CN1301401A - 检测电磁波相位及幅度的装置和方法 - Google Patents

检测电磁波相位及幅度的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及检测电磁波相位和幅度的装置。该装置至少由对电磁波敏感的两调制光闸(1,2)构成。该装置也包含累积闸(4,5)将它们分配至所述调制光闸,且是并不光敏的。该装置还具有供调制光闸(1,2)和累积闸(4,5)用的电气连接,从而使后者能连至读出装置,而使前者能连至调制装置。所述调制装置增加或减少调制光闸(1,2)的电位,该电位与另一调制光闸相关,也与相应于所需调制函数的累积闸(4,5)之宁可恒定的电位相关。本发明提供使多个调制光闸(1,2)和累积闸(4,5)配之以形状狭而长的平行条状带,后者形成一PMD象素组合。

Description

检测电磁波相位及幅度的装置和方法
本发明涉及检测电磁波(确切地说，最好是在光学及近红外和紫外范围内)的装置和方法，其构成为：至少两个对电磁波敏感(或光敏)的调制光闸(photogate)和同调制光闸相关但非光敏或遮蔽的累积闸(accumulationgate)，以及用以调制光闸和累积闸的电气连接，从而使后者能与读出装置相连，而使前者能与调制装置相连，其中调制装置增加或减少调制光闸的电位，其中所述调制光闸互相关，且与相应于所需调制函数的累积闸的较佳恒定电位有关。
这样一种装置得到于德国专利申请号19635935.2和19704496.4以及基于以上两相关申请的国际专利申请PCT/DE97/01956中的术语“光混频检测器”(缩写为PMD)。
上述申请是同一发明者，并由本申请的申请人申请，而就那里所述而言，对那些完全公开的前述申请所作的参考乃为操作的基本操作模式、性能以及光混频检测的可能用途。因此，本发明并不讨论光混频检测器的那些基本功能，而是主要涉及具体的配置和光混频检测器的用途，并通过它们使早已熟知的那些元件最佳化。
借助于当接收到经由物体调制、反射或发射的光时就由同一调制函数调制的调制光闸执行的固有混合步序，该熟知的PMD能够直接检测由物体反射的电磁波的渡越时间，且除了如同常规摄影照相机中借助于合适光学系统加以确供的横向位置分辨率外还同时获得有关所记录象素的空间信息项。因此，那些PMD允许直接三维观察和表面测量而无需在不同角度下昂贵的评价步序和记录步序。
为在已知PMD情况下达到足够的灵敏度和深度分辨率，象素表面必须足够大，从而在单个象素的记录期间，接收到来自物体不同表面区的足够的电磁辐射，并在光敏材料中产生适当数量的电荷载流子，因最终经由在调制光闸处的不同时刻发生的不同数目的电荷载流子获得空间信息且经由紧紧相连地累积闸加以累积。
关于单个象素面积，那需要一个最小的尺寸。对于常规PMD也可由于以下事实的产生问题，即在图象中产生非常明显的物体之明一暗边界。如果这样一种明暗边界偶然落在邻近调制光闸之间的边界区，则在相邻累积闸上不同数量的电荷载流子会伪造一种相关结果，它导致对深度信息的错误解释。
此外，那种具有相对大面积的光敏象素元件(pixel element)中的渡越时间比较长以致于调频的带宽或极限值通常只有几MHz至最大100MHz的范围内。至少1GHz的带宽特别对于，例如，光电子技术以及光信号传输中相应的光敏检测器应用而言是所需的。
此外，PMD-象素和PMD-阵列的更高级功能性以及对它们的灵活运用在不同用途中(特别是出于经济上的原因)是十分理想的，例如，在以相同象素执行不同操作模式的情况下。
在考虑在上述原因，本发明的目的在于提供一种用以检测电磁波相位和幅度的装置(具有本发明开头部分所提出的特点)，它具有明显改进的带宽，而且其中较少可能发生图象表面上明暗边界的误解(misinterpretation)，或者甚至被杜绝掉，借助它能够在实际应用中获得更高级功能性和经济性。
获取该目的在于：以相互并列关系(mutually juxtaposed relationship)的狭长平行条形式提供调制光闸以及累积闸，它们群体样地(group-wise)形成PMD-象素，且其中累积闸以读出二极管形式出现。
