DD211465A3 - Schaltungsanordnung zur unterdrueckung von fremdlichteinwirkungen bei halbleiter-abbildungseinrichtungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Unterdrueckung von Fremdlichteinwirkungen bei Halbleiter-Abbildungseinrichtungen der 1. Generation. Sie findet Anwendung in der Mess-, Handhabe- und Robotertechnik und hier insbesondere bei elektronischen Messsystemen, die einen Ausschluss von Fremdlichteinwirkungen erfordern. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer elektrooptischen Messeinrichtung mit einer Strahlungsquelle als Sender und einer fotoempfindlichen hochaufloesenden Halbleiter-Abbildungseinrichtung als Empfaenger, die bei starken Fremdlichteinwirkungen mit geringem Aufwand eine zuverlaessige Signalerkennung ermoeglicht. Es ist die Aufgabe zu loesen, Moeglichkeiten fuer d. Verarbeitung d. optoelektronischen Empfangssignal zu finden. Dies erfolgt, indem eine neue Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Halbleiter-Abbildungseinrichtung der 1. Generation eingesetzt wird. Durch Verkuerzung der Integrationszeit in Abhaengigkeit von der Amplitude des Nutzsignals wird das Verhaeltnis von Nutzsignal zu Fremdlichtanteil wesentlich zugunsten des Nutzsignals veraendert. Die Fremdlichtunterdrueckung erfolgt ohne Mehraufwand, besitzt eine hohe Zuverlaessigkeit und ist gekennzeichnet durch einen geringen Energieverbrauch.

Description

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Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von.Fremdiichteinwirkungen bei Halbleiter-Abbildungseinrichtungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die. Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Unterdrückung einer starken Fremdlichteinwirkung bei fotoempfindlichen hochauflösenden sequentiell auslesbaren Halbleiter-Abbildungseinrichtungen der 1. Generation.

Sie findet Anwendung in der Meß-, Handhabe- und Robotertechnik und hier insbesondere bei elektrooptischen Meßsystemen, die einen Ausschluß von Fremdlichteinwirkungen erfordern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Ein elektrooptisches Meß- oder Erkennungssystem kann im weitesten Sinne aus einer Strahlungsquelle als Sender, einem optischen Kanal und einem fotoempfindlichen Sensor als Empfänger bestehen. Die Trendentwicklüing sieht einen Einsatz von hochauflösenden Halbleiter-Abbildungseinrichtungen als Empfänger vor. Solche bekannten Halbleiter-Abbildungseinrichtungen liefern eine Information über die relative Intensität der auf einen gegebenen Fotoplatz auftreffenden Strahlung im Vergleich zu anderen Fotoplatzen. Erfolgt nun die Übertragung.eines optischen Informationssignals unter Beeinflussung eines Fremdlichtpegels, so kommt es zu einer überlagerung des Nutzsignals und des störenden Fremdlichtpegels. Dies erschwert oder verhindert die Auswertung der am Ausgang der HaIb-

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λ λ niu λ ο j η ·* η λ κ ο ^ ο ".

lei.ter-Abbildungseinrichtung vorliegenden Information. Durch eine Erhöhung der Sendeleistung und oder durch die Abschirmung des optischen Kanals vor Fremdlichtquellen kann unter Einschränkungen und hohem Aufwand eine HaIbleiter-Abbildungseinrichtung zur Anwendung kommen. Eine andere Möglichkeit der Fremdlichtunterdrückung wird in der Erfindungsbeschreibung DE 25 57 8S3 dargestellt. Dabei wird der Fremdlichtanteil als Gleichanteil bzw. als Wechselanteil mit niedrigen Frequenzkomponenten angenommen. Es wird vorgeschlagen, das zu übertragende optische Signal mit einer hohen Frequenz zu modulieren. Das Ausgangssignal der Empfangseinheit wird einem Demodulator über Filter zugeführt, wo eine Diskrimination hinsichtlich der Signale des Umgebungsrauschens von sehr viel niedrigeren Frequenzen als die Modulationsfrequenz

