具有模擬存儲器單元的光學(xué)位置發(fā)送器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種位置編碼器，該位置編碼器具有：位置代碼和用于檢測該位置代碼的至少一部分的光學(xué)傳感器元件。該傳感器元件具有光敏檢測區(qū)域的行，其將入射光子轉(zhuǎn)換成電荷；和讀出結(jié)構(gòu)，其用于輸出對應(yīng)于所存儲的電荷的電數(shù)據(jù)信號。該傳感器元件具有：模擬存儲器單元結(jié)構(gòu)，具有數(shù)量為N>1條的非光敏模擬存儲器單元，以臨時存儲電荷；以及電切換結(jié)構(gòu)，通過該電切換結(jié)構(gòu)，能夠在檢測區(qū)域和存儲器單元之間、在存儲器單元之間、以及存儲器和讀出線之間進(jìn)行電荷傳遞。
【專利說明】具有模擬存儲器單元的光學(xué)位置發(fā)送器
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的包括具有模擬存儲器的傳感器元件的模擬存儲器和根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分所述的方法的。
[0002]具體來說，本發(fā)明涉及位置編碼器【技術(shù)領(lǐng)域】，其中，出于確定位置的目的，通過傳感器元件來獲取位置代碼，如在用于沿一個或更多個維度確定長度和/或角度的各種應(yīng)用中使用的。一些示例性實施方式例如在US 5，402，582、EP 1 474 650、US7，051，450或US7，069，664中找到，其中，在本發(fā)明中描述的傳感器元件還可應(yīng)用于具有不同設(shè)計的位置編碼器的實施方式，其中，在確定位置的范圍內(nèi)，執(zhí)行位置或地點代碼(或這種代碼的至少一部分)的光學(xué)獲取。
[0003]已知用于獲取位置代碼的非常不同的方法，例如，成像、陰影投射、投影、反射、干涉圖案形成、代碼的外部或內(nèi)部照明，自動發(fā)光或熒光代碼圖案等。電磁波，具體來說，光學(xué)波長范圍內(nèi)的電磁輻射被優(yōu)選地用于代碼圖案至傳感器元件的非接觸發(fā)送。在這種情況下，該代碼可以按遞增方式、絕對方式或者按混合形式實現(xiàn)，例如，在測量范圍的僅一部分內(nèi)絕對或者，在絕對編碼區(qū)內(nèi)增量。針對其的示例例如可以在W0 2008/019855、W02010/139964、DE 11 2006 003 663 或 TO 2004/094957 中找到。
[0004]一般來說，在這種情況下，通過包括多個有源獲取區(qū)的傳感器元件來獲取位置代碼的至少一部分。這些獲取區(qū)分離地獲取該代碼部分的子區(qū)域。該獲取區(qū)可以被實現(xiàn)為分離的單獨部分，其例如按行或者按二維矩陣設(shè)置在專用位置處。該獲取區(qū)(像素)在此按連續(xù)、大致不間斷布置來串在一起，即，作為光敏區(qū)的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)布置。這里，光敏區(qū)的準(zhǔn)連續(xù)布置是串在一起同時其間僅有小的空間(與它們各自的有源傳感器面積相比)，例如，在已知(XD線傳感器或(XD面?zhèn)鞲衅鞯那闆r下是常見的。
[0005]然而，光敏區(qū)的布置還可以按連續(xù)方式實現(xiàn)，即，像素之間沒有間隔，其中，碰撞兩個像素之間的中間區(qū)域的光子以某一概率分配給一個或另一個像素。獲取區(qū)的幾何布置還可以特別適應(yīng)于要獲取的代碼，或者其可以因此被遮蔽，例如，通過根據(jù)要獲取的代碼圖案設(shè)置的傳感器，或者通過遮蔽該獲取區(qū)，以使其靈敏度被限制于希望表面區(qū)。由此，除了最普通的線性布置以外，獲取元件的幾何布置當(dāng)然還可以彎曲。通過示例，獲取元件的行或矩陣元件可以設(shè)置為線或矩形，而且采用圓弧形式，按成角度方式或者具有任何曲線形式，或者沿球面等。
[0006]該代碼的至少一部分在位置測量的情況下，尤其是在高度精確位置測量的情況下，按預(yù)定時間通過傳感器元件來獲取。可實現(xiàn)極高的位置準(zhǔn)確度，尤其是通過以子像素分辨率估計所獲取代碼部分。除了在獲取該代碼時的可實現(xiàn)位置分辨率以外，精確地設(shè)置獲取時間在這種情況下還可以對利用其操作的測量系統(tǒng)的可實現(xiàn)準(zhǔn)確度具有顯著影響，尤其是如果通過多個位置傳感器獲取多個幾何尺寸并且這些尺寸隨后彼此鏈接，例如，用于確定物體的多維位置。位置獲取的精確時間對于在要測量物體的移動期間進(jìn)行測量的情況來說，即，對于隨時間改變的位置的情況來說也是重要的。尤其是在高位置分辨率的情況下，例如，大約幾微米或弧秒甚或更高分辨率，極小移動(如例如因振動、振蕩、用戶的振顫等)已經(jīng)可通過位置編碼器獲取。
[0007]因此，測量值獲取通常借助于觸發(fā)信號來觸發(fā)，其限定了獲取位置值的希望時間。通過示例，電信號的一個側(cè)翼可以被用于觸發(fā)測量值獲取。在該處理中，可以應(yīng)用基于事件的觸發(fā)，對于該情況來說，該測量通過外部事件觸發(fā)。還可以通過內(nèi)部或外部時鐘來應(yīng)用觸發(fā)，其可選地在多個傳感器上同步化。通過示例，在這種情況下，可以執(zhí)行來自多個(并且在空間上分布的)位置編碼器的位置值的同步確定，并且其測量數(shù)據(jù)隨后可以鏈接，以根據(jù)其確定多維空間地點。還可能需要從位置編碼器循環(huán)讀出實際值信號(受小的時域抖動所擾)，例如，對于定位單元的時域離散調(diào)節(jié)中的實際值信號來說。特定實施方式的另一示例例如在EP 2533022中進(jìn)行了描述。
[0008]需要高精確度的位置確定的應(yīng)用示例包括測量裝置(例如，大地測量儀或坐標(biāo)測量機(jī))。同樣在專用機(jī)床(例如，拾放機(jī)、激光切割機(jī)、磨床、車床、銑床等)的情況下，針對位置測量準(zhǔn)確度寄予十分高的需求。在該處理中，所確定位置具體可以通過線性位置、旋轉(zhuǎn)位置或其組合來形成。高的同步測量值獲取也可能在監(jiān)測和診斷系統(tǒng)中需要，例如在來自專利申請PCT/EP2012/054095的系統(tǒng)中。
[0009]在現(xiàn)有技術(shù)的位置傳感器中，在出現(xiàn)觸發(fā)信號時獲取傳感器元件的照明狀態(tài)，接著，將該照明狀態(tài)以逐像素按時鐘輸出(通常僅通過單一信道串行地)。僅在所有像素已經(jīng)時鐘輸出時，可以繼續(xù)根據(jù)觸發(fā)信號的進(jìn)一步觸發(fā)，并且通過傳感器元件獲取當(dāng)前代碼區(qū)。因此，僅在已經(jīng)完全讀出先前測量值時，可以再次進(jìn)行新測量。
[0010]因為(XD芯片的這種順序讀出需要不可忽略的時間量，所以可實現(xiàn)的讀出速率通常相當(dāng)?shù)?，從而，對于兩個連續(xù)發(fā)生的獲取之間的時間來說還存在最小限制。這是真實的，尤其是，如果除了 CCD的逐像素按時鐘輸出以外，還對每一個吸收值進(jìn)行模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換，其可能同樣耗時。通過應(yīng)用所謂的“流水線式” A/D轉(zhuǎn)換，至少數(shù)字化的轉(zhuǎn)換時間在該處理中被減小甚或完全避免，除剩余延遲時間以外。該按時鐘輸出限制了這種傳感器的最大可實現(xiàn)測量速率，從而還影響兩個觸發(fā)事件之間的最小可容許持續(xù)時間，在此期間，可以完全獲取該照明狀態(tài)的兩個值，和由此的位置代碼值。盡管針對實際上在該觸發(fā)時間存在的位置的測量值的逼近在這里可通過在兩個或更多個測量之間時域上的內(nèi)插或者外推來獲取，然而，該觸發(fā)時間的測量值的實際獲取是不可能的。
[0011]例如從US 4330796或US 2012/081590獲知的用于增加讀出速率的解決方案在于所謂的組巾貞(framing),其中，不總是整個CCD結(jié)構(gòu)被讀出而僅其當(dāng)前相關(guān)部分(其還被稱為R0I( “關(guān)注區(qū)”的縮寫)被讀出；這在對應(yīng)的較短時間量下是可以的。減小讀出時間還可以(對于損害了位置分辨率來說)通過裝倉(binning)來獲取，其中，該技術(shù)通常主要用于增加光靈敏度，對于位置編碼器的情況來說，其通常具有次級重要性，因為良好限定的甚或可調(diào)節(jié)的照明條件通常在位置編碼器中是普遍的，其中存在人工照明和與外部光影響有關(guān)的密封外罩。對于這種封裝的位置編碼器的情況來說，例如還可以通過光源的恰當(dāng)致動來獲取曝光控制，尤其是通過調(diào)節(jié)光發(fā)射的強度和/或發(fā)光持續(xù)時間。通過示例，傳感器元件上的代碼圖像的局部拖尾效應(yīng)(smearing)可以借助于短期照明(例如，采用納秒范圍或更短的閃光形式)來避免或減小，其可能是重要的，尤其是在動態(tài)移動的情況下。
[0012]在現(xiàn)有技術(shù)中使用的線傳感器或面?zhèn)鞲衅靼M接口或者數(shù)字接口。通過示例，根據(jù)CCD原理的模擬光學(xué)傳感器元件具有光敏像素線，其將入射光子轉(zhuǎn)換成電荷。根據(jù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這些可以實現(xiàn)為前側(cè)照明C⑶或后側(cè)照明(XD。這些電荷按所謂的勢阱收集在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，并接著作為模擬電荷移位至輸出部(=按時鐘輸出)，其中，每個單個像素的所收集的電荷被連續(xù)轉(zhuǎn)換成與電荷量成比例的電壓，或者轉(zhuǎn)換成與載流子數(shù)量相對應(yīng)的數(shù)字值。這種按時鐘輸出通過將其中包含了電荷的勢阱沿輸出方向移位，以線性移位緩沖器方式(還稱為庳鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)(bucket brigade))來進(jìn)行，對此，各種技術(shù)是已知的(例如，兩相、三相或四相按時鐘輸出)。
[0013]為了減小起暈效應(yīng)和/或拖尾效應(yīng)，已知CCD根據(jù)幀或線間傳遞原理或者根據(jù)這兩種原理的組合來操作。在這些中，電荷在限定曝光時間之后被傳遞到變暗半導(dǎo)體區(qū)，接著從其中讀出。
[0014]通過示例，對于電視攝像機(jī)的情況來說，面(XD芯片是已知的，其中，來自光敏區(qū)的電荷的移位在非光敏組件區(qū)(例如，按光學(xué)不透明方式遮蔽的組件區(qū))中發(fā)生，其在偶數(shù)編號線的情況下在第一側(cè)上而在奇數(shù)編號線的情況下在第二側(cè)上執(zhí)行。作為這種劃分至兩側(cè)的結(jié)果，可以通過單獨讀出偶數(shù)線或奇數(shù)線而有利地利用跳線(line-jump)方法讀出視頻圖像，舉例來說，如在US 7315329中描述的。
