用于深度成像和其它应用的电吸收调制器的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年3月2日提交的美国临时专利申请序列号62/126,802、2015年3月11日提交的美国临时专利申请序列号62/131,603和2015年10月1日提交的美国临时专利申请序列号62/235,962的优先权，这三个专利申请通过引用的方式全文并入本文。
背景技术：
深度相机被使用于消费类电子产品、机器人技术、机器视觉及其它应用中。深度成像中的一种方法，飞行时间(tof)深度成像，测量发出的光返回传感器所需的时间，以计算视野中的点的距离。在tof深度成像的一个变体中，调制光被投射到场景中，并且该光线的反射在图像传感器中被解调制，以允许深度的测量。
技术实现要素：
电吸收调制器以及包括电吸收调制器的tof深度成像系统被提供。还提供了使用电吸收调制器和tof深度成像系统的方法。
在一个方面，提供了一种用于提供对象的深度图像的tof深度成像系统，包括：被配置用由波长λ和调制频率f表征的调幅光照射对象的光源；被配置用于接收并以调制频率f调制来自对象的反射光的表面法向(surface-normal)电吸收调制器；以及被配置用于接收并探测来自电吸收调制器的调制反射光的图像传感器。该电吸收调制器包括半导体顶掺杂层、具有与顶掺杂层相反的极性的半导体底掺杂层，以及在顶掺杂层和底掺杂层之间的有源层，该有源层被配置为包括被配置用于提供交替的量子阱和势垒的多个半导体子层的超晶格结构，该有源层包括被配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱。
在另一个方面，tof深度成像的方法包括：用由波长λ和调制频率f表征的调幅光照射对象以产生来自对象的反射光；使用表面法向电吸收调制器来调制来自对象的反射光以产生经调制的反射光；并且经由图像传感器来探测来自电吸收调制器的调制反射光。该电吸收调制器包括半导体顶掺杂层、具有与顶掺杂层相反的极性的半导体底掺杂层，以及在顶掺杂层和底掺杂层之间的有源层，该有源层被配置为包括被配置用于提供交替的量子阱和势垒的多个半导体子层的超晶格结构，该有源层包括被配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱。
本发明的其它主要特征和优点对于仔细阅读了本申请的附图、具体实施方式及权利要求书的本领域技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
本发明的说明性实施例将在下文参考附图来描述，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1示出了根据一种说明性实施例的一种tof深度成像系统。
图2示出了根据一种说明性实施例的另一种tof深度成像系统的一部分。
图3示出了根据一种说明性实施例的另一种tof深度成像系统的一部分。
图4示出了根据一种说明性实施例的一种单通电吸收调制器。
图5示出了根据一种说明性实施例的电吸收调制器的作为由电吸收调制器接收的光的波长的函数的光透射特性。
图6示出了窄带光学滤波器的作为由该滤波器接收的光的波长的函数的光透射特性，该窄带光学滤波器可以与电吸收调制器使用。
图7示出了图5的电吸收调制器和图6的窄带光学滤波器这对器件的作为施加于电吸收调制器的电压的函数的具有波长λ0的光的光透射。
图8示出在根据一种说明性实施例的电吸收调制器的量子阱内的光吸收所涉及的主要的传导和价态子带的作为沿着垂直于量子阱的平面的方向的位置z的函数的电子和空穴波函数。该图还示出了电子和空穴的期望位置值。
图9示出了根据一种说明性实施例的另一种单通电吸收调制器。
图10示出了根据一种说明性实施例的一种双通电吸收调制器。
图11示出了根据一种说明性实施例的另一种双通电吸收调制器。
图12示出了根据一种说明性实施例的另一种双通电吸收调制器。
图13a示出了包括由光腔包围的有源层的电吸收调制器的模拟光透射，用于示出透射的对比度。
图13b示出了作为入射角的函数的峰值透射波长的模拟偏移。很明显，当具有～10°的入射角的射束到达时，在850nm的工作波长(以垂直虚线示出)下的透射率下降到垂直入射光的透射率的50％以下。
图14示出了对于离域恒定电场e0的不同值的作为多量子阱(mqw)厚度l(即，有源层厚度)的函数的深度分辨率系数k。图14清楚表明，当电子-空穴波函数没有被离域(即e0＝0)时，对于大约1μm的厚度，k的最佳值约为3。但是，当离域恒定电场引起电子-空穴离域时，更好的深度分辨率系数能够通过使用显著更厚的有源层(即，在这些情况下为l～4-7μm)来获得。
图15示出了常规的方形量子阱(qw)的电子波函数和空穴波函数(左)以及其光吸收谱随外加场的变化(右)。
图16示出了峰值吸收波长随外加电场的变化(左)以及峰值吸收系数随外加电场的变化(右)。吸收边波长的变化将会类似于吸收峰的变化。
图17示出了根据一种说明性实施例的阶梯qw(左)以及其光吸收谱随外加场的变化(右)。
图18示出峰值吸收波长随外加电场的变化向左偏移δε(左)以及峰值吸收系数现在小于常规的qw(右)。实线示出了具有电子-空穴离域的qw的情形，虚线示出了常规的qw的情形。
图19示出了根据一种说明性实施例的另一种tof深度成像系统。
图20a-c示出了使用图19的tof深度成像系统获得的不同调制频率150mhz(a)、100mhz(b)、50mhz(c)的深度测量结果(通过校准数据校正的)。
图21a示出了通过图19的tof深度成像系统的swir相机拍摄的短波红外(swir)图像。
图21b-d示出了图19的tof深度成像系统在不同的调制频率150mhz(d)、100mhz(c)、50mhz(b)下的深度分辨率。
图22示出了作为调制频率的函数的图19的tof深度成像系统对park的系统的调制响应。
具体实施方式
本公开涉及深度相机，有时称为“3d相机”或“测距相机”。关于所公开的系统，本公开一般使用短语“tof深度成像系统”，但是应当理解，该短语并非意味是限制性的。例如，短语“tof3d相机”可以用于任意所公开的系统。
如上所述，在tof深度成像的一个变体中，调制光被投射到场景中，并且该光线的反射在图像传感器中被解调制，以允许深度的测量。解调制已经基于置于场景与常规的图像传感器之间的机械或电光机构经由用于执行相位解调的以像素构建的图像传感器或者经由光学开关来完成。尽管光学开关提供了简单性，但是采用这样的光学开关的常规系统具有限制了它们的商业用途的多个缺点。
相比之下，所公开的tof深度成像系统包括能够展示出下列特征中的一个或多个的电吸收调制器：大数值孔径(广视场)、高对比度、低插入损耗、高调制频率以及对于给定的频率和横向分辨率的低功耗。电吸收调制器可以用于包括任意图像传感器的tof深度成像系统中，包括常规的图像传感器(例如，电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos))。对于具有更复杂的相位解调像素结构的图像传感器，使用常规图像传感器是可取的。与包括常规的电光快门的常规的tof深度成像系统相比，电吸收调制器能够提供展示出更高的深度分辨率(z维度)和横向分辨率(x和y维度)的tof深度成像系统。所公开的电吸收调制器可能的广视场意味着，与用于常规的tof深度成像系统中的常规的电吸收调制器相比，对于给定数量的像素(横向分辨率)，所公开的电吸收调制器能够由于其更高的数值孔径而具有小得多的面积。例如，就光学方面而言，广视场还允许不需要远心镜头的tof深度成像系统。
