適用於信號的延遲敏感測試的方法和器件的製作方法

2023-09-24 13:11:00 1

專利名稱：適用於信號的延遲敏感測試的方法和器件的製作方法
技術領域：
本申請涉及一種適用於檢測至少部分強度調節信號的幅度和/或者相位的方法，以及一種實現該方法的器件。
背景技術：
從現有技術知道適用於距離測量的相位或者延遲敏感的混頻器件元件。例如，在德國專利申請DE196 35 932和DE197 04 496中適用於電磁輻射稱之為的光柵極光混頻器件(PG-PMD)討論了這種元件。作為一種可供選擇的PG-PMD元件，例如，混頻器件元件也可以被設計描述成MSM-PMD元件(MSM金屬-半導體-金屬)，正如WO 02/33922所公開的那樣。
從現有技術了解到，混頻器件元件的一個共性是它們都具有在光導電材料延伸上，特別是在半導體材料上的讀出電極。另外，還可以在半導體材料上提供兩個或者多個的透明調製柵極。
如果器件元件的光導部分是由強度調製電磁輻射來點亮，尤其是在可見光或者紅外波頻譜範圍內的電磁輻射更佳，則讀出電極之間的器件元件導光性的變化取決於此時的強度碰撞。如果互相反相的或者相移180度的幅度調製的電流或者電壓信號同時施加於在調製數據(在PG-PMD元件的情況下)或者直接施加於讀出電極(在MSM-PMD元件的情況下)，則混頻信號可在讀出電極上接收並且可由入射輻射的強度調節頻率和參考頻率之間的差值頻率來調製。在混頻器件元件的讀出電極上輸出的信號也取決於輻射的強度。如果讀出電極的2個輸出信號疊加在一起，則可以獲得一個取決於輻射強度的信號，且僅僅只包含直流分量(DC)。另一方面，在讀出電極的兩個輸出信號之間的差分信號僅僅包含相關聯的信號分量。因此，差分信號也同樣攜帶著入射強度調製輻射的相位和幅度的信息。
上述的方法可稱之為推挽檢測或者「平衡檢測」，因為混頻元件的調製或者讀出電極是通過互相反相或者相移180度的信號相連接的。如前所述，通過形成在混頻器件的兩個輸出信號的差值，並且僅僅只考慮那些相關聯的信號，推挽方法就可能抑制混頻結構強度調製輻射中的直流分量以及非對稱性分量。
在測量過程中，由於信號的幅度和相位都是未知的變量，所以根據在混頻器上的輻射碰撞和參考信號的調製信號，至少需要具有不同相位的參考信號的兩種測試才能測量出差異化形成之後的測試信號的幅度和相位。
從現有技術中了解到的檢測器中，或者使用空分復用方法或者使用時分復用方法來實現這兩種測試。
在空分復用方法的情況下，檢測器或者圖像元件都具有兩個混頻器件。這兩個混頻器件可以一個接一個分別相連的排列或者作為一個集成的部分，例如，形成交叉對排列的讀出電極。關鍵的特點是各個檢測器元件的參考信號都是推挽調製的且它們都具有相對於各自的第二檢測元件參考信號的相移，理想的是90°。採用這種方法，就能夠測量出被測信號的兩個相關函數以及計算出相位和幅度。在空分復用方法的情況下，為了能夠同時計算出兩個自相關函數，每個圖像元素都需要大約單個信號混頻元件的兩倍的表面積。
在時分復用的情況下，信號的自相關函數是以時間順序來測定的，在兩個相關的測試中，混頻器件元件的參考信號相對於彼此來說都是相移的。因此，時分復用方法需要兩倍於空分復用方法的測試時間。特別是在測試時間起到重要作用的應用中，這是一個缺點。例如，在道路交通中要檢測距離，如果給於一司機或者自動系統充足的反應時間來避開障礙物，那麼，短的測試時間是主要的。
另一方面，本發明的目的是提供一種可避免前面所述現有技術缺點的方法及器件。
發明概要根據本發明，該目的可通過提供一檢測至少部分強度調製信號的幅度和/或者相位的方法來實現，該方法包括如下列步驟i)檢測一至少部分強度調製信號的瞬時值；ii)檢測一第一參考信號的瞬時值，第一參考信號所具有的頻率不同於強度調製的頻率；iii)混頻檢測到的至少部分強度調製信號的瞬時值和檢測到的第一參考信號的瞬時值，以獲得一混頻信號的值；iv)檢測一第二參考信號的瞬時值，第二參考信號所具有的頻率不同於第一參考信號和強度調製的頻率；v)檢測一第三參考信號的瞬時值，第三參考信號所具有的頻率相同於第二參考信號的頻率，但是具有相對於第二參考信號的相移；vi)將混頻信號的值和檢測到的第二參考信號的瞬時值混頻以獲得第一個測試信號值；vii)將混頻信號的值和檢測到的第三參考信號的瞬時值混頻以獲得第二個測試信號值；和，viii)從兩個測試信號值中計算出至少部分強度調製信號的幅度和/或者相位。「強度調製信號」可以是純粹的電信號，電磁信號，較佳的是在可見或者紅外光譜範圍的電磁信號，也可以是超聲波信號，只要所使用的各個檢測器可適用於相應的信號即可。對於超聲波信號，則「強度調製」必須解釋為幅度調製。
