DE19704496A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudeninformation einer elektromagnetischen Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Be­ stimmung der Phasen- und Amplitudeninformation einer elektroma­ gnetischen Welle.

Der Begriff Phase steht hier allgemein für Phasenlaufzeit und für die je nach Signalform ebenfalls verwendete Bezeichnung Laufzeit.

Im folgenden wird von einer Lichtwelle anstatt von einer elektroma­ gnetischen Welle gesprochen. Dieses bedeutet jedoch keine Einschrän­ kung nur auf den Spektralbereich der sichtbaren elektromagnetischen Wellen, sondern dient lediglich der Vereinfachung.

Zur Messung von Frequenzkomponenten nach Amplitude und Phase in breitbandigen und hochfrequenten Signalen werden in der elektro­ nischen Meßtechnik und Nachrichtentechnik häufig Phasendetekto­ ren eingesetzt, die das unbekannte Signal mit einer Sinusschwingung multiplizieren bzw. mischen und den Gleichanteil, der bei Vorliegen einer Signalkomponente gleicher Frequenz durch Integration bzw. Tiefpaßfilterung entsteht, bestimmen.

Dieser Prozeß erzeugt die Korrelationsfunktion des unbekannten Si­ gnals mit dem Mischsignal für eine bestimmte, einstellbare relative Phasenlage. Durch Ändern der Mischfrequenz (Wobbeln) kann das unbekannte Signal in seine Spektralanteile zerlegt werden. Durch mindestens 3 Phasenlagen der Mischfrequenz können Gleichanteil, Wechselamplitude und Phase der unbekannten Frequenzkomponente gleicher Frequenz bestimmt werden.

Die Untersuchung entsprechender optischer Signale, die eine wach­ sende Bedeutung in der Meßtechnik und Nachrichtentechnik erlangt haben, geschieht heute i.a. über breitbandige Photodetektoren als elek­ trooptische Wandler mit anschließender elektronischer Meßwertbe­ stimmung - wie zuvor für elektrische Signale beschrieben.

Wegen des hohen Aufwandes werden diese Verfahren und die ent­ sprechenden Meßgeräte meist nur ein- oder zweikanalig ausgeführt. Bei optischen Signalen sind jedoch häufig gleichzeitig sehr viele paral­ lele Kanäle - insbesondere ganze Bildfolgen - mit hohen Frequenzan­ teilen zu vermessen.

Neben den spektralen Modulationseigenschaften von zweidimensio­ nalen Lichtwellen interessiert zunehmend der schnelle Verlauf der Einhüllenden in Raum und Zeit. Außerdem möchte man schnell und genau 3D-Objekte z. B. über optische Radarverfahren vermessen, was infolge der Lichtgeschwindigkeit der Echosignale sehr schnelle Detek­ toren im Subnanosekundenbereich erfordert. Zugleich sollten sie als Detektorarray vorliegen, wenn man auf ein zeitraubendes Abscannen der aktiv oder passiv leuchtenden 3D-Objekte verzichten möchte.

In der Offenlegungsschrift DE 44 39 298 A1, von der die vorliegende Er­ findung ausgeht, wird eine solche 3D-Kamera vorgeschlagen.

Fig. 10 soll zur Veranschaulichung dieser 3D-Kamera dienen, die auf dem Echolaufzeit- bzw. Phasenlaufzeitverfahren beruht. Die von ei­ nem modulierten Lichtsender 107 und 103 abgestrahlte und von dem 3D-Objekt 100 reflektierte HF-modulierte Lichtwelle 101 enthält die ge­ samte Tiefeninformation in der Verzögerung der Phasenfront. Wird die einfallende Lichtwelle in der Empfangsapertur 102 nochmals mit einem zweidimensionalen, optischen Mischer 104 der gleichen Fre­ quenz moduliert, was einem homodynen Misch- oder Demodulati­ onsprozeß entspricht, so entsteht ein stationäres Hochfrequenz-Interfe­ rogramm.

Dieses HF-Interferogramm kann mit einer konventionellen CCD-Ka­ mera 105 aufgenommen und mit einer Bildverarbeitung 106 weiter­ verarbeitet werden. Die Integration des Gleichanteils des Mischproduk­ tes in der CCD-Photoladung entspricht der Bildung der Korrelations­ funktion der beiden Mischsignale. Die abstandsbezogenen Phasenver­ zögerungen durch die Echolaufzeiten sowie die Amplituden können pixelweise aus drei oder mehr Interferogrammen durch unterschiedli­ che Phasen der demodulierenden Mischfrequenz, z. B. 0°, 120° und 240° oder 0°, 90°, 180° und 270° berechnet und somit das 3D-Tiefenbild re­ konstruiert werden.

Der zweidimensionale optische Mischer 103 bzw. 104, der auch als räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator SLM) bezeichnet wird, besteht dabei bspw. aus einer Pockelszelle, die eine Reihe schwerwiegender, in der Literatur beschriebener Nachteile aufweist.

Weitere Realisierungsmöglichkeiten bieten LCD-Fenster, die zwar bil­ lig, aber bzgl. der gewünschten Bandbreite um etwa den Faktor 1000 zu niedrig liegen.

Ebenfalls teuer und aufwendig ist der Einsatz einer sogenannten Mi­ krokanalplatte, wie sie in Bildverstärkern eingesetzt wird. Durch Mo­ dulation der an den Mikrokanälen angelegten Beschleunigungsspan­ nung, die die Sekundärelektronenemission in den Mikrokanälen be­ einflußt, kann die Verstärkung moduliert werden.

Weiterhin wird im Stand der Technik ein Vorschlag eines 2D-Korrela­ tors auf der Basis eines CCD-Photodetektorarrays gemacht: "The Lock-In CCD-Two Dimensional Synchronous Detection of Light" von Spi­ rig, Seitz et. al., veröffentlicht im IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, No. 9, Sept. 1995, Seite 1705-1708. Dort wird ein Photopixel über 4 Transfergates abgefragt, um die Phase sinusmodulierten Lichts zu ermitteln. Pro Sinusperiode werden mit den 4 Transfergates je eine äquidistante Probe entnommen, wodurch sich die Phase leicht berech­ nen läßt. Dieser Prozeß ist für die aufgezeigten Problemstellungen zu langsam, da das harmonische Lichtsignal zunächst während einer die Bandbreite signifikant begrenzenden Abtastdauer aufintegriert wird. Erst dann erfolgt mit der Übernahme der gespeicherten Ladung als Ab­ tastprobe der gewünschte Mischprozeß.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudeninformation und damit der Einhüllenden einer Lichtwelle anzugeben, die ein einfacheres, breitbandigeres und preisgünstigeres Korrelatorkonzept und über eine vorgebbare Beleuchtung eine schnelle 3D-Objektvermessung ermöglichen.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird nun durch das Verfah­ ren nach Anspruch 1 sowie durch das photonische Mischelement nach Anspruch 14, durch die Mischelementanordnung nach Anspruch 20 und durch die Vorrichtung nach Anspruch 23 gelöst.

Das erfindungsgemäße Prinzip basiert auf einer durch die Modulati­ onsphotogatespannung erzeugten Drift und Trennung der durch die Lichtwelle photogenerierten Minoritätsladungsträger im Material un­ terhalb von mindestens zwei benachbarten lichtempfindlichen Modu­ lationsphotogates. Diese Ladungsträger driften dabei unter dem Ein­ fluß der an den Modulationsphotogates anliegenden Modulationspho­ togatespannungen U_am(t) und U_bm(t) je nach Polarität bzw. Phase zu den mit vorzugsweise der doppelten Gleichspannung U_a und U_b vor­ gespannten Akkumulationsgates. Die Modulationsphotogatespannun­ gen U_am(t) und U_bm(t) liegen vorzugsweise komplementär an und set­ zen sich vorzugsweise aus einer Vorspannung U₀ und der im Gegen­ takt überlagerten Modulationsspannung +U_m(t) bzw. -U_m(t) zusam­ men. Die beiden Modulationsphotogates bilden zusammen vorzugs­ weise eine quadratische Fläche. Ein Pixel mit nur zwei Modulations­ photogates kann auch als Zweifachpixel bezeichnet werden.

Dieses erfindungsgemäße Prinzip setzt den photoelektrischen Quan­ teneffekt, verursacht durch elektromagnetische Wellen, voraus. Trotzdem wird - ohne daß dies als Einschränkung zu begreifen ist - immer von Lichtwellen gesprochen.

In der modulationsspannungsabhängigen bzw. phasenabhängigen Drift der photoerzeugten Ladungsträger zur rechten oder zur linken Seite der Modulationsphotogates ("Ladungsschaukel") besteht der ei­ gentliche Misch- bzw. Multiplikationsprozeß. Dabei stellt die Ladungs­ differenz zwischen den so getrennten, unter den Akkumulationsgates gesammelten und an die Ausleseelektronik weitergeleiteten Ladungs­ trägern unter Berücksichtigung einer Integration in einer vorgegebe­ nen Zeit ein Maß für die Korrelationsfunktion der Einhüllenden des einfallenden modulierten Lichtsignals und der Modulationsspannung U_m(t) dar.

