CN104428629B - 具有模拟存储器单元的光学位置发送器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位置编码器，该位置编码器具有：位置代码和用于检测该位置代码的至少一部分的光学传感器元件。该传感器元件具有光敏检测区域的行，其将入射光子转换成电荷；和读出结构，其用于输出对应于所存储的电荷的电数据信号。该传感器元件具有：模拟存储器单元结构，具有数量为N>1条的非光敏模拟存储器单元，以临时存储电荷；以及电切换结构，通过该电切换结构，能够在检测区域和存储器单元之间、在存储器单元之间、以及存储器和读出线之间进行电荷传递。

Description

具有模拟存储器单元的光学位置发送器

技术领域

本发明涉及包括具有模拟存储器的传感器元件的模拟存储器和通过光敏获取元件的线来光学获取位置代码的至少一部分的方法。

背景技术

具体来说，本发明涉及位置编码器技术领域，其中，出于确定位置的目的，通过传感器元件来获取位置代码，如在用于沿一个或更多个维度确定长度和/或角度的各种应用中使用的。一些示例性实施方式例如在US 5,402,582、EP 1 474 650、US 7,051,450或US7,069,664中找到，其中，在本发明中描述的传感器元件还可应用于具有不同设计的位置编码器的实施方式，其中，在确定位置的范围内，执行位置或地点代码(或这种代码的至少一部分)的光学获取。

已知用于获取位置代码的非常不同的方法，例如，成像、阴影投射、投影、反射、干涉图案形成、代码的外部或内部照明，自动发光或荧光代码图案等。电磁波，具体来说，光学波长范围内的电磁辐射被优选地用于代码图案至传感器元件的非接触发送。在这种情况下，该代码可以按递增方式、绝对方式或者按混合形式实现，例如，在测量范围的仅一部分内绝对或者，在绝对编码区内增量。针对其的示例例如可以在WO 2008/019855、WO 2010/139964、DE 11 2006 003 663或WO 2004/094957中找到。

一般来说，在这种情况下，通过包括多个有源获取区的传感器元件来获取位置代码的至少一部分。这些获取区分离地获取该代码部分的子区域。该获取区可以被实现为分离的单独部分，其例如按行或者按二维矩阵设置在专用位置处。该获取区(像素)在此按连续、大致不间断布置来串在一起，即，作为光敏区的连续或准连续布置。这里，光敏区的准连续布置是串在一起同时其间仅有小的空间(与它们各自的有源传感器面积相比)，例如，在已知CCD线传感器或CCD面传感器的情况下是常见的。

然而，光敏区的布置还可以按连续方式实现，即，像素之间没有间隔，其中，碰撞两个像素之间的中间区域的光子以某一概率分配给一个或另一个像素。获取区的几何布置还可以特别适应于要获取的代码，或者其可以因此被遮蔽，例如，通过根据要获取的代码图案设置的传感器，或者通过遮蔽该获取区，以使其灵敏度被限制于希望表面区。由此，除了最普通的线性布置以外，获取元件的几何布置当然还可以弯曲。通过示例，获取元件的行或矩阵元件可以设置为线或矩形，而且采用圆弧形式，按成角度方式或者具有任何曲线形式，或者沿球面等。

该代码的至少一部分在位置测量的情况下，尤其是在高度精确位置测量的情况下，按预定时间通过传感器元件来获取。可实现极高的位置准确度，尤其是通过以子像素分辨率估计所获取代码部分。除了在获取该代码时的可实现位置分辨率以外，精确地设置获取时间在这种情况下还可以对利用其操作的测量系统的可实现准确度具有显著影响，尤其是如果通过多个位置传感器获取多个几何尺寸并且这些尺寸随后彼此链接，例如，用于确定物体的多维位置。位置获取的精确时间对于在要测量物体的移动期间进行测量的情况来说，即，对于随时间改变的位置的情况来说也是重要的。尤其是在高位置分辨率的情况下，例如，大约几微米或弧秒甚或更高分辨率，极小移动(如例如因振动、振荡、用户的振颤等)已经可通过位置编码器获取。

因此，测量值获取通常借助于触发信号来触发，其限定了获取位置值的希望时间。通过示例，电信号的一个侧翼可以被用于触发测量值获取。在该处理中，可以应用基于事件的触发，对于该情况来说，该测量通过外部事件触发。还可以通过内部或外部时钟来应用触发，其可选地在多个传感器上同步化。通过示例，在这种情况下，可以执行来自多个(并且在空间上分布的)位置编码器的位置值的同步确定，并且其测量数据随后可以链接，以根据其确定多维空间地点。还可能需要从位置编码器循环读出实际值信号(受小的时域抖动所扰)，例如，对于定位单元的时域离散调节中的实际值信号来说。特定实施方式的另一示例例如在EP 2533022中进行了描述。

需要高精确度的位置确定的应用示例包括测量装置(例如，大地测量仪或坐标测量机)。同样在专用机床(例如，拾放机、激光切割机、磨床、车床、铣床等)的情况下，针对位置测量准确度寄予十分高的需求。在该处理中，所确定位置具体可以通过线性位置、旋转位置或其组合来形成。高的同步测量值获取也可能在监测和诊断系统中需要，例如在来自专利申请PCT/EP2012/054095的系统中。

在现有技术的位置传感器中，在出现触发信号时获取传感器元件的照明状态，接着，将该照明状态以逐像素按时钟输出(通常仅通过单一信道串行地)。仅在所有像素已经时钟输出时，可以继续根据触发信号的进一步触发，并且通过传感器元件获取当前代码区。因此，仅在已经完全读出先前测量值时，可以再次进行新测量。

因为CCD芯片的这种顺序读出需要不可忽略的时间量，所以可实现的读出速率通常相当低，从而，对于两个连续发生的获取之间的时间来说还存在最小限制。这是真实的，尤其是，如果除了CCD的逐像素按时钟输出以外，还对每一个吸收值进行模拟至数字转换，其可能同样耗时。通过应用所谓的“流水线式”A/D转换，至少数字化的转换时间在该处理中被减小甚或完全避免，除剩余延迟时间以外。该按时钟输出限制了这种传感器的最大可实现测量速率，从而还影响两个触发事件之间的最小可容许持续时间，在此期间，可以完全获取该照明状态的两个值，和由此的位置代码值。尽管针对实际上在该触发时间存在的位置的测量值的逼近在这里可通过在两个或更多个测量之间时域上的内插或者外推来获取，然而，该触发时间的测量值的实际获取是不可能的。

例如从US 4330796或US 2012/081590获知的用于增加读出速率的解决方案在于所谓的组帧(framing)，其中，不总是整个CCD结构被读出而仅其当前相关部分(其还被称为ROI(“关注区”的缩写)被读出；这在对应的较短时间量下是可以的。减小读出时间还可以(对于损害了位置分辨率来说)通过装仓(binning)来获取，其中，该技术通常主要用于增加光灵敏度，对于位置编码器的情况来说，其通常具有次级重要性，因为良好限定的甚或可调节的照明条件通常在位置编码器中是普遍的，其中存在人工照明和与外部光影响有关的密封外罩。对于这种封装的位置编码器的情况来说，例如还可以通过光源的恰当致动来获取曝光控制，尤其是通过调节光发射的强度和/或发光持续时间。通过示例，传感器元件上的代码图像的局部拖尾效应(smearing)可以借助于短期照明(例如，采用纳秒范围或更短的闪光形式)来避免或减小，其可能是重要的，尤其是在动态移动的情况下。

在现有技术中使用的线传感器或面传感器包括模拟接口或者数字接口。通过示例，根据CCD原理的模拟光学传感器元件具有光敏像素线，其将入射光子转换成电荷。根据半导体结构的设计，这些可以实现为前侧照明CCD或后侧照明CCD。这些电荷按所谓的势阱收集在半导体结构中，并接着作为模拟电荷移位至输出部(＝按时钟输出)，其中，每个单个像素的所收集的电荷被连续转换成与电荷量成比例的电压，或者转换成与载流子数量相对应的数字值。这种按时钟输出通过将其中包含了电荷的势阱沿输出方向移位，以线性移位缓冲器方式(还称为戽链式结构(bucket brigade))来进行，对此，各种技术是已知的(例如，两相、三相或四相按时钟输出)。

为了减小起晕效应和/或拖尾效应，已知CCD根据帧或线间传递原理或者根据这两种原理的组合来操作。在这些中，电荷在限定曝光时间之后被传递到变暗半导体区，接着从其中读出。

