Способ и устройство для определения информации об амплитуде и фазе электромагнитной волны - RU2182385C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу и устройству для определения информации об амплитуде и фазе электромагнитной волны.

В настоящем изобретении термин "фаза" употребляется в общем для обозначения времени фазового перехода и времени прохождения, который также используется в отношении соответствующей формы рассматриваемого сигнала.

В описании вместо термина "электромагнитная волна" употребляется термин "световая волна". Однако, это не означает ограничение только спектральным диапазоном видимых электромагнитных волн, а используется только с целью упрощения.

В электронной измерительной технике и технике связи для измерения частотных составляющих, в терминах амплитуды и фазы широкополосных и высокочастотных сигналов, часто используются фазовые детекторы, которые позволяют произвести умножение или смешение неизвестного сигнала с синусоидальным колебанием и определить с помощью интегрирования или фильтрации нижних частот устойчивую компоненту, которая получается при наличии составляющей сигнала той же самой частоты.

Эта процедура позволяет получить корреляционную функцию неизвестного сигнала с сигналом смешения для данного, регулируемого и относительного положения фазы. За счет изменения частоты смешения (качание частоты), неизвестный сигнал можно разбить на спектральные составляющие. Устойчивую компоненту, изменяющуюся амплитуду и фазу неизвестной частотной составляющей той же самой частоты можно определить с помощью по меньшей мере трех положений фазы.

В настоящее время исследование соответствующих оптических сигналов, которые в измерительной технике и в технике связи приобретают все более важное значение, проводится с помощью широкополосных фотодетекторов, а также с помощью электрооптических преобразователей с последующим установлением значения при электронном измерении, как описано выше для электрических сигналов.

Из-за высокого уровня затрат эти способы и соответствующие измерительные устройства являются на практике обычно только одно- или двухканальными. Однако, в случае оптических сигналов часто необходимо одновременно рассматривать очень много параллельных каналов с высокочастотными компонентами, в частности, полный ряд изображения.

Кроме спектральных свойств модуляции двухмерных световых волн, предметом особого интереса является быстрое измерение огибающей модуляции в пространстве и времени. Кроме того, существует необходимость в выполнении быстрого и точного наблюдения за трехмерными объектами, например, с помощью оптических локационных процессов, которые требуют сверхскоростных детекторов, работающих в субнаносекундном диапазоне, в результате распространения эхо-сигналов со скоростью света. В то же самое время, их необходимо использовать в виде детекторной матрицы, если необходимо избежать затрат по времени в операции сканирования активных или пассивных ярких трехмерных объектов.

Такая трехмерная камера предложена в патенте DE 44 39 298 A1, который используется в настоящем изобретении в качестве базовой отправной точки.

На фиг.10 изображена трехмерная камера на основе времени прохождения эхо-сигналов или на процессе времени фазового перехода. ВЧ-модулированная световая волна 101, которая излучается из передатчика 107 и 103 модулированного света и отражается от трехмерного объекта 100, содержит всю информацию о глубине в задержке относительно фазового фронта. Если падающую световую волну еще раз промодулировать в приемной апертуре 102 с помощью двухмерного оптического смесителя 104 на той же самой частоте, которая соответствует преобразованному на нулевую частоту биений смешению или процессу демодуляции, то результатом является устойчивая высокочастотная интерферограмма.

Эту ВЧ-интерферограмму можно зарегистрировать с помощью известной ПЗС-камеры 105 и подвергнуть ее дальнейшей обработке с помощью устройства 106 обработки изображения. Интегрирование устойчивой компоненты смешанного произведения при помощи ПЗС-фотоэлектрического заряда соответствует образованию корреляционной функции из двух сигналов смешения. Расстояние, связанное с фазовыми задержками, зависящее от времени прохождения эхо-сигнала и амплитуды, можно вычислить пиксель-образным способом из трех или нескольких интерферограмм посредством разности фаз частоты смешения и демодуляции, например 0^o, 120^o и 240^o или 0^o, 90^o, 180^o и 270^o и, таким образом можно восстановить 3-мерное глубокое изображение.

Двухмерный оптический смеситель 103 или 104, который также упоминается как пространственный модулятор света или ПМС, содержит в этом случае, например, ячейку Поккельса, которая имеет ряд серьезных недостатков, которые описаны в литературе.

Другие варианты осуществления представлены в виде ЖКИ-окон, которые являются по общему признанию недорогими, но у которых ширина полосы приблизительно в 1000 раз меньше необходимой.

Использование, так называемой, микроканальной пластины, которая используется в усилителях изображения, является достаточно дорогостоящим. Усиление можно модулировать с помощью модуляции ускоряющего напряжения, которое подается в микроканалы и которое влияет на вторичную электронную эмиссию в микроканалах.

Кроме того, известный уровень техники позволяет использовать двухмерные корреляторы, основанные на ПЗС-фотодетекторной матрице. "Синхронное обнаружение света с помощью синхронной двухмерной ПЗС-матрицы", Шпириг, Зейц и др. , ИИЭР Журнал квантовой электроники, т. 31, 9, сентябрь, 1995, с. 1705 - 1708 ("The Lock- In CCD-Two-Dimensional Synchronous Detection of Light" by Spirig, Seitz et. al. , published in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, No. 9, September 1995, pages 1705-1708). В этой работе, фотопиксель опрашивают с помощью четырех вентилей с переносом заряда для того, чтобы установить фазу световой волны, промодулированной синусоидальным сигналом. Для каждого периода синусоиды с помощью четырех вентилей прохождения получают соответствующий эквидистантный образец, посредством чего можно легко вычислить фазу. Эта процедура является слишком медленной для рассматриваемых проблем, поскольку гармонический световой сигнал, во-первых, является интегральным за период сканирования, который значительно ограничивает ширину полосы. Только потом этот необходимый процесс смешения выполняют с сохраненным зарядом, который выбирают в качестве образца сканирования.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ и устройство для определения информации об амплитуде и/или фазе, и таким образом, огибающей световой волны, которые позволяют реализовать более простую, более широкополосную и менее дорогостоящую концепцию коррелятора и произвести быстрое наблюдение за трехмерным объектом с помощью предварительно определенного освещения.

Вышеупомянутую задачу решают с помощью способа по п.1 и с помощью элемента фотонного смешения по п.14, с помощью размещения элемента смешения по п.20 и с помощью устройства по п.23.

Принцип, согласно изобретению, основан на дрейфе, который получают с помощью напряжения модуляционных фотовентилей и выделения отрицательных носителей заряда, генерируемых фотоспособом с помощью световой волны в материале под по меньшей мере двумя смежными светочувствительными модуляционными фотовентилями. В этом случае, этот дрейф носителей зарядов под действием напряжений U_am(t) и U_bm(t) модуляционных фотовентилей, прикладываемых к модуляционным фотовентилям, которые зависят от соответствующей полярности или рассматриваемой фазы, то есть к накопительным вентилям, которые смещены предпочтительно на два постоянных напряжения U_a и U_b. Напряжения U_am(t) и U_bm(t) модуляционных фотовентилей предпочтительно взаимодополняюще прикладывают и они предпочтительно состоят из напряжения U₀ и напряжения модуляции +U_m(t) и -U_m(t), соответственно, наложенных противофазно. Вместе два модуляционных фотовентиля предпочтительно формируют квадратную поверхность. Пиксель только с двумя модуляционными фотовентилями можно также рассматривать как двойной пиксель.

Этот принцип, согласно изобретению, предполагает фотоэлектрический квантовый эффект, вызванный посредством электромагнитных волн. Тем не менее, на протяжении всего описания будут рассматриваться световые волны, что не должно быть расценено как ограничение.

Фактический процесс смешения или умножения находится как функция напряжения модуляции или дрейфа фазы от носителей фото-сгенерированных зарядов на правой или на левой стороне модуляционных фотовентилей ("размах заряда"). В этом отношении разность заряда между носителями заряда, который выделяется этим способом и собирается под накопительным вентилем и передается в электронную систему считывания, принимая во внимание интегрирование в заданное время, представляет собой измерение корреляционной функции огибающей падающего модулированного светового сигнала и напряжение U_m (t) модуляции.

В то же самое время сумма зарядов тех носителей зарядов, которые продрейфовали к накопительным вентилям и перешли на остатки, на которые не повлияло положение размаха заряда, и используется в качестве подходящей интенсивности пикселя или в качестве полутона пикселя.

Для того чтобы определять относительную фазу или задержку времени падающей световой волны, необходимо, как описано выше, выполнить три измерения в отношении трех параметров компонент постоянного напряжения и компонент переменного напряжения и относительной фазы. Поэтому, возможно предположить конфигурацию пикселя элемента фотонного смешения с тремя светочувствительными модуляционным фотовентилями, которые действуют после с помощью напряжений модуляционных фотовентилей, которые содержат три различных сдвига фазы относительно световой волны, излученной с помощью передатчика.

Однако, необходимо определить фазу принимаемого сигнала в каждом пикселе элемента фотонного смешения из полученных в результате корреляционных амплитуд, используя четыре различных измерения в отношении четырех различных фаз сигнала смесителя. Это выполняют для дополнительного определения, посредством которого можно значительно уменьшить уровень шума.

