适用于信号的延迟敏感测试的方法和器件的制作方法

专利名称：适用于信号的延迟敏感测试的方法和器件的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种适用于检测至少部分强度调节信号的幅度和/或者相位的方法，以及一种实现该方法的器件。
背景技术：
从现有技术知道适用于距离测量的相位或者延迟敏感的混频器件元件。例如，在德国专利申请DE196 35 932和DE197 04 496中适用于电磁辐射称之为的光栅极光混频器件(PG-PMD)讨论了这种元件。作为一种可供选择的PG-PMD元件，例如，混频器件元件也可以被设计描述成MSM-PMD元件(MSM金属-半导体-金属)，正如WO 02/33922所公开的那样。
从现有技术了解到，混频器件元件的一个共性是它们都具有在光导电材料延伸上，特别是在半导体材料上的读出电极。另外，还可以在半导体材料上提供两个或者多个的透明调制栅极。
如果器件元件的光导部分是由强度调制电磁辐射来点亮，尤其是在可见光或者红外波频谱范围内的电磁辐射更佳，则读出电极之间的器件元件导光性的变化取决于此时的强度碰撞。如果互相反相的或者相移180度的幅度调制的电流或者电压信号同时施加于在调制数据(在PG-PMD元件的情况下)或者直接施加于读出电极(在MSM-PMD元件的情况下)，则混频信号可在读出电极上接收并且可由入射辐射的强度调节频率和参考频率之间的差值频率来调制。在混频器件元件的读出电极上输出的信号也取决于辐射的强度。如果读出电极的2个输出信号叠加在一起，则可以获得一个取决于辐射强度的信号，且仅仅只包含直流分量(DC)。另一方面，在读出电极的两个输出信号之间的差分信号仅仅包含相关联的信号分量。因此，差分信号也同样携带着入射强度调制辐射的相位和幅度的信息。
上述的方法可称之为推挽检测或者“平衡检测”，因为混频元件的调制或者读出电极是通过互相反相或者相移180度的信号相连接的。如前所述，通过形成在混频器件的两个输出信号的差值，并且仅仅只考虑那些相关联的信号，推挽方法就可能抑制混频结构强度调制辐射中的直流分量以及非对称性分量。
在测量过程中，由于信号的幅度和相位都是未知的变量，所以根据在混频器上的辐射碰撞和参考信号的调制信号，至少需要具有不同相位的参考信号的两种测试才能测量出差异化形成之后的测试信号的幅度和相位。
从现有技术中了解到的检测器中，或者使用空分复用方法或者使用时分复用方法来实现这两种测试。
在空分复用方法的情况下，检测器或者图像元件都具有两个混频器件。这两个混频器件可以一个接一个分别相连的排列或者作为一个集成的部分，例如，形成交叉对排列的读出电极。关键的特点是各个检测器元件的参考信号都是推挽调制的且它们都具有相对于各自的第二检测元件参考信号的相移，理想的是90°。采用这种方法，就能够测量出被测信号的两个相关函数以及计算出相位和幅度。在空分复用方法的情况下，为了能够同时计算出两个自相关函数，每个图像元素都需要大约单个信号混频元件的两倍的表面积。
在时分复用的情况下，信号的自相关函数是以时间顺序来测定的，在两个相关的测试中，混频器件元件的参考信号相对于彼此来说都是相移的。因此，时分复用方法需要两倍于空分复用方法的测试时间。特别是在测试时间起到重要作用的应用中，这是一个缺点。例如，在道路交通中要检测距离，如果给于一司机或者自动系统充足的反应时间来避开障碍物，那么，短的测试时间是主要的。
另一方面，本发明的目的是提供一种可避免前面所述现有技术缺点的方法及器件。
发明概要根据本发明，该目的可通过提供一检测至少部分强度调制信号的幅度和/或者相位的方法来实现，该方法包括如下列步骤i)检测一至少部分强度调制信号的瞬时值；ii)检测一第一参考信号的瞬时值，第一参考信号所具有的频率不同于强度调制的频率；iii)混频检测到的至少部分强度调制信号的瞬时值和检测到的第一参考信号的瞬时值，以获得一混频信号的值；iv)检测一第二参考信号的瞬时值，第二参考信号所具有的频率不同于第一参考信号和强度调制的频率；v)检测一第三参考信号的瞬时值，第三参考信号所具有的频率相同于第二参考信号的频率，但是具有相对于第二参考信号的相移；vi)将混频信号的值和检测到的第二参考信号的瞬时值混频以获得第一个测试信号值；vii)将混频信号的值和检测到的第三参考信号的瞬时值混频以获得第二个测试信号值；和，viii)从两个测试信号值中计算出至少部分强度调制信号的幅度和/或者相位。“强度调制信号”可以是纯粹的电信号，电磁信号，较佳的是在可见或者红外光谱范围的电磁信号，也可以是超声波信号，只要所使用的各个检测器可适用于相应的信号即可。对于超声波信号，则“强度调制”必须解释为幅度调制。
