(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の位相および／または振幅情報を決定する方法において、
電磁波を少なくとも１つの画素を有する光混合素子の表面に照射し、前記の画素は少なくとも２つの感光変調光ゲートＧamとＧbmおよび関連する蓄積ゲートＧaとＧbを有し、
上記の変調光ゲートＧamとＧbmには、バイアス電圧Ｕoとして、Ｕam（ｔ）＝Ｕo＋Ｕm（ｔ）およびＵbm（ｔ）＝Ｕo−Ｕm（ｔ）の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）を加え、
蓄積ゲートＧaとＧbには、少なくともバイアス電圧Ｕoと変調電圧Ｕm（ｔ）の振幅の合計と同じ大きさのｄｃ電圧を印加し、
電磁波によって変調光ゲートＧamとＧbmの空間電荷領域に生成された電荷キャリアに、変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）およびＵbm（ｔ）の極性に応じて、ドリフト電界の電位勾配を印加し、対応する蓄積ゲートＧaとＧbにドリフトし、
それぞれの蓄積ゲートＧaとＧbにドリフトされた電荷ｑaとｑbを取り去ることを特徴とする方法。
【請求項２】
強度変調電磁波を送信器によって照射し、
物体から反射された電磁波を光混合素子表面に照射し、
変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）は上記の送信器の照射した上記の電磁波の位相と固定位相関係にあり、
上記の生成された電荷キャリアを上記の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）の位相に応じてドリフト電界の電位勾配を印加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記の送信器の照射した上記の電磁波の位相と関係する２つの異なった位相シフトΔψ1とΔψ2の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）を加え、上記の蓄積ゲートＧａとＧｂにドリフトされた電荷ｑa1とｑb1並びにｑa2とｑb2を取り去り、該電荷の差分（ｑa1−ｑb1）と（ｑa2−ｑb2）を形成し、
下記等式
0004060365.tif 000021
に従って上記の送信器の照射した上記の電磁波の位相に対する上記の電磁波の画素の位相ψoptを決定し、該決定した上記の画素の位相ψoptに基づいて上記の画素の受け取った電磁波のトランジット時間を決定することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
４つの変調光ゲートＧam、Ｇbm、ＧcmとＧdmおよび４つの関連する蓄積ゲートＧa、Ｇb、ＧcとＧdを有し、送信器の照射した上記の電磁波の位相と関係する２つの異なった位相シフトΔψ1とΔψ2の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）＝Ｕo＋Ｕm1（ｔ）とＵbm（ｔ）＝Ｕo−Ｕm1（ｔ）とＵcm（ｔ）＝Ｕ1＋Ｕm2（ｔ）とＵdm（ｔ）＝Ｕ1−m2（ｔ）を加え、同時に上記蓄積ゲートＧa、Ｇb、ＧcとＧdの電荷ｑa、ｑb、ｑcとｑdを分離して取り去り、
下記等式
0004060365.tif 000022
に従って、上記の送信器の照射した上記の電磁波の画素の位相ψoptおよびこれと共に上記のピクセルの受け取った電磁波のトランジット時間を決定することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
上記の光混合素子は複数の画素を有し、
少なくとも１つの画素が、送信器からの強度変調電磁波の一部により直接照射され、
上記の照射した電磁波と上記の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）との間の位相シフトの校正を上記の少なくとも一つの画素によって測定した上記の位相シフトから実行することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の方法。
【請求項６】
独立して励起された未知の強度変調を有する電磁波を上記の光混合素子の表面に照射し、
上記の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）を同調可能変調用発振器によって生成し、
上記の生成した電荷キャリアを上記の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）の位相に応じてドリフト電界の電位勾配を印加し、
上記の光混合素子と上記の変調用発振器は少なくとも１つの位相ロックループを形成し、上記の電磁波をロックイン法に従って測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
連続または非連続ＨＦ変調を電磁波の変調に使用し擬似ノイズ変調またはチャープ変調を変調光ゲート電圧の変調に使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記の変調はＨＦ変調であり、位相シフトΔψ＝
０°／１８０°と９０°／２７０°に対する上記の電荷ｑaとｑbおよびｑcとｑdを取り去ることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項９】
定常変調が、変調光ゲート電圧Ｕam＝Ｕo＋ＵmoおよびＵbm＝Ｕo−Ｕmoと共に使用され、該電圧Ｕmoは設定可能で且つ時間間隔を設けて一時的に一定であり、上記の電圧Ｕmoによって電荷ｑaとｑbとの差から得られる差分電荷がウエイト付けされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記の蓄積ゲートＧaとＧbの下方に電荷ｑaとｑbを集積し、多重構造によって読み出すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
上記の蓄積ゲートＧaとＧbはｐｎダイオードの形態であって、ＣＭＯＳ技術を使用し、上記の電荷ｑaとｑbおよびｑcとｑdを電圧または電流として直接読み出すことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
上記の画素位相および画素輝度は、アクティブ画素センサ構造（ＡＰＳ）によって直接確認し、ワンチップ多重構造によって選択的または連続的に読み出すことを特徴とする請求項１1に記載の方法。
【請求項１３】
画素輝度が、濃淡画像としての上記の関連する蓄積ゲートの電荷の合計としてそれぞれ評価されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載の方法。
【請求項１４】
前記電磁波が変調された電磁波であり、該変調電磁波の照射がオンのときと、変調電磁波の照射がオフのときの濃淡画像の差分を、背景照明または外部からの付加的な非変調電磁波の照射が存在する場合における補正パラメータとして使用することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
複数の独立した光混合素子を線、面または空間アレイに使用することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかの項に記載の方法。
【請求項１６】
画素の内の少なくとも１つを照明として機能する強度変調電磁波の一部により直接照射して基準画素を形成し、上記の少なくとも１つの画素における測定を使用してその他の画素の位相と輝度の結果を校正し、前記基準画素は、異なった強度のレベルまたは異なった値に設定することのできる強度のレベルを有する送信器によって、作用されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの画素（１）と、
上記の画素（１）が少なくとも２つの変調光ゲート（Ｇam，Ｇbm）、および上記の変調光ゲート（Ｇam，Ｇbm）のそれぞれと関連し、入射電磁波に対して遮蔽される少なくとも２つの蓄積ゲート（Ｇa，Ｇb）を有し、
上記の感光変調光ゲート（Ｇam，Ｇbm）には、バイアス電圧Ｕoとして、Ｕam（ｔ）＝Ｕo＋Ｕm（ｔ）およびＵbm（ｔ）＝Ｕo−Ｕm（ｔ）の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）が加えられることを特徴とする光混合素子。
【請求項１８】
中間ゲート（Ｇo）を上記の変調光ゲート（Ｇam、Ｇbm）の間に構成することを特徴とする請求項１７に記載の光混合素子。
【請求項１９】
上記の素子（１）は、４個の対称的に構成された変調光ゲート（Ｇam、Ｇbm、Ｇcm、Ｇdm）と蓄積ゲート（Ｇa、Ｇb、Ｇc、Ｇd）を有することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の光混合素子。
【請求項２０】
上記の蓄積ゲート（Ｇa、ＧbおよびＧc、Ｇd）は、ｐｎダイオードの形態のブロックｐｎダイオードであって、ＣＭＯＳ技術のダイオードであり、電荷ｑaとｑbおよびｑcとｑdを電圧または電流として直接読み出すことができ、電荷ｑaとｑbおよびｑcとｑdは蓄積ゲート（Ｇa、ＧbおよびＧc、Ｇd）から電圧又は電流として直接に読み出されるものである、請求項１９に記載の光混合素子。