调制光闸和累积闸以狭长的条状带状形式出现和其布置呈平行而直接地相互并列的关系这一事实导致诸闸的沟道(channel)长度十分短(调制闸条状带的宽度在MOS晶体管技术中被称为闸长)。在调制光闸中或下面产生的自由载流子仅仅是相对于条状带方向横向地漂移闸长的短距离至邻近的累积闸，其中提到的那个漂移由调制光闸上调制电压部分中合适的电场加以支持。结果使漂移时间落入例如，1ns以下，因而使之有可能达到1GHz可用的调制带宽。即使调制光闸以及累积闸的各条状带相对较狭，但依靠其对应的长度，它们可以提供一足够大的光敏面积，同时还将明白，可将多个交替布置的条状调制光闸和累积闸连在一起以形成一具有几乎两倍光学填满因子(optical filling factor)的单元。在那种方式下实际上任何象素形状和象素尺寸均可由该类条状带的结构得以体现，而无效对调制带宽进行限制。
本发明的较佳实施例提供，各调制光闸具有比相应邻近累积闸大一点的宽度，而与此同时，调制光闸的宽度还应(如可能)小于由那些元件所检测调制光用成象光学系统的衍射极限，并且较佳的是，应具有该光或该电磁波的波长或几个波长的数量级。这意味着借助于衍射效应，明显的明暗边界可以不再意外地落入以推挽关系加以调制的两相邻调制光闸之间的区域。相反，在横向上的调制光闸小尺寸则提供：必须让阴影或明-暗边界在那些闸的整个宽度上扩展开来，从而使两相邻闸仍由光相等地加以激活。此外，对于十分长且相应地十分短的调制光闸，在任何情况下使明暗边界精确地平行延伸至那些条状带的方向是高度不可能的。然而，对于相对于条状带的最最轻微的倾斜，两个以推挽关系加以调制的相邻调制光闸则无论如何均以来自相应物体(共象被产生)的光照部分和黑暗部分基本上相等地加以激活。
调制光闸以及同样累积闸的条状带长度如可能应至少10倍至100倍于其宽度。由多个调制光闸和累积闸所形成象素的宽度应整体上大约具有如其长度一样的同一数量级，这意味着大约10-100个待布置的条状带彼此呈相互并列的关系，其中大约1/3是累积闸，和大约2/3是调制光闸。然而，在本发明的另一实施例中也可能以相应的条状带形式布置三个或甚至更多个调制光闸以改进每两个累积闸之间的电位配置，在该情况下应使中央的调制光闸不受调制。此外，在本发明的一较佳实施例中，在象素内相对于条状带的横向上进行观察时，经常存储以累积闸条状带交替的两调制光闸条状带，其中该两紧挨着的相互并列的调制光闸如此加以相连，从而其电位可彼此各自以推挽关系加以调制，其中的累积闸则每一个具有最好是恒定而又较低的能量电位，也就是说，例如对于光电子的正电位，它提供：在两调制光闸下产生的电荷载流子主要漂移至假定为低能量电位值的那个调制光闸一侧，并从那里进入布置在该两条状带之那一侧的累积闸。在该情况下布置在累积闸相应侧上的两调制光闸条状带以推挽关系加以调制，那就是说在给定的时间瞬间，累积闸同时从相邻的两个调制充闸条状带上接收电荷载流子，而邻近两调制光闸条状带之相应的邻近累积闸在该时刻正如精确地处于较高的电位，从而只有十分少荷载流子进入该累积闸。相应地将每个第二相关的累积闸也与同一读出线相连，而把其余累积闸与另一读出线相连，其中那两条线的和信号再现出所接收光的幅度，而其差信号则直接接确定相关信号的值，后者由所接收光的调制产生出来，并同时以推挽关系与紧邻的调制光闸的同一调制函数相调制。当采用第三调制光闸时，那会样也以完全类似的方式发生，所述第三调制光闸将额外的被置于两个上述调制光闸之间，并可使其平均电位配置在恒定值，而对两个邻近的光闸，则可使之相对于中央闸以推挽关系随调制电压而增加或减少。那样也可使电位配置略为平滑些，而有关电荷载流子的单侧置换之效率水平则可按照调制电压的相应电流值使之增加。
按照本发明，累积闸以读出二极管形式出现。
在可能的电压读出模式下把按照推挽调制电压加以分布的光电荷储在累积闸的电容上--这里即在以组件方式(例如pn-二极管或有基二极管(Cshottkydiode))加以相连的读出二极管的势垒层电容--，并以高欧姆读出装置加以确定。
在此处较为可取的电流读出模式下，则将到来的光电荷直接传输至实际上带有单侧读出电极电位的读出电路。
