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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für ein Photometer
zur Erzielung eines dem Logarithmus der Beleuchtungsstärke linear proportionalen
Ausgangssignals, bei der eine Parallelschaltung von zwei photoelektrischen Wandlern
verwendet wird.
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Es ist bei einer Belichtungssteuereinrichtung für photographische
oder kinematographischeAufnahmegeräte bekannt, parallel zu einer über ein Drehspulinstrument
das Kamerneinstellorgan beeinflussenden Photozelle einen Photowiderstand zu schalten,
der der Helligkeit des Aufnahmegegenstandes ausgesetzt ist und früher übliche mechanische
Kompensationsmittel ersetzen sollte, die die gewünschte Abhängigkeit zwischen der
auf die Photozelle einfallenden Lichtmenge und der Blenden-bzw. Meßinstrumenteneinstellung
bewirken. Die Kompensationswirkung dieses parallel zu der Photozelle (Photoelement)
geschalteten Photowiderstands bestand darin, daß er bei höherer Aufnahmehelligkeit
infolge Verringerung seines elektrischen Widerstandes relativ weniger Strom nach
dem Galvanometer gelangen ließ als bei geringeren Aufnahmehelligkeiten, bei denen
der ihm eigene höhere Widerstand die Nebenschlußwirkung verringerte.
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Durch diese bekannte Anordnung läßt sich jedoch keine über einen
großen Helligkeitsbereich linear vom Logarithmus der Helligkeit einer Aufnahmeszene
abhängige Ausgangsgröße erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
für ein Photometer mit Photowiderständen zu schaffen, die in einem sehr großen Helligkeitsbereich
einen zurn Logarithmus der Helligkeit linear proportionalen Ausgangsstrom erzeugt.
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Eine solche logarithmisch proportionale Abhängigkeit ist insbesondere
bei photographischen Belihtungsmessern oder automatisch arbeitenden Belichtungssteuereinr.
chtungen erforderlich. die in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit Blende und/oder
Verschluß des photographischen Apparates einstellen.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß
mindestens zwei identische Photowiderstände in Parallelschaltung angeordnet sind,
wobei ein Photowiderstand durch ein lichtschwächendes Filter abgedeckt ist und wobei
jeweils in Serie mit jedem Photowiderstandje ein Widerstand angeordnet ist. Durch
diese Parallelschaltung wenigstens zweier Ph otowiderstände, deren Empfindlichkeit
durch ein lichtschwächendes Organ voneinander unterschiedlich gemacht ist, ergibt
sich eine resultierende Ausgangsgröße, die über einen großen Helligkeitsbereich
die angestrebte Linearität gewährleistet. wobei in den verschiedenen Helligkeitsbereichen
verscniedene Photowiderstände die Ausgangsgröße vorherrschend beeinflussen.
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Statt zweier oder mehrerer parallelgeschalteter Photowiderstände
kann auch ein einziger Photowiderstand vorgesehen werden, der über einen Teil seiner
lichtempfindlichen Fläche durch ein lichtschwächendes Filter abgedeckt ist. Dabei
kann dieser einzige Photowiderstand auch durch mehrere unterschiedliche Absorptionswerte
aufweisende Filter bedeckt sein, was die gleiche oder eine ähnliche Wirkung hat
wie eine Parallelschaltung von Photowiderständen unterschiedlicher Empfindlichkeit.
-In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt
F i g. 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Ausgangsstromes in Abhängigkeit vom Logarithmus
der Beleuchtungsstärke, die mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Einrichtung
gewonnen wurde, F i g. 3 einen schematischen Querschnitt einer gemäß der Erfindung
ausgebildeten Einrichtung, Fi g. 4 einen ähnlichen schematischen Querschnitt einer
anderen Ausführungsform.
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Gemäß F i g. 1 weist die Einrichtung eine elektrische Schaltung auf,
in welcher zwei Photowiderstände 20 und 22 parallel zueinander angeordnet sind.
Die Photowiderstände 20 und 22 sind benachbart zueinander derart angeordnet, so
daß ihre lichtempfindlichen Oberflächen im wesentlichen der gleichen einfallenden
Strahlung ausgesetzt sind. In Reihe mit den Photowiderständen 20 bzw. 22 liegen
Widerstände 24 bzw. 26 mit festen Widerstandswerten. Einer der Photowiderstände,
z. B. das Wandlerelement 22, ist, wie in der Zeichnung angedeutet, mit einem strahlungsdurchlässigen
und strahlungsabsorbierenden Mittel, z. B. einem Graufilter 28, ausgestattet, das
die auf das Element 22 auffallende Strahlungsintensität begrenzt, um ein vorbestimmtes
Teilverhältnis zu der auf das Element 20 auftreffenden Strahlungsintensität zu schaffen.
