專利名稱：檢測電磁波相位及幅度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測電磁波(確切地說，最好是在光學(xué)及近紅外和紫外范圍內(nèi))的裝置和方法，其構(gòu)成為至少兩個(gè)對(duì)電磁波敏感(或光敏)的調(diào)制光閘(photogate)和同調(diào)制光閘相關(guān)但非光敏或遮蔽的累積閘(accumulationgate)，以及用以調(diào)制光閘和累積閘的電氣連接，從而使后者能與讀出裝置相連，而使前者能與調(diào)制裝置相連，其中調(diào)制裝置增加或減少調(diào)制光閘的電位，其中所述調(diào)制光閘互相關(guān)，且與相應(yīng)于所需調(diào)制函數(shù)的累積閘的較佳恒定電位有關(guān)。
這樣一種裝置得到于德國專利申請(qǐng)?zhí)?9635935.2和19704496.4以及基于以上兩相關(guān)申請(qǐng)的國際專利申請(qǐng)PCT/DE97/01956中的術(shù)語“光混頻檢測器”(縮寫為PMD)。
上述申請(qǐng)是同一發(fā)明者，并由本申請(qǐng)的申請(qǐng)人申請(qǐng)，而就那里所述而言，對(duì)那些完全公開的前述申請(qǐng)所作的參考乃為操作的基本操作模式、性能以及光混頻檢測的可能用途。因此，本發(fā)明并不討論光混頻檢測器的那些基本功能，而是主要涉及具體的配置和光混頻檢測器的用途，并通過它們使早已熟知的那些元件最佳化。
借助于當(dāng)接收到經(jīng)由物體調(diào)制、反射或發(fā)射的光時(shí)就由同一調(diào)制函數(shù)調(diào)制的調(diào)制光閘執(zhí)行的固有混合步序，該熟知的PMD能夠直接檢測由物體反射的電磁波的渡越時(shí)間，且除了如同常規(guī)攝影照相機(jī)中借助于合適光學(xué)系統(tǒng)加以確供的橫向位置分辨率外還同時(shí)獲得有關(guān)所記錄象素的空間信息項(xiàng)。因此，那些PMD允許直接三維觀察和表面測量而無需在不同角度下昂貴的評(píng)價(jià)步序和記錄步序。
為在已知PMD情況下達(dá)到足夠的靈敏度和深度分辨率，象素表面必須足夠大，從而在單個(gè)象素的記錄期間，接收到來自物體不同表面區(qū)的足夠的電磁輻射，并在光敏材料中產(chǎn)生適當(dāng)數(shù)量的電荷載流子，因最終經(jīng)由在調(diào)制光閘處的不同時(shí)刻發(fā)生的不同數(shù)目的電荷載流子獲得空間信息且經(jīng)由緊緊相連地累積閘加以累積。
關(guān)于單個(gè)象素面積，那需要一個(gè)最小的尺寸。對(duì)于常規(guī)PMD也可由于以下事實(shí)的產(chǎn)生問題，即在圖象中產(chǎn)生非常明顯的物體之明一暗邊界。如果這樣一種明暗邊界偶然落在鄰近調(diào)制光閘之間的邊界區(qū)，則在相鄰累積閘上不同數(shù)量的電荷載流子會(huì)偽造一種相關(guān)結(jié)果，它導(dǎo)致對(duì)深度信息的錯(cuò)誤解釋。
此外，那種具有相對(duì)大面積的光敏象素元件(pixel element)中的渡越時(shí)間比較長以致于調(diào)頻的帶寬或極限值通常只有幾MHz至最大100MHz的范圍內(nèi)。至少1GHz的帶寬特別對(duì)于，例如，光電子技術(shù)以及光信號(hào)傳輸中相應(yīng)的光敏檢測器應(yīng)用而言是所需的。
此外，PMD-象素和PMD-陣列的更高級(jí)功能性以及對(duì)它們的靈活運(yùn)用在不同用途中(特別是出于經(jīng)濟(jì)上的原因)是十分理想的，例如，在以相同象素執(zhí)行不同操作模式的情況下。
在考慮在上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種用以檢測電磁波相位和幅度的裝置(具有本發(fā)明開頭部分所提出的特點(diǎn))，它具有明顯改進(jìn)的帶寬，而且其中較少可能發(fā)生圖象表面上明暗邊界的誤解(misinterpretation)，或者甚至被杜絕掉，借助它能夠在實(shí)際應(yīng)用中獲得更高級(jí)功能性和經(jīng)濟(jì)性。
獲取該目的在于以相互并列關(guān)系(mutually juxtaposed relationship)的狹長平行條形式提供調(diào)制光閘以及累積閘，它們?nèi)后w樣地(group-wise)形成PMD-象素，且其中累積閘以讀出二極管形式出現(xiàn)。
調(diào)制光閘和累積閘以狹長的條狀帶狀形式出現(xiàn)和其布置呈平行而直接地相互并列的關(guān)系這一事實(shí)導(dǎo)致諸閘的溝道(channel)長度十分短(調(diào)制閘條狀帶的寬度在MOS晶體管技術(shù)中被稱為閘長)。在調(diào)制光閘中或下面產(chǎn)生的自由載流子僅僅是相對(duì)于條狀帶方向橫向地漂移閘長的短距離至鄰近的累積閘，其中提到的那個(gè)漂移由調(diào)制光閘上調(diào)制電壓部分中合適的電場加以支持。結(jié)果使漂移時(shí)間落入例如，1ns以下，因而使之有可能達(dá)到1GHz可用的調(diào)制帶寬。即使調(diào)制光閘以及累積閘的各條狀帶相對(duì)較狹，但依靠其對(duì)應(yīng)的長度，它們可以提供一足夠大的光敏面積，同時(shí)還將明白，可將多個(gè)交替布置的條狀調(diào)制光閘和累積閘連在一起以形成一具有幾乎兩倍光學(xué)填滿因子(optical filling factor)的單元。在那種方式下實(shí)際上任何象素形狀和象素尺寸均可由該類條狀帶的結(jié)構(gòu)得以體現(xiàn)，而無效對(duì)調(diào)制帶寬進(jìn)行限制。