通过示例，对于电视摄像机的情况来说，面CCD芯片是已知的，其中，来自光敏区的电荷的移位在非光敏组件区(例如，按光学不透明方式遮蔽的组件区)中发生，其在偶数编号线的情况下在第一侧上而在奇数编号线的情况下在第二侧上执行。作为这种划分至两侧的结果，可以通过单独读出偶数线或奇数线而有利地利用跳线(line-jump)方法读出视频图像，举例来说，如在US 7315329中描述的。

在慢动作技术中，所谓的高速摄像机也根据类似原理操作，借助于其，获取每秒钟大量帧的帧记录速率，举例来说，如在US 2003/0058355中描述的。在这些中，光子感应电荷被顺序地移位至多个不同传递检测器，接着在所有情况下独立地向其应用耗时的读出(和数字化)处理，即，可以说，并行地应用。所需高帧速率可以通过该多个并行读出来实现，作为其结果，可以避开来自单个图像的读出时间的限制。然而，这伴随有这样的缺点，即，其需要对应的多倍芯片面积，用于传递阵列和多个输出级。

除了CCD技术以外，光敏传感器还可以实现有数字接口，举例来说，如利用CMOS技术的传感器。这里，相应地，可以将一个估计电路分配给该传感器的每个获取区，该估计电路内部地针对每个像素传感器执行模拟至数字转换，缓冲该数字信息并且提供其以供读出。这里，缓冲借助于针对数字值的数字存储器而发生。尽管可以通过并行读出来避免用于串行按时钟输出每条单个线的时间，但用于将电荷转换成电压信号并且向前转换成数字信号的时间，和用于顺序读出数字值的时间仍存在，并且限制了最大可能触发速率，具体来说，特别是如果该转换未完全流水线化。

还存在与传感器有关的方法，其尝试统一CCD传感器和CMOS传感器的优点，例如，在“ELECTRONICS LETTERS”第44卷8号(日期为2008年3月10日)中，P.R.Rao、X.Wang和A.J.P.Theuwissen的“CCD structures implemented in standard 0.18mm CMOStechnology”中描述。然而，该工艺中所需的复杂制造工艺仅由非常少的生产者掌握，并且可由此获取的优点通常不能对在生成期间增加的工艺复杂性作出解释。

发明内容

本发明的目的在于改进位置编码器，尤其是包括光学传感器元件的位置编码器，具体来说，其与测量时间和位置分辨率相比高度精确。

对于其中用于测量值获取的触发信号彼此快速连续跟随的情况来说，具体目的在于改进位置编码器的行为。

换一种方式表达，本发明的一目的是，提供一种位置编码器，该位置编码器包括用于获取位置代码的光学传感器元件，其中，位置代码获取的时间可以根据触发信号非常精确地设置，而且借助于其，即使对于多个触发信号彼此快速跟随的情况来说，该位置代码仍保持可针对这些触发时间中的每一个单个地获取。

而且，其一目的是，提供用于基于触发的位置代码获取的光学传感器元件的有利致动。

该位置编码器的大规模工业生产以及小型化和成本降低是该目的的另一部分。

这里，提供用于高精度位置传感器的代码获取元件(其使得即使在短时间帧内也实现基于触发的代码获取)也是本发明的另一目的，其中，具体来说，提供代码获取元件的对应致动方法和关联致动结构也是该目的的连续部分。

这些目的通过实现独立权利要求书的特征化特征来实现。按另选或有利方式开发本发明的特征可以根据相关专利权利要求书来收集。

下面，本发明将在一维线传感器的实施方式中进行说明。然而，本领域技术人员清楚的是，本发明还可以按类似方式应用至配备有多个光敏点传感器的位置编码器，其未按获取区的至少近似连续直线(即，必需形成一连续线)设置。

根据本发明的位置编码器包括位置代码和用于获取该位置代码的至少一部分的光学传感器元件。这里，该传感器元件具有光敏获取区的线，其将入射光子转换成电荷，和读出结构，该读出结构用于输出与所存储电荷相对应的电数据信号。该读出结构可以执行逐线(＝平行)或元件接元件(＝串行)读出处理。

根据本发明，所述传感器元件出于临时存储电荷的目的，包括模拟存储器结构，该模拟存储器结构具有数量为N>1条的、光不敏感模拟存储器单元的线，和电切换结构，借助于其，可在获取区、存储器单元以及读出线之间执行电荷传递。具体来说，在这种情况下，获取区、存储器以及读出结构之间的电荷传递可以逐线地进行。

换一种方式表达，本发明涉及具有光敏传感器阵列的位置编码器，其可以以模拟方式并且快速连续地缓冲传感器中的照明状态的多个值，以使可以在较短时间间隔内执行并缓冲多个测量，该测量仅可以在稍后时间读出。这里，具体来说，该读出持续时间还可以长于测量之间的短时间间隔。这里，触发获取照明状态的值可以通过电触发信号来触发。

该切换结构可以按这样的方式来实现，即，获取位置代码的时间和将电荷从获取区传递至存储器结构的时间可以根据触发信号来确定，而读出结构输出的时间可以根据与该触发信号异步的读出信号来确定，即，独立于该触发信号的时间。

本发明还涉及这样的位置编码器，即，用于临时存储电荷的传感器元件被实现为模拟存储器结构，其具有光不敏感模拟存储器单元的数量为N>1条的线。这里，存储器单元的线的数量大于获取区的数量，具体来说，存储器单元的线的数量为获取区的数量的倍数。这里，所述传感器元件包括电切换结构，借助于其，可在获取区、存储器单元以及读出结构之间执行电荷传递，并且其按这样的方式实现，即，存储器单元的线之间的电荷传递可针对存储器结构中的单个线或者针对这些线的子集执行。具体来说，在这种情况下，存储器结构中的线的上部可以独立于该存储器结构的线的下部来移位。

这里，所述位置编码器的实施方式可以包括：光敏获取区的单一线、单一读出结构，以及存储器单元的至少N≥2，具体来说，N≥4条线。

这里，所述切换结构致使能够在以下之间执行电荷的传递

·获取区的线与模拟存储器单元的线中的一个之间，按根据触发信号预定的获取时间，和

·在模拟存储器单元的线之间，具体来说，其中，该传递可单个地或者选择性地针对存储器结构中的这些线中的每一条或者针对多条这些线的合适子集(作为一可限定子集)致动，和

·在模拟存储器单元至少一条线与读出结构之间，根据用于读出在关联触发时间获取的位置代码的读出信号。

这里，至少一个第二获取由此可在第一获取与完成所述第一获取的关联第一读出之间执行，该第二获取的电荷以模拟方式临时存储在存储器结构中，并且其可以在第一读出之后，按至少第二读出中的稍后时间读出。因此，第二触发在完成第一读出之前就已经可以了。作为应用根据模拟存储器发明的结果，可以进行非常快速连续的多个触发(假设存储器结构包括自由存储器线)，其独立于读出持续时间。

该传感器元件可以包括放电结构，其按这样的方式实现，即，可存在于模拟存储器单元中的一个中的电荷在电荷传递到这些存储器单元中之前被放电。这里，该放电结构不仅可应用于所有线，而且具体说来，选择性地应用于模拟存储器结构的数量为N的线的子集，具体应用于存储器结构的单个线。

该存储器结构或其致动逻辑单元可以包括存储器管理器，其基于触发信号和读出信号来控制电荷传递。这里，该存储器管理器可以按这样的方式实现，即基于读出信号，发生基于模拟存储器值沿读出结构的方向传递存储器结构中的电荷，和通过读出结构的输出数据信号。同时，该存储器管理器可以按这样的方式实现，即基于触发信号，进行将电荷从获取区传递(即，移位)到存储器结构中。具体来说，该移位可以被实现到存储器结构中的、最接近读出结构定位的线中，并且其中先前触发的电荷尚未被存储。为此，该存储器结构按这样的方式实现，即，不仅总体存储器结构可逐线移位，而且，存储器结构的仅一部分或单个线可按可选择方式移位。这里，存储器管理器的这两个功能可以彼此独立地执行(除了琐事以外)，即，具体来说，该输出可以相对于该触发异步实现。

该传感器元件可以在公共半导体基板上安装有具有CMOS的CCD。这里，具体来说，其中，该存储器结构可以采用CCD技术实现，并且该读出结构可以采用CMOS技术实现。

该传感器元件可以利用相关双采样结构(CDS)结构实现。具体来说，这可以加以实现，在于存储器结构的、从其实现传递到读出结构中的线(或者读出结构本身)。

获取区的线可以包括至少一个暗像素，其被保护不受入射光子，并且其中，没有因光子产生的电荷。该暗像素的电荷(具体来说，寄生电荷)还作为暗基准在逐线传递期间传递。该暗基准可以被用于改进测量信号，具体来说，在前述CDS范围内。

