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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Minimierung von Fremdlichteinflüssen gemäss den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche 1 und 8.
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Zur Bestimmung von Abständen, mehrdimensionalen geometrischen Abmessungen, Formen, Oberflächenstrukturen, Farben usw. werden verbreitet optische Sensoren in unterschiedlichster Ausgestaltung eingesetzt. Sie können ein oder mehrere lichtempfindliche Elemente umfassen, die z. B. einzeln oder als eindimensionale Zeilen oder als zweidimensionale Arrays angeordnet sein können. Die zu erfassenden Objekte reflektieren in der Regel Umgebungslicht, das aus natürlichen oder künstlichen Fremdlichtquellen stammt. Dieses Fremdlicht kann je nach Sensortyp oder Einsatzbereich erforderliche oder aber störend sein. Deshalb haben optische Sensorsysteme oft eigene Sensorlichtquellen oder Nutzlichtquellen, die das zu erfassende Objekt in definierter Weise kontinuierlich oder getaktet beleuchten. Im weiteren ist es auch bekannt, Filter einzusetzen, die den wirksamen Spektralbereich bei der Nutzlichtquelle und/oder beim Sensorelement begrenzen.
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Aus dem Datenblatt „iC-LF 1401, 128 × 1 Zeilensensor” der Firma iC-Haus GmbH in Bodenheim, Deutschland ist ein Chip mit einer Photodiodenzeile in CMOS-Technologie bekannt. Der Chip beinhaltet eine elektronische Steuerung, eine Fotodiodenzeile mit 128 Pixeln, einen Pixel-Multiplexer und einen daran anschliessenden Ausgangsverstärker. Jedes Pixel umfasst eine Integrationskapazität und eine Sample-und-Hold-Schaltung mit zwei Operationsverstärkern, einem elektronischen Halteschalter und einer Haltekapazität. Die Fotodiode jedes Pixels ist auf ihrer p-Seite mit dem Masse-Potential verbunden. Die n-Seite der Fotodiode ist über einen elektronischen Aktivierungs-Schalter mit der Integrationskapazität und mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers der Sample-und-Hold-Schaltung verbindbar. Ausserdem ist parallel zur Integrationskapazität ein elektronischer Reset-Schalter zum Löschen bzw. Entladen dieser Kapazität angeordnet. Amit dem Aktivierungs-Schalter kann die Integrationsdauer gemeinsam für alle Pixel gesteuert werden. Ein Nachteil dieses bekannten Zeilensensors besteht darin, dass Intensitätsschwankungen des auf die Fotodioden fallenden Lichts, wie sie beispielsweise durch schnell wechselnde Reflexionen des Sonnenlichts entstehen können, den Fotostrom der Fotodioden während der einzelnen Integrationszyklen in der Weise verändern können, dass die integrierten Messwerte fehlerhaft sind bzw. an Aussagekraft verlieren.
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Aus
EP 1 174 733 A2 ist ein optischer Sensor bekannt, wobei der Sensor einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger aufweist und der Empfänger von wenigstens einer asynchron gesteuerten CMOS-Zeile mit einzelansteuerbaren CMOS-Zeilenelementen gebildet ist, wobei zum Anschluss von Messwertverfälschungen die CMOS-Zeilenelemente während einer Totzeit zwischen einer ersten Messung und einer zweiten Messung gelöscht werden.
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Aus
DE 100 11 598 A1 sind eine optoelektronische Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Sensoranordnung bekannt bei welcher ein Sensor einen einzigen Kondensator aufweist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Minimierung von Fremdlichteinflüssen bei einer Messeinrichtung mit einer Nutzlichtquelle zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäss den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüchen 1 und 8.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst eine mit einem optisch-elektrischen Wandler verbundene primäre Integrationsvorrichtung mit einem primären Integrationsspeicher. Anstelle oder zusätzlich zum primären Integrationsspeicher kann ein sekundärer Integrationsspeicher in Abhängigkeit der Aktivität einer Nutzlichtquelle, beispielsweise einer Laserdiode, über einen schnell und verlustarm schaltbaren elektronischen Schalter mit dem Wandler verbunden werden. Die optische Messgrösse beinhaltet in der Regel einen störenden Lichtanteil von Fremdlichtquellen.