Gleichzeitig bleibt die Ladungssumme dieser zu den Akkumulations­ gates gedrifteten und weitergeleiteten Ladungsträger von der Stellung der Ladungsschaukel unbeeinflußt und steht als entsprechende Pi­ xelintensität bzw. als Pixelgrauwert zur Verfügung.

Um die relative Phase oder Zeitverzögerung der einfallenden Licht­ welle zu bestimmen, ist es - wie oben beschrieben - notwendig, drei Messungen für die drei Größen Gleichspannungs- und Wechselspan­ nungsanteil sowie relative Phase durchzuführen. Daher ist eine Aus­ gestaltung des Pixels des photonischen Mischelementes mit drei licht­ empfindlichen Modulationsphotogates möglich, die mit Modulations­ photogatespannungen beaufschlagt werden, die drei verschiedene Pha­ senverschiebungen zur vom Sender ausgestrahlten Lichtwelle aufwei­ sen.

Zur Bestimmung der Phase des Empfangssignals an jedem Pixel des photonischen Mischelementes aus den resultierenden Korrelations­ amplituden werden zweckmäßiger Weise jedoch vier verschiedene Messungen bei vier verschiedenen Phasen des Mischersignals heran­ gezogen. Dadurch erhält man eine Überbestimmung, durch die das Rauschen entscheidend verringert werden kann.

Durch die Gegentaktanordnung der Modulationsphotogatespannun­ gen an zwei Modulationsphotogates pro Pixel werden jeweils zwei die­ ser Messungen gleichzeitig durchgeführt. Daher genügt es bspw. bei ei­ ner HF-Modulation, zwei um jeweils 90° verschobene Messungen bei 0°/180° wie auch bei 90°/270° Phasendifferenz der Modulationsphoto­ gatespannungen U_am(t) bzw. U_bm(t) gegenüber der Phase des einge­ strahlten Lichtes durchzuführen, um die notwendigen vier verschie­ denen Meßwerte zu erhalten.

Besonders bevorzugt ist daher eine Anordnung, bei der das jeweils ein Pixel bildende photonische Mischelement aus vier symmetrisch ange­ ordneten Modulationsphotogates besteht, wobei jeweils zwei sich ge­ genüberliegende Modulationsphotogates mit Gegentakt- bzw. um 180° phasenverschobenen Modulationsphotogatespannungen beaufschlagt sind, wobei die beiden im Zusammenhang mit dem Zweifachpixel zu­ vor beschriebenen um jeweils 90° verschobenen Messungen bei 0°/180° wie auch bei 90°/270° Phasendifferenz der Modulationsphoto­ gatespannungen in diesem Fall gleichzeitig durchgeführt werden. Ein solches Pixel kann auch als Vierfachpixel bezeichnet werden.

Für eine Eichung der Phasenverschiebung der Modulationsphotogate­ spannungen U_am(t) und U_bm(t) ist es weiterhin in bevorzugter Weise möglich, einen Teil der vom Sender abgestrahlten Lichtwelle als Refe­ renz direkt auf mindestens einen von mehreren Pixeln einer Anord­ nung von einer Mehrzahl von photonischen Mischelementen zu rich­ ten. Die von diesem direkt bestrahlten Pixel gewonnene Phasen- und Amplitudeninformation kann dann für die Eichung benutzt werden bzw. für eine Justierung der Phasenverschiebung auf einen vorgegebe­ nen Wert verwendet werden.

Umgekehrt kann bei fremderregter unbekannter Modulation der von einem aktiven Objekt abgestrahlten, einfallenden Lichtwelle mit Hilfe mindestens eines photonischen Mischelementes die Lichtwelle mit der bekanntlich hohen Auflösung eines Lock-in-Verstärkers vermes­ sen werden. Dazu bildet das photonische Mischelement zusammen mit einem an die Stelle des Senders tretenden durchstimmbaren Mo­ dulationsgenerators einen Phasenregelkreis. Weiterhin findet sowohl bei der Lock-in-Verstärkung der Phase-Lock-Loop für bspw. für eine HF-Modulation als auch der Delay-Lock-Loop für eine digitale Modula­ tion Anwendung.

Für die Vermessung passiver Objekte kann die Modulation des abge­ strahlten Lichtes sowie die entsprechende Modulation der Modulationsphotogatespannungen U_am(t) bzw. U_bm(t) auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Zunächst kann eine kontinuierliche HF-Modulation durchgeführt werden, wobei wiederholt in Zeitabständen, die rückwirkend von der Pixelintensivität beeinflußt werden können, die Ladungsdifferenzen und die Ladungssummen zur Auswertung der Phasen- und Amplitu­ deninformation der Lichtwelle ausgelesen werden.

Vorteilhaft ist eine intermittierende Betriebsweise mit pulsförmiger HF-Modulation und Beleuchtung, z. B. um eine störende Hinter­ grundbeleuchtung jeweils kurzzeitig zu übertreffen. Dabei werden nur die photoerzeugten Ladungen jeweils während des HF-Impulses inte­ griert und anschließend ausgewertet.

Bei der Bestimmung insbesondere der Phasen- bzw. Laufzeitinforma­ tion von reflektierten Lichtwellen können zur Erhöhung der Phasen­ bzw. Laufzeitauflösung die aus der Radartechnik bekannten HF-Im­ pulskompressionsverfahren mit schmalen Korrelationsfunktionen, z. B. die Chirp-Technik eingesetzt werden. Dabei ist sowohl das Modu­ lationssignal des einzelnen photonischen Mischelements als auch die mit vorgegebener Phasenbeziehung beleuchtende Lichtwelle des Sen­ ders und somit auch die mit der gesuchten Phasenbeziehung reflek­ tierte Lichtwelle repetierend mit einem Chirp moduliert. Durch die Chirpmodulation werden in geeigneter Weise durch Einfügen einer einstellbaren Verzögerung zwischen der Modulationsphotogatespan­ nung des photonischen Mischelements und des vom Sender abge­ strahlten Lichts Mehrfachziele aufgelöst bzw. störende Mehrfachrefle­ xionen einer beleuchteten Szene unterdrückt.

Als weitere Modulation steht die auch unten beschriebene Pseudo- Rausch-Modulation (Pseudo-Noise(PN)-Modulation) sowohl als Ba­ sisband-PN- als auch als HF-PN-Modulation zur Verfügung. Ein Samplingbetrieb mit Abtast- und Haltevorgängen (Sample-and-Hold) bei repetierenden Lichtsignalen ist ein Sonderfall der Mischung und Korrelation mit Nadelimpulsen. Auch hierfür sowie für andere An­ wendungen gepulster Modulation kann das erfindungsgemäße photo­ nische Mischelement vorteilhaft eingesetzt werden.

Die aufgezählten Modulationsarten sind an sich sämtlich aus dem Stand der Technik bekannt.

Die zu den Akkumulationsgates gedrifteten Ladungen können nun in verschiedener Weise weiterverarbeitet werden. Zum einen kann das photonische Mischelement in CCD-Technologie realisiert sein, wobei dann die Ladungen unterhalb der Akkumulationsgates gesammelt bzw. integriert und anschließend in herkömmlicher Weise bis zur CCD-Auleseschaltung z. B. im Dreiphasen-Schiebetakt verschoben und über eine p- oder n-Diffusion ausgelesen werden.

Zum anderen kann das photonische Mischelement in CMOS-Techno­ logie als Aktivpixelelement mit pixeleigener Auslese- und Signalvor­ verarbeitungselektronik realisiert sein. Dabei wird praktisch die in der CCD-Technik übliche Ausleseschaltung jeweils beidseitig bis unmittel­ bar an die Modulationsphotogates herangeführt. Die Akkumulations­ gates werden dabei vorzugsweise als gesperrte kapazitätsarme pn-Di­ oden ausgestaltet und leiten die ankommenden photogenerierten La­ dungen vorzugsweise unmittelbar über die Elektroden G_a und G_b an die Pixelauslese- und Signalvorverarbeitungselektronik zur dortigen Speicherung und Verarbeitung weiter.

Im letzteren Fall werden also die beiden Ladungsanteile der Ladungs­ schaukel kontinuierlich ausgelesen und können z. B. mit einem La­ dungsverstärker praktisch rückwirkungsfrei auf je einer nachgeschalte­ ten Kapazität gespeichert werden.

Es ist Stand der Technik, daß vor jeder neuen Messung die beteiligten und aufgeladenen Kapazitäten durch elektronische Reset-Schalter ent­ laden werden und daß zweckmäßig die im Reset-Zustand gemessenen Fehlspannungen zur Korrektur der eigentlichen Meßwerte verwendet werden. Diese Anwendung des pixelweisen rückwirkungsfreien Aus­ lesens hat den Vorteil, daß die gesamte Dynamik des photonischen Mischelementes und somit des Meßverfahrens erheblich gegenüber der Realisierung in CCD-Technologie gesteigert werden kann.

