具有模擬存儲器單元的光學位置發送器的製造方法

2023-06-01 00:59:01

具有模擬存儲器單元的光學位置發送器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種位置編碼器，該位置編碼器具有：位置代碼和用於檢測該位置代碼的至少一部分的光學傳感器元件。該傳感器元件具有光敏檢測區域的行，其將入射光子轉換成電荷；和讀出結構，其用於輸出對應於所存儲的電荷的電數據信號。該傳感器元件具有：模擬存儲器單元結構，具有數量為N>1條的非光敏模擬存儲器單元，以臨時存儲電荷；以及電切換結構，通過該電切換結構，能夠在檢測區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行電荷傳遞。
【專利說明】具有模擬存儲器單元的光學位置發送器
[0001]本發明涉及根據權利要求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權利要求10的前序部分所述的方法的。
[0002]具體來說，本發明涉及位置編碼器【技術領域】，其中，出於確定位置的目的，通過傳感器元件來獲取位置代碼，如在用於沿一個或更多個維度確定長度和/或角度的各種應用中使用的。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，在本發明中描述的傳感器元件還可應用於具有不同設計的位置編碼器的實施方式，其中，在確定位置的範圍內，執行位置或地點代碼(或這種代碼的至少一部分)的光學獲取。
[0003]已知用於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、幹涉圖案形成、代碼的外部或內部照明，自動發光或螢光代碼圖案等。電磁波，具體來說，光學波長範圍內的電磁輻射被優選地用於代碼圖案至傳感器元件的非接觸發送。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，例如，在測量範圍的僅一部分內絕對或者，在絕對編碼區內增量。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的傳感器元件來獲取位置代碼的至少一部分。這些獲取區分離地獲取該代碼部分的子區域。該獲取區可以被實現為分離的單獨部分，其例如按行或者按二維矩陣設置在專用位置處。該獲取區(像素)在此按連續、大致不間斷布置來串在一起，即，作為光敏區的連續或準連續布置。這裡，光敏區的準連續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面傳感器的情況下是常見的。
[0005]然而，光敏區的布置還可以按連續方式實現，即，像素之間沒有間隔，其中，碰撞兩個像素之間的中間區域的光子以某一概率分配給一個或另一個像素。獲取區的幾何布置還可以特別適應於要獲取的代碼，或者其可以因此被遮蔽，例如，通過根據要獲取的代碼圖案設置的傳感器，或者通過遮蔽該獲取區，以使其靈敏度被限制於希望表面區。由此，除了最普通的線性布置以外，獲取元件的幾何布置當然還可以彎曲。通過示例，獲取元件的行或矩陣元件可以設置為線或矩形，而且採用圓弧形式，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，按預定時間通過傳感器元件來獲取。可實現極高的位置準確度，尤其是通過以子像素解析度估計所獲取代碼部分。除了在獲取該代碼時的可實現位置解析度以外，精確地設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的可實現準確度具有顯著影響，尤其是如果通過多個位置傳感器獲取多個幾何尺寸並且這些尺寸隨後彼此連結，例如，用於確定物體的多維位置。位置獲取的精確時間對於在要測量物體的移動期間進行測量的情況來說，即，對於隨時間改變的位置的情況來說也是重要的。尤其是在高位置解析度的情況下，例如，大約幾微米或弧秒甚或更高解析度，極小移動(如例如因振動、振蕩、用戶的振顫等)已經可通過位置編碼器獲取。
[0007]因此，測量值獲取通常藉助於觸發信號來觸發，其限定了獲取位置值的希望時間。通過示例，電信號的一個側翼可以被用於觸發測量值獲取。在該處理中，可以應用基於事件的觸發，對於該情況來說，該測量通過外部事件觸發。還可以通過內部或外部時鐘來應用觸發，其可選地在多個傳感器上同步化。通過示例，在這種情況下，可以執行來自多個(並且在空間上分布的)位置編碼器的位置值的同步確定，並且其測量數據隨後可以連結，以根據其確定多維空間地點。還可能需要從位置編碼器循環讀出實際值信號(受小的時域抖動所擾)，例如，對於定位單元的時域離散調節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中進行了描述。
[0008]需要高精確度的位置確定的應用示例包括測量裝置(例如，大地測量儀或坐標測量機)。同樣在專用工具機(例如，拾放機、雷射切割機、磨床、車床、銑床等)的情況下，針對位置測量準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、旋轉位置或其組合來形成。高的同步測量值獲取也可能在監測和診斷系統中需要，例如在來自專利申請PCT/EP2012/054095的系統中。
[0009]在現有技術的位置傳感器中，在出現觸發信號時獲取傳感器元件的照明狀態，接著，將該照明狀態以逐像素按時鐘輸出(通常僅通過單一信道串行地)。僅在所有像素已經時鐘輸出時，可以繼續根據觸發信號的進一步觸發，並且通過傳感器元件獲取當前代碼區。因此，僅在已經完全讀出先前測量值時，可以再次進行新測量。
[0010]因為(XD晶片的這種順序讀出需要不可忽略的時間量，所以可實現的讀出速率通常相當低，從而，對於兩個連續發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行模擬至數字轉換，其可能同樣耗時。通過應用所謂的「流水線式」 A/D轉換，至少數位化的轉換時間在該處理中被減小甚或完全避免，除剩餘延遲時間以外。該按時鐘輸出限制了這種傳感器的最大可實現測量速率，從而還影響兩個觸發事件之間的最小可容許持續時間，在此期間，可以完全獲取該照明狀態的兩個值，和由此的位置代碼值。儘管針對實際上在該觸發時間存在的位置的測量值的逼近在這裡可通過在兩個或更多個測量之間時域上的內插或者外推來獲取，然而，該觸發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獲知的用於增加讀出速率的解決方案在於所謂的組巾貞(framing),其中，不總是整個CCD結構被讀出而僅其當前相關部分(其還被稱為R0I( 「關注區」的縮寫)被讀出；這在對應的較短時間量下是可以的。減小讀出時間還可以(對於損害了位置解析度來說)通過裝倉(binning)來獲取，其中，該技術通常主要用於增加光靈敏度，對於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節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的密封外罩。對於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致動來獲取曝光控制，尤其是通過調節光發射的強度和/或發光持續時間。通過示例，傳感器元件上的代碼圖像的局部拖尾效應(smearing)可以藉助於短期照明(例如，採用納秒範圍或更短的閃光形式)來避免或減小，其可能是重要的，尤其是在動態移動的情況下。
[0012]在現有技術中使用的線傳感器或面傳感器包括模擬接口或者數字接口。通過示例，根據CCD原理的模擬光學傳感器元件具有光敏像素線，其將入射光子轉換成電荷。根據半導體結構的設計，這些可以實現為前側照明C⑶或後側照明(XD。這些電荷按所謂的勢阱收集在半導體結構中，並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轉換成與電荷量成比例的電壓，或者轉換成與載流子數量相對應的數字值。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，以線性移位緩衝器方式(還稱為庳鏈式結構(bucket brigade))來進行，對此，各種技術是已知的(例如，兩相、三相或四相按時鐘輸出)。
