專利名稱：確定電磁波的相位和/或幅度信息的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定電磁波的相位和幅度信息的方法和裝置。
這里所使用的術(shù)語“相位”表示相位的通過時間，以及也按照所包含的各個信號波形而使用的指定通過時間。
本文中，涉及的不是電磁波，而是光波。然而，這不表示僅限于可見電磁波的頻譜范圍，而僅是為了簡便起見。
為了測量寬帶及高頻信號中頻率分量的幅度和相位，電磁測量技術(shù)和通信技術(shù)采用相位檢測器，將未知信號與正弦振蕩相乘或混合，并通過積分或低通濾波，確定相同頻率的信號成份中出現(xiàn)的穩(wěn)定部分。
這一過程對于一個給定的可調(diào)相對相位位置，產(chǎn)生一個混合信號與未知信號的相關(guān)函數(shù)。通過改變混合頻率(掃描)，可以將未知信號劃分成一個個頻譜分量。至少可以在三個相位處確定同一頻率的穩(wěn)定部分和未知頻率分量變化的幅度和相位。
正如前文中描述電信號時所提及的那樣，通過采用寬帶光檢測器作為電光傳感器并后續(xù)電子測量值的確定，目前特別對測量和通信領(lǐng)域中已經(jīng)日益重要的相應光信號進行了研究。
由于費用昂貴，那些方法和相應的測量裝置通常僅適用于一個或兩個通道。然而在光信號的情況下，必須經(jīng)常同時對具有高頻分量的許多并行通道(尤其是整個圖象序列)進行測量。
除了二維光波的頻譜調(diào)制特性以外，人們?nèi)找娓信d趣的是包絡在時間空間中的快速跑動(run)。另外，人們希望對3維目標進行快速和準確的測定(例如通過光雷達處理過程)，由于回波信號的速度為光速，這需要在亞毫微秒數(shù)量級的快速檢測器。同時，如果想要避免掃描有源的(actively)或無源的(passively)光亮的三維物體的費時操作，應當具備一個檢測器陣列。
DE4439298A1專利中提供了這樣一種三維攝像機，本發(fā)明將這一專利作為基本的起點。


圖10描繪的是基于回波通過時間或相位通過時間過程的三維攝像機。調(diào)制光發(fā)射器107和103輻射并由三維物體100反射的高頻(HF)調(diào)制光波101在相前延遲中含有所有的深度信息。如果入射光波再一次在具有相同頻率的二維光學混合器104的接收孔徑102經(jīng)過調(diào)制，而這一過程對應于一個零拍(homodyne)混合或解調(diào)過程，則結(jié)果產(chǎn)生一個穩(wěn)定高頻干涉圖。
該高頻干涉圖可以用一個傳統(tǒng)的CCD攝像機105記錄下來，并用一種圖象處理裝置106作進一步的處理。CCD光電荷(photoelectric charge)中混合乘積的穩(wěn)恒部分的積分與兩個混合信號的相關(guān)函數(shù)的形成對應。因回波通過時間而產(chǎn)生的與距離有關(guān)的相位延遲和幅度可以通過解調(diào)混合頻率的不同相位(例如0°、120°和240°或0°、90°、180°和270°)從三個或更多的干涉圖按照象素計算得到，從而可以重新構(gòu)成三維深度的圖象。
這時，二維光學混合器103或104(也稱為空間光調(diào)制器或SLM)包含一個Pockel盒，這種Pockel盒具有文獻中所描述的各種嚴重的缺點。
其他的實施方法是采用LCD窗，這種LCD窗的價格倒是不貴，但在所需帶寬方面約低到1000分之一，離要求太遠。
若與圖象放大器中所使用的那樣采用所謂的微通道板(microchannel plate)，則價格也很貴。增益可以調(diào)節(jié)由施加到微通道上并影響微通道中二次電子發(fā)射的加速電壓來調(diào)節(jié)。
另外，目前的技術(shù)狀態(tài)建議采用一種二維相關(guān)器(correlator)，這種相關(guān)器是基于IEEE Journal of Quantum Electronics(量子電子學IEEE雜志)1995年第9期，卷31,1705-1708頁上Spiring、Seitz等人的“TheLock-InCCD-Two-Dimensional Synchronous Detection of Light”中提出的一種CCD-光檢測器陣列的。其中，通過四個轉(zhuǎn)移門(transfer gate)詢問(interrogate)一個光象素(photopixel)，以便確定正弦調(diào)制光的相位。對于每一正弦周期，用四個轉(zhuǎn)移門取得一個個等距離的取樣，從而可以容易地計算相位。由于在主要限定帶寬的掃描周期內(nèi)首先是對諧波光信號進行積分的，所以對于上述問題來說，這一過程的速度仍然太慢。于是，只有用接收存儲的電荷作為掃描取樣來實施所需的混合過程。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法和裝置，用以取得相位和/或幅度信息以及光波的包絡，從而提供一種更簡單、頻帶更寬且更廉價的相關(guān)器概念和通過可預定的光照(lighting)的快速三維問題測量。
上述目的是通過權(quán)利要求1中所述的方法以及權(quán)利要求14中所述的光混合元件、如權(quán)利要求20中所述的混合元件結(jié)構(gòu)以及權(quán)利要求23中所述的裝置來得到的。
按照本發(fā)明的原理是基于調(diào)制光門(photogate)電壓產(chǎn)生的漂移(drift)以及至少兩個靠近光敏調(diào)制光門下面的材料中光波由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子的分離。這樣，在施加到調(diào)制光門的調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的影響下，那些載流子根據(jù)各極性和相位，漂移到累加門(accumulation gate)，該累加門所受的偏置最好是直流電壓Ua和Ub的兩倍。調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)最好是互補施加的，并且最好構(gòu)成偏壓Uo以及調(diào)制電壓+Um(t)和-Um(t)分別疊加成推拉關(guān)系。兩個調(diào)制光門最好一起形成正方形表面。僅具有兩個調(diào)制光門的象素也可以稱為是雙象素。
按照本發(fā)明的這一原理預先假定光電量子效應是由電磁波引起的。但不管怎樣，本說明書總是僅涉及光波，這不能理解為是一種限制。
實際的混合和相乘過程在于光生載流子依賴于電壓或依賴于相位的調(diào)制漂移至調(diào)制光門的右側(cè)或左側(cè)(“電荷擺動(charge swing)”)。因此，以這種方式分離并在累加門(accumulation gate)處收集并傳送到電子讀出系統(tǒng)的載流子之間的電荷差在預定時間內(nèi)的積分，代表相對于入射調(diào)制光信號與調(diào)制電壓Um(t)的包絡的相關(guān)函數(shù)的量度。
同時，已經(jīng)漂移到累加門并通過不受電荷擺動位置影響的其余電荷的那些載流子的電荷總和，具有合適的象素亮度和象素灰度值。
為了確定入射光波的相對相位或時間延遲，如上所述，必須進行三個參數(shù)的測量，即，直流電壓成份和交流電壓成份以及相對相位。所以，可以有這樣一種象素結(jié)構(gòu)，即，光混合元件具有三個光敏調(diào)制光門，這些光門因調(diào)制光門電壓而動作，相對于發(fā)射器輻射的光波，調(diào)制光門電壓有三種不同的相移。
然而，要求從合成相關(guān)幅度中確定光混合元件每一象素處接收信號的相位，對混合器信號的四種不同的相位進行四種不同的測量。這就提供了一種超定方法(over-determination)，采用這種方法，可以使噪聲得到明顯的抑制。
每一象素兩個調(diào)制光門處調(diào)制光門電壓的推-拉結(jié)構(gòu)使得同時實施兩次測量。因此，在高頻調(diào)制的例子中，分別關(guān)于輻射光的相位，就調(diào)制電壓Uam(t)和Ubm(t)，在0°/180°同時也在90°/270°相位差分別通過相差90°的實施兩次測量就足夠了，以便得到所必須的四個不同的測量值。
所以，一種特定的較佳結(jié)構(gòu)是這樣的，分別形成一個象素的光混合元件包含四個對稱排列的調(diào)制光門，其中，每兩個處于相對位置的調(diào)制光門因推-拉或180°相移的調(diào)制光門電壓而動作，其中，分別相差90°并且已在上文中對雙象素的描述的兩次測量是在0°/180°以及90°/270°相位差的調(diào)制光門電壓下同時實施的。這樣一種象素也稱為四元(quadruple)象素。
另外，為了校正調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的相移，最好能夠?qū)l(fā)射器輻射的一部分光波作為基準(reference)直接投射到多個光混合元件結(jié)構(gòu)多個象素的至少一個象素上。隨后，從直接接受輻射的象素得到的相位和幅度信息可以用作校正操作，或用來將相移調(diào)節(jié)到某一預定值。
