Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor gemäß Patentanspruch
1, eine Positionsbestimmungseinrichtung enthaltend einen derartigen Photodetektor
und ein Spektrometer enthaltend einen derartigen Photodetektor.The
The present invention relates to a photodetector according to claim
1, a position determining device comprising such a photodetector
and a spectrometer including such a photodetector.
Photodetektoren
besitzen zahlreiche Anwendungen in der allgemeinen Messtechnik.
Mit Photodetektoren können
Lichtstärken,
Farben und Frequenzen gemessen werden. Der Photodetektor bewirkt
eine Wandlung des optischen Signals in einen elektrischen Strom,
der als eigentliche Messgröße dient.
In der Sensorik werden Lichtsignale oft in Abhängigkeit von einer oder zwei
Raumdimensionen gemessen. Zum Beispiel wird in einem Spektrometer ein
Lichtstrahl in Abhängigkeit
seiner von einem optischen Gitter gebeugt, wodurch die Wellenlängeninformation
in eine eindimensionale Intensitätsverteilung
umgewandelt wird. Die Intensität
wird von einem Photodetektor gemessen. Um eine möglichst hohe spektrale Auflösung zu
erreichen, sollte der Photodetektor in der wellenlängenabhängigen Dimension möglichst
schmal sein. In der anderen Dimension sollte der Photodetektor breit
genug sein, um die gesamte Lichtintensität messen zu können. Herkömmliche
Photodetektoren jedoch sind meistens rund oder quadratisch. Um eine
möglichst
schmale Detektion des Lichtes zu erreichen, wird oft eine externe
Aperturblende dem Photodetektor vorgeschaltet wie in 1 angeben.
Die Aperturblende blockt bis auf einen schmalen Schlitz das Licht
in einer Raumrichtung ab, lässt
jedoch alles Licht in der anderen Raumrichtung auf den Photodetektor
fallen.Photodetectors have numerous applications in general measurement technology. Photodetectors allow you to measure light levels, colors and frequencies. The photodetector causes a conversion of the optical signal into an electrical current, which serves as the actual measured variable. In sensor technology, light signals are often measured as a function of one or two spatial dimensions. For example, in a spectrometer, a light beam is diffracted as a function of it by an optical grating, thereby converting the wavelength information into a one-dimensional intensity distribution. The intensity is measured by a photodetector. In order to achieve the highest possible spectral resolution, the photodetector should be as narrow as possible in the wavelength-dependent dimension. In the other dimension, the photodetector should be wide enough to measure the total light intensity. However, conventional photodetectors are mostly round or square. In order to achieve the narrowest possible detection of the light, an external aperture diaphragm is often connected upstream of the photodetector as in 1 specify. The aperture stop blocks the light in one spatial direction except for a narrow slit, but allows all light in the other spatial direction to fall onto the photodetector.
Ein
anderes Beispiel eines Photodetektors, der eine ortsaufgelöste Detektion
eines Lichtsignals ermöglicht,
stellt der Quad-Photodetektor nach 2 dar. Der
Photodetektor besteht aus vier photoempfindlichen Segmenten, die
nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Licht
fällt in Form
eines zumindest zum Teil gebündelten
Strahles auf den Photodetektor und erzeugt dort einen Lichtfleck.
Der Lichtfleck sollte alle vier Segmente des Photodetektors zum
Teil bedecken. Jedes Element generiert dabei einen Photostrom, der
der einfallenden Intensität
und Bedeckung auf jedem Element entspricht. Die absolute Größe des Photostroms
wird auch durch die generelle Empfindlichkeit der Photodetektors
bestimmt. Diese sollte für
alle Segmente normalerweise gleich groß sein. Der vom einfallenden
Licht generierte Photostrom in den Segmenten A bis D wird gemessen.
Je nach Position des Lichtstrahles ändert sich das Verhältnis der
Ströme
in den einzelnen Segmenten zueinander. Aus dem Verhältnis der
Ströme
der Segmente A + B zu den Strömen der
Segmente C + D kann die horizontale Position des Lichtfleckes bestimmt
werden. Aus dem Verhältnis
der Ströme
A + C zu den Strömen
aus B + D kann die vertikale Position ermittelt werden. Der Messbereich
ist im wesentlichen durch die Größe des Lichtfleckes
bestimmt. Sobald der Lichtfleck sich ganz in einem der Bereiche
A bis D der Photodiode befindet, ändert sich der relative Photostrom
nicht mehr.Another example of a photodetector that enables spatially resolved detection of a light signal is provided by the quad photodetector 2 The photodetector consists of four photosensitive segments arranged side by side on a common substrate. Light falls in the form of an at least partially focused beam on the photodetector and generates a light spot there. The light spot should cover in part all four segments of the photodetector. Each element generates a photocurrent corresponding to the incident intensity and coverage on each element. The absolute size of the photocurrent is also determined by the general sensitivity of the photodetector. This should normally be the same size for all segments. The photocurrent generated by the incident light in the segments A to D is measured. Depending on the position of the light beam, the ratio of the currents in the individual segments to each other changes. From the ratio of the currents of the segments A + B to the currents of the segments C + D, the horizontal position of the light spot can be determined. From the ratio of the currents A + C to the currents from B + D, the vertical position can be determined. The measuring range is essentially determined by the size of the light spot. As soon as the light spot is completely in one of the areas A to D of the photodiode, the relative photocurrent no longer changes.
