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Die
Erfindung betrifft die Verarbeitung von Signalen, die von einer
Reihe von photoleitenden Detektoren erzeugt wurden. Die Erfindung
ist insbesondere anwendbar auf dem Gebiet der FT-IR-Mikroskopie.
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FT-IR-Mikroskope
werden zum Analysieren von kleinen Materialproben benutzt. Das Mikroskop besitzt
eine Sichtkonfiguration und eine Messkonfiguration. In beiden Konfigurationen
kann das Mikroskop entweder in einem Übertragungsmodus oder einem
Reflexionsmodus benutzt werden, abhängig von der Natur der Probe.
Typischerweise wird solch ein Mikroskop in Verbindung mit einem
IR-Spektralfotometer benutzt. Ein Mikroskop dieses Typs beinhaltet im
Allgemeinen eine Quelle von sichtbarer Strahlung und kann analysierende
Infrarotstrahlung von einer Quelle im Spektralfotometer empfangen.
Ein typisches Mikroskop umfasst eine Probenstufe zum Halten einer
Probe, die untersucht werden soll, und optische Elemente zum Führen einer
Strahlung von einer oder anderen Strahlungsquellen zur Probenstufe. Diese
Elemente können
einen ebenen Spiegel, eine Toroid-Koppeloptik und eine Cassegrain-Spiegelanordnung,
die als Kondenser arbeitet, beinhalten. Ein Mikroskop umfasst auch
eine Cassegrain-Spiegelanordnung, welche die Probe bei einer gegebenen
Vergrößerung auf
eine Zwischenbild-Ebene abbildet, von wo aus die Strahlung auf einen
Infrarot-Detektor gerichtet ist. Das Mikroskop beinhaltet auch ein
optisches Mikroskop, welches es ermöglicht, eine Bildprobe auf
der Stufe optisch mittels sichtbarer Strahlung zu betrachten, und
es dadurch ermöglicht,
Gebiete von Interesse zu identifizieren. Das Mikroskop kann auch
eine Videokamera beinhalten, die in Verbindung mit dem optischen
Mikroskop benutzt werden kann, um eine Abbildung der Probe zum Darstellen
mit Anzeigemitteln eines Computers zu erzeugen, der zum Steuern
des Mikroskops benutzt wird.
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Moderne
Mikroskope dieses Typs besitzen eine Stufe, die Computer-gesteuert
bewegt werden kann, um es zu erlauben, mehrere Gebiete von Interesse
zu identifizieren, wobei ihre Koordinaten gespeichert und Daten
fortlaufend automatisch auf der Basis dieser gespeicherten Daten
gesammelt werden. Solche Mikroskope beinhalten auch eine variable
Apertur, die von einem Computer gesteuert werden kann und auf der
Zwischenbild-Ebene angeordnet ist, um einen Abschnitt der Probe
zu maskieren. Dies in Kombination mit einem übergroßen Einzeldetektorelement ermöglicht die
Messung des Infrarotspektrums von ausgewählten Bereichen der Probe.
Beim schrittweisen Positionieren der Stufe und Wiederholen der Messungen
kann das System langsam ein digitales Bild der Probe Pixel für Pixel
aufbauen. Eine Anordnung dieses Typs ist in
EP-A-0731371 beschrieben.
Typischerweise benutzen solche Mikroskope ein mit flüssigem Nitrogen
gekühltes
photoleitendes Quecksilber-Kadmium-Tellurid MCT-Element als Infrarotdetektor.
Ein Mikroskop mit einem einzelnen Detektor weist relativ lange Messzeiten
auf, und es kann in einer Größenordnung
von 10 Stunden dauern, ein 128×128
Pixel-Bild zu erfassen.
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Um
die Messzeiten zu verringern, wurden Mikroskope entwickelt, die
große
Detektorarrays anstatt einzelner Detektorelemente beinhalten. Eine
bekannte Anordnung benutzte in einem integrierten Array von 64×64 mit
flüssigem
Nitrogen gekühlte
photovoltaische MCT-Detektoren,
wovon jeder eine Fläche
von 60 μ2 besitzt. Diese Anordnungen haben sich jedoch
als sehr teuer herausgestellt, teilweise aufgrund der erhöhten Kosten
des Detektors selbst und teilweise aufgrund der Tatsache, dass das
langsame Auslesen des gemultiplexten Detektors die Benutzung einer
aufwendigen Spektrometertechnologie, als Step-Scan bezeichnet, erfordert.
