DE60026833T2

DE60026833T2 - Positionsempfindlicher detektor zur erfassung eines lichtpunkts

Info

Publication number: DE60026833T2
Application number: DE60026833T
Authority: DE
Inventors: Angelo J. Ottawa BERALDIN; Francois Orleans BLAIS; Marc Ottawa RIOUX; Jacques Gloucester DOMEY
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: DE60026833D1; CA2370150C; EP1181510B1; ATE321258T1; CA2370150A1; JP2002543413A; WO2000066984A1; US6297488B1; EP1181510A1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft das Gebiet von positionssensitiven bzw. lageempfindlichen Lichtpunktdetektoren für einzelne oder Mehrfachwellenlängen (z.B. Farbe RGB), die als Punkte, (gerade oder gekrümmte) Linien oder Gitter, wie z.B. zur Verwendung in Entfernungs- bzw. Abstandskameras, angeordnet sind.
Stand der Technik
Die optische Messung einer Lichtpunktposition wird in vielen Robotersteuerungs- und Sichtsystemen verwendet. Abstandskameras, die zum dreidimensionalen (3D) Abbilden verwendet werden, nutzen geometrische Anordnungen (, wie z.B. eine aktive optische Triangulation), Lichtausbreitungseigenschaften und eine Lichtinterferenz aus, um eine Abstandsform zu extrahieren. Eine optische Triangulation beruht auf der Messung der Position eines fokussierten Lichtstrahls, der auf einen linearen oder zweidimensionalen Sensor einfällt.
1 veranschaulicht ein grundlegendes Lichtpositions-Messsystem 10 gemäß dem Stand der Technik. Das System umfasst eine Linse 12 zum Empfangen von Lichtstrahlen 14a, b, die aus einem projizierten Strahl 16 erzeugt werden. Ein optischer Positionssensor 18 empfängt die Lichtstrahlen 14a, b, die von dem Schnittpunkt des projizierten Strahls 16 mit einer reflektierenden Oberfläche bei 19a und 19b ausgestrahlt werden, nachdem sie durch die Linse 12 gelaufen sind.
Eine optische Triangulation basiert auf dem Sinusgesetz, wobei die Kenntnis von zwei Winkeln eines Dreiecks und von einer Seite seine Abmessungen vollständig bestimmt. Wie in 1 gezeigt ist, stellen zwei bekannte Winkel ∝₁ und ∝₂ eines Dreiecks 20 (, das durch den projizierten Strahl 16, den gesammelten Strahl 14a und einer Grundlinie 22 begrenzt ist,) die Winkel des projizierten Strahls 16 bzw. des gesammelten Strahls 14a relativ zu der Grundlinie 22 dar.
Der Winkel ∝₂ des gesammelten Strahls 14a wird unter Verwendung der Linse 12 und des optischen Positionssensors 18 gemessen, der eine Länge L als Abstand zwischen den gesammelten Strahlen 14a, b auf dem Sensor 18 misst. Die Länge L ist dem Winkel ∝₂ zugeordnet und daher einer Verschiebung Z, die, wie oben erörtert, auf dem Sinusgesetz basiert.
Im Stand der Technik sind viele Geräte zum Messen der Position der gesammelten Lichtstrahlen vorgeschlagen worden. Die Geräte gehören im Allgemeinen zu einer der beiden Hauptgruppen: Kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektoren ("continuous response position sensitive detectors, CRPSD") und diskrete positionssensitive Antwortdetektoren ("discrete response position sensitive detectors, DRPSD").
Ein CRPSD ist als Klasse von positionssensitiven Detektoren definiert, die den Schwerpunkt einer Lichtverteilung bestimmen/berechnen, die zusätzlich zu einem gewünschten Lichtpunkt Streulichtkomponenten umfassen kann. Ein DRPSD ist als Klasse von positionssensitiven Detektoren definiert, der die gesamte Lichtverteilung abtastet und analysiert, um die Position des gewünschten Lichtpunkts innerhalb der Lichtverteilung zu bestimmen.
CRPSD basieren im Allgemeinen auf Seiteneffekt-Fotodioden und geometrisch geformten Fotodioden (Keile oder segmentiert), wie z.B. in A. Makynen und J. Kostamovaara, Linear and sensitive CMOS position sensitive photodetector, Electronics Letters, Vol. 34 (12), S. 1255–1256, Juni 1998 und in A. Makynen et al., High accuracy CMOS position sensitive photodetector (PSD), Electronics Letters, Vol. 33 (21), S. 128–130, Januar 1997, offenbart.
DRPSD werden im Allgemeinen unter Verwendung einer Gruppe von Fotosensoren implementiert, wobei sie seriell durch Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder durch einen ladungsgekoppelten Speicher (CCD) ausgelesen werden, wie bspw. in F. Blais und M. Rioux, Real-Time Numerical Peak Detector, Signal Process., 11(2), 145–155 (1986) offenbart.
CRPSD messen bekanntlich den Schwerpunkt einer Lichtverteilung, die auf seine Widerstandsoberfläche fällt, mit einem sehr hohen Grad an Auflösung und Geschwindigkeit. Jedoch wird eine Genauigkeit verringert, wenn störendes bzw. unerwünschtes Licht zusammen mit der Hauptlichtverteilung vorhanden ist. DRPSD können mit einem Spitzen-Erfassungsalgorithmus höhere Genauigkeitsgrade erreichen, da die Verteilung abgetastet wird und daher einer Verarbeitung zur Verfügung steht, jedoch mit einer langsameren Geschwindigkeit relativ zu einem CRPSD.
Ein Artikel von MAKYNEN A. et al., mit dem Titel "A binary photodetector array for position sensing" aus SENSORS und ACTUATORS A, CH, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, Vol. 65, Nr. 1, 15. Februar 1998 (1998-02-15), S. 45–53, XP004112483 ISSN: 0924-4247, beschreibt eine binäre Fotodetektorgruppe zum Abtasten einer Position, wobei eine Auslese mit wahlfreiem Zugriff verwendet wird, um die für die Erfassung verwendete Fläche zu verringern.