參考信號可以是電信號或者電磁信號，也可以是超聲波信號。
這裡和以後所使用的術語信號的「頻率」是指在最簡單的情況下，信號是正弦的或者餘弦的，或者是被一單一頻率調製的信號。然而，也可以用其它周期性的或者準周期性的(例如隨機噪聲)調製的，因此，「頻率」是指一個離散頻率的完整組合或者頻率範圍。在這裡使用的「相同頻率」有信號間時間相關的含義。
術語「相位」或者「相位的位置」通常用來描述一時間信號的延遲，雖然在給出的例子中，只給出了最簡單的正弦調製的情況。
本發明的原則是基於用已知頻率的第二和第三參考信號混頻強度調製信號與攜帶幅度和相位位置信息的第一參考信號之間的混頻信號，第二和第三參考信號的頻率不同於第一參考信號的頻率和強度調製信號的頻率。採用這種方式就可以得到兩個相關函數，如果所有信號的頻率和相位都已知的話，則強度調製信號的幅度和相位可以從這兩個函數中計算出。
依照本發明的方法使僅僅一次測試(單擊)就可以檢測出強度調製信號的幅度和相位成為可能。採用這種方式，與時分復用測試方式相比，測試時間可減少到二分之一，與空分復用方式相比，可節省晶片上的主要表面積，因此，晶片的填充比率將近翻倍了。
在本發明的一實施例中在第iii)步較佳地包含下列一些步驟a)將檢測到的至少部分強度調製的信號的瞬時值和檢測到的第一參考信號的瞬時值進行混頻以獲取至少一第一中間值。
b)將至少部分強度調製信號的瞬時值和第一參考信號乘-1的瞬時值進行混頻以獲取至少一第二中間值。
c)在第一和第二中間值中形成差異值，以獲取混頻信號值。
例如，推挽操作的強度調製信號一旦與第一參考信號進行混頻以及一旦與頻率相同相互反相的信號混頻，就可能在兩個所獲得的中間信號中形成明顯的差值從而形成混頻信號。在該差值形成的過程中，中間信號的所有直流分量相互抵消，混頻信號僅僅只包含相關的信號分量。採用這種方式，就能夠有效地抑制非相關背景信號，例如，由於環境光線。然而，例如由一元件處理所產生的混頻器的所有非對稱性也可以得到平衡。
本發明的一個實施例較佳的是同時執行其中步驟i)，ii)和iii)。這樣，步驟i)，ii)，和iii)可以一種顯著低噪聲和有效的方式來執行。這可以在例如PG-MPD或者MSM-PMD之類的光混頻器件中同時發生。
特別有益的是第一參考信號的瞬時值和至少部分強度調製信號的瞬時值可同時檢測。如果該檢測採用推挽方式進行，則在監測上花的時間減少到二分之一。
本發明的實施例特別有利於同時進行步驟vi)和vii)。這種混頻信號與第二和第三參考信號的同時混頻使得並行的相關信號的生成成為可能，不同於串行時分復用方式，因此可實實在在地節省測試時間。在這種情況下，在測試上所花的時間又可節省二分之一。在步驟vi)和vii)之間的短的時間滯後，尤其可通過使用相同的連接排列來加以避免，且只要所生成的相關相位位移是已知的，那麼它就不重要了。
如果同時檢測第二參考信號的瞬時值和第三參考信號的瞬時值是有利的。在這種方式下，可以保證兩個值具有固定的而且是已知的相互相位關係。
如果第二參考信號的頻率等於第一參考信號與一至少部分強度調製的信號之間的差值頻率，則更為有益。在步驟vi)和vii)中所產生的稱之為零差混頻這樣的事情使得有可能獲得混頻信號的兩個自相關函數的測試信號值，從而可從中計算出強度調製的信號的幅度和相位。
本發明一實施例較佳的是其中觸發信號可通過將第一參考信號和一調製信號混頻形成。所述調製信號和強度調製的信號成比例並且鎖定相位。第二參考信號和觸發信號相位鎖定相耦合。藉助於這種耦合，就可以很容易實現已知所有信號的相位和頻率並且相互之間不會漂移。
此外，如果能形成第一和第二中間信號值的和是有益的。該疊加信號只包含直流分量，並且也特別考慮了非相關和非強度調製的背景信號，從而有可能在混頻器中給出所有的強度碰撞測試。
如果第二和第三參考信號的相位是相互之間相差90°的，就能獲得相關或者自相關函數的正交分量的值且以此作為測試信號。
