JP5325371B2 - 信号の遅延敏感測定のための装置 - Google Patents

Description

本出願は、少なくとも部分的に強度変調された信号の振幅、及び／又は位相位置の検出のための装置に関する。

距離測定用の位相または遅延に敏感なミキサー装置素子は、現状技術から周知である。そのような素子は、いわゆる電磁放射のためのフォトゲートフォトミキシング装置（ＰＧ−ＰＭＤ）として、例えば特許文献１および特許文献２に記述されている。ＰＧ−ＰＭＤ素子の代案としてこのミキサー装置素子は、例えば特許文献３に開示されているような、ＭＳＭ−ＰＭＤ素子（ＭＳＭ：金属−半導体−金属）として、同様に設計されることができる。

現状技術から周知であるミキサー装置素子に共通な特徴は、それらが光導電材料、特に半導体材料がそれらの間に延伸する読み出し電極を持っていることである。さらに、二つまたはそれ以上の透明変調ゲートが、半導体材料の上に備えられる。

装置素子の光導電性部分が、強度変調を受けた望ましくは可視または赤外のスペクトル領域である電磁放射により照射されると、その時点に検出器に衝突している強度に応じて、読み出し電極間の装置素子の導電率が変化する。互いに相対的に反転された、または位相が１８０度シフトされた、振幅変調電流または電圧信号が同時に変調ゲートに（ＰＧ−ＰＭＤ素子の場合）、または同様に直接読み出し電極に（ＭＳＭ−ＰＭＤ素子の場合）印加されると、読み出し電極に混合信号が受信され、信号は入射した放射の強度変調の周波数と基準周波数の間の差の周波数により変調される。ミキサー素子の読み出し電極における出力信号は、同様に発生した放射の強度に依存する。読み出し電極の二つの出力信号が互いに加算されると、ただ直流成分（ＤＣ）を含む、発生した放射の強度に依存する信号が得られる。他方、読み出し電極の二つの出力信号の間の差分信号は、ただ相関信号成分を含む。従ってこの差分信号はまた、入射した強度変調放射の位相および振幅双方の情報を搬送する。

変調またはミキサー素子の読み出し電極が、互いに相対的に反転された、または位相が１８０度シフトされた、信号により接続されるので、記述される方法はまたプッシュプル検出または「バランス検出」とも呼ばれる。プッシュプル方法は、先に記述したように、ミキサー装置の二つの出力信号の間の差を形成することにより、直流成分と強度変調された放射の混合構造の非対称性を抑制し、相関するこれらの信号のみを考慮することができるようにする。

測定に際して振幅と信号の位相は未知の変数なので、ミキサー上に衝突する放射の変調信号および基準信号の変調信号に依存して、それらの差が形成された後に、測定信号の振幅および位相を測定するために、基準信号の異なる位相位置を伴う少なくとも二つの測定が必要である。

現状技術から周知の検出器では、空間分割多重法または時分割多重法のどちらかを用いて、二つの測定が実行される。

空間分割多重法では、検出器または画素は二つのミキサー装置を有する。二つのミキサー装置素子は、例えばクロスオーバー型式のペアに配置された読み出し電極を形成するために、互いに他の次に分離して配置されるか、または同様に統合された成分であるようにされることができる。装置の大きな特徴は、それぞれの第２の検出器素子の基準信号に対して相対的にそれらが理論的には９０度位相がシフトされる一方で、それぞれの検出器素子の基準信号がプッシュプル変調されることである。このようにして、測定されるべき二つの信号の相関関数が測定されることができ、位相と振幅が評価されることができる。空間分割多重法の場合、二つの自己相関関数を同時に評価することができるように、各々の画素に対して一つの信号ミキサー素子の表面積を約２倍にする必要がある。

時分割多重法の場合、二つの関連する測定の間にミキサー素子の基準信号が互いに相対的に位相をシフトされ、信号の自己相関関数は時系列に連続して測定される。従って時分割多重法は、空間分割多重法の２倍の測定時間を要する。これは、特に測定時間が主要な役割を演じる用途において、欠点である。例えば道路交通における距離が検出される場合、短い測定時間が必須であり、運転者または自律したシステムは、例えば妨害を避けるための充分な反応時間が与えられるべきである。

独国特許出願第１９６３５９３２号明細書 独国特許発明第１９７０４４９６号明細書 国際公開第ＷＯ０２／３３９２２号パンフレット 独国特許出願公開第１９８２１９７４号明細書 独国特許出願第１０２００４０１６６２４号明細書