参考信号可以是电信号或者电磁信号，也可以是超声波信号。
这里和以后所使用的术语信号的“频率”是指在最简单的情况下，信号是正弦的或者余弦的，或者是被一单一频率调制的信号。然而，也可以用其它周期性的或者准周期性的(例如随机噪声)调制的，因此，“频率”是指一个离散频率的完整组合或者频率范围。在这里使用的“相同频率”有信号间时间相关的含义。
术语“相位”或者“相位的位置”通常用来描述一时间信号的延迟，虽然在给出的例子中，只给出了最简单的正弦调制的情况。
本发明的原则是基于用已知频率的第二和第三参考信号混频强度调制信号与携带幅度和相位位置信息的第一参考信号之间的混频信号，第二和第三参考信号的频率不同于第一参考信号的频率和强度调制信号的频率。采用这种方式就可以得到两个相关函数，如果所有信号的频率和相位都已知的话，则强度调制信号的幅度和相位可以从这两个函数中计算出。
依照本发明的方法使仅仅一次测试(单击)就可以检测出强度调制信号的幅度和相位成为可能。采用这种方式，与时分复用测试方式相比，测试时间可减少到二分之一，与空分复用方式相比，可节省芯片上的主要表面积，因此，芯片的填充比率将近翻倍了。
在本发明的一实施例中在第iii)步较佳地包含下列一些步骤a)将检测到的至少部分强度调制的信号的瞬时值和检测到的第一参考信号的瞬时值进行混频以获取至少一第一中间值。
b)将至少部分强度调制信号的瞬时值和第一参考信号乘-1的瞬时值进行混频以获取至少一第二中间值。
c)在第一和第二中间值中形成差异值，以获取混频信号值。
例如，推挽操作的强度调制信号一旦与第一参考信号进行混频以及一旦与频率相同相互反相的信号混频，就可能在两个所获得的中间信号中形成明显的差值从而形成混频信号。在该差值形成的过程中，中间信号的所有直流分量相互抵消，混频信号仅仅只包含相关的信号分量。采用这种方式，就能够有效地抑制非相关背景信号，例如，由于环境光线。然而，例如由一元件处理所产生的混频器的所有非对称性也可以得到平衡。
本发明的一个实施例较佳的是同时执行其中步骤i)，ii)和iii)。这样，步骤i)，ii)，和iii)可以一种显著低噪声和有效的方式来执行。这可以在例如PG-MPD或者MSM-PMD之类的光混频器件中同时发生。
特别有益的是第一参考信号的瞬时值和至少部分强度调制信号的瞬时值可同时检测。如果该检测采用推挽方式进行，则在监测上花的时间减少到二分之一。
本发明的实施例特别有利于同时进行步骤vi)和vii)。这种混频信号与第二和第三参考信号的同时混频使得并行的相关信号的生成成为可能，不同于串行时分复用方式，因此可实实在在地节省测试时间。在这种情况下，在测试上所花的时间又可节省二分之一。在步骤vi)和vii)之间的短的时间滞后，尤其可通过使用相同的连接排列来加以避免，且只要所生成的相关相位位移是已知的，那么它就不重要了。
如果同时检测第二参考信号的瞬时值和第三参考信号的瞬时值是有利的。在这种方式下，可以保证两个值具有固定的而且是已知的相互相位关系。
如果第二参考信号的频率等于第一参考信号与一至少部分强度调制的信号之间的差值频率，则更为有益。在步骤vi)和vii)中所产生的称之为零差混频这样的事情使得有可能获得混频信号的两个自相关函数的测试信号值，从而可从中计算出强度调制的信号的幅度和相位。
本发明一实施例较佳的是其中触发信号可通过将第一参考信号和一调制信号混频形成。所述调制信号和强度调制的信号成比例并且锁定相位。第二参考信号和触发信号相位锁定相耦合。借助于这种耦合，就可以很容易实现已知所有信号的相位和频率并且相互之间不会漂移。
此外，如果能形成第一和第二中间信号值的和是有益的。该叠加信号只包含直流分量，并且也特别考虑了非相关和非强度调制的背景信号，从而有可能在混频器中给出所有的强度碰撞测试。
如果第二和第三参考信号的相位是相互之间相差90°的，就能获得相关或者自相关函数的正交分量的值且以此作为测试信号。
