ES2206748T3

ES2206748T3 - Procedimiento y dispositivo para la determinacion de la informacion sobre fases y/o amplitudes de una onda electromagnetica.

Info

Publication number: ES2206748T3
Application number: ES97941871T
Authority: ES
Inventors: Rudolf Schwarte
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2004-05-16
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: AU4376197A; JP2000517427A; CZ69399A3; AU715284B2; US7053357B2; HUP0001087A3; BR9712804A; JP4060365B2; HUP0001087A2; RU2182385C2; CN1233323A; US20050092897A1; CA2264051A1; CN1103045C; EP1009984A1; ATE254758T1; BR9712804B1; EP1009984B1; CZ300055B6; US6825455B1

Abstract

Procedimiento para la determinación de información sobre fases y/o amplitudes de una onda electromagnética, en el que se irradia una onda electromagnética sobre la superficie de un elemento fotónico mixto, que presenta al menos un pixel, presentando el pixel al menos dos fotopuertas Gam y Gbm de modulación sensibles a la luz y puertas Ga y Gb de acumulación asociadas; en el que, en las fotopuertas Gam y Gbm de modulación, se aplican tensiones Uam (t) y Ubm(t) de las fotopuertas de modulación, que están configuradas como Uam(t)=Uo+Um(t) y Ubm=Uo-Um(t); en el que se aplica una tensión continua a las puertas Ga y Gb de acumulación, cuyo valor es al menos tan grande como el valor de la suma de Uo y la amplitud de la tensión Um(t) de modulación; en el que los portadores de carga generados por la onda electromagnética incidente en la zona de cargas espaciales de las fotopuertas Gam y Gbm de modulación se exponen, en función de la polaridad de las tensiones Uam(t) y Ubm(t) de las fotopuertas de modulación, a la caída de potencial de un campo de deriva y son derivados a la correspondiente puerta Ga y Gb de acumulación; y en el que las cargas qa y qb derivadas son desviadas en cada caso a las puertas Ga y Gb de acumulación.

Description

Procedimiento y dispositivo para la determinación de la información sobre fases y/o amplitudes de una onda electromagnética.

El invento se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la determinación de información sobre fases y amplitudes de una onda electromagnética.

El concepto de fase responde aquí, en general, por la velocidad de fase y por la denominación del tiempo de propagación utilizada asimismo según la forma de la señal.

A continuación, se hablará de una onda luminosa en vez de una onda electromagnética. Esto no representa, sin embargo, limitación alguna sólo en la zona espectral de las ondas electromagnéticas visibles, sino que sirve únicamente como simplificación.

Para la medición de componentes de la frecuencia según amplitud y fase en señales de banda ancha y de alta frecuencia, se aplican frecuentemente detectores de fases en la técnicas electrónicas de medición y de comunicación, que multiplican o bien mezclan la señal desconocida con una oscilación sinusoidal y determinan la porción igual, que se origina al presentarse una componente de señal de igual frecuencia por integración o bien por filtrado de paso bajo.

Este proceso genera la función de correlación de la señal desconocida con la señal mixta para una posición de fase relativa determinada, ajustable. Modificando la frecuencia mixta (barrido) puede descomponerse la señal desconocida en sus porciones espectrales. Por medio de, al menos, tres posiciones de fase de la frecuencia mixta pueden determinarse, la porción igual, la amplitud alterna y la fase de los componentes de frecuencia desconocidos de frecuencia igual.

La investigación de las señales ópticas correspondientes, que ha alcanzado una importancia creciente en las técnicas de medición y de comunicación, se realiza hoy, en general, por medio de fotodetectores de banda ancha, como convertidores electroópticos - tal como se describió anteriormente para las señales eléctricas.

A causa de elevado gasto, se realizan estos procedimientos y los correspondientes aparatos de medición, en la mayoría de los casos, de uno o dos canales. Sin embargo, en el caso de señales ópticas se han de medir, con frecuencia, muchísimos canales paralelos simultáneamente- en especial, secuencias de imágenes completas - con elevadas proporciones de frecuencia.

Junto a las propiedades de modulación espectrales de las ondas luminosas bidimensionales, interesa crecientemente el rápido desarrollo de las envolventes en el espacio y en el tiempo. Aparte de ello, se desearía medir rápida y exactamente objetos de tres dimensiones, por ejemplo, por procedimientos ópticos de radar, lo que requiere detectores muy rápidos, en el entorno inferior a los nanosegundos, como consecuencia de la velocidad de la luz de las señales de eco. Al mismo tiempo, deberían presentarse como conjunto ordenado de detectores, cuando se desease prescindir de una exploración, que requiere mucho tiempo, de los objetos de tres dimensiones luminosos activa o pasivamente.

En el documento de publicación DE 44 39 298 A1, en el que se basa el presente invento, se propone una cámara semejante de tres dimensiones.

La figura 10 debe servir de ilustración de esa cámara de tres dimensiones, que se basa en el procedimiento de tiempo de propagación del eco o bien de la velocidad de la fase. La onda 101 luminosa modulada en alta frecuencia irradiada por un emisor 107 y 103 de luz modulado y reflejada por el objeto 100 de tres dimensiones, contiene toda la información referente a la rugosidad en el retardo del frente de fase. Si se modula otra vez la onda luminosa incidente en la abertura 102 de recepción con un mezclador 104 óptico de dos dimensiones de la misma frecuencia, lo que corresponde a un proceso de mezcla o demodulación homodino, se forma entonces un interferograma de alta frecuencia estacionario.

Ese interferograma de alta frecuencia puede ser captado por una cámara 105 de CCD (charge-coupled device= dispositivo de carga acoplada) y ser tratado adicionalmente con un procesado 106 de imagen. La integración de la porción igual del producto mixto en la fotocarga de CCD corresponde a la formación de la función de correlación de las dos señales mixtas. Los retardos de fases referidos a la distancia por los tiempos de propagación del eco así como por las amplitudes se pueden calcular en forma de pixels a partir de tres o más interferogramas por medio de fases diferentes de la frecuencia mixta demoduladora, por ejemplo, 0º, 120º y 240º ó 90º, 180º y 270º y, con ello, reconstruirse la imagen de tres dimensiones de la rugosidad.

El mezclador 103 o bien 104 bidimensional, que se designa también como modulador de luz espacial (Spatial Light Modulator, SLM), se compone además, por ejemplo, de una célula de Pockel, que presenta una serie de inconvenientes importantes, descritos en la literatura.

Otras posibilidades de realización ofrecen ventanas de LCD (pantalla de cristal líquido), que si bien son baratas, quedan sin embargo demasiado bajas en relación con la deseada anchura de banda, en aproximadamente el factor 1000.

Asimismo, caro y costoso es el empleo de una placa llamada de microcanal, tal como se aplica en amplificadores de imagen. Se puede modular la amplificación, modulando la tensión de aceleración aplicada a los microcanales, que influye en la emisión secundaria de electrones en los microcanales.

Además, se hace, en el estado actual de la técnica, una propuesta de un correlacionador de dos dimensiones basado en un conjunto ordenado de fotodetectores de CCD: "The Lock-In CCD-Two Dimensional Syncronus Detection of Light" de Spirig, Seitz y otros, publicada en el Journal of Quantum Electronics del IEEE, volumen 31, número 9, septiembre de 1995, páginas 1705 a 1708. Se consulta en él a un fotopixel por medio de 4 puertas de transferencia, para determinar la fase de la luz modulada sinusoidalmente. Se toma, por periodo sinusoidal, una muestra equidistante, en cada caso, con las cuatro puertas de transferencia, con lo que se puede calcular fácilmente la fase. Este proceso es demasiado lento para las condiciones mostradas del problema, ya que la señal luminosa armónica es integrada, en primer lugar, por una duración de exploración, que limita significativamente la anchura de banda. Sólo entonces tiene lugar el deseado proceso de mezcla con la recepción de la carga almacenada como muestra de exploración.

Se le plantea, por ello, al invento el problema técnico de proporcionar un procedimiento y un dispositivo para determinar la información sobre fases y amplitudes y, con ello, las envolventes de una onda luminosa, que hagan posible un concepto de correlación más sencillo, de mayor anchura de banda y más económico y una medición de objetos en tres dimensiones rápida por medio de una iluminación previamente suministrada.

El problema técnico mostrado anteriormente se resuelve, pues, por el procedimiento según la reivindicación 1, así como por el elemento fotónico mixto según la reivindicación 14, por la disposición de elementos mixtos según la reivindicación 20 y por el dispositivo según la reivindicación 23.

El principio según el invento se basa en una deriva y una separación, generadas por la tensión de las fotopuertas de modulación, del portador de carga minoritario fotogenerado por la onda luminosa en el material por debajo de, al menos, dos fotopuertas de modulación vecinas sensibles a la luz. Esos portadores de carga derivan, además, por la influencia de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación, que están en contacto con las fotopuertas de modulación, según la polaridad o bien la fase respecto de las puertas de acumulación polarizadas preferiblemente con la doble tensión U_{a} y U_{b} continua. Las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación están en contacto preferiblemente complementariamente y se componen preferiblemente de una tensión U_{o} previa y de la tensión +U_{m}(t) o bien -U_{m}(t) de modulación sobrepuesta en contrafase. Las dos fotopuertas de modulación forman conjuntamente preferiblemente una superficie cuadrada. Un pixel con sólo dos fotopuertas de modulación se puede designar también por pixel doble.

Este principio según el invento supone el efecto cuántico fotoeléctrico, provocado por ondas electromagnéticas. A pesar de ello, se habla siempre de ondas luminosas -sin que eso se entienda como una limitación-.

En la deriva dependiente de la tensión de modulación o bien de la fase de los portadores de carga fotogenerados, se produce, al lado derecho o al izquierdo de la fotopuerta de modulación ("balanceo de carga"), el proceso de mezcla o bien de multiplicación propiamente dicho. Además, la diferencia de carga entre los portadores de carga así separados, reunidos bajo las puertas de acumulación y transmitidos a la electrónica de lectura, teniendo en cuenta una integración en un tiempo prefijado, representa una medida de la función de correlación de las envolventes de la señal luminosa modulada incidente y de la tensión U_{m}(t) de modulación.

Al mismo tiempo, queda la suma de cargas de estos portadores de cargas derivados y trasmitidos a las puertas de acumulación sin influenciar por la inclinación de la balanza de cargas y queda a disposición como intensidad de pixel o bien como valor acromático de pixel correspondiente.

Para determinar la fase relativa o retardo temporal de la onda luminosa incidente, es necesario, tal como se describe más arriba, realizar tres mediciones para las tres magnitudes: proporción de tensión continua y proproción de tensión alterna así como fase relativa. Por ello, es posible una configuración del pixel del elemento fotónico mixto con tres fotopuertas de modulación sensibles a la luz, que son sometidas a tensiones de fotopuertas de modulación, que presentan tres retardos de fase diferentes con respecto a la onda luminosa irradiada por el emisor.

Para la determinación de la fase de la señal receptora en cada pixel del elemento fotónico mixto a partir de las amplitudes de correlación resultantes, se consultan, no obstante, por conveniencia cuatro mediciones diferentes en cuatro fases diferentes de la señal mixta. Con ello, se obtiene una coincidencia, gracias a la cual se puede disminuir decisivamente el ruido de fluctuación.

