HU227654B1 - Method and device for determining the phase- and/or amplitude data of an electromagnetic wave - Google Patents

Description

BERENDEZÉS ELEKTROMÁGNESES HDLLÁM EÁZI;

•ΚΜϊύΤ T •’rt rz v? wí-» Y αχ ·ν! :-' ·! , :

ÖDŐINFORMÁCTÓINAK MEGHATÁROZÁSÁRA

A találmány tárgya eljárás és berendezés elektromágneses hullám fázis- és/vagy amplitúdóinformációinak meghatározására .

A fázis kifejezést itt általában fázisfutási idő és számított futási idő értelemben használjuk, az alkalmazott jelalaknak megfelelően.

A továbbiakban az egyszerűség kedvéért elektromágneses bullám helyett többnyire fényhullámot említünk.. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a találmány az elektromágneses spektrum látható tartományára korlátozódna.

A szélessávú és nagyfrekvenciás jeleknél a frekvenciakomponensek amplitúdójának és fázisának mérésére az elektronikus méréstechnikában és hírközlésben gyakran használnak fázisdetektorokat, amelyek az ismeretlen jelet egy szinuszhuliámmal szorozzák vagy keverik össze, és integrálással vagy aluláteresztő szűréssel meghatározzák azt az állandó komponenst, amely sgy ugyanolyan frekvenciájú jelkomponens jelenlétében jelenik meg.

Ez az eljárás létrehozza az ismeretlen jel korrelációs függvényét a keverőjellel egy adott, állítható relatív fázishelyzethez. A keverőfrekvencia változtatásával ípásztázással) az ismeretlen jel lebontható spektrális Összetevőire. Legalább három fázishelyzettel méghatároz; Síét ható az ugyanolyan, frekvenciájú ismeretien komponens állandó összetevője, változó amplitúdója és fázisa.

A méréstechnikában és hírközlésben egyre nagyobb jelentőségű optikai jeleket manapság többek között elektrooptikai átalakítóként alkalmazott szélessávú fotodetektotokkal érzékelik,- és a kapott elektromos jeleket a már említett módon dolgozzák fel,

A magas költségek miatt ezek az eljárások és a megfelelő mérőberendezések általában csak egy- vagy kétcsatornásak. Optikai jelek esetén azonban gyakran kell egyidejűleg nagyon sok párhuzamos csatornát - elsősorban teljes képsorozatokat - vizsgálni, amelyek nagyfrekvenciás komp on e n sebet tartalmaznak.

Ezenkívül igény van háromdimenziós tárgyak gyors és pontos vizsgálatára, például optikai radarral, amihez a szübnanoszekundumos tartományban működő nagyon gyors detektorokra van szükség, a visszavert jelek fénysebessége miatt. Ezeknek egyidejűleg detektortömbként is kezelhetőnek kell lenni, hogy mellőzni lehessen az aktív vagy passzív háromdimenziós céltárgyak időigényes letapogatását <

Ilyen háromdimenziós (3Dj kamerát javasolnak a DE 4439298 Ai sz. iratban. A 10, ábra szemlélteti ezt a háromdimenziós kamerát, amely a visszavert jel futási Idejének vagy -a fázísfutási időnek a feldolgozásán alapszik, A nagyfrekvenciásán modulált 101 fényhullám - amelyet egy 103 optikai keverd segítségével modulált 107 fényadó sugároz ki, és a háromdimenziós 100 céltárgy ver vissza - a * « fázisfronthoz viszonyított késleltetésben hordozza az összes mélységi információt. Ha a beeső fényt a 102 apertúrában ismét modulálják egy azonos frekvenciájú, kétdimenziós 104 optikai keverővei, ami homodin keverésnek vagy demodulálásnak felei meg, az eredmény egy folyamatos nagyfrekvenciás interferogram, amely egy hagyományos 105 CCD~kamerával íCCD: charge-coupled device, töltéscsatolt eszköz) regisztrálható, majd további feldolgozás végezhető a 106' képfeldolgozó rendszerrel, A keveréssel kapott jel állandó komponensének integrálása tulajdonképpen azt jelenti, hogy előállítják a két kevert jel korrelációs függvényét. A visszavert jel futási idejéből következő, távolságtól függő fáziskésieitetések és az amplitúdók pixelenként számíthatók három vagy több intsrferogrsmbő.l a demoduláláshoz használt keverőfrekvencia különböző fázisainál, például 0°, 120“ és 240“ vagy G\ 90“, 180° és 270’' fázisnál, és igy a háromdimenziós kép rekonstruálható.

A kétdimenziós 103 vagy 104 optikai keverő, amelyet térbeli fénymoduiátornak (SLIk; spatiai líght modulátor) ís neveznek, ebben az esetben például egy Pockel-cellát tartalmaz, aminek számos, a szakirodalomban részletesen leírt hátránya van.

Vannak további megoldások, amelyeknél LCD-ablakokat alkalmaznak; ezek olcsók, viszont sávszélességük kb, ezerszer kisebb a kívánatosnál.

A képerősítőkben alkalmazott mikrocsatornás lemezek használata szintén költséges. Az erősítés a mikroesatornákra kapcsolt és azokban a másodlagos elektronemiaszíőt befolyásoló gyorsítóieszuitség változtatásával modulálható-.

.Ezenkívül ismeretes olyan javaslat is, amely OCDfotodetektoz elrendezésen alapuló kétdimenziós korrelátorra vonatkozik (Spirig, Seitz et el..: The Lock-In CCD?wo-~DimensionaI Synchronous Detsctlon of Llght, IEEE Journal of Quantum Electronics·, Tol. 31, No. 9, September illő, pages 1705---1708), Itt egy fotopixelt négy átviteli kapuval vizsgáinak, hogy megállapítsák a szinuszosan modulált fény fázisát. Az átviteli kapuk nyitva vannak egy adott idd folyamán (amely lényegesen rövidebb, mint a hullám periódusideje), hogy a mérést a hullám egy „pontján végezzék. A ssinuszhullám mindegyik periódusához egyenlő távolságú (ekvidísztács) mintát vesznek a négy kapuval, aminek alapján a fázis könnyen számítható. Ez az eljárás túlságosan lassú a fentiekben ismertetett problémák megoldásához, mivel a harmonikus fényjelet először integrálják egy letapogatás folyamán, ami jelentősen korlátozza a sávszélességet. Csak ezután végzik el a keverést a tárolt töltéssel, amely a letapogatási mintát képezi. Ez a technika nagyon érzékeny a háttérfényre, és csak nagy intenzitású megvilágítás esetén vagy háttérfény nélküli laboratóriumi körülmények között működik,

Célunk a találmánnyal eqy olyan eljárás és berendezés létrehozása fényhullám, fázis- és/vagy amplitűdóínformáciöinak meghatározására, amely egy egyszerűbb, szélesebb sávú és kevésbé költséges korreiátor-koncepciőt és * ♦ A háromdimenziós vizsgálatot tesz lehetővé előre meghatározható megvilágítással,.

úgy oldjuk meg, hogy elektromágneses hullámot sugárzunk egv legalább eov pixellel rendelkező,dgtonikai hevegoelesd .1 m felületére, ahol a pt'xel legalább fcéth/íehyérzétény mocu^uf / y j/

.....iálő főt okaput és ezekhez tartozó gyűjfőkaput tartalmaz?

a moduláló fotokapukra moduláló fotokapu-fsszüitségeket kapcsolunk uWt) === Vo+Usdt)· és rfodt} - bm-U/t) alakban; a gyűl főkapukra legalább akkora egyenfeszüitséget kapcsolunk, mint az eiöfeszültség és & moduláló feszültség öszszege; a moduláló f©fokapuk tértöltési zónájában a beeső elektromágneses hullám által gerjesztett főltéshordoxökat egy driftter potenciál-gradiensének tesszük ki a moduláló /

£otokapu-feszaitségek polaritásától függően, és a. megfe- /

lelő gyűjtőkapukhoz terel jük; vés a megfelelő gyüjtőkapukho:

iodrőoott töltéseket elvezetjük.

A találmány szerinti fotonikai keverőelem legalább egy pixelt, legalább két fényérzékeny moduláló főt©kaput, és gyűjtőkapukat tartalmaz, amelyek a moduláló fotokapukhoz vannak hozzárendelve^ 'da-amei-y®k~-a.--tseaac--·@4rektn“

A fotonikai keveröelsmek egydimenziós., kétdimenziós vagy háromdimenziós elrendezést képeznek.

A találmány tárgya berendezés is elektromágneseshullám fázisinformáciőinak meghatározására, amely legalább egy fotonikai keverésiemet, egy moduláló generátort és egy adót tartalmaz, amelynek elektromágneses sugárzó§ sát a moduláló generátorok előre meghatározott módon iritenzitásmodulálják, továbbá egy tárgy által visszavert elektromágneses hullám a fotonikai keverőelem felületére kerül_f és a moduláló generátor olyan moduláló feszültségeket szolgáltat a fotonikai keverőeiemnek, amelyek előre meghatározott .fázishelyzetben vannak az adó által kisugárzott elektromágneses hullám fázisához képest,

A találmány elvileg a moduláló fotokapu-feszültség által előidézett driften és a kisebbségi töitéshordozók szétválasztásán alapszik; a kisebbségi tőltéshordozőfcat a fényhullám kelti legalább két szomszédos fényérzékeny moduláló fotokapu alatti anyagban. Ebben 32 esetben ezek a töitéshordozók a moduláló fotokapukra kapcsolt l^Jt) és uhud tó moduláld fotokapu-feszültségek hatására, a polaritástól vagy fázistól függően, a gyűjkőkapukhoz áramlanak, amelyek előnyösen az ö_a és % egyenfeszültség kétszeresével vannak előfeszítve. Az ü_aa(t| és U_to.{ti moduláló fotokapu-feszültségeket célszerűen komplementer módon alkalmazzuk, és ezeket a feszültségeket előnyösen egy U._g előfeszültség és a tU_;í(ti , ill. moduláló feszültség összegeként állítjuk elő elienütemben. A két moduláló fotokapu együttesen egy célszerűen négyzet alakú felületet alkot. Egy csak két moduláló fotokaouval ellátott pixelt kettős pixelnek is lehet nevezni.

Ez a találmány szerinti elv feltételezi a fotoelektromos kvantumhatást, amit elektromágneses hullámok okoznak. Bár a leírásban mindig fényhullámokat említünk, ezzel nem kívánjuk korlátozni a találmányt.

A tényleges keverési, vagy szorzás! folyamatot a fény által keltett, töltés-hordozóknak a moduláló feszültségtől vagy a fázistól függd áramlása jelenti a moduláld fotokapu jobb vagy bal oldalára. A töltéseknek ezt a mozgását töltésiengésnek (chargs swing} Is nevezzük. Az igy szétválasztott _f és a gyűjtőkapuk alatt összegyűjtött, majd az elektronikus kioivasörendszerre továbbított töltéshordozók közötti töltéskülönbség előre meghatározott idő alatt végzett integrálása megfelel a beeső modulált fényjel burkolója és sz léit; moduláló feszültség közötti korrelációs függvénnyel kapcsolatos mérésnek.

Egyidejűleg azoknak a tö-ltéshordozőknak a töltés-őszszegét, amelyek a gyűjtökapukhoz áramlottak és továbbhaladtak, nem befolyásolja a töltéslengés helyzete, és ez az összeg a pixelek intenzitását vagy szürkésk.ál.a~ árnyalatát jellemzi.

A beeső fényhullám relatív fázisának vagy idő-késésének meghatározásához - amint a fentiekben már leírtuk három paramétert kell mérni, mégpedig az egyenfeszültségű komponenst, a váltakozó komponenst és a relatív fázist, így a foton!kai keverésiem. pixeljét három fényérzékeny moduláló kapuval lehet kialakítani, amelyeket három moduláló fotokapu feszültsége működtet; ezek a feszültségek három különböző fázis-tolással rendelkeznek az adó által kisugárzott fényhullámhoz képest.