Es können auch andere Einrichtungen vorgesehen werden, um die auf das Element 22
auftreffende Strahlungsintensität zu begrenzen, z. B. Farbfilter oder andere Strahlungsablenkmittel.
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Zur Speisung der in F i g. 1 dargestellten Schaltung ist eine elektrische
Energiequelle, z. B. eine Batterie30, vorgesehen, die in Reihe mit den parallel
zueinander liegenden Photowiderständen 20 und 22 und mit den Widerständen 24 und
26 liegt.
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Wenn die Photowiderstände 20 und 22 der Strahlung ausgesetzt werden,
kann der Stromausgang der Schaltung an den in Reihe mit der Batterie 30 liegenden
Klemmen 32 und 34 abgegriffen oder gemessen werden.
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Im Betrieb, d. h. bei Belichtung durch aktinische Strahlung, ändert
sich der elektrische Widerstand eines jeden Elements 20 und 22 umgekehrt zu der
darauf auffallenden Strahlungsintensität. Der ohmsche Widerstand des Wandlerelements
20 kann allgemein durch folgende Beziehung ausgedrückt werden: K1 R = Inl. (I) Dabei
ist K, eine Konstante, die allgemein als »Empfindlichkeit« des Elements 20 bezeichnet
werden kann.
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I ist die auf das Wandlerelement 20 auffallende Strahlungsintensität,
und 11 ist eine Funktion des Elements 20, welche einen bei den meisten Photowiderständen
zwischen 0,5 und 1,0 liegenden Wert hat.
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Ein ähnlicher Ausdruck kann allgemein das Verhalten des Elements
22 kennzeichnen, indem in der Gleichung (1) K2 für Kl und 112 für nl gesetzt wird,
wobei Kl die »Empfindlichkeit« des Elements 22 und 112 eine Funktion des Elements
22 ausdrückt und die gleiche Natur wie tli hat.
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Der von der Batterie 30 erzeugte Strom fließt durch die Schaltung
und findet, wie zwischen den
Klemmen 32 und 34 gemessen werden kann
einen Leitwert vor, der gleich ist 1 In1 In2 = + # (2) R K1 + In1R1 K2 + In2R2 Drin
bedeuten K1, K2, I, n1 und n2 die vorbcschriebenen Größen, und R1 ist der Ohmwert
des Wi, lerstandes 24 und R2 ist der Widerstandswert des Widerstandes 26, wobei
R1 vorzugsweise annähernd gleich R2 ist. Die Kombination eines Photowiderstandes
mit vorbestimmtem K-Wert und einem Filter mit einem von Null verschiedenen Wert
gibt einen scheinbaren K-Wert, der sich von dem vorbestimmten K-Wert unterscheidet.
Der scheinbare K-Wert wird in der Beschreibung als die wirksame Euptindlichkeit
des Elements bezeichnet.
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@nter der Annahme. daß das Verhältnis 2 gleich 102 ist, was zum Beispiel
dadurch erreicht werden kann, daß die optische Dichte des Filters 28 bei 7 liegt,
wenn zwei im wesentlichen identische liclnclcktrische Elemente verwendet werden,
läßt das Filter 1/100 der Intensität der darauf auffalenden Sirahlung hindurch,
und durch Einstellung der Widerstände 24 und 26 auf einen im wesentlichen glerchen
Wert kann erreicht werden, daß bei niedrigen Intens, tãten der auffallenden Strahlung
der Photowiderstand 20 und der dieses Element enthaltende Teil der Schaltung die
Kennlinie des Kreises bestimnach wobei der Widerstand des Photowiderstandes 22 als
Negenschlußwiderstand wirkt. Bei größeren Intensitäten wird der Widerstand des Elements
20 kleiner als der Widerstand des ihm zugeordneten Widerstands 24, und das Element
22 bestimmt jetzt die Kennlinie der Schaltung. Infolgedessen ist der Intensitärsbereich,
in welchem eine logarithmische Abhzngigkeit des Ausgangssignals besteht, annähernd
doppelt so groß wie der Bereich, der mit einem der Photowiderstände 20 oder 22 aliein
erreicht werden kann.
