CN1099802C - 强度调制辐射场的探测与解调的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括大量敏感元件(16)的图像传感器(13)。每个敏感元件(16)具有一光接收部分(17)，它根据方位探测射线。每个敏感元件(10)被分配了大量的存储单元(21)，在它里面连续存储了在各个敏感元件(16)的光接收部分(17)中所探测到的电荷。根据相同的方式，在图像传感器(13)中根据方位对强度调制的辐射场探测和解调。本发明能推测关于测量目标的测量数据的范围，所以保证对测量目标的测量距离的精确记录。

Description

强度调制辐射场的探测与解调的设备和方法
本发明涉及一种辐射场的探测与解调的设备，该辐射场具有的一个图像传感器由一维或二维排列的敏感元件构成，其中每个敏感元件含有一个用于将射线信号转换为电信号的光接收部分，并且本发明还涉及一种方法，其中在敏感元件光接收部分中产生、读出和存储了连续的相应于辐射场强度的信号电荷。
另外在技术上，借助于被调制信号研究许多***的特性。这时，通过一个已调制的例如一个正弦形式的信号激励***，其中***的应答被测量。将已获得的***应答的调制作为特征数值确定相对于激励信号的相位偏移和背景信号电平(偏移)。
在已公开的半导体图像传感器中，二维分布的光强被转换为二维的光电流密度分布。在所谓的象素中同时集成了光所产生的信号电荷。例如在DE 3909394C2中公开的一种CCD图像传感器，其中在曝光的过程中，所产生的电荷图形将横向移动。因此，在拍摄相关的相对于图像传感器运动的目标时，应避免运动模糊的出现。
为了在无扫描的、提供图像的激光雷达3D摄像机中使用，公开了一种方法，在这种方法中，已调制的光在传统的图像传感器上成象(没有扫描器的激光雷达图像，光子频谱，pp.28 1994年4月)。解调是由在成像物镜和半导体传感器间的一个图像保持、短时可变化的放大器元件实现的。放大器元件作为微通道板(MCP)实现的，这里它必须在100-1000伏的高压下工作。入射的光在放大器元件中短时吸收并调制然后到达图像传感器，这里它们只有积分器的功能。这时，它可以拍摄三个或更多的图像，这时必须承受放大器中的由于吸收带来的明显的光线泄漏。另外，在拍摄期间，并必须完全地从图像传感器中读出图像。
此外，还公开了一种用于解调短时偏移的偏振光的CDD图像传感器(H.Povel，H.Aebersold，J.O.Stenflo，“在一个具有压弹(Piezoelastic)调制器的2-D偏振计中作为解调器的电荷耦合元件图像传感器”，应用光学，29卷，1186-1190页，1990)。因此，在物镜和CCD图像传感器间安排了一调制器，它在调整的连续镜头中在两种状态间转换光的偏振。两个偏振状态已产生的两个图像在图像传感器中累加并存储。因此，一个已公开的图像传感器提供了一带状掩膜，它覆盖了每第二个图像传感器扫描行的光密度。以这种方法，人们通过垂直的推上或推开图像电荷图形，以适合的节拍累加各个偏振状态的图像。
本发明的任务是给出了一种探测并解调强度调制的辐射场的设备和方法，因此，保证确定被调制辐射场的多数参数。
此任务通过如下的关于设备的技术内容，即节拍发生器(14)以下述方式控制电子开关(22)，在光接收部分(17)中产生的信号电荷同步于由辐射源发出的调制信号被传送到存储单元(21、26)，和为了控制存储单元(21、26)而在各个存储单元(21、26)存储的测量值被传输到用于分析测量值的分析单元(15)；以及
通过如下的关于方法的技术内容，即辐射场通过一个由一维或二维安排的敏感元件(16)组成的图像传感器(13、23)上的光学***(12)成像，
—第一阶段，在敏感元件(16)光接收部分(17)中产生了连续的相应于辐射场强度的信号电荷，其中，每次在积分周期(I)内，对信号电荷积分，
—每次被积分的信号电荷与辐射源产生的调制信号同步地被传送到敏感元件(16)的不接收光部分(18)并且总是被存储在存储单元(21、26)，
—在光接收部分(17)中产生的信号电荷通过至少一个分配给各个存储单元(21、26)的电子开关(22)从敏感元件(16)的光接收部分提供给相应的存储单元(21、26)并存储。
