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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben einer optoelektronischen Sensoranordnung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine optoelektronische Sensoranordnung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
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Mit derartigen Sensoranordnungen
wird beispielsweise das Eindringen von Objekten in einen Überwachungsbereich
erkannt, wobei neben einem reinen Gegenstand-Feststellungssignal
auch bei entsprechender Sensorwahl eine Objekterkennung, beispielsweise
durch eine Konturerfassung erfolgen kann. Als Sensorsysteme werden
oftmals herkömmliche
Kamerasysteme mit CCD-basierten Lösungen verwendet. Diese sind
jedoch im industriellen Umfeld insbesondere wegen ihrer hohen Fremdlichtempfindlichkeit
nur bedingt einsetzbar. Außerdem
weisen solche CCD-basierten Lösungen üblicherweise
eine zu geringe Verarbeitungsgeschwindigkeit auf, da mit ihnen nur
typische Bildraten von weniger als 30 Hz erreicht werden.
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Bei einem gattungsgemäßen Verfahren
und einer gattungsgemäßen optoelektronischen
Sensoranordnung (
DE
197 18 839 A1 ) werden die gespeicherten Lichtintensitäten in ein
Sample- und Hold-Glied überführt, wo
eine Speicherung eines aus Nutzlicht und Umgebungslicht gespeicherten Wertes erfolgt.
Der im Sample- und Hold-Glied gespeicherte Wert kann dann auf beliebige
Weise weiterverarbeitet werden. Wie dies im einzelnen geschieht,
ist in der Schrift nicht offenbart.
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Aus der
DE 197 30 341 A1 ist ein
Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Sensoranordnung mit
einer Lichtempfangseinrichtung zum Empfang aus einem Überwachungsbereich
stammenden Lichtes und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit bekannt,
bei der Lichtempfangseinheit in mehrere Empfangszonen unterteilt
wird, die jeweils einer Objektzone im Überwachungsbereich entsprechen.
Die Ausgänge
der Lichtempfangseinheit werden parallel an eine Steuer- und Auswerteeinheit
angelegt und dort in nicht näher
angegebener Weise verarbeitet.
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Weiter ist ein opto-elektronischer
Sensor mit einem Lichtsender zum Aussenden eines Sendelichtbündels in
einen Überwachungsbereich
und mit einem Lichtempfänger
zum Empfang eines Empfangslichtbündels
bekannt (
DE 197 21
105 A1 ). Das Empfangslichtbündel steht in Abhängigkeit
vom Abstand des Gegenstandes vom Sensor in einem veränderlichen
Strahlwinkel zum Sendelicht. Weiter ist eine Steuer- und Auswerteeinheit
zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Lichtempfängers vorgesehen. Der
Lichtempfänger
weist einen Meßelement-Lichtsensor
auf, der wenigstens vier einzelne Sensorelemente besitzt, die dergestalt
benachbart angeordnet sind, daß in
Abhängigkeit
vom Strahlwinkel unterschiedliche Sensorelemente vom Empfangslichtbündel beaufschlagt
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
gattungsgemäßes Verfahren
und eine gattungsgemäße Sensoreinrichtung
zu schaffen, mit denen eine höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeit als bei CCD-basierten Lösungen erreicht
wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw.
des Patentanspruchs 16.
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Durch die sequentielle parallele Übertragung einer
Vielzahl von Lichtintensitätswerten
an einen Parallelprozessor und eine entsprechende parallele Vorverarbeitung
der übertragenen
Signale wird eine deutlich höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu üblichen Sensoranordnungen erreicht. Auf
diese Weise sind prozessierte Bildraten von 5000 Hz und mehr realisierbar.
Bei entsprechend kurzen Nutzlichtimpulsen, beispiels weise kurzen
Laserpulsen, ist die erfindungsgemäß ausgebildete Sensoranordnung
sowie das entsprechende Verfahren auch für die Erfassung von sich schnell
bewegenden Objekten, beispielsweise auf Fliesbändern geeignet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung erfolgt außerhalb
der Aktivierungsintervalle keine Abspeicherung der auf die Sensoren
auftreffenden Lichtintensitäten.
Auf diese Weise wird ausschließlich
das von den Nutzlichtimpulsen stammende reflektierte Licht einschließlich des
während der
Nutzlichtimpulsdauer auftreffenden Hintergrundlichtes ausgewertet.