有關器件，根據本發明的目的可通過為第一，第二和第三參考信號提供的源信號來實現，第一參考信號的頻率不同於強度調製的頻率，並且提供至少一個混頻器件，該混頻器件提供可用於將第一參考信號和強度調製的信號相混頻，並且它可具有兩個裝置分別用於混頻器件元件的輸出信號一方面與第二參考信號混頻另外一方面與第三參考信號混頻，其中第二和第三參考信號相互之間是相移的。
依照本發明的混頻器件的設計是有益的。因為它有可能不使用時分復用測試和空分復用測試的方法，而是通過混頻器件來檢測混頻器件所發射信號的兩個相關函數和使用單次測試同時測試強度調製的信號的幅度和相位。在混頻器件中不需要超過兩個讀出電極，也沒有必要如同時分復用測試那樣在各個相關函數測試中對第一參考信號的相位位置進行相移。
相關函數的並行計算有可能比時分復用測試器件快兩倍，並且與空分復用測試的晶片相比較其檢測晶片的填充比例又可增加兩倍。
如果器件額外還具有一個用於強度調製的信號源，是有益的。如果信號可直接對準一目標，且被目標反射和通過混頻器件元件進行檢測，則在目標和混頻器件元件之間的距離可以從所檢測到的信號相位中推斷出來。
如果強度調製的信號源是電磁輻射源，是有益處的，輻射較佳的頻率範圍處於可見或者近紅外的範圍內。
雖然用於檢測電磁輻射的器件主要包含於下面的介紹中，所保護的器件也可以結合用於超聲波的混頻器件元件使用。
本發明的一實施例較佳的是其中混頻器件元件是光混頻器件，更佳的是PG-PMD元件或者MSM-PMD元件。諸如可以用於本發明的MSM-PMD元件具有光導性半導體材料平鋪其中的兩個讀出電極。兩個讀出電極導電性地連接著光導材料。在光導性層中所生成的電荷載流子可在兩個讀出電極之間的電場中移動。所產生的電流或者在讀出電極處產生的電壓脈動都依賴於光導性層導電性和所施加參考電壓的乘積。因此，可以在讀出電極處獲取電流和電壓信號，其中電流和電壓信號都依賴於入射電磁輻射的強度以及強度調製與第一參考信號的相位差。然而，這類光混頻器件都是有一種較為複雜的結構，例如在DE 198 21 974A1中所介紹的。於是，在讀出電極僅僅用於測量電流或者電壓調製(即，混頻信號)的同時，可以在光導性層上提供能夠施加參考電壓的其它透明調製柵極。這類具有其它調製柵極的PMD元件稱之為PG-PMD元件。這種安排也可應用於提供其它存儲柵極和存儲結構中，正如在德國專利申請DE10 2004 016 624所公開的那樣。電極的形成取決於特殊的應用以及所使用的例如半導體矽或者砷化鎵之類的光導材料上的特殊應用。它們可以是點狀或者帶狀(MSM)，也可以是其它幾何形狀。原則上，從現有技術所知的所有混頻器件都可以用於根據本發明的器件。
本發明的一實施例較佳地是其中具有一個裝置，較佳的是提供差分放大器，用於形成兩個讀出電極的輸出信號之間的差分信號。混頻器件元件的輸出信號的差分信號僅僅只包含相關信號分量。
如果還提供是用於形成混頻器輸出信號之間和的裝置，則該疊加信號僅僅只取決於混頻的信號中的非相關直流分量，因此它取決於非調製的背景信號的強度。由此可獲得的疊加信號可以在信號處理裝置(例如積分器)中進行計算本發明一實施例特別較佳的是其中第二和第三參考信號是相互相90°的。採用這種方式，在混頻器件的輸出中可從強度調製的信號的相位和幅度的特別的精確測量中獲得到奇數和偶數的相關函數。
如果第二和第三參考信號的頻率等於強度調製信號的強度調製和第一參考信號的差值頻率則更為有益，這樣第二和第三參考信號可相位鎖定的耦合於該差值頻率。採用這種方式，可在兩個混頻器的輸出中獲得兩個自相關信號。從中可計算出強度調製信號的相位。
本發明的實施例較佳的是其中混頻器件元件的兩個輸出信號之間的差分信號可在稱之為IQ混頻器的幫助下進行處理。這種IQ混頻器作為數字或者模擬元件可以商業獲得。IQ是「相位正交(in-phase quadrature)」的縮寫，它表示輸入混頻器的輸入信號與相對於另外第三參信號相移90的第二參考信號的混頻。為了提高相位測量的精度，如同在器件中所陳述的混頻器件元件一樣，混頻器12和13可以設計成推挽混頻器。
在可供選擇的另一個實施例中，提供了兩個分離的差分放大器來取代了一個IQ混頻器或者兩個相互平行的，形成在混頻器件元件的兩個輸出信號之間差值分的分離的混頻器件元件。如果這些差分放大器在電源或者電源連接處和一調製信號相連，那麼該信號可立即與混頻器件元件輸出信號之間的值信號相混頻。如上所述，如果將兩個相互間相移的第二和第三參考信號施加於差分放大器，則在差分放大器的輸出可重新獲得。