[0013]為了減小起暈效應和/或拖尾效應，已知CCD根據幀或線間傳遞原理或者根據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後被傳遞到變暗半導體區，接著從其中讀出。
[0014]通過示例，對於電視攝像機的情況來說，面(XD晶片是已知的，其中，來自光敏區的電荷的移位在非光敏組件區(例如，按光學不透明方式遮蔽的組件區)中發生，其在偶數編號線的情況下在第一側上而在奇數編號線的情況下在第二側上執行。作為這種劃分至兩側的結果，可以通過單獨讀出偶數線或奇數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]在慢動作技術中，所謂的高速攝像機也根據類似原理操作，藉助於其，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用耗時的讀出(和數位化)處理，即，可以說，並行地應用。所需高幀速率可以通過該多個並行讀出來實現，作為其結果，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，其需要對應的多倍晶片面積，用於傳遞陣列和多個輸出級。
[0016]除了 C⑶技術以外，光敏傳感器還可以實現有數字接口，舉例來說，如利用CMOS技術的傳感器。這裡，相應地，可以將一個估計電路分配給該傳感器的每個獲取區，該估計電路內部地針對每個像素傳感器執行模擬至數字轉換，緩衝該數字信息並且提供其以供讀出。這裡，緩衝藉助於針對數字值的數字存儲器而發生。儘管可以通過並行讀出來避免用於串行按時鐘輸出每條單個線的時間，但用於將電荷轉換成電壓信號並且向前轉換成數位訊號的時間，和用於順序讀出數字值的時間仍存在，並且限制了最大可能觸發速率，具體來說，特別是如果該轉換未完全流水線化。
[0017]還存在與傳感器有關的方法，其嘗試統一 CCD傳感器和CMOS傳感器的優點，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，該工藝中所需的複雜製造工藝僅由非常少的生產者掌握，並且可由此獲取的優點通常不能對在生成期間增加的工藝複雜性作出解釋。
[0018]本發明的目的在於改進位置編碼器，尤其是包括光學傳感器元件的位置編碼器，具體來說，其與測量時間和位置解析度相比高度精確。
[0019]對於其中用於測量值獲取的觸發信號彼此快速連續跟隨的情況來說，具體目的在於改進位置編碼器的行為。
[0020]換一種方式表達，本發明的一目的是，提供一種位置編碼器，該位置編碼器包括用於獲取位置代碼的光學傳感器元件，其中，位置代碼獲取的時間可以根據觸發信號非常精確地設置，而且藉助於其，即使對於多個觸發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時間中的每一個單個地獲取。
[0021]而且，其一目的是，提供用於基於觸發的位置代碼獲取的光學傳感器元件的有利致動。
[0022]該位置編碼器的大規模工業生產以及小型化和成本降低是該目的的另一部分。
[0023]這裡，提供用於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也實現基於觸發的代碼獲取)也是本發明的另一目的，其中，具體來說，提供代碼獲取元件的對應致動方法和關聯致動結構也是該目的的連續部分。
[0024]這些目的通過實現獨立權利要求書的特徵化特徵來實現。按另選或有利方式開發本發明的特徵可以根據相關專利權利要求書來收集。
[0025]下面，本發明將在一維線傳感器的實施方式中進行說明。然而，本領域技術人員清楚的是，本發明還可以按類似方式應用至配備有多個光敏點傳感器的位置編碼器，其未按獲取區的至少近似連續直線(即，必需形成一連續線)設置。
[0026]根據本發明的位置編碼器包括位置代碼和用於獲取該位置代碼的至少一部分的光學傳感器元件。這裡，該傳感器元件具有光敏獲取區的線，其將入射光子轉換成電荷，和讀出結構，該讀出結構用於輸出與所存儲電荷相對應的電數據信號。該讀出結構可以執行逐線(=平行)或元件接元件(=串行)讀出處理。
[0027]根據本發明，所述傳感器元件出於臨時存儲電荷的目的，包括模擬存儲器結構，該模擬存儲器結構具有數量為N>1條的、光不敏感模擬存儲器單元的線，和電切換結構，藉助於其，可在獲取區、存儲器單元以及讀出線之間執行電荷傳遞。具體來說，在這種情況下，獲取區、存儲器以及讀出結構之間的電荷傳遞可以逐線地進行。
[0028]換一種方式表達，本發明涉及具有光敏傳感器陣列的位置編碼器，其可以以模擬方式並且快速連續地緩衝傳感器中的照明狀態的多個值，以使可以在較短時間間隔內執行並緩衝多個測量，該測量僅可以在稍後時間讀出。這裡，具體來說，該讀出持續時間還可以長於測量之間的短時間間隔。這裡，觸發獲取照明狀態的值可以通過電觸發信號來觸發。
[0029]該切換結構可以按這樣的方式來實現，S卩，獲取位置代碼的時間和將電荷從獲取區傳遞至存儲器結構的時間可以根據觸發信號來確定，而讀出結構輸出的時間可以根據與該觸發信號異步的讀出信號來確定，即，獨立於該觸發信號的時間。
[0030]本發明還涉及這樣的位置編碼器，S卩，用於臨時存儲電荷的傳感器元件被實現為模擬存儲器結構，其具有光不敏感模擬存儲器單元的數量為N>1條的線。這裡，存儲器單元的線的數量大於獲取區的數量，具體來說，存儲器單元的線的數量為獲取區的數量的倍數。這裡，所述傳感器元件包括電切換結構，藉助於其，可在獲取區、存儲器單元以及讀出結構之間執行電荷傳遞，並且其按這樣的方式實現，即，存儲器單元的線之間的電荷傳遞可針對存儲器結構中的單個線或者針對這些線的子集執行。具體來說，在這種情況下，存儲器結構中的線的上部可以獨立於該存儲器結構的線的下部來移位。
[0031]這裡，所述位置編碼器的實施方式可以包括:光敏獲取區的單一線、單一讀出結構，以及存儲器單元的至少N彡2，具體來說，N彡4條線。
[0032]這裡，所述切換結構致使能夠在以下之間執行電荷的傳遞
[0033].獲取區的線與模擬存儲器單元的線中的一個之間，按根據觸發信號預定的獲取時間，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構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構之間，根據用於讀出在關聯觸發時間獲取的位置代碼的讀出信號。
[0036]這裡，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聯第一讀出之間執行，該第二獲取的電荷以模擬方式臨時存儲在存儲器結構中，並且其可以在第一讀出之後，按至少第二讀出中的稍後時間讀出。因此，第二觸發在完成第一讀出之前就已經可以了。作為應用根據模擬存儲器發明的結果，可以進行非常快速連續的多個觸發(假設存儲器結構包括自由存儲器線)，其獨立於讀出持續時間。
[0037]該傳感器元件可以包括放電結構，其按這樣的方式實現，S卩，可存在於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。這裡，該放電結構不僅可應用於所有線，而且具體說來，選擇性地應用於模擬存儲器結構的數量為N的線的子集，具體應用於存儲器結構的單個線。
[0038]該存儲器結構或其致動邏輯單元可以包括存儲器管理器，其基於觸發信號和讀出信號來控制電荷傳遞。這裡，該存儲器管理器可以按這樣的方式實現，即基於讀出信號，發生基於模擬存儲器值沿讀出結構的方向傳遞存儲器結構中的電荷，和通過讀出結構的輸出數據信號。同時，該存儲器管理器可以按這樣的方式實現，即基於觸發信號，進行將電荷從獲取區傳遞(即，移位)到存儲器結構中。具體來說，該移位可以被實現到存儲器結構中的、最接近讀出結構定位的線中，並且其中先前觸發的電荷尚未被存儲。為此，該存儲器結構按這樣的方式實現，即，不僅總體存儲器結構可逐線移位，而且，存儲器結構的僅一部分或單個線可按可選擇方式移位。這裡，存儲器管理器的這兩個功能可以彼此獨立地執行(除了瑣事以外)，即，具體來說，該輸出可以相對於該觸發異步實現。
[0039]該傳感器元件可以在公共半導體基板上安裝有具有CMOS的(XD。這裡，具體來說，其中，該存儲器結構可以採用CCD技術實現，並且該讀出結構可以採用CMOS技術實現。
[0040]該傳感器元件可以利用相關雙採樣結構(CDS)結構實現。具體來說，這可以加以實現，在於存儲器結構的、從其實現傳遞到讀出結構中的線(或者讀出結構本身)。
