CH439783A - Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität - Google Patents

Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität

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CH439783A
CH439783A CH1068165A CH1068165A CH439783A CH 439783 A CH439783 A CH 439783A CH 1068165 A CH1068165 A CH 1068165A CH 1068165 A CH1068165 A CH 1068165A CH 439783 A CH439783 A CH 439783A
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CH
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dynamic
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CH1068165A
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Erich Dipl Phys Schulz
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Zeiss Jena Veb Carl
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/16Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void using electric radiation detectors
    • G01J1/1626Arrangements with two photodetectors, the signals of which are compared
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof

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Description


  
 



  Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität, bei der die beiden Lichtströme mittels eines Sperrschicht-Differenz-Photoelements in entspnechende elektrische Ströme umgewandelt und über eine Modulationseinrichtung einem   Wechseistromverstärker    mit nachgeschaltetem Anzeigeinstrument zugeleitet werden. Hierfür sind bereits Anordnungen bekannt, die mit Differenz-Sperrschicht-Photoelementen arbeiten, sowie Anordnungen, bei denen der von den Photoelementen abgegebene   Photostrom    in einen Wechselstrom umgewandelt und dann verstärkt wird.



   Bei den bekannten Photometrieverfahren dieser Art wird entweder der zu messende Lichtstrom periodisch in seiner Intensität beeinflusst, d. h. vor dem Photoempfänger moduliert oder der den Photoempfänger   verw    lassende Strom wird periodisch beeinflusst, d. h. hinter dem Photoempfänger moduliert. Der so erzeugte periodische Strom wird nach entsprechender Verstärkung und Gleichrichtung gemessen oder mit einem Vergleichsstrom, der ebenfalls photoelektrisch erzeugt sein kann, verglichen.



   Der Hauptvorteil dieser bekannten Art von Lichtmessungen besteht darin, dass wenn ein Verstärker benötigt wird, wie z. B. bei kleinen Helligkeitswerten, ein Wechselstromverstärker benutzt werden kann. Dies ist deshalb besonders erwünscht, weil der Wechselstromverstärker dem   Gleichstromverstärker    durch seine Nullpunktstabilität und Einfachheit im Aufbau und in der Bedienung weit überlegen ist.



   Als Folge davon ergibt sich die theoretische Möglichkeit, die Photoempfängerleistung fast bis zu jeder gewünschten Grösse zu verstärken, so dass zum Beispiel kleine   Heiligkeitswerte    direkt registriert und optische Kompensationseinrichtungen leicht automatisch   b etrie-    ben werden könnten.



   Trotz dieser Vorteile hat dieses photometrische Verfahren bisher in der Praxis kaum Eingang gefunden, da es besonders in bezug auf die Empfindlichkeit den Erwartungen nicht entsprach, oder der nötige Aufwand an mechanischer und optischer Präzision die errungenen Vorteile   wieder    in Frage stellte.



   Die Möglichkeit beliebig hoher Verstärkung war in den meisten Fällen illusorisch, weil die benutzten Geräte verhältnismässig grosse eigene elektrische Störspannungen   abgaben - meist    auch noch mit der Modulationsfrequenz, so dass selbst Messspannungen im Störsignalpegel verschwanden, die mit gewöhnlichen   Gleichstrom-    verstärkern noch erfasst werden können.



   Bei den bekannten Anordnungen sind fast durchweg für die Modulation periodisch mechanisch   blewegte    Teile   eingesetzt    worden. Eine elektronische, d. h. ohne mechanisch bewegte Teile arbeitende Modulation der Lichtquelle ergibt   entweder-absolut    gesehen - zu kleine Lichtströme oder ist (z.

   B. durch die Verwendung von   Hochdnickgasentladungslampen)    sehr aufwendig und   unruhig.    Die Modulation der Ströme durch umlaufende Kontakte oder dergleichen führt ebenfalls zur Erhöhung des   Störsignalpegels.    Einzig die mit Photowiderständen arbeitenden lichtelektrischen Modulatoren versprachen auf der elektrischen Seite Abhilfe, sie führten aber ebenfalls wiegen ihres zu instabilen Verhaltens (Driften und sich ändernde   Eigenpotentiale)    bisher zu keiner brauchbaren Lösung.



