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BEREICH DER OFFENLEGUNG
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Diese Offenbarung bezieht sich auf optische Sensoren mit Richtungsempfindlichkeit.
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HINTERGRUND
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Verschiedene Produkte der Unterhaltungselektronik, wie z. B. Smartphones und andere tragbare Host-Computer, enthalten kompakte optoelektronische Module, die über integrierte Lichtsensoren und/oder lichtemittierende Vorrichtungen verfügen. Einige dieser Module sind so konfiguriert, dass sie die Richtung bestimmen, aus der ein Lichtsignal empfangen wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung, die einen Lichtsensor mit gerichteter Empfindlichkeit enthält. Der Lichtsensor umfasst mehrere lichtempfindliche Elemente, die unter derselben Öffnung angeordnet sind. Jedes der lichtempfindlichen Elemente hat ein entsprechendes Sichtfeld durch die Öffnung, das sich von dem Sichtfeld der anderen lichtempfindlichen Elemente unterscheidet.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung auch eine elektronische Steuereinheit, die in der Lage ist, eine Richtung des empfangenen Lichts auf der Grundlage von Ausgangssignalen von einem oder mehreren der lichtempfindlichen Elemente und auf der Grundlage der jeweiligen Sichtfelder der lichtempfindlichen Elemente zu bestimmen.
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In einigen Fällen sind die lichtempfindlichen Elemente über eine Fläche angeordnet, die größer ist als die Querschnittsfläche der Öffnung. Die lichtempfindlichen Elemente können z. B. als Pinned-Dioden ausgeführt sein, obwohl auch andere Arten von Photodetektoren verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen bilden die lichtempfindlichen Elemente eine zweidimensionale Anordnung von Fotodetektoren.
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In einigen Fällen überlappen sich zumindest einige der jeweiligen Sichtfelder der lichtempfindlichen Elemente teilweise.
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Die lichtempfindlichen Elemente können beispielsweise in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein, und die Vorrichtung kann mindestens eine Metallschicht mit einer Öffnung enthalten, die eine Größe der Öffnung definiert. In anderen Ausführungsformen weist ein Schwarzmaskenfilter oder eine andere Schicht eine Öffnung auf, die die Größe der Apertur definiert.
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Der Lichtsensor kann beispielsweise in einem tragbaren Host-Computergerät (z. B. einem Smartphone, Tablet, tragbaren Gerät, persönlichen digitalen Assistenten (PDA) oder Personal Computer) angeordnet sein. Je nach Anwendung kann die elektronische Steuereinheit so betrieben werden, dass sie Informationen über die ermittelte Erkennung in Verbindung mit Gestenerkennung, Näherungserkennung, Umgebungslichterkennung, Farberkennung und/oder Lichtlaufzeitmessung (TOF) verwendet. In einigen Fällen kann die elektronische Steuereinheit die Signale von den lichtempfindlichen Elementen verarbeiten, um festzustellen, ob das empfangene Licht diffus ist oder ob das empfangene Licht von mehr als einer Quelle stammt.
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In einigen Ausführungsformen kann der optische Sensor ultraklein sein und eine verbesserte Richtungsempfindlichkeit bei relativ niedrigen Herstellungskosten erreichen.
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Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
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Figurenliste
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- zeigt ein Beispiel für ein Sensormodul.
- ist eine schematische Seitenansicht eines Lichtsensors.
- ist eine schematische Draufsicht auf den Lichtsensor.
- zeigt weitere Details des Lichtsensors gemäß einer besonderen Ausführung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Allgemeinen hat ein optoelektronisches Modul, wie es in dieser Offenbarung beschrieben wird, einen Lichtsensor und kann auch eine Beleuchtungsquelle enthalten, von denen jede zum Beispiel in einem entsprechenden Chip (z. B. einem integrierten Halbleiterchip) implementiert sein kann. In einigen Fällen wird das von der Beleuchtungsquelle erzeugte Licht vom Modul auf ein Objekt abgestrahlt, das einen Teil des Lichts zurück zum Modul reflektiert, wo es vom Lichtempfänger erfasst werden kann. In einigen Fällen (z. B. bei der Gestenerkennung) ist es wünschenswert, die Richtung zu erkennen, aus der das im Modul erfasste Licht empfangen wird.
