专利名称：检测与处理信号波的过程与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测与处理信号波幅值与相位的过程，尤其是总范围从热辐射到伽马辐射(X线)的微波的电磁波，还有声小或超声波以及其它电流、电压或电荷生成辐射信号，以下简称为“信号波”，而根据应用，还有声、光、电磁信号波、X线波或微波，按照权项1的预特征化条款，还涉及执行该过程的装置。
在工业生产与自动化、计量、道路交通、保安工程、环境技术与许多其它场合中，一项重要的技术任务包括通过信号波传播，即利用被动(外部产生的信号波)或主动(自我产生的信号波)的波传播的不接触方法，获取信号波本身尤其是它们的源或目标通过反射或传输修改波(尤其是相位与幅值)的信息。用于此类任务的测量系统早已从所周知，尤其是用于光信号波的激光雷达、用于微波的微波雷达、用于声波的超声声纳和用于X线的计算机层析术。信号源自我发生的信号波较佳地以合适的方式调制。若这种“载波信号”调制在相位与幅值上较佳地被要测量的多准目标修改，用多点/多像素测量法合适地解调发射与反射的信号波，可获得目标信息，例如三维目标的形状。有关的接收设备极其昂贵，通常只会一含一台接收机。但为了对信号波测量许多测量点，就应用扫描仪。如在Jahne等人编著的“Handbook of ComputerVision and Applications”(Volume 1 Sensors and Imaging，p.463 ff，AcademicPress)中，描述过去光学信号波的目前技术水平。在那里描述了一种简化学学接收机的新方法，而在DE196 35932.5中，则首次描述了“光子沿频器”(PMD)。
根据目前的技术，入射调制的光波在PMD中产生的光电荷，通过至少两个光门电路暴露了解调振荡过程，并以推换方式读出与评估，把接收机的费用与尺寸减小了若干量级，能构成由许多像素型接收机生成图像的阵列。不管这一非凡的进步，此类PMD像素接收机有若干缺点调制光门电路造成入射光衰减。再者，将调制电源移场不优化地引入光电荷的流动方向。实际上这种调制光门电路调制光电流分布的调制带宽限于约1GHZ。另外，利用相应设计的这些已知的应用撞击电离(雪崩效应)的电荷载流小倍增或其它二次电子倍增的CMOS调制光门电路PMD，几乎不能明显提高灵敏度。
对不带调制光门电路的光子混频器寻找新的方法，尤其要有更高的调制带宽与精度以及更高的灵敏度。
本发明的目的是提供一种开头提到的类型的过程，对光信号波提出新颖有利的PMD接收机原理并且免除光门电路，而且提出执行此类过程的相应装置，同时将这种过程扩展到其它信号波，诸如微波、声波与X线，还提出执行这种过程的相应装置。
这种过程旨在使用于特性极其不同的指定信号波类型的接收设备得以简化，并以有目标的方式缩小尺寸，从而能以低成本平行操纵多个接收像素，提高性能与功能，而且例如能产生三维图像。接收设备的设计，可果断地减少对载波信号的放大与处理，而且可提高测量灵敏度、测量精度等性能特点。
该目的由过程要求1实现，即专门对不同的信号波规定该过程，并用继后的装置要求执行该过程。本发明基于如下一些认知，即与信号波类型无关的公共接收过程包括解调推换振荡过程并有利于以工业规模实施，而且对在修正的已知过程中以同样方法产生的光信号波或光电荷而言，这种振荡过程在CMOS与CCD光门电路PMD中不依赖于应用光门电路，对不同的光学问题定义而言，可以指定新的极有利的其它PMD过程和相应的PMD实施法，而这种解调推换振荡过程可对类型极为不同的信号波使用，如微波、超声波与X线，而且能对所有类型的信号波指定在理论上执行该过程的相应装置。
因此，提出的本发明的基本过程可对所有类型的信号波应用，能明显简化检测与处理信号波相位与幅值的测量过程，由于检测与混频合并集成在一个新型元件里，可固有地混频接收像素。
本发明的新特点尤其在于可用调制信号适合与信号波调制相关的一种解调型推换振荡过程，对已调制信号波或相应转换的信号波或整流的调制波作检测固有混频与解调操作。
运用能明显简化并改进已调制信号波的相位与幅值测接收原理的本发明的过程，用信号源(
图1的SQ)发射已调制信号波。
在信号波11到达接收设备EM之前，至少一个光或声或微波或X线信号波的接收像素通过一合适的传播媒体，在空间较佳地被通过被检目标16的发射或反射所修改。在较佳地通过把信号波转换成另一类粒子的信号转换器UMW或直接在作为调制/混频器的电荷或粒子或波能量振荡器MIX上适当成像之后，该信号波就到达接收装置EM。信号源SQ的调制受通过导线13配有源照明或辐射或声辐射的系统控制装置(SST)的控制，较佳地像混频器(MIX)通过导线12的调制/混频一样。在某些应用中，调制信号也可在外部测定或为未知，然后例如通过扫描调制频率或混频器(MIX)中的编码，测定信号波的调制，其幅值与相位以像素形式评估。