In weiter bevorzugter Weise ist es möglich, die Phasen- und Amplitu­ deninformation in einer Pixelauslese- und Signalvorverarbeitungs­ elektronik vorzugsweise als On-chip-Integration direkt zu berechnen. Solch ein anwendungsspezifischer optoelektronischer Chip (ASOC) bzw. solch ein Aktiv- Pixel-Sensor (APS) erhöht die Meßrate und er­ möglicht eine pixelweise Vorverarbeitung der Phasen und/oder Am­ plituden.

Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Modulation gleichzeitig mit der Ladungserzeugung und -trennung er­ folgt. Mit anderen Worten finden die Detektion und die Mischung gleichzeitig und ohne zusätzlich rauschende und bandbegrenzende Zwischenstufen statt. Daher werden die im Stand der Technik unter anderem auftretenden zeitlichen Driftfehler verhindert, die bei einer zeitlich und räumlich von der Detektion getrennten Modulation und Integration der Ladungen zwangsläufig auftreten und nicht zu unter­ drücken sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der hohen Grenzfrequenz des photonischen Mischelements. Die Grenzfrequenz des Ladungstransfers durch die Gegentaktmodulationsspannung ist bezüglich der maximalen Driftlänge oder Transferstrecke, also der Summenlänge der Modulationsphotogates, mit der Grenzfrequenz entsprechender MOS-Transistoren vergleichbar und erreicht somit den GHz-Bereich. Weiterhin werden durch die antisymmetrische Ladungs­ trägertrennung und -differenzbildung störende Gleichtaktsignale un­ terdrückt. Jedes nicht mit dem Modulationssignal korrelierende Stör­ signal, z. B. die Hintergrundbeleuchtung, wird in der Ladungsdifferenz unterdrückt, was zu einem hohen Signal-zu-Rauschverhältnis führt. Weiterhin tritt nur ein geringes Zeitdriften wegen der Zusammenfas­ sung von Detektion, Mischen sowie Ladungsträgerintegration und -differenzbildung auf dem gleichen Chip auf. Zudem wird eine Zu­ sammenfassung praktisch aller Meßfunktionen innerhalb einer einzi­ gen Halbleiterstruktur möglich.

Gegenüber dem Stand der Technik der DE 44 39 298 A1 mit der Ver­ wendung von Pockelszellen als Modulatoren sind nur geringe Modu­ lationsspannungen im 1 statt 1000 Volt-Bereich notwendig. Zudem wird durch eine 2D-Anordnung von erfindungsgemäßen photoni­ schen Mischelementen eine große Apertur auf der Empfängerseite ge­ währleistet.

Für die Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudeninformation ist weiterhin kein kohärentes oder polarisiertes Licht erforderlich. Damit können weitere spezifische Eigenschaften der einfallenden Lichtwellen durch Vorschalten selektierender Filter z. B. bezüglich Po­ larisation und Wellenlänge des Lichts genutzt werden. Zusätzlich sind eine hohe Empfindlichkeit und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhält­ nis durch den Wegfall der nach dem Stand der Technik eingesetzten breitbandigen Photodetektorverstärker und elektronischen Mischer gegeben.

Die spektrale optische Bandbreite der zu vermessenden Lichtwellen wird durch die spektrale Photoempfindlichkeit des in der Raumla­ dungszone unter den Photogates verwendeten Materials bestimmt, d. h. z. B. bei Silizium etwa der Wellenlängenbereich 0,3 bis 1,1 µm, bei InGaAs etwa 0,8 bis 1,6 µm und bei InSb etwa 1 bis 5,5 µm.

Die photonischen Mischelemente können in einer beliebigen null-, ein- oder zweidimensionalen Anordnung angeordnet werden und bie­ ten somit ein breites Spektrum an Anwendungsgeometrien. Dabei können mehrere 100.000 photonische Mischelemente parallel mit ei­ ner Modulationsbandbreite von z. B. 10-1000 MHz betrieben werden, so daß z. B. eine Kameraaufnahme einer 3D-Szene mit Bestimmung der Entfernungsinformation in jedem Bildpunkt extrem schnell realisier­ bar ist. Über die Ladungsdifferenzen der zu den Akkumulationsgates fließenden und ausgelesenden Ladungen wird pixelweise das Phasen­ bild ϕ(x,y) oder - im Falle modulierter Beleuchtung - das Entfernungs­ bild bzw. Tiefenbild mit dem Radiusvektor bzw. Voxelabstand R(x,y) bestimmt. Die entsprechenden Ladungssummen ergeben den konven­ tionellen Pixelgrauwert A(x,y). Beide können zum skalierten Grau­ wertbild bzw. zum 3D-Bild A(x,y,z) zusammengefaßt werden.

Die 3D-Bild-Wiederholrate liegt dabei im Bereich von etwa 10 Hz bis über 1000 Hz und hängt von der Anzahl der verwendeten photoni­ schen Mischelemente und der Lichtintensität ab. Durch zusätzliche Farbfilter ist es möglich, die üblichen Farbwerte Rot(x,y), Grün(x,y) und Blau(x,y) des Entfernungsbildes R(x,y) zu gewinnen.

Durch den integrierten Aufbau von Mischung und Ladungsträgerinte­ gration wird nicht zuletzt auch ein einfacher Aufbau des photonischen Mischelementes erreicht. Schließlich muß kein besonderer Aufwand im Empfangskanal geleistet werden, denn eine konventionelle Abbil­ dungsoptik reicht für die Abbildung der einfallenden, ggfs. reflektier­ ten Lichtwelle aus, sofern eine ein- oder zweidimensionale Szene und nicht nur ein Punkt aufgenommen werden soll. Durch synchrones Zoomen der Sende- und Empfangsoptik ist die Meßvorrichtung an un­ terschiedliche 3D-Szenen flexibel anpaßbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 a) im Querschnitt ein Pixel eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen photonischen Mischele­ mentes in CCD-Technologie sowie b)-f) die Potentialver­ teilung U_S(t) für die verschiedenen Phasen bzw. Zeiten der beiden komplementären Modulationsphotogates­ spannungen U_am(t) und U_bm(t),

Fig. 2 eine Blockbilddarstellung zweier linear angeordneter Pixel in CCD-Technologie einschließlich einem Teil einer Inter­ line-Transfer-Auslesevorrichtung,

Fig. 3 im Diagramm die Intensitätsverteilung des eingestrahlten Lichtes und die Potentialverläufe der Spannungen U_sep(t), U_a(t), U_am(t), U_bm(t) und U_b(t) im Falle einer HF-Modula­ tion,

Fig. 4 im Diagramm die Charakteristik des Misch- und Korrela­ tionsergebnisses des photonischen Mischelements in Form der gemittelten zu den Akkumulationsgates drif­ tenden photogenerierten Ladungsträgerströme _a und _b bei einer HF-Modulation in Abhängigkeit von der relati­ ven Phasen- bzw. Laufzeitverschiebung ϕ_opt = ω_mτ,

Fig. 5 im Diagramm für eine PN-Modulation a) das Modulati­ onssignal, b) die Charakteristik des Misch- und Korrelati­ onsergebnisses sowohl für eine Zweifachpixel (nur _a und _b) als auch für ein Vierfachpixel mit _a und _a bei einer Verzögerung des Modulationssignals für das 3. und 4. Modulationsgate cm und dm von T_B sowie c) die für die Entfernungsauswertung relevanten Differenzwerte Δ_ab +Δ_cd = _a-_b+(_c-_d) und Δ_ab-Δ_cd = _a-_b-(_c-_d),

Fig 6 a) im Querschnitt ein Pixel eines zweiten Ausführungs­ beispiels in CCD-Technologie eines erfindungsgemäßen photonischen Mischelementes mit einem mittleren Modulationsphotogate G₀ sowie die Potentialverteilungen unter den Modulationsphotogates und Akkumulationsgates b) für eine positive und c) für eine negative Modulationsspannung U_m(t),

Fig. 7 a) im Querschnitt ein Pixel eines dritten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen photonischen Mischele­ mentes sowie b)-f) die Potentialverteilungen für die ver­ schiedenen Phasen analog zu Fig. 1,

Fig. 8 in einer Draufsicht ein Pixel eines vierten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch­ elementes mit vier Modulationsphotogates und vier Ak­ kumulationsgates, als Vierfachpixel bezeichnet,

Fig. 9 in einer Draufsicht ein Pixel eines fünften Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch­ elementes mit vier Modulationsphotogates und vier Ak­ kumulationsgates und einem zentralen symmetrischen mittleren Gate G₀,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und Amplitudeninformation einer Lichtwelle,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und Amplitu­ deninformation einer Lichtwelle für HF-Modulation,

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen- und Am­ plitudeninformation einer Lichtwelle z. B. für PN-Modu­ lation oder Rechteckmodulation,

Fig. 13 a) im Querschnitt ein Pixel eines sechsten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch­ elementes mit Pixelauslese- und -vorverarbeitungselek­ tronik in CMOS-Technologie sowie b) und c) die Potenti­ alverteilung analog zu Fig. 6 für zwei Phasen bzw. Polaritäten der Modulationsphotogatespannung und

Fig. 14 in einer Draufsicht ein Pixel eines siebten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen photonischen Misch­ elementes mit vier Modulationsphotogates, vier Akku­ mulationsgates sowie einem kreuzförmig aus gestalteten mittleren Gate G₀, vorzugsweise für digitale Modulation.