Es
ist demgemäss
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Photodetektor anzugeben,
welcher eine Detektion eines Lichtsignals oder eines Objektes mit
verbesserter Ortsauflösung
ermöglicht.It
is accordingly
Object of the present invention to provide a photodetector,
which is a detection of a light signal or an object with
improved spatial resolution
allows.
Diese
Aufgabe wird mit einem Photodetektor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den nebengeordneten
Patentansprüchen
und den Unteransprüchen
angegeben.These
The object is achieved with a photodetector according to independent claim 1. advantageous
Further developments and refinements are in the siblings
claims
and the dependent claims
specified.
Gemäß einem
Aspekt umfasst ein Photodetektor eine photoaktive Fläche, welche
ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von
mindestens fünf
aufweist.According to one
Aspect, a photodetector comprises a photoactive surface, which
a length-to-width ratio of
at least five
having.
Gemäß einem
weiteren Aspekt umfasst eine Positionsbestimmungseinrichtung einen
Photodetektor gemäß dem vorgenannten
Aspekt und eine mit dem Photodetektor verbundene Auswerteeinheit.According to one
Another aspect includes a position determination device
Photodetector according to the aforementioned
Aspect and associated with the photodetector evaluation.
Gemäß einem
weiteren Aspekt umfasst ein Spektrometer ein dispersives Element
und einen Photodetektor gemäß dem vorgenannten
Aspekt.According to one
In another aspect, a spectrometer includes a dispersive element
and a photodetector according to the aforementioned
Aspect.
Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:The
Invention will now be described by way of example with reference to FIG
closer to the drawings
explained.
In these show:
1 einen
Photodetektor nach dem Stand der Technik; 1 a photodetector according to the prior art;
2 einen
weiteren Photodetektor nach dem Stand der Technik; 2 another photodetector according to the prior art;
3 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Photodetektors; 3 an embodiment of a photodetector according to the invention;
4 ein
Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Photodetektors; 4 an application example of the photodetector according to the invention;
5 ein
weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Photodetektors; 5 another example of application of the photodetector according to the invention;
6 ein
weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Photodetektors; 6 another example of application of the photodetector according to the invention;
7 ein
weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Photodetektors; 7 another example of application of the photodetector according to the invention;
8 eine
Illustration zur Spektralauflösung eines
erfindungsgemäßen Spektrometers; 8th an illustration of the spectral resolution of a spectrometer according to the invention;
9 eine
Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Photodetektors;
und 9 a cross-sectional view of a Embodiment of a photodetector according to the invention; and
10 ein
elektrisches Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Photodetektors. 10 an electrical equivalent circuit diagram of a photodetector according to the invention.
1 zeigt
einen bekannten Photodetektor 1 mit einer photo-aktiven Fläche 2 und
einer schlitzförmigen
Aperturblende 3 im optischen Strahlengang 4 zur
ortsaufgelösten
Messung einer optischen Intensitätsverteilung
in einer Dimension. 1 shows a known photodetector 1 with a photo-active area 2 and a slit-shaped aperture stop 3 in the optical path 4 for the spatially resolved measurement of an optical intensity distribution in one dimension.
2 zeigt
einen ebenfalls bekannten positions-sensitiven Quad-Photodetektor 1 zur
Detektion von Bewegungen in x- und y-Richtung. Der Photodetektor
besteht aus vier getrennten aktiven Flächen A (2), B (3),
C (4) und D (5). Der Lichtfleck 6 wandert
in horizontaler und/oder vertikaler Richtung über den Detektor. Dabei ändert sich
der relative Photostrom in den Segmenten A bis D. Aus dem Verhältnis A
+ B zu C + D wird die horizontale Position bestimmt. Aus A + C zu
B + D die vertikale. Der Messbereich ist im wesentlichen durch die
Größe des Lichtfleckes
bestimmt. Sobald der Lichtfleck sich ganz in einem der Bereiche
A bis D der Photodiode befindet, ändert sich der relative Photostrom
nicht mehr. 2 shows a likewise known position-sensitive quad photodetector 1 for detecting movements in the x and y direction. The photodetector consists of four separate active areas A ( 2 ), B ( 3 ), C ( 4 ) and D ( 5 ). The light spot 6 migrates in horizontal and / or vertical direction over the detector. The relative photocurrent changes in the segments A to D. From the ratio A + B to C + D, the horizontal position is determined. From A + C to B + D the vertical. The measuring range is essentially determined by the size of the light spot. As soon as the light spot is completely in one of the areas A to D of the photodiode, the relative photocurrent no longer changes.
3 zeigt
einen erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektor 1 mit Grob- und Feinauflösung der Ortsempfindlichkeitsmessung
bestehend aus einem inneren Paar von rechteckigen aktiven Flächen 2 und 3 mit
hohem Länge-zu-Breite-Verhältnis und
zwei weiteren rechteckförmigen
aktiven Flächen 4 und 5 auf
jeder Seite der inneren aktiven Flächen. Die äußeren aktiven Rechteckflächen besitzen ein
kleines Länge-zu-Breite-Verhältnis und
dienen der Detektion des Lichtsignals mit einer kleineren Ortsauflösung, jedoch
einer höheren
Empfindlichkeit. Die einzelnen aktiven Flächen generieren die Photosignale
E_1 (2), E_2 (3), E_3 (4) und E_4 (5). 3 shows a double-slot photodetector according to the invention 1 with coarse and fine resolution of the spatial sensitivity measurement consisting of an inner pair of rectangular active surfaces 2 and 3 with high length-to-width ratio and two more rectangular active areas 4 and 5 on each side of the inner active surfaces. The outer active rectangular areas have a small length-to-width ratio and serve to detect the light signal with a smaller spatial resolution, but a higher sensitivity. The individual active areas generate the photosignals E_1 ( 2 ), E_2 ( 3 ), E_3 ( 4 ) and E_4 ( 5 ).
