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Die Erfindung betrifft einen Vorlagenscanner und
insbesondere die Verarbeitung von Signalen in einem derartigen
Scanner
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Nach dem Stand der Technik ist die Verwendung einer linearen
CCD-Bildaufzeichnungseinrichtung zum Abtasten von Filmen wie
beispielsweise radiografischen Filmen bekannt, um eine
digitale Aufzeichnung zu erzeugen. Der Film wird an einer
Abtaststation durch eine lineare Quelle beleuchtet und mit
starker Verkleinerung auf die erheblich kleinere
Bildaufzeichnungseinrichtung projiziert. Der Film wird zeilenweise
abgetastet, während er langsam an der Abtaststation entlang
bewegt wird. Wegen der klinischen Bedeutung ungewöhnlicher
Details bei einem radiografischen Film kann nur eine sehr
kleine Toleranz für Artefakte zulässig sein. Daher wurde
nach Wegen gesucht, um diese Artefakte zu eliminieren und
die Bildauflösung zu erhöhen. Ein Ansatz war der Einsatz
mehrerer Bildaufzeichnungseinrichtungen, so daß ein
Pixeldatendurchsatz bereitgestellt wird, der das
Bearbeitungsvermögen einer einzelnen Bildaufzeichnungseinrichtung
übersteigt.
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Der Rauschabstand der von den Bildaufzeichnungseinrichtungen
erzeugten Daten hängt primär vom Störpegel im analogen
Signal von der CCD-Aufzeichnungseinrichtung ab. Verschiedene
Arten der Mittelwertbildung digitaler Signale wurden
verwendet, um den Störpegel in Bildaufzeichnungssystemen zu
reduzieren und den Dynamikbereich zu verbessern. Eine der am
weitesten verbreiteten Techniken beinhaltet die mehrmalige
Erfassung einer Bildzeile, wobei die digitalen Ergebnisse
für entsprechende Pixel addiert werden. Dies ist ein
einfaches und bequemes Verfahren zur Verbesserung des
Dynamikbereichs, wobei aber die Verstärkungen proportional zur
Quadratwurzel der Anzahl der Abtastungen sind und wobei die
Erfassung einer Anzahl von Abtastungen den Prozeß deutlich
verlangsamt. Eine weniger häufig verwendete Methode ist die
Summierung der digitalen Pixelwerte in der Zeile selbst;
dies ist allerdings ein relativ kostspieliges Verfahren zur
Erzielen eines besseren Bildes.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme des Standes der
Technik zu überwinden und einen Vorlagenscanner
bereitzustellen mit verbessertem Rauschabstand und verbessertem
Dynamikbereich.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein
Vorlagenscanner zur Digitalisierung einer Bildvorlage
bereitgestellt mit Mitteln zur Erzeugung einer Reihe von
Bildsignalen, welche für die von den einzelnen Pixeln der
Bildvorlage empfangene Leuchtenergie kennzeichnend sind, und
Mitteln für die Verarbeitung der Signale, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel für die Bearbeitung der Signale
Mittel zur Überwachung der Signalpegel und Mittel für die
Addition der Signale aufweisen, wobei die Additionsmittel
Mittel, die eine digital erfolgende Addition der Signale
bewirken, wenn der Signalpegel einen vorgegebenen Pegelwert
übersteigt, und Mittel, die eine analog erfolgende Addition
der Signale bewirken, wenn der Signalpegel einen
vorgegebenen Pegelwert unterschreitet, umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt
ein Vorlagenscanner vier zeilenförmige Anordnungen aus
lichtempfindlichen Elementen und optische Mittel zur
Erzeugung eines Bildes eines Films auf den Anordnungen. Für jedes
Pixel auf dem Film sind mehrere Fotozellen in den
Anordnungen bereitgestellt. Eine Kombination aus analog und digital
erfolgender Addition von Signalen von benachbarten
Fotozellen wird zur Verarbeitung der Signale verwendet.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
gegenüber bereits bekannten Scannern eine Verbesserung
sowohl des Dynamikbereichs als auch des Rauschabstands
vorliegt. Diese Verbesserung wird erreicht über die Verwendung
einer Kombination aus digital und analog erfolgender
Addition der Signale von benachbarten Fotozellen in der CCD-
Bildaufzeichnungseinrichtung. Durch den Einsatz der analog
erfolgenden Addition wird ein großer Teil des Störgeräuschs
eliminiert, das bei Systemen nach dem bisherigen Stand der
Technik durch den Ausgangsverstärker eingebracht wurde.