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EP-A-0655634 beschreibt
ein Infrarot-Mikroskop mit einem photoleitfähigen Array und einem Prozessor
zum Bearbeiten der Ausgaben des Arrays. Dieses Dokument befasst
sich nicht mit dem Problem des Übersprechens.
EP-A-0261654 und
US-A-6034367 beschreiben
beide die Verarbeitung der Ausgaben eines Arrays von Photodetektoren.
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Wir
haben in der
europäischen Patentanmeldung
Nummer 00307372.3 vorgeschlagen, ein relativ kleines Detektorarray
zu benutzen, dessen Anzahl von Ausgängen klein genug ist, sodass
sie ohne Bedarf für
ein komplexes Multiplexen von den Ausgängen bearbeitet werden können. Typischerweise
besitzt dieses Detektorarray 16 Detektorelemente.
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Die
vorliegende Erfindungen befasst sich mit einer Schaltung, die benutzt
werden kann, um die Ausgaben von solch einem Array zu verarbeiten.
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Gemäß der vorliegende
Erfindung ist eine Schaltung zur Verarbeitung der Ausgaben eines
Arrays aus photoleitfähigen
Detektoren vorgesehen, welche eine Vielzahl von Verstärkungsmitteln
zum Verstärken
der Ausgaben der Detektoren, analog-zu-digital-Umwandlungsmittel zur Digitalisierung der
verstärkten
Ausgaben und Verarbeitungsmittel zur Verarbeitung des digitalisierten
Signals aufweist, wobei die Verarbeitungsmittel vorgesehen sind,
um eine Linearitätskorrektur
auf die digitalen Signale anzuwenden und jedes Verstärkungsmittel
einen Vorverstärker
beinhaltet, der vorgesehen ist, um mit jedem photoleitfähigen Detektor
verbunden zu sein, wobei bei Gebrauch die Vorverstärkerausgaben summiert
und in eine positive Rückkopplungsschleife geführt werden,
um Übersprechen
zu minimieren.
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Jeder
Detektor kann in einem Konstant-Spannungs-Modus betrieben werden.
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Die
analog-zu-digital-Umwandlungsmittel können vorgesehen sein, um durch Überabtasten
der verstärkten
Ausgaben zu arbeiten.
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Die
analog-zu-digital-Umwandlungsmittel können vorgesehen sein, um optische
Gangunterschiedsintervalle entsprechend einem halben Laserinterferenzstreifen
abzutasten.
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Die
Verarbeitungsmittel können
vorgesehen sein, um eine Linearitätskorrektur gemäß dem folgenden
Algorithmus anzuwenden: y' = y/(1 – αy)wobei y die Ausgabe des
analog-zu-digital-Umwandlungsmittels, y' die korrigierte Ausgabe, α ein Parameter
ist.
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Parameter α kann eine
Konstante sein, oder es kann eine Funktion einer auf die Detektoren
einfallenden Energie sein. Verschiedene Elemente in dem Array können verschiedene
Werte des Parameters α erfordern.
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Die
Erfindung wird nun rein beispielhaft beschrieben, mit besonderen
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt:
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1 ist
eine seitliche schematische Ansicht eines FT-IR-Mikroskops, mit
welchem die vorliegende Erfindung benutzt werden kann.
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2 ist
eine schematische Darstellung der Struktur des Detektors, der im
Mikroskop von 1 benutzt wird.
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer Schaltung, die zum Verarbeiten
der Ausgaben des Detektorarrays, das in 2 gezeigt
ist, benutzt werden kann, und
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4 ist
ein Flussdiagramm, das die Software-Funktionen darstellt, die im
digitalen Signalprozessor von 3 implementiert
sind.
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Bezugnehmend
auf 1 sind dort die prinzipiellen Elemente eines FT-IR-Mikroskops
gezeigt, mit welchem die vorliegende Erfindung genutzt werden kann.