有关器件，根据本发明的目的可通过为第一，第二和第三参考信号提供的源信号来实现，第一参考信号的频率不同于强度调制的频率，并且提供至少一个混频器件，该混频器件提供可用于将第一参考信号和强度调制的信号相混频，并且它可具有两个装置分别用于混频器件元件的输出信号一方面与第二参考信号混频另外一方面与第三参考信号混频，其中第二和第三参考信号相互之间是相移的。
依照本发明的混频器件的设计是有益的。因为它有可能不使用时分复用测试和空分复用测试的方法，而是通过混频器件来检测混频器件所发射信号的两个相关函数和使用单次测试同时测试强度调制的信号的幅度和相位。在混频器件中不需要超过两个读出电极，也没有必要如同时分复用测试那样在各个相关函数测试中对第一参考信号的相位位置进行相移。
相关函数的并行计算有可能比时分复用测试器件快两倍，并且与空分复用测试的芯片相比较其检测芯片的填充比例又可增加两倍。
如果器件额外还具有一个用于强度调制的信号源，是有益的。如果信号可直接对准一目标，且被目标反射和通过混频器件元件进行检测，则在目标和混频器件元件之间的距离可以从所检测到的信号相位中推断出来。
如果强度调制的信号源是电磁辐射源，是有益处的，辐射较佳的频率范围处于可见或者近红外的范围内。
虽然用于检测电磁辐射的器件主要包含于下面的介绍中，所保护的器件也可以结合用于超声波的混频器件元件使用。
本发明的一实施例较佳的是其中混频器件元件是光混频器件，更佳的是PG-PMD元件或者MSM-PMD元件。诸如可以用于本发明的MSM-PMD元件具有光导性半导体材料平铺其中的两个读出电极。两个读出电极导电性地连接着光导材料。在光导性层中所生成的电荷载流子可在两个读出电极之间的电场中移动。所产生的电流或者在读出电极处产生的电压脉动都依赖于光导性层导电性和所施加参考电压的乘积。因此，可以在读出电极处获取电流和电压信号，其中电流和电压信号都依赖于入射电磁辐射的强度以及强度调制与第一参考信号的相位差。然而，这类光混频器件都是有一种较为复杂的结构，例如在DE 198 21 974A1中所介绍的。于是，在读出电极仅仅用于测量电流或者电压调制(即，混频信号)的同时，可以在光导性层上提供能够施加参考电压的其它透明调制栅极。这类具有其它调制栅极的PMD元件称之为PG-PMD元件。这种安排也可应用于提供其它存储栅极和存储结构中，正如在德国专利申请DE10 2004 016 624所公开的那样。电极的形成取决于特殊的应用以及所使用的例如半导体硅或者砷化镓之类的光导材料上的特殊应用。它们可以是点状或者带状(MSM)，也可以是其它几何形状。原则上，从现有技术所知的所有混频器件都可以用于根据本发明的器件。
本发明的一实施例较佳地是其中具有一个装置，较佳的是提供差分放大器，用于形成两个读出电极的输出信号之间的差分信号。混频器件元件的输出信号的差分信号仅仅只包含相关信号分量。
如果还提供是用于形成混频器输出信号之间和的装置，则该叠加信号仅仅只取决于混频的信号中的非相关直流分量，因此它取决于非调制的背景信号的强度。由此可获得的叠加信号可以在信号处理装置(例如积分器)中进行计算本发明一实施例特别较佳的是其中第二和第三参考信号是相互相90°的。采用这种方式，在混频器件的输出中可从强度调制的信号的相位和幅度的特别的精确测量中获得到奇数和偶数的相关函数。
如果第二和第三参考信号的频率等于强度调制信号的强度调制和第一参考信号的差值频率则更为有益，这样第二和第三参考信号可相位锁定的耦合于该差值频率。采用这种方式，可在两个混频器的输出中获得两个自相关信号。从中可计算出强度调制信号的相位。
本发明的实施例较佳的是其中混频器件元件的两个输出信号之间的差分信号可在称之为IQ混频器的帮助下进行处理。这种IQ混频器作为数字或者模拟元件可以商业获得。IQ是“相位正交(in-phase quadrature)”的缩写，它表示输入混频器的输入信号与相对于另外第三参信号相移90的第二参考信号的混频。为了提高相位测量的精度，如同在器件中所陈述的混频器件元件一样，混频器12和13可以设计成推挽混频器。
在可供选择的另一个实施例中，提供了两个分离的差分放大器来取代了一个IQ混频器或者两个相互平行的，形成在混频器件元件的两个输出信号之间差值分的分离的混频器件元件。如果这些差分放大器在电源或者电源连接处和一调制信号相连，那么该信号可立即与混频器件元件输出信号之间的值信号相混频。如上所述，如果将两个相互间相移的第二和第三参考信号施加于差分放大器，则在差分放大器的输出可重新获得。