Das U.S. Patent 4,950,878 (Ulich Hobby L. et al.) vom 21. August 1990 beschreibt ein Wellenfrontsteuersystem, das optische Grob-/Fein-Gradientensensoren verwendet, die eine Gruppe von positionssensitiven Detektoren umfassen, die mit einem Schwerpunktsrechner verbunden sind.
Das deutsche Patent DE 37 09 614 A (Messerschmitt, Boelkow, Blowhorn) vom 20. Oktober 1988 beschreibt eine Positionsdetektor-Vorrichtung, die einen positionssensitiven Detektor umfasst, wobei die Lichtmenge, die auf den Detektor fällt, derart eingestellt ist, dass die Summe der elektrischen Ströme aufgrund des einfallenden Lichts konstant gehalten wird.
Die EP 0837301 offenbart ein Positionserfassungselement und einen Abstandssensor. Das Erfassungselement umfasst eine Gruppe aus PIN-Fotodioden, die N Segmente und ein Paar von keilenförmigen PIN-Fotodioden aufweist. Ein erster parallel arithmetisch verarbeitender Abschnitt berechnet aus den keilenförmigen PIN-Fotodioden eine ungefähre Position einer maximalen Lichtintensität. Ein zweiter parallel arithmetisch verarbeitender Abschnitt extrahiert, basierend auf dem ungefähren Maximum, M Signale (N > M) nahe dem ungefähren Maximum aus N Signalausgaben der PIN-Fotodioden-Gruppe. Ein dritter parallel arithmetisch verarbeitender Abschnitt berechnet eine Maximumsposition der Intensität basierend auf den M Ausgaben.
Folglich besteht ein Bedürfnis nach einem positionssensitiven Detektor, der eine hohe Auflösung und Geschwindigkeit, wie sie durch traditionelle CRPSD geboten werden, zusammen mit einer hohen Genauigkeit bei variablen Lichtbedingungen bereitstellt, wie sie durch traditionelle DRPSD geboten wird.
Offenbarung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor bereitzustellen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor bereitzustellen, der geeignet ist, den Schwerpunkt eines gewünschten Lichtpunkts unter variablen Beleuchtungsbedingungen zu bestimmen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen einer Position eines Lichtpunkts in einer Lichtverteilung bereitgestellt, wie sie nachstehend in Anspruch 1 beansprucht ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen der Position eines Lichtpunkts in einer Lichtverteilung bereitgestellt, wie es nachstehend in Anspruch 15 beansprucht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung ist, die das Konzept einer optischen Triangulation gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht;
2 eine schematische Darstellung eines typischen Lichtprofils ist, das auf einem Positionssensor gesammelt wird, um das Konzept der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen;
3A, 3B und 3C schematische Darstellungen von typischen kontinuierlichen positionssensitiven Antwortdetektoren gemäß dem Stand der Technik sind;
4A und 4B schematische Darstellungen von typischen diskreten positionssensitiven Antwortdetektoren gemäß dem Stand der Technik sind;
5A, 5B, 5C, 5D und 5E schematische Darstellungen von positionssensitiven Lichtpunkt-Detektoren für einzelne Wellenlängen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind;
5F eine schematische Darstellung einer Vorrichtung ist, die verwendet wird, um die Lichtpunkt-Detektoren zu implementieren, die in 5A–5E veranschaulicht sind;
6A und 6B schematische Darstellungen von positionssensitiven Lichtpunkt-Detektoren für Mehrfachwellenlängen (d.h. Farbe RGB) gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung für Mehrfach-/Farb-Lichtpunkt-Anwendungen sind;
6C eine detaillierte schematische Darstellung eines positionssensitiven Lichtpunkt-Detektors für Mehrfachwellenlängen (d.h. Farbe RGB) gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
6D eine detaillierte schematische Darstellung eines positionssensitiven Lichtpunkt-Detektors für Mehrfachwellenlängen (d.h. Farbe RGB) zur Verwendung als Sensor in einer digitalen Farbkamera für 3D-Abbildungen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
(Beste) Ausführungsform(en) zum Ausführen der Erfindung
2 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines typischen Lichtprofils, das auf einem Lichtpunkt-Positionssensor 18 gesammelt wurde, wobei die Intensität gegen den Ort aufgetragen ist. Zu Veranschaulichungszwecken sind zwei Profile gezeigt: ein Hintergrundprofil 30, das einen Hintergrund und Streulicht umfasst, und ein gewünschter Lichtpunkt 32. Dieses Beispiel zeigt eine typische Situation, bei der Streulicht 30 die Messung des realen, viel kleineren Lichtpunkts 32 verwischt. Das Konzept kann auf mehrere Flecken oder Linien erweitert werden.
Ein typischer CRPSD würde A als Lösung bereitstellen, was eine sehr präzise Messung des Schwerpunkts der kombinierten Licht verteilung (d.h. 30 und 32) darstellt. Ein typischer DRPSD würde B als Lösung bereitstellen, was eine sehr genaue Messung des gewünschten Lichtpunkts 32 darstellt, vorausgesetzt dass das diskrete Verfahren Kenntnis der gesamten Verteilung hat. Jedoch sind die diskreten Verfahren langsam, da alle Pixel der Gruppe bzw. des Feldes ausgelesen werden müssen, selbst wenn sie nicht alle zu der Berechnung der Spitze bzw. des Höchstwertes beitragen.
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung einen Sensor bereit, der die Geschwindigkeit eines CRPSD mit der Genauigkeit eines DRPSD ausnutzt, um einen Sensor zu erhalten, der den Ort der gewünschten Spitze sehr genau und mit einer hohen Geschwindigkeit berechnen kann.
Wie in 2 schematisch veranschaulicht ist, verwendet die vorliegende Erfindung einen CRPSD, um eine anfängliche Schätzung (Punkt A) des gewünschten Lichtpunkts 32 zu erhalten, und dann verwendet sie einen DRPSD innerhalb eines Lesefensters 34 der gesamten Lichtverteilung, um eine endgültige Lösung (Punkt B) zu erhalten.
Kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektoren
3A veranschaulicht einen typischen CRPSD 40 gemäß dem Stand der Technik, der eine Seiteneffekt-Fotodiode 41 und Lastimpedanzen (Z_L) 50 aufweist. Der Detektor 40 ist ein einachsiger Positionsdetektor. Ladungsträger, die durch einfallendes Licht 42, das auf die Fotodiode 41 fällt, erzeugt werden, werden in einer Verarmungszone 44 getrennt, die zwischen einer p⁺-Schicht 46 und einer n⁺-Schicht 48 angeordnet ist, und werden auf ein Paar von Elektroden 49a, b verteilt. Die Elektrode 49a/b, die am weitesten von dem Schwerpunkt der Lichtverteilung entfernt ist, erhält gemäß dem Ohmschen Gesetz den geringsten Strom. I₁ stellt den Fotostrom dar, der mit der Elektrode 49a verknüpft ist, und I₂ stellt den Fotostrom dar, der mit der Elektrode 49b verknüpft ist.
Die normierte Position P des Schwerpunkts der einfallenden Lichtverteilung 42 ist durch die Gleichung (1) gegeben:
wobei I₁ und I₂ Fotoströme darstellen, die mit einem Paar von Lastimpedanzen (Z_L) 50 oder mit Transimpedanz-Verstärkern (nicht gezeigt) gemessen werden. Die tatsächliche Position auf dem Detektor 40 wird durch Multiplizieren der obigen Gleichung mit L/2 gefunden, wobei L die Länge der Verarmungszone 44 darstellt. Der gesamte Fotostrom I_ph ist durch Gleichung (2) gegeben: Iph = I1 + I2 = PdetR . . . (2)wobei P_det die Leistung des einfallenden Lichts 42 und R die Ansprechempfindlichkeit der Fotodiode 41 darstellt.
Die Frequenzantwort der Fotodiode 41 kann durch zwei Hauptarten von Phänomenen beeinflusst werden: nämlich (1) durch Laufzeit-Effekte, die aus der Verzögerung zwischen der Absorption des einfallenden Lichts 42 und der Trennung von fotoangeregten Elektronenpaaren entstehen, und (2) durch die inhärenten elektrischen Eigenschaften des Detektors 40.
Wenn die maximal benötigte Bandbreite für Entfernungsmessungsanwendungen bspw. weniger als 4 MHz beträgt, dominieren der verteilte Widerstand und die verteilte Kapazität der Seiteneffekt-Fotodiode 41 und der Lastimpedanzen (Z_L) 50 das Einschwingverhalten des Positionsdetektors 40. Die Bandbreite f_LEP einer Seiteneffekt-Fotodiode 41 kann unter Verwendung von Gleichung (3) abgeschätzt werden:
wobei R_P den Zwischenelektrodenwiderstand und C_j die Sperrschichtkapazität darstellt.
Die Anstiegszeit des Stroms hängt von der Position des einfallenden Lichts 42 ab. Die Anstiegszeit nimmt zu, weil der Abstand von einem speziellen Kontakt zunimmt. Die wirksame Widerstand-Kapazität-Kombination nimmt zu, da der Abstand von dem Lastwiderstand zunimmt.
Die obige mathematische Beschreibung (in Gleichungen (1)–(3)) kann auf einen zweidimensionalen CRPSD ausgeweitet werden, bei dem vier Ströme erzeugt werden, und ein ähnliches Verhältnis wird berechnet.
Für eine Anregung in einem stationären Zustand ist die Spannung über jede Lastimpedanz (Z_L) 50 (z.B. einem Widerstand) durch Gleichungen (4 und 5) definiert:
wobei I_ph die Intensität des gesamten Fotostroms darstellt, x zwischen 0 und L variiert, R_P den Positionierwiderstand und R eine Widerstandslast darstellt, die von Z_L abgeleitet wird.
Für R_P/R<<1 verschwindet der Fotoeffekt und für R_P/R>>1 wird V₁ aus Gleichung (6) berechnet:
Gleichung (1) stellt den Schwerpunkt der Fotostromverteilung dar, der ebenso in einer anderen Form durch Gleichung (7) repräsentiert werden kann:
wobei I(x) die Lichtverteilung darstellt, die auf den Detektor 40 fällt.
Nachdem die zwei Fotoströme I₁ und I₂, die durch die Seiteneffekt-Fotodiode 41 erzeugt werden, in Spannungen V₁ und V₂ umge wandelt worden sind, können unter Verwendung von Gleichung (1) bzw. (2) die Reflexionskarte- und die Tiefenkarte berechnet werden.
Die erhaltene Lichtintensität ist durch Gleichung (8) gegeben: Intensität = K(V1 + V2) Watt . . . (8),wobei K eine Funktion der Spannungsverstärkungen in dem Signalweg, der Zwischenwiderstandsverstärkung in Ohm (Ω) und der Empfindlichkeit der Seiteneffekt-Fotodiode 41 in Ampere/Watt ist.
Tiefenmessungen werden unter Verwendung von Fleckpositionsberechnungen, die in Gleichungen (9) und (10) definiert sind, erhalten:
Gleichung 10 kann unter Verwendung einer Analogteilung oder einer Signalkomprimierung gelöst werden, die im Stand der Technik wohl bekannt sind und unten kurz beschrieben werden.
Analogteilung: Ein Analogteiler ist eine Vorrichtung, die eine Ausgabespannung oder einen Ausgabestrom erzeugen kann, die/der proportional zu dem Verhältnis von zwei Analogsignalen: Z = X/Y ist. Kommerziell erhältliche Teile werden im Allgemeinen in drei Kategorien eingeordnet: (a) Log/Antilog; (b) invertierter variabler Steilheitsverfielfacher und (c) variabler Steilheitteiler.
Signalkomprimierung: Eine Signalkomprimierung stellt ein Mittel dar, durch das Signale, die einen sehr großen dynamischen Bereich aufweisen, komprimiert werden können. Dabei können Analog-Digital-Wandler mit einer reduzierten Anzahl von Bits verwendet werden, und es können daher höhere Datenraten erreicht werden. Diese Technik geht davon aus, dass die Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion des Signals, das komprimiert werden soll, um seinen Erwartungswert konzentriert ist. Eine Komprimierung kann durch die Verwendung von logarithmischen Verstärkern oder nicht-linearen A/D-Wandlungsverfahren erreichen werden, die ausreichend im Stand der Technik bekannt sind.