调制/混频器利用调制信号通过至少双向调制波能振荡器(对光子或声子等)或能量小振荡器(对光电子等)对信号波作推换混频/解调，这样得到的能量小或电荷代表期望的混频产物，通过至少两个推换输出端a与b馈给读出设备AUSL的两个读出单元Da与Db。
带分离输出端a’与b’的检测和/或读出单元(AUSL)较佳地例如通过电流整流/电流读出对信号幅值求均，并把有关输出信号Sa与Sb传给评估单元(AUSW)。根据评估目的，如对二维图像评估而言，这些混频信号要作短时积分或短时相关。另在评估单元中，较佳地形成通常代表自相关函数值ΔSab和代表信号波幅值的和值∑Sab，并传给图像评估与系统控制SST。由于对称性，输出端a与b的不相关混频产物同样大小，根据本发明，例如或者被振荡过程类型容性抑制为直流部分，或者较佳地被另一覆盖的补偿直流部分调节，因而本发明过程的测量动态范围扩大了若干量级。多像素系统中的系统控制与较佳的图像评估(SST)得到查找的专用数据，如三维图像序列，同时控制了该系统。
不管要研究的信号波类型，在本发明的这种接收设备或配备收发设备的完整测量系统中，均按权项1的基本公共过程作检测与处理。信号有关差异遵循各自处理步骤的规程，尤其在工业过程执行方面。
下面描述光或声或微波或X线信号波的处理步骤规程的相应执行本发明该过程的实例。由于检测原理不同，故按微波(无光电效应)与光波(光电效应的确定15THz)束区分电磁波。
1.本发明过程的规程及其对超声混频检测与超声混频器USMD的执行实例1.1对声或超声信号波，在适合的调制器如推换声子振荡器MIX的帮助下，调制信号15，较佳地推换调制信号，确定较佳地对检测与读出器中至少两个检测器Da与Db，较佳地对多个形成至少两组检测器的检测器分配入射信号波或其声子形式的信号能量的时间与含量。这些检测器组可以开发成例如两组，每组较佳地有空中的2、4或8行电容话筒或者空气或液体中的压电检测器。超声信号波11较佳地包含调幅的高频载波。较佳地首先由转换器UMW把它转换成电信号，并按基本过程所述，经解调消除载波信号，再供给混频器MIX并读出与评估。根据本发明，还可在纯声学混频器MIX中直接在声学范围内混频。能量振荡(MIX)和相应集中于检测器行中间的信号波能量分配，较佳地通过声调制信号15总对一个超声检测器行Da或Db产生低的声学或机械的横移影响与横移力。在例如应用压电元件的合适声学结构中，较佳地通过垂直于信号波入射方向的声或超声激发来施加调制信号的影响。在评估单元(AUSW)中通过差动形成至少两个检测器或读出信号Sa与Sb，测定入射信号波与调制相位之间的像素相位。通过相加，测定这种USMD信号相关信号波的像素幅值。在超声计量与超声图像制作方面，尤其是辐射选择性三维测量，把这种超声混频器定为USMD像素及其在超声线与矩阵相机中的应用，开辟了全新的机遇。可将显微过如LIGA过程用于工业实施。
1.2一例执行声波过程的装置包含至少一个USMD像素(图24)。信号源SQ辐射的声波较佳地被幅值修正，如频率范围为200KHz-20MHz的超声载波，用10Hz-10KHz的调制信号作正弦调制。通过声学透镜或声学天线243a，如抛物面反射镜天线，把信号波11成像到至少一个USMD像素上。各像素244a的声检测器把该信号波转换为相应的电压或电流信号244b，再作放大与解调。这一收到的调制信号246b与系统控制SST的调制信号15Um(t-td)一起馈给混频器MIX，而后者集成的读出设备AUSL(247a)较佳地开发成集成了1-4象限倍增器247a，并且较佳地以推换方式将混频产物送到输出端a’与b’。为了运用相关函数测定周期t，较佳地对td=0/Tm4/Tm3/3Tm4]]>测量其值。评估电路AUSN较佳地把该相关函数评估为差值△Sab，相加信号与信号量则由图像评估与系统控制SST处理并以专用方式制备和发射。
图24示出的一例测量装置，用若干USMD像素构成一种超声三维相机或三维声纳。各USMD像素以集成方式较佳地用微系统技术与微电子技术构成，混频器较佳地开发成集成式1-4象限倍增器。
2.本发明的过程规程与其执行微波混频检测的实例和微波混频器MMD2.1信号源SQ较佳地发射载频fT在微波范围内的极短波电磁信号波，并较多佳地通过导线13调幅。通过导线12的调制信号，较佳地一种推换调制信号，利用调制装置或能量振荡(MIX)确定调制相关地分配给至少两个带有关输出端的检测器Da与Db之一的入射信号波或其信号波通过合适天线产生的声子或电压形式的信号能量或者较佳地在推换混频器中整流的电流的时间与含量。
2.2在第一实施例中，通过一微波电声调制器把微波信号能量分配给至少两个被分配的检测器Da与Db，该电声调制器类似于光声调制器，具有相应的调制频率，组合了信号波的发射与接收侧和解调混频器。较佳地，还能把能量子或光子分配给多个形成至少两组检测器的检测器，如两组各自有2、4或8行偶极小接收。调制信号通过稠波的折射率，如通过对应于光声调制器(AOM)的准光、声微波调制器信号波施加影响。作为本发明过程的实施例，在调制信号激发的合适材料板中，静止的超声波形成一系列平行柱形透镜，各自有关的聚焦线低于最大密度。随着最大与最小密度以调制频率时序交换其位置，微波能量也分布到聚焦线上。按这些聚焦线排列并开发成例如偏振匹配偶极子行的检测器行或成组检测器行Da与Db，例如通过高频整流提供信号幅值或偶板子电流Sa与Sb，其和值含像素强度，其差值会像素相位。通过差动形成至少两个检测器信号，测定入射信号波与调制相位间的像素相位，通过求和或相加，测定有关微波混频(MMD)像素的像素幅值。