他方本発明の目的は、先に記述した現状技術の不具合を避けることができるようにした、方法と装置を提供することである。

この目的は、本発明に従い、
ｉ）少なくとも部分的に強度変調された信号の瞬間値を検出し、
ｉｉ）強度変調の周波数とは異なる周波数を有する、第１の基準信号の瞬間値を検出し、
ｉｉｉ）混合信号値を得るために、該少なくとも部分的に強度変調された信号の検出された瞬間値を、該第１の基準信号の検出された瞬間値と混合し、
ｉｖ）該第１の基準信号の周波数及び該強度変調の周波数の双方と異なる周波数を有する、第２の基準信号の瞬間値を検出し、
ｖ）該第２の基準信号と同じ周波数を有するが、該第２の基準信号に対して位相シフトされている、第３の基準信号の瞬間値を検出し、
ｖｉ）第１の測定信号値を得るために、該混合信号値を該第２の基準信号の検出された瞬間値と混合し、
ｖｉｉ）第２の測定信号値を得るために、該混合信号値を該第３の基準信号の検出された瞬間値と混合し、及び
ｖｉｉｉ）該二つの測定信号値から該少なくとも部分的に強度変調された信号の振幅及び／又は位相位置を計算する、
ステップからなる、少なくとも部分的に強度変調された信号の振幅及び／又は位相位置を検出する方法を提供することにより達成される。

それぞれの信号に対応する検出器が用いられるならば、「強度変調された信号」は、純粋な電気信号、電磁信号の双方、望ましくは可視または赤外のスペクトル領域、または超音波信号であることができる。超音波信号に対しては、「強度変調」は振幅変調として解釈されなければならない。

基準信号は、電気または電磁信号または超音波信号であることができる。

信号の用語「周波数」は、ここ及び以下では、最も単純な場合信号が正弦信号または余弦信号であり、または単一周波数により変調された信号であることを意味する。しかしながら任意の他の周期的または準周期的（例えばランダムノイズ）な変調を用いることができ、従って「周波数」は不連続な周波数または周波数範囲の完全な組を意味する。ここでは「同じ周波数」は、信号の間の時間的な相関の意味で用いられる。

用語「位相」または「位相位置」は、一般的に時間的な信号の遅延を記述するために用いられるが、与えられる実施形態では、正弦変調の最も単純な場合のみが示される。

本発明の原理は、強度変調された信号と、強度変調された信号の振幅と位相位置の情報とを搬送する第１の基準信号との間の混合した信号と、第１の基準信号の周波数及び強度変調された信号の周波数とは相違する既知の周波数の第２及び第３の基準信号とを混合することに基づいている。この方法で二つの相関関数が得られ、全ての信号の周波数と位相が既知であれば、これから強度変調された信号の振幅と位相が計算できる。

本発明に従う方法は、一回の測定（「ワンショット」）で強度変調された信号の振幅と位相を検出する事を可能にする。この方法で、時分割多重と比較すると二つの因子により測定時間が低減され、また空間分割多重と比較するとチップ上の実質的な表面積が節減され、従ってチップの充填率はほぼ２倍になる。

本発明のあるバージョンは、望ましくはステップｉｉｉ）が、以下の
ａ）少なくとも第１の中間値を得るために、該少なくとも部分的に強度変調された信号の検出された瞬間値を該第１の基準信号の検出された瞬間値と混合し、
ｂ）少なくとも第２の中間値を得るために、該少なくとも部分的に強度変調された信号を該第１の基準信号の−１倍した瞬間値と混合し、
ｃ）該混合信号値を得るために、該第１と第２の中間値の間の差を形成する、ステップを含む。

強度変調信号を、プッシュプル動作、即ち第１の基準信号と一度、及びそれとは反転された同一周波数の信号で一度、混合することは、混合信号を形成するために、二つの得られた中間信号の間の利点のある差分形式を可能にする。この差分形式で、中間信号の全ての直接成分は互いに相殺され、混合信号は相関信号成分のみを含む。この方法で、例えば環境光による、非相関の背景信号の効率的な抑制が行われる。しかしながら、例えば成分の処理に由来することができる、ミキサーの非対称性は同様にバランスされる。

本発明のあるバージョンは、ステップｉ）、ｉｉ）、ｉｉｉ）が同時に実行されることが特に望ましい。この方法でステップｉ）、ｉｉ）、ｉｉｉ）は、特に低雑音および効果的なやりかたで実行される。これは例えば、ＰＧ−ＭＰＤまたはＭＳＭ−ＰＭＤ型の単一のフォトミキシング装置で、同時に行なうことができる。

第一の基準信号の瞬間値と少なくとも部分的に強度変調された信号の瞬間値が同時に検出される場合は、特に好都合である。この検出がプッシュプル法で行なわれる場合は、測定に要する時間は二つの因子により低減される。

ステップｖｉ）、ｖｉｉ）が同時に実行される本発明のバージョンは、特に有利である。混合信号を第二と第３の基準信号と同時に混合することは、シリアル時間分割多重法とは異なり、並列の相関信号の生成を可能にして、それにより測定時間を実質的に節減する。この場合も、測定に要する時間は再度二つの因子により低減される。特に同じ接続配置を用いることにより避けられる、ステップｖｉ）とｖｉｉ）の間の短い時間のずれは、結果の相対的位相ずれが既知である限り重要ではない。

第二の基準信号の瞬間値と第３の基準信号の瞬間値が同時に検出される場合は、好都合である。この方法で、二つの値が互いに固定され既知である位相関係を有することが保証される。

第二の基準信号の周波数が、第一の基準信号の周波数と少なくとも部分的に強度変調された信号の周波数との間の差の周波数に等しい場合は、有利である。ステップｖｉ）およびｖｉｉ）でこのようにして起こるいわゆるホモダイン混合は、混合信号の二つの自己相関関数の値である、測定信号値を得ることを可能にし、従って強度変調信号の振幅と位相がこれらから計算されることができる。

