FI111299B - Menetelmä ja järjestely mittaustiedon käsittelemiseksi - Google Patents

Description

111299

Menetelmä ja järjestely mittaustiedon käsittelemiseksi - Förfarande och anord-ning för behandling av mätningsdata

Keksintö kohdistuu yleisesti mittaustiedon käsittelyyn. Erityisesti keksintö kohdis-5 tuu sellaisen tiedon laskentamenettelyyn, joka on mitattu CCD-anturiyksiköllä (CCD = Charge-Coupled Device, valoherkkä varaussiirtorekisteri, CCD-rekisteri). Keksintöä käytetään edullisesti fotometriikassa mittaamaan kuoppalevylle koottujen näytteiden säteilyä. Keksinnön eräänä tavoitteena on aikaansaada parannuksia mittausten signaali-kohinasuhdearvoissa.

10 CCD-antureita käytetään yleisesti fotometriikassa mittaamaan näytteiden säteilyä, esimerkiksi valoa. Tavallisesti näytteet asetetaan fotometriikkalaitteen kuoppalevyn kuoppiin. Kuviossa 1 on esitetty tunnetun tekniikan mukainen järjestely fotomet-riikkalaitteeksi. Mitattavat näytteet asetetaan kuoppalevylle 102. Näytteitä voidaan säteilyttää lamppuyksiköstä 104. Aktivoiva säteily 106 heijastuu säteen jakavasta 15 peilistä 108 kuoppalevylle. Lamppuyksikköä ohjataan siten, että se lähettää säteilyä tietyllä voimakkuudella. Mahdollisen säteilytyksen jälkeen näytteistä lähtevä säteily 110 ohjataan CCD-yksikköön 120. Linssijärjestelmä 112 luo näytteistä kuvan CCD-ruudulle. Säteilytysjakson pituutta säädellään sulkimella 116. Säteily suodatetaan edelleen emissiosuodattimella 114 säteilyn mittausta varten määrätyn aallonpituu-20 den valitsemiseksi. Lamppuyksikköä, suljinta 116 ja CCD-yksikköä 120 ohjataan ohjausyksiköllä 130. Mittausprosessia ohjaa edelleen tietokoneyksikkö 140. Tieto-koneyksikkö myös prosessoi mittauksista saatavan tiedon ja laskee säteily intensiteettien tulokset.

Kuvio 2 havainnollistaa CCD-yksikön 200 rekisterejä. CCD-yksikössä on rinnak-25 kaisrekisteri 210, joka koostuu varauskuoppien 211 muodostamasta matriisista. Kun pinta altistetaan säteilylle, kuoppiin muodostuu varauksia säteilytyksen intensiteetin mukaisesti. Näin ollen rinnakkaisrekisteriin kehittyy tietynlainen varausmalli. Säteilytyksen jälkeen matriisin varauskuopat tai "pikselit" luetaan siirtämällä rinnakkais-rekisterin kunkin rivin varaukset siirtorekisteriin eli "sarjarekisteriin" 220. Kun va-30 raukset on siirretty askelen verran eteenpäin, siirtorekisterin varauskuopissa on rin-nakkaisrekisterin yhden sarakkeen varaukset. Tämän jälkeen siirtorekisteri luetaan siirtämällä siirtorekisterin varaukset kohti lähtövarauskuoppaa eli "lähtösolmua" 230. Lähtösolmu luetaan jokaisen siirtovaiheen jälkeen. Kun kaikki siirtorekisterin varauskuopat on luettu, rinnakkaisrekisterin varauksia siirretään jälleen yhden aske-35 Ien verran eteenpäin. Lukumenettely toistetaan, kunnes koko rinnakkaisrekisteri on 111299 2 luettu. Näin mittaustieto muunnetaan sarjalliseksi joukoksi pikselien varausarvoja, jotka ilmaisevat pikselien säteilyintensiteettejä. Kuviosta 2 nähdään myös neljän kuoppalevyllä sijaitsevan näytteen 203 kuvat. Kun saatu tieto on käsitelty, voidaan muodostaa kuva, jossa näytekuvan alueella sijaitsevat pikselit ilmaisevat näytekuvan 5 vastaavien kohtien säteilyintensiteetin.