[0041]獲取區的線可以包括至少一個暗像素，其被保護不受入射光子，並且其中，沒有因光子產生的電荷。該暗像素的電荷(具體來說，寄生電荷)還作為暗基準在逐線傳遞期間傳遞。該暗基準可以被用於改進測量信號，具體來說，在前述CDS範圍內。
[0042]除該第一步驟以外，藉助於其，可以與位置編碼器中的觸發需求有關地實現該傳感器的改進。上述根據本發明的傳感器及其致動除了採用上述形式的應用以外，仍還在另一步驟的範圍內有關可獲取信號指令方面得以改進。即使沒有下面說明的開發，上述根據本發明的傳感器也可在許多應用中應用，其無論如何都可以被視為獨立發明，但其可以進一步最優化，如下面的開發實施方式說明的。
[0043]尤其是，作為根據本發明的基於觸發的致動的結果，在沒有觸發的情況下，洩漏電荷(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電荷而累積，並且不利地影響或篡改估計結果。而且，作為在基於外部異步觸發來獲取的情況下缺乏移位固定循環時間和讀出線的結果，在每一個讀出之前的相應普遍條件不再必需相同，例如針對恆定讀出速率就是這種情況。通過示例，與隨著兩個觸發之間的相對較長時間間隔的觸發信號的情況相比，在彼此快速連續跟隨的兩個觸發之間生成很少熱電荷。在現有技術中所應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讀出相同，作為其結果，例如，平均暗值可以與測量值相減，或者可應用其它類型的平均化，以改進信號質量並且減小噪聲。
[0044]作為重置存儲器和合適致動的、適於這些發現的策略或者重置用於存儲器單元的結構的結果，在此可獲取根據本發明的另一些改進。
[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、洩放槽(gutter))的電位降的未使用存儲器單元來進行，其僅在將電荷傳遞到相應單元中之前升高。為此，針對存儲器的合適重置結構(其因此通過致動電路來致動)可以設置在半導體中。
[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於暗值的基準值，並且例如，與測量值相減；這對應於相關雙採樣的原理。
[0048]除了硬體最優化以外，數值改進還可以例如依靠確定傳感器的溫度，和基於其和基於電荷的光子生成與其讀出之間的時間來統計上計算所希望電荷的熱生成量來獲取，其基於半導體的數值模型，接著，可以在估計的範圍內在數值上對電荷的熱生成量加以補償。
[0049]為了將在兩個觸發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)，在觸發時通過其將先前收集電荷放電，以便按觸發時間獲取針對測量值的光電池的限定狀態。其僅在曝光時段之後，實際測量電荷被移位到下一存儲器線中。這裡，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信號的情況下，為了避免電荷從照明光電池溢出到其它晶片區中，可以設置所謂的溢漏，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險之前按瞄準方式洩放載流子，這類似於所已知的避免攝影傳感器中的拖尾效應。儘管這種垃圾線原理由此需要更大數量的存儲器線(其不貢獻於確定該位置)，但這允許應用異質的容易處理的半導體結構。
[0050]另選的是，專用結構(具體來說，在光電池的情況下)可以被設置用於洩放觸發事件之間的電荷，該專用結構例如在觸發時按第一方向(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構中。然而，在沒有觸發的情況下，將不希望的電荷沿第二方向(例如，向上)移位至放電結構。
[0051]通過不例，在一個實施方式中，將電荷從光電池(並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觸發信號時的時間期間執行。隨著觸發信號的出現構建與該放電有關的勢壘，該勢壘被保持達曝光時間(其還可以按可調節方式設計)，以使收集光電荷。這些光電荷藉助於電位降朝著未使用存儲器單元移位。在這之後，電位降依次從光電池至放電結構確立。該光電荷根據模擬存儲器結構的佔用狀態朝著讀出結構移位，即，根據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。這裡，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，例如，還在例如US 2012/0081590或其它地方所述的。
[0052]本發明還涉及一種用於通過光敏獲取元件的線來光學獲取位置代碼的至少一部分的方法，其中，所述方法執行以下步驟:在獲取區中獲取並轉換光子成電荷，並且在讀出結構中輸出(通過讀出信號觸發)與該電荷相對應的電數據信號。
[0053]根據本發明，在這種情況下，根據觸發信號的觸發，將該電荷從獲取區移位到存儲器結構中，該存儲器結構具有模擬存儲器單元的N>1條線，並且在該模擬電荷藉助於讀出結構輸出之前將這些電荷臨時緩衝存儲在該存儲器結構中。
[0054]這裡，作為所述緩衝存儲的結果，所述獲取可以相對於所述輸出異步實現，具體來說，通過兩個獨立致動信號來控制。
[0055]藉助於切換結構，所述方法可以執行以下步驟:_因觸發信號所導致的-將電荷從光敏獲取區的線移位到模擬存儲器結構的所述線中的一個中。而且，藉助於該切換結構，所述方法可以執行以下步驟:_因讀出信號所導致的-將電荷從模擬存儲器結構中的所線中的一個移位到讀出結構中，並且從讀出結構輸出電數據信號。
[0056]這裡，有關觸發信號條件化的移位可以沿讀出線的方向，與存儲器結構中的線的推進一起實現，尤其是存儲器結構中的、緩衝存儲所獲取電荷的那些線。作為該推進的結果，該切換結構按這樣的方式實現，即，存儲器結構中的移位可以針對該存儲器結構中的單個線或線組選擇性地實現，而存儲器結構中的其它線不位移。這裡，選擇存儲器結構中的多條線的子集還可以出於推進的目的而一起移位，而其它，存儲器結構中的已經佔用的線不移位。
[0057]該方法可以執行以下步驟:在隨著選擇性傳遞存儲器結構中的單個線或這些線的子集之前，將模擬電荷臨時緩衝存儲在存儲器結構中。這裡，具體來說，存儲器結構中的線的上部可以獨立於該存儲器結構的線的下部來移位，其中，作為所述緩衝存儲的結果，所述獲取可以相對於所述輸出異步實現。
[0058]這裡，該讀出信號可與觸發信號有關地按時間獨立方式控制。因此，這兩個信號可以按彼此有關的方式異步。
[0059]在一專門實施方式中，該方法可以具體根據先入先出原理，將存儲器結構管理為逐線移位寄存器。在該管理期間，具體來說，可以執行選擇性擦除和移位存儲器結構中的這些線的子集。具體來說，在將電荷移位到存儲器結構的目標線中之前，可以在此選擇性擦除該目標線。
[0060]在一個實施方式中，根據本發明的方法可以根據該觸發信號，將來自獲取區的電荷
[0061]■在放電結構中放電，或者
[0062]■存儲在模擬存儲器結構中。
[0063]這裡，存儲器結構中的電荷可以被移位到最接近讀出結構定位的未佔用線中。來自光-線的電荷由此例如選擇性地沿讀出結構的方向逐線地移位，直到這些已經直接推進至已經佔用線(其中已經存儲了在前獲取的電荷)的前方為止。
[0064]由此，在該過程中，存儲器結構的已經佔用線未按根據觸發信號的方式移位。
[0065]根據觸發信號的觸發，根據本發明的方法可以執行以下步驟:
[0066]■將先前收集寄生電荷從獲取區移位到存儲器結構中的第一線中，其被用作無代碼信息垃圾線，接著，
[0067]■獲取用於確立位置代碼的光子，並且
[0068]■將所獲取電荷從獲取區移位到存儲器結構中的第二線中，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構中以供放電，而測量線中的電荷可以被傳遞到讀出結構中以供讀出。
[0070]本發明還涉及一種具有存儲在機器可讀介質上的程序代碼的電腦程式產品，其被實現為硬布線可編程邏輯控制器，或者發送為通過電磁波實現的計算機數據信號。這裡，該程序代碼執行根據本發明的方法，具體來說，其中，該程序代碼在根據本發明的位置編碼器中執行電荷傳遞致動。具體來說，這在該程序代碼在根據本發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行時來應用。