[0015]在慢動作技術(shù)中，所謂的高速攝像機(jī)也根據(jù)類似原理操作，借助于其，獲取每秒鐘大量幀的幀記錄速率，舉例來說，如在US 2003/0058355中描述的。在這些中，光子感應(yīng)電荷被順序地移位至多個不同傳遞檢測器，接著在所有情況下獨立地向其應(yīng)用耗時的讀出(和數(shù)字化)處理，即，可以說，并行地應(yīng)用。所需高幀速率可以通過該多個并行讀出來實現(xiàn)，作為其結(jié)果，可以避開來自單個圖像的讀出時間的限制。然而，這伴隨有這樣的缺點，即，其需要對應(yīng)的多倍芯片面積，用于傳遞陣列和多個輸出級。
[0016]除了 C⑶技術(shù)以外，光敏傳感器還可以實現(xiàn)有數(shù)字接口，舉例來說，如利用CMOS技術(shù)的傳感器。這里，相應(yīng)地，可以將一個估計電路分配給該傳感器的每個獲取區(qū)，該估計電路內(nèi)部地針對每個像素傳感器執(zhí)行模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換，緩沖該數(shù)字信息并且提供其以供讀出。這里，緩沖借助于針對數(shù)字值的數(shù)字存儲器而發(fā)生。盡管可以通過并行讀出來避免用于串行按時鐘輸出每條單個線的時間，但用于將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并且向前轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的時間，和用于順序讀出數(shù)字值的時間仍存在，并且限制了最大可能觸發(fā)速率，具體來說，特別是如果該轉(zhuǎn)換未完全流水線化。
[0017]還存在與傳感器有關(guān)的方法，其嘗試統(tǒng)一 CCD傳感器和CMOS傳感器的優(yōu)點，例如，在“ELECTRONICS LETTERS”第 44 卷 8 號(日期為 2008 年 3 月 10 日)中，P.R.Rao、X.Wang和 A.J.P.Theuwissen 的“CCD structures implemented in standard 0.18 mm CMOStechnology”中描述。然而，該工藝中所需的復(fù)雜制造工藝僅由非常少的生產(chǎn)者掌握，并且可由此獲取的優(yōu)點通常不能對在生成期間增加的工藝復(fù)雜性作出解釋。
[0018]本發(fā)明的目的在于改進(jìn)位置編碼器，尤其是包括光學(xué)傳感器元件的位置編碼器，具體來說，其與測量時間和位置分辨率相比高度精確。
[0019]對于其中用于測量值獲取的觸發(fā)信號彼此快速連續(xù)跟隨的情況來說，具體目的在于改進(jìn)位置編碼器的行為。
[0020]換一種方式表達(dá)，本發(fā)明的一目的是，提供一種位置編碼器，該位置編碼器包括用于獲取位置代碼的光學(xué)傳感器元件，其中，位置代碼獲取的時間可以根據(jù)觸發(fā)信號非常精確地設(shè)置，而且借助于其，即使對于多個觸發(fā)信號彼此快速跟隨的情況來說，該位置代碼仍保持可針對這些觸發(fā)時間中的每一個單個地獲取。
[0021]而且，其一目的是，提供用于基于觸發(fā)的位置代碼獲取的光學(xué)傳感器元件的有利致動。
[0022]該位置編碼器的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)以及小型化和成本降低是該目的的另一部分。
[0023]這里，提供用于高精度位置傳感器的代碼獲取元件(其使得即使在短時間幀內(nèi)也實現(xiàn)基于觸發(fā)的代碼獲取)也是本發(fā)明的另一目的，其中，具體來說，提供代碼獲取元件的對應(yīng)致動方法和關(guān)聯(lián)致動結(jié)構(gòu)也是該目的的連續(xù)部分。
[0024]這些目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求書的特征化特征來實現(xiàn)。按另選或有利方式開發(fā)本發(fā)明的特征可以根據(jù)相關(guān)專利權(quán)利要求書來收集。
[0025]下面，本發(fā)明將在一維線傳感器的實施方式中進(jìn)行說明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的是，本發(fā)明還可以按類似方式應(yīng)用至配備有多個光敏點傳感器的位置編碼器，其未按獲取區(qū)的至少近似連續(xù)直線(即，必需形成一連續(xù)線)設(shè)置。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器包括位置代碼和用于獲取該位置代碼的至少一部分的光學(xué)傳感器元件。這里，該傳感器元件具有光敏獲取區(qū)的線，其將入射光子轉(zhuǎn)換成電荷，和讀出結(jié)構(gòu)，該讀出結(jié)構(gòu)用于輸出與所存儲電荷相對應(yīng)的電數(shù)據(jù)信號。該讀出結(jié)構(gòu)可以執(zhí)行逐線(=平行)或元件接元件(=串行)讀出處理。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，所述傳感器元件出于臨時存儲電荷的目的，包括模擬存儲器結(jié)構(gòu)，該模擬存儲器結(jié)構(gòu)具有數(shù)量為N>1條的、光不敏感模擬存儲器單元的線，和電切換結(jié)構(gòu)，借助于其，可在獲取區(qū)、存儲器單元以及讀出線之間執(zhí)行電荷傳遞。具體來說，在這種情況下，獲取區(qū)、存儲器以及讀出結(jié)構(gòu)之間的電荷傳遞可以逐線地進(jìn)行。
[0028]換一種方式表達(dá)，本發(fā)明涉及具有光敏傳感器陣列的位置編碼器，其可以以模擬方式并且快速連續(xù)地緩沖傳感器中的照明狀態(tài)的多個值，以使可以在較短時間間隔內(nèi)執(zhí)行并緩沖多個測量，該測量僅可以在稍后時間讀出。這里，具體來說，該讀出持續(xù)時間還可以長于測量之間的短時間間隔。這里，觸發(fā)獲取照明狀態(tài)的值可以通過電觸發(fā)信號來觸發(fā)。
[0029]該切換結(jié)構(gòu)可以按這樣的方式來實現(xiàn)，S卩，獲取位置代碼的時間和將電荷從獲取區(qū)傳遞至存儲器結(jié)構(gòu)的時間可以根據(jù)觸發(fā)信號來確定，而讀出結(jié)構(gòu)輸出的時間可以根據(jù)與該觸發(fā)信號異步的讀出信號來確定，即，獨立于該觸發(fā)信號的時間。
[0030]本發(fā)明還涉及這樣的位置編碼器，S卩，用于臨時存儲電荷的傳感器元件被實現(xiàn)為模擬存儲器結(jié)構(gòu)，其具有光不敏感模擬存儲器單元的數(shù)量為N>1條的線。這里，存儲器單元的線的數(shù)量大于獲取區(qū)的數(shù)量，具體來說，存儲器單元的線的數(shù)量為獲取區(qū)的數(shù)量的倍數(shù)。這里，所述傳感器元件包括電切換結(jié)構(gòu)，借助于其，可在獲取區(qū)、存儲器單元以及讀出結(jié)構(gòu)之間執(zhí)行電荷傳遞，并且其按這樣的方式實現(xiàn)，即，存儲器單元的線之間的電荷傳遞可針對存儲器結(jié)構(gòu)中的單個線或者針對這些線的子集執(zhí)行。具體來說，在這種情況下，存儲器結(jié)構(gòu)中的線的上部可以獨立于該存儲器結(jié)構(gòu)的線的下部來移位。
[0031]這里，所述位置編碼器的實施方式可以包括:光敏獲取區(qū)的單一線、單一讀出結(jié)構(gòu)，以及存儲器單元的至少N彡2，具體來說，N彡4條線。
[0032]這里，所述切換結(jié)構(gòu)致使能夠在以下之間執(zhí)行電荷的傳遞
[0033].獲取區(qū)的線與模擬存儲器單元的線中的一個之間，按根據(jù)觸發(fā)信號預(yù)定的獲取時間，和
[0034].在模擬存儲器單元的線之間，具體來說，其中，該傳遞可單個地或者選擇性地針對存儲器結(jié)構(gòu)中的這些線中的每一條或者針對多條這些線的合適子集(作為一可限定子集)致動，和
[0035].在模擬存儲器單元至少一條線與讀出結(jié)構(gòu)之間，根據(jù)用于讀出在關(guān)聯(lián)觸發(fā)時間獲取的位置代碼的讀出信號。
[0036]這里，至少一個第二獲取由此可在第一獲取與完成所述第一獲取的關(guān)聯(lián)第一讀出之間執(zhí)行，該第二獲取的電荷以模擬方式臨時存儲在存儲器結(jié)構(gòu)中，并且其可以在第一讀出之后，按至少第二讀出中的稍后時間讀出。因此，第二觸發(fā)在完成第一讀出之前就已經(jīng)可以了。作為應(yīng)用根據(jù)模擬存儲器發(fā)明的結(jié)果，可以進(jìn)行非常快速連續(xù)的多個觸發(fā)(假設(shè)存儲器結(jié)構(gòu)包括自由存儲器線)，其獨立于讀出持續(xù)時間。
[0037]該傳感器元件可以包括放電結(jié)構(gòu)，其按這樣的方式實現(xiàn)，S卩，可存在于模擬存儲器單元中的一個中的電荷在電荷傳遞到這些存儲器單元中之前被放電。這里，該放電結(jié)構(gòu)不僅可應(yīng)用于所有線，而且具體說來，選擇性地應(yīng)用于模擬存儲器結(jié)構(gòu)的數(shù)量為N的線的子集，具體應(yīng)用于存儲器結(jié)構(gòu)的單個線。
[0038]該存儲器結(jié)構(gòu)或其致動邏輯單元可以包括存儲器管理器，其基于觸發(fā)信號和讀出信號來控制電荷傳遞。這里，該存儲器管理器可以按這樣的方式實現(xiàn)，即基于讀出信號，發(fā)生基于模擬存儲器值沿讀出結(jié)構(gòu)的方向傳遞存儲器結(jié)構(gòu)中的電荷，和通過讀出結(jié)構(gòu)的輸出數(shù)據(jù)信號。同時，該存儲器管理器可以按這樣的方式實現(xiàn)，即基于觸發(fā)信號，進(jìn)行將電荷從獲取區(qū)傳遞(即，移位)到存儲器結(jié)構(gòu)中。具體來說，該移位可以被實現(xiàn)到存儲器結(jié)構(gòu)中的、最接近讀出結(jié)構(gòu)定位的線中，并且其中先前觸發(fā)的電荷尚未被存儲。為此，該存儲器結(jié)構(gòu)按這樣的方式實現(xiàn)，即，不僅總體存儲器結(jié)構(gòu)可逐線移位，而且，存儲器結(jié)構(gòu)的僅一部分或單個線可按可選擇方式移位。這里，存儲器管理器的這兩個功能可以彼此獨立地執(zhí)行(除了瑣事以外)，即，具體來說，該輸出可以相對于該觸發(fā)異步實現(xiàn)。
[0039]該傳感器元件可以在公共半導(dǎo)體基板上安裝有具有CMOS的(XD。這里，具體來說，其中，該存儲器結(jié)構(gòu)可以采用CCD技術(shù)實現(xiàn)，并且該讀出結(jié)構(gòu)可以采用CMOS技術(shù)實現(xiàn)。
[0040]該傳感器元件可以利用相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)(CDS)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。具體來說，這可以加以實現(xiàn)，在于存儲器結(jié)構(gòu)的、從其實現(xiàn)傳遞到讀出結(jié)構(gòu)中的線(或者讀出結(jié)構(gòu)本身)。
[0041]獲取區(qū)的線可以包括至少一個暗像素，其被保護(hù)不受入射光子，并且其中，沒有因光子產(chǎn)生的電荷。該暗像素的電荷(具體來說，寄生電荷)還作為暗基準(zhǔn)在逐線傳遞期間傳遞。該暗基準(zhǔn)可以被用于改進(jìn)測量信號，具體來說，在前述CDS范圍內(nèi)。