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Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die Nutzlichtquelle in ihrer Intensität moduliert. Sie wird vorzugsweise mit hoher Frequenz getaktet und emittiert im Takt des Modulationssignals Lichtpulse, die durch dazwischen liegende Pulspausen unterbrochen sind. Die elektrische Messgrösse des Wandlers wird intervallweise alternierend beim primären und beim sekundären Integrationsspeicher integriert, sodass einer der Integrationsspeicher die Messwerte mit Nutzlichtanteil und der andere Integrationsspeicher die Messwerte ohne solchen Nutzlichtanteil inkrementiert bzw. dekrementiert. Da die Nutzlichtquelle während der einzelnen Integrationszyklen mit grosser Frequenz getaktet wird, wirken sich selbst im Vergleich zu den Integrationszyklen kurzzeitige Fremdlichteffekte annähernd gleich bei beiden Integrationsspeichern aus. Am Ende der einzelnen Integrationszyklen können die beiden Integrationswerte für die weitere Verarbeitung addiert oder subtrahiert werden. Im letzteren Fall kann so der durch das Fremdlicht entstandene Anteil eliminiert oder minimiert werden. Alternativ kann im primären, sekundären oder in weiteren Integrationsspeichern auch direkt ein Differenzwert integriert werden, was bei starkem Fremdlicht eine Sättigung der Integrationsspeicher verhindern kann. Der primäre Integrationsspeicher kann den sekundären Integrationsspeicher umfassen oder identisch mit diesem sein. Die Integration der elektrischen Messgrosse kann unmittelbar anschliessend an den Wandler erfolgen. Alternativ kann die Messgrosse auch zuerst durch einen oder mehrere Messgrössenwandler umgeformt werden. Solche Messgrössenwandler können beispielsweise als Verstarker, Differenzverstärker, Impedanzwandler oder Analog-Digital-Wandler ausgebildet sein. Insbesondere ist z. B. auch die Umformung einer Spannung, einer Ladung oder eines Stroms in eine zeitliche Messgrösse möglich, welche gut und präzise messbar ist. Als Integrationsspeicher konnen beispielsweise Kapazitäten oder Zählvorrichtungen eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine sekundäre Integrationskapazität auch parallel zur primären Integrationskapazität geschaltet werden. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit der Integrationsvorrichtung beispielsweise in Abhängigkeit des vom Wandler erfassten Fremdlichtanteils verandert werden. Wenn mehrere sekundare Integrationskapazitäten vorgesehen sind, können durch unterschiedliche Schaltkombinationen entsprechend mehrere Empfindlichkeitsstufen der Integrationsvorrichtung eingestellt werden. Die Speicherkapazitat wird so der Lichtmenge angepasst. Das Wandlerelement und die Integrationsvorrichtungen konnen in CMOS-Technologie gefertigt und auf kleinstem Raum mit sehr kurzen Verbindungswegen auf einem einzigen Chip integriert sein. Die Empfindlichkeit gegenuber elektromagnetischen Störeinflüssen ist deshalb äusserst gering. Ausserdem können mehrere solcher Wandlerelemente mit zugehöriger Elektronik auf einem einzigen Chip in eindimensionalen Linien oder in zweidimensionalen Matrizen angeordnet werden. Mit Rücksetzmitteln, z. B. mit von einer Steuerung kontrollierten elektronischen Schaltern, können die Integrationsspeicher zu beliebigen Zeitpunkten in einen definierten Ausgangszustand versetzt werden. Unabhängig davon kann der Integrationsprozess jeder Integrationsvorrichtung durch Freigabemittel zu beliebigen Zeitpunkten aktiviert und wieder unterbrochen bzw. angehalten werden. Insbesondere kann ein Integrationszyklus in beliebige Teilintervalle zerlegt und die vom Wandlerelement erfasste oder eine davon abgeleitete elektrische Messgrösse während dieser Teilintervalle nach bestimmten Regeln bei unterschiedlichen Integrationsspeichern integriert werden. Die Integrationsspeicher können, wenn sie nicht schon dauerhaft miteinander verschaltet sind, in diesen Teilintervallen temporär zur weiteren Verrechnung miteinander oder mit zusätzlichen Integrationsspeichern verschaltet werden z. B. um ihre Ladungen zu addieren oder zu subtrahieren.
