DE19835130A1

DE19835130A1 - Licht-Meßeinrichtung zur genauen und kontinuierlichen Messung von Lichtintensität

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Publication number: DE19835130A1
Application number: DE19835130A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Nishina
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: DE19835130C2; US5969809A

Description

1. Das Gebiet der Erfindung betrifft die Messung von Lichtintensitäten, und die vorliegen de Erfindung bezieht sich auf eine Licht-Meßeinrichtung zum Messen der Intensität von empfangenem Licht unter Verwendung einer Einrichtung zum Erfassen der Lichtmenge, wie einer Photodiode.

2. Der Stand der Technik kann folgendermaßen beschrieben werden:
Herkömmlicherweise wurde eine Licht-Meßeinrichtung wie ein Analysator für ein opti sches Spektrum für die Messung der Lichtmenge eines Lichtstrahls angewendet. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild dieses Typs einer Licht-Meßeinrichtung der bekannten Art. Diese herkömmliche Licht-Meßeinrichtung umfaßt eine Photodiode 2, eine Licht-Feststellungs schaltung 23, einen A/D-Wandler 24, eine Recheneinheit 16 und eine Sichtanzeige 25.

Die Photodiode 2 empfängt das Licht, das gemessen werden soll, und erzeugt ein Signal, das von der Intensität des Lichtes abhängt. Die Licht-Feststellungsschaltung 23 verstärkt das durch die Photodiode 2 ausgegebene Signal mit einem festen Amplitudenfaktor und gibt das Ergebnis aus. Der A/D-Wandler 24 führt die A/D-Umwandlung des von der Licht- Feststellungsschaltung 3 ausgegebenen Signals durch und gibt das Ergebnis als Meßdaten aus. Die Recheneinheit 16 empfängt die Meßdaten von dem A/D-Wandler 24, führt einen Prozeß durch, um die Meßdaten in Daten umzuwandeln, die auf einer Sichtanzeige 25 an gezeigt werden können, und auf dieser Sichtanzeige 25 wird das Ergebnis angezeigt.

Die Licht-Meßeinrichtung der bekannten Art gestattet Messungen von verschiedenen Lichtintensitäten. Jedoch ist der Nennstrom, der durch die Photodiode 2 fließen kann, fest eingestellt, und wenn über eine längere Zeitdauer als eine vorgegebene Zeitdauer Ströme fließen, die größer als der Nennstrom sind, führt dies zu einem Durchbruch der Photodiode.

Bei der Licht-Meßeinrichtung gemäß dem Stand der Technik führte deshalb der unbeab sichtigte Einfall von Licht mit Intensität, die größer als der Nennwert war, über eine Zeit dauer, die länger als die genannte vorgegebene Zeitdauer war, zu einem Durchbruch der Photodiode 2.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Ausgangsanschluß der Photodiode 2 mit Erde verbunden, und ihr Eingangsanschluß ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsver stärkers 3 verbunden. Der Operationsverstärker 3 hat einen nicht-invertierenden Eingangs anschluß, der auch geerdet ist, und einen Ausgangsanschluß, der zurückgeführt ist, um mit invertierenden Eingangsanschluß über einen Feedback-Widerstand 4 verbunden zu sein.

Bei einer Licht-Meßeinrichtung der oben beschriebenen Bauart erzeugt die Photodiode 2 ein von der Menge des einfallenden Lichtes abhängendes Signal, wenn ein zu messender Lichtstrahl auf die Photodiode 2 fällt. Dieses Signal wird verstärkt und durch den Operati onsverstärker 3 ausgegeben. Dieses Ausgangssignal gestattet die Messung der Lichtmenge des Lichtstrahls.

Die Lichtmenge des einfallenden Lichtstrahls variiert jedoch von schwach bis stark, und als Folge davon wird, wenn der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 3 konstant ist, dann der Bereich, in dem Messung durchgeführt werden kann, beschränkt sein.

Um dieses Problem zu beseitigen, ist eine in Fig. 3 dargestellte Licht-Meßeinrichtung be kannt, bei der ein Feedback-Widerstand 4 mit variablem Widerstandswert vorgesehen ist, durch den der Bereich der Messung der Lichtmenge ausgedehnt werden kann.

Diese Licht-Meßeinrichtung der bekannten Art umfaßt einen optischen Verschluß 1, eine Photodiode 2, einen Verstärker 33, einen A/D-Wandler 24, eine Recheneinheit 16, eine Sichtanzeige 25, einen Operationsverstärker 3, n Widerstände 8 ₁-8 _n, mit unterschiedlichen den Widerstandswerten und einen Schalter 10.

Der Schalter 10 besteht aus n Schaltern 9 ₁-9 _n, durch die ein spezifischer Widerstand von Widerständen 8 ₁-8 _n mit dem Operationsverstärker 3 verbunden wird, indem nur der Schalter geschlossen wird, der durch das Verstärkungsschaltsignal 102 bestimmt wird.

Die Photodiode 2 wandelt die Intensität des empfangenen Lichtes in ein Signal um und gibt das Ergebnis aus.

Der Operationsverstärker 3 verstärkt das Signal von der Photodiode 2 auf der Basis der Verstärkung, die durch den Widerstandswert desjenigen Widerstands von den Widerstän den 8 ₁-8 _n, der verbunden ist, bestimmt wird und gibt das Ergebnis aus.

Die Recheneinheit 16 steuert nicht nur das Einschalten (den Lichtdurchlaß)/das Ausschal ten (das Blockieren des Lichtdurchlasses) des optischen Verschlusses 1 auf der Basis des Steuersignals 101 für den optischen Verschluß, sondern schaltet die Verstärkung des Ope rationsverstärkers 3 auf der Basis der Verstärkungsschaltsignale 102 derart, daß die Meßda ten, die von dem A/D-Wandler 24 ausgegeben werden, in einen bestimmten festen Bereich fallen, und bewirkt, daß die Meßdaten von dem A/D-Wandler 24 auf der Sichtanzeige 25 angezeigt werden.

Das Arbeiten der Licht-Meßeinrichtung der bekannten Art wird nachfolgend erläutert. Die Recheneinheit 16 schaltet zuerst den optischen Verschluß 1 auf der Basis eines Steuersi gnals 101 für den optischen Verschluß ein und beginnt die Messung der Lichtintensität. Die Meßdaten der Lichtintensität werden dann über den Operationsverstärker 3, den Ver stärker 33 und den A/D-Wandler 24 der Recheneinheit 16 zugeführt.

Wenn die eingegebenen Daten nicht innerhalb eines bestimmten festen Bereiches liegen, schaltet die Recheneinheit 16 die Verstärkung des Operationsverstärkers 3 durch die Steu erschalter 9 ₁-9 _n des Schalter 10 auf der Basis der Verstärkungsschaltsignale 102. Zur Zeit der Umschaltung dieser Verstärkung und über ein fest vorgegebenes Zeitintervall danach schaltet die Recheneinheit 16 den optischen Verschluß 1 zu (zur Lichtblockierung) mittels Steuersignalen 101 für den optischen Verschluß und mißt die Daten, die von dem A/D-Wandler 24 während dieser Zeit als Offset-Spannung des Operationsverstärkers 3 abgege ben werden. Die Offset-Spannung ist die Spannung, die im Ausgang an dem Operations verstärker auftritt, wenn der Eingang Null ist.

Die Recheneinheit 16 schaltet dann den optischen Verschluß 1 auf der Basis eines Steuer signals 101 für den optischen Verschluß ein, mißt die Lichtintensität und subtrahiert die vorher gemessene Offset-Spannung von diesem Meßwert und zeigt die entstehenden Daten auf der Sichtanzeige 25 als die tatsächliche Lichtintensität an.

