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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf automatische Kamerafokussierungsmechanismen
und insbesondere auf automatische Fokussierungsverfahren, die eine
Empfindlichkeit gegen Hintergrundbeleuchtung beseitigen.
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Hintergrund der Erfindung
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Alle
modernen Kameras sehen irgendeinen Mechanismus zur automatischen
Brennpunkteinstellung vor. Das automatische Brennpunkteinstellungssystem
weist in der Regel mehrere Komponenten auf, die einen Detektor,
der die Brennpunktqualität
ermittelt, eine elektronische Steuerung, und eine motorisierte Linsenanordnung,
umfassen. Die motorisierte Steuerung führt einen Algorithmus durch,
der bewirkt, dass sich die Brennpunktposition der Linse verändert, bis
der Detektor feststellt, dass die Fokalpunktqualität optimiert
worden ist.
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Bei
einer Digitalkamera kann der Bilddetektor (z. B. ein CCD- oder CMOS-Sensor)
auch als der Brennpunktqualitätsdetektor
verwendet werden. Dieses Verfahren ist dahingehend vorteilhaft,
dass keine zusätzlichen
Elemente benötigt
werden und es keine Ausrichtungsfehler zwischen dem Brennpunktsensor und
dem Bildsensor gibt. Um den Bildsensor als einen Brennpunktdetektor
verwenden zu können,
müssen
die Informationen von Tausenden bis Millionen von Bildpixeln zur
Bildung einer einzigen Brennpunktqualitätsmetrik zusammengefasst werden.
Die Metrik bezieht sich im Allgemeinen auf den Kontrast in dem Bild,
d. h., mit dem Ansteigen des Kontrasts erhöht sich ein Fokussieren der
Linse, und mit dem ansteigenden Defokussieren der Linse verringert sich der
Kontrast. Folglich ist diese Methode allgemein als das Kontrastverfahren
zur Brennpunktbestimmung bekannt.
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Die
Methode ist z. B. durch den Artikel „Implementation of a passive
automatic focusing algorithm for a digital still camera", Je-Ho Lee u. a.,
8087 IEEE Transactions on consumer electronics 41 (1995), August,
Nr. 3, New York, USA, beschrieben.
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Die
räumliche
Abweichung des Bildes ist eine einfache statistische Angabe, die
als ein wirksamer Brennpunktgütefaktor
dienen kann. Die räumliche
Abweichung ist maximal, wenn die Linse fokussiert. Wenn die Linse
defokussiert, ist die Unschärfe wie
ein räumliches
Tiefpassfilter, das die Abweichung verringert, wirksam. Die Metrik
kann durch Durchführen
einer ersten Differenz an dem Bild, entlang einer seiner Achsen,
bevor die Abweichung berechnet wird, weiter verbessert werden. Die
erste Differenzoperation macht die Metrik weniger empfindlich gegen graduelle
Abweichungen von großem
Ausmaß in dem
Bild, die nicht maßgeblich
gedämpft
werden, wenn die Linse defokussiert.
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Die
Brennpunktmetrik der räumlichen
Abweichung hängt
von dem Szenenbeleuchtungspegel sowie dem Szeneninhalt und der Linsenbrennpunkteinstellung
ab. Die Abweichung der Metrik bezogen auf die Beleuchtungsintensität kann bewirken,
dass der Brennpunktsteueralgorithmus fehlschlägt, wenn sich das Beleuchtungsniveau
im Zeitverlauf verändert, wie
dies bei Fluoreszenzlichtern der Fall ist. Wird der Brennpunktsteueralgorithmus
mit einer Veränderung der
Brennpunktmetrik, die durch eine Beleuchtungsabweichung verursacht
ist, konfrontiert, wird er dies als ein Fehler bei der Brennpunktposition
interpretieren und eine falsche Korrektur an der Fokalposition vornehmen.
Aus diesem Grund wäre
der ideale Brennpunktgütefaktor
unempfindlich gegenüber
der Beleuchtungsintensität.