Противофазное размещение напряжений модуляционных фотовентилей в двух модуляционных фотовентилях на пиксель предусматривает, что напряжения модуляционных фотовентилей, полученные из этих измерений, проводят в то же самое время. Поэтому, например, в случае ВЧ-модуляции, достаточно выполнить два измерения, которые соответственно проводят через 90^o при 0^o/180^o и также при разности фаз 90^o/270^o в отношении напряжений U_am(t) и U_bm (t) модуляционных фотовентилей, соответственно, по отношению к фазе излученного светового пучка для того, чтобы получить необходимые значения четырех различных измерений.

Поэтому, конкретная предпочтительная компоновка является такой, в которой элемент фотонного смешения, соответственно, формирующий пиксель, содержит четыре симметрично размещенных модуляционных фотовентиля, в котором каждые два соответствующие взаимно и противоположно расположенные модуляционные фотозатворы действуют в соответствии с противофазными или сдвинутыми на 180^o по фазе напряжениями модуляционных фотовентилей, в котором два измерения, которые соответственно проводят через 90^o и которые были описаны ранее в отношении двойного пикселя с разностью фаз 0^o /180^o, а также 90^o/270^o напряжений модуляционных фотовентилей, в этом случае выполняют одновременно. Такой пиксель можно также рассматривать как учетверенный пиксель.

Кроме того, для калибровки сдвига фаз напряжений U_am(t) и U_bm(t) модуляционных фотовентилей, представляется предпочтительно возможным направить в дальнейшем часть световых волн, излученных передатчиком, в качестве опорного сигнала непосредственно на по меньшей мере один из множества пикселей компоновки множества элементов фотонного смешения. Информацию об амплитуде и фазе, полученную из этого непосредственно освещенного пикселя, можно затем использовать для операции калибровки или можно использовать для корректировки сдвига фаз на заранее определенное значение.

С другой стороны, в случае независимо возбужденной, неизвестной модуляции падающей световой волны, излученной с помощью активного объекта, посредством по меньшей мере одного элемента фотонного смешения, можно измерить световую волну с известным высоким уровнем разрешения синхронного усилителя. Для этой цели элемент фотонного смешения совместно с настраиваемым модуляционным генератором, который находится в месте передатчика, формирует цепь фазовой автоподстройки. Кроме того, при синхронном усилении используется цепь фазовой автоподстройки, например, для ВЧ-модуляции, а также для цифровой модуляции используется цепь автоподстройки задержки.

Для наблюдения пассивных объектов, модуляцию излученного светового пучка и соответствующую модуляцию напряжений U_am(t) и U_bm(t) модуляционных фотовентилей, соответственно, можно выполнить различными способами. Прежде всего, можно выполнить непрерывную ВЧ-модуляцию, в случае которой разности зарядов и суммы зарядов считываются с повторением на интервалах, которые могут как положительная обратная связь влиять на интенсивность пикселя, для оценки информации об амплитуде и фазе световой волны.

Преимущественной процедурой является периодический режим работы с ВЧ-модуляцией импульсной по форме и освещением, например, для того чтобы в каждом случае кратковременно превысить интерференционное фоновое освещение. В этом случае только фотосгенерированные заряды, соответственно, интегрируют за время ВЧ-импульса и затем оценивают.

При определении, в частности, информации о времени прохождения или фазе отраженных световых волн для того, чтобы увеличить уровень разрешения времени прохождения или фазы, можно использовать процесс сжатия ВЧ-импульса, известный из радиолокационный техники, с узкими корреляционными функциями, например, процедуру линейной частотной модуляции (ЧМ). В этом случае, оба сигнала модуляции отдельного элемента фотонного смешения, а также световая волна передатчика, которая излучается с заданным фазовым соотношением, и, таким образом, световая волна, отраженная с найденным фазовым соотношением, соответственно, модулируется с линейной ЧМ. Благодаря линейной ЧМ подходящим способом, введение регулируемой задержки между напряжением модуляционных фотовентилей элемента фотонного смешения и света, излученного передатчиком, обеспечивает разрешение многочисленных целей или подавление помеховых сигналов, многократно отраженных от освещенной сцены.

Псевдошумовая модуляция (ПШ-модуляция), которая описывается далее, используется как дополнительная форма модуляции, и как основная полосовая-ПШ- и также ВЧ-ПШ-модуляция. Процедура отбора образцов с помощью операций образец-и-хранение в случае повторяющихся световых сигналов является особым случаем смешения и корреляции с дельта-импульсами. Элемент фотонного смешения, согласно изобретению, можно преимущественно использовать в этом случае также и для других применений импульсной модуляции.

Рассмотренные режимы модуляции являются по существу известными из предшествующего уровня техники.

Заряды, которые продрейфовали к накопительным вентилям, могут теперь быть предметом дальнейшей обработки различными способами. С одной стороны, элемент фотонного смешения можно выполнить с использованием ПЗС-технологии, в случае которой заряды собираются или суммируются под накопительными вентилями и затем передаются известным способом на ПЗС-считывающую схему, например, в трехфазовом сдвиговом цикле, и считываются с помощью p- или n-диффузии.

С другой стороны, элемент фотонного смешения можно выполнить с использованием КМОП-технологии в виде активного элемента пикселя с пиксель-специфическим электронным считыванием и системой предварительной обработки сигнала. В этом случае, на практике схему считывания, которая известна в ПЗС-технике, выполняют на обеих соответствующих сторонах непосредственно в модуляционном фотовентиле. Накопительные вентили предпочтительно, в виде блокировочных p-n-диодов с малыми емкостями и передают поступающие фотогенерированные заряды, предпочтительно, непосредственно с помощью электродов G_a и G_b в систему электронного считывания пикселей и предварительной обработки сигнала, для хранения и обработки.

Поэтому в последнем случае два компонента заряда размаха заряда непрерывно считываются и могут храниться практически реакционно-свободным способом, например, с помощью усилителя заряда, на соответствующем расположенном далее подсоединенном конденсаторе.

Предшествующий уровень техники предусматривает, чтобы перед каждой новой операцией измерения входящие в состав схемы заряженные конденсаторы разряжались посредством электронных разрядных переключателей, и необходимо, чтобы не соответствующие установленным значениям напряжения, измеренные в условиях разряда, использовались для корректировки фактических значений измерения. Это использование пиксель-образной реакционно-свободной процедуры считывания имеет преимущество в том, что всю динамику элемента фотонного смешения и вместе с тем способ измерения можно значительно улучшить по сравнению с существующим использованием ПЗС-технологии.

Дополнительным предпочтительным путем можно непосредственно вычислить информацию об амплитуде и фазе в электронной системе считывания пикселей и предварительной обработки сигнала, предпочтительно в виде интегральной схемы, расположенной на одном кристалле. Такое специфическое применение оптоэлектронного кристалла (СПОК) или такого датчика активного пикселя (ДАП) увеличивает скорость измерения и позволяет проводить пиксель-образную предварительную обработку фаз и/или амплитуд.

Важным преимуществом настоящего изобретения является то, что модуляция производится одновременно с выработкой и разделением заряда. Другими словами, обнаружение и смешение происходит в то же самое время и без дополнительных мешающих и ограничивающих по полосе частот промежуточных стадий. Следовательно, ошибки времени дрейфа, которые имеют место в предшествующем уровне техники, устранены, при этом модуляция заряда и операции интегрирования, которые выделяются в терминах времени и пространства из операции обнаружения, обязательно происходят и не будут подавляться.

Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в высокой граничной частоте элемента фотонного смешения. Граничная частота заряда, который переносится с помощью противофазного напряжения модуляции, сравнивается в терминах максимальной длины дрейфа или расстояния прохождения, то есть суммарной длины модуляционных фотовентилей, с граничной частотой соответствующих МОП-транзисторов, и таким образом, достигает гигагерцового диапазона. Кроме того, причиняющие затруднения синфазные сигналы подавляются вследствие разделения антисимметричных носителей заряда и различного образования. Каждый помеховый сигнал, который не коррелирует с модуляционным сигналом, например, фоновое освещение, подавляется при различении зарядов, и это приводит в результате к высокому отношению сигнал-шум. Более того, существует только небольшой дрейф во времени из-за комбинации обнаружения, смешения и интегрирования носителей заряда и различного образования на том же самом кристалле. Кроме того, комбинация практически всех функций измерения становится возможной внутри одиночной полупроводниковой структуры.

По сравнению с предшествующим уровнем техники, раскрытым в патенте DE 44 39 298 A1 с использованием ячеек Поккельса в качестве модуляторов, необходимы только низкие модуляционные напряжения в диапазоне 1 В вместо 1000 В. Кроме того, двухмерное размещение элементов фотонного смешения, согласно изобретению, гарантирует большую апертуру на стороне приемника.

