DE19704496C2 - Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave - Google Patents
Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic waveInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Be stimmung der Phasen- und Amplitudeninformation einer elektroma gnetischen Welle.The invention relates to a method and an apparatus for loading tuning the phase and amplitude information of an electroma gnetic wave.
Der Begriff Phase steht hier allgemein für Phasenlaufzeit und für die je nach Signalform ebenfalls verwendete Bezeichnung Laufzeit.The term phase here generally stands for phase runtime and for each Term used also according to signal form.
Im folgenden wird von einer Lichtwelle anstatt von einer elektroma gnetischen Welle gesprochen. Dieses bedeutet jedoch keine Einschrän kung nur auf den Spektralbereich der sichtbaren elektromagnetischen Wellen, sondern dient lediglich der Vereinfachung.The following is a light wave instead of an electroma gnetic wave spoken. However, this means no restrictions only on the spectral range of the visible electromagnetic Waves, but only serves to simplify.
Zur Messung von Frequenzkomponenten nach Amplitude und Phase in breitbandigen und hochfrequenten Signalen werden in der elektro nischen Meßtechnik und Nachrichtentechnik häufig Phasendetekto ren eingesetzt, die das unbekannte Signal mit einer Sinusschwingung multiplizieren bzw. mischen und den Gleichanteil, der bei Vorliegen einer Signalkomponente gleicher Frequenz durch Integration bzw. Tiefpaßfilterung entsteht, bestimmen.For measuring frequency components by amplitude and phase in broadband and high-frequency signals are used in the electro African measuring technology and communications technology often phase detection ren used the unknown signal with a sine wave multiply or mix and the DC component that is present a signal component of the same frequency through integration or Low pass filtering arises, determine.
Dieser Prozeß erzeugt die Korrelationsfunktion des unbekannten Si gnals mit dem Mischsignal für eine bestimmte, einstellbare relative Phasenlage. Durch Ändern der Mischfrequenz (Wobbeln) kann das unbekannte Signal in seine Spektralanteile zerlegt werden. Durch mindestens 3 Phasenlagen der Mischfrequenz können Gleichanteil, Wechselamplitude und Phase der unbekannten Frequenzkomponente gleicher Frequenz bestimmt werden.This process creates the correlation function of the unknown Si gnals with the mixed signal for a certain, adjustable relative Phase position. This can be done by changing the mixing frequency (wobble) unknown signal can be broken down into its spectral components. By at least 3 phase positions of the mixed frequency can Change amplitude and phase of the unknown frequency component same frequency can be determined.
Die Untersuchung entsprechender optischer Signale, die eine wach sende Bedeutung in der Meßtechnik und Nachrichtentechnik erlangt haben, geschieht heute i. a. über breitbandige Photodetektoren als elek trooptische Wandler mit anschließender elektronischer Meßwertbe stimmung - wie zuvor für elektrische Signale beschrieben. Examination of appropriate optical signals that keep you awake gaining importance in measurement technology and communications engineering have happened today i. a. via broadband photodetectors as elec trooptic converters with subsequent electronic measured values mood - as previously described for electrical signals.
Wegen des hohen Aufwandes werden diese Verfahren und die ent sprechenden Meßgeräte meist nur ein- oder zweikanalig ausgeführt. Bei optischen Signalen sind jedoch häufig gleichzeitig sehr viele paral lele Kanäle - insbesondere ganze Bildfolgen - mit hohen Frequenzan teilen zu vermessen.Because of the high cost, these processes and the ent speaking measuring instruments usually only one or two channels. In the case of optical signals, however, a large number are often parallel All channels - especially entire picture sequences - with high frequency share to measure.
Neben den spektralen Modulationseigenschaften von zweidimensio nalen Lichtwellen interessiert zunehmend der schnelle Verlauf der Einhüllenden in Raum und Zeit. Außerdem möchte man schnell und genau 3D-Objekte z. B. über optische Radarverfahren vermessen, was infolge der Lichtgeschwindigkeit der Echosignale sehr schnelle Detek toren im Subnanosekundenbereich erfordert. Zugleich sollten sie als Detektorarray vorliegen, wenn man auf ein zeitraubendes Abscannen der aktiv oder passiv leuchtenden 3D-Objekte verzichten möchte.In addition to the spectral modulation properties of two-dimensional light waves are increasingly interested in the fast course of the Envelopes in space and time. You also want to be quick and exactly 3D objects z. B. measured via optical radar, what very fast detection due to the speed of light of the echo signals gates in the subnanosecond range. At the same time, they should be as Detector array are present when looking at a time consuming scan who wants to do without active or passive glowing 3D objects.
In der Offenlegungsschrift DE 44 39 298 A1, von der die vorliegende Er findung ausgeht, wird eine solche 3D-Kamera vorgeschlagen.In the published patent application DE 44 39 298 A1, of which the present Er such a 3D camera is proposed.
Fig. 10 soll zur Veranschaulichung dieser 3D-Kamera dienen, die auf dem Echolaufzeit- bzw Phasenlaufzeitverfahren beruht. Die von ei nem modulierten Lichtsender 107 und 103 abgestrahlte und von dem 3D-Objekt 100 reflektierte HF-modulierte Lichtwelle 101 enthält die ge samte Tiefeninformation in der Verzögerung der Phasenfront. Wird die einfallende Lichtwelle in der Empfangsapertur 102 nochmals mit einem zweidimensionalen, optischen Mischer 104 der gleichen Fre quenz moduliert, was einem homodynen Misch- oder Demodulati onsprozeß entspricht, so entsteht ein stationäres Hochfrequenz-Interfe rogramm. Fig. 10 is intended to serve to illustrate this 3D camera or on the Echolaufzeit- phase delay method is based. The RF-modulated light wave 101 emitted by a modulated light transmitter 107 and 103 and reflected by the 3D object 100 contains the entire depth information in the delay of the phase front. If the incident light wave in the receiving aperture 102 is again modulated with a two-dimensional optical mixer 104 of the same frequency, which corresponds to a homodyne mixing or demodulation process, a stationary high-frequency interferogram arises.
Dieses HF-Interferogramm kann mit einer konventionellen CCD-Ka mera 105 aufgenommen und mit einer Bildverarbeitung 106 weiter verarbeitet werden. Die Integration des Gleichanteils des Mischproduk tes in der CCD-Photoladung entspricht der Bildung der Korrelations funktion der beiden Mischsignale. Die abstandsbezogenen Phasenver zögerungen durch die Echolaufzeiten sowie die Amplituden können pixelweise aus drei oder mehr Interferogrammen durch unterschiedli che Phasen der demodulierenden Mischfrequenz, z. B. 0°, 120° und 240° oder 0°, 90°, 180° und 270° berechnet und somit das 3D-Tiefenbild re konstruiert werden.This HF interferogram can be recorded with a conventional CCD camera 105 and further processed with an image processing 106 . The integration of the direct component of the mixed product in the CCD photo charge corresponds to the formation of the correlation function of the two mixed signals. The distance-related phase delays due to the echo propagation times and the amplitudes can be pixel by pixel from three or more interferograms by different phases of the demodulating mixed frequency, e.g. B. 0 °, 120 ° and 240 ° or 0 °, 90 °, 180 ° and 270 ° and thus the 3D depth image can be re-constructed.
Der zweidimensionale optische Mischer 103 bzw. 104, der auch als räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator SLM) bezeichnet wird, besteht dabei bspw. aus einer Pockelszelle, die eine Reihe schwerwiegender, in der Literatur beschriebener Nachteile aufweist.The two-dimensional optical mixer 103 or 104 , which is also referred to as a spatial light modulator (spatial light modulator SLM), consists, for example, of a Pockels cell which has a number of serious disadvantages described in the literature.
Weitere Realisierungsmöglichkeiten bieten LCD-Fenster, die zwar bil lig, aber bzgl. der gewünschten Bandbreite um etwa den Faktor 1000 zu niedrig liegen.LCD windows offer further implementation options lig, but with respect to the desired bandwidth by about a factor of 1000 lie low.
Ebenfalls teuer und aufwendig ist der Einsatz einer sogenannten Mi krokanalplatte, wie sie in Bildverstärkern eingesetzt wird. Durch Mo dulation der an den Mikrokanälen angelegten Beschleunigungsspan nung, die die Sekundärelektronenemission in den Mikrokanälen be einflußt, kann die Verstärkung moduliert werden.The use of a so-called Mi is also expensive and complex Cro-channel plate as used in image intensifiers. By Mon dulation of the acceleration chip applied to the microchannels voltage that affects the secondary electron emission in the microchannels influences, the gain can be modulated.
Weiterhin wird im Stand der Technik ein Vorschlag eines 2D-Korrela tors auf der Basis eines CCD-Photodetektorarrays gemacht: "The Lock- In CCD-Two Dimensional Synchronous Detection of Light" von Spi rig, Seitz et. al., veröffentlicht im IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, No. 9, Sept. 1995, Seite 1705-1708. Dort wird ein Photopixel über 4 Transfergates abgefragt, um die Phase sinusmodulierten Lichts zu ermitteln. Pro Sinusperiode werden mit den 4 Transfergates je eine äquidistante Probe entnommen, wodurch sich die Phase leicht berech nen läßt. Dieser Prozeß ist für die aufgezeigten Problemstellungen zu langsam, da das harmonische Lichtsignal zunächst während einer die Bandbreite signifikant begrenzenden Abtastdauer aufintegriert wird. Erst dann erfolgt mit der Übernahme der gespeicherten Ladung als Ab tastprobe der gewünschte Mischprozeß.Furthermore, a proposal of a 2D correla is made in the prior art made on the basis of a CCD photodetector array: "The Lock- In CCD-Two Dimensional Synchronous Detection of Light "by Spi rig, Seitz et. al., published in the IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, No. 9, Sept. 1995, pages 1705-1708. There is a photopixel queried via 4 transfer gates to the phase of sine-modulated light to determine. With each of the 4 transfer gates, there is one for each sine period Equidistant sample taken, which makes the phase easy to calculate leaves. This process is too for the problems presented slowly, since the harmonic light signal initially during a Bandwidth significantly limiting sampling time is integrated. Only then is the stored charge accepted as Ab sample the desired mixing process.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudeninformation und damit der Einhüllenden einer Lichtwelle anzugeben, die ein einfacheres, breitbandigeres und preisgünstigeres Korrelatorkonzept und über eine vorgebbare Beleuchtung eine schnelle 3D-Objektvermessung ermöglichen. The invention is therefore based on the technical problem, a Ver drive and a device for determining the phase and / or Amplitude information and thus the envelope of one Specify light wave that is a simpler, broadband and less expensive correlator concept and a predefinable one Illumination enables fast 3D object measurement.
Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird nun durch das Verfah ren nach Anspruch 1 sowie durch das photonische Mischelement nach Anspruch 14, durch die Mischelementanordnung nach Anspruch 20 und durch die Vorrichtung nach Anspruch 23 gelöst.The technical problem outlined above is now solved by the procedure ren according to claim 1 and by the photonic mixing element Claim 14, by the mixing element arrangement according to claim 20 and solved by the device according to claim 23.
Das erfindungsgemäße Prinzip basiert auf einer durch die Modulati onsphotogatespannung erzeugten Drift und Trennung der durch die Lichtwelle photogenerierten Minoritätsladungsträger im Material un terhalb von mindestens zwei benachbarten lichtempfindlichen Modu lationsphotogates. Diese Ladungsträger driften dabei unter dem Ein fluß der an den Modulationsphotogates anliegenden Modulationspho togatespannungen Uam(t) und Ubm(t) je nach Polarität bzw. Phase zu den mit vorzugsweise der doppelten Gleichspannung Ua und Ub vor gespannten Akkumulationsgates. Die Modulationsphotogatespannun gen Uam(t) und Ubm(t) liegen vorzugsweise komplementär an und set zen sich vorzugsweise aus einer Vorspannung U0 und der im Gegen takt überlagerten Modulationsspannung +Um(t) bzw. -Um(t) zusam men. Die beiden Modulationsphotogates bilden zusammen vorzugs weise eine quadratische Fläche. Ein Pixel mit nur zwei Modulations photogates kann auch als Zweifachpixel bezeichnet werden.The principle according to the invention is based on a drift generated by the modulation photogate voltage and separation of the minority charge carriers photogenerated by the light wave in the material below at least two adjacent light-sensitive modulation photogates. These charge carriers drift under the influence of the modulation photo voltages applied to the modulation photogates U am (t) and U bm (t), depending on the polarity or phase, to those with preferably twice the DC voltage U a and U b before tensioned accumulation gates. The modulation photogates voltages U am (t) and U bm (t) are preferably complementary and are preferably composed of a bias voltage U 0 and the modulation voltage + U m (t) or -U m (t), which is superimposed in the clock cycle men. The two modulation photogates preferably form a square surface. A pixel with only two modulation photogates can also be referred to as a double pixel.
Dieses erfindungsgemäße Prinzip setzt den photoelektrischen Quan teneffekt, verursacht durch elektromagnetische Wellen, voraus. Trotzdem wird - ohne daß dies als Einschränkung zu begreifen ist - immer von Lichtwellen gesprochen.This principle according to the invention sets the photoelectric quan effect caused by electromagnetic waves. Nevertheless - without this being understood as a limitation - always talked about light waves.