Fig. 1a zeigt den Querschnitt eines einzelnen Pixels 1 eines photoni­ schen Mischelementes am Beispiel einer CCD-Struktur. Dabei umfaßt das photonische Mischelement neben dem Pixel 1 die für die Span­ nungsversorgung und die Signalableitungen notwendigen Strukturen. Die äußeren Gates G_sep dienen lediglich zur elektrischen Abgrenzung dieses Pixels gegenüber benachbarten Strukturen.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführung ist auf einem p-dotierten Silizium­ substrat 2 ausgeführt. Der Misch- oder Multiplikationsvorgang des vorgeschlagenen Konzepts sei zunächst für reine CW-Hochfrequenz­ modulation betrachtet.

Bezogen auf den Querschnitt zeigt Fig. 1b-f schematisch die Potential­ verteilungen für verschiedene Phasen des Mischprozesses. Die mittle­ ren Modulationsphotogates G_am und G_bm stellen den lichtsensitiven Teil dar und befinden sich im Inversionszustand. Zusätzlich zu einer positiven Vorspannung U₀ an der leitfähigen aber optisch teiltranspa­ renten oberen Abdeckung z. B. aus Poly- Silizium werden sie mit den überlagerten Gegentaktspannungen U_m(t) betrieben. Es ergeben sich die Modulationsspannungen U_am(t) =U₀ + U_m(t) bzw. U_bm(t) = U₀-U_m(t).

Diese verursachen multiplikativ eine Separierung der durch die Pho­ tonen der einfallenden Lichtwelle in der Raumladungszone erzeugten Minoritätsladungsträger unmittelbar unterhalb der Isolatorschicht 3, z. B. aus Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid. Diese Ladungsträger (im Beispiel Elektronen) driften unter dem Einfluß der modulierenden Gegentaktspannung zu den eng benachbarten positiven Akkumulati­ onsgates G_a oder G_b und werden dort aufintegriert während die Majo­ ritätsladungsträger bzw. Löcher zum Masseanschluß des p-Si-Substrats fließen. Auch eine rückwärtige Beleuchtung ist möglich.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht von zwei Pixeln 1 des erfinderischen photo­ nischen Mischelementes einschließlich eines Teils einer Inter­ line-Transfer-Auslesevorrichtung 7 in Form eines 3-Phasen-CCD-Schiebe­ registers, an dessen einem Ende sich die Ausleseelektronik mit einem Diffusionsübergang für die serielle Weiterverarbeitung der durch die Korrelation gewonnen Ladungswerte befindet. Nach einer vorgebba­ ren Zeit T für die Ladungsakkumulation unter allen Akkumulations­ gates der Zeile werden z. B. bei Pixel Nr. n die Ladungen q_a und q_b un­ ter G_a und G_b über das Transfergate TG_a bzw. TG_b auf das 3-Phasen- Ausleseschieberegister gegeben. Die begrenzenden Separationsgates G_sep schirmen das Korrelationspixel gegen unerwünschte äußere Ein­ flüsse ab und liegen vorzugsweise auf Massepotential.

In Fig. 3 sind die zu Fig. 1 gehörenden Spannungsverläufe dargestellt. Die Modulationsphotogates G_am und G_bm werden mittels der in Fig. 3 dargestellten Modulationsphotogatespannungen, die eine gegenpha­ sige HF-Modulationsspannung U_m(t) enthalten, angesteuert, die wie folgt beschrieben sind:

U_am =U₀ + U_mcos(ω_mt) (1a)

und

U_bm = U₀ + U_mcos(ω_mt-180°) = U₀-U_mcos(ω_mt) (1b)

In Fig. 1b-f ist die Potentialverteilung U_S(s) in der Raumladungszone über der räumlichen Ausdehnung s eines repräsentativen Pixels 1 für alle beteiligten Gates dieses Pixels in der zeitlichen Sequenz von t₀ bis t₈ für die Dauer einer Periode T_m des HF-Modulationssignals anschau­ lich dargestellt. An den Akkumulationsgates G_a und G_b sorgt eine rela­ tiv hohe positive Spannung für die Ansammlung der photogenerier­ ten Ladungsträger, nachdem diese nach Maßgabe und Polarität der Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) entweder vor­ wiegend zur linken oder zur rechten Seite des in Fig. 1 im Querschnitt gezeigten Pixels 1 gedriftet sind. Dieser Vorgang wirkt sich dann in be­ sonderer Weise aus, wenn die Lichtmodulation und die Modulations­ photogatespannung U_am(t) die gleiche Frequenz aufweisen. Dann ent­ steht je nach der Phasendifferenz ϕ_opt eine mittlere Vorzugsrichtung der Ladungsträgerdrift zu den Akkumulationsgates G_a und G_b. Die zu­ gehörigen gemittelten Ströme werden durch _a und _b beschrieben.

Der zugrundeliegende Korrelationsprozeß kann mathematisch so be­ schrieben werden: In der Empfangsebene des im allgemeinsten Fall 2D-Arrays photonischer Mischelemente ist z = 0 und die einfallende mo­ dulierte Lichtwelle wird dort allgemein durch P_opt(x,y,t-τ) beschrieben. Hier wird sie über die photogenerierten Ladungsträger mit dem dort wirkenden Gegentakt-Modulationssignal, in allgemeiner Form durch U_m(x,y,t) beschrieben, bezüglich der Ladungsdifferenzen der beiden Akkumulationsgates annähernd multiplikativ und integrativ ver­ knüpft. Die entsprechende Korrelationsfunktion ϕ_Um,popt(x,y,t) wird z. B. für alle gemittelten Differenzen der Ladungsträgerdrifts Δq_ab/T = Δ_ab = _a-_b (mit T = Integrationszeit) zu den Akkumulati­ onsgates G_a und G_b im allgemeinsten Fall ortsabhängig als Dreifachfal­ tung beschrieben:

mit der Laufzeitdifferenz τ = ϕ_opt/ω_m, der Modulationskreisfrequenz w_m und den strukturabhängigen, jedoch für das Funktionsprinzip unwesentlichen Konstanten k₁ und k₂.

Das erfindungsgemäße photonische Mischelement löst diese Aufgabe mit hoher Orts- und Zeitauflösung durch den schnellen separierenden Ladungstransport der Photoelektronen und deren Gegentaktspeiche­ rung und Differenz- und Summenauswertung. Durch Differenzbil­ dung der gemittelten Driftströme Δ_ab(t) = _a(t)-_b(t), die bei nichtsta­ tionären Lichtwellen zeitabhängig sind, werden dabei alle störenden Offset-Anteile unterdrückt und zugleich wird die gewünschte Korrela­ tionsfunktion des Lichtsignals P_opt(t-τ) mit der Modulationsspannung U_m(t) gebildet.

Dieser Vorgang soll im einzelnen näher beschrieben werden. Das über U_am(t) und U_bm(t) verursachte HF-Driftfeld bewirkt, daß die Elektro­ nen zu der jeweilig positiven Seite driften. Während z. B. der positiven Halbwelle der Modulationsphotogatespannung U_am(t)=U₀+U_m(t), d. h., während der negativen Halbwelle von U_bm(t)=U₀-U_m(t), werden die photogenerierten Ladungsträger zum Akkumulationsgate G_a driften und dort als Ladungsmenge q_a angesammelt bzw. weitergeleitet (vergleiche die beiden oberen Modulationsphotogatespannungsvertei­ lungen in Fig. 1b und c). In Fig. 3 ist für den Fall einer stationären, harmonisch modulierten Beleuchtung die optische Leistung pro Pixel dargestellt als

P_opt(t-τ)= P₀ + P_mcos(ωt-ϕ_opt) (3)

wobei P₀ den Mittelwert inklusive der Hintergrundbeleuchtung, P_m die Modulationsamplitude, ω_m die HF-Modulationsfrequenz, ϕ_opt die Phasenverzögerung und τ = ϕ_opt/ω_m die entsprechende Laufzeitverzö­ gerung der einfallenden Lichtwelle gegenüber der Modulationsphase an G_am repräsentiert. Der gesamte erzeugte Photostrom pro Pixel ist

i(t)=S_λ·P_opt(t-τ)=S_g[P₀+P_m·cos(ω_mt-ϕ_opt)] (4)

i(t) = I₀ + I_m·cos(ω_mt-ϕ_opt) (5)

mit den Größen i(t)= i_a(t) + i_b(t), I₀ = Mittelwert des Pixelphotostroms gemäß P₀, I_m = Wechselamplitude des modulierten Photostroms ge­ mäß P_m, und S_λ= Spektrale Empfindlichkeit. Dieser gesamte Photo­ strom pro Pixel ist in zwei Anteile aufgeteilt und zwar in den Strom i_a(t) des Akkumulationsgates G_a und in den Strom i_b(t) des Akkumu­ lationsgates G_b. Da diese Werte aufintegriert werden - in CCD-Techno­ logie unter den jeweiligen Akkumulationsgates G_a und G_b und bei der pixelweise auslesenden CMOS-Technologie vorzugsweise in der Aus­ leseelektronik - genügt es, im folgenden die Mittelwerte _a und _b die­ ser Ströme zu berücksichtigen. Das Maximum der Ladungsseparation wird für den Winkel ϕ_opt = 0 bzw. τ = 0 erreicht. Dieser Fall ist in Fig. 3 dargestellt.