Por medio de la disposición en contrafase de las tensiones de las fotopuertas de modulación en dos fotopuertas de modulación por pixel, se realizan, en cada caso, dos de esas mediciones simultáneamente. Por consiguiente, basta con realizar, por ejemplo, en una modulación de alta frecuencia, dos mediciones desplazadas, en cada caso, en 90º con diferencia de fases de 0º/180º así como de 90º/270º de las tensiones U_{am}(t) o bien U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación con respecto a la fase de la luz irradiada, para obtener los necesarios cuatro valores de medición.

Por tanto, se prefiere una disposición en la que el elemento fotónico mixto, que forma en cada caso un pixel, consista en cuatro fotopuertas de modulación dispuestas simétricamente, estando sometidas, en cada caso, dos fotopuertas de modulación opuestas a tensiones de contrafase o bien a tensiones de las fotopuertas de modulación desplazadas en fase 180º, donde las dos mediciones desplazadas 90º, en cada caso, descritas anteriormente en relación con el pixel doble, se realizan simultáneamente, en esta caso, con diferencia de fases de 0º/180º así como de 90º/270º de las tensiones de las fotopuertas de modulación. Un pixel semejante se puede designar también como pixel cuádruple.

Para un calibrado del retardo de fases de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación es posible además dirigir, de forma preferida, una parte de la onda luminosa, irradiada por el emisor, como referencia directamente sobre al menos uno de varios pixels de una disposición de una multiplicidad de elementos fotónicos mixtos. La información sobre fases y amplitudes obtenida de ese pixel directamente irradiado puede ser aprovechada entonces para el calibrado o bien ser utilizada para un ajuste del retardo de fases a un valor prefijado.

Contrariamente, se puede medir la onda luminosa, en el caso de una modulación desconocida, excitada independientemente, de la onda luminosa incidente, irradiada de un objeto activo, con ayuda de, al menos, un elemento fotónico mixto con la elevada resolución, como es sabido, de un amplificador de enganche. Para ello, el elemento fotónico mixto forma, junto con un generador de modulación variable que sustituye al emisor, un circuito regulador de fase. Además, el circuito de sincronización de fase es aplicable tanto en el caso de la amplificación de enganche para, por ejemplo, una modulación de alta frecuencia, como el circuito de sincronización de retardo para una modulación digital.

Para la medición de objetos pasivos, se puede realizar la modulación de la luz irradiada, así como la modulación correspondiente de las tensiones U_{am}(t) o bien U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación, de diferentes modos. En primer lugar, se puede realizar una modulación continua de alta frecuencia, leyéndose repetidamente por intervalos de tiempos, que pueden ser influenciados retroactivamente por la intensidad del pixel, las diferencias de carga y las sumas de carga para evaluación de la información de fases y amplitudes de la onda luminosa.

Un modo de operación intermitente es ventajoso con modulación de alta frecuencia en forma de impulsos e iluminación, por ejemplo, para superar, en cada caso, una iluminación de fondo perturbadora temporalmente. Además, las cargas fotogeneradas se integran y se evalúan seguidamente sólo durante el impulso de alta frecuencia.

En la determinación especialmente de la información sobre fases o bien de tiempos de propagación de ondas luminosas reflejadas, se pueden aplicar para elevar la resolución de fases o bien de tiempos de propagación los procedimientos de compresión de impulsos de alta frecuencia, conocidos en la técnica de radar, con pequeñas funciones de correlación, por ejemplo, la técnica de compensación de impulsos. Además se modula repetidamente con una compensación de impulsos tanto la señal de modulación del propio elemento fotónico mixto, como la onda luminosa del emisor, que ilumina con relación de fases prefijada y, por consiguiente, también la onda luminosa reflejada con la relación de fases buscada. Por medio de la modulación de composición de impulsos, se solucionan de modo adecuado múltiples objetivos, mediante la introducción de un retardo ajustable entre la tensión de las fotopuertas de modulación del elemento fotónico mixto y de la luz irradiada por el emisor, o bien se suprimen reflexiones múltiples perturbadoras de una escena iluminada.

Como modulación adicional, se dispone de la modulación por pseudorruidos [Pseudo-Noise(PN)-Modulation] también descrita más adelante tanto como PN de banda base, como modulación por PN de alta frecuencia. Un funcionamiento de muestreo con procesos de exploración y retención (Sample-and-Hold) en el caso de señales luminosas a repetir es un caso especial de la mezcla y la correlación con picos de impulsos transitorios parásitos. También para ésta como para otras aplicaciones de modulación pulsada, se puede aplicar ventajosamente el elemento fotónico mixto según el invento.

Los tipos de modulación enumerados son conocidos totalmente por sí mismos a partir del estado actual de la técnica.

Las cargas derivadas a las puertas de acumulación se pueden tratar subsiguientemente ahora de diferente modo. Por un lado, se puede realizar el elemento fotónico mixto en tecnología de CCD, donde entonces las cargas se reúnen o bien se integran debajo de las puertas de acumulación y seguidamente se desplazan de forma habitual hasta el circuito de lectura de CCD, por ejemplo, en el ciclo deslizante trifásico y se leen por medio de una difusión-p o -n.

Por otro lado, el elemento fotónico mixto puede realizarse en tecnología de CMOS (complementary metal oxide semiconductor) como elemento pixel activo con electrónica de pretratamiento de lectura y de señal propia del pixel. Además, se aproxima prácticamente el circuito de lectura habitual por ambos lados, en cada caso, directamente hasta las fotopuertas de modulación. Las puertas de acumulación se configuran, para ello, preferiblemente como diodos-pn bloqueados, de poca capacidad, y conducen las cargas fotogeneradas, que llegan, preferiblemente por medio de los electrodos G_{a} y G_{b} directamente a la electrónica de pretratamiento de lectura de pixels y de señales para su almacenamiento y tratamiento en ella.

En el último caso, se leen, pues, continuamente las dos porciones de cargas de la balanza de carga y se pueden almacenar, por ejemplo, con un amplificador de cargas prácticamente libre de efectos secundarios en una capacidad posconectada en cada caso.

El estado actual de la técnica es que, antes de cada nueva medición, las capacidades implicadas y cargadas se descargan por medio conmutadores de reposición, y que se utilizan convenientemente las tensiones defectuosas medidas en estado de reposición para la corrección de los valores de medición verdaderos. Esta aplicación de la lectura en forma de pixels, libre de efectos secundarios, tiene la ventaja de que toda la dinámica del elemento fotónico mixto y, por ello, del procedimiento de medición, se puede aumentar sensiblemente en comparación con la realización en tecnología de CCD.

De modo adicional preferido, es posible calcular directamente la información sobre fases y amplitudes en una electrónica de pretratamiento de lectura de pixels y de señales preferiblemente como integración en el chip. Tal chip (ASOC) optico específico de aplicación o bien tal sensor (APS) de píxel activo eleva la proporción de medición y hace posible un pretratamiento en forma de pixels de las fases y/o de las amplitudes.

Una ventaja importante del presente invento consiste en que la modulación tiene lugar simultáneamente con la generación y separación de cargas. En otra palabras, la detección y la mezcla tienen lugar simultáneamente y sin etapas intermedias adicionales ruidosas y limitadoras de la banda. Por ello, se evitan los fallos de deriva temporales existentes, entre otros, en el estado actual de la técnica, que con una modulación e integración de las cargas separadas temporal y espacialmente de la detección se presentan inevitablemente y que no se pueden suprimir.

Otra ventaja más del presente invento estriba en la alta frecuencia límite del elemento fotónico mixto. La frecuencia límite de la transferencia de carga por medio de la tensión de modulación de contrafase es en relación con la máxima longitud de deriva o tramo de transferencia, o sea de la longitud suma de las fotopuertas de modulación, comparable con la frecuencia límite de los correspondientes transistores MOS y alcanza, con ello, la zona de los GHz. Además, se suprimen por la separación de portadores de carga asimétricos y la formación diferencial de portadores de carga las señales en fase perturbadoras. Cada señal no correlacionable con la señal de modulación, por ejemplo, la iluminación de fondo, se suprime en la diferencia de cargas, lo que lleva a una elevada relación de señal a ruidos. Además, sólo se produce una pequeña deriva de tiempo a causa de la concentración de detección, mezclado así como integración de portadores de carga y formación diferencial de portadores de carga en el mismo chip. Además, será posible una concentración de prácticamente todas las funciones de medición dentro de una única estructura de semiconductores.

Frente al estado actual de la técnica, en el documento DE 44 39 298 A1, con la utilización de células de Pockel como moduladores, sólo se necesitan pequeñas tensiones de modulación en el entorno de 1 voltio en vez de los 1000 voltios. Además, se garantiza una gran abertura por el lado del receptor por medio de una disposición de dos dimensiones de elementos fotónicos mixtos.

Para la determinación de la información sobre fases y/o amplitudes no se necesita además luz coherente o polarizada alguna. Con ello, se pueden aprovechar otras propiedades específicas de las ondas luminosas incidentes mediante la inserción previa de filtros selectores, por ejemplo, en relación con la polarización y la longitud de onda de la luz. Adicionalmente, se dan una alta sensibilidad y una alta relación de señal a ruido por la supresión del intensificador fotodetector de banda ancha y del mezclador electrónico aplicados.

La anchura de banda óptica espectral de las ondas luminosas a ser medidas se determina por medio de la fotosensibilidad espectral del material utilizado en la zona de cargas especiales bajo las fotopuertas, es decir, por ejemplo, en caso de silicio aproximadamente en el entorno de longitud de onda de 0,3 a 1,1 \mum, con InGaAs aproximadamente de 0,8 a 1,6 \mum y con InSb aproximadamente de 1 a 5,5 \mum.

Los elementos fotónicos mixtos pueden estar dispuestos en una disposición discrecional de cero, una o dos dimensiones y ofrecen, con ello, un ancho espectro de geometrías de aplicación. Además, se pueden hacer funcionar varios cientos de miles de elementos fotónicos mixtos paralelamente con una anchura de banda de modulación de, por ejemplo, 10 a 1000 MHz, de modo que, por ejemplo, se puede realizar extremadamente rápidamente una grabación de cámara de una escena en tres dimensiones con la determinación de la información de distancias en cada punto de imagen. Por medio de las diferencias de carga de las cargas fluyentes y a ser leídas a las puertas de acumulación, se determina en forma de pixel la imagen \phi(x,y) de la fase o -en caso de iluminación modulada- la imagen de las distancias o bien la imagen de la rugosidad con el vector radio o bien distancia R(x,y) de Voxel. Las correspondientes sumas de cargas proporcionan el valor A(x,y) acromático de pixel. Ambos pueden compendiarse en la imagen de valor acromático escalado o bien en la imagen A(x,y,z) de tres dimensiones.

La proporción de repetición de imagen de tres dimensiones queda además en la zona de aproximadamente 10 Hz hasta más de 1000 Hz y depende del número de elementos fotónicos mixtos utilizados. Mediante filtros de color adicionales, es posible obtener los valores de color habituales rojo (x,y), verde(x,y) y azul(x,y) de la imagen R(x,y) de la distancia.