相反，如果獨立接受激勵，借助于至少一個光混合元件，有源物體輻射的入射光的未知調(diào)制，可以用已知的高精度的鎖定(lock-in)放大器來測量光波。為此，帶有取代發(fā)射器的可調(diào)調(diào)制發(fā)生器的光混合元件形成一個鎖相環(huán)路。另外，在鎖定放大中，鎖相環(huán)路用作高頻調(diào)制的例子，而延遲鎖定環(huán)路用作數(shù)字調(diào)制。
為了測量無源物體，可以用各種方式分別實施輻射光的調(diào)制和調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的相應調(diào)制。首先，可以進行連續(xù)的高頻調(diào)制，這時，在不同的時間間隔反復讀取電荷之差和電荷之和，而這又反過來受象素亮度的影響，用以對光波的相位信息和幅度信息的估算。
一種有利的過程是脈沖形式的高頻調(diào)制和照光(lighting)操作的間斷模式，以便在每一種情況下暫時超過干擾背景照光。這時，在高頻脈沖期間僅對光生電荷進行積分，隨后再估算。
尤其在確定發(fā)射光波的的相位或通過時間信息時，為了提高相位或通過時間分辨率的水平，可以采用從雷達技術(shù)得知的高頻脈沖壓縮過程，采用窄相關(guān)函數(shù)，例如啁啾調(diào)制(chirp)過程。這樣，采用啁啾(chirp)重復調(diào)制各個光混合元件的調(diào)制信號以及發(fā)射器以預定相位關(guān)系發(fā)光的光路并因此以尋求的相位關(guān)系反射的光波。借助于啁啾調(diào)制，采用合適的方式，光混合元件的調(diào)制光門電壓與發(fā)射器輻射的光之間可調(diào)延遲的插入可以解決(resolve)多個目標或抑制被照場景的令人頭痛的多次反射。
下文中將描述的偽隨機噪聲調(diào)制(PN調(diào)制)是另一種調(diào)制形式，即，基帶PN調(diào)制和高頻PN調(diào)制。重復光信號情況下采用取樣-保持過程的取樣過程是采用針形脈沖(needle pulse)進行混合和相關(guān)的特例。按照本發(fā)明的光混合元件可以有利地應用于本例中以及其他脈沖調(diào)制的應用中。
這里的調(diào)制方式本質(zhì)上都是現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的。
現(xiàn)在，已經(jīng)漂移到累加門的電荷可以是以各種途徑進行進一步處理的主題。一方面，可以用CCD技術(shù)構(gòu)筑光混合元件，這時，電荷在累加門處收集或集中，隨后用傳統(tǒng)的方式移送至CCD讀出電路(例如在三相移循環(huán))，并通過p擴散或n擴散讀出。
另一方面，光混合元件可以用CMOS技術(shù)來實現(xiàn)，作為具有特定象素電子讀出和信號預處理系統(tǒng)的有源(active)象素元件。這時，實踐中，直接調(diào)制光門的兩邊，采用在CCD工程中是傳統(tǒng)技術(shù)的讀出電路。這時，累加門最好呈阻塞的低電容pn-結(jié)二極管的形式，并最好直接通過電極Ga和Gb將傳送到達的光生電荷至電子象素讀出和信號預處理系統(tǒng)，在那里存儲并處理。
所以，在后一種情況下，電荷擺動的兩個電荷分量(component)被連續(xù)讀出，并且可以在實際上以不發(fā)生反應的方式(例如采用電荷放大器)存儲在各個下游連接的電容器上。
在每一種新的測量操作之前，本領(lǐng)域的狀態(tài)是使所包含的充電電容器通過電子復位開關(guān)放電，并要求復位狀態(tài)中測定的故障(fault)電壓用作實際測量值的糾正。采用按照象素(pixel-wise)的不反應(reaction-free)讀出過程具有這樣的優(yōu)點，即光混合元件的整個動態(tài)過程及其測量方法與采用CCD技術(shù)相比得到大大提高。
采用進一步的較佳方法，可以直接計算電子象素讀出和信號預處理系統(tǒng)中的相位和幅度信息，最好是以在單片集成(on-chip integration)的形式。這樣一種特定應用的光電芯片(ASOC)或這樣一種有源象素傳感器(APS)使測量速率提高，并使得可以進行相位和/或幅度按照象素預處理。
本發(fā)明的重要優(yōu)點是可以與電荷產(chǎn)生和分離同時進行調(diào)制。換言之，同時進行檢測和混合，而沒有噪聲和頻帶限制的中間級。所以，防止了本領(lǐng)域中特別出現(xiàn)的時間漂移誤差，必定會出現(xiàn)來自檢測操作按照時間和空間分離的電荷調(diào)制和集中(integration)操作，而不必使其抑制。
本發(fā)明的進一步的優(yōu)點是光混合元件的高極限(limit)頻率。推-拉調(diào)制電壓引起的電荷轉(zhuǎn)移的極限頻率是可以按照最大漂移長度或轉(zhuǎn)移距離比較的，這就是說，調(diào)制光門與相應MOS晶體管的極限頻率的和長度，因此得到GHz范圍。另外，通過反對稱載流子分離和差(difference)形成使麻煩的共模信號得到抑制。與調(diào)制信號不相關(guān)的每一干擾信號(例如背景光)在電荷差中得到抑制，從而得到高信噪比。另外，由于檢測、混合和載流子集中的組合以及同一芯片上的差形成，僅存在微小的時間漂移。此外，在單個的半導體結(jié)構(gòu)中可以實現(xiàn)實際上所有測量功能的組合。
與采用Pockel盒作為調(diào)制器的DE4439298AA1專利中揭示的技術(shù)相比，僅需1伏很低的調(diào)制電壓，而不是1000伏。另外，按照本發(fā)明的光混合元件的二維結(jié)構(gòu)使得可以在接收器側(cè)具有大孔徑(aperture)。
另外，確定相位和/或幅度信息無需相干光或偏振光。因此，可以通過選擇濾光片的上游結(jié)構(gòu)利用入射光的進一步的特定特性，例如，光的偏振和波長。此外由于去掉了按照本領(lǐng)域中的電子混合器和寬帶光檢測器放大器，這種結(jié)構(gòu)提供了高水平的靈敏度和高的信噪比。
由在光門處空間電荷區(qū)中使用的材料的頻譜光靈敏度確定要測量的光波的光譜帶寬，例如，在硅的情況下，波長范圍是0.3到1.1μm，在InGaAs的情況下，波長范圍是約0.8到1.6μm，而在InSb的情況下，是約1到5.5μm。
光混合元件可以是零、一或二維結(jié)構(gòu)，因此提供了寬頻譜的幾何形式。這樣，因此，幾個100,000的光混合元件可以以并行關(guān)系以例如10-1000MHz的調(diào)制帶寬進行工作，從而可以極快地進行三維攝影，用以判斷每一象素中的距離信息。相位圖象φ(x,y)，或者在調(diào)制光的情況下是具有半徑矢量或voxel距離R(x,y)的距離圖象或深度圖象是通過流入累加門并讀出的電荷的電荷差按照象素方式來確定的。相應的電荷和給出了傳統(tǒng)的象素灰度值A(x,y)。這兩種可以組合起來，給出標度的灰度值圖象或三維圖象A(x,y,z)。
因此，三維圖象重復率是在約10Hz至高于1000Hz的范圍內(nèi)，并取決于所使用的光混合元件數(shù)和光強度水平。通過另外的濾色鏡，可以得到距離圖象R(x,y)的通常的彩色值，紅色(x,y)、綠色(x,y)和藍色(x,y)。
在光混合元件方面，混合的集中結(jié)構(gòu)和載流子集中至少還提供了一種簡單的結(jié)構(gòu)。最后，無需在接收通道方面再花錢，因為如果要錄制的是一維或二維景色而不是一個點時，傳統(tǒng)的光學成象系統(tǒng)足以對入射光(甚至可能是反射光波)進行成象。采用光學發(fā)送和接收系統(tǒng)的同步變焦距，該測量裝置可以靈活地適用于不同的三維景色。
在按照本發(fā)明的方法和相應混合元件或多個混合元件結(jié)構(gòu)的情況下，如果直接通過有源象素傳感器結(jié)構(gòu)(APS)確認象素相位或象素通過時間以及象素亮度，隨后有選擇地讀出或者最好順序采用位于相同芯片上的多路復用結(jié)構(gòu)(所謂單片多路復用結(jié)構(gòu))，那是合乎要求的。這提高了處理速度，同時也減小了所需的進一步的元件數(shù)。
另外，如果象素亮度被估算為相關(guān)累加門的電荷之和，估算為灰度值圖象，則本發(fā)明的一種特定的較佳實施例是這樣一種實施例，即，在背照光的情況下，即，在出現(xiàn)除調(diào)制光以外的非調(diào)制光的情況下，通過計算，消除累加門處附加光產(chǎn)生的電荷，采用這一過程，一方面，在得到的灰度值圖象與開啟的調(diào)制光之間形成差，而在另一方面，無需調(diào)制光，即，在關(guān)斷調(diào)制光源以后。在累加門處的基本亮度中和電荷基礎量中不含有相關(guān)信息，從而實際的相關(guān)信息更清楚地出現(xiàn)在基礎量的減去以后。
