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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belichtungsmessung mit einer
Photodiode. Ferner betrifft sie auch eine solche Vorrichtung.
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Es ist bekannt, zur Belichtungsmessung, insbesondere bei kleinen
Beleuchtungsstärken, die an der Photodiode bei Lichteinfall entstehende Photospannung
zu messen. Die auftretenden Photospannungen, die dann verhältnismäßig klein sind,
müssen dabei verstärkt werden, was aber einen erheblichen Schaltungsaufwand erfordert,
weil zum einen die Photospannung stark belastungsabhängig ist und außerdem ein nichtlinearer
und von der Belastung abhängiger Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Photospannung
besteht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, mit denen unter Umgehung der genannten Schwierigkeiten auf einfachere
Weise das Photoverhalten einer Photodiode ausgenützt werden kann.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß
die Photodiode auf eine Spannung aufgeladen wird, welche im Kennlinienfeld der Photodiode
in dem Bereich weitgehend spannungsunabhängiger Photo ströme liegt und daß die Änderungsgeschwindigkeit
der Spannung an der sich entladenden Photodiode im wesentlichen leistungslos gemessen
wird.
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Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Schaltelement
vorgesehen ist, über das die Photodiode trennbar an eine Spannungsquelle legbar
ist, daß der Photodiode ein im wesentlichen leistungsloser Verstärker nachgeschaltet
ist und daß eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, welche über das öffnen desSchaltelements
startbar und über einen bestimmten Wert der Verstärkerausgangsspannung stoppbar
ist.
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Die Erfindung macht sich hierbei den Verlauf des U-I-Kennlinienfeldes
einer Photodiode mit der Beleuchtungsstärke b als Parameter zunutze (siehe Fig.
1). Im Bereich einer Sperrspannung UO der Größenordnung einiger Volt ist der für
eine bestimmte Beleuchtungsstärke auftretende Photostrom praktisch spannungsunabhängig.
Lädt man daher zunächst die Diode auf die Spannung UO auf und läßt sie sich dann
bei konstant gehaltener Beleuchtungsstärke frei (also im wesentlichen unbelastet
von Parallelwiderständen zur Photodiode) entladen, so entspricht dies einem Laufen
auf einer bestimmten Kennlinie der Kennlinienschar in Fig. 1 nach links, d. h. die
Photodiode entlädt sich mit einem vom Lichteinfall abhängigen konstanten Photostro'.
Damit wird die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung dU/dt = ipht J (1) wobei C
die Kapazität der Photodiode gegebenenfalls unter Einschluß zusätzlicher parasitärer
Kapazitäten der Schaltung bedeutet, d.h., die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung
ist für einen bestimmten Lichteinfall konstant. Sie läßt sich daher, wie es einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht, nach U = Ci = C-iph- iSt (2)
- 1 Ph aus der Zeit t berechnen, in der sich die Spannung an der Photodiode von
der Ausgangsspannung UO nach einer bestimmten Endspaanung U1, die ebenfalls noch
im linearen Teil des Kennlinienfeldes liegt, ändert.
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Da für die Beleuchtungsstärke b gilt b = Ph - iR)((3)
wobei
k eine Konstante bedeutet, i,st bei Beleuchtungsverhältnissen, für die der Photostrom
iph sehr viel größer als der Dunkelstrom iR ist, die Zeit iX t der Beleuchtungsstärke
umgekehrt proportional.
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Um auch noch im Bereich kleinster Beleuchtungsstärken fehlerfrei
messen zu können, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zur Kompensation
des Dunkelstroms die Spannung an der Photodiode mit einer durch den Dunkelstrom
bestimmten Eingangsleistung verstärkt. Die Verstärkung wirkt dann gleichzeitig als
(Konstant)stromquelle und es ergeben sich die Verhältnisse der Fig. 2. Durch die
Diode fließt ein Strom i = ipht ihre Kapazität (die auch parasitäre Kapazitäten
der Schaltung beinhaltet) entlädt sich aber nur mit einem Strom i = inh - iD, so
daß sich die Spannung
an der Photodiode~nath Formel (3) exakt proportional zur Beleuchtungsstärke b ändert.