In der modulationsspannungsabhängigen bzw. phasenabhängigen Drift der photoerzeugten Ladungsträger zur rechten oder zur linken Seite der Modulationsphotogates ("Ladungsschaukel") besteht der ei gentliche Misch- bzw. Multiplikationsprozeß. Dabei stellt die Ladungs differenz zwischen den so getrennten, unter den Akkumulationsgates gesammelten und an die Ausleseelektronik weitergeleiteten Ladungs trägern unter Berücksichtigung einer Integration in einer vorgegebe nen Zeit ein Maß für die Korrelationsfunktion der Einhüllenden des einfallenden modulierten Lichtsignals und der Modulationsspannung Um(t) dar. The actual mixing or multiplication process consists in the modulation voltage-dependent or phase-dependent drift of the photo-generated charge carriers to the right or to the left of the modulation photogates (“charge swing”). The charge difference between the charge carriers thus separated, collected under the accumulation gates and forwarded to the readout electronics, taking into account integration in a predetermined time, is a measure of the correlation function of the envelope of the incident modulated light signal and the modulation voltage U m (t) .
Gleichzeitig bleibt die Ladungssumme dieser zu den Akkumulations gates gedrifteten und weitergeleiteten Ladungsträger von der Stellung der Ladungsschaukel unbeeinflußt und steht als entsprechende Pi xelintensität bzw. als Pixelgrauwert zur Verfügung.At the same time, the total charge remains with the accumulations gates drifted and forwarded load carriers from the position the charge swing is unaffected and stands as a corresponding pi xel intensity or as a pixel gray value.
Um die relative Phase oder Zeitverzögerung der einfallenden Licht welle zu bestimmen, ist es - wie oben beschrieben - notwendig, drei Messungen für die drei Größen Gleichspannungs- und Wechselspan nungsanteil sowie relative Phase durchzuführen. Daher ist eine Aus gestaltung des Pixels des photonischen Mischelementes mit drei licht empfindlichen Modulationsphotogates möglich, die mit Modulations photogatespannungen beaufschlagt werden, die drei verschiedene Pha senverschiebungen zur vom Sender ausgestrahlten Lichtwelle aufwei sen.To the relative phase or time delay of the incident light to determine the wave, it is necessary - as described above - three Measurements for the three sizes of DC voltage and AC voltage proportion and relative phase. Hence an out design of the pixel of the photonic mixing element with three light sensitive modulation photogates possible with the modulation photogate voltages are applied to the three different Pha shifts to the light wave emitted by the transmitter sen.
Zur Bestimmung der Phase des Empfangssignals an jedem Pixel des photonischen Mischelementes aus den resultierenden Korrelations amplituden werden zweckmäßiger Weise jedoch vier verschiedene Messungen bei vier verschiedenen Phasen des Mischersignals heran gezogen. Dadurch erhält man eine Überbestimmung, durch die das Rauschen entscheidend verringert werden kann.To determine the phase of the received signal at each pixel of the photonic mixing element from the resulting correlation However, amplitudes are expediently four different ones Measurements for four different phases of the mixer signal drawn. This gives you an overdetermination through which the Noise can be significantly reduced.
Durch die Gegentaktanordnung der Modulationsphotogatespannun gen an zwei Modulationsphotogates pro Pixel werden jeweils zwei die ser Messungen gleichzeitig durchgeführt. Daher genügt es bspw. bei ei ner HF-Modulation, zwei um jeweils 90° verschobene Messungen bei 0°/180° wie auch bei 90°/270° Phasendifferenz der Modulationsphoto gatespannungen Uam(t) bzw. Ubm(t) gegenüber der Phase des einge strahlten Lichtes durchzuführen, um die notwendigen vier verschie denen Meßwerte zu erhalten.Due to the push-pull arrangement of the modulation photogates voltages on two modulation photogates per pixel, two of these measurements are carried out simultaneously. It is therefore sufficient, for example, for an RF modulation, two measurements shifted by 90 ° at 0 ° / 180 ° as well as with a 90 ° / 270 ° phase difference of the modulation photo voltages U am (t) or U bm (t) to carry out the phase of the incident light in order to obtain the necessary four different measured values.
Besonders bevorzugt ist daher eine Anordnung, bei der das jeweils ein Pixel bildende photonische Mischelement aus vier symmetrisch ange ordneten Modulationsphotogates besteht, wobei jeweils zwei sich ge genüberliegende Modulationsphotogates mit Gegentakt- bzw. um 180° phasenverschobenen Modulationsphotogatespannungen beaufschlagt sind, wobei die beiden im Zusammenhang mit dem Zweifachpixel zu vor beschriebenen um jeweils 90° verschobenen Messungen bei 0°/180° wie auch bei 90°/270° Phasendifferenz der Modulationsphoto gatespannungen in diesem Fall gleichzeitig durchgeführt werden. Ein solches Pixel kann auch als Vierfachpixel bezeichnet werden.An arrangement is therefore particularly preferred in which the respective one Pixel-forming photonic mixing element consisting of four symmetrically arranged ordered modulation photogates, two each opposite modulation photogates with push-pull or 180 ° phase-shifted modulation photogate voltages are, the two related to the double pixel too before described measurements shifted by 90 ° 0 ° / 180 ° as well as 90 ° / 270 ° phase difference of the modulation photo In this case, gate voltages are carried out simultaneously. A such a pixel can also be called a quadruple pixel.
Für eine Eichung der Phasenverschiebung der Modulationsphotogate spannungen Uam(t) und Ubm(t) ist es weiterhin in bevorzugter Weise möglich, einen Teil der vom Sender abgestrahlten Lichtwelle als Refe renz direkt auf mindestens einen von mehreren Pixeln einer Anord nung von einer Mehrzahl von photonischen Mischelementen zu rich ten. Die von diesem direkt bestrahlten Pixel gewonnene Phasen- und Amplitudeninformation kann dann für die Eichung benutzt werden bzw. für eine Justierung der Phasenverschiebung auf einen vorgegebe nen Wert verwendet werden.For a calibration of the phase shift of the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t), it is also possible in a preferred manner to reference part of the light wave emitted by the transmitter directly to at least one of several pixels of an arrangement of a plurality of photonic mixing elements. The phase and amplitude information obtained from this directly irradiated pixel can then be used for the calibration or for adjusting the phase shift to a predetermined value.
Umgekehrt kann bei fremderregter unbekannter Modulation der von einem aktiven Objekt abgestrahlten, einfallenden Lichtwelle mit Hilfe mindestens eines photonischen Mischelementes die Lichtwelle mit der bekanntlich hohen Auflösung eines Lock-in-Verstärkers vermes sen werden. Dazu bildet das photonische Mischelement zusammen mit einem an die Stelle des Senders tretenden durchstimmbaren Mo dulationsgenerators einen Phasenregelkreis. Weiterhin findet sowohl bei der Lock-in-Verstärkung der Phase-Lock-Loop für bspw. für eine HF-Modulation als auch der Delay-Lock-Loop für eine digitale Modula tion Anwendung.Conversely, with externally excited unknown modulation, the from incident light emitted by an active object at least one photonic mixing element with the light wave the known high resolution of a lock-in amplifier will be. For this purpose, the photonic mixing element forms together with a tunable Mo replacing the transmitter dulationsgenerator a phase locked loop. Furthermore, both in the case of the lock-in amplification, the phase lock loop for, for example, one HF modulation as well as the delay lock loop for a digital module tion application.
Für die Vermessung passiver Objekte kann die Modulation des abge strahlten Lichtes sowie die entsprechende Modulation der Modulationsphotogatespannungen Uam(t) bzw. Ubm(t) auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Zunächst kann eine kontinuierliche HF-Modulation durchgeführt werden, wobei wiederholt in Zeitabständen, die rückwirkend von der Pixelintensivität beeinflußt werden können, die Ladungsdifferenzen und die Ladungssummen zur Auswertung der Phasen- und Amplitu deninformation der Lichtwelle ausgelesen werden.For the measurement of passive objects, the modulation of the emitted light and the corresponding modulation of the modulation photogate voltages U am (t) or U bm (t) can be carried out in various ways. First of all, continuous RF modulation can be carried out, the charge differences and the charge sums for evaluating the phase and amplitude information of the light wave being read out repeatedly at time intervals which can be influenced retrospectively by the pixel intensity.
Vorteilhaft ist eine intermittierende Betriebsweise mit pulsförmiger HF-Modulation und Beleuchtung, z. B. um eine störende Hinter grundbeleuchtung jeweils kurzzeitig zu übertreffen. Dabei werden nur die photoerzeugten Ladungen jeweils während des HF-Impulses inte griert und anschließend ausgewertet.An intermittent mode of operation with a pulse is advantageous RF modulation and lighting, e.g. B. a disturbing rear briefly surpassing basic lighting. This will only the photo-generated charges inte during the RF pulse and then evaluated.
Bei der Bestimmung insbesondere der Phasen- bzw. Laufzeitinforma tion von reflektierten Lichtwellen können zur Erhöhung der Phasen- bzw. Laufzeitauflösung die aus der Radartechnik bekannten HF-Im pulskompressionsverfahren mit schmalen Korrelationsfunktionen, z. B. die Chirp-Technik eingesetzt werden. Dabei ist sowohl das Modu lationssignal des einzelnen photonischen Mischelements als auch die mit vorgegebener Phasenbeziehung beleuchtende Lichtwelle des Sen ders und somit auch die mit der gesuchten Phasenbeziehung reflek tierte Lichtwelle repetierend mit einem Chirp moduliert. Durch die Chirpmodulation werden in geeigneter Weise durch Einfügen einer einstellbaren Verzögerung zwischen der Modulationsphotogatespan nung des photonischen Mischelements und des vom Sender abge strahlten Lichts Mehrfachziele aufgelöst bzw. störende Mehrfachrefle xionen einer beleuchteten Szene unterdrückt.When determining in particular the phase or runtime information tion of reflected light waves can be used to increase the phase or runtime resolution the HF-Im known from radar technology pulse compression method with narrow correlation functions, e.g. B. the chirp technique can be used. Both the modu tion signal of the individual photonic mixing element as well with a given phase relation illuminating light wave of the sen ders and thus also the reflek with the desired phase relationship repeated modulated light wave with a chirp. Through the Chirp modulation can be done appropriately by inserting a adjustable delay between the modulation photo chip voltage of the photonic mixing element and that of the transmitter emitted light multiple targets resolved or annoying multiple reflections xions of an illuminated scene suppressed.
Als weitere Modulation steht die auch unten beschriebene Pseudo- Rausch-Modulation (Pseudo-Noise(PN)-Modulation) sowohl als Ba sisband-PN- als auch als HF-PN-Modulation zur Verfügung. Ein Samplingbetrieb mit Abtast- und Haltevorgängen (Sample-and-Hold) bei repetierenden Lichtsignalen ist ein Sonderfall der Mischung und Korrelation mit Nadelimpulsen. Auch hierfür sowie für andere An wendungen gepulster Modulation kann das erfindungsgemäße photo nische Mischelement vorteilhaft eingesetzt werden.Another modulation is the pseudo- Noise modulation (pseudo-noise (PN) modulation) both as Ba sisband-PN and HF-PN modulation are available. A Sampling mode with sampling and holding processes (sample and hold) with repeating light signals is a special case of mixing and Correlation with needle impulses. For this as well as for other applicants The photo according to the invention can be used with pulsed modulation African mixing element can be used advantageously.
Die aufgezählten Modulationsarten sind an sich sämtlich aus dem Stand der Technik bekannt.The types of modulation listed are all from the State of the art known.
Die zu den Akkumulationsgates gedrifteten Ladungen können nun in verschiedener Weise weiterverarbeitet werden. Zum einen kann das photonische Mischelement in CCD-Technologie realisiert sein, wobei dann die Ladungen unterhalb der Akkumulationsgates gesammelt bzw. integriert und anschließend in herkömmlicher Weise bis zur CCD-Ausleseschaltung z. B. im Dreiphasen-Schiebetakt verschoben und über eine p- oder n-Diffusion ausgelesen werden. The charges drifting to the accumulation gates can now be in processed in various ways. For one thing, it can photonic mixing element can be realized in CCD technology, wherein then the charges are collected below the accumulation gates or integrated and then in a conventional manner up to CCD readout circuit z. B. shifted in the three-phase shift cycle and can be read out via p or n diffusion.
Zum anderen kann das photonische Mischelement in CMOS-Techno logie als Aktivpixelelement mit pixeleigener Auslese- und Signalvor verarbeitungselektronik realisiert sein. Dabei wird praktisch die in der CCD-Technik übliche Ausleseschaltung jeweils beidseitig bis unmittel bar an die Modulationsphotogates herangeführt. Die Akkumulations gates werden dabei vorzugsweise als gesperrte kapazitätsarme pn-Di oden ausgestaltet und leiten die ankommenden photogenerierten La dungen vorzugsweise unmittelbar über die Elektroden Ga und Gb an die Pixelauslese- und Signalvorverarbeitungselektronik zur dortigen Speicherung und Verarbeitung weiter.On the other hand, the photonic mixing element in CMOS technology can be implemented as an active pixel element with pixel-specific readout and signal preprocessing electronics. Practically the read-out circuit customary in CCD technology is introduced to the modulation photogates on both sides up to immediately. The accumulation gates are preferably designed as blocked low-capacitance pn diodes and pass the incoming photogenerated charges preferably directly via the electrodes G a and G b to the pixel readout and signal preprocessing electronics for storage and processing there.
Im letzteren Fall werden also die beiden Ladungsanteile der Ladungs schaukel kontinuierlich ausgelesen und können z. B. mit einem La dungsverstärker praktisch rückwirkungsfrei auf je einer nachgeschalte ten Kapazität gespeichert werden.In the latter case, the two parts of the charge become the charge swing read continuously and can z. B. with a La tion amplifier practically without feedback on one downstream connection capacity can be saved.