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Die
naheliegende Art und Weise, die Empfindlichkeit der Brennpunktmetrik
gegenüber
einer Beleuchtung zu beseitigen, ist es, dieselbe auf die mittlere
Beleuchtungsintensität
zu normieren. In dem Fall der Abweichungsmetrik kann dies durch
Teilen der Abweichung durch das Quadrat des Mittelwerts des Bilds
erzielt werden. Leider schaltet dies die Beleuchtungsempfindlichkeit
nicht aus, da die Rauscheffekte vernachlässigt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
Kürze weist
die vorliegende Erfindung, bei einem Ausführungsbeispiel, ein Verfahren
zum Bereitstellen einer automatischen Brennpunkteinstellung für ein Bildgerät auf, das
folgende Schritte aufweist: Differenzieren eines Bilds entlang einer
bestimmten Achse, um ein Differenzbild zu erhalten; Berechnen einer
Abweichung des Differenzbilds; Bestimmen eines Rauschbeitrags zu
der Abweichung; Abziehen des Rauschbeitrags von der Abweichung, um
eine rauschangepasste Abweichung zu erhalten; Verwenden der rauschangepasste
Abweichung als einen Faktor beim Herstellen der automatischen Brennpunkteinstellung.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der eines Normierens
der Abweichung bereitgestellt.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Normierung
der Abweichung an der Abweichung, die sich ergibt, nachdem der Schritt des
Abziehens des Rauschbeitrags durchgeführt wurde, durchgeführt.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schritt
des Bestimmens des Rauschbeitrags ein Bestimmen des Schrotrauschbeitrags
zu der Abweichung auf; und wobei der Schritt des Abziehens des Rauschbeitrags
ein Abziehen des Schrotrauschens aufweist.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schritt
des Bestimmens des Rauschbeitrags ein Bestimmen des Leserauschens auf;
und wobei der Schritt des Abziehens des Rauschbeitrags ein Abziehen
des Leserauschens aufweist.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schritt
des Bestimmens des Rauschbeitrags ein Bestimmen des Leserauschens auf;
und wobei der Schritt des Abziehen des Rauschbeitrags ein Abziehen
des Leserauschens aufweist.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde das Differenzbild
durch Abziehen eines Bilds von einer Versatzversion desselben bestimmt;
und wobei der Schritt des Bestimmens des Schrotrauschbeitrags zu
der Abweichung ein Abziehen des Schrotrauschens von dem Bild von
dem Schrotrauschen in der Versatzversion des Bilds aufweist.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schritt
des Bestimmens des Schrotrauschbeitrags zu der Abweichung ein Bestimmen
des Beitrags zu der Abweichung des Schrotrauschens in den zwei Bildern,
die abgezogen werden, um das Differenzbild herzustellen, und ein
Zusammenaddieren der Abweichungen, um den Gesamtbeitrag von Schrotrauschen
zu der Abweichung des Differenzbilds zu erhalten, auf.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schritt
des Bestimmens des Leserauschbeitrags zu der Abweichung ein Multiplizieren
des Leserauschens, das aus einem einzigen Bild, das in dem Dunkelbereich
aufgefangen wird, ermittelt wird, mit zwei auf.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein System zur automatischen Brennpunkteinstellung
für ein
Bildgerät
bereitgestellt, das folgende Merkmale aufweist: einen Prozessor,
der entworfen ist, um eine Abweichung eines Differenzbilds zu berechnen,
einen Rauschbeitrag zu der Abweichung zu bestimmen, den Rauschbeitrag von
der Abweichung abzuziehen, um ein Steuersignal zu erzeugen; eine
Linse; und eine Komponente zum automatischen Einstellen des Brennpunkts
der Linse unter Verwendung des Steuersignals als einen Faktor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein Flussdiagramm eines bevorzugten Betriebs des Systems und Verfahrens
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die
vorliegende Erfindung ist ein neues Verfahren und System und Programmprodukt
zum Beseitigen der Empfindlichkeit des Brennpunktgütefaktors
gegenüber
einem Beleuchtungsniveau, das die Rauscheffekte korrekt berücksichtigt.