Kívánatos azonban meghatározni a vett jel fázisát a fotonikai keverőelem mindegyik pixeljénél az eredő korrelációs amplitúdókból, ezért négy különböző mérést végzünk ♦ * *0 0 * *0

a keverőjel négy különböző fázisánál. Ez túihatározottságot eredményez, aminek következtében lényegesen csökkenthető a zaj .

A pixelenként!, két moduláló foto ka pun alkalmazott •ellenütemü moduláló íotokapu-feszüitségeknek köszönhetően egyszerre két mérési eredményt kapunk az említettek közül, így például nagyi rekven-ciás moduláció- esetén elegendő két, egymáshoz képest 90°-kal eltolt mérést végrehajtani az ü_K:;;t), ill. öíKidt) moduláló fot.ok.apu-feszültségek ü^/lSO és 90^c/270° fázis-különbségénél, a kisugárzott fény fázisához viszonyítva, hogy megkapjuk a szükséges négy különböző mérési eredményt,

Egy különösen előnyös, kiviteli, alaknál egy pixelt alkotó fotonikai keverőelem négy szimmetrikusan elrendezett moduláló főtokaput tartalmaz. Ezek közül a két-két egymással szemben elhelyezett moduláló fotokaput ellenütemű vagy fázisban 18O°-kal eltolt motítlálo fotokspufeszültséggel működtetjük. Ebben az esetben egyidejűleg hajtjuk végre a két 90°-kal eltolt és a kettős pixellel kapcsolatban a fentiekben már leírt mérést, a moduláló fo-tokapu-fessültségek ül/18ö^e és 9Ö^O/27'Ö^:° fáziskülönbsége melleit. Sgy ilyen pixel négyszeres pixelnek is nevezhető.

Ezenkívül az U_aíK(t) és iwít) moduláló fotokapufeszültségek fázistolásának kalibrálásához célszerű az adó által kisugárzott fényhullámok egy részét közvetlenül ráirányítani a fotonikai keverőeiemekből állő elrendezés legalább egy pixelt ere. Az erről a közvetlenül besugár* φ* **♦* * zott pixelről nyert fázis- és aeplltúdöinformáéiók felhasználhatók a kalibráláshoz vagy a fázisfolás beállításához egy előre meghatározott értékre.

Egy aktív céltárgy által kisugárzott fényhullám függetlenül gerjesztett, ismeretlen modulációja esetén viszont, legalább egy foton!kai keveröeiem segítségével, lehetséges a fényhullám nagy felbontású mérése. Ennek érdekében a fotonokéi keverőelemet egy hangolható moduláló generátorral együtt, amely az adó helyén van, fáziszárt hurokba kapcsoljuk. Ezenkívül egy fáziszárt hurok pl, nagyfrekvenciás modulálásra, egy késleltetészárt hurok pedig digitális modulálásra is felhasználható.

Passzív céltárgyak vizsgálatához a kisugárzott fény modulálása, és az d^ít} és moduláló foto kapufeszültségek ennek megfelelő modulálása különböző módokon történhet. Mindenekelőtt lehetséges a folyamatos nagyfrekvenciás modulálás, amely esetben a töltéskülönbségeket és a t01tésösszegeket ismételten olyan időközökben olvassuk ki, amely vísszahatdan befolyásolható a píxelintenzítássai, a fényhullám fázis-· és amplítúdöinformáciöínak kiértékeléséhez.

Előnyösen alkalmazható szaggatott üzemmód impulzus alakú nagyfrekvenciás modulációval és megvllágitással, például úgy, hogy a megviíágitás rövid időre elnyomja a zavaró háttérvilágítást. Ebben az esetben csak a nagyfrekvenciás impulzus folyamán integráljuk, majd értékeljük a fény által keltett töltéseket.

L:.

lö

Elsősorban a visszavert fényhullámok fázis- vagy futásiidő-információinak meghatározásakor, a fázis vagy a futási idő felbontásának növeléséhez, lehetséges a radartechnikából ismert nagyfrekvenciás ímpulzus-kompressziós eljárás alkalmazása, szoros korrelációs függvényekkel. Ebben az esetben célszerűen mind az egyedi fotonikai keverőelem modulálójelét, mind an előre meghatározott fázisban világító adó fényhullámát, és igy a keresett fázissal visszaverődő fényhullámot is, ismételten -zemmögée·\chirp^ modulálja. A ousmÁgomooul sói o alapján, megfelelő módon, egy állítható késleltetés beiktatásával a fotonikai keverőelem moduláló fofokapu-feszüitsége és az adó által kisugárzott fény közé, több céltárgy megkülönböztethető, vagy a megvilágított, területről származó, nehézségeket okozó többszörös reflexiók elnyomhatok.

A. moduláció egy további lehetséges formája az alábbiakban leírt pszeudozaj-moduláció (Ph-moduiácíőj, akár alapsávi, akár nagyfrekvenciás Ph-moduláoiőként. Egy mintavételi eljárás mintavevő-tartó műveletekkel ismétlődő fényjelek esetén a keverés és korreláció speciális esetét képezi, töimpulzusokkal végrehajtva. A találmány szerinti fotonikai keverésiem előnyösen használható ebben az esetben, valamint az .impulzusmoduláció más alkalmazásainál is,

Az Itt említett modulációs fajták önmagukban jól ismertek a szakirodalomból.

A gyűl tűkapukhoz áramlott töltések további feldolgozása különböző módokon történhet. Egyrészt a fotonikai ·** * V ♦ ♦ * ♦ * 4 0 * X 0X0 .- i ; : :

» · 4·0 4t X 0 »0, 0* keverőelent GCD-technoIógiával alakítható ki, amely esetben a töltések gyűjtése és integrálása a gyüjtőkapuk alatt megy végbe, majd a töltések ismert módén a CCD.....

kiolvasó áramkörre kerülnek, például egy háromfázisű léptetés! ciklusban, és a kiolvasás p~ vagy n-díffűziós réteggel történik.

Másrészt a fctoníkai keverőelem CMOS-technológiával (CMOS: corap lemen tar y metál-oxi d semiconduetor, komplementer tém-oxid-félvezető) is megvalósítható egy aktív pixele lemként pixelspecifikus: elektronikus kiolvasó- és ieisiöfeldolgozó rendszerrel. Ebben az esetben, a CCDtechnikában szokásos kiolvasó áramkör két oldalon közvetlenül a moduláló fotokapun van elhelyezve.. A G_a és Gt gyűjtőkapuk előnyösen letért kiskapacitású p.n-diódák, amelyek a fény által keltett töltéseket előnyösen közvetlenül az elektródákon át az elektronikus pixelkiolvasóé.s jeieiőfeidolgoző rendszerre továbbítják tárolás és feldolgozás céljából,

Az utóbbi esetben a töltéslengés két töltéskomponensét folyamatosan kiolvassuk, és ezeket gyakorlatilag vísszahutásmentesen eltárolhatjuk - például egy töltéserősítőn. át - a jelűt további részén elhelyezett kondenzátorban .

technika állásából ismeretes, hogy minden aj mérési művelet előtt a feltöltött kondenzátorokat elektronikus rését kapcsolók segítségével kisütik, és az. alapállapotban mért hibafeszüitségekkel korrigálják a tényleges mérési értékeket. Ennek a pixelenként! visszahatásmentes y

* * kiolvasási eljárásnak az az előnye, hogy a CCD-technológiát alkalmazó meg valósit és-hoz képest lényegesen javítható a fox őrá kai keverőelem. teljes dinamikája, és ezáltal az egész mérési eljárás.

Egy további előnyös kiviteli alaknál közvetlenül számítjuk a fázis- és amplitűdőinformációkat egy elektronikus píxelkiolvasó-- és jeleiét eldolgozó rendszerben, célszerűen a chipen végrehajtott íon-chip; Integrálással, Egy ilyen alkaimszásorientált optceiekfrónikai chip íASOCk applicatior-spaeific opto-electronic chip; vagy aktív pixelérzékelő (APS: actíve pixel sensor) javítja a mérési sebességet, és lehetővé teszi s fázis és/vagy amplitúdó· pixelenkénti előfeldolgozását.

A találmány egyik fontos előnye az, hogy a moduláció egyidejűleg történik a töltések létrehozásával ás szétválasztásával, Más szavakkal, a detektálás és keverés egyidejűleg történik., zajt vagy sávszélesség-korlátozást okozó további közbenső lépések nélkül, Ez kiküszöböli az ismert megoldásoknál előforduló időeltolódás! hibákat, viszont a detektálástól időben és térben elkülönülő töltésmodulációs ás integrálási műveletek szükségszerűen megmaradnak, és elnyomásuk nem is szükséges,

A találmány egy további előnye az, hogy magas a fotonlkaí keverőelem határfrekvenciaja, Az ellenütemű moduláló feszültséggel létrehozott töltésáramlás határfrekvenciája a maximális áramlási távolság, azaz a moduláló fotokapuk összegzett hosszúsága tekintetében összemérhető a megfelelő MOS-trsnzisztorok (MOS: metai-oxid

s-emí con dúc tor, fém-oxid-félvezető: határtrekvenoiájével, tehát eléri a gigahertzes tartományt- Ezenkívül a nehézségeket okozó kétes mődusü jeleket elnyomjuk a tőltéshordo2Ők antiszimmetrikus szétválasztásával és a különbségképzéssel. A töltésküiönbségben minden olyan interferenciajel el van nyomva, amely nem korrelál a modulálójellel, így például a háttérvilágítás, és ennek következtében jó a jel-zaj viszony. Emellett csak csekély időbeli eltolódás van, mivel ugyanazon a chipen kombináljuk a detektálást, a keverést és a töltéshordozök integrálását_f valamint a különbségképzést. Gyakorlatiiag az összes mérési funkció végrehajtható egyetlen félvezető eszközön.

A DS 44392S8 Al sz. iratban leírt ismert megoldással szemben, ahol modulátorokként Eockel-celiákat alkalmaznak, 1 V nagyságrendű, alacsony moduláló feszültségek szükségesek az 1000 V-os tartományba eső feszültségek helyett. Ezenkívül a fotonikaí keveröalemek találmány szerinti kétdimenziós elrendezése a vevőoldalon nagy apertúrát biztosít.

További előnyt jelent az, hogy nincs szükség koherens vagy polarizált fényre a fázis- és/vagy amplítúdoinformáciök meghatározásához. Ennek következtében a beeső fény további specifikus tulajdonságait ~ például a fény polarizáció-ját vagy hullámhosszát - is ki lehet használni szelektív szűrőkkel. Az elrendezés ezenkívül nagy érzékenységet és nagy jel-zaj viszonyt is biztosit, mivel nem. tartalmazza az Ismert megoldásoknál használt elektronikus keveréket és szélessávú fotodetekter-erősítőket.

« « « »

A vizsgáit fényhullámok spektráiís -optikai sávszélességét a fctokapuk alatti, tértöltésí zónában, alkalmazott. anyag spektráiís fényérzékenysége határozza meg, igy például szilícium esetén a hullámhossztartomány kb. 0,31,1¼¾ InGaAs esetén kb. -ö, 8-1, S/s», és InSb esetén kb. 1-5,5 f

A fotonikai keverőelemek bármilyen nulla.-, egy- vagy kétdimenziós elrendezésben elhelyezhetők, és igy a különböző geometriai kialakítások széles skálája lehetséges. Több százezer fotonikai keverőelem működtethető-párhuzamosan például 10-1000 Hüz modulációs sávszélességgel, úgyhogy rendkívül gyorsan elkészíthető egy háromdimenziós .felvétel, az egyes pixelek távolságinformációinak meghatározásával. A j (x, y) fáziskép vagy - modulált megvilágítás- esetén - a távolságkép vagy mélységkép az R(x, y) rádiuszvektorral vagy a háromdimenziós pixelre vonatkozó vo-xeltávolsággal pixelenként meghatározható a gyűjtőkapukra áramló és kiolvasott töltések különbsége alapján. A megfelelő töltésösszegek adják meg a pixel -szokásos A(x, y) szürkeszínt jst» A kettő- kombinálásával kapjuk meg az Afx, y, zj skálázott szűr ke képet vagy a háromdimenziós képet.