Es ist Stand der Technik, daß vor jeder neuen Messung die beteiligten und aufgeladenen Kapazitäten durch elektronische Reset-Schalter ent laden werden und daß zweckmäßig die im Reset-Zustand gemessenen Fehlspannungen zur Korrektur der eigentlichen Meßwerte verwendet werden. Diese Anwendung des pixelweisen rückwirkungsfreien Aus lesens hat den Vorteil, daß die gesamte Dynamik des photonischen Mischelementes und somit des Meßverfahrens erheblich gegenüber der Realisierung in CCD-Technologie gesteigert werden kann.It is state of the art that those involved before each new measurement and charged capacities by electronic reset switch ent will be loaded and that expediently those measured in the reset state Fault voltages are used to correct the actual measured values will. This application of pixel-wise non-reactive off Reading has the advantage that the entire dynamic of the photonic Mixing element and thus the measuring method significantly compared the realization in CCD technology can be increased.
In weiter bevorzugter Weise ist es möglich, die Phasen- und Amplitu deninformation in einer Pixelauslese- und Signalvorverarbeitungs elektronik vorzugsweise als On-chip-Integration direkt zu berechnen. Solch ein anwendungsspezifischer optoelektronischer Chip (ASOC) bzw. solch ein Aktiv-Pixel-Sensor (APS) erhöht die Meßrate und er möglicht eine pixelweise Vorverarbeitung der Phasen und/oder Am plituden.In a further preferred manner, it is possible to determine the phase and amplitude deninformation in a pixel readout and signal preprocessing electronics preferably to be calculated directly as on-chip integration. Such an application specific optoelectronic chip (ASOC) or such an active pixel sensor (APS) increases the measurement rate and he enables pixel-by-pixel preprocessing of the phases and / or Am flounder.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Modulation gleichzeitig mit der Ladungserzeugung und -trennung er folgt. Mit anderen Worten finden die Detektion und die Mischung gleichzeitig und ohne zusätzlich rauschende und bandbegrenzende Zwischenstufen statt. Daher werden die im Stand der Technik unter anderem auftretenden zeitlichen Driftfehler verhindert, die bei einer zeitlich und räumlich von der Detektion getrennten Modulation und Integration der Ladungen zwangsläufig auftreten und nicht zu unter drücken sind.An important advantage of the present invention is that the Modulation simultaneously with charge generation and separation follows. In other words, find the detection and the mixture at the same time and without additional noise and band-limiting Intermediate stages instead. Therefore, in the prior art other occurring temporal drift errors prevented, which at a modulation separated in time and space from the detection and Integration of the charges inevitably occur and not too under are pressing.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der hohen Grenzfrequenz des photonischen Mischelements. Die Grenzfrequenz des Ladungstransfers durch die Gegentaktmodulationsspannung ist bezüglich der maximalen Driftlänge oder Transferstrecke, also der Summenlänge der Modulationsphotogates, mit der Grenzfrequenz entsprechender MOS-Transistoren vergleichbar und erreicht somit den GHz-Bereich. Weiterhin werden durch die antisymmetrische Ladungs trägertrennung und -differenzbildung störende Gleichtaktsignale un terdrückt. Jedes nicht mit dem Modulationssignal korrelierende Stör signal, z. B. die Hintergrundbeleuchtung, wird in der Ladungsdifferenz unterdrückt, was zu einem hohen Signal-zu-Rauschverhältnis führt. Weiterhin tritt nur ein geringes Zeitdriften wegen der Zusammenfas sung von Detektion, Mischen sowie Ladungsträgerintegration und -differenzbildung auf dem gleichen Chip auf. Zudem wird eine Zu sammenfassung praktisch aller Meßfunktionen innerhalb einer einzi gen Halbleiterstruktur möglich.Another advantage of the present invention is the high Cutoff frequency of the photonic mixing element. The cutoff frequency of the charge transfer by the push-pull modulation voltage regarding the maximum drift length or transfer distance, i.e. the Total length of the modulation photogates, with the cutoff frequency corresponding MOS transistors comparable and thus achieves that GHz range. Furthermore, due to the antisymmetric charge carrier separation and difference formation disturbing common mode signals un oppressed. Any interference not correlating with the modulation signal signal, e.g. B. the backlight, is in the charge difference suppressed, which leads to a high signal-to-noise ratio. Furthermore, there is only a slight time drift due to the summary detection, mixing and charge carrier integration and -difference formation on the same chip. In addition, a Zu Summary of practically all measuring functions within one possible semiconductor structure.
Gegenüber dem Stand der Technik der DE 44 39 298 A1 mit der Ver wendung von Pockelszellen als Modulatoren sind nur geringe Modu lationsspannungen im 1 statt 1000 Volt-Bereich notwendig. Zudem wird durch eine 2D-Anordnung von erfindungsgemäßen photoni schen Mischelementen eine große Apertur auf der Empfängerseite ge währleistet.Compared to the prior art of DE 44 39 298 A1 with the Ver The use of Pockels cells as modulators are only minor moduls Lation voltages in the 1 instead of 1000 volt range necessary. In addition is achieved by a 2D arrangement of photoni according to the invention mixing elements have a large aperture on the receiver side ensures.
Für die Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudeninformation ist weiterhin kein kohärentes oder polarisiertes Licht erforderlich. Damit können weitere spezifische Eigenschaften der einfallenden Lichtwellen durch Vorschalten selektierender Filter z. B. bezüglich Po larisation und Wellenlänge des Lichts genutzt werden. Zusätzlich sind eine hohe Empfindlichkeit und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhält nis durch den Wegfall der nach dem Stand der Technik eingesetzten breitbandigen Photodetektorverstärker und elektronischen Mischer gegeben. For the determination of the phase and / or amplitude information no coherent or polarized light is required. This allows further specific properties of the incident Light waves by inserting selective filters z. B. regarding Po larization and wavelength of light can be used. In addition are high sensitivity and high signal-to-noise ratio nis by the elimination of the used according to the prior art broadband photo detector amplifier and electronic mixer given.
Die spektrale optische Bandbreite der zu vermessenden Lichtwellen wird durch die spektrale Photoempfindlichkeit des in der Raumla dungszone unter den Photogates verwendeten Materials bestimmt, d. h. z. B. bei Silizium etwa der Wellenlängenbereich 0,3 bis 1,1 µm, bei InGaAs etw 0,8 bis 1,6 µm und bei InSb etwa 1 bis 5,5 µm.The spectral optical bandwidth of the light waves to be measured is due to the spectral photosensitivity of the in the Raumla zone determined under the material used by Photogates, d. H. e.g. B. in silicon about the wavelength range 0.3 to 1.1 microns at InGaAs about 0.8 to 1.6 µm and for InSb about 1 to 5.5 µm.
Die photonischen Mischelemente können in einer beliebigen null-, ein- oder zweidimensionalen Anordnung angeordnet werden und bie ten somit ein breites Spektrum an Anwendungsgeometrien. Dabei können mehrere 100.000 photonische Mischelemente parallel mit ei ner Modulationsbandbreite von z. B. 10-1000 MHz betrieben werden, so daß z. B. eine Kameraaufnahme einer 3D-Szene mit Bestimmung der Entfernungsinformation in jedem Bildpunkt extrem schnell realisier bar ist. Über die Ladungsdifferenzen der zu den Akkumulationsgates fließenden und ausgelesenden Ladungen wird pixelweise das Phasen bild ϕ(x, y) oder - im Falle modulierter Beleuchtung - das Entfernungs bild bzw. Tiefenbild mit dem Radiusvektor bzw. Voxelabstand R(x, y) bestimmt. Die entsprechenden Ladungssummen ergeben den konven tionellen Pixelgrauwert A(x, y). Beide können zum skalierten Grau wertbild bzw. zum 3D-Bild A(x, y, z) zusammengefaßt werden.The photonic mixing elements can be in any zero, one or two-dimensional arrangement can be arranged and bie thus a wide range of application geometries. Here can create several 100,000 photonic mixing elements in parallel with egg ner modulation bandwidth of z. B. 10-1000 MHz are operated, so that z. B. a camera shot of a 3D scene with determination of Realize distance information in each pixel extremely quickly is cash. About the charge differences of the accumulation gates flowing and read out charges becomes pixel by pixel bild ϕ (x, y) or - in the case of modulated lighting - the distance image or depth image with the radius vector or voxel distance R (x, y) certainly. The corresponding charge sums result in the conv tional pixel gray value A (x, y). Both can be scaled gray value image or to the 3D image A (x, y, z) can be combined.
Die 3D-Bild-Wiederholrate liegt dabei im Bereich von etwa 10 Hz bis über 1000 Hz und hängt von der Anzahl der verwendeten photoni schen Mischelemente und der Lichtintensität ab. Durch zusätzliche Farbfilter ist es möglich, die üblichen Farbwerte Rot(x, y), Grün(x, y) und Blau(x, y) des Entfernungsbildes R(x, y) zu gewinnen.The 3D image repetition rate is in the range from about 10 Hz to over 1000 Hz and depends on the number of photoni used mixing elements and the light intensity. By additional Color filters make it possible to use the usual color values red (x, y), green (x, y) and To win blue (x, y) of the distance image R (x, y).
Durch den integrierten Aufbau von Mischung und Ladungsträgerinte gration wird nicht zuletzt auch ein einfacher Aufbau des photonischen Mischelementes erreicht. Schließlich muß kein besonderer Aufwand im Empfangskanal geleistet werden, denn eine konventionelle Abbil dungsoptik reicht für die Abbildung der einfallenden, ggfs. reflektier ten Lichtwelle aus, sofern eine ein- oder zweidimensionale Szene und nicht nur ein Punkt aufgenommen werden soll. Durch synchrones Zoomen der Sende- und Empfangsoptik ist die Meßvorrichtung an un terschiedliche 3D-Szenen flexibel anpaßbar.Thanks to the integrated structure of the mixture and the charge carrier ink Last but not least, a simple structure of the photonic Mixing element reached. Finally, no special effort is required in the receiving channel, because a conventional image Optical optics are sufficient for imaging the incident, possibly reflective th light wave, provided a one- or two-dimensional scene and not just one point should be included. By synchronous Zooming the transmitting and receiving optics is the measuring device at un Different 3D scenes can be flexibly adapted.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigtThe invention is described below using exemplary embodiments explained in more detail, reference being made to the drawing. In the drawing shows
Fig. 1a) im Querschnitt ein Pixel eines ersten Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen photonischen Mischele mentes in CCD-Technologie sowie b)-f) die Potentialver teilung US(t) für die verschiedenen Phasen bzw. Zeiten der beiden komplementären Modulationsphotogates spannungen Uam(t) und Ubm(t), Fig. 1a) in cross-section a pixel of a first Ausführungsbei game of an inventive photonic Mischele mentes in CCD technology and b) -f), the Potentialver distribution U S (t) for the different phases or times of the two complementary modulation photogate voltages U am ( t) and U bm (t),
Fig. 2 eine Blockbilddarstellung zweier linear angeordneter Pixel in CCD-Technologie einschließlich einem Teil einer Inter line-Transfer-Auslesevorrichtung, Fig. 2 is a block diagram representation of two linearly arranged pixels in CCD technology including a portion of an interline transfer-out apparatus,
Fig. 3 im Diagramm die Intensitätsverteilung des eingestrahlten Lichtes und die Potentialverläufe der Spannungen Usep(t), Ua(t), Uam(t), Ubm(t) und Ub(t) im Falle einer HF-Modula tion, Fig. 3 in the diagram the intensity distribution of the incident light and the potential curves of the voltages U sep (t), U a (t), U am (t), U bm (t) and U b (t) in the case of an RF module tion,
Fig. 4 im Diagramm die Charakteristik des Misch- und Korrela tionsergebnisses des photonischen Mischelements in Form der gemittelten zu den Akkumulationsgates drif tenden photogenerierten Ladungsträgerströme ia und ib bei einer HF-Modulation in Abhängigkeit von der relati ven Phasen- bzw. Laufzeitverschiebung ϕopt = ωmτ, Fig. 4 in the diagram shows the characteristic of the mixing and correlation result of the photonic mixing element in the form of the averaged to the accumulation gates drifting tendency photogenerated charge carrier currents i a and i b with an RF modulation depending on the relative phase or transit time shift ϕ opt = ω m τ,
Fig. 5 im Diagramm für eine PN-Modulation a) das Modulati onssignal, b) die Charakteristik des Misch- und Korrelati onsergebnisses sowohl für ein Zweifachpixel (nur ia und ib) als auch für ein Vierfachpixel mit ic und id bei einer Verzögerung des Modulationssignals für das 3. und 4. Modulationsgate cm und dm von TB sowie c) die für die Entfernungsauswertung relevanten Differenzwerte Δiab + Δicd = ia - ib + (ic - id) und Δiab - Δicd = ia - ib - (ic - id), Fig. 5 in the diagram for a PN modulation a) the modulation signal, b) the characteristics of the mixing and correlation ons Result both for a double pixel (only i a and i b ) and for a quadruple pixel with i c and i d a delay in the modulation signal for the 3rd and 4th modulation gates cm and dm of T B and c) the difference values Δi ab + Δi cd = i a - i b + (i c - i d ) and Δi ab - relevant for the distance evaluation Δi cd = i a - i b - (i c - i d ),
Fig. 6a) im Querschnitt ein Pixel eines zweiten Ausführungs beispiels in CCD-Technologie eines erfindungsgemäßen photonischen Mischelementes mit einem mittleren Modulationsphotogate G0 sowie die Potentialverteilungen unter den Modulationsphotogates und Akkumulationsgates b) für eine positive und c) für eine negative Modulationsspannung Um(t), Fig. 6a) in cross-section a pixel of a second execution example in CCD technology of a photonic mixing element according to the invention having an average modulating photo gate G 0 and the potential distributions among the modulating photo gates and accumulation gates b) for a positive and c) for a negative modulating voltage U m (t ),
Fig. 7a) im Querschnitt ein Pixel eines dritten Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen photonischen Mischele mentes sowie b)-f) die Potentialverteilungen für die ver schiedenen Phasen analog zu Fig. 1, Fig. 7a), in cross section, a pixel of a third Ausführungsbei game of an inventive photonic Mischele mentes and b) -f), the potential distributions for the various phases ver analogous to FIG. 1,
Fig. 8 in einer Draufsicht ein Pixel eines vierten Ausführungs beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch elementes mit vier Modulationsphotogates und vier Ac kumulationsgates, als Vierfachpixel bezeichnet, Figure a top view of a pixel of a fourth embodiment of an inventive photonic execution mixing element accumulation gates. 8 with four modulating photo gates and four Ac, referred to as quad pixel,
Fig. 9 in einer Draufsicht ein Pixel eines fünften Ausführungs beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch elementes mit vier Modulationsphotogates und vier Ac kumulationsgates und einem zentralen symmetrischen mittleren Gate G0, Fig. In a plan view a pixel of a fifth embodiment of an inventive photonic execution mixing element accumulation gates 9 with four modulating photo gates and four Ac and a central symmetrical middle gate G 0,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und Amplitudeninformation einer Lichtwelle, Fig. 10 is a schematic representation of a known prior art device for determining the phase and amplitude information of a light wave,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und Amplitu deninformation einer Lichtwelle für HF-Modulation, Fig. 11 is a schematic representation of a device according to the invention for determining the phase and Amplitu deninformation a light wave for RF modulation,
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und Am plitudeninformation einer Lichtwelle z. B. für PN-Modu lation oder Rechteckmodulation, Fig. 12 is a schematic representation of a device according to the invention for determining the phase and on the amplitude information of a light wave z. B. for PN modulation or rectangular modulation,
Fig. 13a) im Querschnitt ein Pixel eines sechsten Ausführungs beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch elementes mit Pixelauslese- und -vorverarbeitungselek tronik in CMOS-Technologie sowie b) und c) die Potenti alverteilung analog zu Fig. 6 für zwei Phasen bzw. Polaritäten der Modulationsphotogatespannung und FIG. 13a) in cross-section a pixel of a sixth execution example of a photonic mixer according to the invention element with Pixelauslese- and -vorverarbeitungselek electronics in CMOS technology, as well as b) and c) the Potenti alverteilung analogous to FIG. 6 for two phases or polarities of the modulating photo gate voltage and
Fig. 14 in einer Draufsicht ein Pixel eines siebten Ausführungs beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch elementes mit vier Modulationsphotogates, vier Akku mulationsgates sowie einem kreuzförmig ausgestalteten mittleren Gate G0, vorzugsweise für digitale Modulation. Fig. 14 in a plan view of a pixel of a seventh embodiment example of a photonic mixing element according to the invention with four modulation photogates, four accumulation gates and a cross-shaped central gate G 0 , preferably for digital modulation.