Bei harmonischer Modulation ergibt sich unter der Voraussetzung idealisierter Bedingungen wie geeigneter Modulationsamplitude, ver­ nachlässigbarer Driftlaufzeiten, 100%-Modulationstiefe mit P_m = P₀ für die mittleren Photoströme _a bzw. _b

In Fig. 4 ist der Verlauf dieser idealisierten mittleren Pixelströme ge­ zeigt. Sie repräsentieren die gegenphasigen Korrelationsfunktionen, die aus den HF-modulierten Empfangslicht und den an den Modulations­ photogates G_am und G_bm angelegten HF-Modulationsphotogatespan­ nungen resultieren. Ihre Summe entspricht mit I₀ der mittleren Pixel­ lichtleistung P₀. Die gesamte Ladungsmenge, die über der Zeit T = N*T_m (d. h., über N Perioden T_m der HF-Modulationsspannung) ange­ sammelt wird, ergibt sich zu

mit einer der Phasenverzögerung entsprechenden Laufzeit τ=ϕ_opt/ω_m. Im folgenden wird q_aT nur noch mit q_a bezeichnet. Die Gesamtheit der Ladungen der Akkumulationsgates G_a bzw. G_b aller Pixel 1 formt zwei ortsdiskrete HF-Interferogramme, das a-Interferogramm bzw. das um 180° gegenüber dem a-Interferogramm verschobene b-Interferogramm, aus denen durch Differenzbildung das laufzeitbestimmte und gesuchte Differenz-HF-Interferogramm gebildet wird, das durch Gleichung (2) beschrieben wird.

In Fig. 11 ist das Schema einer erfindungsgemäßen 3D-Kamera gezeigt, das die direkte Mischung auf der Basis eines Arrays photonischer Mi­ schelemente nutzt. Verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten 3D-Kamerakonzept, daß in Fig. 10 dargestellt ist, wird in Fig. 11 die Modulation eines Senders 4 für eine Beleuchtung optisch passi­ ver 3D-Objekte durch die Direktmodulation des Stroms einer Laserdi­ ode realisiert. Dabei wird die Modulation durch einen HF-Generator 13 erzeugt. Für größere Abstände ist z. B. der Einsatz eines leistungsstar­ ken Laserdiodenarrays mit vorzugsweise gemeinsamem Modulations­ strom und - zur Augensicherheit - mit unterschiedlichen Wellenlän­ gen vorteilhaft.

Eine erste Optik 5 bildet die Lichtwelle auf die Oberfläche eines Objek­ tes 6 ab. Die vom Objekt 6 reflektierte Lichtwelle wird dann durch eine zweite Optik 7 auf die Oberfläche eines photonischen Mischelementar­ rays 8 abgebildet.

Das photonische Mischelementarray 8 wird ebenfalls durch den HF-Generator 13 angesteuert, wobei die Ansteuerung für unterschiedliche Phasenverschiebungen zur Phase der abgestrahlten Lichtwelle durch den HF-Generator 13 erfolgt. Die Signale des photonischen Mischele­ mentarrays 8 werden, soweit nicht bereits on-chip geschehen, schließ­ lich von einer Auswerteeinheit 9 ausgewertet.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist für das vorge­ schlagene 3D-Kamerakonzept neben dem erfindungsgemäßen photo­ nischen Mischelementarray kein zusätzlicher optischer Modulator mit hoher Apertur notwendig, was zu einer wirtschaftlich vorteilhaften Lösung führt.

Zur Bestimmung der Pixelphase ϕ_opt aus den resultierenden Korrela­ tionsamplituden werden wie zuvor angegeben insgesamt vier ver­ schiedene Interferogramme bei vier verschiedenen Phasen des Mi­ schersignals herangezogen. Die vier Phasen des Mischersignals ergeben sich für den Fall, daß die Modulationsphotogatespannungen Ulm und U_bm vom Zustand des Phasenverhältnisses 0°/180° auf den Zustand 90°/270° umgeschaltet bzw. um 90° verzögert werden. Auf diese Weise erhält man die beiden zugehörigen Imaginär- bzw. Quadratur-Kom­ ponenten zu den Real- bzw. Inphase-Komponenten, woraus die ge­ suchte Pixelphase gemäß der unten beschriebenen Gleichung (10) be­ rechnet werden kann.

Diese Vorgehensweise ermöglicht gleichzeitig die Eliminierung von störenden Offset-Spannungen, die durch die Hintergrundhelligkeit und durch den Mischvorgang erzeugt werden.

Neben dem beispielhaft beschriebenen Meßvorgang von CW-modu­ lierten 3D-Lichtwellen durch 2D-Korrelation mit einer Modulations­ spannung U_m(x,y,t) vorzugsweise gleicher Frequenz in der Ebene des photonischen Mischelementarrays kann die erfindungsgemäße Meß­ vorrichtung auch mit pulsförmigen Modulationssignalen vorteilhaft eingesetzt werden.

Für Aufgaben der hochpräzisen Laufzeitmessung von 3D-Lichtwellen ist insbesondere eine Pseudo-Rausch-Modulation des Lichts vorteil­ haft. Eine beispielhafte Ausführung zur Vermessung optisch passiver 3D-Objekte zeigt Fig. 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ähn­ lich dem Ausführungsbeispiel mit harmonischer Modulation in Fig. 11 eine entsprechende Beleuchtungseinrichtung auf, die die 3D-Ob­ jekte 6 mit in der Intensität PN(Pseudo-Noise)-moduliertem Licht be­ leuchtet und das reflektierte und empfangene Licht dem Korrelations­ prozeß mit vorzugsweise dem entsprechenden PN-Modulationssignal, das vom Generator 13 erzeugt wird, unterzieht.

Da die Korrelation derartiger PN-Signale mit zunehmender Wortlänge TW=T_B(2^N-1) einem dreieckförmigen Nadelimpuls mit einer Halb­ wertsbreite gleich der Bitbreite T_B ähnelt, muß zur eindeutigen und vollständigen Vermessung des ganzen Lichtvolumens bzw. des gan­ zen beleuchteten Raumes eine relative Verzögerung T_D zwischen dem lichtmodulierenden PN-Signal und der demodulierenden PN-Gegen­ taktspannung U_m(t) der gleichen Signalform an den Modulationspho­ togates mindestens einmal den ganzen Verzögerungsbereich der ma­ ximalen Echolaufzeit kontinuierlich oder schrittweise in T_B-Schritten durchlaufen. Dazu dient das von der Steuerungs- und Auswerteein­ heit 9 bezüglich der Verzögerung T_D einstellbare Verzögerungsglied 11.

In Fig. 5a ist am Beispiel einer rechteckförmigen 15Bit-PN-Sequenz das Modulationssignal U_m(t) dargestellt. Das Ergebnis der Korrelation durch das photonischen Mischelement sind die in Fig. 5b über der rela­ tiven Verzögerung τ dargestellten gemittelten Driftströme _a und _b.

Beim später beschriebenen Vierfachpixel gemäß Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 14 sind die an den Modulationsphotogates G_cm und G_dm anliegenden und der Vorspannung U₀ überlagerten Gegentakt-Modulationsphoto­ gatespannungen vorzugsweise um T_B gegenüber den an den Modula­ tionsphotogates G_a und G_b anliegenden Gegentakt-Modulationspho­ togatespannungen verzögert, d. h. U_cm(t)=U₀+U_m(t-T_B) und U_dm(t) =U₀- U_m(t-T_B), was zu sehr vorteilhaften Amplituden- und Laufzeitmes­ sungen führt.