Fig. 4a zeigt eine graphische Darstellung der Änderung der Meßdaten, die vom A/D-Wandler 24 ausgegeben werden, in Abhängigkeit von der Meßzeit, und Fig. 4b zeigt eine graphische Darstellung der Änderung mit der Meßzeit von Daten als Folge der Subtraktion der Offset-Spannung von den in Fig. 4a gezeigten Meßdaten in der Recheneinheit 16.

In Fig. 4a repräsentieren Daten, die während der Zeit gemessen wurden, als der optische Verschluß ausgeschaltet war, die Offset-Spannung des Operationsverstärkers 3, und die tatsächlichen Daten, die in Fig. 4b gezeigt sind, können erhalten werden, indem diese Offset-Spannung von den Meßdaten subtrahiert wird. Das Intervall, während dessen der optische Verschluß geschlossen ist, ist ein Anzeigestopsignal an der Sichtanzeige 25, weil es keine Meßdaten gibt, die angezeigt werden können.

Der Betrag der Drift eines Operationsverstärkers differiert für jeden Operationsverstärker und variiert zusätzlich mit der Temperatur. Die Offset-Spannung des Operationsverstärkers wird deshalb wegen der Drift variieren, wenn es eine leichte Differenz zwischen der Tem peratur des Operationsverstärkers zur Zeit der Messung der Offset-Spannung und der Tem peratur des Operationsverstärkers zur Zeit der Messung der tatsächlichen Lichtintensität gibt, was zu dem Ergebnis führt, daß Fehler in die Meßdaten eingeführt werden.

Als nächstes wird eine Erklärung angegeben, die die Meßdaten im Falle der Drift dieser Offset-Spannung betrifft, wobei die Fig. 5a und die Fig. 5b benutzt werden.

Wie in Fig. 5a gezeigt ist, driftet der Betrag der Offset-Spannung während des Intervalls, in dem der optische Verschluß auf geschlossen geschaltet ist, und während dieses Intervalls wird ein durchschnittlicher Wert (Mittelwert) gemessen. Der durchschnittliche Wert dieser Offset-Spannung wird dann von den Meßdaten der Fig. 5a subtrahiert, um die in Fig. 5b gezeigten Daten zu erhalten. Die erhaltenen Daten schließen jedoch unvermeidbar einen Fehler ein, weil die Offset-Spannung driftet, auch nachdem die Offset-Spannung gemessen worden ist.

Die Temperaturdrift in der Offset-Spannung des Operationsverstärkers stoppt die Ände rung nach einem eingestellten Zeitintervall. Ein Offset-Spannungswert, bei dem der Effekt der Drift eliminiert ist, kann deshalb erhalten werden, wenn die Offset-Spannung gemessen wird, nachdem die Zeit verlängert worden ist, in der der Verschluß abgeschaltet ist, und die Drift stabilisiert sich. Da die Messung während des Zeitintervalls gestoppt werden muß, muß jedoch auch die Anzeige auf der Sichtanzeige 25 ausgesetzt werden.

Darüber hinaus erweitert die bekannte, in Fig. 3 gezeigte Licht-Meßeinrichtung den Meß bereich der Lichtmenge, weil die Verstärkung des Operationsverstärkers 3 verändert wer den kann. Die Drift des Operationsverstärkers 3 steigt auch an, wenn die Lichtmenge in einem Lichtstrahl mit hoher Intensität gemessen wird, weil die Ausgangsspannung ansteigt und die Temperatur steigt, und die Meßgenauigkeit wird deshalb verringert, wenn die Lichtmenge in einem Lichtstrahl mit niedriger Intensität gemessen wird, nachdem ein Lichtstrahl mit einer hohen Intensität gemessen worden ist.

Obgleich das durch die o.g. Photodiode erzeugte Signal im wesentlichen direkt proportio nal zu der Menge des einfallenden Lichtes ist, zeigen darüber hinaus einige Photodioden eine derartige Charakteristik, daß das erzeugte Signal gesättigt ist, wenn die Photodiode mit einer großen Lichtmenge bestrahlt wird. In einer Licht-Meßeinrichtung, bei der eine Photodiode mit der Sättigungscharakteristik verwendet wird, kann die Sättigungscharakte ristik üblicherweise verbessert werden, indem eine Vorspannung mit entgegengesetzter Polarität zu dem erzeugten Strom auf die Photodiode angewendet wird. Eine Licht- Meßeinrichtung, bei der eine Photodiode 12 mit der vorgenannten Sättigungscharakteristik verwendet wird, wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.

Im Gegensatz zu der Licht-Meßeinrichtung von Fig. 2 verwendet diese Licht- Meßeinrichtung eine Photodiode 12 mit einer Sättigungscharakteristik anstelle der Photo diode 2, und sie ist zusätzlich mit einer Vorspannungsenergiequelle 14 zwischen der Er dung und dem Ausgangsanschluß der Photodiode 12 versehen, um eine umgekehrte Vor spannung an die Photodiode 12 mittels eines Widerstands 13 anzulegen.

In der vorstehend beschriebenen Licht-Meßeinrichtung gestattet das Anlegen einer Vor spannung mit einer Polarität, die entgegengesetzt zu der des in der Photodiode 12 erzeug ten Stromes ist, durch eine Vorspannungsenergiequelle 14 eine Verbesserung in der Sätti gungscharakteristik der Photodiode 12, was seinerseits einen Strom erzeugt, der der Licht menge in einem Lichtstrahl entspricht.

Darüber hinaus ist der durch eine Photodiode, die diesen Typ der Sättigungscharakteristik nicht aufweist, erzeugte Strom im wesentlichen direkt proportional zu der Lichtmenge, und die Photodiode wird deshalb mit Strom versorgt bis zu der Ausgangsgrenze des Operati onsverstärkers 3, wenn die Lichtmenge übermäßig hoch ist.

Durch die Photodiode fließt ein übermäßig hoher Strom, der den zulässigen Nennstrom überschreitet, wenn die Lichtmenge übermäßig groß ist, und die Photodiode neigt deshalb zum Durchbruch. Wenn der durch die Photodiode 12 erzeugte Strom in der Licht- Meßeinrichtung von Fig. 6 ansteigt, steigt jedoch auch die über dem Widerstand 13 er zeugte Spannung an, wodurch die Vorspannung, die an die Photodiode 12 angelegt ist, sinkt und die Sättigungscharakteristik der Photodiode 12, die unterdrückt worden war, wird deutlich sichtbar. Der durch die Photodiode 12 fließende Strom wird-dann durch diese Sät tigungscharakteristik behindert mit dem Ergebnis, daß das Fließen von übermäßigem Strom durch die Photodiode 12 unterdrückt werden kann.

Die Linearität der Messung der Lichtmenge sinkt, wenn dieser Typ der Sättigungscharak teristik merklich wird, und die Meßgenauigkeit der Lichtmenge wird deshalb schlechter, wenn die Lichtmenge ansteigt.

Wenn weiterhin die Lichtstrahlen niedrige Intensität aufweisen, gibt die Vorspannung der Vorspannungsquelle 14 Anlaß zum Ansteigen eines Dunkelstromes der Photodiode 12, wodurch ein Offset in dem Ausgangsergebnis erzeugt wird und die Meßgenauigkeit ver schlechtert wird.

Aus diesem Grund ist in der Licht-Meßeinrichtung, die in Fig. 7 gezeigt ist, ein Relais 17 zwischen der Vorspannungsquelle 14 und der Photodiode 12 vorgesehen, um so das Schalten des Anlegens einer Vorspannung gestatten.

Das Relais 17 gestattet die Verbindung des Ausgangsanschlusses der Photodiode 12 ent weder zur Vorspannungsquelle 14 oder zum Erdungsanschluß 15.

Und zwar gestattet bei dieser Licht-Meßeinrichtung das Relais 17, daß der Ausgangsan schluß der Photodiode 12 mit dem Erdungsanschluß 15 verbunden wird, wenn ein Licht strahl mit niedriger Intensität gemessen wird, und verhindert dadurch das Auftreten von Offset-Spannung durch Dunkelstrom in den Ausgangsergebnissen.