Grundsätzlich
ist es auch möglich,
daß auch
zwischen den Aktivierungsintervalle auf die Sensoren auftreffende
Strahlungsenergie erfaßt
und beispielsweise zur zusätzlichen
Ausblendung des Hintergrundlichts ausgewertet wird. Eine solche
Auswertung erfordert jedoch zusätzliche
Maßnahmen
zur Unterscheidung zwischen dem Nutzlichtsignal während der
Aktivierungsintervalle und den außerhalb der Aktivierungsintervalle
gelegenen Störsignale.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt während
der Übertragung
der Lichtintensitätswerte
bereits eine Vorverarbeitung der in einem vorhergehenden Übertragungsschritt übertragenen
Lichtintensitätswerte
durch den Parallelprozessor. Auf diese Weise kann die Gesamtverarbeitungsgeschwindigkeit
weiter erhöht
werden, da die Vorverarbeitung der Empfangssignale sowie die Übertragung
der nachfolgenden Signale gleichzeitig erfolgt. Bei der Vorverarbeitung
kann es sich beispielsweise um eine zusätzliche Unterdrückung von
Störsignalen,
beispielsweise von Hintergrundlicht oder um eine Teilauswertung
der Signale handeln.
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Bevorzugt werden jeweils die von
dem Parallelprozessor vorverarbeiteten Signalwerte zur weiteren
Signalverarbeitung einer Auswerteeinheit für die Objekterkennung zugeführt. Bei
entsprechender Auswerteeinheit ist nicht nur die Erkennung eines Objektes,
sondern beispielsweise auch die Erfassung seiner Form möglich.
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Die Lichtintensitäten können für jeden Sensor in analoger
Form, beispielsweise in Kondensatoren, gespeichert werden. Es ist
jedoch auch möglich, daß eine digitale
Speicherung der Lichtintensitäten erfolgt.
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Werden die Lichtintensitäten in analoger Form
gespeichert, so erfolgt bevorzugt vor Übertragung der gespeicherten
Werte zu dem Parallelprozessor eine Analog-Digital-Wandlung der
gespeicherten Werte, die insbesondere für eine Vielzahl von Sensoren
gleichzeitig erfolgen kann. Vorteilhaft erfolgt dabei diese Analog-Digital-Wandlung
jeweils für die
Sensoren gleichzeitig, deren gespeicherte Lichtintensitätswerte
im nächsten Übertragungsschritt
zu dem Parallelprozessor übertragen
werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung sind die Sensoren zweidimensional in jeweils nebeneinanderliegenden
Zeilen und/oder Spalten angeordnet, wobei in jedem Übertragungsschritt
jeweils die für
eine Zeile oder eine Spalte gespeicherten Werte der Lichtintensitäten an den
Parallelprozessor übertragen
werden. Grundsätzlich
ist eine beliebige, ortsauflösende
Anordnung der Sensoren, beispielsweise zeilenförmig, matrixförmig, kreisförmig, insbesondere
in konzentrischen Kreisen, trapezförmig, oder in sonstiger geeigneter Weise
möglich.
Auch eine dreidimensionale Anordnung der Sensoren kann für bestimmte
Anwendungsfälle
vorteilhaft sein.
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Sind die Sensoren zeilen-, spalten-
oder matrixförmig
angeordnet, so erfolgt die Analog-Digital-Wandlung bevorzugt jeweils
für alle
Sensoren einer Zeile bzw. einer Spalte gleichzeitig. Typische Zahlen
für eine
matrixförmige
Anordnung können
dabei 256 × 256
oder 512 × 512
Sensoren sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung werden bei der Vorverarbeitung durch den Parallelprozessor
jeweils Beziehungen zwischen den übertragenen Signalwerten nebeneinander
angeordneter Sensoren ausgewertet. Dabei wird bevorzugt ein Kantenerkennungssignal erzeugt,
wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalwerten nebeneinander
angeordneter Sensoren einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Das
auf diese Weise bereits vorverarbeitete Ausgangssignal des Parallelprozessors
kann dann in einfacher Weise in einer Auswerteeinheit in gewünschter
Weise ausgewertet werden.
