专利名称：Pmd系统及其操作方法
技术领域：
本发明涉及用于接收并处理调制电磁信号的电磁混合系统，该系统具有用半导体材料制成的信号探测器，用于接收电磁辐射并将其转换为电测量值，该系统至少具有一个对该信号探测器的接收进行调制的调制输入，该系统还具有至少两个与输出电子设备相连的聚集电极，接收信号和被加到调制输入的至少一个调制信号的混合在这样的输出处被有效提供为电信号。
本发明也涉及用于操作这样的电磁混合系统，用于接收并处理调制电磁信号的方法，该系统具有用半导体材料制成的信号探测器，用于接收电磁辐射并将其转换为电测量值，该系统至少具有一个对该信号探测器的接收进行调制的调制输入，该系统还具有至少两个与输出电子设备相连的聚集电极，接收信号和被加到调制输入的至少一个调制信号的混合在这样的输出处被有效提供为电信号，撞击信号探测器的电磁信号产生载流子，其根据至少一个调制信号，至少部分的被交替传导到两个不同的聚集电极上。
背景技术：
相应电混合系统的说明首次出现在德国的专利申请第196 35 932.5和19704 496.4中。
关于上面提到类型的电磁混合系统的进一步说明以及相关的说明方法可在国际专利申请WO-0233817和WO-0233922中找到。
这些电磁混合系统在上述出版的文档中也被称作PMD系统(光混合器件系统)。DE 100 47 172 C2的主题被视作最接近本专利申请涉及领域的情况。
相应的混合系统具有至少一个输出和至少一个调制输入。调制输入与至少一个调制电极相连，该调制电极被布置在对电磁辐射敏感(通常是光敏性)的材料上或嵌入到该材料中。进一步，至少两个聚集电极也被分配到至少一个调制电极，其中一个聚集电极也等同于调制电极，或者若使用两个调制电极，则这两个聚集电极也可分别等同于各个调制电极。这些调制电极与读出和评估电子设备相连。来自聚集电极的电荷，或者在那里形成的电压，若在必要放大之后适当的话，就形成输出电子器件的输入信号，这作为一条规则，从被评估的聚集电极得到信号的微分信号再次产生至少一个调制信号和电磁输入信号调制或所影响的电磁辐射的相互关系。
当使用几个(如两个)调制信号时，这些都具有相同的频率，在已知PMD元件的情况下，它们均相对将相位移动180°，即它们以推拉方式来运行。
电磁混合系统，或者如其下所称的PMD元件，可具有对来自整个电磁谱辐射的敏感性，这依靠敏感元件或敏感元件材料的特性。即使是对声波敏感的PMD系统的原理也是可知的。然而，为简化说明，下面主要列出对光区域内的辐射敏感的PMD元件的参考，这里没有任何类型的限制。对电磁谱其它区域的一般化说明对本领域熟练的技术人员而言是显而易见的。
电极所嵌入或所连接的光敏性敏感元件材料(半导体材料)接收通过光电效应而转换成[a]电荷的辐射。由于施加到调制电极上的调制电压，半导体材料中所生成的载流子被更好的交替传导到一个或其它聚集电极上，这依靠电压的当前符号。
若影响PMD的辐射强度随与调制电压的频率具有一致关系的调制函数而变化，则读出电极的微分信号相应入射辐射强度和调制电压的相关函数。
在光敏半导体的情况下，亮度调制光被用于这样的例子，其通过相应的透镜而照亮由PMD系统所记录的景物。若光照的强度调制与调制电极的调制频率相关，则PMD元件的微分输出将有关来自光源的光转换时间的数据在光照景物上传递并传回PMD敏感元件。除光照景物的图像之外，同时获取有关来自PMD元件的景物反映元件距离的数据(若相应的多个PMD元件以像素阵列连接)。
非相干光(这里，术语“相干”总是指涉及PMD元件调制输入处调制电压的强度调制的频率)不传递输出电气设备微分输出处的信号。换言之，PMD元件(在其微分输出处)自动消除任何非相干调制背景光照。
进一步，可做出这样的变化，聚集和调制电极不必是不同的元件，如这两个聚集电极或其中至少一个聚集电极等同于两个调制电极或其中一个调制电极。