【請求項２１】
最大変調速度を増加するため、上記の画素は、ＧａＡｓ技術を使用して生成した「埋込みチャンネル」型であり、集積ドリフト電界を有することを特徴とする請求項１７〜２０のいずれかの項に記載の光混合素子。
【請求項２２】
上記の素子（１）は、一部には画素関連信号処理を行い、一部にはラインまたはマトリックス関連信号処理を行うアクティブ画素センサ構造の形態であることを特徴とする請求項１７〜２１のいずれかの項に記載の光混合素子。
【請求項２３】
上記の蓄積ゲート（Ｇa，Ｇb）を入射電磁波に対して遮蔽するシェーディングが上記の感光変調光ゲート（Ｇam，Ｇbm）における蓄積ゲート（Ｇa，Ｇb）側の縁部領域上に延びていることを特徴とする請求項１７に記載の光混合素子。
【請求項２４】
上記の請求項１７〜２３のいずれかの項に記載の光混合素子を１次元、２次元、または３次元に配置されていることを特徴とする光混合素子装置。
【請求項２５】
２つの隣接して構成された異なる画素（ｎ、ｎ＋１）とそれぞれ関連する変調光ゲート（Ｇam、n、Ｇam、n+1）と（Ｇbm、n、Ｇbm、n+1）はそれぞれ共通の蓄積ゲート（ＧS）を有し、上記の変調光ゲート（Ｇam、n、Ｇam、n+1）と（Ｇbm、n、Ｇbm、n+1）は同一の変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）によってそれぞれ動作されることを特徴とする請求項２４に記載の光混合素子装置。
【請求項２６】
基準画素としての少なくとも１つの画素（１）の直接照射用にデバイスを設け、これによって送信器から照射した強度変調電磁照射の一部を問題の１個または複数個の画素に向けることを特徴とする第２４項または請求項２５に記載の光混合素子装置。
【請求項２７】
上記の直接照射用のデバイスは、上記の照射の強度の空間および／または時間に関する変動のために設けられることを特徴とする請求項２６に記載の光混合素子装置。
【請求項２８】
上記の画素（１）はシリコン基板（２）上にＭＯＳ技術を使用して実施され、多重構造によって読み出すことができることを特徴とする請求項２４〜２７のいずれかの項に記載の１次元または多次元光混合素子装置。
【請求項２９】
マイクロレンズ光システムを設け、上記のマイクロレンズ光システムは画像の記録に使用する各混合素子用に対してそれ自身のマイクロレンズを生成し、上記のマイクロレンズによって入射照射は上記の混合素子の中央領域に合焦したことを特徴とする請求項２４〜２８のいずれかの項に記載の光混合素子装置。
【請求項３０】
装置に関する請求項１７〜２３のいずれかの項に記載の光混合素子を有し、
変調用発振器（１０、１３）を有し、
照射した電磁波が所定の方法で上記の変調用発振器（１０、１３）によって強度変調される送信器（４）を有し、
物体（６）から反射した上記の電磁波は上記の光混合素子の面上に照射され、
上記の変調用発振器（１０、１３）は上記の光混合素子に上記の送信器から照射した電磁波の位相に対して所定の位相関係にある変調電圧Ｕm（ｔ）を供給することを特徴とする電磁波位相情報決定装置。
【請求項３１】
請求項２９に記載の混合素子装置に、反射した電磁波の画像を上記の光混合素子装置上に形成する光システムを設けたことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、電磁波の位相情報および振幅情報を調べる方法と装置に関する。
本明細書中、位相という言葉は、位相トランシット時間および関係各信号形状に基づいて使用されもする特定のトランシット時間を表す。
以下、電磁波ではなく光波について言及する。但し、これは、可視電磁波のスペクトル領域のみに対する限定を意味するものではなく、単に簡素化することを目的としている。
電子測定技術および通信技術で、広帯域、高周波数の信号の振幅と位相の点から周波数成分を測定する場合、未知の信号を正弦振動に掛けるまたは正弦振動と混合し、統合またはローパスフィルタリング処理によって同一周波数の信号成分が存在する状態で生じる一定成分を測定する位相検出器を利用することが多い。
この方法により、任意の調整可能な相対位相位置の混合信号を利用して、未知の信号の相関関数が得られる。混合周波数を変える（掃引する）ことにより、未知の信号をそのスペクトル成分に分解できる。また、少なくとも３つの位相位置により、同周波数の未知の周波数成分の振幅と位相が変わる安定成分を求めることができる。
今日、測定および通信技術分野で重要性を増しつつある当該光信号の研究は、特に電気信号について先述した電子測定値後確認のある光電変換器としての広帯域光検出器によって実施されている。
関連経費の高額さ故、これらの方法および関係測定装置は、通常、１チャネルまたは２チャネルのタイプのものだけである。しかしながら、光信号の場合は、高周波成分を備えた（特定の画像系列全体の）非常に多くの並列チャネルを同時に測定しなくてはならないことが多い。
また、２次元光波のスペクトル変調特性の他に関心を集めているのは、所定の空間および時間範囲内の高速動作である。更に、例えば光レーダー法によって、３次元オブジェクトを迅速かつ正確に測定したいという要望があるが、それには光速のエコー信号の結果としてサブナノ秒範囲の超高速な検出器が必要である。同時に、能動的または受動的に明るい３次元オブジェクトを走査するという面倒な操作を無くすことが望まれている場合、前述の検出器は検出器アレイとしても利用できなくてはならない。
そのような３Ｄカメラは、ドイツ特許出願公開明細書第４４  ３９  ２９８号に提案されており、本発明はその内容を基本出発点に採用している。
図１０は、エコートランシット時間または位相トランシット時間のプロセスを基礎とする３Ｄカメラを示すものである。変調光送信器１０７と１０３によって照射され、３次元オブジェクト１００から反射されるＨＦ変調光波１０１は、同位相波面の遅延の深さ情報をすべてを含んでいる。入射光波が、ホモダインミキシングまたは復調プロセスに対応する同一周波数の２次元光ミキサ１０４によって受信開口１０２内で再び変調される場合、安定した高周波インタフェログラムが得られる。
このＨＦインタフェログラムは、従来のＣＣＤカメラ１０４で記録することができ、また、画像処理装置１０６を使って更なる処理を施すことが可能である。ＣＣＤ光電量（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｈａｒｇｅ）の混合生成物の定常成分の統合は、２つのミキシング信号の相関関数の構成に対応している。エコートランシット時間および振幅による距離関連の位相遅延は、例えば、０°と１０°と２４０°、または、０°と９０°と１８０°と２７０°など、復調ミキシング周波数の種々の位相により、３つ以上のインターフェログラムから画素的に計算できる。
光空間変調器またはＳＬＭとも呼ばれる２次元光ミキサ１０３または１０４は、この場合、例えば、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）セルを有しているが、このポッケルスセルは資料に一連の重大な欠点が記載されている。
前述以外の実行オプションはＬＣＤウィンドウによって提供されが、こられは明らかに安価であるものの、所望帯域幅の観点から見ると約１０００分の１ほど低すぎる。
像増幅器に使用されている、いわゆるマイクロチャネルプレートの利用も高価で費用がかかる。マイクロチャネルに印加されてマイクロチャネル内の２次電子放出に影響を及ぼす加速電圧を変調することによって利得を変調できる。
また、最先端技術で、ＣＣＤ光検出器アレイを基礎とする２次元相関器が提案されている：「The Lock-In CCD-Two-Dimensional Synchronous Detection of Light」スピリグ（Ｓｐｉｒｉｇ）、セイツ（Ｓｅｉｔｚ）他著、IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, No.９、pp.1705-1708、１９９５年９月。該文献中、正弦変調光の位相を確認するために、光画素（ｐｈｏｔｏｐｉｘｅｌ）が４つのトランスファゲートによって識別される。各正弦周期ごとに、４つのトランスファゲートによりそれぞれの等距離サンプルが取られ、それによって簡単に位相を計算できる。最初に、帯域幅を著しく制限した走査時間内で高調光信号の統合が行われるために、前述手順は指摘した課題にとっては遅すぎる。また、その後でなければ、走査サンプルとして引き継いだ蓄積電荷を利用する所望のミキシング処理を実施できない。
そこで、本発明の目的は、位相および／または振幅情報、および光波の包絡線を調べるための方法と装置であって、よりシンプルで、より帯域幅が広く、より安価な相関器の概念と、設定可能照明による３次元オブジェクトの高速測定を可能とする方法と装置を提供することである。
前述の目的は、請求の範囲１記載の方法、請求の範囲１４記載の光混合素子（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｍｉｘｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）、請求の範囲２０記載の光混合素子配列、および請求の範囲２３記載の装置によって達成される。