2.3在基于肖特基二极管电荷振荡器对微波第二种执行本发明的过程中(图26利用另一混放大作用示出类似的进一步开发的实施例)。转换器(UMW)先将信号波转换成天线电流。组合式混频与读出器MIX+AUSL里的肖特基二极管整流电路，在最简对称情况下是较佳地在对称天线输出端的一对反并联肖特基二极管Da与Db，较佳地用于恢复调制信号。最简的调制信号是方波信号，通过导线13接通与切断信号源SQ的微波载波。对于这种电荷振荡器MIX-AUSL的解调，通过耦合网络Knmagn KNmb，如除了对称地位于二极管对的微波电感退耦外的耦合电容Ca与Cb，把相应的调制信号实施为推换方波电压+Um(t)。被延迟了未知周期t与相位4的输入信号波Se(t-t)将根据二极管偏压的相位位置，使整流电流通过二极管Da或Db对耦合电容Ca与Cb充电。利用90°相移，由于对称性，同样的整流电流流入一个方向和另一方面，相加电流导致积分电荷为零。在不相关的如背景照明的情况下，通过相应的附加测量循环，较佳地运用该相加电流与对称性的偏差来参比相关信号波的测量结果。相移为0°，最大整流电流以一个方向流动，相移为180°，则以另一方向流动。在周期内的相关函数具有已知的方波调制的三角形状。读出电路AUSL对Ca与Cb上的反对称电荷作电流读出，在如此小的电压值的情况下，或在低频、低阻下，电荷电压和通过二极管的相应反电流可忽略不计。不相关的背景辐射，由于对称，导致对耦合电容Cm充电，经相互抵消，因而自动地抑制了可纠正的对称差错。整个接收设备较佳地包括成像菲湿耳微波透镜或抛物面反射镜、作为图像像素阵列把场能转换为电流/电压能(UMW)的盖片天线阵列，还包括混频器+读出器评估AUSW和后续的图像评估。对值ΔSab、量Sa与Sb和和值∑Sab作每次像评估后，可生成一幅三维图像。根据成像速率，耦合电容器较佳地通过至少一个复位开关放电。为测定周期，较佳地通过4次相位测量确定相关函数KKF(t)＝ΔSab(t)的位置。为此，混频设备的调制信号按四段延迟，即ψmd＝0°/90°/180°与270°，或td=0/Tm4/Tm3/3Tm4.]]>周期t＝0.25Tm(ΔIm/(ΔRe+ΔIm))，ΔIm＝ΔSab(90°)-ΔSab(270°)，而ΔRe＝ΔSab(0°)-Sab(180°)。
2.4如前述那样，图26示出微波过程的第三实施例，但附加了混频放大，能明显提高三维MMD相机的灵敏度，不过还要求载波有一定相干性。图26中只示出三维MMD相机中若干MMD像素之一。在图27中，列出了主要有关的测量序列的信号过程。较佳为16次测量循环，部分还在空间分割复用中实施。为实现混频放大，在较佳地由方波调制电压±Um(t-td)决定的二极管工作点中，还对接收信号覆盖了部分传输信号。在正确地相位位置，该混频信号的相位相对接收信号把整流效率提高了若干量级。但由于不明接相位，必须对高频载波建立相关函数。为此，与传输信号相比，较佳地被延迟了四个相位步的混频信号Iux(t)被用来建立包络，从而建立调制信号与被查周期t的相关函数。较佳地利用载波调制以调制信号的极性时序使载波相位在0°与180°之间切换。根据本发明，除了二相移建控(2PSK)载波调制外，还对不同的应用场合提出了许多其它调制类型，如QPSK为伪随机相位或幅值调制。为了比对测量结果，实施了按本发明例如有与没有信号波的对比测量。为提高灵敏度，根据较佳的方波振荡器与切换信号±Ux(t)的幅值，把两个工作点定到可能最低的反对称二极管电流。评估时，要计及载波和混频信号相关函数的相应非线性造成的误差。
3.尤其对光学信号波，提出了一些新的相对不同的过程规程和装置，在执行本发明的过程方面极具优点，同时免除了光门电路的缺点1.具有或不具有读出电极自调制作用的金属调制电极基于PIN光二极管技术的ME/SM-SMD，2.基于肖特基光二极管的金属半导体-金属MSM-PMD，3.基于雪崩光二极管技术的APD-PMD，4.基于真空管提出了新的“VAC-PMD”，尤其是基于图像放大管提出了带附加微通道板放大的“MCP-PMD”，5.基于带光声调制器的波能振荡器的AOM-PMD，6.基于压电电压或电场强经超声波引入振荡过程的压电-PMD，7.基于在本发明过程中较佳地适合接收机侧与发射侧的调角微反射器阵列的微反射器-PMD，8.附带对量子传递张驰时间作谱测量与分配的时间分辨型PMD谱测量，9.尤其对测量目标中二次辐射作已调制X辐射与评估的X线PMD，10.在低调制频率下用于最高二维灵敏度与谱分辨的二维PMD/USMD/MMD相机。