Weitere Vorteile bestehen darin, daß der Scanner mit
unterschiedlichen Auflösungen betrieben werden kann, ohne
optische Elemente des Scanners wechseln zu müssen, und daß
der Scanner dank der darin verwendeten optischen Anordnung
kompakter hergestellt werden kann.
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Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen
Scanners.
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Fig. 2 eine schematische Ansicht von einer der
zeilenförmigen Anordnungen.
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Fig. 3 und Fig. 4 Darstellungen der Wellenformen, die in der
digitalen beziehungsweise in der analogen
Betriebsart erzeugt werden.
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Fig. 5 ein Ablaufdiagramm von Schritten in Zusammenhang
mit der Festlegung, ob die Addition in der
digitalen oder in der analogen Betriebsart erfolgen
soll.
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Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektronischen Komponenten
des Scanners.
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In der folgenden Beschreibung bezeichnet der Begriff
"Dynamikbereich" den Bereich optischer Dichten in einem Film, in
dem verläßliche Messungen erfolgen können. Der Begriff
"Rauschabstand" (SNR = signal-to-noise ratio) wird
verwendet, um das Störgeräusch in einer Messung bei einer
bestimmten Filmdichte zu kennzeichnen. Ein verbesserter
Dynamikbereich bezieht sich auf eine Erhöhung des Dichtebereichs,
der gemessen werden kann, und ein verbesserter SNR-Wert
bedeutet einen höheren SNR-Wert bei Dichten, die bei
radiografischem Film normalerweise vorliegen.
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In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß hergestellter
Vorlagenscanner 10 dargestellt. Der Scanner 10 umfaßt eine aus
transparentem Material wie beispielsweise Glas oder
durchsichtigem Kunststoff hergestellte Vorlagenplatte 12, eine
Lichtquelle 14, vier optische Elemente 16, vier
Zeilenförmige Anordnungen 18 und einen Antriebsmechanismus 20 zur
Bewegung der Vorlagenplatte 12 relativ zu den Anordnungen
18, um eine Vorlage wie beispielsweise einen radiografischen
Film 22 abzutasten. Die Lichtquelle 14 kann eine beliebige
lineare Lichtquelle sein, beispielsweise ein (nicht
dargestellter) Glasfaser-Lichtpunkt/Zeilen-Umsetzer, der durch
eine Wolframlampe beleuchtet wird. Der Antriebsmechanismus
20 umfaßt einen Schrittmotor 23 und eine Vorschubwalze 24.
Andere Antriebsmechanismen, wie beispielsweise eine
Bewegungsspindel, können verwendet werden.
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Wie in der Ausführung gemäß Fig. 1 dargestellt ist, wird ein
auf einer Vorlagenplatte 12 aufliegender Film 22 zeilenweise
abgetastet, während er durch den Antriebsmechanismus 20 an
den Anordnungen 18 entlang bewegt wird. Wie weiter unten
ausführlicher beschrieben wird, können die vom Scanner 10
erzeugten Pixel an eine Ausgabeeinrichtung abgegeben werden,
wie beispielsweise an einen Drucker 80 (Fig. 6). Die
Abtastanordnungen
18 sind entsprechend der Darstellung in Fig. 1
optisch kombiniert, um eine vollständige Abtastzeile 26
abzudecken.
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Die Abtastanordnungen 18 können vom CCD-Typ sein; eine
beispielhafte Anordnung 18 ist in Fig. 2 wiedergegeben. Wie
in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt eine Anordnung 18 eine
Reihe lichtempfindlicher Elemente 31 in einem mittleren
Abschnitt eines Siliziumchips 33. An beiden Seiten der
Elemente 31 sind Reihen 35, 36 von Übertragungsgattern 38
angeordnet. Register 40, 41, die jeweils analoge, parallele
Eingabe- und serielle Ausgaberegister umfassen, sind auf
jeder Seite der Reihen 35, 36 der Übertragungsgatter 38
angeordnet.
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Die Übertragungsgatter 38 schalten die Ausgabe der einzelnen
lichtempfindlichen Elemente 31 auf Phasengatter 42 der
Schieberegister 40, 41. Die Gesamtzahl der Phasengatter 42
in den Schieberegistern 40, 41 entspricht der Anzahl der
lichtempfindlichen Elemente 31 in jeder einzelnen Anordnung.