上述的德国专利说明书DE 100 47 170说明了这样的方法，其中附加相位位移是在彼此相关的亮度调制照明信号和调制信号之间动态产生的，这个相位位移在闭环控制电路中被用作修正变量，这样以便通过这种方式来改善转换时间或距离测量的精度。
发明内容
我们从主要由类似于或等同于开始处列出的那些元件构成的PMD系统来介绍本发明。
若PMD只受不与调制信号成一致关系辐射的影响，则更好在调制电压的正负部分或半波处被交替转移到一个聚集电极并随后转移到另一个聚集电极的电荷在统计平均特性上不应彼此不同，其结果是集成在聚集电极上的电压差将基本上显示为数值零。
然而，在特定PMD元件的情况下，不可避免的制造公差只导致不同聚集电极和/或调制电极之间的特定不对称性。这些电极之间的几何维数和距离也可能在特定的容差范围内波动。
光混合器件的输出信号是通过将强度调制输出信号与调制电信号(调制电压)混合而在构件内产生的。关于该混合过程真实结果的本质前置条件是光混合器件结构的高度对称性。两个输出信道其几何形状和一个或多个电参数的不平衡性导致混合器结果中的系统误差(见Buxbaum的论文，第189页)。
进一步，在光混合器件的工业应用中，系统误差通常也依靠光信号的强度。就这方面而言，从使用称作查询表格的其它探测器类型中得知的纠正方法是非常耗时的，而且由于提出问题的多维性，其几乎不可用于高速过程。这特别用在大量的光混合器件相连以形成线排列或阵列排列的情况下。
与本领域的这个状态相比，因此本发明的目标是创建也传递正确混合结果的系统和方法，如只基于相干辐射的测量信号，这是在PMD元件具有几何或电非对称性的情况下的。
关于该系统，这个目标是在这样的设备中获取的，提供该设备用于相关至少一个其它调制电压的相应参数而独立修改其中一个调制电压的至少一个参数。
就此而论，可考虑作为调制电压可修改参数的例如可为相对相位位置、调制电压振幅、脉冲占空比以及外加偏移电压。
如已经提到的，PMD元件的几何和/或电参数的非对称性对测量结果造成不利影响，而且它们特别导致这样的情形，即集成PMD聚集电极的微分信号即使在PMD元件不受与调制电极的调制频率相干的辐射影响的情况下也不消失。同样如已经提到的，在理想情况下，对称PMD元件，以及在调制电极处以推拉方式施加对称调制电压的情况下，最好是交替的电荷位移效应应该在集成上被抵消充分长的时间。然而，如已经提到的，这仅用在存在PMD元件完全对称性的情况下，而且自然也需要以推拉方式运行的调制电压的完全对称性。
换言之，若PMD元件不受强度调制辐射的影响，而只受环境或背景辐射的影响，则不同于PMD元件零输出的微分信号可不仅通过PMD元件本身的几何和电非对称性而产生，而且可通过调制电压的非对称性而产生。依靠非对称性的特性，不同于零的微分信号可假定正值或负值。
因此，若PMD元件几何参数的非对称性导致微分信号在PMD元件的输出处不同于零，则应可根据发明者知识而通过调制电压的非对称性而产生相反的效应，即通过调制电压的非对称性而纠正几何参数的非对称性。
因此，依照本发明的设备适合并被设计用于修改一个或多个调制信号，这样以使相应从聚集电极得到的信号差的输出信号总具有零值(除由于没有被完全抑制的噪声引起的轻微误差外)，若接收电磁辐射和一个或多个调制信号的辐射不彼此相关的话。换言之，如果有关调制是相关联的，且仅仅在这种情况下，可以说输出信号是不同于零的。
关于这个方法，因为至少一个调制信号被修改(由于仅在至少一个调制信号和调制电磁接收信号彼此相关的情况下，输出信号假定具有不同于零的值)，所以由此而获取形成本发明基础的目标。
根据本发明，关于这一点有不同的可能性。首先，当存在两个调制信号时，调制电压的相对相位位置在传统PMD元件的情况下是精确的180°，这个相对相位位置可变化，所以将相位位置彼此相对移动±30°通常应当是充分的，尽管如此，根据本发明，在每个开始于推拉位置的情况下，也允许相对彼此调制电压的最大相位位移为90°。