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Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 Ein Schaltschema eines Pixels einer Fotodiodenzeile aus dem Stand der Technik,
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2 ein Prinzipschema eines Teils einer Messeinrichtung mit einer primaren und einer sekundaren Integrationsvorrichtung,
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3a ein weiteres solches Prinzipschema, wobei die primare Integrationsvorrichtung die sekundare Integrationsvorrichtung teilweise umfasst,
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3b ein weiteres solches Prinzipschema, wobei die primäre Verarbeitungseinheit die sekundare sekundare Verarbeitungseinheit umfasst,
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4 ein Schaltschema eines Pixels bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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5a ein Schaltschema einer Integrationsstufe mit Spannungsauslesung,
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5b ein Schaltschema mit einer Integrationsstufe mit Ladungsauslesung,
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6 ein Diagramm mit einer Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Zustände verschiedener Elemente der Vorrichtung.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Schaltschemas eines Pixels 1 eines CMOS-Zeilensensors aus dem Stand der Technik dargestellt. Das durch einen rechteckigen Rahmen dargestellte Pixel 1 umfasst eine Fotodiode 3a als elektro-optisches Wandlerelement 3 und eine primäre Integrationsvorrichtung 4 (umrahmt von einer unterbrochenen Linie) mit einem Kondensator bzw. einer Integrationskapazitat als primärem Integrationsspeicher 5, einem ersten Operationsverstärker (fortan kurz OP genannt) 9a und einer von einer weiteren unterbrochenen Linie eingerahmten primären Verarbeitungseinheit 7 in Gestalt einer Sample-und-Hold-Schaltung (fortan kurz S-H genannt). Die S-H umfasst einen zweiten OP 9b, einen primaren Halteschalter 11 zwischen dem Ausgang des ersten OP 9a und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten OP 9b und eine primäre Haltekapazität 13 zwischen dem nicht invertierenden Eingang des zweiten OP 9b und der einen Elektrode der primären Integrationskapazität 5. Die andere Elektrode der primären Integrationskapazität 5 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten OP 9a verbunden. Parallel dazu ist ein primäres Rücksetzmittel in Gestalt eines primären Reset-Schalters 15 angeordnet. Bei beiden OPs 9a, 9b ist der Ausgang auf den zugehörigen invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der Ausgang des zweiten OP 9b ist über einen Ubertragungsschalter 17 mit weiteren (nicht dargestellten) elektronischen Elementen innerhalb oder ausserhalb des Pixelbereichs verbindbar. Die Fotodiode 3a ist in Sperrichtung geschaltet. Ihre Anode liegt auf dem Bezugs- bzw. Masse-Potenzial. Ihre Kathode ist über einen primären Schalter 19 bzw. allgemein mittels eines primären Freigabemittels mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten OP 9a verbindbar. Die Schalter 11, 15, 17, 19 sind äusserst schnell und verlustarm bzw. verlustlos schaltbare MOSFET-Schalter. Die von den Schaltern 11, 15, 17, 19 wegfuhrenden gepunkteten Linien deuten eine Verbindung zu einer in 4 symbolisch durch ein Rechteck dargestellten Steuerung 20 an, die auf demselben Chip wie das Pixel 1 integriert sein kann, und mit welcher der Schaltzustand der Schalter 11, 15, 17, 19 veränderbar ist.
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2 zeigt ein Prinzipschema eines Teils einer Messeinrichtung mit einer primären Integratiansvorrichtung 4 und einer sekundaren Integrationsvorrichtung 22. Ein Objekt 47 wird von einer Nutzlichtquelle 41 – z. b. von einer Leuchtdiode, kurz LED genannt, oder einer Gruppe von LEDs oder einer Laserdiode – und von einer Fremdlichtquelle 43 beleuchtet. Vorzugsweise ist des Wandlerelement 3 bzw. mit einem optischen Filter oder mit anderen Mitteln ausgerüstet, mit denen die spektrale Empfindlichkeit auf das Emissionsspektrum der Sensorlichtquelle 41 abgestimmt wird. Die Fotodiode 3a erfasst innerhalb eines durch eine gepunktete Linie 45 dargestellten keulenformigen Erfassungsbereichs eine optische Messgrösse, die durch am Objekt 47 reflektiertes Licht (Pfeil L1) der Nutzlichtquelle 41 oder durch reflektiertes Licht (Pfeil L2) oder direkt eingestrahltes Licht (Pfeil L3) einer oder mehrerer Fremdlichtquellen 43 beeinflusst werden kann. Mit (nicht dargestellten) optischen Elementen, z. B. mit einer Linsenoptik, wird sichergestellt, dass das Licht der Nutzlichtquelle 41 in einen Erfassungsbereich 45 ausgesendet wird und von dort aus nach der Reflexion an einem zu erfassenden Objekt 47 auf das Wandlerelement 3 zuruckgeworfen wird.