[0071]下面，基於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，對根據本發明的方法和根據本發明的裝置進行更詳細說明，並且還討論了本發明的進一步優點。這裡，所示圖不應被視為表示尺寸。具體地:
[0072]圖1示出了根據本發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傳感器元件；
[0073]圖2示出了根據本發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傳感器元件；
[0074]圖3示出了根據本發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示出了用於在根據本發明的位置編碼器的實施方式中進行信號處理的第一定時圖；
[0076]圖5示出了在根據本發明的位置編碼器中的示例性觸發和讀出處理的例示圖；
[0077]圖6示出了根據本發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示出了根據本發明的位置編碼器的實施方式的框圖；
[0079]圖8示出了用於以光學方式獲取位置代碼的方法的實施方式的流程圖；
[0080]圖9示出了根據本發明的位置編碼器的第一示例性實施方式；
[0081]圖10示出了根據本發明的位置編碼器的第二示例性實施方式；
[0082]圖11示出了根據本發明的位置編碼器的第三示例性實施方式；
[0083]圖12示出了坐標測量機中的、根據本發明的位置編碼器的第一應用示例；
[0084]圖13示出了大地測量儀中的、根據本發明的位置編碼器的第二應用示例；
[0085]圖14a至圖14e示出了作為針對伴隨快速連續跟隨的多個觸發信號的測量的示例，坐標測量機中的、根據本發明的位置編碼器的第三應用示例；
[0086]圖15示出了根據本發明的位置編碼器的第四實施方式的示意性例示圖；
[0087]圖16示出了根據本發明的位置編碼器的第五實施方式的示意性例示圖；
[0088]圖17示出了根據本發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示出了根據本發明的位置編碼器的第七實施方式的示意性例示圖。
[0090]圖1示出了根據本發明的位置編碼器1(在此基於線傳感器來說明)，其以光學方式獲取位置代碼9的至少一部分。該位置編碼器9由此可例如採用對其成像、陰影投射、投影、幹涉圖案形成等的形式，通過光學傳感器元件來獲取，其中，該編碼例如可以採用對照區、光學透過區和光學不透明區、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10，已經向其分配存儲器結構11，該存儲器結構具有每光敏像素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可用於光接收器線10，該存儲器能夠存儲根據入射光子P在光接收器16中生成的自由電荷。通過示例，從技術上看，這種結構可以利用(XD技術或者採用具有(XD結構的CMOS製造為半導體組件。如果存儲器14的結構尺度與光敏區16相比較小，則這使能在半導體基板上緊湊容納。
[0091]在一個實施方式中，模擬存儲器結構11的內容在這種情況下，可沿該圖中的垂直向下方向(用箭頭30符號表示)位移。讀出結構12的非常簡單的實施方式例如可以被實現為具有這樣一結構的C⑶線，S卩，該結構用於將該線內的電荷串型移位至輸出電路。這裡，讀出結構12可以採用讀出線形式實現，其作為該CCD結構中的最下側線，包括水平移位功能31，藉助於其，串型讀出所存儲像素電荷可以按次序執行，藉助於該輸出電路，獲取輸出部處的電數據信號22，該數據信號取決於相應數量的像素載流子。該讀出還可以並行地完全執行，或者至少部分地執行。
[0092]該切換結構15用於致動電荷的移位，其根據外部觸發信號20並且根據讀出信號21來協調。
[0093]圖2示出了實施方式的稍微更詳細但仍是示意性的例示圖。當光子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)的結果，該勢阱的形式可以在實線45與虛線46之間改變(沿坐標系統55的電勢軸(pot-axis)的方向)，並由此，電荷7可以通過柵極47的恰當致動而垂直位移(坐標系統55的垂直軸(vert-axis))，如箭頭48所示。在這種情況下，這些勢阱被保護以免光輻射(例如，通過掩模6)，以便防止生成進一步的光電子。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，標號14還通常與其次序無關地被用於存儲器單元)。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 (也採用線布置)的光敏獲取區16的線。
[0094]這裡，最下側線被實現為讀出結構12，其在所示情況下，是水平移位寄存器(坐標系統55的水平軸(hor-axis))，藉助於其，像素電極7可以朝著電荷電壓轉換部50逐像素位移(箭頭49)，以轉換成模擬電數據信號22a，其可以利用模擬至數字轉換器，在傳感器內部或傳感器外部地轉換成數字電數據信號22d。
[0095]根據觸發信號獲取可以以恆定速率或者因在任意非確定時間出現的外部觸發信號(任何種類的)，或者通過兩者的組合而觸發。尤其是非周期性觸發的情況下，隨著例如在通過外部原生成的觸發信號的情況下出現，如來自用於坐標測量機、傳感器、末端開關或用於觸發信號的任何其它源的探測端頭，還可能必需設置用於擦除CCD結構的專門預防措施。
[0096]對於來自現有技術的圖像傳感器的情況來說，整個C⑶晶片在所有情況下利用重置信號擦除。然而，在本發明的含義中，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，為了能夠確保本發明範圍內的存儲器的限定狀態，在這種情況下需要不同地執行重置。如果模擬存儲器結構不包含任何測量值(例如，在恆定速率測量的情況下，其中，兩個觸發信號之間的時間不長於讀出所需時間)，則在所有情況下，可以擦除整個模擬存儲器結構(其簡化了擦除的致動，並且作為其結果，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，並且可以直接在那裡放電，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，並行放電)。通過示例，該放電可以在最後存儲器線中的底部右側實現(或者跟隨後者)，該最後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中最左側上依靠向放電部42 (洩放槽、清除二極體)致動勢壘的另一柵極40來描繪。後者沿方向41使可能在觸發信號之前存在的電子7放電，以使限定狀態在獲取光電荷7之前在光電池16和勢阱ml中佔優勢。
[0099]在本發明的範圍中，還可以應用CDS(相關雙採樣)結構，以便依靠使該測量值涉及所有情況下的基準值來減小在讀出期間引入的噪聲，舉例來說，如在US4287441中或者在其它文獻中說明的。而且，當應用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構。通過示例，對於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，對於不同估計的情況來說，儘管應用⑶S原理，但可能僅存在每像素一次讀出和數位化(對於大多數像素16來說)，與在所有情況下於傳遞像素電荷之前和之後採樣基準值的常規CDS相比，其顯著減小了讀出時間。
[0100]如果實現相關雙採樣(⑶S)，則這可以在最下側線中實現。這裡，當前輸出的電荷還可以存儲在CDS電路的電容器中，而非CCD結構的存儲器中。這裡，致動單元的信號可以根據外部信號或者按預定序列預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行。在這種情況下，測量信號在測量之後(如出於簡化的理由在該圖中所描繪的)不移位到最下側線(其現在被保留用於CDS)中，而相反移位到其上的線中。僅在該讀出信號是所執行CDS時，測量0(m0)被移位到讀出線中並且隨後輸出。在該處理中或者此後，位於其上的所佔用存儲器線的內容由此可以推進。