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Vorteilhaft werden die Sensoren jeweils
nur während
der Aktivierungsintervalle zum Empfangen der reflektierten Nutzlichtimpulse
aktiviert und insbesondere werden die Sensoren synchron mit dem Ende
der jeweils ausgesandten Nutzlichtimpulse deaktiviert. Wird die
Dauer des Aktivierungsintervalls jeweils so gewählt, daß sie der Dauer des dazu synchronen,
ausgesandten Nutzlichtimpulses entspricht, so fallen Aktivierungsintervall
und ausgesandter Nutzlichtimpuls zeitlich identisch zusammen, so
daß zwischen
den Nutzlichtimpulsen auf die Sensoren fallendes Licht, zuverlässig ausgeblendet
wird.
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Bevorzugt ist die Empfängereinheit
als Sensorchip, insbesondere als CMOS-basierter Sensorchip ausgebildet.
Im Gegensatz zu CCD-Sensoren sind CMOS-Sensoren parallel auslesbar
und somit flexibler verwendbar.
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Dadurch ist eine analoge oder digitale
Vorverarbeitung der ausgewählten
Werte durch den Parallelprozessor möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
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1 ein
stark vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Empfängereinheit
und eines daran angeschlossenen Prozessorfeldes,
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2 eine
schematische Darstellung eine speziellen Ausführungsform eines Sensors der
Empfängereinheit
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3 eine
schematische Darstellung zur Digitalisierung der in einem Sensor
gespeicherten Lichtintensität
und
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4 ein
schematische Beispiel für
eine Vorverarbeitung der dem Parallelprozessor zugeführten Signalwerte.
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1 zeigt
eine Empfängereinheit 1,
die eine Vielzahl von matrixförmig,
d.h. in Zeilen 2, 2', 2'' und Spalten 3 angeordneten,
schematisch als Kästchen
dargestellte Sensoren 4 umfaßt. Jeder Sensor 4 enthält dabei
ein lichtempfindliches Element 5, beispielsweise eine Fotodiode,
sowie weitere Elemente, die in 2 näher dargestellt
sind. Die lichtempfindlichen Elemente 5 sind zum Erfassen
von Lichtsignalen 8 ausgebildet, die als Nutzlichtimpulse 10 von
einem Lichtsender 9 in einen Überwachungsbereich ausgesandt
und an einem im Überwachungsbereich angeordneten
Objekt 29 reflektiert werden und als reflektierte Nutzlichtimpulse 10' auf den Sensoren 4 auftreffen.
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Jeder Sensor 4 besitzt einen
Ausgang 16 (2),
die so miteinander verschaltet sind, daß die Ausgangssignale der Sensoren 4 zeilenweise über eine
Vielzahl von Leitungen 6 von den Signalausgängen 31 der
Empfängereinheit 1 zu
Signaleingängen 31 eines
Prozessorfelds 7 eines Parallelprozessors zugeführt werden
können.
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Beginnend mit der Zeile 2'' können die in den Sensoren 4 der
einzelnen Zeilen abgespeicherten Signalwerte, wie es weiter unter
beschrieben wird, nacheinander dem Prozessorfeld 7 des
Parallelprozessors zugeführt
werden, so daß dieser
eine parallele zeilenweise Signalvorverarbeitung durchführen kann.
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Die Sensoren 4 sind so ansteuerbar,
daß einfallendes
Licht jeweils nur innerhalb eines definierten Aktivierungsintervalls
für alle
Sensoren 4 gleichzeitig aufgenommen und gespeichert wird.
Außerhalb
eines Aktivierungsintervalles erfolgt in den Sensoren 4 keine
Speicherung des einfallenden Lichts.
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Ein Beispiel für eine Realisierung der Sensoren 4 ist
in 2 dargestellt. Jeder
der Sensoren 4 umfaßt
ein lichtempfindliches Element 5, das zum Empfangen der
Lichtsignale 8 ausgebildet ist. Die Lichtsignale 8 werden
erfindungsgemäß durch
die an dem Objekt 29 im Überwachungsbereich reflektierten Nutzlichtimpulse 10' gebildet, die
zeitlich aufeinanderfolgend von dem Lichtsender 9 in den Überwachungsbereich
ausgesandt werden. Dabei ist die Aussendung der Nutzlichtimpulse 10 so
mit den Aktivie rungsintervallen synchronisiert, daß von den
Sensoren 4 nur während
der Aktivierungsintervalle und damit nur während der Zeitdauer des Aussendens
eines Nutzlichtimpulses 10 die an dem Objekt 29 reflektierte
und von dem lichtempfindlichen Element 5 empfangene Lichtintensität gespeichert
wird, wie es im folgenden dargelegt wird.