本发明的一实施例较佳的是其中至少在一个差分放大器后面或者在两个混频装置后面的信号方向上提供一模数转换器，从而以数字化进行后续的信号处理。
如果在模数转换器之前的取样-保持链的积分时间等于第二参考信号频率的倒数或者倒数的整数倍，则更为有益。
本发明的一较佳实施例中，至少一部分器件元件可集成在一块芯片上。如果混频器件元件，差分和求和放大器以及模数转换器都集成在芯片中的差分放大器的后面，则是更为有益。采用这种方式，可以数字信号来进行后续的处理，特别是用于与第二和第三参考信号的混频。另外，几个混频器件元件和其下游元件可以集成在一个芯片中，以使形成监测器阵列。每个混频器件元件都可形成用于检测三维图像的图像检测芯片中的图像元素。如果该芯片采用CMOS技术，则更为有益。
在一个可供选择的本发明的实施例中，如果在各种情形下，一个或者多个混频器件元件元件分别与两个下游的差分放大器一起集成在一个芯片上，则更为有益，从而可以模拟或者数字的形式从图像检测芯片获取相位正交信号。
在本发明的一个特别较佳的实施例中，混频器件元件的读出电极从混频器件元件连接着用于消除不需要的特别是由外部光产生的电荷载流子的装置。因此，共模信号，基本上是由非调制的外部光线所产生的，可以被充分的抑制，特别是抑制在线性动态范围内，因此推挽所需要的信号几乎没有被削弱。这些消除装置是可周期性工作的。
采用这种方式，在混频器件元件中所产生的信号积分可有规律的间隔中断。然后这些累加的电荷载流子放电，以使积分过程可以重新开始。采用这种方式，可阻止混频器件元件的溢出。
为了使得由于混频器件元件的复位所产生的中断对其它装置的影响尽可能的小，以对应于混频器件输出信号的周期长度整数倍的间隔同时复位混频器件的两个读出电极或者积分元件是有益的。如果复位发生在混频信号的振荡的过零周期中，则更为有益。
为了更进一步减小由于复位对其它线路所产生的中断效应，如果读出电极与用于将混频器件元件与其它线路相分离的器件相连接，则更为有益。这些分离的器件基本上是可与复位器件同步操作的，并且，无论混频器何时复位，都将混频器件与其它线路相分离。该分离器件可在消除器件后按照信号的方向排列。如果混频器件元件的重新耦合，也就是在接下来的两个积分时间开始的时候，紧接着复位以后并且仍然处于混频信号的零交叉的过程中发生，则更为有益。混频器件元件的积分时间较佳的应该是混频信号的频率倒数的整数倍并且在下一个复位之前还是有一个保持时间。
用于消除电荷载流子以及分离混频器件元件的器件可以是简单的开关或者，在一个更佳的实施例中，可以是金属氧化物半导体场效应管(MOS-FETs)。
其它优点、特征以及应用可能性可从下面对一个较佳实施例的下列描述和与之相关联的附图中变得显而易见。
附图简述

图1是显示用于实现根据本发明方式的根据本发明器件的第一实施例的示意图。
图2是显示用于实现根据本发明方式的、根据本发明器件可供选择的另一实施例的示意图。
图3是显示根据本发明的器件第三实施例的示意图。
较佳实施例的详细描述本发明的一较佳实施例示意图如图1所示。以下参考该图讨论根据本发明的器件的一较佳实施例和根据本发明的工作模式。
器件具有设计成PMD元件的光混频元件1和读出线路2。PMD混频元件1，包括模数转换器11的读出电路2都集成在芯片3上。数字IQ混频器线路4位于芯片3的外面。
可供选择的，IQ混频器线路4也可以模拟线路的形式设计并且和其它模块1，2一起都集成在芯片3上。
所呈现的MSM-PMD混频器件元件1包括两读出电极，它们导电连接着平铺在它们中间的光导性的半导体层。PMD混频器件元件1连接成推挽工作方式。为了更好的理解检测过程，PMD混频器件元件1表达成一具有两个分离的混频器1a，1b和一个用于入射电磁辐射的检测器1c的等效线路。在检测器1c中，入射的电磁辐射PE(t)可转换成一电流信号IE(t)＝SPE(t)，其中S是混频器件元件的灵敏度。
上述等效电路清晰的显示了在PMD混频器件元件的两个读出电极可呈现出两个相互反相的参考信号，并且对于相关信号，可在PMD混频器件元件1的两个读出电极获取类似于相互反相的混频信号。