4a) zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektors 1 zur Positionsbestimmung in einem Bewegungssensor
mit einer äußeren, beweglichen
Blende 2, die einen Teil einer homogenen Beleuchtung 3 des
Photodetektors blockt. 4b) zeigt die
photogenerierten Stromsignale der einzelnen Segmente E_1 bis E_4 des
Photodetektors, wenn sich die Blende 2 in x-Richtung bewegt.
Die grauen Rechtecke 4 im Diagramm illustrieren die Ungenauigkeit
in der Ortsbestimmung bei einer geringen Variation im generierten Photostromsignal. 4a ) shows an application example of the double-slit photodetector according to the invention 1 for determining the position in a motion sensor with an outer, movable diaphragm 2 that is part of a homogeneous lighting 3 of the photodetector blocks. 4b ) shows the photogenerated current signals of the individual segments E_1 to E_4 of the photodetector when the shutter 2 moved in the x direction. The gray rectangles 4 in the diagram illustrate the inaccuracy in location with a small variation in the generated photocurrent signal.
5 zeigt
ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektors 1 zur Positionsbestimmung in einem Bewegungssensor
mit einer äußeren, beweglichen
Blende 2. Im Gegensatz zu 4 befindet
sich die Blende in einem größeren Abstand
zum Photodetektor. Dadurch wird die Kontur des Schattens unschärfer und es
fällt Licht
auf den Photodetektor hinter dem Bereich der Blende. Die photogenerierten
Stromsignale werden im Vergleich zu 4b)
wesentlich verrundet. Das Differenzsignal I1 – I2 weist ein Maximum an Mittenposition
zwischen den aktiven Segmenten E1 und E2 auf. 5 shows another application example of the double-slit photodetector according to the invention 1 for determining the position in a motion sensor with an outer, movable diaphragm 2 , In contrast to 4 the aperture is located at a greater distance from the photodetector. As a result, the contour of the shadow becomes blurred and light falls on the photodetector behind the area of the diaphragm. The photogenerated current signals are compared to 4b ) substantially rounded. The difference signal I1 - I2 has a maximum of center position between the active segments E1 and E2.
6 zeigt
ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektors zur Positionsbestimmung in einem Encoder-Sensor,
der eine sinusförmige
Lichtintensitätsverteilung
beispielsweise mit Hilfe eines optischen Gitters erzeugt. Das kombinierte
photogenerierte Stromsignal in den Segmenten E_1 und E_2 lautet
I1 + I2 und ist ein Abbild der ortsaufgelösten optischen Intensitätsverteilung.
Das Differenzsignal der Segmente E_1 und E_2 lautet I1 – I2 und
stellt mathematisch die erste Ableitung der Intensitätsverteilung
dar. Das Differenzsignal besitzt einen Nulldurchgang an den Punkten,
die den Extrema der Verteilungsfunktion entsprechen. Die Nullposition
ist wesentlich einfacher mit einer hohen Auflösung zu messen als das relativ
flache Plateau der Extrema. 6 shows a further application example of the double-slot photodetector according to the invention for position determination in an encoder sensor, which generates a sinusoidal light intensity distribution, for example by means of an optical grating. The combined photogenerated current signal in the segments E_1 and E_2 is I1 + I2 and is an image of the spatially resolved optical intensity distribution. The difference signal of the segments E_1 and E_2 is I1-I2 and mathematically represents the first derivative of the intensity distribution. The difference signal has a zero crossing at the points corresponding to the extrema of the distribution function. The zero position is much easier to measure with a high resolution than the relatively flat plateau of the extrema.
7 zeigt
ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektors in einem Spektrometer. Das einfallende Licht 1 trifft
auf ein optisches Gitterelement 2, das eine wellenlängenabhängige Beugung 3 der
Lichtstrahlen bewirkt. Die Wellenlängenabhängigkeit der einzelnen Lichtstrahlen
wird in eine Ortsabhängigkeit umgesetzt.
Durch eine Rotation 4 des Gitterelementes wird das gesamte
Spektrum des Lichtes über
die Segmente des Photodetektors 5 gelenkt. 7 shows another application example of the double-slot photodetector according to the invention in a spectrometer. The incident light 1 meets an optical grating element 2 , which is a wavelength-dependent diffraction 3 causes the light rays. The wavelength dependence of the individual light beams is converted into a location dependence. Through a rotation 4 of the grating element is the entire spectrum of light across the segments of the photodetector 5 directed.
8 zeigt
eine Illustration der verbesserten Spektralauflösung des Spektrometers mit
dem Doppel-Schlitz Photodetektor im Vergleich zu einem konventionellen
Photodetektor mit einer Breite von 0.9 mm in Richtung des spektral
aufgelösten
Intensitätsprofils.