[0101]而且，熱生成載流子(所謂的「暗電流」)可以藉助於諸如平均化、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。根據本發明，作為慢讀出(所謂的「慢掃描」)的結果，同樣可以應用噪聲減小。因為根據本發明，該讀出不再導致編碼器受阻用於另一觸發信號，所以還可以應用相對較慢的讀出。因此，讀出速度不再受限於觸發速率，具體來說，假設仍可獲足夠的自由存儲器線，因此，假設短期觸發速率乘以讀出時間仍保持小於存儲器線的數量。
[0102]圖3示出了採用傳感器線10的形式的有源光學表面，並且下面是，用於直至四個測量的模擬存儲部13a、13b、13c、13d的結構。在傳感器線中生成的光電荷可以沿方向30移位到存儲器結構中，並且在後者中，還可以在所有情況下逐線移位。如在該圖中用符號表示的，與光學有源表面相比，用於模擬存儲部13a、13b、13c、13d的區域可以佔據半導體基板上的不同區域。具體來說，在其幾何尺度方面，存儲器單元可以小於分配給其的光敏區。
[0103]為了描述根據本發明的位置編碼器，還可以依靠指定的方向來描述其實施方式。這裡，水平和垂直，或者向上、向下、向左以及向右標註在所有情況下涉及相應描繪的圖，而不應被視為絕對的。特定半導體結構中的結構的幾何布置當然也可以偏離在此提到的這些「邏輯」方向，假設在此未針對該半導體結構布置進行明確說明。
[0104]這涉及位置編碼器1，其包括用於光學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(其內示例性方式示出了其中四個)組成的垂直結構，其可通過切換結構致動，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]最下側線被實現為用於並行或串行輸出電荷的讀出結構(例如，轉換成電數據信號以供進一步處理和位置確定)。
[0106]根據觸發信號的觸發，將光生成電荷從光-線10垂直移位(具體來說，連續/串行)到最接近讀出線10定位的未佔用模擬存儲器線13a、13b、13c、13d中，而已經佔用的線不移位。在完成讀出處理之後，(可能存在的)被佔用模擬存儲器線13a、13b、13c、13d基於讀出信號向下垂直移位一條線到讀出線中，並且在那裡讀出(垂直或水平)。位於更上方的被佔用線因此在讀出一條線之後推進。
[0107]從而，為了獲取這種可移位性，存儲器結構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構內的線的分開可移位性，其中可選擇性地選擇的，存儲器結構的上方線區域可以基於觸發信號相對於光敏線推進移位，並且與其分離地，存儲器結構的下方線區域可基於讀出信號沿讀出線的方向移位。這裡，上方線區域和下方線區域之間的邊界的位置可根據存儲器的填充狀態改變。因為根據本發明，觸發信號和讀出信號可以彼此相關地異步出現，所以存儲器結構的一部分結果還可以相對於彼此異步移位。
[0108]在用於根據本發明的位置編碼器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準二維表面CCD結構來生成，即，單一線10現在是光敏的，而全部另外的線變暗，即，被光不透明層遮蔽。因為這些遮蔽(並由此不再光敏)，所以現在可以將線僅僅用作逐線可移位電荷存儲器，實現線傳感器的實施方式在根據恰當致動本發明的切換結構的情況下顯現出，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構。這裡，用於從光敏線10移位電荷的線時鐘因觸發信號而造成。通過示例，在所有情況下，可以隨著觸發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，沿讀出線的方向將電荷移位至其前面的最後仍未佔用的存儲器線13a、13b、13c、13d，然而，所佔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，光學獲取)的和線讀出的示例性觸發定時和持續時間。上方線中的每一個觸發信號T0、T1、T2、-T3觸發中間線中的測量(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。在隨後時間，這些測量可以採用模擬形式從所佔用模擬存儲器13a、13b、13c、13d按時鐘輸出，並且例如利用A/D轉換器數位化，其在下方線中用關聯持續時間rO和rl描繪。可以存在用於頂部的觸發和用於底部的讀出的信號(例如，經由傳感器元件的電連接)。通過示例，獲取或測量可以利用預定的、具體來說恆定曝光持續時間m0、ml、m2、m3來實現。在具有存儲器值mO的第一線已經在rO結束時輸出之後，隨後可以(而且在此後直接地)依靠向下移位到讀出結構中的該線在時間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轉換器並行地在所有情況下估計整個線或其一部分。因為作為根據本發明的模擬存儲部的結果，讀出速度不再是與兩個直接連續觸發信號(例如，T0和T1)之間的容許時間間隔有關的關鍵因子(尤其是對於存儲器結構11的足夠存儲器深度的情況來說)，所以對於快速連續地彼此跟隨的幾個觸發信號ΤΟ、ΤΙ、T2、T3的臨時突發的情況來說，這種並行化及其硬體複雜性在用於滿足需求的讀出期間不再是強制的。然而，讀出速度應當按這樣的方式清楚地定尺寸，即，後者使能至少在平均化、平均觸發速率的情況下讀出所有值，針對其目的，還可以在需要時應用(至少部分地)並行化讀出。模擬存儲器結構11的所需深度(即，有多少線13需要以模擬形式存儲，以便滿足該應用的需要)還在有關針對該特定應用情況的觸發和讀出速率的這種考慮的範圍內確定。通過示例，在這種情況下，可以使用最壞的情況，或者還可以應用統計方法。
[0111]圖5示出了其中生成代碼獲取之前的限定狀態按特定方式來解決的實施方式。
[0112]為了總是在用於準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和存儲器結構11中的所涉及模擬存儲器區進入限定狀態，即，針對每一個觸發信號ΤΟ、ΤΙ、T2、T3重置這些(其隨後還被稱為擦除)。在現有技術中，在(XD的情況下，這種擦除總是應用至整個結構11 ;然而，如上所述，在目前情況下這並不總是可以的，因為可能獲得的先前測量仍要存儲。
[0113]為了實現這些，可以在存儲器結構11中設置垃圾線tr，其緩衝存儲可能已經在先前測量與當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生(因曝光、暗電流等))在這些垃圾線tr中收集但不被估計。這裡，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，僅結構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可以與存儲器結構中的要估計的線向下共同移位，並且其電荷可以直接饋送至放電部(例如，地)，而非被估計。這种放電可以通過按時鐘輸出串行實現，否則針對整個線並行實現。因此，僅包含測量數據的線作為數據信號輸出並且饋送以估計。
[0115]圖5示出了這種實施方式的示例，其與圖3相比，具有擴展達三條線的存儲器結構11。這裡，還明確地描繪了讀出結構12。在那下面描繪了時間進展(具有和先前圖相同的定時)。這裡，還可以標識存儲器線的、要在該處理中執行的單個移位，以針對存儲器結構的、在該處理中未共同移位的下方已佔用部分推進正好獲取的電荷。
[0116]儘管測量m0已經在測量m2和m3期間輸出為r0，但模擬線存儲器仍被佔用，直到該線已經全部輸出為止。另選的是，該線還可能已經在CDS之後釋放，作為示例，依靠將電荷緩衝存儲在電容器中以供串行輸出。該存儲器值僅在輸出r0之後向下移位，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)該線已經釋放，則內部存儲器線的移位已經在輸出r0期間因外部信號所造成，例如，同樣藉助於另一觸發信號，藉助於其，觸發新測量ml。隨後，來自測量ml的測量信號準備輸出，並且具體來說，可以在此後直接輸出。隨後，再一次向下移位一個，並且可以擦除垃圾線tr2，而且隨後，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，作為其結果，需要更少的廢存儲器線。由此，例如，具體設置的廢存儲器線可以設置在光敏元件「上方」，並因此，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，例如，依靠其連接至地的輸出或者在休息狀態下的基準電平，即，不需要觸發信號，而且載流子僅被累積並且隨後在觸發的情況下向下移位到該陣列中。這種原理也已經在圖2中進行了說明(例如，作為清除二極體)。