除该第一步骤以外，借助于其，可以与位置编码器中的触发需求有关地实现该传感器的改进。上述根据本发明的传感器及其致动除了采用上述形式的应用以外，仍还在另一步骤的范围内有关可获取信号指令方面得以改进。即使没有下面说明的开发，上述根据本发明的传感器也可在许多应用中应用，其无论如何都可以被视为独立发明，但其可以进一步最优化，如下面的开发实施方式说明的。

尤其是，作为根据本发明的基于触发的致动的结果，在没有触发的情况下，泄漏电荷(例如，热生成电子、…)可以在相对较长时段期间，在模拟存储器中收集(在先前获取光电荷所使用的存储器中和未使用存储器中)，该电荷随着实际上要读出的光子感应电荷而累积，并且不利地影响或篡改估计结果。而且，作为在基于外部异步触发来获取的情况下缺乏移位固定循环时间和读出线的结果，在每一个读出之前的相应普遍条件不再必需相同，例如针对恒定读出速率就是这种情况。通过示例，与随着两个触发之间的相对较长时间间隔的触发信号的情况相比，在彼此快速连续跟随的两个触发之间生成很少热电荷。在现有技术中所应用的读出的固定帧速率方面，传感器中的条件实际上针对两个连续读出相同，作为其结果，例如，平均暗值可以与测量值相减，或者可应用其它类型的平均化，以改进信号质量并且减小噪声。

作为重置存储器和合适致动的、适于这些发现的策略或者重置用于存储器单元的结构的结果，在此可获取根据本发明的另一些改进。

由此，例如，空的或未使用存储器单元(其不包含任何读取光电荷)可以依靠被放电的、可能在其中收集的寄生电荷而在移位其中的光电荷之前被分别重置成完全限定的值。

通过示例，这种重置可以依靠总是具有针对放电通道(清除器、泄放槽(gutter))的电位降的未使用存储器单元来进行，其仅在将电荷传递到相应单元中之前升高。为此，针对存储器的合适重置结构(其因此通过致动电路来致动)可以设置在半导体中。

另选的是或者附加地，一个或更多个暗像素还可以在所有情况下与光电荷一起共同移位。所述暗像素中收集的电荷可以在估计期间被用作用于暗值的基准值，并且例如，与测量值相减；这对应于相关双采样的原理。

除了硬件最优化以外，数值改进还可以例如依靠确定传感器的温度，和基于其和基于电荷的光子生成与其读出之间的时间来统计上计算所希望电荷的热生成量来获取，其基于半导体的数值模型，接着，可以在估计的范围内在数值上对电荷的热生成量加以补偿。

为了将在两个触发事件之间因入射光子而生成的那些电荷放电，还可以在存储器中使用所谓的垃圾线(trash line)，在触发时通过其将先前收集电荷放电，以便按触发时间获取针对测量值的光电池的限定状态。其仅在曝光时段之后，实际测量电荷被移位到下一存储器线中。这里，在读出期间，仅读出具有测量值的存储器线；垃圾线中的电荷不需要必需读出，而是可以在不读出的情况下直接废除。在相对较长时间缺乏触发信号的情况下，为了避免电荷从照明光电池溢出到其它芯片区中，可以设置所谓的溢漏，其在获得饱和时，在这些电荷带来不希望地溢出到相邻像素或存储器单元中的风险之前按瞄准方式泄放载流子，这类似于所已知的避免摄影传感器中的拖尾效应。尽管这种垃圾线原理由此需要更大数量的存储器线(其不贡献于确定该位置)，但这允许应用异质的容易处理的半导体结构。

另选的是，专用结构(具体来说，在光电池的情况下)可以被设置用于泄放触发事件之间的电荷，该专用结构例如在触发时按第一方向(例如，向下，即，沿读出线方向)将要确定的电荷移位到存储器结构中。然而，在没有触发的情况下，将不希望的电荷沿第二方向(例如，向上)移位至放电结构。

通过示例，在一个实施方式中，将电荷从光电池(并且还可以至少在第一存储器单元中)直接放电可以在未出现触发信号时的时间期间执行。随着触发信号的出现构建与该放电有关的势垒，该势垒被保持达曝光时间(其还可以按可调节方式设计)，以使收集光电荷。这些光电荷借助于电位降朝着未使用存储器单元移位。在这之后，电位降依次从光电池至放电结构确立。该光电荷根据模拟存储器结构的占用状态朝着读出结构移位，即，根据其中哪些存储器线存储了所获取光电荷而其中哪些没有来移位。这里，至少一个暗像素还可以在每一条线中共同移位，该暗像素不包含光电荷，而仅包含所收集寄生电荷。通过考虑该暗像素的电荷值或在估计期间的电荷，可以至少部分地补偿如所述的许多寄生效应，例如，还在例如US 2012/0081590或其它地方所述的。

本发明还涉及一种用于通过光敏获取元件的线来光学获取位置代码的至少一部分的方法，其中，所述方法执行以下步骤：在获取区中获取并转换光子成电荷，并且在读出结构中输出(通过读出信号触发)与该电荷相对应的电数据信号。

根据本发明，在这种情况下，根据触发信号的触发，将该电荷从获取区移位到存储器结构中，该存储器结构具有模拟存储器单元的N>1条线，并且在该模拟电荷借助于读出结构输出之前将这些电荷临时缓冲存储在该存储器结构中。

这里，作为所述缓冲存储的结果，所述获取可以相对于所述输出异步实现，具体来说，通过两个独立致动信号来控制。

借助于切换结构，所述方法可以执行以下步骤：-因触发信号所导致的-将电荷从光敏获取区的线移位到模拟存储器结构的所述线中的一个中。而且，借助于该切换结构，所述方法可以执行以下步骤：-因读出信号所导致的-将电荷从模拟存储器结构中的所线中的一个移位到读出结构中，并且从读出结构输出电数据信号。

这里，有关触发信号条件化的移位可以沿读出线的方向，与存储器结构中的线的推进一起实现，尤其是存储器结构中的、缓冲存储所获取电荷的那些线。作为该推进的结果，该切换结构按这样的方式实现，即，存储器结构中的移位可以针对该存储器结构中的单个线或线组选择性地实现，而存储器结构中的其它线不位移。这里，选择存储器结构中的多条线的子集还可以出于推进的目的而一起移位，而其它，存储器结构中的已经占用的线不移位。

该方法可以执行以下步骤：在随着选择性传递存储器结构中的单个线或这些线的子集之前，将模拟电荷临时缓冲存储在存储器结构中。这里，具体来说，存储器结构中的线的上部可以独立于该存储器结构的线的下部来移位，其中，作为所述缓冲存储的结果，所述获取可以相对于所述输出异步实现。

这里，该读出信号可与触发信号有关地按时间独立方式控制。因此，这两个信号可以按彼此有关的方式异步。

在一专门实施方式中，该方法可以具体根据先入先出原理，将存储器结构管理为逐线移位寄存器。在该管理期间，具体来说，可以执行选择性擦除和移位存储器结构中的这些线的子集。具体来说，在将电荷移位到存储器结构的目标线中之前，可以在此选择性擦除该目标线。

在一个实施方式中，根据本发明的方法可以根据该触发信号，将来自获取区的电荷

■在放电结构中放电，或者

■存储在模拟存储器结构中。

这里，存储器结构中的电荷可以被移位到最接近读出结构定位的未占用线中。来自光-线的电荷由此例如选择性地沿读出结构的方向逐线地移位，直到这些已经直接推进至已经占用线(其中已经存储了在前获取的电荷)的前方为止。

由此，在该过程中，存储器结构的已经占用线未按根据触发信号的方式移位。

根据触发信号的触发，根据本发明的方法可以执行以下步骤：

■将先前收集寄生电荷从获取区移位到存储器结构中的第一线中，其被用作无代码信息垃圾线，接着，

■获取用于确立位置代码的光子，并且

■将所获取电荷从获取区移位到存储器结构中的第二线中，其被用作具有代码信息的测量线。

具体来说，该垃圾线中的电荷可以被传递到放电结构中以供放电，而测量线中的电荷可以被传递到读出结构中以供读出。

本发明还涉及一种具有存储在机器可读介质上的程序代码的计算机程序产品，其被实现为硬布线可编程逻辑控制器，或者发送为通过电磁波实现的计算机数据信号。这里，该程序代码执行根据本发明的方法，具体来说，其中，该程序代码在根据本发明的位置编码器中执行电荷传递致动。具体来说，这在该程序代码在根据本发明的位置编码器的估计单元中和/或在与其相连接的估计电路中执行时来应用。

