DE1774359C - Opto elektronische Abtastvornch - Google Patents

Description

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üblichen opto-elektronischen Abtasters. Fotodioden ist mit Erde verbunden und die Spannung am Span-10. 12 und 14 sind jeweils in Reihe mit Halbleiter- nungsteiler 44 mit V bezeichnet. Die positive Spannung Sperrdioden 16, 18 und 20 verbunden. Die Fotodioden des Sägezahngenerators 40 erscheint oben am Spansind nach Bedarf so in einer Ebene angeordnet, daß nungsteiler 44 bei Punkt A und ist durch die Impulssie Licht von einem optischen Muster aufnehmen, das 5 form K.₍ in F i g. 5 wiedergegeben. Das negative lageabhängig unterschiedliche Lichtintensität aufweist. Ausgangssignal des Generators 42 erscheint unten Jede Fotodiode ist normalerweise in der Sperrichtung am Spannungsteiler 44 bei Punkt B und i>t mn nicht leitend, ein wesentlicher Leckstrom fließt jedoch. Impulsform Vu in F i g. 5 wiedergegeben. Die drei wenn sie benchtet wird. Der Leckstrom steigt mit der Verbindungsstellen der gleich großen Widerstände des Intensität des Lichtes. io Spannungsteilers 44 tragen die Bezeichnungen 54, 56

F i g. 2 zeigt die Kennlinie des Leckstromes eines und 58. Die Sperrdioden 60, 62 und 64 sind je an einen Diodenpaares, bestehend aus Sperr- und Fotodiode. dieser drei Punkte sowie an einen tntsprechenden Die Kurven zeigen, t'aß bei einer negativen Spannung Kondensator 66, 68 bzw. 70 angeschlossen. Die Leiüber den Dioden zur Vorspannung der Sperrdiode in Hingen 72, 74 und 76 verbinden die Kondensatoren 66. Sperrichtung nur ein kleiner Leckstrom durch diese 15 68 bzw. 70 mit der gemeinsamen Synchronleitung 78. und dann vorwärts durch die Fotodiode fließt. Wenn Die gemeinsame Synchronleitung 78 ist mit dem die Fotodiode eines solchen Diodenpaares belichtet Eingang eines mit Widerstandsgegenkopplung auswird und die Spannung über dem Diodenpaar die gerüsteten Leistungsverstärker 80 verbunden, dessen Sperrdiode vorwärts vorspannt, fließt der Leckstrom Ausgang mit einer Differenzierschaltung 82 verbunden in der Fotodiode in Sperrichtung und in Durchlaß- 20 ist, und deren Ausgang ist w.jderum mit der Schieberichtung durch die Sperrdiode. Der Strr mbetrag steigt leitung eines Schieberegisters 84 verbunden. Ein Widerdann mit der Lichtintensität, wie es die Kurven in stand 81 ist mit dem Eingang des Leistungsverstärkers F i g. 2 zeigen. 80 verbunden, um den Arbeitspunkt :o stabil wie

Ein Spannungsteiler 22 ist zwischen eine positive möglich zu halten. An die Verbtndungspunkte 55, 57 Stromquelle + V und Erde gelegt. Die Kathoden der 25 und 59 der Sperrdioden 60,62 und 64 mit den Kondenrlrei Sperrdioden 16, 18, 20 sind mit den entsprechen- satoren 66, 68 oder 70 ist je eine der drei Fotodioden den Punkten 24, 26 und 28 am Spannungsteiler so 86, 88 und 90 angeschlossen. Die Anode jeder Fotoverbunden, daß der Spannungsteiler in vier Abschnitte diode ist mit der Anode der zugehörigen Sperrdiode mit gleichem Widerstand unterteilt ist. Der Spannungs- verbunden, und die Kathoden der drei Fotodioden teiler spannt die drei Sperrdioden 16, 18 und 20 in 30 sind über die entsprechenden Leitungen 92, 94 und 96 Sperrichtung vor. Die Spannungen an den Punkten 28, mit der gemeinsamen Ausgangsleitung 98 verbunden. 26, und 24 tragen die Bezeichnungen V₁, V₂ bzw. V₃ Die Leitung 98 ist an den Eingang eines Summen- und sind V₁ < V₂ < V₃. Verstärkers 100 angeschlossen, dessen Ausgangssignal