Eräs fotometriikan ongelma liittyy siihen, että säteilyintensiteetti on alhainen, ja siksi mitattavan datan signaali-kohinasuhde saattaa myös olla alhainen. Signaali-kohinasuhteen kasvattamiseksi käytetään usein binning-laskentamenetelmää. Bin-ning-menetelmässä yhdistetään lukuprosessin aikana vierekkäisten pikselien varauk-10 set. Varaus otetaan talteen kuten edellä on kuvattu, mutta lukuprosessi ohjelmoidaan toisin. Kun varaus rinnakkaista binning-menetelmää sovellettaessa siirretään rinnak-kaisrekisteristä siirtorekisteriin, varausta kertyy kahdesta tai useammasta sarakkeesta, ennen kuin sarjallinen siirtäminen alkaa. Sovellettaessa sarjallista binning-menetelmää lähtösolmun kertyy yhtaikaa kaksi tai useampia varauspaketteja, ennen kuin 15 varaus digitoidaan ja luetaan.

Binning-menetelmää kuvaa binnausluku, joka on sama kuin CCD:llä yhdistettävien pikselien lukumäärä, esimerkiksi "2x2-laskenta". Jos binning-menetelmää käytetään, siirtorekisterin ja lähtövarauksen kapasiteetti täytyy suunnitella binning-mene-telmässä kertyneiden pikselien kokonaisvarauksen mukaan.

20 Binning parantaa signaali-kohinasuhdetta ja laajentaa CCD-kameran dynaamista liikkumavaraa, mutta tämä tapahtuu tilaresoluution kustannuksella. Näin ollen binning on hyödyllisimmillään sovelluksissa, joissa resoluutio ei ole keskeisessä asemassa. Koska binning vähentää prosessoitavien ja digitoitavien pikselien lukumäärää, myös lukunopeus kasvaa. Jos käytetään esimerkiksi 2x2-laskentaa, resoluutioksi 25 (pikselien lukumäärä kuvan vastaavassa suunnassa) muodostuu puolet vastaavasta resoluutiosta ilman binning-menetelmää, ja signaali-kohinasuhteen arvo nousee kaksinkertaiseksi verrattuna vastaavaan arvoon ilman binning-menetelmää. Tämä signaali-kohinasuhteen arvon nousu liittyy CCD-yksikön rinnakkaisrekisterin kohinaan. Kuitenkin myös binnausluku parantaa lukukohinaan liittyvän signaali-30 kohinasuhteen arvoa. Binning-menetelmää on edullisesti käytetty fotometriikassa, koska korkean resoluution saavuttamiseen ei ole ollut tarvetta.

Mittauskapasiteetin lisäämistä on vaadittu lisäämällä kuoppalevyllä sijaitsevien näytteiden määrää. Näin ollen, sen sijaan että käytettäisiin kuoppalevyjä, joissa on 8 x 12 kuoppaa, nykyisin käytetään kuoppalevyjä, joissa on esimerkiksi 32 x 48 = 35 1536 kuoppaa. Kuoppien koko on niin ikään pienentynyt. Kuviossa 3 on esitetty 111299 kuoppalevy 302, jossa on 32 x 48 kuoppaa 303 kuvattuna luonnollisessa koossa. Kuviossa 4 nähdään edelleen neljän näytteen 403 kuvat CCD-yksikön 400 pinnalla. Etenkin kun käytetään pienikuoppaisia kuoppalevyjä, tunnetun tekniikan mukainen binning-menetelmä aiheuttaa seuraavia ongelmia. Kun näytekuoppien etäisyydet 5 ovat pieniä, CCD-varauskuoppien 411 lukumäärä näytteiden välisellä alueella on myös pieni. Kuvion 4 esimerkissä näytekuvien välissä on vain 3 pikseliä. Jos bin-nausluku lähenee alueella sijaitsevien pikselien määrää, on mahdollista, että tietyn näytekuopan säteily vaikuttaa viereisen pikselikuopan tulokseen ja aiheuttaa interferenssiä näytekuvien välille. Tästä syystä viereisten näytekuoppien säteilyä ei kyetä 10 riittävän tarkasti erottamaan toisistaan. Toisena ongelmana on, että pienten näytteiden säteilyn perusteella ei ole mahdollista saavuttaa riittävää signaali-kohinasuhdetta, jotta kohtuullisessa kuvausajassa saataisiin tarkkoja tuloksia.

