DE2238522C3

DE2238522C3 - Belichtungsautomatik für Kameras

Info

Publication number: DE2238522C3
Application number: DE2238522A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1972-08-04
Publication date: 1978-11-30
Also published as: BE803195A; DE2238522A1; US3855604A; NL7310782A; DE2238522B2; JPS4960215A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Belichtungsautomatik mit optoelektronischem Lichtempfänger für Kameras.

Bei hochwertigen Fotoapparaten besteht der Wunsch, die Belichtung auch bei Beleuchtungsstärken in der Größenordnung von 10² Ix noch vollautomatisch zu steuern. Entsprechende Forderungen gelten für hochempfindliche Belichtungsmesser.

Bei bisher bekannten Belichtungsautomatiken werden als Lichtdetektoren Fotowiderstände verwendet. Bei sehr kleinen Beleuchtungsstärken stört aber die große Zeitkonstante der Fotowiderstände. Nach kurzer stärkerer Beleuchtung dauert es Minuten, bis eine Messung bei geringen Beleuchtungsstärken durchgeführt werden kann. Störend ist bei vielen Fotowiderständen außerdem die starke Nichtlinearität. Aus den genannten Gründen sind Fotowiderstände für Beleuchtungsstärken in der Größenordnung von 10² Ix als Lichtdetektoren nicht mehr brauchbar. Auch Silizium-Fotodioden eignen sich im Sperrspannungsbetrieb bei derartig kleinen Beleuchtungsstärken nicht. Ihr Dunkelstrom beträgt bei den höchsten zu berücksichtigenden Umgebungstemperaturen ungefähr das Hundertfache des Fotostroms. Eine Kompensation des Dunkelstroms führt unter diesen Umständen nicht zum Erfolg.

Der Dunkelstrom kann eliminiert werden, wenn die Fotodiode als Fotoelement betrieben wird. Damit ist jedoch nur eine Teilerfolg erzielbar, denn in Wirklich keit stören auch hier thermisch erzeugte Ladungsträgerpaare. Da der Flußstrom der als Fotoelement betriebenen Fotodiode sehr stark temperaturabhängig ist, kann er nicht durch einmalige Eichung berücksichtigt werden. Es muß vielmehr gefordert werden, daß der Flußstrom sehr viel kleiner als der Fotostrom ist. Bei einer Beleuchtungsstärke von 10²Ix und einer effektiven Diodenfläche von 1 mm² beträgt der Fotostrom ungefähr 5 pA. Dabei ist schon berücksichtigt, daß vor der Fotodiode ein optisches Filter eingefügt ist, welches die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers an die spektrale Helligkeitsempfindlichkeit des Auges angleicht. Das bedeutet, daß bei der höchsten auftretenden Temperatur von 50⁰C der Dioden-Flußstrom kleiner als 1 pA sein muß. Bei normalen handelsüblichen Dioden kann diese Forderung nur erfüllt werden, wenn die Spannung an der Diode kleiner als etwa 10μν bleibt. Derartig kleine Nutzsignalspannungen gehen aber in der Temperaturdrift des folgenden Verstärkers unter, wobei berücksichtigt werden muß, daß wegen des sehr kleinen Fotostroms Feldeffekttransistoren als Eingangsstufe verwendet werden müssen. Eine Vergrößerung der Diodenfläche bietet in bezug auf die Nachweisgrenze keine Vorteile, weil im gleichen

n^r> Verhältnis wie der Fotostrom auch der unerwünschte Diodenstrom mit der Vergrößerung der Fläche steigt.

Selbst wenn speziell entwickelte Fotodioden verwendet werden, die eine Signalspannung in der Größenord-

nung von 0,5 mV verfügbar machen, so ist auch diese Spannung für eine direkte Gleichspannungsverstärkung noch zu gering. Es ist dabei zu beachten, daß die Arbeitstemperatur in einem Bereich von -30 bis +50 Grad Hegt und daß am Eingang eines nachfolgenden Verstärkers Feldeffekttransistoren verwendet werden müssen. Speziaiselektionen der Feldeffekttransistoren in bezug auf sehr kleine Temperaturdrift sind wegen des zu hohen Preises für Fotoapparate undurchführbar. Ein weiterer Nachteil der direkten Gleichspannungsverstärkung besteht darin, daß ein Nullpunktsabgleich des Verstärkers erforderlich ist

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde eine neuartige Belichtungsautomatik anzugeben, bei der die vorstehend erwähnten Nachteile entfallen.