[0042]除該第一步驟以外，借助于其，可以與位置編碼器中的觸發(fā)需求有關(guān)地實現(xiàn)該傳感器的改進(jìn)。上述根據(jù)本發(fā)明的傳感器及其致動除了采用上述形式的應(yīng)用以外，仍還在另一步驟的范圍內(nèi)有關(guān)可獲取信號指令方面得以改進(jìn)。即使沒有下面說明的開發(fā)，上述根據(jù)本發(fā)明的傳感器也可在許多應(yīng)用中應(yīng)用，其無論如何都可以被視為獨立發(fā)明，但其可以進(jìn)一步最優(yōu)化，如下面的開發(fā)實施方式說明的。
[0043]尤其是，作為根據(jù)本發(fā)明的基于觸發(fā)的致動的結(jié)果，在沒有觸發(fā)的情況下，泄漏電荷(例如，熱生成電子、…)可以在相對較長時段期間，在模擬存儲器中收集(在先前獲取光電荷所使用的存儲器中和未使用存儲器中)，該電荷隨著實際上要讀出的光子感應(yīng)電荷而累積，并且不利地影響或篡改估計結(jié)果。而且，作為在基于外部異步觸發(fā)來獲取的情況下缺乏移位固定循環(huán)時間和讀出線的結(jié)果，在每一個讀出之前的相應(yīng)普遍條件不再必需相同，例如針對恒定讀出速率就是這種情況。通過示例，與隨著兩個觸發(fā)之間的相對較長時間間隔的觸發(fā)信號的情況相比，在彼此快速連續(xù)跟隨的兩個觸發(fā)之間生成很少熱電荷。在現(xiàn)有技術(shù)中所應(yīng)用的讀出的固定幀速率方面，傳感器中的條件實際上針對兩個連續(xù)讀出相同，作為其結(jié)果，例如，平均暗值可以與測量值相減，或者可應(yīng)用其它類型的平均化，以改進(jìn)信號質(zhì)量并且減小噪聲。
[0044]作為重置存儲器和合適致動的、適于這些發(fā)現(xiàn)的策略或者重置用于存儲器單元的結(jié)構(gòu)的結(jié)果，在此可獲取根據(jù)本發(fā)明的另一些改進(jìn)。
[0045]由此，例如，空的或未使用存儲器單元(其不包含任何讀取光電荷)可以依靠被放電的、可能在其中收集的寄生電荷而在移位其中的光電荷之前被分別重置成完全限定的值。
[0046]通過示例，這種重置可以依靠總是具有針對放電通道(清除器、泄放槽(gutter))的電位降的未使用存儲器單元來進(jìn)行，其僅在將電荷傳遞到相應(yīng)單元中之前升高。為此，針對存儲器的合適重置結(jié)構(gòu)(其因此通過致動電路來致動)可以設(shè)置在半導(dǎo)體中。
[0047]另選的是或者附加地，一個或更多個暗像素還可以在所有情況下與光電荷一起共同移位。所述暗像素中收集的電荷可以在估計期間被用作用于暗值的基準(zhǔn)值，并且例如，與測量值相減；這對應(yīng)于相關(guān)雙采樣的原理。
[0048]除了硬件最優(yōu)化以外，數(shù)值改進(jìn)還可以例如依靠確定傳感器的溫度，和基于其和基于電荷的光子生成與其讀出之間的時間來統(tǒng)計上計算所希望電荷的熱生成量來獲取，其基于半導(dǎo)體的數(shù)值模型，接著，可以在估計的范圍內(nèi)在數(shù)值上對電荷的熱生成量加以補償。
[0049]為了將在兩個觸發(fā)事件之間因入射光子而生成的那些電荷放電，還可以在存儲器中使用所謂的垃圾線(trash line)，在觸發(fā)時通過其將先前收集電荷放電，以便按觸發(fā)時間獲取針對測量值的光電池的限定狀態(tài)。其僅在曝光時段之后，實際測量電荷被移位到下一存儲器線中。這里，在讀出期間，僅讀出具有測量值的存儲器線；垃圾線中的電荷不需要必需讀出，而是可以在不讀出的情況下直接廢除。在相對較長時間缺乏觸發(fā)信號的情況下，為了避免電荷從照明光電池溢出到其它芯片區(qū)中，可以設(shè)置所謂的溢漏，其在獲得飽和時，在這些電荷帶來不希望地溢出到相鄰像素或存儲器單元中的風(fēng)險之前按瞄準(zhǔn)方式泄放載流子，這類似于所已知的避免攝影傳感器中的拖尾效應(yīng)。盡管這種垃圾線原理由此需要更大數(shù)量的存儲器線(其不貢獻(xiàn)于確定該位置)，但這允許應(yīng)用異質(zhì)的容易處理的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0050]另選的是，專用結(jié)構(gòu)(具體來說，在光電池的情況下)可以被設(shè)置用于泄放觸發(fā)事件之間的電荷，該專用結(jié)構(gòu)例如在觸發(fā)時按第一方向(例如，向下，即，沿讀出線方向)將要確定的電荷移位到存儲器結(jié)構(gòu)中。然而，在沒有觸發(fā)的情況下，將不希望的電荷沿第二方向(例如，向上)移位至放電結(jié)構(gòu)。
[0051]通過不例，在一個實施方式中，將電荷從光電池(并且還可以至少在第一存儲器單元中)直接放電可以在未出現(xiàn)觸發(fā)信號時的時間期間執(zhí)行。隨著觸發(fā)信號的出現(xiàn)構(gòu)建與該放電有關(guān)的勢壘，該勢壘被保持達(dá)曝光時間(其還可以按可調(diào)節(jié)方式設(shè)計)，以使收集光電荷。這些光電荷借助于電位降朝著未使用存儲器單元移位。在這之后，電位降依次從光電池至放電結(jié)構(gòu)確立。該光電荷根據(jù)模擬存儲器結(jié)構(gòu)的占用狀態(tài)朝著讀出結(jié)構(gòu)移位，即，根據(jù)其中哪些存儲器線存儲了所獲取光電荷而其中哪些沒有來移位。這里，至少一個暗像素還可以在每一條線中共同移位，該暗像素不包含光電荷，而僅包含所收集寄生電荷。通過考慮該暗像素的電荷值或在估計期間的電荷，可以至少部分地補償如所述的許多寄生效應(yīng)，例如，還在例如US 2012/0081590或其它地方所述的。
[0052]本發(fā)明還涉及一種用于通過光敏獲取元件的線來光學(xué)獲取位置代碼的至少一部分的方法，其中，所述方法執(zhí)行以下步驟:在獲取區(qū)中獲取并轉(zhuǎn)換光子成電荷，并且在讀出結(jié)構(gòu)中輸出(通過讀出信號觸發(fā))與該電荷相對應(yīng)的電數(shù)據(jù)信號。
[0053]根據(jù)本發(fā)明，在這種情況下，根據(jù)觸發(fā)信號的觸發(fā)，將該電荷從獲取區(qū)移位到存儲器結(jié)構(gòu)中，該存儲器結(jié)構(gòu)具有模擬存儲器單元的N>1條線，并且在該模擬電荷借助于讀出結(jié)構(gòu)輸出之前將這些電荷臨時緩沖存儲在該存儲器結(jié)構(gòu)中。
[0054]這里，作為所述緩沖存儲的結(jié)果，所述獲取可以相對于所述輸出異步實現(xiàn)，具體來說，通過兩個獨立致動信號來控制。
[0055]借助于切換結(jié)構(gòu)，所述方法可以執(zhí)行以下步驟:_因觸發(fā)信號所導(dǎo)致的-將電荷從光敏獲取區(qū)的線移位到模擬存儲器結(jié)構(gòu)的所述線中的一個中。而且，借助于該切換結(jié)構(gòu)，所述方法可以執(zhí)行以下步驟:_因讀出信號所導(dǎo)致的-將電荷從模擬存儲器結(jié)構(gòu)中的所線中的一個移位到讀出結(jié)構(gòu)中，并且從讀出結(jié)構(gòu)輸出電數(shù)據(jù)信號。
[0056]這里，有關(guān)觸發(fā)信號條件化的移位可以沿讀出線的方向，與存儲器結(jié)構(gòu)中的線的推進(jìn)一起實現(xiàn)，尤其是存儲器結(jié)構(gòu)中的、緩沖存儲所獲取電荷的那些線。作為該推進(jìn)的結(jié)果，該切換結(jié)構(gòu)按這樣的方式實現(xiàn)，即，存儲器結(jié)構(gòu)中的移位可以針對該存儲器結(jié)構(gòu)中的單個線或線組選擇性地實現(xiàn)，而存儲器結(jié)構(gòu)中的其它線不位移。這里，選擇存儲器結(jié)構(gòu)中的多條線的子集還可以出于推進(jìn)的目的而一起移位，而其它，存儲器結(jié)構(gòu)中的已經(jīng)占用的線不移位。
[0057]該方法可以執(zhí)行以下步驟:在隨著選擇性傳遞存儲器結(jié)構(gòu)中的單個線或這些線的子集之前，將模擬電荷臨時緩沖存儲在存儲器結(jié)構(gòu)中。這里，具體來說，存儲器結(jié)構(gòu)中的線的上部可以獨立于該存儲器結(jié)構(gòu)的線的下部來移位，其中，作為所述緩沖存儲的結(jié)果，所述獲取可以相對于所述輸出異步實現(xiàn)。
[0058]這里，該讀出信號可與觸發(fā)信號有關(guān)地按時間獨立方式控制。因此，這兩個信號可以按彼此有關(guān)的方式異步。
[0059]在一專門實施方式中，該方法可以具體根據(jù)先入先出原理，將存儲器結(jié)構(gòu)管理為逐線移位寄存器。在該管理期間，具體來說，可以執(zhí)行選擇性擦除和移位存儲器結(jié)構(gòu)中的這些線的子集。具體來說，在將電荷移位到存儲器結(jié)構(gòu)的目標(biāo)線中之前，可以在此選擇性擦除該目標(biāo)線。
[0060]在一個實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法可以根據(jù)該觸發(fā)信號，將來自獲取區(qū)的電荷
[0061]■在放電結(jié)構(gòu)中放電，或者
[0062]■存儲在模擬存儲器結(jié)構(gòu)中。
[0063]這里，存儲器結(jié)構(gòu)中的電荷可以被移位到最接近讀出結(jié)構(gòu)定位的未占用線中。來自光-線的電荷由此例如選擇性地沿讀出結(jié)構(gòu)的方向逐線地移位，直到這些已經(jīng)直接推進(jìn)至已經(jīng)占用線(其中已經(jīng)存儲了在前獲取的電荷)的前方為止。
[0064]由此，在該過程中，存儲器結(jié)構(gòu)的已經(jīng)占用線未按根據(jù)觸發(fā)信號的方式移位。
[0065]根據(jù)觸發(fā)信號的觸發(fā)，根據(jù)本發(fā)明的方法可以執(zhí)行以下步驟:
[0066]■將先前收集寄生電荷從獲取區(qū)移位到存儲器結(jié)構(gòu)中的第一線中，其被用作無代碼信息垃圾線，接著，
[0067]■獲取用于確立位置代碼的光子，并且
[0068]■將所獲取電荷從獲取區(qū)移位到存儲器結(jié)構(gòu)中的第二線中，其被用作具有代碼信息的測量線。
[0069]具體來說，該垃圾線中的電荷可以被傳遞到放電結(jié)構(gòu)中以供放電，而測量線中的電荷可以被傳遞到讀出結(jié)構(gòu)中以供讀出。
[0070]本發(fā)明還涉及一種具有存儲在機(jī)器可讀介質(zhì)上的程序代碼的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其被實現(xiàn)為硬布線可編程邏輯控制器，或者發(fā)送為通過電磁波實現(xiàn)的計算機(jī)數(shù)據(jù)信號。這里，該程序代碼執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，具體來說，其中，該程序代碼在根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器中執(zhí)行電荷傳遞致動。具體來說，這在該程序代碼在根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的估計單元中和/或在與其相連接的估計電路中執(zhí)行時來應(yīng)用。