Por medio de la estructura integrada de mezclado e integración de portadores de carga, se consigue, no en último lugar, también una estructura sencilla del elemento fotónico mixto. Finalmente, no se ha de hacer un gasto especial en el canal receptor, pues basta una óptica de representación convencional para la representación de la onda luminosa incidente, dado el caso reflejada, siempre que se haya de registrar una escena de una o dos dimensiones y no sólo un punto. Por ampliación rápida (zoom), síncrona, de las ópticas de emisión y recepción, se puede ajustar flexiblemente el dispositivo de medición a diferentes escenas de tres dimensiones.

En el procedimiento según el invento y en el correspondiente elemento mixto o bien en una disposición de varios elementos mixtos es apropiado, si la fase de pixel o bien la duración de propagación del pixel y la luminosidad del pixel se determina directamente con ayuda de una estructura de sensor de pixel activo (APS) y luego se lee opcional o también serialmente preferiblemente por medio de una estructura multiplexora aplicada al mismo chip (llamada estructura multiplexora en el chip). Esto aumenta la velocidad de tratamiento y disminuye también el número de otros componentes necesarios.

Cuando además la luminosidad del pixel se evalúa como suma de las cargas de las correspondientes puertas de acumulación como imagen de valor acromático, entonces se prefiere especialmente una configuración del invento, que, en el caso de una iluminación de fondo, es decir, de una iluminación sin modular, que existe junto la iluminación modulada, elimina por cálculo las cargas en las puertas de acumulación provocadas por esa iluminación adicional, mientras se forma la diferencia entre las imágenes de valor acromático, que recibe, por un lado, con iluminación modulada conectada y, por otro, sin iluminación modulada, es decir, después de desconectar la fuente luminosa modulada. En esta luminosidad de fondo o bien en este valor de base de las cargas en las puertas de acumulación no se contiene información de correlación alguna, de modo que la información de correlación real aparece más clara tras restar ese valor de base.

Como ya se ha mencionado, obviamente es conveniente si varios de los elementos de mezcla se utilizan en una disposición de campo bien sea lineal, superficial o espacial. Además, por disposición de campo "lineal" no debe entenderse sólo un campo de elementos mixtos, que están dispuestos en una línea recta unos junto a otros o bien unos detrás de otros, sino, en general, un campo de elementos mixtos, que están dispuestos a lo largo de una línea, pudiendo discurrir esa línea de forma recta o curva. También en las disposiciones superficiales, se pueden prever no sólo disposiciones planas de elementos mixtos en forma de una matriz rectangular, incluso cuando se pueda preferir por razones prácticas, sino que los elementos mixtos se pueden disponer, en principio, según una muestra discrecional y también en una superficie curvada, por ejemplo, en la superficie interior de una cubeta esférica. Igualmente se puede utilizar también y tiene todo el sentido para determinadas aplicaciones, disposiciones de campo de elementos mixtos en superficies en ángulo, es decir, simultáneamente en dos superficies, que formen un ángulo entre ellas. Disposiciones de ese tipo entran en el concepto de la "disposición de campo espacial".

En tales disposiciones de campo de varios elementos mixtos, dado el caso de varios cientos o miles de elementos mixtos, es ventajosa y apropiada una configuración del procedimiento según el invento, en la que, al menos, uno de los pixel o bien de los elementos de mezcla es irradiado directamente con una parte de la onda electromagnética modulada en intensidad, que sirve de iluminación, donde el resultado de la medición así obtenido en ese, al menos, un pixel se utiliza para calibrar las restantes fases y resultados de luminosidad. Además, es adecuado si un pixel de referencia semejante es sometido por el emisor a diferentes intensidades discrecionales, o bien, en el caso de que se utilicen varios pixels de referencia, que cada uno de esos pixels sea sometido a otra intensidad. Gracias a ello, se pueden evitar fallos, que podrían presentarse posiblemente a causa de la gran gama dinámica de las señales de medición.

En una disposición de elementos mixtos de una o varias dimensiones del tipo mencionado anteriormente, es apropiado si los pixels se realizan en la técnica MOS sobre un substrato de silicio y se pueden leer con una estructura multiplexora, preferiblemente con una estructura CCD.

Se entiende que los elementos mixtos según el invento sean apropiados, sin más, para la utilización en una cámara de fotos digital o en una videocámara. Para ello, se debe prever únicamente una disposición de elementos mixtos conveniente (por ejemplo, en forma de matriz rectangular) con óptica receptora integrada, electrónica de evaluación y un tratamiento de señal para las señales diferenciales, las señales suma y las correspondientes señales de referencia, junto con una memoria digital para la imagen de medio tono calculada a partir de ello y la imagen de tiempo de propagación o bien de distancia. A todo eso se agrega además un emisor adecuado o bien una fuente de luz conveniente, que irradie una escena tridimensional con ondas electromagnéticas moduladas o bien luz modulada, así como una óptica emisora ajustable convenientemente a la óptica receptora, reuniéndose todos esos componentes en una unidad compacta como cámara digital. Además, la diferencia entre una máquina de fotos digital y una videocámara digital sólo consiste básicamente en que, en una videocámara conveniente, se han de captar y almacenar un número relativamente grande de imágenes en intervalos de tiempo convenientemente cortos, de modo que se deben prever dispositivos convenientes para almacenar y reproducir las correspondientes series de imágenes.

Se entiende además que, en todas las aplicaciones, la iluminación o bien la irradiación de una escena pueda realizarse con luz modulada de diferentes zonas del espectro, de modo que, con las separaciones de color de las imágenes así obtenidas, se puedan captar y reconstruir imágenes en color completas con la información de rugosidad espacial proporcionada simultáneamente.

Para una anchura de banda más amplia y, por ejemplo, también para una mejor captación de bordes, puede ser adecuada la utilización de una óptica de microlentes, en la cual a cada elemento mixto o bien pixel se le asigna una óptica de microlentes, que reduce la luz incidente en la zona central del pixel, de modo que se suprimen prácticamente anomalías del desarrollo potencial ideal en la puerta de modulación, que se presentan, sobre todo, en las zonas de los bordes de las superficies sensibles a la luz. Se puede evitar, además, por medio de una reproducción borrosa producida con la ayuda de la óptica de microlentes en el plano detector de los elementos mixtos, que se produzcan, debido a una reproducción de bordes cuya reproducción discurra casualmente por el centro entre las dos mitades del pixel, cargas diferenciales en las puertas de acumulación, que aparenten una correlación o bien una información de rugosidad falsa.

Disposiciones de campo con los fotoelementos mixtos según el invento también se adaptan bien para la captación y, dado el caso, también para el seguimiento, de estructuras prefijadas de una, dos o tres dimensiones en el campo de mira de la disposición referida y bajo consideración adicional de la información de rugosidad o bien de la distancia del objeto buscado y, dado el caso, a seguir.

Concretamente, se realiza una correlación tridimensional por una determinación discrecional de las amplitudes y del desfase de las coordenadas X, Y y de la coordenada T del tiempo de las señales de modulación en (\DeltaX, \DeltaY, \DeltaT) (donde X e Y definen dos coordenadas lineales independientes, que forman el plano de una matriz de elementos mixtos y con el tiempo T se entiende el retardo del tiempo de propagación de la señal de modulación), por medio de lo cual se busca, se capta y, dado el caso, se sigue un objeto prefijado, tridimensional en el espacio.

El fotoelemento mixto según el invento también tiene además un amplio campo de aplicación en el ámbito de la transmisión óptica de datos. Además, el fotoelemento mixto según el invento se utiliza en un receptor de señales óptico habitual, dado el caso inclusive en generación de señales, sencillamente en lugar de un fotodiodo, adaptándose óptimamente la forma de la señal de modulación a la forma de la señal y la fase de la señal de modulación en un circuito regulador de fase se adapta asimismo óptimamente a la posición de la fase de la señal receptora. En otras palabras, el ciclo se obtiene de la propia señal y es aprovechado para ponderar óptimamente la señal receptora, gracias a lo cual se separa óptimamente la señal del fondo perturbador, ruidoso. En relación con los fotodiodos habituales, se puede mejorar sensiblemente, de este modo, la sensibilidad y la exactitud de la transmisión de datos ópticos. Esto podría posibilitar también, en especial, una prolongación notable de los tramos ópticos de transmisión sin amplificación intermedia y una número más elevado de canales de información paralelos de múltiplex por división de tiempo, de frecuencia y de código.

Finalmente, el fotoelemento mixto según el invento también es aplicable, por ejemplo, en sistemas de detección de posición en base óptica, siendo el modo de funcionamiento, en principio, análogo al conocido sistema GPS, que con ayuda de emisores de satélites, que hacen posible la irradiación codificada de señales, permite una determinación de posición muy exacta. En un sistema óptico de detección de posición adecuado, se sustituiría el emisor satélite, conocido por el sistema GPS, por una fuente luminosa modulada, ampliamente dispersora, dispuesta convenientemente cercana al objeto, cuya posición se haya de determinar, por ejemplo, por medio de diodos láser y óptica de dispersión, mientras que el receptor se forma con uno o varios fotoelementos mixtos en el objeto, preferiblemente por varios fotoelementos mixtos orientados en diferentes direcciones, para captar las señales de fuentes luminosas con diversas modulaciones, dispuestas estacionariamente en diferentes puntos. La modulación codificada posibilita además una asignación inequívoca de fuentes luminosas estacionarias y del objeto, cuya posición se haya de determinar, así como los tiempos de propagación de señal asociados, con cuya ayuda se determina la posición.

Otra aplicación más es la de un desmultiplexor para la transmisión óptica de datos. La codificación en forma de una modulación especial y la respectiva modulación con ayuda de los fotoelementos mixtos posibilitan además una asignación inequívoca de diversos canales.

Otra aplicación y otro aprovechamiento más de la alta sensibilidad de fases de los fotoelementos mixtos según el invento se basa en la medición del efecto Sagnac, es decir, del desfase del tiempo de propagación o bien de las fases de las fuentes luminosas en sistemas de referencia rotativos. Para ello, se excita luz modulada en una fibra conductora de luz instalada en varias espiras y la salida de la fibra conductora de luz ilumina uno de los fotoelementos mixtos según el invento. Las puertas de modulación de este elemento mixto se modulan con la misma frecuencia que las ondas luminosas excitadas, de modo que el resultado de la correlación, en forma de la distribución de cargas en los fotoelementos mixtos, proporcione una medida del desfase actual de la frecuencia o bien de la fase. Durante cada giro del sistema de referencia, en el cual el eje de rotación no queda en el plano de las espiras del conductor de ondas luminosas, varían la frecuencia y el tiempo de propagación y, con ello, también la posición de la fase, y son captados automáticamente por el fotoelemento mixto. Al mismo tiempo es digno de atención que, con el fotoelemento mixto se puedan realizar sistemas de brújulas de giroscopio de fibra de ese tipo a base del efecto Sagnac, ahora con ayuda de luz incoherente, que no causan problema alguno en lo que se refiere a su estabilidad de larga duración, ya que las correspondientes fuentes de fallos según el estado actual de la técnica, el amplificador de alta frecuencia tras el detector óptico y el mezclador electrónico no proceden en absoluto.

Adicionalmente, puede realizarse por añadidura, junto con la medición absoluta de dirección posibilitada con un sistema semejante, la medición de la velocidad de un objeto móvil con ayuda del fotoelemento mixto según el invento, siempre que se suprima, por ejemplo, una parte de las fuentes luminosas en un divisor de haz antes de la introducción en el conductor de ondas luminosas y se dirija a un objeto en reposo, siendo captada la luz reflejada por el objeto en reposo por un receptor de fotoelementos mixtos correspondiente y sea evaluada del modo ya descrito varias veces -aquí en relación con el desfase de frecuencias Doppler.