附图说明

下面，基于附图中示意性地描绘的具体示例性实施方式，按完全示例性的方式，对根据本发明的方法和根据本发明的装置进行更详细说明，并且还讨论了本发明的进一步优点。这里，所示图不应被视为表示尺寸。具体地：

图1示出了根据本发明的位置编码器的第一实施方式，该位置编码器包括具有多条模拟存储器单元的线的光学传感器元件；

图2示出了根据本发明的位置编码器的实施方式的第二例示图，该位置编码器包括具有多条模拟存储器单元的线的光学传感器元件；

图3示出了根据本发明的位置编码器的第三实施方式，该位置编码器包括针对单一光敏线具有四条示例性模拟存储器线的传感器元件；

图4示出了用于在根据本发明的位置编码器的实施方式中进行信号处理的第一定时图；

图5示出了在根据本发明的位置编码器中的示例性触发和读出处理的例示图；

图6示出了根据本发明的位置编码器的实施方式中的信号处理的第二定时图；

图7示出了根据本发明的位置编码器的实施方式的框图；

图8示出了用于以光学方式获取位置代码的方法的实施方式的流程图；

图9示出了根据本发明的位置编码器的第一示例性实施方式；

图10示出了根据本发明的位置编码器的第二示例性实施方式；

图11示出了根据本发明的位置编码器的第三示例性实施方式；

图12示出了坐标测量机中的、根据本发明的位置编码器的第一应用示例；

图13示出了大地测量仪中的、根据本发明的位置编码器的第二应用示例；

图14a至图14e示出了作为针对伴随快速连续跟随的多个触发信号的测量的示例，坐标测量机中的、根据本发明的位置编码器的第三应用示例；

图15示出了根据本发明的位置编码器的第四实施方式的示意性例示图；

图16示出了根据本发明的位置编码器的第五实施方式的示意性例示图；

图17示出了根据本发明的位置编码器的第六实施方式的示意性例示图；以及

图18示出了根据本发明的位置编码器的第七实施方式的示意性例示图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的位置编码器1(在此基于线传感器来说明)，其以光学方式获取位置代码9的至少一部分。该位置编码器9由此可例如采用对其成像、阴影投射、投影、干涉图案形成等的形式，通过光学传感器元件来获取，其中，该编码例如可以采用对照区、光学透过区和光学不透明区、表面纹理等的形式来形成。包含在其中的传感器元件包括光敏获取区10，已经向其分配存储器结构11，该存储器结构具有每光敏像素16多条模拟存储器单元14的线13。因此，多条非光敏模拟存储器14的线13可用于光接收器线10，该存储器能够存储根据入射光子p在光接收器16中生成的自由电荷。通过示例，从技术上看，这种结构可以利用CCD技术或者采用具有CCD结构的CMOS制造为半导体组件。如果存储器14的结构尺度与光敏区16相比较小，则这使能在半导体基板上紧凑容纳。

在一个实施方式中，模拟存储器结构11的内容在这种情况下，可沿该图中的垂直向下方向(用箭头30符号表示)位移。读出结构12的非常简单的实施方式例如可以被实现为具有这样一结构的CCD线，即，该结构用于将该线内的电荷串型移位至输出电路。这里，读出结构12可以采用读出线形式实现，其作为该CCD结构中的最下侧线，包括水平移位功能31，借助于其，串型读出所存储像素电荷可以按次序执行，借助于该输出电路，获取输出部处的电数据信号22，该数据信号取决于相应数量的像素载流子。该读出还可以并行地完全执行，或者至少部分地执行。

该切换结构15用于致动电荷的移位，其根据外部触发信号20并且根据读出信号21来协调。

图2示出了实施方式的稍微更详细但仍是示意性的例示图。当光子p碰撞时，光敏像素16生成电子-空穴对，其中，自由电子7在势阱下被俘获。作为电极47(虚线所绘)的结果，该势阱的形式可以在实线45与虚线46之间改变(沿坐标系统55的电势轴(pot-axis)的方向)，并由此，电荷7可以通过栅极47的恰当致动而垂直位移(坐标系统55的垂直轴(vert-axis))，如箭头48所示。在这种情况下，这些势阱被保护以免光辐射(例如，通过掩模6)，以便防止生成进一步的光电子。该光电子可以存储在该势阱中，这是为何还被称为模拟存储器单元m1、m2、m3的原因。(在另一些图中，标号14还通常与其次序无关地被用于存储器单元)。如点56所示，在此描绘的布置在位置编码器中彼此紧挨着排列多次，以便获取分别分配有存储器单元m1、m2、m3(也采用线布置)的光敏获取区16的线。

这里，最下侧线被实现为读出结构12，其在所示情况下，是水平移位寄存器(坐标系统55的水平轴(hor-axis))，借助于其，像素电极7可以朝着电荷电压转换部50逐像素位移(箭头49)，以转换成模拟电数据信号22a，其可以利用模拟至数字转换器，在传感器内部或传感器外部地转换成数字电数据信号22d。

根据触发信号获取可以以恒定速率或者因在任意非确定时间出现的外部触发信号(任何种类的)，或者通过两者的组合而触发。尤其是非周期性触发的情况下，随着例如在通过外部原生成的触发信号的情况下出现，如来自用于坐标测量机、传感器、末端开关或用于触发信号的任何其它源的探测端头，还可能必需设置用于擦除CCD结构的专门预防措施。

对于来自现有技术的图像传感器的情况来说，整个CCD芯片在所有情况下利用重置信号擦除。然而，在本发明的含义中，擦除整个模拟存储器不适宜所有情况，因为该模拟存储器仍可以包含尚未被估计的、先前获取线的测量值。不过，为了能够确保本发明范围内的存储器的限定状态，在这种情况下需要不同地执行重置。如果模拟存储器结构不包含任何测量值(例如，在恒定速率测量的情况下，其中，两个触发信号之间的时间不长于读出所需时间)，则在所有情况下，可以擦除整个模拟存储器结构(其简化了擦除的致动，并且作为其结果，可以获取更高可靠性)。

通过示例，在不要估计的不需要方式收集的电荷可以仅向下移位，并且可以直接在那里放电，作为针对读出的另选例(即，不馈送至串型估计，而是具体来说，并行放电)。通过示例，该放电可以在最后存储器线中的底部右侧实现(或者跟随后者)，该最后存储器线可以另选地读出或擦除。

另选的是，不要估计的电荷的放电(例如，在光电元件16中的两个触发信号之间收集的这种电荷)还可以直接在所述光电元件处放电，例如，沿“向上”方向。这在图2中最左侧上依靠向放电部42(泄放槽、清除二极管)致动势垒的另一栅极40来描绘。后者沿方向41使可能在触发信号之前存在的电子7放电，以使限定状态在获取光电荷7之前在光电池16和势阱m1中占优势。

在本发明的范围中，还可以应用CDS(相关双采样)结构，以便依靠使该测量值涉及所有情况下的基准值来减小在读出期间引入的噪声，举例来说，如在US4287441中或者在其它文献中说明的。而且，当应用CDS估计时，其例如还可以免除在每一次读出之前精确地重置读出结构。通过示例，对于不同值确定的情况来说，如果读出电路以其它方式(潜在地)变得饱和，则仅重置成为必需的。而且，对于不同估计的情况来说，尽管应用CDS原理，但可能仅存在每像素一次读出和数字化(对于大多数像素16来说)，与在所有情况下于传递像素电荷之前和之后采样基准值的常规CDS相比，其显著减小了读出时间。

如果实现相关双采样(CDS)，则这可以在最下侧线中实现。这里，当前输出的电荷还可以存储在CDS电路的电容器中，而非CCD结构的存储器中。这里，致动单元的信号可以根据外部信号或者按预定序列预定将测量信号移位到CDS中的时间。通过示例，在一个实施方式中，移位到CDS中总是可以在输出之前直接执行。在这种情况下，测量信号在测量之后(如出于简化的理由在该图中所描绘的)不移位到最下侧线(其现在被保留用于CDS)中，而相反移位到其上的线中。仅在该读出信号是所执行CDS时，测量0(m0)被移位到读出线中并且随后输出。在该处理中或者此后，位于其上的所占用存储器线的内容由此可以推进。