[0071]下面，基于附圖中示意性地描繪的具體示例性實施方式，按完全示例性的方式，對根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的裝置進(jìn)行更詳細(xì)說明，并且還討論了本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點。這里，所示圖不應(yīng)被視為表示尺寸。具體地:
[0072]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第一實施方式，該位置編碼器包括具有多條模擬存儲器單元的線的光學(xué)傳感器元件；
[0073]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的實施方式的第二例示圖，該位置編碼器包括具有多條模擬存儲器單元的線的光學(xué)傳感器元件；
[0074]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第三實施方式，該位置編碼器包括針對單一光敏線具有四條示例性模擬存儲器線的傳感器元件；
[0075]圖4示出了用于在根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的實施方式中進(jìn)行信號處理的第一定時圖；
[0076]圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器中的示例性觸發(fā)和讀出處理的例示圖；
[0077]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的實施方式中的信號處理的第二定時圖；
[0078]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的實施方式的框圖；
[0079]圖8示出了用于以光學(xué)方式獲取位置代碼的方法的實施方式的流程圖；
[0080]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第一示例性實施方式；
[0081]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第二示例性實施方式；
[0082]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第三示例性實施方式；
[0083]圖12示出了坐標(biāo)測量機(jī)中的、根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第一應(yīng)用示例；
[0084]圖13示出了大地測量儀中的、根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第二應(yīng)用示例；
[0085]圖14a至圖14e示出了作為針對伴隨快速連續(xù)跟隨的多個觸發(fā)信號的測量的示例，坐標(biāo)測量機(jī)中的、根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第三應(yīng)用示例；
[0086]圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第四實施方式的示意性例示圖；
[0087]圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第五實施方式的示意性例示圖；
[0088]圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第六實施方式的示意性例示圖；以及
[0089]圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第七實施方式的示意性例示圖。
[0090]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1(在此基于線傳感器來說明)，其以光學(xué)方式獲取位置代碼9的至少一部分。該位置編碼器9由此可例如采用對其成像、陰影投射、投影、干涉圖案形成等的形式，通過光學(xué)傳感器元件來獲取，其中，該編碼例如可以采用對照區(qū)、光學(xué)透過區(qū)和光學(xué)不透明區(qū)、表面紋理等的形式來形成。包含在其中的傳感器元件包括光敏獲取區(qū)10，已經(jīng)向其分配存儲器結(jié)構(gòu)11，該存儲器結(jié)構(gòu)具有每光敏像素16多條模擬存儲器單元14的線13。因此，多條非光敏模擬存儲器14的線13可用于光接收器線10，該存儲器能夠存儲根據(jù)入射光子P在光接收器16中生成的自由電荷。通過示例，從技術(shù)上看，這種結(jié)構(gòu)可以利用(XD技術(shù)或者采用具有(XD結(jié)構(gòu)的CMOS制造為半導(dǎo)體組件。如果存儲器14的結(jié)構(gòu)尺度與光敏區(qū)16相比較小，則這使能在半導(dǎo)體基板上緊湊容納。
[0091]在一個實施方式中，模擬存儲器結(jié)構(gòu)11的內(nèi)容在這種情況下，可沿該圖中的垂直向下方向(用箭頭30符號表示)位移。讀出結(jié)構(gòu)12的非常簡單的實施方式例如可以被實現(xiàn)為具有這樣一結(jié)構(gòu)的C⑶線，S卩，該結(jié)構(gòu)用于將該線內(nèi)的電荷串型移位至輸出電路。這里，讀出結(jié)構(gòu)12可以采用讀出線形式實現(xiàn)，其作為該CCD結(jié)構(gòu)中的最下側(cè)線，包括水平移位功能31，借助于其，串型讀出所存儲像素電荷可以按次序執(zhí)行，借助于該輸出電路，獲取輸出部處的電數(shù)據(jù)信號22，該數(shù)據(jù)信號取決于相應(yīng)數(shù)量的像素載流子。該讀出還可以并行地完全執(zhí)行，或者至少部分地執(zhí)行。
[0092]該切換結(jié)構(gòu)15用于致動電荷的移位，其根據(jù)外部觸發(fā)信號20并且根據(jù)讀出信號21來協(xié)調(diào)。
[0093]圖2示出了實施方式的稍微更詳細(xì)但仍是示意性的例示圖。當(dāng)光子p碰撞時，光敏像素16生成電子-空穴對，其中，自由電子7在勢阱下被俘獲。作為電極47(虛線所繪)的結(jié)果，該勢阱的形式可以在實線45與虛線46之間改變(沿坐標(biāo)系統(tǒng)55的電勢軸(pot-axis)的方向)，并由此，電荷7可以通過柵極47的恰當(dāng)致動而垂直位移(坐標(biāo)系統(tǒng)55的垂直軸(vert-axis))，如箭頭48所示。在這種情況下，這些勢阱被保護(hù)以免光輻射(例如，通過掩模6)，以便防止生成進(jìn)一步的光電子。該光電子可以存儲在該勢阱中，這是為何還被稱為模擬存儲器單元ml、m2、m3的原因。(在另一些圖中，標(biāo)號14還通常與其次序無關(guān)地被用于存儲器單元)。如點56所示，在此描繪的布置在位置編碼器中彼此緊挨著排列多次，以便獲取分別分配有存儲器單元ml、m2、m3 (也采用線布置)的光敏獲取區(qū)16的線。
[0094]這里，最下側(cè)線被實現(xiàn)為讀出結(jié)構(gòu)12，其在所示情況下，是水平移位寄存器(坐標(biāo)系統(tǒng)55的水平軸(hor-axis))，借助于其，像素電極7可以朝著電荷電壓轉(zhuǎn)換部50逐像素位移(箭頭49)，以轉(zhuǎn)換成模擬電數(shù)據(jù)信號22a，其可以利用模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，在傳感器內(nèi)部或傳感器外部地轉(zhuǎn)換成數(shù)字電數(shù)據(jù)信號22d。
[0095]根據(jù)觸發(fā)信號獲取可以以恒定速率或者因在任意非確定時間出現(xiàn)的外部觸發(fā)信號(任何種類的)，或者通過兩者的組合而觸發(fā)。尤其是非周期性觸發(fā)的情況下，隨著例如在通過外部原生成的觸發(fā)信號的情況下出現(xiàn)，如來自用于坐標(biāo)測量機(jī)、傳感器、末端開關(guān)或用于觸發(fā)信號的任何其它源的探測端頭，還可能必需設(shè)置用于擦除CCD結(jié)構(gòu)的專門預(yù)防措施。
[0096]對于來自現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器的情況來說，整個C⑶芯片在所有情況下利用重置信號擦除。然而，在本發(fā)明的含義中，擦除整個模擬存儲器不適宜所有情況，因為該模擬存儲器仍可以包含尚未被估計的、先前獲取線的測量值。不過，為了能夠確保本發(fā)明范圍內(nèi)的存儲器的限定狀態(tài)，在這種情況下需要不同地執(zhí)行重置。如果模擬存儲器結(jié)構(gòu)不包含任何測量值(例如，在恒定速率測量的情況下，其中，兩個觸發(fā)信號之間的時間不長于讀出所需時間)，則在所有情況下，可以擦除整個模擬存儲器結(jié)構(gòu)(其簡化了擦除的致動，并且作為其結(jié)果，可以獲取更高可靠性)。
[0097]通過示例，在不要估計的不需要方式收集的電荷可以僅向下移位，并且可以直接在那里放電，作為針對讀出的另選例(即，不饋送至串型估計，而是具體來說，并行放電)。通過示例，該放電可以在最后存儲器線中的底部右側(cè)實現(xiàn)(或者跟隨后者)，該最后存儲器線可以另選地讀出或擦除。
[0098]另選的是，不要估計的電荷的放電(例如，在光電元件16中的兩個觸發(fā)信號之間收集的這種電荷)還可以直接在所述光電元件處放電，例如，沿“向上”方向。這在圖2中最左側(cè)上依靠向放電部42 (泄放槽、清除二極管)致動勢壘的另一柵極40來描繪。后者沿方向41使可能在觸發(fā)信號之前存在的電子7放電，以使限定狀態(tài)在獲取光電荷7之前在光電池16和勢阱ml中占優(yōu)勢。
[0099]在本發(fā)明的范圍中，還可以應(yīng)用CDS(相關(guān)雙采樣)結(jié)構(gòu)，以便依靠使該測量值涉及所有情況下的基準(zhǔn)值來減小在讀出期間引入的噪聲，舉例來說，如在US4287441中或者在其它文獻(xiàn)中說明的。而且，當(dāng)應(yīng)用CDS估計時，其例如還可以免除在每一次讀出之前精確地重置讀出結(jié)構(gòu)。通過示例，對于不同值確定的情況來說，如果讀出電路以其它方式(潛在地)變得飽和，則僅重置成為必需的。而且，對于不同估計的情況來說，盡管應(yīng)用⑶S原理，但可能僅存在每像素一次讀出和數(shù)字化(對于大多數(shù)像素16來說)，與在所有情況下于傳遞像素電荷之前和之后采樣基準(zhǔn)值的常規(guī)CDS相比，其顯著減小了讀出時間。
[0100]如果實現(xiàn)相關(guān)雙采樣(⑶S)，則這可以在最下側(cè)線中實現(xiàn)。這里，當(dāng)前輸出的電荷還可以存儲在CDS電路的電容器中，而非CCD結(jié)構(gòu)的存儲器中。這里，致動單元的信號可以根據(jù)外部信號或者按預(yù)定序列預(yù)定將測量信號移位到CDS中的時間。通過示例，在一個實施方式中，移位到⑶S中總是可以在輸出之前直接執(zhí)行。在這種情況下，測量信號在測量之后(如出于簡化的理由在該圖中所描繪的)不移位到最下側(cè)線(其現(xiàn)在被保留用于CDS)中，而相反移位到其上的線中。僅在該讀出信號是所執(zhí)行CDS時，測量0(m0)被移位到讀出線中并且隨后輸出。在該處理中或者此后，位于其上的所占用存儲器線的內(nèi)容由此可以推進(jìn)。