正如已經(jīng)提及的那樣，如果以線性陣列、面陣列或空間陣列采用多個混合元件，很明顯這是合適的。這樣，術(shù)語“線性”陣列的含義不僅是指呈順序關(guān)系排列成直線的一組混合元件，而且通常是指沿一條線排列的一組混合元件，其中，所述線可以是直線，也可以是曲線。在面結(jié)構(gòu)的情況下，即使由于實際上的原因，也可以以矩形陣列的形式提供平面混合元件排列結(jié)構(gòu)，而且原則上混合元件可以按照任何要求的圖形來排列，也可以排列在曲面上，例如排列在球殼的內(nèi)表面上。也可以在成角度的兩個面上采用混合元件的陣列，即，同時在相互成一個角度的兩個面上，并且這樣一種結(jié)構(gòu)對于給定的應用是合適的。這種結(jié)構(gòu)由統(tǒng)稱為“空間陣列”所包括。
在這樣一種含有多個并且可能是幾百或幾千個混合元件的陣列中，按照本發(fā)明的方法的優(yōu)點和所要求的結(jié)構(gòu)是這樣的，即，至少一個象素或至少一個混合元件是直接用用作發(fā)光(lighting)的強度調(diào)制的一部分電磁波來輻照的，這時，在所述至少一個象素處，采用用這樣的途徑得到的測量結(jié)果，用來對其他相位和亮度結(jié)果進行校準。這樣，如果這樣一種參考象素是由于具有有選擇的不同強度級別的發(fā)射器或者是采用多個參考象素的情況而動作，每一象素由不同的強度級別而動作，則這是合乎要求的。這使得可以避免可能由于測量信號的大的動態(tài)范圍而出現(xiàn)的差錯。
在上述一維或多維混合元件的情況下，如果象素是用MOS技術(shù)構(gòu)筑在硅片上并且可以用多路復用結(jié)構(gòu)(最好是CCD結(jié)構(gòu))來讀出，則這是合乎要求的。
讀者將會理解，按照本發(fā)明的混合元件是適合用于數(shù)字照相機或攝像機的。為此，只需提供合適的混合元件結(jié)構(gòu)(例如呈矩形矩陣形式)，這種結(jié)構(gòu)具有集成接收光學系統(tǒng)、電子估算系統(tǒng)和用于差信號、和信號和相關(guān)的參考信號的信號處理，以及從中計算的灰度值圖象以及通過時間或距離圖象的數(shù)字存儲器。這種結(jié)構(gòu)還包括用調(diào)制的電磁波或調(diào)制光輻照三維景物的合適的發(fā)射器或光源，以及可適當調(diào)節(jié)接收光學系統(tǒng)的發(fā)送光學系統(tǒng)，其中，所有這些元件組合在一起構(gòu)成一個小型裝置用作數(shù)字照相機。這樣，數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機之間的差異僅在于在相應的攝像機中，相當大數(shù)量的圖象必須在相應短的時間內(nèi)記錄和存儲起來，從而必須提供合適的裝置，用于相應圖象序列的存儲和重現(xiàn)。
讀者將會理解，除了采用來自各個頻譜區(qū)域的調(diào)制光來實現(xiàn)對景物的照光或者輻照以外，從而以這種途徑獲得的圖象彩色分量或色度分量可以用同時提供的空間深度信息來得到并重新構(gòu)筑完整的彩色圖像。
對于更大的帶寬以及改進的邊緣檢測，可以采用微透鏡光學系統(tǒng)，其中，每一混合元件或象素是一個微透鏡光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)將入射光縮小到象素的中央?yún)^(qū)域，從而實際上去除了特別出現(xiàn)在光敏表面的邊緣區(qū)域中的調(diào)制門處與理想潛在(potential)結(jié)構(gòu)的偏差。另外，由微透鏡光學系統(tǒng)在混合元件的檢測器平面內(nèi)產(chǎn)生的焦點以外處的成象能夠確保沿兩個半個象素中間隨機延伸的邊緣的成象不會在模擬相關(guān)或不正確的深度信息的累加門處產(chǎn)生差電荷(difference charge)。
具有按照本發(fā)明的光混合元件的陣列同樣最適合用于檢測，可能也適合于在對問題中的結(jié)構(gòu)的觀測場中跟蹤預定的一、二或三維結(jié)構(gòu)，另外還考慮到被尋找以及可能被跟蹤的物體的深度信息和目標距離。
用特定的術(shù)語，有選擇地用(ΔX,ΔY,ΔT)確定調(diào)制信號的幅度和X、Y的位移及時間坐標T(其中，X和Y定義了兩個沿混合元件矩陣平面上延伸的線性獨立坐標，而T表示調(diào)制信號的通過時間延遲)，使得實現(xiàn)三維相關(guān)，從而在空間中搜尋、檢測并且可能的話跟蹤預定的三維物體。
按照本發(fā)明的光混合元件在光數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中有較廣的應用。這樣，按照本發(fā)明的光混合元件被簡單地用來取代傳統(tǒng)光信號接收器中光二極管，光信號接收器也可以包括光再生，其中，用最佳方式使調(diào)制信號的形狀與信號形式相適應，并用最佳方式使調(diào)制信號的相位在鎖相回路中與接收信號的相位位置相適應。換言之，時鐘是從信號自身中得到，并用作接收信號的最佳權(quán)重，從而用最佳方式使信號與麻煩的噪聲背景分開。這樣，與傳統(tǒng)的光二極管相比，光數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`敏度和精度明顯得到提高。尤其是使得光傳輸部分的長度明顯增加，而無需以時間、頻率和編碼多路復用模式進行中間放大以及更多數(shù)量的并行通信信道。
最后，按照本發(fā)明的光混合元件還可以用作光學位置檢測系統(tǒng)，其中，操作方式在原理上與采用使得能夠進行信號編碼輻射的衛(wèi)星傳輸進行很精確位置確定的GPS系統(tǒng)是相似的。在相應的光學位置檢測系統(tǒng)中，從GPS系統(tǒng)熟知的衛(wèi)星發(fā)射器可以由色散調(diào)制光源(例如用激光二極管和光色散或散射系統(tǒng))所取代，色散調(diào)制光源的位置相應更靠近位置是待確定的物體，而接收器是用物體上的一個或多個光混合元件形成的，最好是用多個光混合元件形成，這些光混合元件沿不同的方向，從而可以檢測來自不同地方、具有不同調(diào)制方式并且位置是固定的光源的信號。這樣，編碼調(diào)制就使得通過位置的確定，固定光源與要確定位置的物體具有清楚的相關(guān)性，以及相關(guān)的信號通過時間。
進一步的用途是光數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜ザ嗦窂陀?，采用光混合元件用光調(diào)制以及相關(guān)性形式進行編碼使得各個通道(channel)具有清楚的相關(guān)性。
按照本發(fā)明的高水平光混合元件相位靈敏度的進一步應用和用途在于Sagnac效應的測量，即，旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)中光波的通過時間和相移。為此，將調(diào)制光耦合到一根光纖內(nèi)，該光纖最好有多圈，光纖的輸出照射按照本發(fā)明的一個光混合元件。該混合元件的調(diào)制門用與作為耦合輸入的光波相同的頻率調(diào)制，從而在光混合元件處以電荷分布形式而出現(xiàn)的相關(guān)結(jié)果提供了對電流(current)頻率和相移的測量。在其轉(zhuǎn)軸不在光纖各匝或光波導的平面內(nèi)的參考系統(tǒng)的每一旋轉(zhuǎn)期間，頻率和通過時間以及相位位置發(fā)生變化，并且是由光混合元件自動檢測的。值得注意的是，采用這種光混合元件，這種基于Sagnac效應的光纖陀螺儀系統(tǒng)現(xiàn)在可以用非相干光來實施，這樣不會在長期穩(wěn)定性中產(chǎn)生問題，因為按照現(xiàn)有技術(shù)中的相應誤差源、光檢測器和電子混合器的高頻放大器下游被完全去掉的了。
另外，除了可以用這樣的系統(tǒng)進行絕對方向測量以外，也可以用按照本發(fā)明的光混合元件進行移動物體的速度測量，因為至今，在光波被引入光波導之前，在分束器(beam splitter)中去除了一部分光波，并且光波被引向固定的物體，這時，固定物體反射的光被合適的光混合元件接收器捕獲，并且用已在許多場合中描述的方式(這里是按照Doppler頻移)進行估算。
根據(jù)一條線或矩陣圖象的附加深度信息的各個含義和意義，可以在CCD、CMOS或TFA(Thin Film on ASIC,ASIC上的薄膜)圖象傳感器中以合適的技術(shù)集成給定數(shù)量的光混合元件。
另外，在采用按照本發(fā)明的3D-線或矩陣照相機(camera)時，另外采用一個傳統(tǒng)的2D照相機可能是合適的，其中，向3D照相機進行頻譜分配和饋送有源調(diào)制照明元件以及其他的非調(diào)制照明元件最好用分束器來實現(xiàn)。