3.1 ME/SM-PMD在光学信号波的第一过程中，提出一种不会调制光门电路的新颖而有利的固有混频光接收像素或PMD像素，称之为光子混频器(PMD)。
迄今为止已知的诸光子混频器都具有衰减速入射光的调制光门电路，这样引入的漂移场的方向仅有限度地对应于期望的光电荷运送方向。提出的调制电极通过覆盖读出电极两屏蔽它们，可用金属构成，在不需要的范围内阻碍光电荷，同时在光敏调制容积内产生更有效的漂移场。
图2以成倍型式示出ME/SM-PMD的半导体光二极管的截面结构，可用于平行同相与正交相位测量。推换调制发生器只调制调制电极ME1，或ME2，或需要时经Ck同时调制读出阴极(K1，K2)。
图3示出无自调制但有补偿成背景光电流补偿型式的一部分ME-PMD的截面。通过测量读出阴极电压，可调节对称的补偿电流ioff，a与ioff，b，从而不违反读出电路的线性控制范围。
通过读出电极在光学范围内造成自调制的特定特性，本发明还涉及MSM-PMD、AOD-PMD和VAC-PMD，因而所有的半导体光二极管结构(图2-8)和真空光二极管结构(图19、20)都包含至少两个较佳地多个光二极管，各自有一个阳极(A1，A2)和较佳地有一个公共阴极(K)，在半导体光二极管结构中，或者各自有一个阴极(K1，K2)和一个公共阳极(A)，每个半导体光二极管结构的阳极与阴极范围由光敏半导体材料(3)中或与之有关的合适掺杂范围限定，而在真空光二极管结构中，阴极由光敏或辐射光阴极(K)限定，至少两根阳极(A1，A2)在公共真空容器(191)中由正偏置的电极限定，阳极与阴极各自带电气端子(A’1，2或k’)，而且直接靠近至少两根阳极或至少两根阴极，调制量由带半导体光二极管结构的空间电荷区或带真空二极管结构的真空合适的偏压限定，其中光电荷通过辐射的光信号经内部或外部光电效应而制备，而且较佳地在每一场合中对至少两根阳极或阴极分配至少两根调制电极(ME1，ME2)，在每种场合中同样将电气端子(ME’1，2)安置成直接靠近有光电荷的调制容积。
至少两根调制电极(ME1，ME2)不做成调制光门电路，使它们不损害入射光，因而该半导体光二极管结构和这种真空二极管结构能工作成光子混频器，因为调制容积内的光电荷暴露于已调制的电源移场，根据其极性与强度，在每种场合中，使它们主要漂移到至少两根作为读出电极(A1或A2或者K1或K2)的电极之一，调制漂移场能以各种方式产生，较佳地a)在每种场合中较佳地用推换调制电压(±Um)单一地调制至少两根阳极或阴极，该调制电压覆盖在其偏压和检测起来很小的信号电压上，由于光电荷或光电流的缘故，在不设置调制电极最简场合中，尤其如同MSM-PMD一样，或者至少两根调制电极(ME1，ME2)不支持该调制场，而是由静电场来抑制晶体管寄生效果应，并且极低地掺杂空间由荷区是有利的，或者较佳地。
b)在每种场合中用推换调制电压(±Um)单一地调制至少两根调制电极(ME1，ME2)，对于高灵敏度，用反相插入的同幅调制信号补偿对读出阻极或读出阳极的容性串扰，作为一种支持，在合适的压电半导体材料中产生一种静止声波，其电场分量支持调制漂移场，或者较佳地。
c)在每种场合中对至少两根读出电极(A1与A2或K1与K2)和至少两根有关的调制电极(ME1，ME2)同时作振幅与相位和偏压匹配的调制，电气端子按调制类型制作，至少两根读出电极(A’1与A’2或K’1与K’2)的电气端子通过有关的合适读出网络(AN1，2)与评估电路(AS)相接，而在读出电极通过合适的耦合网络(KN1，2)与调制发生器(MG)同时调制的场合中，至少两根有关调制电极(ME’1，ME’2)的电气端子经合适的耦合网络(KN1，2)与调制发生器(MG)相接。
3.2 MSM-PMD图4示出MSM-PMD实施例的截面图，图5是俯视图，n掺杂半导体上的金属条代表肖特基传递，这里有纯净的读出阳极自调制，GHz范围的高调制宽度可对周期实现实最高测量精度。
3.3 APD-PMD图6示出APD-PMD的截面。为支持雪崩效应通过强烈不均匀场，读出阴极被P掺杂作为成强场区，并做成条形或半球形。以调节方式较佳地把光二极管的偏压增至击穿极值。通过读出阴极或组合在阳极上的附加调制电压，以相当于电荷振荡器混频的调制电压时序放大光电流。
3.4 VAC-PMD与MCP-PMD其次，对光学信号波提出一种真空光子混频器(VAC-PMD)，其中安置在上游的光阴极作为光子变成光电子的转换器，而且调制设备或电荷振荡器包括在真空中控制电子流的被调制电极。
a)通过较佳地以推换方式调制阳极电压，甚至较佳地至少两根相邻的条形阳极，控制电子按该调制电压分布。
b)通过分配给各阳极的被调制晶格，按调制电压把电子分布到较佳地来调制的至少两根阳极上。
c)通过调制微通道板(MCP)面对光阴极作为阳极的端面条形金属化，至少两条被较佳地以推换方式调制，控制电子在倍增电子的微通道上的分布。这种二维二次电子倍增在振荡过程或混频过程后发生，不损害时间分辨度。