Кроме того, когерентный или поляризованный свет не требуется для определения информации об амплитуде и/или фазе. Соответственно, можно использовать дополнительные специфические свойства падающих световых волн с помощью размещения далее избирательных фильтров, например, в отношении поляризации и длины волны света. Кроме того, это размещение позволяет получить высокий уровень чувствительности и высокое отношение сигнал/шум благодаря устранению электронных смесителей и широкополосных усилителей фотодетектора, которые используются в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Спектральная оптическая ширина полосы световых волн, которые будут наблюдать, определяется с помощью спектральной фоточувствительности материала, который используется в зоне пространственного заряда в фотовентилях, то есть, например, в случае кремния, приблизительный диапазон длины волны составляет 0,3 - 1,1 мкм, в случае InGaAs приблизительно 0,8 - 1,6 мкм и в случае InSb приблизительно 1 - 5,5 мкм.

Элементы фотонного смешения можно расположить в любом нулевом, одно- или трехмерном размещении и, таким образом, получать широкий спектр используемых конфигураций. В этом отношении, несколько 100000 элементов фотонного смешения могут работать параллельно с шириной полосы модуляции, например 10-1000 МГц, например так, чтобы камеру-вспышку трехмерной сцены можно выполнить чрезвычайно быстро, с определением информации о расстоянии в каждом пикселе. Изображение фазы ϕ(х. у) или - в случае модулированного освещения - изображение расстояния или изображение глубины с помощью радиус-вектора или вексель-расстояние R(x, y) определяют пиксель-образным способом с помощью пути разности зарядов, которые текут к накопительным вентилям и которые считывают. Соответствующие суммы зарядов позволяют получить известное значение А(х, у) серого цвета пикселя. Их можно объединить, чтобы предоставить масштабируемое полутоновое изображение или трехмерное изображение А(х, у, z).

В этом отношении, частота повторения трехмерного изображения находится в диапазоне приблизительно от 10 Гц до более чем 1000 Гц и зависит от числа используемых элементов фотонного смешения и уровня интенсивности света. Посредством дополнительных светофильтров можно получить обычные значения красного (х. у), зеленого (х. у) и синего (х. у) цвета изображения R(x, у) расстояния.

Интегрированная структура смешения и интегрирования носителей заряда по меньшей мере также не предусматривает простую структуру в отношении элемента фотонного смешения. В заключение, нет необходимости увеличивать конкретные расходы при выполнении приемного канала для известной оптической системы, изображения которой достаточно для изображения падающей, возможно отраженной световой волны в случае, если нужно записать одну- или двухмерную сцену, а не только точку. Измерительное устройство можно гибко адаптировать к различным трехмерных сценам благодаря синхронному усилению оптической передающей и приемной системы.

В способе, согласно изобретению, и соответствующем элементе смешения или компоновки из множества элементов смешения, при необходимости фаза пикселя или время прохождения пикселя и яркость пикселя устанавливаются непосредственно с помощью активной структуры датчика пикселя (АСДП) и затем считываются выборочно или также последовательно, предпочтительно, с помощью мультиплексной структуры, расположенной на том же самом кристалле (так называемая мультиплексная структура, выполненная на кристалле интегральной схемы). Это увеличивает скорость обработки, а также уменьшает число требуемых дополнительных элементов.

Более того, если яркость пикселя оценивается в виде суммы зарядов связанных накопительных вентилей как изображение значения серого цвета, то конкретный предпочтительный вариант осуществления изобретения является таким, который, в случае фонового освещения, то есть в случае немодулированного освещения, которое присутствует рядом с модулированным освещением, устраняет с помощью вычисления зарядов, образованных с помощью этого дополнительного освещения на накопительных вентилях, с помощью процедуры, посредством чего образуется разность между полутоновым изображением, которое получается с одной стороны при включении модулированного освещения, и с другой стороны без модулируемого освещения, то есть после того, как выключается источник модулированного света. Информация о корреляции не содержится в этой базовой яркости или в этом основном количестве зарядов на накопительных вентилях для того, чтобы фактическая информация о корреляции появилась более ясно после вычитания из этого основного количества.

Как уже упоминалось, подходящим является, если множество элементов смешения используется в линейном массиве, поверхностном массиве или пространственном массиве. В этом отношении, термин "линейный" массив используется для обозначения не только набора элементов смешения, которые размещаются по прямой строке рядом друг с другом или в последовательном порядке, но в общем наборе элементов смешения, которые размещаются вдоль линии, в котором упомянутая линия может быть прямой или изогнутой. В случае поверхностного размещения, не только можно выполнить плоское размещение элементов смешения в виде прямоугольной матрицы, даже если это может также быть предпочтительным с практической точки зрения, но в принципе, элементы смешения можно разместить в соответствии с любой требуемой картиной и также на изогнутой поверхности, например на внутренней поверхности сферической поверхности. Также можно использовать массивы элементов смешения на наклонных поверхностях, то есть одновременно на двух поверхностях, которые имеют угол по отношению друг к другу, и такие размещения являются подходящими для данных приложений. Размещения этого вида обозначаются термином "пространственный массив".

В случае таких массивов, содержащих множество, и возможно несколько сотен или тысяч элементов смешения, преимущественная и требуемая конфигурация способа, согласно изобретению, является такой, в которой по меньшей мере один из пикселей или элементов смешения непосредственно интенсивности освещаются частью модулированной электромагнитной волны, которая используется в качестве освещения, в случае которой результат измерения, полученный этим способом, используется в упомянутом по меньшей мере одном пикселе для калибровки других полученных в результате значений фаз и яркости. В этом отношении необходимо, чтобы такой опорный пиксель действовал в соответствии с передатчиком с выборочными различными уровнями интенсивности или, в ситуации, где использовалось бы множество опорных пикселей, причем каждый из этих пикселей действовал бы в соответствии с различным уровнем интенсивности. Это позволило бы избежать ошибок, которые могут возникнуть вследствие большого динамического диапазона сигналов измерения.

В случае одно- или многомерного размещения элементов смешения вышеупомянутого вида необходимо, чтобы пиксели конструировались с использованием МОП-технологии на кремниевой подложке и могли бы считываться посредством мультиплексной структуры, предпочтительно ПЗС-структуры.

Очевидно, что элементы смешения, в соответствии с изобретением, легко подходят для использования в цифровой фотографической камере или видеокамере. Для той цели, необходимо только обеспечить подходящую компоновку элемента смешения (например, в виде прямоугольной матрицы) с интегральной приемной оптикой, электронной системой оценки и обработки сигнала для разностных сигналов, суммарных сигналов и связанных контрольных сигналов, совместно с цифровой памятью для полутонового изображения вычисленного на основе времени прохождения или изображения расстояния. Компоновка также включает в себя подходящий передатчик или подходящий источник света, который освещает трехмерную сцену с помощью модулированных электромагнитных волн или передающей оптики, которая подходящим способом регулируется приемной оптикой, в которой все из этих элементов объединены вместе для того, чтобы образовать компактный узел в виде цифровой камеры. В этом отношении различие между цифровой фотографической камерой и цифровой видеокамерой заключается по существу только в том, что в соответствующей видеокамере, относительно большое количество изображений должно записываться и сохраняться за, соответственно, короткие интервалы времени так, что должно быть обеспечено подходящее устройство для хранения и воспроизведения соответствующих последовательностей изображений.

Очевидно, что дополнительно ко всем применениям освещение или освещение сцены можно выполнить с помощью модулированного света от различных спектральных областей так, чтобы цветные компоненты или хроматические компоненты изображений, которые получаются в этом способе, можно было использовать для получения и восстановления полных цветных изображений с информацией о пространственной глубине, которая поступает в это же самое время.

Для большей ширины полосы и, например, также для улучшенного углового обнаружения, может потребоваться использование микролинзовой оптической системы, в которой каждый элемент смешения или пиксель связан с микролинзовой оптической системой, которая уменьшает ("фокусирует") падающий свет в центральную область пикселя так, что практически устраняются отклонения от идеальной потенциальной конфигурации на модуляционных вентилях, которые проявляются, в частности, в крайних областях фоточувствительных поверхностей. Кроме того, изображение, попадающее вне фокуса, которое получается посредством микролинзовой оптической системы, в плоскости детектора элементов смешения, может гарантировать, что изображение на краях, изображение, которое проходит случайным образом в центре между двумя половинами пикселя, не приводит в результате к образованию разностных зарядов на накопительных вентилях, которые моделируют корреляцию, или неправильной информации о глубине.

Массивы с элементами фотосмешения, согласно изобретению, также хорошо подходят для обнаружения и также можно использовать для сопровождения заданной одно-, двух- или трехмерной структур в поле зрения рассматриваемого размещения и с рассмотрением дополнительно поступающей информации о глубине или расстоянии объекта, который обнаруживается и в дальнейшем, возможно, сопровождается.

В специфических терминах, выборочное обнаружение амплитуды и смещения координат X, Y и координаты времени Т сигналов модуляции с помощью (ΔX,ΔY,ΔT) (где Х и Y определяют две линейно независимые координаты, которые находятся в плоскости матрицы элементов смешения, и время Т означает задержку времени прохождения сигналов модуляции) служат для выполнения трехмерной корреляции, посредством чего заданный трехмерный объект находится в пространстве, обнаруживается и по возможности сопровождается.