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Die optische Messgrosse wird durch die Photodiode 3a in eine elektrische Messgrösse umgewandelt, und der primaren Integrationsvorrichtung 4 (Pfeil E1) und der sekundaren Integrationsvorrichtung 22 (Pfeil E2) eingängsseitig zugeleitet. Die primäre Integrationsvorrichtung 4 umfasst den primären Schalter 19, einen primären Messgrossenwandler 20, den primaren Integrationsspeicher 5 mit zugeordnetem primärem Rücksetzmittel 15 und die primäre Verarbeitungseinheit 7. Diese Elemente sind in 2 symbolisch mit rechteckigen Rahmen dargestellt, wobei die Rahmen von optionalen Elementen, die nicht bei jeder Ausgestaltung der Erfindung erforderlich sind, gepunktet dargestellt sind. In analoger Weise sind auch die Elemente der sekundaren Integrationsvorrichtung 22, namlich ein sekundäres Freigabemittel bzw. ein sekundarer Schalter 21, ein sekundarer Messgrossenwandler 24, ein sekundärer Integrationsspeicher 23 mit einem sekundaren Rücksetzmittel 25 und eine sekundare Verarbeitungseinheit 27 dargestellt. Bei einfachen Ausfuhrungen der Integrationsvorrichtungen 4, 22 können die Messgrossenwandler 20, 24 und/oder die Verarbeitungseinheiten 7, 27 als einfache Leiter ohne besondere Wirkung ausgefuhrt sein. Allgemein können die Integrationsspeicher 5, 23 als Kapazitaten, also beispielsweise als Kondensatoren, Leitungs- und/oder Sperrschichtkapazitaten oder alternativ als Zahlvorrichtungen ausgebildet sein. Allgemein sind die Integrationsspeicher 5, 23 so ausgebildet, dass sie direkt die elektrische Messgrösse des Wandlerelements 3 oder ein davon abgeleitetes primares bzw. sekundares Signal aufsummieren bzw. integrieren bzw. inkrementieren konnen.
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Selbstverständlich gilt dies für elektrische Messgrössen mit positivem oder mit negativem Vorzeichen. Die elektrische Messgrösse bzw. das von ihr abgeleitete Signal könnten somit auch subtrahiert, desintegriert bzw. dekrementiert werden. Mit dem Rücksetzmittel 15, 25 kann der Integrationsspeicher 5, 23 in einen definierten Ausgangszustand gebracht werden. So kann beispielsweise ein kapazitiver primärer und/oder sekundarer Integrationsspeicher 5, 23 durch das Schliessen des Reset-Schalters 15, 25 auf einen definierten Referenzspannungswert, der neutral, positiv oder negativ sein kann, aufgeladen oder entladen werden. Anschliessend wird dieser Wert durch den Fotostrom der Fotodiode 3a oder alternativ bei einem fotoresistiven Wandlerelement 3 durch den Entladestrom in positiver oder negativer Richtung verandert. Die Integrationsspeicher 5, 23 konnen alternativ z. B. digitale Zählvorrichtungen und die Rücksetzmittel 15, 25 programmierte Anweisungen oder elektrische Steuersignale zum Loschen oder Beschreiben der Integrationsspeicher 5, 23 mit Vorgabewerten sein. Die Messgrossenwandler 20, 24 konnen z. B. als Analog-Digital-Wandler oder derart ausgebildet sein, dass sie die elektrische Messgrösse des Wandlers 3 in durch Pulsbreiten darstellbare Zeitsignale umwandeln können. Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung können der primäre und oder der sekundäre Messgrössenwandler 20, 24 z. B. als Impedanzwandler oder als Verstarker oder als Differenzverstärker ausgebildet sein.