[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，已經添加了用於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，存儲器線的推進在所有情況下在兩個讀出處理rO與rl之間實現。
[0120]然而，在此應注意到，除了光敏區以外，因為來自洩漏電流等的電荷(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置的線還應在寫入這些之前被擦除。因此，從底部至頂部擦除應當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。當前測量值隨後通過這些空線向下移位至最下側自由線。
[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示出了根據本發明的、包括光學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，根據位置代碼9，光子p碰撞獲取區10並在其中轉換成電荷7。這些電荷7按通過致動邏輯15a和切換結構15b控制的方式並且按根據觸發信號20的方式移位到模擬存儲器結構11中，並且所述電荷存儲在存儲器單元中的那裡，具體來說，CCD勢阱中。根據讀出信號21，電荷7通過切換結構15b移位到讀出結構12中，從那裡起，它們在轉換成電數據信號22下，按關聯觸發20的時間，輸出為根據所獲取位置代碼9的輸代碼字。這裡，致動邏輯15a按這樣的方式協調該處理，S卩，所佔用存儲器結構11在讀出期間沿讀出結構12的方向推進，並且在觸發20期間，存儲器結構11中的電荷7被移位到最近自由存儲器線12中(如從讀出結構12中看到的)，而在該處理器中不移位所專用存儲器結構11。這裡，可以在每一次移位之前擦除相應目標線，以便放電可能存在的接收電荷收集。
[0123]圖8描繪了針對根據本發明的用於光學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行的部分-通過有限數量的存儲器線遠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中檢查的觸發信號來觸發。在該觸發信號之後，存儲器結構的一條線在步驟61中擦除，並且此後，光-線的電荷被移位到其中並且以模擬形式存儲在那裡。可選的是，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-按代碼相關方式分布在光電池之上。該電荷可以進一步沿讀出結構的方向在存儲器結構中移位(如步驟65中所示)。可能在圖64中描繪的相應先前擦除目標線之後，假設目標線尚未被先前存儲電荷所佔用，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。根據查詢71，假設所存儲光電荷存在於存儲器結構中，這些在步驟72中被移位到讀出結構中，其在需要時，也預先被擦除。該移位可以在應用⑶S原理下實現，或者⑶S可以在移位之前執行。存儲器結構中的剩餘線(其中，同樣存儲有來自其它觸發時間的光電荷)因此在步驟73中，沿讀出線的方向推進。在該讀出線中，在步驟74中讀出並且轉換成電數據信號，該數據信號表示按所關聯觸發時間，在光-線處的照明條件。這裡，輸出線的讀出可以串行或並行或者兩者的混合形式來實現，並且例如還可以包括該值的放大和/或數位化。讀出74可以及時隨著推進73之前、之後，或並行實現。
[0126]圖9示出了根據本發明的作為具有攜帶位置代碼9的環形代碼承載體的旋轉位置編碼器的位置編碼器1的實施方式。在該圖像的左手側部分中，利用反光法通過光學輻射P碰撞代碼，而在右手側部分應用透光法。這構成了兩個另選，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行，以便通過平均化、誤差建模等來改進測量準確度或創建冗餘度。通過示例，通過沿其圓周採集旋轉代碼許多次，還可以確立並補償動態偏心，作為其結果，例如，降低了針對這種旋轉編碼器的軸承的質量需求。
[0127]圖10示出了如上所述用於在根據本發明的位置編碼器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示出了根據本發明的位置編碼器1作為線性位置編碼器的示例性實施方式.在於此所示示例中，利用位置代碼部9的所發送照明，使位置代碼9的一部分可通過編碼器1的光學輻射P來獲取，以使光敏元件10的線可以讀取該代碼區。上面，已經對根據本發明的所示位置編碼器1的實施方式進行了詳細討論。
[0129]圖12示出了作為關節臂的坐標測量機99的示例，其配備有觸摸-觸發探針90。根據本發明的線性和旋轉位置編碼器1被安裝在所示關節臂中，以供根據觸摸探針1的觸發信號所觸發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，觸發測量的觸發信號隨著極短的時間間隔(尤其是，作為觸發脈衝的突發)出現。根據本發明的位置編碼器1能夠在這種突發觸發信號的情況下獲取針對單個脈衝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行快速平均值形成。由此，例如，在不同實施方式中，對於具有「觸摸-觸發探針」的關節臂的情況來說，可以在觸發其測量時快速連續地在一個點進行數量為N的測量，該測量隨後可以在用戶瞄準下一測量點的同時依次地通過控制單元91更慢地處理。根據該N個測量值的所得可能平均值形成可以有助於增加測量的準確度或者有助於排除錯誤測量。
[0131]圖13示出了具有根據本發明的位置編碼器1的大地測量儀98，其用於按觸發測量時的時間來確定該儀器的目標軸環繞垂直軸和傾斜軸的旋轉位置。作為可根據本發明獲取的高時間同步性的結果，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，即使用於軸移動的伺服電機仍振動或者有超過其位置，也可以確定所測量空間坐標的高度一致性。
[0132]圖14a示出了坐標測量機99中的、根據本發明的位置編碼器1的示例性應用，具體來說，在用於確立管徑的、具有測量端頭95的關節臂中。這裡，來自該關節臂的旋轉和/或線性編輯器1的位置信息在每一個觸發信號的情況下獲取。這裡，該測量通常依靠在要測量的管道94上方引導叉狀測量端頭95的用戶用手來執行。然而，另選的是，該移動還可以通過機動坐標測量機99按自動方式來執行。
[0133]該實際測量(如圖14a至圖14e中所示)按這樣的方式來進行，即觸發信號按光束92、93因測試物體94中斷或重建時的任何時間來觸發，該觸發信號觸發確定角度和/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，以使觸發第一觸發信號，這在圖14b中示出。在將管道94進一步沉浸到叉子95中的期間，還中斷第二光束92 (虛線所描繪)，如圖14c所示，從而觸發第二觸發信號。第三觸發信號的觸發在圖14d示出並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上方的進一步移動期間再次消除阻擋，觸發了第四觸發信號。
[0135]現在，可以在坐標測量機99的根據本發明的位置編碼器1中，基於按這四次觸發時間在所有情況下觸發的測量值獲取來確立管徑。在管道測量的所示應用中，右手側側93和左手側92傳感器的觸發信號例如在叉子95在管道94上方居中移動的情況下非常快速連續地跟隨。結果，對應地，在現有技術中需要短測量數據，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確度，例如因在該處理期間出現的溫度變化和與其相連接的溫度膨脹。
[0136]根據本發明，所獲取位置代碼現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)，其可以處於短時段內並且具有低能量支出。以模擬形式存儲的信息隨後可以讀出-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(其例如連結至模擬值的按時鐘輸出、模擬至數字轉換以及位置計算)還可以比觸發信號的兩個觸發之間的時間花費更長。