[0101]而且，熱生成載流子(所謂的“暗電流”)可以借助于諸如平均化、讀出一個或更多個暗像素、冷卻傳感器等的已知處理來補償或減小。根據(jù)本發(fā)明，作為慢讀出(所謂的“慢掃描”)的結(jié)果，同樣可以應(yīng)用噪聲減小。因為根據(jù)本發(fā)明，該讀出不再導(dǎo)致編碼器受阻用于另一觸發(fā)信號，所以還可以應(yīng)用相對較慢的讀出。因此，讀出速度不再受限于觸發(fā)速率，具體來說，假設(shè)仍可獲足夠的自由存儲器線，因此，假設(shè)短期觸發(fā)速率乘以讀出時間仍保持小于存儲器線的數(shù)量。
[0102]圖3示出了采用傳感器線10的形式的有源光學(xué)表面，并且下面是，用于直至四個測量的模擬存儲部13a、13b、13c、13d的結(jié)構(gòu)。在傳感器線中生成的光電荷可以沿方向30移位到存儲器結(jié)構(gòu)中，并且在后者中，還可以在所有情況下逐線移位。如在該圖中用符號表示的，與光學(xué)有源表面相比，用于模擬存儲部13a、13b、13c、13d的區(qū)域可以占據(jù)半導(dǎo)體基板上的不同區(qū)域。具體來說，在其幾何尺度方面，存儲器單元可以小于分配給其的光敏區(qū)。
[0103]為了描述根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器，還可以依靠指定的方向來描述其實施方式。這里，水平和垂直，或者向上、向下、向左以及向右標(biāo)注在所有情況下涉及相應(yīng)描繪的圖，而不應(yīng)被視為絕對的。特定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)的幾何布置當(dāng)然也可以偏離在此提到的這些“邏輯”方向，假設(shè)在此未針對該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行明確說明。
[0104]這涉及位置編碼器1，其包括用于光學(xué)位置代碼獲取的傳感器元件，包括水平光-線10和由多個水平模擬存儲器線13a、13b、13c、13d(其內(nèi)示例性方式示出了其中四個)組成的垂直結(jié)構(gòu)，其可通過切換結(jié)構(gòu)致動，以選擇性垂直移位30單個模擬存儲器線13a、13b、13c、13d 之間的電荷。
[0105]最下側(cè)線被實現(xiàn)為用于并行或串行輸出電荷的讀出結(jié)構(gòu)(例如，轉(zhuǎn)換成電數(shù)據(jù)信號以供進(jìn)一步處理和位置確定)。
[0106]根據(jù)觸發(fā)信號的觸發(fā)，將光生成電荷從光-線10垂直移位(具體來說，連續(xù)/串行)到最接近讀出線10定位的未占用模擬存儲器線13a、13b、13c、13d中，而已經(jīng)占用的線不移位。在完成讀出處理之后，(可能存在的)被占用模擬存儲器線13a、13b、13c、13d基于讀出信號向下垂直移位一條線到讀出線中，并且在那里讀出(垂直或水平)。位于更上方的被占用線因此在讀出一條線之后推進(jìn)。
[0107]從而，為了獲取這種可移位性，存儲器結(jié)構(gòu)的線可單個地或者按組選擇性地移位，其中，尤其是存在存儲器結(jié)構(gòu)內(nèi)的線的分開可移位性，其中可選擇性地選擇的，存儲器結(jié)構(gòu)的上方線區(qū)域可以基于觸發(fā)信號相對于光敏線推進(jìn)移位，并且與其分離地，存儲器結(jié)構(gòu)的下方線區(qū)域可基于讀出信號沿讀出線的方向移位。這里，上方線區(qū)域和下方線區(qū)域之間的邊界的位置可根據(jù)存儲器的填充狀態(tài)改變。因為根據(jù)本發(fā)明，觸發(fā)信號和讀出信號可以彼此相關(guān)地異步出現(xiàn)，所以存儲器結(jié)構(gòu)的一部分結(jié)果還可以相對于彼此異步移位。
[0108]在用于根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1的傳感器元件的另一實施方式中，這可以依靠按這樣的方式修改的標(biāo)準(zhǔn)二維表面CCD結(jié)構(gòu)來生成，即，單一線10現(xiàn)在是光敏的，而全部另外的線變暗，即，被光不透明層遮蔽。因為這些遮蔽(并由此不再光敏)，所以現(xiàn)在可以將線僅僅用作逐線可移位電荷存儲器，實現(xiàn)線傳感器的實施方式在根據(jù)恰當(dāng)致動本發(fā)明的切換結(jié)構(gòu)的情況下顯現(xiàn)出，其使能選擇性移位所有線中的單個線或一部分而不僅僅是整個存儲器結(jié)構(gòu)。這里，用于從光敏線10移位電荷的線時鐘因觸發(fā)信號而造成。通過示例，在所有情況下，可以隨著觸發(fā)信號的上升邊緣和下降邊緣，將光電荷從線10移位至暗線13a、13b、13c、-13d中的一個，S卩，沿讀出線的方向?qū)㈦姾梢莆恢疗淝懊娴淖詈笕晕凑加玫拇鎯ζ骶€13a、13b、13c、13d，然而，所占用存儲器線未共同移位。
[0109]圖4示出了在水平時間幀t上描繪的、測量(即，光學(xué)獲取)的和線讀出的示例性觸發(fā)定時和持續(xù)時間。上方線中的每一個觸發(fā)信號T0、T1、T2、-T3觸發(fā)中間線中的測量(m0、ml、m2、m3)，g卩，光敏元件10的電荷被移位到模擬存儲器13a、13b、13c、13d中。在隨后時間，這些測量可以采用模擬形式從所占用模擬存儲器13a、13b、13c、13d按時鐘輸出，并且例如利用A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，其在下方線中用關(guān)聯(lián)持續(xù)時間rO和rl描繪。可以存在用于頂部的觸發(fā)和用于底部的讀出的信號(例如，經(jīng)由傳感器元件的電連接)。通過示例，獲取或測量可以利用預(yù)定的、具體來說恒定曝光持續(xù)時間m0、ml、m2、m3來實現(xiàn)。在具有存儲器值mO的第一線已經(jīng)在rO結(jié)束時輸出之后，隨后可以(而且在此后直接地)依靠向下移位到讀出結(jié)構(gòu)中的該線在時間rl輸出具有存儲器值ml的下一條線。
[0110]另選的是，還可以利用多個A/D轉(zhuǎn)換器并行地在所有情況下估計整個線或其一部分。因為作為根據(jù)本發(fā)明的模擬存儲部的結(jié)果，讀出速度不再是與兩個直接連續(xù)觸發(fā)信號(例如，T0和T1)之間的容許時間間隔有關(guān)的關(guān)鍵因子(尤其是對于存儲器結(jié)構(gòu)11的足夠存儲器深度的情況來說)，所以對于快速連續(xù)地彼此跟隨的幾個觸發(fā)信號ΤΟ、ΤΙ、T2、T3的臨時突發(fā)的情況來說，這種并行化及其硬件復(fù)雜性在用于滿足需求的讀出期間不再是強制的。然而，讀出速度應(yīng)當(dāng)按這樣的方式清楚地定尺寸，即，后者使能至少在平均化、平均觸發(fā)速率的情況下讀出所有值，針對其目的，還可以在需要時應(yīng)用(至少部分地)并行化讀出。模擬存儲器結(jié)構(gòu)11的所需深度(即，有多少線13需要以模擬形式存儲，以便滿足該應(yīng)用的需要)還在有關(guān)針對該特定應(yīng)用情況的觸發(fā)和讀出速率的這種考慮的范圍內(nèi)確定。通過示例，在這種情況下，可以使用最壞的情況，或者還可以應(yīng)用統(tǒng)計方法。
[0111]圖5示出了其中生成代碼獲取之前的限定狀態(tài)按特定方式來解決的實施方式。
[0112]為了總是在用于準(zhǔn)確測量的位置編碼器1中具有相同先決條件，有利的是，使有源傳感器表面10和存儲器結(jié)構(gòu)11中的所涉及模擬存儲器區(qū)進(jìn)入限定狀態(tài)，即，針對每一個觸發(fā)信號ΤΟ、ΤΙ、T2、T3重置這些(其隨后還被稱為擦除)。在現(xiàn)有技術(shù)中，在(XD的情況下，這種擦除總是應(yīng)用至整個結(jié)構(gòu)11 ;然而，如上所述，在目前情況下這并不總是可以的，因為可能獲得的先前測量仍要存儲。
[0113]為了實現(xiàn)這些，可以在存儲器結(jié)構(gòu)11中設(shè)置垃圾線tr，其緩沖存儲可能已經(jīng)在先前測量與當(dāng)前測量之間的時間中收集的電荷。該不需要的電荷(其在兩個測量之間產(chǎn)生(因曝光、暗電流等))在這些垃圾線tr中收集但不被估計。這里，這些垃圾線tr可以具有和存儲器線相同的實施方式；由此，具體來說，僅結(jié)構(gòu)11中的可用存儲器被用作垃圾線tr或者用作存儲器線m。
[0114]垃圾線tr可以與存儲器結(jié)構(gòu)中的要估計的線向下共同移位，并且其電荷可以直接饋送至放電部(例如，地)，而非被估計。這種放電可以通過按時鐘輸出串行實現(xiàn)，否則針對整個線并行實現(xiàn)。因此，僅包含測量數(shù)據(jù)的線作為數(shù)據(jù)信號輸出并且饋送以估計。
[0115]圖5示出了這種實施方式的示例，其與圖3相比，具有擴(kuò)展達(dá)三條線的存儲器結(jié)構(gòu)11。這里，還明確地描繪了讀出結(jié)構(gòu)12。在那下面描繪了時間進(jìn)展(具有和先前圖相同的定時)。這里，還可以標(biāo)識存儲器線的、要在該處理中執(zhí)行的單個移位，以針對存儲器結(jié)構(gòu)的、在該處理中未共同移位的下方已占用部分推進(jìn)正好獲取的電荷。
[0116]盡管測量m0已經(jīng)在測量m2和m3期間輸出為r0，但模擬線存儲器仍被占用，直到該線已經(jīng)全部輸出為止。另選的是，該線還可能已經(jīng)在CDS之后釋放，作為示例，依靠將電荷緩沖存儲在電容器中以供串行輸出。該存儲器值僅在輸出r0之后向下移位，從而可以擦除第一垃圾線trl。如果(如上所述作為一個另選例)該線已經(jīng)釋放，則內(nèi)部存儲器線的移位已經(jīng)在輸出r0期間因外部信號所造成，例如，同樣借助于另一觸發(fā)信號，借助于其，觸發(fā)新測量ml。隨后，來自測量ml的測量信號準(zhǔn)備輸出，并且具體來說，可以在此后直接輸出。隨后，再一次向下移位一個，并且可以擦除垃圾線tr2，而且隨后，測量m2可以在讀出r2期間輸出。
[0117]另選的是，不希望有的廢線的放電還可以更往上地在存儲器中實現(xiàn)，作為其結(jié)果，需要更少的廢存儲器線。由此，例如，具體設(shè)置的廢存儲器線可以設(shè)置在光敏元件“上方”，并因此，測量值可以向下移位到模擬存儲器陣列中，而廢值可以向上移位。
[0118]在另一實施方式中，按該觸發(fā)時間獲取的兩個測量值之間的不必要電荷的放電還可以直接在光敏元件上實現(xiàn)，例如，依靠其連接至地的輸出或者在休息狀態(tài)下的基準(zhǔn)電平，即，不需要觸發(fā)信號，而且載流子僅被累積并且隨后在觸發(fā)的情況下向下移位到該陣列中。這種原理也已經(jīng)在圖2中進(jìn)行了說明(例如，作為清除二極管)。
[0119]在這方面，圖6中再一次示出了定時圖，其中，在從底部起的第二線中，已經(jīng)添加了用于將所述測量之間的不必要的電荷放電的擦除柵極d的致動。在這種情況下，存儲器線的推進(jìn)在所有情況下在兩個讀出處理rO與rl之間實現(xiàn)。