Элемент фотосмешения, в соответствии с изобретением, дополнительно также имеет широкую область применения, в области оптической передачи данных. В этом отношении элемент фотосмешения, в соответствии с изобретением, просто используют вместо фотодиода в известном приемнике оптических сигналов, который, возможно, включает в себя регенерацию сигнала, в котором форма сигнала модуляции адаптируется оптимальным способом к форме сигнала, и фаза сигнала модуляции также адаптируется оптимальным способом в цепи автоподстройки фазы к положению фазы принимаемого сигнала. Другими словами, синхроимпульсы получают непосредственно из сигнала и используют для оптимального взвешивания принимаемого сигнала, посредством чего сигнал выделяется оптимальным способом из помехового, шумового фона. В этом способе, чувствительность и точность в отношении оптической передачи данных можно значительно улучшить по сравнению с известными фотодиодами. Это могло бы, в частности, также привести к значительному увеличению длины участков оптической передачи без промежуточного усиления и более высокому числу параллельных каналов связи по времени, частоте и режиму с мультиплексированием кодов.

В заключение, элемент фотосмешения, в соответствии с изобретением, можно также использовать, например, в системах на основе оптического обнаружения положения, в которых режим работы в принципе подобен тому, который входит в состав известной GPS-системы (глобальная система мобильных коммуникаций (ГСМК)), которая позволяет выполнить очень точное определение положения посредством спутниковых передатчиков, которые позволяют получать закодированное излучение сигналов. В соответствующей оптической системе обнаружения положения спутниковый передатчик, который известен из Gps-системы, будет заменен на широкодисперсный, модулированный источник света, который размещается, соответственно, ближе к объекту, положение которого необходимо определить, например, посредством лазерных диодов и оптических дисперсионных или рассеивающих систем, тогда как приемник выполняют посредством с помощью одного или нескольких элементов фотосмешения на объекте, предпочтительно посредством множества элементов фотосмешения, которые ориентируют в различных направлениях для того, чтобы обнаружить сигналы от источников света, стационарно размещенных в различных точках, с различными модуляциями. В этом случае, закодированная модуляция разрешает чистую ассоциацию стационарных источников света и объекта, положение которого необходимо определить, а также времена прохождения ассоциированных сигналов, посредством которых определяют положение.

Другое использование предусматривает применение демультиплексора для оптической передачи данных. Кодирование в виде специальной модуляции и ассоциированной корреляции посредством элемента фотосмешения позволяет получить чистую ассоциацию различных каналов.

Дополнительное применение и использование элементов фотосмешения с высоким уровнем фазовой чувствительности, согласно изобретению, заключается в измерении эффекта Сагнака (Sagnac), то есть времени прохождения или фазового сдвига световых волн при вращении контрольных систем. С этой целью, модулированный световой пучок направляют в оптическом волокне, которое предпочтительно укладывают в множество витков, и с выхода оптического волокна освещают один из фотоэлементов смешения, в соответствии с изобретением. Модуляционные вентили этого элемента смешения модулируют с той же самой частотой как внутрисвязанные световые волны так, что корреляция, полученная в результате в виде распределения заряда в элементе фотосмешения, обеспечивает измерение в отношении частоты тока или сдвига фазы. Во время каждого оборота контрольной системы, в которой ось вращения находится не в плоскости поворота оптического волокна или оптического волновода, частота и время прохождения и также изменение положения фазы автоматически обнаруживается с помощью элемента фотосмешения. По этому поводу следует отметить, что при помощи элемента фотосмешения, такую систему волоконного гирокомпаса, основанную на эффекте Сагнака (Sagnac), можно осуществить посредством некогерентного света, который не вызывает проблем в отношении их длительной стабильности, так как полностью устраняются соответствующие источники ошибок в соответствии с предшествующим уровнем техники, при этом высокочастотный усилитель устанавливают за оптическим детектором и электронным смесителем.

Более того, кроме абсолютного направленного измерения, возможности которого обеспечивает такая система, также можно произвести измерение скорости движущегося объекта посредством элемента фотосмешения, согласно изобретению, например, часть световых волн удаляется в расщепителе луча перед вводом в оптический волновод и направляется на стационарный объект, в случае которого свет, отраженный от стационарного объекта, улавливается подходящим приемником элемента фотосмешения и оценивается способом, который уже описан в ряде случаев, и здесь в отношении сдвига доплеровской частоты.

В зависимости от соответствующего значения и значения дополнительной информации о глубине линейного или матричного изображения, данное число элементов фотосмешения можно интегрировать в соответствующей технологии в ПЗС-, КМОП- или датчики изображения СИСТП (специфические интегральные схемы (СИС) с тонкопленочным покрытием).

Кроме того, при использовании трехмерной линейной или матричной камеры, в соответствии с изобретением, можно соответствующим образом дополнительно использовать известную двухмерную камеру, в которой предпочтительно спектральное распределение и подача активного модулируемого компонента освещения в трехмерную камеру, и другой немодулированной компоненты освещения, предпочтительно выполняют с расщепителем луча.

Для использования элементов фотосмешения для трехмерных измерений или съемки, для больших расстояний, для которых модулированное освещение является слишком слабым, можно использовать комбинацию по меньшей мере двух трехмерных линейной или матричной камер, в случае которой, в соответствии с изобретением, измерение или съемка выполняется в ближней зоне на основе принципа времени прохождения и в дальней зоне на основе принципа триангуляции и с существующим фоновым освещением.

В таком случае, измерение глубины в ближней зоне выполняют, как описано выше, в этом случае параллельно с помощью, по меньшей мере, двух камер.

Для измерения глубины в дальней зоне, оптические оси камер, которые формируют с помощью центральной точки PMD-кристалла, направляют на общую точку пересечения в области объема, который будут измерять, например, с помощью подходящего расположения PMD-кристаллов в горизонтальном и вертикальном направлениях и относительно промежутков PMD-кристаллов, где в то же самое время фокусировку оптических систем камер устанавливают на это расстояние. С помощью подходящей предварительной регулировки значений яркости пикселей затем добиваются совпадения в этой области объема с самой большой глубиной резкости.

Для обнаружения и идентификации объектов в этой области объема, в случае соответствия амплитуд пикселя, суммарное изображение элементов фотосмешения прибавляют с помощью кратковременно прикладываемого постоянного модуляционного напряжения, в отношении разностного изображения, связанного с данными набора расстояний и оценивают, тогда как несоответствующие амплитуды пикселя удаляют в разностном изображении с помощью напряжения модуляции, которое устанавливают в ноль, U_ma=U_mb=0.

В этом способе, посредством углового сканирования, трехмерную сцену также измеряют и наблюдают вне диапазона модулированного освещения передатчика, в котором необходимые углы достигают посредством подходящего расположения УФС-кристаллов, и также с помощью поворота отдельных стереокамер и/или с помощью движения вокруг оси всего размещения.

Многие возможные применения, из которых только некоторые подробно описаны здесь и часть только кратко показана, должны также быть найдены в следующем списке, в котором изложены другие возможные применения, дальнейшее описание которых будет представлено в рамках объема настоящей заявки, в которой соответствующий следующий список также не является исчерпывающим.

Большинство специфических возможных применений имеют определенное значение и могут использоваться в следующих областях:
- цифровая трехмерная фотографическая камера,
- цифровая трехмерная видеокамера,
- контроль опасных зон,
- техника безопасности и "интеллектуальные здания",
- обнаружение жителей и идентификация в транспортных средствах, "интеллектуальный авиабагаж",
- электронное трехмерное зеркало заднего вида,
- распознавание ситуации движения транспорта в дорожном движении,
- автономная навигация транспортного средства,
- некогерентный волоконный гироскоп и доплеровское измерение скорости,
- управление автономными транспортными средствами,
- промышленные уборочные роботы,
- персональная идентификация, аутентификация и проверка санкционированного доступа,
- идентификация объектов, например, транспортных средств,
- контроль продукции, тестирование материалов, тестирование 100% качества,
- электронный "трехмерный глаз" для руки робота, прочный, маленький, полностью твердотельный,
- измерение скорости транспортного средства и длина пробега, обнаружение условий дороги, заторы на дорогах,
- сигнализация свободного пути, контроль контактного провода на железных дорогах,
- медицинская техника, эндоскопия,
- МДРК (CDMA)-техника для оптической связи в свободном пространстве или по линии,
- интерактивная трехмерная связь, например, в области мультисредств,
- трехмерное измерение движущихся объектов с помощью линейки элементов фотосмешения.

В этом отношении необходимо подчеркнуть следующие преимущества элементов фотосмешения настоящего изобретения (в дальнейшем для выражения "Устройство фотонного смесителя" используется аббревиатура "УФС"):
1. УФС объединяет: обнаружение, противофазное смешение и интегрирование в очень маленьком пространстве (1/100 - 1/1000 мм²) (электрооптическая корреляция).