所公开的电吸收调制器和tof深度成像系统具有范围广泛的应用，例如，消费类电子产品、机器人技术、机器视觉等。
tof深度成像系统
图1示出了一种说明性的tof深度成像系统100。tof深度成像系统100被配置用于通过测量照射对象102的调幅光与对象102所反射的光之间的相位延迟并且通过根据相位延迟来计算出深度值来提供对象102的深度图像。tof深度成像系统100包括：被配置用由波长λ和调制频率f表征的调幅光照射对象102的光源104，被配置用于接收并以调制频率f调制来自对象的反射光102的电吸收调制器106，以及被配置用于接收并探测来自电吸收调制器106的调制反射光的图像传感器108。
可以使用能够针对高调制频率进行调幅的光源，例如，发光二极管、二极管激光器等。调制频率f可以处于约1mhz至约100mhz的范围内，或甚至更大。这包括这样的实施例，其中调制频率f大于约50mhz，大于约100mhz，大于约140mhz，大于约150mhz，大于约200mhz，大于约10ghz，在从约1mhz至约10ghz的范围内，从约1mhz至约1ghz的范围内，从约1mhz至约200mhz的范围内，或者在从约50mhz至约200mhz的范围内。可以使用可发射具有在电磁波谱的近红外区中的波长的光的光源(即，从约750nm至约1μm)。例如，可以使用可发射出具有约850nm的波长的光的光源。但是，同样可以使用可发射出具有在可见光区(即，从约400至约700nm)或短波红外区(即，从约1μm至约2.5μm)内的波长的光的光源。可发射出具有其它波长的光的光源同样可以被使用，例如，可发射出具有在从约200nm至约400nm的紫外区中的波长的光的光源。
电吸收调制器106将在下文更详细地描述。在图1中，电吸收调制器106是表面法向电吸收调制器。
图像传感器108可以是包括像素阵列的硅基图像传感器，例如，ccd、cmos等，用于通过将光子转换成电流来探测光。图像传感器108的特征可以在于其像素的尺寸。在一些实施例中，在图像传感器108内的像素的像素尺寸可以与调幅光的选定波长λ的尺寸(例如，850nm)基本上相同。至少由于常规的电光快门相对较小的数值孔径，这些像素尺寸不可能使用此类快门。图像传感器108可以设置于相机内，例如，短波红外(swir)相机，这类相机还可以包括它自己的光学器件(例如，镜头)。
如图1所示，tof深度成像系统100还可以包括与光源104电通信的第一驱动器110、与电吸收调制器106电通信的第二驱动器112以及与第一和第二驱动器110、112及图像传感器108电通信的时序控制器114。时序控制器114连同第一驱动器110可以被用来对光源104施加由调制频率f表征的第一振荡电压信号，以便实现对由光源104生成的光的调幅(即，调幅的照明光)。并行地，时序控制器114连同第二驱动器112可以被用来对电吸收调制器106施加由调制频率f表征的第二振荡电压信号，以实现对由对象102反射的光的调制(即，调制的反射光)。为了测量在调幅的照明光与对象102所反射的光之间的相位延迟，还可以使用时序控制器114在驱动光源104的第一振荡电压信号与驱动电吸收调制器106的第二振荡电压信号之间引入额外相移φ，即，在调幅的照明光与调制的反射光之间的额外相移。
第一和第二振荡电压信号的波形并没有受到限定，例如，方波、正弦波及其它波形都可以被使用。因而，应当理解，所公开的电吸收调制器和所公开的光源可以用单一频率或多个频率来调制。同样，调制频率可以保持为静态的(不随时间改变)或者可以随时间变化。这些可能性每一种都为术语“调制频率f”所涵盖，如同本文所使用的。但是，对于驱动电吸收调制器106，正弦波形可能是有利的。为了降低驱动电吸收调制器所需的功率，可以使用具有等于调制频率f的谐振频率的“谐振”电路。例如，电吸收调制器106主要是电容元件。通过添加电感器或者一系列团块式或分布式电感器，电路的总阻抗能够完全成为实值(非常小的虚部)。
如图1所示，tof深度成像系统100还可以包括与时序控制器114和图像传感器104电通信的计算机116。计算机116可以被用来处理来自图像传感器108的像素的信号(即，电流)，并且根据所测量的相位延迟来计算深度值。计算机116还可以被用来根据所计算的深度值显示深度图像。
如图1所示，tof深度成像系统100还可以包括被配置用于对光进行整形(例如，以便产生图形化的或结构化的光)和/或在系统内引导光的光学构件118，例如，透镜、面镜、棱镜、分束器等。tof深度成像系统100还可以包括光学滤波器120，该光学滤波器120被配置用于透射期望波长的光(例如，具有调幅光的选定波长λ的光)，同时阻挡其它波长。但是，在一些实施例中，tof深度成像系统100不包括远心镜头，例如，用于探测到电吸收调制器106的光或者用于接收来自电吸收调制器106的光的远心镜头。可以使用这样的镜头，但是由于电吸收调制器106的大数值孔径，没有必要使用。
由图1的tof深度成像系统100执行的一组说明性的操作如下。首先，时序控制器114连同第一驱动器110施加由调制频率f表征的第一振荡电压信号。并行地，时序控制器114连同第二驱动器112以第一相移(例如，φ＝0)对电吸收调制器106施加由调制频率f表征的第二振荡电压信号。图像传感器108以积分时间tint>>1/f(例如，几毫秒)采集第一图像i1。计算机116收集来自图像传感器108的与第一图像i1相关的信号。接下来，时序控制器114施加第二相移(例如，φ＝π/4)。图像传感器108采集第二图像i2，并且计算机116收集来自图像传感器108的与第二图像i2相关的信号。接下来，针对第三相移(例如，φ＝2π/4)重复该过程，以生成第三图像i3，并且针对第四相移(例如，φ＝3π/4)重复该过程，以生成第四图像i4。接下来，计算机116根据公式1确定所测量的相位延迟
最后，计算机116根据公式2计算深度值d，其中f是调制频率，而c是光速：
其它操作可以被用来从所采集的图像中提取深度值。
与图1所示的tof深度成像系统100相比，可以使用包括额外的或更少的构件或者不同的构件布局的其它tof深度成像系统。例如，图2示出了另一个说明性的tof深度成像系统的一部分200。只有图像传感器208、电吸收调制器206、某些光学器件218(棱镜、透镜)和光学滤波器220被示出。tof深度成像系统的其它构件类似于图1的其它构件。如同下文将进一步描述的，图2的电吸收调制器206被配置为双通电吸收调制器(见图10-12)，其中来自对象102的反射光(参考图1)在被引导到图像传感器208之前两次穿过电吸收调制器206。电吸收调制器206可以包括面镜或反射镜222。同样地，图3示出了另一个说明性的tof深度成像系统的一部分300。只有图像传感器308、包括面镜/反射镜322的电吸收调制器306、某些光学器件318以及光学滤波器320被示出。tof深度成像系统的其它构件类似于图1的其它构件。图3的电吸收调制器306同样被配置为双通电吸收调制器(见图10-12)，其中来自对象102的反射光在被引导到图像传感器308之前两次穿过电吸收调制器306。
图1-3的tof深度成像系统可以实现于可称为tof深度成像相机的单个器件中，或者可以实现于多个分离但耦合的器件中。
电吸收调制器