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例提供，各調(diào)制光閘具有比相應(yīng)鄰近累積閘大一點(diǎn)的寬度，而與此同時(shí)，調(diào)制光閘的寬度還應(yīng)(如可能)小于由那些元件所檢測調(diào)制光用成象光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，并且較佳的是，應(yīng)具有該光或該電磁波的波長或幾個(gè)波長的數(shù)量級(jí)。這意味著借助于衍射效應(yīng)，明顯的明暗邊界可以不再意外地落入以推挽關(guān)系加以調(diào)制的兩相鄰調(diào)制光閘之間的區(qū)域。相反，在橫向上的調(diào)制光閘小尺寸則提供必須讓陰影或明-暗邊界在那些閘的整個(gè)寬度上擴(kuò)展開來，從而使兩相鄰閘仍由光相等地加以激活。此外，對(duì)于十分長且相應(yīng)地十分短的調(diào)制光閘，在任何情況下使明暗邊界精確地平行延伸至那些條狀帶的方向是高度不可能的。然而，對(duì)于相對(duì)于條狀帶的最最輕微的傾斜，兩個(gè)以推挽關(guān)系加以調(diào)制的相鄰調(diào)制光閘則無論如何均以來自相應(yīng)物體(共象被產(chǎn)生)的光照部分和黑暗部分基本上相等地加以激活。
調(diào)制光閘以及同樣累積閘的條狀帶長度如可能應(yīng)至少10倍至100倍于其寬度。由多個(gè)調(diào)制光閘和累積閘所形成象素的寬度應(yīng)整體上大約具有如其長度一樣的同一數(shù)量級(jí)，這意味著大約10-100個(gè)待布置的條狀帶彼此呈相互并列的關(guān)系，其中大約1/3是累積閘，和大約2/3是調(diào)制光閘。然而，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中也可能以相應(yīng)的條狀帶形式布置三個(gè)或甚至更多個(gè)調(diào)制光閘以改進(jìn)每兩個(gè)累積閘之間的電位配置，在該情況下應(yīng)使中央的調(diào)制光閘不受調(diào)制。此外，在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，在象素內(nèi)相對(duì)于條狀帶的橫向上進(jìn)行觀察時(shí)，經(jīng)常存儲(chǔ)以累積閘條狀帶交替的兩調(diào)制光閘條狀帶，其中該兩緊挨著的相互并列的調(diào)制光閘如此加以相連，從而其電位可彼此各自以推挽關(guān)系加以調(diào)制，其中的累積閘則每一個(gè)具有最好是恒定而又較低的能量電位，也就是說，例如對(duì)于光電子的正電位，它提供在兩調(diào)制光閘下產(chǎn)生的電荷載流子主要漂移至假定為低能量電位值的那個(gè)調(diào)制光閘一側(cè)，并從那里進(jìn)入布置在該兩條狀帶之那一側(cè)的累積閘。在該情況下布置在累積閘相應(yīng)側(cè)上的兩調(diào)制光閘條狀帶以推挽關(guān)系加以調(diào)制，那就是說在給定的時(shí)間瞬間，累積閘同時(shí)從相鄰的兩個(gè)調(diào)制充閘條狀帶上接收電荷載流子，而鄰近兩調(diào)制光閘條狀帶之相應(yīng)的鄰近累積閘在該時(shí)刻正如精確地處于較高的電位，從而只有十分少荷載流子進(jìn)入該累積閘。相應(yīng)地將每個(gè)第二相關(guān)的累積閘也與同一讀出線相連，而把其余累積閘與另一讀出線相連，其中那兩條線的和信號(hào)再現(xiàn)出所接收光的幅度，而其差信號(hào)則直接接確定相關(guān)信號(hào)的值，后者由所接收光的調(diào)制產(chǎn)生出來，并同時(shí)以推挽關(guān)系與緊鄰的調(diào)制光閘的同一調(diào)制函數(shù)相調(diào)制。當(dāng)采用第三調(diào)制光閘時(shí)，那會(huì)樣也以完全類似的方式發(fā)生，所述第三調(diào)制光閘將額外的被置于兩個(gè)上述調(diào)制光閘之間，并可使其平均電位配置在恒定值，而對(duì)兩個(gè)鄰近的光閘，則可使之相對(duì)于中央閘以推挽關(guān)系隨調(diào)制電壓而增加或減少。那樣也可使電位配置略為平滑些，而有關(guān)電荷載流子的單側(cè)置換之效率水平則可按照調(diào)制電壓的相應(yīng)電流值使之增加。
按照本發(fā)明，累積閘以讀出二極管形式出現(xiàn)。
在可能的電壓讀出模式下把按照推挽調(diào)制電壓加以分布的光電荷儲(chǔ)在累積閘的電容上--這里即在以組件方式(例如pn-二極管或有基二極管(Cshottkydiode))加以相連的讀出二極管的勢壘層電容--，并以高歐姆讀出裝置加以確定。
在此處較為可取的電流讀出模式下，則將到來的光電荷直接傳輸至實(shí)際上帶有單側(cè)讀出電極電位的讀出電路。
正如為本發(fā)明所用當(dāng)今流行的半導(dǎo)體材料情況那樣，電子遷移率大于空穴或有缺陷電子的遷移率，寧可使光電子經(jīng)由調(diào)制光閘直接加以調(diào)制，并按照調(diào)制電壓分布在累積閘或讀出二極管上。這樣，寧可使讀出二極管的陽極處于公共的地電位，而其陰極則處于正電位，并分別以讀出電極K+和K-連至讀出電路。