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zeigt ein Beispiel für ein Sensormodul 10, das eine Beleuchtungsquelle 12 zur Erzeugung von Licht und einen Lichtsensor 14 zur Erfassung von Licht einer Wellenlänge (z. B. Infrarot (IR), nahes IR, sichtbar oder ultraviolett (UV)), das von der Beleuchtungsquelle 12 erzeugt wird, umfasst. Die Beleuchtungsquelle kann einen oder mehrere Lichtemitter umfassen, z. B. Leuchtdioden (LEDs), Infrarot-LEDs (IR), organische LEDs (OLEDs), Infrarot-Laserdioden (IR), oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs) und Anordnungen solcher Geräte. In einigen Fällen enthält das Modul passive optische Komponenten, um das Licht durch Brechung und/oder Beugung und/oder Reflexion umzulenken (z. B. eine Linse, ein Prisma, ein Spiegel). Die Chips für die Beleuchtungsquelle 12 und den Lichtsensor 14 können auf einer Leiterplatte (PCB) 18 eines Host-Geräts (z. B. ein tragbares Computergerät wie ein Smartphone, ein Tablet, ein tragbares Gerät, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA) oder ein Personalcomputer) montiert und elektrisch angeschlossen werden. Die elektrischen Verbindungen können je nach Ausführung eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: Die Pads, oberflächenmontierte Verbindungen, Drahtverbindungen oder Lötpunkte.
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Im dargestellten Beispiel sind die Beleuchtungsquelle 12 und der Lichtsensor 14 seitlich von einem Abstandshalter oder einer Gehäusewand 20 umgeben, die in einigen Fällen für die von der Beleuchtungsquelle 12 erzeugte(n) und vom Lichtsensor 14 erfasste(n) Wellenlänge(n) undurchlässig ist. Eine Innenwand 22 kann die Beleuchtungsquelle 12 und den Lichtsensor 14 voneinander trennen, was dazu beitragen kann, das interne optische Übersprechen zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen kann die Innenwand 22 nicht vorhanden sein. Das Modul 10 kann z. B. hinter der Rückseite 25 eines Deckglases 24 des Host-Geräts angeordnet werden.
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Um eine Richtungsempfindlichkeit zu erreichen, enthält der Lichtsensor 14 mehrere lichtempfindliche Elemente (d. h. zwei oder mehr), die unterhalb derselben Öffnung angeordnet sind, so dass jedes der optisch empfindlichen Elemente ein Sichtfeld (FOV) hat, das sich von dem FOV der anderen optisch empfindlichen Elemente unterscheidet. In den und ist ein Beispiel dargestellt, das im Folgenden näher erläutert wird.
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Wie in den und dargestellt, umfasst der Lichtsensor 14 mehrere lichtempfindliche Elemente 30 (d. h. zwei oder mehr), die unter derselben Öffnung 32 angeordnet sind. Die lichtempfindlichen Elemente 30 können beispielsweise als Pinned Diodes, Photodioden, Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) oder andere Lichterfassungsvorrichtungen ausgeführt sein. In einigen Fällen sind Pinned-Dioden aufgrund ihrer geringen Größe besonders vorteilhaft. Bei einigen mobilen Kamerasensoren kann die Pixelgröße beispielsweise etwa 1,1 µm × 1,1 µm betragen. Andere Größen, einschließlich kleinerer Pinned-Dioden (z. B. 0,2 µm × 0,2 µm), können in anderen Implementierungen verwendet werden. Die lichtempfindlichen Elemente 30 können z. B. als MxN-Array (wobei M und N jeweils größer als 1 sind) oder als lineares Array angeordnet sein. zeigt beispielsweise ein 3x4-Array lichtempfindlicher Elemente 30, obwohl auch andere Größenarrays verwendet werden können. In anderen Fällen können die lichtempfindlichen Elemente 30 in einer anderen Konfiguration angeordnet sein.
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Insgesamt sollten die lichtempfindlichen Elemente 30 über eine Fläche (d. h. in einer Ebene parallel zur Ebene des Substrats 18) angeordnet sein, die größer ist als die Querschnittsfläche der Öffnung 32 (siehe z. B. ). Auf diese Weise hat jedes lichtempfindliche Element 30 ein FOV, das sich von dem FOV der anderen lichtempfindlichen Elemente unterscheidet. zeigt das FOV 34 für eines der lichtempfindlichen Elemente 30. Obwohl sich die jeweiligen FOVs der lichtempfindlichen Elemente 30 voneinander unterscheiden, können sie sich teilweise überschneiden.