非对称设计本调制电压的进一步可能性例如可包含振幅比的修改和适应。另一个可能性是相关一个调制电压的脉冲占空比来修改其中一个调制电压的脉冲占空比，且最后我们可想象也将恒定的偏移直流电压值附加到每个调制电压上。若两个调制电压的振幅比以及脉冲占空比变化的因数约在0.3到3之间，则这通常应该是足够的。
应当理解仅用单个调制信号只影响其中一个调制电极同样是可能的，特别在这等同于聚集电极的情况下。这一个聚集电极的电势相对另一个聚集电极，由调制信号交替提升或降低，这是相邻或空间化分配的，其结果是由有关材料中的电磁辐射所产生的电荷同样更好是交替沿着一个聚集电极的方向流动，或沿着另一个聚集电极的方向流动，这依靠调制聚集电极是否精确位于较高或较低电势处。在这种情况下，必要的参数修正包含波形修正或正负半波之间目标路径中非对称集的修正。
我们主要考虑两个聚集电极或者直接影响对方或者通过附加调制电极由每个调制信号来影响对方的情形，如下所述，这两个调制信号主要以推拉方式运行。应理解的是所述步骤可被完全类似的转移到单个调制信号，其由特定的参数，以与使用两个调制电极时的两个调制信号相同的方式来定义。
自然的，精确修改调制电压参数以使PMD元件的微分信号精确假定零值(只要有非相干辐射)是不重要的，但是也以目标方式来产生PMD元件输出处微分信号的输出信号的特定输出值或基值也是同样可能的。
用于修正调制电压参数的相应设备适宜这样来设计，以使不同的参数修正彼此独立。因此一个调制电压的脉冲占空比和振幅可被修改，而没有相对另一个调制电压的困难。另外，也可修改相位位置或施加DC偏移电压。换言之，既可以单独改变参数，也能以任何组合的方式来改变参数。应当理解的是上述参数变化也可类似于单独调制信号而实行，然后相应的参数没有相对于两个独立调制信号之间的参数位移，而是例如相对于被非对称生成的调制信号的正负半波。类似于当使用两个调制信号时，然后正和负半波之间的脉冲占空比也可发生变化，以及半波的相应振幅。这两者均可通过只施加DC偏移电压而出现。类似于相位的修改，当存在单个调制信号时，调制信号的上升沿和下降沿可彼此相对非对称生成。
依照本发明的方法具有将输出信号调节到零的反馈，其仅在PMD元件受到非相干辐射影响的情况下使用，术语“相干”总是指辐射强度调制与调制电压频率之间的一致关系。在这种状态下，如已经提到的，就理想PMD系统而言，微分信号应具有零值，且调制电压的参数若必要的话最好被精确修改，这样以使PMD系统的微分输出显示出零值。例如，也可能的情况是，在PMD元件受到相干辐射影响的地方，时常中断这个相干辐射一段短时间，以在这个中断过程中实行调制电压的参数调节。这适宜在有控制回路帮助的情况下出现，有了这个帮助，显现在PMD系统微分输入处的“空载信号”(“no-load signal”)若没有受到相干辐射影响的话，则被作为输入变量而输入到调整器中，然后其立即修改调制电压的参数，这样以使微分输出的空载值被调节为零。
在PMD元件接收相干的强度调制辐射时的实际测量相位中，调制电压参数的预先确定或调节的非对称设置自然的保持为未改变状态，而且若适当的话，仅由下一个校准相位再次修改。
在本发明的进一步和较佳的描述中，在这样的校准相位中，最好也有PMD元件的非相干的附加辐射影响，在测量相位阶段，其平均附加辐射强度粗略相应于相干辐射部分的平均强度。通过这种方式，空载信号的依靠强度的波动也在校准的考虑范围内。