Bei Digitalkamerabildern herrschen zwei Typen von Rauschen vor;
Schrotrauschen und Leserauschen. Schrotrauschen ist ein natürliches
Merkmal eines diskreten Ankunftsprozesses. Es tritt bei der Photographie
wegen der gequantelten Beschaffenheit von Licht auf. Empfängt ein
Pixel während
einer Belichtungsperiode einen Durchschnitt von „N" Lichtphotonen, ist die Standardabweichung
der Anzahl von gezählten
Photonen wegen des Effekts des Schrotrauschens die Quadratwurzel
von „N". Leserauschen ist
ein Begriff, der das additive Rauschen beschreibt, das durch elektronische
Verstärkung,
Dunkelstrom und andere Quellen elektronischen Rauschens beigesteuert
wird. Leserauschen weist eine konstante Standardabweichung auf und
hängt nicht
von einem Signalpegel ab.
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Der
Brennpunktgütefaktor
spricht sowohl auf Leserauschen als auch auf Schrotrauschen an.
Dies kann durch Betrachten des Ansprechverhaltens gegenüber einer
flachen, gleichmäßig beleuchteten Szene
veranschaulicht werden. Bei Nichtvorhandensein einer Szenenabweichung
ist die Gesamtabweichung die Summe der Abweichungen des Schrotrauschens
und des Leserauschens. Ein Anwenden einer ersten Differenzoperation
vergrößert die
Abweichung um einen Faktor von 2, hat jedoch keinen weiteren Effekt.
Ist die Metrik auf das Quadrat des Mittelwertes normiert, variiert
die Brennpunktmetrik wie folgt: FOM ~ (Rn
+ sqrt(N))/N. Geht die Beleuchtungsintensität gegen Null, wird die Brennpunktmetrik
unendlich, da die Terme des Leserauschens und des Schrotrauschens
sich nicht so schnell verringern wie der Term des Mittelwertsignals.
Um die Methode der vorliegenden Erfindung des Beseitigens der Empfindlichkeit
des Brennpunktgütefaktors
gegenüber dem
Beleuchtungsniveau zu implementieren, muss die Kamera zum Bestimmen
sowohl des Leserauschpegels als auch des Systemverstärkungskoeffizienten
ausreichend gekennzeichnet sein. Der Systemverstärkungskoeffizient ist ein Maß für die Anzahl
von Elektronen pro Digitalpegel in der Kamera. Bei diesem Verfahren
werden die Rauschbeiträge
zu dem Brennpunktgütefaktor
getrennt berechnet und abgezogen, bevor die Metrik auf die Beleuchtungsintensität normiert
wird.
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Mit
Bezug auf 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zum Implementieren der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Ausführungsbeispiel
der 1 umfasst eine Linse 10 mit einem elektronischen
Brennpunkt. Das Ausführungsbeispiel
umfasst ferner einen Bildsensor 20, der ein Bild von der
Linse 10 empfängt.
Der Bildsensor 20 liefert eine Eingabe in einen Brennpunktmetrikrechenprozessor 30.
Von dem Prozessor 30 wird auf einer Leitung 40 ein
Steuersignal zu einem Linsenpositionsalgorithmus 50 geliefert.
Der Linsenpositionsalgorithmus 50 bestimmt, wie die Linse
basierend auf dem Brennpunktmetriksteuersignal eingestellt werden
soll und liefert auf einer Leitung 60 ein Steuersig nal
an einen Brennpunktmotor 70. Der Brennpunktmotor 70 ist
anschließend wirksam,
um die Linse 10 automatisch zu fokussieren.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens, das gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, um die Empfindlichkeit des Brennpunktgütefaktors
gegenüber
einem Beleuchtungsniveau, das die Rauscheffekte korrekt berücksichtigt,
zu beseitigen. Der erste Schritt in dem Verfahren ist es bei Block 200,
Eingabebilddaten von dem Bildsensor 20 zu empfangen. Das
Verfahren fährt
anschließend
zu Block 210 fort, bei dem die graduellen Übergänge in dem
Bild gedämpft
und die Ränder
verstärkt
werden. Diese Operation wird in der Regel durch Verwenden einer
ersten Differenz des Bilds entlang einer seiner Hauptachsen geleistet.