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Das lichtempfindliche Element 5 ist
mit einem Anschluß mit
Masse und seinem anderen Anschluß über einen Schalter 11 mit
einem Knotenpunkt 12 verbunden. An dem Knotenpunkt 12 ist
zum einen ein als Kondensator 13 ausgebildetes Speicherelement
gegen Masse geschaltet und zum anderen ist der Knotenpunkt 12 über einen
Reset-Schalter 14 mit der Versorgungsspannung UV sowie über
einen Schalter 15 mit dem Ausgang 16 des Sensors 4 verbindbar.
Die Gesamtheit der Kondensatoren bildet somit eine Speichereinheit
der Empfängereinheit 1.
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Vor Beginn eines Aktivierungsintervalls,
d.h. vor Aussenden eines Nutzlichtimpulses 10 wird beispielsweise
der Reset-Schalter 14 geschlossen, so daß der Kondensator 13 mit
der Versorgungsspannung UV aufgeladen wird.
Nach vollständigem
Laden des Kondensators 13 wird der Reset-Schalter 14 geöffnet und
unmittelbar vor Aussenden eines Nutzlichtimpulses 12, d.h.
vor Beginn des Aktivierungsintervalls, wird der Schalter 11 geschlossen,
so daß nun
das aus den reflektierten Nutzlichtimpulsen 10' und eventuell
vorhandenem Hintergrundlicht bestehende Gesamtlicht auf das lichtempfindliche
Element 5 auftrifft und zu einem Entladen des Kondensators 13 führt. Nach
Beenden des Aktivierungsintervalls, d.h. nach Ende des jeweiligen
Nutzlichtimpulses 10, wird der Schalter 11 wieder
geöffnet,
so daß das
weiterhin auf das lichtempfindliche Element 5 auftreffende
Hintergrundlichtlicht nicht zu einer Änderung der im Kondensator
13 gespeicherten
Ladung führt.
Dieses Ansteuern der Schalter 11 und 14 erfolgt
für alle Sensoren 4 synchron.
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Die nun im Kondensator 13 gespeicherte
Ladung bzw. die Differenz zwischen der Anfangsladung und der nun
gespeicherten Ladung ist ein Maß für die Intensität der Summe
des einstrahlenden Hintergrundlichtes und des auf das lichtempfindliche
Element 5 auftreffenden reflektierten Nutzlichtimpulses 10' während des
Aktivierungsintervalls.
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Die auf diese Weise in jedem Sensor 4 gespeicherte
Intensität
des einfallenden Lichts während des
Aktivierungsintervalls bleibt solange konstant, bis synchron mit
dem Aussenden des nächsten
Nutzlichtimpulses 10 der Schalter 11 wieder geschlossen wird.
Eine Änderung
der gespeicherten Lichtintensität
beispielsweise durch einfallendes Hintergrundlicht wird auf diese
Weise vermieden.
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Bevor der nächste Nutzlichtimpuls 10 ausgesandt
wird, werden nun in einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Übertragungsschritten
durch Schließen
der Schalter 15 einer Zeile 2 zeilenweise die
gespeicherten Werte der Lichtintensitäten in das Prozessorfeld 7 des
Parallelprozessors übertragen
und von diesem ausgewertet. Da die in den Sensoren 4 gespeicherten
Lichtintensitätswerte
sich während dieses
Auslesevorgangs nicht durch Einstrahlen des Hintergrundlichts ändern, repräsentieren
auch im letzten Übertragungsschritt,
beim Auslesen der Zeile 2, die in den Kondensatoren 13 dieser
Zeile gespeicherten Lichtintensitäten Werte, die den empfangenen
Werten zum Zeitpunkt des Auslesens der ersten Zeile 2" korrekt entsprechen.
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Vor oder während der Übertragung der gespeicherten
Lichtintensitätswerte
von den Sensoren 4 zu dem Prozessorfeld 7 werden
diese Werte bevorzugt einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen.