非相关信号PE(t)和±Um(t)总是以PE(t)或者Um(t)最长相应信号周期的最小时间内的和或者积分的形式产生或者以其整数倍的形式产生，作为Ia(t)和Ib(t)相同的平均值。
相关信号PE(t)和±Um(t)总是以PE(t)或者Um(t)最长相应信号的周期的最小时间内的和或者积分的形式产生或者以其整数倍的形式产生，作为Ia(t)和Ib(t)相同的推挽值。
PMD混频器件元件1的一个读出电极受第一参考电压Um(t)的影响。另外一方面，与其反相的参考信号-Um(t)施加在PMD混频器件元件1的第二读出电极上。两个参考信号Um(t)和-Um(t)的频率或者角度频率ω2是相等的。参考信号可以是任意的周期性或者准周期性的信号，为了简单起见，以下假设两个参考信号都是Um(t)＝cosω2·t的余弦信号。
A·sin(ω1t-Φ)形式的强度调制光辐射信号PE(t)在PMD光混频器1的光导半导体层上碰撞。A是光辐射信号的幅度，ω1和Φ分别是信号的频率和相位。电磁输入信号PE(t)在光混频器中转换成电流信号。
在所讨论的实施例中，入射电磁辐射的强度调制的调制频率是20MHz。
因为这样，参考信号Um和-Um的频率偏移50KHz，因而其频率是20.05MHz。
电磁输入信号PE(t)或者它的电流信号IE(t)在PMD混频器件元件1中与参考信号Um(t)以推挽工作的方式进行混频。采用这种方式，可在PMD混频器件元件1的读出电极上以Ia(t)～Asin(Δωt-Φ)和Ib(t)～Asin(Δωt-Φ)的形式获得相互反相的两个信号Ia(t)和Ib(t)。Δω是光辐射信号PE(t)或者电子参考信号Um(t)的角频率ω1和ω2的差值。
PMD混频器件元件1的输出信号Ia(t)，Ib(t)可借助于读出线路2读出。读出线路2主要包括差分和求和放大器9，积分器10和模数转换器11。在PMD混频器1的输出信号之间的差值Ia(t)-Ib(t)与求和Ia(t)+Ib(t)都可借助于差分和求和放大器9形成。求和信号U∑取决于在PMD元件上电磁电流碰撞的非相关信号分量，因此，求和信号，在积分器10中积分的，是引入监测器的非调制辐射强度的测量。
差分放大器的输出信号U(t)是一个取决于条件Asin(Δωt-Φ)的电压信号。它包含了调制辐射信号的幅度A及其相位Φ的信息。
在所介绍的本发明的一实施例中，差分信号UΔ(t)可借助于在一同样位于芯片3的模数转换器11转换为数字信号UΔ(KT)。模数转换器11的采样-保持链的时钟频率等于光辐射信号PE(t)与第一参考信号Um(t)之间的混频信号的频率Δf＝Δω/2π.数字化的输出信号UΔ(KT)从芯片转向数字IQ混频器线路4。在一可供选择的实施例中，可以省却模数转换器11，以使IQ混频器线路4也可以是模拟类型的。
现在，可将数字化的差分信号UΔ并行地引入进两个分离的混频器。它们在分离混频器中，分别与第二或者第三参考信号UI(t)或者UQ(t)混频。由源14和15所创建的第二和第三参考信号UI(t)，UQ(t)具有与强度调制辐射信号PE(t)和第一参考信号Um(t)之间的混频信号相同角频率Δω。
此外，参考信号UI(t)和UQ(t)可相位锁定耦合着混频信号UΔ(t)，这可由源14和15或者5，6，8之间的虚线来表示。为了实现这种耦合，第一参考信号又与驱动信号源8的调制器信号相混频。这样所创建的触发信号也具有角频率Δω并且也是有相对于混频信号UΔ(t)固定的相位关系。用于第二和第三参考信号的源13，14现在可相位锁定耦合着触发信号，与UΔ(t)的耦合同时发生。
第二参考信号UI(t)也称之为同相信号，其中它相对于差分信号UΔ(KY)的绝对相位可以任意确定。第三参考信号UQ(t)称之为求正交信号并且它相对于第二参考信号UI(t)有90°的相移。因此，第二和第三参考信号UI(t)和UQ(t)也可以称之为正弦和余弦信号。两个混频器件元件12和13的输出信号由于引入了零差混频器，而取决于光辐射信号PE(t)的相位Φ的正弦或者余弦。因而混频器12和13的输出信号可相应于偶(正弦)和奇(余弦)自相关函数。光辐射信号PE(t)的相位Φ可以作为arctan(sin-Φ/cos-Φ)从这两个函数中计算出来。求和链16和17使得混频器件元件12和13的输出信号的总求和成为可能，求和必须每次都发生在相应于模数转换器11的采样-保持链的时钟频率的倒数TΔ＝1/Δf的时间间隔上。