トリガ信号が第１の基準信号を強度変調信号に対して比例し位相がロックされた変調信号と混合することにより形成され、第２の基準信号をこのトリガ信号と結合して位相がロックされる本発明のバージョンは、特に望ましい。この結合を用いて、全ての信号の位相と周波数が既知となり互いに向かってドリフトしないことが容易に達成される。

さらに、第１と第２の中間信号値の和が形成される場合は、好都合である。和の信号は直流成分のみを含むが、特に非相関または非強度変調の背景信号を考慮しており、ミキサーに衝突する全ての強度を測定できるようにする。

第２と第３の基準信号の位相が互いに９０度位相シフトされている場合は、互いに相関または自己相関関数に垂直な直角位相成分の値が、測定信号として得られる。

装置に関しては、第１、第２、第３の基準信号用の信号源が備えられ、該第１の基準信号の周波数が該強度変調の周波数とは異なり、かつ少なくとも一つのミキサー装置素子が備えられ、該ミキサー装置素子は該強度変調信号を該第１の基準信号と混合するために備えられ、該装置は該ミキサー装置素子の出力信号を一方では該第２の基準信号と、また他方では該第３の基準信号と混合するための二つの機器を有し、該第２と第３の基準信号が相対的に互いに位相シフトされている装備により、本発明に従って目的が達成される。、

ミキサー装置の本発明に従う設計は、時分割多重および空間分割多重なしで、ミキサー装置素子により放射された信号の二つの相関関数を検出出来るようにし、同時に単一の測定で強度変調信号の振幅と位相を測定出来るようにするので利点がある。ミキサー装置素子には二つ以上の読み出し電極の必要がないばかりか、時分割多重でのような、相関関数の個々の測定の間に第１の基準信号の位相位置をシフトすることも不必要である。

相関関数の並列評価は、時分割多重装置よりも二つの因子により測定をより迅速にすることと、空間分割多重検出器を伴うチップとの比較では、ここでも二つの因子により、検出チップの充填率における増加を可能にする。

装置がさらに強度変調信号用の信号源を有する場合は、好都合である。この信号が直接対象に導かれ、これに反射されて、ミキサー装置素子により検出されると、対象とミキサー装置素子の間の距離が検出された信号の位相位置から決定されることができる。

強度変調信号用の信号源が電磁放射用の放射源である場合は、好都合である。この放射の望ましい周波数範囲は、可視または近赤外領域に存在する。

電磁放射を検出するための装置は主として以下によりカバーされるが、請求される装置はまた、超音波用のミキサー装置素子と共に用いられることができる。

ミキサー装置素子が、望ましくはＰＧ−ＰＭＤ素子またはＭＳＭ−ＰＭＤ素子である、フォトミキシング装置である、本発明のバージョンが望ましい。本発明で用いられることができるようなＭＳＭ−ＰＭＤ素子は、それらの間に存在する光導電性の半導体材料を伴う、二つの読み出し電極を有する。二つの読み出し電極は、光導電材料に伝導するように接続される。読み出し電極が第１の電気基準信号により変調される一方で、強度変調される放射は光導電材料層に衝突する。光導電層内で生成された電荷キャリアは、二つの読み出し電極の電場内を移動する。読み出し電極で生成された生成電流または電圧変動は、光導電層の電気伝導率と印加される基準電圧の積に依存する。入射電磁放射の強度と、強度変調と第１の基準信号の間の位相差に依存して、電流または電圧信号は読み出し電極でタップされる。しかしながらそのようなフォトミキシング装置は、特許文献４に記述されているように、より複雑な構成を有することができる。このようにして、基準電圧がそれに印加されることができる、追加の透明変調ゲートが光導電層の上に備えられることができ、読み出し電極は単に電流または電圧の変調、即ち混合信号を測定するためのみに用いられる。追加の変調ゲートを伴うそのようなＰＭＤ素子は、ＰＧ−ＰＭＤ素子と呼ばれる。特許文献５に開示されるような、追加の記憶ゲート及び記憶構成を備える配置が、同様に用いられることができる。電極の形状は、特定の用途及びとりわけ例えば半導体シリコンまたはガリウム砒素である、用いられる光導電材料に依存する。それらは点状またはストリップ形状（ＭＳＭ）であることができ、またはその他の幾何学的形状を有することができる。原則として、現状技術から既知である全てのミキサー装置素子が本発明に従う装置に用いられることができる。

二つの読み出し電極の出力信号の間の差分信号を形成するための、望ましくは差動増幅器である機器を備える、本発明のバージョンが特に望ましい。ミキサー装置素子の出力信号の差分信号は、相関信号成分のみを含んでいる。

ミキサーの出力信号の間の和を形成するための機器が備えられる場合、この和信号は、混合信号の非相関直流成分にのみ、従って非変調背景信号の強度に、依存する。このようにして得られた和信号は、例えば積分器である、信号処理機器で評価されることができる。