图4示出了可以用于例如图1的tof深度成像系统100中的一种说明性的电吸收调制器400。电吸收调制器400包括半导体顶掺杂层402、具有与顶掺杂层相反的极性的半导体底掺杂层404以及在顶掺杂层和底掺杂层402、404之间的有源层406。有源层406被配置为包括被配置用于提供交替的量子阱和势垒的多个半导体子层的超晶格结构。正因如此，短语“多量子阱(mqw)”可以参考有源层406来使用。
例如，有源层406被配置用于经由在有源层406的传导子带和价态子带之间的带间跃迁来吸收光。但是，如图5所示，有源层406的吸收边可以在没有外部电场(即，零施加电压)的情况下根据块体(bulk)或量子限制斯塔克效应通过施加外部电场(即，经由所施加电压v0)而相对其初始位置发生红移。有源层406的吸收边还可以在存在小的外部电场(即，所施加的低电压，例如，8v)的情况下通过施加较大的外部电场(即，经由所施加电压v0)而相对其初始位置发生红移。在图5中，λ0是电吸收调制器400的工作波长。工作波长λ0是在零电压(或低电压)下的透射相对较高(例如，被最大化)的以及在较高的电压v0下的透射相对较低(例如，被最小化)的波长。
如图1所示，窄带光学滤波器120可以与电吸收调制器400串联布置。如图6所示，窄带光学滤波器120可以被配置用于使具有波长λ0的光的透射最大化，同时阻挡其它波长。图7示出了电吸收调制器400和窄带光学滤波器120这对器件的作为施加于电吸收调制器400的电压的函数的具有波长λ0的光的光透射。因而，对电吸收调制器400施加大小为v0的振荡电压信号将会引起通过电吸收调制器400的光的可变透射，例如，在图1的tof深度成像系统100中对由电吸收调制器400从对象102接收的反射光的调制。振荡电压信号的频率可以是如上所述的调制频率f。
有源层406的半导体子层的组成、子层的厚度以及子层的数量可以被选择，使得电吸收调制器400的工作波长λ0在如上所述所公开的tof深度成像系统中基本上匹配调幅光的选定波长λ(该调幅光可以是具有在电磁波谱的短波红外区、近红外区或可见光区中的波长的光)。还可以选择半导体子层的组成、厚度和数量，以使在电吸收调制器400的工作波长时在零电压(或低电压)下的透射与在电压v0下的透射之差最大化。
有源层406的量子阱(即，一个或多个或者全部)可以被配置用于展示出离域电子-空穴行为。通过“离域电子-空穴行为”，意味着在各量子阱内的电子位置的期望值
在量子阱内的电子-空穴离域的量可以改变，取决于所期望的电吸收调制器。电子-空穴离域的量可以被选定，以防止或限制调制深度和调制器效率的降低。在一些实施例中，有源层406的量子阱被配置，使得电子位置的期望值和空穴位置的期望值相差至少1个原子层厚度。在一些实施例中，有源层406的量子阱被配置，使得电子位置的期望值与空穴位置的期望值之差处于从1个原子层厚度到量子阱的厚度的范围内。这包括这样的实施例：有源层406的量子阱被配置，使得电子位置的期望值与空穴位置的期望值之差处于从0.3nm到20nm的范围内，或者在从0.3nm到10nm的范围内，或者在从0.3nm到5nm的范围内。在这些实施例的每种实施例中，可以认为量子阱将被配置用于展示出离域电子-空穴行为。
由于减小的重叠积分，在量子阱内的离域电子-空穴行为的结果是量子阱较弱的光吸收。如同下文将进一步描述的，使用这样的弱吸收量子阱与常规的tof深度成像系统所实现的方法是相反的，常规的tof深度成像系统采用常规的电光快门，在常规的电光快门中有源层的总厚度被最小化以减小为实现所期望的透射变化所需的电场的大小并因而降低功耗。这样的常规方法要求使用更强吸收的量子阱来适应更薄的有源层。但是，如同下文将进一步描述的，本发明人已经确定，在例如tof深度成像系统中使用被配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱(这会增加每单位电压的吸收边偏移量)可能是一个有用的优点。
有源层406的量子阱的子层的数量、量子阱子层的组成以及量子阱子层的厚度可以被选择，使得量子阱展示出以上所述的离域电子-空穴行为。但是，如同下文将进一步描述的，由单个半导体层组成的方形量子阱可以被配置用于通过施加离域恒定电场(除了如上所述那样在图1的tof深度成像系统100中为实现对反射光的调制而施加于电吸收调制器400的任意振荡电场之外)来展示出离域电子-空穴行为。一般地，离域恒定电场是足以产生超过电子波函数的平方或者方形量子阱的空穴波函数的平方的fwhm的1％的离域的电场。一般地，离域的上限出现于重叠积分小于1％(即，0.01)时，电子波函数和空穴波函数被归一化(即，对波函数平方的积分是一(unity))时。离域恒定电场通过施加合适的离域恒定电压(例如，0.5-15v)来实现。
有源层406可以包括方形量子阱(或者有源层的每个量子阱都可以是方形量子阱)。方形量子阱是由单个半导体层形成的量子阱。如同以上所指出的以及下文将进一步描述的，由单个半导体层组成的方形量子阱可以被配置用于通过施加离域恒定电场来展示出离域电子-空穴行为。在这样的实施例中，tof深度成像系统100能够包括被配置用于对电吸收调制器400施加离域恒定电压以实现离域恒定电场的电压源。
有源层406可以包括阶梯量子阱(或者有源层的每个量子阱都可以是阶梯量子阱)。阶梯量子阱是由至少两个半导体量子阱子层形成的量子阱，该至少两个量子阱子层具有不同的组成并且因而具有不同的能带隙。在阶梯量子阱内的量子阱子层的数量可以是2、3、4等。由于会导致电子波函数和空穴波函数的空间分离的能带结构的不对称性，阶梯量子阱展示出离域电子-空穴行为。阶梯量子阱的特定的能带结构并未受到限定，只要能带结构是可使电子波函数质心不同于空穴的波函数质心的能带结构(如上所述)。
在一些实施例中，有源层406包括具有ii型异质结的量子阱(或者有源层406的每个量子阱都是具有ii型异质结的量子阱)。
如上所述，可以选择在有源层406内的子层的组成、厚度和数量，以实现在透射和吸收性质方面的期望效果以及在电吸收调制器400的量子阱电子-空穴波函数方面的期望效果。关于组成，用于子层的半导体可以是iii/v族合金(例如，二元、三元、四元合金)。iii/v族合金对于要用于具有在电磁波谱的近红外区中的波长(例如，约850nm)的光的电吸收调制器是有用的。例如，用于子层的半导体可以是gaas基系半导体，例如，ingaasp、gainasp、algainp和algaasp的晶格匹配物系(system)。可以使用其中每个子层都没有晶格匹配的应变补偿但是总体应变得到平衡以使因晶格失配所致的缺陷最小化或消除这些缺陷的应变补偿有源层，例如，gaas1-xsbx/gayin1-yaszp1-z物系。
关于子层的厚度，有源层406的子层的厚度可以小于约100nm，小于约50nm，小于约20nm，或者小于约10nm。这包括从约1nm至约100nm的、从约1nm至约50nm的、从约1nm至约20nm的或者从约1nm至约10nm的厚度。如同下文将进一步描述的，子层数量并因而有源层406的总体厚度l可以被选定，以使电吸收调制器400的深度分辨率系数
一种说明性有源层可以包括gaas量子阱和alxga1-xas势垒，例如，7nm厚的gaas量子阱和6nm厚的al0.3ga0.7as势垒。另一个说明性的有源层可以包括双阶gaas/alxga1-xas阶梯量子阱和alxga1-xas势垒，例如，9nm厚的al0.1ga0.9as第一量子阱子层、2nm厚的gaas第二量子阱子层和6nm厚的al0.3ga0.7as势垒。