Fig. 1a zeigt den Querschnitt eines einzelnen Pixels 1 eines photoni schen Mischelementes am Beispiel einer CCD-Struktur. Dabei umfaßt das photonische Mischelement neben dem Pixel 1 die für die Span nungsversorgung und die Signalableitungen notwendigen Strukturen. Die äußeren Gates Gsep dienen lediglich zur elektrischen Abgrenzung dieses Pixels gegenüber benachbarten Strukturen. FIG. 1a shows the cross section of a single pixel 1 of a photonic rule mixing element the example of a CCD structure. In addition to the pixel 1, the photonic mixing element comprises the structures necessary for the voltage supply and the signal derivatives. The outer gates G sep only serve to electrically delimit this pixel from neighboring structures.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführung ist auf einem p-dotierten Silizium substrat 2 ausgeführt. Der Misch- oder Multiplikationsvorgang des vorgeschlagenen Konzepts sei zunächst für reine CW-Hochfrequenz modulation betrachtet.The embodiment shown in FIG. 1 is carried out on a p-doped silicon substrate 2 . The mixing or multiplication process of the proposed concept is initially considered for pure CW radio frequency modulation.
Bezogen auf den Querschnitt zeigt Fig. 1b-f schematisch die Potential verteilungen für verschiedene Phasen des Mischprozesses. Die mittle ren Modulationsphotogates Gam und Gbm stellen den lichtsensitiven Teil dar und befinden sich im Inversionszustand. Zusätzlich zu einer positiven Vorspannung U0 an der leitfähigen aber optisch teiltranspa renten oberen Abdeckung z. B. aus Poly- Silizium werden sie mit den überlagerten Gegentaktspannungen Um(t) betrieben. Es ergeben sich die Modulationsspannungen Uam(t) = U0 + Um(t) bzw. Ubm(t) = U0 - Um(t).Based on the cross-section shown in FIG. 1b-f schematically shows the potential distributions for different phases of the mixing process. The middle modulation photogates G am and G bm represent the light-sensitive part and are in the state of inversion. In addition to a positive bias voltage U 0 on the conductive but optically partially transparent upper cover z. B. made of polysilicon they are operated with the superimposed push-pull voltages U m (t). The modulation voltages U am (t) = U 0 + U m (t) or U bm (t) = U 0 - U m (t) result.
Diese verursachen multiplikativ eine Separierung der durch die Pho tonen der einfallenden Lichtwelle in der Raumladungszone erzeugten Minoritätsladungsträger unmittelbar unterhalb der Isolatorschicht 3, z. B. aus Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid. Diese Ladungsträger (im Beispiel Elektronen) driften unter dem Einfluß der modulierenden Gegentaktspannung zu den eng benachbarten positiven Akkumulati onsgates Ga oder Gb und werden dort aufintegriert während die Majo ritätsladungsträger bzw. Löcher zum Masseanschluß des p-Si-Substrats fließen. Auch eine rückwärtige Beleuchtung ist möglich.These cause multiplicatively a separation of the minority charge carriers generated by the Pho tons of the incident light wave in the space charge zone immediately below the insulator layer 3 , for. B. of silicon oxide or silicon nitride. These charge carriers (electrons in the example) drift under the influence of the modulating push-pull voltage to the closely adjacent positive accumulation gates G a or G b and are integrated there while the majo rity charge carriers or holes flow to the ground connection of the p-Si substrate. Back lighting is also possible.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht von zwei Pixeln 1 des erfinderischen photo nischen Mischelementes einschließlich eines Teils einer Interline- Transfer-Auslesevorrichtung 7 in Form eines 3-Phasen-CCD-Schiebe registers, an dessen einem Ende sich die Ausleseelektronik mit einem Diffusionsübergang für die serielle Weiterverarbeitung der durch die Korrelation gewonnen Ladungswerte befindet. Nach einer vorgebba ren Zeit T für die Ladungsakkumulation unter allen Akkumulations gates der Zeile werden z. B. bei Pixel Nr. n die Ladungen qa und qb un ter Ga und Gb über das Transfergate TGa bzw. TGb auf das 3-Phasen- Ausleseschieberegister gegeben. Die begrenzenden Separationsgates Gsep schirmen das Korrelationspixel gegen unerwünschte äußere Ein flüsse ab und liegen vorzugsweise auf Massepotential. Fig. 2 shows a top view of two pixels 1 of the inventive photonic mixing element including part of an interline transfer readout device 7 in the form of a 3-phase CCD shift register, at one end of which the readout electronics with a diffusion transition for the serial Further processing of the charge values obtained by the correlation is located. After a predeterminable time T for the charge accumulation under all accumulation gates of the row, for. B. at pixel number n the charges q a and q b un under Ga and G b on the transfer gate TG a and TG b are given to the 3-phase read shift register. The limiting separation gates G sep shield the correlation pixel against undesirable external influences and are preferably at ground potential.
In Fig. 3 sind die zu Fig. 1 gehörenden Spannungsverläufe dargestellt.
Die Modulationsphotogates Gam und Gbm werden mittels der in Fig. 3
dargestellten Modulationsphotogatespannungen, die eine gegenpha
sige HF-Modulationsspannung Um(t) enthalten, angesteuert, die wie
folgt beschrieben sind:
In Fig. 3, belonging to FIG. 1, voltage profiles are shown. The modulation photogates G am and G bm are driven by means of the modulation photogate voltages shown in FIG. 3, which contain a counter-modulating HF modulation voltage U m (t), which are described as follows:
Uam = U0 + Umcos(ωmt) (1a)
U am = U 0 + U m cos (ω m t) (1a)
und
and
Ubm = U0 + Umcos(ωmt - 180°) = U0 - Umcos(ωmt) (1b)U bm = U 0 + U m cos (ω m t - 180 °) = U 0 - U m cos (ω m t) (1b)
In Fig. 1b-f ist die Potentialverteilung US(s) in der Raumladungszone über der räumlichen Ausdehnung s eines repräsentativen Pixels 1 für alle beteiligten Gates dieses Pixels in der zeitlichen Sequenz von t0 bis t8 für die Dauer einer Periode Tm des HF-Modulationssignals anschau lich dargestellt. An den Akkumulationsgates Ga und Gb sorgt eine rela tiv hohe positive Spannung für die Ansammlung der photogenerier ten Ladungsträger, nachdem diese nach Maßgabe und Polarität der Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) entweder vor wiegend zur linken oder zur rechten Seite des in Fig. 1 im Querschnitt gezeigten Pixels 1 gedriftet sind. Dieser Vorgang wirkt sich dann in be sonderer Weise aus, wenn die Lichtmodulation und die Modulations photogatespannung Uam(t) die gleiche Frequenz aufweisen. Dann ent steht je nach der Phasendifferenz ϕopt eine mittlere Vorzugsrichtung der Ladungsträgerdrift zu den Akkumulationsgates Ga und Gb. Die zu gehörigen gemittelten Ströme werden durch ia und ib beschrieben.In Fig. 1b-f is the potential distribution U S (s) in the space charge zone over the spatial extent s of a representative pixel 1 for all gates of this pixel involved in the time sequence from t 0 to t 8 for the duration of a period T m des RF modulation signal shown clearly. At the accumulation gates G a and G b , a relatively high positive voltage ensures the accumulation of the photogenerated charge carriers, after they are predominantly to the left or to the right, depending on the polarity of the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) Side of the pixel 1 shown in cross section in FIG. 1 are drifted. This process has a special effect if the light modulation and the modulation photogate voltage U am (t) have the same frequency. Then, depending on the phase difference ϕ opt, there is an average preferred direction of the charge carrier drift to the accumulation gates G a and G b . The associated averaged currents are described by i a and i b .
Der zugrundeliegende Korrelationsprozeß kann mathematisch so be
schrieben werden: In der Empfangsebene des im allgemeinsten Fall 2D-
Arrays photonischer Mischelemente ist z = 0 und die einfallende mo
dulierte Lichtwelle wird dort allgemein durch Popt(x, y, t - τ) beschrieben.
Hier wird sie über die photogenerierten Ladungsträger mit dem dort
wirkenden Gegentakt-Modulationssignal, in allgemeiner Form durch
Um(x, y, t) beschrieben, bezüglich der Ladungsdifferenzen der beiden
Akkumulationsgates annähernd multiplikativ und integrativ ver
knüpft. Die entsprechende Korrelationsfunktion ϕUm,Popt(x, y, t) wird
z. B. für alle gemittelten Differenzen der Ladungsträgerdrifts
Δqab/T = Δiab = ia - ib (mit T = Integrationszeit) zu den Akkumulati
onsgates Ga und Gb im allgemeinsten Fall ortsabhängig als Dreifachfal
tung beschrieben:
The underlying correlation process can be described mathematically as follows: In the receiving plane of the 2D array of photonic mixing elements in the most general case, z = 0 and the incident modulated light wave is generally described there by P opt (x, y, t - τ). Here it is described via the photogenerated charge carriers with the push-pull modulation signal acting there, in general form by U m (x, y, t), with respect to the charge differences of the two accumulation gates, in an almost multiplicative and integrative manner. The corresponding correlation function ϕ Um, Popt (x, y, t) is z. B. for all averaged differences in the charge carrier drifts Δq ab / T = Δi ab = i a - i b (with T = integration time) to the accumulation gates G a and G b in the most general case location-dependent as a triple fold:
ϕUm,Popt(x, y, τ) = k1.Uam(-x, -y, -τ)***Popt(x, y, τ) = k2.Δiab(x, y, τ) (2)
ϕ Um, Popt (x, y, τ) = k 1 .U am (-x, -y, -τ) *** P opt (x, y, τ) = k 2 .Δi ab (x, y, τ) (2)
mit der Laufzeitdifferenz τ = ϕopt/ωm, der Modulationskreisfrequenz wm und den strukturabhängigen, jedoch für das Funktionsprinzip unwesentlichen Konstanten k1 und k2.with the transit time difference τ = ϕ opt / ω m , the modulation angular frequency w m and the structure-dependent constants k 1 and k 2, which are not essential for the functional principle.