Die geringe Ortsauflösung
der großflächigen Photodiode
bewirkt eine Mittelung der optischen Leistung, die die feinen Details
des Spektrums verschleift. Im Gegensatz dazu kann die spektrale
Intensitätsverteilung
mit den inneren aktiven Streifen des Doppel-Schlitz Photodetektors
sehr gut aufgelöst werden.
Zusätzlich
kann die mathematische Ableitung der spektralen Intensitätsverteilung
direkt als Differenzsignal der photogenerierten Ströme I1 – I2 bestimmt
werden. Die Nulldurchgangspunkte des Differenzsignals entsprechen
den Extrema des Intensitätsprofils
und können
einfach und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. In diesem Beispiel
beträgt
die Breite der inneren aktiven Segmente 0.05 mm mit einem Abstand
von ebenfalls 0.05 mm. 8th shows an illustration of the improved spectral resolution of the spectrometer with the double-slit photodetector compared to a conventional photodetector with a width of 0.9 mm in the direction of the spectrally resolved intensity profile. The low spatial resolution of the large-area photodiode causes an average of the optical power, which wears the fine details of the spectrum. In contrast, the spectral intensity distribution with the inner active stripes of the double-slit photodetector can be resolved very well. In addition, the mathematical derivative of the spectral intensity distribution can be determined directly as the difference signal of the photogenerated currents I1-I2. The zero crossing points of the difference signal correspond to the extrema of the intensity profile and can be determined easily and with high accuracy. In this example, the width of the inner active segments is 0.05 mm with a spacing of 0.05 mm.
9 zeigt
eine Querschnittsdarstellung der Halbleiter-Implementierung des erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektors als Phototransistor. Auf einem n+-dotierten
Silizium Substrat 1 befindet sich eine epitaktische Siliziumschicht 2 die
leicht n-dotiert ist und eine Dicke von ca. 26 μm aufweist. In die Epitaxieschicht
wird mittels Diffusion die p-dotierte Basis 3 und der n+-dotierte Emitter 4 eingebracht. Jedes
Segment E_1 (5) und E_1 (6) des Doppel-Schlitz
Photodetektors erhält
eine eigene Basis-Wanne mit Emitter. Um die gesamte Struktur wird eine
n+-dotierte Sperrschicht Struktur 7 eindiffundiert, die
zur Reduktion des Dunkelstromes dient. Auf der Substratunterseite
befindet sich die Kollektorkontaktmetallisierung 8. 9 shows a cross-sectional view of the semiconductor implementation of the double-slot photodetector according to the invention as a phototransistor. On an n + -doped silicon substrate 1 there is an epitaxial silicon layer 2 which is slightly n-doped and has a thickness of about 26 microns. Into the epitaxial layer becomes by diffusion the p-doped base 3 and the n + -doped emitter 4 brought in. Each segment E_1 ( 5 ) and E_1 ( 6 ) of the double-slit photodetector receives its own base well with emitter. To the entire structure is an n + doped barrier structure 7 diffused, which serves to reduce the dark current. On the underside of the substrate is the collector contact metallization 8th ,
10 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Doppel-Schlitz
Photodetektors mit einem inneren aktiven Segmentpaar E1 und
E2 und zwei äußeren aktiven Segmenten E3 und E4. Jedes Segment
des Photodetektors ist als Phototransistor ausgeführt, wobei
die Kollektoren der Transistoren über das gemeinsame Substrat
verbunden sind. Das einfallende Licht generiert einen Basisstrom
in den Phototransistoren, der einen um den Stromverstärkungsfaktor
des Transistors vergrößerten Emitterstrom
bewirkt. Der Emitterstrom jedes Segmentes kann als Spannung über einen äußeren Lastwiderstand
RL abgegriffen werden. Das Spannungssignal
kann einem Mehrkanal Analog-Digital-Konvertereingang eines Mikro-Kontroller ICs zugeführt werden.
Die Basiselemente der Phototransistoren bleiben im allgemeinen unbeschaltet.
In diesem speziellen Fall kann auf die Basis der Elemente 3 und 4 zugegriffen
werden und mit einem äußeren Strom für messtechnische
Zwecke zugegriffen werden. 10 shows an electrical equivalent circuit diagram of the inventive dual-slot photodetector with an internal active segment pair E 1 and E 2 and two outer active segments E 3 and E. 4 Each segment of the photodetector is implemented as a phototransistor with the collectors of the transistors connected across the common substrate. The incident light generates a base current in the phototransistors which causes an emitter current increased by the current amplification factor of the transistor. The emitter current of each segment can be tapped as a voltage across an external load resistor R L. The voltage signal may be applied to a multi-channel analog-to-digital converter input of a microcontroller IC. The basic elements of the phototransistors are generally left unconnected. In this particular case can be based on the elements 3 and 4 be accessed and accessed with an external power for metrological purposes.
Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen monolithisch integrierten
Doppel-Schlitz Photodetektor zur ortsaufgelösten Messung optischer Signale
in einer Dimension. Der Photodetektor nach 3 besteht
aus einem inneren Paar von rechteckigen aktiven Flächen mit
hohem Länge-zu-Breite-Verhältnis und
zwei weiteren rechteckförmigen
Flächen
auf jeder Seite der inneren aktiven Flächen. Die äußeren aktiven Rechteckflächen besitzen
ein kleineres Länge-zu-Breite-Verhältnis und
dienen der Detektion des Lichtsignals mit einer kleineren Ortsauflösung, jedoch
einer höheren
Empfindlichkeit. Alle Segmente des Photodetektors befinden sich
auf einem gemeinsamen Substrat. Licht, das auf den Photodetektor fällt, generiert
Stromsignale in den vier aktiven Segmenten E1,
E2, E3 und E4. Die Größe des photogenerierten
Stromes in den einzelnen Segmenten hängt von der lokalen Intensität des Lichtes
und der Größe der beschienenen
Fläche
ab.The present invention describes a monolithically integrated double-slot photodetector for spatially resolved measurement of optical signals in one dimension. The photodetector after 3 consists of an inner pair of rectangular active areas of high aspect ratio and two additional rectangular surfaces on each side of the inner active surfaces. The outer active rectangular areas have a smaller length-to-width ratio and serve to detect the light signal with a smaller spatial resolution, but a higher sensitivity. All segments of the photodetector are located on a common substrate. Light falling on the photodetector generates current signals in the four active segments E 1 , E 2 , E 3 and E 4 . The size of the photogenerated current in the individual segments depends on the local intensity of the light and the size of the illuminated area.
Die
Rechteckform der aktiven Segmente mit einer geringen Breite aber
großen
Länge bewirkt
eine hohe Ortsauflösung
bei der Messung einer lokal variierende optischen Intensitätsverteilung.
Daraus ergeben sich große
Vorteile bei verschiedenen Anwendungen optischer Messtechnik. 4 zeigt
dazu ein Beispiel. In dieser Anwendung soll die Position eines sich
in einer Richtung bewegenden Objektes mit hoher Auflösung bestimmt
werden, um dadurch einen Schaltvorgang auszulösen. Dabei wird der Positionssensor
ortsfest montiert und von einer Lichtquelle beleuchtet. Das bewegliche
Objekt wird so angeordnet, dass es einen Teil des Lichtes, das auf
den Photodetektor fällt,
abschattet. Wenn sich die Schattenblende über den Photodetektor bewegt,
wird zunächst
nur ein Teil der optischen Leistung, die auf das linke äußere Segment
fällt,
abgeblockt. Dadurch verringert sich der Photostrom in einer kontinuierlich
abnehmenden Weise wie in 4b) dargestellt.
Wenn der Schatten der Blende die mittleren Segmente erreicht, verringert
sich der Photostrom in diesen Segmenten in gleicher Weise. Falls
der Schatten einen hohen Kontrast aufweist und keine Justagefehler
vorliegen, wird das Stromsignal des äußeren und des linken inneren
Segmentes auf einen verschwindend geringen Dunkelstromwert zurückgehen,
bevor das Signal in dem rechten inneren Segment abnimmt. Bei einer weiteren
Vorwärtsbewegung
der Blende wird sich schließlich
die Lichtmenge, die auf das rechte äußere Segment fällt, verringern
und entsprechend der photogenerierte Strom abnehmen.The rectangular shape of the active segments with a small width but large length causes a high spatial resolution in the measurement of a locally varying optical intensity distribution. This results in great advantages in various applications of optical metrology. 4 shows an example. In this application, the position of a high-resolution unidirectional moving object is to be determined to thereby trigger a switching operation. The position sensor is mounted stationary and illuminated by a light source. The movable object is arranged so as to shade a part of the light incident on the photodetector. When the shadow stop moves over the photodetector, initially only a portion of the optical power falling on the left outer segment is blocked. As a result, the photocurrent decreases in a continuously decreasing manner as in 4b ). When the shadow of the iris reaches the middle segments, the photocurrent in these segments decreases in the same way. If the shadow is high in contrast and there are no adjustment errors, the current signal of the outer and left inner segments will return to a vanishing dark current level before the signal in the right inner segment decreases. In a further forward movement of the diaphragm, the amount of light that falls on the right outer segment will eventually decrease and correspondingly decrease the photogenerated current.
Je
nach Anwendung kann nun das abnehmende Stromsignal eines der inneren
Segmente dazu verwendet werden, in einem äußeren elektrischen Schaltkreis
einen Schaltvorgang auszulösen. In
diesem Fall entspricht die Anwendung einer herkömmlichen Lichtschranke. Der äußere Schaltkreis kann
beispielsweise die Bewegung des Objektes stoppen, an das die Blende
fest montiert wurde. Solche Endpositionsschalter stellen klassische Anwendungsbeispiele
von Lichtschranken dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtschranken liegt
jedoch in der vorliegenden Erfindung eine wesentlich bessere Empfindlichkeit
der Ortsauflesung vor, da das lichtempfindliche Photodetektorsegment
in Richtung der Bewegung des Objektes eine nur kleine Ausdehnung aufweist.
Die große
Länge in
der dazu vertikalen Richtung ermöglicht
jedoch ein großes
Stromsignal, das messtechnisch einfach erfasst werden kann. Die äußeren Segmente
des Doppel-Schlitz Photodetektors bieten eine kleinere Ortsauflösung, jedoch
ein großes
Stromsignal aufgrund der größeren aktiven Fläche. Das
Signal der äußeren Segmente
kann dazu dienen, die Bewegung des Objektes zu verlangsamen, um
es bei Erreichen der inneren Detektorsegmente dann vollends zu stoppen.ever
After application can now be the decreasing current signal of one of the inner
Segments are used in an external electrical circuit
to trigger a switching process. In
In this case, the application corresponds to a conventional photocell. The outer circuit can
For example, stop the movement of the object to which the aperture
was firmly mounted. Such end position switches represent classic application examples
of light barriers. In contrast to conventional photoelectric sensors
however, in the present invention, much better sensitivity
the Ortsauflesung ago, since the photosensitive photodetector segment
has only a small extent in the direction of the movement of the object.