[0137]這裡，來自獲取區的、以模擬形式存儲的值除了串行按時鐘輸出以外還可以並行數位化，並且還可以可選地按數字形式再次緩衝存儲在傳感器上。而且，所獲取位置代碼的直接估計(或者在該方面的預處理)可以在傳感器上實現。
[0138]圖15示出了具有光敏線10的實施方式，例如，實現為背側照明光電二極體線，其跟隨著模擬CCD存儲結構11，其中，該電荷可以沿讀出結構12的方向按移位方向移位。該移位通過觸發信號20來觸發，並且電荷移位至未佔用存儲器線131的最下側一條。被佔用存儲器線13f基於讀出信號21沿讀出結構121的方向移位。在這裡描繪的實施方式中，這例如利用具有CCD結構的CMOS技術而實現為整個線的並行估計。
[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的像素測量值相減，具體來說，在讀出期間。在實踐應用中，例如還可以應用多個這種暗像素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行(例如在移位到讀出結構12中期間)，或者按數字形式執行(即，在已經進行讀出之後)。在該例示中，CDS電路81在讀出結構12中示出，該CDS結構使用暗像素80的暗值。在這個實施方式中，在光-線10上描繪了擦除結構82，藉助於該擦除結構，在缺乏觸發信號20的情況下，將電荷從光電池放電。光電荷僅按觸發時間收集，並且隨後移位到存儲器結構11中，如前所述。該讀出通過可以獨立於觸發信號20來觸發的讀出信號實現。觸發20和觸發21由此可以相對於彼此異步實現(遠離微不足道的條件，舉例來說，如在不可能觸發之前讀出、存儲器線中的至少一條必須在觸發期間釋放，以便不獲取數據損失等)。
[0140]圖17例示了其中模擬存儲器結構11被實現為利用CMOS技術而非CCD結構的電容器結構的實施方式。這裡，如同在模擬CCD存儲器的情況中，象徵性指示的切換結構85被設置在存儲器線的每一條處，以供逐線移位30或擦除83電荷。底側線被實現為讀出結構12，其可通過在時域上獨立於觸發的讀出信號21來致動。
[0141]在其它實施方式中，而非實現為利用CCD技術的移位寄存器，在模擬CCD存儲器之後(即，其沿移位方向30的下遊側)的讀出結構還可以被實現為電容器線，其中，電荷出於估計目的而移位。這些電容器可以並行(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上的復用器電路)來估計。因此，底側CCD線在讀出處理期間針對隨後處理釋放。
[0142]在這種不同實施方式中，先前描述的相關雙採樣81還可以通過將電荷從C⑶結構的模擬存儲器11移位到讀出結構12的電容器中來應用。根據該實現，在這種情況下，CDS81可以針對整個線並行或者串行執行。除了模擬CDS 81以外，在估計數字像素值期間，還可以依靠同樣被數位化並接著以數值方式考慮(即，例如相減)的、CDS的至少一個基準值執行⑶S的數字變體。
[0143]在圖18所示的實施方式中，該讀出結構12例如可以被實現為電容器86的線，其設置有復用器結構87，作為用於放大和/或A/D轉換的輸出部的數據信號22。該讀出經由一個或更多個讀出信號21來實現，其控制讀出處理。在開始每一個讀出處理時，電荷從模擬(XD存儲器結構11的底側線經由⑶S結構81施加至電容器。這裡，⑶S 81可以針對整個線並行執行。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]這裡，模擬(XD存儲器結構11按這樣的方式實現，即，光電荷P沿向下方向的逐線移位由此可執行，其中，具體來說，不僅整個存儲器結構11可移位，而且僅發生移位直到最低自由存儲器線和位於更下面的線(其已經被先前獲取光電荷佔用)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，可以提供用於擦除整個C⑶結構11的適當致動。該功能通過所描繪切換結構85從一條線至下一條線或者至地來符號表示。這裡，所描繪切換結構85具有象徵性符號，並且不必描繪針對這些功能的實際半導體結構的實踐實現，針對它們本身採取的這些功能當然是現有技術所已知的。
[0145]致動該移位和擦除通過致動邏輯15來實現。後者的主要目的是，在觸發信號20的情況下，按逐線方式將光-線10中的電荷移位到CCD結構11中，並且在那裡移位到最低自由線中。這裡，目標線或多條目標線可以在每一次移位之前擦除。當根據讀取信號21觸發讀取處理時，電荷(可能通過應用⑶S)被移位到讀出結構12中，並且從那裡輸出，例如輸出至全流水線ADC。在該處理中，光電荷所位於的所有存儲器單元因此沿向下方向推進，其中，目標線同樣可以與該推進對應地預先擦除。這需要CCD存儲器結構11的選擇性的逐線移位和/或擦除功能，其例如在常規幀傳遞CCD中未給出。這裡，觸發信號20和讀出信號21可以彼此獨立地實現，具體來說，按在時域上不同步方式。
[0146]利用相對更複雜的連接和切換機制，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構中。對應存儲器管理邏輯確保將光電荷分別存儲在自由存儲器線(並且這些在必要時被預先擦除)中，並且確保在讀出期間保持希望順序，例如，觸發的順序)。這適宜於本身，具體來說，如果半導體上的存儲器結構11比光敏表面10更小，並因此，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)，則例如通過關閉觸發事件之間的照明，可以防止兩個觸發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於改進測量值。
[0148]從屬於權利要求1和在下面列出的權利要求2至9還可以(細節上已作必要改動)從屬於權利要求16,正如權利要求11至14可以從屬於權利要求17 —樣。
【權利要求】
1.一種位置編碼器(I)，該位置編碼器(I)包括:位置代碼(9)和光學傳感器元件，該光學傳感器元件用於獲取所述位置代碼(9)的至少一部分，其中，所述傳感器元件包括: ?光敏獲取區(16)的線(10)，其將入射光子(P)轉換成電荷(7)， ?讀出結構(12)，其用於輸出與所述電荷(7)相對應的電數據信號(22)， 其特徵在於， 所述傳感器元件出於臨時存儲所述電荷(7)的目的，包括 模擬存儲器結構(11)，其具有光不敏感模擬存儲器單元(14)的數量為N>1條的線(13)，其中，存儲器單元(14)的線(13)的數量大於獲取區(16)的數量，具體來說，存儲器單元(14)的線(13)的數量是獲取區(16)的數量的倍數，以及 電切換結構(15)，通過該電切換結構(15)能夠在所述獲取區(16)、所述存儲器單元(14)以及所述讀出結構(12)之間執行電荷傳遞，並且其按這樣的方式實現，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構(11)中的單個線(13)或者針對所述線(13)的子集來執行，具體來說，其中，所述存儲器結構(11)中的所述線(13)的上部能夠獨立於所述存儲器結構(11)的所述線(13)的下部來移位。
2.根據權利要求1所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述切換結構(15)按這樣的方式來實現，即， ?觸發信號(2)致使其能夠設置所述位置代碼(9)的獲取時間，和將所述電荷(7)從所述獲取區(16)傳遞到所述存儲器結構(11)中的時間，而 ?與所述觸發信號(2)異步，具體來說，在時間上獨立地，讀出信號(21)致使其能夠設置所述讀出結構(12)的輸出時間。