本發明的一實施例較佳的是其中至少在一個差分放大器後面或者在兩個混頻裝置後面的信號方向上提供一模數轉換器，從而以數位化進行後續的信號處理。
如果在模數轉換器之前的取樣-保持鏈的積分時間等於第二參考信號頻率的倒數或者倒數的整數倍，則更為有益。
本發明的一較佳實施例中，至少一部分器件元件可集成在一塊晶片上。如果混頻器件元件，差分和求和放大器以及模數轉換器都集成在晶片中的差分放大器的後面，則是更為有益。採用這種方式，可以數位訊號來進行後續的處理，特別是用於與第二和第三參考信號的混頻。另外，幾個混頻器件元件和其下遊元件可以集成在一個晶片中，以使形成監測器陣列。每個混頻器件元件都可形成用於檢測三維圖像的圖像檢測晶片中的圖像元素。如果該晶片採用CMOS技術，則更為有益。
在一個可供選擇的本發明的實施例中，如果在各種情形下，一個或者多個混頻器件元件元件分別與兩個下遊的差分放大器一起集成在一個晶片上，則更為有益，從而可以模擬或者數字的形式從圖像檢測晶片獲取相位正交信號。
在本發明的一個特別較佳的實施例中，混頻器件元件的讀出電極從混頻器件元件連接著用於消除不需要的特別是由外部光產生的電荷載流子的裝置。因此，共模信號，基本上是由非調製的外部光線所產生的，可以被充分的抑制，特別是抑制在線性動態範圍內，因此推挽所需要的信號幾乎沒有被削弱。這些消除裝置是可周期性工作的。
採用這種方式，在混頻器件元件中所產生的信號積分可有規律的間隔中斷。然後這些累加的電荷載流子放電，以使積分過程可以重新開始。採用這種方式，可阻止混頻器件元件的溢出。
為了使得由於混頻器件元件的復位所產生的中斷對其它裝置的影響儘可能的小，以對應於混頻器件輸出信號的周期長度整數倍的間隔同時復位混頻器件的兩個讀出電極或者積分元件是有益的。如果復位發生在混頻信號的振蕩的過零周期中，則更為有益。
為了更進一步減小由於復位對其它線路所產生的中斷效應，如果讀出電極與用於將混頻器件元件與其它線路相分離的器件相連接，則更為有益。這些分離的器件基本上是可與復位器件同步操作的，並且，無論混頻器何時復位，都將混頻器件與其它線路相分離。該分離器件可在消除器件後按照信號的方向排列。如果混頻器件元件的重新耦合，也就是在接下來的兩個積分時間開始的時候，緊接著復位以後並且仍然處於混頻信號的零交叉的過程中發生，則更為有益。混頻器件元件的積分時間較佳的應該是混頻信號的頻率倒數的整數倍並且在下一個復位之前還是有一個保持時間。
用於消除電荷載流子以及分離混頻器件元件的器件可以是簡單的開關或者，在一個更佳的實施例中，可以是金屬氧化物半導體場效應管(MOS-FETs)。
其它優點、特徵以及應用可能性可從下面對一個較佳實施例的下列描述和與之相關聯的附圖中變得顯而易見。
附圖簡述

圖1是顯示用於實現根據本發明方式的根據本發明器件的第一實施例的示意圖。
圖2是顯示用於實現根據本發明方式的、根據本發明器件可供選擇的另一實施例的示意圖。
圖3是顯示根據本發明的器件第三實施例的示意圖。
較佳實施例的詳細描述本發明的一較佳實施例示意圖如圖1所示。以下參考該圖討論根據本發明的器件的一較佳實施例和根據本發明的工作模式。
器件具有設計成PMD元件的光混頻元件1和讀出線路2。PMD混頻元件1，包括模數轉換器11的讀出電路2都集成在晶片3上。數字IQ混頻器線路4位於晶片3的外面。
可供選擇的，IQ混頻器線路4也可以模擬線路的形式設計並且和其它模塊1，2一起都集成在晶片3上。
所呈現的MSM-PMD混頻器件元件1包括兩讀出電極，它們導電連接著平鋪在它們中間的光導性的半導體層。PMD混頻器件元件1連接成推挽工作方式。為了更好的理解檢測過程，PMD混頻器件元件1表達成一具有兩個分離的混頻器1a，1b和一個用於入射電磁輻射的檢測器1c的等效線路。在檢測器1c中，入射的電磁輻射PE(t)可轉換成一電流信號IE(t)＝SPE(t)，其中S是混頻器件元件的靈敏度。
上述等效電路清晰的顯示了在PMD混頻器件元件的兩個讀出電極可呈現出兩個相互反相的參考信號，並且對於相關信號，可在PMD混頻器件元件1的兩個讀出電極獲取類似於相互反相的混頻信號。