The size
Length in
the vertical direction allows
but a big one
Current signal that can be easily detected metrologically. The outer segments
of the double-slit photodetector provide a smaller spatial resolution, however
a big
Current signal due to the larger active area. The
Signal of the outer segments
can be used to slow down the movement of the object
then completely stop it when reaching the inner detector segments.
Die
Genauigkeit der Positionsbestimmung in dem Bewegungssensor wird
auch durch die relative Größe des Stromsignals
im Verhältnis
zu etwaigen Störsignalen
bestimmt. Daher ist die Genauigkeit umso größer, je größer die Änderung des Stromsignals bei
einer Positionsänderung
des Objektes ist. In 4b) stellen die
grauen Rechtecke dieses Verhältnis
dar. Wenn der gemessene Stromwert um einen gewissen Betrag aufgrund
von Störsignalen schwankt,
ist die Auswirkung auf die Positionsbestimmung für die inneren Segmente gering,
während sie
für die äußeren Segmente
deutlich größer ist.The accuracy of the position determination in the motion sensor is also determined by the relative magnitude of the current signal relative to any noise. Therefore, the greater the change in the current signal at a position change of the object, the greater the accuracy. In 4b ), the gray rectangles represent this ratio. When the measured current value is one some amount varies due to spurious signals, the effect on the position determination for the inner segments is small, while it is much larger for the outer segments.
Die
Stromsignale in 4 zeigen einen idealen Verlauf,
wenn sich die Blende über
den Photodetektor bewegt. In Realität werden die Signale jedoch
verrundet sein, was aufgrund des nicht-idealen Schattenwurfes der
Blende auftritt. Je nach Abstand der Blende vom Photodetektor und
je nach Parallelität
des Beleuchtungslichtes wird der Photodetektor hinter der Blende
auch Licht detektieren. Dabei wird umso mehr Licht in dem Bereich
hinter der Blende auftreten, je weiter die Blende vom Photodetektor entfernt
ist. Damit wird jedoch die Genauigkeit abnehmen, mit der die Position
der Blende aufgrund der Messung des Stromsignals in den Segmenten
des Photodetek tors bestimmt werden kann. In diesem Fall kann die
Messung des Differenzstromsignals der inneren Segmente die Ortsbestimmung
der Schattenblende erheblich verbessern. 5 zeigt
dazu ein Beispiel. Die Signale der inneren Segmente nehmen ab, wenn
die Schattenblende die Segmente überstreicht.
Aufgrund des nicht-parallelen Streulichtes stellt sich ein relativ
langsames Abnehmen des Stromsignals ein. In der Mittenposition zwischen
den beiden inneren Segmenten weist das Differenzsignal der beiden
Stromsignale I1 und I2 ein
Maximum auf. Dieses Maximum kann in der äußeren elektrischen Schaltung
detektiert werden und zur exakten Positionsbestimmung der Blende
und damit des sich bewegenden Objektes genutzt werden.The current signals in 4 show an ideal course when the aperture moves over the photodetector. In reality, however, the signals will be rounded, due to the non-ideal shadow cast of the shutter. Depending on the distance of the diaphragm from the photodetector and depending on the parallelism of the illumination light, the photodetector will also detect light behind the diaphragm. In this case, the more light in the area behind the diaphragm, the more the diaphragm is removed from the photodetector. However, this will reduce the accuracy with which the position of the diaphragm can be determined due to the measurement of the current signal in the segments of the photodetector. In this case, the measurement of the difference current signal of the inner segments can significantly improve the location of the shadow stop. 5 shows an example. The signals of the inner segments decrease as the shadow stop sweeps over the segments. Due to the non-parallel scattered light, a relatively slow decrease in the current signal is established. In the middle position between the two inner segments, the difference signal of the two current signals I 1 and I 2 has a maximum. This maximum can be detected in the external electrical circuit and used for the exact position determination of the diaphragm and thus of the moving object.
Ein ähnlicher
Anwendungsfall des Doppel-Schlitz Photodetektors ist in 6 gezeigt.