[0120]然而，在此應(yīng)注意到，除了光敏區(qū)以外，因為來自泄漏電流等的電荷(其可能篡改測量值)也可以在其中累積，所以針對模擬存儲部設(shè)置的線還應(yīng)在寫入這些之前被擦除。因此，從底部至頂部擦除應(yīng)當(dāng)總是在不再存儲測量信號的存儲器線中開始，即，包括從底部至頂部的所有空存儲器線。當(dāng)前測量值隨后通過這些空線向下移位至最下側(cè)自由線。
[0121]另選的是或者附加地，還可以通過所提到的共同移位暗像素和在估計期間考慮其來補償寄生電荷。
[0122]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的、包括光學(xué)傳感器元件的位置編碼器1的實施方式的示意性框圖。在此，根據(jù)位置代碼9，光子p碰撞獲取區(qū)10并在其中轉(zhuǎn)換成電荷7。這些電荷7按通過致動邏輯15a和切換結(jié)構(gòu)15b控制的方式并且按根據(jù)觸發(fā)信號20的方式移位到模擬存儲器結(jié)構(gòu)11中，并且所述電荷存儲在存儲器單元中的那里，具體來說，CCD勢阱中。根據(jù)讀出信號21，電荷7通過切換結(jié)構(gòu)15b移位到讀出結(jié)構(gòu)12中，從那里起，它們在轉(zhuǎn)換成電數(shù)據(jù)信號22下，按關(guān)聯(lián)觸發(fā)20的時間，輸出為根據(jù)所獲取位置代碼9的輸代碼字。這里，致動邏輯15a按這樣的方式協(xié)調(diào)該處理，S卩，所占用存儲器結(jié)構(gòu)11在讀出期間沿讀出結(jié)構(gòu)12的方向推進(jìn)，并且在觸發(fā)20期間，存儲器結(jié)構(gòu)11中的電荷7被移位到最近自由存儲器線12中(如從讀出結(jié)構(gòu)12中看到的)，而在該處理器中不移位所專用存儲器結(jié)構(gòu)11。這里，可以在每一次移位之前擦除相應(yīng)目標(biāo)線，以便放電可能存在的接收電荷收集。
[0123]圖8描繪了針對根據(jù)本發(fā)明的用于光學(xué)獲取位置代碼的方法的示例性流程圖。該方法具有兩個異步部分，即，可以在時域上彼此獨立執(zhí)行的部分-通過有限數(shù)量的存儲器線遠(yuǎn)離輕微因果性條件和限制。
[0124]上半部分中描繪的部分通過在查詢60中檢查的觸發(fā)信號來觸發(fā)。在該觸發(fā)信號之后，存儲器結(jié)構(gòu)的一條線在步驟61中擦除，并且此后，光-線的電荷被移位到其中并且以模擬形式存儲在那里?？蛇x的是，在移位之前等待限定曝光時間，在該曝光時間期間，收集電荷-按代碼相關(guān)方式分布在光電池之上。該電荷可以進(jìn)一步沿讀出結(jié)構(gòu)的方向在存儲器結(jié)構(gòu)中移位(如步驟65中所示)?？赡茉趫D64中描繪的相應(yīng)先前擦除目標(biāo)線之后，假設(shè)目標(biāo)線尚未被先前存儲電荷所占用，其通過查詢63來檢查。
[0125]下半部分中描繪的部分通過在查詢70中檢查的讀出信號來觸發(fā)。根據(jù)查詢71，假設(shè)所存儲光電荷存在于存儲器結(jié)構(gòu)中，這些在步驟72中被移位到讀出結(jié)構(gòu)中，其在需要時，也預(yù)先被擦除。該移位可以在應(yīng)用⑶S原理下實現(xiàn)，或者⑶S可以在移位之前執(zhí)行。存儲器結(jié)構(gòu)中的剩余線(其中，同樣存儲有來自其它觸發(fā)時間的光電荷)因此在步驟73中，沿讀出線的方向推進(jìn)。在該讀出線中，在步驟74中讀出并且轉(zhuǎn)換成電數(shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號表示按所關(guān)聯(lián)觸發(fā)時間，在光-線處的照明條件。這里，輸出線的讀出可以串行或并行或者兩者的混合形式來實現(xiàn)，并且例如還可以包括該值的放大和/或數(shù)字化。讀出74可以及時隨著推進(jìn)73之前、之后，或并行實現(xiàn)。
[0126]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的作為具有攜帶位置代碼9的環(huán)形代碼承載體的旋轉(zhuǎn)位置編碼器的位置編碼器1的實施方式。在該圖像的左手側(cè)部分中，利用反光法通過光學(xué)輻射P碰撞代碼，而在右手側(cè)部分應(yīng)用透光法。這構(gòu)成了兩個另選，其通常在一個位置編碼器中不一起使用。然而，位置代碼獲取通常按代碼承載體上的多個點來執(zhí)行，以便通過平均化、誤差建模等來改進(jìn)測量準(zhǔn)確度或創(chuàng)建冗余度。通過示例，通過沿其圓周采集旋轉(zhuǎn)代碼許多次，還可以確立并補償動態(tài)偏心，作為其結(jié)果，例如，降低了針對這種旋轉(zhuǎn)編碼器的軸承的質(zhì)量需求。
[0127]圖10示出了如上所述用于在根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1中獲取位置代碼9的透光法。除了利用透光和不透光表面區(qū)的成像編碼9以外，還可以使用不同的代碼，例如，衍射圖案或自然紋理作為代碼.
[0128]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1作為線性位置編碼器的示例性實施方式.在于此所示示例中，利用位置代碼部9的所發(fā)送照明，使位置代碼9的一部分可通過編碼器1的光學(xué)輻射P來獲取，以使光敏元件10的線可以讀取該代碼區(qū)。上面，已經(jīng)對根據(jù)本發(fā)明的所示位置編碼器1的實施方式進(jìn)行了詳細(xì)討論。
[0129]圖12示出了作為關(guān)節(jié)臂的坐標(biāo)測量機(jī)99的示例，其配備有觸摸-觸發(fā)探針90。根據(jù)本發(fā)明的線性和旋轉(zhuǎn)位置編碼器1被安裝在所示關(guān)節(jié)臂中，以供根據(jù)觸摸探針1的觸發(fā)信號所觸發(fā)的高精度位置值獲取。具體來說，針對快速移動的情況、操作員振顫的情況，或者該及其振動的情況，觸發(fā)測量的觸發(fā)信號隨著極短的時間間隔(尤其是，作為觸發(fā)脈沖的突發(fā))出現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1能夠在這種突發(fā)觸發(fā)信號的情況下獲取針對單個脈沖中的每一個的代碼字。
[0130]通過示例，還可以利用該傳感器來執(zhí)行快速平均值形成。由此，例如，在不同實施方式中，對于具有“觸摸-觸發(fā)探針”的關(guān)節(jié)臂的情況來說，可以在觸發(fā)其測量時快速連續(xù)地在一個點進(jìn)行數(shù)量為N的測量，該測量隨后可以在用戶瞄準(zhǔn)下一測量點的同時依次地通過控制單元91更慢地處理。根據(jù)該N個測量值的所得可能平均值形成可以有助于增加測量的準(zhǔn)確度或者有助于排除錯誤測量。
[0131]圖13示出了具有根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1的大地測量儀98，其用于按觸發(fā)測量時的時間來確定該儀器的目標(biāo)軸環(huán)繞垂直軸和傾斜軸的旋轉(zhuǎn)位置。作為可根據(jù)本發(fā)明獲取的高時間同步性的結(jié)果，可以排除獲取位置之間沿水平方向和沿垂直方向的移動，從而，即使用于軸移動的伺服電機(jī)仍振動或者有超過其位置，也可以確定所測量空間坐標(biāo)的高度一致性。
[0132]圖14a示出了坐標(biāo)測量機(jī)99中的、根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1的示例性應(yīng)用，具體來說，在用于確立管徑的、具有測量端頭95的關(guān)節(jié)臂中。這里，來自該關(guān)節(jié)臂的旋轉(zhuǎn)和/或線性編輯器1的位置信息在每一個觸發(fā)信號的情況下獲取。這里，該測量通常依靠在要測量的管道94上方引導(dǎo)叉狀測量端頭95的用戶用手來執(zhí)行。然而，另選的是，該移動還可以通過機(jī)動坐標(biāo)測量機(jī)99按自動方式來執(zhí)行。
[0133]該實際測量(如圖14a至圖14e中所示)按這樣的方式來進(jìn)行，即觸發(fā)信號按光束92、93因測試物體94中斷或重建時的任何時間來觸發(fā)，該觸發(fā)信號觸發(fā)確定角度和/或長度測量值。
[0134]圖14a中沒有中斷光束92、93。如果測量叉95現(xiàn)在在管道94上方降低，則虛線所描繪的第一光束93被中斷，以使觸發(fā)第一觸發(fā)信號，這在圖14b中示出。在將管道94進(jìn)一步沉浸到叉子95中的期間，還中斷第二光束92 (虛線所描繪)，如圖14c所示，從而觸發(fā)第二觸發(fā)信號。第三觸發(fā)信號的觸發(fā)在圖14d示出并且因光幕中的第一光束93未被阻止而造成。在圖14e中，第二光束92在叉子95在管道94上方的進(jìn)一步移動期間再次消除阻擋，觸發(fā)了第四觸發(fā)信號。
[0135]現(xiàn)在，可以在坐標(biāo)測量機(jī)99的根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器1中，基于按這四次觸發(fā)時間在所有情況下觸發(fā)的測量值獲取來確立管徑。在管道測量的所示應(yīng)用中，右手側(cè)側(cè)93和左手側(cè)92傳感器的觸發(fā)信號例如在叉子95在管道94上方居中移動的情況下非?？焖龠B續(xù)地跟隨。結(jié)果，對應(yīng)地，在現(xiàn)有技術(shù)中需要短測量數(shù)據(jù)，其需要快速而且通常也昂貴的電子裝置。而且，快速電子裝置還生成高熱損耗，其不利地影響可獲取準(zhǔn)確度，例如因在該處理期間出現(xiàn)的溫度變化和與其相連接的溫度膨脹。
[0136]根據(jù)本發(fā)明，所獲取位置代碼現(xiàn)在以模擬形式臨時存儲在位置編碼器1本身的高靈敏傳感器中(即，例如，CCD或CMOS陣列中)，其可以處于短時段內(nèi)并且具有低能量支出。以模擬形式存儲的信息隨后可以讀出-甚至以更慢的速度。由此，該讀出無論如何都可以需要比兩個觸發(fā)信號之間的時間更長的時段。通過示例，該讀出和處理(其例如鏈接至模擬值的按時鐘輸出、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換以及位置計算)還可以比觸發(fā)信號的兩個觸發(fā)之間的時間花費更長。
[0137]這里，來自獲取區(qū)的、以模擬形式存儲的值除了串行按時鐘輸出以外還可以并行數(shù)字化，并且還可以可選地按數(shù)字形式再次緩沖存儲在傳感器上。而且，所獲取位置代碼的直接估計(或者在該方面的預(yù)處理)可以在傳感器上實現(xiàn)。
[0138]圖15示出了具有光敏線10的實施方式，例如，實現(xiàn)為背側(cè)照明光電二極管線，其跟隨著模擬CCD存儲結(jié)構(gòu)11，其中，該電荷可以沿讀出結(jié)構(gòu)12的方向按移位方向移位。該移位通過觸發(fā)信號20來觸發(fā)，并且電荷移位至未占用存儲器線131的最下側(cè)一條。被占用存儲器線13f基于讀出信號21沿讀出結(jié)構(gòu)121的方向移位。在這里描繪的實施方式中，這例如利用具有CCD結(jié)構(gòu)的CMOS技術(shù)而實現(xiàn)為整個線的并行估計。