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Wie in 3a dargestellt, kann der primäre Messgrossenwandler 20 den sekundaren Messgrossenwandler 24 oder Teile davon umfassen. Ebenso kann der sekundäre Messgrössenwandler 24 den primären Messgrossenwandler 20 oder Teile davon umfassen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der gemeinsame Messgrossenwandler 20, 24 als Differenzverstärker ausgebildet ist, und der Ausgang dieses Differenzverstärkers einem in analoger Weise gemeinsamen Integrationsspeicher 5, 23 und anschliessend einer ebenfalls gemeinsamen Verarbeitungseinheit 7, 27 zugeführt wird. Bei den 3a und 3b ist die sekundäre Integrationsvorrichtung 22 durch eine gestrichelte Linie umrandet dargestellt, die primäre Integrationsvorrichtung 4 durch eine ausgezogene Linie. Die beiden Integrationsvorrichtungen 4, 22 können demnach gewisse Elemente ganz oder teilweise gemeinsam umfassen. Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung, wie sie in 3b dargestellt ist, kann die primäre Verarbeitungseinheit 7 auch die sekundare Verarbeitungseinheit 27 ganz oder teilweise umfassen bzw. mit dieser gekoppelt sein. Zusatzlich zur primaren Integrationskapazität 5 ist in diesem Fall auch die sekundäre Integrationskapazität 23 mit der primären Verarbeitungseinheit 7 verbunden oder gekoppelt. Die gemeinsame Verarbeitungseinheit 7, 27 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie die Differenz der Werte an den beiden Integrationskapazitäten 5, 23 bilden und an einem gemeinsamen Summen-Ausgang und/oder einem gemeinsamen Differenz-Ausgang ausgeben oder weiter verarbeiten kann. Die Verarbeitungseinheiten 7, 27 können beispielsweise Impedanzwandler, Komparatoren, Verstarker und Differenzverstärker umfassen.
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4 zeigt ein mogliches Schaltschema eines Pixels 1. Der obere Teil des Schemas entspricht jenem aus 1. Zusätzlich ist die Fotodiode 3a über eine Schaltvorrichtung oder einen sekundären Schalter 21 mit dem sekundären Integrationsspeicher 23 verbindbar. In Analogie zu Reset- und Auswertevorrichtung in 1 ist der sekundäre Integrationsspeicher 23 über den sekundären Resetschalter 25 entladbar und mit der sekundären Verarbeitungseinheit 27 (in 4 durch unterbrochene Linie umrandet) verbunden. Diese umfasst eine S-H mit zwei OPs 29a, 29b, einen sekundären Halteschalter 31, eine sekundäre Haltekapazitat 33 und einen sekundaren Ubertragungsschalter 37.
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Die 5a und 5b zeigen beispielhaft zwei Ausschnitte aus Schaltungsanordnungen mit einem kapazitiven Integrationsspeicher 5, wobei bei 5a eine Spannungsauslese und bei 5b eine Ladungsauslese des Integrationsspeichers 5 möglich ist. Vorzugsweise ist der primare Integrationsspeicher 5, wenn er als Kapazitat ausgebildet ist, uber den primaren Schalter 19 mit dem Wandlerelement 3 verbindbar. Alternativ kann er auch ohne primären Schalter 19 direkt mit dem Wandlerelement 3 verbunden sein. Die Verbindung zwischen einem als Kapazität ausgebildeten sekundären Integrationsspeicher 23 und dem Wandlerelement 3 hingegen ist in jedem Fall durch eine Schaltvorrichtung unterbrechbar. Die Werte der primaren Integrationskapazitat 5 und der sekundären Integrationskapazitat 23 sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung etwa gleich gross. Der primäre Schalter 19 und der sekundare Schalter 21 konnen als Umschalter ausgebildet sein bzw. die Wirkung eines Umschalters haben, sodass abwechslungsweise immer nur eine der beiden Integrationskapazitäten 5 und 23 mit dem Wandlerelement 3 verbunden sein kann. Vorzugsweise sind der