In diesem Fall bewegt sich kein Schatten, sondern es wird ein räumlich variierendes
Lichtsignal generiert. Dies kann beispielsweise mittels eines Gitters
erfolgen. Das Gitter kann dabei einen periodischen Intensitätsverlauf
aufweisen oder einen periodischen optischen Phasenverlauf. Im ersten
Fall kann es sich dann um ein einfaches Strichgitter handeln oder
wie im zweiten Fall um ein holographisches Gitter. In beiden Fällen wird
ein periodisch variierender optischer Intensitätsverlauf erzeugt, der von
dem Doppel-Schlitz Photodetektor gemessen wird. Der Doppel-Schlitz Photodetektor
kann dabei mit einem beweglichen Objekt fest verbunden sein, während das
periodisch variierende Beleuchtungssignal ortsfest bleibt. So ein
Fall liegt typischerweise in einem Encoder-Bauelement vor, das zur
Positionsbestimmung in Translatoren und in rotierenden Elementen
eine weite Verbreitung aufweist. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Encodern liegt der Vorteil in der Verwendung des Doppel-Schlitz Photodetektors
in der einfachen Messtechnik und verbesserten Ortsauflösung. Der
Doppel-Schlitz Photodetektor kann den Intensitätsverlauf des Beleuchtungssignals
bestimmen. Das ist beispielsweise die Summe der Stromsignale der
inneren Elemente wie in 6 gezeigt. Zusätzlich kann
auch das Differenzsignal der inneren Segmente gemessen werden. Das
Differenzsignal weist einen Nulldurchgang an den Maxima und Minima
des optischen Beleuchtungssignals auf. Die Messung und Positionsbestimmung
des Encoders lässt
sich dadurch erheblich verbessern. Außerdem gibt das Differenzsignal
in den Positionen der Maxima und Minima des Stromsignals Auskunft über die
Bewegungsrichtung des Objektes.A similar application of the double-slit photodetector is in 6 shown. In this case, no shadow moves, but it is generated a spatially varying light signal. This can be done for example by means of a grid. The grating can have a periodic intensity curve or a periodic optical phase curve. In the first case, it may then be a simple grating or, as in the second case, a holographic grating. In both cases, a periodically varying optical intensity profile is generated, which is measured by the double-slit photodetector. The double-slot photodetector can be firmly connected to a moving object, while the periodically varying illumination signal remains stationary. Such a case is typically present in an encoder component which has a wide distribution for position determination in translators and in rotating elements. In contrast to conventional encoders, the advantage of using the double-slit photodetector lies in the simple measurement technique and improved spatial resolution. The double-slit photodetector can determine the intensity profile of the illumination signal. For example, this is the sum of the current signals of the inner elements as in 6 shown. In addition, the difference signal of the inner segments can also be measured. The difference signal has a zero crossing at the maxima and minima of the optical illumination signal. The measurement and position determination of the encoder can be significantly improved. In addition, the difference signal in the positions of the maxima and minima of the current signal provides information about the direction of movement of the object.
Eine
weitere Anwendung des Doppel-Schlitz Photodetektors befindet sich
in Spektrometern wie in 7 dargestellt. In einem Spektrometer
trifft das einfallende Licht auf ein optisches Gitterelement, das eine
wellenlängenabhängige Beugung
der Lichtstrahlen bewirkt. Dadurch wird die Wellenlängenabhängigkeit
der einzelnen Lichtstrahlen in eine Ortsabhängigkeit umgesetzt. Der Photodetektor
kann die Lichtintensität
als Funktion der Ortes messen und daraus das Spektrum bestimmen.
Oder es kann durch eine Rotation des Gitterelementes das gesamte
Spektrum des Licht über
den Photodetektor gelenkt werden.Another application of the double-slit photodetector is in spectrometers such as 7 shown. In a spectrometer, the incident light strikes an optical grating element, which causes a wavelength-dependent diffraction of the light beams. As a result, the wavelength dependence of the individual light beams is converted into a location dependency. The photodetector can measure the light intensity as a function of the location and determine the spectrum from it. Or it can be directed by a rotation of the grating element, the entire spectrum of the light via the photodetector.
Der
Doppel-Schlitz Photodetektor bietet im Spektrometer eine verbesserte
Spektralauflösung
im Vergleich zu einem konventionellen Photodetektor. Im Illustrationsbeispiel
von 8 besitzt der konventionelle Photodetektor eine
Breite von 0.9 mm in Richtung des spektral aufgelösten Intensitätsprofils. Die
geringe Ortsauflösung
der großflächigen Photodiode
bewirkt eine Mittelung der optischen Leistung, die die feinen Details
des Spektrums verschleift. Im Gegensatz dazu kann die spektrale
Intensitätsverteilung
mit den inneren aktiven Streifen des Doppel-Schlitz Photodetektors
sehr gut aufgelöst
werden. Zusätzlich
kann die mathematische Ableitung der spektralen Intensitätsverteilung
direkt als Differenzsignal der photogenerierten Ströme I1 – I2 bestimmt werden. Die Nulldurchgangspunkte
des Differenzsignals entsprechen den Extrema des Intensitätsprofils
und können
einfach und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Im Beispiel von 8 beträgt die Breite
der inneren aktiven Segmente 0.05 mm mit einem Abstand von ebenfalls
0.05 mm.The dual-slit photodetector provides improved spectral resolution in the spectrometer compared to a conventional photodetector. In the illustration example of 8th The conventional photodetector has a width of 0.9 mm in the direction of the spectrally resolved intensity profile. The low spatial resolution of the large-area photodiode causes an average of the optical power, which wears the fine details of the spectrum. In contrast, the spectral intensity distribution with the inner active stripes of the double-slit photodetector can be resolved very well. In addition, the mathematical derivative of the spectral intensity distribution can be determined directly as a difference signal of the photogenerated currents I 1 - I 2 . The zero crossing points of the difference signal correspond to the extrema of the intensity profile and can be determined easily and with high accuracy. In the example of 8th the width of the inner active segments is 0.05 mm with a distance of 0.05 mm.
Der
vorliegende Doppel-Schlitz Photodetektor kann in verschiedenen Halbleitertechnologien realisiert
werden. Dazu gehören
einfache pin-Photodioden, Phototransistoren und MSM-Photodetektoren. 9 zeigt
die Implementierung eines Doppel-Schlitz Photodetektors als Phototransistor.