Jedoch erfordert das Relais 17 Zeit für die Umschaltverbindungen, und bei der oben be schriebenen Licht-Meßeinrichtung treten deshalb Schwierigkeiten auf, wenn kontinuierlich Lichtstrahlen mit Wechsel von hoher Intensität zu niedriger Intensität gemessen werden. Ein Analogschalter kann in Betracht gezogen werden, um diese Schaltung von Verbindun gen durchzuführen, aber ein Analogschalter erzeugt einen hohen Leckstrom und verkom pliziert deshalb exakte Messung, wenn die Lichtmenge bei niedrigen Intensitäten gemessen wird.

Die vorliegende Erfindung kann folgendermaßen kurz beschrieben werden:
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Licht-Meßeinrichtung zu schaffen, mit der Lichtstrahlen mit niedriger Intensität bis zu hoher Intensität kontinuierlich und exakt ge messen werden können, und bei der insbesondere eine Einrichtung zum Erfassen der Lichtmenge, wie eine Photodiode, durch das Auftreffen eines Lichtstrahls mit einer hohen Lichtmenge nicht beschädigt wird, und bei der andererseits der Effekt der Drift der Offset- Spannung eines Operationsverstärkers reduziert wird, ohne daß die Meßzeit der Offset- Spannung verlängert wird, um dadurch Meßdaten mit hoher Genauigkeit erhalten zu kön nen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden in den Ansprüchen 1, 4, 8, 11 und 19 Licht-Meßein richtungen angegeben, die diese Aufgabe lösen.

Die oben beschriebenen Ziele werden dadurch erreicht, daß die Licht-Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung den Lichtdurchgang des auf die Lichtmengen-Erfassungseinrich tung fallenden Lichtes mittels eines optischen Verschlusses blockiert, wenn die Intensität eines zu messenden Lichtstrahls den Nennwert der Lichtmengen-Erfassungseinrichtung überschreitet. Demzufolge wird Durchbruch der Lichtmengenerfassungseinrichtung ver hindert, weil der Lichtstrahl mit der Intensität, die den Nennwert überschreitet, für eine Zeitdauer, die größer als eine voreingestellte Zeit ist, nicht auf die Lichtmengenerfassungs einrichtung treffen kann.

In einer Ausführungsform blockiert der optische Verschluß in einer anderen Licht- Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung das Auftreffen von Licht auf die Lichtmen gen-Erfassungseinrichtung, wenn sich die Energiequelle der Licht-Meßeinrichtung in ei nem ausgeschalteten Zustand befindet. Demzufolge kann die Lichtmengenerfassungsein richtung geschützt werden, wenn sich die Energiequelle in einem ausgeschalteten Zustand befindet, und die Licht-Meßeinrichtung arbeitet nicht.

Bei einer anderen Licht-Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung mißt darüber hinaus eine Recheneinheit den Umwandlungsfaktor der Offset-Spannung des Operationsverstär kers, erzeugt eine Näherungsgleichung, die die Umschaltzeit der Offset-Spannung auf der Basis dieses Umwandlungsfaktors annähert, subtrahiert von den Meßdaten die Offset- Spannung, die durch die Näherungsgleichung berechnet wird, und macht das Ergebnis zu den neuen Meßdaten, um dadurch eine Reduzierung des in den Meßdaten enthaltenen Fehlers zu ermöglichen.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine lineare Funktion als Nä herungsgleichung angewendet werden.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Exponential funktion als Näherungsgleichung verwendet werden.

Eine andere Licht-Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorspannungs quelle, um eine Photodiode mit einer Vorspannung entgegengesetzter Polarität zu der des durch die Photodiode erzeugten Stromes zu beaufschlagen, mit dem Ziel, die Sättigungs charakteristik zu verbessern. Diese Licht-Meßeinrichtung umfaßt weiterhin eine Dioden schutzschaltung, die die Vorspannung begrenzt, die der Photodiode von der Vorspan nungsquelle angelegt wird, wenn der Erregerstrom der Photodiode einen Grenzstrom er reicht, und den Erregerstrom für die Photodiode auf oder unter einen Grenzstrom steuert, der im voraus eingestellt worden ist.

Der die Photodiode erregende Strom überschreitet deshalb nicht einen Grenzstrom und ein Durchbruch der Photodiode wird verhindert.

Weiterhin wird in einer anderen Licht-Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vorspannung von einer Vorspannungsquelle an eine Photodiode mittels einer ersten Schalteinrichtung und einer zweiten Schalteinrichtung angelegt. Die erste Schalteinrich tung und die zweite Schalteinrichtung werden in einen EIN-Zustand gesetzt, wenn der Lichtstrahl, der gemessen werden soll, eine hohe Intensität aufweist. Wenn der Lichtstrahl, der gemessen werden soll, von mittlerer Intensität ist, wird nur die erste Schalteinrichtung in einen AUS-Zustand gesetzt und die Photodiode wird nicht mit einer Vorspannung be aufschlagt. Wenn der zu messende Lichtstrahl eine niedrige Intensität hat, wird die zweite Schalteinrichtung in einen AUS-Zustand gesetzt, wodurch keine Vorspannung an die Pho todiode angelegt wird.

Die erste Schalteinrichtung ist in der Lage, Schaltung mit hoher Geschwindigkeit durchzu führen, hat jedoch einen großen Leckstrom. Die zweite Schalteinrichtung hat einen kleine ren Leckstrom als die erste Schalteinrichtung, hat jedoch eine geringe Schaltgeschwindig keit. Demzufolge können Lichtstrahlen mit niedriger Intensität bis zu hoher Intensität ge nau und kontinuierlich gemessen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Licht-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung erden die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung die Photodiode, wenn die Vor spannungsquelle und die Photodiode in einen nicht verbundenen Zustand gebracht werden. Die Vorspannung der Photodiode kann auf diese Weise zuverlässig auf "0" gesetzt werden, wodurch höhere Genauigkeit der Messung von Lichtstrahlintensität möglich wird.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Schalteinrichtung ein Analogschalter, und die zweite Schalteinrichtung ist ein Photo-MOS-Relais.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Schalteinrich tung ein Analogschalter, und die zweite Schalteinrichtung ist ein mechanisches Relais.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Schalteinrich tung ein Photo-MOS-Relais, und die zweite Schalteinrichtung ist ein mechanisches Relais.

Schließlich ist eine andere Licht-Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung getrennt mit einem ersten Operationsverstärker zum Messen von Lichtstrahlen hoher Intensität und mittlerer Intensität und einem zweiten Operationsverstärker zum Messen von Lichtstrahlen mit niedriger Intensität versehen. Der erste Operationsverstärker wärmt sich auf und er zeugt eine Drift, wenn Lichtstrahlen mit mittlerer Intensität bis zu hoher Intensität gemes sen werden, aber die Meßergebnisse der Lichtstrahlen mit niedriger Intensität werden durch die Drift nicht beeinflußt, weil die Messung mittels des zweiten Operationsverstär kers durchgeführt wird. Diese Einrichtung ermöglicht deshalb genaue Messung von Licht mengen von Lichtstrahlen mit niedriger Intensität.

Die vorstehend beschriebenen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Beispiele der vorliegenden Erfindung erläutern.

Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das die Auslegung einer Licht-Meßeinrichtung bekannter Art zeigt;

Fig. 2 ist ein Schaltdiagramm von Teilen, die mit der Photodiode 2 in der Lichtfeststel lungsschaltung 23 verbunden sind;

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Licht-Meßeinrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigt, die in der Lage ist, die Verstärkung des Operationsverstär kers 3 zu schalten;

Fig. 4a zeigt Meßdaten vor dem Subtrahieren des Offset-Spannungsanteils, und Fig. 4b zeigt Meßdaten nach dem Subtrahieren des Offset-Spannungsanteils (in Fällen, wenn keine Temperaturdrift vorhanden ist);

Fig. 5a zeigt Meßdaten vor dem Subtrahieren des Offset-Spannungsanteils, und Fig. 5b zeigt Meßdaten nach dem Subtrahieren des Offset-Spannungsanteils (in Fällen, wenn Temperaturdrift vorhanden ist);

Fig. 6 ist ein Schaltdiagramm, das die prinzipiellen Bestandteile einer Licht-Meßein richtung gemäß dem Stand der Technik zeigt, bei der eine Photodiode 12 mit einer Sättigungscharakteristik verwendet wird;

Fig. 7 ist ein Schaltdiagramm, das die prinzipiellen Bauteile einer anderen Licht- Meßeinrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigt, bei der eine Photodiode 12 mit einer Sättigungscharakteristik angewendet wird;

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Licht-Meßeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9a und Fig. 9b zeigen die jeweilige tatsächliche Konfiguration des optischen Verschlusses 1 in Fig. 8;

Fig. 10 zeigt die Annäherungskurve, bei der eine lineare Funktion für die Näherungsglei chung verwendet wird, und die tatsächliche Kurve der Drift der Offset-Spannung des Operationsverstärkers in einer Licht-Meßeinrichtung gemäß der zweiten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11a zeigt Meßdaten vor dem Subtrahieren der Offset-Spannung, und Fig. 11b zeigt Meßdaten nach dem Subtrahieren der Offsetspannung;

Fig. 12 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration einer Licht-Meßeinrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 13 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Licht-Meßeinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Lichtmenge des auf die Photodiode 12 einfallenden Lichtes und dem Erregerstrom zeigt;

Fig. 15 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Licht-Meßeinrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 16 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Licht-Meßeinrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 17 ist ein Schaltbild, das den inneren Aufbau des Photo-MOS-Relais 35 in Fig. 16 zeigt; und

Fig. 18 ist ein Schaltbild, das den inneren Aufbau des Analogschalters 36 in Fig. 16 zeigt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Licht-Meßeinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorligenden Erfindung wird zuerst unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert. Bezugszeichen, die zu denjenigen, die in Fig. 1 verwendet worden sind, identisch sind, geben äquivalente Bauelemente an.

Die Licht-Meßeinrichtung dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der Licht- Meßeinrichtung gemäß der Stand der Technik nach Fig. 1 dadurch, daß die erstere mit dem optischen Verschluß 21 ausgestattet ist, der den Durchgang von Licht blockiert, das auf die Photodiode 2 fällt, wenn das Steuersignal 101 für den optischen Verschluß eingegeben wird, und die Recheneinheit 26 anstelle der Recheneinheit 16, die in Fig. 1 gezeigt ist, vor gesehen ist.

Zusätzlich zu den Funktionen der Recheneinheit 16, hat die Recheneinheit 26 eine Funkti on, ein Steuersignal 101 für den optischen Verschluß auszugeben, wenn das Meßsignal, das von dem A/D-Wandler 24 ausgegeben wird, gleich einem vorgegebenen vorgeschrie benen Wert ist oder diesen überschreitet, und schließt den optischen Verschluß 21, um dadurch den Durchgang von Licht auf die Photodiode 2 abzublocken.

Der tatsächliche Aufbau des optischen Verschlusses 21 wird zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 9a und Fig. 9b beschrieben.

Dieser optische Verschluß 21 besteht aus einer Spule 92, die einen Kern 93 einzieht, wenn das Steuersignal 101 für den optischen Verschluß ausgegeben wird und Strom zugeführt wird; einer Feder 90, deren eines Ende mit dem Kern 93 verbunden ist, die Kraft in der Richtung ausübt, daß der Kern 93 aus der Spule 92 herausgezogen wird; und einem Sperr glied 94 zum Unterbrechen des Lichtweges des Lichtes, das auf die Photodiode 2 fällt, von dem ein Ende mit dem Kern 93 verbunden ist und das in der Nähe seines Mittelpunkts mit einer Drehachse 91 versehen ist.

Wenn der Spule 92 kein Strom zugeführt wird, ragt der Kern 93 aus der Spule 92 unter der Einwirkung der Kraft der Feder 90 heraus, wie es in Fig. 9a gezeigt ist, und das Sperrglied 94 sperrt den Lichtweg ab. Wenn der Spule 92 Strom zugeführt wird, wird der Kern 93 in die Spule 92 hineingezogen und das Sperrglied 94 dreht sich um die Drehachse 91, wie es Fig. 9b gezeigt ist, wodurch der optische Verschluß 21 in einen Zustand kommt, in dem der Lichtweg nicht blockiert und freigegeben ist.

Der Betrieb dieser Einrichtung wird zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 8, Fig. 9a und in Fig. 9b beschrieben.

In einem Fall, in dem Licht, das gleich dem Nennwert ist oder diesen überschreitet, auf die Photodiode 2 einfällt, gibt die Recheneinheit 26 ein Steuersignal 101 für den optischen Verschluß in Übereinstimmung mit Meßdaten aus, die über die Licht-Feststellungsschal tung 23 und den A/D-Wandler 24 eingegeben werden, so daß der optische Verschluß 21 geschlossen wird. Als Ergebnis tritt der optische Verschluß 21 in einen geschlossenen Zu stand ein, und Licht, das auf die Photodiode 2 fallen würde, wird blockiert.

Die Recheneinheit 26 hält dann diesen Zustand aufrecht, bis Meßdaten vom A/D-Wandler 24 unter den eingestellten vorgeschriebenen Wert fallen, bis ein vorgegebenes Zeitintervall vergangen ist oder bis sie von außen wieder rückgestellt wird.

Wenn die Energiequelle für die Licht-Meßeinrichtung in diesem Zustand abgeschaltet wird, wird das Steuersignal 101 für den optischen Verschluß nicht mehr weiter ausgege ben, und der optische Verschluß 21 wird deshalb automatisch geschlossen und tritt in den Zustand der Fig. 9a ein, wodurch der Lichtweg des auf die Photodiode 2 fallenden Lichtes abgeschnitten wird. Die Photodiode 2 kann auf diese Weise gegen Beschädigung geschützt werden, selbst in Fällen, in denen die Energiezufuhr unterbrochen wird und die Rechenein heit 26 nicht arbeitet.

Zweites Ausführungsbeispiel

Als nächstes folgt eine Beschreibung der Licht-Meßeinrichtung gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Licht-Meßeinrichtung dieser Ausführungsform erfaßt Drift in der Offset-Spannung des Operationsverstärkers, die gemessen wird, während der optische Verschluß geschlossen ist, erzeugt eine Näherungsgleichung, die die Änderung in der nachfolgenden Offset-Spannung auf der Basis dieser Änderungsrate voraussagt, subtrahiert den Betrag der Offset-Span nung, die durch diese Näherungsgleichung vorausgesagt worden ist, von den Meßdaten und zeigt das Ergebnis an.

Derartige Annäherungsgleichungen werden folgendermaßen dargestellt:

Y = kt+A (t≧t₁) (1)
Y = B (t<t₁) (2)

Darin bezeichnet Y die Offset-Spannung des Operationsverstärkers, t gibt das Meßintervall an, A und k geben die Koeffizienten an, die durch die Drift bestimmt sind, und B gibt die Offset-Spannung an, wenn sich die Drift stabilisiert hat.

Fig. 10 zeigt die Annäherungskurve, die unter Verwendung dieser linearen Funktion als Näherungsgleichung erhalten wird, und die tatsächliche Kurve der Drift der Offset-Span nung des Operationsverstärkers. In dieser graphischen Darstellung gibt die ausgezogene Linie die Kurve der Drift der Offset-Spannung des Operationsverstärkers an, und die durchbrochene Linie gibt die Annäherungskurve an.