為了用光混合元件進行三維測量或勘測，在距離較長時來說調(diào)制光太弱，這時，可以采用至少兩個3D線或矩陣照相機的組合，其中，本發(fā)明的測量或勘測是根據(jù)通過時間原理在近區(qū)域內(nèi)以及根據(jù)三角測量原理本質(zhì)上在存有背景光時在遠區(qū)域中實現(xiàn)的。
這時，近距離的深度測量是如上所述實施的，本例中是采用至少兩個并列的照相機來實施的。
對于在遠距離中的深度測量，由PMD芯片中心點形成的照相機的光軸被對準要測量的區(qū)域中相交的公共點上，例如，沿水平或垂直方向以PMD芯片間距由合適的PMD芯片位移，其中，在相同的時間內(nèi)，照相機的光學系統(tǒng)也被設置成該距離。通過合適的前述調(diào)節(jié)，象素亮度值在最大的深度清晰度區(qū)域內(nèi)重合。
對于對該空間中物體的檢測和識別，如果象素幅度具有相應性，由粗略提供的直流調(diào)制電壓相加光混合元件的和圖象，在差圖象中與設置的距離相關(guān)并估算，而由設置為零的調(diào)制電壓在差圖象中去除非相應的象素幅度，則Uma=Umb=0。
這樣，通過角度掃描，在調(diào)制發(fā)射器光照范圍以外測量并勘測三維景物，通過PMD芯片合適的位移和各個攝像機的旋轉(zhuǎn)和/或整個裝置的樞軸運動得到必要的角度。
本文中只是部分詳細描述或者僅僅粗略地描述的本發(fā)明許許多多用途中的一部分，下面列舉了本發(fā)明其他一些可能的用途，但這些用途的進一步描述超出了本申請的范圍，同樣，下面的列表也是非窮盡的。
其他的用途也是很有意義的，下面列舉了領(lǐng)域-數(shù)字三維照相機，-數(shù)字三維攝像機，-危險區(qū)域監(jiān)視，
-安全工程和“智能大廈”，-摩托車中乘員檢測和識別，“智能氣袋”，-電子三維后視鏡，-道路交通狀況的識別，-自動車輛導航，-非相干光纖陀螺和多普勒速度測量，-自動運輸車輛的控制，-工業(yè)清潔機器人，-進入許可的個人識別、鑒別和檢查，-物體(例如車輛)的識別，-生產(chǎn)監(jiān)控、材料測試、100％質(zhì)量測試，-機器人手、堅固的、小型的、所有固態(tài)的電子“三維眼”，-車輛速度和所含距離測量、道路條件檢測、交通擁擠，-鐵路軌道空閑信號發(fā)送、接觸線監(jiān)控，-醫(yī)學工程、內(nèi)窺鏡檢查，-光纖自由空間或線路通信的CDMA工程，-如用于多媒體領(lǐng)域的互作用三維通信，以及-采用一行光混合元件對移動物體的三維測量。
因此，下面將強調(diào)本發(fā)明光混合元件的下述優(yōu)點(下文中用“PMD”表示“光混合器裝置(Photonic Mixer Device”)1．PMD組合在1/100-1/1000mm2很小空間內(nèi)的檢測、推拉混合和集成光-電相關(guān)。
2．2倍/4倍PMD分別代替2或4個昂貴的具有高動態(tài)和群(group)通過時間的寬帶放大器以及2或4個電子混合器。
3．消除了發(fā)射器和接收器之間的高水平的電子串話靈敏性。
4．具有約100,000個并行電-光調(diào)制器的高水平的可集成度。
5．全部可集成PMD-3D-照相機或攝像機，小型、輕便、堅固并且可由一光學變焦距系統(tǒng)靈活適配用于發(fā)射器和接收器。用于具有約20cm到50m距離、約5°到50°孔徑角對自然表面的測量容積(volume)。
6．在10Hz-1000Hz范圍內(nèi)極快的三維圖象記錄。靈敏度和S/N比與當代的CCD和CMOS照相機相應。
7．根據(jù)各測量時間、照光強度、用最佳參照衡量的所包含的光學系統(tǒng)和間距的不同，期望的深度分辨力約為0.5mm到50mm。
8．按照各象素尺寸的最大帶寬可達GHz范圍。
9．調(diào)制電壓在小于1伏的范圍內(nèi)。
10．無需相干光、偏振光或窄帶光，且頻譜范圍取決于光敏材料(例如InSb可達5.5μm)。
11．通過數(shù)據(jù)結(jié)合對三維深度圖象和二維灰度值圖象進行同時記錄可以對三維灰度值圖象(或三維彩色圖象)進行最佳估算。
12．通過在積分(integration)時間Ti內(nèi)依賴于時間的變化(variation)，讀出電路使動態(tài)范圍增加約8位(系數(shù)(factor)256)。
下面參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。
圖1中的a)是按照本發(fā)明采用CCD技術(shù)的光混合元件第一個實施例的象素截面圖，b)-f)是兩個互補調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)各個相位或時間的電位分布Us(t)，圖2是用包括一部分線間轉(zhuǎn)移讀取裝置的CCD技術(shù)的兩個線性排列象素的方框圖，圖3是在HF調(diào)制時入射光的強度分布和電壓Usep(t)、Ua(t)、Uam(t)、Ubm(t)和Ub(t)的電位圖，圖4是根據(jù)相對相位或發(fā)送時移ωopt=ωmτ在高頻調(diào)制時，以漂移到累加門的光生載流子電流ia=ib形式光混合元件的混合和相關(guān)結(jié)果的特征圖，圖5是PN調(diào)制圖，a)是調(diào)制信號，b)是雙象素(只有ia和ib)在第三和第四調(diào)制門TB的調(diào)制門cm和dm的調(diào)制信號中延遲情況下具有ic和id的四元象素的混合和相關(guān)結(jié)果特征圖，c)是相關(guān)于距離估算的差值Δiab+Δicd=ia-ib+(ic-id)以及Δiab-Δicd=ia-ib-(ic-id)，圖6描述的是a)在調(diào)制光門和累加門處按照具有調(diào)制光門G0以及電位分布的本發(fā)明采用光混合元件的CCD技術(shù)的第二個實施例的象素截面圖，b)是用于正調(diào)制電壓的時候，而c)是負調(diào)制電壓Um(t)的時候，圖7描述的是，a)是按照本發(fā)明的光混合元件第三個實施例的象素截面圖，b)-f)是與圖1類似各個相位的電位分布，
圖8是按照本發(fā)明具有四個調(diào)制光門和四個累加門的光混合元件第四個實施例稱為四倍象素的平面圖，圖9是按照本發(fā)明具有四個調(diào)制光門和四個累加門和一個中央對稱中間門G0的光混合元件第五個實施例象素的平面圖，圖10是本領(lǐng)域中用來確定光波的相位和幅度信息的已知裝置的示意圖，圖11是按照本發(fā)明用來確定高頻調(diào)制的光波的相位和幅度信息的裝置的示意圖，圖12是按照本發(fā)明用來確定例如PN調(diào)制或矩形波調(diào)制的光波的相位和幅度信息的裝置示意圖，圖13描述的是，a)是按照本發(fā)明采用CMOS技術(shù)具有電子象素讀出和預處理系統(tǒng)的光混合元件第六個實施例的象素的截面圖，b)和c)是類似于圖6用于調(diào)制光門電壓的兩個相位或極性的電位分布，圖14是按照本發(fā)明具有四個調(diào)制光門、四個調(diào)制門和交叉形狀結(jié)構(gòu)的中間門最好用于數(shù)字調(diào)制的光混合元件第六個實施例的象素的平面圖。
圖1a是采用CCD結(jié)構(gòu)例子光混合元件一個單獨象素1的截面圖。這時，除了象素1以外，光混合元件包括電源和信號輸出(take-off)操作所必須的結(jié)構(gòu)。較外部的門Gsep僅用作電確定該象素與相鄰結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
圖1所示的結(jié)構(gòu)是形成在p摻雜的硅襯底2上。所建議的混合或相乘(multiplication)操作將首先考慮用于純CW高頻調(diào)制。
與該截面圖相關(guān)，圖1b-f示意描述了混合過程各個相位的電位分布。中間調(diào)制光門Gam和Gbm代表光敏部分，并且是倒置(inversion)狀態(tài)。除了在例如導通的或透光或部分透光的上覆蓋物(upper cover)多晶硅上的正偏置電壓U0以外，上面還有疊加的推-拉電壓Um(t)。這就分別使得Uam(t)=U0(t)+Um(t)，以及Ubm(t)=U0(t)-Um(t)。
它們倍增地使得在貼近絕緣層3下方的空間電荷區(qū)(例如氧化硅或氮化硅)入射光光子所產(chǎn)生的少數(shù)載流子產(chǎn)生分離。在調(diào)制推-拉電壓的影響下，那些載流子(此例中是電子)漂移到貼近的正累加門Ga或Gb，并在那里集中，而多數(shù)載流子或空穴流到p-Si襯底的地端。也可以是背照光。
圖2描繪的是按照本發(fā)明的光混合元件兩個象素1的平面圖，它包括線間轉(zhuǎn)移讀裝置7的一部分，其形式是一個3相位CCD移位寄存器，其一端上是一個電子讀出系統(tǒng)，該電子讀出系統(tǒng)有一個用來對由相關(guān)獲得的電荷值進行串行(serial)處理的擴散匯合點(diffusion junction)。在線路例如第n個象素的所有累加門處電荷累加的預定時間T以后，Ga和Gb處的的電荷qa和qb通過各個轉(zhuǎn)移門TGa和TGb傳送到3相讀出移位寄存器。限定隔離門(delimiting separation gate)Gsep使相關(guān)象素不會受到不需要的外部影響，并且最好是處在地電位。