本発明による原理は、変調光ゲート電圧と、隣接する少なくとも２つの感光変調光ゲートの下の材料の光波によって光発生する少数電荷キャリアの分離とによってもたらされるドリフトを基礎とするものである。この場合、それぞれの関連極性または位相に応じて変調光ゲートに印加される変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）の影響を受けて、前述の電荷キャリアが、好ましくはｄｃ電圧ＵａとＵｂの２倍でバイアスをかけられた蓄積ゲートにドリフトされる。変調光ゲートの電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）は補足的に印加されることが好ましく、また、バイアス電圧およびそれぞれプッシュプル関係に重畳される変調電圧＋Ｕm（ｔ）と−Ｕm（ｔ）から構成されることが好ましい。２つの変調光ゲートは一緒に矩形面を形成することが好ましい。２つの変調光ゲートのみを備えている画素は、２重画素と呼ぶこともできる。
本発明による原理は、電磁波によって生じる光電量子効果を前提とするものである。それにも関わらず、光波に対する照会が常に行われるが、これは制限と解釈されるものではない。
実際のミキシングすなわち乗算処理は、変調光ゲートの右側または左側への、光発生電荷キャリアの変調電圧依存または位相依存ドリフト（「チャージスイング（ｃｈａｒｇｅ  ｓｗｉｎｇ）」）にある。これに関し、前述のように分離されて蓄積ゲートに集められ、所定時間内の集積に関係ある電子読出システムに伝達される電荷キャリア間の荷電差は、変調入射光信号の包絡線と変調電圧Ｕm（ｔ）との相関関数に関する測定値である。
同時に、蓄積ゲートにドリフトされて通過する前述の電荷キャリアの電荷合計は、チャージスイングの位置による影響を受けない状態にあり、最適な画素強度または画素濃淡値として利用できる。
入射光波の相対位相または時間遅延を求めるには、前述のように、交流電圧成分、直流電圧成分、および相対位相の３つのパラメータについて３種類の測定を行う必要がある。従って、電送器の放射光波に対する３種類の位相ずれを備えた変調光ゲート電圧によって作動される３つの感光変調光ゲートを持った光混合素子画素構成を含むことが可能である。
しかしながら、結果として得られる相関振幅から、光混合素子の各画素の受信信号の位相を求めることが望ましい場合、ミキサ信号の異なる４つの位相に関わる４種類の測定を利用する。これにより、ノイズを大幅に低減できる重複決定（ｏｖｅｒ−ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）が提供される。
１画素あたり２つの変調光ゲートの変調光ゲート電圧をプッシュプル構成することにより、前述の測定の各２種類を同時に実施できる。したがって、例えばＨＦ変調の場合、異なる４つの必要測定値を得るには、それぞれ放射光の位相に対し、変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）について０°／１８０°および９０°／２７０°の位相差で、それぞれ９０°ずらして２種類の測定を行うだけで十分である。
したがって、特に好ましい構成は、それぞれ１つの画素を形成する光混合素子が、対称に配置された４つの変調光ゲートを有し、それぞれ相互に対向するように配置した各２つの変調光ゲートがプッシュプルまたは１８０°位相シフト変調光ゲート電圧に応じて作用し、この場合、２重画素に関連させて先に述べた、変調光ゲート電圧の０°／１８０°および９０°／２７０°の位相差で其々９０°ずらされた２種類の測定が同時に実施される構成である。このような画素を４重画素と呼ぶこともできる。
また、変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）の位相シフトの較正の場合、送信器によって照射される光波の一部が、基準として、複数の光混合素子の配列から成る複数の画素のうちの少なくとも１つに向けられることが可能であることが好ましい。そして、この直接照射画素から得られる位相および振幅の情報は、較正操作に利用できるとともに、位相シフトを所定値に調整するのに利用することもできる。
逆に、能動オブジェクトが放射する入射光波の、個別励起される未知の変調の場合、少なくとも１つの光混合素子によって、ロックイン増幅器の既知の高レベル分解能で光波を測定できる。この目的のため、光混合素子は、送信器に代わる同調可能な変調用発振器（ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）とともに、位相ロックループを形成する。また、ロックイン増幅で、例えばＨＦ変調のために位相ロックロープが使用され、デジタル変調のために遅延ロックロープが利用される。
受動物体を調べる場合、種々の方法によって照射光の変調および変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）の対応変調を行うことができる。まず、連続ＨＦ変調を生じさせることができる。その場合、荷電差および電荷合計は、画素強度による影響を遡及的に受ける可能性のある間隔で繰り返し読み出され、光波の位相および振幅情報の評価が行われる。
例えば、各ケースで干渉背景照明を簡単に上回るためには、有利な手順は、パルス形ＨＦ変調と照明による間欠モード動作である。その場合、光発生電荷は、高周波パルスのときにそれぞれ集積されて、後で評価される。
特に反射光波の位相またはトランシット時間を調べる場合、位相またはトランシット時間の分解能のレベルを増大するために、例えばチャープ法などの狭い相関関数により、レーダー技術で周知のＨＦパルス圧縮法を利用することが可能である。その場合、個々の光混合素子の変調信号と、所定の位相関係で照射される送信器の光波と、調査対称の位相関係で反射される光波とは、チャープによって繰り返し変調される。チャープ変調により、適当な方法で、光混合素子の変調光ゲート電圧と送信器によって照射される光の間に調整可能な遅延を挿入することにより、多くの課題が解決され、または照明されているシーンのやっかいな多重反射が抑制される。
以下に記載する擬似ノイズ変調（ＰＮ変調）は、ベースバンドＰＮ変調およびＨＦ−ＰＮ変調といった別の形態の変調として利用できる。繰返し光信号の場合の抽出−保持操作を利用するサンプリング手順は、ニードルパルスによる混合および相関の特殊ケースである。本発明による光混合素子は、パルス変調の前述および他の用途のために有利に利用できる。
言及される変調モードは、それ自体はすべて現状技術において周知である。
蓄積ゲートにドリフトされた電荷は、かくして種々方法による別の処理の対象となる。一方、光混合素子は、ＣＣＤ技術を利用して作製することができる。その場合、電荷は蓄積ゲートの下に集められすなわち集積され、その後、従来の方法によって、例えば３相シフトサイクルでＣＣＤ読出回路に移動され、ｐ拡散またはｎ拡散によって読み出される。
他方、光混合素子は、画素特定電子読出しおよび信号前処理システムを備えた能動画素としてＣＭＯＳ技術を利用して具現される。その場合、実際には、ＣＣＤ技術で公知の読出回路は、変調ゲートの両側に直接に取り付けられている。その場合、蓄積ゲートは、ブロック低容量ｐｎダイオードの形であることが好ましく、到来した光発生電荷は、好ましくは電極ＧaおよびＧbによって、電子画素読出しおよび信号前処理システムに転送され、そこで記憶および処理される。
したがって、後者の場合、チャージスイングの２つの電荷成分は連続的に読み出され、例えば電荷増幅器により、下流に接続した各キャパシタに実質的にリアクションフリーに記憶される。
それぞれの新測定操作以前に、現状技術において、関連荷電キャパシタが電子リセットスイッチによって放電され、望ましくはリセット状態のときに測定した故障電圧を実際の測定値の修正に利用することが行われている。画素に関してリアクションフリーの読出手順を利用することにより、ＣＣＤ技術を利用して実施した場合と比較して、光混合素子の全体動力学ならびにそれを利用する測定方法が著しく改善される、という利点が提供される。
別の好適方法において、好ましくはオンチップ集積の形態で、電子画素読出しおよび信号前処理システムで位相および振幅情報を直接計算できる。そのような特定用途光電チップ（ＡＳＯＣ）またはそのような能動画素センサ（ＡＰＳ）により、測定速度が向上し、画素に関する位相および／または振幅の前処理が可能となる。
本発明の重要利点は、電荷の発生および分離と同時に変調が行われることである。つまり、検出と混合が、同時に、しかも余分なノイズや帯域制限を伴う中間段階無しで、実行される。したがって、特に現状技術において生じてしまうタイムドリフトエラーが防止され、時間および空間の点で検出操作とは切り離される電荷変調と集積動作が必然的に生じるが、これらが抑制を受けることはない。