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@ypische Beispiele industriell hergestellter Photowiderstände, die
bei der in F i g. 1 dargestellten Schaitung benutzt werden können, sind die Photowiderstände
RCA-6957 bzw. CL-407, die von der Radio Corporation of America bzw. der Clairex
Corporation hergestellt werden. Bei diesen beiden Photozellen wurde als charakteristisch
ein K-Wert von annähernd 1,1 1x # ermittelt, der charakteristisch für einen beträchtlichen
Intensitätsbereich ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wurden zwei Claircx-CL-407-Zellen in
der Schaltung gemäß F i g. 1 als Elemente 20 und 22 benutzt. Die Zellen wurden dich
benachbart zueinander mit ihren lichtempfindzeichen Oberflächen in annähernd der
gleichen Richtung angeordnet. Es wurde eine Strahlungsquelle benutzt und so gewicht,
daß die Maximalintensität auf 1,098 104 1x eingestellt war. Die Intensität des auf
die Zellen einfallenden Lichtes wurde dann in Stufen bis auf t 0,11 Ix erniedrigt.
Durch Einstellung der Widerstände 24 und 26 auf etwa 105 Ohm, Benutzung eines Filters
28 mit einer Dichte von 2,9 und einer Batteriespannung von 16 Volt wurde die aus
der F i g. 2 ersichtliche Kurve A erhalten.
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Der in F i g. 1 dargestellte Stromkreis wurde außerdem unter Benutzung
zweier RCA-6957-Photowiderstände für die Elemente 20 und 22 hergestellt
und ähnlich
wie die Clairex-CL-407-Zellen bestrahlt.
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Die Widerstände 24 und 26 hatten ungefähr 1-4 Ohm. das Filter 28 hatte
eine Dichte 3, und die Batteriespannung war wiederum 16 Volt. Es wurde die in Fig.
7 mit B bezeichnete Kurve erzielt.
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Eie Betrachtung der Kurven A und B lehrt, daß sich der Strom annähernd
linear mit dem Logarithmus der Intensität über annähernd vier Größenordnungen in
beiden Kurven ändert. Aus kommerziellen Eichkurven ist ersichtlich, daß die lineare
Charakteristik der beiden Kurven wenigstens annähernd doppelt so groß ist wie die
lineare Charakteristik, die durch Anwendung einzelner kommerzieller Photozellen
mit zugeordnetem Widerstand erreicht werden kann. Die RCA-Zelle hat einen linearen
Bereich von annähernd 2 Größenordnungen und die Clairex-zeile einen linearen Bereich
von annähernd 2,5 Größenordnungen.
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Ähnliche Ergebnisse können mit Einrichtungen erzielt werden, bei
denen mehr als zwei Photowiderstände parallel zueinander liegen. Jeder der Photowiderstände
trägt logarithmisch einen Teil zu dem Gesamtausgangsstrom des Kreises in einem bestimmten
Bereich der Eingangsintensität bei. Dieser Stromanteil ist annähernd gleich dem
Strornausgang eines Wandlers über den gleichen Intensitätsbereich allein, unter
der Annahme, daß natürlich die Wandler im wesentlichen die gleiche Empfindlichkeit
aufwesen.
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Da die den Photowiderständen zugeordneten Reihenwiderstände im wesentlichen
gleiche Werte aufweisen können, erfordert eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung,
wie in Fig. 3 dargestellt, nicht notwendigerweise getrennte Photowiderstände, sondern
sie kann als einteilige Einheit ausgebildet werden, die insgesamt mit dem Bezugszeichen
40 bezeichnet ist. Die Einrichtung 40 ist vorzugsweise als Schichtkörper ausgebildet
und besteht aus mehreren übereinanderliegenden Lagen, die gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel eine strahlungsempfindliche Schicht 42 aufweisen, die zwischen
einer Oberflächenelektrodenschicht 45 und einer Basiselektrodenschicht 50 liegt.
Auf einem Teil der Schicht 45 befindet sich eine strahlungsabsorbierende Schicht
44.
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Die strahlungsempfindliche Schicht 42 weist eine der Strahlung ausgesetzte
Oberfläche 43 auf. Die Richtung der einfallenden aktinischen Strahlung ist durch
die Pfeile angedeutet. Die Schicht 42 besteht aus einer Substanz mit einer elektrischen
Leitfähigkeit, die sich annähernd als Funktion der Intensität der einfallenden aktinischen
Strahlung ändert, und kann z. B. aus Cadmium-Sulfid in kristalliner Form bestehen.