Dieses Mikroskop beinhaltet ein optisches Mikroskop (10),
welches benutzt werden kann, um eine Probe auf einer Probenstufe
(12) durch einen dichroitischen Spiegel (14),
eine Fernblende (16) und eine Objektiv-Cassegrain-Spiegelanordnung
(18) zu betrachten. Das optische Mikroskop kann eine Videokamera
(11) beinhalten, welche an einen Computer gekoppelt ist,
der das Mikroskop steuert. Die Videokamera (11) kann benutzt
werden, um auf der Anzeigeeinrichtung des Computers ein Videobild
einer zu untersuchenden Probe zu erzeugen. Das Mikroskop kann auch
eine Kondenser-Cassegrain-Spiegelanordnung (20), einen
kleineren Spiegel (22) und einen Toroid-Reflektor (24)
beinhalten. Das Mikroskop kann Strahlung von einer Infrarotstrahlungsquelle (nicht
dargestellt) empfangen, die in einem verbundenen Spektrophotometer
angeordnet sein kann. Der einfallende Infrarotstrahl (26)
ist mittels eines flachen dichroitischen Spiegels (28)
in Richtung zum Toroid-Reflektor (24) gerichtet. Das Mikroskop
beinhaltet eine Quelle von sichtbarer Strahlung (nicht dargestellt),
die einen Strahl (30) von sichtbarer Strahlung entlang
eines Pfads erzeugen kann, der sich durch den flachen Spiegel (28)
erstreckt. Die sichtbare Strahlungsquelle kann an einer geeigneten
Stelle im Mikroskop montiert sein.
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Ein
Detektor von Infrarotstrahlung wie ein MCT-Detektor (32)
ist lateral vom dichroitischen Spiegel (14) angeordnet
und kann Infrarotstrahlung empfangen, die vom Spiegel über eine
Detektor-Cassegrain-Spiegelanordnung (34) reflektiert wurde.
Die Art und Weise, in der ein Mikroskop dieser generellen Form betrieben
wird, wird für
diejenigen offensichtlich werden, die Fachleute auf diesem Gebiet
sind, und eine Beschreibung kann zum Beispiel in einem Artikel von
D.W. Schiering, E.G. Young und T.P. Byron mit dem Titel „An FTIR
microscope", veröffentlicht
in American Laborstory, November 1990, gefunden werden.
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In
Mikroskopen des vorliegenden Typs ist die Stufe (
12) gewöhnlich unter
Kontrolle eines Computers in wenigstens einer horizontalen Ebene
bewegbar, so dass Bereiche von Interesse einer Probe, die auf der
Stufe (
12) platziert ist, identifiziert werden können, durch
Benutzung eines Videobilds, das von der Videokamera (
11)
erzeugt wurde, und Daten, die sich auf diejenigen Orte beziehen,
werden im Computer gespeichert. Der Computer steuert dann später eine
Bewegung der Stufe automatisch, um Messungen von den identifizierten
Bereichen der Probe zu erhalten. Eine detaillierte Beschreibung
eines Mikroskops, welches diese Möglichkeit beinhaltet, kann
in
EP-A-0731371 gefunden
werden.
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Nun
bezugnehmend auf 2 der Zeichnungen ist dort schematisch
eine bevorzugte Form einer Detektor-Anordnung zur Benutzung als
der Detektor (32) in der Anordnung von 1 gezeigt.
Die Detektor-Anordnung umfasst im Wesentlichen zwei Teile, ein erstes
davon ist ein einzelnes Detektorelement (80) des Typs,
der herkömmlicherweise
benutzt wurde. Das zweite Teil weist ein kleines Detektorarray auf,
das allgemein bei (85) gezeigt ist. Das Array weist 16
Detektorelemente (86) auf, die in zwei Reihen (88 und 89)
angeordnet sind. Jedes Detektorelement (86) besitzt einen
rechteckigen aktiven Bereich (90), der ansprechend auf
darauf einfallende Infrarotstrahlung ist.
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Jeder
der optisch aktiven Bereiche (90) besitzt eine Ausgangsleitung
(nicht dargestellt), die sich zur Verarbeitungsschaltung zum Bearbeiten
elektrische Signale erstreckt, die von den Detektorelementen (86)
erzeugt werden, wenn Infrarotstrahlung darauf fällt. Mit der Anordnung, die
in 2 gezeigt ist, müssen die entlang dieser Leitungen übertragenen Signale
nicht gemultiplext werden, sodass jedes Detektorelement (86)
seine eigene verbundene Detektionsschaltung besitzt. Die Detektorelemente
können sich
eine gemeinsame elektrische Verbindung teilen.
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Die
Anordnung, die in 2 der Zeichnung gezeigt ist,
benutzt 16 Detektorelemente, das heißt 16 Pixel. Es wird verstanden
werden, dass andere Mengen von Detektorelementen benutzt werden
können,
aber 16 wurde ausgewählt,
da es eine Anzahl ist, die ökonomisch
erreicht werden kann, ohne ein Multiplexing vorsehen zu müssen. Es
ist ins Auge gefasst, dass ein Bereich von drei bis 100 Detektorelementen
(86) in einem kleinen Array benutzt werden könnte.
