DE1447215A1 - Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtstroeme geringer Intensitaet - Google Patents

Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtstroeme geringer Intensitaet

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DE1447215A1 DE19641447215 DE1447215A DE1447215A1 DE 1447215 A1 DE1447215 A1 DE 1447215A1 DE 19641447215 DE19641447215 DE 19641447215 DE 1447215 A DE1447215 A DE 1447215A DE 1447215 A1 DE1447215 A1 DE 1447215A1
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    • GPHYSICS
    • 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

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

  • Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtstrdme geringer Intensität, die z. 3. für Feinmeßzwecke, kolorimetrische und photometrische Messungen angewandt werden kann. Hierfür sind bereits Anordnungen bekannt, die mit DiSferens-Sperrschicht-Photoelemente arbeite sowie Anordnungen, bei denne der von den Photoelementen abgegebene Photostrom in einen Wechselstrom umgewandelt und darin 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 verlassende Storm wird periodisch beeinflußt, d. h. hinter dem Photoempfänger moduliert. Der so erzeugte periodische Strom wird nach entsprechender %Verstirkung und Gleichrichtung gemessen oder mit einem Vergleichsstrom, der obenfalls photoelektrisch ereugt sein kann, verglichen.
  • Der Hauptvcrteil dieser Art; von Lichtmessungen besteht darin, das wein ein Verstärker benötigt wird, wie z. X, bei kleinen helligkeitsworten, e in Wechselstromwerst EL'rker berutzt werden kam. Dies ist deshalb besonders erwünscht, weil der Wechselstromverstärker dem Gleichstromverstärker durch sine Nullpunkt stabilität und Einfachheit S t im Aufbau und in der Bedienung weit überlegen ist.
  • Als Folge davon ergibt sich die theoretische Möglichkeit, die Photoempfängerleistung fast bis zu jeder gewünschteiu GröBe zu verstärken, so daß zum Beispiel kleine Helligkeitswerte direkt registriert und optische Komperisationseinrichtungen leicht automatisch betrieben werden könnte Trotz dieser Vorteile hat die beschriebene Art von photometrischen Verfahren k;isher in der Praxis kaun Eingang gefunden, da sie 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 Verstirkung war in den meisten Fällen illusorisch, weil die benutzten Geräte verhältnismäßig große eigene elektrische Störspannungen abgabenmeist auch noch mit der Modulationsfrquenz, so daß selbst Meßspaunungen im Strörisgnalpegel verschwanden, die mit gewöhnlichen Gleichstromverstärkern noch erfaßt werden können.
  • Bei den bekannten Anordnungen sind fast durchweg für die Modluation periodisch mechanisch bewegte Teile eingesetzt worden. Eine elektronische, d. h. ohne mechanisch bewegte Teile arbeitende Modulation der Lichtiquelle ergibt entweder - absolut gesehen - zu kleien ichtströme oder (ist (z. 36 durch die Verwndung von Hochruckgasentlasungslampen) sehr aufwendig und unruhig. Die Modulation der Ströme dwch umlaufende Kontakte od. dgl. führt ebenfalls zur Erhähung des Störsignalpegels. o Einzig die mit Photwiderständen arbeitenden lichtelektrisehen Modulatoren vrsprachen auf der elektrischen Seite Abhilfe, sie führten aber ebenfalls wegen zu instahbilen Verhaltens (Drften und sich ändernde Eigenotentiale) bisher zu keiner brauchbaren Lösung.
  • Der aus diesen Grfiiiden in der Technik allgemein gegangene Weg der mechanischen Modulation bei den erwähnten Phtometern ist besonders deutlich an der Enwicktlung der lichtelektrischen Mikroskops für Feinmeßzweicke erkennbar. Hier wurde der Aufwand an Präzisionamechanik durch den Einsatzzweck tgerechtfertigt.
  • Oft wird aber eine objektive Einstellhife benmätigt, wo ein solcher Aufwand unwirtschaftlich und raumäßig unangebracht ist.
  • Die bekannten Einrichtungen zum Zergleichen weil klinen Helligkeitswerten besitzen außerdem optische Mittel zur Strahlenteilung, um den Verglich nebeneinander (Differenz-Anordnungen) oder nacheinander (Einzellenverfahren) durchführen zu können.
  • Durch die Verwendung von mechanisch bewegten Modulaercen mit hoher mechanischer Präzision und von optischen Einrhcuntgen zur Strahlentei3ung wurden die bekannten phtometrischen 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 i der auf Mittel zur Strahlenteilung verzichtet werden kann, wenn eine lineare oder sonstwie symmetrieche Verteilung der Differenz in den Hellikeitswerten vorliegt.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei einer Einrichtung, in der die beiden Lichtströme mittels eines Sperrschicht-Differenz-Photoelements in entsprechende elektrische Ströme umgewandelt und über eine Modulationseinrichtung einen Wechselstromverstärker mit nachgeschaltetem Anzeigeinstrument zugeleitet werden in der Weise, daß gemäß der Erfindung als lichtelektrischer Empfänger und für die Modulationseinrichtung zwei Sperrchicht-Differenz-Photoelemente dienen, von denen jedes durcheinen feinen, mitten zwischen den beiden Kontaktstellen und über die ganze Breite verlaufenden Ritz, der nur die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennt, in zwei gleichartige Photoelemente auf gemeinsamem Träger unterteilt ist.
  • Das eine der beiden Differenz-Elemente mit schmaler Teilfuge dient der Lokalisierung der Lichtstromdifferenz in der durch die Korngrenzendioden bekanntgewordenen Weise, während das zweite in einem lichtelektrischen Modulator - der driftfrei und ohne im Meßzweig. auftretende Eigenpotentiale arbeitet -dazu dient, die vom ersten Element stammenden Photoströme zu modulieren und die We chsel spannungsvers tärkung rauscharm zu ermöglichen.
  • Jedes dieser beiden Sperrschicht-Differenz-Photoelemente muß die Forderung nach gleicher Str cm-Spannungs- Charakteristik und die zusätzliche Bedingung gleicher Sperrschichtapzaität und gleichen Sperrschichtwiderstandes bei gleichen Beleuchtungsverhältnissen erflüllen. 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 t9pBrrschicht-Dif9erenz-Photoeleente bekannt, die entweder nebeneinander hergestellt werden oder durch mechanischs Auftrennen der Schichten eines Elementes bis zum Träger gewonnen werden. Die so hergestellten Difrferenz-Elemente erfüllen aber im allgemeinen keine der genannten Forderungen.