正如为本发明所用当今流行的半导体材料情况那样，电子迁移率大于空穴或有缺陷电子的迁移率，宁可使光电子经由调制光闸直接加以调制，并按照调制电压分布在累积闸或读出二极管上。这样，宁可使读出二极管的阳极处于公共的地电位，而其阴极则处于正电位，并分别以读出电极K+和K-连至读出电路。
以上讨论的两种K+和K-累积闸彼此相互交替在一组累积闸和调制光闸内，它们按照本发明平行操作，并按本发明以这样一种方式形成一新的最高带宽的PMD象素，例如，从而正调制充闸电压导致K+累积闸上光电荷富集，或使K-累积闸上光电荷耗尽，其中借助于双侧电荷积聚而加倍使用累积闸，并且几乎使得填满象素内部的光学程度加倍而寄化电容明显减小。
在本发明的较佳实施例中将两各自含有多个调制光闸和累积闸的平行条状带之象素布置成直接的并列关系，在这里被称作为2-正交象素。对此值得指出的是，在横向方向上诸象素分别由该方向上连接有最后累积闸条状带的单个调制光闸加以终结，而并非如在诸累积闸之间的情况那样成对终结。如将两个这样的象素以彼此直接并列的关系加以布置，则那两个终结条状带(它们每一个形成相应的两象素之一各自的调制光闸)变为处在彼此相互并列的关系，而今两各自彼此分开的象素可以如此方式进行调制，俾此两彼此相互并列的调制光闸以相对于彼此各自的推挽关系加以调制，后者在同一调制电压和相位下有效地相当于具有加倍的象素面积，而供单一的较大象素得以从两个象素加以形成。然而由于在这种配置中那两半个较大象素基本上可彼此各自独立加以调制，故而调制函数也可以等同地以有关一个象素的相关相位或渡越时间通过相对于另一象素转90°或一合适的延时下，很好地加以替代。那样就意味着，同相和正交信号在同一时间进行测量，从而在那种方式下以平行和同时的关系获得关于相关函数相位位置的全部信息。
将累积闸诸连线或端子按需分别配备在象素之一的终端。较佳的是，从象素表面的两端或条状带两端，以推挽条状带线形式配备调制光闸连线或端子，更确切地说，尤其对条状带特别长的情况，则除此之外，还借助在每种情况下如并联系统那样，并以等间距横向地延伸推挽条状带的长度。那样借助于调制光闸的电气表面电阻，使跨越闸长的正被衰减和变形的调制信号，从而也使确定的相关函数的相应变形得以防止。
本发明一特别可取的实施例是一个其中将四象素布置成矩形或正分形，并形成一单元，更为确切地讲，以这样一种方式进行布置，即以各自对应的对角线关系布置成方形或矩形的象素条状带彼此平行延伸，而直接相邻配置象素的条状带则彼此垂直延伸，从而明显避免过耦合作用产生的特别困扰。该实施例称作为4一象限(4Q)PMD象素。如象素本身为正方形则组成这里4-象限的象素元件同样为正方形，而通过对角线上相互对应象素之间调制的相移，有可能同时检测到同样和正交信号的推挽关系值。
此外，本发明的再一个实施例在以下方面是可取的，即在调制光闸和累积闸上布置的是相应的条状带形透镜，具体讲为柱面透镜，后者聚焦击在透镜上的光至调制光闸，从而由非光敏性累积闸占据的表面文件也依然有效地对光的输出作出贡献。如耦合进的调制光在本质上是相对的狭带，则对于这样一种光的平均波长，条状带结构尺寸可如此把握，从而按波理论的耦合因子明显大些，或使反射因子比相应于按照几何光学的反射因子明显小些。在那种情况下有可能促成对调制光闸的改进，并有助于这样一种测量。
可将多个象素一起连接成或者线性阵列或者矩形阵列，其中涉及到的一实施例是一个在其中单个象素上所布置的是引导入射光的显微透镜，所述入射光也部分地引导至介于象素之间的诸区域，且并不贡献于通过光敏性象素表面上的显微透镜而作的评价。
带有4倍相同或4倍不同调制的4Q-PMD象素，可以测量出的正方子象素集中诸时刻(points of concentration)，且在同时通过所有四个相关值以平均来确定该4Q-PMD象素总的相位或渡越时间。该入单个集中时刻渡越时间在那种情况下给出成象素表面元件的梯度或正常矢量，并允许对介于一阵列的诸邻近象素之间待测3D表面的内插改进。
最后本发明一特别可取的实施例是一个其中的象素也不是单个调制光闸和累积闸采用CMOS技术加以移植而成。那是个十分低廉而又良好地建立起的工艺技术，后者允许相应元件的大规模生产，并在同一时间也允许诸如评价电子学和调制电子学一类外围电子学装置进行芯片上和多芯片模块集成。