以上討論的兩種K+和K-累積閘彼此相互交替在一組累積閘和調(diào)制光閘內(nèi)，它們按照本發(fā)明平行操作，并按本發(fā)明以這樣一種方式形成一新的最高帶寬的PMD象素，例如，從而正調(diào)制充閘電壓導(dǎo)致K+累積閘上光電荷富集，或使K-累積閘上光電荷耗盡，其中借助于雙側(cè)電荷積聚而加倍使用累積閘，并且?guī)缀跏沟锰顫M象素內(nèi)部的光學(xué)程度加倍而寄化電容明顯減小。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中將兩各自含有多個(gè)調(diào)制光閘和累積閘的平行條狀帶之象素布置成直接的并列關(guān)系，在這里被稱作為2-正交象素。對(duì)此值得指出的是，在橫向方向上諸象素分別由該方向上連接有最后累積閘條狀帶的單個(gè)調(diào)制光閘加以終結(jié)，而并非如在諸累積閘之間的情況那樣成對(duì)終結(jié)。如將兩個(gè)這樣的象素以彼此直接并列的關(guān)系加以布置，則那兩個(gè)終結(jié)條狀帶(它們每一個(gè)形成相應(yīng)的兩象素之一各自的調(diào)制光閘)變?yōu)樘幵诒舜讼嗷ゲ⒘械年P(guān)系，而今兩各自彼此分開的象素可以如此方式進(jìn)行調(diào)制，俾此兩彼此相互并列的調(diào)制光閘以相對(duì)于彼此各自的推挽關(guān)系加以調(diào)制，后者在同一調(diào)制電壓和相位下有效地相當(dāng)于具有加倍的象素面積，而供單一的較大象素得以從兩個(gè)象素加以形成。然而由于在這種配置中那兩半個(gè)較大象素基本上可彼此各自獨(dú)立加以調(diào)制，故而調(diào)制函數(shù)也可以等同地以有關(guān)一個(gè)象素的相關(guān)相位或渡越時(shí)間通過相對(duì)于另一象素轉(zhuǎn)90°或一合適的延時(shí)下，很好地加以替代。那樣就意味著，同相和正交信號(hào)在同一時(shí)間進(jìn)行測量，從而在那種方式下以平行和同時(shí)的關(guān)系獲得關(guān)于相關(guān)函數(shù)相位位置的全部信息。
將累積閘諸連線或端子按需分別配備在象素之一的終端。較佳的是，從象素表面的兩端或條狀帶兩端，以推挽條狀帶線形式配備調(diào)制光閘連線或端子，更確切地說，尤其對(duì)條狀帶特別長的情況，則除此之外，還借助在每種情況下如并聯(lián)系統(tǒng)那樣，并以等間距橫向地延伸推挽條狀帶的長度。那樣借助于調(diào)制光閘的電氣表面電阻，使跨越閘長的正被衰減和變形的調(diào)制信號(hào)，從而也使確定的相關(guān)函數(shù)的相應(yīng)變形得以防止。
本發(fā)明一特別可取的實(shí)施例是一個(gè)其中將四象素布置成矩形或正分形，并形成一單元，更為確切地講，以這樣一種方式進(jìn)行布置，即以各自對(duì)應(yīng)的對(duì)角線關(guān)系布置成方形或矩形的象素條狀帶彼此平行延伸，而直接相鄰配置象素的條狀帶則彼此垂直延伸，從而明顯避免過耦合作用產(chǎn)生的特別困擾。該實(shí)施例稱作為4一象限(4Q)PMD象素。如象素本身為正方形則組成這里4-象限的象素元件同樣為正方形，而通過對(duì)角線上相互對(duì)應(yīng)象素之間調(diào)制的相移，有可能同時(shí)檢測到同樣和正交信號(hào)的推挽關(guān)系值。
此外，本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例在以下方面是可取的，即在調(diào)制光閘和累積閘上布置的是相應(yīng)的條狀帶形透鏡，具體講為柱面透鏡，后者聚焦擊在透鏡上的光至調(diào)制光閘，從而由非光敏性累積閘占據(jù)的表面文件也依然有效地對(duì)光的輸出作出貢獻(xiàn)。如耦合進(jìn)的調(diào)制光在本質(zhì)上是相對(duì)的狹帶，則對(duì)于這樣一種光的平均波長，條狀帶結(jié)構(gòu)尺寸可如此把握，從而按波理論的耦合因子明顯大些，或使反射因子比相應(yīng)于按照幾何光學(xué)的反射因子明顯小些。在那種情況下有可能促成對(duì)調(diào)制光閘的改進(jìn)，并有助于這樣一種測量。
可將多個(gè)象素一起連接成或者線性陣列或者矩形陣列，其中涉及到的一實(shí)施例是一個(gè)在其中單個(gè)象素上所布置的是引導(dǎo)入射光的顯微透鏡，所述入射光也部分地引導(dǎo)至介于象素之間的諸區(qū)域，且并不貢獻(xiàn)于通過光敏性象素表面上的顯微透鏡而作的評(píng)價(jià)。
帶有4倍相同或4倍不同調(diào)制的4Q-PMD象素，可以測量出的正方子象素集中諸時(shí)刻(points of concentration)，且在同時(shí)通過所有四個(gè)相關(guān)值以平均來確定該4Q-PMD象素總的相位或渡越時(shí)間。該入單個(gè)集中時(shí)刻渡越時(shí)間在那種情況下給出成象素表面元件的梯度或正常矢量，并允許對(duì)介于一陣列的諸鄰近象素之間待測3D表面的內(nèi)插改進(jìn)。
最后本發(fā)明一特別可取的實(shí)施例是一個(gè)其中的象素也不是單個(gè)調(diào)制光閘和累積閘采用CMOS技術(shù)加以移植而成。那是個(gè)十分低廉而又良好地建立起的工藝技術(shù)，后者允許相應(yīng)元件的大規(guī)模生產(chǎn)，并在同一時(shí)間也允許諸如評(píng)價(jià)電子學(xué)和調(diào)制電子學(xué)一類外圍電子學(xué)裝置進(jìn)行芯片上和多芯片模塊集成。
在CMOS技術(shù)中帶有2D-功能性(所謂的2D-象素)以及同樣帶有3D-功能性(所謂的3D-象素)的常規(guī)CMOS象素兩者均可在一混合配置中以線性陣列或矩形陣列加以集成。在該情況下，各種特別是象素信息的鄰近項(xiàng)目可以下游配置的(down-stream disposed)數(shù)據(jù)合成(data fusioning)和內(nèi)插裝置，利用借用于2D-象素的彩色信息和3D-PMD象素的3D-深度和2D-灰度信息諸項(xiàng)目而快速重建的完整3D-彩色/深度圖象加以評(píng)價(jià)，所述完整的圖象對(duì)有關(guān)光學(xué)測量步率以及在自動(dòng)化、目標(biāo)鑒定、安全技術(shù)和多媒體技術(shù)等提供完全新的選擇。