  • Die zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens nötigen Differenz-Elemente werden durch folgende Maßnahmen gewonnen, die im einzelnen dazu dienen, die obengenannten Forderungen zu erfüllen und die an Hand der Figur 1 für eine rechteckige und eing runde Ausführungsform näher erlGutert sind.
  • 1. An einem in bekAnnter weiße hergestellten Sperrschicht-Element 1 wird die Deckelektrode, die an zwei verschiedenen Stellen 2 und 3 kontaktiert ist, durch einen feinen Ritz 4 , der zwischen den beiden Kontaktstellen verläuft, über ihre ganze Breite aufgetrennt, wobei der Ritz nur die Deckelektrode und die Sperrachicht, nicht aber das darunterliegende anders dotierte Halbleitermaterial; durchtrennt. I-Iierdurch wird die Forderung nach einer sehr schmalen Trennzone erfüllt.
  • 2, Ein weiterer Ritz 5 , der gleichfalls nur die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennte wird als Umrandung um das für die Messung bentigt Gebiet - die Kontaktierungen einschließend - in sich geschlossen geführt. Hierdurch werden alle dem Ausgangselement angehörenden Randteile von dem für die Messung benötigten Gebiet getrennt. Dieser Ritz 5 ist ao zu führen, daß rechts und links von dem Ritz 4 gleiche Flächen entstehen. Der Ausschluß des ursprünglichen Elementrandes vom benutzten Element gebiet und die Flächengleichheit dient der Erfüllung der Forderung nach gleicher Sperrschichtkapazität und gleichest Sperrschichtwiderstand.
  • Danit ist aber auch gleichzeitig die Forderung nach gleicher Strom-Spannungscharakteristik weitgehend erfüllt.
  • Die bei Sperrschicht-Photoelementen z. T. übliche Berührungskontaktierung der durch Aufspritzen oder anderweitiges Auftragen von Metall stellenweise verstärkten Deckelektrode ist für die Photometeranordnung gemäß der Erfindung unbrauchbar, weil sie nach Art von Wackelkontakten durch sich stGndig ändernden t;bergangswiderstand und Berührungsportentiale zur Erhöhung des Störsignalpegels beiträgt. Es ist deshalb vorteilhaft, die Elemente mit in der verstärkten Deckelektrode verlötenten oder verschweißten Kontaktdrähten 6 zu versehen, Dazu ist es zweckmäßig, sie vorher mit dem Verstärkurgsmetall der Deckelektrode, eventuell unter Zwischenschaltung weiterer Haftmetallschichten zu ummanteln.
  • Die Lötung der Schweißung erfolgt am besten mit Hilfe einer die Schemelzwärme zuführenden Spitze, die selbst nicht mit dem Yerstkungsmetall benetzt ist.
  • Die erfindungsgemäß 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 Zwischernäumen zwischen den für die Funktion notwendigen Umrahmungsritzen 4 und 5 außerhalb der für die Messung vorgesehenen Gebiete geführt werden. Hierbei können die beim Trennvorgang evtl. auftretenden 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 der Umrahmungsritz von dem MeBgebiet getrennt sind Derart gewonnene Sperrschicht-Differenz-Elemtente mit schmaler Tellfuge zeilen auch untere in ander sehr viel mehr Ähnlichkeit, als aus Einzelstücken hergestellte.
  • Die Anordnung des für die Abtastung des Meßlichtstromes benutzten Differenz-Elementes am Meßort muß genau wie seine Ableitung zum Modulator und Verstärker abgeschirmt erfolgen.
  • Das ia Modulator eingebaute Differenz-Element wird zweckmEßig von einer gewöhnlichen Glimmlampe intermittierend beleuchalle tet. Es eignen sich auch/anderen gut modulierbaren Lichtquellen oder auch die bekannten mechanischen Moduationsverfahren.
  • Obwohl ein durch die Erfindung erzielbarer technischer Fortschritt darin gesehen wird, daß sowohl auf der optischen als auch auf der elektrichen 8eite völlig ohne aeehanisch 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 abgeechirnt erfolgen, besonders gegenüber dem elektrischen Feld des die Lichtquelle oder andere Verstärkerteile erregenden Yeohselstromes. 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 Sohaltung der Meßelnrichtung gemäß der Erfindung zeigt Fig. 3. hierbei liegen die beiden Differenz-Elemente ß und 9 in iner brückenähnlichen Anordnung, wobei sich die die beiden Zweige bildenden Differenz-Elemente der beschriebenen Art nicht am gleichen Einbauort befinden müssen. Hierdurch wird für deri Vergleich von kleinen Helligkeitswerten ein Nullmeßverfahren ermöglicht. Die Brückendiagonale kann offen bleiben, was zu einer besonders einfachen Leitungsverbindung führt. Das zur Modulationseinrichtung gehörende Differenz-Photoelement 7 wird durch eine @@immlampe 10 intermittierend bleuchtet. Hioter einem Wechselspannungsverstärker 11 ist als phasenempfindlicher Gleichrichter ein Ringdemodulator 12 angeordnet, über den ein anzeigeinstrunont 15 betrieben wird. Selbstverständlich kann auch Jede andere Itldlkatorsystem elektronischer Art (magisches Auge, kathodenstrahloazillograph etc.) hinter dem Wechselspannungsverstärker 11 angesetzt werden. Ebenso ist es möglich, phasenempfindliche Motoren für die Betätigung von Stellgleidern in Reeglektrisen znauschließen.
  • Die am Eingang des Wechselspannungsverstärkers 11 liegende Wechselspannung hat die Form des Lichtstromverlaufes 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 i3t die Anwendung des erfindungsgemäßen dritt wd störspannungsfreien lichtelsktrischen Moeulators nicht auf die in Fig. 3 angegebene Schaltungsanordnung beschränkt.
  • Ebenso ißt das Verfahren zur Herstellung von Sperrschicht-Differenz-Photoelementen mit schmaler Tellfuge nicht auf die Erzielung nur einer lichtelektrischen Umkehrstelle beschränkt.
  • Es lassen sich eine Veilzahl sclcher feiner Teilfungen zu den verschiedensten Zwecken und mit den verschledensten geometrischen figuren in einer Deckelektrode mit Einzelebleitungen herstellen, um symmetrisch $verteilte Lichtstromdifferenzen an dem durch die Fugen jeweils gegebenen Ort objecktiv messend zu erfassen. Als Beispiel sei hier nur die Abtastung codierter Maßstäbe ganannt, wobei die Einsparung von optischen Hiflmittlen wessentlich st.