对于要用于具有在电磁波谱的短波红外区(swir)内的波长的光的电吸收调制器的有源层，它可以包括按以下顺序布置的inp/inalas/ingaas/ingaasp/ingaassb的层，用于产生大的电子-空穴波函数离域。这些组成要么能够与inp基板晶格匹配，要么能够进行应变补偿。一个示例包括in0.54ga0.46as(5nm)/in0.59ga0.41as0.89p0.11(3nm)/in0.7ga0.3as0.64p0.36(3.5nm)/in0.53ga0.47as(9nm)，全部未掺杂。该多层序列可以多次重复以使“有源区”(即，有源层)厚。然后，有源区可以由n型inp和p型inp(或者p型晶格匹配的inalas)包围着，并且由位于顶部的重掺杂的ingaas接触层包围，以形成电吸收调制器。另一个示例包括in0.53al0.47as(10nm)/in0.35ga0.65as0.77p0.23(18nm)/in0.53al0.47as(1nm)/in0.53ga0.47as(3nm)/inp(10nm)，全部未掺杂。同样，该多层序列可以多次重复并被夹于相似的层之间，以形成电吸收调制器。
对于要用于具有在电磁波谱的中波、长波红外(mwir和lwir)(mwir&lwir)区域内的波长的光的电吸收调制器，有源层可以包括具有窄能带隙(诸如，与gasb基板匹配的ingaassb/ingasb晶格)的或者与具有2-30μm的截止波长的gasb基板应变平衡的半导体材料层。此外，这样的有源层可以由不同周期的ii型超晶格制成。例如，一个周期能够由五个gasb(4nm)/inas(5.4nm)双层以及然后五个gasb(3nm)/inas(4.8nm)双层形成。基于自由载流子吸收的电吸收调制器同样能够在mwir/lwir光谱区中制成。例如，通过薄的电介质(如a12o3)与高掺杂半导体或金属隔开的氧化铟锡(ito)层。
对于要用于具有在电磁波谱的紫外(uv)区中的波长的光的电吸收调制器，有源层可以包括宽能带隙的半导体层，诸如ingan/gan/algainn。与由晶格失配产生的应变的压电效应能够被用来产生内建电场——并因此产生电子-空穴波函数分离，如同本文所解释的。
应当理解，在前文及下文所描述的半导体合金的组成中，合金的相对量可以改变，例如，algaas应当被理解为包括其中al和ga的相对量可变的层，即，alxga1-xas。
返过来参考图4，电吸收调制器400包括半导体顶掺杂层402(例如，p型al0.3ga0.7as)以及具有与顶掺杂层相反的极性的半导体底掺杂层404(例如，n型al0.3ga0.7as)，它们之间夹着有源层406。有源层406可以与顶和底掺杂层402、404直接接触。这些层中每个都可以布置于掺杂基板408之上。半导体底掺杂层404具有与基板408相同的极性。顶和底掺杂层402、404的掺杂分布和掺杂水平可以进行选择，以便不产生大的自由载流子吸收，同时所施加的电场在外部偏压下同样保持于低值。举例来说，顶和底掺杂层402、404可以具有从约100nm至约500nm的厚度以及约5×1017cm-3的掺杂水平。
图4还表明，电吸收调制器400可以包括若干其它材料层。电吸收调制器400可以包括布置于顶掺杂层402之上的很高掺杂(例如，1019cm-3)的小带隙材料(例如，gaas或gainas)的薄(例如，大约10-100nm)薄接触层。在电吸收调制器400内，每个半导体层都可以使用各种外延生长技术来生长，例如，分子束外延(mbe)和金属有机化合物气相外延(movpe)。在外延层生长之后，所产生的多层半导体结构可以使用微制造技术来处理，以沉积其它材料层，如下文所述。
如图4所示，台面可以被界定并通过湿法化学蚀刻或干法蚀刻技术(例如，反应离子蚀刻(rie))来蚀刻。接下来，多层半导体结构可以由绝缘材料层412(例如，sio2、si3o4或绝缘聚合物，例如，聚酰亚胺或苯并环丁烯)覆盖。可以在绝缘材料层412内开窗口，并且高导电性材料(例如，金属)的顶接触层414可以布置于顶掺杂层402之上。顶接触层414可以按照可足以使在顶接触层414的横向电压均匀性于高频率下最大化同时使填充因子最小化(即，阻挡光线)的图形来配置。该图形可以是分形图形，包括分支分形图形。这样的图形可以结合例如遗传算法的优化方法使用有限元法(fem)模拟工具来模拟电压进行最优化。
如图4所示，可以将透明导电材料层416(例如，氧化铟锡或石墨烯)布置于顶掺杂层402之上，以便在顶接触层402形成之前或之后提高横向电导率。
电吸收调制器400可以包括与底掺杂层404电耦接的底接触层(未示出)。这可以通过在基板408的背面形成底接触层来从顶部或从底部接近底掺杂层404而完成。在图4的配置中，背接触层如所期望的那样进行配置，以便使光阻挡最小化。
电吸收调制器400可以包括布置于顶掺杂层402之上的顶部增透膜418以及布置于基板408之下的底部增透膜420，以最小化或防止因折射率变化所致的反射。顶部和底部增透膜418、420可以被配置用于最小化或防止在较大入射角范围的反射，例如，蛾眼配置。
图9示出了图4的电吸收调制器400的实施例的变型，当使用对于调幅光的选定波长λ并非足够透明的基板时，该变型可能是有利的。图9的电吸收调制器900包括如图4所示的每个材料层。但是，图9的电吸收调制器900还包括在底掺杂层404与基板408之间的蚀刻停止层924。另外，基板408已经被充分蚀刻，以使基板408的光吸收最小化。为了去除基板408，可以使用掩蔽材料(例如，光刻胶、电介质、聚合物等)在基板408上界定窗口，以保护该区域不被蚀刻。然后，可以使用对于基板408蚀刻速率足够高但对于蚀刻停止层924蚀刻速率足够低的选择性化学蚀刻。
图4和9的电吸收调制器400、900被配置为单通电吸收调制器。“单通”意味着由每个电吸收调制器接收的光只穿过各有源层一次。这样的配置有别于常规的电光快门，常规的电光快门通过例如使用一对夹着有源层的分布布拉格反射镜而包括光腔。在这样的常规电光快门中，由电光快门接收的光穿过有源层许多次。因而，在一些实施例中，所公开的电吸收调制器不包括光腔。也就是，它们是“谐振腔更少的”或者“无谐振腔的”。
图10示出了电吸收调制器1000的另一种说明性实施例。该电吸收调制器1000是双通电吸收调制器。”双通”意味着，由电吸收调制器1000接收的光仅穿过有源层1006两次。像以上所述的单通电吸收调制器一样，双通电吸收调制器同样不包括光腔并且同样有别于常规的电光快门。图10的电吸收调制器1000包括半导体顶掺杂层1002、具有与顶掺杂层1002相反的极性的半导体底掺杂层1004以及在顶和底掺杂层1002、1004之间的有源层1006。这些层中每个都被布置于掺杂基板1008之上。顶和底掺杂层1002、1004及有源层1006可以如同以上关于4所描述的那样来配置。电吸收调制器1000还包括高导电性的顶接触层1026、布置于顶掺杂层1002之上的反光材料(例如，金)以及布置于基板1008之下的增透膜1020。粘附层(例如，5-20nm厚的ti、ni或cr层)可以被布置于顶接触层1026与顶掺杂层1002之间。电吸收调制器1000可以包括以上关于图4所描述的其它材料层。