Vorrichtungsmäßig wird dies bevorzugt dadurch erreicht, daß als Verstärker ein Verstärker
vorgesehen ist, dessen Eingangsstrom im Bereich des Dunkelstroms der Photodiode
liegt. Bevorzugt ist hierzu als Verstärker ein Feldeffekttransistor vorgesehen,
in dessen Gate-Kreis die Photodiode liegt. Vorzugsweise ist der Feldeffekttransistor
in Source-Folgerschaltung geschaltet. Nach einer bevorzugten vorrichtungsmäßigen
Ausgestaltung der Erfindung ist zur Messung von A t der Ausgang des Verstärkers
mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers gekoppelt und der Ausgang des Schmitt-Triggers
mit dem Stoppeingang der durch das öffnen des Schaltelements startbaren Zähleinrichtung
verbunden. Um eine Meßbereichsumschaltung zu ermöglichen, ist bevorzugt die Zählfrequenz
der Zähleinrichtung veränderbar.
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Es ist höchst zweckmäßig, insbesondere Photodiode, Feldeffekttransistor
und Schaltelement in einer gegenüber den übrigen Schaltungsteilen bewegbaren Sonde
unterzubringen und in der Sonde einen mechanischen Taster zum Schalten des Schaltelements
von Hand vorzusehen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung
mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
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Auf dieser zeigt Fig. 1 ein U-I-Kennlinienfeld einer Photodiode mit
der Beleuchtungsstärke b als Parameter, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung
der Dunkelstromkompensation, Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform
der Belichtungsmessungsvorrichtung gemäß der Erfindung, und Fig. 4 das Sensorteil
der Vorrichtung in schematischer Darstellung.
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Fig. 1 gibt das bereits weiter oben angesprochene Kennlinienfeld
einer Photodiode für vier verschiedene Beleuchtungsstärke, einschließlich der Beleuchtungsstärke
0, für die sich der Dunkelstrom ergibt, wieder. Im Bereich größerer Sperrspannungen
verlaufen sämtliche Kennlinien, auch die des Dunkelstroms, im wesentlichen linear
und im Rahmen der für die Erfindung erforderlichen Genauigkeit auch horizontal,
was bedeutet, daß Photoströme und Dunkelstrom in diesem Bereich im genannten Rahmen
der Genauigkeit spannungsunabhängig sind.
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Ferner ist der um den Dunkelstrom erminderte Photostrom proportional
der Beleuchtungsstärke. Diese beiden Tatsachen ermöglichen die Messung der Beleuchtungsstärke
in der weiter oben beschriebenen Weise.
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Fig. 2 gibt das Prinzipschaltbild der Photodiode mit Dunkelstromkompensation
wieder, wobei zum besseren Verständnis die durch die Anfangsspannung Uo aufgeladene
Kapazität der Diode, zu der auch parasitäre Kapazitäten der Schaltung treten, gestrichelt
dargestellt ist. Durch
Zuführen eines Stromes iK in der Größe des
Dunkelstromes iR der Photodiode, läßt sich der Entladestrom des Kondensators C von
iph auf iph - iR vermindern, so daß sich entsprechend der weiter oben angegebenen
Formal (3) eine zeitliche Änderung der Spannung an der Photodiode erzielen läßt,
die unmittelbar mit dem Kehrwert der Beleuchtungsstärke korreliert ist.
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Eine Meßschaltung ist im Prinzip und teilweise als Blockschaltbild
in Fig. 3 wiedergegeben. An eine Photodiode 1 wird durch Schließen eines Schaltelements
2 zunächst eine Sperrspannung UO gelegt, die im linearen Bereich des Kennlinienfeldes
liegt. Ein solcher Wert für UO kann für eine bestimmte Photodiode beispielsweise
bei 2,5 V liegen.
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Damit stellt sich in der Photodiode ein Strom ein, der sich aus der
Kennlinie für die gerade vorliegende Beleuchtungsstärke der Photodiode ergibt. Die
Kathode der Photodiode ist mit dem Gate eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors
3 verbunden. Photodiode 1 und Sperrschicht-Feldeffekttransistor sind so aufeinander
abgestimmt, daß der Gate-Strom des Transistors dem Dunkelstrom der Diode zumindest
weitgehend entspricht. Die Größenordnungen dieser Ströme liegen im Piko- bis Nanoamperebereich.
