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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Kompensation von Fluktuationen des von einer
Lichtquelle abgegebenen Lichtes. Weiterhin betrifft die Erfindung
einen Filmabtaster, der mit einer solchen Einrichtung ausgestattet
ist.
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Der Begriff "Fluktuation" wird im folgenden in dem Sinne gebraucht,
daß damit
Fluktuationen in der spektralen und räumlichen Verteilung sowie in
der integrierten Intensität
des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes gemeint sind. Fluktuationen
in diesem allgemeinen Sinn treten zum Beispiel bei Gasentladungslampen
auf. Bei diesen Lampen wird das Licht von einem Plasma abgegeben,
das zwischen der Anode und Kathode der Entladungslampe brennt. Weder
die physikalischen Eigenschaften des Plasmas – wie z.B. die Temperatur – noch dessen
räumliche Verteilung
sind während
des Betriebs der Gasentladungslampe vollkommen stabil. Aus diesen
Gründen treten
bei Gasentladungslampen die erwähnten
Fluktuationen auf, die sich in bestimmten Anwendungsfällen als
unerwünscht
erweisen können,
beispielsweise wenn die Gasentladungslampe als Lichtquelle in der
Beleuchtungseinrichtung in einem Filmabtaster dient. Bei der Abtastung
von Filmen führen
Fluktuationen in der Beleuchtung des abgetasteten Films zu unerwünschten
Effekten in den erzeugten elektrischen Bildsignalen.
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Aus der
US 6,219,140 B1 ist eine
Einrichtung zur Kompensation von spektralen Fluktuationen einer
Lichtquelle bekannt. Die Einrichtung weist insbesondere Photodioden
auf, die den roten, grünen
und blauen Spektralbereich einer Lichtquelle erfassen. Die von einem
Photodetektor erfassten Bildsignale werden entsprechend der von
den Photodioden ermittelten spektralen Intensitätsverteilung korrigiert, um
Schwankungen in den Bildsignalen zu kompensieren, die von spektralen
Fluktuationen der Beleuchtung verursacht sind.
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Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zu schaffen, die es
gestattet, Schwankungen in einem Bildsignal zu kompensieren, die
von Fluktuationen der Beleuchtung verursacht sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung nach
Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Einrichtung
zur Kompensation von Fluktuationen des von einer Lichtquelle abgegebenen
Lichtes, das sich entlang eines Lichtpfades ausbreitet, weist einen
ersten lichtempfindlichen Sensor auf. Der Sensor erfasst ortsaufgelöst die Intensität des Lichtes
an einer ersten Stelle entlang des Lichtpfades und erzeugt elektrische
Bildsignale. Des weiteren ist ein zweiter lichtempfindliche Sensor
vorgesehen, der die Intensität des
Lichtes an einer zweiten Stelle entlang des Lichtpfades erfasst
und elektrische Ausgangssignale erzeugt. Eine Besonderheit der Erfindung
besteht nun darin, daß auch
der zweite Sensor die Lichtintensität ortsaufgelöst erfasst.
Eine Auswerteschaltung, welche sowohl die Ausgangssignale des ersten
Sensors als auch die Ausgangssignale des zweiten Sensors als Eingangssignale
empfängt,
korrigiert die von dem ersten Sensor stammenden Eingangssignale
abhängig
von dem Eingangssignal, das von dem zweiten Sensor stammt. Die Korrektur
erfolgt in der Weise, daß die
Ausgangssignale der Auswerteschaltung im wesentlichen unabhängig von
Fluktuationen der Lichtintensität
sind. Auf diese Weise ist es möglich, den
Einfluß von
Beleuchtungsschwankungen auf die von dem ersten Sensor erzeugten
Bildsignale zu vermindern.
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Als zweiter Sensor kann ein Zeilensensor vorgesehen
sein. Da die Schwankungen der Beleuchtungsintensität nur lokal
erfolgen, kann es genügen,
wenn der zweite Sensor eine geringere Ortsauflösung aufweist als der erste
Sensor. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der zweite Sensor sogar nur durch zwei voneinander beabstandete
Photodetektoren gebildet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
ist der zweite Sensor dazu geeignet, die spektrale Verteilung des
Lichtes zu erfassen. In einer derartigen Konfiguration der Erfindung
ist es möglich,
auch spektrale Fluktuationen der Beleuchtung zu kompensieren. Wenn
der zweite Sensor durch zwei Photodetektoren gebildet ist, dann
ist es möglich,
daß einer
oder beide der Detektoren spektral empfindlich ist bzw. sind.