Nyt esillä olevan keksinnön tavoitteena on luoda ratkaisu, jossa saavutetaan hyvä signaali-kohinasuhde ja jossa voidaan silti välttää interferenssi eri alueiden mittaus-15 tulosten välillä. Tämä tavoite saavutetaan fotometriikkasovelluksissa valitsemalla binnausluku kuoppalevyllä sijaitsevien näytekuoppien aseman ja koon perusteella.

Summattavien pikselien lukumäärä on edullisesti sama kuin pikselien lukumäärä näytekuoppien muodostamassa kuvassa. Näin ollen, jos näytekuvan rivissä tai sarakkeessa on esimerkiksi 15 pikseliä, kaikki ovat edullisesti summautuneet binning-20 menetelmässä. Näytekuvan alueen ulkopuolelle jääneet pikselit voidaan jättää huomiotta. Esimerkiksi kuvan 4 järjestelyssä A-kirjaimella merkityt pikselit on lukupro-sessissa binnattu rinnakkain ja B-kirjaimella merkityt pikselit on binnattu sarjassa. Loput pikselit voidaan jättää huomiotta.

Nyt esillä olevan keksinnön avulla voidaan saavuttaa maksimaalinen signaali-25 kohinasuhde, koska kertymään saadaan kaikki yhden näytteen kuva-alueella olevat pikselit. Siitä huolimatta näytteiden välisen interferenssin ongelma voidaan minimoida, koska näytekuvien välissä sijaitsevat pikselit eivät keräänny näytekuvien sisällä olevin pikselien mukana.

Keksintö kohdistuu menetelmään kappaleen säteilyn mittaamiseksi CCD-rekisterin 30 avulla, johon kuuluu riveiksi ja sarakkeiksi järjestetty pikselimatriisi, jossa menetelmässä - säteily luo varauksia pikselien varauskuoppiin, - yhden pikselisarakkeen varaukset siirretään siirtorekisteriin, - siirtorekisterin varaukset siirretään lähtövarauskuoppaan, 35 - varaus mitataan lähtövarauskuopasta, ja 111299 4 - ainakin kahden pikselin varaukset summataan lähtövarauskuoppaan, ja joka menetelmä on tunnettu siitä, että ne pikselit, joiden varaukset summataan, määräytyvät mitattavan kappaleen yksityiskohdan sijainnin ja koon perusteella, ja summattaviksi pikseleiksi valitaan oleellisesti joukko sellaisia pikseleitä, jotka vastaanottavat 5 säteilyä kappaleen samasta yksityiskohdasta.

Keksintö kohdistuu myös järjestelyyn kappaleen säteilyn mittaamiseksi, jossa järjestelyssä on CCD-rekisteri, johon kuuluu pikseliriveiksi ja -sarakkeiksi järjestetty varaus-kuoppien matriisi, ja jossa järjestelyssä on - siirtorekisteri varausten vastaanottamiseksi rinnakkaisrekisterin pikselisarakkeesta, 10 - lähtökuoppa siirtorekisteristä saatavien varausten vastaanottamiseksi, - välineet lähtökuopan varauksen mittaamiseksi ja - välineet varausten summaamiseksi ainakin kahdesta pikselistä, ja jolle järjestelylle on tunnusomaista, että siinä on edelleen välineet summattavien pik-selien määrittelemiseksi mitattavassa kappaleessa olevan yksityiskohdan sijainnin ja 15 ulottuvuuden perusteella ja valitsemaan summattaviksi pikseleiksi oleellisesti joukko sellaisia pikseleitä, jotka vastaanottavat säteilyä kappaleen samasta yksityiskohdasta.

Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisenunin viittaamalla oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista fotometristä mittausjärjestelyä, 20 kuvio 2 esittää tunnetun tekniikan mukaisen CCD-yksikön rekistereitä, : : kuvio 3 esittää kuoppalevyä, jossa on suuri lukumäärä kuoppia, kuvio 4 esittää kuvaa kuoppalevystä CCD:n pinnalla ja kuvio 5 esittää vuokaaviota keksinnön mukaisesta menetelmästä säteilymittaustiedon käsittelemiseksi.

; 25 Kuvioita 1—4 on selostettu edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä. Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin viittaamalla kuvioon 5.

Kuvio 5 esittää vuokaaviota eräästä keksinnön mukaisesta menetelmästä 500. Ensin CCD-yksikköä säteilytetään, 510. Seuraavassa vaiheessa 520 rinnakkaisrekisterin varauksia siirretään tahtiin yksi askel per pikseli. Näin ollen yksi rinnakkaisrekisterin sarake 30 siirretään siirtorekisteriin. Jos siirtorekisteriin siirretty pikselisarake ei ole peräisin näy-tekuva-alueelta 525, siirtorekisteri tyhjennetään, 526, minkä jälkeen vaihe 520 toistetaan. Kun näytekuvan pikselit siirretään siirtorekisteriin vaiheessa 520, niitä kertyy siirtorekisteriin, kunnes näytekuvan viimeinen pikseli saadaan siirtorekisteriin vaiheessa 530.

35 Kun näytekuvan viimeinen pikseli on siirretty siirtorekisteriin, siirtorekisteri luetaan. Näin ollen siirtorekisterin varaukset siirtyvät yhden askelen verran kohti lähtösol- 5 ΠΊ/yy mua 540. Jos varaus, joka siirtyy lähtösolmuun, ei vaiheessa 545 edusta näytekuvan dataa, lähtösolmu tyhjennetään, 546. Kun näytekuvaa edustavia varauksia siirretään lähtösolmuun vaiheessa 540, niitä kertyy lähtösolmuun, kunnes kaikki näytekuvan varaukset on saatu lähtösolmuun vaiheessa 550. Kun näytekuvan viimeiset varaukset 5 on siirretty lähtösolmuun, lähtösolmu luetaan vaiheessa 560. Siirtorekisterin ja läh-tösolmun "tyhjentäminen" voidaan suorittaa yksinkertaisesti siirtämällä varaukset pois varauskuopasta. On myös mahdollista, että sellainenkin varausdata, joka ei edusta näytekuvia, kootaan ja mitataan, mutta sitä ei käytetä näytteen säteilyintensi-teetin laskemiseen.

10 Jos siirtorekisterissä on yhä näytetietoa vaiheessa 570, vaiheet 540—560 toistetaan. Kun kaikki näytetieto on kerätty siirtorekisteristä, vaiheessa 580 tarkistetaan, onko kaikki näytetieto kerätty rinnakkaisrekisteristä. Jos rinnakkaisrekisterissä on edelleen dataa vaiheessa 580, vaiheet 520—570 toistetaan. Kun kaikki näytetieto on kerätty myös rinnakkaisrekisteristä, CCD-yksikkö voidaan altistaa uudelle mittauksel-15 le, mikäli se on tarpeen.

On syytä panna merkille, että vaikka binnausluku on edullisesti sama kuin näyte-kuoppakuvan pikselien lukumäärä vastaavassa suunnassa, voidaan käyttää myös muita, etenkin pienempiä binnauslukuja. Edelleen, rinnakkaisrekisterin rivein ja sarakkeiden binnauslukujen ei tarvitse välttämättä olla yhtä suuria. Kuoppalevyn kuo-20 pat ovat edullisesti suorakulmaisia. Yhdessä kuoppalevyssä voi olla myös erikokoisia kuoppia. Varausten kertymän maksimoimiseksi yhden reunan tulisi kuitenkin olla kaikissa kuopissa samankokoinen.