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Es
wird auch verstanden werden, dass verschiedene alternative Konfigurationen
von Detektorelementen (86) benutzt werden könnten und
nicht nur die eine in 2 gezeigte.
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Eine
Schaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die zum Verarbeiten der Ausgabesignale
der Detektorelemente (86) benutzt werden kann, ist in 3 der
Zeichnungen gezeigt. Wie aus dieser Figur erkannt werden kann, ist
jedes Detektorelement mit einem Eingang eines Vorverstärkers (101)
verbunden. Die Detektoren besitzen einen gemeinsamen Führungswiderstand,
von dem ein Teil (102) intern in einem Dewar-Gefäß (105)
angeordnet ist, das die Detektoren enthält, und von dem ein Teil (103)
extern angeordnet ist. Die Ausgaben der Vorverstärker werden an einer Summationsstufe
(104) summiert und sehen eine positive Rückkopplungsschleife
zum anderen Eingangsanschluss jedes Vorverstärkers vor.
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Die
Ausgaben der Vorverstärker
(101) werden durch eine Gleichstrom-Sperrstufe (106)
an eine Verstärkerstufe
mit variabler Verstärkung
(107) geführt.
Die Ausgaben der Verstärker
mit variabler Verstärkung
werden über
einen Tiefpassfilter (108) an analog-zu-digital Umwandler
(ADUs) (109) geführt, und
die Ausgaben der analog-zu-digital Umwandler (109) werden
von einem digitalen Signalprozessor (110) verarbeitet.
Die Schaltung kann ohne die Gleichstrom-Sperrstufen (106)
betrieben werden, aber der Dynamikbereich des Signals bei den ADUs (109)
kann wesentlich erhöht
werden.
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In
den Anordnungen, die in 3 gezeigt sind, arbeitet jeder
Detektor (86) in einem Konstant-Spannung-Modus in Verbindung
mit seinem linearen Vorverstärker
(101). Dieses Verfahren wird allgemein benutzt, da es linearer
ist als den Detektor in einem Konstant-Strom-Modus zu betreiben. Jedoch besteht
eine Konsequenz des Betreibens in dem Konstant-Spannungs-Modus darin, dass Übersprechen
zwischen den Detektorelementen auftreten kann, infolge der Effekte
des gemeinsamen Führungswiderstands.
In der in 3 gezeigten Schaltung wird Übersprechen
durch Summieren der Signale von den 16 Vorverstärkern an der Summationsstufe
(104) und Zurückführen eines
Teils dieses Signals an die Biasspannung als positive Rückkopplung (112)
verringert. Dies kompensiert den Signal-abhängigen Spannungsabfall über den
gemeinsamen Führungswiderstand
(102, 103). Es wird bemerkt werden, dass in der
Schaltung von 3 eine gemeinsame Bias-Spannung
(114) und ein einzelner positiver Rückkopplungsterm für alle 16
Detektorelemente besteht, und daher kann diese Anordnung eine Kompensation
nur für
die Effekte des gemeinsamen Führungswiderstands
vorsehen, und sie kann nicht andere Quellen von Nichtlinearität in den
individuellen Detektorelementen korrigieren. Das Ziel der positiven
Rückkopplung
besteht daher prinzipiell darin, eine Auslöschung von Übersprechen vorzusehen. Indem
es so erfolgt, reduziert es jedoch bis zu einem gewissen Grad die
gesamte Detektor-Nichtlinearität durch
Eliminieren von dem, was andererseits vom gemeinsamen Führungswiderstand
herrühren
würde.
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Die
Ausgaben der Vorverstärker
werden Gleichstrom-Sperrfiltern (106) zugeführt. Idealerweise
sollte die Zeitkonstante der Gleichstrom-Sperrfilter groß sein,
um eine Verzerrung des Interferogramms zu vermeiden. Jedoch kann
die mechanische Bewegung der Probe im Mikroskop in großen Änderungen im
Gleichstrom-Pegel von dem Detektor resultieren, und dies erfordert
die Benutzung einer kleinen Zeitkonstante für die Gleichstrom-Sperrfilter (106),
damit die Gleichstrom-Pegel schnell absinken. Demzufolge benutzt
die Schaltung, die in 3 gezeigt ist, einen Gleichstrom-Sperrfilter
mit kleiner Zeitkonstante, und die Effekte davon werden durch ein
digitales Filter mit unbegrenztem Impulsansprechverhalten im digitalen Signalprozessor
(110) kompensiert.