圖3描述的是與圖1相關(guān)的電壓結(jié)構(gòu)。調(diào)制光門Gam和Gbm是通過圖3中所示的調(diào)制光門電壓而工作，包括反向相位的高頻調(diào)制電壓Um(t)，其描述如下Uam=U0+Umcos(ωmt) (1a)以及Ubm=U0+Umcos(ωmt-180°)=U0-Umcos(ωmt) (1b)圖1b-f清楚地描繪了在高頻調(diào)制信號的持續(xù)時間Tm內(nèi)從t0到t8的時間序列中對問題中的象素代表象素1的空間范圍s以內(nèi)空間電荷區(qū)中的電位分布Us(s)。在累加門Ga和Gb處，在按照調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的極性，在光生載流子主要漂移到圖1中截面的象素1的左側(cè)或右側(cè)以后，相當高的正電壓提供用于光生載流子的累加。當光調(diào)制和調(diào)制光門電壓Uam(t)具有相同的頻率的時候，該運行具有特定的效果。于是，根據(jù)各個相位差φopt，有一個漂移到累加門Ga和Gb的載流子的平均優(yōu)先方向。相關(guān)平均電流用ia和ib表示。
基本的相關(guān)過程可以在數(shù)學上描述如下在最普通的2D(二維)陣列光混合元件情況下的接收平面內(nèi)，z=0，并且那里的入射調(diào)制光波通常描述為Popt(x,y,t-τ)。這里，通常是用那里推-拉調(diào)制信號作用的光生載流子來描述的，其形式通常是Um(x,y,t)，通過相對于兩個累加門的電荷差，近似相乘(multiplicatively)和積分聯(lián)系在一起。對于漂移到累加門的Ga和Gb，載流子漂移Δqab／T=Δiab=ia-ib的平均差(這里，T=積分時間)，在大多數(shù)場合，將依賴于地點的相應相關(guān)函數(shù)φUm,Popt(x,y,t)描述為三重卷積φUm,Popt(x,y,τ)=k1Uam(-x,-y,-τ)***Popt(x,y,τ)=k2Δiab(x,y,τ)(2)通過時間差τ=φopt/ωm，調(diào)制角頻率ωm和常數(shù)k1和k2是依賴于結(jié)構(gòu)并且按照操作原理是不重要的。
按照本發(fā)明的光混合元件通過光電子的快速分離電荷傳送及其推-拉存儲以及差和和估算，達到高水平的位置和時間分辨力。因此，通過在非穩(wěn)定光波情況下形成依賴于時間的平均漂移電流Δiab(t)=ia(t)-ib(t)的差，可以抑制所有麻煩的偏移分量，并且同時，形成關(guān)于具有調(diào)制電壓Um(t)的光信號Popt(t-τ)的所要求的相關(guān)函數(shù)。
下面更詳細地描述該過程。由Uam(t)和Ubm(t)產(chǎn)生的高頻漂移場提供分別漂移到正側(cè)的電子漂移。例如，在調(diào)制光門電壓的正半波，Uam(t)=U0+Um(t)，即，在Ubm(t)=U0-Um(t)的負半波期間，光生載流子將漂移到累加門Ga，并在那里累積，或傳送作為電荷量qa(見圖1b和c中兩個上面(upper)的調(diào)制光門電壓分布)。對于穩(wěn)定的、諧波(harmonically)調(diào)制光，圖3將每一象素的光功率表示為Popt(t-τ)=P0+Pmcos(ωt-φopt) (3)其中，P代表包括背景光的平均值，Pm代表調(diào)制幅度，ωm代表高頻調(diào)制頻率，φopt代表相位延遲，而τ=φopt/ωm代表關(guān)于在Gam處調(diào)制相位入射光的相應的通過時間延遲。每一象素總的光生電流為i(t)=Sλ·Popt(t-τ)=Sλ·[P0+Pm.cos(ωmt-φopt)] (4)i(t)=I0+Im.cos(ωmt-φopt)(5)其中，參數(shù)i(t)=ia(t)+ib(t),I0=按照P0的象素電流的平均值，Im=按照Pm的調(diào)制光電流的交變幅度，并且，Sλ=頻譜靈敏度。每一象素的全部光電流被分成兩個分量，具體說來是累積門Ga的電流ia(t)，和累積門Gb的電流ib(t)。因為那些值是在累積門Ga和Gb處采用CCD技術(shù)并且最好是以電子閱讀系統(tǒng)中按照象素的方式讀出的CMOS技術(shù)進行積分的，所以，下面僅考慮那些電流的平均值ia和ib就足夠了。對于角度φopt=0以及τ=0，按照電荷分離得到最大值。這種情況如圖3所示。
在理想化條件如合適調(diào)制幅度、可忽略的漂移通過時間的假設下，諧波調(diào)制提供100％調(diào)制深度，對于平均光電流i和i分別有Pm=P0ia__=Ia2+Imπcos(φopt)----------(6)]]>ib__=Ia2-Imπcos(φopt)--------(7)]]>圖4描繪的是這些理想化平均象素電流的結(jié)構(gòu)。它們代表從高頻調(diào)制接收光和調(diào)制光門Gam和Gbm處施加的高頻調(diào)制光門電壓產(chǎn)生的反相的相關(guān)函數(shù)。其和與平均象素光功率P0的I0對應。在時間T=N*Tm(即在高頻調(diào)制電壓的N個周期Tm)內(nèi)累積的總電荷量給出ia__(τ)·T=qaT(τ)=I02+const.∫aTPopt(t-τ)·Um(t)·at----(8)]]>其中，通過時間τ=φopt/ωm與相位延遲對應。下文中，qaT僅用qa表示。所有象素1的累積門Ga和Gb的電荷總量形成兩個定位的離散的高頻干涉圖(locationally discrete HF-interferogram)，即a干涉圖和相對于a干涉圖位移180°的b干涉圖，并通過差分，形成由通過時間決定的被尋找的差分(difference)高頻干涉圖，該差分干涉圖由等式(2)描述。
圖11是按照本發(fā)明的三維照相機的示意圖，它根據(jù)光混合元件陣列采用直接混合。與從本領(lǐng)域得知的如圖10所示的三維照相機概念相比，在圖11中，發(fā)射器4對光學無源三維物體的照光的調(diào)制是由激光二極管的電流的調(diào)制來實現(xiàn)的。這時，調(diào)制是由高頻發(fā)生器13產(chǎn)生的。對于更大的距離，最好采用共同調(diào)制電流并且為保護眼睛起見是不同波長的高功率激光二極管第一光學系統(tǒng)5在物體6的表面形成光波的圖象。物體6反射的光波通過第二光學系統(tǒng)7投射到光混合元件陣列8的表面上。
光混合元件陣列8也由高頻發(fā)生器13激勵，其中，激勵是針對相對于輻射光波的相位的不同相移由高頻發(fā)生器13實施的。光混合元件陣列8的信號最終是由估算單元9來估算的，如果沒有做在單片上(on-chip)的話。
根據(jù)按照本發(fā)明的測量裝置除了按照本發(fā)明的光混合元件陣列以外，對于所建議的三維照相機概念，無需高孔徑的的附加光學調(diào)制器，并且這提供了一種經(jīng)濟上優(yōu)越的結(jié)構(gòu)。
為了從產(chǎn)生的相關(guān)幅度確定象素相位φopt，正如前文中描述的那樣，如果有四個混合器信號的不同相位，則總共有四個不同的干涉圖?；旌掀餍盘柕乃膫€相位產(chǎn)生在這樣的情況中，即，調(diào)制光門電壓Uam和Ubm從0°/180°的相位關(guān)系切換到90°/270°或延遲通過90°的狀態(tài)。這給出兩個相關(guān)的與實分量或同相分量相關(guān)的虛分量或正交分量，從中可以按照下文中描述的等式(10)來計算正被尋找的象素相位。
同時，這種操作方式使得可以消除背景亮度和混合操作產(chǎn)生的麻煩的偏移電壓。
除了通過與光混合元件陣列平面中最好是相同頻率的調(diào)制電壓Um(x,y,t)的二維相關(guān)有關(guān)CW調(diào)制三維光波描述的測量操作以外，按照本發(fā)明的測量裝置可以有利地采用以脈沖形式出現(xiàn)的調(diào)制信號。
特別是，光的偽隨機噪聲調(diào)制對于含有三維光波的高精度通過時間測量的任務是有利的。圖12中示出了觀察或測量光學無源三維物體例子的實施例。與圖11中包含諧波調(diào)制的實施例類似，按照本發(fā)明的這種具有合適的照光裝置(lighting device)，該裝置用強度經(jīng)PN(偽隨機噪聲)調(diào)制的光照射三維物體6，并且反射光和接收光經(jīng)過最好用發(fā)生器13產(chǎn)生的相應PN調(diào)制信號的相關(guān)過程。