Die Kathoden der drei Fotodioden sind mit einer über die Differenzierschaltung 102 und einen Span gemeinsamen Leitung 30 verbunden. Ein Generator 32 35 nungsdiskriminator 104 auf die Daten-Eingangsfür positive lineare Sägezahnspannung ist zwischen leitung des Schieberegisters 84 gegeben wird. Erde und die Leitung 30 geschaltet. Diese Spannung In der Praxis bilden die beiden linea;en Sägezahnmit der Impulsform 34 spannt die drei Diodenpaare spannungen V_A und V_B zusammen einen zeitlich entgegengesetzt zu den Spannungen vor, die an jedem veränderlichen Nullpunkt gegenüber Erd- oder NuIlder Punkte 24, 26 und 28 erscheinen. So wie die 40 potential, der während jeder Periode der Sägezahn-Sägezahnspannung über der Zeit von 0 bis zu einem generatoren 40 und 42 vom Punkt B des Spannungs-Höchstwert ansteigt, werden die rückwärtigen Vor- tellers zum Punkt A läuft. In der F i g. 5 ist zum spannungen V_x, V₂ und V₃ in der gegebenen Reihen- Zeitpunkt Z₁ Vb = 0, und Va hat seinen Höchstwert folge überwunden, so daß die Sperrdioden 20, 18 und erreicht. Zu diesem Zeitpunkt erscheint eine positive 16 der Reihe nach leitend werden. 45 Spannung an jedem der Punkte 54, 56 und 58, so daß

Wenn eine Fotodiode während der Zeit belichtet alle drei Sperrdioden 60, 62 und 64 in Sperrichtung wird, in der ihre Snerrdiode vorwärts vorgespannt ist, vorgespannt und daher nicht leitend sind. Die Spanfließt ein Strom von der gemeinsamen Leitung 30 nungen V_A und Vb haben entgegengesetzte Polarität, über das Diodenpaar und den Spannungsteiler 22 sind jedoch miteinander phasengleich. Infolgedessen zur Erde. Der Strom in der gemeinsamen Leitung 30 50 steigt Vb von pull zu einem negativen Höchstwert, steigt jedesmal, wenn wieder ein Diodenpaar leitend während V_A beginnt in Richtung auf null oder Erdwird. Der Leckstrom hängt von der Lichtintensität potential abzunehmen.

ab und ist im wesentlichen von der Spannung über dem Wenn V_A zum Zeitpunkt r₂ absolut dreimal so groß

Diodenpaar unabhängig. F i g. 3 zeigt die sich er- ist wie Vb, ist die sich am Punkt 58 ergebende Spangebende Treppenform des Stromes in der Leitung 30, 55 nung V₁ = 0, und die Sperrdiode 64 wird von diesem

wenn alle Fotodioden 14 12 und 10 belichtet und Zeitpunkt bis zum Beginn der nächsten Periode

deshalb leitend sind, während die drei Sperrdioden 20, zur Zeit t₀ in Durchlaßrichtung vorgespannt. In ähn-

18 und 16 abgetastet werden. Obwohl nur drei Dioden- lieber Weise ist die Spannung V_t zum Zeitpunkt/₃

paare dargestellt sind, können zur Abfühlung eines bei NuHpotential angelangt, wenn Va= -Vb ist, bestimmten optischen Musters natürlich beliebig viele 60 und die Sperrdiode 62 wird vorwärts vorgespannt

verwendet werden. und bleibt bis zum Ende der Periode in diesem Zustand.