本発明の更に別の利点は、光混合素子の上限周波数である。プッシュプル変調電圧による電荷転送の限界周波数は、最大ドリフト長または転送距離、つまり変調光ゲートの全長の点で、関係ＭＯＳトランジスタの限界周波数に匹敵し、従ってＧＨｚレンジに達する。また、面倒なコモンモード信号は反対称電荷キャリアの分離および差分形成（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）によって抑制される。例えば背景照明など、変調信号と相関しない各干渉信号は、電荷差が除かれて、結果的に信号対ノイズ比が高くなる。また、同一チップ上で、検出、混合、電荷キャリア集積、および差分形成を組み合わせることにより、わずかなタイムドリフトだけになる。また、単一半導体構造内で、実質的に全部の測定関数を併合処理することが可能となる。
変調器としてポッケルスセルを利用したドイツ特許出願公開明細書第４４  ３９  ２９８号に開示されている最新技術と比較した場合、必要変調電圧は、１０００ボルトレンジではなく、１ボルトレンジという僅かな変調電圧に過ぎない。また、本発明による光混合素子の２次元配列では、受信器側に大きな開口が確保される。
また、位相および／または振幅情報を求めるのに際してコヒーレント光も偏光も不要である。したがって、例えば、光の偏りおよび波長に対応する選択フィルタを上流に配置することにより、入射光波の他の特定特性を利用できる。更に、当該配置によって、現状技術で利用されている電子ミキサおよび広帯域光検出増幅器を排除することにより、高レベルな感度がもたらされる。
調査対象である光波のスペクトル帯幅は、光ゲートの下の空間電荷領域に使用される材料のスペクトル感光度によって決まる。すなわち、例えば、シリコンの場合は約０．３〜１．１μｍの波長範囲、ＩｎＧａＡｓの場合は約０．８〜１．６μｍの範囲、ＩｎＳｂの場合は約１〜５．５μｍの範囲である。
光混合素子は、０次元、１次元、または２次元構成で配置することが可能であり、従って、スペクトルの広い使用幾何学形状を実現できる。これに関し、例えば、各画素の距離情報を求めて３次元シーンのカメラショットを極めて高速に実現できるように、例えば１０〜１０００ＭＨｚの変調帯域幅で数十万個の光混合素子を並列関係に作動させることができる。位相画像ψ（ｘ，ｙ）または（変調照明の場合）動径ベクトルまたはボクセル距離による距離画像または深さ画像Ｒ（ｘ，ｙ）は、蓄積ゲートに供給されて読み出される電荷の荷電差によって画素的に求められる。関係電荷の合計から、従来の画素濃淡値Ａ（ｘ，ｙ）が得られる。この２つを組み合わせることにより、階調画像または３次元画像Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）が得られる。
これに関し、３次元画像繰返し率は約１０Ｈｚ〜千数百Ｈｚの範囲内で、使用光混合素子の数と光強度のレベルに依存している。追加カラーフィルタにより、距離画像Ｒ（ｘ，ｙ）の通常カラー値、赤（ｘ，ｙ）、緑（ｘ，ｙ）、青（ｘ，ｙ）を得ることができる。
特に混合および電荷キャリアを集積する集積構造により、光混合素子に関して単純な構造が提供される。結局、１点だけでなく１次元または２次元のシーンを記録する場合、反射する可能性のある入射光波の画像形成には、従来の光学的画像形成システムで十分であるので、受信チャネルに特別に費用をかける必要がない。測定装置は、光送受信システムの同期ズームによって種々の３次元シーンに柔軟に対応できる。
本発明による方法、および、対応する混合素子または複数混合素子配列の場合、画素の位相すなわち画素トランシット時間および画素輝度が、能動画素センサ構造（ＡＰＳ）によって直接確認されるのであれば、好ましくは同一チップ上に配置された多重構造（いわゆる、オンチップ多重構造）によって選択的または連続的に読み出されることが望ましい。これにより、処理速度が向上し、また、他の所要要素数が減少する。
濃淡画像のように、更に画素の輝度を関連蓄積ゲートの電荷合計として評価する場合、特に好適な本発明の実施態様は、背景照明の場合、つまり、変調光の横にある非変調光の場合に、一方で照明オン時、他方で変調光が無い状態つまり変調光源切断後で実現される濃淡画像間の差を生じる手順により、蓄積ゲートの上記追加照明によって生じた電荷を計算によって除去する。蓄積ゲートの基本輝度または基本電荷量には相関情報が含まれていないので、実際の相関情報は、基本量を差し引いた後に更に明瞭に示される。
前述のように、該実施態様が、線状アレイ、面状アレイ、または空間状アレイのいずれかで複数の混合素子を使用する場合に適していることは明白である。ここで「線状」アレイという用語は、まっすぐな列に並んでまたは連続的に配置した混合素子一式のみを意味するのではなく、一般に、まっすぐかもしれないし、曲がっているかもしれない線に沿って配置されている混合素子一式のことを意味する。面状配列の場合、混合素子は原則として、実際的理由から好適であるにせよ、矩形行列の形態の平面状の混合素子アレイだけでなく、例えば球面シェルの内面の曲面上など、任意の所望パターンで配列できる。また、ある角度をなす複数の表面、すなわち、互いに１つの角度を含む２つの表面上に同時に混合素子のアレイを適用することも可能であり、そのような配列は一部の用途に適している。この種の配列は、「空間状アレイ」という用語で表される。
複数の、場合によっては数百または数千の混合素子から成る前述のアレイの場合、本発明による方法の有利で望ましい構成は、画素または混合素子の少なくとも１つが、照明として作用する輝度変調電磁波の一部によって直接照射される構成であり、その場合、そのようにして得られた測定結果は、前述の少なくとも１つの画素で、別の位相および輝度の結果を較正するために使用される。これに関しては、そのような画素が送信器によって選択的に異なる輝度レベルで活性化される場合、または、複数の基準画素が使用される状況下でそれら各画素が別々のレベルで活性化される場合に望ましい。これにより、測定信号の大きな動的スコープによって起こりうるエラーを回避することが可能となる。
これは、前述種類の１次元以上の混合素子配列の場合に、ＭＯＳ技術を利用してシリコン基板上に画素を作製し、それらの画素を好ましくはＣＣＤ構造を備えた多重構造を利用して読み出せるのであれば、好ましい。
本発明による混合画素は、デジタル写真カメラまたはビデオカメラに用いるのに特に適していることを理解されたい。この目的のために必要なことは、集積受信光学系と、電子評価系と、そこから計算される濃淡値およびトランシット時間または距離画像用にデジタルメモリを備えた、種々の信号、合計信号および関連基準信号の信号処理系と、を有している適切な混合素子配列（例えば、矩形行列の形）を用意することだけである。該配列は、適切な送信器、または変調電磁波か変調光によって３次元シーンを照らす適切な光源、および受信光学系に応じて適切に調節できる送信光学系も備えており、これらの構成要素がすべて組み合わされてデジタルカメラとしての小型装置を構成する。これに関し、デジタル写真カメラとデジタルビデオカメラの違いは、基本的には、関係ビデオカメラではかなり多数の画像を相当に短い時間間隔で記録および記憶しなくてはならないので、関係画像シーケンスの記憶および再生に適した装置を用意しなくてはならない、ということだけである。
また、すべての用途において、シーンの照明は種々スペクトル領域の変調光によってのみ行われるので、そのようにして得られた画像の色成分すなわち色彩成分を、同時供給される空間的深さ情報と共に利用することにより、完全なカラー画像を獲得および再現できることを理解されたい。
より高い帯域幅の場合、および、例えば効果的エッジ検出の場合も、特に感光面のエッジ部に生じる変調ゲートの理想電位構成からの逸脱が実質的に排除されるように、画素中央部への入射光を少なくする微小レンズ光学系を、混合素子または画素と関連付けて用いることが望ましい場合がある。微小レンズ光学系によってもたらされる、混合素子の検出器平面のピンぼけ画像形成によって保証されることは、２つの半画素間の中央にランダムに広がるエッジの画像生成によって、相関関係または誤った深さ情報をシミュレートする種々の電荷を蓄積ゲートに生じないことである。
本発明による光混合素子を備えたアレイは、問題となっている配列という観点から、また、探索対象、場合によっては追跡対象となっている物体の深さ情報すなわち物体距離に対して付加的なされる検討によって、所定の１、２、または３次元構造を検出したり、場合によっては追跡するのにも、極めて適している。
具体的観点から言うと、変調信号の振幅と、変調信号のＸ座標、Ｙ座標、および時間座標Ｔ（ここで、ＸとＹは混合素子行列の平面上に伸びる２つの１次独立座標であり、時間Ｔは変調信号のトランシット時間の遅延を意味する）の変位（ΔＸ，ΔＹ，ΔＴ）によって３次元相関が実現され、それによって所定空間内で所定３次元物体が探索され、検出され、場合によっては追跡される。
本発明による光混合素子は、更に、光データ転送の分野においても広範囲な用途がある。これに関し、本発明による光混合素子は、単に、場合によっては信号再生を伴う従来の信号受信器の光ダイオードに代わって使用され、その場合、変調信号の形状は最適方法によって信号形状に適合され、変調信号の位相は位相ロックループにおいて最適方法によって受信信号の位相位置に適合される。つまり、信号自体からクロックが選られ、該クロックは、受信信号の最適重み付けに利用され、それにより、信号をノイズのある面倒な背景から最適方法で分離することができる。このように、従来の光ダイオードと比較して、光データ伝送の感度と精度を大幅に向上できる。これにより、中間増幅を行ったり、時間、周波数、および多重コードモードの並列通信チャネルを増やしたりせずに、光送信部の長さを大幅に増大することもできる。