Fig. 11a und Fig. 11b zeigen Meßdaten von Lichtintensität für einen Fall, in dem Messung unter Verwendung dieser Naherungsgleichungen durchgeführt wird. Fig. 11a zeigt Meß daten vor der Subtraktion der Offset-Spannung, während Fig. 11b Meßdaten nach Subtrak tion der Offset-Spannung zeigt.

Ein Vergleich der Meßdaten von Fig. 5b für einen Fall, in dem die Licht-Meßeinrichtung bekannter Art verwendet wird, mit der graphischen Darstellung von Fig. 11b für einen Fall, in dem die Licht-Meßeinrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet wird, zeigt eine Reduzierung in dem enthaltenen Fehler.

Drittes Ausführungsbeispiel

Als nächstes folgt eine Erläuterung der Licht-Meßeinrichtung gemäß dem dritten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Während der Betrag der Drift unter Verwendung einer linearen Funktion in dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel angenä hert wurde, nähert dieses Ausführungsbeispiel den Betrag der Drift unter Verwendung ei ner Exponentialfunktion an, die folgendermaßen dargestellt wird:

Y = C(1-e^-kt) (3)

Dabei gibt Y die Offset-Spannung des Operationsverstärkers an, t gibt das Meßintervall an und C und k geben Koeffizienten an, die durch die Drift bestimmt sind.

Obgleich die Näherungsgleichung dieses Ausführungsbeispiels komplexer ist als das des vorher beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels, ermöglicht es eine engere Annähe rung an die tatsächliche Drift in der Offset-Spannung des Operationsverstärkers und er möglicht eine weitere Reduzierung des in den Meßdaten enthaltenen Fehlers.

Obgleich die Drift in der Offset-Spannung unter Verwendung einer linearen Funktion in dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel und unter Verwendung einer Expo nentialfunktion in dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel angenähert wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Formen beschränkt und gestattet eine Annähe rung der Drift unter Anwendung anderer numerischer Formeln.

Viertes Ausführungsbeispiel

Als nächstes wird die Licht-Meßeinrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert.

Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Licht- Meßeinrichtung der bekannten Art, die in Fig. 3 gezeigt ist, insofern, als die erstere zusätz lich mit einem Operationsverstärker 44, einem Feedback-Widerstand 50, einem Verstärker schalter 45 und einem Ausgangsschalter 46 versehen ist.

Der Ausgangsschalter 46 wählt den Ausgang entweder zum Operationsverstärker 3 oder zum Operationsverstärker 44 aus und legt den Ausgang an den Verstärkerabschnitt 33.

Der Verstärkerschalter 45 wählt entweder den invertierenden Eingangsanschluß des Ope rationsverstärkers 3 oder den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 44 aus und verbindet den Eingangsanschluß der Photodiode 2 mit dem ausgewählten in vertierenden Anschluß. Weiterhin ist der ausgewählte Zustand des Verstärkerschalters 45 mit dem Ausgangsschalter 46 koordiniert.

Mit dem Operationsverstärker 44 ist ein Feedback-Widerstand 50 verbunden, der einen größeren Widerstandswert aufweist als jeder der Widerstände 8 ₁-8 _n Wenn die Lichtmenge von Lichtstrahlen mit hoher Intensität bis zu mittlerer Intensität mit der Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels gemessen werden, ist der Operati onsverstärker 3 mit der Photodiode 2 mittels des Verstärkerschalters 45 verbunden, und der Operationsverstärker 3 ist mit dem Verstärkerabschnitt 33 mittels des Ausgangsschalters 46 verbunden.

In diesem Zustand wird der erzeugte Strom der Photodiode 2 in richtiger Weise durch den ersten Operationsverstärker 3 durch Schalten der Feedback-Widerstände 8 ₁-8 _n des Operati onsverstärkers 3 auf der Basis der Intensität des Lichtstrahls verstärkt, und die Lichtmenge der Lichtstrahlen mit hoher Intensität bis zu mittlerer Intensität können effektiv gemessen werden.

Wenn die Lichtmenge eines Lichtstrahls mit niedriger Intensität gemessen wird, wird je doch der Operationsverstärker 44 mit der Photodiode 2 mittels des Verstärkerschalters 45 verbunden, und der Operationsverstärker 44 ist mit dem Verstärkerabschnitt 33 mittels des Ausgangsschalters 46 verbunden.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist der Operationsverstärker 44 mit dem Feedback- Widerstand 50 verbunden, der einen Widerstandswert aufweist, der höher als jede der Feedback-Widerstände 8 ₁-8 _n des Operationsverstärkers 3 ist. Der Operationsverstärker 44 kann somit das Signal, das von Photodiode 2 erzeugt worden ist, mit einem großen Ver stärkungsfaktor verstärken, wodurch ein hohes S/N-Verhältnis aufrechterhalten werden kann, und die Lichtmenge in einem Lichtstrahl mit niedriger Intensität kann ebenfalls ef fektiv gemessen werden.

Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels verwendet den Operationsverstär ker 3 auf die gleiche Weise wie beim Stand der Technik im Falle von Lichtstrahlen mit mittlerer Intensität bis hoher Intensität, und verwendet den Operationsverstärker 44 nur für Lichtstrahlen mit niedriger Intensität.

Wenn Lichtstrahlen mit mittlerer Intensität bis zu hoher Intensität gemessen werden, wärmt sich der Operationsverstärker 3 auf und gibt Anlaß für Drift, aber die Messung von Licht strahlen mit niedriger Intensität wird durch den Operationsverstärker 44 durchgeführt und Drift aufgrund von Wärmeerzeugung beeinflußt deshalb nicht die Meßergebnisse. Auf die se Weise wird eine genaue Messung der Lichtmenge für Lichtstrahlen mit niedriger Inten sität ermöglicht.

In der Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels werden weiterhin, wenn Verbin dungen zwischen der Photodiode 2 und den Operationsverstärkern 3 und 44 durch den Ver stärkerschalter 45 geschaltet werden, ebenfalls Verbindungen zwischen den Operationsver stärkern 3 und 44 und dem Verstärkerabschnitt 33 gleichzeitig mittels des Ausgangsschal ters 46 geschaltet. Deshalb leckt die ausgewählte Ausgangsspannung von den Ausgangs spannungen der Operationsverstärker 3 und 44 nicht zu der anderen nicht ausgewählten Ausgangsspannung.

Obgleich ein Beispiel dargestellt wurde, bei dem zwei Operationsverstärker 3 und 44 für eine Photodiode 2 in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, können auch drei oder mehr Operationsverstärker angewendet werden.

Schließlich kann bei der Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels auch die Pola rität der Photodiode 2 umgekehrt werden.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Als nächstes wird die Erläuterung eines fünften Ausführungsbeispiels für die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 13 durchgeführt. Bezugszeichen, die zu solchen in Fig. 6 identisch sind, bezeichnen äquivalente Bauelemente.

Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels weist auch eine Photodiode 12 mit einer Sättigungscharakteristik wie in der Licht-Meßeinrichtung gemäß dem Stand der Technik, die in Fig. 6 gezeigt ist, auf. Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbei spiels unterscheidet sich von der Licht-Meßeinrichtung gemaß dem Stand der Technik, der in Fig. 6 gezeigt ist, insofern, als die erstere zusätzlich mit einer Diodenschutzschaltung 55 anstelle von Widerstand 13 versehen ist.

In der Diodenschutzschaltung 55 ist die Energiequelle 27 (+V) mit dem Ausgangsanschluß der Photodiode 12 mittels des Transistors 28 und dem stromnachweisenden Widerstand 29 verbunden, und der Ausgangsanschluß der Photodiode 12 ist mit dem invertierenden Ein gangsanschluß des Operationsverstärkers 30 verbunden.

Eine Vorspannungsquelle 14 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß dieses Operationsverstärkers 30 verbunden, und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 30 ist mit der Basiselektrode des Transistors 28 und der Kollektorelektrode des Transistors 32 über den Widerstand 31 verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 32 ist mit dem Ausgangsanschluß der Photodiode 12 verbunden, und die Basiselektrode des Transistors 32 ist mit der Emitterelektrode des Transistors 28 verbunden.