Nyt esillä olevan keksinnön mukaisessa järjestelyssä voidaan käyttää tavallista CCD-yksikköä. Siirtorekisterin ja lähtösolmun varauskapasiteetit täytyy kuitenkin 25 suunnitella näytekuopan koon mukaan, toisin sanoen kertyneiden pikselien maksimimäärän mukaan. Tapauksissa, joissa näytteet ovat pieniä eikä näytteen säteilyin-tensiteetti ole suuri, ei riittävän varauskapasiteetin saavuttaminen kuitenkaan ole ongelma. Toisaalta, kun mitataan suuria näytteitä, ei välttämättä ole tarpeen summata yhden näytteen kaikkien pikselien varauksia, vaan siinä tapauksessa pikselit voidaan 30 summata useassa erässä.

Lisäksi on syytä muistaa, että CCD-yksikön "siirtorekisteri" voi sijaita erillään rin-nakkaisrekisteristä, tai rinnakkaisrekisterin reunassa sijaitseva sarake voi myös toimia siirtorekisterinä, koska rinnakkaisrekisterin varauksia voidaan yleensä siirtää sekä vaaka- että pystysuunnassa. Näin ollen CCD-pikselimatriisi voidaan myös ja-35 kaa toimintalohkoihin siten, että useat pikselimatriisin sarakkeet toimivat luettavana 111299 6 sarjallisena siirtorekisterinä, jolloin kullakin siirtorekisterillä on erillinen lähtöva-rauskuoppa. Tämä parantaa lukuprosessin tehokkuutta.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etujen maksimoimiseksi näytekuoppien kuvamatriisi tulisi sijoittaa rinnan CCD-yksikön pikselimatriisin kanssa.

5 Yleensä järjestelmällä on tieto mittauksessa käytettävän kuoppalevyn kuoppien koosta ja sijainnista. On kuitenkin myös mahdollistaa ottaa mittausvälineillä alustava kuva näytekuopasta ja käyttää tätä kuvaa näytekuoppien sijainnin ja koon määrittämiseen myöhempiä mittauksia varten. Tällä tavoin voidaan käyttää useita erilaisia kuoppalevyjä, eikä tietoja kunkin kuoppalevyn tyypistä tarvitse syöttää manuaali-10 sesti.

Mittausprosessin ohjaus fotometrisessä laitteessa tapahtuu prosessointikapasiteetti-järjestelyn avulla, joka käsittää mikroprosessorin (tai useita) ja muistia muistipiirien muodossa. Tällaiset järjestelyt ovat sinänsä tunnettuja CCD-laitteiden ja vastaavien tekniikasta. Kun tunnetun tekniikan mukainen fotometrinen laite halutaan muuttaa 15 keksinnön mukaiseksi, laitteen muistivälineisiin on tallennettava koneellisesti luettavat ohjeet, joissa mikroprosessoria (tai useita) opastetaan suorittamaan yllä kuvatut toimenpiteet. Tällaisten ohjeiden laatiminen ja tallentaminen laitteen muistiin edustaa tunnettua tekniikkaa, jonka hallitseminen yhdistettynä siihen, mitä tässä selostuksessa on tuotu esiin, on alan ammattimiehelle itsestään selvää.

20 Edellä on kuvattu erästä keksinnön mukaisen ratkaisun suoritusmuotoa. Keksinnön periaatetta voidaan luonnollisesti muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa, esimerkiksi muuntelemalla keksinnön käytännön sovellutusten yksityiskohtia ja käyttökohteita.

Erityisesti on tähdennettävä, ettei keksintöä missään tapauksessa rajoitu pelkästään 25 näytteiden säteilyn mittaukseen, vaan sitä voidaan soveltaa myös moniin muihin tarkoituksiin. Keksintöä voidaan esimerkiksi käyttää missä tahansa CCD-kuvauslait-teessa, missä resoluutio- ja tarkkuusvaatimukset riippuvat sijainnista kuvan sisällä. Tällä tavoin voidaan tunnistaa kuvan kaikki mahdolliset yksityiskohdat, ja valitun yksityiskohdan intensititeetti-informaation tarkkuutta voidaan sitten parantaa luokit-30 telemalla pikselit tietyn kohdekuvasta valitun yksityiskohdan sisällä.