從今后較佳實(shí)施例的敘述以及相隨的六圖，將供有關(guān)本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，特色和可能的用途及為明朗，其中

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的象素平面圖；圖2示出兩相鄰象素的互連；圖3示出對(duì)如圖2所示的象素元件沿著圖2中的Ⅲ-Ⅲ線截取到的部分截面圖；圖4是圖2所示雙象素或2-象限象素的部分放大的平面圖；圖5是通過本發(fā)明另一實(shí)施例中的象素橫對(duì)條狀帶方向的截面圖，在該象素中對(duì)每種情況帶有三介于兩相關(guān)累積閘和隱埋n-層之間的調(diào)制共閘以及相嵌在絕緣材料內(nèi)的調(diào)制光閘之電極；圖6是以圖4的相應(yīng)各對(duì)圖5所示多條狀帶技術(shù)中3-閘PMD-象素結(jié)構(gòu)所作的平面圖；圖7是示于圖5和6中部分象素的透視圖；圖8示出四個(gè)象素元件，它們以不同的條狀帶取向連在一起，并形成一象素元件，用于各種不同的操作模式；圖9示出構(gòu)成2×4個(gè)如圖8所示象素的視野；圖10圖解地示出3D-攝影照相機(jī)的操作模式，它由相似于圖9的相對(duì)大的象素元件視野構(gòu)成；圖11示出在基于PMD的光學(xué)PLL電路或DLL電路，用于光勢壘(lightbarriers)、時(shí)移攝影照相機(jī)(time lapse camera)或延時(shí)攝影照相機(jī)(delay camera)以及帶有任意數(shù)據(jù)信號(hào)再現(xiàn)的數(shù)據(jù)光勢壘；而圖12則示出對(duì)數(shù)放大器電路，用以測量同相和正交信號(hào)以及具有帶擴(kuò)展技術(shù)的信號(hào)，后者尤其用于高靈敏度數(shù)據(jù)光勢壘、相位渡越時(shí)間測量以及較佳的光學(xué)CDMA(碼分式址)系統(tǒng)和帶有任意數(shù)據(jù)信號(hào)再現(xiàn)的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。
圖1中間部分所示乃為一排平行的垂直條狀帶，其中明亮的條狀帶再現(xiàn)光敏的半透明的調(diào)制光閘，而以記號(hào)4和5指定的黑暗的條狀帶相應(yīng)于略為不透明地加以覆蓋的累積閘或讀出閘。狹而黑的垂直條狀帶則代表介于鄰近調(diào)制光閘1和2之間絕緣部分的分離表面。
此處調(diào)制光閘用記號(hào)1和2加以區(qū)別，因?yàn)橛孟嗤浱?hào)1標(biāo)號(hào)的調(diào)制光閘彼此也以推挽關(guān)系加以調(diào)制，而依次標(biāo)以記號(hào)2(它相對(duì)于那里的是相同的)的調(diào)制光閘的電位則同調(diào)制光閘1以推挽關(guān)系加以調(diào)制。在較下部分的M示意地表示調(diào)制電路，具體而言即調(diào)制電子學(xué)以及調(diào)制電源的連線或端子8。圖1中的上部A示意地表示讀出電路，具體說就是讀出電子學(xué)和連線或端子以及分別連至累積閘4和5的信號(hào)處理裝置。在該情況下，所有累積閘4，也就是說每一節(jié)第二累積閘都被連至第一公共讀出線，而在那些之間配置的累積閘則被連至另一公共讀出線。讀出電路從累積閘4和5的光電荷來確定和信號(hào)U∑和K-相對(duì)于總光電荷(它們相對(duì)于時(shí)間加以平均)和的測量，而U是相對(duì)于光電荷差的測量。將調(diào)制光閘1，例如，當(dāng)調(diào)制光閘2連至電壓端-Um(t)時(shí)，連至成壓端子+Um(t)。調(diào)制電壓較為可取的是偽噪聲電壓或者也可是偽隨機(jī)電壓，但將也可以使用任何經(jīng)編碼過的信號(hào)，后者具有合適的狹的相關(guān)函數(shù)和適當(dāng)?shù)淖珠L。
如調(diào)制光閘1處在低電壓水平，而調(diào)制光閘2處在高電壓水平，則在實(shí)施例3和4中使成為光電子的電荷載流子主要或者幾乎唯一地只通至累積閘4，而累積閘5則收集不到或者無電荷數(shù)到。如電壓條件顛倒過來，因而調(diào)制光閘1處在高電位，而調(diào)制光閘2處在低電位，則電荷載流子幾乎唯一地通過累積閘5向外流出。在所產(chǎn)生的電荷載流子事件中，涉及有關(guān)時(shí)間的重大變化，這通過物體)其象由象素加以記錄(隨同一函數(shù)變化的照明加工產(chǎn)生，同樣還提供關(guān)于瞬間時(shí)刻(moment in time)的信息在該時(shí)間瞬刻有電荷載流子產(chǎn)生于光敏的表面。調(diào)制光閘的調(diào)制以如同用它使物體的照明也調(diào)制那樣的同一調(diào)制函數(shù)進(jìn)行，于是如信號(hào)U那樣供給相關(guān)的函數(shù)，后者包含有涉及成象素距離的信息項(xiàng)目。
正如將要看到的那樣，和其長度相比，條狀帶是十分狹的，在這方面相應(yīng)的條件在圖中并未真實(shí)地按比例加以表示。相反，在實(shí)踐中單個(gè)條狀帶甚至明顯長于其相對(duì)的寬度。狹的條狀帶相應(yīng)于一十分短的閘長，那就是說對(duì)載流子十分短的漂移距離，這些載流子是在調(diào)制光閘1或2下產(chǎn)生至讀出閘4和5之一。相應(yīng)短的漂移時(shí)間允許相應(yīng)快的調(diào)制信號(hào)，因而高的帶寬。
然而為了不對(duì)測量精度水平由于調(diào)制光閘在其長度方向上的電阻而帶來有實(shí)影響，將多個(gè)調(diào)制連線或端子m1、m2和m3分別以最好從象素頂側(cè)至相應(yīng)調(diào)制光閘1和2彼此各自相等的距離平行相連，從而調(diào)制可在連接線m1、m2和m3的相應(yīng)連接點(diǎn)處同時(shí)起作用，在這方面將會(huì)明白，所述連接的數(shù)目可根據(jù)需要以及按照單個(gè)條狀帶的長度加以改變和適應(yīng)。