Dementsprechend sind die Phasengatter der Schieberegister
immer jeweils abwechselnd mit den lichtempfindlichen
Elementen 31 verbunden. Die Anzahl der in jeder der Reihen 35, 36
verwendeten Übertragungsgatter 38 entspricht wechselweise
der Hälfte der Gesamtzahl der Elemente 31, so daß die
ungerade numerierten Elemente 31 über die Gatter 38 der Reihe 36
mit dem Schieberegister 40 verbunden sind und die gerade
numerierten Elemente 31 über Übertragungsgatter 38 der Zeile
35 mit dem Schieberegister 41 verbunden sind.
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Die Anordnungen 18 bewirken die Umsetzung des grafischen
Bildes auf einem Film 22 in eine Serie von elektronischen
Bildsignalen. Bei der Belichtung der lichtempfindlichen
Elemente 31 auf dem beleuchteten Film 22 über einen
voreingestellten Zeitabschnitt (als Integrationsperiode
bezeichnet), wird eine Ladung erzeugt, die proportional zu der
durch den Film 22 übertragenen Leuchtenergie ist. Im
Anschluß an die Integration und bei Freigabe der
Übertragungsgatter 35, 36 durch ein Übertragungssignal R-A werden die
Ladungen auf den lichtempfindlichen Elementen 31 gesammelt
auf die Phasengatter 42 der Schieberegister 40, 41
übertragen.
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Im Anschluß an die Übertragung der Ladungen von den
ladungsgekoppelten Zellen auf abwechselnde Gatter der Register 40,
41 werden die sich ergebenden Bildsignale mittels
Taktimpulsen R-1 und R-2 nacheinander durch die Register 40, 41
(d. h. in Fig. 2 von links nach rechts) zum Ausgangsgatter 46
verschoben.
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In Abhängigkeit von der Entfernung eines Rücksetzimpulses ΦR
vom Transistor QR wird der Transistor QR abgeschaltet, und
die Ladung wird vom Ausgangsgatter 46 zu einer
Ladungsspeicherdiode 48 übertragen. Die Diode 48 ist mit der Gate-
Elektrode des Transistors QD&sub1; in der ersten Stufe eines
Ausgangsverstärkers mit Zweistufen-Quellkurvenabtastung
verbunden. In der ersten Stufe arbeiten der Transistor QD&sub1; und
ein Transistor QL&sub1; kontinuierlich im Sättigungsbetrieb. Am
elektrischen Anschluß der Transistoren QD&sub1; und QL&sub1; wird eine
Spannung erzeugt, die dem Spannungspegel über der Diode 48
folgt. Mit dieser Spannung als Eingabe wird die
Gate-Elektrode des Transistors QD&sub2; beaufschlagt. Der Drain des
Transistors QD&sub2; ist mit einer Potentialquelle VDD verbunden,
die auch an den Drain des Transistors QD&sub1; gekoppelt ist. Der
Ausgang 55 der Anordnung 18 wird von der Quellelektrode des
Transistors QD&sub2; abgenommen und zu einem Analog-Digital-
Umsetzer 43 entsprechend der Darstellung in Fig. 6 geführt.
Wird der Rücksetzimpuls ΦR beaufschlagt, wird der Transistor
QR eingeschaltet, und das Potential über der Diode 48 wird
auf einen mittels VRD eingestellten Referenzpegel
zurückgeführt. Wie aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, ist
die Beaufschlagung des Rücksetzimpulses ΦR zeitlich
gesteuert in Abhängigkeit davon, ob an der Speicherdiode 48
eine analog betriebene Addition erfolgt.
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In Fig. 6 ist ein einzelner Analog-Digital-Umsetzer 54 mit
dem Ausgang 55 jeder einzelnen CCD-Anordnung 18 verbunden.