[0139]在圖16的實施方式中，暗像素80緊接著光敏線10描繪，其中，暗像素沒有收集光電荷，而是僅收集寄生電荷，其接著可以與作為暗基準(zhǔn)的像素測量值相減，具體來說，在讀出期間。在實踐應(yīng)用中，例如還可以應(yīng)用多個這種暗像素80，以便獲取該暗值的平均值。該暗值相減可以以模擬形式執(zhí)行(例如在移位到讀出結(jié)構(gòu)12中期間)，或者按數(shù)字形式執(zhí)行(即，在已經(jīng)進(jìn)行讀出之后)。在該例示中，CDS電路81在讀出結(jié)構(gòu)12中示出，該CDS結(jié)構(gòu)使用暗像素80的暗值。在這個實施方式中，在光-線10上描繪了擦除結(jié)構(gòu)82，借助于該擦除結(jié)構(gòu)，在缺乏觸發(fā)信號20的情況下，將電荷從光電池放電。光電荷僅按觸發(fā)時間收集，并且隨后移位到存儲器結(jié)構(gòu)11中，如前所述。該讀出通過可以獨立于觸發(fā)信號20來觸發(fā)的讀出信號實現(xiàn)。觸發(fā)20和觸發(fā)21由此可以相對于彼此異步實現(xiàn)(遠(yuǎn)離微不足道的條件，舉例來說，如在不可能觸發(fā)之前讀出、存儲器線中的至少一條必須在觸發(fā)期間釋放，以便不獲取數(shù)據(jù)損失等)。
[0140]圖17例示了其中模擬存儲器結(jié)構(gòu)11被實現(xiàn)為利用CMOS技術(shù)而非CCD結(jié)構(gòu)的電容器結(jié)構(gòu)的實施方式。這里，如同在模擬CCD存儲器的情況中，象征性指示的切換結(jié)構(gòu)85被設(shè)置在存儲器線的每一條處，以供逐線移位30或擦除83電荷。底側(cè)線被實現(xiàn)為讀出結(jié)構(gòu)12，其可通過在時域上獨立于觸發(fā)的讀出信號21來致動。
[0141]在其它實施方式中，而非實現(xiàn)為利用CCD技術(shù)的移位寄存器，在模擬CCD存儲器之后(即，其沿移位方向30的下游側(cè))的讀出結(jié)構(gòu)還可以被實現(xiàn)為電容器線，其中，電荷出于估計目的而移位。這些電容器可以并行(在所有情況下按每電容器一個ADC)或者按順序(通過一個或更多個ADC上的復(fù)用器電路)來估計。因此，底側(cè)CCD線在讀出處理期間針對隨后處理釋放。
[0142]在這種不同實施方式中，先前描述的相關(guān)雙采樣81還可以通過將電荷從C⑶結(jié)構(gòu)的模擬存儲器11移位到讀出結(jié)構(gòu)12的電容器中來應(yīng)用。根據(jù)該實現(xiàn)，在這種情況下，CDS81可以針對整個線并行或者串行執(zhí)行。除了模擬CDS 81以外，在估計數(shù)字像素值期間，還可以依靠同樣被數(shù)字化并接著以數(shù)值方式考慮(即，例如相減)的、CDS的至少一個基準(zhǔn)值執(zhí)行⑶S的數(shù)字變體。
[0143]在圖18所示的實施方式中，該讀出結(jié)構(gòu)12例如可以被實現(xiàn)為電容器86的線，其設(shè)置有復(fù)用器結(jié)構(gòu)87，作為用于放大和/或A/D轉(zhuǎn)換的輸出部的數(shù)據(jù)信號22。該讀出經(jīng)由一個或更多個讀出信號21來實現(xiàn)，其控制讀出處理。在開始每一個讀出處理時，電荷從模擬(XD存儲器結(jié)構(gòu)11的底側(cè)線經(jīng)由⑶S結(jié)構(gòu)81施加至電容器。這里，⑶S 81可以針對整個線并行執(zhí)行。在從CCD傳送電荷之前，電容器86仍可以被主動擦除，即，例如通過將電荷放電至更低電勢來釋放可能寄生電荷。
[0144]這里，模擬(XD存儲器結(jié)構(gòu)11按這樣的方式實現(xiàn)，即，光電荷P沿向下方向的逐線移位由此可執(zhí)行，其中，具體來說，不僅整個存儲器結(jié)構(gòu)11可移位，而且僅發(fā)生移位直到最低自由存儲器線和位于更下面的線(其已經(jīng)被先前獲取光電荷占用)未共同移位為止。而且，這些線中的每一條都單個地擦除。除了單個擦除以外，可以提供用于擦除整個C⑶結(jié)構(gòu)11的適當(dāng)致動。該功能通過所描繪切換結(jié)構(gòu)85從一條線至下一條線或者至地來符號表示。這里，所描繪切換結(jié)構(gòu)85具有象征性符號，并且不必描繪針對這些功能的實際半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實踐實現(xiàn)，針對它們本身采取的這些功能當(dāng)然是現(xiàn)有技術(shù)所已知的。
[0145]致動該移位和擦除通過致動邏輯15來實現(xiàn)。后者的主要目的是，在觸發(fā)信號20的情況下，按逐線方式將光-線10中的電荷移位到CCD結(jié)構(gòu)11中，并且在那里移位到最低自由線中。這里，目標(biāo)線或多條目標(biāo)線可以在每一次移位之前擦除。當(dāng)根據(jù)讀取信號21觸發(fā)讀取處理時，電荷(可能通過應(yīng)用⑶S)被移位到讀出結(jié)構(gòu)12中，并且從那里輸出，例如輸出至全流水線ADC。在該處理中，光電荷所位于的所有存儲器單元因此沿向下方向推進(jìn)，其中，目標(biāo)線同樣可以與該推進(jìn)對應(yīng)地預(yù)先擦除。這需要CCD存儲器結(jié)構(gòu)11的選擇性的逐線移位和/或擦除功能，其例如在常規(guī)幀傳遞CCD中未給出。這里，觸發(fā)信號20和讀出信號21可以彼此獨立地實現(xiàn)，具體來說，按在時域上不同步方式。
[0146]利用相對更復(fù)雜的連接和切換機(jī)制，除了上述FIFO原理(先入先出)以外，還可以將該存儲器線用作隨機(jī)存取存儲器。通過示例，光-線10的電荷可以另選地按直接方式移位到所述多條存儲器線中的一個中，和/或這些可以另選地移位到讀出結(jié)構(gòu)中。對應(yīng)存儲器管理邏輯確保將光電荷分別存儲在自由存儲器線(并且這些在必要時被預(yù)先擦除)中，并且確保在讀出期間保持希望順序，例如，觸發(fā)的順序)。這適宜于本身，具體來說，如果半導(dǎo)體上的存儲器結(jié)構(gòu)11比光敏表面10更小，并因此，多個存儲器單元在一個光電池下具有空間。
[0147]具體來說，如果作為前述主動照明控制的結(jié)果例如防止了生成光電荷(或者減小至可能的暗電流)，則例如通過關(guān)閉觸發(fā)事件之間的照明，可以防止兩個觸發(fā)事件之間的光電元件中的光電荷的收集和溢出。在這種情況下，與CDS原理類似的差異估計可以貢獻(xiàn)于改進(jìn)測量值。
[0148]從屬于權(quán)利要求1和在下面列出的權(quán)利要求2至9還可以(細(xì)節(jié)上已作必要改動)從屬于權(quán)利要求16,正如權(quán)利要求11至14可以從屬于權(quán)利要求17 —樣。
【權(quán)利要求】
1.一種位置編碼器(I)，該位置編碼器(I)包括:位置代碼(9)和光學(xué)傳感器元件，該光學(xué)傳感器元件用于獲取所述位置代碼(9)的至少一部分，其中，所述傳感器元件包括: ?光敏獲取區(qū)(16)的線(10)，其將入射光子(P)轉(zhuǎn)換成電荷(7)， ?讀出結(jié)構(gòu)(12)，其用于輸出與所述電荷(7)相對應(yīng)的電數(shù)據(jù)信號(22)， 其特征在于， 所述傳感器元件出于臨時存儲所述電荷(7)的目的，包括 模擬存儲器結(jié)構(gòu)(11)，其具有光不敏感模擬存儲器單元(14)的數(shù)量為N>1條的線(13)，其中，存儲器單元(14)的線(13)的數(shù)量大于獲取區(qū)(16)的數(shù)量，具體來說，存儲器單元(14)的線(13)的數(shù)量是獲取區(qū)(16)的數(shù)量的倍數(shù)，以及 電切換結(jié)構(gòu)(15)，通過該電切換結(jié)構(gòu)(15)能夠在所述獲取區(qū)(16)、所述存儲器單元(14)以及所述讀出結(jié)構(gòu)(12)之間執(zhí)行電荷傳遞，并且其按這樣的方式實現(xiàn)，即，在存儲器單元(14)的所述線(13)之間的所述電荷傳遞能夠針對所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的單個線(13)或者針對所述線(13)的子集來執(zhí)行，具體來說，其中，所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的所述線(13)的上部能夠獨立于所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)的所述線(13)的下部來移位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置編碼器，其特征在于， 所述切換結(jié)構(gòu)(15)按這樣的方式來實現(xiàn)，即， ?觸發(fā)信號(2)致使其能夠設(shè)置所述位置代碼(9)的獲取時間，和將所述電荷(7)從所述獲取區(qū)(16)傳遞到所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的時間，而 ?與所述觸發(fā)信號(2)異步，具體來說，在時間上獨立地，讀出信號(21)致使其能夠設(shè)置所述讀出結(jié)構(gòu)(12)的輸出時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位置編碼器，其特征在于， 所述傳感器元件包括 ?光敏獲取區(qū)(16)的單一線(10)，和 ?存儲器單元(14)的至少N彡3，具體來說，N彡4條線(13)，以及 ?具體來說，單一讀出結(jié)構(gòu)(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的位置編碼器，其特征在于， 所述切換結(jié)構(gòu)(15)致使能夠在以下各項之間執(zhí)行所述電荷(7)的傳遞 ?具體來說，按由所述觸發(fā)信號(20)預(yù)定的獲取時間，在獲取區(qū)(16)的所述線(10)與模擬存儲器單元(14)的所述線中的一個之間執(zhí)行所述電荷(7)的傳遞， ?在模擬存儲器單元(14)的所述線(13)之間執(zhí)行所述電荷(7)的傳遞，具體來說，其中，所述傳遞能夠針對存儲器單元(14)的這些線(13)中的每一條線選擇性地致動，或者具體地，能夠針對存儲器單元(14)的所述線(13)的適當(dāng)子集致動，以及 ?具體來說，根據(jù)用于讀出按所述獲取時間獲取的所述位置代碼(9)的所述讀出信號(21)在模擬存儲器單元(14)的所述線(13)中的至少一條與所述讀出結(jié)構(gòu)(12)之間執(zhí)行所述電荷⑵的傳遞， 其中，至少一個第二獲取能夠在第一獲取與完成所述第一獲取的關(guān)聯(lián)第一讀出之間執(zhí)行，該第二獲取的電荷(7)以模擬方式臨時存儲在所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中，并且其能夠在所述第一讀出之后，按至少第二讀出中的稍后時間讀出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的位置編碼器，其特征在于， 所述傳感器元件包括放電結(jié)構(gòu)(83、42)，其按這樣的方式實現(xiàn)，S卩，能夠存在于所述模擬存儲器單元(14)中的一個中的電荷(7)在電荷傳遞到這些存儲器單元(14)中之前被放電，具體來說，其中，所述放電結(jié)構(gòu)(83、42)能夠選擇性地應(yīng)用至所述模擬存儲器結(jié)構(gòu)(11)的數(shù)量為N條的線的子集，具體來說，所述放電結(jié)構(gòu)(83、42)能夠選擇性地應(yīng)用于所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)的單個線(13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的位置編碼器，其特征在于， 所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)包括存儲器管理器，其基于所述觸發(fā)信號(20)和所述讀出信號(21)來控制所述電荷傳遞，并且其按這樣的方式實現(xiàn)，即， ?