Der Operationsverstärker 30 hält die Ausgangsspannung der Photodiode 12 auf dem glei chen Niveau wie die Vorspannung der Vorspannungsquelle 14, der Transistor 28 erregt die Photodiode 12 mit einem Strom, der der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 30 entspricht, und der stromnachweisende Widerstand 29 wandelt den Erregerstrom für Tran sistor 28 und die Photodiode 12 in eine Spannung um und legt diese Spannung an die Basi selektrode des Transistors 32.

Der Transistor 32 wechselt von einem ausgeschalteten Zustand zu einem eingeschalteten Zustand und schließt den Widerstand 31 kurz zu dem invertierenden Eingangsanschluß von Operationsverstärker 30, wenn die erzeugte Spannung des stromnachweisenden Wider stands 29 eine vorherbestimmte Spannungsgrenze erreicht hat, um dadurch den Strom, der Transistor 28 und die Photodiode 12 erregt, auf die Stromgrenze oder tiefer zu drücken.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau erzeugt die Licht-Meßeinrichtung der vorliegenden Ausführungsform Strom, der der Lichtmenge des auf die Photodiode 12 einfallenden Lichtes entspricht, wenn ein Lichtstrahl, der gemessen werden soll, auf die Photodiode 12 auftrifft. Dieser Strom wird verstärkt und durch den Operationsverstärker 3 ausgegeben, so daß eine Messung der Lichtmenge aus diesem Ausgangssignal möglich ist.

Die Photodiode 12, die eine Sättigungscharakteristik hat, erzeugt einen Strom, der der Lichtmenge eines Lichtstrahls entspricht, hat eine verbesserte Sättigungscharakteristik, weil eine Vorspannung mit entgegengesetzter Polarität zu dem in der Photodiode 12 erzeugten Strom durch eine Vorspannungsquelle 14 angelegt wird.

In einem Fall, bei dem der durch die Photodiode 12 erlaubte Nennstrom durch den strom nachweisenden Widerstand 29 in Spannung umgewandelt wird, wird der Transistor 32 durch diese Spannung von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand verändert, wodurch ein Grenzstrom, der dem Nennstrom der Photodiode 12 entspricht, in der Diodenschutzschaltung 55 eingestellt wird, und die Diodenschutzschaltung 55 steuert den Strom, der die Photodiode 12 erregt, so auf den Grenzstrom oder niedriger.

Der Strom, der die Photodiode 12 erregt, wird somit bei oder unterhalb des Grenzstromes gehalten, wie es in Fig. 14 gezeigt ist, wobei ein Strom, der den Nennstrom stark über steigt, nicht weiter zu der Photodiode 12 fließen kann, und Durchbruch der Photodiode 12 kann selbst in Fällen verhindert werden, in denen ein Lichtstrahl mit einer übermäßigen Lichtmenge eingeführt wird.

Wenn darüber hinaus der Strom, der die Photodiode 12 erregt, den Nennstrom erreicht, wird auch das Anlegen von Vorspannung begrenzt, um dadurch noch weiteren Schutz ge gen Durchbruch der Photodiode 12 zu gewährleisten. Da Vorspannung an die Photodiode 12 angelegt wird, bis der erregende Strom den Nennstrom erreicht, wird die Linearität der Charakteristik der Photodiode 12 stark verbessert, während sie in dem lichtmessenden Zu stand ist.

Außerdem weist das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verbesserte Charakteri stiken auf, weil die Vorspannung durch die Vorspannungsquelle 14 an die Photodiode 12 angelegt wird, die eine Sättigungscharakteristik hat.

Die Vorspannungsquelle 14 kann auch weggelassen werden, so daß keine Vorspannung an die Photodiode 12 angelegt wird. Wie in Fig. 14 gezeigt ist, wird die Linearität der Cha rakteristik der Photodiode 12 in solch einem Falle verschlechtert, aber die Diodenschutz schaltung 55 drückt noch immer den Erregerstrom der Photodiode 12 auf den Grenzstrom oder tiefer.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Als nächstes wird eine Licht-Meßeinrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert.

In dem vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel wurde ein Beispiel darge stellt, bei dem der Operationsverstärker 3 mit dem Eingangsanschluß der Photodiode 12 verbunden ist, und das Ergebnis der Erfassung der Lichtmenge wurde durch Strom mit einer negativen Polarität ausgegeben. In der Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbei spiels ist jedoch der Operationsverstärker 3 mit dem Ausgangsanschluß der Photodiode 12 verbunden und das Ergebnis der Erfassung der Lichtmenge wird durch Strom mit einer positiven Polarität ausgegeben.

In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Diodenschutzschaltung 56 anstelle der Dioden schutzschaltung 55 verwendet, wie es in Fig. 15 gezeigt ist. Diese Diodenschutzschaltung 56 unterscheidet sich von der Diodenschutzschaltung 55 darin, daß die Transistoren 28 und 32, die npn-Transistoren waren, durch Transistoren 68 und 62 ersetzt worden sind, die pnp-Tran sistoren sind, und die Energiequelle 7 (-V) an der Kollektorelektrode des Transistors 68 anliegt. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 30 ist mit der Vorspannungsquelle 14 verbunden, und der nicht invertierende Eingangsanschluß ist mit Eingangsanschluß der Photodiode 12 verbunden.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Als nächstes wird eine Licht-Meßeinrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 16 erläutert.

Fig. 17 ist ein Schaltbild, das den inneren Aufbau des Photo-MOS-Relais 35 zeigt, das in Fig. 16 angegeben ist, und Fig. 18 ist ein Schaltbild, das den inneren Aufbau eines Analog schalters 36 zeigt, der auch in Fig. 16 angegeben ist.

Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Licht- Meßeinrichtung gemäß dem Stand der Technik, die in Fig. 6 gezeigt ist, insofern, als die erstere zusätzlich mit einem Photo-MOS-Relais 35 und einem Analogschalter 36 anstelle des Widerstandes 13 versehen ist.

Dieses Photo-MOS-Relais 35 verbindet selektiv den Ausgangsanschluß der Photodiode 12 mit dem Analogschalter 36 oder mit dem Erdungsanschluß 38. Weiterhin verbindet der Analogschalter 36 selektiv das Photo-MOS-Relais 35 mit der Vorspannungsquelle 14 oder dem Erdungsanschluß 37.

Wie in Fig. 17 gezeigt ist, wird das Photo-MOS-Relais 35 aus einem Typ eines Licht kupplers gebildet und besteht aus der Photodiode 75 und dem Photo-MOS-Transistor 76.

In diesem Photo-MOS-Relais 35 schaltet die Photodiode 75 ein und gibt ein optisches Si gnal aus, wenn das Steuersignal 103 ein hohes Niveau aufweist. Der Photo-MOS-Tran sistor 76 tritt in einen leitfähigen Zustand durch die Eingabe dieses optischen Signals ein.

Wie in Fig. 18 gezeigt ist, besteht der Analogschalter 36 aus vier MOS-Transistoren.

Wenn das Steuersignal 104 ein hohes Niveau bekommt, schaltet der MOS-Transistor 74 ein und der Analogschalter 36 tritt in einen leitfähigen Zustand ein. Das Steuersignal 104 wird dann logisch invertiert durch einen Inverter, der aus den MOS-Transistoren 71 und 72 besteht, und an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 73 eingegeben. Der MOS- Transistor 73 schaltet deshalb auf die gleiche Weise wie der MOS-Transistor 74 ein und bringt den Analogschalter 36 in einen leitfähigen Zustand.

Obgleich Fig. 17 und Fig. 18 jeweils Anordnungen für nur ein Paar von Anschlüssen zei gen, werden das Photo-MOS-Relais 35 und der Analogschalter 36 tatsächlich aus zwei Paaren von Anschlüssen gebildet.