Según la importancia de la información adicional sobre rugosidad de una imagen de línea o matriz, se pueden integrar en un sensor de imagen CCD, CMOS, o TFA (Thin Film on ASIC) un determinado número de fotoelementos mixtos en la tecnología correspondiente.

Además, pude tener todo el sentido, en la aplicación de una cámara de línea de tres dimensiones o de matriz, el empleo adicional de una cámara de dos dimensiones habitual, efectuándose preferiblemente una asignación y una conducción preferiblemente espectrales de la parte de la iluminación modulada activa a la cámara de tres dimensiones y de la parte restante de iluminación sin modular, preferiblemente con un divisor de haz.

Para aplicaciones de los fotoelementos mixtos a la medición en tres dimensiones incluso para mayores distancias, para las cual la iluminación modulada es demasiado débil, puede ser aplicable una combinación de, al menos, dos cámaras de línea de tres dimensiones o de matriz, en las que se puede medir en la zona próxima según el invento por el principio del tiempo de propagación y en zona alejada, según el principio de triangulación con iluminación de fondo, en general, existente.

La medición de la rugosidad en zona próxima se realiza como se ha descrito hasta ahora, aquí, por supuesto, en paralelo por medio de, al menos, dos cámaras.

Para la medición de la rugosidad en zona alejada, se dirigen los ejes ópticos de las cámaras, formados sobre el punto central de chip PMD, a un punto de corte común en la zona volumétrica a medir, por ejemplo, por desfase del chip PMD respectivo en dirección horizontal y vertical y en relación con las distancias del chip PMD, donde, al mismo tiempo, se ajusta el enfoque de las ópticas de las cámaras a esa distancia. En el caso del correspondiente equilibrado anterior, coinciden entonces los valores de luminosidad del pixel en esa zona volumétrica de más elevada nitidez de profundidad.

Para la captación y la identificación de los objetos en esta zona volumétrica, se ilumina, en el caso de correspondencia de las amplitudes del pixel, la imagen suma de los fotoelementos mixtos por medio de una tensión continua de modulación aplicada, por poco tiempo, con respecto a la imagen diferencial, se asigna a los datos de distancia ajustados y se evalúa, mientras que las amplitudes del pixel, que no se correspondan, permanecen suprimidas en la imagen diferencial por medio de una tensión U_{ma} = U_{mb} = 0 de modulación puesta a cero.

De ese modo, se mide por exploración angular la escena en tres dimensiones también fuera del alcance de la iluminación especial modulada, donde el ángulo necesario se alcanza tanto por desfase conveniente del chip PMD como por giro de las distintas cámaras estéreo y/o por basculamiento de toda la disposición.

Las múltiples posibilidades de aplicación de las cuales sólo se han descrito aquí algunas en parte detalladamente, en parte sólo indicadas someramente, se encuentran también en el siguiente listado, en el que se han dado otras posibilidades de aplicación, cuya descripción adicional saldría el marco de la presente solicitud, no siendo tampoco exhaustivo, de modo alguno, el presente listado.

En particular, se pueden imaginar y tienen todo el sentido las posibilidades de aplicación en los siguientes campos:

-: Cámaras de fotos digitales de tres dimensiones,

-: Cámaras de vídeo digitales de tres dimensiones,

-: Supervisión espacial de peligros,

-: Técnica de seguridad y "casa inteligente",

-: Detección e identificación de ocupantes en el automóvil, "bolsa de aire inteligente",

-: Espejo retrovisor electrónico de tres dimensiones,

-: Reconocimiento de la situación de la circulación en la circulación vial,

-: Navegación autónoma de vehículos,

-: Giroscopio incoherente de fibra y medición de velocidad Doppler,

-: Control de vehículos autónomos de transporte,

-: Autómatas industriales de limpieza,

-: Identificación personal, autentificación, control de justificación de acceso,

-: Identificación de objetos, por ejemplo, automóviles,

-: Supervisión de acabados, prueba de materiales, prueba de calidad al 100%,

-: "Ojo en tres dimensiones" electrónico para la mano de un autómata, robusto, pequeño, sólo estado sólido,

-: Medición de la velocidad propia de un automóvil y de un tramo, reconocimiento del estado de carreteras, retenciones de tráfico,

-: Señalización de vía libre, supervisión de catenaria en la técnica ferroviaria,

-: Técnica médica, endoscopia,

-: Técnica CDMA para la comunicación óptica espacial o por cable,

-: Comunicación interactiva en tres dimensiones, por ejemplo, en el campo de los multimedios,

-: Medición en tres dimensiones de objetos móviles con una línea de fotoelementos mixtos.

Al mismo tiempo se han de hacer resaltar las siguientes ventajas de los fotoelementos mixtos del presente invento (a continuación referidos abreviadamente como "PMD" por "Photonic Mixer Device"):

1.: PMD unido: detección, mezcla de contrafase e integración en el espacio más reducido, 1/100 a 1/1000 mm^{2} \Rightarrow correlación electroóptica.

2.: PMD doble/cuádruple: recambio para 2 o bien 4 amplificador de anchura de banda costoso con elevada dinámica y constancia de tiempo de propagación de grupos, así como para 2 o bien 4 mezcladores electrónicos.

3.: Desaparece la elevada sensibilidad electrónica de diafonía entre emisor y receptor.

4.: Elevada integrabilidad con algunos cientos de miles de moduladores electroópticos paralelos.

5.: Una cámara de tres dimensiones PMD de fotos o de vídeo es completamente integrable, pequeña, ligera, robusta y flexiblemente adaptable por medio de un óptica de zoom para emisor luminoso y receptor. Volumen de medida para superficies naturales, distancias de unos 20 cm a 50 m con ángulos de abertura de unos 5º a 50º.

6.: Captación de imágenes en tres dimensiones extremadamente rápida en el entorno de 10 Hz a 1000 Hz. Sensibilidad y relación S/N corresponden a las cámaras actuales de CCD o bien CMOS.

7.: La definición de rugosidad esperada es de alrededor de 0,5 mm hasta 50 mm según el tiempo de medición, intensidad de iluminación, óptica y distancia por medio de referencia óptima.

8.: Anchura de banda máxima según tamaño del pixel hasta en la región de los GHz.

9.: Tensiones de modulación en la región menor de 1 voltio.

10.: No se necesita luz coherente, polarizada o de banda estrecha alguna y la zona espectral se orienta según el material sensible a la luz (por ejemplo, con InSb, hasta 5,5 \mum).

11.: La captación simultánea de la imagen de rugosidad en tres dimensiones y de la imagen de valor acromático en dos dimensiones descubre por fusión de datos una evaluación optimizada de la imagen de valor acromático (o bien de la imagen en color de tres dimensiones).

12.: El circuito de lectura permite, por variación en dependencia de la intensidad del tiempo T_{i} de integración, una elevación de la dinámica de alrededor de 8 bit (factor 256).

A continuación, se explica el invento más detalladamente a base de ejemplos de realización, haciéndose referencia al dibujo. Las figuras muestran en el dibujo:

Figura 1 a) un pixel, en sección transversal, de una primera forma de realización de un elemento fotónico mixto según el invento en tecnología CCD, así como b) a f) la distribución U_{s}(t) de potencial para las diferentes fases o bien tiempos de las dos tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación,

Figura 2 una representación en diagrama de bloques de dos pixels dispuestos linealmente en tecnología de CCD, incluyendo una parte de un dispositivo de lectura de transferencia interlineal,

Figura 3 en un diagrama, la distribución de intensidad de la luz irradiada y la evolución de potencial de las tensiones U_{sep}(t), U_{a}(t), U_{am}(t), U_{bm}(t) y U_{b}(t) en el caso de una modulación de alta frecuencia,

Figura 4 en un diagrama, la característica del resultado de la mezcla y de la correlación del elemento fotónico mixto en forma de corrientes \overline{i}_{a} e \overline{i}_{b} de portadores de carga promediadas fotogeneradas, que derivan hacia las puertas de acumulación, en una modulación de alta frecuencia en dependencia del desfase \phi_{upi} = \omega_{ni} \tau de las fases o bien del timpo de propagación,

Figuras 5 en un diagrama para una modulación de PN, a) la señal de modulación, b)la característica del resultado de mezcla y de correlación tanto para un pixel doble (sólo \overline{i}_{a} e \overline{i}_{b}) como también para un pixel cuádruple con \overline{i}_{c} e \overline{i}_{d} con un retardo de la señal de modulación para la tercera y la cuarta puertas cm y dm de modulación de T_{B}, así como c) los valores diferenciales relevantes para la evaluación de la distancia: \Delta\overline{i}_{ab}+\Delta\overline{i}_{cd}=\overline{i}_{a}-\overline{i}_{b}+(\overline{i}_{c}-\overline{i}_{d}) y \Delta\overline{i}_{ab}-\Delta\overline{i}_{cd}=\overline{i}_{a}-\overline{i}_{b}-(\overline{i}_{c}-\overline{i}_{d}),

Figura 6 a) en sección transversal, un pixel de un segundo ejemplo de realización en tecnología CCD de un elemento fotónico mixto según el invento con una puerta G_{o} central de modulación, así como las distribuciones de potencial bajo las fotopuertas de modulación y las puertas de acumulación, b) para un tensión U_{m}(t) de modulación negativa y c) para una positiva,

Figura 7 a) en sección transversal, un pixel de un tercer ejemplo de realización de un elemento fotónico mixto según el invento, así como b) - f) las distribuciones de potencial para las diferentes fases, análogamente a la figura 1,

Figura 8 una vista en planta desde arriba de un pixel de un cuarto ejemplo de realización de un elemento fotónico mixto según el invento con cuatro puertas de modulación y cuatro puertas de acumulación, denominado pixel cuádruple,

Figura 9 una vista en planta desde arriba de un pixel de un quinto ejemplo de realización de un elemento fotónico mixto según el invento con cuatro fotopuertas de modulación y cuatro puertas de acumulación y una puerta G_{o} media simétrica central,

Figura 10 una representación esquemática de un dispositivo conocido en el estado actual de la técnica para la determinación de la información sobre fases y amplitudes de una onda luminosa,

Figura 11 una representación esquemática de un dispositivo según el invento para la determinación de la información sobre fases y amplitudes de una onda luminosa para modulación de alta frecuencia,

Figura 12 una representación esquemática de un dispositivo según el invento para la determinación de la información sobre fases y amplitudes de una onda luminosa, por ejemplo, para modulación PN o modulación rectangular,

Figura 13 a) en sección transversal, un pixel de un sexto ejemplo de realización de un elemento fotónico mixto según el invento con electrónica de lectura de pixels y de pretratamiento de pixels en tecnología CMOS, así como b) y c) la distribución de potencia análogamente a la figura 6 para dos fases o bien polaridades de la tensión de la fotopuerta de modulación, y

Figura 14 una vista en planta desde arriba sobre un pixel de un séptimo ejemplo de realización de un elemento fotónico mixto según el invento con cuatro puertas de modulación, cuatro puertas de acumulación, así como una puerta G_{o} media configurada en forma de cruz preferiblemente para modulación digital.