   Der aus diesen Gründen in der Technik allgemein   gegangen    Weg der mechanischen Modulation bei den erwähnten   Photometern    ist besonders deutlich an der Entwicklung der lichtelektrischen Mikroskope für Feinmesszwecke erkennbar. Hier wurde der Aufwand an Präzisionsmechanik durch den Einsatzzweck gerechtfertigt. Oft wird aber eine objektive   Einstellhilfe    benötigt, wo ein solcher Aufwand unwirtschaftlich und raummässig unangebracht ist.



   Die   bekannten    Einnichtungen zum Vergleichen von kleinen   Helligkeitswerten    besitzen ausserdem optische Mittel zur   Strableinteilung,    um den Vergleich nebeneinander   (Differenz-Anordnungen)    oder nacheinander (Einzellenverfahren) durchführen zu können.  



   Durch die Verwendung von mechanisch bewegten Modulatoren mit hohen mechanischer Präzision und von optischen Einrichtungen zur   Strahlenteilung    wurden die bekannten   photometrischen    Anordnungen baulich verhältnismässig gross.



   Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für die genannten Zwecke eine photometrische Einrichtung zu schaffen, bei der die mechanisch bewegten Teile zur Modulation entfallen und bei der auf Mittel zur   Strahlenteihing    verzichtet werden kann, wenn eine lineare oder sonstwie symmetrische Verteilung der Differenz in den Helligkeitswerten vorliegt.



   Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der erfindungsgemässen Einrichtung, in der Weise, dass sowohl als lichtelektrischer Empfänger als auch in der Modulationseinrichtung je ein Sperrschicht-Differenz Photoelement vorgesehen ist, von denen jedes durch eine feine, mitten zwischen   Iden    beiden Kontaktstellen und über die ganze Breite verlaufende Teilfuge, die nur die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennt, in zwei in ihrem dynamischen, elektrischen   Verfahnen    gleichartige Photoelemente auf gemeinsamen Träger unterteilt ist und dass die zu beiden Seiten der Teilfuge liegenden flächengleichen Teilphotoelemente einschliesslich der Kontakte der zugehörigen   Stromabnahmeeiektroden    durch eine weitere, die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennende Teilfuge umrandet sind,

   durch den die Randgebiete des Ausgangselementes unwirksam sind.



   Die Erfindung ist nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 zwei Ausführungen von   Sperrschicht=Elemen-    ten bekannter Bauant,
Fig. 2 ein Satz von erfindungsgemässen   Sperrschicht-    Elementen und
Fig. 3 eine elektrische Schaltung einer Messeinrichtung.



   Das eine der beiden   Differenz-Elemente    mit schmaler Teilfuge dient der Lokalisierung der   Lichtstrom-    differenz in der durch die   Korngrenzdioden    bekanntgewordenen Weise, während das zweite in einem lichtelektrischen Modulator, - der driftfrei und ohne im Messzweig auftretende Eigenpotentiale durch   Wider-    standsänderung bei Lichteinwirkung   arbeitet-dazu    dient, die vom ersten Element stammenden Photoströme zu modulieren und die   Wechselspannungsverstärkung    rauscharm zu ermöglichen.



   Jedes dieser beiden   Sperrschicht-DBerenz-Photo-    elemente muss die Forderung nach gleicher Strom-Spannungs-Charakteristik und die   zusätzliche    Bedingung gleischer Sperrschichtkapazität und gleichen Sperrschichtwiderstandes bei gleichen Beleuchtungsverhältnissen er  füllern.    Ausserdem ist es notwendig, dass die zwischen beiden Elementen vorhandene Trennzone sehr schmal (etwa einer Korngrenze vergleichbar) ist.



   Es sind zwar auf einem gemeinsamen Träger angeordnete   Sperrschicht-Diffenenz-Photoelernente    bekannt, die entweder nebeneinander hergestellt werden oder durch mechanisches Auftrennen der Schichten eines Elementes bis zur Träger gewonnen werden. Die so hergestellten Differenz-Elemente erfüllen aber   im    allgemeinen keine der genannten Forderungen.



   Die zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens nötigen Differenz-Element können durch folgende Massnahmen gewonnen werden, die im einzelnen dazu dienen, die obengenannten Forderungen zu erfüllen und die an Hand der Fig. 1 für eine rechteckige und eine   runde    Ausführungsform näher erläutert sind.