Diese Aufgabe wird bei einer Belichtungsautomatik der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Lichtempfänger ein Verstärker mit veränderbarer Gegenkopplung angekoppelt ist, daß die Gegenkopplung des Verstärkers derart veränderbar ist, daß ihr Wert im Zeitpunkt des Beginns der Belichtung klein gegen den Wert vor Beginn der Belichtung wird, daß im Gegenkopplungsweg ein Speicher liegt, der das vor der Belichtung vorhandene Gegenkopplungssignal während der Belichtung speichert, und daß der Verstärker während der Belichtung durch das gespeicherte Gegenkopplungssignal und durch das vom Lichtempfänger abgegebene Signal angesteuert ist.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Figuren.

Es zeigt

Fi g. 1 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für eine Belichtungsautomatik gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für einen Belichtungsmesser gemäß der Erfindung.

In der Belichtungsautomatik nach Fig. 1 ist eine Fotodiode D1 zur Lichterfassung vorgesehen. Parallel zu dieser Fotodiode D1 liegt ein vor Beginn der Belichtung geschlossener Schalter 51. Die Fotodiode D1 arbeitet auf einen Feldeffekttransistor T2. Der Ausgang des Feldeffekttransistors T2 ist auf einen nicht invertierenden Eingang 15 eines Operationsverstärkers 10 geführt, während der Ausgang eines Feldeffekttransistors Π auf einen invertierenden Eingang 14 des Operationsverstärkers 10 geführt ist. Der auf einen Lastwiderstand RL arbeitende Ausgang 16 des Operationsverstärkers ist über einen Schalter 52 enthaltenden Gegenkopplungszweig auf die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors Π zurückgeführt. An diesen Gegenkopplungszweig ist hinter dem Schalter 52 eine Speicherkapazität C2 angekoppelt. Der Schalter 52 ist vor Beginn der Belichtung geschlossen.

Der Ausgang 16 des Operationsverstärkers 10 ist weiterhin über einen bipolaren Transistor Γ3 und eine Kapazität Cl auf die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors Ύ2 zurückgeführt. t>o

Die Betriebsspannungen für den Operationsverstärker 10, die Feldeffekttransistoren Π und T2 sowie den bipolaren Transistor 73 werden an Klemmen 12 und 13, 17, 18, 19 und 20 beziehungsweise an Klemmen 21 und 22 über Widerstände /?3 und R 4 mit den angezeichne- <· > ten Polaritäten zugeführt.

Bei der im vorstehenden beschriebenen Schaltung fällt dauernd Licht auf die Fotodiode D 1 Vor öffnen des Verschlusses des Fotoapparates sind die Schalter Sl und 52 geschlossen. Der Fotostrom der Fotodiode D1 wird in diesem Fall also über den Schalter 51 kurzgeschlossen. Die Feldeffekttransistoren Π und T2 arbeiten zusammen mit den Widerständen R 1 und R 2 als Sourcefolger. Der Steuerstrom des Feldeffekttransistors Γ2 muß wesentlich kleiner als 1 pA sein, weil die Schaltung nicht zwischen Fotostrom und Steuerstrom unterscheiden kann.

Bei geschlossenem Schalter 52 ist der Ausgang 16 des Operationsverstärkers 10 über den Feldeffekttransistor 7Ί mit dem invertierenden Eingang 14 verbunden. Der Übertragungsfaktor der so gebildeten Gegenkopplungsstrecke ist nahezu gleich Eins. Der Spannungsübertragungsfaktor von der Steuerelektrode jedes Feldeffekttransistors zum Ausgang des Operationsverstärkers ist daher ebenfalls nur gleich Eins. Das bedeutet, daß die Driftspannung und die Offsetspannung der beiden Feldeffekttransistoren 7*1 und 7*2 und des Operationsverstärkers 10 unverstärkt zum Ausgang 16 gelangen. Die daraus resultierenden Fehler sind daher vernachlässigbar.

Zu Beginn der Belichtung wird der Schalter 51 geöffnet. Enscheidend ist, daß gleichzeitig auch der Schalter S 2 geöffnet wird. Dadurch ist die starke Gegenkopplung während der Belichtungszeit unterbrochen. Der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors T2 soll sich beim öffnen des Schalters S 2 nicht verschieben. Deswegen speichert der Kondensator C2 die Spannung, die kurz vor dem öffnen des Schalters 52 an der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors Π lag.