erfolgt. Diese Lösung basiert auf der Verwendung eines ! modulierten Senders und setzt voraus, daß der vorhandene Fremdlichtanteil betreffs seiner Frequenzkomponenten bekannt sein snuS. Weiterhin ist der Empfang der notwendigen hohen Modulationsfrequenz beim derzeitigen Stand der Technik an Einzelempfänger gebunden. Der Einsatz von hochauflösenden Halbleiter-Abbildungseinrichtungen macht eine solche Modulationserkennung unmöglich. In der Erfindungsbeschreibung DE 27 02 452 wird vorgeschlagen, ein paralleles Strahlenbündel mit einem bestimmten Querschnitt auf einen Bereich des zu untersuchenden Objektes zu richten. Das vom Objekt reflektierte Licht wird durch eine Aufnahmeeinrichtung empfangen und anschließend ausgewertet. Dabei wird die Lichtintensität der vom Objekt reflektierten Fremdbeleuchtung kleiner der vom parallelen Strahlenbündel angenommen. Befindet sich aber eine Fremdlichtquelle im Lichtaufnahmewinkel des Empfängersystems, so wird das Erkennungsprinzip gestört. Außerdem ist die für viele MeSprinzipien geforderte Verwandung von divergentem Licht bei dar vorliegenden Erkennungsainrichtung unmöglich.

Die Erfindungsbeschreibung DE 29 43 510 beinhaltet eine Anordnung zur Qualitätskontrolle. Unter Verwendung einer

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.im .η Λ Γι j, Π Λ Κ

Halbleiter-Abbildungseinrichtung wird ein Meßsignal gewonnen, das aus dem Inforrnationssignal und einem Grundsignal besteht. Durch ständige Messung des Grundsignals und deren Speicherung wird durch digitale Subtraktion des Grundsignals vom Meßsignal das Meßergebnis gebildet. Es zeigt sich aber, daß solch eine Digitalisierung und anschließende Subtraktion sehr aufwendig ist.

Ziel der Erfindung

Für eine elektrooptisch^ Meßeinrichtung mit einer Strahlungsquelle als Sender und einer fotoempfindlichen hochauflössnden Halbleiter-Abbildungseinrichtung als Empfänger soll bei starken Fremdlichteinwirkungen mit geringem Aufwand eine zuverlässige Signalerkennung ermöglicht werden.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten für die Verarbeitung des optoelektronischen Empfangssignals zu finden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Fremdlichteinwirkungen mit einer strahlungsempfindlichen sequentiell auslesbaren Halbleiter-Abbildungseinrichtung als Empfänger und einer Strahlungsquelle als Sensor, bei der die Halbleiter-Abbildungseinrichtung aus einer durch Anlegen einer Spannung an eine Photogateelektrode sich ausbildenen Raumladungszone, aus einem nachfolgenden durch eine Transferelektrode ansteuerbaren Übertragungsbereich und einer abschließenden durch Transportelektroden ansteuerbaren CCD-Schieberegisterstruktur besteht, wobei zur Ansteuerung der Transferelektrode und der Transportelektroden eine gemeinsame Zeit-Steuerlogik-Schaltung vorhanden ist, die einen Transportsignaigeber als Ausgangs-» generator zur Bereitstellung des Transporttaktes und zur Schaffung der Anschlußbedingungen für die Übernahme von Ladungspaketen in die CCD-Schieberegisterstruktur enthält, daß am Eingang der Photogateelektrode ein Photogatesteuersignalgeber vorhanden ist und der Photogate-

4Q steuersignalgeber mindestens eine elektrische Verbindung mit der Zeit-Steuerlogik-Schaltung zur Synchronisation

des Eingangssignals der Transferelektrode und des Eingangssignals der Photogateelektrode aufweist. Die Zeit-Steuerlogik-Schaltung kann dabei einen Taktsignalweg und einen Steuersignalweg besitzen. Im Taktsignalweg sind dann nacheinander der Transportsignalgeber, ein Umschalter mit zwei Eingängen und einem Steuereingang und ein Transportsignalpegelwandler mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Ausgang angeordnet. Der erste Eingang des Umschalters ist mit dem Ausgang des Transport-IQ Signalgebers und der zweite Eingang des Umschalters ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Ausgänge des Transportsignalpegelwandlers stehen in elektrischer Verbindung mit den Transportelektroden. Der Steuersignalweg zur Transferelektrode besteht dann nacheinander angeordnet aus dem Transport Signalgeber, einem Impulszähler mit zwei Ausgängen, einer Halteschaltung, einer Transfertorschaltung mit einem Eingang und einem Steuereingang und einem Transfersignalpegelwandler. Der Steusreingang der Transfertorschaltung ist mit dem Ausgang der Halteschaltung und der Eingang der Transfertorschaltung ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Zur Kopplung des Taktsignalweges mit dem Steuersignalweg ist vom Ausgang der Halteschaltung eine elektrische Verbindung zum Steuereingang des Umschalters vorhanden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn der zweite Ausgang des Impulszählers in elektrischer Verbindung zum Starteingang des Photogatesteuersignalgebers steht. Besteht der Photogatesteuersignalgeber aus einer Photogategleichspannungsquelle und einer nachfolgendenPhotogatetorschaltung mit einem Starteingang und einem Stoppeingang, dann ist der Starteingang des Photogatesteuersignalgebers als Starteingang der Photogatetorschaltung ausgebildet und der Stoppeingang der Photogatetorschaltung ist mit dem Ausgang der Transfertorschaltung elektrisch verbunden. Bei allen Ausführungsmöglichkeiten ist es zweckmäßig, die Photogategleichspannungsquelle als variable Gleichspannungsquelle auszubilden.