   1. An einem in bekannter Weise hergestellten Sperrschicht-Element 1 wird die Deckelektrode, die an zwei verschiedenen Steilen 2 und 3 kontaktiert ist, durch eine feine Teilfuge 4, die   zwischen    den beiden Kontaktstellen verläuft, über ihre ganze Breite aufgetrennt, wobei die Teilfuge nur die Deckelektrode und die Sperrschicht, nicht aber das darunterliegende anders dotierte Halbleitermaterial, durchtrennt. Hierdurch wird die Forderung nach einer sehr schmalen Trennzone erfüllt.



   2. Eine weitere Teilfuge 5, die gleichfalls nur die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennt, wird als Umrandung um das für die Messung benötigte Gebiet - die Kontaktierungen   einschliessend - in    sich geschlossen geführt. Hierdurch werden alle dem Ausgangselement angehörenden   Randteile    von dem für die Messung benötigten Gebiet getrennt. Diese Teilfuge 5 ist so zu führen, dass rechts und links von der Teilfuge 4 gleiche Flächen   entstehen.    Der Ausschluss des ursprünglichen Elementrandes vom benutzten Elementgebiet und die Flächengleicheit dient der Erfüllung der Forderung nach gleicher Sperrschichtkapazität und gleichem Sperrschichtwiderstand. Damit ist aber auch gleichzeitig die Forderung nach gleicher   Strom-Spannungscharakteristik    weitgehend erfüllt.



   Die bei   Sperrschicht-Photoelementen    zum Teil übliche Berührungskontaktierung der durch Aufspritzen oder anderweitiges Auftragen von Metall stellenweise verstärkten Deckelektrode ist für die Photometeranordnung in dieser Einrichtung unbrauchbar, weil sie nach Art von Wackelkontakten durch sich ständig ändernden   Übergangswiderstand    und   Berührungspotentiale    zur Erhöhung des   Sto rsignalpegels    beiträgt. Es ist deshalb vorteilhaft, die Elemente mit in der verstärkten Deckelektrode   verlöteten    oder verschweissten Kontaktdrähten 6 zu versehen. Dazu ist es zweckmässig, sie vorher mit dem Verstärkungsmetall der Deckelektrode,   eventuell    unter Zwischenschaltung weiterer Haftmetallschichten zu ummanteln.



   Die Lötung 0 der Schweissung erfolgt am besten mit Hilfe einer die Schmelzwärme zuführenden Spitze, die selbst nicht mit dem Verstärkungsmetall benetzt ist.



   Die so hergestellten Sperrschicht-Differenz-Photoelemente können, wie Fig. 2 zeigt, auch in grösserer Stückzahl aus einer grösseren Platte gewonnen werden, wenn die notwendigen   Säge- oder    Stanzschnitte 7 in Zwischenräumen zwischen den für die Funktion notwendigen   Umrahmungsfugen    4 und 5 ausserhalb der für die Messung vorgesehenen Gebiete geführt werden.



  Hierbei können die beim Trennvorgang eventuell auf  tretenden    Störungen an der Begrenzung zwischen Deckelektrode und Halbleiter, also an der Sperrschicht, keinen Einfluss auf das zur Messung herangezogene Gebiet nehmen, weil sie ebenso wie die oben erwähnten Randzonen durch die Umrahmungsfuge von   dem    Messgebiet getrennt sind. Derart gewonnene Sperrschicht Differenz-Elemente mit schmaler Teilfuge zeigen auch untereinander sehr viel mehr Ähnlichkeit, als aus   Bin-    zelstücken hergestellte.



   Die Anordnung des für die Abtastung des Messlichtstromes benutzten Differenz-Elementes am Messort muss genau wie seine Ableitung zum Modulator und   Verstär-    ker abgeschirmt erfolgen.



   Das im Modulator eingebaute Differenz-Element wird zweckmässig von einer gewöhnlichen   Glimrulampe    intermittierend beleuchtet. Es eignen sich auch alle anderen gut   niodulierbaren    Lichtquellen oder auch die bekannten mechanischen   Modulationsverfahren.     



   Obwohl ein durch die Erfindung erzielbarer technischer Fortschritt darin gesehen wird, dass sowohl auf der optischen als auch auf der elektrischen Seite völlig ohne mechanisch bewegte Teile gearbeitet werden kann, sind jedoch Fälle denkbar, wo man zur Erhöhung des Modulatorwirkungsgrades auch hier auf mechanische Modulationsverfahren zurückgreift.