由于相對于具有增加詞長度Tw=TB(2N-1)那種PN信號的相關(guān)性與半寬度等于位寬度TB的三角針形脈沖相類似，所以對于整個光束或整個照射的空間的清楚和完整的測量，調(diào)制光門處相同信號形狀的光調(diào)制PN信號和調(diào)制PN推-拉電壓Um(t)之間的相對延遲TD必須至少以連續(xù)或以TB為步長分步地通過的最大回波通過時間的整個延遲范圍一次。這一目的是由延遲構(gòu)件11來實現(xiàn)的，延遲構(gòu)件可以由控制和估算單元9對延遲TD進行調(diào)節(jié)。
圖5a描繪的是關(guān)于矩形15位PN序列例子的調(diào)制信號Um(t)。光混合元件的相關(guān)結(jié)果是圖5b中所示關(guān)于相對延遲τ的平均漂移電流ia和ib。
在下文中描述的四元象素中，如圖8、9和14所示，施加到調(diào)制光門Gcm和Gdm并且疊加在偏置電壓Uo上的推-拉調(diào)制光門電壓最好相對于施加到調(diào)制光門Ga和Gb上的推-拉調(diào)制光門電壓延遲TB，這就是說，Ucm(t)=Uo+Um(t-TB),Udm(t)=Uo-Um(t-TB)，從而導致很好的幅度和通過時間測量。
除了相對于調(diào)制電壓的可預定延遲TD以外，發(fā)射器4輻射的光強度const.*Popt(t)含有相同的PN信號結(jié)構(gòu)。反射在回波通過時間以后到達光混合元件。在如圖5b所示平均象素電流ia和ib中的雙象素的情況下，以及在平均象素電流ic和id中附加的所述TB時移的四元象素的情況下，在沒有背景亮度的理想情況下，按照各個相對通過時間，與推-拉調(diào)制電壓的相關(guān)性對TD=0產(chǎn)生延遲τ。該相關(guān)特征首先揭示，可以根據(jù)相同的半徑矢量來識別多次物體反射，例如對于識別多個半透明物體而這些物體可以是一個位于另一個的后面的情況，或者對于消除多個反射的情況。
另外，如圖5c所示，平均漂移電流差的和與差最好是在分別相應的電子象素讀出和信號預處理系統(tǒng)15中在雙象素同時在四元象素的情況下順序形成的。它們使得可以具有高靈敏度的測量，因為只有在TB到2TB寬的測量窗口內(nèi)才出現(xiàn)不等于零的信號值。和的估算使得可以根據(jù)最小幅度確定測量的關(guān)系。該差值給出在可用的TB寬的測量窗內(nèi)的急劇變化的線性結(jié)構(gòu)，使得可用用高的分辨力確定通過時間。下面的公式適用于理想化的情況τ=TD+TB2-[Δiab__-Δicd__Δiab__+Δicd__]*TB2----------(9)]]>根據(jù)建議的相關(guān)光檢測器陣列用于采用PN調(diào)制的三維物體的光學測量的相應測量裝置的方框圖的特征是如圖12所示結(jié)構(gòu)特別簡單。這時，除了發(fā)生器10和延遲元件11以外，包含如圖11所示相同的結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明，為了以相對的低水平的分辨力快速確定距離，還可以用時間T并且最好是相同的脈沖和持續(xù)時間間隔(space duration)TB進行簡單的發(fā)射器4的矩形調(diào)制。確認通過時間的操作是按照等式(9)來進行的。分辨力水平是隨持續(xù)時間T下降為1/2而增加的，其中，第一測量步驟后面首先是第二個步驟，含有相同的時間，但具有時移TD=T/4。
圖1中按照本發(fā)明的光混合元件的象素1的例子所描述的截面可用由推-拉調(diào)制電壓引起的電位梯度采用合適的結(jié)構(gòu)對其極限頻率實現(xiàn)最佳化。因此，圖6描繪的是中間門G0位于調(diào)制光門Gam和Gbm之間的實施例，中間門最好處在偏置電壓U0下，并且與調(diào)制光門Gam和Gbm一起形成三個電位級。所要求的是電位梯度，該電位梯度要求盡可能均勻，并且調(diào)制漂移場盡可能為恒定，并且這是通過增加級數(shù)從2到3或更多來實現(xiàn)的的。在光敏空間電荷區(qū)內(nèi)，不管與絕緣層3的間隔怎樣，級的清晰性(definition)或判斷(pronouncement)程度(degree)降低。這一效果用在按照本發(fā)明的進一步的實施例中，尤其是采用已知的“掩埋溝道(buriedchannel)”，這是一種弱摻雜的n溝道，與絕緣層約幾個μm的距離，并且在調(diào)制光門處的p型襯底中變化稍深。該結(jié)構(gòu)還包括一個用于累積門Ga和Gb的陰影部分12，從而它們不會被光波照射和產(chǎn)生其他的載流子。
圖7描繪的是光混合元件的特定結(jié)構(gòu)和連接，其中，與圖1中的相比，兩個調(diào)制光門分別僅由一個公共的累積門Gs,n隔開，從而實現(xiàn)更高程度的填充動作(filling action)。這一結(jié)構(gòu)也有一個用于累積門Ga和Gb的陰影部分。這時，推-拉調(diào)制電壓的極性或Gam,n和Gbm,n的序列隨象素的不同而變化。同時，門的三倍周期也適合于通過三相移位寄存器的操作的直接讀出。在某些應用場合的能被容忍的某些缺點在于分別靠近象素的電荷分布，這就導致明顯的象素尺寸增加，以及沿所考慮的方向更低的位置分辨率。
相互關(guān)系和影響的計算顯示，與100％的可用電荷相比，在對電荷差進行了估算以后，所考慮的中央象素僅需要50％，而兩個相鄰象素中每一個需要25％。
為了描繪電荷分布，圖7與圖1相似，給出了CW調(diào)制的電位分布的各個相位。
圖8給出的是光混合元件象素設計更優(yōu)越的實施例，這時，CW調(diào)制不需要在I狀態(tài)和Q狀態(tài)之間進行任何IQ(同相-正交相位)轉(zhuǎn)換。建議采用有調(diào)制光門Gam、Gbm、Gcm和Gdm以及相關(guān)累積門Ga、Gb、Gc和Gd的四元象素，而不是上述雙象素，使得同時對于四個相位位置相關(guān)，這是因為推-拉調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)、Ucm(t)和Udm(t)分別相互移位，特別是在通過90°的高頻調(diào)制的情況下。
所以，在相對于φ=0°的調(diào)制光門Gam和φ=180°的調(diào)制光門Gbm的正交結(jié)構(gòu)中，還有兩個對稱集成在象素中并且基于相同的原理工作的φ=90°的調(diào)制光門和φ=270°的調(diào)制光門，這就在相關(guān)累積門Ga、Gb、Gc和Gd或在相關(guān)的電子讀出系統(tǒng)中用電荷qa、qb、qc和qd進行四相電荷累積，其中，通過簡單的算術(shù)計算，可用直接計算相關(guān)相位φopt如下φopt=arctanqc-qdqa-qb-------(10)]]>為了簡單確定單個象素的灰度值，將象素的所有累積門的各個電荷相加q象素=qa+qb+qc+qd。要求各四個象素的讀出過程是采用象素設計用按照象素的集成信號預處理的CMOS技術(shù)來實施的。
圖9與圖8一樣，示出光混合元件的四元象素，但通過最好電位為Uo的中央的方形中間門Go，具有平滑如圖6所示的電位梯度。
圖14與圖9一樣，給出具有對數(shù)字調(diào)制信號最佳的結(jié)構(gòu)的光混合元件的四元象素。中間門G排列在最好呈正方形的調(diào)制門之間，以類似于圖9所示的方式，用作使調(diào)制光門電壓產(chǎn)生的電位梯度光滑。
最后，圖13描繪的是象素1的進一步的較佳實施例，與上述討論的實施例相反，它采用的不是CCD技術(shù)，而是具有按象素讀出和信號預處理系統(tǒng)15的CMOS技術(shù)。這時，關(guān)于電荷擺動的載流子依賴于調(diào)制電壓的漂移的運行模式與上面討論的實施例是相同的。圖13所示實施例中唯一的差異是已經(jīng)漂移到累積門Ga和Gb的電荷qa和qb的進一步處理的方式。
本實施例中，累積門G和G呈塊狀pn二極管的形式。正向偏置的累積門Ga和Gb是由圖13中最好為弱摻雜的p-Si襯底3上的n+摻雜的電極形成。采用“浮動擴散(floating diffusion)”的操作模式或高阻抗電壓讀出模式，與采用CCD技術(shù)的情況一樣，電荷qa和qb集中在累積門Ga和Gb的電容上，并以電壓值的形式以高阻抗模式讀出。
還可以采用電流讀出模式，其中，光生載流子不是集中在電位井(potential well)中，而是由合適的電流讀出電路通過輸出擴散連續(xù)傳送，而電流讀出電路分別與累積門Ga和Gb相連。于是，電荷就例如集中在各個外部電容上了。
采用通過放大器反饋使累積門電壓基本保持常數(shù)的電流讀出模式的讀出電流能夠確保在象素強烈輻射時，累積電荷qa和qb的量不會對電位井產(chǎn)生反作用或過流。從而光混合元件的動態(tài)特性顯著提高。同樣，在調(diào)制門的絕緣層處，含有弱摻雜n溝道(掩埋層)的上述技術(shù)得到提高，在本質(zhì)上提高了極限頻率。
采用CMOS技術(shù)構(gòu)筑光混合元件進一步采用有源象素設計(APS)，使得在每一象素處，可以將讀出和信號預處理電路集中在光混合元件內(nèi)。這使得在信號被傳送到外部電路之前在象素處直接對電信號進行預處理。尤其是可以以這樣的方式直接在芯片上計算相位和幅度信息，從而可以進一步提高測量速率。