Die erste Differenz kann durch Abziehen des Bilds von sich selbst,
um einen bestimmten festen Betrag versetzt, erhalten werden. Diese
Operation wird in Form einer Gleichung wie folgt dargestellt: dimg = imgf[(0:sx-2),*] – imgf[(1:sx-1),*]
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In
der vorhergehenden Gleichung stellt imgf[a:b,*] die Teilmenge des
ursprünglichen
Bilds, das die Spalten „a" bis einschließlich „b" in ihrer Gesamtheit
umfasst, dar. Die Parameter (0:sx-2) und (1:sx-1) stellen ein Beispiel
eines Versatzes dar, um das Differenzbild zu erhalten. Der Term „sx" stellt die Breite
des Bilds dar.
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Das
Verfahren fährt
anschließend
zu Block 220 fort, bei dem die Abweichung des Differenzbilds berechnet
wird. Die Abweichung des Differenzbilds wird in der Regel durch
Verwenden des Mittelwerts des Quadrats der Pixelwerte minus des
Quadrats des Mittelwerts der Pixelwerte erhalten. Dieser Prozess ist
durch folgende Gleichung dargestellt: var = σ(dimg)
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Das
Verfahren fährt
anschließend
zu Block 230 fort, bei dem NeDN gewonnen und der Schrotrauschbeitrag
zu der Abweichung berechnet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass
das Schrotrauschen das Rauschen ist, das sich aus der Ungewissheit
des Prozesses von zufallsbedingtem Eintreffen von Lichtpaketen ergibt.
Es sei darauf hingewiesen, dass Ne gleich der Anzahl von Elektronen
und DN gleich der Digitalzahl ist. Demgemäß ist NeDN gleich der Anzahl
von Elektronen pro Digitalpegel, die aus einem A/D-Wandler ausgeht.
Diese Anzahl NeDN wird deduktiv durch die Kameraparameter und -einstellungen
für die
bestimmte interessierende Kamera bestimmt. Somit ist „NeDN" der Systemverstärkungskoeffizient
in Einheiten von Elektronen pro Digitalzahl (A/D-Zählwert).
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Die
Berechnung des Schrotrauschbeitrags zu der Abweichung kann durch
die folgenden Gleichungen dargestellt werden: shotN1
= <NeDN *imgf[(0:sx-2),*] > /NeDN2 shotN2 = <NeDN
*imgf[(1:sx-1),*] > /NeDN2
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Operation „< >" den Mittelwert berechnet,
der die Summe der Pixelwerte in dem spezifizierten Bereich geteilt
durch die Anzahl von Pixeln in der Summe ist. In dem Fall von shotN1
ist es die Summe der Spalten 0 bis einschließlich (sx-2) inklusive sämtlicher
Zeilen. Es sei darauf hingewiesen, dass in Anbetracht der Parameter
für imgf
ersichtlich ist, dass shotN2 der Versatz von shotN1 ist.
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Das
Verfahren fährt
anschließend
zu Block 240 fort, bei dem der Wert NeRead gewonnen und der
Leserauschbeitrag zu der Abweichung berechnet wird. Es sei darauf
hingewiesen, dass NeRead das weiße Rauschen des Systems ist
und nicht zum Bestimmen der Brennpunktposition beiträgt. Diese
Berechnung kann wie folgt dargestellt werden: varRead
= (NeRead/NeDN)2
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„NeRead" ist der Leserauschpegel
in entsprechenden Elektronen.