Obgleich das Photo-MOS-Relais 35 die Verbindung zwischen der Vorspannungsquelle 14 und der Photodiode 12 mit einem extrem niedrigen Betrag des Leckstroms ein- und aus schalten kann, erfordert dieses Ein-/Ausschalten ein Zeitintervall von näherungsweise 0,1 ms. Obgleich der Analogschalter 36 die Verbindung zwischen der Vorspannungsquelle 14 und der Photodiode 12 mit einer extrem hohen Geschwindigkeit von näherungsweise 100 ns ein- und ausschalten kann, erzeugt er andererseits einen gewissen Leckstrom, selbst wenn die Verbindung in einem ausgeschalteten Zustand ist.

Eine Vorspannung mit einer Polarität entgegengesetzt zu der des in der Photodiode 12 er zeugten Stroms wird durch die Vorspannungsquelle 14 bei der Licht-Meßeinrichtung die ses Ausführungsbeispiels angelegt, was eine Verbesserung in der Sättigungscharakteristik der Photodiode 12 gestattet, die einen Strom erzeugt auf der Basis der Lichtmenge eines Lichtstrahls, und eine Verbesserung in der Linearität der Messung der Lichtmenge wird möglich.

Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels mißt die Lichtmenge von Licht strahlen mit verschiedenen Intensitäten zufriedenstellend und kontinuierlich, indem das Photo-MOS-Relais 35 und der Analogschalter 36 auf der Basis der Intensität der einfallen den Lichtstrahlen ein- und ausgeschaltet wird. In konkreten Werten, die Lichtmenge in einem Lichtstrahl mit hoher Intensität kann mit hervorragender Linearität gemessen wer den, indem die Vorspannungsquelle 14 und die Photodiode 12 durch den Analogschalter 36 und das Photo-MOS-Relais 35 verbunden werden, wenn der Lichtstrahl, der gemessen werden soll, hohe Intensität aufweist. Wenn der Lichtstrahl, der gemessen werden soll, eine mittlere Intensität aufweist, wird die Verbindung zwischen der Vorspannungsquelle 14 und der Photodiode 12 bei dem Analogschalter 36 ausgeschaltet. In diesem Fall erfolgt das Ar beiten dieses Analogschalters 36 mit hoher Geschwindigkeit, wodurch die genaue und kontinuierliche Messung der Lichtmenge von Lichtstrahlen mit hoher Intensität bis zu mittlerer Intensität möglich wird. Das Auftreten eines gewissen Betrages des Leckstroms bietet kein Problem, da der gemessene Lichtstrahl kein Lichtstrahl mit niedriger Intensität ist. Wenn der gemessene Lichtstrahl eine niedrige Intensität hat, wird die Verbindung zwi schen der Vorspannungsquelle 14 und der Photodiode 12 durch das Photo-MOS-Relais 35 ausgeschaltet. In diesem Fall kann die Lichtmenge von Lichtstrahlen mit mittlerer Intensi tät bis zu niedriger Intensität genau gemessen werden, da der charakteristische Leckstrom des Photo-MOS-Relais 35 extrem begrenzt ist. Insbesondere wird das Photo-MOS-Relais 35 in einem ausgeschalteten Zustand mit dem Erdungsanschluß 38 verbunden, um dadurch gestatten, daß die Vorspannung der Photodiode 12 zuverlässig auf "0" gesetzt wird, und eine genauere Messung der Lichtmenge eines Lichtstrahls ermöglicht wird.

Wenn weiterhin der gemessene Lichtstrahl eine mittlere Intensität aufweist und der Ana logschalter 36 in einen ausgeschalteten Zustand gesetzt ist, wird das Photo-MOS-Relais 35, das mit niedriger Geschwindigkeit arbeitet, in einen eingeschalteten Zustand gesetzt. Wenn der gemessene Lichtstrahl niedrige Intensität aufweist und das Photo-MOS-Relais 35 in einen ausgeschalteten Zustand gesetzt ist, kann der Analogschalter 36, der bei hoher Ge schwindigkeit arbeitet, frei wählbar entweder in einen eingeschalteten oder in einen ausge schalteten Zustand gesetzt werden.

Die Licht-Meßeinrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist in der Lage, sowohl einen Lichtstrahl mit hoher Intensität mit hervorragender Linearität zu messen, als auch Licht strahlen mit niedriger Intensität bis zu hoher Intensität kontinuierlich und genau zu messen, weil die Vorspannungsquelle 14 mit der Photodiode 12 durch das Photo-MOS-Relais 35 mit einem minimalen Leckstrom und Analogschalter 36, der mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, verbunden wird, wie es im Vorstehenden beschrieben wurde.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Fälle erläutert, bei denen der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 3 mit dem Eingangsanschluß der Photodiode 12 verbunden wurde und das Ergebnis des Nachweises der Lichtmenge durch Strom mit negativer Polarität ausgegeben wurde, aber auch der nicht-invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 3 kann mit dem Ausgangsanschluß der Pho todiode 12 verbunden werden, und das Ergebnis der Erfassung der Lichtmenge kann durch Strom mit positiver Polarität ausgegeben werden.

Weiterhin stellten die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele Fälle dar, bei denen Photo-MOS-Relais 35 mit extrem begrenztem Leckstrom und Analogschalter 36, der mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, zwischen der Photodiode 12 und der Vorspannungsquelle 14 vorgesehen wurden, aber diese Charakteristiken sind relativ und diese Einrichtungen können entsprechend der Spezifikationen der Licht-Meßeinrichtung abgeändert werden.

Es ist z. B. möglich, zwischen der Photodiode 12 und der Vorspannungsquelle 14 sowohl einen Analogschalter als Schaltelement mit Hochgeschwindigkeits-Operation als auch ein mechanisches Relais als Schaltelement mit extrem begrenztem Leckstrom vorzusehen, oder alternativ ein Photo-MOS-Relais als Schaltelement mit Hochgeschwindigkeits-Ope ration und ein mechanisches Relais als Schaltelement mit extrem geringem Leckstrom vorzusehen. Beispiele für die Charakteristiken dieser Schaltelemente sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

In dieser Tabelle bedeutet bei dem Leckstrom "" sehr niedriger Leckstrom, "○" bedeutet geringer Leckstrom und "Δ" bedeutet normaler Leckstrom. In bezug auf die Schaltzeit be deutet "" sehr kurze Schaltzeit, "○" bedeutet kurze Schaltzeit, "×" bedeutet lange Schaltzeit.

Obgleich die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele Fälle darstellten, bei denen ein festes Widerstandselement als Feedback-Widerstand 4 verwendet wurde, ist es weiterhin auch möglich, die Verstärkung des Operationsverstärkers 3 zu varrieren, indem eine Viel zahl von Widerständen 8 ₁-8 ₁ und Schaltern 9 ₁-9 ₁ verwendet wird, wie es in Fig. 12 gezeigt ist.

Schließlich sei bemerkt, daß, obgleich die Erläuterung unter Verwendung eines optischen Energiemessers dargestellt wurde, der die Intensität von Licht mißt, und das Ergebnis in ersten bis zum sechsten Ausführungsbeispiel, die hier beschrieben wurden, anzeigt, die vorliegende Erfindung auf diese Weise nicht eingeschränkt wird und auf andere Licht- Meßeinrichtungen angewendet werden kann, die Licht erfassen oder messen, wie z. B. auf einen Analysator für ein optisches Spektrum.

Während bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele der vorliegenden Erfindung hier unter Verwendung spezieller Beispiele beschrieben worden sind, dient diese Beschreibung nur zu erläuternden Zwecken. Und es versteht sich, daß Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne daß der Grundgedanke oder der Umfang der Erfindung, wie er beispielsweise durch die folgenden Ansprüche abgesteckt ist, verlassen wird.