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Die Photodetektoren des zweiten Sensors können in
einem Integrationszylinder angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, daß einer
der Photodetektoren mit einem optischen Kopplungselement in den
Lichtpfad der Beleuchtungseinrichtung eingekoppelt ist. Die unterschiedlichen
Ausführungsbeispiele
gestatten es, die erfindungsgemäße Einrichtung
an die unterschiedlichsten Anwendungsfälle anzupassen.
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Eine zweite Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, um Fluktuationen in der
Beleuchtung zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach
Anspruch 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Korrektur von Fluktuationen des von einer Lichtquelle abgegebenen
Lichtes umfasst die folgenden Schritte:
- a)
Ortsaufgelöstes
Ermitteln der Beleuchtungsstärke,
- b) Berechnen der Abweichung der Beleuchtungsstärke von
einem nominellen Sollwert und
- c) Korrigieren der von einem Bildsensor abgegebenen Bildsignale,
um die Abweichung der Beleuchtungsstärke von deren Sollwert zu kompensieren.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht unter anderem darin, daß damit
auch der Einfluß von örtlichen
Fluktuationen der Beleuchtungsstärke
kompensierbar sind, die sich weder in einer integralen noch in einer
spektralen Fluktuation der Beleuchtungsstärke niederschlagen.
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Gemäß einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es auch vorgesehen sein, daß ein Mittelwert der Beleuchtungsstärke ermittelt wird.
Diese Abwandlung gestattet es, auch integrale Fluktuationen der
Beleuchtungsstärke
zu berücksichtigen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens
wird der Mittelwert der Beleuchtungsstärke von den ortsaufgelöst ermittelten
Einzelwerten abgezogen.
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In einer weiteren Abwandlung des
Verfahrens wird zwischen den Einzelwerten der Beleuchtungsstärke interpoliert.
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Schließlich kann es vorgesehen sein,
daß die
Bildsignale mit einem multiplikativen Korrekturfaktor korrigiert
werden, der unterschiedliche Beleuchtungsstärken kompensiert.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, einen Filmabtaster zu schaffen, der mit einer
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ausgerüstet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Filmabtaster nach Anspruch 13 gelöst.
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Schließlich ist es eine letzte Aufgabe
der Erfindung, einen Filmabtaster zu schaffen, der zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet
ist. Diese Aufgabe wird durch einen Filmabtaster nach Anspruch 14
gelöst.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung dargestellt,
wobei gleiche oder ähnliche
Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
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1 eine
Beleuchtungseinrichtung wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
ist;
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2a ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
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2b ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
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3 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung,
wobei zusätzlich
die Komponenten zur Kompensation von Fluktuationen der Beleuchtungsstärken schematisch dargestellt
sind;
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4a bis 4d Messwerte, die in der
in 3 gezeigten Schaltung
auftreten;
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5a ein
drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
und
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5b ein
viertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
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In 1 ist
schematisch die Beleuchtungseinrichtung eines Filmabtasters dargestellt,
wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Als Lichtquelle dient
eine Gasentladungslampe 11. Zwischen einer Anode 12 und
einer Kathode 13 brennt ein Plasma. Das von dem Plasma
emittierte Licht wird von einem Parabolspiegel 14 reflektiert
und verlässt
die Lampe 11 als paralleles Strahlenbündel 15. Eine stark
vereinfacht durch zwei konvexe Linsen 16, 17 veranschaulichte
Abbildungseinrichtung bildet das Strahlenbündel auf eine Stirnfläche eines
als Integrationsstab wirkenden Glasstabes 18 ab. Das Licht
verlässt
den Integrationsstab 18 und tritt in einen Integrationszylinder 19 ein,
wo es noch weiter integriert, d.h. möglichst isotrop gemacht wird.
Zur besseren Darstellung der optischen Abbildung ist in 1 eine optische Achse 20 eingezeichnet.