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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für eine Halbleiter-Abbildungseinrichtung auch bei starken Fremdlichteinwirkungen eine zuverlässige Signalerkennung ermöglicht wird.

Die Fremdlicht unterdrückung erfolgt ohne Mehraufwand an schaltungstechnischen bzw. optischen Anordnungen. Damit wird ein geringer Material-, Platz- und Kostenaufwand garantiert. Dis Lösung ist charakterisiert durch eine hohe Zuverlässigkeit, einen geringen Energieverbrauch und eine sehr schnelle Bereitstellung des Informationssignals.

Weiterhin zeigt sich, daß eine Einschränkung' bezüglich des optischen Meßprinzips nicht vorliegt.

Ausführungsbeispiel

3-5 Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Vertikalstruktur einer Halbleiter-Abbildungseinrichtung der 1. Generation '⁼ig- 2 Blockschaltbild der Schaltungsanordnung

zum Ausführungsbeispiel

Fig. 3 Impuls-Zeit-Diagramm zum Ausführungsbeispiel Die in dem Ausführungsbeispiel verwendete st rahlungsempfindliche sequentiell auslesbare Halbleiter-Abbildungseinrichtung der 1. Generation wird in Fig. 1 in Vertikalstruktur dargestellt. Die Halbleiter-Abbildungseinrichtung 1 besteht somit aus einer Raumladungszone I, die sich erst bei Anlegen einer Spannung an der Photogateelektrode ausbildet, aus einem nachfolgenden durch eine Transferelektrode ansteuerbaren Übertragungsbereich II und einer abschließenden durch Transportelektroden ansteuerbaren CCD-Schieberegisterstruktur III. Zur Unterdrückung der Fremdlichteinwirkungen und zur gleichzeitigen Ansteuerung besitzt diese Halbleiter-Abbildungseinrichtung 1 folgenden Grundaufbau der Schaltungsanordnung. Zur gemeinsamen Ansteuerung der Transferelektrode und der Transportelektroden dient eine Zeit-Steuerlogik-Schaltung 2. Diese beinhaltet als Ausgangsgenerator'

O'2

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einen Transportsignalgeber 3, der den Transporttakt bereitstellt und aus dem die Anschlußbedingungen für die Übernahme von Ladungspaketen in die CCD-Schieberegisterstruktur III abgeleitet werden. Dabei kann die Zeit-Steuerlogik-Schaltung 2 einen Taktsignalweg und einen Steuersignalweg aufweisen. Im Taktsignalweg sind dann nacheinander der Transportsignalgeber 3, ein Umschalter 8 mit zwei Eingängen und einem Steuereingang und ein Transportsignalpegelvvandler 9 mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Ausgang angeordnet. Der erste Eingang des Umschalters 8 ist mit dem Ausgang des Transportsignalgebers 3 und der zweite Eingang des Umschalters 8 ist mit einer Gleichspannungsquelle U_ elektrisch gekoppelt. Im Steuersignalweg zur Transferelektrode sind dann nacheinander der Transportsigrialgeber 3, ein Impulszähler 5 mit zwei Ausgängen, eine Halteschaltung 6, eine Transfertorschaltung 7 mit einem Eingang und einem Steuereingang und ein Transfersignalpegelwandler 10 angeordnet . Der Steuereingang der Transfertorschaltung 7 steht mit dem Ausgang der Halteschaltung S und der Eingang der Transfertorschaltung 7 steht mit einer Gleichspannungsquelle U_ in elektrischer Verbindung. Zur Kopplung des Taktsignalweges mit dem Steuersignalweg ist vom Ausgang der Halteschaltung S eine elektrische Verbindung zum Steuereingang des Umschalters 8 vorhanden.