Jeder A/D-Umsetzer 54 ist ein 12-Bit-Digitalisierer (4095
Graustufen). Bei der erfindungsgemäßen Anwendung werden der
Rauschabstand und der Dynamikbereich der Bilddaten durch
eine Kombination analog und digital erfolgender Additionen
der Signale von benachbarten lichtempfindlichen Elementen 31
(Fotozellen) in der CCD-Anordnung 18 verbessert. Ein durch
einen Mikroprozessor 57 gesteuerter Signalprozessor 50
empfängt die Signale von den A/D-Umsetzern 54 und
verarbeitet die Signale, um die Betriebsart der Addition zu
bestimmen. Der Signalprozessor 50 umfaßt ein Rechenwerk,
beispielsweise den Typ: Model L4C381, der von der Firma Logic
Devices angeboten wird, um gemäß bereits bekannten Techniken
die logischen und Additionsfunktionen auszuführen. Der
Mikroprozessor 57 kann beispielsweise ein Mikroprozessor
Motorola 68020 sein. In der Bildebene sind mehr
lichtempfindliche Elemente 31 bereitgestellt, als für die
niedrigste geforderte Auflösung notwendig sind. An Stellen
im Bild, an denen die optische Dichte auf dem Film hoch ist,
werden die Ladungen von benachbarten Elementen 31,
beispielsweise von vier benachbarten Elementen 31, in
analoger Betriebsart in der Anordnung 18 addiert und
anschließend digitalisiert. Dieses Ergebnis ist als Signal
von einem einzelnen Filmpixel angegeben. An Stellen im Bild,
an denen die optische Dichte niedrig ist, werden die
Ladungen von benachbarten Fotozellen einzeln digitalisiert und
anschließend als digitale Zahlen addiert. Dieses Ergebnis
ist ebenfalls als Signal von einem einzelnen Filmpixel
angegeben.
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Die gleiche Lichtmenge kann an verschiedenen Fotozellen mit
geringer Verkleinerung wie auch an einer einzelnen Fotozelle
mit starker Verkleinerung bereitgestellt werden. Damit sind
in beiden Fällen das analoge Grundsignal und das
Störgeräusch einer einzelnen Fotozelle gleich. Das Störgeräusch
ändert sich als Funktion des Signals bei analog erfolgender
Addition auf eine Art und bei digital erfolgender Addition
auf eine andere Art. Bei analog erfolgender Addition ergibt
sich das gleiche Störgeräusch als Referenzzustand und M-mal
(M = Anzahl der Fotozellen oder Abtastungen) das Signal. Bei
einem größten Signal S und einem Dunkelrauschen N ergibt
dann die Summe aus M derartigen Abtastungen ein größtes
Signal von M x S und ein Dunkelrauschen, das N entspricht.
Falls bei digital erfolgender Addition mit einem größten
Signal S und einem Dunkelrauschen N begonnen wird, ergibt
die Summe von M derartigen Abtastungen ein größtes Signal M
x S und ein Dunkelrauschen gleich M x N.
Selbstverständlich sollte wann immer möglich die analog erfolgende
Addition eingesetzt werden. Beim Auslesen jedes Pixels muß
eine Entscheidung hinsichtlich der diesbezüglich
einzusetzenden Art der Addition getroffen werden. Eines der
Merkmale einer CCD-Bildaufzeichnungseinrichtung besteht darin,
daß ein großer Teil des Störgeräuschs durch den
Ausgangsverstärker hinzugefügt wird, und wegen dieser
charakteristischen Eigenschaft ist es wünschenswert, die
Ladungspakete von mehreren Pixeln zu addieren, bevor sie den
Verstärker erreichen.
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In den Fig. 3 und 4 sind grafische Darstellungen der
Wellenformen wiedergegeben, die sich bei digital beziehungsweise
bei analog erfolgender Addition ergeben. Wie in Fig. 3
dargestellt ist, besteht jeder Zeitabschnitt T aus einem
Intervall 90 während des Rücksetzimpulses ΦR, gefolgt von einem
Intervall 91, während dessen kein Videosignal ansteht und
der Ausgang sich auf dem Referenzpegel stabilisiert, gefolgt
von einem Intervall 93, in dem das Videosignal ansteht. In
der digitalen Betriebsart werden vier derartige
Zeitabschnitte T addiert. In Fig. 4 ist die in der analogen
Betriebsart erzeugte Wellenform als Addition der Videosignale
aus vier Zeitabschnitten T dargestellt. Die vier Signale
werden an der Speicherdiode 48 in der Anordnung 18
zusammengefaßt und anschließend an den Verstärker 49 weitergeleitet.
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Die Entscheidung bezüglich der Addition in analoger oder in
digitaler Betriebsart erfolgt auf pixelweiser Grundlage über
eine elektronische Überwachung des Ausgangs der Anordnung
18. Die Überwachung der Ausgabe der Anordnung erfolgt im
(nicht dargestellten) Rechen- und Leitwerk (ALU =
arithmetic-logic unit) des Mikroprozessors 57 gemäß einem im
Speicher vorhandenen Programm. Ein Ablaufdiagramm der in dem
Programm ausgeführten Schritte ist in Fig. 5 wiedergegeben.