非相關信號PE(t)和±Um(t)總是以PE(t)或者Um(t)最長相應信號周期的最小時間內的和或者積分的形式產生或者以其整數倍的形式產生，作為Ia(t)和Ib(t)相同的平均值。
相關信號PE(t)和±Um(t)總是以PE(t)或者Um(t)最長相應信號的周期的最小時間內的和或者積分的形式產生或者以其整數倍的形式產生，作為Ia(t)和Ib(t)相同的推挽值。
PMD混頻器件元件1的一個讀出電極受第一參考電壓Um(t)的影響。另外一方面，與其反相的參考信號-Um(t)施加在PMD混頻器件元件1的第二讀出電極上。兩個參考信號Um(t)和-Um(t)的頻率或者角度頻率ω2是相等的。參考信號可以是任意的周期性或者準周期性的信號，為了簡單起見，以下假設兩個參考信號都是Um(t)＝cosω2·t的餘弦信號。
A·sin(ω1t-Φ)形式的強度調製光輻射信號PE(t)在PMD光混頻器1的光導半導體層上碰撞。A是光輻射信號的幅度，ω1和Φ分別是信號的頻率和相位。電磁輸入信號PE(t)在光混頻器中轉換成電流信號。
在所討論的實施例中，入射電磁輻射的強度調製的調製頻率是20MHz。
因為這樣，參考信號Um和-Um的頻率偏移50KHz，因而其頻率是20.05MHz。
電磁輸入信號PE(t)或者它的電流信號IE(t)在PMD混頻器件元件1中與參考信號Um(t)以推挽工作的方式進行混頻。採用這種方式，可在PMD混頻器件元件1的讀出電極上以Ia(t)～Asin(Δωt-Φ)和Ib(t)～Asin(Δωt-Φ)的形式獲得相互反相的兩個信號Ia(t)和Ib(t)。Δω是光輻射信號PE(t)或者電子參考信號Um(t)的角頻率ω1和ω2的差值。
PMD混頻器件元件1的輸出信號Ia(t)，Ib(t)可藉助於讀出線路2讀出。讀出線路2主要包括差分和求和放大器9，積分器10和模數轉換器11。在PMD混頻器1的輸出信號之間的差值Ia(t)-Ib(t)與求和Ia(t)+Ib(t)都可藉助於差分和求和放大器9形成。求和信號U∑取決於在PMD元件上電磁電流碰撞的非相關信號分量，因此，求和信號，在積分器10中積分的，是引入監測器的非調製輻射強度的測量。
差分放大器的輸出信號U(t)是一個取決於條件Asin(Δωt-Φ)的電壓信號。它包含了調製輻射信號的幅度A及其相位Φ的信息。
在所介紹的本發明的一實施例中，差分信號UΔ(t)可藉助於在一同樣位於晶片3的模數轉換器11轉換為數位訊號UΔ(KT)。模數轉換器11的採樣-保持鏈的時鐘頻率等於光輻射信號PE(t)與第一參考信號Um(t)之間的混頻信號的頻率Δf＝Δω/2π.數位化的輸出信號UΔ(KT)從晶片轉向數字IQ混頻器線路4。在一可供選擇的實施例中，可以省卻模數轉換器11，以使IQ混頻器線路4也可以是模擬類型的。
現在，可將數位化的差分信號UΔ並行地引入進兩個分離的混頻器。它們在分離混頻器中，分別與第二或者第三參考信號UI(t)或者UQ(t)混頻。由源14和15所創建的第二和第三參考信號UI(t)，UQ(t)具有與強度調製輻射信號PE(t)和第一參考信號Um(t)之間的混頻信號相同角頻率Δω。
此外，參考信號UI(t)和UQ(t)可相位鎖定耦合著混頻信號UΔ(t)，這可由源14和15或者5，6，8之間的虛線來表示。為了實現這種耦合，第一參考信號又與驅動信號源8的調製器信號相混頻。這樣所創建的觸發信號也具有角頻率Δω並且也是有相對於混頻信號UΔ(t)固定的相位關係。用於第二和第三參考信號的源13，14現在可相位鎖定耦合著觸發信號，與UΔ(t)的耦合同時發生。
第二參考信號UI(t)也稱之為同相信號，其中它相對於差分信號UΔ(KY)的絕對相位可以任意確定。第三參考信號UQ(t)稱之為求正交信號並且它相對於第二參考信號UI(t)有90°的相移。因此，第二和第三參考信號UI(t)和UQ(t)也可以稱之為正弦和餘弦信號。兩個混頻器件元件12和13的輸出信號由於引入了零差混頻器，而取決於光輻射信號PE(t)的相位Φ的正弦或者餘弦。因而混頻器12和13的輸出信號可相應於偶(正弦)和奇(餘弦)自相關函數。光輻射信號PE(t)的相位Φ可以作為arctan(sin-Φ/cos-Φ)從這兩個函數中計算出來。求和鏈16和17使得混頻器件元件12和13的輸出信號的總求和成為可能，求和必須每次都發生在相應於模數轉換器11的採樣-保持鏈的時鐘頻率的倒數TΔ＝1/Δf的時間間隔上。