基于所述讀出信號(21)，發(fā)生基于所述模擬存儲器值沿所述讀出結(jié)構(gòu)(12)的方向傳遞所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的所述電荷，和輸出所述讀出結(jié)構(gòu)(12)中的所述數(shù)據(jù)信號(22)，并且 ?基于所述觸發(fā)信號(20)，能夠執(zhí)行將所述電荷(7)從所述獲取區(qū)(16)傳遞到所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中，具體傳遞到所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的最靠近所述讀出結(jié)構(gòu)(12)定位并且其中尚未存儲電荷(7)的線(13)中，具體來說，其中，所述輸出相對于所述觸發(fā)異步實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的位置編碼器，其特征在于， 所述傳感器元件利用在公共半導(dǎo)體基板上的CMOS與CCD結(jié)構(gòu)來安裝，具體來說，其中，所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)采用CCD技術(shù)實現(xiàn)，并且所述讀出結(jié)構(gòu)(12)采用CMOS技術(shù)實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的位置編碼器，其特征在于， 所述傳感器元件利用相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)(81)實現(xiàn)，具體來說，其特征在于實現(xiàn)從其傳遞到所述讀出結(jié)構(gòu)(12)中的、存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的位置編碼器，其特征在于， 所述獲取區(qū)(16)的所述線包括至少一個暗像素(80)，其被保護(hù)不受入射光子(P)影響，并且其中，沒有因光子產(chǎn)生的電荷(7)，并且該暗像素的電荷還作為暗基準(zhǔn)在逐線傳遞期間傳遞。
10.一種通過光敏獲取元件(16)的線來光學(xué)獲取位置代碼(9)的至少一部分的方法，該方法包括以下步驟 ?在所述獲取元件(16)中獲取光子并將該光子轉(zhuǎn)換成電荷(7)， ?由讀出信號(21)觸發(fā)輸出與所述電荷相對應(yīng)的電數(shù)據(jù)信號(22)， 其特征在于包括: ?通過外部觸發(fā)信號(20)觸發(fā)所述光學(xué)獲取的時間，并且根據(jù)該觸發(fā)，將所述電荷(7)從所述獲取元件(16)傳遞到存儲器結(jié)構(gòu)(11)中，該存儲器結(jié)構(gòu)具有模擬存儲器單元(14)的N>1條線(13)，其中，所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的線(13)的數(shù)量大于獲取元件(16)的數(shù)量，具體來說，存儲器單元(14)的線(13)的數(shù)量是獲取元件(16)的數(shù)量的倍數(shù)，并且 ?在所述輸出之前將所述模擬電荷(7)臨時緩沖存儲在該存儲器結(jié)構(gòu)(11)中，在此期間，在所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中選擇性地執(zhí)行針對單個線(13)或所述線(13)的子集的所述傳遞，具體來說，其中，所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的所述線(13)的上部能夠獨立于所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)的所述線(13)的下部來移位， 其中，作為所述緩沖存儲的結(jié)果，所述獲取能夠相對于所述輸出異步實現(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于， 使用切換結(jié)構(gòu)(15)，以執(zhí)行 ?因觸發(fā)信號(20)所導(dǎo)致的、 ?將電荷(7)從光敏獲取區(qū)(16)的所述線(10)傳遞到所述模擬存儲器結(jié)構(gòu)(11)的所述線中的一個中 以及， ?因觸發(fā)信號(21)所導(dǎo)致的、 ?將電荷從所述模擬存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的所線(13)中的一個傳遞到讀出結(jié)構(gòu)(12)中，具體來說，隨著所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的、緩沖存儲所獲取電荷(7)的至少那些線(13)的推進(jìn)，并且 ?執(zhí)行從所述讀出結(jié)構(gòu)(12)輸出所述電數(shù)據(jù)信號(22)， 具體來說，其中，所述讀出信號(21)能夠相對于所述觸發(fā)信號(20)按時間獨立方式執(zhí)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求10和11中的任一項所述的方法，其特征在于， 所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)作為逐線移位寄存器來管理，具體來說，根據(jù)先入先出原理，具體來說，其中，能夠執(zhí)行選擇性擦除所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的所述線(13)的子集，具體來說，其中，在將電荷⑵傳遞到所述線(13)中的一個中之前，選擇性擦除該線(13)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中的任一項所述的方法，其特征在于， 根據(jù)所述觸發(fā)信號(20)，來自所述獲取區(qū)(16)的所述電荷(7) ?在放電結(jié)構(gòu)(83、42)中放電，或者 ?被存儲在所述模擬存儲器結(jié)構(gòu)(11)中， 具體來說，其中，所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的所述電荷(7)被傳遞到最接近所述讀出結(jié)構(gòu)(12)定位的未占用線(131)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至12中的任一項所述的方法，其特征在于， 由所述觸發(fā)信號(20)觸發(fā)， ?將先前收集的寄生電荷從所述獲取區(qū)(16)傳遞到所述存儲器結(jié)構(gòu)(11)中的第一線(13)中，其被用作無代碼信息的垃圾線(trO、trl、tr2、tr3),接著， ?獲取用于確立所述位置代碼(9)的光子(7)，并且 ?將所獲取電荷從所述獲取區(qū)(16)傳遞到所述存儲器結(jié)構(gòu)(13)中的第二線(13)中，其被用作具有代碼信息的測量線(m0、ml、m2、m3)，具體來說，其中，所述垃圾線(trO、trl、tr2、tr3)中的所述電荷(7)被傳遞到用于放電的放電結(jié)構(gòu)(83、42)中，而所述測量線(m0、ml,m2,m3)中的那些電荷被傳遞到用于輸出的所述讀出結(jié)構(gòu)(12)中。
15.一種具有存儲在機(jī)器可讀介質(zhì)上的程序代碼的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其被實現(xiàn)為硬布線可編程邏輯控制器，或者實現(xiàn)為通過電磁波實現(xiàn)的計算機(jī)數(shù)據(jù)信號，以執(zhí)行如權(quán)利要求10至14中的任一項所述的方法，具體來說，其中，優(yōu)選地當(dāng)所述程序代碼在根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的位置編碼器(I)的估計單元(4)中和/或與其連接的估計電路中執(zhí)行時，所述程序代碼在根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的位置編碼器(I)中執(zhí)行電荷傳遞的致動。
16.一種位置編碼器(I)，該位置編碼器包括:位置代碼(9)和光學(xué)傳感器元件，該光學(xué)傳感器元件用于獲取所述位置代碼(9)的至少一部分，其中，所述傳感器元件包括: ?光敏獲取區(qū)(16)的線(10)，其將入射光子(P)轉(zhuǎn)換成電荷(7)， ?讀出結(jié)構(gòu)(12)，該讀出結(jié)構(gòu)用于輸出與所述電荷(7)相對應(yīng)的電數(shù)據(jù)信號(22)， 其特征在于， 所述傳感器元件出于臨時存儲所述電荷(7)的目的，包括 模擬存儲器結(jié)構(gòu)(11)，其具有光不敏感模擬存儲器單元(14)的數(shù)量為N>1條的線(13)，其中，存儲器單元(14)的線(13)的數(shù)量大于獲取區(qū)(16)的數(shù)量，具體來說，存儲器單元(14)的線(13)的數(shù)量是獲取區(qū)(16)的數(shù)量的倍數(shù)，以及 電切換結(jié)構(gòu)(15)，借助于其能夠在所述獲取區(qū)(16)、所述存儲器單元(14)以及所述讀出結(jié)構(gòu)(12)之間執(zhí)行電荷傳遞。
17.—種由光敏獲取元件(16)的線來光學(xué)獲取位置代碼(9)的至少一部分的方法，該方法包括以下步驟 ?在所述獲取元件(16)中獲取光子并將該光子轉(zhuǎn)換成電荷(7)， ?由讀出信號(21)觸發(fā)輸出與所述電荷相對應(yīng)的電數(shù)據(jù)信號(22)， 其特征在于，?由觸發(fā)信號(20)所觸發(fā)，將所述電荷(7)從所述獲取元件(16)傳遞到存儲器結(jié)構(gòu)(11)中，該存儲器結(jié)構(gòu)具有模擬存儲器單元(14)的N>1條線(13)，以及 ?在所述輸出之前將所述模擬電荷(7)臨時緩沖存儲在該存儲器結(jié)構(gòu)(11)中， 其中，作為所述緩沖存儲的結(jié)果，所述獲取能夠相對于所述輸出異步實現(xiàn)。
【文檔編號】G01D9/30GK104428629SQ201380035690
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月4日
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