作为一个或多个调制信号参数的另一种修改，我们也可以改变从聚集电极得到的电信号，该电信号通常是与输入或输出电子设备相连的较弱的电流或电压，即将其放大或减弱，这样以使确切当接收到的电磁辐射信号和至少一个调制信号的调制不彼此相关时它们然后可变成相同(它们之间的差异因此消失)。例如，这可出现在混合系统受到没有专门调制的电磁辐射影响的情况下，该没有专门调制的电磁辐射如环境光或任何其它不以目标方式调制的光照，而同时一个或两个调制信号加在调制输入的调制输入处(在两个调制信号的情况下，这两个彼此相对以推拉方式来运行)，然后，输出电子设备的输入信号互相比较，而且至少其中一个信号被放大或减弱，这样以使其等同于另一个输入信号，其结果是从聚集电极得出的两个信号的差是等于零的。这可能需要关于电磁辐射的不同强度而实行，若输出电子设备的两个输入信号的差应是独立于强度的话。在这种情况下，两个信号的其中一个放大或减弱的变化也将被以独立于强度的方式来实行。在调制辐射信号的附加影响下，然后输出电子设备一个输入信号的减弱或放大以与没有受到调制电压影响的相同方式出现，由于因此变化的全部强度，最多可实行一个纠正。然后，辐射信号与调制信号的关联或调制信号导至两个输入信号，在没有调制辐照的情况下实行该减弱或放大之后，从也彼此不同的输出电子设备的聚集电极得出该两个输入信号，其结果是两个信号之间的差没有消失。
在下面较佳实施例说明的帮助下，并结合附图，我们可清晰的了解本发明的进一步优点、特征和应用可能性。如下所示
图1依照本发明具有校准单元的框图，图2影响精确对称PMD系统的调制信号的示意表示，图3其中一个调制信号的脉冲占空比相对另一个调制信号的变化，图4相位移动调制信号，图5具有不同振幅的调制信号以及图6具有不同偏移电压的调制信号。
具体实施例方式
下面的说明是关于在可视区域内对电磁辐射敏感的PMD元件的一个实施例的。在说明书的描述中，混合系统使用两个调制输入和相应的两个调制电极，以及参数可相互独立变化的两个调制信号。
通常，调制信号不是完全是谐波信号(正弦或余弦)，但是其适宜具有更多的复杂波形，这样是为了能够更好的分离并区分调制信号和调制与其相关的来自环境信号的电磁辐射。
如已经提到的，若仅使用单个调制输入，如在每种情况下，聚集和调制电极或成对提供的两个聚集电极的其中一个等同于调制电极，则单个调制信号的参数也可类似的变化。
我们在图1中可看到，编号为11的光发送机被调制单元10调制，其结果是其发出具有调制强度的光。在传统PMD系统的情况下，PMD元件1的调制输入4和5也同时被调制单元10调制，采用的方式是加在输入4、5处的输入电压UA和UB精确的以推拉方式进行相位移动，如彼此相对移动180°，如图2所示。
然而，在这种情况下，根据本发明，校准单元8被连接在调制单元10和PMD元件1的调制输入4、5之间。另外，调制单元10和校准单元8由控制整个PMD系统的操作进度表的控制电子设备7来控制。
接在PMD元件1读取电极处的电压或电流被获取为输出2、3处的信号，输出电子设备6适宜以输出2、3的输出信号被作为输入变量输入的微分放大器的形式来提供。该微分信号出现在输出电子设备6的输出9处，并被输入到校准单元8中。
在理想的情况下，PMD元件是几何以及电对称的，调制电压UA和UB如图2所示是相同的，除了相对相位位移是180°以外。这就意味着在PMD元件中通过影响光发送机的辐射或由光发送机所照亮的景物所反射的光辐射而产生的电荷最好依靠电压UA和UB的当前符号而被传导到其中一个输出2或3中。在聚集电极处以这种方式所产生的电荷信号集成在输出2和3中，该信号由微分放大器6互相减去零信号(以后也称作“空载”信号)，其导致微分放大器输出9处的理想情况，若撞击PMD元件的光强度不与调制电压4、5的频率相关的话。
这也特别应用在光发送机11的调制被切断的情况下，其结果是仅有环境光或背景光撞击PMD元件。
然而，若撞击PMD元件的光的强度与调制电压UAQ或UB相关，即其特别具有相同的频率且其只基于特定的转换时间进行相位移动，则非消失频率相关信号在微分放大器6的输出处生成。在这种情况下，校准单元的反馈回路(与微分输出9相连)被切断，并传递具有时间最早选择参数设置的调制输入4、5的调制信号。
然而，若PMD元件1的单独电极在几何或电气方面以不完全对称的方式排列或构造，则非消失信号9将通常在微分放大器6的输出处测得，即使光发送机11的调制信号被切断也是这样。