Das erfindungsgemäße photonische Mischelement löst diese Aufgabe mit hoher Orts- und Zeitauflösung durch den schnellen separierenden Ladungstransport der Photoelektronen und deren Gegentaktspeiche rung und Differenz- und Summenauswertung. Durch Differenzbil dung der gemittelten Driftströme Δiab(t) = ia(t) - ib(t), die bei nichtsta tionären Lichtwellen zeitabhängig sind, werden dabei alle störenden Offset-Anteile unterdrückt und zugleich wird die gewünschte Korrela tionsfunktion des Lichtsignals Popt(t - τ) mit der Modulationsspannung Um(t) gebildet.The photonic mixing element according to the invention solves this task with high spatial and time resolution through the rapid, separating charge transport of the photoelectrons and their push-pull storage and evaluation of differences and sums. By forming the averaged drift currents Δi ab (t) = i a (t) - i b (t), which are time-dependent for non-stationary light waves, all disturbing offset components are suppressed and at the same time the desired correlation function of the light signal P opt (t - τ) with the modulation voltage U m (t).
Dieser Vorgang soll im einzelnen näher beschrieben werden. Das über
Uam(t) und Ubm(t) verursachte HF-Driftfeld bewirkt, daß die Elektro
nen zu der jeweilig positiven Seite driften. Während z. B. der positiven
Halbwelle der Modulationsphotogatespannung Uam(t) = U0 + Um(t), d. h.,
während der negativen Halbwelle von Ubm(t) = U0 - Um(t), werden die
photogenerierten Ladungsträger zum Akkumulationsgate Ga driften
und dort als Ladungsmenge qa angesammelt bzw weitergeleitet
(vergleiche die beiden oberen Modulationsphotogatespannungsvertei
lungen in Fig. 1b und c). In Fig. 3 ist für den Fall einer stationären,
harmonisch modulierten Beleuchtung die optische Leistung pro Pixel
dargestellt als
This process will be described in more detail. The HF drift field caused by U am (t) and U bm (t) causes the electrons to drift to the respective positive side. During e.g. B. the positive half-wave of the modulation photogate voltage U am (t) = U 0 + U m (t), ie, during the negative half-wave of U bm (t) = U 0 - U m (t), the photogenerated charge carriers become the accumulation gate G a drift and accumulate there as a charge q a or forwarded (compare the two upper modulation photogate voltage distributions in Fig. 1b and c). In FIG. 3, the optical power per pixel is shown as in the case of stationary, harmonically modulated lighting
Popt(t - τ) = P0 + Pmcos(ωt - ϕopt) (3)
P opt (t - τ) = P 0 + P m cos (ωt - ϕ opt ) (3)
wobei P0 den Mittelwert inklusive der Hintergrundbeleuchtung, Pm
die Modulationsamplitude, ωm die HF-Modulationsfrequenz, ϕopt die
Phasenverzögerung und τ = ϕopt/ωm die entsprechende Laufzeitverzö
gerung der einfallenden Lichtwelle gegenüber der Modulationsphase
an Gam repräsentiert. Der gesamte erzeugte Photostrom pro Pixel ist
where P 0 represents the mean value including the backlight, P m the modulation amplitude, ω m the RF modulation frequency, ϕ opt the phase delay and τ = ϕ opt / ω m the corresponding delay time of the incident light wave compared to the modulation phase at G am . The total photocurrent generated per pixel is
i(t) = Sλ.Popt(t - τ) = Sλ.[P0 + Pm.cos(ωmt - ϕopt)] (4)
i (t) = S λ .P opt (t - τ) = S λ . [P 0 + P m .cos (ω m t - ϕ opt )] (4)
i(t) = I0 + Im.cos(ωmt - ϕopt) (5)
i (t) = I 0 + I m .cos (ω m t - ϕ opt ) (5)
mit den Größen i(t) = ia(t) + ib(t), I0 = Mittelwert des Pixelphotostroms gemäß P0, Im = Wechselamplitude des modulierten Photostroms ge mäß Pm, und Sλ = Spektrale Empfindlichkeit. Dieser gesamte Photo strom pro Pixel ist in zwei Anteile aufgeteilt und zwar in den Strom ia(t) des Akkumulationsgates Ga und in den Strom ib(t) des Akkumu lationsgates Gb. Da diese Werte aufintegriert werden - in CCD-Techno logie unter den jeweiligen Akkumulationsgates Ga und Gb und bei der pixelweise auslesenden CMOS-Technologie vorzugsweise in der Aus leseelektronik - genügt es, im folgenden die Mittelwerte ia und ib die ser Ströme zu berücksichtigen. Das Maximum der Ladungsseparation wird für den Winkel ϕopt = 0 bzw. τ = 0 erreicht. Dieser Fall ist in Fig. 3 dargestellt.with the quantities i (t) = i a (t) + i b (t), I 0 = mean value of the pixel photocurrent according to P 0 , I m = alternating amplitude of the modulated photocurrent according to P m , and S λ = spectral sensitivity. This total photo current per pixel is divided into two parts, namely in the current i a (t) of the accumulation gate G a and in the current i b (t) of the accumulation gate G b . Since these values are integrated - in CCD technology under the respective accumulation gates G a and G b and in the case of pixel-by-pixel reading CMOS technology, preferably in the readout electronics - it is sufficient to add the mean values i a and i b of these currents below consider. The maximum charge separation is achieved for the angle ϕ opt = 0 or τ = 0. This case is shown in Fig. 3.
Bei harmonischer Modulation ergibt sich unter der Voraussetzung
idealisierter Bedingungen wie geeigneter Modulationsamplitude, ver
nachlässigbarer Driftlaufzeiten, 100%-Modulationstiefe mit Pm = P0 für
die mittleren Photoströme ia bzw. ib
In the case of harmonic modulation, ideal conditions such as a suitable modulation amplitude, negligible drift propagation times, 100% modulation depth with P m = P 0 result for the average photocurrents i a and i b
In Fig. 4 ist der Verlauf dieser idealisierten mittleren Pixelströme ge
zeigt. Sie repräsentieren die gegenphasigen Korrelationfunktionen, die
aus den HF-modulierten Empfangslicht und den an den Modulations
photogates Gam und Gbm angelegten HF-Modulationsphotogatespan
nungen resultieren. Ihre Summe entspricht mit I0 der mittleren Pixel
lichtleistung P0. Die gesamte Ladungsmenge, die über der Zeit T =
N.Tm (d. h., über N Perioden Tm der HF-Modulationsspannung) ange
sammelt wird, ergibt sich zu
In FIG. 4, the course is this idealized average pixel currents shows ge. They represent the antiphase correlation functions that result from the RF-modulated received light and the RF-modulation-photogate voltages applied to the modulation photogates G am and G bm . With I 0, their sum corresponds to the mean pixel light output P 0 . The total amount of charge that is accumulated over time T = NT m (ie, over N periods T m of the RF modulation voltage) results in
mit einer der Phasenverzögerung entsprechenden Laufzeit τ = ϕopt/ωm. Im folgenden wird qaT nur noch mit qa bezeichnet. Die Gesamtheit der Ladungen der Akkumulationsgates Ga bzw. Gb aller Pixel 1 formt zwei ortsdiskrete HF-Interferogramme, das a-Interferogramm bzw. das um 180° gegenüber dem a-Interferogramm verschobene b-Interferogramm, aus denen durch Differenzbildung das laufzeitbestimmte und gesuchte Differenz-HF-Interferogramm gebildet wird, das durch Gleichung (2) beschrieben wird.with a transit time corresponding to the phase delay τ = ϕ opt / ω m . In the following, q aT is only referred to as q a . The totality of the charges of the accumulation gates G a and G b of all pixels 1 forms two spatially discrete HF interferograms, the a interferogram and the b interferogram shifted by 180 ° with respect to the a interferogram, from which the runtime determined and sought by difference Differential RF interferogram is formed, which is described by equation (2).
In Fig. 11 ist das Schema einer erfindungsgemäßen 3D-Kamera gezeigt, das die direkte Mischung auf der Basis eines Arrays photonischer Mi schelemente nutzt. Verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten 3D-Kamerakonzept, daß in Fig. 10 dargestellt ist, wird in Fig. 11 die Modulation eines Senders 4 für eine Beleuchtung optisch passi ver 3D-Objekte durch die Direktmodulation des Stroms einer Laserdi ode realisiert. Dabei wird die Modulation durch einen HF-Generator 13 erzeugt. Für größere Abstände ist z. B. der Einsatz eines leistungsstar ken Laserdiodenarrays mit vorzugsweise gemeinsamem Modulations strom und - zur Augensicherheit - mit unterschiedlichen Wellenlän gen vorteilhaft. In Fig. 11 the diagram of an inventive 3D camera is shown schelemente direct mixture on the basis of an array of photonic Mi uses. Compared with the 3D camera concept known from the prior art that is shown in FIG. 10, the modulation of a transmitter 4 for lighting optically passive 3D objects is realized in FIG. 11 by direct modulation of the current of a laser diode. The modulation is generated by an RF generator 13 . For larger distances z. B. the use of a high-performance laser diode array with preferably common modulation current and - for eye safety - with different wavelengths advantageous.
Eine erste Optik 5 bildet die Lichtwelle auf die Oberfläche eines Objek tes 6 ab. Die vom Objekt 6 reflektierte Lichtwelle wird dann durch eine zweite Optik 7 auf die Oberfläche eines photonischen Mischelementar rays 8 abgebildet.A first optics 5 images the light wave onto the surface of an object 6 . The light wave reflected by the object 6 is then imaged by a second optical system 7 on the surface of a photonic mixing elementary rays 8 .
Das photonische Mischelementarray 8 wird ebenfalls durch den HF- Generator 13 angesteuert, wobei die Ansteuerung für unterschiedliche Phasenverschiebungen zur Phase der abgestrahlten Lichtwelle durch den HF-Generator 13 erfolgt. Die Signale des photonischen Mischele mentarrays 8 werden, soweit nicht bereits on-chip geschehen, schließ lich von einer Auswerteeinheit 9 ausgewertet.The photonic mixing element array 8 is also controlled by the HF generator 13 , the control for different phase shifts to the phase of the emitted light wave being carried out by the HF generator 13 . The signals of the photonic mixing element array 8 are, if not already done on-chip, finally evaluated by an evaluation unit 9 .
Aufgrund der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist für das vorge schlagene 3D-Kamerakonzept neben dem erfindungsgemäßen photo nischen Mischelementarray kein zusätzlicher optischer Modulator mit hoher Apertur notwendig, was zu einer wirtschaftlich vorteilhaften Lösung führt.Due to the measuring device according to the invention is for the pre striking 3D camera concept next to the photo according to the invention African mixing element array with no additional optical modulator high aperture necessary, resulting in an economically advantageous Solution leads.
Zur Bestimmung der Pixelphase ϕopt aus den resultierenden Korrela tionsamplituden werden wie zuvor angegeben insgesamt vier ver schiedene Interferogramme bei vier verschiedenen Phasen des Mi schersignals herangezogen. Die vier Phasen des Mischersignals ergeben sich für den Fall, daß die Modulationsphotogatespannungen Uam und Ubm vom Zustand des Phasenverhältnisses 0°/180° auf den Zustand 90°/270° umgeschaltet bzw. um 90° verzögert werden. Auf diese Weise erhält man die beiden zugehörigen Imaginär- bzw. Quadratur-Kom ponenten zu den Real- bzw. Inphase-Komponenten, woraus die ge suchte Pixelphase gemäß der unten beschriebenen Gleichung (10) be rechnet werden kann.To determine the pixel phase ϕ opt from the resulting correlation amplitudes, a total of four different interferograms are used for four different phases of the mixer signal, as previously indicated. The four phases of the mixer signal result in the event that the modulation photogate voltages U am and U bm are switched from the state of the phase relationship 0 ° / 180 ° to the state 90 ° / 270 ° or delayed by 90 °. In this way, the two associated imaginary or quadrature components for the real or in-phase components are obtained, from which the searched pixel phase can be calculated according to equation (10) described below.
Diese Vorgehensweise ermöglicht gleichzeitig die Eliminierung von störenden Offset-Spannungen, die durch die Hintergrundhelligkeit und durch den Mischvorgang erzeugt werden.This procedure also enables the elimination of disturbing offset voltages caused by the background brightness and generated by the mixing process.
Neben dem beispielhaft beschriebenen Meßvorgang von CW-modu lierten 3D-Lichtwellen durch 2D-Korrelation mit einer Modulations spannung Um(x, y, t) vorzugsweise gleicher Frequenz in der Ebene des photonischen Mischelementarrays kann die erfindungsgemäße Meß vorrichtung auch mit pulsförmigen Modulationssignalen vorteilhaft eingesetzt werden.In addition to the measurement process of CW-modulated 3D light waves described by way of example, by 2D correlation with a modulation voltage U m (x, y, t), preferably the same frequency in the plane of the photonic mixing element array, the measuring device according to the invention can also be used advantageously with pulsed modulation signals will.
Für Aufgaben der hochpräzisen Laufzeitmessung von 3D-Lichtwellen ist insbesondere eine Pseudo-Rausch-Modulation des Lichts vorteil haft. Eine beispielhafte Ausführung zur Vermessung optisch passiver 3D-Objekte zeigt Fig. 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ähn lich dem Ausführungsbeispiel mit harmonischer Modulation in Fig. 11 eine entsprechende Beleuchtungseinrichtung auf, die die 3D-Ob jekte 6 mit in der Intensität PN(Pseudo-Noise)-moduliertem Licht be leuchtet und das reflektierte und empfangene Licht dem Korrelations prozeß mit vorzugsweise dem entsprechenden PN-Modulationssignal, das vom Generator 13 erzeugt wird, unterzieht.For tasks of high-precision transit time measurement of 3D light waves, pseudo-noise modulation of the light is particularly advantageous. An exemplary embodiment for the measurement of optically passive 3D objects is shown in FIG. 12. Similar to the exemplary embodiment with harmonic modulation in FIG. 11, the device according to the invention has a corresponding lighting device which illuminates the 3D objects 6 with the intensity PN (pseudo Noise) -modulated light be illuminated and the reflected and received light the correlation process with preferably the corresponding PN modulation signal, which is generated by the generator 13 , undergoes.