Die schema^ische Darstellung eines Ausführungs- Wenn die Spannung Va zur Zeit t_t gleich —¹/₃ Vb ist,

beispiels der Erfindung in F i g. 4 ist eine Verbesserung wird die Spannung F₃ am Punkt 54 null und die

des in F i g. 1 gezeigten Abtasters. In dieser Ausfüh- Sperrdiode 60 vorwärts vorgespannt, rung speisen zwei Sägezahngeneratoren 40 und 42 die 65 Alle drei Spannungen V₁, F, und V₃ sind zuerst

entgegengesetzten Enden eines Spannungsteilers 44, positiv, dann null und schließlich negativ, so daß jede

der aus vier gleichen Widerständen 46, 48, 50 und 52 Diode vom Zeitpunkt des Nulldurchgangs bis zum

besteht. Eine Seite eines jeden Sägezahngenerators Ende der Sägezahnperiode in Durchlaßrichtung vor-

5 ^ 6

gespannt bleibt. Die Spannungsimpulsform V₆ am um eine Stufe, und eine »0« wird in die erste Stufe des

Punkt 57 ist in F i g. 5 gezeigt. Wenn die Sperrdiode Schieberegisters gesetzt.

62 zur Zeit I₃ einmal vorwärts vorgespannt ist, folgt In dem in der Fi g. 4 dargestellten elektro-optischen die Spannung V₆ der Spannung K₂ in dem Maße, wie Abtaster treten die einzelnen Schritte in der Ausgangssich der Kondensator 68 in der Zeit von I₃ bis I₀ S spannung V₀ auf, wenn die Spannung an der Vernegativ auflädt. Bei der Impulsform V₆ ist zu beachten, bindung von zwei zusammengehörigen Foto- und daß die Anodenspannung jeder Sperrdiode bei Erd- Sperrdioden von einem positiven zu einem negativen oder Nullpotential liegt, sobald der zugehörige Punkt Wert wechselt, wie es durch die Impulsfolgen V₆ und auf dem Spannungsteiler erreicht, dann jedoch von V_M für Punkt 57 in F i g. 5 dargestellt ist. Dieser diesem Punkt an bis zum Ende des Zyklus negativ ist. io Wendepunkt ist gleichzeitig der Zeitpunkt, zu dem die Infolgedessen werden mit der Veränderung der Span- gekoppelte Fotodiode in Sperrichtung vorgespannt nungcn V_A und Vb von /, bis /₀ nacheinander die wird und einen Leckstrom proportional zur Intensität Sperrdioden 64, 62 und 60 in dieser Reihenfolge des Lichtes fließen läßt, das die Fotodiode trifft. Die leitend. Verkettung des Schaltvorganges der Vorspannungen

Zusammen mit den Kondensatoren 66, 68 und 70 15 an einer Sperr* und der zugehörigen Fotodiode ist differenziert der Leistungsverstärker 80 den Strom, vom eigentlichen Spannungswert am Spannungsteiler der auf der gemeinsamen Leitung 78 erscheint und an dem Punkt, an welchem die Sperrdiode angeschloskehrt die Phase um. Während die an jedem Konden- sen ist, oder von der genauen Form der Sägezahnsator erscheinende Spannung negativ und linear spannungen Va und Vb unabhängig. Die in F i g. 4 ansteigend ist, wenn die zu dem Kondensator gehörige »o dargestellte Schaltung gestattet einwandfrei abzu-Sperrdiode in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, tasten, wann ein zusammengehöriges Paar von Sperrist der durch jeden Kondensator fließende Strom und Fotodioden aktiv ist. Infolgedessen braucht die konstant. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers Sägezahnspannung nicht vollkommen linear mit der 80 steigt plötzlich auf einen neuen Wert, wenn der Zeit zu sein, und die Halbleiterdioden brauchen nicht Strom in der Leitung 78 durch das Umschalten einer »5 identische Eigenschaften aufzuweisen. Die Ausgangsweiteren Sperrdiode ansteigt. Der Anteil der Sperr- Sync -ronisierimpulse kennzeichnen jedes ausgelesene diode 62 an der Ausgangsspannung V₀ des Leistungs- Diodenpaar eindeutig.