另一可供選擇的是，這一問題可藉以下加以解決，即如果調(diào)制光閘直接連至累積閘4、5，則在指向累積閘條狀帶的一側(cè)部分地包含一例如，介于調(diào)制充閘寬度的1/4和1/3之間的條狀帶形復(fù)蓋物，后者借助于高電導(dǎo)接觸條狀帶和對(duì)電磁波不透明或略為透明的最好是以金屬膜形式施加于調(diào)制光閘而作成。該措施按本發(fā)明通過柱面透鏡來聚焦光至象素區(qū)域內(nèi)。
此外，調(diào)制光閘1和2也可直接涉及一來自底部標(biāo)以M的部件之終端連接。
圖2圖解的示出由相同的象素元件10,10′(和圖1所示的象素元件10相比，每個(gè)只是其寬度之半)組成的象素。為清晰起見，此處額外的調(diào)制連接m1、m2和m3并未示出，但顯然也可存在。
將此象素10,10′的兩條狀帶視野布置成彼此直接地相互并列的關(guān)系，從而兩單個(gè)調(diào)制光閘2和1分別以相互并列關(guān)系配置在兩象素10,10′之間介面的中央處。每個(gè)象素10,10′具有其自身的調(diào)制電源和其自身的讀出電路以及自身的讀出線。如果相對(duì)于象素10的電位以這樣一種方式對(duì)象素10′施加調(diào)制電壓，即使得象素10的條狀帶2相對(duì)于象素10′的條狀帶1以推挽的關(guān)系加以調(diào)制，則該兩象素元件正象上述圖1中較大象素10那樣共同操作。然而，也可選擇象素10′的調(diào)制電壓為相對(duì)于象素10的調(diào)制電壓通過90度進(jìn)行相移，這對(duì)應(yīng)于同相和正交信號(hào)。這里相應(yīng)地將單個(gè)電壓以及調(diào)制和評(píng)價(jià)電路(evaluation circuit)額外地標(biāo)以“同相”記號(hào)I，而把象素10′的相應(yīng)電路和電壓的符號(hào)標(biāo)以額外的“正交”記號(hào)Q。
圖3圖解示出圖2中所示雙象素的具體物理結(jié)構(gòu)。將會(huì)看到，該雙象素被配置在公共襯底上，并且單個(gè)調(diào)制光閘層、絕緣層和累積閘層的布置和順序與圖1中所示較大象素情況也將涉及的布置并無不同。只是將右邊和左邊象素之半的電氣連接彼此完全分開，從而有可能對(duì)布置在右半邊的調(diào)制光閘的調(diào)制去獨(dú)立地選擇布置在左半邊的調(diào)制光閘的調(diào)制，這正如已經(jīng)提到過的那樣，允許將信號(hào)分離成同相和正交信號(hào)，并增強(qiáng)PMD象素的多用性。
圖4只是平面圖，它基本上也對(duì)應(yīng)于圖2的平面圖，但單個(gè)條素單元以沿其長度被中斷那樣加以圖解說明，為的是能在增大尺度上顯示出完整的布置，而調(diào)制光閘至調(diào)制電路的單個(gè)連接以及同樣讀出電路至累積閘4和5的連接則額外加以詳細(xì)說明。
圖5-7示出本發(fā)明再一個(gè)可供選擇的實(shí)施例，其中在調(diào)制光閘1和2之間還額外配以再一個(gè)光閘3，正如參照?qǐng)D1-4業(yè)已敘述過的那樣，在該情況下每個(gè)圖5-7中右邊的電路符號(hào)指明，該中央調(diào)制光閘被維持在恒定電位，而相對(duì)于那里的調(diào)制光閘1和2則使其電位按調(diào)制函數(shù)而增加或減小。這通常導(dǎo)致平坦的電位配置以及依然較佳的溝道分離作用，較高的漂移速度和較低的調(diào)制功率水平。
在這方面圖5是一相似于圖3的截面圖，但在此情況下并未使象素分成多個(gè)部分。圖5說明具有隱埋n-層和相嵌在絕緣材料中調(diào)制光閘電極的有利配置，與具有重迭閘的結(jié)構(gòu)相比，這對(duì)于十分小的結(jié)構(gòu)是有益的。圖6示出類似圖4的平面圖，而圖7則示出該光混頻檢測PMD的透視圖。
圖8示出由條狀帶狀調(diào)制光閘和累積閘組成的四象素元件，它們每個(gè)基本上呈正方形，并組裝成整體上再次呈正方形的象素，其中彼此相互布置成對(duì)角線關(guān)系的象限內(nèi)諸條狀帶分別各自平行延伸，而在鄰近象限之間的則彼此垂直延伸。那樣就使相互的過耦合和不同鄰近調(diào)制信號(hào)的偽造得以明顯抑制。在那種布置中評(píng)價(jià)電路移至正方形的諸邊，后者可被布置在正方形象素表面的外側(cè)。在該情況下，最好以調(diào)制電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制光閘的調(diào)制，所述調(diào)制電壓信號(hào)在PM調(diào)制情況下，對(duì)彼此成對(duì)角線關(guān)系的兩象限，相對(duì)于另外兩成對(duì)角線布置的象限，通過90度進(jìn)行相移，或者以片寬(chip width)T片進(jìn)行延時(shí)，這依次導(dǎo)致同相和正交信號(hào)的同時(shí)測量。交迭在中央的調(diào)制電壓線，對(duì)于1-象限操作可被關(guān)閉，對(duì)于2-象限操作，它們只能水平和垂直相連，兩對(duì)分立的4-象限操作，它們可被打開。然而對(duì)于涉及有4同一的調(diào)制信號(hào)以及因而較佳的連接線來提供給四次分立的讀出也是有利的。渡越時(shí)間測定所需IQ-值也可在1-象限操作模式中以時(shí)間復(fù)用方式加以確定。在另一可供選擇的外差法中，4相關(guān)函數(shù)可以拍頻通過，且那樣就可確定空間信息的項(xiàng)目。