La figura 1a muestra la sección transversal de un único pixel 1 de un elemento fotónico mixto en el ejemplo de una estructura CCD. En ella, el elemento fotónico mixto junto con el pixel 1 comprende las estructuras necesarias para el suministro de tensión y para las derivaciones de las señales. Las puertas G_{sep} exteriores sirven únicamente para la limitación eléctrica de este pixel con respecto a otras estructuras.

La realización mostrada en la figura 1 se ha realizado en un substrato 2 de silicio dotado de p. El proceso de mezcla o multiplicación del concepto propuesto sea considerado primero para una modulación CW de alta frecuencia.

Referidas a la sección transversal, las figuras 1b-f muestran esquemáticamente las distribuciones de potencial para distintas fases del proceso de mezcla. Las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación medias representan la parte sensible a la luz y se encuentran en estado invertido. Adicionalmente a una tensión U_{o} previa positiva en la cubierta superior conductora, pero ópticamente transparente en parte, por ejemplo, de polisilicio son accionadas con las tensiones U_{m}(t) de contrafase sobrepuestas. Se obtienen las tensiones U_{am}(t)=U_{o}+U_{m}(t) o bien U_{bm}(t)=U_{o}-U_{m}(t) de modulación.

Causan éstas una separación multiplicativa de los portadores de carga minoritarios, producidos por los fotones de la onda luminosa incidente inmediatamente debajo de la capa 3 aislante, por ejemplo, de óxido de silicio o nitruro de silicio. Estos portadores de cargas (en el ejemplo, electrones) derivan bajo la influencia de la tensión moduladora de contrafase con respecto a las puertas G_{a} o G_{b} de acumulación positivas estrechamente vecinas y se integran allí mientras fluyen los portadores de cargas minoritarios o bien los agujeros para la conexión de masa del substrato de p-Si. También es posible una iluminación retroactiva.

La figura 2 muestra una vista de dos pixels 1 del elemento fotónico mixto, incluyendo una parte de un dispositivo 7 de lectura de transferencia interlinear en forma de un registro de desplazamiento trifásico CCD, en uno de cuyos extremos se encuentra la electrónica de lectura con una gradación de difusión para el tratamiento serial subsiguiente de los valores de cargas obtenidos por la correlación. Tras un tiempo T prefijado para la acumulación de cargas bajo todas las puertas de acumulación de las líneas, se dan, por ejemplo, en el pixel número n las cargas q_{a} y q_{b} bajo G_{a} y G_{b} por la puerta TG_{a} o bien TG_{b} de transferencia al registro de desplazamiento de lectura trifásico. Las puertas G_{sep} de separación limitadoras protegen el pixel de correlación contra influencias externas indeseables y están preferiblemente a potencial de masa.

En la figura 3, se representan los desarrollos de las tensiones correspondientes a la figura 1. Las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación se excitan por medio de las tensiones de las fotopuertas de modulación representadas en la figura 3, que contienen una tensión U_{m}(t) de modulación de alta frecuencia en oposición de fase, que se describen tal como sigue:

(1a)U_{am} = U_{o} + U_{m} \ cos(\omega_{m}t)

y

(1b)U_{bm} = U_{o} + U_{m} \ cos(\omega_{m}t-180^{o}) = U_{o}-U_{m} \ cos(\omega_{m}t)

En las figuras 1b-f, se representa la distribución U_{S}(s) de potencial, en la zona de cargas espaciales a través de la dimensión s espacial de un pixel 1 representativo para todas las puertas implicadas de dicho pixel, en la secuencia temporal de t_{0} a t_{8} para la duración de un periodo T_{m} de la señal de modulación de alta frecuencia. En las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación, una tensión positiva relativamente alta vela por la acumulación de los portadores de carga fotogenerados, después de que éstos hayan derivado según medida y polaridad de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación, ya sea predominantemente al lado izquierdo o al derecho del pixel 1 mostrado en sección transversal. Este proceso actúa entonces de forma especial cuando la modulación luminosa y la tensión U_{am}(t) de las fotopuertas de modulación presenten la misma frecuencia. Entonces, se produce, según la diferencia \phi_{opt} de fase, una dirección media preferida de la deriva de portadores de carga a las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación. Las respectivas corrientes promediadas se indican por \overline{i}_{a} e \overline{i}_{b}.

El proceso de correlación básico se puede describir matemáticamente así: En el plano receptor de la disposición de dos dimensiones en el caso más general de los elementos fotónicos mixtos, es z = 0 y la onda luminosa modulada incidente se describe allí, en general, por P_{opt}(x,y,t-\tau). Aquí se la enlaza aproximadamente multiplicativa e integrativamente por los portadores de carga fotogenerados con la señal de modulación de contrafase que allí actúa, descrita en forma general por U_{m}(x,y,t), con respecto a las diferencias de carga de las dos puertas de acumulación. La correspondiente función \phiU_{m}.P_{opt}(x,y,t) de correlación se describe, por ejemplo, para todas las diferencias promediadas de las derivas \Deltaq_{ab}/T = \Delta\overline{i}_{ab} = \overline{i}_{a} - \overline{i}_{b} de carga (con T = tiempo de integración) respecto de las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación, en el caso más general dependiente del lugar, como plegadura triple:

(2)\phi_{Um.Popt} (x,y,t,)=k_{i} \cdot U_{m} (-x,-y,-\tau)^{\text{***}}P_{opt}(x,y,\tau)= k_{2} \cdot \Delta\overline{i}_{ab}(x,y,\tau)

con la diferencia \tau = \phi_{opt}/\omega_{m} de tiempo de propagación de la frecuencia w_{m} angular de modulación y las constantes k_{1} y k_{2} dependientes de la estructura, aunque insignificantes para el principio de funcionamiento.

El elemento fotónico mixto según el invento resuelve este problema con elevada resolución local y temporal por medio del rápido transporte separador de cargas de los fotoelectrones y de su almacenamiento a contrafase y de su evaluación diferencial y de sumas. Por la formación de diferencias de las corrientes \Delta\overline{i}_{ab}(t)=\overline{i}_{a}(t)-\overline{i}_{b}(t) derivadas promediadas, que dependen del tiempo en el caso de ondas luminosas no estacionarias, se suprimen, por consiguiente, todas las proporciones perturbadoras de ondas portadoras y, al mismo tiempo, se forma la deseada función de correlación de la señal P_{opt}(t-\tau) luminosa con la tensión U_{m}(t) de modulación.

Este proceso ha de describirse, en particular, más detalladamente. El campo de deriva de alta frecuencia provocado por U_{am}(t) y U_{bm}(t) hace que los electrones deriven hacia el respectivo lado positivo. Mientras, por ejemplo, los portadores de carga fotogenerados derivarán a la puerta G_{a} de acumulación a la semionda positiva de la tensión U_{am}(t) = U_{o}+U_{m}(t) de la fotopuerta de modulación, es decir, durante la semionda negativa de U_{bm}(t) = U_{o}-U_{m}(t), y allí reunidos o bien transmitidos como cantidad q_{a} de carga (compárense las dos distribuciones de tensión de las fotopuertas de modulación superiores en las figuras 1b y c). En la figura 3, se representa el rendimiento óptico por pixel para el caso de una iluminación estacionaria, modulada armónicamente, como:

(3)P_{opt} \ (t-\tau) = P_{o} - P_{m} \ cos(\omega t-\phi_{opt})

donde P_{o} representa el valor medio inclusive de la iluminación de fondo, P_{m} la amplitud de modulación, \omega_{m} la frecuencia de modulación de alta frecuencia, \phi_{opt} el retardo de fase y \tau=\phi_{opt}/\omega_{m} el retardo de tiempo de propagación correspondiente de la onda luminosa incidente con respecto a la fase de modulación en G_{am}. La corriente fotoeléctrica total por pixel es:

(4)i(t)=S_{\lambda} \cdot P_{opt}(t-\tau)=S_{\lambda} \ [P_{o}+P_{m}\cdot cos(\omega_{m}t-\phi_{opt})

(5)i(t)=I_{o}+I_{m} \cdot cos(\omega_{m}t-\phi_{opt})

con las magnitudes i(t)=i_{a}(t)+i_{b}(t), I_{o} = valor medio de la corriente fotoeléctrica del pixel según P_{o}, I_{m} = amplitud alterna de la corriente fotoeléctrica del pixels según P_{m}, y S_{\lambda} = sensibilidad espectral. Esta fotocorriente total por pixel está dividida en dos partes, a saber, en la corriente i_{a}(t) de la puerta G_{a} de acumulación y la corriente i_{b}(t) de la puerta G_{b} de acumulación. Puesto que esos valores se integran -en tecnología CCD bajo las respectivas puertas G_{a} y G_{b} de acumulación y en tecnología CMOS lectora en forma de pixel, preferiblemente en la electrónica de lectura- basta observar en lo siguiente los valores \overline{i}_{a} e \overline{i}_{b} medios de esas corrientes. El máximo de la separación de cargas se alcanza para el ángulo \phi_{opt}=0 o bien \tau=0. Este caso se ha representado en la figura 3.

En modulación armónica, en el supuesto de condiciones ideales como amplitudes de modulación apropiadas, tiempos de funcionamiento de deriva despreciables, profundidad de modulación al 100% con P_{m}=P_{o} para las fotocorrientes i_{a} o bien i_{b} medias, resulta:

(6)\overline{i_{0}} = \frac{I_{0}}{2} + \frac{I_{m}}{\pi} \ cos(\varphi_{opt})

(7)\frac{\overline{i_{0}}}{2} = \frac{I_{0}}{2} - \frac{I_{m}}{\pi} \ cos(\varphi_{opt})

En la figura 4, se muestra el desarrollo de esas corrientes medias idealizadas del pixel. Representan las funciones de correlación de contrafase, que resultan de la luz receptora de alta frecuencia y de las tensiones de las fotopuertas de modulación de alta frecuencia aplicadas en las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación. Su suma corresponde a la I_{o} de la potencia P_{o} luminosa media del pixel. La cantidad de cargas total, que se acumula en el tiempo T=N^{\text{*}}T_{m} (es decir, en N periodos T_{m} de la tensión de modulación de alta frecuencia) se obtiene por:

(8)\overline{i_{a}}(\tau)\cdot T=q_{aT}(\tau)= \frac{I_{0}}{2} + \ const \cdot \int\limits^{T}_{0}(P_{opt}(t-\tau)\cdot U_{m}(t)\cdot dt)

con un tiempo \tau=\phi_{opt}/\omega_{m} de propagación correspondiente al retardo de fase. A continuación, se indica q_{a}T nada más que con q_{a}. La totalidad de las cargas de las puertas G_{a} o bien G_{b} de acumulación de todos los pixels 1 forma dos interferogramas de alta frecuencia localmente discretos, el interferograma-a o bien el interferograma-b desfasado 180º con respecto al interferograma-a, a partir de los cuales se forma, por configuración diferencial, el interferograma diferencial de alta frecuencia determinado por el tiempo de propagación y buscado, que se describe con la ecuación 2.