图11示出了双通电吸收调制器的另一种说明性实施例。电吸收调制器1100是图10的双通电吸收调制器的实施例的变型，当使用对于调幅光的选定波长λ并非足够透明的基板时，该变型可能是有利的。图11的电吸收调制器1100包括如图10所示的每个材料层。但是，图11的电吸收调制器1100还包括在底掺杂层1004与基板1008之间的蚀刻停止层1124。另外，基板1008已经被充分蚀刻，以使基板1008的光吸收最小化。
图12示出了双通电吸收调制器的另一种说明性实施例。图12的电吸收调制器1200包括半导体顶掺杂层1202、具有与顶掺杂层1202相反的极性的半导体底掺杂层1204以及在顶和底掺杂层1202、1204之间的有源层1206。这些层中每个都被布置于掺杂基板1208之上。顶和底掺杂层1202、1204及有源层1206可以如同以上关于图4所描述的那样来配置。电吸收调制器1200还包括布置于有源层1206之下的，例如，在底掺杂层1204和基板1208之间的单个分布布拉格反射镜1228。但是，电吸收调制器1200有别于以上所述的常规的电光快门，常规电光快门包括用于提供光腔的一对分布布拉格反射镜。电吸收调制器1200可以包括以上关于图4所描述的其它材料层。
所公开的电吸收调制器的材料层的厚度以及材料层的掺杂水平可以进行选择，使得电吸收调制器展现出高的击穿电压。
在以上所述的任意所公开的tof深度成像系统中，所公开的电吸收调制器的特征可以在于其与图像传感器的总面积相对的总面积。在一些实施例中，电吸收调制器的面积与图像传感器的面积之比小于1。电吸收调制器的面积与图像传感器的面积之比可以低至{λ/(2*n*x)}2，其中所选波长λ是调幅光的选定波长，n是电吸收调制器的半导体的光学折射率(例如，n约为3)，并且x是图像传感器的像素间距。至少由于常规的电光快门相对较小的数值孔径，这些比值不可能使用此类快门。
所公开的电吸收调制器的特征可以在于许多其它性能特性，包括，但不限于，单位面积功耗、电压、视场、调制频率、对比度、消光比、单通透射和单通吸收。
同样还提供了所公开的电吸收调制器自身，它们可以用于需要光调制的各种应用中。在一种实施例中，被配置用于接收并以调制频率f调制来自对象的反射光的电吸收调制器包括半导体顶掺杂层、具有与顶掺杂层相反的极性的半导体底掺杂层，以及在顶掺杂层和底掺杂层之间的有源层，该有源层被配置为包括被配置用于提供交替的量子阱和势垒的多个半导体子层的超晶格结构，该有源层包括配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱。同样还提供了光电器件，该光电器件在实施例中包括这样的电吸收调制器。还提供了光调制方法，该光调制方法在实施例中包括以光照射这样的电吸收调制器并且将振荡电压信号施加于电吸收调制器。
所公开的电吸收调制器可以用于成像系统中，用于调制光电二极管、回复反射器(retro-reflector)及其它大面积光电器件。
所公开的电吸收调制器被配置为表面法向调制器，用于调制光束的振幅并且有别于用于调制光束的相位的调制器。“表面法向”意味着待调制的光几乎垂直于调制器的平面行进。同样地，透射穿过调制器的光几乎垂直于调制器的平面行进。正因如此，电吸收调制器的基板可以包括对于调幅光的选定波长λ充分透明的或者已被充分蚀刻以使基板的光吸收最小化的材料。
用于tof深度成像的电吸收调制器的设计注意事项
本公开至少部分基于本发明人的以下确定：在为了针对给定的功耗使深度分辨率最大化而采用电光快门(即，在这样的电光快门中使用薄的有源层和光腔)的常规的tof成像系统中所实现的方法是有缺陷的。下面，将解释这种常规的方法并将其与在所公开的tof成像系统中实现的方法区分开。
具有厚度l和面积a的有源层的电吸收调制器在调制频率f下的功耗由下列公式给出：
v＝e·l公式4
p＝1/2c·v2f＝1/2εsae2lf公式5
其中c是电容，εs是半导体介电常数，v是所施加电压，并且e是电场。
由于电吸收调制器(见图5)的光吸收偏移与电场e相关，因而对于给定的波长偏移δλ，所需的电场为e＝(l/d)δλ，其中d是波长偏移的系数且取决于电吸收调制器。(这假定e的值足够小，从而产生线性偏移。)然后，给定的波长偏移需要给定的电场，这根据上述公式意味着有源层的厚度l应当要最小化以便降低功耗。
但是，电吸收调制器的透射率t是厚度l和吸收系数α的指数函数，即，t＝exp-α·l。因而，具有薄的有源层的电吸收调制器将不会产生大的调制深度，即使是对于吸收系数α大的变化。
对于大的l，另一个问题涉及包括一系列量子阱的有源层内的电场的均匀性。一般地，调制器的有源层夹在p掺杂层和n掺杂层之间，以形成p-i-n结构。当厚度l较大(并且因此量子阱的数量较大)时，电场能够局限于一侧，并且能够导致不均匀的电场。
要解决这些问题，采用电光快门的常规的tof深度成像系统使用在调制器的有源层周围的光腔。(参见，例如，在park等人的j.micro.nanolith.memsmoems12(2)(023011apr-jun2013，在此为“park”)中描述的电光快门。)光腔会使光的有效路径长度增加到显著大于l。因此，即使是对于薄的有源层，也能够实现大的吸收。同样，通过使用非对称谐振腔，当α的值较大时，能够产生近零反射(near-zeroreflection)，并且当α的值较小时，产生约为50％的透射。
但是，光腔的存在会导致电吸收调制器较窄的光谱响应。一般地，增强量几乎与谐振腔的品质因数q成正比，而光学带宽与q反相关。
在不希望受到特定理论约束的情况下，光腔同样会导致对tof深度成像系统的重要限制，即，光腔所引起的散射会使得在工作波长λ0下透射将成为入射角的函数。
例如，对于park的电光快门，本发明人的数值计算表明，在工作波长λ0下，θ～10°的角偏差会导致反射率从零增加到其最大值的大约一半。(见图13a-b。)这样的调制器的所产生的数值孔径n.a.～sin(θ)约为sin(10°)～0.173，这在λ0～850nm的工作波长下会导致约2λ0/πsin(θ)的或者约3μm的最小有效像素尺寸。其它系统限制只会使有效像素尺寸变得差。
相比之下，本文所公开的电吸收调制器不需要光腔。因此，所公开的电吸收调制器的数值孔径可以很大(例如，至少约0.5，至少约0.8，至少约0.9，大约1)。0.8的数值孔径会引起约0.65μm的有效像素尺寸(park的常规电光快门的有效像素尺寸是它的大约4.6倍)。这意味着，对于给定的横向分辨率，park的常规电光快门的面积可以是所公开的电吸收调制器的面积的(～4.6)2或～21倍。因此，所公开的电吸收调制器的功耗可以与park的常规电光快门相比显著降低(见方程3-5)。同样地，对于给定的面积，这意味着可分辨横向点数(thenumberofresolvedlateralpoints)(像素)可以是所公开的电吸收调制器的大约21倍大。
对于所公开的电吸收调制器，可能的大数值孔径可以针对tof深度成像系统的不同优点以不同的方式来使用。以上的描述假定，电吸收调制器位于图像传感器正上方。但是，如果电吸收调制器移至傅里叶位置(fourierposition)(例如，通过使用镜头)，则较大的数值孔径意味着有效像素尺寸没有改变，但是视场的面积增大了相同倍数。这将会导致像素数量如同上述计算所示出的那样同等增加。
除了上述优点外，去除光腔还能够引起每单位面积更低的功耗，并且良好的性能能够通过使用包括配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱的相对较厚的有源层来实现。这与如上所述那样利用很薄的有源层来降低功耗并利用强吸收量子阱和光腔来提高吸收的常规的电光快门(例如，park的电光快门)相反。在park的电光快门中，有源层不包括配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱。