在这种Vac-或MCP-PMD的像素较多时，较佳地用CCD相机通过荧光屏作光学读出而不是电流读出，因为自由电子流被投射到荧光屏上，此时由CCD电荷形成电流等效信号的相应差值和和值ΔSab与∑Sab。
阳极条在指状结构中的配置，应用类似于已知PMD指状结构的结构。
对许多新的应用场合，图19所示的执行本发明过程的VAC-PMU(19)型式尤为重要，对光阴极(K)大的谱宽尤其对各种辐射型富能辐射量子而言，距远红外边界约2μm。光信号经光阴极表面在真空中产生的光电子，以约10-100ps的短飞行时间从光阴极表面传播约0.1-1mm到达电压约10-100伏的阳极A1与A2。在对一组或另一组阳极直接调制后，混频过程已经结束，从而可实现超过10GHz的带宽。真空PMD对混频产物的评估机率，在理论上与半导体PMD并无差别。明确的差异与显著的优点取决于通过载荷子倍增，较佳地通过微通道极(MCP)(201)的二次电子倍增造成下游放大的机率。微通道极有一约0.5到几毫米厚的盘，约包括100,000根玻璃管/cm2，对光电r工作成高放大读出通道。通道板面对光阴极的端面涂布了导电的较佳为金属的条，代表属于至少两组阳极的至少两根阳极A1与A2，每组阳极配有公共端子A’1a与A’2a。通道板相对的端面较佳地全部涂布金属，其电压适合在两端面之间形成二次电子倍增。
放大的光电子或者通过与调制阳极条匹配的成对像素结构用电荷读出器读出，或者通过荧光层和像素形式的光学读出器读出。
3.5 AOM-PMD第三，对光学信号波提出了执行该过程且类似于适合微波的2.1的装置，其中光声调制器(AOM)构成调制设备，例如通过类似于举例来说微波接收与评估设备中调制设备的静止声波，交替地将如此形成的梯度透镜投射到聚焦线上。此时在聚焦线上安置至少两块相应形状的光二极管Da与Db，以检测信号能量部分并把它们读出为电荷。这种AOM-PMD接收设备的其余构造不变，已描述了多次。
3.6压电PMD对光学信号波提出了一种调制器，其中在半导体PMD结构的至少两个读出二极管之间的电荷振荡器的调制电场，较佳地由压电半导体材料中的静止声波产生。读出二极管间的距离的相当于光声调制波波长的一半。在一实施例中，调制电压通过压电晶体激发静止波，继而通过读出电极之间密度扰动，产生相应的漂移电场。指状结构中这种压电PMD的接收设备的其余构造不变，已描述过多次。
外界施加的调制电场也支持这种效应。
3.7微反射-PMD第五，对电磁波，较佳地在光学范围内，提议把微反射器阵列作为波能振荡器，可用调制信号较佳地以静电方式切换到MHz范围，并在每种情况下将入射信号波切换到至少2只检测器。这些检测器信号的差值代表寻找的相关函数ΔSab。
3.8时间分辨型PMD/USMD/MMD谱测量若已调制的光学信号源发射特定波长的光，就只对该波长作照射选择地测量被照射目标的反射率。这种特点可应用于谱测量观察若信号源在宽波长范围内连续或逐渐变化，则根据波长，得到的目标谱反射率为一个点、一条线或一个矩阵。
较佳地，对光学范围，本发明的一种型式能用新颖时间分辨分光仪作时间分辨的谱测量。商业与通行的微分光仪能以强度与波长的关系分辨被辐射目标的反射与透射。受紫外线辐射的样本例如也以较长的波长范围传送，这种谱例如通过凹晶格成像到光二极管行而被测量，例如得到识别该样本的特定谱线。这些受激电子传递的有关反射时间同样令人关注。为此，辐射源按本发明调制，光二极管行用本发明载有相应调制信号的PMD取代。这种时间分辨型微分光仪可作快速而成本适中的物质分析，在时间分辨型荧光谱测量方面有显著改进。
3.9 X线PMD在许多测量任务中，希望得到有关三维目标内部结构的信息。MCP-PMD以相应的目标透光度特别适合光学层析术。几乎总能应用波长范围为0.02nm-10nm的X线。按本发明可实现用于X线的合适信号源SQ，因为可用调制信号例如通过强度控制来调制X线管的阴极射线流，这样也对X辐射作强度调制。可按至少一种推荐的原理设计X线检测器以便解调推换振荡过程，如具有合适光阴极材料的MCP-PMD或基于碲化镉的CCD X线相机。其优点在于可附带精密地测量信号波周期，尤其还能测量目标释放的二次辐射。
3.10二维PMD/USMD/MMD相机运用相对低的调制频率，如10KHz到几MHz，配备本发明光学或超声或微波混合检测器的接收设备(EM)可以工作到几乎是较佳地同样调制的信号源与调制信号相关函数的最大值。于是，周期效应可予以不计。回波传播时间或相位评估被取消，相应的调制设备(MIX)构制起来更简单而便宜。由于只有信号源提供推换相关结果，故具体优点是基于相关性的MW、US与光辐射选择性。由于对称性，例如至MSM(金属半导体金属)PMD场合中，在能量/电荷振荡器(MIX)的两个输出端，偏置或直流电压或直流电流插口受到不相关背景信号波通过对称调节的偏置电流移动或从开头被电容电荷振荡的抑制。只评估有源辐射Sa与Sb量或只评估二维图像的强度。
这样，实际上可以解决一大工业问题。MW、US与光扫描器，反向、MW、US与光障，条形码阅读器，尤其是本发明的二维PMD相机、二维MMD相机和二维USMD相机，只测量本征有源辐射，而迄今与使用的调制信号或使用的编码不相关的无源背景辐射，几乎全被抑制了。