En la figura 11, se muestra el esquema de una cámara de tres dimensiones según el invento, que aprovecha la mezcla directa a base de una disposición de elementos fotónicos mixtos. Comparada con el concepto de cámara de tres dimensiones conocido según el estado actual de la técnica, que se ha representado en la figura 10, se realiza, en la figura 11, la modulación de un emisor 4 para una iluminación de objetos de tres dimensiones ópticamente pasivos por modulación directa de la corriente de un diodo láser. Al mismo tiempo, se genera la modulación mediante un generador 13 de alta frecuencia. Para mayores distancias es ventajoso, por ejemplo, el empleo de una disposición de diodos láser de fuerte potencia, preferiblemente con corriente de modulación común y -para seguridad de los ojos- con diferentes longitudes de onda.

Una primera óptica 5 reproduce la onda luminosa sobre la superficie de un objeto 6. La onda luminosa reflejada por el objeto 6 se reproduce luego por medio de una segunda óptica 7 sobre la superficie de una disposición 8 de elementos fotónicos mixtos.

La disposición 8 de elementos fotónicos mixtos se excita asimismo por medio del generador 13 de alta frecuencia, donde la excitación para diferentes desfases con respecto a la fase de la onda luminosa irradiada tiene lugar por medio del generador 13 de alta frecuencia. Las señales de la disposición 8 de elementos fotónicos mixtos son evaluadas finalmente, en tanto no ocurran ya en el chip, por una unidad 9 evaluadora.

A causa del dispositivo de medición según el invento, no es necesario para el concepto de cámara de tres dimensiones propuesto, junto con la disposición de elementos fotónicos mixtos según el invento, ningún modulador óptico adicional con alta abertura, lo que lleva a una solución económicamente ventajosa.

Para la determinación de la fase \phi_{opt} del pixel a partir de las amplitudes de correlación resultantes, se consultan, como anteriormente se indicó, en total cuatro diferentes interferogramas en cuatro fases diferentes de la señal del mezclador. Las cuatro fases de la señal del mezclador se obtienen para el caso en que las tensiones U_{am} y U_{bm} de las fotopuertas de modulación se conmuten del estado de la relación 0º/180º de fases al estado 90º/270º o bien se retarde en 90º. De ese modo se obtienen las dos respectivas componentes imaginarias o bien de cuadratura con respecto a las componentes real o bien en fase, de donde la fase de pixel buscada se puede calcular según la ecuación (10) expuesta más abajo.

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Este modo de proceder hace posible simultáneamente la eliminación de tensiones de desnivel perturbadoras, que son generadas por la luminosidad de fondo y por el proceso de mezcla.

Junto con el proceso de medición, descrito a modo de ejemplo, de las ondas luminosas de tres dimensiones moduladas en onda continua (CW) por correlación de dos dimensiones con una tensión U_{m}(x,y,t) de modulación preferiblemente de igual frecuencia en el plano de la disposición de elementos fotónicos mixtos, el dispositivo de medición según el invento también se puede aplicar ventajosamente con señales de modulación en forma de impulsos.

Para problemas de medición de tiempos de propagación altamente precisos de ondas luminosas de tres dimensiones es especialmente ventajosa una pseudomodulación de ruidos de la luz. En la figura 12, se muestra una realización, a modo de ejemplo, para la medición de objetos de tres dimensiones ópticamente pasivos. El dispositivo según el invento presenta, análogamente al ejemplo de realización con modulación armónica de la figura 11, un dispositivo de iluminación correspondiente, que ilumina los objetos 6 de tres dimensiones con luz modulada en la intensidad PN (pseudoruido) y la luz reflejada y recibida se somete al proceso de correlación con la señal de modulación PN correspondiente preferiblemente, que es generada por el generador 13.

Puesto que la correlación de ese tipo de señales PN se asemeja, con longitud T_{W}=T_{B}(2^{N}-1) creciente de palabra, a un pico transitorio parásito triangular con una semianchura igual a la anchura T_{B} de bit, para la medición inequívoca y completa de todo el volumen de luz o bien de todo el espacio iluminado, debe pasar continuamente o paso a paso en pasos T_{B} un retardo T_{D} relativo, entre la señal PN moduladora de luz y la tensión U_{m}(t) de contrafase PN desmoduladora de la misma forma de señal, en las fotopuertas de modulación, al menos una vez, toda la zona de retardo del máximo tiempo de propagación del eco. Para ello, sirve el órgano 11 de retardo ajustable por la unidad 9 de control y evaluación con respecto al retardo T_{D}.

En la figura 5a, se ha representado, en el ejemplo 5a de una secuencia PN de 15 bits rectangular, la señal U_{m}(t) de modulación. El resultado de la correlación por el elemento fotónico mixto son las corrientes i_{a} e i_{b} de deriva promediadas representadas por el retardo \tau relativo.

En los pixel cuádruples descritos más tarde, según las figuras 8, 9 y 14, las tensiones de las fotopuertas de modulación de contrafase, que están en contacto en las fotopuertas G_{cm} y G_{dm} de modulación y sobrepuestas a la tensión U_{o} previa, están retardadas preferiblemente en T_{B} con respecto a las tensiones de las fotopuertas de modulación de contrafase que quedan en las fotopuertas G_{a} y G_{b} de modulación, es decir, U_{cm}(t)=U_{o}+U_{m}(t-T_{B}) y U_{dm}(t)=U_{o}-U_{m}(t-T_{B}), lo que lleva a mediciones de amplitudes y tiempos de propagación muy ventajosas.

La intensidad const.^{\text{*}}P_{opt}(t) luminosa irradiada por el emisor 4 presenta la misma estructura PN de señal hasta un retardo T_{D} previamente fijable de las tensiones de modulación. La reflexión alcanza al elemento fotónico mixto después del tiempo de propagación del eco. La correlación con las tensiones de modulación de contrafase lleva, según el retardo \tau relativo del tiempo de propagación para T_{D}=0, en el caso ideal sin luminosidad de fondo y en el caso de pixel doble, a las corrientes \overline{i}_{a} e \overline{i}_{b} de pixel medias mostradas en la figura 5b, y en el caso de pixel cuádruple con el mencionado retardo T_{B} de tiempo adicionalmente, a las corrientes \overline{i}_{c} e \overline{i}_{d} de pixel medias. Esta característica de correlación manifiesta, en primer lugar, que se pueden diferenciar varias reflexiones de objeto en el mismo vector de radio, por ejemplo, para la diferenciación de varios objetos parcialmente transparentes, que están uno detrás de otro, o para la eliminación de reflexiones múltiples.

Adicionalmente, en el caso de pixels dobles uno detrás de otro, y en el caso de pixels cuádruples simultáneamente, preferiblemente en la electrónica 15 de lectura de pixels y de pretratamiento de señal correspondiente en cada caso, se forman la suma y la diferencia representadas en la figura 5c de las diferencias medias de corrientes de deriva. Permiten mediciones de alta sensibilidad, ya que sólo la ventana de medición de anchura de T_{B} a 2T_{B} aparecen valores de señal que no son iguales a cero. Por la evaluación de la suma, se determina la relevancia de una medición a base de una amplitud mínima posible. La diferencia muestra un trazado lineal con mucha pendiente en la ventana de medición de anchura T_{B} aprovechable, que permite una determinación del tiempo de propagación con alta resolución. Para el ejemplo idealizado aquí es:

(9)\tau=T_{D}+ \frac{T_{B}}{2}- \frac{\Delta\overline{i_{ab}}-\Delta\overline{i_{cd}}}{\Delta\overline{i_{ab}}+\Delta\overline{i_{cd}}}* \frac{T_{B}}{2}

La imagen del circuito de bloques de un dispositivo de medición conveniente para la medición óptica de objetos de tres dimensiones con modulación PN a base de la disposición fotodetectora propuesta de correlación se caracteriza por una construcción especialmente sencilla, tal como se ilustra en la figura 12.

Para una rápida determinación de distancias junto con menor resolución, se utiliza según el invento una sencilla modulación rectangular del emisor 4 por medio del generador 10 con el periodo T y preferiblemente igual duración T_{B} de impulsos y pausas. La determinación de tiempo de propagación se realiza según la ecuación (9). La resolución se aumenta paso a paso mediante la duración T del periodo descendente con el factor 2, teniendo lugar sobre el primer paso de medición, en primer lugar, un segundo paso con igual periodo pero con un desfase de tiempo T_{D}=T/4.

La sección transversal del pixel 1 representada a modo de ejemplo en la figura 1 del elemento fotónico mixto, según el ejemplo, se puede optimizar con respecto a su frecuencia límite por medio de una lectura apropiada de la caída de potencial causada por la tensión de modulación de contrafase. Para esto, la figura 6 muestra un ejemplo de realización, en el que se ha dispuesto una puerta G_{o} central entre las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación, que está preferiblemente a la tensión U_{o}, y que forma junto con las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación tres niveles de potencial. Es desea-ble una caída de potencial lo más uniforme posible o bien un campo de deriva de la modulación lo más constante posible, lo que se consigue elevando el número de etapas de dos a tres o incluso más. En la zona fotosensible de las cargas espaciales desciende, sin embargo, la nitidez de las etapas con la distancia de la capa 3 aislante. Este efecto se aprovecha en otra realización según el invento, a saber, utilizando un llamado "Buried Channel", de un canal-n débilmente dotado, alejado algunos \mum de la capa aislante y que queda algo más profundamente en el substrato-p bajo las fotopuertas de modulación. Además, se ha previsto una protección 12 para las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación, para que éstas no sean iluminadas por la onda luminosa y se generen portadores de carga adicionales.

La figura 7 muestra una realización especial y una unión de elementos fotónicos mixtos, en las que, en comparación con las de la figura 1, las dos fotopuertas de modulación están separadas, en cada caso, sólo por una puerta G_{s,n} de acumulación común, por lo cual se consigue un grado de acción de llenado más elevado. También aquí se ha previsto una protección 12 de las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación. Con ello, cambia la polaridad de las tensiones de modulación de contrafase o bien la secuencia lineal de G_{am,n} y G_{bm,n} de pixel a pixel. Estos periodos ternarios de las puertas se adapta, al mismo tiempo, para la lectura directa por un funcionamiento como registro de desplazamiento trifásico. Un inconveniente tolerable en determinadas aplicaciones descansa en la distribución de cargas también en el pixel vecino, en cada caso, que lleva a una ampliación de pixel aparente y una pequeña resolución local en la dirección respectiva.

Un cálculo de estas relaciones da por resultado que en comparación con una carga aprovechada al 100% en la evaluación de las diferencias de carga, el pixel central considerado sólo tiene un 50% y los dos pixels vecinos, un 25% en cada caso.

Para la ilustración de la distribución de cargas, se han representado en la figura 7, análogamente a la figura 1, las distintas fases de la distribución de potencia para modulación CW.

En la figura 8, se ha representado otra realización ventajosa del diseño de un pixel de un elemento fotónico mixto, que con modulación CW no necesita ninguna conmutación IQ (fase interior, fase de cuadratura) entre los estados I y Q. En lugar del pixel doble descrito anteriormente, se propone un pixel cuádruple con las puertas G_{am}, G_{bm}, G_{cm} y G_{dm} de modulación, así como las respectivas puertas G_{a}, G_{b}, G_{c} y G_{d} de acumulación, que hace posible la correlación simultáneamente para cuatro posiciones de fase, ya que las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) o bien U_{cm}(t) y U_{dm}(t) de las fotopuertas de modulación de contrafase, en especial con la modulación de alta frecuencia desplazada en 90º, están mutuamente desplazadas.