Die Photogateelektrode wird durch einen Photogatesteuersignalgeber 4 angesteuert. Zur Synchronisation des Eingangssignals der Transferelektrode 0_χ und des Eingangssignals der Photogateelektrode 0_pG weist der Photogate- steuersignalgeber 4 mindestens eine elektrische Verbindung mit der Zeit-Steuerlogik-Schaltung 2 auf. Dies kann vorteilhaft realisiert werden, wenn der zweite Ausgang des Impulszählers 5 in elektrischer Verbindung zum Starteingang des Photogatesteuersignalgebers 4 steht. Besteht der Photogatesteuersignalgeber 4 aus einer Photogategleichspannungsquelle 11 und einer nachfolgenden Photogatetorschaltung 12 mit einem Starteingang und einem Stoppeingang, dann ist der Starteingang des Photogate-

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Steuersignalgebers 4 als Starteingang der Photogatetorschaltung 12 ausgebildet und der Stoppeingang der Photogatetorschaltung 12 ist mit dem Ausgang der Transfertorschaltung 7 elektrisch verbunden. Dabei zeigt sich als günstig, die Photogategleichspannungsquelle 11 zur Festlegung der notwendigen Breite der Raumladungszone I als variable Gleichspannungsquelle auszulegen. In Fig. 2 ist das Blockschaltbild dieser Schaltungsanordnung dargestellt. Nach den bisherigen Betriebsbedingungen war die Raumladungszone ständig aktiviert. Die Integrationszeit entsprach somit der Zeit eines Meßzyklus. Dadurch war der Fremdlichtanteil oft so groß, daß eine Auswertung des Ausgangssignals der Halbleiter-Abbildungseinrichtung 1 nicht oder nur mit einem großen Aufwand erfolgen konnte. Untersuchungen an mehreren Bauelementen haben ergeben, daß durch die Verkürzung der Integrationszeit bedeutend verbesserte Ergebnisse erzielt werden können. Damit wird das Verhältnis von Nutzsignal zu Fremdlichtanteil wesentlich zu gunsten des Nutzsignals verändert.

Die Länge der Integrationszeit wird nun unter Beachtung der Amplitude des Nutzsignals festgelegt. Eine technische Realisierung erfolgt unter den Bedingungen,, daß die Zeit des Aktivierungszustandes der Raumladungszone I die Integrationszeit bestimmt und eine Deaktivierung der Raumladungszone I erst nach dem Transport der in der Raumladungszone I erzeugten Ladungsträger- über den Übertragungsbereich II in die CCD-Schieberegisterstruktur III möglich ist

Vor dem Beginn eines Meßzyklus werden in dem Impulszähler 5 zwei Zählerstände festgelegt. Der erste Zählerstand, dem ersten Ausgang des Impulszählers 5 zugeordnet, entspricht der Anzahl der Photoplätze auf der Halbleiter-Abbildungseinrichtung 1. Der zweite Zählerstand, dem zweiten Ausgang des Impulszählers 5 zugeordnet, wird so festgelegt, daß dia Differenz der beiden Zählerstände multipliziert mit der Taktperiode die Integrationszeit ergibt. Mit 3eginn des Meßzyklus gelangen die Taktimpulse

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des Transportsignalgebers 3 über den Umschalter 8 und den Transportsignalpegelwandler 9 zu den Transportelektroden und stellen das Eingangssignal der Transportelektroden 0j dar. Gleichzeitig wird der Impulszähler 5 gestartet. Mit Erreichen des zweiten Zählerstandes liegt am zweiten Ausgang des Impulszählers 5 ein High-Pegel vor. Dieser bewirkt eine Umschaltung der Photogatetorschaltung 12 auf die Photogategleichspannungsquelle An der Photogateelektrode bildet sich die Raumladungszone I aus und die Integrationszeit beginnt.

Erreicht der Impulszähler 5 den ersten Zählerstand, so liegt die Bereitschaft für die Übernahme der Ladungspakete in die CCD-Schieberegisterstruktur III vor. Vom ersten Ausgang des Impulszählers 5 wird ein Informationssignal an die Halteschaltung 6 gegeben. Die Haltezeit t_H der Halteschaltung 6 ist fest eingestellt und entspricht der Zeit für die Übernahme der Ladungspakete von der Raumladungszone I in die CCD-Schieberegisterstruktur III. Die Halteschaltung 5 erzeugt für die Dauer der Haltezeit t„ einen High-Pegel. Damit erfolgt eine elektrische Verbindung des Umschalters 8 und der Transfertorschaltung 7 mit den Gleichspannungsquellen U_ und die An- Schlußbedingungen für die Übernahme der Ladungspakete in die CCD-Schieberegisterstruktur III sind hergestellt.