Fotometrisen näytemittauksen alalla nyt esillä oleva keksintö ei millään tavoin rajoitu pelkästään sovelluksiin, joissa käytetään näytteiden säteilytystä, vaan keksintöä voidaan myös käyttää esimerkiksi luminesenssiin perustuvissa mittauksissa.

Claims (13)

111299 7

1. Menetelmä säteilyn mittaamiseksi kappaleesta käyttäen CCD-rekisteriä, jossa on riveihin ja sarakkeisiin jäljestetty pikselimatriisi, ja jossa menetelmässä - säteily luo varauksia pikselien varauskuoppiin (510), 5. yhden pikselisarakkeen varaukset siirretään siirtorekisteriin (520), - siirtorekisterin varaukset siirretään lähtövarauskuoppaan (540), - lähtövarauskuopan varaus mitataan (560) ja - ainakin kahden pikselin varaukset summataan lähtövarauskuoppaan (520, 540), tunnettu siitä, että ne pikselit, joiden varaukset summataan, määräytyvät mitattavan 10 kappaleen yksityiskohdan sijainnin ja koon perusteella, ja summattaviksi pikseleiksi valitaan oleellisesti joukko sellaisia pikseleitä, jotka vastaanottavat säteilyä kappaleen samasta yksityiskohdasta (525, 530, 545 550).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että summataan kaikkien niiden pikselien varaukset, joihin säteily tulee olennaisesti samasta yksi- 15 tyiskohdasta (530, 550).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu yksityiskohta on kuoppalevyllä sijaitseva näyte tai kuoppa.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että huomiotta jätetään varauskuopat, joihin säteily tulee olennaisesti mitattavan kappaleen kahden 20 vierekkäisen näytekuopan väliseltä alueelta (526, 546).

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siirtorekisterin ja/tai lähtövarauskuopan varauskapasiteetti on suunniteltu mitattavan kappaleen mainitun yksityiskohdan maksimikoon perusteella.

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 25 että mitattavasta kappaleesta muodostetaan alustava kuva, ja tästä alustavasta kuvasta määritellään kappaleen yksityiskohdan mainittu sijainti ja/tai mainittu ulottuvuus.

7. Järjestely kappaleen säteilyn mittaamiseksi, johon järjestelyyn kuuluu CCD-rekisteri ja siinä varauskuoppien muodostama matriisi, joka on järjestetty pikseliri-veiksi ja -sarakkeiksi, ja jossa järjestelyssä on 30. siirtorekisteri rinnakkaisrekisterin yhden pikselisarakkeen varausten vastaanottami seksi, - lähtökuoppa siirtorekisterin varausten vastaanottamiseksi, - välineet lähtökuopan varauksen mittaamiseksi ja 111299 8 - välineet varausten summaamiseksi ainakin kahdesta pikselistä, tunnettu siitä, että järjestelyssä on lisäksi välineet summattavien pikselien määrittelemiseksi mitattavan kappaleen yksityiskohdan sijainnin ja ulottuvuuden mukaan ja valitsemaan summattaviksi pikseleiksi oleellisesti joukko sellaisia pikseleitä, jotka 5 vastaanottavat säteilyä kappaleen samasta yksityiskohdasta.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestelyssä on välineet kaikkien sellaisten pikselien summaamiseksi, joihin säteily tulee olennaisesti samasta yksityiskohdasta.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu 10 kappale on kuoppalevy ja mainittu yksityiskohta on kuoppalevyllä sijaitseva näyte tai kuoppa.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestelyssä on välineet, joiden avulla voidaan jättää huomiotta sellaisten varauskuoppien varaukset, joihin säteily tulee olennaisesti mitattavan kappaleen kahden vierekkäisen näyte- 15 kuopan väliseltä alueelta.

11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 7—10 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestelyssä on välineet alustavan kuvan muodostamiseksi mitattavasta kappaleesta ja välineet, joiden avulla mainitusta alustavasta kuvasta määritellään jonkin mitattavan kappaleen yksityiskohdan mainittu sijainti ja/tai ulottuvuus.

20 Patentkrav