En disposición ortogonal respecto de las fotopuertas de modulación descritas, G_{am} con \phi_{am}=0º y G_{bm} con \phi_{bm}=180º, dos fotopuertas G_{cm} con \phi_{cm}=90º y G_{dm} con \phi_{dm}=270º de modulación se encuentran, por ello, más simétricamente dentro de los pixels, que trabajan según el mismo principio. De este modo, se forma una acumulación de cargas de cuatro fases con las cargas q_{a}, q_{b}, q_{c} y q_{d} individuales bajo las respectivas puertas G_{a}, G_{b}, G_{c} y G_{d} o en la respectiva electrónica de lectura, calculándose directamente por medio de una operación aritmética sencilla la respectiva fase \phi_{opt} de la forma siguiente.

\varphi_{opt}=arctan\frac{q_{c}-q_{d}}{q_{a}-q_{b}}

Para la sencilla determinación de valor acromático de un pixel individual, se suman las cargas individuales de todas las puertas de acumulación de un pixel: q_{Pixel}=q_{a}+q_{b}+ +q_{c}+q_{d}. El proceso de lectura de cada una de las cuatro cargas se realiza convenientemente, en este caso, por medio de un diseño activo del pixel en técnica CMOS con pretratamiento de la señal integrado en forma de pixel.

La figura 9 muestra igual que la figura 8 un pixel cuádruple de un elemento fotónico mixto, por cierto con una caída de potencial alisada de acuerdo con la figura 6 con ayuda de la puerta G_{o} media cuadrática central, que queda preferiblemente a potencial U_{o}.

La figura 14 muestra igual que la figura 9 un pixel cuádruple de un elemento fotónico mixto con una estructura optimizada para señales de modulación digitales. La puerta G_{o} media, dispuesta entre las fotopuertas de modulación preferiblemente cuadráticas, sirve análogamente a la figura 9 para el alisamiento de la caída de potencial generada por la tensión de las fotopuertas de modulación.

La figura 13 muestra finalmente otra forma de realización preferida de un pixel 1, que, al contrario que los ejemplos de realización mostrados anteriormente, no se ha realizado en tecnología CCD, sino en tecnología CMOS con electrónica 15 de lectura y de pretratamiento de señales en forma de pixels. El modo de funcionamiento de las derivas dependientes de la tensión de modulación de los portadores de carga en la balanza de cargas es además el mismo que en los ejemplos de realización mostrados anteriormente. En el ejemplo de realización representado en la figura 13, es diferente únicamente el tipo del pretratamiento adicional de las cargas q_{a} y q_{b} derivadas a las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación.

Las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación se han configurado en el presente ejemplo de realización como diodos-pn bloqueados. En un substrato-p-Si 3 preferiblemente débilmente dotado de la figura 13, se forman las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación con tensión positiva previa por medio de electrodos dotados de n_{+}. En el funcionamiento llamado "Floating-Diffusión" o bien en el modo de lectura de tensiones de elevados ohmios, se integran, como en la tecnología CCD, las cargas q_{a} y q_{b} en las capacidades de las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación y se leen como valores de tensión de elevados ohmios.

De modo ventajoso, se puede aplicar también un modo de lectura de corriente, en el que los portadores de carga fotogenerados no se integran en valles de potencial, sino que se transmitan continuamente a través de una difusión de salida por circuitos de lectura de corriente apropiados, conectados a las puertas G_{a} o bien G_{b} de acumulación. Seguidamente, se integran esas cargas, por ejemplo, en una capacidad externa, en cada caso.

Por medio de un circuito de lectura en modo de lectura de corriente, que mantiene virtualmente constante, por retroalimentación del amplificador, la tensión de las puertas de acumulación, se evita de modo ventajoso que, en caso de una irradiación intensiva del pixel, la cantidad de las cargas q_{a} y q_{b} acumuladas lleve a un efecto de reacción o, tal vez, a un sobrepasado del valle de potencial. La dinámica del elemento fotónico mixto se mejora sensiblemente con ello. También se consigue, en este caso, por la mencionada técnica de un canal-n débilmente dotado ("Buried Layer") bajo la capa aislante de las puertas de modulación, mejoras, entre otras, un aumento de la frecuencia límite.

La configuración del elemento fotónico mixto en tecnología CMOS hace posible, además, la aplicación de un diseño de pixel activo (APS), con el cual a cada pixel se puede integrar un circuito de lectura y de pretratamiento de señales en el elemento fotónico mixto. Con ello, es posible un pretratamiento de las señales eléctricas directamente en el pixel, antes de que las señales sean transmitidas a un circuito exterior. En especial, se puede calcular, con ello, la información sobre las fases y las amplitudes en el chip, de modo que se pueda aumentar más la proporción de medición.

En otra configuración más del invento, se utiliza preferiblemente una disposición de elementos fotónicos mixtos de dos dimensiones para la búsqueda y el seguimiento electrónicos de objetos tridimensionales de objetos pasiva o activamente iluminados según diferentes criterios, como, por ejemplo, forma, posición, color, polarización, vector de velocidad y luminosidad de los objetos o una combinación de propiedades de los objetos. Si se encontrase, por ejemplo, al pasar diferentes señales de modulación (por ejemplo, modificación de frecuencia o de código) en la medición de tres dimensiones de una onda luminosa incidente, que puede ser desconocida primero, una correlación local por el criterio de corrientes de deriva diferencial distintas de cero, entonces se puede medir luego continuamente esa zona del objeto selectivamente con respecto a las mencionadas propiedades del objeto y, dado el caso, ser seguida en caso de modificaciones por medio de un bucle de regulación, que incluye en especial la rugosidad de imagen.

El elemento fotónico mixto se aplica en diversos modos de funcionamiento, que se representan a continuación.

La carga suma en las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación interesa en este caso menos, ya que siempre corresponde a la intensidad total de las ondas luminosas incidentes, q_{a}+q_{b} =const.^{\text{*}}P_{opt,ges}^{\text{*}}T con T=tiempo de integración.

La carga diferencial \Deltaq_{ab}=q_{a}-q_{b}= \overline{i}_{a} T-\overline{i}_{b} T depende de varios factores y puede ser aprovechada de múltiples modos para la medición de la onda luminosa incidente. Para ello, se considera una luminosidad P_{o}>=P_{m} de fondo siempre existente (véase la figura 3a).

Se conecta o se desconecta discrecionalmente la potencia de emisión, por ejemplo, en una medición de un objeto 6 iluminado con luz modulada por medio de un emisor 4 y, con ello, P_{m} será finalmente igual a cero. Al mismo tiempo, la tensión U_{m}(t) de modulación será conmutada discrecionalmente bien sea igual a cero o al desarrollo utilizado en el emisor o al contenido en la luz incidente o una tensión U_{mo} constante durante el tiempo de integración.

Con ello, resultan con P_{o} \neq 0 cuatro modos de funcionamiento importantes:

1º) \Deltaq_{ab}=0 para P_{m}=0 y U_{m}=0.

2º) \Deltaq_{ab}=0 para P_{m} finito y con U_{m}(t) como señal de modulación de alta frecuencia.

3º) Con P_{m} finito y una tensión de modulación de alta frecuencia, es \Deltaq_{ab} función de U_{m}(t), del desplazamiento \tau del tiempo de propagación de la modulación y de la proporción P_{m}(t) de la potencia de la luz modulada.

4º) Si existe? durante un tiempo T de integración una intensidad P_{o} media de luz incidente y una tensión U_{mo} de modulación constante, entonces la carga \Deltaq_{ab} diferencial es función de U_{mo} y de la potencia P_{o} media de la luz.

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En ondas luminosas, que no estén moduladas en intensidad, se aplica, en otra configuración más del invento, el elemento fotónico mixto de acuerdo con el cuarto caso de un modo de funcionamiento posible, por ejemplo, para el pretratamiento de imagen de dos dimensiones.

Al mismo tiempo, cada elemento mixto puede controlarse selectiva e independientemente uno de otro, por ejemplo, por asignación en forma de pixel de cada valor de la tensión de modulación rápidamente sobreimprimible para U_{mo} preferiblemente por medio de un elemento RAM. Sólo se evalúan preferiblemente las corrientes \Deltaq_{ab} de deriva diferencial o bien las cargas T*\Deltai_{ab} diferenciales aproximadamente proporcionales a U_{mo}. La tensión U_{mo} de modulación se desvía al mismo tiempo, en cada caso, del valor de la tensión de modulación.

Con ello, ya no se ajusta más U_{m}(t) periódicamente o casi periódicamente como en los ejemplos de aplicación precedentes, sino aperiódicamente, por ejemplo, según un contenido de imagen prefijado o según un contenido de imagen medido. Para U_{m}(t)=0, todas las corrientes diferenciales dan por resultado cero, de modo que la imagen D(x,y) diferencial correspondiente aparece asimismo con la amplitud o bien la intensidad cero.

La luminosidad de imagen diferencial puede, por consiguiente, ser influenciada selectivamente por la variación de Um(x,y,t). Con ello, se pueden explorar, según el invento, ondas luminosas o bien imágenes discrecionales, incluso sin modular, por medio de una función G(x,y,t)=k_{1}*U_{m}(x,y,t) de ponderación rápidamente ajustable, por ejemplo, por medio de las llamadas células de memoria controlables, asignadas en forma de pixel, asignadas en forma de pixel, de un tratamiento de imagen versátil, como, por ejemplo, las aplicaciones realizadas anteriormente para la búsqueda y el seguimiento de objetos, por cierto, en este caso sin el aspecto de la información de rugosidad.