最後に、本発明による光混合素子は、例えば、信号を符号化出力できる衛星送信機によって極めて正確な位置測定を提供する公知ＧＰＳシステムに組み込まれているものと基本的に同様な操作モードを備えた光学系の位置検出システムに利用することも可能である。当該光学式位置検出システムでは、ＧＰＳシステムで公知の衛星送信機を、例えばレーザダイオードおよび光拡散または分散システムで位置を調べる物体の、より近くに相応に配置される広分散変調光源と交換し、一方、受信機は物体の１つ以上の光混合素子によって、好ましくは、種々の変調により種々の点に固定的に配置された光源からの信号を検出するために種々の方向に向けられた複数の光混合素子によって、形成される。その場合、関係信号トランシット時間と同様に、コード化変調によって、固定光源と、位置を知りたい物体と、が明確に関係付けられ、それによって位置を求めることができる。
更に別の用途は、光データ伝送用のデマルチプレクサという使い方である。光混合素子による特殊変調および関連相関という形のコード化により、種々のチャネルを明確に関係付けることができる。
本発明による光混合素子の高レベルな位相感度の更に別の用途および使い方は、サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果の測定、すなわち、回転基準系の光波のトランシット時間すなわち位相シフトの測定である。この目的のために、変調光は好ましくは何回かターンさせて敷設してある光ファイバに結合され、光ファイバの出力によって本発明による光混合素子の１つを照射する。この混合素子の変調ゲートは、供給された光波と同じ周波数で変調されるので、光混合素子における電荷分布という形態の相関結果から、現在の周波数または位相シフトに関する測定値を求めることができる。回転軸が光ファイバまたは導波路のターン部の平面にない基準系を１回転する間に、周波数とトランシット時間、およびそれに伴って位相位置も変化し、それらは光混合素子によって自動的に検出される。これに関して言うと、光混合素子を使って、非コヒーレント光によって前述のサニャック効果を基礎とするファイバジャイロコンパスシステムを具現でき、しかも該ジャイロコンパスシステムは現状技術による対応エラー源として長期安定性関連の問題を生じることはなく、光検出器下流の高周波増幅器および電子ミキサが完全に除去されることは注目に値する。
また、本発明による光混合素子によって、前述のシステムで実現される絶対方向測定の他に、例えば、一部の光波が、光導波管に誘導される以前にビームスプリッタ内で除去されて静止物体の方に向けられることによって、移動物体の速度測定を実施することも可能である。その場合、静止物体から反射した光が適切な光混合素子受信器によって捕捉され、既に複数事例について説明した方法により、ここではドップラ周波数偏位について評価される。
直線画像または行列画像の付加的深さ情報の個々の意味と重要性に応じて、任意の数の光混合素子を、ＣＣＤ−、ＣＭＯＳ−、またはＴＦＡ（ＡＳＩＣ上の薄膜）−画像センサの適切な技術で集積することが可能である。
また、本発明による３次元直線または行列カメラを使用する場合、従来の２次元カメラを付加的に使うことが適切な場合があり、その場合、３次元カメラへの能動変調照明素子および他の非変調照明素子のスペクトル割当てと供給をビームスプリッタによって実行することが好ましい。
３次元測定または調査で光混合画素を利用するときに、距離が大きくて変調光が弱すぎる場合、少なくとも２つの３次元直線または行列カメラを組み合わせたものを使うことが可能である。その場合、本発明による測定または調査は、近傍領域ではトランシット時間原理を基礎として、遠方領域では特に既存の背景照明を利用した三角測量原理を基礎として行われる。
その場合、近傍領域の深さ測定は、この場合は少なくとも２つのカメラで並行に、先述した通りに実施される。
遠方領域の深さ測定の場合、ＰＭＤチップの中央点を通るように形成されたカメラの光軸が、例えばＰＭＤチップを水平および垂直方向およびＰＭＤチップ間隔を基準として適切に移動させることによって、測定対象の体積領域の共通交差点に向けられ、それと同時に、カメラの光学系の焦点がこの距離に設定される。事前に適切な調節を行うことにより、画素の輝度値が該体積領域の最大の深さ鮮鋭度と符合する。
当該体積領域内で物体を検出および識別するときに、差分画像に関して、画素の振幅が一致する場合、短時間に印加される交流変調電圧によって光混合素子の総和画像（ｓｕｍ  ｉｍａｇｅ）が追加され、該総和画像は設定距離データと関連付けて評価され、一方、一致しない画素の振幅は、ゼロに設定した変調電圧Ｕma＝Ｕmb＝０によって差分画像から除去される。
このように、変調送信器照明の範囲外も、角度走査によって測定および調査される。このとき、所要角度は、ＰＭＤチップの適切移動と、各ステレオカメラの回転と、および／または装置全体の枢動によって達成される。
多数の可能用途のほんの一部を、本明細書中に部分的に詳細に、または部分的に簡単に説明した。これらの可能用途は、それ以外の可能用途も記した以下の表にも記載されている。その更なる説明は本発明の適用範囲を超えるものであり、その点で、以下の表は決して徹底したものではない。
更に具体的に述べると、可能用途は、以下の領域において有意であるとともに、構想可能である。
−デジタル式３次元写真カメラ
−デジタル式３次元ビデオカメラ
−危険領域監視
−セキュリティ技術と「インテリジェントビル」
−自動車の乗員の検出および識別「インテリジェントエアバッグ」
−電子式３次元バックミラー
−道路交通の交通状況認識
−自律性車両のナビゲーション
−非コヒーレントファイバジャイロとドップラー速度測定
−自律性輸送車両の制御
−産業クリーニングロボット
−個人識別、アクセス権の証明および確認
−例えば車両などの物体の識別
−生産監視、材料試験、１００％品質試験
−ロボットハンドおよび強靭で小型のあらゆるソリッドステートの「３次元アイ」、
−車両速度および走行距離測定、道路状況検出、交通渋滞
−トラックフリー信号、線路上の接触ワイヤ監視
−医用工学、内視鏡検査
−光学式自由空間またはライン通信のためＣＤＭＡ技術
−例えば、マルチメディア領域における会話形３次元通信
−１列の光混合素子による移動物体の３次元測定
これに関し、本発明の光混合素子（以下、「光ミキサデバイス」を表す“ＰＭＤ”と略す）は、以下の長所に重点が置かれている。
１．ＰＭＤの組合わせ：１／１００〜１／１０００ｍｍ2という極めて小さい空間に、検出、プッシュプル、混合および集積を組み込んである→電気−光学の相関。
２．２倍／４倍ＰＭＤ：優れた動特性およびグループトランシット時間定常性を備えた２個または４個の高価な広帯域増幅器、および、それぞれ２個または４個の電子ミキサと、取り替えた。
３．送信器と受信器の間の高レベルな電子クロストーク感度を解消。
４．数十万個の並列電気光学変調器を備えた高レベルな集積性。
５．ＰＭＤ−３次元写真またはビデオカメラは、光送受信器用の光ズームシステムにより、完全統合可能であり、しかも小型、軽量、強靭で、柔軟に適応可能。開口角約５°〜５０°で、距離約２０ｃｍ〜５０ｍという自然表面測定ボリューム。
６．１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚレンジの超高速３次元画像記録。感度およびＳ／Ｎ比は、現在のＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラに対応。
７．予想深さ分解能は、各測定時間、照明強度、関連光学、および最適基準による間隔に応じ、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ。
８．ＧＨｚレンジまでの各画素サイズに応じて最大帯域幅。
９．１ボルト未満の範囲の変調電圧。
１０．無コヒーレント光、偏光、または狭帯域光が要求され、スペクトル領域は感光材料に対応（例えば、ＩｎＳｂの場合は、５．５μｍ以下）。
１１．データ融合による３次元深さ画像および２次元濃淡値画像の同時記録により、３次元濃淡値画像（または３次元カラー画像）の最適評価を実現。
１２．集積時間Ｔｉを強度に応じて変更することにより、読出回路が約８ビットずつダイナミックを増加できる。
ここで、図面を参照しながら、実施例によって与えられる実施態様を介して本発明を以下に更に詳細に説明する。
図１のａ）は、ＣＣＤ技術を利用した本発明による光混合素子の第１の実施例の画素断面図である、ｂ）〜ｆ）は、２つの相補形変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）とＵbm（ｔ）の種々の位相および時間のポテンシャル分布Ｕs（ｔ）である。
図２は、ライン間伝送読出装置の一部を含むＣＣＤ技術を利用した２つの線形配置画素のブロック図である。
図３は、入射光の強度分布と、ＨＦ変調の場合の電圧Ｕsep（ｔ）、Ｕa（ｔ）、Ｕam（ｔ）、Ｕbm（ｔ）、およびＵb（ｔ）の電位パターンを示す図である。
図４は、相対位相すなわちトランシット時間シフトψopt=ωmτに対応するＨＦ変調の場合に、蓄積ゲートにドリフトする平均化光発生電荷キャリア電流