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Das
Verfahren fährt
anschließend
zu Block 250 fort, bei dem das Schrotrauschen und das Leserauschen
von der Abweichung abgezogen werden, um eine rauschangepasste Abweichung
zu erhalten. Diese Operation kann durch die Gleichung var' = var – shotN1 – shotN2 – 2*varReaddargestellt
werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass 2*varRead das Doppelte der Abweichung
des Leserauschens in einem einzelnen, in dem Dunkelbereich aufgefangenen
Bild, darstellt.
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Das
Verfahren fährt
anschließend
zu Block 260 fort, bei dem die rauschangepasste Abweichung var' normiert wird. Beispielweise,
jedoch in keiner Weise einschränkend,
kann der Normierungsprozess durch die folgende Gleichung dargestellt
sein: FOM = var'/[mean(imgf)]2
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Es
sei darauf hingewiesen, dass FOM (focus figure of merit) der Brennpunktgütefaktor
ist. Der FOM könnte
auch aus Momenten höherer
Ordnung zusammengesetzt sein. Zum Beispiel könnte die Abweichung durch einen
Operator, der als <x4> – <x>4 definiert
ist, ersetzt werden, und der Mittelwert könnte durch das Quadrat des
Mittelwerts ersetzt werden.
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Die
Ausgabe eines Blocks 260 weist auf der Leitung 40 das
Steuersignal an den Linsenpositionsalgorithmusblock 50 auf.
Anschließend
wird der Brennpunktalgorithmus durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen,
dass vielfältige
unterschiedliche Brennpunktalgorithmen verfügbar sind, abhängig von
dem Linsentyp und dem Verfahren zum Einstellen des Brennpunkts der
Linse. In dieser Hinsicht hätten
verschiedene unterschiedliche Brennpunktmotoren in Block 70 unterschiedliche
Brennpunktalgorithmen, die verwendet werden würden. Die Ausgabe des Linsenpositionsalgorithmus 50 wird
anschließend
auf der Leitung 60 an den Brennpunktmotor 70 angelegt. Die
tatsächliche
Einstellung der elektronisch gesteuerten Linse 10 gemäß dieses
Brennpunktalgorithmus wird durch Block 280 in 2 dargestellt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass das einfachste Verfahren zum Erhalten
von NeDN und NeRead ein Messen der zeitlichen Abweichung und des Mittelwerts
bei geschlossener Blende und einem gemäßigten Niveau gleichmäßiger Beleuchtung
ist. Die zeitliche Abweichung in dem Dunkelbereich ergibt das Leserauschen,
während
die Steigung der Abweichung verglichen mit der Mittelwertsfunktion
die Systemverstärkung
ergibt. Diese Parameter müssten
für jegliche
Veränderungen
bei der elektronischen Verstärkungseinstellung
korrigiert werden.
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Demgemäß ist es
ersichtlich, dass ein Verfahren bereitgestellt worden ist, das eine
Brennpunktmetrik ergibt, die im Wesentlichen vollständig unempfindlich
gegenüber
Veränderungen
in dem Beleuchtungsniveau ist. Dieses Merkmal ermöglicht es, dass
der Brennpunktsteueralgorithmus korrekt und ohne eine Störung von
zeitvariierenden Lichtquellen wirksam ist.
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Die
vorhergehende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung wurde zu Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken dargestellt.
Sie soll in keiner Weise erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die konkrete Form, die offenbart wurde,
beschränken,
und Modifizierungen und Variationen sind angesichts der vorhergehenden Lehren
möglich
oder können
aus der praktischen Anwendung der Erfindung gewonnen werden. Das
Ausführungsbeispiel
wurde ausgewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische
Anwendung zu erklären,
so dass es einem Fachmann auf dem Gebiet möglich ist, die Erfindung in
verschiedenen Ausführungsbeispielen
und mit verschiedenen Modifizierungen, wie sie für die bestimmte beabsichtigte
Verwendung geeignet sind, zu verwenden. Bestimmungsgemäß ist der
Schutzbereich der Erfindung durch die hieran angefügten Patentansprüche und
ihre Äquivalente
definiert.