本發明的另外一實施例如圖2所示意顯示。MSM-PMD混頻器件元件1』和調製電磁輻射PE(t)的源8』以及用於參考信號Um(t)和-Um(t)的源5』和6』都類同於圖2所示。然而，PMD元件1』的兩個讀出電極各自連接在讀出電路2』中的兩個平行相連的差分放大器20』和21』。此外，PMD元件1』的兩個讀出電極都連接著求和放大器，用以在讀出電極上形成兩個信號的和。然而，為了簡單起見，並沒有介紹該求和放大器。
PMD元件1』的讀出電極的兩個信號Ia(t)和Ib(t)的差值可在差分放大器20』和21』中形成。電源連線可由第二或者第三參考信號UI(t)或者UQ(t)引入。這些信號是由信號源22』或者23』所創建的，類同於圖1所介紹實施例中的源14和15。參考信號UI(t)和UQ(t)的頻率等於在PMD元件上所引入的電磁輻射P』E(t)調製強度的頻率與第一參考信號U’m(t)的頻率的差值頻率。此外，源22』和23』鎖定這個頻率的信號的相位。
由於差分放大器20』和21』的非線性特性，不僅差分信號U』Δ在差分放大器中形成，而且差分信號也同時和參考頻率UI(t)或者UQ(t)混頻。因此，信號的正交分量或者奇和偶自相關函數可立刻在差分放大器20』和21』的輸出中獲得。在兩個差分放大器20』和21』後面的信號對應於圖1所示實施例的混頻器12和13後面的信號。由於正交信號在圖2中是以模擬的形式呈現，並且模數轉換器24』或者25』可安排在差分放大器20』和21』後面，所以正交信號可以數字的形式從晶片3』獲得，用於後續的處理。
圖1和圖2所示的PMD元件1和1』以及讀出線路2和2』可由用於圖像檢測的兩維陣列作部分顯示。各個PMD元件1和1』都配置了一個讀出線路2和2』和兩個另外的混頻器。位於在虛線的邊界3』內的各元件都可集成在圖像檢測晶片內，從而可由它發出用於進一步信號和圖像處理的數位訊號。
本發明的一可供選擇的實施例如圖3所示，為了提供一個更佳的整體視圖，僅僅只顯示了PMD混頻器件元件1」，用於強度調製的輻射信號P」E(t)、第一參考信號U」m(t)以及用於差分放大器9」的源5」、6」和8。在這個程度上所介紹的器件在結構上相同於圖1所示的實施例。PMD混頻器件元件是PG-PMD元件，因而，相比於圖1和圖2所示的MSM-PMD元件，它具有兩個以推挽工作方式與第一參考信號而非讀出電極相連接的附加調製柵極。PG-PMD元件顯示了致使產生的混頻信號產生積分的附加雜散電容31」或者32」。
因此，相比於圖1和2所示的實施例，所示的器件具有用於消除PMD混頻器件元件上累積的電荷以及用於將PMD混頻元件1」與其它的線路排列相分離的附加裝置。
用於消除在PMD元件1』上所累積的電荷載流子的元件包括兩個開關26」和27」，當開關閉合時，有可能通過元件的讀出電極將電荷載流子從PMD混頻器元件到大地28」。以開關所示意介紹的元件26」和27」可以MOSFET電晶體來實現。該開關可同時周期性的工作，以便於經過一預先設定的積分間隔之後可復位PMD元件1」，並且可以洩放所有累積的電荷載流子。由於這種方式可防止元件1」的溢出，因此它是有益的。兩次復位過程的積分間隔正好是信號Ia(t)和Ib(t)的調製頻率的積分的複數。
防止PMD元件1」的這種周期性復位對下遊讀出電路9」及因而對混頻信號U」Δ(t)的幹擾，還額外提供一個使PMD元件1』與讀出電路2」分離的裝置29」，於是，用於分離PMD元件1」的裝置29」包括另外兩個MOSFET，且可以開關30」示意表示。在這種情況下，只需要在PMD元件1」復位之前的很短時間內，通過閉合開關元件26」和27」，藉助於開關30」使得PMD元件1」與後續的讀出電路分離，因而復位就不會對後續電路2」產生任何幹擾。在所描述的實施例中，PMD元件1」與後續讀出電路3」分離的周期等於混頻信號Ia」(t)和Ib」(t)的周期的整數倍。為了進一步減小幹擾，PMD元件1」還在混頻信號Ia」(t)和Ib」(t)的過零周期與讀出電路精確耦合。
為了原創揭示的目的，通過本描述，附圖以及權力要求向本領域技術人士展示了所有的特徵，即使這些特徵只是結合某些其它特徵所特別討論的，這些特徵都可以與本文所討論的其它特徵或一些特徵單獨組成或者以任何所需方式組合，除非這種組合已經表明該組合是不可能的或者是沒有意義的超出規則或技術條件之外。出於對該描述簡短和易讀的目的，本文省略了特徵的所有構思的組合的廣泛而清晰的介紹。