Der Fotostrom der Diode D1 lädt die Integrationskapazität Cl auf. Die Spannung an dieser Kapazität steigt zeitlinear an. Der bipolare Transistor Γ3 dient zusammen mit den Widerständen R 3 und Λ 4 zu diesem Zeitpunkt lediglich als Phasenumkehrstufe für das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 10. Dieses verstärkte und hinsichtlich der Phase umgekehrte Signal liegt an dem mit dem Transistor Γ3 verbundenen Punkt der Kapazität Cl. Hierdurch wird der Kapazitätswert scheinbar umd die Schleifenverstärkung — ungefähr 3000fach — vergrößert. Es können deswegen verhältnismäßig kleine Integrationskapazitäten verwendet werden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 ist zu Beginn der Belichtungszeit ungefähr gleich Null. Während der Belichtungszeit steigt sie kontinuierlich auf ungefähr 1 V an. Bei diesem Wert wird die Basisspannung des Transistors Γ3 ungefähr gleich seiner Kollektorspannung. Nunmehr arbeitet der Transistor 7*3 nicht mehr als Verstärker. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 10 gelangt direkt — das heißt ohne Phasenumkehr — über die Basis-Kollektor-Strecke an die Integrationskapazität Cl. Die dadurch hervorgerufene positive Rückkopplung bewirkt, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 in wenigen Mikrosekunden auf den Wert der positiven Betriebsspannung springt. Der Strom durch den Lastwiderstand RL wird zu Null. Wird der Lastwiderstand RL durch eine Zugmagneten gebildet, der beim Strom Null das Schließen des Verschlusses bewirkt, so ist damit die Belichtung beendet.

Bei stärkerer Beleuchtung ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Signals des Operationsverstärkers 10 größer. Am Ausgang des Operations"erstärkers 10 wird daher die Schwellspannung früher erreicht. Entsprechend ist die Belichtungszeit kürzer. Die Belichtungsautomatik sorgt also dafür, daß der Lichtfuß, der den Film erreicht, bei jeder fotografischen Aufnahme gleich ist,

und zwar unabhängig davon, wie groß die Beleuchtungsstärke des Objektes ist. Die Zuordnung Beleuchtungsstärke zu Belichtungszeit ist durch die Größe der Integrationskapazität Cl frei wahlbar. Bei einer praktischen Dimensionierung der in F i g. t dargestellten Schaltung beträgt die Belichtungszeit bei einer Beleuchtungsstärke von 10 ² Ix 20 Sekunden, je kürzer bei gegebener Beleuchtung die gewünschte Belichtungszeit ist, um so geringer sind die Anforderungen an den Operationsverstärker 10. Durch Vergrößern der Integrationskapazität Cl sind aber auch wesentlich längere Belichtungszeiten als 20 Sekunden realisierbar.

Die Verstärkung des Operationsverstärkers 10 hat praktisch keinen Einfluß auf die Belichtungszeit. Im gleichen Maß wie die Verstärkung steigt, wird auch der scheinbare Kapazitätswert der Integrationskapazität Cl größer. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 10 bleibt daher unverändert.

Eis genügt, die Betriebsspannung kurz vor dem öffnen der Schalter 51 und S 2 einzuschalten. Die Einschwingzeil:, die vergeht, bis nach dem Anlegen der Spannung mit der Belichtungsmessung begonnen werden kann, ist kürzer als eine ms.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 beträgt kurz vor dem Schalter 1 V. Die Verstärkung ist auch bei niederohmigen Lastwiderständen RL von 300 0hm größer als 3000fach. Die Spannung an der Fotodiode D 1 ist damit kurz vor dem Schalten kleiner als 0,33 mV. Die eingangs genannte Bedingung, daß die Spannung an der Diode 0,5 mV nicht überschreiten darf, ist damit erfüllt.

Die Differenz der Source-Spannungsdrift der beiden Feldeffekttransistoren T\ und 7~2 darf während der Dauer der Belichtung 0,5 mV nicht überschreiten. Diese Forderung ist auch mit diskreten Feldeffekttransistoren leicht zu erfüllen, ohen daß eine Paarung erforderlich ist. Es kann nahezu jeder MOS-Feldeffekttransistor für diese Aufgabe verwendet werden, wenn nur der Steuerstrom viel kleiner als 1 pA ist.

Die Schaltung nach F i g. 1 ist für N-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgelegt. Sinngemäß können auch P-Kanal-Feldeffekttransistoren eingesetzt werden. Bei geringeren Anforderungen sind auch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren oder sogar bipolare Transistoren verwendbar.

In Weiterbildung der Erfindung kann vor der Fotodiode D 1 in deren Lichtweg ein Lichtschirm mit veränderbarer Transparenz (nicht dargestellt) angeordnet werden. Wesentlich ist dabei, daß sich die Transparenz des Lichtschirms bei Beginn der Belichtung ändert. Das von der Fotodiode abgegebene Signal, das bei endlicher Transparenz des Lichtschirms vor der Belichtung auftritt, wird ebenso wie die Driftspannung der Feldeffekttransistoren T\ und 7*2 sowie des Operationsverstärkers 10 durch die Gegenkopplung über dem Schalter 52 weitergehend unterdrückt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vor der Fotodiode D 1 in deren Lichtweg ein Absorptionsfilter angeordnet werden, dessen Transparenz sich während der Belichtungszeit kontinuierlich ändert. In diesem Fall kann die Kapazität Cl entfallen und die Fotodiode D 1 auf einen (nicht dargestellten) Widerstand arbeiten. Die Transparenz des Filters in dem Zeitpunkt, in dem das

ίο Signal einen vorgegebenen Wert überschreitet, ist ein Maß für die Beleuchtungsstärke. Diese Stellung des Absorptionsfilters kann mechanisch gespeichert und zur selbständigen Einstellung der Belichtungszeit verwendet werden.