—第二阶段，在存储单元(21、26)存储的测量值被连续读出并且提供给分析单元(15)
进行解决的。
本发明所达到的优点特别在于实现了一个在一维或二维方向上延伸的图像传感器，它具有多数的敏感元件，这些敏感元件总是合适的，它们一方面探测已调制的射线，另一方面同样的执行解调。一个节拍发生器使总是在敏感元件中实现的解调可能同步于从辐射源发出的解调信号，因此，从本发明的设备中读出测量值后，可以根据位置的方式确定被探测到辐射场的参数。
本发明的设备首先包括大量的敏感单元，它们在二维方向上延伸。然后，可以有利地用于提供图像干涉测量方法，这里当拍摄图像时，在外差方法进行后，短时出现已被调制的图像信号。其次，本发明的设备可以包括单独的敏感元件，因此，可以点的方式测量。
每个敏感元件至少有一个存储单元，它可以累加在敏感元件的光接收部分探测到的电荷。因此，可以保证较小的强度的信号的测量。
按照一优选实施例，探测到一个正弦形式的射线并对其解调。随着每周期四次扫描的部分扫描可确定幅度、相位和辐射场的背景光。随着扫描速度的提高，可以获得被探测辐射场的另外参数，例如，确定傅立叶系数。
下面根据图示进一步说明本发明的实施例。图示：
图1：按照本发明设备的框图；
图2：按照第一实施例的图像传感器的结构图；
图3：按照第二实施例的图像传感器的结构图；
图4：被探测到的、正弦形状的调制信号的短时过程。
本发明被优选用于距离测量。从辐射源发出的被调制的光脉冲被测量对象反射并被本发明的设备探测到，它的时延时间可以通过计算被调制光的相位差确定。此外本发明提供同时拍摄测量目标的图像信息的可能性。因此得出自动测试和机器人作为本发明优选的应用领域。
下面说明的实施例用于确定相位、峰值和被探测辐射场的背景光的信号水平。激光器10用作发射调制信号的辐射源，它对准测量目标11(见图1)在测量目标11反射的辐射场通过一个传统的光学***12在设备的传感器13中成像。一个节拍发生器14用于控制在图像传感器13中拍摄的信号并在图像传感器13中将信号探测和解调后导向分析单元15，在分析单元15中，计算测量值并将其导向设有介绍的显示设备。
根据图2的第一实施例，图像传感器13包括9个同种方式构成的敏感元件16，它们共同构成一个3×3的图像传感器区。每个敏感元件包括一个光接收部分17，强度调制的辐射场击中光接收部分17并相应于同一强度产生一些信号电荷。敏感元件16的光接收部分17由光电二极管构成。替换的是光接收部分17可以由MOS电容器构成。
另外敏感元件16具有不接收光部分18，它包括一个存储器区域19和一个开关区域20。
存储器区域19和开关区域20各包括相同数量的存储单元21以及电子开关22，其中它的数量相应于在光接收部分17中每周期执行的射线积分的数目。存储单元21可以分别由CCD像素或CMOS电容器构成。电子开关22由晶体管开关或CCD门构成。
通过对电子开关22顺序控制实现了在光接收部分17积分所得的电荷到存储器区域19的传输。为了这一目的，节拍发生器14以下列方式控制电子开关22：到一个确定的时间点上关闭开关22。因此，光接收部分17的内容存储在第一个存储单元21内。在第一个开关打开后和短的确定的时间间隔运行后，关闭第二个开关22，因此在光接收部分17积分所得的最近电荷集合可以传送到第二个存储单元中。这个开关过程一直持续到最后的开关关闭并且再次打开。此后，从光接收部分17到存储单元21的电荷的传送可以从头开始，其中对各存储单元21的内容累加在时间上同步于从激光器10发出的调制信号。
根据图4，探测到一个正弦形式的射线信号。为了这一目的，在射线信号的周期T内，在光接收部分17对电荷四次积分，每次均在积分周期I内。积分周期是均衡的并且分为彼此相等的间隔。当电荷集合通过各个安排的开关22顺序传输到存储单元21后和当在存储单元21中对此进行重复累加后，电荷比例的测量值从存储区域20进一步传输到分析单元15，在那里对所探测到的射线信号的参数进行计算。
如图4中所示，根据方位测量下列参数。确定探测射线信号和已发射调制信号间的相位差φ，因此可以推测到测量目标11的距离。调制信号的峰值时间tB用作时间参考点。另外可以从解调的射线信号确定峰值A和背景光信号水平B。
