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.