A háromdimenziós kép ismétlési gyakorisága a körülbelül lö Kz-tő-l 1000 űz fölé terjedő tartományba esik, és a felhasznált fotonikai keverőelemek számától és a fényintenzitás szintjétől függ. További színes szűrőkkel megkaphatjuk az R(x, y) rádiuszvektorral jellemzett távol♦♦ ♦ * ságkép szokásos színkomponenseit, a piros (x, y), zöld '(x, y) és kék (x, y) értékeket.

A keverésnek és a töltéshordozók integrálásának egyesítése szintén hozzájárul a fotonikai keverőelem egyszerű szerkezetéhez< Végül nem merülnek fel külön költségek a vételi csatornában, mivel egy hagyományos optikai képalkotó rendszer elegendő a beeső·, esetleg visszavert fényhullám leképezéséhez, ha egy egy- vagy kétdimenziós tárgyat, és nem csak egy pontot, kell. regisztrálni, A mérőberendezés rugalmasan hozzáigazítható a különböző háromdimenziós céltárgyakhoz az. optikai, adó- és vevörendszer szinkron zoomja segítségével.

A találmány szerinti eljárás és a megfelelő keverőelem vagy keveröeiem-elrendezes használatakor kívánatos, hogy a pixel fázisát vagy futási idejét és a pixel fényességét közvet lenül, megállapítsuk egy aktív pixelétzékelővel (APS), majd szelektíven vagy sorosan kiolvassuk βί előnyösen egy multiplex--sv'éTktrz'éi segítségével, amely ugyanazon a ehipen van elhelyezve (on-chip multiplex structure) . St növeli a feldolgozási sebességet,· és csökkenti a szükséges alkatrészek számát.

Ha a pixelek fényességet a gyűjtőkapuk töltésösszegeként értékeljük ki szürkeszintekből álló képként, a találmány egy különösen előnyös kiviteli alakjánál,· háttérvilágítás esetén, azaz amikor modulálatlan fény is jelen van a modulált megvilágítás mellett, számítással kiég:tjük a gyűjtőkapukon, a háttérviiágitás miatt keletkező töltéseket, mégpedig úgy, hogy egyrészt a bekapcsolt modulált « ·.» fénnyel történő megvilágítás mellett, és másrészt a modulált fény nélküli, arat a modulált fényforrás kikapcsolása utáni megvilágítás mellett kapott szürkeképek különbségét képezzük. Ez az alapvilágosság, vagy a gyűjfőkapukon felhalmozódó töltéseknek ez az alapmennyisége nejt tartalmaz korrelációs információt, úgyhogy az aktuális korrelációs információ világosabban jelenik meg az alapmennyiség kivonása után.

Amint már említettük, a keveroeiemek akár lineáris, akér felületi, akár térbeli elrendezésben használhatók. Ebben az összefüggésben a ”lineáris” elrendezés nemcsak egy egyenes vonal mentén egymás mellett vagy egymás után elhelyezett kevercelemeket jelent, hanem általánosságban egy akár egyenes, akár görbe vonal mentén elrendezett keveröeiemeket„ A felületi elrendezés sem csak azt jelenti, hogy a keverőelemek síkbeli elrendezése egy ortogonális mátrixot alkot, bár ez gyakorlati okokból előnyös lehet, hanem, a keveroeiemek elvileg bármilyen, kívánt mintának megfelelően elhelyezhetők, akár egy görbült felületen, például egy gömbhéj belső felületén is. Bizonyos alkalmazásokhoz célszerű lehet a keveroeiemek elhelyezése több felületen, például két egymással szöget bezáró: felületen, Ezeket az elrendezéseket térbeli” elrendezéseknek nevezzük,

A sok, akár több száz vagy több ezer keveröeiemet tartalmazó elrendezéseknél előnyös és kívánatos a találmány szerinti eljárást ügy végrehajtani, hogy a pixelek vagy keverőelemek legalább egyikét közvetlenül sugározzuk *> * χ <·Λ 4 * * ♦ * X X * X 9 * * ♦ 4 # 9 * * * 9 4 4 ♦ « « φ * > 9 « φφ 4φ„ be a megvilágításra szolgáló intenzitásmodulált elektromágneses hullám egy részével, és az így kapott eredményt az említett legalább egy pixelnél a többi fázis- és világosságé redmény kalibrálására használjuk fel. Célszerűen a referenciapixelt szelektíven különböző intenzitásszíntekkel rendelkező adóval sugározzuk be, vagy abban az esetben, amikor több referencíapíxeit alkalmazunk, minden egyes pixelt különböző intenzitásszinttel világítunk meg. Ez lehetővé teszi a mérési jelek nagy dinamikus tartományából adódó esetleges hibák kiküszöbölését.

A fentiekben leirt egy- vagy többdimenziós keverőelem-elrendezés esetén célszerű, ha a pixelek szilícium hordozón MOg,-technológiával vannak kialakítva, és egy multiplex^' előnyösen CCD-szerkezetbeöt olvashatók ki.

A találmány szerinti keverőelemek kiválóan alkalmasak digitális fényképezőgépekhez vagy videokamerákhoz. Ehhez csak az szükséges, hogy egy megfelelő keveröelemeirendezést alakítsunk ki (például ortogonális mátrixként) integrált vevőoptlkával, elektronikus kiértékelőrendszerrel és jelfeldolgozással a különböző jelek, az összegjelek és a hozzájuk tartozó referenciajelek számára, valamint egy digitális memóriával a kiszámított szürkeképhez, és a futásiidő- vagy távolságképhez. Az elrendezés egy megfelelő adót vagy fényforrást is tartalmaz, amely modulált elektromágneses hullámokkal vagy modulált fénnyel sugároz be egy háromdimenziós céltárgyat, valamint a vevöoptikához illeszthető adóoptikát tartalmaz, továbbá az összes említett alkotórész egy digitális kame» ♦

IS ráfc képező kompakt egységgé van kombinálva. Ebben az őszszéfüggésben egy digitális fényképezőgép és egy digitális videokamera között lényegében csak az δ különbséghogy egy videokamerával viszonylag sok képet kell felvenni és tárolni ennek megfelelően rövid időközökben, és ezért a kamerának ezek tárolására és a megfelelő képsorozatok reprodukálására alkalmas eszközöket kell tartalmaznia.

A különböző alkalmazásoknál a tárgy megvilágítására a spektrum különböző tartományaiba eső modulált lény használható, úgyhogy az ezen a módon kapott képek színkomponensei felhasználhatok teljes színes képek előállítására és rekonstruálására, amelyek természetesen rendelkeznek az egyidejűleg szolgáltatott térbeli mélységi információkkal .

Nagyobb sávszélességhez és például jobb él.detektá1 ás,hoz célszerű mikrolencsés optikai rendszert használni, ahol minden egyes keverő elemhez vagy pixelhez egy mikrolencsés optikai rendszer van társítva, amely a beeső fényt a pixel központi részére korlátozza, úgyhogy gyakorlatilag megszűnnek a moduláló kapukon az ideális potenciálképtől való eltérések, amelyek egyébként főként a fényérzékeny felületek széleinél lépnek fel, Ezenkívül a mikrolencsés optikai rendszer által végzett - fókuszon kívüli - képalkotás a kaverőelemek detektorsíkjában biztosíthatja azt, hogy az élek leképezése, ami véletlenszerű a két pixel fél közötti központi részen, a gyűjtőkapukon nem eredményez különbségi töltéseket, amelyek körre* X

ί.

ládának vagy hamis mélységi információknak felelnének.

meg.

A foton!kai keverőelemekat tartalmazó találmány szerinti elrendezések nagyon előnyösen alkalmazhatók a szóban forgó elrendezés látóterében leve adott egy-, kétvagy háromdimenziós tárgyak detektálására vagy esetleg nyomon követésére, a keresett és esetleg követett tárgy mélységi vagy távolsági információin kívüli szempontok szerint is.

A modulálójelek X, Y koordinátáinál és a T időnél az amplitúdók és az eltolódás szelektív meghatározása ΔΧ,

ÁY, ÁT alakjában (ahol X és Y két lineárisan független koordináta, amelyek egy keverőelem-mátrix síkjában helyezkednek el, és a T idő jelenti a moduláló jelek futási idejének késését) lehetővé teszi háromdimenziós korreláció- alkalmazását egy adott háromdimenziós tárgy keresésénél, detektálásánál és esetleg nyomon követésénél,

A találmány szerinti fotonikaí keverőelem széles körben alkalmazható az optikai adatátvitel területén is. Itt egyszerűen a találmány szerinti keverőelemet használjuk egy szokásos optikai jelvevő fotodiódája helyett, esetleg jelregenerálásra is, ahol a modulálójel alakja optimálisan illesztve van a jelalakhoz, és a raoduláiójei fázisa szintén optimálisan illesztve van egy fáziszárt hurokban a vett jel fázis-helyzetéhez. Más szavakkal, az órajelet magából a jelből nyerjük, és a vett jel -optimális súlyozására használjuk., és ezáltal a jelet optimálisan elválasztjuk a zavaró, zajos háttértől.. Ezen a. módon

2ö az optikai, adatátvitel érzékenysége és pontossága jelentősen javul a hagyományos fotodiódákkal végzett adatátvitelhez képest, különösen előnyös, hogy ennek következtében hosszabbak lehetnek a közbenső erősítés nélküli optikai átviteli szakaszok, és nagyobb lehet a párhuzamos kommunikációs csatornái száma idő-,· frekvencia··· és kődmultiplex üzemmódban.

Végül, a találmány szerinti fotonika.1 keverőelem. előnyösen használható például optikai helymeghatározó rendszerekben is, ahol az elvi működés hasonló sz. ismert <3PSrendszer működéséhez, amely kodéit jeleket sugárzó műholdas adók segítségével nagyon pontos helymeghatározást tesz lehetővé. Egy ennek megfelelő optikai helymeghatározó rendszerben a GPS-rendszerből ismert műholdas adót ogy széles iránykaxokterisztíkávai sugárzó', modulált fényforrás helyettesíti, amely a céltárgyhoz közelebb van elhelyezve, és például, lézer-diódákat és egy optikai szórórendszert tartalmaz, míg a vevő a tárgyon elhelyezett egy vagy több keverőelem, előnyösen keveröelemek sokasága, amelyek különböze irányokba vannak beállítva, hogy érzékeljék a különböző pontokon állandó jelleggel elhelyezett, különbözően modulált fényforrásokból származó jeleket. Ebben az esetben a kódolt moduláció lehetővé teszi az állandó fényforrások és a meghatározandó helyzetű tárgy egyértelmű egymáshoz rendelését, valamint, a megfelelő futási időket, amelyek alapján meghatározható a helyzet

Egy további alkalmazási lehetőség a demultiplexerként történő használat optikai adatátvitelhez. A speciális moduláció alakjában történő kódolás és a hozzá tartozó korreláció a fotonikai keverőelem segítségével lehetővé teszi a különböző csatornák egyértelmű azonosítását.

A találmány szerinti fotonikai keverőelemek nagy fázisérzékenysége előnyösen kihasználható a Sagnac-hatás mérésénél, azaz a fényhullámok futási idejének és fázistolásának mérésénél forgó referenciarendszerekben. Erre a célra modulált: fényt csatolunk be egy optikai szálba, amelyből célszerűen egy többmenetes: tekercs van kialakítva, és amelynek kimenete megvilágítja a találmány szerinti keveröelemek egyikét. Ennek a keverőeiemnek a moduláló kapui ugyanazzal a frekvenciával vannak modulálva, mint a becsatolt fényhullámok, úgyhogy a korrelációs eredmény a keverőelemen kialakult töltéseloszlás alakjában a pillanatnyi frekvenciát vagy fázistolást adja meg,

A referenciarendszer mindegyik fordulata folyamán, amely rendszerben a forgástengely nincs az optikai szál vagy optikai hullámvezető meneteinek síkjában, a frekvencia és a futási idd, és így a fázisheiyzet is változik, amit a keveröeiem automatikusan detektál. Ezzel kapcsolatban megjegyezzük, hogy - a keverőeleimsei - a Sagnac-hatáson alapuló, optikai szálas, giroszkópos tájolörendsserek inkoherens fénnyel valósíthatók meg, ami nem okoz semmi problémát a hosszú távú stabilitás szempontjából, mivel teljesen kiküszöböljük az ismert megoldásoknál megtalálható hibaforrásokat, azaz az optikai detektor után el heu.