0004060365.tif 000002
の形で光混合素子の混合および相関結果の特性を示す図である。
図５はＰＮ変調の図で、ａ）に変調信号を示し、ｂ）にＴbの第３および第４の変調ゲートｃｍおよびｄｍの変調信号遅延の場合の、２重画素
0004060365.tif 000003
を備えた４重画素の混合および相関結果の特性を示し、ｃ）に距離評価に関連する差分値
0004060365.tif 000004
を示す。
図６のａ）は、変調光ゲートおよび蓄積ゲート下に中間変調光ゲートＧ0とポテンシャル分布を備えた本発明による光混合素子のＣＣＤ技術を利用した第２の実施態様の画素の断面図であり、ｂ）が正、ｃ）が負の変調電圧Ｕm（ｔ）の場合の図である。
図７のａ）は、本発明による光混合素子の第３の実施態様の画素の断面図であり、ｂ）〜ｆ）は、図１と同様の種々位相のポテンシャル分布を示す図である。
図８は、４重画素と呼ばれる、４つの変調光ゲートと４つの蓄積ゲートとを備えた本発明による光混合素子の第４の実施例の画素を示す平面図である。
図９は、４つの変調光ゲートと、４つの蓄積ゲートと、中央対称中間ゲートＧ0とを備えた本発明による光混合素子の第５の実施例の画素を示す平面図である。
図１０は、光波の位相および振幅情報を調べるための、現状技術で周知の装置の線図である。
図１１は、高周波変調の場合の光波の位相および振幅情報を調べるための本発明による装置の線図である。
図１２は、例えば、ＰＮ変調または矩形変調の場合の光波の位相および振幅情報を調べるための、本発明による装置の線図である。
図１３のａ）は、ＣＭＯＳ技術を利用した電子画素読出しおよび前処理システムを備えた本発明による光混合素子の第６の実施態様の画素の断面図であり、ｂ）とｃ）は、変調光ゲート電圧の２つの位相または極性のための、図６と同様なポテンシャル分布を示す図である。
図１４は、好ましくはデジタル変調用の、４つの変調光ゲートと４つの蓄積ゲートと中間ゲートＧ0とを備えた、十字形に構成された光混合素子の第６の実施例の画素の平面図である。
図１ａに、ＣＣＤ構造の実施例を用いた光混合素子の独立素子１の断面図を示す。この場合、光混合素子は、画素１の他に、電圧供給および信号テークオフ動作に必要な構造を備えている。外側ゲートＧsepは、隣接構造に対して当該画素の境界を電気的に定める役割しかない。
図１記載の配列は、ｐ添加シリコン基板２上に形成されている。まず最初に、提案概念である混合すなわち乗法演算に関連して、純粋なＣＷ高周波変調の場合について検討する。
断面に関して言うと、図１ｂ〜ｆは、混合手順の種々位相のポテンシャル分布を模式的に示している。中間変調光ゲートＧamとＧbmは感光部で、反転状態にある。これらは、例えばポリシリコンの導電性すなわち一部が光学的に透明な上カバーの正のバイアス電圧Ｕ0と、重畳プッシュプル電圧Ｕm（ｔ）とによって作動される。これにより、変調電圧Ｕam（ｔ）＝Ｕo＋Ｕm（ｔ）およびＵbm（ｔ）＝Ｕo−Ｕm（ｔ）がそれぞれ与えられる。
これらは、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンから成る絶縁層３の真下にある空間電荷領域の入射光波の光子によって生成される負電荷キャリアを乗法により分離させる。これらの電荷キャリア（当該実施例では、電子）は、変調プッシュプル電圧の影響を受けて、正の蓄積ゲートＧａまたはＧｂのごく近傍にドリフトし、そこで集積されるが、多数の電荷キャリアまたはホールはｐ−Ｓｉ基板の接地端子に流れる。後方照明も可能である。
図２に、相関によって得られる電荷値の逐次処理用に拡散接合を備えた電子読出しシステムを一端に配した、３次元ＣＣＤシフトレジスタの形態のライン間伝送読出装置７の一部を含む、本発明による光混合素子の２つの画素１の平面図である。例えば、ｎ番の画素のラインの全蓄積ゲート下の電荷蓄積に要する所定時間Ｔの後、ＧaおよびＧbの下の電荷ｑaおよびｑbは、それぞれトランスファゲートＴＧaおよびＴＧbを介して、３相読出しシフトレジスタに渡される。境界分離ゲートＧsepは、望ましくない外部影響から相関画素を保護する。境界分離ゲートＧsepは接地電位であることが好ましい。
図３に、図１に関連する電圧構成を示す。変調光ゲートＧamおよびＧbmは、位相対立ＨＦ変調電圧Ｕm（ｔ）を含む図３記載の変調光ゲート電圧によって作動される。変調光ゲート電圧は次のように示される。
Ｕam＝Ｕ0＋Ｕmｃｏｓ（ωmｔ）  （１ａ）
および
Ｕbm＝Ｕ0＋Ｕmｃｏｓ（ωmｔ−１８０°）
＝Ｕ0−Ｕmｃｏｓ（ωmｔ）  （１ｂ）
図１ｂ〜ｆでは、ＨＦ変調信号の期間Ｔm内のｔ0〜ｔ8の時間系列における、代表的画素１の問題の全ゲートの、該画素１の空間的範囲を超える空間電荷領域のポテンシャル分布Ｕｓ（ｓ）がはっきりと示されている。相対的に高い正電圧により、光発生電荷キャリアが、変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）およびＵbm（ｔ）の極性に応じて、図１に断面を示した画素１の左側または右側に向かって大多数がドリフトした後に、蓄積ゲートＧaとＧbに蓄積される。この動作は、光変調電圧と変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）が同じ周波数を備えているときに特定の効果を呈する。それぞれの位相差ψoptに応じた、蓄積ゲートＧaおよびＧbへの電荷キャリアドリフトの平均優先方向が存在する。関連平均化電流は
0004060365.tif 000005
で表される。
基礎となる相関手順は、数学的に次のように説明される。光混合素子の２次元アレイの最も一般的な場合の受信平面では、ｚ＝０で、入射変調光波は一般にＰopt（ｘ，ｙ，ｔ−τ）で表される。入射変調光波は、そこで作用するプッシュプル変調信号を備えた光発生電荷キャリアによって、Ｕm（ｘ，ｙ，ｚ）という一般的な形で表され、２つの蓄積ゲートの電荷差について概算乗算または概算積分によってリンクされる。対応する相関関数ψUm，Popt（ｘ，ｙ，ｔ）は、例えば、蓄積ゲートＧaおよびＧbへの電荷キャリアドリフトの全平均化差分
0004060365.tif 000006
について、最も一般的な場合、位置に応じて、次のトリプルコンボリューションとして表現される。
0004060365.tif 000007
但し、トランシット時間差τ＝ψopt／ωm、変調角周波数Ｗmおよび、構造依存であるが動作原理の点で重要でない定数ｋ1およびｋ2、で表される。
本発明による光混合素子は、光電子の分離電荷高速転送と、そのプッシュプル記憶と、差分および合計評価とにより、高い位置および時間分解能レベルで前述の目的を達成する。これに関し、不安定な光波の場合に時間依存の平均化ドリフト電流差
0004060365.tif 000008
を生じることによって、厄介なあらゆる偏り成分が抑制され、同時に、変調電圧Ｕm（ｔ）により光信号Ｐopt（ｔ−τ）に関して所望の相関関数が構成される。
この手順を以下に詳しく説明する。Ｕam（ｔ）およびＵbm（ｔ）によって生じるＨＦドリフト電界により、それぞれ正の側への電子がドリフトされる。例えば、変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）＝Ｕ0＋Ｕm（ｔ）の正の半波のとき、すなわちＵbm（ｔ）＝Ｕ0−Ｕm（ｔ）の負の半波のときに、光発生電荷キャリアが蓄積ゲートＧaにドリフトし、そこで電荷量ｑaとして集積または渡される（図１ｂとｃの上２つの変調光ゲート電圧分布を参照）。図３では、安定した調和変調照明の場合の１画素あたりの光強度が次のように示される。
Ｐopt（ｔ−τ）＝Ｐ0＋Ｐmｃｏｓ（ωｔ−ψopt）  （３）
式中、Ｐ0はバックグランド照明を含む平均値であり、Ｐmは変調振幅であり、ωmはＨＦ変調周波数であり、ψoptは位相遅延であり、τ＝ψopt／ωmは変調位相Ｇamに対する入射光波の対応トランシット時間遅延である。１画素当たりの総発生光電流は次の通りである。
ｉ（ｔ）＝Ｓλ・Ｐopt（ｔ−τ）
＝Ｓλ・［Ｐ0＋Ｐmｃｏｓ（ωmｔ−ψopt）］  （４）
ｉ（ｔ）＝Ｉ0＋Ｉm・ｃｏｓ（ωmｔ−ψopt）］  （５）
ここで、パラメータｉ（ｔ）＝ｉa（ｔ）＋ｉb（ｔ）、Ｉ0はＰ0に基づく画素光電流の平均値、ＩmはＰmに基づく変調光電流の交互振幅、Ｓλはスペクトル感度である。この１画素あたりの総光電流は、２つの成分、具体的に述べると、蓄積ゲートＧaの電流ｉa（ｔ）と蓄積ゲートＧbの電流ｉb（ｔ）に分けられる。これらの値は、ＣＣＤ技術の場合はそれぞれの蓄積ゲートＧaおよびＧbの下で統合され、画素に関して読出しを行うＣＭＯＳ技術の場合は好ましくは電子読出しシステムの中で統合されので、これら電流の平均値
0004060365.tif 000009
を以下で考慮する上で何の支障もない。最大の電荷分離は、角度ψopt＝０、τ＝０で達成される。この状況を図３に示す。
適切な変調振幅、無視できるほどのドリフトトランシット時間、ｐm＝Ｐ0の１００％変調深さなど、平均光電流
0004060365.tif 000010
にとって理想化状態にあると想定すると、調和変調によって以下が与えられる。
0004060365.tif 000011