park的电光快门的深度分辨率
下面，对park的电光快门(见park的图2和3)进行模拟。但是，从这些模拟中得出的结论可应用于其它类似设计的电光快门。如park中所示，电光快门的有源层具有约0.5μm的厚度l。在约9.3v/μm的电场下，电光快门的透射率t能够从大约65％变为大约15％。因而，透射率最大值tmax约为0.65，并且调制深度md约为(0.65-0.15)/0.65＝0.77。
电吸收调制器的相对深度分辨率δz/z(在给定距离z处的深度分辨率δz)与
修改后的电光快门的深度分辨率
接下来，类似park那样，对修改后的电光快门进行模拟，但是没有光腔和较厚的有源层，即，具有2.0μm的厚度l的有源层。对于电场从0到9.3v/μm的变化，吸收系数从大约800cm-1变为大约7400cm-1。透射率t从大约0.22变为大约0.8。tmax约为0.85，md约为0.74，并且k约为1.46。这表明，修改后的电光快门的相对深度分辨率类似于park的电光快门。但是，修改后的电光快门的功耗增加了约为有源层的厚度比的倍数，即，约2μm/0.5μm＝4。这会导致人们通常所接受的结论：光腔和较薄的有源层能够被用来实现类似的深度分辨率，但是功耗降低。但是，本发明人已经确定，这种人们通常所接受的结论是有缺陷的。
如同下文将进一步描述的，已经表明，包括含有被配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱的相对较厚的有源层的，但不包括光腔的电吸收调制器，与常规的电光快门相比能够实现改进的性能，并提供每单位面积更低的功耗。
包括含有被配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱的有源层的电吸收调制器的深度分辨率
模拟针对包括具有约4μm的厚度l以及约860nm的工作波长λ0的有源层的电吸收调制器来执行。(但是，如上所述，有源层的能带隙可以根据光的期望波长来修改。)有源层的量子阱是被配置用于通过施加离域恒定电场(即，通过对电吸收调制器施加离域恒定电压)来展示出离域电子-空穴行为的方形量子阱。特别地，离域恒定电压被施加于电吸收调制器，并然后施加附加的振荡电压信号。应当指出，离域恒定电场具有几乎为0的频率，并因而需要可忽略的功率，如公式3-5所预测的。为9.7v/μm的离域恒定电场e0被使用，并且对于电吸收调制器的高的和低的透射状态，为3v/μm的调制电场em被用来将电场从9.7v/μm变为12.7v/μm。
在860nm的波长下，调制电压使电吸收调制器的吸收系数从大约700cm-1变为大约4500cm-1。对于4μm的厚度l，tmax约为0.755，md约为0.79，并且k约为1.45，这类似于以上所述的修改后的电光快门并且比park的电光快门更好。但是，用来获得这些结果的电场变化只有大约3v/μm，即，比之前的小3.1倍。
使用功耗公式(公式3)，电吸收调制器的有源层的厚度为park的电光快门的厚度的8倍，但是电场比park的小3.1倍(从而引起小3.12＝9.6倍的比值)。总的效果是：功耗为谐振腔设计的8/9.6或83％，而深度分辨率提高约12％。
图14示出在深度分辨率系数k、离域恒定电场e0及有源层的厚度l之间的确切关系。这些结果是针对具有6mm×7mm的面积a的电吸收调制器获得的。对于10mhz的调制频率f，功耗被设置于14瓦特。如图6所示，在缺少离域恒定电场(即e0＝0)的情况下，深度分辨率系数k在l～1.2μm处最小化。但是，该最小值约为k～3，这意味着其仅为理想的电吸收调制器的性能的1/3。但是，当离域恒定电场e0增加以使电子-空穴波函数离域时，更厚的有源层会给出更好的深度分辨率。例如，对于e0＝7.5v/μm，最佳厚度约为l＝7μm，并且深度分辨率很接近具有k～l.2的理想性能。
在考虑到所公开的电吸收调制器的增大的数值孔径时，与常规的电光快门(例如，如park中所述)相比，效率方面的额外改进是可能的。如上所述，由于增大的数值孔径，所公开的电吸收调制器的面积可以比常规的电光快门的面积小大约4.62或者大约21倍，从而产生进一步降低的功耗。
如上所述，本例基于包括基于方形量子阱的有源层的电吸收调制器。但是，这些可以针对任何量子阱设计来概括出。然而，被配置用于通过调整量子阱的子层数量、量子阱子层的组成和量子阱子层的厚度来展示出离域电子-空穴行为的量子阱(例如，阶梯量子阱)可以是特别有利的。这是因为这样的量子阱可以取代对施加大的离域恒定电压的需要，以使波函数离域。因而，以上所述的结果可以从比9.7v/μm小得多的离域恒定场(例如，甚至接近零偏压)开始来获得。对于这样的量子阱，等效的“内建”离域恒定电场e0近似等于会导致电子-空穴离域消除的相反电场，或者当<ze>～<zh>时。
关于在电吸收调制器内基于量子限制斯塔克效应(qcse)的电子-空穴离域的讨论
电吸收调制器的操作原理基于所谓的量子限制斯塔克效应(qcse)。
电吸收(ea)调制器是由嵌于掺杂半导体的叠层内的量子阱(qw)或一系列qw制成的器件，使得在qw区内的电场能够通过在器件上施加外部电压来改变。
器件的吸收边是在其以下光的吸收呈指数增加(由于与qw的有效带隙相对的光子不断升高的能量)的波长。
qcse的原理表明，一旦电场被施加于qw区，吸收边就将向较长的波长偏移。
ea调制器的操作基于吸收边偏移：具有比吸收边更长的波长的光束能够通过几乎没有衰减的调制器。但是，当施加电场时，吸收边朝超过该光波长的更长波长偏移。这会导致qw的光吸收显著增加，从而引起光透射的显著减小(高衰减)。因此，光的透射能够以对器件施加的外部电压来调制。
qw的激子峰的波长按照与所施加电场(并因此，所施加电压)成二次关系偏移。如下文所描述的，本发明人已经确定，该二次关系能够被用来提高表面法向ea调制器的性能，诸如用于以上所述的飞行时间(tof)3d成像的调制器。qw的吸收边同样以与所施加的电场成二次式(或者甚至更高的阶次)偏移。
在常规的qw中，基态电子波函数和基态空穴波函数是对称的，并因此在基态限定于qw内的电子和空穴的位置的期望值处于qw的中间。这种共置会引起强的光偶极子阵列元，并因此引起大的光吸收系数。对于激子可以做出类似的陈述。
但是，有两种可以产生电子-空穴(e-h)离域的方法：(a)施加外部电场(例如，外部电压)，以及(b)qw电位的设计。本发明人已经确定，这两种方法都可以被用来提高表面法向ea调制器的性能，诸如用于以上所述的飞行时间(tof)3d成像的调制器。
如上所述，外部电场会引起可使吸收边偏移的qcse。在包括常规qw的常规ea调制器中，所产生的e-h离域会导致光吸收下降(图15)。
如上所述，qcse偏移是关于电场的二次函数(近似)，这意味着对于给定的电场变化的偏移在较高电场下更高(公式6)：
这个概念示于图16(左图)中，图16还示出了峰值吸收系数对所施加的外部电场的快速下降(右图)。
接下来，考虑qw的电子-空穴(e-h)离域的影响。图17示出被设计用于展示出e-h离域行为的qw电位(左图)。该结果是光吸收峰值下降，但是峰值吸收波长对所施加的外部场的变化(即