Das Licht verlässt den
Integrationszylinder 19 durch einen Spalt 21, um einen
Film 22 zu beleuchten, der von einer in 1 nicht dargestellten Filmtransporteinrichtung
an dem Spalt 21 vorbeitransportiert wird. Eine durch eine konvexe
Linse 23 veranschaulichte Abbildungsoptik bildet den Film
auf einen Zeilensensor 24 ab. Für jede der drei Grundfarben
Rot, Grün
und Blau existiert ein Strahlengang durch die Abbildungsoptik zu einem
zugeordneten Sensor. Der Übersichtlichkeit halber
sind in 1 jedoch nur
der Strahlengang und der Sensor für die Farbe Blau gezeigt. Je
nach Funktionsweise und Aufbau werden einige Elemente der Abbildungsoptik
nicht von allen Strahlengängen durchlaufen.
Die Abbildungsoptik als solche ist im Stand der Technik bekannt
und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die Ausgangssignale aller Zeilensensoren werden
einer Signalverarbeitungseinheit 26 zugeführt, um
daraus Videosignale gemäß unterschiedlicher
wählbarer
Formate zu erzeugen. Schließlich
ist noch ein weiterer Sensor 27 vorgesehen, der ein Ausgangssignal
abgibt, welches die in dem Integrationszylinder 19 herrschende
Lichtintensität
repräsentiert.
Das Ausgangssignal des Sensors 27 bildet ein weiteres Eingangssignal
für die
Signalverarbeitungseinheit 26. Die Signalverarbeitungseinheit
benutzt das letztgenannte Signal, um die Videoausgangssignale in
der Weise zu korrigieren, daß durch
Fluktuationen der Beleuchtungsintensität verursachte Bildsignalschwankungen
kompensiert sind. Konkret wird das Ausgangssignal der Zeilensensoren
mit einem Korrekturfaktor multipliziert, weil die Beleuchtungsintensität als Faktor
in die Amplitude der Ausgangssignale der Zeilensensoren eingeht.
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Zusätzlich kann mit dem Ausgangssignal des
Sensors 27 über
einen entsprechenden Regelkreis der Lampenstrom und damit der Lichtfluß der Gasentladungslampe 11 geregelt
werden. Diese zusätzliche
Regelung ist in 1 nicht
dargestellt.
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In der Praxis hat es sich gezeigt,
daß sich das
leuchtende Plasma zwischen der Anode 12 und der Kathode 13 hin
und her bewegt, mit der Folge, daß die räumliche Verteilung der Leuchtintensität ebenfalls
nicht stabil ist. Die Folge von sochen Plasmainstabilitäten ist,
daß sich
die Beleuchtungsintensität
entlang der Zeilensensoren ändert.
Das ist auch dann der Fall, wenn die integrierte Gesamtintensität und deren
spektrale Verteilung unverändert
bleiben. Das bedeutet, daß es
mit Sensoren, die eben diese Größen überwachen
und daraus Steuersignale ableiten, nicht möglich ist, die Schwankungen
der Ausgangssignale der Zeilensensoren zu kompensieren, welche von
Bewegungen des Plasma verursacht werden. Um derartige Instabilitäten zu kompensieren,
ist es notwendig, eine zweite Detektoranordnung vorzusehen, die
dazu geeignet ist, die räumliche
Verteilung der Beleuchtungsintensität zu detektieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
mit dem dieses Ziel erreichbar ist, ist in 2a dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche
Elemente, die bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben sind, gleiche Bezugszeichen
tragen. Der Übersichtlichkeit halber
ist die Beleuchtungseinrichtung nur teilweise dargestellt. Der zu
beleuchtende Film und die Abbildungsoptik, die den Film auf die
Zeilensensoren abbildet sind weggelassen, weil dieser Teil der Einrichtung
im wesentlichen dem in 1 gezeigten
Stand der Technik entspricht.
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Ein wichtiger Unterschied des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels
der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik ist ein zweiter in dem Integrationszylinder 19 angeordneter
Sensor 28. Der Sensor 28 liegt mit dem Sensor 27 auf
einer gedachten Linie, die parallel zu dem Spalt 21 des
Integrationszylinders 19 verläuft. Die Sensoren 27 und 28 sind
so positioniert, daß sie
ungefähr
am Anfang bzw. am Ende einer abzutastenden Bildzeile liegen. Die von
dem Sensor 27 bzw. 28 registrierte Beleuchtungsintensität entspricht
ungefähr
der Beleuchtungsintensität
am Anfang bzw. am Ende der abzutastenden Bildzeile. Werden von den
Sensoren unterschiedliche Beleuchtungsintensitäten erfasst, so wird das Bildsignal
durch lineare Interpolation zwischen den Extrempunkten korrigiert.