这里示出的本发明过程型式的多种组合，在工业与经济上有利于相互结合和相关地解决，尤其是例如SM/ME PMD三维图像传感器与CMOS二维图像传感器的混合以及通过高分辨度彩色相机与三维PMD相机的局部反射器与优化谱分配的调制与不调制光的光学像素同步组合，不相干PMD测量过程与相干测量过程如斑纹干涉测量的混合，还有用于三维图像处理的PMD周期过程与三角测量过程的像素同步组合。
上述混频检测器尤其是新颖光子混频器的应用领域几乎没有限制。在每种情况下，借助合适的外围元件，可实现众多有利的应用，尤其在光电倍增器设计方面，如光电混频器、多路分离器、开关、晶格、鉴相器与光电可变衰减板，而在相关器设计方面，有解调器、相关器、取样器、下变频器、译码器、锁定放大器，尤其在以适当调制的光学信号源形式的外围元件配置方面，首先有三维测量与数字化的光电与视频相机，如三维组视仪、保安光障或带可调控制窗或控制室的保安雷达、光学合成孔经雷达(SAR)干涉仪，在后一种情况，与已知的微波SAR干涉仪相比，用调制的光学辐射代替了微波辐射，并用光学元件代替了微波元件，如局部三维定位检测系统、各类车辆的自动导航，其中惯性系统必须连续固定三维图像的通用坐标基准，还有尤其是用于车辆的室内外三维安保传感器系统、电子三维机器眼，在多路分离器设计方面有信号分离器与多路分离器，在差动倍增器设计方面有可变衰减板、光电开关、逻辑光电晶格，在信息光学传输方面，有根据空分复用、码分复用、时分复用与频分复用原理的信道选择性接收元件，与配用任选PMD-像素译码(图28)的相互全部光学连接的PMD阵列相比，有例如配用LED或激光二极管阵列的多倍道空分与码分复用信号的光学总线系统与光电切换系统，如“空间光调制器与检测器”、码分多址(CDMA)接收机(图28)、在“芯片卡”光学接口和“光学计算机”高度平行光学接口中工作于复用过程的一个或多个逻辑接收元件。
与目前的技术相比，按上述本发明带ME/SM与MSM的半导体光二极管结构和带选择性分配的调制电极ME结构的APD结构，尤其具有下列优点
1.完全消除了调制已知PMD结构的光门电路对光信号的光学衰减。调制电极同时对读出电极形成必需的光保护，而且作为金属电极，能传递最高的调制频率。
2.大大简化了半导体结构，所需生产加工步骤更少。
3.由于反向调制的电极(如A1、A2和ME1、ME2)之间无需其它结构，明显减小了电极间隙，因而缩短了光电荷周期。
4.调制场直接沿期望的光电荷传输方向起作用，因而更有效地利用调制电压，可提高漂移速度，相应的调制带宽更高，或能明显降低调制性能。
5.由于公共衬底-接地与优化调节的阻塞电压接触，不参与混频过程的载荷子被再吸收而不影响带宽，或被引入混频过程。
6.光二极管的阻塞电压基本上支持光信号更大渗透深度的电荷传输，由于在达到饱和场强之前一直可调节到要求的空间电荷区扩展，因而明显加速了以光敏半导体材料深处的电荷传输，这表示实现的带宽对应于常用PIN光二极管的带宽。这样，本发明的SM/ME-PMD也适用于长的吸收长度。
7.对光信号小的渗透深度/吸引长度，SM-PMD的光二管结构尤其有利。在吸收长度为1-10μm时和在晶格常数为5-20μm、电极宽度为1-5μm的条形结构时，期望调制带宽为几GHz。
8.在各种技术与半导体材料中，通过与像素大小几乎无关的条宽与各自的指长，可按设定的PMD要求灵活地调整平面条状结构。
9.对于例如量子产出率相对高而且约100MHz足够快速的4-7μm和8-12μm的谱范围，可对光学上相应安全的最高频率实现以锑化铟(InSb)与HgCdTe技术按本发明致冷的SM/ME-PMD和三维相机，且部分穿透烟雾。
10.所述SM/ME-PMD结构有利地适用于具有强场区造成的负载载流子倍增(雪崩效果应)的型式。
11.在每种情况下，必须借助于耦合网络与读出网络，只有按SM/ME PMD像素的阳极或阴极组对调制信号与光电流信号或电气光信号的谱信号分离投资，较佳地包括由阳极或阴极(A1，A2或K1，K2)的金属化形成的条状线与调制电源线的导线内容。
12.与当今常用的商业设备如Sick AG(71977 Waldkirch)的测距设备DME与激光扫描器LMS中具有宽带检测、宽带放大与后续电子混频的周期检测器相比，本发明的PMD还具有速度上的优点光载荷子的空闭周期仅部分穿透调制带宽，而带调制网络附加耦合电容的RC时间常数不穿透调制带宽，因为混频过程在读出光电流时早已结束了。
13.图8的所述成倍ME/SMPDM，由于阳极与阴极相反，具有至少两个较佳地多个并联安置的PIN二极管，它们较佳地以三种不同方式工作(图8中未示出调制电极)a)相对PMD独立，即用两种不同的较佳为推换的调制信号调制，因此该PIN-PMD执行成倍PMD功能，即成倍推换混频。若两个推换调制信号正交，则两个混频过程互不影响。在信号不正交，若图8中实施例(14)所示的相对电极配置正交，它们也互不影响。此时，不同辐照的光信号可按本发明作谱分离，因为面对光的一侧，例如吸收长度一般接近表面的主要兰光信号产生“兰”光电荷，而较长的吸收长度渗透更深而且较佳地受反射层支持的主要红光信号，主要在半导体结构面对远离光的一侧产生“红”光电荷。该双侧平面结构还能有利地应用于双侧插入的光信号。