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Wie in dargestellt, kann die Öffnung 32 durch Abscheidung einer oder mehrerer Metallschichten 36 direkt auf dem Halbleitersubstrat (z. B. Silizium), in dem die lichtempfindlichen Elemente ausgebildet sind, definiert werden. zeigt das jeweilige FOV 34A, 34B, 34C für jedes der drei lichtempfindlichen Elemente 30A, 30B, 30C. Im dargestellten Beispiel weist die obere Metallschicht 36A eine Öffnung auf, die die Größe der Öffnung 32 bestimmt. In einigen Fällen beträgt der Abstand zwischen der lichtempfindlichen Siliziumoberfläche und der oberen Metallschicht 36A etwa 1 µm. Für andere Ausführungen können andere Werte angemessen sein. Ein Vorteil der Bildung der Öffnung durch einen Stapel von einer oder mehreren Metallschichten ist, dass die Öffnung mit Standard-CMOS-Verfahren gebildet werden kann. In einigen Fällen kann die Blende jedoch auch auf andere Weise gebildet werden. So kann die Blende 32 beispielsweise durch eine kleine Öffnung in einem Schwarzmaskenfilter gebildet werden (z. B. wenn der Abstand zu den lichtempfindlichen Elementen relativ groß ist, etwa im Bereich von 5-10 µm). In anderen Ausführungsformen kann die Blende 32 durch eine andere Schicht definiert werden, die einfallendes Licht blockieren kann (z. B. ein Weiß- oder Reflexionsfilter).
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Das (die) vom Lichtsensor 14 erfasste(n) Signal(e) kann (können) von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 28 (siehe ) entweder im Sensormodul 10 selbst oder in dem Host-Gerät, in dem das Modul angeordnet ist, ausgelesen und verarbeitet werden. Die ECU 28 kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis-Chip oder anderer Prozessor implementiert werden und kann in einem Speicher gespeicherte Software enthalten. Die ECU 28 kann geeignete Logik- und/oder andere Hardware-Komponenten enthalten (z. B. Ausleseregister, Verstärker, Analog-Digital-Wandler, Taktgeber, Timing-Logik, Signalverarbeitungsschaltungen und/oder Mikroprozessoren). In einigen Fällen kann das Steuergerät 28 (oder ein Teil davon) in denselben IC-Chip wie der Lichtsensor 22 integriert werden.
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Die ECU 28 ist unter anderem in der Lage, eine Richtung zu bestimmen, aus der das erfasste Licht im Modul 10 empfangen wurde. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass festgestellt wird, welches der lichtempfindlichen Elemente 30 das größte Ausgangssignal erzeugt hat (z.B. nach Berücksichtigung von Rauschen oder optischem Übersprechen), und dass diese Information zusammen mit gespeicherten Informationen über das FOV für das bestimmte lichtempfindliche Element 30 verwendet wird, um die Richtung des einfallenden Lichts zu bestimmen. In einigen Fällen kann mehr als eines der lichtempfindlichen Elemente 30 ein Signal während desselben Zeitraums erfassen. Das Steuergerät 28 kann dann die von den lichtempfindlichen Elementen 30 ausgegebenen Signale analysieren, z. B. auf der Grundlage der relativen Amplituden der Signale, und diese Informationen zusammen mit dem gespeicherten Wissen über die FOVs für die lichtempfindlichen Elemente verwenden, um die Richtung abzuschätzen, aus der das erfasste Licht empfangen wurde. In einigen Fällen kann die ECU 28 die Signale von den lichtempfindlichen Elementen 30 verarbeiten, um festzustellen, ob das Licht diffus ist oder von einer oder mehreren Quellen (z. B. Scheinwerfern) stammt.
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Kenntnis der Richtung, aus der das Licht empfangen wird, kann die der ECU 28 zur Verfügung stehenden Informationen über das erfasste Licht erhöhen. Dieses Wissen kann in einer Reihe von verschiedenen Anwendungen genutzt werden, wie z.B. Gestenerkennung, Näherungserkennung, Umgebungslichterkennung, Farberkennung, Lichtlaufzeitmessung und Entfernungsmessung.