Verstärkers 80 ist in der F i g. 5 mit V_n bezeichnet. Das Ausführungsbeispiel eines elektro-optischen

Die Ausgangsspannung des Leistungsverstärker 80 Abtasters in integrierter Schaltung ist in den F i g. 6,

für einen ganzen Durchlauf der Rampenspannung hat 30 7 und 8 gezeigt. Darin bezeichnen die verwendeten

die in F i g. 5 mit V₀ bezeichnete Treppenform. Diese Bezugsziffern dieselben Bauteile wie in Fig. 4.

Treppenspannung wird auf die Differenzierschaltung Die gemeinsame Synchronleitung 78, die gemein-

82 gegeben, deren Ausgangssignal eine Reihe von same Ausgangsleitung 98 und eine Leitung 105 sind

Synchronisierimpulsen ist, die dem Anfang jedes durch Aluminiumplattierung auf der Oberfläche des

Schrittes der Impulsform V₀ entsprechen. Diese Syn- 35 Halbleiterchips 106 entstanden. Die Leitungen 98 und

chronisierimpulse werden als Schiebeimpulse an das 105 haben Kontakt mit entsprechenden P- und

Schieberegister 84 weitergeleitet. N-Bereichen durch Löcher in einer Isolierschicht 108.

Wenn eine Fotodiode belichtet wird, wenn die Der P-Bereich 110 und die N-Schicht 112 bilden die

zugehörige Sperrdiode leitend ist, dann fließt der Fotodiode 88, der P-Bereich 114 und die N-Schicht 116

Leckstrom proportional zur Lichtintensität vom 40 die Sperrdiode 62. Außerdem fungiert die Isoiier-

Su m men verstärker 100 durch die Fotodiode in Sperr- schicht 108 über dem P-Bereich 114 als Dielektrikum

richtung und durch die zugehörige Sperrdiode vor- und bildet den Kondensator 68 mit der Synchron-

wärts über den Spannungsteiler zur Erde. Der Ver- - leitung 78 und dem P-Bereich 114, der mit der Leitung

stärker 100 fungiert als Summenverslärker und In- 105 in Verbindung steht, die ihrerseits den Verbindungs-

verter. Die durch die Fotodioden 86, 88 und 90 45 punkt 57 zwischen den Sperr- und den Fotodioden

fließenden Ströme werden vom Summenverstärker 100 bildet.

summiert, dessen Ausgangssignal eine Treppen- Es folgen jetzt einige typische Werte der in F i g. 4

spannungist, die nach Differenzierung in der Schaltung und in den Fig. 6 bis 9 gezeigten Schalung. Die

102 Datenimpulse ergibt. Diese Datenimpulse werden Kapazitäten der integrierten Schaltungen können

in einen Spannungsdiskriminator 104 gegeben, der se Werte von 800 bis 4000 pF/mm* haben. Die typischen

nur die Datenimpulse durchläßt, die eine vorgegebene Abmessungen einer Fotodiode sind 0,1 · 0,25 mm.

Bezugsspannung überschreiten. Das Ausgangssignal Wenn für den Kondensator dieselben Abmessungen

dieser Diskriminatorschaltung ist eine Reihe von angenommen werden, beträgt seine Kapazität im

Datenimpulsen mit konstanter Amplitude, die auf die Minimum etwa 20 pF. Die Sägezahnspannung kann Daten-Eingangsleitung des Schieberegisters 84 gegeben 55 20 Volt und ihre Periode 0,5 Millisekunden betragen.