3B veranschaulicht eine durchsichtige Seiteneffekt-Fotodiode CRPSD 50 gemäß dem Stand der Technik. Es gelten die gleichen Grundsätze wie bei 3A, jedoch darf der einfallende Lichtstrahl 42 durch einen ersten Sensor 52a zu einem zweiten Sensor 52b verlaufen. Eine Art eines durchsichtigen Detektors 50 wird von der Heimann GmbH aus Deutschland hergestellt.
3C veranschaulicht einen auf einem gespaltenen Sensor basierenden CRPSD 60 gemäß dem Stand der Technik. Der gespaltene Sensor 60 umfasst ein Paar von beabstandeten Keilen 62a und 62b, um das thermale Kanalrauschen des Detektors 40 von 3A zu verringern. Ein Beispiel eines gespaltenen Sensors ist in dem U.S. Patent Nr. 3,209,201, das am 17. Juni 1960 mit dem Titel „Beam Position Identification Means" erteilt wurde, of fenbart, das hier vollumfänglich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Diskrete positionssensitive Antwortdetektoren
4A veranschaulicht einen typischen DRPSD 70 gemäß dem Stand der Technik, der aus einer Gruppe 72 aus aktiven Fotodioden 74 und MOSFET-Transistoren 75 zusammengesetzt ist, die mit einem Schieberegister 76 verbunden sind. Das Schieberegister 76 empfängt als Eingabe ein TAKT-Signal und ein START-Signal.
Das START-Signal wird verwendet, um das Auslesen der Gruppe 72 von Fotodioden 74 einzuleiten. Ein neues START-Signal kann sofort zu dem Schieberegister 76 geschickt werden, nachdem alle Fotodioden 74 ausgelesen wurden oder nach einer vorgeschriebenen Wartezeit. Diese vorgeschriebene Wartezeit wird Integrationszeit genannt und ist eine Funktion der spezifischen Anwendung. Wenn das TAKT-Signal einmal durch das START-Signal aktiviert worden ist, ist es einem MOSFET-Transistor 75 möglich, seine zugeordnete Fotodiode 74 mit einer VIDEO-Leitung 78a zu verbinden. Jeder MOSFET-Transistor 75 wird in einer sequentiellen Weise gemäß den TAKT- und den START-Signalen eingeschaltet.
Die Ausgabe des Schieberegisters 76 umfasst ein Endabfragesignal ("end of scan, EOS"), das am Ende des Auslesens der letzten Fotodiode 74 der Gruppe 72 erzeugt wird.
Die Gruppe 72 verbindet eine VSUB-Leitung 78b mit der VIDEO-Leitung 78a, um ein aktives Video zu erzeugen. Ein Videoverstärker 79 ist zwischen der VSUB-Leitung 78b und der VSUB-Leitung 78a verbunden, um die komprimierte Ladung, die durch das Auslesen der Fotodioden 74 (durch START und TAKT) erzeugt wird, in eine verwendbare Spannung 78c umzuwandeln.
In der Praxis variiert die typische Breite jeder Fotodiode 74 der Gruppe 72 von 4 μm bis etwa 50 μm und die Höhe von 4 μm bis etwa 2500 μm. Gruppengrößen variieren zwischen 16 und 10.000 Elementen oder Fotostellen. Die Gruppe 72 und das Schieberegister 76 arbeiten gemäß dem Grundsatz, die Fotodioden 74 mit einer geeigneten Vorspannung, die an der VIDEO-Leitung 78a während des sequentielles Auslesens vorhanden ist, zu laden und das einfallende Licht die Sperrschichtkapazität (durch photonengenerierte Ladungsträger) entladen zu lassen. Der Videoverstärker 79 führt die Ladungs-Spannungs-Wandlung aus.
Ein Verstärker (nicht gezeigt) kann ebenso mit jeder Fotodiode verbunden werden. Die Ausgabe des Detektors 70 stellt einen Strom von Impulsen dar, wobei die Einhüllende eine Funktion der Laserfleck-Verteilung ist. Das zeitliche Auftreten der Spitze auf dem Videosignal ist direkt mit der geometrischen Position des Laserflecks verbunden. Beispielsweise ergibt eine 512-Fotodioden-Gruppe, die mit 5 MHz getaktet ist, eine maximale Fleckpositionsmessrate von etwa 9,76 kHz, wenn man annimmt, dass die Laserposition mit einer Pixelrate von 5 MHz TAKT-Frequenz in 4A extrahiert werden kann.
Eine Unterpixel-Interpolation wird mit einem digitalen Filter mit endlicher Impulsantwort („finite impulse response, FIR") durchgeführt, das eine Differentialstufe beinhaltet, wie in den U.S. Patenten Nr. 4,658,368, das am 14. April 1987 mit dem Titel „Peak Position Detector" erteilt wurde, und US 4,819,197 , das am 4. April 1989 mit dem Titel „Peak Detector and Imaging System" erteilt wurde, offenbart ist, die beide hier durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen werden. Die Ausgabe des Filters wird verwendet, um den Nulldurchgang des Signals zu interpolieren. Ein Gültigkeitsprüfschritt wird hinzugefügt, um eine falsche Erfassung auszuschließen.
Die maximale Spitzenpositions-Extraktionsrate wird erreicht, indem es dem abgebildeten Laserfleck ermöglicht wird, sich über eine Anzahl von Fotodioden erstrecken. Ein Bediener stellt die Abschwächung eines Niedrig- und Hochfrequenzrauschens und der Frequenzkomponenten bereit, die durch die Takte induziert sind, die verwendet werden, um jede Fotodiode des Felds anzusprechen und auszulesen. Eine Störfestigkeit gegenüber interferierenden Lichtquellen (künstlichen oder natürlichen, wie z.B. die Sonne) oder selbst aus einer Mehrfachreflexion einer Laserquelle selbst ist zum Erreichen einer stabilen Spitzenerfassung kritisch.