Bis auf eine vorgebbare Verzögerung T_D der Modulationsspannungen weist die vom Sender 4 abgestrahlte Lichtintensität const.*P_opt(t) die gleiche PN-Signalstruktur auf. Die Reflexion erreicht das photonische Mischelement nach der Echolaufzeit. Die Korrelation mit den Gegen­ taktmodulationsspannungen führt je nach der relativen Laufzeitver­ zögerung τ für T_D=0 im Idealfall ohne Hintergrundhelligkeit beim Zweifachpixel auf die in Fig. 5b gezeigten mittleren Pixelströme _a und _b und beim Vierfachpixel mit dem genannten T_B-Zeitversatz zusätz­ lich auf die mittleren Pixelströme _a und _d. Diese Korrelationscharak­ teristik offenbart zunächst, daß mehrere Objektreflexionen auf dem gleichen Radiusvektor unterschieden werden können, z. B. zur Unter­ scheidung mehrerer hintereinander stehender teiltransparenter Ob­ jekte oder zur Elimination von Mehrfachreflexionen.

Zusätzlich werden beim Zweifachpixel nacheinander und beim Vier­ fachpixel gleichzeitig vorzugsweise in der jeweils entsprechenden Pi­ xelauslese- und Signalvorverarbeitungselektronik 15 die in Fig. 5c dar­ gestellte Summe und Differenz der mittleren Driftstromdifferenzen gebildet. Sie erlauben hochempfindliche Messungen, da nur in dem T_B bis 2T_B breiten Meßfenster Signalwerte ungleich Null erscheinen. Durch die Auswertung der Summe wird die Relevanz einer Messung aufgrund einer Mindestamplitude bestimmt. Die Differenz zeigt einen steilen linearen Verlauf im nutzbaren T_B-breiten Meßfenster, der eine Laufzeitbestimmung mit hoher Auflösung erlaubt. Für das hier ideali­ sierte Beispiel ist

Das Blockschaltbild einer entsprechenden Meßvorrichtung zur opti­ schen Vermessung von 3D-Objekten mit PN-Modulation auf der Basis des vorgeschlagenen Korrelations-Photodetektorarrays ist durch einen besonders einfachen Aufbau charakterisiert, wie in Fig. 12 veranschau­ licht ist. Außer dem Generator 10 und dem Verzögerungsglied 11 ist dabei der gleiche Aufbau wie in Fig. 11 gegeben.

Zur schnellen Entfernungsbestimmung bei geringerer Auflösung wird erfindungsgemäß auch eine einfache Rechteckmodulation des Senders 4 durch den Generator 10 mit der Periode T und vorzugsweise gleicher Puls- und Pausendauer T_B verwendet. Die Laufzeitermittlung erfolgt nach Gleichung (9). Die Auflösung wird schrittweise durch die mit dem Faktor 2 abnehmende Periodendauer T erhöht, wobei auf den er­ sten Meßschritt zunächst ein zweiter mit gleicher Periode aber einer Zeitverschiebung T_D = T/4 erfolgt.

Der in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Querschnitt des Pixels 1 des erfin­ dungsgemäßen photonischen Mischelementes kann bezüglich seiner Grenzfrequenz durch eine geeignete Auslegung des durch die Gegen­ taktmodulationsspannung verursachten Potentialgefälles optimiert werden. Hierzu zeigt Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein mitt­ leres Gate G₀ zwischen den Modulationsphotogates G_am und G_bm an­ geordnet ist, das vorzugsweise auf der Vorspannung U₀ liegt, und das zusammen mit den Modulationsphotogates G_am und G_bm drei Poten­ tialstufen bildet. Erwünscht ist ein möglichst gleichmäßiges Potential­ gefälle bzw. ein möglichst konstantes Modulationsdriftfeld, was durch Erhöhung der Stufenzahl von zwei auf drei oder auch mehr erreicht wird. In der photosensitiven Raumladungszone nimmt mit dem Ab­ stand von der Isolierschicht 3 ohnehin die Ausprägung der Stufen ab. Dieser Effekt wird in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung genutzt, und zwar durch Verwendung eines sogenannten "Buried Channel", eines von der Isolierschicht einige µm entfernten, etwas tie­ fer im p-Substrat unter den Modulationsphotogates liegenden, schwach dotierten n-Kanals. Weiterhin ist eine Abschattung 12 für die Akkumulationsgates G_a und G_b vorgesehen, damit diese nicht von der Lichtwelle beleuchtet werden und zusätzliche Ladungsträger erzeugt werden.

Fig. 7 zeigt eine besondere Ausführung und Verbindung photonischer Mischelemente, bei der gegenüber der in Fig. 1 die beiden Modulati­ onsphotogates jeweils nur durch ein gemeinsames Akkumulations­ gate G_s,n getrennt sind, wodurch ein höherer Füllwirkungsgrad er­ reicht wird. Auch hier ist eine Abschattung 12 der Akkumulationsga­ tes G_a und G_b vorgesehen. Dabei wechselt die Polarität der Gegentakt­ modulationsspannungen bzw. die Reihenfolge von G_am,n und G_bm,n von Pixel zu Pixel. Diese Dreierperiode der Gates eignet sich zugleich zum direkten Auslesen durch einen Betrieb als Drei-Phasen-Schiebe­ register. Ein in bestimmten Anwendungen tolerierbarer Nachteil liegt in der Ladungsverteilung auch auf die jeweils benachbarten Pixel, die zu einer scheinbaren Pixelvergrößerung und geringerer Ortsauflösung in der betreffenden Richtung führt.

Eine Berechnung dieser Zusammenhänge ergibt, daß gegenüber einer 100%-Nutzladung bei der Auswertung der Ladungsdifferenzen das zentrale, betrachtete Pixel nur 50% erhält und die beiden Nachbarpixel jeweils 25% erhalten.

Zur Veranschaulichung der Ladungsverteilung sind in Fig. 7 analog zu Fig. 1 die verschiedenen Phasen der Potentialverteilung für CW-Mo­ dulation dargestellt.

In Fig. 8 ist eine weitere vorteilhafte Ausführung des Designs eines Pi­ xels eines photonischen Mischelementes dargestellt, das bei CW-Mo­ dulation keine IQ (Inphase, Quadraturphase)-Umschaltung zwischen den I- und Q-Zuständen benötigt. Anstelle des zuvor beschriebenen Zweifachpixels wird ein Vierfachpixel mit den Modulationsphotogates G_am, G_bm, G_cm und G_dm sowie den zugehörigen Akkumulationsgates G_a, G_b, G_c und G_d vorgeschlagen, das die Korrelation gleichzeitig für vier Phasenlagen ermöglicht, da die Gegentakt-Modulationsphotogate­ spannungen U_am(t) und U_bm(t) bzw. U_cm(t) und U_dm(t), insbesondere bei HF-Modulation um 90°, gegeneinander verschoben sind.

In orthogonaler Anordnung zu den beschriebenen Modulationsphoto­ gates G_am mit ϕ_am = 0° und G_bm mit ϕ_bm = 180° befinden sich daher zwei weitere innerhalb des Pixels symmetrisch integrierte Modulati­ onsphotogates G_cm mit ϕ_cm = 90° und G_dm mit ϕ_dm = 270°, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Auf diese Weise entsteht eine Vier­ phasen-Ladungsakkumulation mit den Einzelladungen q_a, q_b, q_c und q_d unter den zugehörigen Akkumulationsgates G_a, G_b, G_c und G_d oder in der zugehörigen Ausleseelektronik, wobei mittels einer einfachen arith­ metischen Operation die zugehörige Phase ϕ_opt folgendermaßen direkt berechnet wird:

Für die einfache Grauwertbestimmung eines einzelnen Pixels werden die Einzelladungen aller Akkumulationsgates eines Pixels aufsum­ miert: q_pixel = q_a+q_b+q_c+q_d. Der Ausleseprozeß der jeweils vier Ladun­ gen wird in diesem Fall zweckmäßig durch ein aktives Pixeldesign in CMOS-Technik mit pixelweise integrierter Signalvorverarbeitung durchgeführt.

Fig. 9 zeigt ebenso wie Fig. 8 ein Vierfachpixel eines photonischen Mi­ schelementes, allerdings mit einem entsprechend Fig. 6 geglättetem Potentialgefälle mit Hilfe des zentralen, vorzugsweise auf dem Poten­ tial U₀ liegenden quadratischen mittleren Gate G₀.

Fig. 14 zeigt ebenso wie Fig. 9 ein Vierfachpixel eines photonischen Mi­ schelementes mit einer für digitale Modulationssignale optimierten Struktur. Das zwischen den vorzugsweise quadratischen Modulations­ photogates angeordnete mittlere Gate G₀ dient ähnlich wie in Fig. 9 der Glättung des durch die Modulationsphotogatespannung erzeugten Po­ tentialgefälles.