Auf einem n+-dotierten Silizium Substrat
befindet sich eine epitaktische Siliziumschicht, die leicht n-dotiert
ist und eine Dicke von ca. 26 μm
aufweist. In die Epitaxieschicht wird mittels Diffusion die p-dotierte
Basis und der n+-dotierte Emitter eingebracht.
Die Basistiefe beträgt
typischerweise ca. 3 μm.
Die Emittertiefe liegt typischerweise bei ca. 2 μm. Jedes Segment des Doppel-Schlitz
Photodetektors erhält
eine eigene Basis-Wanne mit Emitter. Um die gesamte Struktur wird eine
n+-dotierte Sperrschicht-Struktur eindiffundiert, die
zur Reduktion des Dunkelstromes dient. Auf der Substratunterseite
befindet sich die Kollektorkontaktmetallisierung.The present dual-slot photodetector can be realized in various semiconductor technologies. These include simple pin photodiodes, phototransistors and MSM photodetectors. 9 shows the implementation of a double-slit photodetector as a phototransistor. On an n + -doped silicon substrate is an epitaxial silicon layer, which is slightly n-doped and has a thickness of about 26 microns. The p-doped base and the n + -doped emitter are introduced into the epitaxial layer by means of diffusion. The base depth is typically about 3 μm. The emitter depth is typically about 2 microns. Each segment of the Double-slit photodetector receives its own base well with emitter. An n + -doped junction structure is diffused around the entire structure, which serves to reduce the dark current. On the underside of the substrate is the collector contact metallization.
Zum
Betrieb des Bauelementes wird zwischen Emitter und Kollektor eine
Spannung von typisch 3 V bis 10 V angelegt. 10 zeigt
dazu ein elektrisch Ersatzschaltbild. Der Doppel-Schlitz Photodetektors besitzt das innere
aktive Segmentpaar E1 und E2 und
die zwei äußeren aktiven
Segmenten E3 und E4.
Jedes Segment des Photodetektors ist als Phototransistor ausgeführt, wobei
die Kollektoren der Transistoren über das gemeinsame Substrat
verbunden sind. Das einfallende Licht generiert einen Basisstrom
in den Phototransistoren, der einen um den Stromverstärkungsfaktor
des Transistors vergrößerten Emitterstrom
bewirkt. Der Emitterstrom jedes Segmentes kann als Spannung über einen äußeren Lastwiderstand
RL abgegriffen werden. Die Basis bleibt
im allgemeinen unbeschaltet. Im Beispiel von 10 kann
auf die Basiselektroden der Elementen 3 und 4 zugegriffen
werden. Durch Einprägen
eines Stromes kann der Phototransistor auch ohne optische Leistung
gemessen werden, was für
messtechnische Zwecke vorteilhaft ist.To operate the device, a voltage of typically 3V to 10V is applied between emitter and collector. 10 shows an electrically equivalent circuit diagram. The double-slot photodetector has the inner active segment pair E 1 and E 2 and the two outer active segments E 3 and E 4 . Each segment of the photodetector is implemented as a phototransistor with the collectors of the transistors connected across the common substrate. The incident light generates a base current in the phototransistors which causes an emitter current increased by the current amplification factor of the transistor. The emitter current of each segment can be tapped as a voltage across an external load resistor R L. The base generally remains unconnected. In the example of 10 can on the base electrodes of the elements 3 and 4 be accessed. By impressing a current, the phototransistor can also be measured without optical power, which is advantageous for metrological purposes.
Das
Spannungssignal am externen Widerstand RL kann
beispielsweise einem Mehrkanal Analog-Digital-Konvertereingang eines
Mikro-Kontroller ICs zugeführt
werden. Dadurch können
alle vier Stromsignale des Doppel-Schlitz Phototransistors direkt
ausgewertet werden. Die Differenzsignale lassen sich sehr einfach
mit dem Mikro-Kontroller bestimmen. Die Ansteuerung weiterer äußerer elektrischer Schaltungselemente
kann entweder über
spezieller I/O Ausgänge
des Mikro-Kontrollers erfolgen oder es kann auch direkt die Stromsignalauswertung
als Digitalsignal oder Quasidigitalsignal zur Verfügung gestellt
werden.The voltage signal at the external resistor R L can for example be supplied to a multi-channel analog-to-digital converter input of a microcontroller IC. As a result, all four current signals of the double-slot phototransistor can be evaluated directly. The difference signals can be easily determined with the micro-controller. The control of other external electrical circuit elements can either be done via special I / O outputs of the micro-controller or it can also be directly provided the current signal evaluation as a digital signal or quasi-digital signal.
Alternativ
zum Mikro-Kontroller können
die elektrischen Stromsignale des Doppelschlitz Photodetektors natürlich auch
in analogen Schaltungen ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
Dazu werden vorteilhafterweise Operationsverstärker benutzt. Messtechnische
Auswertungen lassen sich auch mit normalen Spannungsmessgeräten vornehmen.alternative
to the micro-controller can
the electrical current signals of the double-slot photodetector of course, too
be evaluated in analog circuits and further processed.
For this purpose, operational amplifiers are advantageously used. Metrological
Evaluations can also be made with normal voltage measuring devices.