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Gestenerkennung hat sich beispielsweise bei tragbaren und tragbaren Geräten in den Bereichen Spiele, Gesundheitswesen, Automatisierung, Automobil und Unterhaltungselektronik durchgesetzt. Im Zusammenhang mit der Gestenerkennung kann das Steuergerät 28 eine perzeptive Computer-Benutzerschnittstelle bereitstellen, die es dem Gerät ermöglicht, menschliche Gesten zu erfassen und berührungslos als Befehle zu interpretieren. So kann die ECU 28 beispielsweise die aus den Ausgangssignalen des lichtempfindlichen Elements gewonnenen Richtungsinformationen zusammen mit anderen Informationen verwenden, um die physische Bewegung des Fingers oder der Hand des Benutzers zu bestimmen. Die oben beschriebenen Techniken für den Lichtsensor 14 können in einigen Fällen eine sehr kostengünstige Lösung ermöglichen, die keine optischen Linsen oder spezielle Verpackungen erfordert. Die geringe Größe eignet sich beispielsweise besonders für Ohrhörer, bei denen Gestensensoren zur Steuerung des Tons (z. B. Lautstärke, Stummschaltung oder Ausschalten) verwendet werden können, ohne dass der Benutzer das Gerät berühren muss.
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Im Zusammenhang mit Näherungssensoren kann die Kenntnis der Richtung, aus der das detektierte Licht kommt, in einigen Fällen helfen zu unterscheiden, welche Teile des empfangenen Lichts von Übersprechen, Reflexionen vom Deckglas des Host-Geräts oder einem Fleck auf dem Deckglas oder von einem Ziel vor dem Host-Gerät stammen.
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Im Zusammenhang mit Umgebungslichtsensoren kann die Kenntnis der Richtung, aus der das erfasste Licht kommt, in einigen Fällen dabei helfen, zu bestimmen, wie stark die Reflexionen sein können und in welchem Ausmaß das Umgebungslicht dazu neigen kann, den Benutzer des Host-Geräts zu blenden. Das Steuergerät 28 kann mit einem intelligenten Algorithmus konfiguriert werden, um z. B. die Helligkeit des Bildschirms des Host-Geräts auf der Grundlage der Umgebungslichtbedingungen anzupassen.
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Im Zusammenhang mit Farbsensoren (z. B. rot, grün, blau und klar) kann die Kenntnis der Richtung, aus der das erfasste Licht kommt, dem Steuergerät 28 in einigen Fällen helfen, die Farbtemperatur des aus verschiedenen Richtungen kommenden Lichts zu schätzen. Für einen nahezu perfekten Weißabgleich kann eine detaillierte Kenntnis der Lichtverhältnisse einen erheblichen Vorteil darstellen. Ein solches Wissen kann zum Beispiel darauf hinweisen, dass diffuses Licht oder starkes Licht auf einer Seite vorhanden ist.
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Im Zusammenhang mit TOF-Sensoren kann die Kenntnis der Richtung, aus der das detektierte Licht kommt, es dem Sensor in einigen Fällen ermöglichen, die Ziele in verschiedenen Richtungen zu identifizieren, was einen extrem kostengünstigen Mehrzonen-Sensor ermöglichen kann, bei dem keine Linsen erforderlich sind.
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Die oben genannten Arten von Sensoren können beispielsweise in ein Smartphone oder ein anderes tragbares Host-Computergerät (z. B. ein Tablet, ein tragbares Gerät, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA) oder ein Personal Computer) integriert werden. Das Design solcher Geräte kann einen oder mehrere Prozessoren, einen oder mehrere Speicher (z. B. RAM), Speicher (z. B. eine Festplatte oder einen Flash-Speicher), eine Benutzerschnittstelle (die z. B. eine Tastatur, einen TFT-LCD- oder OLED-Bildschirm, Berührungs- oder andere Gestensensoren, eine Kamera oder einen anderen optischen Sensor, einen Kompasssensor, einen 3D-Magnetometer, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser, ein 3-Achsen-Gyroskop, ein oder mehrere Mikrofone usw. umfassen kann, zusammen mit Softwareanweisungen zur Bereitstellung einer grafischen Benutzeroberfläche), Verbindungen zwischen diesen Elementen (z. B. Busse) und eine Schnittstelle für die Kommunikation mit anderen Geräten (die drahtlos, wie GSM, 3G, 4G, CDMA, WiFi, WiMax, Zigbee oder Bluetooth, und/oder drahtgebunden, wie über ein lokales Ethernet-Netzwerk, eine T-1-Internetverbindung usw., sein kann).