本发明的另外一实施例如图2所示意显示。MSM-PMD混频器件元件1’和调制电磁辐射PE(t)的源8’以及用于参考信号Um(t)和-Um(t)的源5’和6’都类同于图2所示。然而，PMD元件1’的两个读出电极各自连接在读出电路2’中的两个平行相连的差分放大器20’和21’。此外，PMD元件1’的两个读出电极都连接着求和放大器，用以在读出电极上形成两个信号的和。然而，为了简单起见，并没有介绍该求和放大器。
PMD元件1’的读出电极的两个信号Ia(t)和Ib(t)的差值可在差分放大器20’和21’中形成。电源连线可由第二或者第三参考信号UI(t)或者UQ(t)引入。这些信号是由信号源22’或者23’所创建的，类同于图1所介绍实施例中的源14和15。参考信号UI(t)和UQ(t)的频率等于在PMD元件上所引入的电磁辐射P’E(t)调制强度的频率与第一参考信号U’m(t)的频率的差值频率。此外，源22’和23’锁定这个频率的信号的相位。
由于差分放大器20’和21’的非线性特性，不仅差分信号U’Δ在差分放大器中形成，而且差分信号也同时和参考频率UI(t)或者UQ(t)混频。因此，信号的正交分量或者奇和偶自相关函数可立刻在差分放大器20’和21’的输出中获得。在两个差分放大器20’和21’后面的信号对应于图1所示实施例的混频器12和13后面的信号。由于正交信号在图2中是以模拟的形式呈现，并且模数转换器24’或者25’可安排在差分放大器20’和21’后面，所以正交信号可以数字的形式从芯片3’获得，用于后续的处理。
图1和图2所示的PMD元件1和1’以及读出线路2和2’可由用于图像检测的两维阵列作部分显示。各个PMD元件1和1’都配置了一个读出线路2和2’和两个另外的混频器。位于在虚线的边界3’内的各元件都可集成在图像检测芯片内，从而可由它发出用于进一步信号和图像处理的数字信号。
本发明的一可供选择的实施例如图3所示，为了提供一个更佳的整体视图，仅仅只显示了PMD混频器件元件1”，用于强度调制的辐射信号P”E(t)、第一参考信号U”m(t)以及用于差分放大器9”的源5”、6”和8。在这个程度上所介绍的器件在结构上相同于图1所示的实施例。PMD混频器件元件是PG-PMD元件，因而，相比于图1和图2所示的MSM-PMD元件，它具有两个以推挽工作方式与第一参考信号而非读出电极相连接的附加调制栅极。PG-PMD元件显示了致使产生的混频信号产生积分的附加杂散电容31”或者32”。
因此，相比于图1和2所示的实施例，所示的器件具有用于消除PMD混频器件元件上累积的电荷以及用于将PMD混频元件1”与其它的线路排列相分离的附加装置。
用于消除在PMD元件1’上所累积的电荷载流子的元件包括两个开关26”和27”，当开关闭合时，有可能通过元件的读出电极将电荷载流子从PMD混频器元件到大地28”。以开关所示意介绍的元件26”和27”可以MOSFET晶体管来实现。该开关可同时周期性的工作，以便于经过一预先设定的积分间隔之后可复位PMD元件1”，并且可以泄放所有累积的电荷载流子。由于这种方式可防止元件1”的溢出，因此它是有益的。两次复位过程的积分间隔正好是信号Ia(t)和Ib(t)的调制频率的积分的复数。
防止PMD元件1”的这种周期性复位对下游读出电路9”及因而对混频信号U”Δ(t)的干扰，还额外提供一个使PMD元件1’与读出电路2”分离的装置29”，于是，用于分离PMD元件1”的装置29”包括另外两个MOSFET，且可以开关30”示意表示。在这种情况下，只需要在PMD元件1”复位之前的很短时间内，通过闭合开关元件26”和27”，借助于开关30”使得PMD元件1”与后续的读出电路分离，因而复位就不会对后续电路2”产生任何干扰。在所描述的实施例中，PMD元件1”与后续读出电路3”分离的周期等于混频信号Ia”(t)和Ib”(t)的周期的整数倍。为了进一步减小干扰，PMD元件1”还在混频信号Ia”(t)和Ib”(t)的过零周期与读出电路精确耦合。
为了原创揭示的目的，通过本描述，附图以及权力要求向本领域技术人士展示了所有的特征，即使这些特征只是结合某些其它特征所特别讨论的，这些特征都可以与本文所讨论的其它特征或一些特征单独组成或者以任何所需方式组合，除非这种组合已经表明该组合是不可能的或者是没有意义的超出规则或技术条件之外。出于对该描述简短和易读的目的，本文省略了特征的所有构思的组合的广泛而清晰的介绍。