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In Fällen, wo die Messpunkte der
Sensoren 27, 28 nicht an dem Beginn bzw. Ende
einer abgetasteten Bildzeile liegen, werden die gemessenen Beleuchtungsintensitäten bis
zu dem Beginn bzw. Ende der Bildzeile extrapoliert.
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Um die Genauigkeit der Korrektur
zu erhöhen,
ist es möglich,
die Anzahl der im Integrationszylinder 19 angeordneten
Sensoren zu erhöhen,
um mehr Stützpunkte
für eine
Korrekturberechnung zu erhalten. Besonders zweckmäßig ist
es hierfür
einen Zeilensensor 29 vorzusehen, wie es in 2b gezeigt ist. Der Zeilensensor 29 weist
eine Anzahl von Teilsensoren auf. Da sich die Beleuchtungsintensität als Funktion
des Ortes nur relativ langsam ändert
im Vergleich zu Änderungen
des Bildinhaltes, ist es nicht erforderlich, daß der Sensor 29 dieselbe
Ortsauflösung
hat wie der Zeilensensor 24. Gleichwohl ist es auch möglich, daß die Zeilensensoren 24 und 29 dieselbe
Ortsauflösung
haben.
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Die Schritte, die zur Korrektur der
Bildsignale erforderlich sind, um Fluktuationen der Beleuchtungsintensität zu kompensieren,
werden im folgenden anhand der 3 näher erläutert.
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Die von einer Stromversorgung 31 gespeiste Lampe 11 beleuchtet
einen Film 22 durch den Spalt 21 des Integrationszylinders 19.
Die optischen Signale werden für
jede Grundfarbe Rot, Grün
und Blau von jeweils einem Zeilensensor 24 in elektrische
Signale umgewandelt. Der Zeilensensor kann als CCD Sensor ("charge coupled device") ausgebildet sein. Die
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Sensortechnologie beschränkt. Grundsätzlich kann
jede andere geeignete Sensortechnologie eingesetzt werden. Der besseren
Verständlichkeit
halber wird im folgenden nur auf einen Zeilensensor für eine Grundfarbe
Bezug genommen. Tatsächlich
werden die im folgenden beschriebenen Operationen für alle drei
Grundfarben ausgeführt.
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Die von dem Sensor 29 gemessene
Intensitätsverteilung
der Beleuchtung wird von einem A/D Wandler 32 in digitale
Werte umgewandelt. Indem die einzelnen Teilsensoren des Sensors 29 zeitlich
nacheinander angesprochen werden, ist es möglich, jeden digitalen Wert
einem bestimmten Ort entlang einer abgetasteten Zeile L zuzuordnen.
Auf diese Weise entsteht eine ortsaufgelöste Intensitätsverteilung der
Beleuchtung wie sie in 4a dargestellt
ist. Auf der Ordinate ist die Beleuchtungsintensität in willkürlichen
Einheiten aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Lage jedes Amplitudenwertes
in Bezug auf eine abzutastende Zeile L aufgetragen.
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In der Schaltung aus 3 werden die Ausgangswerte des A/D Wandlers
32 zum einen einer Mittelwertstufe 33 zugeführt, die
den Mittelwert aus den Messwerten aller Teilsensoren des Sensors 29 berechnet
und an eine Subtrahierstufe 34 abgibt. Der Mittelwert ist
in einem Diagramm in 4b als
horizontale Linie 36 dargestellt. Zum anderen werden die Ausgangswerte
des A/D-Wandlers 32 auch der Subtrahierstufe 34 zugeführt. In
der Subtrahierstufe 34 wird der Mittelwert von den Einzelwerten
des A/D Wandlers 32 abgezogen, woraus sich eine in der
Amplitude reduzierte Verteilung gemäß 4c ergibt.