Da die Korrelation derartiger PN-Signale mit zunehmender Wortlänge TW = TB(2N - 1) einem dreieckförmigen Nadelimpuls mit einer Halb wertsbreite gleich der Bitbreite TB ähnelt, muß zur eindeutigen und vollständigen Vermessung des ganzen Lichtvolumens bzw. des gan zen beleuchteten Raumes eine relative Verzögerung TD zwischen dem lichtmodulierenden PN-Signal und der demodulierenden PN-Gegen taktspannung Um(t) der gleichen Signalform an den Modulationspho togates mindestens einmal den ganzen Verzögerungsbereich der ma ximalen Echolaufzeit kontinuierlich oder schrittweise in TB-Schritten durchlaufen. Dazu dient das von der Steuerungs- und Auswerteein heit 9 bezüglich der Verzögerung TD einstellbare Verzögerungsglied 11.Since the correlation of such PN signals with increasing word length T W = T B (2 N - 1) resembles a triangular needle pulse with a half-width equal to the bit width T B , it must be illuminated for clear and complete measurement of the entire light volume or the whole Space a relative delay T D between the light-modulating PN signal and the demodulating PN counter clock voltage U m (t) of the same signal shape at the modulation pho togates at least once continuously or step by step through the entire delay range of the maximum echo delay time in T B steps. The delay element 11, which is adjustable by the control and evaluation unit 9 with respect to the delay T D , is used for this purpose.
In Fig. 5a ist am Beispiel einer rechteckförmigen 15 Bit-PN-Sequenz das Modulationssignal Um(t) dargestellt. Das Ergebnis der Korrelation durch das photonischen Mischelement sind die in Fig. 5b über der rela tiven Verzögerung τ dargestellten gemittelten Driftströme ia und ib.In Fig. 5a the example is a 15-bit PN sequence shown rectangular, the modulation signal U m (t). The result of the correlation by the photonic mixing element are the averaged drift currents i a and i b shown in FIG. 5b over the relative delay τ.
Beim später beschriebenen Vierfachpixel gemäß Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 14 sind die an den Modulationsphotogates Gcm und Gdm anliegenden und der Vorspannung U0 überlagerten Gegentakt-Modulationsphoto gatespannungen vorzugsweise um TB gegenüber den an den Modula tionsphotogates Ga und Gb anliegenden Gegentakt-Modulationspho togatespannungen verzögert, d. h. Ucm(t) = U0 + Um(t - TB) und Udm(t) = U0 - Um(t - TB), was zu sehr vorteilhaften Amplituden- und Laufzeitmes sungen führt.In the quadruple pixel described later according to FIG. 8, FIG. 9 and FIG. 14, the push-pull modulation photo voltages applied to the modulation photogates G cm and G dm and superimposed on the bias voltage U 0 are preferably by T B compared to the modulation photo gates Ga and Gb applied push-pull modulation pho togate voltages delayed, ie U cm (t) = U 0 + U m (t - T B ) and U dm (t) = U 0 - U m (t - T B ), which results in very advantageous amplitude and runtime measurements.
Bis auf eine vorgebbare Verzögerung TD der Modulationsspannungen weist die vom Sender 4 abgestrahlte Lichtintensität const.*Popt(t) die gleiche PN-Signalstruktur auf. Die Reflexion erreicht das photonische Mischelement nach der Echolaufzeit. Die Korrelation mit den Gegen taktmodulationsspannungen führt je nach der relativen Laufzeitver zögerung τ für TD = 0 im Idealfall ohne Hintergrundhelligkeit beim Zweifachpixel auf die in Fig. 5b gezeigten mittleren Pixelströme ia und ib und beim Vierfachpixel mit dem genannten TB-Zeitversatz zusätz lich auf die mittleren Pixelströme ic und id. Diese Korrelationscharak teristik offenbart zunächst, daß mehrere Objektreflexionen auf dem gleichen Radiusvektor unterschieden werden können, z. B. zur Unter scheidung mehrerer hintereinander stehender teiltransparenter Ob jekte oder zur Elimination von Mehrfachreflexionen.Except for a predefinable delay T D of the modulation voltages, the light intensity emitted by the transmitter 4 has constant. * P opt (t) the same PN signal structure. The reflection reaches the photonic mixing element after the echo delay. The correlation with the push-pull modulation voltages leads, depending on the relative Laufzeitver τ delay 0 in the ideal case without background brightness in the two-pixel to in Fig. 5b shown mean pixel currents i a is T D = and i b and in the four-pixel with said T B -Zeitversatz zusätz Lich on the average pixel currents i c and i d . This correlation characteristic initially reveals that several object reflections on the same radius vector can be distinguished, e.g. B. for differentiating several consecutive partially transparent objects or for eliminating multiple reflections.
Zusätzlich werden beim Zweifachpixel nacheinander und beim Vier
fachpixel gleichzeitig vorzugsweise in der jeweils entsprechenden Pi
xelauslese- und Signalvorverarbeitungselektronik 15 die in Fig. 5c dar
gestellte Summe und Differenz der mittleren Driftstromdifferenzen
gebildet. Sie erlauben hochempfindliche Messungen, da nur in dem TB
bis 2TB breiten Meßfenster Signalwerte ungleich Null erscheinen.
Durch die Auswertung der Summe wird die Relevanz einer Messung
aufgrund einer Mindestamplitude bestimmt. Die Differenz zeigt einen
steilen linearen Verlauf im nutzbaren TB-breiten Meßfenster, der eine
Laufzeitbestimmung mit hoher Auflösung erlaubt. Für das hier ideali
sierte Beispiel ist
In addition, in succession in the two-pixel, and in the four-pixel same time, preferably in the respective corresponding Pi xelauslese- and Signalvorverarbeitungselektronik 15 which is asked in Fig. 5c formed sum and difference of the average drift current differences. They allow highly sensitive measurements since only in the T B to B 2T wide measurement window signal values equal to zero appear. The relevance of a measurement is determined on the basis of a minimum amplitude by evaluating the sum. The difference shows a steep linear curve in the usable T B -wide measuring window, which allows a runtime determination with high resolution. For the example idealized here
Das Blockschaltbild einer entsprechenden Meßvorrichtung zur opti schen Vermessung von 3D-Objekten mit PN-Modulation auf der Basis des vorgeschlagenen Korrelations-Photodetektorarrays ist durch einen besonders einfachen Aufbau charakterisiert, wie in Fig. 12 veranschau licht ist. Außer dem Generator 10 und dem Verzögerungsglied 11 ist dabei der gleiche Aufbau wie in Fig. 11 gegeben. The block diagram of a corresponding measuring device for optically measuring 3D objects with PN modulation on the basis of the proposed correlation photodetector array is characterized by a particularly simple structure, as can be seen in FIG. 12. In addition to the generator 10 and the delay element 11 , the same structure is given as in FIG. 11.
Zur schnellen Entfernungsbestimmung bei geringerer Auflösung wird erfindungsgemäß auch eine einfache Rechteckmodulation des Senders 4 durch den Generator 10 mit der Periode T und vorzugsweise gleicher Puls- und Pausendauer TB verwendet. Die Laufzeitermittlung erfolgt nach Gleichung (9). Die Auflösung wird schrittweise durch die mit dem Faktor 2 abnehmende Periodendauer T erhöht, wobei auf den er sten Meßschritt zunächst ein zweiter mit gleicher Periode aber einer Zeitverschiebung TD = T/4 erfolgt.To determine the distance quickly with a lower resolution, a simple rectangular modulation of the transmitter 4 by the generator 10 with the period T and preferably the same pulse and pause duration T B is also used according to the invention. The runtime is determined according to equation (9). The resolution is gradually increased by the period T decreasing by a factor of 2, with the first measuring step being followed by a second with the same period but a time shift T D = T / 4.
Der in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Querschnitt des Pixels 1 des erfin dungsgemäßen photonischen Mischelementes kann bezüglich seiner Grenzfrequenz durch eine geeignete Auslegung des durch die Gegen taktmodulationsspannung verursachten Potentialgefälles optimiert werden. Hierzu zeigt Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein mitt leres Gate G0 zwischen den Modulationsphotogates Gam und Gbm an geordnet ist, das vorzugsweise auf der Vorspannung U0 liegt, und das zusammen mit den Modulationsphotogates Gam und Gbm drei Poten tialstufen bildet. Erwünscht ist ein möglichst gleichmäßiges Potential gefälle bzw. ein möglichst konstantes Modulationsdriftfeld, was durch Erhöhung der Stufenzahl von zwei auf drei oder auch mehr erreicht wird. In der photosensitiven Raumladungszone nimmt mit dem Ab stand von der Isolierschicht 3 ohnehin die Ausprägung der Stufen ab. Dieser Effekt wird in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung genutzt, und zwar durch Verwendung eines sogenannten "Buried Channel", eines von der Isolierschicht einige µm entfernten, etwas tie fer im p-Substrat unter den Modulationsphotogates liegenden, schwach dotierten n-Kanals. Weiterhin ist eine Abschattung 12 für die Akkumulationsgates Ga und Gb vorgesehen, damit diese nicht von der Lichtwelle beleuchtet werden und zusätzliche Ladungsträger erzeugt werden.The cross section of the pixel 1 of the photonic mixing element according to the invention, which is shown by way of example in FIG. 1, can be optimized with regard to its cutoff frequency by a suitable design of the potential gradient caused by the clock modulation voltage. 6 this is shown in Fig. An embodiment in which a mitt Leres gate G 0 bm between the modulating photo gates G am and G is arranged on, preferably on the bias voltage U 0 is located, and which together with the modulating photo gates G am and G bm three Poten forms stages. What is desired is a potential gradient that is as uniform as possible or a modulation drift field that is as constant as possible, which is achieved by increasing the number of stages from two to three or even more. In the photosensitive space charge zone, the shape of the steps decreases with the distance from the insulating layer 3 . This effect is used in a further embodiment according to the invention, namely by using a so-called "buried channel", a lightly doped n-channel a few micrometers away from the insulating layer and slightly deeper in the p-substrate under the modulation photogates. Furthermore, shading 12 is provided for the accumulation gates G a and G b so that they are not illuminated by the light wave and additional charge carriers are generated.
Fig. 7 zeigt eine besondere Ausführung und Verbindung photonischer Mischelemente, bei der gegenüber der in Fig. 1 die beiden Modulati onsphotogates jeweils nur durch ein gemeinsames Akkumulations gate Gs,n getrennt sind, wodurch ein höherer Füllwirkungsgrad er reicht wird. Auch hier ist eine Abschattung 12 der Akkumulationsga tes Ga und Gb vorgesehen. Dabei wechselt die Polarität der Gegentakt modulationsspannungen bzw. die Reihenfolge von Gam,n und Gbm,n von Pixel zu Pixel. Diese Dreierperiode der Gates eignet sich zugleich zum direkten Auslesen durch einen Betrieb als Drei-Phasen-Schiebe register. Ein in bestimmten Anwendungen tolerierbarer Nachteil liegt in der Ladungsverteilung auch auf die jeweils benachbarten Pixel, die zu einer scheinbaren Pixelvergrößerung und geringerer Ortsauflösung in der betreffenden Richtung führt. Fig. 7 shows a special embodiment and connection of photonic mixing elements, in which compared to the two modulation onsphotogates in Fig. 1 are separated only by a common accumulation gate G s, n , whereby a higher filling efficiency is achieved. Here too, shading 12 of the accumulation ges G a and G b is provided. The polarity of the push-pull modulation voltages or the order of G am, n and G bm, n changes from pixel to pixel. This three-period period of the gates is also suitable for direct readout by operation as a three-phase shift register. A disadvantage that is tolerable in certain applications is the charge distribution also to the neighboring pixels, which leads to an apparent pixel enlargement and lower spatial resolution in the relevant direction.
Eine Berechnung dieser Zusammenhänge ergibt, daß gegenüber einer 100%-Nutzladung bei der Auswertung der Ladungsdifferenzen das zentrale, betrachtete Pixel nur 50% erhält und die beiden Nachbarpixel jeweils 25% erhalten.A calculation of these relationships shows that compared to a 100% payload when evaluating the charge differences central, considered pixels only receives 50% and the two neighboring pixels each received 25%.
Zur Veranschaulichung der Ladungsverteilung sind in Fig. 7 analog zu Fig. 1 die verschiedenen Phasen der Potentialverteilung für CW-Mo dulation dargestellt.To illustrate the charge distribution, the different phases of the potential distribution for CW modulation are shown in FIG. 7 analogously to FIG. 1.