Claims

1. Licht-Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Lichtmengen-Erfas sungseinrichtung, die einen Lichtstrahl, der gemessen werden soll, empfängt und in Abhängigkeit von der Intensität dieses Lichtstrahls ein Signal erzeugt, einen opti schen Verschluß, der den Durchgang des Lichtes, das auf diese Lichtmengen-Erfas sungseinrichtung auftrifft, blockiert oder freigibt, und eine Feststellungseinrichtung, die feststellt, ob die Intensität des durch die Lichtmengen-Erfassungseinrichtung empfangenen Lichts gleich dem Nennwert der Licht-Erfassungseinrichtung ist oder diesen überschreitet, um den optischen Verschluß so zu steuern, daß dieser den Ein fall des Lichtes in die Lichtmengen-Erfassungseinrichtung unterbricht, umfaßt.

2. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verschluß Mittel zum Blockieren des Durchgangs von Licht, das der Lichtmengen- Erfassungseinrichtung zugeführt wird, wenn die Energiequelle für die Licht-Meßein richtung abgeschaltet wird, umfaßt.

3. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht mengen-Erfassungseinrichtung eine Photodiode ist.

4. Licht-Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Lichtmengen-Erfas sungseinrichtung, die einen Lichtstrahl empfängt, der gemessen werden soll, und auf der Basis der Intensität dieses Lichtstrahls eine Signal erzeugt, einen optischen Verschluß, der den Durchgang von Licht, das der Lichtmengen-Erfassungseinrich tung zugeführt wird, blockiert oder freigibt, einen Operationsverstärker zum Ver stärken des Signals, das von der Lichtmengen-Erfassungseinrichtung zugeführt wird, eine A/D-Wandlereinrichtung, die das von dem Operationsverstärker ver stärkte Signalanalog/digital umwandelt und das Ergebnis als Meßdaten ausgibt, und eine Recheneinrichtung zum Messen der Änderungsrate der Offset-Spannung dieses Operationsverstärkers, wenn auf die Lichtmengen-Erfassungseinrichtung auffallendes Licht durch den optischen Verschluß blockiert wird, die eine Nähe rungsgleichung erzeugt, die die Änderung der Offset-Spannung auf der Basis der Änderungsrate in bezug auf die Zeit annähert, die mittels der Näherungsgleichung berechnete Offset-Spannung von den Meßdaten subtrahiert und das erhaltene Er gebnis als neue Meßdaten ausgibt, umfaßt.

5. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht mengen-Erfassungseinrichtung eine Photodiode ist.

6. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nähe rungsgleichung eine lineare Funktion ist.

7. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nähe rungsgleichung eine Exponentialfunktion ist.

8. Licht-Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Photodiode, die einen Lichtstrahl, der gemessen werden soll, empfängt und in Abhängigkeit von der In tensität dieses Lichtstrahls ein Signal erzeugt, einen Operationsverstärker, der das von der Photodiode ausgegebene Signal verstärkt, eine Vorspannungsquelle, die an die Photodiode eine Vorspannung mit einer Polarität anlegt, die diejenigen des durch die Photodiode erzeugten Stromes entgegengesetzt ist, und eine Dioden schutzschaltung, die die Vorspannung begrenzt, die von der Vorspannungsquelle an die Photodiode angelegt wird, wenn der Strom, der die Photodiode erregt, einen im voraus eingestellten Grenzstrom erreicht, um so eine Steuerung derart zu bewirken, daß der Erregerstrom für die Photodiode gleich oder niedriger als der besagte Grenzstrom ist, umfaßt.

9. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden schutzschaltung einen ersten Operationsverstärker, der die Ausgangsspannung von der Photodiode konstant hält, einen ersten Transistor zum Speisen der Photodiode mit einem Strom, der der Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers ent spricht, einen stromnachweisenden Widerstand, der den Strom feststellt, der den er sten Transistor und die Photodiode erregt, und einen zweiten Transistor, der den Strom, der den ersten Transistor und die Photodiode erregt, begrenzt, wenn der von dem stromnachweisenden Widerstand erfaßte Strom den Grenzstrom erreicht hat, umfaßt.

10. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden schutzschaltung einen ersten Operationsverstärker, der die Ausgangsspannung von der Photodiode gleich der Vorspannung der Vorspannungsquelle hält, einen ersten Transistor zum Erregen der Photodiode mit Strom, der der Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers entspricht, einen stromnachweisenden Widerstand, der den Strom feststellt, der den ersten Transistor und die Photodiode erregt, und einen zweiten Transistor zum Begrenzen des Stromes, der den ersten Transistor und die Photodiode erregt, wenn der festgestellte Strom des stromnachweisenden Wider stands den Grenzstrom erreicht hat, umfaßt.

11. Licht-Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Photodiode, die einen Lichtstrahl, der gemessen werden soll, empfängt und auf der Basis der Intensität dieses Lichtstrahls ein Signal erzeugt, einen Operationsverstärker zum Verstärken des durch die Photodiode erzeugten Stromes, eine Vorspannungsquelle, die eine Vorspannung mit einer Polarität, die derjenigen des durch die Photodiode erzeugten Stromes entgegengesetzt ist, an die Photodiode anlegt, eine erste Schalteinrichtung, die die Verbindung/die Trennung zwischen der Vorspannungsquelle und der Photo diode steuert, und eine zweite Schalteinrichtung, die die Verbindung/die Trennung zwischen der Vorspannungsquelle und der Photodiode steuert, umfaßt, wobei die zweite Schalteinrichtung eine niedrigere Schaltgeschwindigkeit als die erste Schalt einrichtung hat und geringeren Leckstrom als die erste Schalteinrichtung aufweist.

12. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung ein Analogschalter ist und die zweite Schalteinrichtung ein Pho to-MOS-Relais ist.

13. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung ein Analogschalter ist und die zweite Schalteinrichtung ein me chanisches Relais ist.

14. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung ein Photo-MOS-Relais ist und die zweite Schalteinrichtung ein mechanisches Relais ist.

15. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung die Photodiode erden, wenn die Vorspannungsquelle-und die Photodiode in einen getrennten Zustand gebracht wor den sind.

16. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung ein Analogschalter ist und die zweite Schalteinrichtung ein Pho to-MOS-Relais ist.

17. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung ein Analogschalter ist und die zweite Schalteinrichtung ein me chanisches Relais ist.

18. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung ein Photo-MOS-Relais ist und die zweite Schalteinrichtung ein mechanisches Relais ist.

19. Licht-Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Photodiode, die einen Lichtstrahl, der gemessen werden soll, empfängt und auf der Basis der Intensität dieses Lichtstrahls ein Signal erzeugt, einen ersten Operationsverstärker, der das durch die Photodiode erzeugte Signal verstärkt, einen zweiten Operationsverstärker, der ein von der Photodiode erzeugtes Signal verstärkt, eine Verstärkerschaltein richtung, die das von der Photodiode erzeugte Signal entweder an den ersten Ope rationsverstärker oder an den zweiten Operationsverstärker ausgibt, einen variablen Widerstand, der zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Ein gangsanschluß des ersten Operationsverstärkers zwischengeschaltet ist, einen festen Widerstand, der zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangs anschluß des zweiten Operationsverstärkers zwischengeschaltet ist und einen Wi derstandswert aufweist, der gleich dem maximalen Widerstandswert, der für den variablen Widerstand eingestellt werden kann, oder größer als dieser ist, und eine Ausgangsschalteinrichtung zum Auswählen des Ausgangssignals von einem der beiden ersten und zweiten Operationsverstärker umfaßt.

20. Licht-Meßeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Widerstand eine Vielzahl fester Widerstandselemente mit untereinander unter schiedlichen Widerstandswerten und eine Schalteinrichtung zum Auswählen von einem Widerstand aus dieser Vielzahl fester Widerstandselemente, die den Aus gangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des ersten Operationsver stärkers verbindet, umfaßt.