而且，热生成载流子(所谓的“暗电流”)可以借助于诸如平均化、读出一个或更多个暗像素、冷却传感器等的已知处理来补偿或减小。根据本发明，作为慢读出(所谓的“慢扫描”)的结果，同样可以应用噪声减小。因为根据本发明，该读出不再导致编码器受阻用于另一触发信号，所以还可以应用相对较慢的读出。因此，读出速度不再受限于触发速率，具体来说，假设仍可获足够的自由存储器线，因此，假设短期触发速率乘以读出时间仍保持小于存储器线的数量。

图3示出了采用传感器线10的形式的有源光学表面，并且下面是，用于直至四个测量的模拟存储部13a、13b、13c、13d的结构。在传感器线中生成的光电荷可以沿方向30移位到存储器结构中，并且在后者中，还可以在所有情况下逐线移位。如在该图中用符号表示的，与光学有源表面相比，用于模拟存储部13a、13b、13c、13d的区域可以占据半导体基板上的不同区域。具体来说，在其几何尺度方面，存储器单元可以小于分配给其的光敏区。

为了描述根据本发明的位置编码器，还可以依靠指定的方向来描述其实施方式。这里，水平和垂直，或者向上、向下、向左以及向右标注在所有情况下涉及相应描绘的图，而不应被视为绝对的。特定半导体结构中的结构的几何布置当然也可以偏离在此提到的这些“逻辑”方向，假设在此未针对该半导体结构布置进行明确说明。

这涉及位置编码器1，其包括用于光学位置代码获取的传感器元件，包括水平光-线10和由多个水平模拟存储器线13a、13b、13c、13d(其内示例性方式示出了其中四个)组成的垂直结构，其可通过切换结构致动，以选择性垂直移位30单个模拟存储器线13a、13b、13c、13d之间的电荷。

最下侧线被实现为用于并行或串行输出电荷的读出结构(例如，转换成电数据信号以供进一步处理和位置确定)。

根据触发信号的触发，将光生成电荷从光-线10垂直移位(具体来说，连续/串行)到最接近读出线10定位的未占用模拟存储器线13a、13b、13c、13d中，而已经占用的线不移位。在完成读出处理之后，(可能存在的)被占用模拟存储器线13a、13b、13c、13d基于读出信号向下垂直移位一条线到读出线中，并且在那里读出(垂直或水平)。位于更上方的被占用线因此在读出一条线之后推进。

从而，为了获取这种可移位性，存储器结构的线可单个地或者按组选择性地移位，其中，尤其是存在存储器结构内的线的分开可移位性，其中可选择性地选择的，存储器结构的上方线区域可以基于触发信号相对于光敏线推进移位，并且与其分离地，存储器结构的下方线区域可基于读出信号沿读出线的方向移位。这里，上方线区域和下方线区域之间的边界的位置可根据存储器的填充状态改变。因为根据本发明，触发信号和读出信号可以彼此相关地异步出现，所以存储器结构的一部分结果还可以相对于彼此异步移位。

在用于根据本发明的位置编码器1的传感器元件的另一实施方式中，这可以依靠按这样的方式修改的标准二维表面CCD结构来生成，即，单一线10现在是光敏的，而全部另外的线变暗，即，被光不透明层遮蔽。因为这些遮蔽(并由此不再光敏)，所以现在可以将线仅仅用作逐线可移位电荷存储器，实现线传感器的实施方式在根据恰当致动本发明的切换结构的情况下显现出，其使能选择性移位所有线中的单个线或一部分而不仅仅是整个存储器结构。这里，用于从光敏线10移位电荷的线时钟因触发信号而造成。通过示例，在所有情况下，可以随着触发信号的上升边缘和下降边缘，将光电荷从线10移位至暗线13a、13b、13c、-13d中的一个，即，沿读出线的方向将电荷移位至其前面的最后仍未占用的存储器线13a、13b、13c、13d，然而，所占用存储器线未共同移位。

图4示出了在水平时间帧t上描绘的、测量(即，光学获取)的和线读出的示例性触发定时和持续时间。上方线中的每一个触发信号T0、T1、T2、-T3触发中间线中的测量(m0、m1、m2、m3)，即，光敏元件10的电荷被移位到模拟存储器13a、13b、13c、13d中。在随后时间，这些测量可以采用模拟形式从所占用模拟存储器13a、13b、13c、13d按时钟输出，并且例如利用A/D转换器数字化，其在下方线中用关联持续时间r0和r1描绘。可以存在用于顶部的触发和用于底部的读出的信号(例如，经由传感器元件的电连接)。通过示例，获取或测量可以利用预定的、具体来说恒定曝光持续时间m0、m1、m2、m3来实现。在具有存储器值m0的第一线已经在r0结束时输出之后，随后可以(而且在此后直接地)依靠向下移位到读出结构中的该线在时间r1输出具有存储器值m1的下一条线。

另选的是，还可以利用多个A/D转换器并行地在所有情况下估计整个线或其一部分。因为作为根据本发明的模拟存储部的结果，读出速度不再是与两个直接连续触发信号(例如，T0和T1)之间的容许时间间隔有关的关键因子(尤其是对于存储器结构11的足够存储器深度的情况来说)，所以对于快速连续地彼此跟随的几个触发信号T0、T1、T2、T3的临时突发的情况来说，这种并行化及其硬件复杂性在用于满足需求的读出期间不再是强制的。然而，读出速度应当按这样的方式清楚地定尺寸，即，后者使能至少在平均化、平均触发速率的情况下读出所有值，针对其目的，还可以在需要时应用(至少部分地)并行化读出。模拟存储器结构11的所需深度(即，有多少线13需要以模拟形式存储，以便满足该应用的需要)还在有关针对该特定应用情况的触发和读出速率的这种考虑的范围内确定。通过示例，在这种情况下，可以使用最坏的情况，或者还可以应用统计方法。

图5示出了其中生成代码获取之前的限定状态按特定方式来解决的实施方式。

为了总是在用于准确测量的位置编码器1中具有相同先决条件，有利的是，使有源传感器表面10和存储器结构11中的所涉及模拟存储器区进入限定状态，即，针对每一个触发信号T0、T1、T2、T3重置这些(其随后还被称为擦除)。在现有技术中，在CCD的情况下，这种擦除总是应用至整个结构11；然而，如上所述，在目前情况下这并不总是可以的，因为可能获得的先前测量仍要存储。

为了实现这些，可以在存储器结构11中设置垃圾线tr，其缓冲存储可能已经在先前测量与当前测量之间的时间中收集的电荷。该不需要的电荷(其在两个测量之间产生(因曝光、暗电流等))在这些垃圾线tr中收集但不被估计。这里，这些垃圾线tr可以具有和存储器线相同的实施方式；由此，具体来说，仅结构11中的可用存储器被用作垃圾线tr或者用作存储器线m。

垃圾线tr可以与存储器结构中的要估计的线向下共同移位，并且其电荷可以直接馈送至放电部(例如，地)，而非被估计。这种放电可以通过按时钟输出串行实现，否则针对整个线并行实现。因此，仅包含测量数据的线作为数据信号输出并且馈送以估计。

图5示出了这种实施方式的示例，其与图3相比，具有扩展达三条线的存储器结构11。这里，还明确地描绘了读出结构12。在那下面描绘了时间进展(具有和先前图相同的定时)。这里，还可以标识存储器线的、要在该处理中执行的单个移位，以针对存储器结构的、在该处理中未共同移位的下方已占用部分推进正好获取的电荷。

尽管测量m0已经在测量m2和m3期间输出为r0，但模拟线存储器仍被占用，直到该线已经全部输出为止。另选的是，该线还可能已经在CDS之后释放，作为示例，依靠将电荷缓冲存储在电容器中以供串行输出。该存储器值仅在输出r0之后向下移位，从而可以擦除第一垃圾线tr1。如果(如上所述作为一个另选例)该线已经释放，则内部存储器线的移位已经在输出r0期间因外部信号所造成，例如，同样借助于另一触发信号，借助于其，触发新测量m1。随后，来自测量m1的测量信号准备输出，并且具体来说，可以在此后直接输出。随后，再一次向下移位一个，并且可以擦除垃圾线tr2，而且随后，测量m2可以在读出r2期间输出。

另选的是，不希望有的废线的放电还可以更往上地在存储器中实现，作为其结果，需要更少的废存储器线。由此，例如，具体设置的废存储器线可以设置在光敏元件“上方”，并因此，测量值可以向下移位到模拟存储器阵列中，而废值可以向上移位。