Die Oberflächenelektrodenschicht 45 weist vorzugsweise eine größtmögliche Gleichmäßigkeit
in bezug auf Strahlungsdurchlässigkeit auf.
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Eine derartige dünne Schicht kann z. B. als Vaku umablagerung eines
Metalls erzeugt werden, das einen elektrischen Kontakt zu der Schicht 42 herstellt.
Zur Absorption der auf einen Teil der Schicht 42 auffallenden Strahlungsintensität
auf einen Bruchteil der auf die übrige Schicht 42 auffallenden Strahlungsintensität
ist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schicht 44 vorgesehen. Die
Schicht 44 kann z. B. aus einem Graufilter bestehen, das unmittelbar benachbart
zur Oberflächenelektrode 45 angeordnet ist, um die auf den Teil 46 der Schicht 42
auffallende Strahlung zu absorbieren. Die
Schicht 44 kann auch auf
die Elektrode 45 aufgedampft oder aufgeschichtet sein.
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Der Teil46 der Schicht 42 und der Teil 48, der nicht mit einer strahlungsabsorbierenden
Schicht ausgestattet ist, sind vorzugsweise in Reihe mit wenigstens einem elektrischen
Widerstandselement von annähernd konstantem Widerstandswert geschaltet. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform besteht dieses elektrische Widerstandselement aus einer
Basiselektrodenschicht 50, die z. B. aus einem Blech, aus Gallium oder Indium bestehen
kann, das auf der Schicht 42, auf der der Oberfläche 43 abgewandten Seite befestigt
sein kann. Statt dessen kann natürlich die Schicht 50 eine elektrisch gut leitende
Schicht sein, und es kann ein gesonderter Widerstand mit im wesentlichen konstantem
Widerstandswert in Reihe geschaltet werden.
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Elektrische Zuführungen 52 bzw. 54 sind an einem Teil sowohl der
Basiselektrodenschicht 50 als auch der Oberflächenelektrodenschicht 45 vorgesehen,
um die Einrichtung 40 in eine Schaltung einbauen zu können, wodurch es ermöglicht
wird, die Einrichtung durch eine elektrische Energiequelle, z. B. eine Batterie
56, zu speisen. Die durch die benachbarten Anordnungen aller Schichten entstehenden
Verbindungen und die Zuführungen haben vorzugsweise alle rein ohmschen Charakter.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, die
in F i g. 4 dargestellt ist, besteht die Einrichtung wiederum aus einer baulich
zusammengefaßten Einheit, z. B. einem Photowiderstand 60, welcher eine einzige strahlungsempfindliche
Schicht 62 aufweist, die in der dargestellten Ausführungsform eine im wesentlichen
ebene äußere Oberfläche 64 hat, die der Strahlung ausgesetzt ist.
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Eine der Elektrode 45 der F i g. 3 ähnliche Oberflächenelektrode
65 ist über der Oberfläche 64 vorgesehen. Als Einrichtung zur Absorption der auf
die Schicht 62 auffallenden Strahlungsintensität ist eine Schicht 66 unmittelbar
benachbart auf der Oberfläche 64 vorgesehen und auf dieser befestigt.
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Die Schicht 66 weist mehrere Teile auf, von denen ein jeder eine
vorbestimmte und vorzugsweise unterschiedliche Absorptionscharakteristik hat. Zum
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spiel weist gemäß F i g. 4 die Schicht 66 vier einzelne Teile 68, 70, 72 und
74 auf, von denen jeder aus einem Graufilter mit den Dichten 2, 2,5, 3 bzw.
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3,5 besteht. Jeder unter den entsprechenden Abschnitten der Schicht
66 liegende Teil der strahlungsempfindlichen Schicht 62 stellt ein elektrisches
Widerstandselement dar, welches auf der Basiselektrode 76 ruht, auf welcher die
Schicht 62 befestigt ist. Die Zuführungen 78 bzw. 80 sind am Ende des Basiselektrodenwiderstandes
76 und an der Oberflächenelektrode65 befestigt. Die elektrische Energiequelle ist
als Batterie 82 ausgebildet und z. B. in die Zuführung 78 eingebaut.
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Im Betrieb arbeitet der lichtempfindliche Wandler 60 im wesentlichen
in der gleichen Weise wie die vorstehend in F i g. 3 beschriebene Einrichtung und
weist die gleichen Vorteile einer kompakten Bauart auf, wie dies vorstehend beschrieben
wurde.