図４に、前述の理想化平均画素電流の構成を示す。これらは、ＨＦ変調受信光と、変調光ゲートＧamおよびＧbmに印加されるＨＦ変調光ゲート電圧とに起因する、逆位相形相関関数である。その合計は、平均光パワーＰ0に相当する。時間Ｔ＝Ｎ＊Ｔmにわたって（すなわち、ＨＦ変調電圧のＮ回の期間Ｔmにわたって）蓄積される総電荷量により、以下が与えられる。
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ここで、位相遅延に対応するトランシット時間τ＝ψopt／ωmである。以下、ｑaTは、ｑaだけで示す。全部の画素１の蓄積ゲートＧaおよびＧbそれぞれの電荷総計は、位置的に離散した２つのＨＦインタフェログラム、ａ−インタフェログラムおよびｂ−インタフェログラムを構成する。ｂ−インタフェログラムはａ−インタフェログラムから１８０°ずれており、それらの差分を出すことによって、求めようとしている、数式（２）に示した、トランシット時間決定差分ＨＦインタフェログラムが出る。
図１１は、光混合素子のアレイを基礎として直接混合を利用する本発明による３次元カメラの模式図である。図１０に記載の現状技術で公知の３次元カメラの概念と比較して、図１１では、光学的受動３次元物体を照射するための送信器４の変調を、レーザダイオードの電流の直接変調によって実施している。その場合、ＨＦ発振器１３によって変調がもたらされる。距離が大きい場合、例えば、好ましくは一般的な変調電流で、目の安全のために複数の波長から成る強力レーザダイオードアレイを使うことが有利である。
第１の光学系５は、物体６の表面に光波の画像を形成する。物体６から反射された光波は、次に、第２の光学系６を介して、光混合素子アレイ８の表面に投射される。
更に光混合素子アレイ８はＨＦ発振器１３によって活性化されるが、この活性化は、ＨＦ発振器１３よる、放射光波の位相に対する種々の位相シフトによって行われる。まだ光混合素子アレイ８の信号の評価がオンチップで行われていない場合には、評価装置９によって評価がなされる。
本発明による測定装置によれば、提案される３次元カメラの概念には、本発明による光混合素子アレイのほかに、高い絞り値の他の光変調器は不要であり、これによって経済的に有利な構造が提供される。
こうして得られた相関振幅から画素の位相ψoptを求めるために、ミキサ信号の異なる４つの信号の場合、前述のように、全部で４つの異なるインタフェログラムが使用される。ミキサ信号の４つの位相は、変調光ゲート電圧ＵamとＵbmの位相関係が、０°／１８０°の状態から９０°／２７０°の状態に切り換わった状況、すなわち９０°遅延した状況で生じる。これにより、実際の、すなわち、同相成分に対する２つの対応仮想成分すなわち直交成分が与えられ、そこから、求めている画素位相を前述の数式（１０）によって計算できる。
同時に、この動作モードにより、背景の明るさおよび混合操作によってもたらされる厄介なオフセット電圧を解消できる。
また、一例として、光混合素子アレイの平面の好ましくは同一周波数の変調電圧Ｕm（ｘ，ｙ，ｔ）を利用した２Ｄ相関によるＣＷ変調３次元光波に関して記載した測定操作に加え、本発明による測定装置を、パルス形の変調信号と組み合わせて有利に利用することも可能である。
特に、光の疑似ノイズ変調は、３次元光波の高精度トランシット時間測定に有利である。一例として、光学的受動３次元物体の調査または測定するための実施態様を図１２に示す。図１１の調和変調に関わる実施態様と同様に、本発明による装置は、所定の強度でＰＮ（疑似ノイズ）変調された光で３次元物体６を照射する適切な照明装置を有し、反射されて受信された光は、好ましくは発振器１３によって生成される対応ＰＮ変調信号を利用して、相関手順にかけられる。
ワード長ＴW＝ＴB（２N−１）が増加する、その種のＰＮ信号に関する相関は、ビット幅ＴＢと相等しい半値幅を有する三角ニードルパルスに似ており、従って、全照明体積すなわち照明された全空間を明確かつ完全に測定するためには、変調光ゲートの同一信号形状の、光変調ＰＮ信号と復調ＰＮプッシュプル電圧Ｕm（ｔ）との間の相対遅延ＴDは、連続的または段階的にＴB段で、最大エコートランシット時間の全体遅延レンジを、少なくとも１度は通過しなければならない。この目的のため、制御および評価装置９によって遅延ＴＤに関する調節ができる遅延部材１１が役に立つ。
図５ａに、矩形の１５ビットＰＮ系列の例に関して、変調信号Ｕｍ（ｔ）を示す。光混合素子による相関の結果は、相対遅延τに関連して図５ｂに示した平均化ドリフト電流
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である。
図８、９、１４に記載された、以下に説明する４倍画素の場合、変調光ゲートＧcmおよびＧdmに印加され、バイアス電圧Ｕ0に重畳されるプッシュプル変調光ゲート電圧は、変調光ゲートＧaおよびＧbに印加されるプッシュプル変調光ゲート電圧に対して、ＴBだけ遅延されること、すなわちＵcm（ｔ）＝Ｕ0＋Ｕm（ｔ−ＴB）およびＵdm（ｔ）＝Ｕ0＋Ｕm（ｔ−ＴB）が好ましく、それによって、非常に有利な振幅およびトランシット時間測定がもたらされる。
変調電圧に関する所定の遅延Ｔdを除き、送信器４によって照射される光強度ｃｏｎｓｔ．*Ｐopt（ｔ）は、同一ＰＮ信号構造を含む。反射は、エコートランシット時間後に光混合素子に達する。背景明度の無い理想的なケースでは、ＴD＝０のそれぞれの相対トランシット時間遅延τに基づく、プッシュプル変調電圧との相関により、二重画素の場合は図５ｂ記載の平均画素電流
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となり、更に規定されたＴB時間のシフトがある四重画素の場合は
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となる。最初にこの相関特性から、例えば、前後に重なるように並べられた部分的に透明な複数の物体区別したり、多重反射を解消するために、同一動径ベクトル上で複数の物体反射が区別できることが分かる。
更に、図５ｃに記載されているように、平均ドリフト電流差の合計および差は、二重画素の場合は連続的に生成されることが好ましく、四重画素の場合はそれぞれ対応する電子画素読出および信号前処理システム１５で同時に生成されることが好ましい。これにより、ゼロ以外の信号値が発生するＴB〜２ＴB幅の測定ウィンドウだけにあるような高感度測定が実現される。合計を評価することにより、最小振幅を基礎とする測定の妥当性を判断できる。また、差は有用なＴB幅測定ウィンドウで急勾配直線構成を示し、それにより、高分解能でトランシット時間を求めることができる。以下は、ここで理想的と考えられる例に該当する。
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提案される対応光検出器アレイを基礎としてＰＮ変調により３次元物体を光学的に測定するための対応測定装置のブロック図は、図１２から分かるように、特に簡素な構造である点に特徴がある。この場合、発振器１０および遅延部材１１の他に、図１１に記載のものと同じ構造が含まれている。
本発明によれば、かなり低レベルな分解能で速やかに距離を確認するために、周期Ｔおよび好ましくは同一パルスおよび間隔持続時間ＴBの発振器１０は、送信器４の単純な矩形変調を利用している。トランシット時間確認作業は数式（９）に基づいて実施される。分解能のレベルは、２分の１に減少する周期持続時間Ｔにともなって段階的に増加する。その場合、第１の測定ステップの次に第２のステップが続く。第２のステップは、周期は同じであるが時間シフトＴd＝Ｔ／４がある。
一例として図１に記載されている、本発明による光混合素子の画素１の断面を、プッシュプル変調電圧によって生じる電位勾配に関して適した構成によって、その限界周波数について最適化することができる。これに関し、図６に一例として変調光ゲートＧamとＧbmとの間に中間ゲートＧ0を配置した実施態様を記載する。該中間ゲートは、バイアス電圧Ｕ0であって、変調光ゲートＧamおよびＧbmと共に３つの電位段階を構成することが好ましい。望まれるのは、できる限り均一な電位勾配、すなわち、できる限り一定な変調ドリフト電界であるが、これは２から３、またはそれ以上に段階数を増加することによって達成される。感光空間電荷領域においては、いずれにしても該段階の定義または断言の程度は、絶縁層３からの間隔にともなって減少する。この効果は、本発明による別の実施態様で、更に詳しく述べると、「埋設チャネル」として知られているもの、すなわち、絶縁層から数μｍ離れ、変調光ゲートの下のｐ基板にいくぶんか深く入っている、弱く不純物拡散されたｎチャネルを使うことによって、利用される。蓄積ゲートＧaおよびＧbが光波によって点灯したり、余分な電荷キャリアが発生しないように、この配置構成は蓄積ゲートＧaおよびＧbのシェーディング１２も有している。
図１のものと比較して、２つの変調光ゲートが共通の蓄積ゲートＧs,nでそれぞれ分離されている点のみが異なっており、それによって、より高度な充填作用を達成する、光混合素子の特定の構成および接続を図７に示す。この配置構成も、蓄積ゲートＧaおよびＧbのシェーディング１２を有している。この場合、プッシュプル変調電圧の極性すなわちＧam,nおよびＧbm,nのシーケンスは画素毎に変化する。このゲートの三重周期は、同時に、三相シフトレジスタとして作動させることによる直接読出しにも適している。ある種の応用装置については許容できる欠点は、それぞれの隣接画素にも及ぶ電荷分布であり、それによって見掛け画素サイズが大きくなって対象方向の位置分解能が低下する。