然而，依照本发明，校准单元确保引发微分放大器6输出9处的非消失信号的这样的非对称性可被补偿，尽管PMD元件被不与调制频率相干的光照射时也是这样。这最终用这样的例子来示出，其中，电压UA、UB相对虚质量级别被移动不同的偏移电压UOFFA或UOFFB。
若PMD信号不受调制光的影响，且微分放大器6输出处的输出信号9具有非消失值，则校准单元至少使用其中一个图3到6中所示的调制电压的变量，这样以补偿PMD元件的非对称性，这样以使零信号仍然出现在微分放大器6的输出9处。因此，也可同时实行图3到6中所表示的几个变量。
尤其适宜的是光发送机11的调制在正在进行的测量或接收当中，被PMD系统正在进行操作中的序列请求控制短暂切断，这样是为了在这个阶段激活校准单元8并通过分别在PMD元件的输入4和5处的调制电压UA和UB的合适变量来校准系统。
在光发送器11的调制被切断的时候，附加光照还是可通过光发送器11出现，它将其亮度保持在恒定的平均水平，这也相应于光发送器调制操作中的平均光照亮度。这样，特别的，依靠强度的PMD平衡扰动也可在考虑范围内。
这样，依照本发明的方法就允许PMD系统的校准，这是因为在微分放大器6的输出处所测的信号9总是精确相应相关信号，其结果是可获得非常高的精度，且其它辐射源的影响或者非对称性的影响可完全忽略。
权利要求
1.一种电磁混合系统，其用于接收并处理调制电磁信号，其具有用半导体材料制成的信号探测器，用于接收电磁辐射并将该电磁辐射转换成电测量值，该系统至少具有一个对所述信号探测器的接收进行调制的调制输入，该系统还具有至少两个与输出电子设备相连的聚集电极，在其输出处，所述接收信号和被加到所述调制输入的至少一个调制信号的混合被有效提供为电信号，其特征在于，提供用于修改所述至少一个调制信号参数的设备，这样以使通过修改这些参数，所述输出信号仅在所述接收到的电磁辐射信号调制和所述至少一个调制信号调制彼此相关的情况下不同于零信号。
2.如权利要求1所述的混合系统，其特征在于，所述设备(8)被设计用来非对称生成所述调制信号的正半波和负半波。
3.如权利要求2所述的混合系统，其特征在于，设备(8)被设计用来生成具有不同振幅的所述调制信号的正半波和负半波。
4.如权利要求2或3所述的混合系统，其特征在于，所述设备(8)被设计用来生成具有不同脉冲占空比的所述调制信号的正半波或负半波。
5.如权利要求2-4的其中一个所述的混合系统，其特征在于，所述设备(8)被设计用来覆盖具有偏移的DC调制电压的对称调制信号。
6.如权利要求1-5的其中一个所述的混合系统，其特征在于，关于两个独立的调制信号而提供两个调制输入，其具有相同的调制频率，但是可用绝对和/或相对设置参数对其进行不同的设置。
7.如权利要求6所述的混合系统，其特征在于，所述可设置的参数包含所述调制信号的振幅、相位位置、脉冲占空比和任何偏移电压。
8.如权利要求6或7的其中一个所述的混合系统，其特征在于，所述设备(8)被设计用来移动所述调制电压的相对相位位置，这开始于推拉位置，移动的最大幅度是±90°。
9.如权利要求6到8的其中一个所述的混合系统，其特征在于，所述振幅调制电压或所述脉冲占空比的比值变量主要被限制在大约0.3到3的因数范围内。
10.如权利要求1到9的其中一个所述的混合系统，其特征在于，所述设备(8)被这样设计，以使所述不同参数的修改是彼此独立的。
11.用于操作电磁混合系统的方法，该方法用于接收并处理调制电磁信号，其具有用半导体材料制成的信号探测器，用于接收电磁辐射并将该电磁辐射转换成电测量值，该系统至少具有一个对所述信号探测器的接收进行调制的调制输入，该系统还具有至少两个与输出电子设备相连的聚集电极，在其输出处，所述接收信号和被加到所述调制输入的至少一个调制信号的混合被有效提供为电信号，撞击所述信号探测器的电磁信号产生载流子，其依靠所述至少一个调制信号而被至少部分交替的被传导到所述至少两个不同的读出电极，其特征在于，所述至少一个调制信号这样变化，以使所述输出信号仅在所述至少一个调制信号和所述调制电磁接收信号彼此相关时而假定不同于零的值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个调制电压的变化参数是从包含下列的组中选出的a)所述正和负半波的脉冲占空比，b)所述正和负半波的振幅，c)外加DC偏移电压。