在CMOS技术中带有2D-功能性(所谓的2D-象素)以及同样带有3D-功能性(所谓的3D-象素)的常规CMOS象素两者均可在一混合配置中以线性阵列或矩形阵列加以集成。在该情况下，各种特别是象素信息的邻近项目可以下游配置的(down-stream disposed)数据合成(data fusioning)和内插装置，利用借用于2D-象素的彩色信息和3D-PMD象素的3D-深度和2D-灰度信息诸项目而快速重建的完整3D-彩色/深度图象加以评价，所述完整的图象对有关光学测量步率以及在自动化、目标鉴定、安全技术和多媒体技术等提供完全新的选择。
从今后较佳实施例的叙述以及相随的六图，将供有关本发明进一步的优点，特色和可能的用途及为明朗，其中
图1是本发明第一实施例的象素平面图；
图2示出两相邻象素的互连；
图3示出对如图2所示的象素元件沿着图2中的Ⅲ-Ⅲ线截取到的部分截面图；
图4是图2所示双象素或2-象限象素的部分放大的平面图；
图5是通过本发明另一实施例中的象素横对条状带方向的截面图，在该象素中对每种情况带有三介于两相关累积闸和隐埋n-层之间的调制共闸以及相嵌在绝缘材料内的调制光闸之电极；
图6是以图4的相应各对图5所示多条状带技术中3-闸PMD-象素结构所作的平面图；
图7是示于图5和6中部分象素的透视图；
图8示出四个象素元件，它们以不同的条状带取向连在一起，并形成一象素元件，用于各种不同的操作模式；
图9示出构成2×4个如图8所示象素的视野；
图10图解地示出3D-摄影照相机的操作模式，它由相似于图9的相对大的象素元件视野构成；
图11示出在基于PMD的光学PLL电路或DLL电路，用于光势垒(lightbarriers)、时移摄影照相机(time lapse camera)或延时摄影照相机(delay camera)以及带有任意数据信号再现的数据光势垒；而
图12则示出对数放大器电路，用以测量同相和正交信号以及具有带扩展技术的信号，后者尤其用于高灵敏度数据光势垒、相位渡越时间测量以及较佳的光学CDMA(码分式址)系统和带有任意数据信号再现的光学数据传输。
图1中间部分所示乃为一排平行的垂直条状带，其中明亮的条状带再现光敏的半透明的调制光闸，而以记号4和5指定的黑暗的条状带相应于略为不透明地加以覆盖的累积闸或读出闸。狭而黑的垂直条状带则代表介于邻近调制光闸1和2之间绝缘部分的分离表面。
此处调制光闸用记号1和2加以区别，因为用相同记号1标号的调制光闸彼此也以推挽关系加以调制，而依次标以记号2(它相对于那里的是相同的)的调制光闸的电位则同调制光闸1以推挽关系加以调制。在较下部分的M示意地表示调制电路，具体而言即调制电子学以及调制电源的连线或端子8。图1中的上部A示意地表示读出电路，具体说就是读出电子学和连线或端子以及分别连至累积闸4和5的信号处理装置。在该情况下，所有累积闸4，也就是说每一节第二累积闸都被连至第一公共读出线，而在那些之间配置的累积闸则被连至另一公共读出线。读出电路从累积闸4和5的光电荷来确定和信号U∑和K-相对于总光电荷(它们相对于时间加以平均)和的测量，而U是相对于光电荷差的测量。将调制光闸1，例如，当调制光闸2连至电压端-Um(t)时，连至成压端子+Um(t)。调制电压较为可取的是伪噪声电压或者也可是伪随机电压，但将也可以使用任何经编码过的信号，后者具有合适的狭的相关函数和适当的字长。
如调制光闸1处在低电压水平，而调制光闸2处在高电压水平，则在实施例3和4中使成为光电子的电荷载流子主要或者几乎唯一地只通至累积闸4，而累积闸5则收集不到或者无电荷数到。如电压条件颠倒过来，因而调制光闸1处在高电位，而调制光闸2处在低电位，则电荷载流子几乎唯一地通过累积闸5向外流出。在所产生的电荷载流子事件中，涉及有关时间的重大变化，这通过物体)其象由象素加以记录(随同一函数变化的照明加工产生，同样还提供关于瞬间时刻(moment in time)的信息在该时间瞬刻有电荷载流子产生于光敏的表面。调制光闸的调制以如同用它使物体的照明也调制那样的同一调制函数进行，于是如信号U那样供给相关的函数，后者包含有涉及成象素距离的信息项目。