primare Schalter 19 und der sekundare Schalter 21 unabhangig voneinander ansteuerbar, sodass die Dauer und die Schaltzeitpunkte der Verbindungsintervalle jeder der Integrationskapazitaten 5, 23 unabhängig voneinander beliebig von der Steuerung 40 (4) vorgegeben werden konnen. Insbesondere können bei dieser Variante die beiden Integrationskapazitäten 5, 23 auch gleichzeitig mit dem Wandlerelement 3 verbunden werden. Die sekundare Integrationskapazitat 23 kann beispielsweise einen Wert im Bereich von einem Hundertstel bis zum Hundertfachen des Wertes der primären Integrationskapazität 5 aufweisen. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Integrationskapazitaten 5, 23 etwa gleich gross. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Wert der sekundären Integrationskapazität 23 wesentlich kleiner als jener der primaren Integrationskapazität 5. Die Empfindlichkeit der Messeinrichtung bzw. der Vorrichtung kann somit entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen verandert oder angepasst werden, indem nur die eine oder nur die andere oder beide Integrationskapazitäten 5, 23 gleichzeitig mit dem Wandlerelement 3 verbunden werden. Falls mehrere Wandlerelemente 3 ausgebildet sind, kann die Steuerung 40 die Empfindlichkeiten der einzelnen Wandlerelemente 3 unabhängig voneinander auf die gewunschten oder erforderlichen Werte setzen. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung konnen mehrere sekundäre Integrationsspeicher 23 ausgebildet sein, welche je uber einen sekundaren Schalter 21 mit dem Wandlerelement 3 verbunden werden konnen. Falls das Wandlerelement 3 eine Fotodiode 3a ist, kann die primäre Integrationskapazitat 5 die Eigenkapazitat der Fotodiode 3a mit umfassen oder ausschliesslich durch diese Eigenkapazität gebildet sein. Alternativ zu Fotodioden 3a, welche unter Lichteinfluss Ladungstrager bzw. Fotoströme bzw. elektrische Spannungen erzeugen oder verandern, konnen beispielsweise auch Fotowiderstände als Wandlerelemente 3 eingesetzt sein. Anstelle eines einzelnen Pixels 1 können mehrere Pixel 1 ein- oder zweidimensional angeordnet sein, z. B. als CCD- oder CMOS-Zeilen oder Matrizen. Vorzugsweise sind die Wandlerelemente 3 und die Integrationsvorrichtungen 4, 22 auf einem einzigen Chip in CMOS-Technologie gefertigt. Dadurch kann der Einfluss ausserer und innerer Storungen weitgehend minimiert werden. Ausserdem konnen die Wandlerelemente 3 optische Filter umfassen, welche deren Empfindlichkeit hauptsächlich auf gewisse Spektralbereiche begrenzt.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einer Sensorlichtquelle 41 und einem Pixel 1 gemäss 4 beispielhaft erläutert. 6 zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Entwicklung von fünf mit a bis e markierten Grössen. In horizontaler Richtung ist die fortschreitende Zeit t ohne absolute Massangabe linear dargestellt. Folgende digitale Funktionen sind eingetragen:
- (a) Blitzfrequenz f1 bzw. Ansteuerung der Sensorlichtquelle 41
- (b) Taktfrequenz f2 der Messzyklen
- (c) Ansteuersignal für den primären Schalter 19
- (d) Ansteuersignal fur den sekundaren Schalter 21
- (e) Ansteuersignal für die Resetschalter 15, 25