Fig. 13 zeigt schließlich eine weitere bevorzugte Ausführungsform ei­ nes Pixels 1, das im Gegensatz zu den zuvor aufgezeigten Ausfüh­ rungsbeispielen nicht in CCD-Technologie, sondern in CMOS-Techno­ logie mit pixelweiser Auslese- und Signalvorverarbeitungselektronik 15 realisiert ist. Die Funktionsweise des modulationspannungsabhän­ gigen Driftens der Ladungsträger auf der Ladungsschaukel ist dabei die­ selbe wie bei den zuvor aufgezeigten Ausführungsbeispielen. Unter­ schiedlich ist bei dem in Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispiel le­ diglich die Art der Weiterverarbeitung der zu den Akkumulationsga­ tes G_a und G_b gedrifteten Ladungen q_a und q_b.

Die Akkumulationsgates G_a und G_b sind im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel als gesperrte pn-Dioden ausgebildet. Auf einem vor­ zugsweise schwach dotierten p-Si-Substrat 3 in Fig. 13 werden die posi­ tiv vorgespannten Akkumulationsgates G_a und G_b durch n₊-dotierte Elektroden gebildet. Im sog. "Floating-Diffusion"-Betrieb bzw. im hochohmigen Spannungsauslesemodus werden wie bei der CCD-Technologie die Ladungen q_a und q_b auf den Kapazitäten der Akku­ mulationsgates G_a und G_b integriert und als Spannungswerte hoch­ ohmig ausgelesen.

In vorteilhafter Weise kann auch ein Stromauslesemodus eingesetzt werden, bei dem die photogenerierten Ladungsträger nicht im Potenti­ altopf integriert, sondern fortlaufend über eine Ausgangsdiffusion über an die Akkumulationsgates G_a bzw. G_b angeschlossene, geeignete Stromausleseschaltungen weitergeleitet werden. Anschließend werden diese Ladungen bspw. jeweils auf einer externen Kapazität integriert.

Durch eine Ausleseschaltung im Stromauslesemodus, der durch Ver­ stärkerrückkopplung die Akkumulationsgatespannung virtuell kon­ stant hält, wird in vorteilhafter Weise vermieden, daß bei einer inten­ siven Bestrahlung des Pixels die Menge der angesammelten Ladungen q_a und q_b zu einer Rückwirkung oder gar zu einem Überlaufen des Po­ tentialtopfes führt. Die Dynamik des photonischen Mischelementes wird dadurch erheblich verbessert. Auch hierbei wird durch die ge­ nannte Technik eines Schwach dotieren n-Kanals ("Buried Layer") un­ ter der Isolierschicht der Modulationsgates Verbesserungen, u. a. eine Steigerung der Grenzfrequenz erzielt.

Die Ausgestaltung des photonischen Mischelementes in CMOS-Tech­ nologie ermöglicht weiterhin die Anwendung eines Aktiv-Pixel-Desi­ gns (APS), mit dem zu jedem Pixel eine Auslese- und Signalvorverar­ beitungsschaltung in das photonische Mischelement integriert werden kann. Somit ist eine Vorverarbeitung der elektrischen Signale direkt am Pixel möglich, bevor die Signale an eine externe Schaltung weiter­ geleitet werden. Insbesondere kann somit die Phasen- und Amplitu­ deninformation direkt auf dem Chip berechnet werden, so daß sich die Meßrate weiter erhöhen läßt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein vorzugsweise zweidimensionales photonisches Mischelementarray für eine dreidi­ mensionale elektronische Objektsuche und -verfolgung passiv oder aktiv leuchtender Objekte nach verschiedenen Kriterien, wie z. B. Ob­ jektform, -position, -farbe, -polarisation, -geschwindigkeits­ vektor, -helligkeit oder einer Kombinantion von Objekteigenschaften ver­ wendet. Wird z. B. beim Durchlaufen verschiedener Modulationssi­ gnale (z. B. Frequenz- oder Codeänderung) bei der 3D-Vermessung ei­ ner einfallenden Lichtwelle, die zunächst unbekannt sein kann, eine örtliche Korrelation durch das Kriterium von Differenzdriftströmen ungleich Null gefunden, so kann danach fortlaufend dieser Objektbe­ reich gezielt bezüglich der genannten Objekteigenschaften vermessen und ggfs. bei Veränderungen über eine Regelschleife, die insbesondere die Bildtiefe mit einschließt, verfolgt werden.

Das photonische Mischelement wird in verschiedenen Betriebsweisen eingesetzt, die im folgenden dargestellt werden.

Die Summenladung an den Akkumulationsgates G_a und G_b interes­ siert hierbei weniger, da sie immer der Gesamtintensität der einfallen­ den Lichtwellen entspricht, q_a +q_b = const.*P_opt,ges*T mit T = Integrati­ onszeit.

Die Differenzladung Δq_ab = q_a-q_b = _a·T-_b·T hängt von mehreren Faktoren ab und kann in mehrfacher Weise zur Vermessung der ein­ fallenden Lichtwelle genutzt werden. Dazu wird eine immer vorhan­ dene Grundhelligkeit P₀<=P_m (s. Fig. 3a) berücksichtigt.

Wahlweise wird z. B. bei einer Vermessung eines durch einen Sender 4 mit moduliertem Licht beleuchteten Objekts 6 die Sendeleistung ein- oder ausgeschaltet und damit wird Pm endlich oder gleich Null. Gleichzeitig wird wahlweise die Modulationsspannung Um(t) entwe­ der zu Null oder auf den im Sender verwendeten oder im einfallen­ den Licht enthaltenen Verlauf oder auf eine während der Integrations­ zeit konstante Spannung U_m0 geschaltet.

Damit ergeben sich mit P₀ ≠ 0 vier wichtige Betriebsweisen:

• 1. Δq_ab = 0 für P_m=0 und U_m=0.
• 2. Δq_ab=0 bei endlichem P_m und mit U_m(t) als HF-Modulationssignal.
• 3. Mit endlichem P_m und einer hochfrequenten Modulationsspan­ nung ist Δq_ab eine Funktion von Um(t), von der relativen Modulati­ onslaufzeitverschiebung τ und von dem einfallenden, derart modu­ lierten Lichtleistungsanteil Pm(t).
• 4. Besteht während einer Integrationszeit T eine einfallende mittlere Lichtintensität P₀ und eine konstante Modulationsspannung U_m0, so ist die Differenzladung Δq_ab eine Funktion von U_m0 und der mittleren Lichtleistung P₀.

Bei Lichtwellen, die nicht intensitätsmoduliert sind, wird in einer wei­ teren Ausgestaltung der Erfindung das photonische Mischelement ent­ sprechend dem vierten Fall einer möglichen Betriebsweise z. B. für die 2D-Bildverarbeitung eingesetzt.

Dabei ist jedes Mischelement gezielt und unabhängig voneinander an­ steuerbar, z. B. durch pixelweise Zuordnung je eines schnell über­ schreibbaren Modulationsspannungswortes für U_m0 vorzugsweise mit­ tels eines RAM-Bausteins. Ausgewertet werden vorzugsweise nur die näherungsweise zu U_m0 proportionalen Differenzdriftströme Δ_ab bzw. Differenzladungen T_*Δ_ab. Die Modulationsspannung U_m0 wird dabei jeweils von dem Modulationsspannungswort abgeleitet.

Damit wird U_m(t) nicht mehr periodisch oder quasi-periodisch wie in den vorangehenden Anwendungsbeispielen, sondern aperiodisch z. B. gemäß einem vorgegebenen oder gemäß dem gemessenen Bildinhalt eingestellt. Für Um(t)=0 ergeben sich alle Differenzströme zu Null, so daß das zugehörige Differenzbild D(x,y) ebenfalls mit der Amplitude bzw. Intensität Null erscheint.

Die Differenzbildhelligkeit kann somit gezielt durch Variation von Um(x,y,t) beeinflußt werden. Damit können erfindungsgemäß belie­ bige, also auch unmodulierte Lichtwellen bzw. Bilder über eine extrem schnell einstellbare Gewichtsfunktion G(x,y,t)=k₁_*U_m(x,y,t) z. B. über die genannten steuerbaren, pixelweise zugeordneten Speicherzellen einer vielseitigen Bildverarbeitung erschlossen werden, wie z. B. die zuvor aufgeführten Anwendungen zur Objektsuche und -verfolgung, allerdings hierbei ohne den Aspekt der Tiefeninformation.