本発明の特に望ましいバージョンでは、第２と第３の基準信号は、相対的に互いに９０度位相シフトされている。この方法で、強度変調信号の位相と振幅が特に大きな精度で測定されることができる、偶と奇の相関関数がミキサーの出力で得られる。

第２，第３の基準信号の周波数が、強度変調信号の強度変調の周波数と該第一の基準信号の間の差の周波数に等しく、第２、第３の基準信号がその差の周波数に組合せられて位相がロックされる場合は、好都合である。この方法で、二つの自己相関信号が二つのミキサーの出力で得られる。強度変調信号の位相は、これらから計算されることができる。

ミキサー装置素子の二つの出力信号の間の差分信号が、いわゆるＩＱミキサーを用いて処理される、本発明のバージョンは特に望ましい。そのようなＩＱミキサーは、デジタルまたはアナログの部品として、市場で入手することができる。略語ＩＱは、ミキサーへの入力信号が他の第３の基準信号と９０度位相がシフトされた第２の基準信号と混合されることを意味する、「位相が直角位相である」ことに立脚する。位相の測定精度を向上させるために、ミキサー１２、１３はプッシュプルミキサーとして装置に存在する、ミキサー装置素子のように設計されることができる。

本発明の代替のバージョンでは、互いに並列でミキサー装置素子の二つの出力信号の間に差を形成する二つの別個の差動増幅器が、ＩＱミキサーまたは二つの別個のミキサー素子の代わりに備えられる。これらの差動増幅器がそれらの供給側又は電力側で変調信号と接続された場合、この信号はミキサー装置素子の出力信号の間の差分信号と直ちに混合される。先と同じように相対的に互いに位相がシフトされた二つの第２、第３の基準信号がこの差動増幅器に印加される場合は、相関関数に対応する信号が再度この差動増幅器の出力で得られる。

アナログ−デジタルコンバータが、信号の方向で少なくとも一つの差動増幅器の後に、または二つのミキシング機器の後に備えられ、従ってそれ以降の信号処理がデジタル的に実行される、本発明のバージョンは特に望ましい。

アナログ−デジタルコンバータの前のサンプルホールドリンクの積分時間が、第二の基準信号の周波数の逆数またはその整数倍に等しい場合は、好都合である。

本発明の特に望ましいバージョンでは、装置の素子の少なくとも一部がチップ上に集積される。ミキサー装置素子、差動及び加算増幅器及びアナログ−デジタルコンバータが、チップ上の差動増幅器の後に集積される場合は、特に好都合である。この方法でデジタル信号が、特に第２、第３の基準信号との混合のための、さらなる処理のために取得される。さらに、それらの下流の構成要素を伴ういくつかのミキサー装置素子が、検出器アレイを形成するためにチップ上に集積されることができる。各々のミキサー装置素子は、３次元画像を検出するために画像検出チップの画素を形成する。そのチップがＣＭＯＳテクノロジを具体化している場合は、好都合である。

本発明の代替のバージョンでは、各々の場合に一つまたはそれ以上のミキサー装置素子がチップ上で二つの下流の差動増幅器とそれぞれ集積され、従って直角位相信号がこの画像検出チップからアナログまたは同様にデジタルの形式で直ちに取得されることができるならば、好都合である。

本発明の特に望ましいバージョンでは、ミキサー装置素子の読み出し電極が、望まれない電荷キャリア、特にミキサー装置素子の外の光により生成された電荷キャリアを除去する機器に接続されている。このようにして、プッシュプルの必要な信号は殆ど毀損されない一方で、基本的に非変調の外光により生成される同相信号は実質的に抑制、即ち特に線形のダイナミックレンジにされることができる。これらの除去機器は、周期的に動作される。

この方法で、ミキサー装置素子内で起こる信号の集積は、一定の間隔で中断される。蓄積された電荷キャリアはその際に放電され、従って集積処理は新しく始めることができる。この方法で、ミキサー装置素子のオーバーフローが防止される。

ミキサー装置素子のリセットに起因する、残りの機器の崩壊を可能な限り小さく維持するために、二つの読み出し電極またはミキサー装置の積分素子を、そのミキサー装置の出力信号の周期の長さの整数倍に対応する間隔で、リセットすることが好都合である。そのリセットが混合信号の発振のゼロクロスで起こるならば、さらに好都合である。

リセットに起因する残りの回路の崩壊効果をさらに極小化するために、読み出し電極が回路の残りからミキサー装置素子を切り離す装置を伴って、結線されることが有利である。これらの切り離し装置は、基本的にリセット装置と同期して動作され、ミキサー装置がリセットされる時はいつでも残りの回路からミキサー装置を切り離す。切り離し装置は、信号の方向で除去装置の後に配置される。ミキサー装置素子の再接続、即ち二つの引き続く積分時間の開始が、リセットの直後で混合信号のゼロクロスがまだ続いている時におこるならば、好都合である。ミキサー素子の積分時間は、望ましくは混合信号の周波数の逆数の整数倍であるべきであり、かつさらに次のリセットの前に保持時間を持つべきである。

電荷キャリアを除去する装置及びミキサー装置素子を切り離す装置は、単純なスイッチであることができ、または望ましいバージョンでは金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）である。