13.如权利要求11和12所述的方法，其特征在于，所述混合系统的所述输出信号被反馈到校准单元(8)，其在校准操作中对至少一个调制电压的至少其中一个参数进行修改，这样以使所述输出信号的值假定空载水平，若所述混合系统受到电磁辐射照射，则所述其亮度变化不与所述至少一个调制电压相关。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述空载值相应所述输出信号的零电压或电流值。
15.如权利要求11到14的其中一个所述的关于操作混合系统的方法，其特征在于，当使用至少两个调制信号时，所述调制信号的至少其中一个参数的相对值是变化的。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中一个相关另一个调制电压的相应参数修改的所述调制电压的参数至少是其中一个从包含下列的组中选出的参数a)所述脉冲占空比，b)所述两个调制电压的相对相位位置，c)所述两个调制电压的相对振幅以及d)外加在一个或这两个调制电压上的偏移电压。
17.一种电磁混合系统，其用于接收并处理调制电磁信号，其具有用半导体材料制成的信号探测器，用于接收电磁辐射并将该电磁辐射转换成电测量值，该系统至少具有一个对所述信号探测器的接收进行调制的调制输入，该系统还具有至少两个与输出电子设备相连的聚集电极，在其输出处，所述接收信号和被加到所述调制输入的至少一个调制信号的混合被有效提供为电信号，其特征在于，提供用于影响从所述聚集电极得到的信号的设备，其影响这些信号，以使只要所述接收到的电磁辐射信号和所述至少一个调制信号的调制彼此不相关，则所述输出信号被减少到零信号。
18.一种用于操作电磁混合系统的方法，其用于接收并处理调制电磁信号，其具有用半导体材料制成的信号探测器，用于接收电磁辐射并将该电磁辐射转换成电测量值，该系统至少具有一个对所述信号探测器的接收进行调制的调制输入，该系统还具有至少两个与输出电子设备相连的聚集电极，在其输出处，所述接收信号和被加到所述调制输入的至少一个调制信号的混合被有效提供为电信号，撞击所述信号探测器的电磁信号产生载流子，其依靠所述至少一个调制信号而被至少部分交替的被传导到所述至少两个不同的读出电极，其特征在于，从所述聚集电极得到并被所述输出电子设备输入的信号是这样变化的，以使所述输出信号仅在所述至少一个调制信号和所述调制电磁接收信号彼此相关时，假定不同于零的值。
全文摘要
本发明涉及电磁混合系统，该系统用半导体材料的信号探测器将接收到的电磁辐射转换成电测量值，至少一个调制输入用于调制探测器的接收，至少两个聚集电极连接一输出电子设备，该设备的输出端有效提供了接收信号与调制信号的混合。在本发明的操作方法中，撞击信号探测器的电磁信号产生载流子，其依靠调制信号而至少被部分交替地传导到两个不同的读出电极。为了传递正确的混合器结果，本发明修改调制信号的参数，使得输出信号仅在对电磁辐射信号和至少一个调制信号的调制彼此相关时才不同于零信号。从聚集电极得到并由输出电子设备输入的信号是变化的，以便输出信号仅在至少一个调制信号和调制电磁接收信号彼此相关时才假定为不同于零信号的值。
文档编号H03D9/06GK1681197SQ200510064888
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月5日 优先权日2004年4月5日
发明者许展平, J·弗雷, T·莫勒, H·科拉夫特, D·H·瑞德尔 申请人:Pmd技术有限公司, 奥迪电子企业有限公司