2. 2-х кратное/4-х кратное-УФС: замена 2-х или 4-х дорогих широкополосных усилителей с высоким динамическим диапазоном и постоянной величиной группового времени прохождения и 2-х и 4-х электронных смесителей, соответственно.

3. Устраняется высокий уровень электронной чувствительности с перекрестным наложением между передатчиком и приемником.

4. Высокий уровень интегрируемости приблизительно со 100000 параллельными электрооптическими модуляторами.

5. УФС-трехмерная фотографическая или видеокамера полностью интегральная, маленькая, легкая, прочная и гибко приспосабливаемая с помощью оптический увеличительной системы для светового передатчика и приемника. Объемы измерений для естественных поверхностей, расстояния приблизительно от 20 см до 50 м с угловой апертурой приблизительно от 5^o до 50^o .

6. Сверхбыстрая запись трехмерных изображений в диапазоне 10 - 1000 Гц. Чувствительность и отношение сигнал/шум соответствуют современным ПЗС- и КМОП-камерам.

7. Ожидаемая глубина разрешения составляет приблизительно 0,5-50 мм в зависимости от соответствующего времени измерения, интенсивности освещения, предполагаемая оптика и интервал благодаря оптимальному опорному сигналу.

8. Максимальная ширина полосы с соответствующим размером пикселя вплоть до гигагерцового диапазона.

9. Напряжения модуляции в диапазоне менее чем 1 В.

10. Не требуется когерентный, поляризованный или узкополосный свет, и спектральный диапазон зависит от светочувствительного материала (например, в случае InSb вплоть до 5,5 мкм).

11. Одновременная запись трехмерного изображения глубины и двухмерное изображение значения серого цвета, благодаря слиянию данных, предоставляет оптимизированную оценку трехмерного изображения значения серого цвета (или трехмерного цветного изображения).

12. Схема считывания, вследствие зависимого от интенсивности изменения во времени Т, интегрирования, позволяет увеличить динамический диапазон приблизительно на 8 бит (коэффициент 256).

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 - а) вид в поперечном сечении пикселя первого варианта осуществления элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, с использованием ПЗС-технологии и b) - f) распределение потенциалов U_s (t) для различных фаз или периодов двух комплементарных напряжений U_am(t) и U_bm(t) модуляционных фотовентилей;
фиг. 2 - блок-схема линейно скомпонованных пикселей, использующих ПЗС-технологию и содержащих часть приспособления считывания межлинейного прохождения;
фиг.3 - схема распределения интенсивности падающего света и картина распределения потенциалов напряжений U_sep(t), U_a(t), U_am(t), U_bm(t) и U_b(t) в случае ВЧ-модуляции;
фиг. 4 - схема характеристики смешения и результата корреляции элемента фотонного смешения в виде усредненных токов носителей фотосгенерированных зарядов

дрейфующих к накопительным вентилям в случае ВЧ-модуляции в зависимости от
относительной фазы или сдвига по времени прохождения ϕ_opt = ω_mτ;
фиг. 5 - схема для ПШ-модуляции, иллюстрирующая а) сигнал модуляции, b) характеристики смешения и результата корреляции для двойного пикселя
(только ) и также для учетверенного пикселя с ia и id в случае задержки в сигнале модуляции для третьего и четвертого модуляционных вентилей cm и dm T_b и с), разностные значения , которые являются релевантными для оценки расстояния;
фиг. 6 - а) вид в поперечном сечении пикселя второго варианта осуществления с использованием ПЗС-технологии элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, со средним модуляционным фотовентилем G_о, а также как распределения потенциалов под модуляционными фотовентилями и накопительными вентилями, b) для положительного и с) для отрицательного модуляционного напряжения U_m(t);
фиг. 7 - а) вид в поперечном сечении пикселя третьего варианта осуществления элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, и b) - f) распределение потенциалов для разных фаз, аналогично фиг.1;
фиг. 8 - общий вид, показывающий пиксель четвертого варианта осуществления элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, с четырьмя модуляционными фотовентилями и четырьмя накопительными вентилями, которые упоминаются как учетверенный пиксель;
фиг. 9 - общий вид, показывающий пиксель пятого варианта осуществления элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, с четырьмя модуляционными фотовентилями и четырьмя накопительными вентилями и центральный симметрический средний вентиль G₀ ;
фиг. 10 - схематический вид устройства, известного из уровня техники для определения информации об амплитуде и фазе световой волны;
фиг.11 - схематический вид устройства, в соответствии с изобретением для определения информации об амплитуде и фазе световой волны для ВЧ-модуляции;
фиг.12 - схематический вид устройства, в соответствии с изобретением для определения информации об амплитуде и фазе световой волны, например, для ПШ модуляции или прямоугольной модуляции;
фиг. 13 - а) вид в поперечном сечении пикселя шестого варианта осуществления элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, с системой электронного считывания пикселя и предварительной обработки, использующей КМОП-технологию и b) и с) распределение потенциалов аналогично фиг.6 для двух фаз или полярностей напряжения модуляционного фотовентиля; и
фиг.14 - общий вид пикселя шестого варианта осуществления элемента фотонного смешения, согласно изобретению, с четырьмя модуляционными фотовентилями, четыре накопительных вентиля и средний вентиль G₀, крестообразной конфигурации, предпочтительно для цифровой модуляции.

На фиг. 1а представлен вид в поперечном сечении отдельного пикселя 1 элемента фотонного смешения, использующего пример ПЗС-структуры. В этом случае элемент фотонного смешения, кроме пикселя 1, включает в себя структуры, необходимые для подачи напряжения и операций снятия сигнала. Внешние вентили G_sep только служат для электрического разграничения этого пикселя относительно смежных структур.

Компоновка, представленная на фиг.1, сформирована на кремниевой подложке 2 p-типа. Смешение или операция умножения предложенной концепции будет сначала рассмотрена для высокочастотной модуляции чистой несущей.

На фиг.1b - f схематически представлено поперечное сечение распределений потенциалов для разности фаз процедуры смешения. Средние модуляционные фотовентили G_am и G_bm представляют собой светочувствительную часть и находятся в инверсном состоянии. В дополнение к положительному напряжению U₀ смещения на проводящем или оптически частично прозрачном верхнем покрытии, например, из полисиликона, они работают с налагаемыми противофазными напряжениями U_m(t). Это позволяет получить в результате модуляционные напряжения U_am(t) = U₀ + U_m(t) и U_bm(t) = U₀ - U_m(t), соответственно.

Они мультипликативно вызывают разделение носителей отрицательного заряда, генерируемых с помощью фотонов падающей световой волны в зоне пространственного заряда непосредственно под изолирующим слоем 3, например, из окиси кремния или нитрида кремния. Эти носители заряда (в рассматриваемом примере - это электроны) дрейфуют под действием модулирующего противофазного напряжения к близлежащим положительным накопительным вентилям G_a или G_b и интегрируются там, тогда как большая часть носителей или дырок течет к земляному выводу Si-подложки p-типа проводимости.

Возможно также освещение с задней стороны.

На фиг. 2 представлен вид сверху двух пикселей 1 элемента фотонного смешения, согласно изобретению, включающего в себя часть устройства 7 считывания межлинейного прохождения в виде 3-фазного сдвигового регистра ПЗС, на одном конце которого расположена электронная система считывания с диффузионным переходом для последовательной обработки значений заряда, полученных при корреляции. После предварительно определенного времени Т накопления заряда под всеми накопительными вентилями линейки, например в пикселе номера n зарядов q_a и q_b под G_a и G_b передаются путем соответствующего вентиля TG_a и ТG_b прохождения в 3-фазовом считывающем сдвиговом регистре. Разграничительные и разделительные вентили G_sep защищают корреляционный пиксель от нежелательных внешних воздействий и находятся, предпочтительно, под потенциалом земляного вывода.

На фиг.3 представлены конфигурации напряжения, связанные с фиг.1. Модуляционные фотовентили G_am и G_bm работают посредством модуляционных напряжений фотовентилей, показанных на фиг.3, включая в себя противоположное по фазе модуляционное ВЧ-напряжение U_m(t), которое описывается следующим образом:
U_am = U₀+U_mcos(ω_mt) (1a)
и
U_bm = U₀+U_mcos(ω_mt-180^°) = U₀-U_mcos(ω_mt) (1b)
На фиг.1b - f ясно показано, что распределение потенциалов U_s(s) в зоне пространственного заряда выше пространственного протяжения репрезентативного пикселя 1 для всех рассматриваемых вентилей этого пикселя во временной последовательности от t₀ до t₈ для продолжительности периода Т_m сигнала ВЧ-модуляции. На накопительных вентилях G_a и G_b относительно высокое положительное напряжение обеспечивает накопление фотогенерируемых носителей заряда после того, как они продрейфовали преобладающе в направлении левой или правой стороны пикселя 1, показанного на поперечном сечении фиг.1, согласно полярности напряжений U_am(t) и U_bm(t) модуляционных фотовентилей. Эта работа имеет специфический эффект, когда модуляция света и напряжение U_am(t) модуляционных фотовентилей содержит ту же самую частоту. Затем, в зависимости от соответствующей разности фаз ϕ_opt существует среднее предпочтительное направление дрейфа носителей заряда к накопительным вентилям G_a и G_b. Связанные усредненные токи описываются с помощью

Основную процедуру корреляции можно математически описать следующим образом. В приемной плоскости в общем случае двухмерных массивов элементов фотонного смешения z = 0 и падающей модулированной световой волны описываются обычно с помощью P_opt(x,y,t-τ). В этом случае, описание проводят с помощью фотогенерируемых носителей зарядов с пушпульным модуляционным сигналом, действующим там, в общем виде с помощью U_m(x, у, t), приблизительно мультиплекативно и интегрально связанный в терминах разностей зарядов в отношении двух накопительных вентилей. Соответствующая корреляционная функция ϕ_Um, P_opt (x, у, t) описывается, например, для всех усредненных разностей дрейфов носителей заряда (где Т = время интегрирования) в накопительных вентилях G_a и G_b, в более общем случае, в зависимости от расположения, как тройная свертка:

где τ = ϕ_opt/ω_m - разность времени прохождения, w_m - угловая частота модуляции и k₁ и k₂ - постоянные, которые зависят от структуры, но которые являются незначительными при рассмотрении принципа действия.