これら内部関係および影響を計算することにより、電位差を評価すると、１００％有効電荷と比較して、中央の画素がわずか５０％しか得られず、隣接する２つの画素がそれぞれ２５％ずつ得ると考えられる。
電荷分布を説明するために、図１と同様に、図７にＣＷ変調のポテンシャル分布の種々の段階を示す。
図８に、ＣＷ変調の場合にＩ状態とＱ状態の間でＩＱ（Ｉ：同相、Ｑ：直角位相）の切換えを必要としない光混合素子の画素デザインの更に有利な実施態様を示す。前述の二重画素に代わって、変調光ゲートＧam、Ｇbm、Ｇcm、およびＧdmと、対応蓄積ゲートＧa、Ｇb、Ｇc、およびＧdを備える四重画素が提案される。該四重画素は、プッシュプル変調光ゲート電圧Ｕam（ｔ）、Ｕbm（ｔ）、Ｕcm（ｔ）およびＵdm（ｔ）が相互にシフトされる、特にＨＦ変調の場合は９０°シフトされるように、４つの位相位置について同時に相関させることができる、
従って、前述の変調光ゲートψam＝０°のＧamとψbm＝１８０°のＧbmに関する直交配置に、画素内に対称に組み込まれて、同じ原理に基づいて作動する別の２つの変調光ゲートψcm＝９０°のＧcmとψdm＝２７０°のＧdmが存在する。これにより、対応蓄積ゲートＧa、Ｇb、Ｇc、およびＧdをの下、または、関連電子読出システムの中に独立した電荷ｑa、ｑb、ｑc、およびｑdによる４相電荷蓄積がなされ、次のように、単純な算術演算によって、関連位相ψoptが直接算出される。
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個々の画素の濃淡値を簡単に求めるために、画素の全部の蓄積ゲートのここの電荷を合計する：ｑPixel=ｑa＋ｑb＋ｑc＋ｑd。４つの電荷それぞれに対応する読出プロセスは、この場合、画素的統合信号前処理を行うＣＭＯＳ技術を利用するアクティブ画素デザインによって実施されることが好ましい。
図８と同様に、図９に光混合素子の四重画素を示すが、好ましくは電位Ｕ0の中央矩形中間ゲートＧ0によって、図６に記載されているように平滑な電位勾配を備えている。
図９と同様に、図１４に、デジタル変調信号に最適な構造を備えた光混合素子の四重画素を示す。好ましくは矩形の変調光ゲートの間に配置された中間ゲートＧ0は、図９と同様な方法で、変調光ゲート電圧によってもたらされる電位勾配を平滑化する役割を果たす。
最後に第１３図は、画素１の更に他の好適な実施例を示し、この実施例は、上で議論した実施例とは異なり、ＣＣＤ技術を使用せず、電子画素的読み出しおよび信号前処理システム１５と共にＣＭＯＳ技術を使用して実行したものである。この場合、チャージスイング上の電荷キャリアの変調電圧依存ドリフトの動作モードは、上で議論した実施例と同一である。第１３図に示す実施例の唯一の相違点は、蓄積ゲートＧaとＧbに対してドリフトした電荷ｑaとｑbに対してそれ以外の処理を実行する方法である。
本実施例では、蓄積ゲートＧaとＧbは、ブロックｐｎダイードの形態である。これらの正にバイアスした蓄積ゲートＧaとＧbは、第１３図において好ましくは弱く不純を拡散したｐ−Ｓｉ基板上にｎ+不純物を拡散した電極を形成したものである。「フローティング拡散」動作モードとして知られているものまたは高抵抗電圧読み出しモードでは、ＣＣＤ技術を使用する場合と同様に、電荷ｑaとｑbは、蓄積ゲートＧaとＧbの容量上に集積し、電圧値の形で高抵抗モードで読み出す。
電流読み出しモードをまた有利に使用することが可能であり、このモードでは、光発生電荷キャリアはポテンシャルウエル内に集積されず、蓄積ゲートＧaとＧbにそれぞれ接続された適当な電流読み出し回路による出力拡散によって連続的に通過される。これらの電荷は、次に、例えば、それぞれの外部容量上に集積される。
画素を集中的に照射した場合、蓄積ゲート電圧を増幅器のフィードバックによって実質的に一定に保持する電流読み出しモードにおいて、読み出し回路は、蓄積電荷ｑaとｑbの量がポテンシャルウエル上における反応または実際上このポテンシャルウエルのオーバフローによって生じないことを保障する。これによって、光混合素子のダイナミックスが大幅に改善される。この場合、変調ゲートの絶縁層の下に位置する弱く不純物を拡散したｎチャンネル（「埋め込み層」）を含む上記の技術は、改善を行う、なかんずく限界周波数を増加させることができる。
ＣＭＯＳ技術を使用して光混合素子を構築すると、アクティブ画素設計（ＡＰＳ）を使用することが更に可能になり、この場合、各画素において、読み出しおよび信号前処理回路を光混合素子に集積することが可能になる。これによって、電気信号が外部回路に通過する前に、画素において信号を直接前処理することが可能になる。特に、この方法では、位相と振幅の情報をチップ上で直接計算することが可能になり、その結果、測定速度が更に速くなる。
本発明の更に他の構成では、例えば、物体の形状、位置、色彩、偏光、速度ベクトル、輝度または物体の性質の組合わせのような種々の基準に基づいて、受動的または能動的に照明されている３次元物体の電子的サーチおよび追跡手順に対して、好ましくは２次元光混合素子のアレイを使用する。
例えば、最初は未知の入射光波の３Ｄ測定における種々の変調信号（例えば、周波数またはコードの変更）の通路において、もし局部的な相関関係がゼロに等しくない差分ドリフト電流の基準によって見出されたなら、次にその物体の範囲を、できる限りその後に変化の発生した場合に、特に画像の深さをまた含む規制ループによって、特に上記の物体の性質に関して連続的に測定することができる。
この光混合素子は、以下で説明する種々の動作モードで使用される。
この点で、蓄積ゲートＧaとＧbにおける合計電荷は、これが入射光波の合計強度、ｑa＋ｑb＝ｃｏｎｓｔ．＊Ｐopt,ges＊Ｔに必ず対応し、ここでＴ＝統合時間であるので、重要ではない。
差分電荷
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は複数の要素によって決まり、入射光波を測定するための多くの方法を使用することができる。この目的のため、必ずＰ0＞＝Ｐm（第３ａ図参照）である基本輝度に対して考慮を払う。
例えば、変調光によって送信器４の照明した物体６を任意に測定する場合、この送信器のパワーがオンまたはオフされ、従ってＰmは有限数になるかまたはゼロに等しくなる。同時に、任意に変調電圧Ｕm（ｔ）はゼロになるかまたは送信器に使用され、入射光に含まれているコンフィギュレーションに切り替えられるか、または統合時間中一定である電圧Ｕm0に切り替えられる。
従って、Ｐ０≠０の場合、４つの重要な動作モードが与えられる。
１．）Ｐm＝０とＵm＝０の場合、Δｑab＝０。
２．）Ｐmが有限数であり、Ｕm（ｔ）がＨＦ変調信号である場合、Δｑab＝０。
３．）Ｐmが有限数であり高周波変調信号ΔｑabがＵm（ｔ）の関数である場合、相対的トランシット時間τと入力光パワー成分Ｐm（ｔ）は、この方法で変調される。
４．）もし統合時間Ｔの間に、入射平均光強度Ｐ0と一定変調電圧Ｕm0が存在すれば、差分電荷ΔｑabはＵm0と平均光パワーＰ0の関数である。
強度変調されていない光波の場合、本発明の更に他の構成によって、可能な動作モードの中の第４のケースに従って、例えば、２Ｄ画像処理に対して光混合素子が提供され、使用される。
その場合、混合素子は、例えば、好ましくはＲＡＭ素子によって高速上書き可能なＵm0の個々の変調電圧ワードの画素的関係により、限定的かつ互いに独立に活性化できる。評価は、Ｕm0にほぼ比例する差分電荷
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および差分電流
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についてのみ実施されることが好ましい。その場合、変調電圧Ｕm0は、それぞれ変調電圧ワードから導き出される。
これは、Ｕm（ｔ）の設定が、前述の使用例のように周期的または準周期的に行われるのではなく、例えば所定の画像内容に基づいてまたは測定された画像内容に基づいて、非周期的に行われることを意味している。Ｕm（ｔ）＝０の場合、すべての差分電流がゼロであるので、関連差分画像Ｄ（ｘ，ｙ）の振幅または輝度もゼロになる。
したがって、差分画像輝度はＵm（ｘ，ｙ，ｔ）の変動によって特に影響を受ける可能性がある。このように、本発明によれば、深さ情報の側面が無い場合を除き、例えば前述の物体探索用および追跡用などの、例えば前述の画素的に関連付けられた制御可能なメモリセルにより、あらゆる光波または画像に対して、すなわち変調されていないものに対しても、超高速設定可能な重み付け関数Ｇ（ｘ，ｙ，ｔ）＝Ｋ1*Ｕm（ｘ，ｙ，ｔ）による多目的画像処理を施すことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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