在另一实施方式中，按该触发时间获取的两个测量值之间的不必要电荷的放电还可以直接在光敏元件上实现，例如，依靠其连接至地的输出或者在休息状态下的基准电平，即，不需要触发信号，而且载流子仅被累积并且随后在触发的情况下向下移位到该阵列中。这种原理也已经在图2中进行了说明(例如，作为清除二极管)。

在这方面，图6中再一次示出了定时图，其中，在从底部起的第二线中，已经添加了用于将所述测量之间的不必要的电荷放电的擦除栅极d的致动。在这种情况下，存储器线的推进在所有情况下在两个读出处理r0与r1之间实现。

然而，在此应注意到，除了光敏区以外，因为来自泄漏电流等的电荷(其可能篡改测量值)也可以在其中累积，所以针对模拟存储部设置的线还应在写入这些之前被擦除。因此，从底部至顶部擦除应当总是在不再存储测量信号的存储器线中开始，即，包括从底部至顶部的所有空存储器线。当前测量值随后通过这些空线向下移位至最下侧自由线。

另选的是或者附加地，还可以通过所提到的共同移位暗像素和在估计期间考虑其来补偿寄生电荷。

图7示出了根据本发明的、包括光学传感器元件的位置编码器1的实施方式的示意性框图。在此，根据位置代码9，光子p碰撞获取区10并在其中转换成电荷7。这些电荷7按通过致动逻辑15a和切换结构15b控制的方式并且按根据触发信号20的方式移位到模拟存储器结构11中，并且所述电荷存储在存储器单元中的那里，具体来说，CCD势阱中。根据读出信号21，电荷7通过切换结构15b移位到读出结构12中，从那里起，它们在转换成电数据信号22下，按关联触发20的时间，输出为根据所获取位置代码9的输代码字。这里，致动逻辑15a按这样的方式协调该处理，即，所占用存储器结构11在读出期间沿读出结构12的方向推进，并且在触发20期间，存储器结构11中的电荷7被移位到最近自由存储器线12中(如从读出结构12中看到的)，而在该处理器中不移位所专用存储器结构11。这里，可以在每一次移位之前擦除相应目标线，以便放电可能存在的接收电荷收集。

图8描绘了针对根据本发明的用于光学获取位置代码的方法的示例性流程图。该方法具有两个异步部分，即，可以在时域上彼此独立执行的部分-通过有限数量的存储器线远离轻微因果性条件和限制。

上半部分中描绘的部分通过在查询60中检查的触发信号来触发。在该触发信号之后，存储器结构的一条线在步骤61中擦除，并且此后，光-线的电荷被移位到其中并且以模拟形式存储在那里。可选的是，在移位之前等待限定曝光时间，在该曝光时间期间，收集电荷-按代码相关方式分布在光电池之上。该电荷可以进一步沿读出结构的方向在存储器结构中移位(如步骤65中所示)。可能在图64中描绘的相应先前擦除目标线之后，假设目标线尚未被先前存储电荷所占用，其通过查询63来检查。

下半部分中描绘的部分通过在查询70中检查的读出信号来触发。根据查询71，假设所存储光电荷存在于存储器结构中，这些在步骤72中被移位到读出结构中，其在需要时，也预先被擦除。该移位可以在应用CDS原理下实现，或者CDS可以在移位之前执行。存储器结构中的剩余线(其中，同样存储有来自其它触发时间的光电荷)因此在步骤73中，沿读出线的方向推进。在该读出线中，在步骤74中读出并且转换成电数据信号，该数据信号表示按所关联触发时间，在光-线处的照明条件。这里，输出线的读出可以串行或并行或者两者的混合形式来实现，并且例如还可以包括该值的放大和/或数字化。读出74可以及时随着推进73之前、之后，或并行实现。

图9示出了根据本发明的作为具有携带位置代码9的环形代码承载体的旋转位置编码器的位置编码器1的实施方式。在该图像的左手侧部分中，利用反光法通过光学辐射p碰撞代码，而在右手侧部分应用透光法。这构成了两个另选，其通常在一个位置编码器中不一起使用。然而，位置代码获取通常按代码承载体上的多个点来执行，以便通过平均化、误差建模等来改进测量准确度或创建冗余度。通过示例，通过沿其圆周采集旋转代码许多次，还可以确立并补偿动态偏心，作为其结果，例如，降低了针对这种旋转编码器的轴承的质量需求。

图10示出了如上所述用于在根据本发明的位置编码器1中获取位置代码9的透光法。除了利用透光和不透光表面区的成像编码9以外，还可以使用不同的代码,例如,衍射图案或自然纹理作为代码.

图11示出了根据本发明的位置编码器1作为线性位置编码器的示例性实施方式.在于此所示示例中，利用位置代码部9的所发送照明，使位置代码9的一部分可通过编码器1的光学辐射p来获取,以使光敏元件10的线可以读取该代码区。上面，已经对根据本发明的所示位置编码器1的实施方式进行了详细讨论。

图12示出了作为关节臂的坐标测量机99的示例，其配备有触摸-触发探针90。根据本发明的线性和旋转位置编码器1被安装在所示关节臂中，以供根据触摸探针1的触发信号所触发的高精度位置值获取。具体来说，针对快速移动的情况、操作员振颤的情况，或者该及其振动的情况，触发测量的触发信号随着极短的时间间隔(尤其是，作为触发脉冲的突发)出现。根据本发明的位置编码器1能够在这种突发触发信号的情况下获取针对单个脉冲中的每一个的代码字。

通过示例，还可以利用该传感器来执行快速平均值形成。由此，例如，在不同实施方式中，对于具有“触摸-触发探针”的关节臂的情况来说，可以在触发其测量时快速连续地在一个点进行数量为N的测量，该测量随后可以在用户瞄准下一测量点的同时依次地通过控制单元91更慢地处理。根据该N个测量值的所得可能平均值形成可以有助于增加测量的准确度或者有助于排除错误测量。

图13示出了具有根据本发明的位置编码器1的大地测量仪98，其用于按触发测量时的时间来确定该仪器的目标轴环绕垂直轴和倾斜轴的旋转位置。作为可根据本发明获取的高时间同步性的结果，可以排除获取位置之间沿水平方向和沿垂直方向的移动，从而，即使用于轴移动的伺服电机仍振动或者有超过其位置，也可以确定所测量空间坐标的高度一致性。

图14a示出了坐标测量机99中的、根据本发明的位置编码器1的示例性应用，具体来说，在用于确立管径的、具有测量端头95的关节臂中。这里，来自该关节臂的旋转和/或线性编辑器1的位置信息在每一个触发信号的情况下获取。这里，该测量通常依靠在要测量的管道94上方引导叉状测量端头95的用户用手来执行。然而，另选的是，该移动还可以通过机动坐标测量机99按自动方式来执行。

该实际测量(如图14a至图14e中所示)按这样的方式来进行，即触发信号按光束92、93因测试物体94中断或重建时的任何时间来触发，该触发信号触发确定角度和/或长度测量值。

图14a中没有中断光束92、93。如果测量叉95现在在管道94上方降低，则虚线所描绘的第一光束93被中断，以使触发第一触发信号，这在图14b中示出。在将管道94进一步沉浸到叉子95中的期间，还中断第二光束92(虚线所描绘)，如图14c所示，从而触发第二触发信号。第三触发信号的触发在图14d示出并且因光幕中的第一光束93未被阻止而造成。在图14e中，第二光束92在叉子95在管道94上方的进一步移动期间再次消除阻挡，触发了第四触发信号。

现在，可以在坐标测量机99的根据本发明的位置编码器1中，基于按这四次触发时间在所有情况下触发的测量值获取来确立管径。在管道测量的所示应用中，右手侧侧93和左手侧92传感器的触发信号例如在叉子95在管道94上方居中移动的情况下非常快速连续地跟随。结果，对应地，在现有技术中需要短测量数据，其需要快速而且通常也昂贵的电子装置。而且，快速电子装置还生成高热损耗，其不利地影响可获取准确度，例如因在该处理期间出现的温度变化和与其相连接的温度膨胀。

根据本发明，所获取位置代码现在以模拟形式临时存储在位置编码器1本身的高灵敏传感器中(即，例如，CCD或CMOS阵列中)，其可以处于短时段内并且具有低能量支出。以模拟形式存储的信息随后可以读出-甚至以更慢的速度。由此，该读出无论如何都可以需要比两个触发信号之间的时间更长的时段。通过示例，该读出和处理(其例如链接至模拟值的按时钟输出、模拟至数字转换以及位置计算)还可以比触发信号的两个触发之间的时间花费更长。