Элемент фотонного смешения, согласно изобретению, достигает этой цели с помощью высокого уровня позиционных и временного разрешения вследствие быстрого прохождения заряда с разделением фотоэлектронов и их противофазное сохранение и разностная и суммарная оценка. В этом отношении, благодаря образованию разности усредненных дрейфовых токов

которые зависят от времени в случае нестабильных световых волн, все ненужные компоненты смещения подавляются и в то же самое время получается требуемая функция корреляции в отношении светового сигнала P_opt(t-τ) с напряжением U_m(t) модуляции.

Эта процедура подробно описывается ниже. Поле ВЧ-дрейфа, возникающее под действием напряжения U_am(t) и U_bm(t), действует таким образом, что электроны дрейфуют к соответствующей положительной стороне. Во время, например, положительной полуволны напряжения U_am(t) = U₀ + U_m(t) модуляционных фотовентилей, то есть во время отрицательной полуволны U_bm(t) = U₀ - U_m(t), фотогенерируемые носители заряда будут дрейфовать к накопительному вентилю G_a и накапливаться там или передаваться в виде количества заряда q_a (смотри два верхних распределения напряжений модуляционных фотовентилей на фиг.1b и с). Фиг. 3, для случая стабильного, гармоничного, модулированного освещения, представляет оптическую мощность пиксель в виде
P_opt (t-τ) = P₀+P_mcos(ωt-ϕ_opt) (3)
где Р₀ - среднее значение, содержащее фоновое освещение, Р_m - амплитуда модуляции, w_m - частота ВЧ-модуляции, ϕ_opt - - фазовая задержка и τ = ϕ_opt/ω_m - соответствующая задержка времени прохождения падающей световой волны относительно фазы модуляции в G_m. Результирующее значение фототока, который вырабатывается в пикселе, равно:

i(t) = I₀+I_m•cos(ω_mt-ϕ_opt) (5)
с параметрами I₀ = среднее значение фототока пикселя в соответствии с Р₀, I_m = чередующаяся амплитуда модулированного фототока в соответствии с Р_m и S_λ = спектральная чувствительность. Этот полный фототек в пикселе делят на две составляющие, а более конкретно - на ток i_a(t) накопительного вентиля G_a и на ток i_b(t) накопительного вентиля G_b. Так как эти значения интегрируют в ПЗС-технологии под соответствующими накопительными вентилями G_a и G_b и в случае КМОП-технологии, в которой происходит считывание пиксель-образным способом предпочтительно в электронной системе считывания - достаточно в дальнейшем для рассмотрения, которое далее приводится для среднего значения i_a и i_b этих токов. Максимум в терминах разделения зарядов достигается для угла ϕ_opt = 0 и τ = 0. Эта ситуация представлена на фиг.3.

Гармоническая модуляция предоставляет, согласно предположению об идеальных условиях, таких как подходящая амплитуда модуляции, пренебрежимо малые времена прохождения дрейфа, 100%-ная глубина модуляции с Р_m = Р₀ усредненного фототоков i_a и i_b, соответственно:

На фиг. 4 представлена конфигурация этих идеализированных усредненных токов пикселя. Они представляют противофазные корреляционные функции, которые следуют из ВЧ-модулированного приемного света и напряжения ВЧ-модуляционных фотозатворов, которые подают на модуляционные фотовентили G_am и G_bm. Сумма этого соответствует току I₀ при средней мощности Р₀ света пикселя. Полное количество заряда, которое накоплено за время Т = N • Т_m (то есть за N периодов напряжения ВЧ-модуляции), представляет:

с временем прохождения τ = ϕ_opt/ω_m, которое соответствует фазовой задержке. В дальнейшем вместо q_at употребляется только q_a. Общее количество зарядов накопительных вентилей G_a и G_b, соответственно, всех пикселей 1 образует две дискретно расположенные ВЧ-интерферограммы, a-интерферограмму и b-интерферограмму, которые размещаются через 180^o по отношению к a-интерферограмме, и из них с помощью дифференцирования формируют разностную ВЧ-интерферограмму с определенным временем прохождения, которая находится и которая описывается с помощью выражения (2).

На фиг.11 представлена в схематическом виде трехмерная камера, согласно изобретению, в которой используется прямое смешение на базе массива элементов фотонного смешения. При сравнении с концепцией трехмерной камеры, известной из предшествующего уровня техники, которая представлена на фиг.10, на фиг.11 модуляции передатчика 4 для освещения оптически пассивных трехмерных объектов, выполняют с помощью прямой модуляции тока лазерного диода. В этом случае модуляция производится с помощью ВЧ-генератора 13. Для больших расстояний, преимуществом является, например, использование матрицы лазерных диодов высокой мощности с предпочтительно общим током модуляции и - с целью защиты глаз от попадания излучения - с различными длинами волн.

Первая оптическая система 5 формирует изображение световой волны на поверхности объекта 6. Световая волна, отраженная от объекта 6, затем проецируется через вторую оптическую систему 7 на поверхность массива 8 элементов фотонного смешения.

Массив 8 элементов фотонного смешения задействуют посредством ВЧ-генератора 13, в котором привод выполняется для различных фазовых сдвигов относительно фазы излученной световой волны посредством ВЧ-генератора 13. Сигналы массива 8 элементов фотонного смешения окончательно оценивают посредством узла 9 оценки, если это не было уже выполнено на кристалле.

На основе измерительного устройства, согласно изобретению, не требуется дополнительный оптический модулятор с большой апертурой для предложенной концепции трехмерной камеры, кроме массива элементов фотонного смешения, согласно изобретению, и это позволяет получить структуру, которая является экономически выгодной.

В целях определения фазы ϕ_opt пикселя из полученных в результате амплитуд корреляции использование, как сформулировано выше, целиком всех четырех различных интерферограмм в случае четырех различных фаз сигнала смесителя. Четыре фазы сигнала смесителя возникают в ситуации, где напряжения U_am и U_bm модуляционных фотовентилей переключают из состояния фазового соотношения 0^o/180^o в состояние 90^o/270^o или задержанного на 90^o. Это дает возможность получить две связанные мнимую или квадратурную (сдвинутую на 90^o) составляющие относительно реальных или находящихся в фазе составляющих, из которых отыскиваемую фазу пикселя можно вычислить в соответствии с уравнением (10), описанным ниже.

Этот режим работы, в то же самое время, дает возможность устранить ненужные напряжения смещения, которые получаются за счет фоновой яркости и с помощью операции смешения.

Кроме операции измерения, которая описана примером в отношении модулированной несущей трехмерной световой волны посредством двухмерной корреляции с напряжением U_m(x, у, t) модуляции предпочтительно с той же самой частоты в плоскости массива элементов фотонного смешения, в дальнейшем можно измерительное устройство, согласно изобретению, преимущественно использовать с сигналами модуляции в виде импульса.

При конкретном рассмотрении псевдо-шумовая модуляция света является преимущественной для задач, включающих в себя высокоточное измерение времени прохождения трехмерных световых волн. Вариант осуществления на примере наблюдения или измерения оптически пассивных трехмерных объектов показан на фиг. 1. Аналогично варианту осуществления, который включает в себя модуляции гармоник (фиг. 11), аппарат, согласно изобретению, имеет подходящее устройство, которое освещает трехмерные объекты 6 светом, который имеет псевдо-шумовую (ПШ) модуляцию по интенсивности, и отраженный и принятый световой пучок подвергается процедуре корреляции с предпочтительно соответствующим сигналом ПШ-модуляции, который вырабатывает генератор 13.