^WIrfdgedessen wird sowohl ein Datenimpuls ab ⁰^" ^ist ΊίΓ =4· 10·V₁A pro Sekunde. Daraus auch ein Schiebeimpuls auf das Schieberegister 84 ... . „ .. „ ... _n AV_t
zur Verschiebung seines Inhaltes um eine Stufe und ^ ^daß *" ^V* ^kIeiner °· "dT = 4· 10·ViA pro Speicherung einer »1« in der ersten Stufe dieses 60 o__v„_j_{e iet Ββί v} „««_ _{n ;rf} AV_t _ Schieberegisters gegeben, sobald eine Fotodiode zu **™** «· ^B« V* großer 0 ist -^ = 0. Der Ruckdem Zeitpunkt beuchtet wird, da ihre zugehörige kopplungswiderstand/?/ des Leistingsverstärkers kann Sperrdiode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist Wird 2. B. mit 1 Megohm gewählt werden. Dann kann als eine Fotodiode zu diesem Zeitpunkt nicht belichtet, sehr gutes Signal fiber eine Ausgangsspannung

so wird zwar ein Schkebeimpuls auf das Schieberegister 65 _v .„de . . .^.onnxitr u o_*

84 gegeben, jedoch kein Datenimpuls erzeugt Infolge- ^V° ^{= RfC} ~ΪΓ ^{4 h}" ^{uber elwa m} M™™¹¹ P™ Stufe dessen verschiebt sich der Inhalt des Schiebet-gisters verfügt werden.

Hiexzu 1 Blatt Zeichn

ungen

Claims (4)

ι 2 zahnsignal nacheinander eingeschaltet werden, wo- Patentansprüche: · durch die Fotodioden nacheinander wirksam gemacht werden.

1. Opto-elektronische Abtastvorrichtung zur Opto-elektronische Abtastvorrichtungen, welche zu Umwandlung eines ebenen Lichtmusters in elek- 5 ihrem Betrieb mit einer konstanten und einer periotrische Signale, bestehend aus Paaren mit ent- dischcn ansteigenden Spannung belegt werden, sind gegengeset7ter Polarität in Reihe geschalteter duich die deutsche Auslegeschrift 1214 720 bereits Sperr- und Fotodioden, deren Sperrdioden unter- bekann;. Dabei haben sich in der Praxis einige Mängel schiedliche Ansprechschwellen haben und durch ergeben, welche die Brauchbarkeit dei erreichten ein allen Sperrdioden zugeführtes Sägezahnsignai io Abtastung vermindern oder sogar in Frage stellen, nacheinander eingeschaltet werden, wodurch die Nachstehende Betriebsbedingungen sind kritisch und Fotodioden nacheinander wirksam gemacht deren Erfüllung daher für die Güte der Ergebnisse werden, dadurch gekennzeichnet, daß besonders wichtig:

an die Verbindungsstellen von je einer Sperr- und _Genauigkeit~_und Konstanz verwendeter Span-

Fotodiode 55 57 59) Kapazitäten (66, 68, 70 _{15 nungs>te},|_er.Widerstände,

angeschaltet sind, deren andere Anschlüsse parallel Linearität der ansteigenden Dioden-Vorspannung.

mit einer Differenzierschaltung (82) verbunden Genauigkeit und Konstanz der Dioden-Betriebs-

sind, die Impulse abgibt, die das Ansprechen , .

jeweils einer Fotodiode anzeigen.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ao Insbesondere liegen die Ströme der Fotodioden in gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungs- Größenordnungen, welche die korrekte Spannungspunkt alier Kapazitäten (66, 68, 70) und die belegung der mit ihnen verbundenen Sperrdioden Differenzierschaltung (82) ein summierendes und merklich erschweren. Aus allen diesen Umständen differenzierendes Element (80) eingeschaltet ist. läßt sich ableiten, daß die bisher bekannten Abtast-

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 35 vorrichtungen nur dann zufriedenstellend arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der wenn eine eindeu'ige Beziehung zwischen der Zeit der DiiTerenzierschaltung (82) mit dem Schiebeimpuls- Spannungsänderung an den Fotodioden und der eingang eines Schieberegisters (84) verbunden ist Schaltzeit der Sperrdioden unter der Wirkung der und daß die Kathoden dtr Fotodioden (86, 88, 90) resultierenden Spannungsbelegung besteht.