In Fig. 8 ist eine weitere vorteilhafte Ausführung des Designs eines Pi xels eines photonischen Mischelementes dargestellt, das bei CW-Mo dulation keine IQ (Inphase, Quadraturphase)-Umschaltung zwischen den I- und Q-Zuständen benötigt. Anstelle des zuvor beschriebenen Zweifachpixels wird ein Vierfachpixel mit den Modulationsphotogates Gam, Gbm, Gcm und Gdm sowie den zugehörigen Akkumulationsgates Ga, Gb, Gc und Gd vorgeschlagen, das die Korrelation gleichzeitig für vier Phasenlagen ermöglicht, da die Gegentakt-Modulationsphotogate spannungen Uam(t) und Ubm(t) bzw Ucm(t) und Udm(t), insbesondere bei HF-Modulation um 90°, gegeneinander verschoben sind.In FIG. 8, a further advantageous embodiment of the design is shown of a Pi xels a photonic mixing element that requires at CW-Mo no IQ (in-phase, quadrature phase) dulation measurement switching between the I and Q-states. Instead of the double pixel described above, a quadruple pixel with the modulation photogates G am , G bm , G cm and G dm and the associated accumulation gates G a , G b , G c and G d is proposed, which enables the correlation for four phase positions at the same time, since the Push-pull modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) or U cm (t) and U dm (t), in particular in the case of HF modulation, are shifted by 90 °.
In orthogonaler Anordnung zu den beschriebenen Modulationsphoto
gates Gam mit ϕam = 0° und Gbm mit ϕbm = 180° befinden sich daher
zwei weitere innerhalb des Pixels symmetrisch integrierte Modulati
onsphotogates Gcm mit ϕcm = 90° und Gdm mit ϕdm = 270°, die nach dem
gleichen Prinzip arbeiten. Auf diese Weise entsteht eine Vierphasen-
Ladungsakkumulation mit den Einzelladungen qa, qb, qc und qd unter
den zugehörigen Akkumulationsgates Ga, Gb, Gc und Gd oder in der
zugehörigen Ausleseelektronik, wobei mittels einer einfachen arith
metischen Operation die zugehörige Phase ϕopt folgendermaßen direkt
berechnet wird:
In orthogonal arrangement to the described modulation photo gates G am with ϕ am = 0 ° and G bm with ϕ bm = 180 ° there are therefore two further modulation photogates G cm with ϕ cm = 90 ° and G dm with ϕ symmetrically integrated within the pixel dm = 270 °, which work on the same principle. In this way, a four-phase charge accumulation with the individual charges q a , q b , q c and q d occurs under the associated accumulation gates G a , G b , G c and G d or in the associated readout electronics, using a simple arithmetic operation the associated phase ϕ opt is calculated directly as follows:
Für die einfache Grauwertbestimmung eines einzelnen Pixels werden die Einzelladungen aller Akkumulationsgates eines Pixels aufsum miert: qPixel = qa + qb + qc + qd. Der Ausleseprozeß der jeweils vier Ladun gen wird in diesem Fall zweckmäßig durch ein aktives Pixeldesign in CMOS-Technik mit pixelweise integrierter Signalvorverarbeitung durchgeführt.For the simple gray value determination of a single pixel, the individual charges of all accumulation gates of a pixel are summed up: q pixels = q a + q b + q c + q d . In this case, the reading process of the four charges is expediently carried out by an active pixel design using CMOS technology with pixel-integrated signal preprocessing.
Fig. 9 zeigt ebenso wie Fig. 8 ein Vierfachpixel eines photonischen Mi schelementes, allerdings mit einem entsprechend Fig. 6 geglättetem Potentialgefälle mit Hilfe des zentralen, vorzugsweise auf dem Poten tial U0 liegenden quadratischen mittleren Gate G0. Fig. 9 8, a four pixel points, as well as Fig. Photonic Mi schelementes, but with a corresponding to FIG. 6 smoothed potential gradient with the aid of the central, preferably on the poten tial U lying 0 square central gate G 0.
Fig. 14 zeigt ebenso wie Fig. 9 ein Vierfachpixel eines photonischen Mi schelementes mit einer für digitale Modulationssignale optimierten Struktur. Das zwischen den vorzugsweise quadratischen Modulations photogates angeordnete mittlere Gate G0 dient ähnlich wie in Fig. 9 der Glättung des durch die Modulationsphotogatespannung erzeugten Po tentialgefälles. FIG. 14, like FIG. 9, shows a quadruple pixel of a photonic mixing element with a structure optimized for digital modulation signals. The middle gate G 0 arranged between the preferably square modulation photogates serves, similarly as in FIG. 9, to smooth the potential gradient generated by the modulation photogate voltage.
Fig. 13 zeigt schließlich eine weitere bevorzugte Ausführungsform ei nes Pixels 1, das im Gegensatz zu den zuvor aufgezeigten Ausfüh rungsbeispielen nicht in CCD-Technologie, sondern in CMOS-Techno logie mit pixelweiser Auslese- und Signalvorverarbeitungselektronik 15 realisiert ist. Die Funktionsweise des modulationspannungsabhän gigen Driftens der Ladungsträger auf der Ladungsschaukel ist dabei die selbe wie bei den zuvor aufgezeigten Ausführungsbeispielen. Unter schiedlich ist bei dem in Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispiel le diglich die Art der Weiterverarbeitung der zu den Akkumulationsga tes Ga und Gb gedrifteten Ladungen qa und qb. Fig. 13, finally, a further preferred embodiment shows ei nes pixel 1, approximately examples in contrast to the previously-indicated exporting not in CCD technology, but in CMOS Techno logy with a pixel by pixel readout and 15 Signalvorverarbeitungselektronik realized. The functioning of the modulation voltage-dependent drifting of the charge carriers on the charge swing is the same as in the previously shown exemplary embodiments. Among the kinds of differently processing is le in the illustrated in Fig. 13 embodiment diglich the tes to the Akkumulationsga G a and G b drifted charges q a and q b.
Die Akkumulationsgates Ga und Gb sind im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel als gesperrte pn-Dioden ausgebildet. Auf einem vor zugsweise schwach dotierten p-Si-Substrat 3 in Fig. 13 werden die posi tiv vorgespannten Akkumulationsgates Ga und Gb durch n+-dotierte Elektroden gebildet. Im sog. "Floating-Diffusion"-Betrieb bzw. im hochohmigen Spannungsauslesemodus werden wie bei der CCD- Technologie die Ladungen qa und qb auf den Kapazitäten der Akku mulationsgates Ga und Gb integriert und als Spannungswerte hoch ohmig ausgelesen.The accumulation gates G a and G b are formed in the present exemplary embodiment as blocked pn diodes. On a preferably weakly doped p-Si substrate 3 in Fig. 13, the positively biased accumulation gates G a and G b are formed by n + -doped electrodes. In so-called "floating diffusion" mode or in the high-resistance voltage reading mode, as in CCD technology, the charges q a and q b are integrated on the capacitances of the accumulation gates G a and G b and read out as voltage values with high resistance.
In vorteilhafter Weise kann auch ein Stromauslesemodus eingesetzt werden, bei dem die photogenerierten Ladungsträger nicht im Potenti altopf integriert, sondern fortlaufend über eine Ausgangsdiffusion über an die Akkumulationsgates Ga bzw. Gb angeschlossene, geeignete Stromausleseschaltungen weitergeleitet werden. Anschließend werden diese Ladungen bspw. jeweils auf einer externen Kapazität integriert.A current reading mode can also advantageously be used in which the photogenerated charge carriers are not integrated in the potentiometer pot, but are continuously passed on via an output diffusion via suitable current reading circuits connected to the accumulation gates G a or G b . Then these charges are each integrated on an external capacity, for example.
Durch eine Ausleseschaltung im Stromauslesemodus, der durch Ver stärkerrückkopplung die Akkumulationsgatespannung virtuell kon stant hält, wird in vorteilhafter Weise vermieden, daß bei einer inten siven Bestrahlung des Pixels die Menge der angesammelten Ladungen qa und qb zu einer Rückwirkung oder gar zu einem Überlaufen des Po tentialtopfes führt. Die Dynamik des photonischen Mischelementes wird dadurch erheblich verbessert. Auch hierbei wird durch die ge nannte Technik eines Schwach dotieren n-Kanals ("Buried Layer") un ter der Isolierschicht der Modulationsgates Verbesserungen, u. a. eine Steigerung der Grenzfrequenz erzielt.A readout circuit in the current readout mode, which keeps the accumulation gate voltage virtually constant by amplifier feedback, advantageously prevents the amount of accumulated charges q a and q b from becoming ineffective or even overflowing when the pixel is intensively irradiated Potential pot leads. This significantly improves the dynamics of the photonic mixing element. Here, too, improvements, including an increase in the cutoff frequency, are achieved by the technique of a weakly doped n-channel (“buried layer”) below the insulating layer of the modulation gates.
Die Ausgestaltung des photonischen Mischelementes in CMOS-Tech nologie ermöglicht weiterhin die Anwendung eines Aktiv-Pixel-Desi gns (APS), mit dem zu jedem Pixel eine Auslese- und Signalvorverar beitungsschaltung in das photonische Mischelement integriert werden kann. Somit ist eine Vorverarbeitung der elektrischen Signale direkt am Pixel möglich, bevor die Signale an eine externe Schaltung weiter geleitet werden. Insbesondere kann somit die Phasen- und Amplitu deninformation direkt auf dem Chip berechnet werden, so daß sich die Meßrate weiter erhöhen läßt.The design of the photonic mixing element in CMOS-Tech Technology also enables the use of an active pixel design gns (APS), with which a readout and signal preprocessing for each pixel processing circuit can be integrated into the photonic mixing element can. Pre-processing of the electrical signals is thus direct possible at the pixel before the signals are passed on to an external circuit be directed. In particular, the phase and amplitude deninformation can be calculated directly on the chip, so that the Measurement rate can be increased further.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein vorzugsweise zweidimensionales photonisches Mischelementarray für eine dreidi mensionale elektronische Objektsuche und -verfolgung passiv oder aktiv leuchtender Objekte nach verschiedenen Kriterien, wie z. B. Ob jektform, -position, -farbe, -polarisation, -geschwindigkeitsvektor, -helligkeit oder einer Kombinantion von Objekteigenschaften ver wendet. Wird z. B. beim Durchlaufen verschiedener Modulationssi gnale (z. B. Frequenz- oder Codeänderung) bei der 3D-Vermessung ei ner einfallenden Lichtwelle, die zunächst unbekannt sein kann, eine örtliche Korrelation durch das Kriterium von Differenzdriftströmen ungleich Null gefunden, so kann danach fortlaufend dieser Objektbe reich gezielt bezüglich der genannten Objekteigenschaften vermessen und ggfs. bei Veränderungen über eine Regelschleife, die insbesondere die Bildtiefe mit einschließt, verfolgt werden.In a further embodiment of the invention, one is preferred two-dimensional photonic mixing element array for a three-dimensional passive electronic object search and tracking or actively shining objects according to various criteria, such as B. Whether project shape, position, color, polarization, speed vector, -brightness or a combination of object properties ver turns. Is z. B. when going through different Modulationssi signals (e.g. frequency or code change) during 3D measurement an incident light wave, which may initially be unknown, a local correlation through the criterion of differential drift currents found not equal to zero, then this object can continuously measured specifically with regard to the object properties mentioned and, if necessary, in the case of changes via a control loop, in particular including the depth of the image can be tracked.
Das photonische Mischelement wird in verschiedenen Betriebsweisen eingesetzt, die im folgenden dargestellt werden.The photonic mixing element is used in different modes used, which are shown below.
Die Summenladung an den Akkumulationsgates Ga und Gb interes siert hierbei weniger, da sie immer der Gesamtintensität der einfallen den Lichtwellen entspricht, qa + qb = const.*Popt,ges*T mit T = Integrati onszeit.The total charge at the accumulation gates G a and G b is of less interest because it always corresponds to the total intensity of the incident light waves, q a + q b = const. * P opt, ges * T with T = integration time.
Die Differenzladung Δqab = qa - qb = ia.T - ib.T hängt von mehreren Faktoren ab und kann in mehrfacher Weise zur Vermessung der ein fallenden Lichtwelle genutzt werden. Dazu wird eine immer vorhan dene Grundhelligkeit P0 < = Pm (s. Fig. 3a) berücksichtigt.The differential charge Δq ab = q a - q b = i a .T - i b .T depends on several factors and can be used in several ways to measure the incident light wave. To this end, an always existing basic brightness P 0 <= P m (see FIG. 3a) is taken into account.
Wahlweise wird z. B. bei einer Vermessung eines durch einen Sender 4 mit moduliertem Licht beleuchteten Objekts 6 die Sendeleistung ein- oder ausgeschaltet und damit wird Pm endlich oder gleich Null. Gleichzeitig wird wahlweise die Modulationsspannung Um(t) entwe der zu Null oder auf den im Sender verwendeten oder im einfallen den Licht enthaltenen Verlauf oder auf eine während der Integrations zeit konstante Spannung Um0 geschaltet.Optionally, e.g. B. when measuring an object 6 illuminated by a transmitter 4 with modulated light, the transmission power is switched on or off and thus P m becomes finite or equal to zero. At the same time, the modulation voltage U m (t) is either switched to zero or to the curve used in the transmitter or contained in the incident light or to a voltage U m0 constant during the integration time.
Damit ergeben sich mit P0 ≠ 0 vier wichtige Betriebsweisen:
With P 0 ≠ 0 there are four important operating modes:
- 1. 1.) Δqab = 0 für Pm = 0 und Um = 0.1. 1.) Δq ab = 0 for P m = 0 and U m = 0.
- 2. 2.) Δqab = 0 bei endlichem Pm und mit Um(t) als HF-Modulationssignal.2. 2.) Δq ab = 0 for finite P m and with U m (t) as an HF modulation signal.