φ.

lyezett nagyfrekvenciás erősítőt és az elektronikus keveset .

Az ezzel a rendszerrel végezhető abszolút irányított mérés mellett mozgó tárgy sebessége is mérhető a találmány szerinti keverőelem. segítségével, például olymódon, hogy a fényhullámok egy részét az optikai hullámvezetőbe történő bevezetés előtt egy sugárosztóval leválasztjuk, és egy álló tárgyra irányítjuk, az onnan visszavert fényt egy keverőelemet tartalmazó vevővel felfogjuk, és önmagában ismert módon, jelen esetben a Doppler-hatásból következő frekvenciáéi tolódás -alapján kiértékeljük.

Egy vonal menti kép vagy mátrixkép kiegészítő mélységi információinak jelentésétől és jelentőségétől függően adott számú keveröelem integrálható a megfelelő technológiával egy CCD-, CMOS- vagy TEA (thín film on ASTC)képérzékelőben,

Ezenkívül, egy találmány szerinti háromdimenziós sor- vagy mátríxkamera. használatakor célszerű lehet még egy szokásos kétdimenziós kamera használata is, amikor előnyösen egy sugárosztóval választjuk ki a spektrumból egyrészt az aktív modulált megvilágító komponenst, és tápláljuk be -a háromdimenziós kamerába, ül. másrészt a moduiáiatlan megvilágító komponenst.

Azokban az esetekben, amikor a keverőeiemeket háromdimenziós méréshez vagy figyeléshez használjuk, és a nagy távolság miatt a modulált fény túlságosan gyenge, legalább két háromdimenziós sor- vagy mátríxkamera kombinációja alkalmazható; ilyenkor a találmány szerinti mérést φ φ* .i.

vagy figyelést e közeli tartományban a futási idő alapján végezzük, a távoli tartományban pedig háromszögeléssel, többek között a meglevő náttérvilágitás segítségévei.

Ebben az esetben a közeli tartományban a mélységit©rést a fentiekben leírt módon hajtjuk végre, párhuzamosan legalább két kamerával.

A távoli tartományban végzett mélységméréshez a kamerák optikai tengelyeit, amelyek egy PMD-chíp (photonio mixer devíoe, fotonlkai keveröeiem) középpontján mennek át, a mérendő térrészben egy közös metszéspontra irányítjuk, például a PMD-chip eltolásával vízszintes vagy függőleges irányban és a EMD-chip térközeihez képest, egyidejűleg az említett távolságra fókuszálva a kamerák optikai rendszereit. Megfelelő előzetes beállítással a pixelek világossági értékei egybeessek ebben a legnagyobb méi.ységélességü térrész b e n.

Az ebben a térrészben levő tárgyak detektálásához és azonosításához, a pixslamplitúdők megfelelése (korrespondaneiája) esetén, a keverőelemek összegzett képét egy rövid DC moduláló feszültség segítségévei hozzáadjuk a beállított távolsági adatokhoz tartozó és kiértékelt különbségi képhez, mig a meg nem felelő píxelampiitűdőkat eltávolítjuk a különbségi képben egy nullára beállított v_sa ~ Usk - 0 moduláló feszültséggel.

Ezen a módon, a szögheiyzet letapogatásával, a háromdimenziós tárgy a modulált adó megvilágítási körzetén kívül is mérhető és figyelhető, amikor a szükséges szögeket a EMD-ohipek megfelelő eltolásával és az egyes ··♦·* hl

2:4 sztereó-kamerák forgatásával és/vagy az egész elrendezés elfordításával állítjuk be.

A sok lehetséges alkalmazás közül Itt csak néhányat írunk le részben részletesen, részben csak egészen rövidest a lehetséges alkalmazásokat a teljesség igénye nélkül az alábbiakban felsoroljuk, de ezek további leírása meghaladná az itt rendelkezésre álló kereteket.

A fontosabb alkalmazási területek tehát a követkeDigitális háromdimenziós fényképezőgép Digitális háromdimenziós videokamera Veszélyes területek figyelése Biztonságtechnika és intelligens épületek” Utasérzékelés és -azonosítás gépjárművekben, intelligens légzsák”

Elektronikus háromdlmeη z1ós visszapillantótükör

Közúti forgalom figyelése

Autonóm, j árraűnavígálás inkoherens optikai szálas giroszkópon és D opp1er-elvű sebességmérés Autonóm szállítójárművek ellenőrzése ipari takarítorobotok Személyazonosítás, belépési/hozzáférési jogosultság ellenőrzése

Termeléseilenőrzés, anyagvizsgálat, 100 %-os minőségvizsgálat

Elektronikus SD-szem robotkarhoz *♦ .1*

Járművek sebességének és távolságának mérése, utak állapotának érzékelése, forgalmi torlódások észlelése •Jelzésadás, vasúti felsővezeték ellenőrzése Orvosi műszerek, endoszkópra CDMA-technika {code-diVision rn.ult.iple acces, kódosztásom többszörös hozzáférés·)' vezetékes vagy vezeték nélküli optikai távközléshez Interaktív 3D-kommunikáció például multimédiaalkalmazásoknál, és

Mozgó tárgyak 3D~mérése keverőelemek sorozatával.

Ebben az összefüggésben a találmány szerinti fotonikai keveröelemek ÍPMD) következő előnyeit hangsúlyozzuk:

1. A PHD nagyon kis, 1/100 - 1/lQOö moh felületen egyesíti a detektálást, ellenütemű keverést és integrálást ==> elektrooptikai korreláció.

2. 2-szeres/4-szeres PMD; 2 vagy 4 költséges szélessávú, nagy dinamikájú és nagy államőőságú csoportúutász idővel rendelkező erősítőt, 111. 2 vagy 4 elektronikus keverőt helyettesit.

3. Megszűnik az. adó és a vevő között a nagy elektron ikas áthallási érzékenység,

4. Nagyfokú integrálhatóság kb. IQQOOQ párhuzamos elektrooptikai modulátorral.

5. Egy PKD--3D foto- vagy videokamera teljesen integrálható, kicsi, könnyű, robosztus és rugalmasan alkar:

φ (»

i.

,

-Κ mázható optikai zooTC-rendszerrei fényadóhoz és fényvevőhöz, A mérések kb, 20 cm - 50 m távolságban végezhetők kb, 5°~ 50^e' nyílásszögűéi.

6, Különlegesen gyors iD-keprogcités a 10 Hz 1000 fíz-es tartományban. Az érzékenység és a jel-zaj viszony megfelel a mai üCD- és üféCS-kam.erskénak.

7, A várható mélységi felbontás 0,5 mm - 50 s», a mérési időtől, a megvilágítás intenzitásától, a használt optikától és a távolságtól függően.

3. A maximális sávszélesség a pixelmérettől függően a GHz-es tartományig terjed.

9. A moduláló feszültségek 1 V-nái kisebbek, lö, Kern szükséges koherens, polarizált vagy keskenysávú fény, es a spektrális tartomány a fényérzékeny anyagtól függ (például TnSb esetén 5,5 jAím-ig),

11. A háromdimenziós mélységi kép és a kétdimenziós szürkekép egyidejű rögzítés·® adategyesitéssel lehetővé teszi a háromdimenziós szürkekép (vagy háromdimenziós színes kép) optimalizált kiértékelését.

12, A kiolvasó áramkör a Ti integrálási idő íntenzitásfügcö változtatásával lehetővé teszi a dinamika 3 bites (256-szoros) növelését,

A találmányt a továbbiakban kiviteli példák és rajzok alapján részletesen ismertetjük. A rajzokon az la. ábra: egy CCD-technológiával készült, találmány szerinti fotonikai keveröeiam első kiviteli alakjánál egy pixel keresztmetszete, az .s.

Ib-lf, ábrák: a? Usttj potencíáleloszlás a két kompi eme ns V_a;f!(t) és lkait; moduláló fotokapu-feszüitség különbőzé fázisaihoz vagy időpontjaihoz, a

2. ábra: két lineárisan elhelyezett, CCu-teohnolőpiával készült pixel tömbvázlata egy sorok közötti átvitelt olvasó eszközzel, a

3. ábra: a beeső fény intenzitáseicszíssát és az ü_Si,_p(t) , ü_a|t}, lk;bt;_f IWÍt) és Ibit) feszültségek perenciálmintáit szemléltető diagram nagyfrekvenciás moduláció esetén,

4.. ábra: a fotonikaí keverőelem keverési és korrelációs eredményének karakterisztikáit bemutató diagram a fény által keltett töltéshordozők átlagolt í_a és i_fc áramaival, amelyek a gyüjfőkapukhoz folynak nagyfrekvenciás moduláció esetén a relatív fázistól vagy futási időtől függően, az

5. ábra: PN-moduláció diagramja, ahol a) a modulálójel, b) a keverési és korrelációs eredmény karakterisztikái egy kettős pixelhez (csak i_a és i_fe? és egy négyszeres pixelhez í_c-vsl és i^-vei, amikor a harmadik és negyedik kapu modulálójele késleltetve van, és o) a távolság értékeléséhez szükséges

Δ i_ab + Δ i_cá « i_a - i_b f ( ic- iá ) és

Δ í_áh - Δ i_C3 “ i_á - it - ( ic- id 5 különbségi értékek, a

6a. ábra: egy CCD-technolőgiával készült, találmány szerinti fotonikaí keverőelem: második kiviteli alakjánál egy pixel keresztmetszete egy középső Go moduláló fotokapuval, a

2S

Sb. és 6 c. ábra: a moduláló fotokapuk és a gyüjtőkapuk alatti poteneiálelosziás pozitív, ill. negatív tg (ej moduláló feszültségnél, a

7a, ábra; egy találmány szerinti fotonikai keverdelem harmadik kiviteli alakjánál egy pixel keresztmetszete, a

7b~7f .. ábrák; a poteneíáielosslás a különböző fázisokhoz az Ib-lf. ábrákhoz hasonlóan, a

8. ábra: a találmány szerinti fotonikai keverőelem negyedik kiviteli alakjánál egy négyszeres pixel felülnézeke négy moduláló fotokapuval és négy gyűjtőkapuval, a

9. ábra: a találmány szerinti fotonikai keverőelem ötödik kiviteli alakjánál egy pixel felűlnézete négy moduláló fotokspuvai, négy gyűjfőkapuval és egy központi helyzetű, szimmetrikus középső Go moduláló fotokapuval, a

10. ábra: fényhullám fázis- és amplitúdóinformációinak meghatározására szolgáló ismert berendezés vázlata, a

11. ábra: fényhullám fázis- és ampiitödöinformációínak meghatározására szolgáló találmány szerinti berendezés vázlata nagyfrekvsnoiás modulációhoz, a

12. ábra: fényhullám fázis- és ampiitúdóínformációinak méghatarozására szolgáló találmány szerinti berendezés vázlata például Ph-modulácíóhoz vagy négyszögmoöuláo1őho z, a

13a > ábra; a taiá.imány szerinti fotonikai keverőelem hatodik kiviteli alakjánál egy pixel keresztmetszete elektronikus pixelkioivaső- és eiőfeldolgozó rendszerrel, CBŐS-technolőgía alkalmazásával, a »:

b, és 13c. ábra: a 6. ábrához hasonló póténeié1elcszlás a moduláló fotokapu-fesztltség két fázisához vagy polaritásához, és a

14. ábra: a találmány szerinti fotonékai keverőelem hatodik kiviteli alakjánál egy pixel felülnézete négy moduláló fotokapuval, négy gyujfőkapuval és egy kereszt alakú középső Go moduláló fotokapuval, elsősorban digitá1i s mód u1á c ióhoz.