4B veranschaulicht ein Beispiel einer MehrfachLichtpunkterfassung 80 unter Verwendung eines DRPSD gemäß dem Stand der Technik. In dieser Anordnung werden verarbeitende Mehrfach-Lichtpunkten (angeordnet in einer Linie 82) verarbeitet. Die selben Messgrundsätze, die in Bezug auf den Sensor 70 von 4A beschrieben sind, werden, wie in 4B veranschaulicht ist, auf eine Gruppe von Gruppen angewendet. Jede Gruppe ist übereinander gestapelt, um eine zweidimensionale Gruppe zu bilden.
Diese Art einer Gruppe von Fotodioden (oder fotosensitiven Elementen: Pixel) wird unter Verwendung von Konfigurationen, wie z.B. eines vollständigen Rahmens und einer Kassettenanord nung 80A, einer Rahmentransferanordnung 80B, und einer Zwischenlinienanordnung 80C, ausgelesen. Die Wahl einer Konfiguration (80A–C) hängt von der Anwendung ab. Die gleichen Verarbeitungsschritte, wie für das Einzelfeld 70 beschrieben, werden auf jede Spalte der zweidimensionalen Gruppe 80A–C angewendet. Das Lichtprofil 82 wird entlang den Linien der zweidimensionalen Gruppe 80A–C projiziert.
Um eine genaue hochauflösende Positionsmessung mit einer hohen Geschwindigkeit zu erhalten, verbindet die vorliegende Erfindung die Prinzipien eines CRPSD und eines DRPSD. Im Allgemeinen werden die folgenden Schritte für einfallendes Licht aus einem einzelnen Lichtpunkt mit einer einzigen Wellenlänge (λ) durchgeführt, um den Schwerpunkt (x_c) einer Lichtverteilung zu erhalten, die den Lichtpunkt umfasst:

(a) Beleuchten eines CRPSD und eines DRPSD entweder direkt (wie in 5A, 5C und 5E gezeigt ist) oder optisch (wie in 5B und 5D gezeigt ist) mit einer Lichtquelle, wobei weitere Einzelheiten dieser Beleuchtungsanordnungen nachfolgend erörtert werden;
(b) Berechnen einer anfänglichen Schwerpunktsschätzung P der Lichtverteilung unter Verwendung eines CRPSD (z.B. Punkt A in 2), wobei Gleichung (1) -Verhältnis von Strömen-, die im Zusammenhang mit dem CRPSD 40 von 3A erörtert wurde, verwendet wird;
(c) Definieren eines Lesefensters (z.B. Fenster 32 in 2) um die anfängliche Schwerpunktsschätzung P (z.B. Punkt A in 2) herum; und
(d) Berechnen eines endgültigen Schwerpunkts (z.B. Punkt B in 2) durch Verarbeiten des definierten Lesefensters um die anfängliche Schwerpunktsschätzung P herum unter Verwendung einer DRPSD-Verarbeitung, wie im Zusammenhang mit 4A erörtert, wobei bspw., gemäß dem Lesefenster, die Gruppe 72 von Fotodioden 74 innerhalb des Lesefensters ausgelesen wird und eine diskrete Positionsverarbeitung angewendet wird, wie im Zusammenhang mit 4A beschrieben.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ein DRPSD hat N = 512 Fotoelementen und einen TAKT von 10 MHz. Die Fleckgröße ist im Sinne einer Breite von z.B. 8 (äquivalent zu Fotoelementen) bekannt. Eine Fenstergröße von M = 32 ist definiert. Daher muss der CRPSD den Ort der Spitze bis zu einer Auflösung von nur 512/32 = 16 Stufen oder unter Verwendung von 4 Bits einer binären Zahl finden. Falls der DRPSD im Gegensatz zu den vollständigen 512 nur M = 32 Fotoelemente auslesen muss, hat sich die Spitzenerfassungs-Geschwindigkeit dann um das 16fache erhöht. Falls stattdessen ein Fenster von 16 verwendet wird, dann sind 5 Bits auf dem CRPSD erforderlich und die Geschwindigkeitszunahme des DRPSD nimmt um das 32fache zu. Die Auflösung des DRPSD ist immer die gleiche – sie ist durch das Verarbeiten einer diskreten Position (wie im Zusammenhang mit 4A erörtert) oder durch Speckle-Rauschen begrenzt, und sie beträgt typischerweise 1/64 eines Pixels über die gesamte Auflösung des DRPSD.
5A veranschaulicht einen positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 90 umfasst einen transparenten CRPSD 90a, wie oben im Zusammenhang mit 3B beschrieben ist, und einen DRPSD 90b, die verwendet werden, um einen Schwerpunkt einer Lichtverteilung 42 aufzufinden, die auf ihn fällt. Der Schwerpunkt wird unter Verwendung von Gleichungen (1) und (7) berechnet, wobei auf 3A und die begleitende Beschreibung bezüglich einer positionssensitiven Messung Bezug genommen wird.
Der Schwerpunktswert wird an eine Steuereinheit 92 weitergegeben, die eine Untergruppe von benachbarten Fotodetektoren auf einem DRPSD (wie z.B. dem linearen DRPSD, der oben im Zusammenhang mit 4A beschrieben ist) auswählen wird. Die Untergruppe ist um die Schätzung des Schwerpunkts herum angeordnet, die durch den CRPSD geliefert wird. Die Untergruppe ist durch eine Fleckgröße und das Verfahren bestimmt, das bezüglich der Positionsberechnung umrissen ist. Die Untergruppe definiert eine interessierende Lichtverteilung, die unter Verwendung eines Spitzenextraktionsalgorithmus verarbeitet wird, wie bspw. in den zuvor erwähnten Patenten US 4,658,368 und US 4,819,197 beschrieben.
5B veranschaulicht einen positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor 94 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 94 umfasst ein optisches Aufspaltungselement 96, um Licht auf einen CRPSD 94a (wie oben im Zusammenhang mit 3A beschrieben) und auf einen DRPSD 94b (wie oben im Zusammenhang mit 4A beschrieben) abzulenken. Die Detektoren 94a und 94b werden verwendet, um einen Schwerpunktswert der Lichtverteilung 42 zu finden, die auf ihn fällt.