參考數字列表1，1』，1」光混頻器件元件1c，1c』，1c」 在等效線路中的光混頻器件元件1，1』，1」1a，1a』，1a」 在等效線路中的光混頻器件元件1，1』，1」1b，1b』，1b」 在等效線路中的光混頻器件元件1，1』，1」2，2』，2」讀出電路3，3』 晶片4 數字IQ混頻器件元件5，6；5』6』；5」6」 參考信號源8，8』，8」調製的電子輻射源9，9」 差分和求和放大器10積分器11模數轉換器12，13混頻器元件14，15源16，17求和鏈20』，21』 並聯的差分放大器22』，23』 源24』，25』 模數轉換器26」，27」 開關28」 大地29」 用於將PMD元件與讀出線路相分離的器件
30」開關31」，32」雜散電容
權利要求
1.一種用於檢測一至少部分強度調製信號(PE(t))的幅度和/或相位的方法，該方法包含步驟i).檢測至少部分強度調製信號(PE(t))的一瞬時值，ii).檢測第一參考信號(Um(t))的一瞬時值，所述第一參考信號(Um(t))所具有的頻率(ω2)不同於強度調製的頻率(ω1)，iii).將檢測到的至少部分強度調製信號(PE(t))的瞬時值與檢測到的第一參考信號(Um(t))的瞬時值相混頻以獲得一混頻信號值(UΔ)，iv).檢測第二參考信號(UI(t))的一瞬時值，第二參考信號(UI(t))所具有的頻率(Δω)不同於第一參考信號的頻率(ω2)和強度調製的頻率(ω1)，v).檢測第三參考信號(UQ(t))的一瞬時值，第三參考信號所具有的頻率(Δω)與第二參考信號的頻率(Δω)相同，但是相對於第二參考信號(UI(t))是相移的，vi).將混頻信號值(UΔ)與檢測到的第二參考信號(UI(t))的瞬時值混頻以獲得一第一測量信號值，vii)將混頻信號值(UΔ)與檢測到的第三參考信號(UQ(t))的瞬時值混頻以獲得一第二測量信號值，和viii)從兩個測量信號值計算出至少部分強度調製信號(PE(t))的幅度和/或相位。
2.根據權利要求1所述的方法，步驟iii)包括下面的步驟a)將檢測到的至少部分強度調製信號(PE(t))的瞬時值與檢測到的第一參考信號(Um(t))的瞬時值混頻以獲得至少一第一中間值(Ia)，b)將至少部分強度調製的信號(PE(t))的瞬時值與第一參考信號(Um(t))乘上-1的瞬時值混頻以獲得至少一第二中間值，c)形成在第一和第二中間值之間的差值以獲得混頻信號值(UΔ)。
3.根據權利要求1或者2所述的方法，其特徵在於，所述步驟i)，ii)和iii)可同時執行。
4.根據權利要求1到2中任一所述的方法，其特徵在於，所述第一參考信號(Um(t))的瞬時值和至少部分強度調製的信號PE(t)的瞬時值可同時進行檢測。
5.根據權利要求1到4中任一所述的方法，其特徵在於，所述步驟vi)和vii)可同時執行。
6.根據權利要求1到4中任一所述的方法，其特徵在於，所述第二參考信號(UI(t))的瞬時值和第三參考信號(UQ(t))的瞬時值可同時進行檢測。
7.根據權利要求1到5中任一所述的方法，其特徵在於，所述第二參考信號的頻率等於第一參考頻率信號(Um(t))的頻率(ω2)和至少部分強度調製的信號(PE(t))的差值頻率。
8.根據權利要求1到6中任一所述的方法，其特徵在於，所述通過將第一參考信號(Um(t))與一相對應強度調製信號頻率相同，成比例且相位鎖定的調製信號混頻而形成觸發信號，並且第二參考信號與觸發信號相位鎖定相耦合。
9.根據權利要求2到8中任一所述的方法，其特徵在於，形成第一和第二中間信號值的和。
10.根據權利要求1到9中任一所述的方法，其特徵在於，所述第二和第三參考信號的相位相互成90°相移的關係。
11.根據權利要求1到10中任一所述的方法，其特徵在於，所述強度調製輻射是一電磁輻射，較佳的是在可見或者頻譜範圍內，更佳的是在紅外頻譜範圍內。
12.適用於執行根據權利要求1到10中所述處理的器件。
13.根據權利要求12所述的器件，其特徵在於，提供了第一、第二和第三參考信號的源，第一參考信號的頻率不同於強度調製的頻率，並且提供了至少一個混頻器件元件，所提供的混頻器元件用於強度調製信號與第一參考信號的混頻，並且所述器件具有兩個用於混頻器件元件的輸出信號與第一參考信號和第三參考信號混頻的裝置，其中所述第二和第三參考信號具有相互相移的關係。