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Die Sensorlichtquelle 41 (2) emittiert mit einer Blitzfrequenz f1 von beispielsweise 10 kHz und mit einem Puls-Pausen-Verhaltnis von 50% kontinuierlich Lichtimpulse, die am Messobjekt 47 reflektiert werden und zusätzlich zum Fremdlichtanteil weiterer Lichtquellen 43 auf das Wandlerelement 3 des Pixels 1 auftreffen. Selbstverständlich kann die Blitzfrequenz f1 auch grösser oder kleiner sein, z. B. 50 kHz, 100 kHz oder 5 kHz. Ebenso kann das Puls-Pausen-Verhältnis der Lichtblitze andere Werte im Bereich von etwa 1% bis 99% annehmen. Vorzugsweise liegt der Wert im Bereich von etwa 10%, sodass die Sensorlichtquelle 41 kurze und intensive Lichtblitze emittiert, die von langen Pausen gefolgt sind. Mit einer Taktfrequenz f2, die vorzugsweise ein ganzzahliger Bruchteil der Blitzfrequenz f1 ist und beispielsweise 1 kHz beträgt, reihen sich einzelne Messintervalle aneinander. Die ansteigenden Flanken markieren den Beginn jedes Messintervalls und sind mit den ansteigenden Flanken der Blitzfrequenz f1 synchronisiert. Alternativ könnten die Messintervalle auch geringfügig verzogert werden, um die Laufzeit des Lichtes von der Sensorlichtquelle 41 bis zum Auftreffen auf das Wandlerelement 3 zu kompensieren. Dies gilt auch für die in 5 mit (c), (d) und (e) markierten Funktionen. Entsprechend der Funktion (e) werden vor Beginn jedes Messintervalls die Integrationskapazitäten 5 und 23 durch kurzzeitiges Schliessen und wieder Öffnen der Resetschalter 15 und 25 entladen und so in einen definierten Ausgangszustand versetzt. Im Ausgangszustand sind die Halteschalter 11 und 31 geschlossen, sodass sich die beiden S-H im Sample- bzw. Abtastmodus befinden. Die Ubertragungsschalter 17, 37 sind offen. Sie können die Ausgänge der beiden S-H mit den beiden Eingangen eines (nicht dargestellten) Differenzverstärkers verbinden. Im Rhythmus der steigenden und fallenden Flanken des Blitztaktes f1 werden durch abwechslungsweises Öffnen und Schliessen des primaren Schalters 19 (Funktion c) und des sekundären Schalters 21 (Funktion d) alternierend die primare Integrationskapazität 5 und die sekundare Integrationskapazität 23 mit dem Wandlerelement 3 verbunden. Die primare Integrationskapazitat 5 wird somit mit einem primären Signal aufgeladen, der dem intervallartig unterbrochenen Fotostrom entspricht, welcher durch das auf den Wandler 3 auftreffende Summenlicht der Nutzlichtquelle 41 und der Fremdlichtquelle 43 generiert wird. Die sekundäre Integrationskapazitat 23 hingegen wird durch ein sekundares Signal aufgeladen, welches dem Fotostrom entspricht, der nur aus dem Fremdlichtanteil der Fremdlichtquelle 43 resultiert. Alternativ konnten die Integrationskapazitäten 5 und 23 auch vertauscht sein, sodass der Fotostrom fur die primäre Integrationskapazitat 5 keinen Sensorlichtanteil beinhaltet. Selbstverstandlich kann das Offen-Geschlossen-Verhältnis bei der Ansteuerung des primaren Schalters 19 bzw. des sekundären Schalters 21 in der Weise angepasst werden, dass ein Fotostromanteil, der durch die Sensorlichtquelle 41 bewirkt wird, nur die primäre Integrationskapazität 5, nicht aber die sekundare Integrationskapazitat 23 aufladen kann. Dabei können z. B. die Laufzeit des Lichts, Schaltverzogerung der Schaltelemente und das Puls-Pausenverhaltnis bei der Ansteuerung der Sensorlichtquelle 43 berücksichtigt werden. Falls die Integrationszeiten und somit auch der Einfluss des Fremdlichtanteils für die beiden Integrationskapazitäten 5 und 23 unterschiedlich sind, kann dies bei der weiteren Verarbeitung der Messgrössen an den Integrationskapazitäten 5 und 23 auf unterschiedliche Art kompensiert werden, z. B. durch unterschiedliche Werte der beiden Integrationskapazitäten 5 und 23 und/oder durch unterschiedliche Verstarkung oder Dämpfung oder Gewichtung der beiden Messgrössen. Vor oder bei Beginn des letzten Lichtpulses innerhalb jedes Messintervalls werden die Halteschalter 11, 31 der S-H geoffnet und die Ubertragungsschalter 17, 31 geschlossen. Die integrierten Spannungswerte an den Haltekapazitäten 13, 33 konnen, soweit dies erforderlich