本發(fā)明的進一步的結(jié)構(gòu)采用最好是二維的光混合元件陣列，用來根據(jù)各種標準(如物體的形狀、位置、顏色、偏振(polarization)、速度矢量、亮度或物體特性的組合)進行三維電子目標搜尋和無源(passively)或有源(actively)照亮目標的跟蹤過程。例如，在一開始是未知的入射光波的三維測量中各調(diào)制信號(例如頻率或編碼變換)的傳送中，由差值(difference)漂移電流標準得知局部(local)相關(guān)不等于零，于是，在出現(xiàn)變化時，通過尤其也包括圖象深度的調(diào)節(jié)環(huán)路，可以連續(xù)測量物體范圍(特別是所述物體特性)，并進行跟蹤。
可以以將在下文中描述的各種操作模式應用光混合元件。
這樣，由于累積門Ga和Gb處的和電荷總是與入射光波的總強度對應，感興趣較少，qa+qb=const.*Popt,ges*T，其中，T=積分時間。
差電荷Δqab=qa-qb=ia·T-ib·T依賴于多種因素，并且可以以多種方式用來測量入射光波。為此，考慮基本亮度，它總是有P0＞=Pm(見圖3a)。
例如，在光學上，當對用調(diào)制光由發(fā)射器4照射的物體6進行測量時，發(fā)射器電源被關(guān)斷或開啟，因此Pm為有限大或等于零。同時，在光學上，調(diào)制電壓Um(t)或者為零，或者轉(zhuǎn)變成發(fā)射器中使用并包含在入射光中的結(jié)構(gòu)，或者轉(zhuǎn)換成在積分時間內(nèi)為常數(shù)的電壓Um0。
因此，當P≠0時，給出四種重要的運行模式1．)對于Pm=0和Um=0,Δqab=0。
2．)在有限的(finite)Pm以及Um(t)作為高頻調(diào)制信號的情況下，Δqab=0。
3．)在有限Pm和高頻調(diào)制電壓的情況下，Δqab是Um、相對發(fā)送時移τ和以這種方式調(diào)制的入射光功率分量Pm(t)的函數(shù)。
4．)如果在積分時間T內(nèi)，有一個入射平均光強P0和恒定的調(diào)制電壓Um0,則差電荷Δqab是Um0和平均光功率P0的函數(shù)。
在光波未經(jīng)強度調(diào)制的情況下，本發(fā)明的進一步的結(jié)構(gòu)使得可以按照可能的操作方式的第四種情況，例如二維圖象處理來使用光混合元件。
這時，每一混合元件可以指定啟動并且是相互獨立的，例如，最好通過RA元件的Um0的各個可快速重寫調(diào)制電壓詞按象素的相關(guān)。最好估算是僅對于近似正比于Um0的差電荷T*Δiab和差漂移電流Δiab來實施。這樣，調(diào)制電壓Um0是從調(diào)制電壓詞分別導到的。
這意味著Um(t)不再是在前面的使用但非周期的例子中按周期設置的，或者是準周期設置的，例如按照預定圖象內(nèi)容或按照測量的圖象內(nèi)容。對于Um(t)=0，所有的差電流為零，從而相關(guān)的差圖象D(x,y)也因幅度或強度而為零。
因此，差圖象亮度可以受U(x,y,t)的影響。這樣，按照本發(fā)明，任何光波或圖象(這就是說甚至是未調(diào)制的光波或圖象)都可以通過可極快設置的加權(quán)函數(shù)G(x,y,t)=k1*Um(x,y,t)進行通用的圖象處理，例如，通過上述可控、與象素相關(guān)的存儲單元，例如，上述用于目標搜尋和跟蹤，但這時沒有深度信息。
權(quán)利要求
1．一種確定電磁波的相位和/或幅度信息的方法，其特征在于，-其中，將所述電磁波輻射到至少具有一個象素的光混合元件的表面上，其，所述象素至少有兩個光敏調(diào)制光門Gam和Gbm和相關(guān)的累積門Ga和Gb，-其中，將以Uam(t)=Uo+Um(t)和Ubm(t)=Uo-Um(t)的形式的調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)施加到調(diào)制光門Gam和Gbm上，-其中，施加到累積門Ga和Gb上的是直流電壓，所述直流電壓的幅度至少是Uo與調(diào)制電壓Um(t)的和的幅度一樣大，-其中，由入射電磁波在調(diào)制光門的空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的載流子按照調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的極性受漂移場電位梯度的影響，并漂移到相應的累積門Ga和Gb，并且，-其中，取出已經(jīng)漂移到各個累積門Ga和Gb的電荷qa和qb。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，-其中，由發(fā)射器輻射經(jīng)強度調(diào)制的電磁波，-其中，將物體反射的電磁波輻射到光混合元件的表面上，-其中，調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)與發(fā)射器輻射的電磁波的相位有固定的相位關(guān)系，并且，-其中，產(chǎn)生的載流子另外還受到依賴于推-拉調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的相位的漂移場的電位梯度的影響。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，-其中，相對于對于發(fā)射器輻射的電磁波的相位的調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)的兩個不同的相移Δφ1和Δφ2，取得電荷qa1和qb1以及qa2和qb2，并形成電荷差(qa1-qb1)和(qa2-qb2)，并且，其中，按照等式φopt=qa2-qb2qa1-qbq]]>入射電磁波的象素相位φopt是相對于發(fā)射器輻射的電磁波的相位確定的，因此就確定了象素接收的電磁波的通過時間。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，-其中，通過四個調(diào)制光門Gam、Gbm、Gcm和Gdm以及四個相關(guān)累積門Ga、Gb、Gc和Gd，對于調(diào)制光門電壓Uam(t)=Uo+Um1(t)和Ubm(t)=Uo-Um1(t)以及Ucm(t)=U1+Um2(t)和Udm(t)=U1-Um2(t)的兩個不同的相移Δφ1和Δφ2，相對于發(fā)射器輻射的電磁波的相位，同時分離并取得電荷qa、qb、qc和qd，，并且，-按照等式φopt=qc-qdqa-qb]]>從而確定了發(fā)射器輻射的電磁波的象素相位φopt，和象素接收的電磁波的通過時間。
5．如前述任何一個權(quán)利要求中所述的方法，其特征在于，-其中，光混合元件具有多個象素，-其中，至少一個象素是直接用一部分來自發(fā)射器的強度調(diào)制電磁波輻照的，并且，-其中，所述輻照的電磁波與調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)之間的相移校正是根據(jù)所述象素測得的相移來實現(xiàn)的。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，-其中，以獨立受激的、未知的強度調(diào)制的電磁波輻射光混合元件的表面，-其中，由可調(diào)諧的調(diào)制發(fā)生器產(chǎn)生所述調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)，-其中，所述產(chǎn)生的電荷載流子根據(jù)所述推-拉電壓Uam(t)和Ubm(t)附加地受到漂移電場的電位梯度的影響，并且，-其中，光混合元件和調(diào)制發(fā)生器形成至少一個鎖相環(huán)路，并且，所述電磁波是按照所述鎖定(lock-in)方法測量的。
7．如權(quán)利要求1至6中任何一個權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將一種連續(xù)或斷續(xù)的高頻調(diào)制、偽隨機調(diào)制或啁啾(chirp)調(diào)制用作周期調(diào)制。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述調(diào)制是高頻調(diào)制，并且最好對于相移Δφ=0°/180°和90°/270°得到電荷qa和qb以及qc和qd。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，穩(wěn)態(tài)(steady state))調(diào)制是用具有可設置調(diào)制直流電壓Um0的調(diào)制光門電壓Uam=Uo+Um0和Ubm=U0-Um0進行的，并且所述可設置調(diào)制直流電壓Um0相對于時間是恒定的，并且對從電荷qa和qb的差得到的差圖象加權(quán)。
