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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Oft wird aber eine objektive Einstellhife benmätigt, wo ein solcher
Aufwand unwirtschaftlich und raumäßig unangebracht ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Danit ist aber auch gleichzeitig die Forderung nach gleicher Strom-Spannungscharakteristik
weitgehend erfüllt.
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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.
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Die Lötung der Schweißung erfolgt am besten mit Hilfe einer die Schemelzwärme
zuführenden Spitze, die selbst nicht mit dem Yerstkungsmetall benetzt ist.
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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.
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Die Anordnung des für die Abtastung des Meßlichtstromes benutzten
Differenz-Elementes am Meßort muß genau wie seine Ableitung zum Modulator und Verstärker
abgeschirmt erfolgen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Selbstverständlich i3t die Anwendung des erfindungsgemäßen dritt
wd störspannungsfreien lichtelsktrischen Moeulators nicht auf die in Fig. 3 angegebene
Schaltungsanordnung beschränkt.
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Ebenso ißt das Verfahren zur Herstellung von Sperrschicht-Differenz-Photoelementen
mit schmaler Tellfuge nicht auf die Erzielung nur einer lichtelektrischen Umkehrstelle
beschränkt.
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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.