In einem ersten Schritt wird eine addierte Ablesung von vier
Elementen erfaßt und gespeichert. Die addierte Ablesung wird
dann mit einem gespeicherten, vorbestimmten und als "x"
bezeichneten Wert verglichen, der proportional zum Betrag der
Ladung ist, die in der Anordnung 18 gehalten werden kann.
Falls der addierte Ablesewert größer ist als x, werden die
nächsten vier Elemente in digitaler Betriebsart addiert; und
falls der addierte Ablesewert kleiner als x ist, werden die
nächsten vier Elemente in der Anordnung 18 in analoger
Betriebsart addiert. Die Festlegung bezüglich der Addition
für ein bestimmtes Pixel geht in der Praxis vom addierten
Wert des vorangegangenen Pixels aus, und bei den meisten
Anwendungen führt dies zu ausgezeichneten Ergebnissen.
Fachleute auf diesem Gebiet werden aber selbstverständlich
erkennen, daß es mit einer geeigneten Schaltung möglich
wäre, die Ladungen in dem CCD-Element zu überwachen und die
Festlegung bezüglich der Addition für ein Pixel auf der
Grundlage des Betrags der Ladung für das betreffende Pixel
zu treffen.
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Der Mikroprozessor 57 stellt die Steuersignale für eine
Steuervorrichtung (Controller) 51 und einen
Taktsignalgenerator 56 bereit. Der Taktsignalgenerator 56 stellt die
Taktsignale für die Anordrungen 18 und die A/D-Umsetzer 54
bereit. Die digitalen Werte nachfolgender Pixel werden durch
eine Korrekturlogik 53 bezüglich der Änderungen bei
Schwarzpegel und Verstärkung ("Unschärfe") anhand von
Kalibrationswerten korrigiert, die durch Online-Messungen erhalten
wurden und die in Dunkelfeld- und Unschärfe-Speicherchips
gespeichert sind, die in Fig. 6 durch den Kasten 55
dargestellt sind. Die korrigierten digitalen Werte nachfolgender
Pixel werden dann in einem Bildfeldspeicher 60 gespeichert.
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Wenn die Wiedergabe eines in einem Bildfeldspeicher 60
gespeicherten Bildes gewünscht wird, werden die gespeicherten
Pixelwerte zu einem digitalen Bildprozessor 70 geleitet. Der
digitale Bildprozessor 70 leitet die Werte an einen Drucker
80 oder an eine andere Ausgabeeinrichtung (nicht
dargestellt). Der Prozessor 70 kann unter Verwendung von
bildverstärkenden Algorithmen arbeiten, wie beispielsweise
Algorithmen zur Maskierung von Unschärfen und zur Extraktion von
Merkmalen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
mehrere Stufen räumlicher Auflösung elektronisch ausgewählt
werden können, ohne die physische Anordnung optischer
Komponenten zu ändern. Man könnte also anstelle der Addition der
Signale von vier Fotozellen die Signale von zwei Fotozellen
addieren, um die doppelte Pixelanzahl zu erzeugen und die
Auflösung wesentlich zu erhöhen. In jedem Fall wird die
Geschwindigkeit, mit der der Film 22 an der Abtaststation
entlang bewegt wird, sorgfältig kontrolliert, und sie muß
geändert werden, um sie an die Bedingungen der Abtastung und
Mittelwertbildung anzupassen. Wird die Auflösung erhöht, ist
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die Filmgeschwindigkeit um einen Betrag herabgesetzt, der
ausreicht, um die zusätzliche Verarbeitungszeit
auszugleichen.
Zeichnungsbeschriftung
Fig. 5
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a SCHALTPUNKT = x
BETRIEBSART = ANALOG
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b ADDIERTEN ABLESEWERT ERFASSEN
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c ABLESEWERT SPEICHERN
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d ABLESEWERT > X?
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e BETRIEBSART = DIGITAL
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f BETRIEBSART = ANALOG
Fig. 6
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a VON 56
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53 KORREKTURLOGIK
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60 BILDFELDSPEICHER
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70 DIGITALER BILDPROZESSOR
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55 DUNKELFELD- UND UNSCHÄRFE-SPEICHER
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80 DRUCKER
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23 SCHRITTMOTOR
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51 MOTORSTEUERUNG
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56 TAKTSIGNALGENERATOR
ZU 18