Der Schwerpunktswert wird, wie oben erörtert, an die Steuereinheit 92 weitergegeben.
5C veranschaulicht einen positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor 98 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 98 umfasst einen CRPSD 98a (wie oben im Zusammenhang mit 3A beschrieben) und einen DRPSD 98b (wie oben im Zusammenhang mit 4A beschrieben), die in einem Stapel mit einem ausgebreiteten Lichtpunkt 42 angeordnet sind. Die Detektoren 98a und 98b werden verwendet, um einen Schwerpunktswert der Lichtverteilung 42 zu finden, die auf ihn fällt. Der Schwerpunktswert wird, wie oben erörtert, an die Steuereinheit 92 weitergegeben.
5D veranschaulicht einen positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 100 umfasst ein Beugungsgitter 102, um Licht auf einen CRPSD 100a (wie oben im Zusammenhang mit 3A beschrieben) und auf einen DRPSD 100b (wie oben im Zusammenhang mit 4A beschrieben) abzulenken, die in einem Stapel angeordnet sind. Die Detektoren 100a und 100b werden verwendet, um einen Schwerpunktswert der Lichtverteilung 42 zu finden, die auf ihn fällt. Der Schwerpunktswert wird, wie oben erörtert, an die Steuereinheit 92 weitergegeben.
5E veranschaulicht einen positionssensitiven Lichtpunkt-Detektor 104 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 104 ist im Wesentlichen der Detektor 90 von 5A, der für eine zweidimensionale Anwendung implementiert ist. Der Detektor 104 umfasst einen transparenten CRPSD 104a (wie oben im Zusammenhang mit 3B be schrieben), und einen DRPSD 104b (wie oben im Zusammenhang mit 4A beschrieben), die verwendet werden, um einen Schwerpunktswert der Lichtverteilung 42 zu finden, die auf ihn fällt. Der Schwerpunktswert wird, wie oben erörtert, an die Steuereinheit 92 weitergegeben.
5F veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Implementierung der Detektoranordnungen der vorliegenden Erfindung, die in 5A–5E veranschaulicht sind, Die Lichtverteilung 42, die auf einen CRPSD 202 (z.B. CRPSDs 90a, 94a, 98a, 100a, 104a) einfällt, erzeugt Ströme I₁ und I₂. Die Ströme I₁ und I₂ verlaufen zur Anpassung durch einen Verstärker 204, bevor sie durch eine Schwerpunkts-Berechnungseinrichtung 206 verarbeitet werden, um ein analoges Ausgabesignal des Schwerpunkts der Lichtverteilung (als Schwerpunktssignal benannt) zu erzeugen.
Das Schwerpunktsignal wird durch einen Analog-Digital-Wandler 208 in ein digitales Signal unter Verwendung von M Bits an Auflösung umgewandelt, wobei M basierend auf der Anwendung (bspw. beträgt M zwischen 8 und 32 Bits) ausgewählt wird. Das digitale Signal (mit M Bits Auflösung) zeigt die ungefähre Position eines gewünschten Lichtpunkts innerhalb der Lichtverteilung an (siehe ebenso 2).
Die digitale Signalausgabe des A/D-Wandlers 208, die M Bits an Auflösung aufweist, ist unter Verwendung einer Addiereinrichtung 210 um bspw. W/2 Pixel verschoben, wobei W eine vorbestimmte Fenstergröße darstellt. Ein DRPSD 212 liest bspw. die Pixel-Ausgabe der Addiereinrichtung 210 beginnend bei einem Pixel K (wobei K das Ergebnis der vorherigen Berechnung dar stellt) bis zu einem Pixel K + 32. Bei einem Pixel K + 32 wird ein EOW ("end-of-window signal", Endfenstersignal) erzeugt, um zu signalisieren, dass der Fleckort berechnet werden kann.
Die ausgelesenen 32 Pixel werden durch einen Spitzendetektor 214 geleitet, um (unter Verwendung einer normalen Spitzenerfassungs-Schaltungsverarbeitung, wie in den zuvor erwähnten Patenten US 4,658,368 und US 4,819,197 offenbart) eine Unterpixelposition 216 zu erzeugen. Die sich ergebende Unterpixelposition 216 wird unter Verwendung einer Addiereinrichtung 218 zu dem Pixelstartwert K hinzugezählt, um die Position 220 des gewünschten Lichtpunkts zu erzeugen. Zusammenfassend stellt der Spitzendetektor 214 eine Schaltung zum Erfassen eines Schwerpunkts (d.h. des gewünschten Lichtpunkts in der Lichtverteilung) basierend auf einem Bestimmen einer Spitze einer digitalen Signaldarstellung eines ersten Schwerpunkts (d.h. des Schwerpunktssignals – eines Schwerpunkts der gesamten Lichtverteilung, die unter Verwendung eines CRPSD bestimmt wird) dar.
Für eine Verarbeitung von Mehrfachwellenlängen (λ) (z.B. RGB-Farbe) wird ein CRPSD verwendet, um die Fleckposition durch Durchführen einer gewichteten Mittelung des Spitzenorts abzuschätzen, der mit jedem λ verknüpft ist. Die Gewichte werden mit der Intensität des einfallenden Lichts zu jedem λ bestimmt. Die gewichtete Fleckpositionsschätzung wird an (einen) DRPSD weitergegeben. Wenn die Flecken mit diskreten Sensoren gemessen werden, dann ist ein gewichtetes Mittel nicht erforderlich und anstatt dessen wird ein Einzelfleckfall verwendet.
6A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines positionssensitiven RGB-Lichtpunkt-Detektors 110 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 110 ist aus einem kombinierten DRPSD/CRPSD-Detektor 90, wie in 5A gezeigt, für jede zu betrachtende Wellenlänge gebildet: beispielsweise einem für Rot (R) 110a, Grün (G) 110b und Blau (B) 110c.