在其它设计方案中，将本发明做成光电集成型PMD电路(OEIC)，尤其是做成数字与模拟锁相回路(PMD-PLL，图21、22)，在自由与制导的光通信、通信工程、信号处理与计量中应用。
带直流读出与电容调制插入的SM/ME或MSM-PMD开关，可用作深度图像的取样器光源Popt(t)与调制源——这里的取样源Um(t-TD)。近似为同一个尖脉冲形式。只有同样的回波传播时间T回波＝TD，深度图像取样器才看得到受照射目标，从而在每种情况下建立其周期或距离。连续改变延时TD，可在深度上用所有平行照射的像素扫描整幅深度图像，灵敏度取决于扫描速度。若连续扫描同一深度，可在相应的一段时间按像素积分光电流。SM-肖特基-PMD能像取样示波器那样工作，用数百万个光学取样器代替1～2条通道或电气取样器。今天，在电气上以肖特基二极管实现约5ps的扫描时间，实际上可以光学方式达到同样的范围，即超过50GHz带宽。
同样的取样器能像谐波混频器那样产生谐波，如在网络分析仪中，对来自超过50GHz的同一频率范围的μW信号作下混频，以测量相位与幅值。
在本发明另一种型式SM-PMD中，如在开关技术中，尤其可将肖特基SM-PMD设计成准光学较佳为二进制开关元件，为此通过将信息切换入局部光纤网而作异步调制，尤其基于码分多址(CDMA)，在“智能光学光障”而且通常在所有光电数字与模拟锁相回路(PLL，尤其对简型时序恢复)中，按本发明译码明显扩展的精细光学PLL，以及对光学消息信号有利于集成为OEIC(光电子集成电路)的微光学译码器。
图1对信号波或在至少两个输出端上从转换器(UMW)中信号波导出的粒子作直接推换混频的基本原理，对三维图像评估有关的差值、和值及量的读出与评估。
图2通过本发明一部分平面光子混频器的截面，带光电子的阴极读出，调制电极ME作为读出二极管屏蔽，2相混频(0，90°或I/Q)，通常布线最少。
图3按图2通过一部分本发明平面光子混频器的截面，有读出电路的示例型式和附加调节的不相关对称光电流补偿。
图4在肖特基二极管技术中通过本发明一部分平面光子混频器的截面，带阳极调制与读出，有利于工作成相关器等的电路。
图4aMSM肖特基二极管结构对端子A1′和A2′的置换图像。
图5图4的光子混频器俯视图，包括较佳相关器应用的有利布线。
图6以条状或半球读出二极管的截面示出的平面雪崩光子混频器，有雪崩效应强场区。
图8用于4相PMD操作的双侧正交条状结构(未示出调制电极ME1～ME4)。
图9尤其具有CDMA时序恢复的光子混频器锁相回路(PLL)。
图18基于PMD的三维相机，带有源调制的光信号源与光学基准。
图19真空PMD，未示出晶格状附加调制电极ME。
图20MCP-PMF，具有下游微通道段放大的真空PMD。
图22SM-PMD相机框图，有信号波PN调制，在每种情况下通过调制电极MEa与MEb作DPN解调，这里称为am与bm，调制频率略不同，还有所有目标像素通过参考信号的公共基准。
图24三维测量装置中超声(US)PMD像素的框图，配有转换器UMW、混频器MIX(如1、4象限倍增器)、读出器、评估与系统控制SST及信号源SQ。
图25图24中块MIX+AUSL作为CMOS技术中1象限倍增器的实施例。
图26三维测量装置中微波混频器(MMD)像素的框图，μW盖片天线作为UMW、肖特基二极管结构作为MIX与AUSL、AUS、SST、信号源SQ以及各载波信号与调制信号的相位门电路。
图27图26中操纵带混频放大的MMD像素最重要的信号。
图28用于切换、选路由等的光学接口的框图，激光二极管作为发射机，分配的PMD阵列作为CDMA接收机。
权利要求
1.对信号波，尤其是从热辐射到伽马辐射(X线)整个微波范围的电磁波，还有声波或超声波以及其它载荷子发生辐射信号(下面简称为“信号波”，根据应用，也称为声、光、电磁信号波或微波的幅值与相位作检测与处理所述的过程，调制的信号源SQ产生的信号波在其路径上被传输媒体或目标或被至少一个目标的反射与散射所修改，被接收设备EM接收并用与信号波调制相关的调制信号15解调，而且对被调制的信号波的幅值和信号波与调制信号15的调制相位的相位关系作测量与评估。其特征在于，不像常规那样在高频信号波转换成相应的电流继而放大和电气-电气混频与相关之后对调制的信号波作解调，而是用适当的混频器(MIX)直接解调入射信号波，因而只要处理携带信息的解调信号而不处理调制信号波的载波，在与波能振荡器或电荷振荡器有节奏的推换振荡过程中，该混频器将上游转换器(UMW)的转换，例如把光子以量子光学转换成对光学信号波解调代表入射光子并与较佳的数字调制信号匹配的受激光电子或空穴所造成的信号波能量或其波能粒子分布到至少两个检测/读出输出端上，作为混频产物并馈给检测与读出单元(AUSL)，在把光子转换成有关载荷子时，这种振荡过程完全避免了应用已知的调制光门电路通过新颖电荷振荡器操作光电荷振荡器的缺点，在下游评估单元(AUSW)中，至少两个输出信号Sa与Sb按应用相对这些输出信号的差值与和值作评估和进一步处理，接收设备的一部分信号源能量作为参考信号通过已知信道直接提供，利用信号源，调制设备和检测与读出设备相应的物理设计，较佳地将这些信号波生成为光学信号波或声信号波或微波或X线。