3.根據權利要求1或2所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述傳感器元件包括 ?光敏獲取區(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，單一讀出結構(12)。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述切換結構(15)致使能夠在以下各項之間執行所述電荷(7)的傳遞 ?具體來說，按由所述觸發信號(20)預定的獲取時間，在獲取區(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)的適當子集致動，以及 ?具體來說，根據用於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構(12)之間執行所述電荷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聯第一讀出之間執行，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構(11)中，並且其能夠在所述第一讀出之後，按至少第二讀出中的稍後時間讀出。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述傳感器元件包括放電結構(83、42)，其按這樣的方式實現，S卩，能夠存在於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，所述放電結構(83、42)能夠選擇性地應用至所述模擬存儲器結構(11)的數量為N條的線的子集，具體來說，所述放電結構(83、42)能夠選擇性地應用於所述存儲器結構(11)的單個線(13)。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述存儲器結構(11)包括存儲器管理器，其基於所述觸發信號(20)和所述讀出信號(21)來控制所述電荷傳遞，並且其按這樣的方式實現，即， ?基於所述讀出信號(21)，發生基於所述模擬存儲器值沿所述讀出結構(12)的方向傳遞所述存儲器結構(11)中的所述電荷，和輸出所述讀出結構(12)中的所述數據信號(22)，並且 ?基於所述觸發信號(20)，能夠執行將所述電荷(7)從所述獲取區(16)傳遞到所述存儲器結構(11)中，具體傳遞到所述存儲器結構(11)中的最靠近所述讀出結構(12)定位並且其中尚未存儲電荷(7)的線(13)中，具體來說，其中，所述輸出相對於所述觸發異步實現。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述傳感器元件利用在公共半導體基板上的CMOS與CCD結構來安裝，具體來說，其中，所述存儲器結構(11)採用CCD技術實現，並且所述讀出結構(12)採用CMOS技術實現。
8.根據權利要求1至7中的任一項所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述傳感器元件利用相關雙採樣結構(81)實現，具體來說，其特徵在於實現從其傳遞到所述讀出結構(12)中的、存儲器結構(11)中的線。
9.根據權利要求1至8中的任一項所述的位置編碼器，其特徵在於， 所述獲取區(16)的所述線包括至少一個暗像素(80)，其被保護不受入射光子(P)影響，並且其中，沒有因光子產生的電荷(7)，並且該暗像素的電荷還作為暗基準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)中獲取光子並將該光子轉換成電荷(7)， ?由讀出信號(21)觸發輸出與所述電荷相對應的電數據信號(22)， 其特徵在於包括: ?通過外部觸發信號(20)觸發所述光學獲取的時間，並且根據該觸發，將所述電荷(7)從所述獲取元件(16)傳遞到存儲器結構(11)中，該存儲器結構具有模擬存儲器單元(14)的N>1條線(13)，其中，所述存儲器結構(11)中的線(13)的數量大於獲取元件(16)的數量，具體來說，存儲器單元(14)的線(13)的數量是獲取元件(16)的數量的倍數，並且 ?在所述輸出之前將所述模擬電荷(7)臨時緩衝存儲在該存儲器結構(11)中，在此期間，在所述存儲器結構(11)中選擇性地執行針對單個線(13)或所述線(13)的子集的所述傳遞，具體來說，其中，所述存儲器結構(11)中的所述線(13)的上部能夠獨立於所述存儲器結構(11)的所述線(13)的下部來移位， 其中，作為所述緩衝存儲的結果，所述獲取能夠相對於所述輸出異步實現。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於， 使用切換結構(15)，以執行 ?因觸發信號(20)所導致的、 ?將電荷(7)從光敏獲取區(16)的所述線(10)傳遞到所述模擬存儲器結構(11)的所述線中的一個中 以及， ?因觸發信號(21)所導致的、 ?將電荷從所述模擬存儲器結構(11)中的所線(13)中的一個傳遞到讀出結構(12)中，具體來說，隨著所述存儲器結構(11)中的、緩衝存儲所獲取電荷(7)的至少那些線(13)的推進，並且 ?執行從所述讀出結構(12)輸出所述電數據信號(22)， 具體來說，其中，所述讀出信號(21)能夠相對於所述觸發信號(20)按時間獨立方式執行。
12.根據權利要求10和11中的任一項所述的方法，其特徵在於， 所述存儲器結構(11)作為逐線移位寄存器來管理，具體來說，根據先入先出原理，具體來說，其中，能夠執行選擇性擦除所述存儲器結構(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.根據權利要求10至12中的任一項所述的方法，其特徵在於， 根據所述觸發信號(20)，來自所述獲取區(16)的所述電荷(7) ?在放電結構(83、42)中放電，或者 ?被存儲在所述模擬存儲器結構(11)中， 具體來說，其中，所述存儲器結構(11)中的所述電荷(7)被傳遞到最接近所述讀出結構(12)定位的未佔用線(131)中。
14.根據權利要求10至12中的任一項所述的方法，其特徵在於， 由所述觸發信號(20)觸發， ?將先前收集的寄生電荷從所述獲取區(16)傳遞到所述存儲器結構(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， ?獲取用於確立所述位置代碼(9)的光子(7)，並且 ?將所獲取電荷從所述獲取區(16)傳遞到所述存儲器結構(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)被傳遞到用於放電的放電結構(83、42)中，而所述測量線(m0、ml,m2,m3)中的那些電荷被傳遞到用於輸出的所述讀出結構(12)中。
15.一種具有存儲在機器可讀介質上的程序代碼的電腦程式產品，其被實現為硬布線可編程邏輯控制器，或者實現為通過電磁波實現的計算機數據信號，以執行如權利要求10至14中的任一項所述的方法，具體來說，其中，優選地當所述程序代碼在根據權利要求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行時，所述程序代碼在根據權利要求1至9中的任一項所述的位置編碼器(I)中執行電荷傳遞的致動。
16.一種位置編碼器(I)，該位置編碼器包括:位置代碼(9)和光學傳感器元件，該光學傳感器元件用於獲取所述位置代碼(9)的至少一部分，其中，所述傳感器元件包括: ?光敏獲取區(16)的線(10)，其將入射光子(P)轉換成電荷(7)， ?讀出結構(12)，該讀出結構用於輸出與所述電荷(7)相對應的電數據信號(22)， 其特徵在於， 所述傳感器元件出於臨時存儲所述電荷(7)的目的，包括 模擬存儲器結構(11)，其具有光不敏感模擬存儲器單元(14)的數量為N>1條的線(13)，其中，存儲器單元(14)的線(13)的數量大於獲取區(16)的數量，具體來說，存儲器單元(14)的線(13)的數量是獲取區(16)的數量的倍數，以及 電切換結構(15)，藉助於其能夠在所述獲取區(16)、所述存儲器單元(14)以及所述讀出結構(12)之間執行電荷傳遞。
17.—種由光敏獲取元件(16)的線來光學獲取位置代碼(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)中獲取光子並將該光子轉換成電荷(7)， ?由讀出信號(21)觸發輸出與所述電荷相對應的電數據信號(22)， 其特徵在於，?由觸發信號(20)所觸發，將所述電荷(7)從所述獲取元件(16)傳遞到存儲器結構(11)中，該存儲器結構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)臨時緩衝存儲在該存儲器結構(11)中， 其中，作為所述緩衝存儲的結果，所述獲取能夠相對於所述輸出異步實現。
【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 優先權日:2012年7月4日
【發明者】R·菲爾施 申請人:赫克斯岡技術中心