14.根據權利要求12或者13所述的器件，其特徵在於，所述混頻器件元件具有兩個讀出電極。
15.根據權利要求14所述的器件，其特徵在於，所述器件具有用於形成兩個讀出電極輸出信號之間的差分信號的裝置，較佳的是一差分放大器。
16.根據權利要求15所述的器件，其特徵在於，所述差值形成裝置以信號方向設置在混頻裝置之前。
17.根據權利要求12或者16中任一所述的器件，其特徵在於，所述第二和第三參考信號具有相互相位是90°相移的關係。
18.根據權利要求12到17中任一所述的器件，其特徵在於，所述器件具有一個在兩個讀出電極的輸出信號間形成求和信號的裝置，較佳的是一求和放大器。
19.根據權利要求12到18中任一所述的器件，其特徵在於，所述混頻器件元件是一光混頻器件，較佳的是一PG-PMD元件或者一MSM-PMD元件。
20.根據權利要求12到19中任一所述的器件，其特徵在於，所述器件它具有將以參考信號轉換成第一參考信號的源，並且提供具有第一參考信號的混頻器件元件，並且也將信號轉換成用於混頻強度調製信號的信號。
21.根據權利要求12到20中任一所述的器件，其特徵在於，所述第二和第三參考信號的頻率等於輻射強度調製的頻率和第一參考信號的頻率之間的差值頻率，並且所述第二和第三參考信號鎖定相位耦合強度調製輻射的頻率和第一參考信號的頻率之間的差值頻率。
22.根據權利要求12到21中任一所述的器件，其特徵在於，所述器件具有一強度調製的信號的源。
23.根據權利要求22所述的器件，其特徵在於，所述強度調製信號的源是一電磁輻射的源，較佳的是在可見頻譜範圍內並且更佳的是在紅外頻譜範圍內。
24.根據權利要求22或者23中任一所述的器件，其特徵在於，所述源具有一用於調製信號強度的裝置，所述調製信號的頻率在500KHz和500MHz之間，較佳的是1MHz和100MHz之間並且更佳的是具有20MHz的頻率。
25.根據權利要求12到25中任一所述的器件，其特徵在於，所述強度調製信號的強度調製頻率與第一參考信號的頻率之間的差值頻率在1KHz和100KHz之間，較佳的是在30KHz和70KHz之間並且更佳的是50KHz。
26.根據權利要求12到25中任一所述的器件，其特徵在於，所述混頻裝置至少兩個是並聯相連接的。
27.根據權利要求12到26中任一所述的器件，其特徵在於，所述混頻裝置採用數字電路技術。
28.根據權利要求12到27中任一所述的器件，其特徵在於，所述混頻裝置集成在IQ混頻器件元件中。
29.根據權利要求12到28中任一所述的器件，其特徵在於，所述混頻裝置是至少兩個差分放大器，第一差分放大器的電源連接是由第二參考頻率調製以及第二差分放大器的電源連接是由第三參考頻率調製。
30.根據權利要求12到29中任一所述的器件，其特徵在於，所述用於測量強度調製輻射相位的計算單元以信號方向設置在混頻裝置之後。
31.根據權利要求12到30中任一所述的器件，其特徵在於，所述模數轉化器以信號方向設置在差分放大器之後。
32.根據權利要求12到31中任一所述的器件，其特徵在於，所述模數轉換器的採樣-保持鏈的積分時間等於第二參考信號頻率的倒數。
33.根據權利要求12到32中任一所述的器件，其特徵在於，所述器件至少部分元件可集成在晶片上。
34.根據權利要求12到33中任一所述的器件，其特徵在於，所述混頻器件元件的讀出電極連接著用於從混頻器件元件消除電荷載流子的裝置。
35.根據權利要求12到34中任一所述的器件，其特徵在於，提供用於將混頻器件元件與其它器件相分離的裝置。
36.根據權利要求34或者35，其特徵在於用於，所述用於消除和/或者分離的裝置是電晶體，較佳的是MOSFETs。
37.具有映像透鏡系統以及根據權利要求12到36中任一器件陣列的3D相機。
全文摘要
本發明涉及一種適用於檢測一至少部分強度調製的信號(P
文檔編號H03D9/00GK1749714SQ200510109728
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月13日 優先權日2004年9月13日
發明者T·格勒夫斯基, R·蘭奇, T·林貝克, H·荷貝, B·布克什鮑姆 申請人:Pmd技術有限公司