参考数字列表1，1’，1”光混频器件元件1c，1c’，1c” 在等效线路中的光混频器件元件1，1’，1”1a，1a’，1a” 在等效线路中的光混频器件元件1，1’，1”1b，1b’，1b” 在等效线路中的光混频器件元件1，1’，1”2，2’，2”读出电路3，3’ 芯片4 数字IQ混频器件元件5，6；5’6’；5”6” 参考信号源8，8’，8”调制的电子辐射源9，9” 差分和求和放大器10积分器11模数转换器12，13混频器元件14，15源16，17求和链20’，21’ 并联的差分放大器22’，23’ 源24’，25’ 模数转换器26”，27” 开关28” 大地29” 用于将PMD元件与读出线路相分离的器件
30”开关31”，32”杂散电容
权利要求
1.一种用于检测一至少部分强度调制信号(PE(t))的幅度和/或相位的方法，该方法包含步骤i).检测至少部分强度调制信号(PE(t))的一瞬时值，ii).检测第一参考信号(Um(t))的一瞬时值，所述第一参考信号(Um(t))所具有的频率(ω2)不同于强度调制的频率(ω1)，iii).将检测到的至少部分强度调制信号(PE(t))的瞬时值与检测到的第一参考信号(Um(t))的瞬时值相混频以获得一混频信号值(UΔ)，iv).检测第二参考信号(UI(t))的一瞬时值，第二参考信号(UI(t))所具有的频率(Δω)不同于第一参考信号的频率(ω2)和强度调制的频率(ω1)，v).检测第三参考信号(UQ(t))的一瞬时值，第三参考信号所具有的频率(Δω)与第二参考信号的频率(Δω)相同，但是相对于第二参考信号(UI(t))是相移的，vi).将混频信号值(UΔ)与检测到的第二参考信号(UI(t))的瞬时值混频以获得一第一测量信号值，vii)将混频信号值(UΔ)与检测到的第三参考信号(UQ(t))的瞬时值混频以获得一第二测量信号值，和viii)从两个测量信号值计算出至少部分强度调制信号(PE(t))的幅度和/或相位。
2.根据权利要求1所述的方法，步骤iii)包括下面的步骤a)将检测到的至少部分强度调制信号(PE(t))的瞬时值与检测到的第一参考信号(Um(t))的瞬时值混频以获得至少一第一中间值(Ia)，b)将至少部分强度调制的信号(PE(t))的瞬时值与第一参考信号(Um(t))乘上-1的瞬时值混频以获得至少一第二中间值，c)形成在第一和第二中间值之间的差值以获得混频信号值(UΔ)。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述步骤i)，ii)和iii)可同时执行。
4.根据权利要求1到2中任一所述的方法，其特征在于，所述第一参考信号(Um(t))的瞬时值和至少部分强度调制的信号PE(t)的瞬时值可同时进行检测。
5.根据权利要求1到4中任一所述的方法，其特征在于，所述步骤vi)和vii)可同时执行。
6.根据权利要求1到4中任一所述的方法，其特征在于，所述第二参考信号(UI(t))的瞬时值和第三参考信号(UQ(t))的瞬时值可同时进行检测。
7.根据权利要求1到5中任一所述的方法，其特征在于，所述第二参考信号的频率等于第一参考频率信号(Um(t))的频率(ω2)和至少部分强度调制的信号(PE(t))的差值频率。
8.根据权利要求1到6中任一所述的方法，其特征在于，所述通过将第一参考信号(Um(t))与一相对应强度调制信号频率相同，成比例且相位锁定的调制信号混频而形成触发信号，并且第二参考信号与触发信号相位锁定相耦合。
9.根据权利要求2到8中任一所述的方法，其特征在于，形成第一和第二中间信号值的和。
10.根据权利要求1到9中任一所述的方法，其特征在于，所述第二和第三参考信号的相位相互成90°相移的关系。
11.根据权利要求1到10中任一所述的方法，其特征在于，所述强度调制辐射是一电磁辐射，较佳的是在可见或者频谱范围内，更佳的是在红外频谱范围内。
12.适用于执行根据权利要求1到10中所述处理的器件。
13.根据权利要求12所述的器件，其特征在于，提供了第一、第二和第三参考信号的源，第一参考信号的频率不同于强度调制的频率，并且提供了至少一个混频器件元件，所提供的混频器元件用于强度调制信号与第一参考信号的混频，并且所述器件具有两个用于混频器件元件的输出信号与第一参考信号和第三参考信号混频的装置，其中所述第二和第三参考信号具有相互相移的关系。