根据图3的第二实施例，图像传感器23仅仅以CCD技术构成。图像传感器23包括一个由3×3的后面利用MOS电容器作为图像传感器23的光接收部分的区域。在接收光的MOS电容器24间安排了垂直的CCD区域25，它们分别由存储单元26构成。为了在每周期内四次连续充电，每个接收光的MOS电容器24通过作为电子开关的传输门27和四个存储单元26连接。一个没作介绍的节拍发生器控制从垂直的CCD区域25到MOS电容器24信号电荷的连接，并且随后控制从垂直CCD区域25到水平CCD区域28信号电荷的传输。从那里，信号电荷被输送到确定测量值的分折单元。
可替换的是，CCD区域可以圆弧的形式构成，其中CCD区域总含有MOS电容器24。

Claims (10)

1.探测和解调强度调制辐射场的设备，其具有：
—一个图像传感器(13、23)由一维或二维排列的敏感元件(16)构成，
—其中每个敏感元件(16)由一个用于将射线信号转换为电信号的光接收部分(17)和一个带有至少一个电子开关(22)并带有至少一个分配给开关(22)的存储单元(21，26)的不接收光部分(18)构成，
—其特征在于，节拍发生器(14)以下述方式控制电子开关(22)，在光接收部分(17)中产生的信号电荷同步于由辐射源发出的调制信号被传送到存储单元(21、26)，和为了控制存储单元(21、26)而在各个存储单元(21、26)存储的测量值被传输到用于分析测量值的分析单元(15)。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，图像传感器(13、23)以整体方式构成，其中相互紧密相邻的敏感元件(16)构成一个一维或二维区域。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，敏感元件(16)的光接收部分(17)由光电二极管或由事先规定电压的MOS电容器(24)构成。
4.根据权利要求1至3中的一个或多个的设备，其特征在于：存储单元(21)作为一个光保护的CCD像素或作为一个MOS电容器构成。
5.根据权利要求1至4中的一个或多个的设备，其特征在于：存储单元(26)构成线形的CCD区域(25、28)，特别是直线的CCD区域(25、28)，所存储的测量数据顺序地从存储单元传送到分析单元。
6.根据权利要求1至4中的一个或多个的设备，其特征在于：存储单元(26)以下列方式相邻安排：它们构成封闭的CCD区域，特别是环状的CCD区域。
7.根据权利要求1至6中的一个的设备，其特征在于：电子开关(22)作为晶体管开关或由CCD传输门(27)构成。
8.探测和解调强度调制的辐射场的方法，其中，
—辐射场通过一个由一维或二维安排的敏感元件(16)组成的图像传感器(13、23)上的光学***(12)成像，
—第一阶段，在敏感元件(16)光接收部分(17)中产生了连续的相应于辐射场强度的信号电荷，其中，每次在积分周期(I)内，对信号电荷积分，
—每次被积分的信号电荷与辐射源产生的调制信号同步地被传送到敏感元件(16)的不接收光部分(18)并且总是被存储在存储单元(21、26)，
—在光接收部分(17)中产生的信号电荷通过至少一个分配给各个存储单元(21、26)的电子开关(22)从敏感元件(16)的光接收部分提供给相应的存储单元(21、26)并存储，
—第二阶段，在存储单元(21、26)存储的测量值被连续读出并且提供给分析单元(15)。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，由一个或多个辐射源产生的周期性的或者脉冲形式的调制信号对一目标(11)照明并且这些作为强度调制的辐射场在图像传感器(13)上以下列方式二维成像：信息根据目标的形状和/或结构存在。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于：在各个存储单元(21，26)中，信号电荷周期性累加。
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