Az la. ábrán egy például CCD-tsohnoiógiávai készült, találmány szerinti fotonlkaí keverőelem első kiviteli alakjánál egy 1 pixel keresztmetszete látható. Ebben az esetben a fotonikai keverőelem· az 1 pixelen kívül tartalmazza még a feszültségeilátáshoz és a jel elvezetéséhez szükséges eszközöket is, A külső G_set. kapuk feladata csak az, hogy a szomszédos struktúrák felé határolják az 1 pixelt .

Az 1. ábra szerinti elrendezés egy p típusú szilíciumból készült 2 hordozón van kialakítva, A javasolt keverési vagy szorzás! műveletet először tiszta Ch fcontínuous wave, folytonos hullámú; nagyfrekvenciás modulációnál vizsgáljuk.

A keresztmetszetnek megfelelően az ib-lf. ábrák az dg potenciáieiosziásf mutatják a keverési folyamat különböző fázisaiban, A középső G_aw. és G^ moduláló fotokapuk képezik a fényérzékeny részt, és inverzió» állapotban vannak, .A vezetőképes vagy optikailag részben átlátszó, például políszilieiumból álló fedőrétegre kapcsolt pozi♦ X tív üo elöf eszült ség mellett a rászuperponált el len ütemű ÍVCt) moduláló feszültségekkel működtetjük «z említett kapukat. Így et Wt? - üW(t) és Wt; - {t5 moduláló fotokapu-feszüitségeket kapjuk.

A beeső fény fotonjai által létrehozott kisebbségi tö-itéshordozók megsokszorozódva elkülönülnek a tértöltési zónában, közvetlenül a például, szíiicium-oxidból vagy sziliciuin-ni trióból készült 3 szigetelőréteg alatt. Ezek a töltéshordozók {példánkban elektronok) a moduláló ellenütemü feszültség hatására a közeli pozitív G_a vagy G_b gyűjtökapura áramlanak, és ott integrálódnak, míg a többségi töltéshordozók vagy lyukak a p-Si hordozó földelt csatlakozójához folynak. Hátsó megvilágítás is lehetséges .

A 2. ábra a találmány szerinti fotonikai keverőelem két 1 pixeljének felülnézetét mutatja egy .háromfázisú CCD-iéptetőregíszterként kialakított ? átvitelolvasó eszközzel, amelynek egyik végénél, van elhelyezve az elektronikus kiolvasó rendszer egy diffúziós átmenettel a korrelációval. kapott töltésértékek soros feldolgozásához, Az összes töltésgyajtő kapura előre megadható T töltésgyüjtési Idő után, például az n-edik pixelnél a G_s és G_b gyűl tőkapuk alatt a q₃ és g_}> töltések a megf elelő TG_a és TGi> átviteli kapukon át a háromfázisú kiolvasó léptetőregiszterre kerülnek, A pixelt határoló G_sep kapuk védik a korrelációs pixelt a nemkívánatos külső hatásoktól, és előnyösen földpotenni álra vannak kapcsolva.

*

A 3. ábrán az 1. ábrához tartozó feszültségek láthatok, A G_fl„. és S_fcn, moduláló fotokapukat a 3. ábra szerinti moduláló fotokapu-feszüitségek működtetik; ezek elienfázísú, nagyfrekvenciás moduláld feszültségek, amelyek' a következő függvényekkel irhatők le;

<-'_a„-._: ό.^-^Ό,,,ΟΟΟ ÓV;V ? -í- a ) és dbíí, ~ U 0 +UjrC o s (£ö_wt -13 0 ’; - üc - Ige os (m»t) (1 fcd

Áz ib-lf, ábrákon jól látható az U₃(s) potenciáleloszlás a tértöltési zónában egy 1 pixel s térbeli kiterjedése mentén, a pixel összes kapujához, a nagyfrekvenciás moduláló jel T_;a periódusideje folyamán a to~-t₃ időpontokban. A G_í; és G_b gyűjtőkapuknál egy viszonylag nagy pozitív feszültség gondoskodik a fény által keltett töltés-hordozók összegyűjtéséről, miután ezek nagy többsége az 1, ábrán keresztmetszetben feltüntetett 1 pixel bal vagy jobb oldala felé áramlott, az ü^tti és U^ít) moduláló fotokapu-feszültségek polaritásának megfelelően, Ez különösen jelentős akkor, amikor a fénymoduiácíőnak ugyanaz a frekvenciája, mint az ü^lt) moduláló fotokapufeszültségnek. Ekkor a φ_ορ+ fázistól függően a tőltéshordozők áramlásának van egy fő iránya a Ga és Gr_: gyüj tokapúk felé. Az ezeknek megfelelő átlagolt áramok az i_a és áramok,

A korrelációs eljárás matematikailag a következőképpen írható le: A fotonikaí keverőelemek legáltalánosabb kétdimenziós elrendezésénél e vételi síkban z « 0, és ott a beeső fényhullám általánosan a P_optíx, y, t-τ) függvénynyél írható le, Jelen esetben, amikor a fény által gerjesztett töitéshordozdkat az ellenütemű jellel moduláljuk, a függvény általános alakja y, ti, és közelítőleg multiplikativ és integratív kapcsolat van a két gyűjfőkapun felhalmozódó töltések különbségével. A megfelelő qtífiY,s-opt i x_f y, t) korrelációs függvényt például a G_a és a G't, gyű j főkapukhoz áramló töltéshordozók mindegyik átlagolt Áq_aS/T - Δ 1=^ = i_a - 1& {ahol T az integrálási idői különbségére felírjuk, a legáltalánosabb esetben, a hely függvényében, háromszoros konvencióként:

(x,y,d -in. 1_::: :-x, -y,-h ***P^:opxíx, y, d ~k₂-Δ í_sbίχ,ν,τ) í2} ahol τ - öopt/öks a futási idd különbsége, a moduláló szögfrekvencia, továbbá ki és kr konstansok, amelyek a szerkezettől függenek, de a működési elv szempontjából lényegtelenek.

A találmány szerinti fotonlkai keverőeiem ezt a célt nagy térdeli és időbeli felbontással éri ei, a fotoelefctronok töltésszáiiitásának gyors szétválasztásával, elienütemü tárolásával, valamint a különbség és összeg értékelésével, Az átlagolt, nem stabil fényhullámok esetén időfüggő AíebítS ~ i_a(t·- ijbt} driftáramok különbségének képzése következtében megszűnnek a zavaró ofszet komponensek, és egyidejűleg megkapjuk a fényjel korrelációs függvényét az U_w{t} moduláló feszültséggel.

* V ♦

Ezt as eljárást a továbbiakban részletesen leírjuk. Az bisjsít; és U^ír) moduláló fotokapu-fes sült ségek' által keltett nagyfrekvenciás tár hatására az elektronok a pozitív oldal felé áramlanak. Például ar U_axa(t) ~ ^;-b + Ifeít) moduláló főtokapu-feszüitség pozitív félhulláma, azaz az

- üo -· U_K(t) moduláló fotokapu-fessültség negatív félhulláma folyamán a fény által gerjesztett töltésbordozők a G_a gyűjtökapuhoz áramlanak, és ott q_a töltésként összegyűlnek vagy továbbáramlanak (Id. az ló. és 1c. ábra szerinti két felső moduláló fotokapu-feszüitség eloszlását ) .

A 3. ábra - stabil, harmonikusan modulált megvilágításhoz - a következőképpen adja meg a pixelenkénti optikai teljesítményt:

Roptít-τ) - Po t P,<_;cos ífö«t-©_Opt? (3?

ahol Pq a háttérvilágítást is magában foglaló középérték, Ρ» a moduláló amplitúdó, <a_K! a moduláló frekvencia, φ_&ρΐ a fáziskésés és τ = a beeső fényhullám megfelelő futási idő késleltetése a modulációs fázishoz viszonyítva a G_aiK moduláló fotokapunái, A pixelenként keltett, teljes főt oá ram:

iít) - Sv PopUt-t; - Sv [Pu + Pyoos (m^t-Pcpd ] (4) í t i - Iü t la/ COS ift,_at“<p«pid ahol í (t; ~ i_ö(t) -;· ibít); lo ^::: a pixel fotoáramának középért éke, Pö-nek megfelelően; I_w - a modulált fotoáram váltakozó amplitúdója, Évnek megfelelően; és S>. - a spektráiís érzékenység. Ez a pixelenként1 teljes fotoáram két komponensre oszlik, mégpedig a G_a gyűjtőkapu. í_a(t) áramára és a (% gyöjtőkapu iu(t) áramára. Mivel ezeket az értékeket integráljuk - CCD-technológiánál a megfelelő G_a és G_b gyűjtőkapuk alatt, CMOS-technológia esetén pedig célszerűen az elektronikus kiolvasórendszerrel pixelenként kiolvasva - a továbbiakban elegendő· az átlagolt i_a és is áramokat figyelembe venni. A töltések elválasztásának maximuma a φ_ΟϊΛ - 0 fázisnál és ~ - 0 esetén van. Sz a helyzet látható a 3. ábrán.

Harmonikus modulációnál, ideális körülményeket, azaz megfelelő moduláló amplitúdót, elhanyagolható drift futási időt és Pb, - P_e mellett 100%-os modulációs mélységet feltételezve, az i₃ és v áramok a következők:

A 4. ábrán ezek az ideális átlagos plxeiáramok láthatók, Az ábrázolt áramok as ellenfázisú korrelációs· függvényeket képviselik, amelyek a nagyfrekvenciásán modulált vett fényből és a G^ és moduláló fotokapukra adott nagyfrekvenciás moduláló fotokapu-feszüitségekből adódnak. Ezek összege megfelel a pixel-fényenergia Pe kőφ ♦ * » zépérték'éhez tartozó ϊ·ο·/2 áramnak, A T = !*Ίν idő (azaz a nagyfrekvenciás moduláló feszültség N számú., T® idejű periódusa) alatt felhalmozódott teljes töltésmennyiség:

ahol a. futási idő ~ - dcp^./<ö®, a fáziskésésnek megfelelően, A további a khan a q_aT jelölés helyett q_a jelölést alkalmazunk, Az összes 1 pixel G_s és gyűjtőkapuinak teljes töltése két helyileg elkülönülő nagyfrekvenciás intsrferogramot képez, mégpedig az a-interfsrog.ra.mot és a b-interferogrsmot, amely az a~interíerogramhoz képest I8öⁿ-kal el van tolva, és a kettő különbségeként képezzük a futási időtől függő különbségi nagyfrekvenciás interferegramot, amelyet keresünk, és amelyet a (2) egyenlet ír le,

A 11, ábra egy találmány szerinti háromdimenziós kamera vázlata, amely fotonikai keverőelem-elrendezéssel végzett közvetlen keverést alkalmaz, A technika állásából ismert háromdimenziős kamerával ellentétben, amely a 10, ábrán látható, a 11. ábra szerint az optikailag passzív háromdimenziós céltárgyakat megvilágító 4 adó modulálása egy iézerdiöda áramának közvetlen modulálásával történik, Ebben az esetben a modulációt egy nagyfrekvenciás 13 generátor végzi , Nagyobb távolságok esetén célszerű például nagytérjesitményü lézerdíóda-elzsndezést használni, előnyösen közös modulélőárammal, és - a szem biztonsága érdekében - különböző hullámhosszakkal.

ί ««»

Egy első 5 optikai rendszer a fényhullámot a 6 tárgy felületére vetíti. A 6 tárgyról visszavert fényt egy második 7 optikai rendszer képezi le a fotonlkai 8 keverőe 1 eti - e 1 r e n de z é s f e 1 ü 1 et é r e..

A fotonikai 8 keverőelem-elrendezést is a nagyfrekvenciás 13 generátor működteti, a kisugárzott fényhullám fázisához képest különböző fázistolásokkal. Végül a fotonikai 8 keverőelem-elrendezés jeleit egy 8 kiértékelőegység értékeli ki, na ez nem történt már meg a chipen.

A találmány szerinti mérő-berendezésnél a fotonikai 3 keverőelem-elrendezés mellett nincs szükség további nagynyílású optikai modulátorra a javasolt háromdimenziós kamerához, ami gazdaságossági szempontból előnyős.