本発明のさらなる利点、特徴及び用途の可能性は、以下の望ましいバージョンの記述とそれに添付された図面から明瞭になる。

本発明の望ましいバージョンの模式図は、図１に示される。図を参照して、本発明に従う装置の望ましいバージョンと本発明に従う方法の動作モードの双方が、以下に記述される。

この装置は、ＰＭＤ素子として設計されるフォトミキシング素子１と、読み出し回路２を有する。ＰＭＤミキサー素子１と、アナログ−デジタルコンバータ１１を含む読み出し回路２は、単一のチップ３に集積されている。デジタルＩＱミキサー回路４は、チップ３の外部に配置されている。

代替案としてＩＱミキサー回路４は、同様にアナログ回路の形式で設計されることができ、他のモジュール１，２と共にチップ３に集積されることもできる。

示されたＭＳＭ−ＰＭＤミキサー素子１は、それらの間に構成された光導電半導体層に導電的に接続された二つの読み出し電極を含む。このＰＭＤミキサー素子１は、プッシュプル動作のために結線されている。検出過程のよりよい理解のために、ＰＭＤミキサー素子１は二つの別個のミキサー１ａ、１ｂおよび入射電磁放射用の検出器１ｃを伴う等価回路として表わされる。検出器１ｃでは、入射電磁放射Ｐ_Ｅ（ｔ）は、電流信号Ｉ_Ｅ（ｔ）＝ＳＰ_Ｅ（ｔ）に変換される。ここでＳはミキサー装置素子の感度である。

この等価回路は、相対的に互いに反転された二つの基準信号がＰＭＤミキサー素子の二つの読み出し電極に存在し、かつ相関信号に対しては、同様に相対的に互いに反転された混合信号がＰＭＤミキサー素子１の二つの読み出し電極で取り出されることができることを、特に明らかにする。

非相関信号Ｐ_Ｅ（ｔ）、±Ｕ_ｍ（ｔ）は常に、Ｉ_ａ（ｔ）およびＩ_ｂ（ｔ）に対する等価平均値の、Ｐ_Ｅ（ｔ）またはΔＵ_ｍ（ｔ）の期間の最長関連信号の和または最短時間にわたるそれらの積分またはそれらの整数倍になる。

相関信号Ｐ_Ｅ（ｔ）、±Ｕ_ｍ（ｔ）は常に、Ｉ_ａ（ｔ）およびＩ_ｂ（ｔ）に対する等価プッシュプル値の、Ｐ_Ｅ（ｔ）またはΔＵ_ｍ（ｔ）の期間の最長関連信号の和または最短時間にわたるそれらの積分またはそれらの整数倍になる。

ＰＭＤミキサー素子１の読み出し電極の一つは、第１の基準電圧Ｕ_ｍ（ｔ）によりインパクトを受ける。他方それとは反転された基準信号−Ｕ_ｍ（ｔ）は、ＰＭＤミキサー素子１の第２の読み出し電極に印加される。二つの基準信号Ｕ_ｍ（ｔ）および−Ｕ_ｍ（ｔ）の周波数または角周波数ω_２は、同一である。基準信号は任意の周期信号または準周期信号であることができ、単純化のために以下では、双方の基準信号はＵ_ｍ（ｔ）＝ｃｏｓω_２・ｔの形式の余弦信号であると仮定される。

Ａ・ｓｉｎ（ω_１ｔ−Φ）の形式の強度変調光放射信号Ｐ_Ｅ（ｔ）が、ＰＭＤフォトミキサー１の光導電半導体層に衝突する。Ａは光放射信号の振幅、ω_１はその周波数、Φは信号の位相位置である。電磁入力信号Ｐ_Ｅ（ｔ）は、光ミキシング装置で電流信号Ｉ_Ｅ（ｔ）に変換される。

入射電磁放射の強度変調の変調周波数は、示されるバージョンでは２０ＭＨｚである。

このために、基準信号Ｕ_ｍおよび−Ｕ_ｍの周波数は５０ＫＨｚシフトされ、従って２０．０５ＭＨｚである。

電磁入力信号Ｐ_Ｅ（ｔ）またはその電流信号Ｉ_Ｅ（ｔ）は、ＰＭＤミキサー素子１でプッシュプル動作により基準信号Ｕ_ｍ（ｔ）と混合される。この方法により、相対的に互いに反転された二つの信号Ｉ_ａ（ｔ）、Ｉ_ｂ（ｔ）が、Ｉ_ａ（ｔ）〜Ａｓｉｎ（Δωｔ−Φ）およびＩ_ｂ（ｔ）〜Ａ−ｓｉｎ（Δωｔ−Φ）の形式で、ＰＭＤミキサー素子１の読み出し電極で得られる。Δωは、光放射信号Ｐ_ｅ（ｔ）または電気基準信号Ｕ_ｍ（ｔ）の角周波数ω_１，ω_２の間の差である。