6B veranschaulicht eine schematische Darstellung eines positionssensitiven RGB-Lichtpunkt-Detektors 120 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 120 ist aus einem kombinierten DRPSD/CRPSD-Detektor 98, wie in 5C gezeigt, für jede zu betrachtende Wellenlänge gebildet: beispielsweise einem für Rot (R) 120a, Grün (G) 120b und Blau (B) 120c.
6C veranschaulicht eine detaillierte schematische Darstellung eines positionssensitiven RGB-Lichtpunkt-Detektors 130 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 130 verwendet eine Vielzahl von CRPSD-Detektoren 40, wie in 3A erörtert, und einen DRPSD 70, der im Detail in 4A gezeigt ist. Zur Klarheit ist nur ein CRPSD 40 in 6C gezeigt.
Der CRPSD 40 wird verwendet, um eine Schätzung der Fleckposition zu extrahieren, die genau durch den DRPSD 70 bestimmt ist. Betrachtet man eine Wellenlänge (z.B. Grün), wird eine Schätzung eines gewünschten Lichtpunkts gemäß dem zuvor erörterten Verfahren bestimmt. Der CRPSD 40 erzeugt zwei Ströme I₁ und I₂, die durch Verstärker 132 geleitet werden. Die Summe der beiden Ströme (I₁ + I₂), wie sie durch eine Addiervorrichtung 134 berechnet wird, liefert eine Intensität I(G) des einfallenden grünen Lichts. Das Verhältnis der beiden Ströme (siehe Glei chung (1)), wie es durch eine Stromverhältnisvorrichtung 136 berechnet wird, liefert eine Position P(G) des gewünschten grünen Lichtpunkts.
Eine Einrichtung 138 für eine gewichtete Schätzung empfängt die drei Intensitäten I(G), I(B) und I(R) und die drei Fleckpositionen P(G), P(B) und P(R). Die drei Positionen P(G), P(B) und P(R) werden kombiniert, um eine Einzelschätzung der Lichtposition zu bilden, die verwendet wird_; um den DRPSD 70 (, der das Schieberegister 76, Fotodioden 74, einen Verstärker 79 usw. umfasst,) zu aktivieren.
Die Gewichte werden gemäß dem Minimumvarianzverfahren berechnet. Wenn die Varianz der drei Flecken P(G), P(B) und P(R) als τ_r ²,τ_g ²,τ_b ² gegeben ist, dann ist die beste Fleckposition durch Gleichung (11) definiert:
Die Varianz ist zu der Intensität der drei Signale I(G), I(B) und I(R) proportional und wird durch Gleichung (12) definiert: τg 2 = KgIg 2, τr 2 = Kr Ir 2, τb 2 = Kb . . . (12).
Verwendet man Gleichungen (11) und (12), liefert die Einrichtung 138 für eine gewichtete Schätzung eine gute Schätzung des Orts des Lichtpunkts für einen DRPSD 70. Im Speziellen wird diese Information verwendet, um das Schieberegister 76 des DRPSD 70 einzurichten.
Ein Fenster mit vorprogrammierter Breite wird um die Schätzung des Lichtpunkts herum zentriert. Nur solche Pixel in der Fotoelementgruppe 72 des DRPSD 70 werden extrahiert und verarbeitet werden. Die Verarbeitungsschritte, wie zuvor in dem Abschnitt mit dem Titel „Positionssensitiver Detektor für EinzelLichtpunkt-Messung" beschrieben, werden durchgeführt. Wenn das angezielte Pixel, das um den geschätzten Lichtpunkt herum angeordnet ist, extrahiert und verarbeitet wird, werden die Pixel in der Fotoelementgruppe 72 des DRPSD 70 zurückgesetzt. Dies macht den DRPSD 70 für die nächste Fleckmessung bereit.
6D veranschaulicht einen positionssensitiven RGB-Lichtpunkt-Detektor 140 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Detektor 140 verwendet eine Vielzahl von geteilten CRPSD Detektoren 60 (als 60A, 60B und 60C bezeichnet), wie in 3C erörtert, und einen DRPSD 70, der in 4A gezeigt ist.
Ein optisches Element 146 wird verwendet, um einen Lichtstrahl LB in zwei Teile zu trennen. Der erste Teil stellt den unveränderten Lichtstrahl LB dar, der geradeaus durch das optische Element 146 läuft und bei 42A auf den DRPSD auftritt. Der andere Teil des Lichtstrahls LB wird in diesem Beispiel in verschiedene Wellenlängen (Rot, Grün und Blau) zerlegt. Die verschiedenen Wellenlängen treffen auf einem entsprechenden CRPSD 60A–C bei 42B, 42C und 42D auf.
Die Ströme (I₁ und I₂), die durch die drei CRPSD 60A–C erzeugt werden, werden verarbeitet, um Positionswerte P(R), P(G) und P(B) zu erhalten, und werden (zusammen mit entsprechenden Intensitätswerten I(R), I(G) und I(B)) durch eine Einrichtung 142 für eine gewichtete Schätzung, wie im Zusammenhang mit 6C beschrieben, verarbeitet.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Vorrichtung und das Verfahren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, können der dreidimensionalen Abbildungsindustrie verwendet werden.