正如将要看到的那样，和其长度相比，条状带是十分狭的，在这方面相应的条件在图中并未真实地按比例加以表示。相反，在实践中单个条状带甚至明显长于其相对的宽度。狭的条状带相应于一十分短的闸长，那就是说对载流子十分短的漂移距离，这些载流子是在调制光闸1或2下产生至读出闸4和5之一。相应短的漂移时间允许相应快的调制信号，因而高的带宽。
然而为了不对测量精度水平由于调制光闸在其长度方向上的电阻而带来有实影响，将多个调制连线或端子m1、m2和m3分别以最好从象素顶侧至相应调制光闸1和2彼此各自相等的距离平行相连，从而调制可在连接线m1、m2和m3的相应连接点处同时起作用，在这方面将会明白，所述连接的数目可根据需要以及按照单个条状带的长度加以改变和适应。
另一可供选择的是，这一问题可藉以下加以解决，即如果调制光闸直接连至累积闸4、5，则在指向累积闸条状带的一侧部分地包含一例如，介于调制充闸宽度的1/4和1/3之间的条状带形复盖物，后者借助于高电导接触条状带和对电磁波不透明或略为透明的最好是以金属膜形式施加于调制光闸而作成。该措施按本发明通过柱面透镜来聚焦光至象素区域内。
此外，调制光闸1和2也可直接涉及一来自底部标以M的部件之终端连接。
图2图解的示出由相同的象素元件10,10′(和图1所示的象素元件10相比，每个只是其宽度之半)组成的象素。为清晰起见，此处额外的调制连接m1、m2和m3并未示出，但显然也可存在。
将此象素10,10′的两条状带视野布置成彼此直接地相互并列的关系，从而两单个调制光闸2和1分别以相互并列关系配置在两象素10,10′之间介面的中央处。每个象素10,10′具有其自身的调制电源和其自身的读出电路以及自身的读出线。如果相对于象素10的电位以这样一种方式对象素10′施加调制电压，即使得象素10的条状带2相对于象素10′的条状带1以推挽的关系加以调制，则该两象素元件正象上述图1中较大象素10那样共同操作。然而，也可选择象素10′的调制电压为相对于象素10的调制电压通过90度进行相移，这对应于同相和正交信号。这里相应地将单个电压以及调制和评价电路(evaluation circuit)额外地标以“同相”记号I，而把象素10′的相应电路和电压的符号标以额外的“正交”记号Q。
图3图解示出图2中所示双象素的具体物理结构。将会看到，该双象素被配置在公共衬底上，并且单个调制光闸层、绝缘层和累积闸层的布置和顺序与图1中所示较大象素情况也将涉及的布置并无不同。只是将右边和左边象素之半的电气连接彼此完全分开，从而有可能对布置在右半边的调制光闸的调制去独立地选择布置在左半边的调制光闸的调制，这正如已经提到过的那样，允许将信号分离成同相和正交信号，并增强PMD象素的多用性。
图4只是平面图，它基本上也对应于图2的平面图，但单个条素单元以沿其长度被中断那样加以图解说明，为的是能在增大尺度上显示出完整的布置，而调制光闸至调制电路的单个连接以及同样读出电路至累积闸4和5的连接则额外加以详细说明。
图5-7示出本发明再一个可供选择的实施例，其中在调制光闸1和2之间还额外配以再一个光闸3，正如参照图1-4业已叙述过的那样，在该情况下每个图5-7中右边的电路符号指明，该中央调制光闸被维持在恒定电位，而相对于那里的调制光闸1和2则使其电位按调制函数而增加或减小。这通常导致平坦的电位配置以及依然较佳的沟道分离作用，较高的漂移速度和较低的调制功率水平。
在这方面图5是一相似于图3的截面图，但在此情况下并未使象素分成多个部分。图5说明具有隐埋n-层和相嵌在绝缘材料中调制光闸电极的有利配置，与具有重迭闸的结构相比，这对于十分小的结构是有益的。图6示出类似图4的平面图，而图7则示出该光混频检测PMD的透视图。
