkennen der Größe eines Wafers in einer Halbleitervorrichtung,
verwendet werden. Insbesondere wird, wenn ein Codemuster an einem
Gegenstand angebracht ist, die Codemuster-Information gelesen, und die Größe des Gegenstands
kann gleichzeitig bestimmt werden, so dass eine Vorrichtung mit
einem einfachen Aufbau zum Erkennen der Größe eines Gegenstands und zum
Lesen einer Codemuster-Information bereitgestellt werden kann.
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Wie
vorstehend beschrieben, kann nach der vorliegenden Erfindung die
Länge eines
Erkennungsobjekts präzise
erfasst werden.