Claims (24)

1. Verfahren zur Bestimmung der Phasen- und/oder Amplitudenin­ formation einer elektromagnetischen Welle

• - bei dem eine elektromagnetische Welle auf die Oberfläche eines mindestens ein Pixel aufweisenden photonischen Mischelementes eingestrahlt wird, wobei das Pixel mindestens zwei lichtempfindliche Modulationsphotogates G_am und G_bm und zugeordnete Akkumulati­ onsgates G_a und G_b aufweist,
• - bei dem an die Modulationsphotogates G_am und G_bm Modulations­ photogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) angelegt werden, die als U_am(t)=U₀+U_m(t) und U_bm(t)=U₀-U_m(t) ausgestaltet sind,
• - bei dem an die Akkumulationsgates G_a und G_b eine Gleichspannung angelegt wird, deren Betrag mindestens so groß wie der Betrag der Summe aus U₀ und der Amplitude der Modulationsspannung U_m(t) ist,
• - bei dem die in der Raumladungszone der Modulationsphotogates G_am und G_bm von der einfallenden elektromagnetischen Welle erzeug­ ten Ladungsträger in Abhängigkeit von der Polarität der Modulations­ photogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) dem Potentialgefälle eines Driftfeldes ausgesetzt werden und zum entsprechenden Akkumulati­ onsgate G_a oder G_b driften und
• - bei dem die jeweils zu den Akkumulationsgates G_a und G_b gedrifteten Ladungen q_a und q_b abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

• - bei dem von einem Sender eine intensitätsmodulierte elektromagne­ tische Welle abgestrahlt wird,
• - bei dem die von einem Objekt reflektierte elektromagnetische Welle auf die Oberfläche des photonischen Mischelementes eingestrahlt wird,
• - bei dem die Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) mit der Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetische Welle in fester Phasenbeziehung stehen und
• - bei dem die erzeugten Ladungsträger zusätzlich in Abhängigkeit von der Phase der Gegentakt-Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) dem Potentialgefälle eines Driftfeldes ausgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

• - bei dem für zwei verschiedene Phasenverschiebungen Δϕ₁ und Δϕ₂ der Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetische Welle die La­ dungen q_a1 und q_b1 sowie q_a2 und q_b2 abgeleitet und die Ladungsdiffe­ renzen (q_a1-q_b1) und (q_a2-q_b2) gebildet werden und
• - bei dem nach der Gleichung die Pixelphase ϕ_opt der einfallenden elektromagnetischen Welle relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetischen Welle und somit die Laufzeit der vom Pixel empfangenen elektromagnetischen Welle be­ stimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

• - bei dem mit Hilfe von vier Modulationsphotogates G_am, G_bm, G_cm und G_dm und von vier zugeordneten Akkumulationsgates G_a, G_b, G_c und G_d, für zwei verschiedene Phasenverschiebungen Δϕ₁ und Δϕ₂ der Modulationsphotogatespannungen U_am(t)=U₀+U_m1 (t) und U_bm(t)=U₀- U_m1(t) sowie U_cm(t)=U₁+U_m2(t) und U_dm(t)=U₁-U_m2(t) relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetischen Welle gleichzeitig die Ladungen q_a, q_b, q_c und q_d getrennt und abgeleitet werden und
• - bei dem nach der Gleichung die Pixelphase ϕ_opt der einfallenden elektromagnetischen Welle relativ zur Phase der vom Sender abgestrahlten elektromagnetischen Welle und somit die Lauf­ zeit der vom Pixel empfangenen elektromagnetischen Welle bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

• - bei dem das photonische Mischelement eine Mehrzahl von Pixeln aufweist,
• - bei dem mindestens ein Pixel mit einem Teil der intensitätsmodu­ lierten elektromagnetischen Welle vom Sender direkt bestrahlt wird und
• - bei dem aus der mit diesem Pixel gemessenen Phasenverschiebung eine Eichung der Phasenverschiebung zwischen der abgestrahlten elek­ tromagnetischen Welle und den Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1,

• - bei dem eine elektromagnetische Welle mit fremderregter unbekann­ ter Intensitätsmodulation auf die Oberfläche des photonischen Misch­ elementes eingestrahlt wird,
• - bei dem die Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) von einem durchstimmbaren Modulationsgenerator erzeugt werden,
• - bei dem die erzeugten Ladungsträger zusätzlich in Abhängigkeit von der Phase der Gegentakt-Modulationsphotogatespannungen U_am(t) und U_bm(t) dem Potentialgefälle eines Driftfeldes ausgesetzt werden und
• - bei dem das photonische Mischelement und der Modulationsgenera­ tor mindestens einen Phasenregelkreis bilden und die elektromagneti­ sche Welle nach der Lock-in-Methode vermessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als periodi­ sche Modulation eine kontinuierliche oder diskontinuierliche HF-Modulation, eine Pseudo-Rausch-Modulation oder eine Chirp-Modu­ lation verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Modulation eine HF-Mo­ dulation ist und vorzugsweise die Ladungen q_a und q_b und ggfs. q_c und q_d für die Phasenverschiebungen Δϕ = 0°/180° und 90°/270° abgeleitet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine aperiodische Modulation mit Modulationsphotogatespannungen U_am=U₀+U_m0 und U_bm=U₀- U_m0 mit zeitlich konstanter, aber variabler Modulationsspannung U_m0 verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Ladungen q_a und q_b unterhalb der Akkumulationsgates G_a und G_b integriert werden und mit einer Multiplexstruktur, vorzugsweise mit einer CCD-Struktur, ausgelesen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Akku­ mulationsgates G_a und G_b als pn-Dioden, vorzugsweise als gesperrte kapazitätsarme pn-Dioden und vorzugsweise in CMOS-Technologie, ausgebildet sind und bei dem die Ladungen q_a und q_b direkt als Span­ nung oder als Strom ausgelesen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Pixelphase direkt mit Hilfe einer Aktiv-Pixel-Sensor-Struktur (APS) berechnet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Pixelhelligkeit als Summe der Ladungen aller Akkumulationsgates ausgewertet wird.

14. Photonisches Mischelement

• - mit mindestens einem Pixel (1),
• - das mindestens zwei lichtempfindliche Modulationsphotogates (G_am, G_bm) und
• - den Modulationsphotogates (G_am, G_bm) zugeordnete, gegenüber der einfallenden elektromagnetischen Welle ab geschattete Akkumulati­ onsgates (G_a, G_b) aufweist.

15. Mischelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Modulationsphotogates (G_am, G_bm) ein mittleres Gate (G₀) angeordnet ist.

16. Mischelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Pixel (1) vier, vorzugsweise symmetrisch angeordnete, Modulationsphotogates (G_am, G_bm, G_cm, G_dm) und Akku­ mulationsgates (G_a, G_b, G_c, G_d) aufweist.

17. Mischelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Pixel (1) in MOS-Technik auf einem Silizium­ substrat (2) ausgeführt ist und mit einer Multiplexstruktur, vorzugs­ weise mit einer CCD-Struktur, auslesbar ist.

18. Mischelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Akkumulationsgates (G_a, G_b) als pn-Dioden, vorzugsweise als gesperrte, kapazitätsarme pn-Dioden und vorzugsweise in CMOS-Technik ausgeführt, ausgebildet sind und die Ladungen q_a und q_b direkt als Spannung oder als Strom auslesbar sind.

19. Mischelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Pixel (1) als Aktiv-Pixel-Sensor-Struktur ausgebildet ist.

20. Mischelementanordnung mit mindestens zwei photonischen Mi­ schelementen nach einem der Vorrichtungsansprüche 14 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die photonischen Mischelemente in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind.

21. Mischelementanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils zwei benachbart angeordnete, unterschiedlichen Pixeln (n, n+1) zugeordnete Modulationsphotogates (G_am,n, G_am,n+1) bzw. (G_bm,n, G_bm,n+1) jeweils ein gemeinsames Akkumulationsgate (G_S) aufweisen und daß die Modulationsphotogates (G_am,n, G_am,n+1) bzw. (G_bm,n, G_bm,n+1) jeweils von der gleichen Modulationsphotogatespan­ nungen U_am(t) bzw. U_bm(t) beaufschlagt sind.

22. Mischelementanordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sender (4) direkt mindestens einen Pixel (1) mit einem Teil der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Welle be­ strahlt.

23. Vorrichtung zur Bestimmung der Phaseninformation einer elek­ tromagnetischen Welle

• - mit mindestens einem photonischen Mischelement nach einem der Vorrichtungsansprüche 14 bis 19,
• - mit einem Modulationsgenerator (10, 13),
• - mit einem Sender (4), dessen abgestrahlte elektromagnetische Welle vom Modulationsgenerator (10, 13) in vorgegebener Weise intensi­ tätsmoduliert ist,
• - wobei die von einem Objekt (6) reflektierte elektromagnetische Welle auf die Oberfläche des photonischen Mischelementes einstrahlt und
• - wobei der Modulationsgenerator (10, 13) das photonische Mischele­ ment mit Modulationsspannungen U_m(t) versorgt, die in vorgegebe­ ner Phasenbeziehung zur Phase der abgestrahlten elektromagnetische Welle des Senders stehen.

24. Vorrichtung nach dem vorangegangenen Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Optik (7) und ggfs. eine Mischelementanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 21 vorgesehen sind, wobei die Optik (7) die reflektierte elektromagnetische Welle auf die Oberfläche des Mischelementes bzw. der Mischelementanordnung abbildet.