ＰＭＤミキサー素子１の出力信号Ｉ_ａ（ｔ）、Ｉ_ｂ（ｔ）は、読み出し回路２を用いて読み出される。読み出し回路２は、基本的に差動および加算増幅器９，積分器１０，アナログ−デジタルコンバータ１１からなる。ＰＭＤミキサー１の出力信号の間の差Ｉ_ａ（ｔ）−Ｉ_ｂ（ｔ）および和Ｉ_ａ（ｔ）＋Ｉ_ｂ（ｔ）の双方が、差動および加算増幅器９を用いて形成される。和信号Ｕ_Σは、ＰＭＧ素子上に衝突する電磁電流の非相関信号成分に依存し、従ってそれに続く積分器１０で積分される和信号は、検出器に突き当たる非変調の放射の強度の測定値である。

差動増幅器の出力信号Ｕ_Δ（ｔ）は、項Ａｓｉｎ（Δωｔ−Φ）に依存する、電圧信号である。それは、変調放射信号の振幅Ａとその位相位置Φの、双方についての情報を含んでいる。

本発明の示されるバージョンでは、差分信号Ｕ_Δ（ｔ）は、同様にチップ３上に配置されたアナログ−デジタルコンバータ１１を用いて、デジタル信号Ｕ_Δ（ＫＴ）に変換される。アナログ−デジタルコンバータ１１のサンプルホールドリンクのクロック周波数は、光放射信号Ｐ_Ｅ（ｔ）と第１の基準信号Ｕ_ｍ（ｔ）の間の、混合信号の周波数Δｆ＝Δω／２πに対応する。デジタル化された出力信号Ｕ_Δ（ＫＴ）は、チップから引き出され、デジタルＩＱミキサー回路４に入力される。しかしながら代替のバージョンではアナログ−デジタルコンバータ１１は取り除かれ、ＩＱミキサー回路４はまたアナログ型式であることができる。

ここで、デジタル化された差分信号Ｕ_Δは、二つの別個のミキサーに並行に導かれる。それらはそこで、第２または第３の基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）またはＵ_Ｑ（ｔ）と、各々混合される。信号源１４，１５により生成された第２および第３の基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）、Ｕ_Ｑ（ｔ）は、強度変調放射信号Ｐ_Ｅ（ｔ）および第１の基準信号Ｕ_ｍ（ｔ）の間の混合信号と同じ角周波数Δωを有する。

基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）とＵ_Ｑ（ｔ）はさらに、信号源１４，１５または５，６，８の間の点線の接続で表示される、混合信号Ｕ_Δ（ｔ）と結合されて位相をロックされる。この結合を実行するために、第１の基準信号はさらに信号源８の変調器を駆動する信号と混合される。このように生成されたトリガ信号はまた角周波数Δωを有し、混合信号Ｕ_Δ（ｔ）に対して固定された位相関係を有する。第２、第３の基準信号のための信号源１３，１４は、Ｕ_Δ（ｔ）への結合と同時に起こるように、トリガ信号に結合されて位相をロックされる。

第２の基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）はまた同相の信号とも呼ばれ、その差分信号Ｕ_Δ（ＫＴ）に対する絶対位相位置は任意に選択されてよい。第３の基準信号Ｕ_Ｑ（ｔ）は直角位相信号とも呼ばれ、第２の基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）に対して９０度位相がシフトされている。従って第２、第３の基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）、Ｕ_Ｑ（ｔ）は同様に、正弦および余弦信号と呼ばれることができる。二つのミキサー素子１２，１３の出力信号は、ホモダイン混合が関係しているので、光放射信号Ｐ_Ｅ（ｔ）の位相位置Φの正弦または余弦に依存する。従ってミキサー１２，１３の出力信号は、偶の（正弦）または奇の（余弦）自己相関関数に対応する。光放射信号Ｐ_Ｅ（ｔ）の位相位置Φは、これら二つの関数からａｒｃｔａｎ（（ｓｉｎ−Φ）／（ｃｏｓ−Φ））として計算されることができる。加算リンク器１６，１７はミキサー素子１２，１３の出力信号の足しあわせを可能にし、この加算はアナログ−デジタルコンバータ１１のサンプルホールドリンクのクロック周波数の逆数Ｔ_Δ＝１／Δｆに対応する。

本発明の他のバージョンが、図２に模式的に示される。変調された電磁放射Ｐ_Ｅ（ｔ）のＭＳＭ−ＰＭＤミキサー素子１’および信号源８’、また基準信号Ｕ_ｍ（ｔ）、−Ｕ_ｍ（ｔ）用の信号源５’、６’は、図２のそれらに同一である。しかしながら、ＰＭＤ素子１’の二つの読み出し電極は各々が、読み出し回路２’の二つの並列に接続された差動増幅器２０’、２１’に接続されている。さらに、ＰＭＤ素子１’の二つの読み出し電極は、読み出し電極上の二つの信号の和を形成するために、加算増幅器に接続されている。しかしながらこの加算増幅器は、単純化のために図示されていない。

ＰＭＤ素子１’の読み出し電極の二つの信号Ｉ_ａ（ｔ）、Ｉ_ｂ（ｔ）の間の差は、差動増幅器２０’、２１’で形成される。電力の接続は、第２または第３の基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）またはＵ_Ｑ（ｔ）により影響される。これらの信号は、図１に示されるバージョンの信号源１４，１５と同一である、信号源２２’または２３’により生成される。基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）、Ｕ_Ｑ（ｔ）の周波数は、ＰＭＤ素子上に衝突する電磁放射Ｐ’_Ｅ（ｔ）の強度変調の周波数と第１の基準信号Ｕ’_ｍ（ｔ）の周波数の間の差の周波数に等しい。さらに、信号源２２’、２３’は、この周波数の信号に位相がロックされている。