ist, durch eine (nicht dargestellte) Verstärkervorrichtung unterschiedlich gewichtet werden. Im Anschluss ermittelt ein (nicht dargestellter) Differenzverstarker durch Subtraktion des Fremdlichtanteils vom Summenlichtwert den vom Wandlerelement 3 erfassten Sensorlichtanteil. Durch die mit hoher Taktrate f1 alternierende Aufladung der Integrationskapazitaten 5, 23 innerhalb jedes der Messzyklen können selbst kurzzeitige Schwankungen oder Änderungen des Fremdlicht-Fotostromanteils gleichmässig auf die Integrationskapazitäten 5, 23 verteilt und anschliessend eliminiert werden. Bei Beginn des letzten Lichtpulses innerhalb jedes Messintervalls werden die Resetschalter 15, 25 fur die Dauer eines ganzen Lichtpulstakts l/f1 geschlossen und anschliessend bei Beginn des nachfolgenden Messintervalls wieder geoffnet (Funktion e). Während dieser Reset-Periode konnen auch der primäre Schalter 19 und der sekundare Schalter 21 geschlossen sein, sodass während dieser Zeit vom Wandlerelement 3 generierte Ladungen abgeführt werden konnen. Anschliessend folgen in analoger Weise weitere Messzyklen. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, wie sie in 3a schematisch dargestellt ist, kann die primare Integrationskapazitat 19 derart mit der sekundaren Integrationskapazität 21 gekoppelt oder identisch mit dieser sein, dass eine Integration des um den Fremdlichtanteil bereinigten Summenlichtwertes moglich ist. Selbstverstandlich schliesst die Erfindung auch weitere Ausgestaltungen ein. So können beispielsweise die primare Integrationskapazität 19 und die sekundäre Integrationskapazität 21 positiv und negativ bzw. mit unterschiedlichem Vorzeichen aufgeladen und periodisch über Schaltmittel kurzzeitig miteinander verbunden werden. Die verbleibende Ladungsdifferenz kann in einem anschliessenden Teilintervall bei einer weiteren, nachgeschalteten Integrationskapazitat integriert werden (keine Darstellung). Die Kontrolle der Nutzlichtquelle 41 kann beispielsweise durch die Steuerung 40 erfolgen, welche auch den primären Schalter 19 und den sekundären Schalter 21 kontrolliert. Die Steuerung 40 koordiniert und synchronisiert in diesem Fall die Nutzlichtquelle 41 und die Schalter 19, 21 der erfindungsgemassen Vorrichtung. Falls die Nutzlichtquelle 41 von einer unabhangigen Nutzlichtsteuerung (keine Darstellung) kontrolliert wird, umfasst die Steuerung 40 Mittel, mit denen die Schalter und das modulierte Nutzlichtsignal synchronisierbar sind. Solche Mittel sind beispielsweise eine elektrische Verbindung zwischen der Nutzlichtsteuerung und der Steuerung 40 oder eine optische Erfassungseinheit, welche die Nutzlichtpulse unabhangig vom Wandlerelement 3 erfasst und in Steuersignale zur Steuerung der Vorrichtung umwandelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pixel
- 3
- Wandlerelement
- 3a
- Fotodiode
- 4
- primare Integrationsvorrichtung
- 5
- primarer Integrationsspeicher
- 7
- primare Verarbeitungseinheit
- 9a
- erster Operationsverstarker
- 9b
- zweiter Operationsverstärker
- 11
- Halteschalter
- 13
- primäre Haltekapazitat
- 15
- Reset-Schalter
- 17
- Übertragungsschalter
- 19
- primärer Schalter
- 20
- primärer Messgrössenwandler
- 21
- sekundarer Schalter
- 22
- sekundare Integrationsvorrichtung
- 23
- sekundarer Integrationsspeicher
- 24
- sekundarer Messgrossenwandler
- 25
- sekundärer Resetschalter
- 27
- sekundare Verarbeitungseinheit
- 29a, b
- Operationsverstarker
- 31
- sekundärer Halterschalter
- 33
- sekundare Haltekapazitat
- 35
-
- 37
- sekundärer Übertragungsschalter
- 39
-
- 40
- Steuerung
- 41
- Nutzlichtquelle
- 43
- Fremdlichtquelle
- 45
- Erfassungsbereich
- 47
- Objekt