由于电子和空穴被分离，因而这可以被建模成有效的“内部电场”，具有近似为将e-h期望位置推回到彼此之上(即，使它们共处一处)所需的外部场的大小的值δe。然后，可以看出，图15的二次曲线(左)现在向左偏移δe(见图18，左侧)。然后，峰值吸收波长的近似公式及随外部场e的变化为：
公式7表明，峰值吸收波长(和吸收边)的偏移现在是关于外部场e的更灵敏的函数。对于视觉比较，请参见图18所示的在被设计用于展示出e-h离域行为的qw实线以及常规qw的虚线之间的差异。
如上所述，通过对方形量子阱施加e0>0的恒定外部场可以获得相似的效果，这会引起波长变化的相似增大以及光吸收系数的类似减小，如同在公式7中实际上e0＝δe。
由于减小的波函数重叠积分，e-h离域的结果是光学传输矩阵元的减少，这会减小光吸收系数(见图18，右侧)。但是，本发明人已经确定，尽管是这种结果，但是在tof成像中，这样的表面法向ea调制器的性能可以超过不包括配置用于展示出e-h离域行为的qw的常规的表面法向ea调制器。
特别地，本发明人已经确定，减小的吸收系数α能够通过增大调制器的厚度来补偿，因为总体透射率为exp(-α·l)。但是，对于所需的电场e，电压为v＝e·l，并且因而调制器越厚(更大的l)，电压v就越高。由于调制器的功耗与cv2成正比，并且v与l成正比且c与l成反比，因而总功耗与l成正比(对于给定的电场，功率随变厚的调制器线性增加)。但是，透射率是l的指数函数，并且在某个厚度下，对于给定功耗，获益将是最佳的。如图14所示，数值模拟表明，对于e-h离域(即，δε或e0>0)，这个最佳点与常规的调制器相比给出了更好的调制器性能。例如，图14表明，具有e-h离域(由e0＝6v/μm指示)的调制器的性能显著好于常规的qw调制器(e0＝0v/μm)。但是，e-h离域意味着，更大的l现在正产生最佳的性能(对于e-h离域，loptimum～4μm)。
方法
本发明还提供了所公开的电吸收调制器和tof深度成像系统的使用方法。电吸收调制器可以用于需要光调制(例如，具有在电磁波谱的短波红外区、近红外区或可见光区域内的波长的光)的各种应用中。这样的应用包括：用光照射任意所公开的电吸收调制器，并且施加其特征在于期望频率的振荡电压信号，以便调制穿过电吸收调制器的光的透射。
如上所述，一种这样的应用是tof深度成像。这样的应用包括：以其特征在于波长λ和调制频率f的调幅光照射对象以产生来自对象的反射光，使用任意所公开的电吸收调制器来调制来自对象的反射光以产生经调制的反射光，并且经由图像传感器来探测来自电吸收调制器的调制反射光。任意所公开的tof深度成像系统都可以被用来执行这样的应用。
实例
150mhz飞行时间3dswir相机
该实例给出了第一3d飞行时间(tof)相机在1550nm的短波红外光(swir)下操作的结果。它包括具有背面面镜的表面法向无腔电吸收调制器以及在150mhz的调制频率下的铒掺杂光纤激光放大器(edfa)。现场可编程门阵列(fpga)针对edfa在调制器的驱动器上生成四个正交相移。因此，商用的swir相机变成3d相机。4-mm物镜将来自所照射场景的反射光映射到调制器的背面上。进而，来自背面的反射光通过50-mm相机镜头映射到swir相机的320×256的像素图像传感器上。结果连同关于设计细节和系统性能的讨论一起在下文给出。对swir相机的添加深度维度的能力大大地增加swir应用的通用性。
swir相机相对于工作于可见光或较长波的红外波段内的器件具有若干优点。除了透过烟雾和阴霾的能力之外，swir波段还提供逼真的夜视，该夜视有用于导航并且由于其可透过玻璃以及没有被可见相机采集的层观看的能力对于机器视觉是强大的。如本例所示，通过给swir相机添加深度测量能力，已经创建出具有利用swir带的光学性能的能力的独特的飞行时间系统。
本例是基于在150mhz的调制频率下操作的4相技术的第一间接tof3dswir相机的证实。在本方法中，调制光照射场景，并且反射光由tof传感器采集。由于深度测量与在光源-对象-成像器的路径上的行进光的相位累积的检测绑定在一起，因而能够在更高的调制频率下达到更高的时间分辨率。该系统的关键创新是将下文所描述的电吸收调制器用作全局快门，以在来自对象的反射光被图像传感器采集之前对其进行解调。这样的调制器能够在ghz范围的频率下工作，提供前所未有的分辨率性能。另外，这样的调制器非常适合近红外(nwir)应用，因为该特征允许利用现成的最先进的cmos图像传感器。
在4相技术中，场景以调制光来照明，并且在该场景中，来自对象的反射光以四个不同的相移来解调制，并且由图像传感器的每个个体像素在特定的积分时间内采集，以生成q0、q90、q180和q270四个四元组(fourquads)。与光源-对象-成像器的路径相关的相位延迟能够以下列表达式通过照明信号和反射信号的互相关来计算出：
在四元组之间的减法和除法取消了任何系统响应和偏移，从而降低系统校准的复杂性。深度分辨率的不确定性与调制解调系数(k＝cmod*cdem)和调制频率的乘积成正比：
其中b是来自图像传感器和背景的噪声，a是已解调信号，并且它是来自场景的反射功率，该已解调信号由每个图像传感器的像素采集。在受限于信号的散粒噪声的机制中，精度能够通过所反射功率的深度的平方根来提高，然而它能够通过调制频率和调制对比度来直接提高。因此，考虑到功耗，与增加照明功率相比，更有益的是选择可提供高的调制深度和调制频率的更好的调制器。
用于展开相位的解调制过程能够以光学的和电子的方式来驱使。在电子级的调制中，图像传感器的每个像素都对所采集的信号进行解调。这样的专用像素称为光调制器件(pmd)。若干tof相机已经基于这种方法开发出来，全部均在850nm下操作。尽管该方法由于其与cmos工艺的兼容性而具有吸引力，但是超过100mhz的调制频率由于控制与相邻的像素间的串扰的水平而非常具有挑战性。另外，对于百万像素的tof感测，由于各单独像素的复杂性，本地电子调制对像素尺寸具有严格限制。在电子级的调制中已经报道的最高频率为130mhz。
另一方面，光学级解调制能够达到ghz的速度并允许使解调制过程与图像采集取消耦合。在这种方法中，全局光学快门被安置于场景与图像传感器之间，以解调制传入信号并展开相位。由park采用的常规的光学级解调制方法已经在上文进行了描述(在850nm下的基于电吸收腔的调制器，用于采集已解调的四元组的全局快门和rgb图像传感器)。但是，达到ghz范围的速度需要显著减小调制器尺寸，不管调制机制如何。因此，工作中的ghz系统需要比图像传感器小的调制器。结果，将传入图像映射到调制器上需要高na的光学器件。高na的光学器件与具有高角度的聚焦光束相关。这意味着，对于高的入射角，调制器必须保持其性能。缺少广角接受会导致对调制频率的限制。
如上所述，实现光腔(如同park中所完成的)会通过以对接受角度的范围的严格限制为代价来增长光路而增加调制深度。小的接受角会对光学器件的na设置上限，这样的光学器件能够被用来耦合从调制器传递到图像传感器的光束。结果，park的方法无法使调制器的尺寸收缩，以便达到ghz的速度。实际上，由于前述限制，光学级调制器已经停留在20mhz的调制频率以下。另外，光腔还会增加调制器对于所施加电压以及结温的灵敏性，从而在系统级造成更大的复杂性。结果，常规的方法已经转回到使用电子级调制来实现下一代的3d相机。