圖9示出圖8所示種類的一面板或視野為2×8的象素。在每一那樣的象素(此處通常標(biāo)以記號(hào)100)上設(shè)置有顯微透鏡6，后者把沖擊在被整個(gè)象素視野所復(fù)蓋表面的光基本上都聚焦在象素上實(shí)際光敏的表面。該圖并未示出條狀透鏡(striplense)，后者平行延伸至單個(gè)象素上之條狀帶加以布置，并如此來復(fù)蓋整個(gè)象素表面，從而沖擊在條狀透鏡的光只集中在諸累積閘之間的區(qū)域，那就是說只集中在調(diào)制光閘上。
圖10示出按照本發(fā)明配備有象素100的3D攝影照相機(jī)之原理。一發(fā)生器11，本例中為PN(偽噪音)發(fā)生器，控制光傳輸器，這里為一激光二極管12，其發(fā)出之光利用光學(xué)裝置13投射至物體7之表面。在該情況下用發(fā)生器11的調(diào)制信號(hào)調(diào)制光的強(qiáng)度。利用攝影照相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)14將相應(yīng)的反射光以及同樣調(diào)制光投射至象素100的圖象陣列上，象素100具體可為示于圖8中的象素形式或光混頻后元件。
用一延時(shí)器15對(duì)它們進(jìn)行調(diào)制，對(duì)I-輸出用可調(diào)的時(shí)間延遲TD，而對(duì)Q-輸出則用額外的固定時(shí)間延遲T片，都用來自PN發(fā)生器11的同一調(diào)制信號(hào)進(jìn)行，如同來自二極管12的那樣，但處于推挽的關(guān)系。所以經(jīng)調(diào)制而被接收到的光信號(hào)借助調(diào)制光閘以同一調(diào)制函數(shù)對(duì)每一象素相關(guān)兩個(gè)，從而使之留下渡越時(shí)間信息以及因而同樣還有物體7表面上單個(gè)要素的空間信息。
在按照本發(fā)明以狹長的條狀帶形式進(jìn)行配置的情況下，由于物體7的表面上明-暗邊界而引起對(duì)那些深度信息項(xiàng)目的誤解就不再發(fā)生。
圖11和12示出借助于相位調(diào)節(jié)電路PLL筆DLL，使用相應(yīng)的PMD單元來高靈敏地接收光學(xué)信號(hào)。
圖11示出帶有PMD象素作為電-光混頻元件的光學(xué)PLL-電路或DLL-電路，當(dāng)它能在以下諸裝置中有利地使用時(shí)具有極高的靈敏度水平，這些裝置為光勢壘、時(shí)間過去(time-lapse)攝影照相機(jī)中的PLL陣列、光學(xué)遙控器、數(shù)據(jù)光勢壘組件以及光通信中數(shù)據(jù)信號(hào)再現(xiàn)。可將光學(xué)PMD-PLL為普通接收-高頻-放大器那樣加以高度集成，后者連在光二極管的下游而使電子混頻器完全省去，因在輸出34處帶有讀出電路31的光混頻檢測器PMD早已在低頻范圍內(nèi)以低通濾波過的差信號(hào)UΔ-常數(shù)(ia-ib)形式提供混合的積。相位調(diào)節(jié)電路經(jīng)由濾波器或數(shù)字調(diào)節(jié)器加以連接。
可對(duì)許多種調(diào)制模式加以使用，例如對(duì)正弦、矩形、頻率、相位調(diào)制以及對(duì)偏碼復(fù)用，例如PN-編碼。在那種情況下，將電壓控制的發(fā)生器33設(shè)在時(shí)鐘率(clock rate)，并調(diào)制在待接收。當(dāng)相位調(diào)節(jié)電路被鎖定時(shí)，對(duì)按本發(fā)明的寬帶PMD之情況，在讀出電路31的寬帶和輸出35處或經(jīng)由帶放大器的寬帶光二極管(它和同一光學(xué)數(shù)據(jù)信號(hào)并行操作)發(fā)生的數(shù)據(jù)信號(hào)借助那種恢復(fù)類型的時(shí)鐘以1/0決定元件32加以再現(xiàn)。為此目的，光學(xué)1/0數(shù)據(jù)信號(hào)最好作為回歸至零(R-Z)信號(hào)加以編碼。
圖12示出-2Q-PMD-DLL，在1Q-PMD接收器基礎(chǔ)上用它甚至可得更高水平的靈敏度，特別對(duì)PN調(diào)制尤為如此。
正如上面提到過的專利申請(qǐng)(授予形成本發(fā)明申請(qǐng)基礎(chǔ)的)那樣，周期性PN-調(diào)制在PMD接收方面提供很多優(yōu)點(diǎn)，特別是多通道選擇的可能性、多目標(biāo)檢測以及有關(guān)相位渡越時(shí)間分辨方面的最高靈敏度。按本發(fā)明同樣可用PN編碼數(shù)據(jù)信號(hào)作數(shù)據(jù)光勢壘裝置，包括距離測量在內(nèi)，以及作光學(xué)CDMA傳輸，例如圖12所示那樣，在該方面，例如邏輯“1”相應(yīng)于正常PN字，而邏輯“0”則相應(yīng)于反相PN字=PN，也就是說明/暗芯片相互交換。和圖11相反，在圖12中，這是作為光電流定量差的差值UΔ=常數(shù)(|ia-ib|-|ic-id|)加以形成的差輸出電壓。借助恢復(fù)的字時(shí)鐘有可能通過程序去再現(xiàn)PN編碼過的1/0數(shù)據(jù)順序之?dāng)?shù)據(jù)信號(hào)，從而在加法放大器(summing amplifier)中將光電流差之和U∑=常數(shù)(|ia-ib|-|ic-id|)經(jīng)由PN字長通過包含在加法放大器中的短期積分器相應(yīng)加以形成，而在1/0決定元件中，1/0決定以時(shí)鐘同步方式加以取出，用于其后的評(píng)價(jià)或再現(xiàn)。
用以正弦調(diào)制的VCO調(diào)制電壓以及用T片=正弦周期的T/4去檢測和再生矢量調(diào)制也是可能的。
權(quán)利要求