14.根据权利要求12或者13所述的器件，其特征在于，所述混频器件元件具有两个读出电极。
15.根据权利要求14所述的器件，其特征在于，所述器件具有用于形成两个读出电极输出信号之间的差分信号的装置，较佳的是一差分放大器。
16.根据权利要求15所述的器件，其特征在于，所述差值形成装置以信号方向设置在混频装置之前。
17.根据权利要求12或者16中任一所述的器件，其特征在于，所述第二和第三参考信号具有相互相位是90°相移的关系。
18.根据权利要求12到17中任一所述的器件，其特征在于，所述器件具有一个在两个读出电极的输出信号间形成求和信号的装置，较佳的是一求和放大器。
19.根据权利要求12到18中任一所述的器件，其特征在于，所述混频器件元件是一光混频器件，较佳的是一PG-PMD元件或者一MSM-PMD元件。
20.根据权利要求12到19中任一所述的器件，其特征在于，所述器件它具有将以参考信号转换成第一参考信号的源，并且提供具有第一参考信号的混频器件元件，并且也将信号转换成用于混频强度调制信号的信号。
21.根据权利要求12到20中任一所述的器件，其特征在于，所述第二和第三参考信号的频率等于辐射强度调制的频率和第一参考信号的频率之间的差值频率，并且所述第二和第三参考信号锁定相位耦合强度调制辐射的频率和第一参考信号的频率之间的差值频率。
22.根据权利要求12到21中任一所述的器件，其特征在于，所述器件具有一强度调制的信号的源。
23.根据权利要求22所述的器件，其特征在于，所述强度调制信号的源是一电磁辐射的源，较佳的是在可见频谱范围内并且更佳的是在红外频谱范围内。
24.根据权利要求22或者23中任一所述的器件，其特征在于，所述源具有一用于调制信号强度的装置，所述调制信号的频率在500KHz和500MHz之间，较佳的是1MHz和100MHz之间并且更佳的是具有20MHz的频率。
25.根据权利要求12到25中任一所述的器件，其特征在于，所述强度调制信号的强度调制频率与第一参考信号的频率之间的差值频率在1KHz和100KHz之间，较佳的是在30KHz和70KHz之间并且更佳的是50KHz。
26.根据权利要求12到25中任一所述的器件，其特征在于，所述混频装置至少两个是并联相连接的。
27.根据权利要求12到26中任一所述的器件，其特征在于，所述混频装置采用数字电路技术。
28.根据权利要求12到27中任一所述的器件，其特征在于，所述混频装置集成在IQ混频器件元件中。
29.根据权利要求12到28中任一所述的器件，其特征在于，所述混频装置是至少两个差分放大器，第一差分放大器的电源连接是由第二参考频率调制以及第二差分放大器的电源连接是由第三参考频率调制。
30.根据权利要求12到29中任一所述的器件，其特征在于，所述用于测量强度调制辐射相位的计算单元以信号方向设置在混频装置之后。
31.根据权利要求12到30中任一所述的器件，其特征在于，所述模数转化器以信号方向设置在差分放大器之后。
32.根据权利要求12到31中任一所述的器件，其特征在于，所述模数转换器的采样-保持链的积分时间等于第二参考信号频率的倒数。
33.根据权利要求12到32中任一所述的器件，其特征在于，所述器件至少部分元件可集成在芯片上。
34.根据权利要求12到33中任一所述的器件，其特征在于，所述混频器件元件的读出电极连接着用于从混频器件元件消除电荷载流子的装置。
35.根据权利要求12到34中任一所述的器件，其特征在于，提供用于将混频器件元件与其它器件相分离的装置。
36.根据权利要求34或者35，其特征在于用于，所述用于消除和/或者分离的装置是晶体管，较佳的是MOSFETs。
37.具有映像透镜系统以及根据权利要求12到36中任一器件阵列的3D相机。
全文摘要
本发明涉及一种适用于检测一至少部分强度调制的信号(P
文档编号H03D9/00GK1749714SQ200510109728
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月13日 优先权日2004年9月13日
发明者T·格勒夫斯基, R·兰奇, T·林贝克, H·荷贝, B·布克什鲍姆 申请人:Pmd技术有限公司