A pixel <p_Op._c fázisának, meghatározásához -az eredményként kapott korrelációs .amplitúdókból, mint már említettük, összesen négy különböző interferogramot alkalmasunk, a keverőjel négy különböző fázisa esetén. A keverőjel négy különböző fázisa akkor jelentkezik, amikor az és ű_fcKÍ moduláló fotokapu-feszültségeket a 0“/Ι80^Λ fázisviszonyú állapotból a $O°/1SO* fázisviszonyé állapotba kapcsoljuk át, vagy 90®-kal késleltetjük. Sz adja meg a két képzetes vagy kvadraturakomponenst a valós vagy azonos fázisú komponensekhez képest, amelyekből a pixel keresett fázisa kiszámítható a továbbiakban leírt (10) egyenlet-

k-X «»«.

Ez az üzemmód egyidejűleg lehetővé teszi a zavaré Ofszetfeszült ségek kiküszöbölését, amelyek a háttérvilágításból és a keverésből adódnak,

Λ mérési művelet mellett ~ amelyet példaként CW~ modulált háromdimenziós fényhullámokkal kapcsolatban Írunk le, kétdimenziós korrelációban egy célszerűen ugyanolyan frekvenciáin y, t) moduláló feszültséggel a fotonikaí keverőelem-elrendszés síkjában - a találmány szerinti mérőberendezés előnyösen használható impulzus alakú modulálójelekkel is,

Különösen előnyös a fény pszeudozaj-modulációja háromdimenziós fényhullámok futási idejének nagypontosságú mérését tartalmazó feladatokhoz, A 12., ábrán optikailag passzív háromdimenziós tárgyak figyelésére vagy mérésére alkalmas példakénti kiviteli alak látható. A 11. ábra szerinti, harmonikus modulációt alkalmazó kiviteli alakhoz hasonlóan a találmány szerinti berendezés egy alkalmas megvilágító eszközt tartalmaz, amely a háromdimenziós n tárgyat egy intenzitásban PM(pszeudozaji-modulált fénynyel világítja meg, és a visszavert és felfogott fény, valamint a 13 generátor által előállított, célszerűen PNmodulálójel között elvégzi a korrelációs eljárást,

Mivel az ilyen jellegű, növekvő T_w - T₃ (2^-1} szőhosszúságú PN-jelek korrelációja egy olyan háromszögtüimpulzáshoz hasonlít, amelynek féiértékszéiessége egyenlő a T_s bitszélességgel, a teljes fénytérfogat vagy a teljes megvilágított tér pontos méréséhez a fénymoduláló PÜ-jel és a moduláló fotokapukra kapcsolt ugyanolyan : í jelalaké demoduláló Pb~ellenütemű ü_m(fcj moduláló feszültség között egy relatív T_D késleltetésnek, keli legalább egyszer eltelnie folyamatosan vagy a i₃ bitszéiességnek megfelelő lépésekben a visszavett jel maximális futási idejének teljes késleltetési tartományában. Erre a célra szolgál a 11 késleltetőtag, amelynek T_& késleltetése a 9 vezérlő- és kíértékelőegységgel állítható.

Az 5a. ábrán az eget 5 moduláiójel látható, egy példaként! négyszög alakú IS bites PN-sorozatban·. A fotonikai keve-rőelemel. előállított korreláció eredménye az átlagolt i_s. és í~, táram, amely az 5b. ábrán látható a relatív τ késleltetés függvényében.

A továbbiakban leírt négyszeres pixelek esetén, amelyek a 8, 9, és 14. ábrán láthatók, a G_cat és G_dr. moduláló fotokapukra adott, és az tg előfeszül ts-égre szuperponált ellenütemű moduláló fotokapu-feszűítségek előnyösen, a ?₃ bit-szélességnek meg fel él <5 idővel vannak késleltetve a és Gba. moduláló fo tokapukra adott ellenütemű modulálófotokapu-feszültségekhez képest, azaz (t; - üevíbit-T₃> és Veráit) - üö-Uk (t-Tg), ami nagyon előnyős amplitúdó- és futási idő méréseket eredményez.

A moduláló feszültségekhez viszonyított, előre meghatározható íy késleltetéstől eltekintve a 4 adó által ki sugárzott tons t. * f.öpt 41} f é n y ί n tenzit ás u gy anolyan PNjelszerkezetű, A visszavert fény a futási idő után éri el a fotonikai keverésiemet. Az ellenütemű moduláló feszültségekkel. való korreláció, összhangban a háttérvílágítás nélküli ideális esetben - Q értékhez tartozó relatív τ ,* ί,:, ; : ί :

*η»Φ* Κ w * * * futási idővel, kettős pixel esetén a közepes i_í; és 1» áramét, amelyek az 5b. ábrán láthatok, és négyszeres pixel esetén Τ_δ időeltolással a közepes i_c és í,< áramot eredményezi. A korrelációs karakterisztikából látható, hogy ugyanazon a rádiuszvektoron több visszaverődés különböztethető meg, például több, részben átlátszó tárgy, amelyek egymás mögött vannak elhelyezve a többszörös reflexiók elkerülése érdekében.

Ezenkívül, a közepes driftéramkülonbségek összegét és különbségét, amint az 5-c. ábrán látható, előnyösen egymás után képezzük a kettős pixel esetén, és egyidejűleg a négyszeres pixel esetén, a megfelelő elektronikus 15 pixeikioivaső és jel-előfeldolgozó rendszerben. Nagyon érzékeny mérések végezhetők, mivel a nullától eltérő jelértekek kizárólag a T_s - 2T_S szélességű mérési ablakban jelennek meg, Az összeg kiértékelése lehetővé teszi egy mérés érvényességének meghatározását egy minimális amplitúdó alapján. A különbség meredek lineáris alakzatot mutat a használható T₃ szélességű mérési ablakban, aminek következtében a futási idő nagy felbontással határozható meg. Az itt leírt ideális példára érvényes a következő összefüggés:

A. javasolt fotodetektor-elrendszésen alapuló mérőberendezés, amely háromdimenziós tárgyak optikai mérésére szolgái áb-modulációvai, rendkívül egyszerű felépítésű, « φ amint a 12. ábra szerinti tömbvázlatom látható. Ebben az esetben, a lö generátortól ás a 11 késieitetőtagtól eltekintve, a berendezés felépítése megegyezik a 11, ábra

A találmány szerint távolság gyors, de viszonylag kis felbontással történő megállapításához a 10 generátor a 4 adót egyszerű négyszögjellel modulálja, amely T peri-

ódusídejü,	továbbá az	impulz
egyaránt TB	. A futási	időt a
rozsuk meg.	A felbont	ásí szó
periódusidő	t egy 2-es	tényez·

nyezővei csökkentve, azaz az első mérési lépést követő második lépés ugyanolyan periódusú, de az időeltolás Το - 'T/4.

jenek az 1. ábrán látható, példaként!, keresztmetszete a határfrekvencia, szempontjából optimalizálható az ellenütemű moduláló feszültség által létrehozott potenciál'gradiens megfelelő térbeli szerkezetével. Ezzel kapcsolatban a 6. ábra egy olyan kiviteli példát mutat, amelynél egy előnyösen ϋ_Ω előfeszúitségre kapcsolt középső Go kapu van elhelyezve a Cd·, és G·^ moduláló fotokapuk között, és a három kapu három, potenciálfokozatot képez. Olyan potenoiálgradienst kívánunk kialakítani, amely a lehető iegegyformább, vagy egy olyan modulációs driftteret, amely a lehető legaiiandőbb; ezt a fokozatok számának kettőről háromra vagy még többre növelésével érjük el, A fényérzékeny tértöltési zónában a felbontás foka vagy a fokozatok elkülönülése csökken, ha nő a távol-

4ί sáa a 3 szigetelőrétegtől, Ezt az eltemetett csatorna (fcurled channel; hatást használjuk ki a találmány egy te vábbi kiviteli alakjánál; itt egy gyengén adalékéit n csatornáról tan sző, amely néhány ram távolságban van a szigetelőrétegtől, és valamivel mélyebb a p típusú hordd sóban a moduláló fotokapuk alatt. Az elrendezésben a G₃ és Gb gyűjfőkapuk 12 árnyékolással vannak ellátva, úgyhogy ezeket a kapukat nem világítja meg a fényhullám, és nem keletkeznek további töitéshordozók.

A 7. ábra a fotonikai kaverőeíamek egy speciális el rendezését és összekötését mutatja, ahol - az 1. ábra szerinti megoldással ellentétben - a két moduláló fotokaput csak egy közös G_s,_n gyüj tűkapu választja ai egy mástól, ami javítja a feltöltést. Itt is megtalálható a G_a és Gb gyüjfokapuk 12 árnyékolása. Ebben az esetben az elienutemü moduláló feszültségek polaritása vagy a és G'to,n moduláló fotokapuk sorrendje pixelről pixelre változik. A kapuknak ez a hármas periódusa egyidejűleg alkalmas a közvetlen kiolvasásra háromfázisú léptetőregiszterként történő működtetéssel. Ennek, az a hátránya, bár ez számos alkalmazásnál nem zavaró, hogy a szomszédé pixelek felé kialakuló töltéseloszlás miatt látszólag megnő a pixelméret, és a szóban forgó irányban kisebb a helyzetfelbontás.

Ezeknek a kölcsönhatásoknak és betalvásoknak a számítása azt matatja, hogy egy 100%-ig hasznos töltéssel összehasonlítva, a tűltésküiönbségek kiértékelésekor a :

ί ,* ί,:„ «♦•ί. ♦ * vizsgált központi pixel csak a töltések 50%-át, a két szomszédos pixel pedig 25-25%-át hasznosítja.

A töltéseloszlás illusztrálásához a 7. ábra, az 1, ábrához hasonlóan, a potenciálelosziás különböző fázisait mutatja CW~mod.uláci6hoz.

A 8. ábrán a fotonikai keverőeiem Dízeljének egy további előnyös kiviteli alakja látható, amely CW-moduláció esetén nem igényei IQ (in~phase, quadrature-phase; azonos fázisú, kvadratúrafázisű) átkapcsolást az I- és Qállapotok között, A fentiekben leint kettős pixellel szemben ez a négyszeres pixel a Gt®, G-® és mód tálé lö- fotokapukkai, valamint a hozzájuk tartozó G_a, G_to, G_c és Ga gyüjfőkapukkal rendelkezik, ami lehetővé teszi az egyidejű korrelációt mind a négy fázishelyzethez, mivel az ellenütemű ü_asn{t) és %mJt),· ül. és ü^(t) moduláló fotokapu-feszültségek egymáshoz képest el vannak tolva, mégpedig nagyfrekvenciás moduláció esetén 90’-kai.

Ezért ortogonális elrendezésben a leirt moduláló fotokspuk, azaz a <p_arc - 0* fázisú G«m moduláló foto kapu és a öskí - 180° fázisú G'_KÍR moduláló fotokapu mellett még két további moduláló fotokapu van kialakítva, mégpedig a <p._CJf, ~ Sö^c fázisú Gór. moduláló fotokapu és a ©_díS == 270° fázisú Gcs, moduláló fotokapu, amelyek szimmetrikusan vannak integrálva a pixelben, és a már leírtakkal egyező elven működnek, Ez lehetővé teszi a négyfázísú töltésgyüjtest sz egyedi q_s, q_b, q<. és töltésekkel a megfelelő G_a, Go és G_o gyüjtőkapuk alatt, vagy az elektronikus kiolvasó·

rendszerben, ahol agy egyszerű aritmetikai művelettel az alábbi módon közvetlenül kiszámítható a <g_cp, fázis:

poct - arctan

Egy adott pixel szürke-értékeinek egyszerű meghatározásához összegezzük egy pixel összes gyűjfőkapujának egyedi töltéseit:

g?ixss. ~ g® f- db + gű

A négy töltés kiolvasását ebben az esetben, előnyösen egy CMOS-tschnológiávai készült aktív pixelkonstrukcióval valósítjuk meg, pixeienkénti integrált jei-elöfeldoigozással .