Claims

1. Procedimiento para la determinación de información sobre fases y/o amplitudes de una onda electromagnética, en el que se irradia una onda electromagnética sobre la superficie de un elemento fotónico mixto, que presenta al menos un pixel, presentando el pixel al menos dos fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación sensibles a la luz y puertas G_{a} y G_{b} de acumulación asociadas; en el que, en las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación, se aplican tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación, que están configuradas como U_{am}(t)=U_{o}+U_{m}(t) y U_{bm}=U_{o}-U_{m}(t); en el que se aplica una tensión continua a las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación, cuyo valor es al menos tan grande como el valor de la suma de U_{o} y la amplitud de la tensión U_{m}(t) de modulación; en el que los portadores de carga generados por la onda electromagnética incidente en la zona de cargas espaciales de las fotopuertas G_{am} y G_{bm} de modulación se exponen, en función de la polaridad de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación, a la caída de potencial de un campo de deriva y son derivados a la correspondiente puerta G_{a} y G_{b} de acumulación; y en el que las cargas q_{a} y q_{b} derivadas son desviadas en cada caso a las puertas G^{a} y G_{b} de acumulación.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que se irradia una onda electromagnética modulada en intensidad desde un emisor; en el que la onda electromagnética reflejada por un objeto se irradia sobre la superficie del elemento fotónico mixto; en el que las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación están en relación fija de fase con la fase de la onda electromagnética irradiada por el emisor; y en el que los portadores de carga generados se exponen adicionalmente, en función de la fase de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación de contrafase, a la caída de potencial de un campo de deriva.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que, para dos desfases \Delta_{\phi 1} y \Delta_{\phi 2} de fase diferentes de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación con respecto a la fase de la onda electromagnética irradiada por el emisor, se desvían las cargas q_{a1} y q_{b1} así como las q_{a2} y q_{b2} y se forman las diferencias (q_{a1} - q_{b1}) y (q_{a2} - q_{b2}) de cargas; y en el que según la ecuación:

\varphi_{opt}=\frac{q_{a2}-q_{b2}}{q_{a1}-q_{b1}}

se determina la fase \phi_{opt} del pixel de la onda electromagnética incidente con respecto a la fase de la onda electromagnética irradiada por el emisor y, con ello, el tiempo de propagación de la onda electromagnética recibida por el pixel.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que, con ayuda de cuatro fotopuertas g_{am}, G_{bm}, G_{cm} y G_{dm} de modulación y de cuatro puertas G_{a}, G_{b}, G_{c} y G_{d} de acumulación, se separan y se desvían simultáneamente las cargas q_{a}, q_{b}, q_{c} y q_{d} para dos desfases \Delta_{\phi 1} y \Delta_{\phi 2} diferentes de las tensiones U_{am}(t) = U_{o} + U_{m1}(t) y U_{bm}(t) = U_{o} - U_{m1}(t), así como U_{cm}(t) = U_{1} + U_{m2}(t) y U_{dm}(t) = U_{1} -U_{m2}(t) de las fotopuertas de modulación con respecto a la fase de la onda irradiada por el emisor; y en el que según la ecuación:

\varphi_{opt}=\frac{q_{c}-q_{d}}{q_{a}-q_{b}}

se determina la fase \phi_{opt} del pixel de la onda irradiada por el emisor y, con ello, el tiempo de propagación de la onda electromagnética recibida por el pixel.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el elemento fotónico mixto presenta una multiplicidad de pixels; en el que, al menos, un pixel es irradiado directamente con una parte de la onda electromagnética modulada en intensidad; y en el que, a partir del desfase medido con ese pixel, se realiza un calibrado del desfase entre la onda electromagnética irradiada y las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que una onda electromagnética se irradia con modulación de intensidad desconocida excitada independientemente sobre la superficie del elemento fotónico mixto; en el que las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación son generadas por un generador de modulación variable; en el que los portadores de carga generados se exponen adicionalmente, en función de la fase de las tensiones U_{am}(t) y U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación, a la caída de potencial de un campo de deriva; y en el que el elemento fotónico mixto y el generador de modulación forman, al menos, un circuito regulador de fases, y la onda electromagnética se mide según el método de enganche (lock-in).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que se utiliza como modulación periódica una modulación de alta frecuencia continua o discontinua, una modulación de pseudoruido o una modulación por chirrido.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que la modulación es una modulación de alta frecuencia y se desvían preferiblemente las cargas q_{a} y q_{b} y, dado el caso, q_{c} y q_{d} para los desfases \Delta\phi = 0º/180º y 90º/270º de fase.

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9. Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual una modulación estacionaria con tensiones U_{am} = U_{o} + U_{mo} y U_{bm} = U_{o} - U_{mo} de las fotopuertas de modulación se utiliza con una tensión U_{mo} continua de modulación regulable, constante en el tiempo, con la cual la imagen diferencial se pondera selectivamente a partir de la diferencia de las cargas q_{a} y q_{b}.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las cargas q_{a} y q_{b} se integran por debajo de las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación y se leen con una estructura multiplexora, preferiblemente una estructura CCD.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las puertas G_{a} y G_{b} de acumulación se han configurado como diodos-pn, preferiblemente como diodos-pn bloqueados de baja capacidad y preferiblemente en tecnología CMOS, y en el que las cargas q_{a} y q_{b}, y dado el caso q_{c} y q_{d}, se leen directamente como tensión o como corriente.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el cual la fase del pixel o bien el tiempo de propagación del pixel y la luminosidad del pixel se obtienen directamente con ayuda de una estructura (APS) de sensor de pixel activo y, preferiblemente, se leen opcional o serialmente por medio de una estructura multiplexora en el chip.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el cual la luminosidad del pixel se evalúa, en cada caso, como suma de las cargas de las correspondientes puertas de acumulación como imagen de medio tono.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque en el caso de una iluminación de fondo o bien de una iluminación adicional externa, no modulada, la diferencia de las imágenes de medio tono se utiliza como magnitud correctora, por un lado, en caso de iluminación modulada conectada y, por otro, en el caso de iluminación modulada desconectada.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se utilizan varios elementos mixtos separados en una disposición de campo lineal, plana o espacial.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque al menos uno de los pixels se irradia directamente con una parte de la onda electromagnética modulada en intensidad, que sirve como iluminación, y porque la medición en ese, al menos, un pixel se utiliza para el calibrado de las restantes fases y de los resultados de luminosidad, siendo sometidos preferiblemente el pixel o bien los pixels de referencia por el emisor a intensidades diferentes o bien ajustables de modo diferente.

17. Elemento fotónico mixto con, al menos, un pixel (1); que presenta, al menos, dos fotopuertas (G_{am}, G_{bm}) de modulación sensibles a la luz; y asociadas a las puertas (G_{am}, G_{bm}) de acumulación, presenta puertas (G_{a}, G_{b}) de acumulación, protegidas con respecto a la onda electromagnética incidente.

18. Elemento mixto según la reivindicación 17, caracterizado porque entre las fotopuertas (G_{am}, G_{bm}) de modulación se ha dispuesto una puerta (G_{o}) central.

19. Elemento mixto según la reivindicación 17 ó 18, caracterizado porque el pixel (1) presenta cuatro fotopuertas (G_{am}, G_{bm}, G_{cm}, G_{dm}) de modulación y puertas (G_{a}, G_{b}, G_{c}, G_{d}) de acumulación dispuestas preferiblemente simétricamente.

20. Elemento mixto según una de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque las puertas (G_{a}, G_{b} y, dado el caso, G_{c}, G_{d}) de acumulación se han configurado como diodos-pn, hechos preferiblemente como diodos-n bloqueados, de baja capacidad, preferiblemente en tecnología CMOS, y las cargas q_{a}, q_{b} y, dado el caso, q_{c}, q_{d} se pueden leer como tensión o como corriente.

21. Elemento mixto según una de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado porque con el fin de elevar la velocidad de modulación máxima, se configura el pixel (1) en técnica GaAs, preferiblemente en técnica de "Buried Channel", por ejemplo, canal-n enterrado, y con campo de deriva integrado.

22. Elemento mixto según una de las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado porque el pixel (1) se ha configurado como estructura de sensor de pixel activo con tratamiento de señal parcialmente referido al pixel y parcialmente tratamiento de líneas o, dado el caso, tratamiento de señal referido a una matriz.

23. Elemento mixto según una de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque la protección se extiende también a las zonas marginales de las fotopuertas de modulación.

24. Disposición de elementos mixtos con al menos dos elementos fotónicos mixtos, según una de las reivindicaciones del dispositivo 17 a 23, caracterizada porque los elementos mixtos se han dispuesto en un disposición monodimensional, bidimensional o tridimensional.

25. Disposición de elementos mixtos, según la reivindicación 24, caracterizada porque dos fotopuertas (G_{am,n}, G_{am,n+1}) o bien (G_{bm,n}, G_{bm,n+1}) de modulación asociadas, en cada caso, a dos pixels (n, n+1) diferentes, dispuestos en vecindad, presentan una puerta (G_{s}) de acumulación común, en cada caso, y porque las puertas (G_{am,n}, G_{am,n+1}) o bien (G_{bm,n}, G_{bm,n+1}) son sometidas, en cada caso, a las mismas tensiones U_{am}(t) o bien U_{bm}(t) de las fotopuertas de modulación.

26. Disposición de elementos mixtos, según la reivindicación 24 ó 25, caracterizada porque se han previstos dispositivos para la irradiación directa de, al menos, un pixel (1) como pixel de referencia, por medio de la cual se orienta una parte la irradiación electromagnética, modulada en intensidad que sale del emisor, hacia el pixel o bien los pixels referidos.

27. Disposición de elementos mixtos según la reivindicación 26, caracterizada porque los dispositivos para la irradiación directa están equipados para una modificación espacial y/o temporal de la intensidad de la irradiación directa.

28. Disposición de elementos mixtos monodimensional o multidimensional, según una de las reivindicaciones 24 a 27, caracterizada porque los pixels (1) se han hecho en técnica MOS sobre un substrato (2) de silicio y se pueden leer con una estructura multiplexora, preferiblemente con una estructura de CCD.

29. Disposición de elementos mixtos, según una de las reivindicaciones 24 a 28, caracterizada porque se ha previsto una óptica de microlentes, que proporciona básicamente, para cada elemento mixto utilizado para la captación de la imagen, una microlente propia, por medio de la cual se enfoca la irradiación incidente sobre una zona central del elemento mixto así reducible.

30. Dispositivo para la determinación de información sobre las fases de una onda electromagnética con, al menos, un elemento fotónico mixto según una de las reivindicaciones 17 a 23 del dispositivo; con un generador (10, 13) de modulación; con un emisor (4), cuya onda electromagnética irradiada es modulada en intensidad por el generador (10, 13) de modulación de modo prefijado; siendo irradiada la onda electromagnética reflejada por un objeto (6) sobre la superficie del elemento fotónico mixto, y abasteciendo el generador (10, 13) de modulación al elemento fotónico mixto de las tensiones U_{m}(t) de modulación, que están en una relación de fase prefijada con respecto a la fase de la onda electromagnética rradiada del emisor.

31. Dispositivo según la reivindicación precedente del dispositivo, caracterizada porque se han proporcionado una óptica (7) y una disposición de elementos mixtos dado el caso según una de las reivindicaciones 24 a 29, reproduciendo la óptica (7) la onda electromagnética reflejada sobre la superficie del elemento mixto o bien de la disposición de elementos mixtos.

32. Dispositivo según la reivindicación 30 ó 31, caracterizado porque existen una disposición de elementos mixtos con las correspondientes óptica receptora, electrónica de evaluación y con el correspondiente tratamiento de señal para señales diferenciales, señales suma y las correspondientes señales de referencia, con una memoria digital para la imagen de tono medio y la imagen de tiempo de propagación o bien de distancia, con un emisor iluminador de una escena tridimensional con ondas electromagnéticas, moduladas, con una óptica emisora regulable, que se corresponde con la óptica del receptor, formando una cámara de fotos de tres dimensiones en forma de una unidad compacta.

33. Dispositivo según la reivindicación 30 ó 31, caracterizado porque para la formación de una cámara de vídeo digital, captadora en tres dimensiones, se dispone de una disposición de elementos mixtos con la correspondiente óptica receptora, electrónica de evaluación y tratamiento de señal para las señales diferenciales, las señales suma y las respectivas señales de referencia, una memoria digital para la imagen de medio tono y la imagen de tiempo de propagación o bien de distancia, con un emisor iluminador de una escena tridimensional con ondas electromagnéticas moduladas y con una óptica emisora regulable, que se corresponde con la óptica receptora, existiendo además dispositivos de memoria para el almacenamiento de secuencias de imágenes digitales.

34. Dispositivo según la reivindicación 32 ó 33, caracterizado porque, para la generación de imágenes en color o bien de rasgos en color, se ha dotado al emisor de dispositivos para la emisión de ondas luminosas en diversas regiones del espectro.