Claims

Vorrichtung (90, 94, 98, 100, 104) zum Erfassen einer Position eines Lichtpunkts (42) in einer Lichtverteilung (30) mit: (a) einem kontinuierlichen positionssensitiven Antwortdetektor (CRPSD) (40) mit einer ersten Vielzahl von N Fotoelementen (41) zum Bestimmen eines ersten Schwerpunkts (A) der Lichtverteilung, wobei der CRPSD angeordnet ist, um die Lichtverteilung zu empfangen und um einen ersten Fotostrom und einen zweiten Fotostrom (I₁ und I₂) zu erzeugen; und (b) einem diskreten positionssensitiven Antwortdetektor (DRPSD) (70) mit einer zweiten Vielzahl M von Fotoelementen (72) zum Bestimmen eines zweiten Schwerpunkts (B) der Lichtverteilung innerhalb eines Lesefensters (34), das um den ersten Schwerpunkt und innerhalb der Lichtverteilung definiert ist; wobei M eine Größe des Lesefensters repräsentiert und M kleiner als N ist, wobei der zweite Schwerpunkt die Position des Lichtpunkts in der Lichtverteilung darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektor des Weiteren Mittel zum Durchführen einer Berechnung gemäß der Formel:
aufweist, wobei P den ersten Schwerpunkt repräsentiert und wobei I₁ und I₂ den ersten Fotostrom bzw. den zweiten Fotostrom repräsentieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die des Weiteren aufweist: (i) einen Analog-Digital-Wandler (208) zum Umwandeln des ersten Schwerpunkts in eine digitale Darstellung; und (ii) eine Addiereinrichtung (210) zum Verschieben der digitalen Darstellung des ersten Schwerpunkts um eine vorbestimmte Größe (W/2) basierend auf dem Lesefenster.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die des Weiteren eine Schaltung (76, 79) zum Erfassen des zweiten Schwerpunkts basierend auf einer Bestimmung einer Spitze der digitalen Darstellung des ersten Schwerpunkts aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektor eine transparente Seiteneffekt-Fotodiode (50) darstellt, die einen ersten Sensor (52a) und einen zweiten Sensor (52b) aufweist, wobei die Lichtverteilung durch den ersten Sensor zu dem zweiten Sensor läuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektor ein geteilter Sensor (60) ist, der ein Paar aus beabstandeten Keilen (62a, b) aufweist, um ein thermales Rauschen zu verringern, wobei die Lichtverteilung auf das Paar beabstandeter Keile einfällt und wobei jeder Keil entweder den ersten Fotostrom oder den zweiten Fotostrom erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektor transparent ist und den diskreten positionssensitiven Antwortdetektor überlagert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die des Weiteren einen Strahlteiler (96) zum Teilen der Lichtverteilung zwischen dem kontinuierlichen positionssensitiven Antwortdetektor und dem diskreten positionssensitiven Antwortdetektor aufweist, wobei der kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektor und der diskrete positionssensitive Antwortdetektor getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die des Weiteren ein Beugungsgitter (102) zum Lenken der Lichtverteilung zwischen dem kontinuierlichen positionssensitiven Antwortdetektor und dem diskreten positionssensitiven Antwortdetektor aufweist, wobei der kontinuierliche positionssensitive Antwortdetektor und der diskrete positionssensitive Antwortdetektor getrennt sind.
Vorrichtung (110, 120, 130, 140) zum Erfassen einer Position (42) eines Mehrfachwellenlängen-Lichtpunkts (LB) in einer Lichtverteilung, die für jede Wellenlänge die Vorrichtung des Anspruchs 2 und Mittel (138, 142) zum Berechnen einer ersten Schätzung des ersten Schwerpunkts des Mehrfachwellenlängen-Lichtpunkts aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum Durchführen einer Berechnung gemäß der Formel:
betrieblich sind, den ersten Schwerpunkt für jede Wellenlängenkomponente zu bestimmen, und wobei P den Schwerpunkt repräsentiert und wobei I₁ und I₂ den ersten Fotostrom bzw. den zweiten Fotostrom für jede Wellenlängenkomponente (R, G, B) repräsentieren, wobei p_r, p_g und p_b Lichtpunktpositionen für jede Wellenlängenkomponente repräsentieren und I_r, I_g und I_b Wellenlängenintensitätswerte für jede Wellenlängenkomponente repräsentieren und wobei I_{r,g, oder b} = I₁ + I₂ gilt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Mittel zum Berechnen eine gewichtete Schätzeinrichtung (138) zum Empfangen der Wellenlängenintensitäten, von I_r, I_g und I_b und der Lichtpunktpositionen p_r, p_g und p_b und zum Erzeugen der ersten Schätzung des ersten Schwerpunkts des Mehrfachwellenlängen-Lichtpunkts umfasst, wobei die erste Schätzung als Eingabe an die Mittel zum Bestimmen des zweiten Schwerpunkts verwendet wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Mittel zum Berechnen ein Mittel zum Durchführen einer Berechnung gemäß der Formel
umfasst, um die erste Schätzung des ersten Schwerpunkts des Mehrfachwellenlängen-Lichtpunkts zu bestimmen, und wobei p die erste Schätzung darstellt, p_g, p_r und p_b den Ort vom Lichtpunkten darstellen und τ_r ²,τ_g ², τ_b ²eine Varianz der drei Lichtpunktpositionen p_g, p_r und p_b repräsentieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Mittel zum Berechnen Mittel zum Durchführen einer Berechnung gemäß der Formel: τg 2 = KgIg 2, τr 2 = Kr Ir 2, τb 2 = KbIb 2 umfasst, um eine Varianz der drei Lichtpunktpositionen zu bestimmen, wobei K_g,r,b Breiten des Lesefensters repräsentieren.
Verfahren zum Erfassen der Position eines Lichtpunkts (42) in einer Lichtverteilung (30) mit folgenden Schritten: (a) Berechnen eines ersten Schwerpunkts (A) der Lichtverteilung, einschließlich: (i) Bestrahlen eines kontinuierlichen positionssensitiven Antwortdetektors, der eine erste Vielzahl N von Fotoelementen (41) aufweist, mit der Lichtverteilung; und (ii) Erhalten eines ersten Fotostroms (I₁) und eines zweiten Fotostroms (I₂); (b) Bestimmen eines Lesefensters (34), das um den ersten Schwerpunkt und innerhalb der Lichtverteilung definiert ist; und (c) Berechnen eines zweiten Schwerpunkts (B) der Lichtverteilung innerhalb des Lesefensters, einschließlich: (i) Bestrahlen eines diskreten positionssensitiven Antwortdetektors, der eine zweite Vielzahl (M) von Fotoelementen (72) aufweist, mit der Lichtverteilung, wobei M die Größe des Lesefensters darstellt und M kleiner als N ist, wobei der zweite Schwerpunkt den Ort des Lichtpunkts in der Lichtverteilung darstellt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste Schwerpunkt berechnet wird gemäß:
wobei P den ersten Schwerpunkt repräsentiert und I₁ und I₂ den ersten Fotostrom bzw. den zweiten Fotostrom repräsentieren.