Claims (3)

  1. Patentansprüche 3. Einrichtung zum Vergleichen zweier Lichtströme geringer Intensität, bei der die beiden Lichtströme mittels eines Sperrschicht-Differenz-Photoelements in entsprecchende elektrische Strome umgewandelt und über eine Modulations0 einrichtung einem Wechsweltromverstärker mit nachgeschaltetem Anzeigeinstrument zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, da3 als lichtelektrischer Empfänger und Pü die Modulatisonseinrichtung zwei Sperschicht-Differnz-Photoelemente dienen, von denen jedes durch einen feinen, itten zwischen den beiden Kontaktstellen und über die ganze Breite verlaufenden Ritz, der nur die Deckelektrode und die Sperrschicht auftrennt in zwei gleichartige Photoelemente auf gemeinsamem Träger unterteil-t ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beladen Seiten des Teilungsirtzes liegenden, für die Messung benötigten flächengleichen Teilphotoelemente einschließlich der Kontakte der zugehörigen Stromabnahmeelektroden durch einen weiteren, die Deckelektrode und die Sperrschlicht auftrennenden Ritz umrandet sind, durch den die Randgebiete des Ausgangselmentes von der Messung ausgeschlossen sind.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnest, daß das zur Modulationseinrichtung gehörende Differenz Photoelement von einer intermittierenden Lichtquelle, beispielsweise einer Glimmlampe, beleuchtet wird, L e e r s e i t e
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