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Verschiedene Aspekte des Gegenstands und der funktionellen Vorgänge, die in dieser Spezifikation beschrieben werden (z. B. diejenigen, die sich auf die Schaltung 28 beziehen), können in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware implementiert werden, einschließlich der in dieser Spezifikation offengelegten Strukturen und ihrer strukturellen Äquivalente oder in Kombinationen von einem oder mehreren von ihnen. So können Aspekte des in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstands als ein oder mehrere Computerprogrammprodukte implementiert werden, d. h. als ein oder mehrere Module von Computerprogrammanweisungen, die auf einem computerlesbaren Medium kodiert sind, um von einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt zu werden oder den Betrieb eines solchen zu steuern. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich um eine maschinenlesbare Speichervorrichtung, ein maschinenlesbares Speichersubstrat, eine Speichervorrichtung, eine Materiezusammensetzung, die ein maschinenlesbares übertragenes Signal bewirkt, oder um eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Medien handeln. Die Vorrichtung kann zusätzlich zur Hardware einen Code enthalten, der eine Ausführungsumgebung für das betreffende Computerprogramm schafft, z. B. einen Code, der eine Prozessor-Firmware darstellt.
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Ein Computerprogramm (auch als Programm, Software, Softwareanwendung, Skript oder Code bezeichnet) kann in jeder Form von Programmiersprache geschrieben werden, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, und es kann in jeder Form eingesetzt werden, einschließlich als eigenständiges Programm oder als Modul, Komponente, Unterprogramm oder andere Einheit, die zur Verwendung in einer Computerumgebung geeignet ist. Ein Computerprogramm entspricht nicht unbedingt einer Datei in einem Dateisystem. Ein Programm kann in einem Teil einer Datei gespeichert werden, die auch andere Programme oder Daten enthält (z. B. ein oder mehrere Skripte, die in einem Auszeichnungssprachendokument gespeichert sind), in einer einzelnen Datei, die dem betreffenden Programm gewidmet ist, oder in mehreren koordinierten Dateien (z. B. Dateien, die ein oder mehrere Module, Unterprogramme oder Teile von Code speichern). Ein Computerprogramm kann zur Ausführung auf einem Computer oder auf mehreren Computern bereitgestellt werden, die sich an einem Standort befinden oder über mehrere Standorte verteilt und über ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden sind.
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Die in dieser Spezifikation beschriebenen Prozesse und logischen Abläufe können von einem oder mehreren programmierbaren Prozessoren ausgeführt werden, die ein oder mehrere Computerprogramme ausführen, um Funktionen auszuführen, indem sie auf Eingabedaten arbeiten und Ausgaben erzeugen. Die Prozesse und Logikflüsse können auch von speziellen Logikschaltungen, z. B. einem FPGA (Field Programmable Gate Array) oder einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ausgeführt werden, und die Vorrichtung kann auch als solche implementiert werden.
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den für die Ausführung eines Computerprogramms geeigneten Prozessoren gehören beispielsweise sowohl allgemeine als auch spezielle Mikroprozessoren sowie ein oder mehrere Prozessoren jeder Art von Digitalcomputer. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten aus einem Festwertspeicher oder einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder aus beiden. Die wesentlichen Elemente eines Computers sind ein Prozessor zur Ausführung von Befehlen und ein oder mehrere Speichergeräte zur Speicherung von Befehlen und Daten. Zu den computerlesbaren Medien, die sich zum Speichern von Computerprogrammanweisungen und -daten eignen, gehören alle Formen von nichtflüchtigen Speichern, Medien und Speichervorrichtungen, darunter beispielsweise Halbleiterspeichervorrichtungen, z. B. EPROM, EEPROM und Flash-Speichervorrichtungen; Magnetplatten, z. B. interne Festplatten oder Wechselplatten; magnetooptische Platten sowie CD-ROM- und DVD-ROM-Platten. Der Prozessor und der Speicher können durch spezielle Logikschaltungen ergänzt werden oder in diese integriert sein.
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Diese Beschreibung enthält zwar viele Einzelheiten, diese sollten jedoch nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung oder des Anspruchs verstanden werden, sondern als Beschreibung von Merkmalen, die für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform realisiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben werden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
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eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Dennoch können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne dass der Geist und der Anwendungsbereich der Erfindung verlassen werden. Dementsprechend sind andere Implementierungen innerhalb des Anwendungsbereichs der Ansprüche.
