DE3604971A1

DE3604971A1 - Photosensoreinrichtung mit dunkelstromkompensation

Info

Publication number: DE3604971A1
Application number: DE19863604971
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Kniffler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1987-08-20
Also published as: JPS62219581A; FR2594544A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Photosensoreinrichtung mit Dunkelstromkompensation, die mindestens ein Paar gleichartiger Sensorelemente aufweist.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 26 23 745 bekannt. Dort ist eine CCD-Videokamera beschrieben, welche als Sensorelemente ein Paar gleichartiger ladungsgekoppelter Elemente aufweist. Der Grund hierfür besteht darin, daß Dunkelstromeffekte soweit wie möglich eliminiert werden sollen. Eine zwischen dem Objektiv sowie den ladungsgekoppelten Elementen vor handene, schwenkbare Spiegelanordnung sorgt dafür, daß während der ersten Hälfte des Integrationsintervalles die Belichtung auf das eine, während der zweiten Hälfte auf das andere ladungsgekoppelte Element fällt. Eines der beiden Elemente ist während jeweils einer Hälfte des Integrationsintervalles unbelichtet. Beim Umschal ten der Belichtung zwischen den beiden Elementen nach Ablauf jeweils eines halben Integrationsintervalles werden gleichzeitig die bis dahin in den Elementen akumulierten Ladungen ausgetauscht, wozu eine spezielle Umschaltvorrichtung vorhanden sein muß. Am Ende des Integrationsintervalles werden die Ladungsmengen aus den Elementen abgezogen und durch Differenzbildung die Dunkelstromanteile eliminiert.

Bei der bekannten Einrichtung werden als Sensorelemente ladungsgekoppelte Elemente (CCD-Elemente) verwendet, wobei das der Belichtungsintensität entsprechende Aus gangssignal jeweils erst am Ende eines Integrations intervalles zur Verfügung steht. Im übrigen ist die Einrichtung apparativ aufwendig, da sie über eine schwenkbare Spiegelanordnung sowie Umschaltvorrichtun gen verfügen muß. Schließlich steht das erwünschte Ausgangssignal erst nach Differenzbildung zur Verfügung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Photosensoreinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher das dunkelstromkompen sierte Ausgangssignal bei möglichst geringem apparati ven Aufwand möglichst schnell und direkt zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Photodioden als Sensorelemente verwendet werden, die beiden Photodioden eines jeden Paares in Reihe und in Sperrichtung geschaltet zwischen den Polen einer Spannungsquelle liegen, jeweils eine der beiden Photo dioden (die Kompensationsdiode) ständig gegen Belich tung abgeschirmt ist und das dunkelstromkompensierte Ausgangssignal unmittelbar an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Photodioden des jeweiligen Paares abnehmbar ist.

Durch Verwendung eines oder mehrerer derartiger Paare zweier gleichartiger Photodioden wird es möglich, das gewünschte, dunkelstromkompensierte Ausgangssignal ohne jede Zeitverzögerung direkt abzunehmen, und zwar an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Photodioden. Es handelt sich hierbei um eine äußerst einfache und dennoch im Sinne der Lösung der Aufgabenstellung wirk same Anordnung. Weder ist es erforderlich, die Belich tung ständig zwischen den beiden Sensorelementen eines Paares wechseln zu lassen, noch sind komplizierte Um schaltvorrichtungen zum Ladungsaustausch erforderlich.

Dies hängt einmal damit zusammen, daß eines der Sensor elemente, nämlich die Kompensationsdiode, ständig gegen den Lichteinfall abgeschirmt ist, und zum anderen damit, daß anstelle von CCD-Elementen Photodioden verwendet werden.

Die Photosensoreinrichtung gemäß der Erfindung bzw. die dabei zu verwendenden Photodioden können auch in inte grierter Dünnschicht-Technik hergestellt werden, wobei auf einem Substrat eine Schichtenfolge, bestehend aus einer photoempfindlichen Schicht mit zu beiden Seiten angeordneten Elektrodenschichten, aufgebracht ist. Dabei ist die dem Lichteinfall ausgesetzte Elektroden schicht der jeweils abgeschirmten Kompensationsdiode als nicht transparente Metallschicht und die ent sprechende Elektrodenschicht der jeweils anderen Photo diode als transparente, leitende Oxidschicht oder als semitransparente Metallschicht ausgeführt. Eine der artige integrierte Dünnschichtstruktur kann mit her kömmlichen Techniken - beispielsweise Laserstrukturie rung, lithographische Verfahren - leicht hergestellt werden.

Unter Umständen kann es erwünscht sein, das zwischen den einzelnen Photodioden eines Paares abzunehmende Ausgangssignal noch zu verstärken. Hierzu kann ein Operationsverstärker verwendet werden, dessen inver tierender Eingang mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Photodioden und dessen nicht invertierender Eingang mit dem Mittenpotential der Spannungsquelle verbunden ist.

Im folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispie len anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 ein Schaltbild mit zwei Photodioden und einem Operationsverstärker,

Fig. 2 eine integrierte Dünnschichtstruktur im Querschnitt.