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Die
verstärkten
Signale von den variablen Verstärkungsstufen
(
107) werden von ADUs (
109) digitalisiert. Jeder
ADU (
109) digitalisiert mit einer Rate, die eine Überabtastung
der Daten beinhaltet. Linearisierung ist im digitalen Signalprozessor
(
110) vorgesehen, und die Datenrate kann nachfolgend durch
eine Technik, so wie im
US-Patent
Nummer 5,914,780 beschrieben ist, oder durch einfaches
digitales Filtern abhängig
von der benutzten Abtast-Methode
reduziert werden,.
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Der
digitale Signalprozessor (110) ist vorgesehen, um unter
Softwaresteuerung die Funktionen auszuführen, die im Flussdiagramm
von 4 gezeigt sind. Die empfangenen Signale werden
zuerst an ein Filter mit unbegrenztem Impulsansprechverhalten (121)
angelegt, dessen Funktion oben beschrieben ist.
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Die
gefilterten Signale werden dann einer Linearisierung (122)
unterzogen. Der für
die Linearisierung benutzte Algorithmus ist y' = y/(1 – αy), worin y die Daten vom ADU
sind, y' der Wert
nach einer Korrektur ist, α ein
Parameter ist, der eine Konstante oder eine Funktion von der über die
Zeit gemittelten einfallenden Energie sein kann.
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Dieser
Algorithmus ist einer, der die Effekte von Nichtlinearität auslöschen wird, äquivalent
zu dem, was vom festen Serienwiderstand von jedem Detektor hervorgeht.
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Probleme
können
auftreten, wenn die Bandbreite vor der Linearitätsstufe begrenzt ist. Dies kommt
daher, dass die Verzerrung, die durch die Nichtlinearität des Detektors
eingeführt
wird, Harmonische ergibt, die erforderlich sind, um das ursprüngliche
Beleuchtungssignal aufzufrischen. Überabtastung am ADU (109)
ermöglicht,
dass dies Signalbandbreite erhöht
wird, wodurch sichergestellt wird, dass diese Harmonischen nicht
verloren gehen, während
die Signal-zu-Rausch-Performance des Systems nicht degradiert wird.
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Eine
Form der Überabtastung
mit einer festen Rate ist im
US-Patent
Nummer 5,914,780 beschrieben. Ein anderer herkömmlicher
Weg zum Ausführen
davon besteht darin, jeden ADU (
109) zu triggern bei optischen
Pfaddifferenzintervallen, die einem halben Laserinterferenzstreifen
entsprechen. Dies ist äquivalent
zum Überabtasten
mit einem Faktor von etwa 3. In diesem Fall wird ein Tiefpass-Analogfilter
benötigt,
um Rauschen zu begrenzen, aber die Bandbreite kann eingestellt werden,
um mit der Überabtastungsrate übereinzustimmen,
und die Signal-zu-Rausch-Performance wird nicht wesentlich degradiert.
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Der
Linearitätskorrekturalgorithmus
kann in Software als eine polynomische Erweiterung der obigen Gleichungen
implementiert werden, ausgedrückt wie
folgt: y' =
y + αy2 + α2y3 + α3y4 + α4y5
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Dies
ist geeignet für
Situationen, wo der Prozessor (110) kein schnelles Teilen
beherrscht. Eine 5-Term-Erweiterung ist im Allgemeinen ausreichend für Anwendungen,
welche FT-IR beinhalten.
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Nach
einer Linearitätskorrektur
reduziert ein nichtrekursives Tiefpass-Filter (123) die
Datenrate um einen Faktor von typischerweise 2.
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Der
Pegel einer positiven Rückkopplung (112)
kann in einem einzelnen Arbeitsgang eingestellt werden, wenn das
System installiert oder erneut kalibriert wird, um ein beobachtetes
elektrisches Übersprechen
zwischen Elementen zu minimieren. Die Verstärkungseinstellungen für die variablen
Verstärkungsstufen
(107) können
auch in einem einzelnen Arbeitsgang eingestellt werden, wenn das
System installiert oder erneut kalibriert wird, um mit den maximalen
Signalpegeln der ADUs (109) übereinzustimmen.
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Der
Parameter α kann
bestimmt werden, indem er eingestellt wird, um das scheinbare Signal
in einem einzelnen Spektralstrahl unter der Detektor-Grenzefrequenzwellenlänge zu minimieren.
Dies kann ein einzelner Arbeitsgang sein, der ausgeführt wird,
wenn ein System installiert wird, obwohl er auch wiederholt werden
kann als Teil einer fortdauernden Systemkalibrierung.