图8示出由条状带状调制光闸和累积闸组成的四象素元件，它们每个基本上呈正方形，并组装成整体上再次呈正方形的象素，其中彼此相互布置成对角线关系的象限内诸条状带分别各自平行延伸，而在邻近象限之间的则彼此垂直延伸。那样就使相互的过耦合和不同邻近调制信号的伪造得以明显抑制。在那种布置中评价电路移至正方形的诸边，后者可被布置在正方形象素表面的外侧。在该情况下，最好以调制电压信号实现调制光闸的调制，所述调制电压信号在PM调制情况下，对彼此成对角线关系的两象限，相对于另外两成对角线布置的象限，通过90度进行相移，或者以片宽(chip width)T片进行延时，这依次导致同相和正交信号的同时测量。交迭在中央的调制电压线，对于1-象限操作可被关闭，对于2-象限操作，它们只能水平和垂直相连，两对分立的4-象限操作，它们可被打开。然而对于涉及有4同一的调制信号以及因而较佳的连接线来提供给四次分立的读出也是有利的。渡越时间测定所需IQ-值也可在1-象限操作模式中以时间复用方式加以确定。在另一可供选择的外差法中，4相关函数可以拍频通过，且那样就可确定空间信息的项目。
图9示出图8所示种类的一面板或视野为2×8的象素。在每一那样的象素(此处通常标以记号100)上设置有显微透镜6，后者把冲击在被整个象素视野所复盖表面的光基本上都聚焦在象素上实际光敏的表面。该图并未示出条状透镜(striplense)，后者平行延伸至单个象素上之条状带加以布置，并如此来复盖整个象素表面，从而冲击在条状透镜的光只集中在诸累积闸之间的区域，那就是说只集中在调制光闸上。
图10示出按照本发明配备有象素100的3D摄影照相机之原理。一发生器11，本例中为PN(伪噪音)发生器，控制光传输器，这里为一激光二极管12，其发出之光利用光学装置13投射至物体7之表面。在该情况下用发生器11的调制信号调制光的强度。利用摄影照相机光学系统14将相应的反射光以及同样调制光投射至象素100的图象阵列上，象素100具体可为示于图8中的象素形式或光混频后元件。
用一延时器15对它们进行调制，对I-输出用可调的时间延迟TD，而对Q-输出则用额外的固定时间延迟T片，都用来自PN发生器11的同一调制信号进行，如同来自二极管12的那样，但处于推挽的关系。所以经调制而被接收到的光信号借助调制光闸以同一调制函数对每一象素相关两个，从而使之留下渡越时间信息以及因而同样还有物体7表面上单个要素的空间信息。
在按照本发明以狭长的条状带形式进行配置的情况下，由于物体7的表面上明-暗边界而引起对那些深度信息项目的误解就不再发生。
图11和12示出借助于相位调节电路PLL笔DLL，使用相应的PMD单元来高灵敏地接收光学信号。
图11示出带有PMD象素作为电-光混频元件的光学PLL-电路或DLL-电路，当它能在以下诸装置中有利地使用时具有极高的灵敏度水平，这些装置为：光势垒、时间过去(time-lapse)摄影照相机中的PLL阵列、光学遥控器、数据光势垒组件以及光通信中数据信号再现。可将光学PMD-PLL为普通接收-高频-放大器那样加以高度集成，后者连在光二极管的下游而使电子混频器完全省去，因在输出34处带有读出电路31的光混频检测器PMD早已在低频范围内以低通滤波过的差信号UΔ-常数(ia-ib)形式提供混合的积。相位调节电路经由滤波器或数字调节器加以连接。
可对许多种调制模式加以使用，例如对正弦、矩形、频率、相位调制以及对偏码复用，例如PN-编码。在那种情况下，将电压控制的发生器33设在时钟率(clock rate)，并调制在待接收。当相位调节电路被锁定时，对按本发明的宽带PMD之情况，在读出电路31的宽带和输出35处或经由带放大器的宽带光二极管(它和同一光学数据信号并行操作)发生的数据信号借助那种恢复类型的时钟以1/0决定元件32加以再现。为此目的，光学1/0数据信号最好作为回归至零(R-Z)信号加以编码。
图12示出-2Q-PMD-DLL，在1Q-PMD接收器基础上用它甚至可得更高水平的灵敏度，特别对PN调制尤为如此。
正如上面提到过的专利申请(授予形成本发明申请基础的)那样，周期性PN-调制在PMD接收方面提供很多优点，特别是多通道选择的可能性、多目标检测以及有关相位渡越时间分辨方面的最高灵敏度。按本发明同样可用PN编码数据信号作数据光势垒装置，包括距离测量在内，以及作光学CDMA传输，例如图12所示那样，在该方面，例如逻辑“1”相应于正常PN字，而逻辑“0”则相应于反相PN字= PN，也就是说明/暗芯片相互交换。和图11相反，在图12中，这是作为光电流定量差的差值：UΔ=常数(|ia-ib|-|ic-id|)加以形成的差输出电压。借助恢复的字时钟有可能通过程序去再现PN编码过的1/0数据顺序之数据信号，从而在加法放大器(summing amplifier)中将光电流差之和U∑=常数(|ia-ib|-|ic-id|)经由PN字长通过包含在加法放大器中的短期积分器相应加以形成，而在1/0决定元件中，1/0决定以时钟同步方式加以取出，用于其后的评价或再现。