   Die Anordnung dieses Elementes muss ebenfalls abgeschirmt erfolgen, besonders gegenüber dem elektrischen Feld des die Lichtquelle oder andere Verstärkerteile erregenden Wechselstromes. Hierzu haben sich als gut lichtdurchlässige Abschirmungen elektrisch leitende Schichten, wie z. B. von   SnO2,    auf Glas als besonders geeignet erwiesen.



   Ein Beispiel für die   elektrische    Schaltung der Messeinrichtung zeigt Fig. 3. Hierbei liegen die beiden Dif  ferenzwElemente    8 und 9 in einer brückenähnlichen Anordnung, wobei sich die die beiden Zweige bildenden Differenz-Elemente der beschriebenen Art nicht am gleichen Einbauort Ibefinden müssen. Hierdurch wird für den Vergleich von kleinen   Helligkeitswerten    ein Nullmessverfahren ermöglicht. Die Brückendiagonale kann offen bleiben, was zu einer besonders einfachen Lei  tungsverbindung    führt. Das zur Modulationseinrichtung gehörende Differenz-Photoelement 9 wird durch eine   Glimmlampe    10 intermittierend beleuchtet.

   Hinter einem Wechselspannungsverstärker 11 ist als phasenempfindlicher Gleichrichter ein Ringdemodulator 12 angeordnet, über den ein Anzeigeinstrument 13 betrieben wird. Selbstvenständlich kann auch jedes andere Indikatorsystem elektronischer Art (magisches Auge, Kathodenstrahloszillograph usw.) hinter dem Wechselspannungsverstärker 11 angesetzt werden. Ebenso ist es möglich, phasenempfindliche Motoren für die Betätigung von Stellgliedern in Regelkreisen anzuschliessen.



   Die am Eingang des Wechselspannungsverstärkers 11 liegende Wechselspannung hat die Form des Licht  stromverlaufes    im Modulator. Ihre Amplitude ist eine Funktion der zu vergleichenden kleinen Helligkeitsunterschiede. Die Polarität und damit die Phasenlage der Wechselspannung wird durch die Richtung   bestimmt,    nach der diese Differenz aus der Nullage auswandert.



   Selbstverständlich ist die Anwendung des beschriebenen drift- und störspannungsfreien lichtelektrischen Modulators nicht auf die in Fig. 3 angegebene Schaltungsanordnung beschränkt.



   Ebenso können die beschriebenen Sperrschicht-Diffenenz-Photoelemente zu den verschiedensten Zwecken auch mit einer Vielzahl feiner Teilfugen in einer Deckelektrode mit   Einzelableitungen    hergestellt werden, um symmetrisch verteilte   Lichtstromdiffierenzen    an dem durch die Fugen jeweils gegebenen Ort objektiv messend zu erfassen. Als Beispiel sei hier nur die Abtastung codierter Massstäbe genannt, wobei die   Einspanung    von optischen Hilfsmitteln wesentlich list.   

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität, bei der die beiden Lichtströme mittels eines Sperrschicht-Differenz-Photoelements in entsprechende elektrische Ströme umgewandelt und über eine Modulationseinrichtung !einem Wechselstromver stärker mit nachgeschaltetem Anzeigeinstrument zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl als lichtelektrischer Empfänger als auch in der Modulationseinrichtung je eine Sperrschicht-Differenz-Photoelement vorgesehen ist, von denen jedes durch eine feine, mitten zwischen den beiden Kontaktstellen und über die ganze Breite verlaufende Teilfuge, die nur die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennt, in zwei in ihrem dynamischen,
    elektrischen Verhalten gleichartige Photoelemente auf gemeinsamem Träger unterteilt ist und dass die zu beiden Seiten der Teilfuge liegenden flächengleichen Teilphotoelemente einschliesslich der Kontakte der zugehörigen Stromabnahmeelektroden durch eine weitere, die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennende Teilfuge umrandet sind, durch Idie die Randgebiete des Ausgangselementes unwirksam sind.
    UNTERANSPRUCH Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Modulationseinrichtung gehörende Differenz-Photoelement im Strahlenbereich einer intermittierenden Lichtquelle, beispielsweise einer Glimmlampe, angeordnet ist.
CH1068165A 1964-11-10 1965-07-29 Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität CH439783A (de)

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