In 3 ist schematisch
dargestellt, wie für
unterschiedliche Lichtintensitäten
beispielsweise digitale Werte bestimmt werden können. Dabei zeigt die Linie 17 den
Abbau der Ladung Q im Kondensator 13 über die Zeit t bei einer niedrigen
einstrahlenden Lichtintensität,
während
die gestrichelte Linie 18 diesen Verlauf bei einer höheren auf
den Sensor 4 einstrahlenden Lichtintensität darstellt.
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In der unteren Hälfte der 3 sind eine Vielzahl von periodischen
Zählimpulsen 19 dargestellt,
die mit einer hohen Frequenz ausgesandt werden, so daß eine Vielzahl
der Zählimpulsen 19 während der
Entladezeit des Kondensators 13 entsprechend der Linien 17 bzw. 18 anfallen.
Durch einfaches Zählen
dieser Zählimpulsen 19 kann
unmittelbar auf die Entladezeit des Kondensators 13 und
damit wiederum auf die auf das lichtempfindliche Element 5 einstrahlende
Lichtintensität
rückgeschlossen werden.
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4 zeigt
schematisch ein Beispiel, wie durch den Parallelprozessor unter
Einbeziehung von Nachbarschaftbeziehungen zwischen benachbarten Signalwerten
eine Vorverarbeitung der digitalisierten Signalwerte erfolgen kann.
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Die in einer Zeile 20 durch
die schematischen Werte "0" und "1" dargestellten, dem Parallelprozessor
zugeführten
Signalwerte werden von dem Parallelprozessor auf steigende Flanken,
d.h. daraufhin untersucht, ob die Differenz benachbarter Werte einen
bestimmten Schwellenwert über schreitet.
Ist dies nicht der Fall, so wird den jeweiligen Pixelübergang
jeweils der Wert "0" zugewiesen, wie
es durch die Pfeile 21 dargestellt ist.
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Ist der Schwellenwert überschritten
wie es beispielsweise bei den Pixeln 22 und 23, 24 und 25 sowie 26 und 27 der
Fall ist, so wird diesen Übergängen gemäß den Pfeilen 28 der
Wert "1" zugewiesen, der
somit jeweils das Auftreten einer Kante eines Objektes im Überwachungsbereich
darstellt.
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Anstelle der beschriebenen zeilenweisen Analog-Digital-Wandlung
sowie der zeilenweisen Übertragung
und digitalen Weiterverarbeitung der digitalisierten Daten kann
selbstverständlich
auch eine spaltenweise Analog-Digital-Wandlung
sowie eine spaltenweise Weiterverarbeitung der digitalisierten Daten
erfolgen. Grundsätzlich
ist es möglich,
einen beliebigen Bereich der Empfängereinheit jeweils in einem Übertragungsschritt
dem Parallelprozessor zuzuführen.
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Zur weiteren Störunterdrückung können pro Sensor eine Correlated-Double-Sampling-Stufe
vorgesehen sein, mit der insbesondere unterschiedliche Offsetwerte
der einzelnen Sensoren beispielsweise aufgrund unterschiedlicher
Verstärkungen
beim Einsatz von MOSFET-Schaltern, kompensiert werden. Auch ein Übersprechen
zwischen benachbarten Sensoren 4 durch eine entsprechende
Reset- und Antiblooming-Struktur ist bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
möglich.
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Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist somit gegenüber
den bekannten Sensoranordnungen eine wesentlich verbesserte Fremdlichtunempfindlichkeit
bei gleichzeitiger deutlicher Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit
der erfaßten
Bilddaten möglich.
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- 1
- Empfängereinheit
- 2,
2, 2''
- Zeilen
- 3
- Spalten
- 4
- Sensoren
- 5
- lichtempfindliche
Elemente
- 6
- Leitungen
- 7
- Prozessorfeld
- 8
- Lichtsignale
- 9
- Lichtsender
- 10
- Nutzlichtimpulse
- 10'
- reflektierte
Nutzlichtimpulse
- 11
- Schalter
- 12
- Knotenpunkt
- 13
- Kondensator
- 14
- Reset-Schalter
- 15
- Schalter
- 16
- Ausgang
- 17
- Linie
- 18
- Linie
- 19
- Zählimpulse
- 20
- Zeile
- 21
- Pfeil
- 22–27
- Pixel
- 28
- Pfeil
- 29
- Objekt
- 30
- Signaleingänge
- 31
- Signalausgänge