1．一種用以檢測電磁波的相位和幅度的裝置，其中，所述電磁波最好是在光學(xué)及近紅外和紫外范圍內(nèi)，所述裝置包括至少兩個(gè)對(duì)電磁波敏感(光敏)的調(diào)制光閘(1,2)和與所述調(diào)制光閘相關(guān)且不光敏或被遮蔽的累積閘(4,5)以及供調(diào)制光閘(1,2)和累積閘(4,5)用的電氣連接，從而后者能連至讀出裝置，而前者能連至調(diào)制裝置，所述調(diào)制裝置根據(jù)所需調(diào)制函數(shù)增加或減少彼此相關(guān)且與累積閘(4,5)的較佳恒定電位相關(guān)的調(diào)制光閘(1,2)的電位，其特征在于以長而狹的平行條狀帶形式配備多個(gè)調(diào)制光閘(1,2)和累積閘(4,5)，這些條狀帶群體地形成PMD-像素，其中所述累積閘是以讀出二極管的形式，且在每種情況下最好使其陰極作為讀出電極。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)制光閘(1,2)的寬度大于所述累積閘(4,5)的寬度。
3．如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述各調(diào)制光閘的寬度具有所述調(diào)制光閘對(duì)其敏感的電磁波輻射的波長的數(shù)量級(jí)或者具體在遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)還小于該波長的數(shù)量級(jí)。
4．如權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)制光閘(1,2)和所述累積閘(4,5)的條狀帶長度是所述調(diào)制光閘對(duì)其敏感的電磁波輻射的波長的10倍以上，較佳的是50倍之上。
5．如權(quán)利要求1-4所述的裝置，其特征在于，多個(gè)調(diào)制光閘成對(duì)地以相互平行的并列關(guān)系加以配備，其中這樣的調(diào)制光閘對(duì)(1,2)中的每個(gè)調(diào)制光閘都連至另一調(diào)制連線，從而所述調(diào)制光閘(1,2)可以推挽關(guān)系加以調(diào)制，其中將相應(yīng)的累積閘(4,5)設(shè)置在一對(duì)調(diào)制光閘(1,2)和下一個(gè)相鄰調(diào)制光閘對(duì)(2,1)之間，并把緊挨著相應(yīng)的累積閘(4,5)的所述兩對(duì)調(diào)制光閘(1,2)連接到或者電氣接合至所述調(diào)制連線，從而其調(diào)制分別以推挽模式進(jìn)行。
6．如權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，將多個(gè)調(diào)制連線(m1,m2,m3)沿條狀帶長度基本等間距地加以布置，并連至所述調(diào)制光閘(1,2)。
7．如權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，緊鄰所述累積閘(4,5)的所述調(diào)制光閘(1,2)，在其指向所述累積閘的一側(cè)部分地包含有一由高電導(dǎo)率、但對(duì)電磁波不具備或極低透明度的接觸條狀帶作的復(fù)蓋物。
8．如權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有一個(gè)或多個(gè)象素元件，其中一個(gè)象素元件包含有多對(duì)調(diào)制光閘(1,2)和累積閘(4,5)，其中處于不同調(diào)制電壓的鄰近象素元件的條狀帶方向最好彼此垂直，且其中至少由一個(gè)相應(yīng)的調(diào)制光閘(1,2)相對(duì)于所述條狀帶方向橫向限定所述象素的各端，所述調(diào)制光閘(1,2)鄰接下一個(gè)向內(nèi)設(shè)置的累積閘(4,5)。
9．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，將所述累積閘連接設(shè)置在象素的條狀帶的各端，其中把每第二累積閘連至兩根讀出線中相應(yīng)的一根(例如K+)，而把其它的所述累積閘連至所述連接線中相應(yīng)的另一根(相應(yīng)于K-)，其中所述讀出線引向評(píng)價(jià)電路。
10．如權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，將兩個(gè)象素元件(10，10′)布置成其條狀帶平行和直接相互并列的關(guān)系，從而定義所述兩個(gè)象素元件的相互并列端或側(cè)的相互緊挨著的調(diào)制光閘形成一對(duì)調(diào)制光閘(1,2)，后者可以推挽模式或相位置換關(guān)系選擇性地進(jìn)行調(diào)制，從而或者形成尺寸加倍的單個(gè)象素元件，或者兩個(gè)象素元件出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的測量步序也是可行的，例如一同相信號(hào)和一正交信號(hào)。
11．如權(quán)利要求8和9所述的裝置，其特征在于，將四象素元件布置成矩形，其中在矩形內(nèi)以對(duì)角線上相對(duì)關(guān)系設(shè)置的所述象素的條狀帶分別相互平行地延伸，而所述緊挨著的象素元件的條狀帶則相互垂直地延伸，且其中所述調(diào)制連線如此連接，從而可以相移關(guān)系實(shí)現(xiàn)鄰近象素元件(10)的調(diào)制，較確切地說最好是在每種情況下偏轉(zhuǎn)90度。
12．如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，每一所述象素元件(10)基本上分別呈正方形，并將所述四個(gè)象素元件組裝成正方形或把所述角額外地切去以致于基本上形成八面體形。
13．如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，將所述四個(gè)象素元件選擇性地單個(gè)組合(4-象限操作)或以對(duì)角線關(guān)系雙組(2-象操作)或以四倍關(guān)系組合(1-象限操作)，其中在4-象限操作和2-象限操作情況下額外評(píng)價(jià)表面單元的梯度或正常矢量。