- 3. 3.) Mit endlichem Pm und einer hochfrequenten Modulationsspan nung ist Δqab eine Funktion von Um(t), von der relativen Modulati onslaufzeitverschiebung τ und von dem einfallenden, derart modu lierten Lichtleistungsanteil Pm(t).3. 3.) With finite P m and a high-frequency modulation voltage, Δq ab is a function of U m (t), of the relative modulation delay time shift τ and of the incident, modulated light power component P m (t).
- 4. 4.) Besteht während einer Integrationszeit T eine einfallende mittlere Lichtintensität P0 und eine konstante Modulationsspannung Um0, so ist die Differenzladung Δqab eine Funktion von Um0 und der mittleren Lichtleistung P0.4. 4.) If during an integration time T an incident average light intensity P 0 and a constant modulation voltage U m0, then the differential charge .DELTA.Q from a function of U m0 and the optical mean power P 0th
Bei Lichtwellen, die nicht intensitätsmoduliert sind, wird in einer wei teren Ausgestaltung der Erfindung das photonische Mischelement ent sprechend dem vierten Fall einer möglichen Betriebsweise z. B. für die 2D-Bildverarbeitung eingesetzt.For light waves that are not intensity-modulated, in a white teren embodiment of the invention ent the photonic mixing element ent speaking of the fourth case of a possible mode of operation z. B. for the 2D image processing used.
Dabei ist jedes Mischelement gezielt und unabhängig voneinander an steuerbar, z. B. durch pixelweise Zuordnung je eines schnell über schreibbaren Modulationsspannungswortes für Um0 vorzugsweise mit tels eines RAM-Bausteins. Ausgewertet werden vorzugsweise nur die näherungsweise zu Um0 proportionalen Differenzdriftströme Δiab bzw. Differenzladungen T*Δiab. Die Modulationsspannung Um0 wird dabei jeweils von dem Modulationsspannungswort abgeleitet.Each mixing element can be controlled individually and independently of one another, for. B. by pixel-by-pixel assignment of a quickly writeable modulation voltage word for U m0, preferably using a RAM module. Only approximately proportional to U m0 difference drift currents .DELTA.i are evaluated from difference preferably or charges T * .DELTA.i from. The modulation voltage U m0 is derived from the modulation voltage word .
Damit wird Um(t) nicht mehr periodisch oder quasi-periodisch wie in den vorangehenden Anwendungsbeispielen, sondern aperiodisch z. B. gemäß einem vorgegebenen oder gemäß dem gemessenen Bildinhalt eingestellt. Für Um(t) = 0 ergeben sich alle Differenzströme zu Null, so daß das zugehörige Differenzbild D(x, y) ebenfalls mit der Amplitude bzw. Intensität Null erscheint.Thus U m (t) is no longer periodic or quasi-periodic as in the previous application examples, but aperiodically z. B. set according to a predetermined or according to the measured image content. For U m (t) = 0, all differential currents result in zero, so that the associated difference image D (x, y) also appears with zero amplitude or intensity.
Die Differenzbildhelligkeit kann somit gezielt durch Variation von Um(x, y, t) beeinflußt werden. Damit können erfindungsgemäß belie bige, also auch unmodulierte Lichtwellen bzw. Bilder über eine extrem schnell einstellbare Gewichtsfunktion G(x, y, t) = k1.Um(x, y, t) z. B. über die genannten steuerbaren, pixelweise zugeordneten Speicherzellen einer vielseitigen Bildverarbeitung erschlossen werden, wie z. B. die zuvor aufgeführten Anwendungen zur Objektsuche und -verfolgung, allerdings hierbei ohne den Aspekt der Tiefeninformation.The difference image brightness can thus be influenced in a targeted manner by varying U m (x, y, t). Thus, according to the invention, any, ie also unmodulated, light waves or images can be set via an extremely quickly adjustable weight function G (x, y, t) = k 1 .U m (x, y, t) z. B. be accessed via the controllable, pixel-wise allocated memory cells of a versatile image processing, such as. B. the previously listed applications for object search and tracking, but without the aspect of depth information.
Claims (24)
- - bei dem eine elektromagnetische Welle auf die Oberfläche eines mindestens ein Pixel aufweisenden photonischen Mischelementes eingestrahlt wird, wobei das Pixel mindestens zwei lichtempfindliche Modulationsphotogates Gam und Gbm und zugeordnete Akkumulati onsgates Ga und Gb aufweist,
- - bei dem an die Modulationsphotogates Gam und Gbm Modulations photogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) angelegt werden, die als Uam(t) = U0 + Um(t) und Ubm(t) = U0 - Um(t) ausgestaltet sind,
- - bei dem an die Akkumulationsgates Ga und Gb eine Gleichspannung angelegt wird, deren Betrag mindestens so groß wie der Betrag der Summe aus U0 und der Amplitude der Modulationsspannung Um(t) ist,
- - bei dem die in der Raumladungszone der Modulationsphotogates Gam und Gbm von der einfallenden elektromagnetischen Welle erzeug ten Ladungsträger in Abhängigkeit von der Polarität der Modulations photogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) dem Potentialgefälle eines Driftfeldes ausgesetzt werden und zum entsprechenden Akkumulati onsgate Ga oder Gb driften und
- - bei dem die jeweils zu den Akkumulationsgates Ga und Gb gedrifteten Ladungen qa und qb abgeleitet werden.
- in which an electromagnetic wave is radiated onto the surface of a photonic mixing element having at least one pixel, the pixel having at least two light-sensitive modulation photogates G am and G bm and associated accumulation gates G a and G b ,
- - In which the modulation photogates G am and G bm modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) are applied, which as U am (t) = U 0 + U m (t) and U bm (t) = U 0 - U m (t) are configured,
- a direct voltage is applied to the accumulation gates G a and G b , the amount of which is at least as large as the amount of the sum of U 0 and the amplitude of the modulation voltage U m (t),
- - In which the charge carriers generated in the space charge zone of the modulation photogates G am and G bm from the incident electromagnetic wave, depending on the polarity of the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t), are exposed to the potential gradient of a drift field and to the corresponding Accumulation gate G a or G b drift and
- - in which the charges q a and q b drifted to the accumulation gates G a and G b are derived.
- - bei dem von einem Sender eine intensitätsmodulierte elektromagne tische Welle abgestrahlt wird,
- - bei dem die von einem Objekt reflektierte elektromagnetische Welle auf die Oberfläche des photonischen Mischelementes eingestrahlt wird,
- - bei dem die Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) mit der Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetische Welle in fester Phasenbeziehung stehen und
- - bei dem die erzeugten Ladungsträger zusätzlich in Abhängigkeit von der Phase der Gegentakt-Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) dem Potentialgefälle eines Driftfeldes ausgesetzt werden.
- - in which an intensity-modulated electromagnetic wave is emitted by a transmitter,
- in which the electromagnetic wave reflected by an object is radiated onto the surface of the photonic mixing element,
- - in which the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) are in a fixed phase relationship with the phase of the electromagnetic wave emitted by the transmitter and
- - In which the charge carriers generated are additionally exposed to the potential gradient of a drift field as a function of the phase of the push-pull modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t).
- - bei dem für zwei verschiedene Phasenverschiebungen Δϕ1 und Δϕ2 der Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetische Welle die La dungen qa1 und qb1 sowie qa2 und qb2 abgeleitet und die Ladungsdiffe renzen (qa1 - qb1) und (qa2 - qb2) gebildet werden und
- - bei dem nach der Gleichung
die Pixelphase ϕopt der einfallenden elektromagnetischen Welle relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetischen Welle und somit die Laufzeit der vom Pixel empfangenen elektromagnetischen Welle be stimmt wird.
- - In the case of two different phase shifts Δϕ 1 and Δϕ 2 of the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) relative to the phase of the electromagnetic wave emitted by the transmitter, the charges q a1 and q b1 as well as q a2 and q b2 are derived and the charge differences (q a1 - q b1 ) and (q a2 - q b2 ) are formed and
- - where according to the equation
the pixel phase ϕ opt of the incident electromagnetic wave relative to the phase of the electromagnetic wave emitted by the transmitter and thus the transit time of the electromagnetic wave received by the pixel is determined.
- - bei dem mit Hilfe von vier Modulationsphotogates Gam, Gbm, Gcm und Gdm und von vier zugeordneten Akkumulationsgates Ga, Gb, Gc und Gd, für zwei verschiedene Phasenverschiebungen Δϕ1 und Δϕ2 der Modulationsphotogatespannungen Uam(t) = U0 + Um1(t) und Ubm(t) = U0 - Um1(t) sowie Ucm(t) = U1 + Um2(t) und Udm(t) = U1 - Um2(t) relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetischen Welle gleichzeitig die Ladungen qa, qb, qc und qd getrennt und abgeleitet werden und
- - bei dem nach der Gleichung
die Pixelphase ϕopt der einfallenden elektromagnetischen Welle relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetischen Welle und somit die Lauf zeit der vom Pixel empfangenen elektromagnetischen Welle bestimmt wird.
- - in which, with the aid of four modulation photogates G am , G bm , G cm and G dm and four associated accumulation gates G a , G b , G c and G d , for two different phase shifts Δϕ 1 and Δϕ 2 of the modulation photogate voltages U am ( t) = U 0 + U m1 (t) and U bm (t) = U 0 - U m1 (t) as well as U cm (t) = U 1 + U m2 (t) and U dm (t) = U 1 - U m2 (t) relative to the phase of the electromagnetic wave emitted by the transmitter, the charges q a , q b , q c and q d are simultaneously separated and derived and
- - where according to the equation
the pixel phase ϕ opt of the incident electromagnetic wave relative to the phase of the electromagnetic wave emitted by the transmitter and thus the transit time of the electromagnetic wave received by the pixel is determined.
- - bei dem das photonische Mischelement eine Mehrzahl von Pixeln aufweist,
- - bei dem mindestens ein Pixel mit einem Teil der intensitätsmodu lierten elektromagnetischen Welle vom Sender direkt bestrahlt wird und
- - bei dem aus der mit diesem Pixel gemessenen Phasenverschiebung eine Eichung der Phasenverschiebung zwischen der abgestrahlten elek tromagnetischen Welle und den Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) durchgeführt wird.
- in which the photonic mixing element has a plurality of pixels,
- - In which at least one pixel is irradiated with part of the intensity-modulated electromagnetic wave from the transmitter and
- - In which a calibration of the phase shift between the emitted electromagnetic wave and the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) is carried out from the phase shift measured with this pixel.
- - bei dem eine elektromagnetische Welle mit fremderregter unbekann ter Intensitätsmodulation auf die Oberfläche des photonischen Misch elementes eingestrahlt wird,
- - bei dem die Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) von einem durchstimmbaren Modulationsgenerator erzeugt werden,
- - bei dem die erzeugten Ladungsträger zusätzlich in Abhängigkeit von der Phase der Gegentakt-Modulationsphotogatespannungen Uam(t) und Ubm(t) dem Potentialgefälle eines Driftfeldes ausgesetzt werden und
- - bei dem das photonische Mischelement und der Modulationsgenera tor mindestens einen Phasenregelkreis bilden und die elektromagneti sche Welle nach der Lock-in-Methode vermessen wird.
- in which an electromagnetic wave with externally excited unknown intensity modulation is radiated onto the surface of the photonic mixing element,
- in which the modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t) are generated by a tunable modulation generator,
- in which the charge carriers generated are additionally exposed to the potential gradient of a drift field as a function of the phase of the push-pull modulation photogate voltages U am (t) and U bm (t)
- - In which the photonic mixing element and the modulation generator form at least one phase-locked loop and the electromagnetic wave is measured using the lock-in method.
- - mit mindestens einem Pixel (1),
- - das mindestens zwei lichtempfindliche Modulationsphotogates (Gam, Gbm) und
- - den Modulationsphotogates (Gam, Gbm) zugeordnete, gegenüber der einfallenden elektromagnetischen Welle abgeschattete Akkumulati onsgates (Ga, Gb) aufweist.
- - with at least one pixel ( 1 ),
- - The at least two light-sensitive modulation photogates (G am , G bm ) and
- - The modulation photogates (G am , G bm ) assigned, shaded from the incident electromagnetic wave Akkumulati onsgates (G a , G b ).
- - mit mindestens einem photonischen Mischelement nach einem der Vorrichtungsansprüche 14 bis 19,
- - mit einem Modulationsgenerator (10, 13),
- - mit einem Sender (4), dessen abgestrahlte elektromagnetische Welle vom Modulationsgenerator (10, 13) in vorgegebener Weise intensi tätsmoduliert ist,
- - wobei die von einem Objekt (6) reflektierte elektromagnetische Welle auf die Oberfläche des photonischen Mischelementes einstrahlt und
- - wobei der Modulationsgenerator (10, 13) das photonische Mischele ment mit Modulationsspannungen Um(t) versorgt, die in vorgegebe ner Phasenbeziehung zur Phase der abgestrahlten elektromagnetische Welle des Senders stehen.
- with at least one photonic mixing element according to one of the device claims 14 to 19 ,
- - with a modulation generator ( 10 , 13 ),
- - With a transmitter ( 4 ), the emitted electromagnetic wave of the modulation generator ( 10 , 13 ) is intensity modulated in a predetermined manner,
- - The electromagnetic wave reflected by an object ( 6 ) radiates onto the surface of the photonic mixing element and
- - Wherein the modulation generator ( 10 , 13 ) the photonic Mischele element with modulation voltages U m (t), which are in predetermined phase relation to the phase of the emitted electromagnetic wave of the transmitter.
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