In Fig. 1 sind Photodioden 1 und 2, als Sensor elementen-Paar dargestellt, welche in Reihe sowie in Sperrichtung geschaltet mit den Polen 3 und 4 einer Spannungsquelle ±U verbunden sind. Die Photodiode 1 stellt das zu belichtende Sensorelement, die Photodiode 2 die ständig gegen Belichtung abgeschirmte Kompen sationsdiode dar. Ein zwischen den Photodioden 1 und 2 gelegener Mittelabgriff 5 ist mit dem invertierenden Eingang 7 eines Operationsverstärkers 6 verbunden. Der nicht invertierende Eingang 8 dieses Operationsverstär kers 6 liegt bezüglich der Spannungsquelle (Pole 3, 4) auf Mittenpotential (Nullpotential zwischen +U und -U). Der Ausgang 15 des Operationsverstärkers 6 ist über einen ohmschen Widerstand R auf den invertierenden Eingang 7 rückgekoppelt. Das verstärkte, dunkelstrom kompensierte Ausgangssignal steht mit vernachlässig barer Verzögerung sofort am Ausgang 15 an. Da zwei gleichartige Photodioden 1 und 2 verwendet werden, fließt in beiden annähernd der gleiche Dunkelstrom I _d. Ohne Belichtung liegt der Mittelabgriff 5 auf Nullpotential, ebenso wie die beiden Eingänge 7 und 8, des Operationsverstärkers 6. Dann ist auch die Ausgangsspannung U _A=0, da die Eingangsdifferenz spannung U _E zwischen den Eingängen 7 und 8 gleich Null ist und auch keine Eingangsströme über diese Eingänge fließen. Der ohmsche Widerstand R ist nicht belastet. Fällt ein Lichtsignal auf die Photodiode 1, so führt dies zu einem Signalstrom I _s sowie zu einer Belastung des ohmschen Widerstandes R mit einem Strom I _R=-I _s. Als Ausgangsspannung ergibt sich dann U _A=-RI _s. Dieses dunkelstromkompensierte Ausgangssignal ist, abgesehen von durch seine Grenz frequenz bestimmten Laufzeitverzögerungen des Operationsverstärkers und des Diodenpaares, sofort am Ausgang abnehmbar.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine integrierte Dünn schichtstruktur, bei welcher auf einem Glassubstrat 10 zwei in Reihe geschaltete Photodioden 1 und 2 auf gebracht sind. Diese bestehen jeweils aus unmittelbar auf dem Substrat aufgebrachten Metall- oder transparen ten Oxidschichten 12 (beispielsweise ITO), den darüber abgeschiedenen eigentlichen photoempfindlichen Schich ten 11, welche beispielsweise aus amorphem Silizium bestehen und eine pin-Struktur aufweisen können, sowie dem Lichteinfall zugekehrten Elektrodenschichten 13 und 14, welche im Falle der abgeschirmten Kompensations diode 2 aus Metall, beispielsweise Aluminium, aus reichender Dicke und im Falle der das Lichtsignal auf nehmenden Photodiode 1 aus einem transparenten leiten den Oxid (beispielsweise ITO) oder aus einem semitrans parenten Metall bestehen. Hier liegt also eine Reihen schaltung zweier Photodioden 1 und 2 vor, wobei letztere als Kompensationsdiode vom Lichteinfall abgeschirmt ist und das Ausgangssignal an einem Mittel abgriff 17 abnehmbar ist.

Claims

1. Photosensoreinrichtung mit Dunkelstrom kompensation, die mindestens ein Paar gleichartiger Sensorelemente aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß Photodioden (1, 2) als Sensor elemente verwendet werden, die beiden Photodioden (1, 2) eines jeden Paares in Reihe und in Sperrichtung geschaltet zwischen den Polen (3, 4) einer Spannungs quelle liegen, jeweils eine der beiden Photodioden (die Kompensationsdiode 2) ständig gegen Belichtung abgeschirmt ist und das dunkelstromkompensierte Ausgangssignal unmittelbar an einem Mittelabgriff (5) zwischen den beiden Photodioden (1, 2) des jeweiligen Paares abnehmbar ist.

2. Photosensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver stärkung des Ausgangssignals ein Operationsverstärker (6) vorgesehen ist, dessen invertierender Eingang (7) mit dem Mittelabgriff (5) und dessen nicht invertieren der Eingang (8) mit dem Mittenpotential (9) der Spannungsquelle verbunden ist.

3. Photosensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodioden (1, 2) in integrierter Dünnschicht- Technik auf einem Substrat (10) mit zu beiden Seiten einer photoempfindlichen Schicht (11) angeordneten Elektrodenschichten (12, 13, 14) ausgeführt sind, die dem Lichteinfall ausgesetzte Elektrodenschicht (13) der jeweiligen Kompensationsdiode (2) als nicht transparen te Metallschicht und die entsprechende Elektroden schicht (14) der jeweiligen anderen Photodiode (1) als transparente, leitende Oxidschicht oder als semi transparente Metallschicht ausgebildet ist.