用以正弦调制的VCO调制电压以及用T片=正弦周期的T/4去检测和再生矢量调制也是可能的。

Claims (23)

1．一种用以检测电磁波的相位和幅度的装置，其中，所述电磁波最好是在光学及近红外和紫外范围内，所述装置包括：至少两个对电磁波敏感(光敏)的调制光闸(1,2)和与所述调制光闸相关且不光敏或被遮蔽的累积闸(4,5)以及供调制光闸(1,2)和累积闸(4,5)用的电气连接，从而后者能连至读出装置，而前者能连至调制装置，所述调制装置根据所需调制函数增加或减少彼此相关且与累积闸(4,5)的较佳恒定电位相关的调制光闸(1,2)的电位，其特征在于：以长而狭的平行条状带形式配备多个调制光闸(1,2)和累积闸(4,5)，这些条状带群体地形成PMD-像素，其中所述累积闸是以读出二极管的形式，且在每种情况下最好使其阴极作为读出电极。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制光闸(1,2)的宽度大于所述累积闸(4,5)的宽度。
3．如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述各调制光闸的宽度具有所述调制光闸对其敏感的电磁波辐射的波长的数量级或者具体在远红外范围内还小于该波长的数量级。
4．如权利要求1-3中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述调制光闸(1,2)和所述累积闸(4,5)的条状带长度是所述调制光闸对其敏感的电磁波辐射的波长的10倍以上，较佳的是50倍之上。
5．如权利要求1-4所述的装置，其特征在于，多个调制光闸成对地以相互平行的并列关系加以配备，其中这样的调制光闸对(1,2)中的每个调制光闸都连至另一调制连线，从而所述调制光闸(1,2)可以推挽关系加以调制，其中将相应的累积闸(4,5)设置在一对调制光闸(1,2)和下一个相邻调制光闸对(2,1)之间，并把紧挨着相应的累积闸(4,5)的所述两对调制光闸(1,2)连接到或者电气接合至所述调制连线，从而其调制分别以推挽模式进行。
6．如权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其特征在于，将多个调制连线(m1,m2,m3)沿条状带长度基本等间距地加以布置，并连至所述调制光闸(1,2)。
7．如权利要求1-6中任一权利要求所述的装置，其特征在于，紧邻所述累积闸(4,5)的所述调制光闸(1,2)，在其指向所述累积闸的一侧部分地包含有一由高电导率、但对电磁波不具备或极低透明度的接触条状带作的复盖物。
8．如权利要求1-7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置具有一个或多个象素元件，其中一个象素元件包含有多对调制光闸(1,2)和累积闸(4,5)，其中处于不同调制电压的邻近象素元件的条状带方向最好彼此垂直，且其中至少由一个相应的调制光闸(1,2)相对于所述条状带方向横向限定所述象素的各端，所述调制光闸(1,2)邻接下一个向内设置的累积闸(4,5)。
9．如权利要求8所述的装置，其特征在于，将所述累积闸连接设置在象素的条状带的各端，其中把每第二累积闸连至两根读出线中相应的一根(例如K+)，而把其它的所述累积闸连至所述连接线中相应的另一根(相应于K-)，其中所述读出线引向评价电路。
10．如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，将两个象素元件(10，10′)布置成其条状带平行和直接相互并列的关系，从而定义所述两个象素元件的相互并列端或侧的相互紧挨着的调制光闸形成一对调制光闸(1,2)，后者可以推挽模式或相位置换关系选择性地进行调制，从而或者形成尺寸加倍的单个象素元件，或者两个象素元件出现两个独立的测量步序也是可行的，例如一同相信号和一正交信号。