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Wieder mit Bezug auf 3 werden in einer Interpolationsstufe 37 zwischen
den einzelnen Werten der in 4c dargestellten
Verteilung interpolierte Zwischenwerte berechnet, so daß sich eine
quasi kontinuierliche Intensitätsverteilung
ergibt, die in 4d veranschaulicht
ist. Die Intensitätsverteilung in 4d gibt für jeden
Pixel des Zeilensensors 24 eine bestimmte Intensität an. Jeder
auf diese Weise für
einen bestimmten Pixel ermittelte Beleuchtungswert wird mit umgekehrten
Vorzeichen zu einem Wert addiert, der einem nominellen 100% Wert
der Beleuchtung entspricht. Auf diese Weise wird die Abweichung
der tatsächlichen
Beleuchtungsstärke
von einer nominellen Beleuchtungsstärke ermittelt. Die Rechenschritte
erfolgen in einer Bearbeitungsstufe 38, deren Ausgangssignal
als Korrekturfaktor pixelweise mit den Bildsignalen in einem Multiplizierer 39 multiplikativ
verknüpft
wird. Die Ausgangssignale des Multiplizierers 39 sind Bildsignale,
die gegenüber Fluktuationen
der Beleuchtungsstärke
kompensiert sind. Eine kleinere Bildsignalamplitude, die durch eine
geringere Beleuchtungsintensität
verursacht ist, wird auf diese Weise kompensiert. Gleichermaßen wird
eine größere Bildsignalamplitude,
die durch eine höhere
Beleuchtungsintensität
versucht ist, in entsprechender Weise kompensiert. Für bestimmte
Anwendungen kann es zweckmäßig sein,
zwischen der Subtrahierstufe 34 und der Interpolationsstufe 37 zusätzlich einen
Tiefpassfilter vorzusehen, der in 3 nicht
dargestellt ist.
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In 5a ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, das in Bezug auf die Sensoren zur Erfassung
der Beleuchtungsintensität
von dem in 2a dargestellten
abweicht. Neben einem in dem Integrationszylinder 19 angeordneten
Sensor 27 ist in das auf den Integrationsstab 18 abgebildete Lichtbündel mit
einem optischen Kopplungselement 51 ein Sensor 52 eingekoppelt.
Der Teil des Lichtbündels,
der von dem Sensor 52 erfaßt wird, fällt auf eine andere Stelle
der abgetasteten Zeile als der Teil der von dem Sensor 27 erfaßt wird.
Auf diese Weise ist es in ganz entsprechender Weise wie bei dem
in 2a dargestellten
Ausführungsbeispiel
möglich, die
Intensitäten
für jeden
Pixel des Zeilensensors 24 auf Grundlage der beiden Messwerte
zu interpolieren bzw. im Bedarfsfall zu extrapolieren.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in 5b dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 5a gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist mit noch einem weiteren optischen Kopplungselement 53 ein weiterer
Sensor 54 an das Lichtbündel
angekoppelt. Der jeweils von den Sensoren 52 und 54 erfaßte Teil des
Lichtbündels
wird auf unterschiedliche Stellen der abgetasteten Bildzeile abgebildet,
so daß die
im Zusammenhang mit 5a beschriebenen
Interpolation bzw. Extrapolation zur pixelweisen Bestimmung der
Beleuchtungsintensität
ausführbar
ist. Beide Sensoren 52, 54 sind in einer Abwandlung
der in 5a und 5b dargestellten Ausführungsbeispiele der
Erfindung als sogenannte RGB-Sensoren
ausgebildet, die auch die spektrale Verteilung der gemessenen Lichtintensität erfassen.
Hierfür
geeignete Sensoren sind MCS 3AT/BT von Laser Components (Olchingen,
Deutschland) oder S 7505 von Hamamatsu. Solche RGB-Sensoren können auch
bei einer Abwandlung des in 2a gezeigten
Ausführungsbeispieles
der Erfindung als Sensoren 27, 28 zum Einsatz
kommen.
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In der Beschreibung wurde zwar stets
auf Zeilensensoren zur Ermittlung der Bilddaten Bezug genommen,
doch ist die Erfindung auch auf Flächensensoren anwendbar, sofern
genügend
Stützpunkte der
Beleuchtungsintensität
ermittelt werden, welche die Berechnung der Beleuchtungsintensität für die gesamte
Sensorfläche
gestatten.
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Obschon in der Beschreibung immer
wieder von linearer Interpolation oder Extrapolation die Rede ist,
sind auch andere mathematische Verfahren grundsätzlich geeignet, um die Erfindung
auszuführen.
Der Fachmann wird seine Wahl eines bestimmten Verfahrens von dem
konkreten Anwendungsfall abhängig
machen.