这里，来自获取区的、以模拟形式存储的值除了串行按时钟输出以外还可以并行数字化，并且还可以可选地按数字形式再次缓冲存储在传感器上。而且，所获取位置代码的直接估计(或者在该方面的预处理)可以在传感器上实现。

图15示出了具有光敏线10的实施方式，例如，实现为背侧照明光电二极管线，其跟随着模拟CCD存储结构11，其中，该电荷可以沿读出结构12的方向按移位方向移位。该移位通过触发信号20来触发，并且电荷移位至未占用存储器线13l的最下侧一条。被占用存储器线13f基于读出信号21沿读出结构121的方向移位。在这里描绘的实施方式中，这例如利用具有CCD结构的CMOS技术而实现为整个线的并行估计。

在图16的实施方式中，暗像素80紧接着光敏线10描绘，其中，暗像素没有收集光电荷，而是仅收集寄生电荷，其接着可以与作为暗基准的像素测量值相减，具体来说，在读出期间。在实践应用中，例如还可以应用多个这种暗像素80，以便获取该暗值的平均值。该暗值相减可以以模拟形式执行(例如在移位到读出结构12中期间)，或者按数字形式执行(即，在已经进行读出之后)。在该例示中，CDS电路81在读出结构12中示出，该CDS结构使用暗像素80的暗值。在这个实施方式中，在光-线10上描绘了擦除结构82，借助于该擦除结构，在缺乏触发信号20的情况下，将电荷从光电池放电。光电荷仅按触发时间收集，并且随后移位到存储器结构11中，如前所述。该读出通过可以独立于触发信号20来触发的读出信号实现。触发20和触发21由此可以相对于彼此异步实现(远离微不足道的条件，举例来说，如在不可能触发之前读出、存储器线中的至少一条必须在触发期间释放，以便不获取数据损失等)。

图17例示了其中模拟存储器结构11被实现为利用CMOS技术而非CCD结构的电容器结构的实施方式。这里，如同在模拟CCD存储器的情况中，象征性指示的切换结构85被设置在存储器线的每一条处，以供逐线移位30或擦除83电荷。底侧线被实现为读出结构12，其可通过在时域上独立于触发的读出信号21来致动。

在其它实施方式中，而非实现为利用CCD技术的移位寄存器，在模拟CCD存储器之后(即，其沿移位方向30的下游侧)的读出结构还可以被实现为电容器线，其中，电荷出于估计目的而移位。这些电容器可以并行(在所有情况下按每电容器一个ADC)或者按顺序(通过一个或更多个ADC上的复用器电路)来估计。因此，底侧CCD线在读出处理期间针对随后处理释放。

在这种不同实施方式中，先前描述的相关双采样81还可以通过将电荷从CCD结构的模拟存储器11移位到读出结构12的电容器中来应用。根据该实现，在这种情况下，CDS 81可以针对整个线并行或者串行执行。除了模拟CDS 81以外，在估计数字像素值期间，还可以依靠同样被数字化并接着以数值方式考虑(即，例如相减)的、CDS的至少一个基准值执行CDS的数字变体。

在图18所示的实施方式中，该读出结构12例如可以被实现为电容器86的线，其设置有复用器结构87，作为用于放大和/或A/D转换的输出部的数据信号22。该读出经由一个或更多个读出信号21来实现，其控制读出处理。在开始每一个读出处理时，电荷从模拟CCD存储器结构11的底侧线经由CDS结构81施加至电容器。这里，CDS 81可以针对整个线并行执行。在从CCD传送电荷之前，电容器86仍可以被主动擦除，即，例如通过将电荷放电至更低电势来释放可能寄生电荷。

这里，模拟CCD存储器结构11按这样的方式实现，即，光电荷p沿向下方向的逐线移位由此可执行，其中，具体来说，不仅整个存储器结构11可移位，而且仅发生移位直到最低自由存储器线和位于更下面的线(其已经被先前获取光电荷占用)未共同移位为止。而且，这些线中的每一条都单个地擦除。除了单个擦除以外，可以提供用于擦除整个CCD结构11的适当致动。该功能通过所描绘切换结构85从一条线至下一条线或者至地来符号表示。这里，所描绘切换结构85具有象征性符号，并且不必描绘针对这些功能的实际半导体结构的实践实现，针对它们本身采取的这些功能当然是现有技术所已知的。

致动该移位和擦除通过致动逻辑15来实现。后者的主要目的是，在触发信号20的情况下，按逐线方式将光-线10中的电荷移位到CCD结构11中，并且在那里移位到最低自由线中。这里，目标线或多条目标线可以在每一次移位之前擦除。当根据读取信号21触发读取处理时，电荷(可能通过应用CDS)被移位到读出结构12中，并且从那里输出，例如输出至全流水线ADC。在该处理中，光电荷所位于的所有存储器单元因此沿向下方向推进，其中，目标线同样可以与该推进对应地预先擦除。这需要CCD存储器结构11的选择性的逐线移位和/或擦除功能，其例如在常规帧传递CCD中未给出。这里，触发信号20和读出信号21可以彼此独立地实现，具体来说，按在时域上不同步方式。

利用相对更复杂的连接和切换机制，除了上述FIFO原理(先入先出)以外，还可以将该存储器线用作随机存取存储器。通过示例，光-线10的电荷可以另选地按直接方式移位到所述多条存储器线中的一个中，和/或这些可以另选地移位到读出结构中。对应存储器管理逻辑确保将光电荷分别存储在自由存储器线(并且这些在必要时被预先擦除)中，并且确保在读出期间保持希望顺序，例如，触发的顺序)。这适宜于本身，具体来说，如果半导体上的存储器结构11比光敏表面10更小，并因此，多个存储器单元在一个光电池下具有空间。

具体来说，如果作为前述主动照明控制的结果例如防止了生成光电荷(或者减小至可能的暗电流)，则例如通过关闭触发事件之间的照明，可以防止两个触发事件之间的光电元件中的光电荷的收集和溢出。在这种情况下，与CDS原理类似的差异估计可以贡献于改进测量值。

Claims (41)

1.一种位置编码器(1)，该位置编码器(1)包括：位置代码(9)和光学传感器元件，该光学传感器元件用于获取所述位置代码(9)的至少一部分，其中，所述传感器元件包括：

·光敏获取区(16)的线(10)，其将入射光子(p)转换成电荷(7)，

·读出结构(12)，其用于输出与所述电荷(7)相对应的电数据信号(22)，

其特征在于，

所述传感器元件出于临时存储所述电荷(7)的目的，包括

模拟存储器结构(11)，其具有光不敏感模拟存储器单元(14)的数量为N>1条的线(13)，其中，存储器单元(14)的线(13)的数量大于光敏获取区(16)的数量，以及

电切换结构(15)，通过该电切换结构(15)能够在所述光敏获取区(16)、所述存储器单元(14)以及所述读出结构(12)之间执行电荷传递，并且其按这样的方式实现，即，在存储器单元(14)的所述线(13)之间的所述电荷传递能够针对所述存储器结构(11)中的单个线(13)或者针对所述线(13)的子集来执行。

2.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，

所述存储器单元(14)的所述线(13)的数量是所述光敏获取区(16)的数量的倍数。

3.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，

所述存储器结构(11)中的所述线(13)的上部能够独立于所述存储器结构(11)中的所述线(13)的下部移位。

4.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，

所述切换结构(15)按这样的方式来实现，即，

·触发信号(20)致使其能够设置所述位置代码(9)的获取时间，和将所述电荷(7)从所述光敏获取区(16)传递到所述存储器结构(11)中的时间，而

·与所述触发信号(20)异步的读出信号(21)致使其能够设置所述读出结构(12)的输出时间。

5.根据权利要求4所述的位置编码器，其特征在于，

所述读出信号(21)在时间上独立于所述触发信号(20)。

6.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件包括

·光敏获取区(16)的单一线(10)，和

·存储器单元(14)的至少N≥3条线(13)。

7.根据权利要求6所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件包括存储器单元(14)的N≥4条线。

8.根据权利要求6所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件包括单一读出结构(12)。

9.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述切换结构(15)致使能够在以下各项之间执行所述电荷(7)的传递

·在光敏获取区(16)的所述线(10)与模拟存储器单元(14)的所述线中的一个之间执行所述电荷(7)的传递，

·在模拟存储器单元(14)的所述线(13)之间执行所述电荷(7)的传递，以及

·在模拟存储器单元(14)的所述线(13)中的至少一条与所述读出结构(12)之间执行所述电荷(7)的传递，

其中，至少一个第二获取能够在第一获取与完成所述第一获取的关联第一读出之间执行，该第二获取的电荷(7)以模拟方式临时存储在所述存储器结构(11)中，并且其能够在所述第一读出之后，按至少第二读出中的稍后时间读出。