11．如权利要求8和9所述的装置，其特征在于，将四象素元件布置成矩形，其中在矩形内以对角线上相对关系设置的所述象素的条状带分别相互平行地延伸，而所述紧挨着的象素元件的条状带则相互垂直地延伸，且其中所述调制连线如此连接，从而可以相移关系实现邻近象素元件(10)的调制，较确切地说最好是在每种情况下偏转90度。
12．如权利要求9所述的装置，其特征在于，每一所述象素元件(10)基本上分别呈正方形，并将所述四个象素元件组装成正方形或把所述角额外地切去以致于基本上形成八面体形。
13．如权利要求12所述的装置，其特征在于，将所述四个象素元件选择性地单个组合(4-象限操作)或以对角线关系双组(2-象操作)或以四倍关系组合(1-象限操作)，其中在4-象限操作和2-象限操作情况下额外评价表面单元的梯度或正常矢量。
14．如权利要求1-12中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述调制光闸和所述累积闸以及运用CMOS技术或BICMOS技术，以部分芯片上和部分多芯片模块生产所述相关的信号评价外围设备和调制外围设备。
15．如权利要求1-14中任一权利要求所述的装置，其特征在于，在所述调制光闸(1,2)上布置条状透镜，它基本上聚焦入射在象素元件表面上的所有光，而不是入射到所述调制光闸(1,2)上的光。
16．如权利要求1-15中任一权利要求所述的装置，其特征在于，将多个象素布置成线性或矩阵阵列。
17．如权利要求1-16中任一权利要求所述的装置，其特征在于，在线性或矩形阵列中带有3D功能的PMD象素以及同样带有2D功能的常规CMOS象素两者均以混合模式加以使用，其中各种象素信息，尤其是邻近象素信息均被通至数据合成和内插装置用以重构深度图象。
18．如权利要求16和17所述的装置，其特征在于，最好存在同每一PMD象素相关的显微透镜，它将入射到所述阵列上的光基本上集中到所述各象素的光敏表面上。
19．对如权利要求1-18中任一权利要求所述的装置的使用，其特征在于，将所述装置用作摄影照相机中的光敏图象记录元件。
20．对如权利要求1-18中任一权利要求所述的装置的使用，其特征在于，在光学信号处理中将所述装置用作频率和相位敏感的混合或相关元件用于信号获取、处理和噪音抑制。
21．一种操作如权利要求1-18中任一权利要求所述的装置的方法，其特征在于，将欲产生图像的景色用按照调制函数加以调制的光进行照射，其中调制光闸(1,2)以相同的但今为双极或推挽调制函数进行调制，而其中对于象素的2-象限或4-象限象素之半，则选择性地在正弦调制情况下实现90°相移调制，或者在矩形调制情况下实现位宽，或者在调制光闸电压的PN调制情况下实现片宽。
22．对如权利要求1-18中任一权利要求所述的装置的使用，其特征在于，在最好被高度集成且最好在光势垒布局中使用的光学PLL电路或DLL电路中将所述装置用作时移摄影照相机中、在光学遥控中和在数据光势垒布局中的PLL-阵列，以及在以各种调制模式进行的光通信中再生成数据信号。
23．对如权利要求1-18和22中任一权利要求所述的装置的使用，其特征在于，在1Q-PMD接收器基础上，在带有2Q-PMD-DLL的光学PLL或DLL电路中使用所述装置，尤其是针对PN调制，其中将数字PN编码数据信号用于多沟道选择、多目标检测以及相位渡越时间分辨率中的最高灵敏度，其中形成差输出电压作为光电流定量差的差UΔ=常数(|ia-ib|-|ic-id|)加以形成，并将所述差输出电压作为压控多谐振荡器的控制参数通过回路滤波器或数字调节器反馈到芯片频率，且其中PN编码的1/0数据顺序的数据信号借助于由程序恢复的字时钟加以再生，从而在加法放大器(41)中诸光电流差之和U∑=常数(|ia-ib|-|ic-id|)通过加法放大器中所含短期积分器在PN字长上分别加以形成。
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