2.如权利要求1所述的过程，其特征在于，混频器MIX中推换振荡过程混频产物不同的特性非线性地用于相关的信号波Sa与Sb，而且线性地用于不相关的信号波Sa与Sb，以便分离和较佳地抑制干扰的不相关背景辐射。
3.如权利要求1所述的过程，其特征在于，通过恒定或可变或自适应的调节，选择准备使用的较佳的读出网络同样的谱传输范围的光信号匹配的混频产物。
4.如权利要求1与2所述的过程，其特征在于，由于调制信号的谱范围离期望的混频产物的谱范围是够远，而且读出网络的传输范围与光信号和调制信号期望的混频产物相匹配，所以分离了调制信号与对应于光电流的读出信号。
5.如权利要求1-3所述的过程，其特征在于，通过读出网络与耦合网络相应的组合设计，可调节光子混频器尤其作为相关器或光电开关的特定特性。
6.如权利要求1-4所述的过程，其特征在于，光电流(i1，i2)或相应的光电荷q1＝i1T和q2＝i2T(由于对时间T的短时间积分)经读出网络AN1与AN2传给至少一个处理单元，在较佳地对评估电路(AS)应用相关性时，其中建立的有关电压U1与U2尤其是差压UΔ＝U1-U2与和压U∑＝U1+U2作为基带混频产物发射，而在用作光电(EO)开关的多路分离器时，被馈给相对宽带的读出网络和同光信号带宽匹配的处理单元。
7.如权利要求1-5所述的过程，其特征在于，通过在UΔ的-100％与+100％调制特性之间将较佳的推换调电压的幅值从-Um改变到+Um，可对调制与不调制的光信号调节差压UΔ，并较佳地使之涉及评估不受该变化影响的和压∑。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，带阳极调制与读出(1)或带阳极调制与读出(2，19)的SM-PMD，与外围元件(31)的第一电气互连一起构成用于入射光信号与两个调制电压Um1(t)和Um2(t)相关的相关器，并且较佳地以这两个调制电压作为推换调制电压±Um(t)的型式构成推换相关器，把相关结果较佳地测量为外围元件(31)第一电气互连的输出电压UΔ。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，带阴极极调制与读出(1)或带阳极调制与读出(2，4，19)的一个或多个SM-PMD，与外围元件的第二电气互连一起代表一个或多个光电开关、信号分离器、多路分离器、倍增器、逻辑光电晶格等，形成的入射光信号可通过这两个调制电压Um1(t)与Um2(t)被有选择地切换到至少两根读出电极之一。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在每种情况下，带阴极调制与读出的自混频光子混频器和带阳极调制与读出的自混频光子混频器的混频过程所要求的特征，均组合在成倍混频的光子混频器(14)里。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在基于导体或自由空间的光通信网中，一个收发站包含较佳地改变调制的一个或多个PMD像素，由于例如以频分、码分和时分复用方式改变调制，所以一个或多个对应于一条或多条通信信道的光信号，都可按可选择的PMD调制予以选择和接收，一个或多个PMD像素较佳地以集成方式结合到同一半导体电路中的模拟或数字锁相环里。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，光信号通过一个或多个半导体光波导插入一个或多个光子混频器。
全文摘要
本发明涉及检测与处理信号波幅值与相位的过程，尤其是电磁波和声波。调制信号源产生信号波，信号波在其通路中被传输介质或至少一个物体的反射或和散射改变。被改变的信号波采用与其调制有特定关系的调制信号接收并解调制。测量并估计被调制信号波的幅度及该信号波与调制信号的相位关系。为了取得快速、直接地估计，将被解调制的信号波转换为接收介质中的电荷或电荷位移，并根据调制信号分配到至少两个读出输出设备，并被馈送到估计单元中。估计单元产生输出信号的和极差，从而提供被物体散射、反射或延迟的信号波的强度和相位值。来自信号源的部分被调制信号波作为调制信号被直接发送给读出输出设备，或在此连接的读出设备。
文档编号H03D9/06GK1461518SQ00820063
公开日2003年12月10日 申请日期2000年10月16日 优先权日2000年10月16日
发明者鲁道夫·施瓦脱 申请人:鲁道夫·施瓦脱