14．如權(quán)利要求1-12中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)制光閘和所述累積閘以及運(yùn)用CMOS技術(shù)或BICMOS技術(shù)，以部分芯片上和部分多芯片模塊生產(chǎn)所述相關(guān)的信號(hào)評(píng)價(jià)外圍設(shè)備和調(diào)制外圍設(shè)備。
15．如權(quán)利要求1-14中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，在所述調(diào)制光閘(1,2)上布置條狀透鏡，它基本上聚焦入射在象素元件表面上的所有光，而不是入射到所述調(diào)制光閘(1,2)上的光。
16．如權(quán)利要求1-15中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，將多個(gè)象素布置成線性或矩陣陣列。
17．如權(quán)利要求1-16中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，在線性或矩形陣列中帶有3D功能的PMD象素以及同樣帶有2D功能的常規(guī)CMOS象素兩者均以混合模式加以使用，其中各種象素信息，尤其是鄰近象素信息均被通至數(shù)據(jù)合成和內(nèi)插裝置用以重構(gòu)深度圖象。
18．如權(quán)利要求16和17所述的裝置，其特征在于，最好存在同每一PMD象素相關(guān)的顯微透鏡，它將入射到所述陣列上的光基本上集中到所述各象素的光敏表面上。
19．對(duì)如權(quán)利要求1-18中任一權(quán)利要求所述的裝置的使用，其特征在于，將所述裝置用作攝影照相機(jī)中的光敏圖象記錄元件。
20．對(duì)如權(quán)利要求1-18中任一權(quán)利要求所述的裝置的使用，其特征在于，在光學(xué)信號(hào)處理中將所述裝置用作頻率和相位敏感的混合或相關(guān)元件用于信號(hào)獲取、處理和噪音抑制。
21．一種操作如權(quán)利要求1-18中任一權(quán)利要求所述的裝置的方法，其特征在于，將欲產(chǎn)生圖像的景色用按照調(diào)制函數(shù)加以調(diào)制的光進(jìn)行照射，其中調(diào)制光閘(1,2)以相同的但今為雙極或推挽調(diào)制函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，而其中對(duì)于象素的2-象限或4-象限象素之半，則選擇性地在正弦調(diào)制情況下實(shí)現(xiàn)90°相移調(diào)制，或者在矩形調(diào)制情況下實(shí)現(xiàn)位寬，或者在調(diào)制光閘電壓的PN調(diào)制情況下實(shí)現(xiàn)片寬。
22．對(duì)如權(quán)利要求1-18中任一權(quán)利要求所述的裝置的使用，其特征在于，在最好被高度集成且最好在光勢壘布局中使用的光學(xué)PLL電路或DLL電路中將所述裝置用作時(shí)移攝影照相機(jī)中、在光學(xué)遙控中和在數(shù)據(jù)光勢壘布局中的PLL-陣列，以及在以各種調(diào)制模式進(jìn)行的光通信中再生成數(shù)據(jù)信號(hào)。
23．對(duì)如權(quán)利要求1-18和22中任一權(quán)利要求所述的裝置的使用，其特征在于，在1Q-PMD接收器基礎(chǔ)上，在帶有2Q-PMD-DLL的光學(xué)PLL或DLL電路中使用所述裝置，尤其是針對(duì)PN調(diào)制，其中將數(shù)字PN編碼數(shù)據(jù)信號(hào)用于多溝道選擇、多目標(biāo)檢測以及相位渡越時(shí)間分辨率中的最高靈敏度，其中形成差輸出電壓作為光電流定量差的差UΔ=常數(shù)(|ia-ib|-|ic-id|)加以形成，并將所述差輸出電壓作為壓控多諧振蕩器的控制參數(shù)通過回路濾波器或數(shù)字調(diào)節(jié)器反饋到芯片頻率，且其中PN編碼的1/0數(shù)據(jù)順序的數(shù)據(jù)信號(hào)借助于由程序恢復(fù)的字時(shí)鐘加以再生，從而在加法放大器(41)中諸光電流差之和U∑=常數(shù)(|ia-ib|-|ic-id|)通過加法放大器中所含短期積分器在PN字長上分別加以形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測電磁波相位和幅度的裝置。該裝置至少由對(duì)電磁波敏感的兩調(diào)制光閘(1,2)構(gòu)成。該裝置也包含累積閘(4,5)將它們分配至所述調(diào)制光閘,且是并不光敏的。該裝置還具有供調(diào)制光閘(1,2)和累積閘(4,5)用的電氣連接,從而使后者能連至讀出裝置,而使前者能連至調(diào)制裝置。所述調(diào)制裝置增加或減少調(diào)制光閘(1,2)的電位,該電位與另一調(diào)制光閘相關(guān),也與相應(yīng)于所需調(diào)制函數(shù)的累積閘(4,5)之寧可恒定的電位相關(guān)。本發(fā)明提供使多個(gè)調(diào)制光閘(1,2)和累積閘(4,5)配之以形狀狹而長的平行條狀帶,后者形成一PMD象素組合。
文檔編號(hào)H01L27/146GK1301401SQ99806369
公開日2001年6月27日 申請(qǐng)日期1999年5月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月18日
發(fā)明者魯?shù)婪颉な┩呙?申請(qǐng)人:魯?shù)婪颉な┩呙?