A 9. ábra, a 8. ábrához hasonlóan, egy fotonikai keverselem négyszeres pixeljét matatja, de itt a potenciálgradiens a 6. ábrának megfelelően, el van simítva a négyzet alakú középső G§, kapu segítségével, amely előnyösen at lg potenciálra van kapcsolva,

A 14. ábra, a 9, ábrához hasonlóan, agy fotonikai keverésiem, négyszeres pixeljét mutatja, amelynek -szerkezete digitális modulálójelekhez van optimalizálva. A középső Gq_: kapu a célszerűen négyzet alakú G_ss;, G_m, G_CK és Gok. moduláló foto kapuk között van elhelyezve, és a 9, ábra szerinti elrendezéshez hasonlóan a moduláló fotokapufeszültség által létrehozott potenciálgradiens simítására szolgál.

Végül a 13. ábra az I pixel egy további előnyös kiviteli alakját mutatja, amely - a fentiekben leírt kiviteli alakokkal szemben - nem CCu-technolőgiávai_f hanem ChOS-technolőglával van kialakítva, elektronikus 15 pixelkiolvasó- és jel-előfeldolgozó rendszerrel, Ebben az esetben a töitéshordozők moduláló feszültségtől függő őriftjének hatása a töitésiengésre ugyanaz, mint a fentiekben leírt kiviteli alakoknál, A 13. ábra szerinti kiviteli alak egyedül a G_s és G_b gyüjtőkapukhoz áramló g_a és üt töltések további feldolgozásában különbözik a többitől,

Ennél a kiviteli alaknál a G_í: és G_b gyűjtőkapuk lezárt ρη-diődákként vannak kialakítva, A pozitív előfeszűitségü G_í: és G_b gyüjfőkapukat n+ adalékoiásu elektródák képezik a 2 hordozón, amely előnyösen egy gyengén adalékéit p-Si hordozó. A iebegődiffúziós <fioatingói ffosion) üzemmódban vagy a nagyelienáliású feszültségkiolvasási üzemmódban, CCD-technologia használata esetén, a g_s és gt> töltéseket a G_a és G_b gyüjtőkaook kapacitásain integráljuk, és nagyellenállású üzemmódban feszültségértékekként olvassuk ki.

Előnyös lehet egy olyan áramkioivasási üzemmód használata is, amelynél a fény által gerjesztett töltéshordozókat nem a potencíáigödörben integráljük, hanem folyamatosan elvezetjük a G_a és Gt gyűjtökapukhoz kapóséit áramki olvasó-áramkörökön át. Ezeket a töltéseket azután például megfelelő külső kondenzátorokkal integráljuk.

η

Az áram.kiolvasó üzemmódban - azaz a gyüjtőkapuk feszültségét visszacsatolt erősítővel állandó szinten tartva - működő kiolvaső-aramkör előnyösen biztosítja azt, hogy a pixel intenzív besugárzásakor az összegyűlt q_a és q_to töltések mennyisége nem módosítja, és különösen nem szünteti meg a potencialgödröt. Ezáltal jelentősen javul a fotonlkaí keverésiem dinamikája, Ebben az esetben is javulást okoz, többek között a határfrekvencia növekedését, ha a már leírt technológiát alkalmazzuk, azaz egy gyengén adalékolt n csatornát (eltemetett réteg) a modulálókapuk szigetelőrétege alatt.

A CMöS-technolögiával készült fotonikai keverőelem lehetővé teszi az aktív pixelkonstrukcíót (APS?, amelynél minden pixelhez egy kiolvasó- és jei-eiőfeldolgozóáramkör integrálható a fotonikai keverőelembe. Ez lehetővé teszi az elektromos jelek előfeldolgozását közvetlenül a pixelnél, még mielőtt a jelek egy külső áramkörre kerülnek. Különösen fontos, hogy ezen a módon a fázis- és az amplitúdóinformációk közvetlenül a chipen számíthatók, aminek következtében tovább növelhető a mérési gyakoriság ,

A találmány egy további kiviteli alakjánál egy előnyösen kétdimenziós fotonikai keveroeiem-elrendezést alkalmazunk passzívan vagy aktívan megvilágított tárgyak háromdimenziós elektronikus keresésére és nyomon követésére különböző kritériumok, például a tárgy alakja, helyzete, színe, polarizációja, sebességvektora, fényessége, vagy ezek és esetleg egyéb tulajdonságok kombinációja ♦ ♦ alapján. Ha például a különböző (pl. frekvencia- vagy kődváltő) moduiálójelekben egy kezdetben ismeretlen beeső fényhullám háromdimenziós mérésekor helyi korrelációt találunk a nullától eltérő különbségi driftáramok kritériuma alapján, a tárgy körzete folyamatosan mérhető, célzottan a tárgy említett tulajdonságaira vonatkozóan, és esetleges változásokkor szabályozó hurok segítségével követhető, elsősorban a képmélység tekintetében.

A fotonikai keverőelem a továbbiakban leírt különböző üzemmódokban használható.

Ebben az összefüggésben kevésbé érdekes a tőltésöszszeg a G_a és gyűjtőkapukon, mivel az mindig megfelel a beeső fényhullámok teljes intenzitásának, azaz ha t hb ~ const. ahol T az integrálási idd.

A Agáé ~ g« ~ ha ~ i_s' T - í>c T töltés különbség több tényezőtől függ, és sokféleképpen használható a beeső fényhullám mérésére. Itt figyelembe vesszük a mindig jelen levő P_o > alapfényességet (ld, 3a, ábra),

He például egy 6 tárgyat egy 4 adó modulált fénnyel világit meg, az adóteljesítmény be- vagy kikapcsolható, és igy P_K véges érték vagy nulla lesz. Egyidejűleg az U-íftCt) moduláló· feszültség vagy nulla lesz, vagy az adóra kapcsolódik és megjelenik a beeső fényben, vagy tje értéket vesz fel, amely az integrálási ide alatt állandó.

A fentieknek megfelelően Ej « 0 mellett négy fontos üzemmód adódik:

1.) Áq_ab ~ 0, míg Ρ» - 0 és ij ~ 0

2.) ~ 0, míg P_5V, egy véges érték, és ü®(t) egy nagyfrekvenciás modulálójel3«) P»₅ egy véges érték, és óq_?*> egy nagyfrekvenciás

V»(tJ modulálójel, a relatív τ futási idd és a beeső fény Pált; teljesítménykomponensének. a függvénye, amely ezen a módon van modulálva.

4.) Ha a T integrálási idő alatt van egy beeső közepes Po fényintenzitás és egy állandó ü_;f,o moduláló feszültség, ekkor a Aq_si, töltésküiönoség ide moduláló feszültség és a közepes P_ö fénytelje-sítmény függvénye.

bem intenzitásmodaisit fényhullámok esetén - e találmány egy további kiviteli alakjánál - a fotonikaí keverőeiemet a negyedik 'üzemmódnak megfelelően használjuk, például kétdimenziós képfeldolgozáshoz.

Ebben az esetben mindegyik kaveröeiem külön, a többitől függetlenül működtethető, például egy gyorsan felülírható moduláló feszüitségsző pixelenként! hozzárendelésével az moduláló feszültséghez, előnyösen egy RAMkomponens segítségével, A kiértékelést célszerűen, csak az ü_a;ö~iai közelítőleg arányos Τ*Δ i_ab töltéskülönbség és a Δ i_ab dríftáram-különbség tekintetében végezzük el. Ebben az esetben az 0^ moduláló feszültség levezethető a moduláló fessüitségszőból,

Sz azt jelenti, hogy az ö_K.(t)-t nem állítjuk be periodikusan vagy kváziperiodikusan, mint a korábbi példákban, hanem aperíodikusan, például egy előre meghatározott kéntartalomnak megfelelően, vagy & mért képtaréaiomnak megfelelően. ü_wlt) - ö esetén az összes különbségi y,

• -*2 JA - A A φ..	á nyhu11ámo k va gy
<ol<n.	feldolgozhatok
ti, «..tó Gíx,	y, t,y « ki*'ücí('x,
el, példán.	1 a fent említett
zzárendelt	memóriacellák has

áram nulla _f úgyhogy e hozzá tartozó D(x, y) különbségi top ampert údója vagy intenzitása is nulla.

önbségi képfényesség igy befolyásolható az változtatásával. Ezen a módon a találmány szerint 1 fanok is, « san beáll 11;,«.. segítségévei, lenként között ~ amint már szintén említettük ~ tárgyak - keresésé re és nyomon követésére, de ebben az esetben mélys< ^ginformációk nélkül.

Claims (5)

1. Szabadalmi igénypontok '1. Eljárás -elektromágneses hullám, fázis- és/vagy amplitűdőinf orma sióinak, meghatározására, amelynek sorén

   - elektromágneses hullámot. sugárzunk egy legalább egv oixellel íl) rendelkező sfo-toMkai k^verőolem felőletéré, ahol a pixel (1) legalább két^^ySjb5Ktput~jG«,· Gh) tartalmaz^ ^“2 a sz a1 jel1emesve, h o gy a pixel (1; legalább két fényérzékeny moduláló főt okaput (Gaiw Sbíít) tartalmaz, amelyek a gyűjtő-kapukkal (6&, G&)- vannak társítva,

   - a moduláló foto kapukra (G_aKf Ga_K;) moduláló fotokapu-feszülts-égeket (ϋ_β«ϋ), ü»_m(t;ö kapcsolunk = Uo+Ö»<t} és ít) ” alakban,

   - a gyűl tökapukra (G_df G&) legalább akkora egyenfeszültsége-t kapcsolunk, mint az előfeszüitség (Uq) és a moduláló feszültség í(t>) -összege,

   - a moduláló fo fokapuk (G^, G^) tértéit esi zónájában a beeső elektromágneses hullám által gerjesztett tol téshordozókat drifttér potenciálgradiensénefc tesszük ki moduláló- fotokapu-feszült-ségek (ü^(t)-, 0^(1; ) polaritásától függően, és a megfelelő gyűjfőkapukhoz (G₃, Gjö teX/á megf e 1 e 1 <

   tő uknoz sG_a, Gb) sodródott töltéseket (g._u......zpü......elvecotd,üjp χ

   *
2. 2.. Az 1. igénypont szerinti eljárás, aszal jellemezve, hogy

   - intenzitásmoduiált elektromágneses hullámot sugárzunk ki egy adóval (4), ~ egy tárgyról {€) visszaverődött elektromágneses hullámot a fotonikai keveröelem felületére irányit jak,

   - az adóval ;4) kisugárzott elektromágneses hullám fázisához képest állandó fázisban levő moduláló fotokapufeszültségeket (ü_aRgtb, U^Ut}} alkalmazunk, és

   - a gerjesztett töltésherdozókat meg egy drift erőtér potenciálgradiensének is kitesszük az ellenütemű moduláló fotokapu-feszültséoek (tk^ít), ü^.jt) ) fázisától függően.
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy

   - a moduláló fotokspu-fesztltségeknek ítfoHr}, az adóval (i; kisugárzott elektromágneses hullám fázisához viszonyított két különböző fázistolásához (Δφι, Δφζ) elvezetjük a töltéseket (q_ai, q^; q_a2, g_fa25 , és képezzük ezek különbségeit (q_sí - q_a2 - q_ö2), és

   - az alábbi egyenletnek megfelelően

   Ospí:

   <l, - q_eÍ

   q.,. - q_M a beeső elektromágneses hullám fázisát az adóval

   H> kisugárzott elektromágneses hullám fázisához víszo0 ♦ *

   Si nyitva határozzuk meg, és ezzel meghatározzuk a pixel ;1) által vett elektromágneses hullám futási idejét,
4. 4, A 3, igénypont szerinti eljárás, azzal j-elleasesveg

   - négy moduláló főtokapu (G_así;f G^, 5« és Gd»J és négy hozzá tartozó gyüj tőkapu (G_s, G_b, G_c és G^} segítségével a moduláló fotokapu-feszültségeknek (U_as3(tj «= Üo+Usd ttj ; u_affi(t5 - Üe-Usniít); ü_cupt) Ui + ü^it: és kesét; - Ih-ü^ítií az adó Hl által kisugárzott elektromágneses hullám fázisához viszonyítva két különböze fázistoiásához (Δφ,, Átnő egyidejűleg szétválasztjuk és elvezetjük a töltéseket |q_a, q_to, q,·, és q_a), és ~ ez alábbi egyenletnek megfelelően öept

   3m.g, q, - q, meghatározzuk az adóval kisugárzott elektromágneses hullám fázisát {<?öpíJ , és ezzel a pixel (1) által vett elektromágneses hullám futási idejét.