差動増幅器２０’、２１’の非線形特性のために、差分信号Ｕ’_Δがこの差動増幅器で形成されるのみならず、この差分信号は基準信号Ｕ_Ｉ（ｔ）またはＵ_Ｑ（ｔ）と同時に混合される。従って信号の直角位相成分または偶と奇の自己相関関数が、差動増幅器２０’、２１’の出力で直ちに得られる。二つの差動増幅器２０’、２１’の後の信号は、図１に示されるバージョンのミキサー１２、１３の後の信号に対応する。直角位相信号は図２ではアナログ形式で表示されるので、アナログ−デジタルコンバータ２４’または２５’は差動増幅器２０’、２１’の後に配置され、従って直角位相信号はさらなる処理のために、チップ３’からデジタル形式で取り出されることができる。

図１及び２に表わされるＰＭＤ素子１、１’及び読み出し回路２、２’は、画像検出のための２次元アレイからのセグメントを表わす。各々のＰＭＤ素子１、１’には、読み出し回路２、２’と二つのさらなるミキサーが割り当てられる。点線の境界３’の内部にある素子は、各々が画像検出チップ上に集積され、従ってこれはさらなる信号及び画像処理のためにデジタル信号を出力する。

本発明の代替のバージョンが、概要をより判りやすくするために、強度変調放射信号Ｐ”_Ｅ（ｔ）のためのＰＭＤミキサー素子１”、信号源５”、６”、８”及び第１の基準信号Ｕ”_ｍ（ｔ）及び差動増幅器９”のみが表わされた、図３に示される。この点で図示された装置は、図１に示されるバージョンと構造的に同一である。ＰＭＤミキサー素子はＰＧ−ＰＭＤ素子であり、従って図１、２からのＭＳＭ−ＰＭＤ素子と比較して、読み出し電極の代わりに第１の基準信号にプッシュプル動作で接続された、二つの追加の変調ゲートを有する。このＰＧ−ＰＭＤ素子は、生成された記号信号の統合を引き起こす、追加の散乱キャパシタンス３１”又は３２”を示す。

従って図示される装置は、図１、２に示されるバージョンと比較して、ＰＭＤミキサー素子に集積される電荷を除去するため、及びＰＭＤミキサー素子１”を残りの回路配置と切り離すための、追加の機器を有する。

ＰＭＤ素子１”に集積される電荷キャリアを除去する素子は、二つのスイッチ２６”、２７”からなり、それらが閉になると、素子の読み出し電極を経由してＰＭＤミキサー素子からアース２８”へ、電荷キャリアを直接放電する。スイッチとして模式的に示される素子２６”、２７”は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタとして実現される。これらのスイッチは同時に周期的に動作され、従ってある予め定められた積分期間の後には、ＰＭＤ素子１”はリセットされ、全ての電荷キャリアの集積は放電されることができる。この方法では、素子１”のオーバーフローが防止されるので、これは利点である。二つのリセット処理の間の積分期間は、信号Ｉ_ａ（ｔ）またはＩ_ｂ（ｔ）の複数の変調周波数の正確な積分である。

このＰＭＤ素子１”の周期的なリセットの、下流読み出し回路９”への、及び従って混合信号Ｕ”_Δ（ｔ）への干渉を防止するために、ＰＭＤ素子１”を読み出し回路２”から切り離すための機器２９”が、追加で備えられる。従ってＰＭＤ素子１”を切り離すための機器２９”は、スイッチ３０”として模式的に示される、二つのさらなるＭＯＳＦＥＴからなる。どちらの場合も、スイッチ素子２６”、２７”を閉じてＰＭＤ素子１”をリセットする直前に、ＰＭＤ素子１”はスイッチ３０”を用いて以下の読み出し回路から切り離され、従ってリセットは以下の回路２”といかなる干渉も起こさない。図示されるバージョンでは、ＰＭＤ素子１”が以下の読み出し回路３”から切り離される周期は、混合信号Ｉ”_ａ（ｔ）、Ｉ”_ｂ（ｔ）の周期の整数倍である。さらに干渉を最小化するためにＰＭＤ素子１”は、混合信号Ｉ”_ａ（ｔ）、Ｉ”_ｂ（ｔ）のゼロクロスの期間中に、精密に読み出し回路に再度接続される。

本記述、図面及び請求項から当業者に明かされる全ての特徴は、例えそれらが特定のさらなる特徴と関連してのみ特に記述されたとしても、それが明示的に除外され、または技術的条件がそのような組合せを不可能で意味がないとしない限り、個々にまたは任意の所望の組合せの双方で組合せられることができることが、開示の独創性を期すために指摘される。特徴の全ての考えうる組合せの包括的明示表現は、記述の簡潔性と読みやすさのためにのみここでは割愛されている。