相比之下，在本公开中所采用的方法涉及光学级调制；因此，它没有关于电子级调制的限制。另外，如上所述，由于所公开的调制器的特殊设计，它与park的调制器相比对所施加电压更为灵敏得多。卓越的灵敏性可允许消除基于光腔的结构。无腔特征给调制器提供了很高的接受角，这对于高na的光学器件是有利的。因此由于对调制器尺寸的约束降低，能够实现ghz的速度。
图19示出本例所使用的tof深度成像系统1900。实验设置包括在一起工作的若干电气构件和光学构件，包括光源1904(在1550nm下操作的激光二极管)、电吸收调制器1906和swir相机1908(该swir相机1908包括50mm的相机镜头和图像传感器)。更多的细节将在下文进一步描述。
显微镜基于无线光学来布置。在已调制的照明信号入射到场景1902上之后，反射信号通过镜头筒1903来收集，以降低来自场景1902之外的光源的噪声。所收集的信号由50/50分束器1918分开，将所接收信号的一半发送到50x显微镜物镜1919之内。物镜1919将所接收的信号聚集到调制器1906的表面上。调制器1906的背面以金涂覆，起着像面镜以及背面电触头一样的作用，以驱动调制器1906。调制器1906被配置为双通电吸收调制器，如上所述。如上所述，调制器1906被配置用于swir光(例如，1550nm的光)，包括包含被配置用于展示离域电子-空穴行为的量子阱的有源层。在此，信号被解调并由显微镜物镜1919重新收集。准直信号穿过分束器1918并最终穿过相机镜头被映射到相机1908的像素上。8o(水平)×11o(垂直)的视场(fov)通过具有1.8的f值的50mm的相机镜头来施加。调制器1906的图像被映射到相机1908的图像传感器之内，放大率为12.5(相机镜头与物镜之比：50mm/4mm)。图像传感器具有30微米间距的320×256像素，从而产生9.60mm×7.68mm的成像面积。因此，调制器面积必须为～0.5mm2(0.768mm×0.614mm)。所使用的调制器1906具有圆形形状的相似区域。对于高角度光学器件，调制器1906展示出了卓越的性能，尽管物镜1919具有为～0.42的na。
在电子侧，现场可编程门阵列(fpga)被用来生成并控制用来驱动光源1904和调制器1906的调制频率信号。正交调制信号由xilinix的spartanvifpga板内部产生。为了生成正交时钟，由xilinix提供的ip核被用来生成数字时钟管理器(dcm)。dcm能够获取输入信号并生成4个输出，各自相位分别偏移0、90、180、270度。dcm的输出被馈入4对1数字多路复用器内(也被编程在fpga内)。c++程序被用来从相机1908中读出帧，并且使四元组信号同步切换来自计算机的触发器。用来采集四元组的算法具有两个步骤：在四元组采集阶段，每个四元组都被采集若干次，并被求均值以提高其信噪比(snr)。在深度采集阶段，四个求平均后的四元组被获得，以产生深度信息。拍摄若干张深度图像并对它们求均值会进一步提高snr。
fpga的输出被馈送给电压放大器(tiths3001cd)。电压放大器的输出被馈送通过t型偏置器，以施加-50伏的偏压。最后，调制信号通过专用的rf探头发送给调制器1906的接触焊盘。除了给光学调制器1906提供调制信号之外，fpga在该设置中还给光源1904提供调制信号。零度相移的时钟信号由fpga馈送给光源1904(5mwdfb1550nm激光二极管)。激光器的输出通过单模1550光纤馈送给铒掺杂的光纤放大器(edfa)。edfa的输出通过光纤馈送给置物台(stand)，在该置物台处信号可自由扩展到自由空间内并照射场景1902。为了减小斑点噪声在图像中的影响，旋转漫射器1905被放置于光纤夹持器的输出处。
要表征调制器的性能，可替换的设置被创建，该设置将图19的swir相机1908替换为用于收集进入多模光纤的光的准直器。在这种情况下，不是照射场景1902，信号通过注入来自可调激光源的输出的准直光束来直接提供。激光信号由分束器1918反射到调制器1906内。已调制的信号再次由显微镜物镜1919重新收集，并然后被耦合到多模光纤之内，以由pin光电二极管测量。在低频模式下，来自pin检测器的信号通过低噪放大器(lna，sr570)放大，因为它是直流耦接的放大器，然而在高频模式下，则是通过电压放大器(dupva-1-70)放大。信号在2.5ghz示波器上被测量，该示波器在所选的零度相移调制信号(50mhz、100mhz或150mhz)下由fpga驱动的另一个激光二极管进行光学触发并由pin检测器测量。这种配置可允许减少在调制和触发信号之间的串扰，同时直接测量信号关于dcm的基础时钟的相移。
接下来，讨论所测量的系统参数。两个重要的参数是在照明侧和调制器侧的调制和解调制深度(dom)。在这种类型的测量中，直流和交流两种电平的信号都需要保留。由于lna是直流耦接的放大器，因而低频(10khz)调制器的性能首先使用lna来测量，并且其交流分量与由dupva测量的高频(mhz范围)调制器的性能的交流分量进行比较。表1示出了不同高频下的测量结果以及所提取的dom。注意，在第二列的电压摆幅给出了电压放大器的输出。在低频测量中，相同的电压摆幅被施加，以具有正确的比较。
表1.测得的系统参数
不同调制频率的3d测量结果同样被获得。雕像(场景1902)被放置于离系统1900的1.5m处。面朝系统1900的扁平的同质朗伯体的深度测量在150mhz、100mhz及50mhz下获得。对象的深度地图并不是恒定的，不管对象的平坦度如何。因此，任何后续的一般对象必须使用该校准数据来校正。图20a-c示出了在使用校准数据进行的校正之后雕像在150mhz(a)、100mhz(b)和50mhz(c)的深度测量。图像通过拍摄6张图像并对每个四元组测量结果求平均来得到，并且每个深度测量为100个均值。对于高增益模式，相机1908的积分时间被设置为150毫秒。
图21a示出了由相机1908拍摄的雕像的swir图像。图21b-d针对不同的频率对深度分辨率进行比较。为了获得深度分辨率，整个测量的标准差被计算出来，以获得深度数据的均方根(rms)。注意，这些值被分配给单个深度测量，每个四元组进行4次求平均。每次深度测量就进行100次的求平均，在图20a-c中的数据具有比图21b-d所示的rms小10倍的rms。
图22将作为调制频率的函数的系统1900的调制响应与park的系统进行比较，从而证实系统1900以及本文所公开的tof深度成像方法的性能的优势。
结论是，已经证实了具有150mhz的调制频率的第一swir3d相机。该系统能够并入任何商用的swir相机。该系统具有允许使解调制与图像采集取消耦合，产生很高的频率调制的好处。该系统可以用于诸如夜视和扰乱的气氛的许多swir应用中。
词语“说明性”在本文中用来意指用作示例、实例或说明。在本文中描述为“说明性”的任何方面或设计并不一定要理解为相对其它方面或设计是优选的或有利的。此外，为了本公开的目的且除非另有规定，“a(一)”或“an(一个)”意指“一个或多个”。
前面关于本发明的说明性实施例的描述为了图示和描述的目的而给出。它并非意指穷尽性的或者将本发明限制于所公开的精确形式，并且鉴于上述教导，修改和变化是可能的或者可以从本发明的实施中获得。为了解释本发明的原理并作为本发明的实际应用，实施例被选择并被描述，以使得本领域技术人员能够以各种实施例以及适用于所考虑的特定用途的各种修改来使用本发明。本发明的范围意指由所附的权利要求以及它们的等效项界定。
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