an eine gemeinsame Ausgangsleitung (98) ange- _3o Die Abtastvorrichtung nach der vorliegenden Erschlossen und über diese mit einer summierenden findung ist in der Lage, die vorgenannter. Schwierig-Scha'tung (ίΟΟ) verbunden sind, daß der Ausgang keiten zu vermeiden. Sit ist dadurch gekennzeichnet, der genannten Summierschaltung dem Eingang daß an die Verbindungsstellen von je einer Sperr- und eines differenzierenden Elementes (102) zugeführt Fotodiode Kapazitäten angeschaltet sind, deren andere ist und daß ferner der Ausgang des differenzieren- ₃₅ Anschlüsse parallel mit einer Differenzierschaltung den Elementes (102) an eine Diskriminatorschal- verbunden sind, die Impulse abgibt, die das Ansprechen tung (104) gelegt ist, weiche nur Spannungsimpulse jeweils einer Fotodiode anzeigen, durchläßt, die eine Bezugsspannung überschreiten Im folgenden ist die Erfinuung an Hand eines

und deren Ausgang zur Weiterleitung der ver- Ausführungsbeispiels eingehend erläutert. Die Darbleibenden Impulse an den Dateneingang des Schie- 40 stellung wird außerdem durch Zeichnungen ergänzt, beregisters (84) angeschlossen ist. F i g. 1 ist das schematische Schaltbild eines bisher

4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch üblichen opto-elektronischen Abtasters; gekennzeichnet, daß die Kathoden der Sperr- F i g. 2 ist eine Kurve, in der der in Sperrichtung dioden (60,62,64) eines jeden Diodenpaares gleich- fließende Leckstrom einer Fotodiode in Funktion der mäßig verteilt an einen Spannungsteiler aus Wider- ₄₅ Spannung über einer Reihenschaltung einer Fotodiode ständen (46, 48, 50, 52) angeschlossen sind, daß und einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Sperrdie Enden (A, B) des Spannungsteilers je mit einer diode für verschiedene Intensitätswerte des auf die Spannungsquelle (40, 42), deren anderer Anschluß Fotodiode fallenden Lichtes aufgezeichnet ist;

an Masse liegt, verbunden sind und daß ferner F i g. 3 ist eine Kurve des Gesamtstromes, der

die von den Quellen erzeugten Sägezahnsignale _5o durch alle in der F i g. 1 gezeigten Paare von Sperrig, Vb) synchron und derart ablaufen, daß dioden und Fotodioden fließt, wobei angenommen einerseits die Spannungsdifferenz über dem ganzen _wj_rd, daß alle Fotodioden derselben Intensität des Spannungsteiler (V_A—V_B) jederzeit konstant ist Lichtes ausgesetzt sind;

und andererseits das Null-Potential während einer F i g. 4 ist eine schematische Schaltung eines

Periode beim einen Ende (S) beginnend sich gleich- ₅₅ Ausführungsbeispiels der Erfindung, worin jedesmal förmig zum anderen Ende (A) verschiebt. ein Synchronisierimpuls erzeugt wird, wenn eine Sperr

diode eingeschaltet wird; Fig. 5 ist eine Darstellung der an verschiedenen

Punkten in der Schaltung der F i g. 4 auftretenden

60 Impulsfolgen;

F i g. 6 ist die Ansicht aus der Vertikalen einer inte-

Die vorliegende Erfindung betrifft eine opto- grierten Schaltung, die dem eingerahmten Teil zwischen elektronische Abtastvorrichtung zur Umwandlung A und B der F i g. 4 entspricht; eines ebenen Lichtmusters in elektrische Signale, F i g. 7 ist ein vergrößerter, aufgeschnittener Teil

bestehend aus Paaren mit entgegengesetzter Polarität 65 einer Vorrichtung nach der F i g. 6, und in Reihe geschalteter Sperr- und Fotodioden, deren F i g. 8 ist ein Querschnitt entlang der Linie 8-8

Sperrdioden unterschiedliche Ansprechschwellen ha- in Fig. 7. ben und durch ein allen Sperrdioden zugeführtes Säge- F i g. 1 ist eine schematische Darstellungeines bisher