   ö. Az 1-4, igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy

   - több pixelt ö; tartalmazó fotonikai keverőeismet alkalmazunk,

   - legalább egy pixelt (1) közvetlenül besugárzónk az adóból (9) kibocsátott intenzifásmoduláit elektromágneses hullám egy részével, és **

   - a kisugárzott elektromágneses hullám és a moduláló fotokapu-feszültségek (U_SJS(t), U&»,<t> } közötti fázistolást az említett pixelen, (1; mért fázistoiásböl kalibráljuk.

   6, Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy ~ függetlenül gerjesztett, ismeretlen intenzitásmoduiáeiéjú elektromágneses hullámot sugárzunk a fotonikaí keveröelem felületére,

   - a moduláló foiokapu-íeszültségeket {U_aítb u^(t)) hangolható moduláló generátorral (10, 13) állítjuk elő, ~ a. keletkezett töítéshordozőkat még drífttér potenoiálgradíensének is kitesszük az ellenütemű moduláló fotokapu-feszültségek (t>, U_föf! (t}) fázisától függően, és

   - a fotonikaí kéverőelemből és a moduláló generátorból ílö, 13) legalább egy fázistért hurkot hozunk létre, és az elektromágneses hullámot iook-in módszerrel mérjük.

   7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy periodikus modulációként folyamatos vagy szakaszos nagyfrekvenciás modulációt, pszeudozajdorf modulációt vagy -eiéwfegőmoduiáciőt alkalmazunk.

   3. A 7.. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy nagyfrekvenciás modulációt alkalmazunk, és a töltéseket (q_3J q_b és esetleg q₃, g_áj előnyösen a Δφ ~ Cd/180* és 90*/270f fázistolásnál vezetjak el, *♦*«

   9. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy állandósult állapotú modulációt alkalmazunk ü_w és ~ Uo-Ojso moduláló· fotokapu-feszültségekkel, ahol Üjjö: egy beállítható moduláló egyenfeszültség, amely időben állandó, és amellyel a töltések (q._a és különbségéből képzett különbségi képet súlyozzuk.

   lö. Az: 1--:3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a gyújtó-kapuk íG_a és G-d alatti töltéseket (q_a és η») CCD~ eszközzel integráljuk átolvassuk, ki.

   11, Az 1-9, igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a gyüj tőkapukat (G_a és G_toj pn~ diódákként, előnyösen CMOS-technoIőgiával készült, lezárt, kiskapacitásű pn-díódákként valósitjuk meg, és a töltéseket ;q_a, q_ö és esetleg q_Cf g_d) közvetlenül feszültségként vagy áramként olvassuk ki.

   12. A il. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a pixel (1) fázisát vagy futási idejét, valamint a pixel Π) fényességét közvetlenül egy aktív pixelérzekéiével (APS) állapítjuk meg, és előnyösen szelektíven és/vagy sorosan olvassuk ki egy chipen integrált multipó^r' i ex se g i t s ég évei.

   ♦ *

   13. Az 1-12, igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a pixel Π) fényességét, mint a hozzá tartozó gyűjtökapuk (G_a és G_b) töltéseinek összegét, szürkeképként értékeljük ki.

   14. Az 1-13, igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hegy .háttérvilágítás vagy külső modulélatlan világítás esetén a szürkeképek különbségét korrekciós paraméterként használjuk egyrészt amikor a rfioduiáit megvilágítás be van kapcsolva, és másrészt araikor a modulált megvilágitás ki van kapcsolva,

   15. A^^-14. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy több külön keverésiemet alkalmazunk lineáris, felületi vagy térbeli elrendezésben, ló, A 15, igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy legalább az egyik pixelt (1) közvetlenül besugározzuk a megvilágításra szolgáló intenzitásraoöulált elektromágneses hullám egy részévei, és az említett legalább egy pixelnél (1) végzett mérést a többi fázis és világossági eredmény kalibrálására használjuk fel, ahol előnyösen a referencíapixelt vagy referenciapixeieket az adóról (4; különböző intenzitásszintekköi vagy különbözően beállítható intenzításszintekkel világítjuk meg.

   17. Fotonikai keveröeiem,

   1.

   ** azzal jellemezve, hogy

   - legalább két fényérzékeny moduláló fotokaput (G

   SS) f

   - gyüj.tök'apuk^t^{Ga, Gm a moduláló fotokapuk (G_m, G_w) mellett, azokkal társítva vannak e 1 n e 1 y e z ve * éb--st«aig/ak...ateae_;as4^<sI-^feremá^-fte'S^---'lTü77raa'it'6tm---v

   18, A 17. igénypont szerinti keverőelem, azzal jellemezve, hogy a moduláló fotokapuk (G_am, G_ÖSi) között egy középső kapu (Go) van elhelyezve.

   19, A 171 vagy Is. Igénypont szerinti keverőelem, azzal jellemezve, hogy a pixel (1) négy, előnyösen szimmetrikusan elrendezett moduláló fotokaput (Ga», G_as, G^, G<j®s és gyüjtökaput (G_a, G&, G_a, G_ál tartalmaz.

   20. A 17-19. igénypontok bármelyike szerinti keverőelem, azzal jellemezve, hogy a gyűjtökapuk (G₃, G_a és esetleg G_c, Ga) pn-diódák, előnyösen CMOS-teohnoiógiával készült, lezárt, kiskapacitású pn-diódák, és a töltések (q_e, q_b és esetleg q_c, q_d) közvetlenül feszültségként vagy áramként olvashatók ki.

   21. A 17-20, igénypontok bármelyike szerinti keverőelem, azzal jellemezve, hogy amodulálás! sebesség növelése érdekében a pixel (1) GaAs-technológiával ké*♦ szült, előnyösen eltemetett csatorna típusú (például eltemetett n-csatornás), Integrált drifttérrel.

   22, A 17-21. igénypontok bármelyike szerinti keverőelem., azzal jellemezve, hogy a pixel (I) aktív pixelérzékeiökent van kialakítva, részben pixelenként! jelfeldolgozással, részben soros vagy esetleg mátrix-jelfeldolgozással.

   23. A 17-22. igénypontok bármelyike szerinti keverőelem, azzal jellemezve, hogy a modulálé foto kapuk ÍQ_SKf >S_b», G_cm,

   G<te/ szélei is -árnyételv®· vannak^ fenid-o

   24. Keverőelem-elrendezés (8; a 17-23. igénypontok bármelyike szerinti legalább két fotonikaí kevertelemmel, azzal· jellemezve, hogy a fotonikaí keverőelemek egydimenziós, kétdimenziós vagy háromdimenziós elrendezést képeznek.

   25.. A 24. igénypont szerinti keverőeiem-elrsndezés (2) , azzal, jellemezve, hogy két szomszédos helyzetű, különböző pixelhez ín, n+1) tartozó moduláló fotokapuk G_ö«í.»-u as Gfes-.,_K, <%»,.«-!) egy közös gyűjfőkapuval ÍG_S) rendelkeznek, és a moduláló f ot okapukra (G^n, G^mi és öbidobí.e.'-'n azg^ar^ur-^-modulálő fctokapu-feszüitség íü^dt) és ü&edt) í van kapcsolva.

   26, A 21. vagy 25. igénypont szerinti keveröelemelrendezés Í3.; , azzal jellemezve, hogy legalább egy pixelt (1>, mint referencia-pixelt^ közvetlenül besugárzó eszközöket tartalmaz, amelyek az adó {4} által kibocsátott intenzitásmotíulált elektromágneses sugárzás egy részét az említett pixelre (1) vagy pixelekre Irányítják.

   27. A 26, igénypont szerinti keverőelem-elrendezés (8?, azzal jellemezve, hegy a közvetlen besugárzást végző eszközök a közvetlen sugárzás intenzitásának térbeli és/vagy időbeli változtatására alkalmasan vannak kialakítva,

   28, A 24-27. igénypontok bármelyike szerinti egydimenziós vagy többdimenziós keverőelem-elrendezés (8), azzal jellemezve, hegy a pixelek (1) szilícium hordozón (2) MOS—technológiával vannak kialakítva, és multiple^^ée^kea^fc''tednr előnyösen CCD-eszközzel olvashatók ki.

   29. A 24-28. igénypontok bármelyike szerinti keverőelemelrendezés («)-,, azzal jellemezve, hogy mikroiencsés opfcife-t ^/békái rendszert ,-aer^wlzraz·, amely a képrögzítéshez használt lényegében mindegyik keverőelem számára egy saját mlkrolencsetdeepe-z--, amely a beeső sugárzást az ezáltal csökkenthető méretű keverdeiem középső részére fókuszálja.

   30. Berendezés elektromágneses hullám fázisinformációinak meghatározására, amely

   - moduláló generátort (lö, 13}, és
5. 5 ΐ i

   •4

   5S

   - adót (4; tartalmaz, amelynek. elektromágneses sugárzását a moduláló generátor (10, 13) sídre meghatározott módon intenzitásmodulálja, továbbá

   - egy tárgy (6) által visszavert elektromágneses hullám fotonlkai keverőeiem felületére kerül, azzal jellemezve, hogy

   - a 13-2.é. igénypontok bármelyike szerinti legalább egy fotonikai keveröele-met tartalmaz.,

   - ahol a moduláló generátor (lö_f 13} olyan moduláló feszültségeket (O_s(cH szolgáltat a fotonikai keverőelemnek, amelyek előre meghatározott fázishelyzetben vannak az adó (4} által kisugárzott elektromágneses bullám fázisához képest.

   31, A 30, igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy egy optikai rendszert (?) és előnyösen a 24-29. igénypontok bármelyike szerinti keverőeiem-eirendezést (3) tartalmaz, továbbá az optikai rendszer (?) képezi le a visszavert elektromágneses hullámot a kev-eröelem vagy a k e v e rde1em-e1 rend ezé sj/r a leletére.

   32. A 30, vagy 31. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy keverőelem-elrende2ést (8) tartalmaz a hozzá tartozó optikai vevőrendszerrei, elektronikus kiértékelő és jelfeldolgozó rendszerrel a különbségi jelek, cssze-gjelek. és referencia jelek számára, digitális memóriával a szürkékén és a futási idő vagy távolságkép számára, egy háromdimenziós tárgyat vagy térrészt modulált elektromágneses hullámokkal megvilágító adóval (4), és az optikai vevőrends2ernek megfelelő, beállítható optikai átviteli rendszerrel, kompakt egységként kialakított digitális háromdimenziós kamerát képezve.

   33, A 30. vagy 31, igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy egy digitális, háromdimenziósán rögzítő videokamera kialakításához keverőelem-elrendezést (8) tartalmaz a hozzá tartozó optikai vevő-rendszerrel, elektronikus kiértékelő és jelfeldolgozó rendszerrel a különbségi jelek, ősszegjelek és referenciajslek számára, digitális memóriával a szürkeérték-k-ép és a futási idő vagy távolságkép számára, sgy háromdimenziós tárgyat vagy térrészt modulált elektromágneses hullámokkal megvilágító adóval (4), és az optikai vevö'rendszernek megfelelő, ,be~ állítható optikai átviteli rendszerrel, továbbá ^^digitális képsorozatokat tároló memóriát tartalmaz.

   34. A 32, vagy 33, igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az adó (41 színes képek vagy színes képkomponensek előállításához különböző spektrumtartományokba eső fényhullámokat kibocsátó eszközöket tartalmaz-.