Nach Ablauf der Haltezeit t,, der Halteschaltung 5 erfolgt die Rückschaltung des Umschalters 8 und der Transfertorschaltung 7. Am Ausgang der Transfertorschaltung 7 erfolgt somit eine H —^" L Flanke, die den Stoppkanal der Photogatetorschaltung 12 aktiviert und eine öffnung der Photogatetorschaltung 12 bewirkt. Damit wird die Integrationszeit beendet. Der Meßzyklus kann neu beginnen. In Fig. 3 ist das dazugehörige Impuls-Zeit-Diagramm dargestellt. Mit dieser Schaltungsanordnung kann ohne zusätzlichen Aufwand eine wirksame Unterdrückung der Fremdlichteinwirkungen erfolgen.

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Claims (5)

1. Erfindungsanspruch

   1. Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Fremdlichteinwirkungen mit einer strahlungsempfindlichen sequentiell auslesbaren. Halbleiter-Abbildungseinrichtung als Empfänger und einer Strahlungsquelle als Sender, bei der die Halbleiter-Abbildungseinrichtung aus einer.durch Anlegen einer Spannung an eine Photogateelektrode sich ausbildenen Raumladungszone, aus einem nachfolgenden durch eine Transferelektrode ansteuerbaren Obertragungsbereich und einer abschließenden durch Transportelektroden ansteuerbaren CCD-Schieberegisterstruktur besteht, wobei zur Ansteuerung der Transferelektrode und der Transportelektroden eine gemeinsame Zeit-Steuerlogik-Schaltung vorhanden ist, die einen Transportsignalgeber als Ausgangsgenerator zur Bereitstellund des Transporttaktes und zur Schaffung der Anschlußbedingungen für die Übernahme von Ladungspaketen in die CCD-Schieberegisterstruktur enthält, gekennzeichnet dadurch, daß am Eingang der Photogateelektrode ein Photogatesteuersignalgeber vorhanden ist und der Photogatesteuersignalgeber mindestens eine elektrische Verbindung mit der Zeit-Steuerlogik-Schaltung zur Synchronisation des Eingangssignals der Transferelektrode und des Eingangssignals der Photogateelektrode aufweist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zeit-Steuerlogik-Schaltung einen Taktsignalweg und einen Steuersignalweg aufweist, daß im Taktsignalweg nacheinander der Transport Signalgeber, ein Umschalter mit zwei Eingängen und einem Steuereingang und ein Transportsignalpegelwandler mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Ausgang angeordnet sind, wobei der erste Eingang des Umschalters mit dem Ausgang des Transportsignalgebers und der zweite Eingang des Umschalters mit einer Gleichspannungsquelle in elektrischer Verbindung stehen und die Ausgänge des Transportsignalpegelwandlers elektrische Verbindung zu den Transportelektroden aufweisen, daß im Steuersignalweg zur

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   Transferelektrode nacheinander der Transportsignalgeber, ein Impulszähler mit zwei Ausgängen, eine Halteschaltung, eine Transfertorschaltung mit einem Eingang und einem Steuereingang und ein Transfersignalpegelwandler angeordnet sind, wobei der Steuereingang der Transfertorschaltung mit dem Ausgang der Halteschaltung und der Eingang der Transfertorschaltung mit einer Gleichspannungsquelle in elektrischer Verbindung stehen und daß zur Kopplung der Taktsignalweges mit dem Steuersignalweg vom Ausgang der Halteschaltung eine elektrische Verbindung zum Steuereingang des Umschalters vorhanden ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daS der zweite Ausgang des Impulszählers in elektrische Verbindung zum Starteingang des Photogatesteuersignalgebers steht.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Photogatesteuersignalgeber aus einer Photogategleichspannungsquelle und einer nachfolgenden Photogatetorschaltung mit einem Starteingang und einem Stoppeingang besteht und daß der Starteingang des Photogatesteuersignalgebers als Starteingang der Photogatetorschaltung ausgebildet ist und der Stoppeingang der Photogatetorschaltung mit dem Ausgang der Transfertorschaltung in elektrischer Verbindung steht.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Photogategleichspannungsquelle als variable Gleichspannungsquelle ausgebildet ist,

   'Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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