Так как корреляция в отношении ПШ-сигналов этого вида с увеличивающейся длиной Т_w= Т_в(2^N-1) слова похожа на треугольный игольчатый импульс с половинным значением ширины, равным ширине Т_в бит, то для чистого и полного измерения всего светового объема или всего освещенного объема, относительная задержка Т_D между светомодулирующим ПШ-сигналом и демодулирующим ПШ-пушпульным напряжением U_m(t) с той же самой формой сигнала на модуляционных фотовентилях должна передаваться по меньшей мере через весь диапазон задержек максимального времени прохождения отраженного эхо-сигнала непрерывно или ступенчатым образом в Т_в -этапах. Для этой цели предназначен элемент 11 задержки, которая регулируется относительно задержки Т_D посредством узла 9 управления и оценки.

На фиг. 5а представлен сигнал U_m(t) модуляции для случая прямоугольной 15-битовой ПШ-последовательности. Результат корреляции, полученный с помощью элемента фотонного смешения, представляет собой усредненные токи

дрейфа, показанный на фиг.5b в отношении относительной задержки t.

В случае учетверенного пикселя, который описан ниже (фиг.8, 9 и 14), противофазные напряжения модуляционных фотовентилей, которые прикладывают к модуляционным фотовентилям G_cm и G_dm и которые накладывают на напряжение U₀ смещения, предпочтительно задерживают на Т_в относительно противофазных напряжений модуляционных фотовентилей, прикладываемых к модуляционным фотовентилям G_a и G_b, то есть U_cm(t) = U₀ + U_m(t - Т_в) и U_dm(t) = U₀ - U_m(t - Т_в), которые приводят в результате к высоко преимущественным измерениям амплитуды и времени прохождения.

Кроме предварительно определенной задержки Т₀ относительно напряжений модуляции постоянная интенсивности света * P_opt, излучаемая передатчиком 4, содержит ту же самую структуру ПШ-сигнала. Отраженный сигнал достигает элемента фотонного смешения после времени прохождения эхо-сигнала. Корреляция с противофазным напряжением модуляции приводит в результате, в соответствии с соответствующей относительной задержкой t времени прохождения для T_D = 0, к идеальному случаю без фоновой яркости, в случае двойного пикселя при средних пиксельных токах

(фиг.5b), и в случае учетверенного пикселя с установленным временным сдвигом Т_в дополнительно при средних пиксельных токах Эта корреляционная характеристика, во-первых, показывает, что множество отражений от объектов можно различить по тому же самому радиус-вектору, например, для различения множества частично прозрачных объектов, которые расположены один за другим или в целях устранения многочисленных отражений.

Кроме того, сумму и разность усредненных разностей тока дрейфа (фиг.5с) предпочтительно формируют последовательно в случае двойного пикселя и одновременно в случае учетверенного пикселя в соответствующей системе 15 электронного считывания пикселей и предварительной обработки сигнала. Они позволяют провести высокочувствительные измерения, которые только имеют место в диапазоне измерений Т_в - 2Т_в для тех значений сигнала, которые не равны нулю. Оценка суммы позволяет определить релевантность измерения на основе минимальной амплитуды. Различие показывает крутую линейную конфигурацию в используемом окне измерений с шириной ТВ, которое позволяет определить время прохождения с высокой степенью разрешения. В идеальном случае используется следующее выражение:

Блок-схема соответствующего устройства измерения для оптического измерения трехмерных объектов с помощью ПШ-модуляции на основе предложенного массива корреляционного фотодетектора характеризуется более простой структурой (фиг. 12). В этом случае, кроме генератора 10 и элемента 11 задержки содержится та же самая структура (фиг.11).

Согласно изобретению, с целью быстрого установления расстояния с относительно низким уровнем разрешения используется также простая модуляция прямоугольным импульсом передатчика 4 с помощью генератора 10 с периодом Т и предпочтительно с тем же самым импульсом и интервалом длительности Т_в. Операцию установления времени прохождения выполняют в соответствии с уравнением (9). Уровень разрешения увеличивается ступенчатым образом на период длительности Т, который уменьшается на коэффициент 2, в случае которого первый этап измерения сначала следует за тем же самым вторым периодом, но со сдвигом по времени Т_D = Т/4.

Поперечное сечение, представленное на фиг.1, пикселя 1 элемента фотонного смешения, в соответствии с изобретением, можно оптимизировать относительно ограничивающей частоты посредством подходящей конфигурации в терминах градиента потенциалов, вызванного напряжением пушпульной модуляции. В этом отношении, на фиг.6 представлен вариант осуществления, в котором средний вентиль G₀ размещен между модуляционными фотовентилями G_am и G_bm, при этом средний вентиль предпочтительно находится под напряжением U₀ смещения и вместе с модуляционными фотовентилями G_am и G_bm формируются три потенциальных каскада. Необходимо, чтобы градиент потенциалов был по возможности одинаковым или модуляционное поле дрейфа было по возможности постоянным, и чтобы это достигалось с помощью увеличения числа каскадов от двух до трех или даже более. В фоточувствительной зоне пространственного заряда степень определения или объявления каскадов уменьшается в любом случае с расстоянием от изолирующего слоя 3. Этот эффект используется в другом варианте осуществления настоящего изобретения, а более конкретно - известен под названием "скрытый канал", то есть слабо легированный n-канал, который расположен на глубине несколько мкм от изолирующего слоя, и который расположен несколько глубже в p-подложке под модуляционными фотовентилями. Размещение также включает в себя затенение 12 для накопительных вентилей G_a и G_b для того, чтобы они не освещались световой волной и не вырабатывались дополнительные носители зарядов.

На фиг.7 представлена конкретная конфигурация и подсоединение элементов фотонного смешения, в которых, по сравнению с фиг.1, два модуляционных фотовентиля разделены, соответственно, только общим накопительным вентилем G_s,n, таким образом достигая более высокой степени действия по заполнению. Это размещение также имеет затенение 12 для накопительных вентилей G_a и G_b. В этом случае полярность противофазных модуляционных напряжений или последовательность G_am,n и G_bm,n изменяется от пикселя к пикселю. Этот тройной период вентилей подходит в то же самое время для прямого считывания как трехфазный сдвиговый регистр. Недостаток, который имеется в определенных применениях, заключается в распределении заряда, а также в соответствующих смежных пикселях, который приводит в результате к очевидному увеличению размера пикселя и более низкой степени позиционного разрешения в рассматриваемом направлении.

Вычисление этих взаимосвязей и влияний показывает, что по сравнению со 100%-ным используемым зарядом, после оценки разностей зарядов, рассматриваемый центральный пиксель получает только 50% заряда, и каждый из двух смежных пикселя приобретает по 25% заряда.

Для иллюстрации распределения заряда на фиг.7, аналогично фиг.1, показаны различные фазы распределения потенциалов для модуляции несущей.

На фиг.8 представлен другой преимущественный вариант осуществления конструкции пикселя элемента фотонного смешения, который в случае модуляции несущей не требует никакого IQ (в фазе, со сдвигом фазы на 90^o) переключения между I- и Q-состояниями. Вместо вышеописанного двойного пикселя, можно использовать учетверенный пиксель с модуляционными фотовентилями G_am, G_bm, G_cm и G_dm, а также связанные накопительные вентили G_a, G_b, G_c и G_d, которые позволяют получить корреляцию, одновременно для четырех положений фазы, так как пушпульные напряжения модуляционных фотовентилей U_am(t) и U_bm(t), U_cm(t) и U_dm(t) сдвинуты относительно друг друга в случае ВЧ-модуляции на 90^o.

Поэтому при ортогональном размещении относительно описанных модуляционных фотовентилей G_am с ϕ_am = 0^o и G_bm с ϕ_bm = 180^o, имеются два дополнительных модуляционных фотовентиля G_cm с ϕ_cm = 90^o и G_dm с ϕ_dm = 270^o, которые являются симметрично сгруппированы внутри пикселя и которые функционируют на основе того же самого принципа. Это позволяет получить накопление заряда за четыре стадии с отдельными зарядами q_a, q_b, q_с и q_d и связанными накопительными вентилями G_a, G_b, G_c и G_d или в связанной электронной системе считывания, в котором посредством простой арифметической операции, связанная фаза ϕ_opt непосредственно вычисляется следующим образом:

Для простого определения полутонов отдельного пикселя, отдельные заряды всех накопительных вентилей пикселя суммируют: q_{пиксель} = q_а + q_b + q_с + q_d. Процесс считывания в отношении соответствующих четырех зарядов необходимо выполнить в этом случае с помощью конструкции активного пикселя с использованием КМОП-технологии с предварительной обработкой пиксель-образного интегрированного сигнала.

На фиг. 9, подобно фиг.8, представлен учетверенный пиксель элемента фотонного смешения, но с градиентом потенциалов, который сглажен, как представлено на фиг. 6, посредством центрального квадратного среднего вентиля G₀, который находится, предпочтительно, под потенциалом U₀.

На фиг. 14, подобно фиг. 9, представлен учетверенный пиксель элемента фотонного смешения со структурой, которая оптимизирована для цифровых модуляционных сигналов. Средний вентиль G_g, размещенный между предпочтительно квадратными модуляционными фотовентилями, служит аналогичным способом (фиг. 9) для сглаживания градиента потенциалов, полученного с помощью напряжения модуляционных фотовентилей.