10．如權(quán)利要求1至9中任何一個中所述的方法，其特征在于，對所述累積門Ga和Gb處的電荷qa和qb進行積分，并用一種多路復用(multiplex)結(jié)構(gòu)且最好是一種CCD結(jié)構(gòu)讀出。
11．如權(quán)利要求1至9中任何一個所述的方法，其特征在于，累積門Ga和Gb呈pn二極管形式，最好是阻塞(blocked)低電容pn二極管，并且最好采用CMOS技術(shù)，并且電荷qa和qb并且可能qc和qd被直接讀作電壓或電流。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，通過有源象素傳感器結(jié)構(gòu)(APS)直接確認象素相位或象素通過時間和象素亮度，并通過一單片(on-chip)多路復用結(jié)構(gòu)有選擇地和/或順序讀出。
13．如權(quán)利要求1至12所述的方法，其特征在于，分別估算象素亮度作為相關(guān)累積門的電荷之和，作為灰度值圖象。
14．如權(quán)利要求1至13所述的方法，其特征在于，在背照光或外部、非調(diào)制附加照光的情況下，灰度值圖象的差一方面當接通調(diào)制光時而另一方面當關(guān)斷調(diào)制光時用作校正參數(shù)。
15．如權(quán)利要求1至14所述的方法，其特征在于，多個分離的混合元件用在線性、面或空間陣列中。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，至少一個象素是直接用一部分用作照光的強度調(diào)制的電磁波輻照的，并且在所述至少一個象素處的測量用作其他相位和亮度結(jié)果的校正，其中，最好一個或多個參考象素是根據(jù)具有不同強度級或強度級可以不同設置的發(fā)射器來動作的。
17．一種光混合元件，其特征在于，-它具有至少一個象素(1)，-它具有至少兩個光敏調(diào)制光門(Gam,Gbm)，以及-與調(diào)制光門(Gam,Gbm)相關(guān)并且相對于入射電磁波遮蔽(shaded)的調(diào)制門(Ga,Gb)。
18．如權(quán)利要求17所述的混合元件，其特征在于，中間門(G0)排列在調(diào)制光門(Gam,Gbm)之間。
19．如權(quán)利要求17或18所述的混合元件，其特征在于，所述象素(1)具有四個并且最好是對稱排列的調(diào)制光門(Gam,Gbm,Gcm,Gdm)和累積門(Ga,Gb,Gc,Gd)。
20．如權(quán)利要求17到19中任何一個所述的混合元件，其特征在于，所述累積門(Ga,Gb也可能是Gc,Gd)呈pn二極管的形式，最好是阻塞低電容pn二極管并且最好采用CMOS技術(shù)，并且電荷qa、qb并且可能qc、qd可以直接讀作電壓或電流。
21．如權(quán)利要求17至20所述的混合元件，其特征在于為了提高最大調(diào)制速度，象素是用GaAs技術(shù)、最好是用“掩埋溝道”型(例如掩埋n-溝道)并且是用集中漂移場來產(chǎn)生的。
22．如權(quán)利要求17至21所述的混合元件，其特征在于，所述象素(1)呈有源象素傳感器結(jié)構(gòu)形式，所述結(jié)構(gòu)是用局部(partially)象素相關(guān)信號處理或局部行(line)或可能是矩陣相關(guān)的信號處理形成的。
23．如權(quán)利要求17至22所述的混合元件，其特征在于，所述遮蔽(shaded)還延伸到所述調(diào)制光門的邊緣區(qū)域。
24．一種具有按照權(quán)利要求17至23中任何一個的至少兩個光混合元件的混合元件排列，其特征在于，所述光混合元件排列成一維、二維或三維。
25．如權(quán)利要求24所述的混合元件排列結(jié)構(gòu)，其特征在于，分別與兩個相鄰排列、不同象素(n,n+1)相關(guān)的調(diào)制光門(Gam,n,Gam,n+1)和(Gbm,n,Gbm,n+1)分別具有共同的累積門(Gs)并且所述調(diào)制光門(Gam,n,Gam,n+1)和(Gbm,n,Gbm,n+1)分別是用相同的調(diào)制光門電壓Uam(t)和Ubm(t)而動作的。
26．如權(quán)利要求24或25所述的混合元件排列結(jié)構(gòu)，其特征在于，提供的裝置用于至少一個象素(1)的直接輻射，作為參考象素，從而所述發(fā)射器輻射的一部分強度調(diào)制的電磁波被引向討論中的一個象素或多個象素。
27．如權(quán)利要求26所述的混合元件排列結(jié)構(gòu)，其特征在于，用于直接輻照的裝置的配備用于直接輻射強度的空間和/或時間的變化。
28．如權(quán)利要求24至27中任何一個所述的一維或多維混合元件排列結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述象素(1)是用MOS技術(shù)在硅襯底(2)上實施并且可以用多路復用結(jié)構(gòu)最好是CCD結(jié)構(gòu)來讀出。
29．如權(quán)利要求24至28中任何一個所述的混合元件排列結(jié)構(gòu)，其特征在于，它具有一種微透鏡光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)基本上為用作圖象記錄的每一混合元件產(chǎn)生其自身微透鏡的記錄，通過所述微透鏡，將所述入射光聚焦到所述混合元件的中央?yún)^(qū)域上而因此可以減小尺寸。
30．一種確定電磁波的相位信息的裝置，其特征在于，-它具有按照權(quán)利要求17至23的任何一個裝置的至少一個光混合元件，-具有調(diào)制發(fā)生器(10,13)，以及-具有一個發(fā)射器(4)，其輻射電磁波是以預定方式由所述調(diào)制發(fā)生器(10,13)進行強度調(diào)制的，-其中，由物體(6)反射的電磁波被輻射到所述光混合元件的表面上，并且，-其中，所述調(diào)制發(fā)生器(10,13)向所述光混合元件提供與來自所述發(fā)射器的輻射電磁波的相位成預定相位關(guān)系的調(diào)制電壓Um(t)。
31．如前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，它具有按照權(quán)利要求24至29中任何一個所述的光學系統(tǒng)(7)和混合元件結(jié)構(gòu)，其中，所述光學系統(tǒng)(7)在所述混合元件或所述混合元件排列結(jié)構(gòu)的表面上形成反射電磁波的圖象。
32．如權(quán)利要求30或31所述的裝置，其特征在于，它具有與相關(guān)光學接收系統(tǒng)、差信號、和信號和相關(guān)參考信號的電子估算和信號處理系統(tǒng)相關(guān)的混合元件排列結(jié)構(gòu)，所述混合元件排列結(jié)構(gòu)具有灰度值圖象和通過時間或距離圖象的數(shù)字存儲器、用調(diào)制電磁波照射三維景物的發(fā)射器，和按照光學接收系統(tǒng)的可調(diào)光學發(fā)射系統(tǒng)，形成以小型裝置形式的數(shù)字三維攝像機。
33．如權(quán)利要求30或31所述的裝置，其特征在于，為了形成數(shù)字三維攝像機，它具有混合元件排列結(jié)構(gòu)，所述排列結(jié)構(gòu)具有相關(guān)的光學接收系統(tǒng)、用于差信號、和信號和相關(guān)的參考信號的電子估算和信號處理系統(tǒng)，具有用于灰度值圖象和通過時間或距離圖象的數(shù)字存儲器、用調(diào)制電磁波照射三維景物的發(fā)射器，以及按照所述光學接收系統(tǒng)的可調(diào)光學發(fā)射系統(tǒng)，其中，它還具有數(shù)字圖象序列的存儲的存儲裝置。
34．如權(quán)利要求32或33所述的裝置，其特征在于，所述發(fā)射器具有位于各個頻譜范圍中發(fā)射光波用來產(chǎn)生彩色圖象或彩色圖象成份(component)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種確定電磁波的相位和/或幅度數(shù)據(jù)的方法和相應的裝置。為了使得采用這樣一種方法獲得的圖象數(shù)據(jù)具有空間深度分辨率,按照本發(fā)明的方法包含下述步驟:使電磁波成束在至少包含一個象素的光混合元件的表面上,該象素至少具有兩個光敏調(diào)制光門G
文檔編號H04N3/15GK1233323SQ97198749
公開日1999年10月27日 申請日期1997年9月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月5日
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