[发明专利]检测电磁波相位及幅度的装置和方法

说明书

本发明涉及检测电磁波(确切地说，最好是在光学及近红外和紫外范围内)的装置和方法，其构成为：至少两个对电磁波敏感(或光敏)的调制光闸(photogate)和同调制光闸相关但非光敏或遮蔽的累积闸(accumulationgate)，以及用以调制光闸和累积闸的电气连接，从而使后者能与读出装置相连，而使前者能与调制装置相连，其中调制装置增加或减少调制光闸的电位，其中所述调制光闸互相关，且与相应于所需调制函数的累积闸的较佳恒定电位有关。

这样一种装置得到于德国专利申请号19635935.2和19704496.4以及基于以上两相关申请的国际专利申请PCT/DE97/01956中的术语“光混频检测器”(缩写为PMD)。

上述申请是同一发明者，并由本申请的申请人申请，而就那里所述而言，对那些完全公开的前述申请所作的参考乃为操作的基本操作模式、性能以及光混频检测的可能用途。因此，本发明并不讨论光混频检测器的那些基本功能，而是主要涉及具体的配置和光混频检测器的用途，并通过它们使早已熟知的那些元件最佳化。

借助于当接收到经由物体调制、反射或发射的光时就由同一调制函数调制的调制光闸执行的固有混合步序，该熟知的PMD能够直接检测由物体反射的电磁波的渡越时间，且除了如同常规摄影照相机中借助于合适光学系统加以确供的横向位置分辨率外还同时获得有关所记录象素的空间信息项。因此，那些PMD允许直接三维观察和表面测量而无需在不同角度下昂贵的评价步序和记录步序。

为在已知PMD情况下达到足够的灵敏度和深度分辨率，象素表面必须足够大，从而在单个象素的记录期间，接收到来自物体不同表面区的足够的电磁辐射，并在光敏材料中产生适当数量的电荷载流子，因最终经由在调制光闸处的不同时刻发生的不同数目的电荷载流子获得空间信息且经由紧紧相连地累积闸加以累积。

关于单个象素面积，那需要一个最小的尺寸。对于常规PMD也可由于以下事实的产生问题，即在图象中产生非常明显的物体之明一暗边界。如果这样一种明暗边界偶然落在邻近调制光闸之间的边界区，则在相邻累积闸上不同数量的电荷载流子会伪造一种相关结果，它导致对深度信息的错误解释。

此外，那种具有相对大面积的光敏象素元件(pixel element)中的渡越时间比较长以致于调频的带宽或极限值通常只有几MHz至最大100MHz的范围内。至少1GHz的带宽特别对于，例如，光电子技术以及光信号传输中相应的光敏检测器应用而言是所需的。    

此外，PMD-象素和PMD-阵列的更高级功能性以及对它们的灵活运用在不同用途中(特别是出于经济上的原因)是十分理想的，例如，在以相同象素执行不同操作模式的情况下。

在考虑在上述原因，本发明的目的在于提供一种用以检测电磁波相位和幅度的装置(具有本发明开头部分所提出的特点)，它具有明显改进的带宽，而且其中较少可能发生图象表面上明暗边界的误解(misinterpretation)，或者甚至被杜绝掉，借助它能够在实际应用中获得更高级功能性和经济性。

获取该目的在于：以相互并列关系(mutually juxtaposed relationship)的狭长平行条形式提供调制光闸以及累积闸，它们群体样地(group-wise)形成PMD-象素，且其中累积闸以读出二极管形式出现。

调制光闸和累积闸以狭长的条状带状形式出现和其布置呈平行而直接地相互并列的关系这一事实导致诸闸的沟道(channel)长度十分短(调制闸条状带的宽度在MOS晶体管技术中被称为闸长)。在调制光闸中或下面产生的自由载流子仅仅是相对于条状带方向横向地漂移闸长的短距离至邻近的累积闸，其中提到的那个漂移由调制光闸上调制电压部分中合适的电场加以支持。结果使漂移时间落入例如，1ns以下，因而使之有可能达到1GHz可用的调制带宽。即使调制光闸以及累积闸的各条状带相对较狭，但依靠其对应的长度，它们可以提供一足够大的光敏面积，同时还将明白，可将多个交替布置的条状调制光闸和累积闸连在一起以形成一具有几乎两倍光学填满因子(optical filling factor)的单元。在那种方式下实际上任何象素形状和象素尺寸均可由该类条状带的结构得以体现，而无效对调制带宽进行限制。