В заключение, на фиг.13 представлен другой предпочтительный вариант осуществления пикселя 1, который в отличие от раскрытых выше вариантов осуществления, выполнен без использования ПЗС-технологии, но использованием КМОП-технологии с электронным пиксель-образным считыванием и системой 15 предварительной обработки сигнала. В этом случае, режим работы модуляционного, зависящего от напряжения дрейфа носителей зарядов по раскачке зарядов является таким же, как и в обсужденных выше вариантах осуществления. Единственное различие в варианте осуществления, показанном на фиг.13, заключается в способе выполнения другой обработки в отношении зарядов q_a и q_b, которые продрейфовали к накопительным вентилям G_a и G_b.

В настоящем варианте осуществления накопительные вентили G_a и G_b находятся в виде сгруппированных pn-диодов. Положительно смещенные накопительные вентили G_a и G_b формируют с помощью n₊-легированных электродов на предпочтительно слабо легированной p-Si-подложке 3 (фиг.13). В случае, известном как режим работы "плавающий-диффузия", или в режиме считывания напряжения, с высокого по значению сопротивления, как и в случае использования ПЗС-технологии, заряды q_a и q_b суммируются на емкостях накопительных вентилей G_a и G_b и считываются в режиме высокого по значению сопротивления в виде значений напряжения.

Преимуществом является также возможность использования режима считывания тока, в котором фотогенерируемые носители заряда не суммируются в потенциальной яме, а непрерывно передаются с помощью выходной диффузии посредством подходящих схем считывания тока, которые подсоединяются к накопительным вентилям G_a и G_b, соответственно. Эти заряды затем накапливаются, например, на соответствующей внешней емкости.

Схема считывания в режиме считывания тока, которая сохраняет напряжение накопительных вентилей фактически на постоянном уровне благодаря обратной связи усилителя, преимущественно гарантирует то, что после интенсивного облучения пикселя, количество накопленных зарядов q_a и q_b не приводит в результате к реакции на или действительному переполнению потенциальной ямы. Таким образом, значительно устраняется динамика элемента фотонного смешения. В этом случае, вышеописанная технология, включающая в себя также слабо легированный n-канал ("скрытый слой") под изолирующим слоем модуляционных вентилей, позволяет достигнуть усовершенствований, связанных к тому же и с увеличением ограничивающей частоты.

Построение элемента фотонного смешения с использованием КМОП-технологии позволяет дополнительно использовать конструкцию активного пикселя (КАП (APS)), с помощью которой, в каждом пикселе, схему считывания и предварительной обработки сигнала можно интегрировать в элементе фотонного смешения. Это позволяет выполнить предварительную обработку электрических сигналов непосредственно в пикселе до прохождения сигналов во внешнюю схему. В частности, таким способом можно получить информацию об амплитуде и фазе непосредственно на кристалле так, чтобы в дальнейшем можно было увеличить скорость измерения.

Другая конфигурация изобретения предусматривает использование предпочтительно двухмерной матрицы с элементами фотонного смешения для процедуры поиска и сопровождения трехмерного электронного объекта, пассивно или активно освещая объекты на основе различных критериев, например, таких как форма объекта, положение, цвет, поляризации, вектор скорости, яркость или комбинацию свойств объекта. Если, например, при прохождении различных сигналов модуляции (например, по частоте или с чередованием кода) при трехмерном измерении падающей световой волны, которая может быть первоначально неизвестной, локальная корреляция находится с помощью критерия разностных токов дрейфа, не равных нулю, то этот диапазон объекта можно потом непрерывно специфически измерять в отношении упомянутых свойств объекта и сопровождать, возможно и в случае изменений, с помощью цепи регулировки, которая, в частности, также включает в себя глубину изображения.

Элемент фотонного смешения используется в различных режимах работы, которые изложены ниже.

В этом отношении суммарный заряд на накопительных вентилях G_a и G_b представляет меньший интерес, так как он всегда соответствует полной интенсивности падающих световых волн, q_a + q_b = const•Т, где Т = время интегрирования.

Разность зарядов

зависит от множества факторов и может быть использована во многих методах измерения падающей световой волны. С этой целью, рассмотрение приводится для основной яркости, которая всегда представляет собой Р₀ ≥ Р_m (см. фиг.3а).

Например, при измерении объекта 6, который освещается с помощью передатчика 4 модулированным светом, чтобы мощность передатчика включали или выключали и, таким образом, Р_m становилась конечной или равнялась нулю. В то же самое время, необязательно, чтобы напряжение U_m(t) модуляции становилось равным нулю, или оно переключалось с конфигурацией, используемой в передатчике, и содержалось в падающем свете, или с напряжением U_m0, которое является постоянным во время интегрирования.

Соответственно, с Р₀ = 0, которая дает четыре важных режима работы:
1). Δq_ab = 0 для Р_m = 0 и U_m = 0.

2). Δq_ab = 0 с конечным Р_m и с U_m(t) в качестве сигнала ВЧ-модуляции.

3). При конечном Р_m и высокочастотном напряжении модуляции Δq_ab является функцией U_m(t) относительного сдвига времени прохождения t и составляющей падающей световой мощности P_m(t), которая модулируется в этом способе.

4). Если в течение времени Т интегрирования имеется средняя интенсивность Р₀ падающего света и постоянное напряжение U_m0 модуляции, то разность заряда Δq_ab является функцией от U_m0 и средней мощности Р₀ света.

В случае световых волн, которые не промодулированы по интенсивности, другая конфигурация изобретения предусматривает, в соответствии с четвертым случаем возможного режима работы, например для двухмерной обработки изображения, используется элемент фотонного смешения.

В этом случае каждый элемент смешения возбуждается специфическим способом и независимо от друг друга, например, с помощью пиксель-образной ассоциации соответствующего быстро перезаписываемого слова напряжения модуляции для U_m0 предпочтительно посредством ОЗУ-компоненты. Предпочтительная оценка производится только по отношению к разностным зарядам

и разностным токам Δi_ab дрейфа, которые приблизительно пропорциональны U_m0. В этом случае напряжение U_m(t) модуляции соответственно получают из слова напряжения модуляции.

Это означает, что U_m(t) не больше установленного периодического или квазипериодического значения, как в предыдущих примерах использования, но апериодического, например, в соответствии с заданным содержанием изображения или в соответствии с измеренным содержанием изображения. Для U_m(t) = 0 все разностные токи равны нулю для того, чтобы ассоциативное разностное изображение D(x, у) также появлялось с нулевой амплитудой или интенсивностью.

На яркость разностных изображений можно, таким образом, специфически влиять путем изменения U_m(x, у, t). В этом способе, согласно изобретению, любые световые волны или изображения, то есть даже на немодулированные, можно подвергнуть универсальной обработке изображений с помощью чрезвычайно быстро устанавливаемой функции взвешивания G(x, у, t) = k₁•U_m(x, у, t), например, с помощью вышеупомянутых управляемых ячеек памяти с пиксель-образной ассоциативной памятью, например, таких как вышеупомянутые использования для поиска и сопровождения объектов, но в случае без информации о глубине.

Реферат

Изобретение относится к способу и соответствующему устройству для определения информации об амплитуде и/или фазе электромагнитной волны. Для того чтобы достигнуть пространственного разрешения по глубине данных изображения, полученных с помощью такого способа, способ согласно изобретению содержит следующие этапы. Электромагнитную волну направляют на поверхность элемента фотонного смешения, содержащего по меньшей мере один пиксель. Пиксель имеет по меньшей мере два светочувствительных модуляционных световентиля G_am и G_bm и связанные накопительные вентили G_a и G_b. Напряжения U_am(t) и U_bm(t) модуляции световентиля, которые имеют конфигурацию в виде U_am(t)=U_o+U_m(t) и U_bm(t)= U_o - U_m(t), прикладывают к модуляционным световентилям G_am и G_bm. Прямое напряжение, величина которого является по меньшей мере такой же, как и величина полного напряжения U_o и амплитуда напряжения U_m(t) модуляции, прикладывают к накопительным вентилям G_a и G_b. Носители заряда, полученные в области пространственного заряда модуляционных световентилей G_am и G_bm, подвергают с помощью падающей электромагнитной волны в виде функции полярности напряжений U_am(t) и U_bm(t) модуляции световентилей действию градиента потенциалов поля дрейфа и дрейфа в соответствующем накопительном вентиле G_a или G_b. Отводят заряды q_a и q_b, которые продрейфовали к накопительным вентилям G_a и G_b соответственно. Соответствующий элемент фотонного смешения имеет по меньшей мере один пиксель, содержащий светочувствительные модуляционные световентили (С_am, G_bm) и накопительные вентили (G_a, G_b). Они связаны с модуляционными световентилями и распределяются на части относительно падающей электромагнитной волны. Множество элементов фотонного смешения можно сгруппировать для того, чтобы сформировать массив. Технический результат изобретения - повышение эффективности процесса определения информации о фазе и амплитуде электромагнитной волны. 4 с. и 30 з.п. ф-лы, 14 ил.

Формула