10.根据权利要求4所述的位置编码器，其特征在于，

在所述光敏获取区(16)的所述线(10)与所述模拟存储器单元(14)的所述线中的一条线之间所述电荷(7)的传递按由所述触发信号(20)预定的获取时间执行。

11.根据权利要求9所述的位置编码器，其特征在于，

在所述模拟存储器单元(14)的所述线(13)之间所述电荷(7)的传递能够针对所述模拟存储器单元(14)的这些线(13)中的每一条线选择性地致动。

12.根据权利要求9所述的位置编码器，其特征在于，

在所述模拟存储器单元(14)的所述线(13)之间所述电荷(7)的传递能够针对模拟存储器单元(14)的所述线(13)的适当子集致动。

13.根据权利要求9所述的位置编码器，其特征在于，

在所述模拟存储器单元(14)的所述线(13)中的至少一条线与所述读出结构(12)之间所述电荷(7)的传递根据用于读出按所述获取时间获取的所述位置代码(9)的所述读出信号(21)执行。

14.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件包括放电结构(83、42)，其按这样的方式实现，即，能够存在于所述模拟存储器单元(14)中的一个中的电荷(7)在电荷传递到这些存储器单元(14)中之前被放电。

15.根据权利要求14所述的位置编码器，其特征在于，

所述放电结构(83、42)能够选择性地应用至所述模拟存储器结构(11)的数量为N条的线的子集。

16.根据权利要求15所述的位置编码器，其特征在于，

所述放电结构(83、42)能够选择性地应用于所述存储器结构(11)的单个线(13)。

17.根据权利要求4所述的位置编码器，其特征在于，

所述存储器结构(11)包括存储器管理器，其基于所述触发信号(20)和所述读出信号(21)来控制所述电荷传递，并且其按这样的方式实现，即，

·基于所述读出信号(21)，发生基于模拟存储器值沿所述读出结构(12)的方向传递所述存储器结构(11)中的所述电荷，和输出所述读出结构(12)中的所述数据信号(22)，并且

·基于所述触发信号(20)，能够执行将所述电荷(7)从所述光敏获取区(16)传递到所述存储器结构(11)中。

18.根据权利要求17所述的位置编码器，其特征在于，

将所述电荷(7)传递到所述存储器结构(11)中的最靠近所述读出结构(12)定位并且其中尚未存储电荷(7)的线(13)中。

19.根据权利要求17所述的位置编码器，其特征在于，

所述输出相对于所述触发异步实现。

20.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件利用在公共半导体基板上的CMOS与CCD结构来安装。

21.根据权利要求20所述的位置编码器，其特征在于，

所述存储器结构(11)采用CCD技术实现，并且所述读出结构(12)采用CMOS技术实现。

22.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件利用相关双采样结构(81)实现。

23.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述传感器元件利用相关双采样结构(81)实现，其特征在于实现从其传递到所述读出结构(12)中的、存储器结构(11)中的线。

24.根据权利要求1或4所述的位置编码器，其特征在于，

所述光敏获取区(16)的所述线包括至少一个暗像素(80)，其被保护不受入射光子(p)影响，并且其中，没有因光子产生的电荷(7)，并且该暗像素的电荷还作为暗基准在逐线传递期间传递。

25.一种通过光敏获取元件的线来光学获取位置代码(9)的至少一部分的方法，该方法包括以下步骤

·在所述获取元件中获取光子并将该光子转换成电荷(7)，

·由读出信号(21)触发输出与所述电荷相对应的电数据信号(22)，

其特征在于包括：

·通过外部触发信号(20)触发所述光学获取的时间，并且根据该触发，将所述电荷(7)从所述光敏获取元件传递到存储器结构(11)中，该存储器结构具有模拟存储器单元(14)的N>1条线(13)，其中，所述存储器结构(11)中的线(13)的数量大于所述光敏获取元件的数量，并且

·在所述输出之前将模拟电荷(7)临时缓冲存储在该存储器结构(11)中，在此期间，在所述存储器结构(11)中选择性地执行针对单个线(13)或所述线(13)的子集的所述传递，

其中，作为所述缓冲存储的结果，所述获取能够相对于所述输出异步实现。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于

所述存储器结构(11)中的线(13)的数量是所述光敏获取元件的数量的倍数。

27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于

所述存储器结构(11)中的所述线(13)的上部能够独立于所述存储器结构(11)的所述线(13)的下部移位。

28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，

使用切换结构(15)，以执行

·因触发信号(20)所导致的、

·将电荷(7)从光敏获取区(16)的所述线(10)传递到所述模拟存储器结构(11)的所述线中的一个中

以及，

·因读出信号(21)所导致的、

·将电荷从所述模拟存储器结构(11)中的所述线(13)中的一条线传递到读出结构(12)中，并且

·执行从所述读出结构(12)输出所述电数据信号(22)。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于

将电荷从所述模拟存储器结构(11)中的所述线(13)中的一条线传递到读出结构(12)中随着所述存储器结构(11)中的、缓冲存储所获取电荷(7)的至少那些线(13)的推进进行。

30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于

所述读出信号(21)能够相对于所述触发信号(20)按时间独立方式控制。

31.根据权利要求25或28所述的方法，其特征在于，

所述存储器结构(11)作为逐线移位寄存器来管理。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于

所述存储器结构(11)根据先入先出原理来管理。

33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于

能够执行选择性擦除所述存储器结构(11)中的所述线(13)的子集。

34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于

在将电荷(7)传递到所述线(13)中的一条线中之前，选择性擦除该条线(13)。

35.根据权利要求25或28所述的方法，其特征在于，

根据所述触发信号(20)，来自所述光敏获取区(16)的所述电荷(7)

·在放电结构(83、42)中放电，或者

·被存储在所述模拟存储器结构(11)中。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于

所述存储器结构(11)中的所述电荷(7)被传递到最接近所述读出结构(12)定位的未占用线(13l)中。

37.根据权利要求25或28所述的方法，其特征在于，

由所述触发信号(20)触发，

·将先前收集的寄生电荷从光敏获取区(16)传递到所述存储器结构(11)中的第一线(13)中，其被用作无代码信息的垃圾线(tr0、tr1、tr2、tr3)，接着，

·获取用于确立所述位置代码(9)的光子(p)，并且

·将所获取电荷从所述光敏获取区(16)传递到所述存储器结构(11)中的第二线(13)中，其被用作具有代码信息的测量线(m0、m1、m2、m3)。

38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，

所述垃圾线(tr0、tr1、tr2、tr3)中的所述电荷(7)被传递到用于放电的放电结构(83、42)中，而所述测量线(m0、m1、m2、m3)中的那些电荷被传递到所述读出结构(12)中以输出。

39.一种位置编码器(1)，该位置编码器包括：位置代码(9)和光学传感器元件，该光学传感器元件用于获取所述位置代码(9)的至少一部分，其中，所述传感器元件包括：

·光敏获取区(16)的线(10)，其将入射光子(p)转换成电荷(7)，

·读出结构(12)，该读出结构用于输出与所述电荷(7)相对应的电数据信号(22)，

其特征在于，

所述传感器元件出于临时存储所述电荷(7)的目的，包括

模拟存储器结构(11)，其具有光不敏感模拟存储器单元(14)的数量为N>1条的线(13)，其中，存储器单元(14)的线(13)的数量大于光敏获取区(16)的数量，以及

电切换结构(15)，借助于其能够在所述光敏获取区(16)、所述存储器单元(14)以及所述读出结构(12)之间执行电荷传递。

40.根据权利要求39所述的位置编码器，其特征在于，

存储器单元(14)的线(13)的数量是所述光敏获取区(16)的数量的倍数。

41.一种由光敏获取元件的线来光学获取位置代码(9)的至少一部分的方法，该方法包括以下步骤

·在所述光敏获取元件中获取光子并将该光子转换成电荷(7)，

·由读出信号(21)触发输出与所述电荷相对应的电数据信号(22)，

其特征在于，

·由触发信号(20)所触发，将所述电荷(7)从所述光敏获取元件传递到存储器结构(11)中，该存储器结构具有模拟存储器单元(14)的N>1条线(13)，以及

·在所述输出之前将模拟电荷(7)临时缓冲存储在该存储器结构(11)中，

其中，作为所述缓冲存储的结果，所述获取能够相对于所述输出异步实现。