本発明に従う方法を実施するための、本発明に従う装置の第１バージョンを模式的に示す。 本発明に従う方法を実施するための、本発明に従う装置の代替バージョンを模式的に示す。 本発明に従う装置の第３バージョンを模式的に示す。

符号の説明

１，１’、１” フォトミキサー素子
１ｃ，１ｃ’、１ｃ” 等価回路におけるフォトミキサー素子１，１’、１”の要素
１ａ，１ａ’、１ａ” 等価回路におけるフォトミキサー素子１，１’、１”の要素
１ｂ，１ｂ’、１ｂ” 等価回路におけるフォトミキサー素子１，１’、１”の要素
２，２’、２” 読み出し回路
３，３’ チップ
４ デジタルＩＱミキサー素子
５，６；５’，６’；５”，６” 基準信号源
８，８’、８” 変調した電気放射源
９，９” 差動および加算増幅器
１０ 積分器
１１ アナログ−デジタルコンバータ
１２，１３ ミキサー素子
１４，１５ 信号源
１６，１７ 加算リンク器
２０’、２１’ 並列接続の差動増幅器
２２’、２３’ 信号源
２４’、２５’ アナログ−デジタルコンバータ
２６”、２７” スイッチ
２８” アース
２９” ＰＭＤ素子を読み出し回路から切り離す装置
３０” スイッチ
３１”、３２” 散乱キャパシタンス

Claims (19)

1. 強度変調信号の強度変調の位相位置を検出する装置であって、
   二つの読み出し電極を有するミキサー装置素子を有し、
   該ミキサー装置素子は前記強度変調信号を第１の基準信号と混合するために備えられ、
   該強度変調信号用の信号源を有し、
   該信号源は、５００ｋＨｚと５００ＭＨｚの間の周波数を伴う信号の強度変調用の変調器を有し、
   第１、第２、第３の基準信号用の信号源を有し、
   該第１の基準信号の信号源は前記第１の基準信号の周波数が前記強度変調の周波数と異なるように調整されており、
   前記第２の基準信号の信号源及び前記第３の基準信号の信号源は前記第２の基準信号の周波数が前記第３の基準信号の周波数と等しく、かつ第２及び第３の基準信号の周波数が前記第１の基準信号の周波数と異なり、かつ第２及び第３の基準信号が相対的に互いに位相シフトされるように調整されており、
   前記二つの読み出し電極の出力信号の間の差分信号を形成するための機器と、
   前記二つの読み出し電極の出力信号の間の差分信号を形成するための前記機器の出力信号を前記第２の基準信号と混合するように調整されるミキシング機器と、
   前記二つの読み出し電極の出力信号の間の差分信号を形成するための前記機器の出力信号を前記第３の基準信号と混合するように調整されるミキシング機器と、
   前記強度変調信号の前記強度変調周波数と前記第１の基準信号の周波数との間で差分周波数を有するトリガー信号が形成されるように、前記第１の基準信号を前記変調器を駆動する信号とミキシングする機器と、
   前記第２及び第３の基準信号を前記トリガー信号に連結する位相ロック用の機器と、
   を有し、
   前記強度変調の位相位置を測定する評価ユニットが、信号の方向で前記ミキシング機器の後に備えられていることを特徴とする強度変調信号の強度変調の位相位置を検出する装置。
2. 該差分形成機器が、信号の方向に対して該ミキシング機器の前に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 該第２と第３の基準信号の位相が、相対的に互いに９０度位相シフトされていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 該二つの読み出し電極の出力信号の間の和信号を形成するための機器を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 該ミキサー装置素子はフォトミキシング装置であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 該第１の基準信号を反転した基準信号用の信号源を有し、かつ該ミキサー装置素子が該第１の基準信号に備えられ、また該強度変調信号を混合するために該信号が反転されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 該強度変調信号用の信号源は電磁放射用の信号源であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 該強度変調信号の強度変調の周波数と該第一の基準信号の周波数の間の差の周波数は、１ｋＨｚと１００ｋＨｚの間であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 少なくとも二つのミキシング機器が並列に接続されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
10. 該ミキシング機器がデジタル回路技術を用いていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
11. 該ミキシング機器がＩＱミキサー素子に集積されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
12. 該ミキシング機器が少なくとも二つの差動増幅器であり、第一の差動増幅器の供給接続が該第２の基準周波数で変調され、第二の差動増幅器の供給接続が該第３の基準周波数で変調されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
13. アナログ−デジタルコンバータが、信号の方向で該差動増幅器の後に備えられることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
14. 該アナログ−デジタルコンバータのサンプルホールドリンクの積分時間が、該第二の基準信号の周波数の逆数に等しいことを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置。
15. 該装置の素子の少なくとも一部が、チップ上に集積されることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の装置。
16. 該ミキサー装置素子の該読み出し電極が、該ミキサー装置素子から電荷キャリアを除去するための機器に接続されることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の装置。
17. 該ミキサー装置素子を残りの装置から切り離すための機器が備えられることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれかに記載の装置。
18. 除去及び／又は切り離すための機器がトランジスタであることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の装置。
19. マッピングレンズシステムおよび請求項１乃至１８のいずれかに記載の装置のアレイを有する、３Ｄカメラ。

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