Ein weiterer Dunkelstromabgleich kann auch noch dadurch erzielt werden, daß unter
Einbeziehung des hochohmigen Platinensubstrats zusätzliche an Spannung liegende
Strompfade zum Kondensator C geschaffen werden.
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Mit dem genannten Dunkelstromabgleich erzielt man die Verhältnisse
der Fig. 2, d.h. bei einem öffnen des Schalters 2'
die-Spannung an, dePhotodiode 1 entsprechend
der Beleuchtungsstärke abei völliger Dunkelheit bleibt die Spannung an der Photodiode
prinzipiell erhalten.
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Neben seiner Eigenschaft als Quelle für den Dunkelstrom hat der Feldeffekttransistor
3 noch Verstärkungs-
eigenschaften, d.h. die Spannung an der Photodiode
1 wird verstärkt am Source-Anschluß des Feldeffekttransistors 3 abgenommen, der
über einen Widerstand R1 an Masse liegt.
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Die verstärkte Spannung wird auf eine Trigger-Schaltung T gegeben,
die ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung an der Photodiode auf U1 (z.B.
2 V) abgesunken ist (je näher U1 bei UO liegt, desto geringer ist der Einfluß einer
tatsächlichen Inkonstanz des Photostroms auf das MeBergebnis). Mit diesem Trigger-Signal
wird ein Zähler Z gestoppt, der mit dem öffnen des Schalters2 gestartet wurde. Der
Zählwert des Zählers ist umgekehrt proportional der Beleuchtungsstärke und damit
ein Maß für die notwendige Belichtungszeit. Um die Möglichkeit einer Bereichsumschaltung
zu schaffen, kann die Zählfrequenz des Zählers verändert werden.
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Die Spannung UO kann durch Teilung der Betriebsspannung U+ mittels
zweier Spannungsteilerwiderstände R2 und
R3 gewonnen swiin. Das Schaltelement 2, das in Fig. 3 nur schematisch als mechanischer
Schalter dargestellt ist, kann zweckmäßigerweise als Transistor ausgebildet sein,
der über einen in seinem Basiskreis befindlichen mechanischen Taster zwischen Sperr-
und Durchlaßzustand umschaltbar ist.
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Damit läßt sich dann auch auf einfache Weise der Impulspegel, für
das Startsignal des Zählers gewinnen.
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Fig. 4 zeigt schematisch die mechanische Ausbildung der Meßsonde
10. Hinter einem lichtdurchlässigen Fenster 11 befindet sich die Photodiode 1. Ferner
befinden sich in der Meßsonde noch das als Transistor ausgeführte Schalelement 2,
welches durch einen Taster 12 geschaltet wird, der sich beispielsweise, wie oben
erwähnt, im Basiskreis des Transistors befindet. Ferner ist in der Meßsonde 10 auch
der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 3 untergebracht und dort zusammen mit unter
anderem der Photodiode 1, und dem Schaltelement 2 in Kunststoff eingegossen, um
z. B.
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Feuchtigkeitseinflüsse zu eliminieren. Uber eine Zuleitung 13 steht
die Meßsonde mit weiteren, ortsfesten Teilen der Schaltung, zu denen insbesondere
die Trigger-Schaltung T und der den Belichtungswert anzeigende Zähler Z gehören,
in Verbindung.
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Es ist unabhängig von der Art und Weise der Belichtungsmessung höchst
zweckmäßig, eine im Lichtstrom bewegliche, das lichtempfindliche Element enthaltende
Sonde vorzusehen, auf der sich gleichzeitig auch noch der Schalter befindet, mit
dem die Lichtmessung in Gang gesetzt und gegebenenfalls auch ausgeschaltet werden
kann. Dies vereinfacht das Arbeiten stark gegenüber dem Fall, daß sich dieser Schalter
auf dem neben dem beleuchteten Feld angeordneten feststehenden Teil der Apparatur
befindet.