Oft wird außer einer Belichtungsautomatik zusätzlich auch ein in den Fotoapparat eingebauter Belichtungsmesser gefordert, damit der Fotograf vor dem Auslösen die optimale Blendeneinstellung wählen kann. F i g. 2, in der gleiche Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine Ausführungsform, wie diese Forderung durch geringfügige Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1 erfüllt werden kann Außer einem Meßinstrument / das in Beleuchtungsstärken oder äquivalenten Größen geeicht ist, ist nur eir weiterer, im Basiszweig des Transistors Γ3 liegendei Schalter 53 erforderlich. Dieser Schalter 53 unter bricht in der Betriebsart »Belichtungsmessung« der Rückkopplungsweg über den Transistor Γ3. Hiermii wird verhindert, daß die Schaltung bei Überschreiter des Schwellwertes schaltet. Weiterhin unterbleibt die scheinbare Vergrößerung der Integrationskapazität C1 Aus diesem Grunde stellt sich an der Fotodiode D 1 ir Bruchteilen einer Sekunde die Leerlaufspannung ein Diese Leerlaufspannung ist proportional zum Logarith mus der Beleuchtungsstärke. Die Logarithmierung ist ir dieser Betriebsart erforderlich, damit der gesamt« mögliche Beleuchtungsstärkebereich ohne Umschal tung auf das Instrument / abgebildet werden kann. Dei Betrag der Spannung ist wesentlich größer als bei der Betriebsart »Automatik«. Während der Betriebsari »Belichtungsmessung« bleibt der Schalter 52 geschlossen; er kann auch von einem weiteren, nichi dargestellten Schalter überbrückt werden. Damit wire die Leerlaufspannung der Fotodiode D1 mit derr Spannungsübertragungsfaktor 1 auf das Instrument , übertragen. In der Betriebsart »Belichtungsmessung« wird nicht die Genauigkeit und die Nachweisgrenze wie in der Betriebsart »Automatik« erreicht. Allein die Temperaturabhängigkeit der Leerlaufspannung dei Fotodiode D 1 verhindert dies. Diese Genauigkeit isi aber auch nicht erforderlich, denn dem Fotografer genügt eine orientierende Messung. Während dei Filmbelichtung übernimmt in jedem Fall die Automatik die exakte Steuerung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Belichtungsautomatik mit optoelektronischem Lichtempfänger für Kameras, dadurch gekennzeichnet, daß an den Lichtempfänger (D 1) ein Verstärker (10) mit veränderbarer Gegenkopplung (S 2, Ti) angekoppelt ist, daß die Gegenkopplung (S 2, T2) des Verstärkers (10) derart veränderbar ist, daß ihr Wert im Zeitpunkt des Beginns der Belichtung klein gegen den Wert vor Beginn der Belichtung wird, daß im Gegenkopplungsweg (S 2, T2) ein Speicher (C 2) liegt, der das vor der Belichtung vorhandene Gegenkopplungssignal während der Belichtung speichert, und daß der Verstärker (19) während der Belichtung durch das gespeicherte Gegenkopplungssignal und durch das vom Lichtempfänger (D 1) abgegeben Signal angesteuet i ist

2. Belichtungsautomatik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg vor dem Lichtempfänger (D\) ein Lichtschirm mit veränderbarer Transparenz angeordnet ist

3. Belichtungsautomatik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg vor dem Lichtempfänger (Di) ein Absorptionsfilter mit variabler Transparenz angeordnet ist.

4. Belichtungsautomatik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Lichtempfänger (D 1) ein bis zum Zeitpunkt des Beginns der Belichtung geöffneter Schalter (Si) angeordnet ist.

5. Belichtungsautomatik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtempfänger (D 1) und Eingang des Verstärkers (10) ein bis zum Zeitpunkt des Beginns der Belichtung geöffneter Schalter liegt

6. Belichtungsautomatik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (10) als Operationsverstärker ausgebildet ist, daß der Lichtempfänger (Di) über einen Feldeffekttransistor (T 2) an einen nicht invertierenden Eingang (15) des Operationsverstärkers (10) angekoppelt ist, daß der Ausgang (16) des Operationsverstärkers (10) über einen vor Beginn der Belichtung geschlossenen Schalter (52) und einen weiteren Feldeffekttransistor (Ti) auf einen invertierenden Eingang (14) des Operationsverstärkers (10) zurückgeführt ist und daß der Ausgang (16) des Operationsverstärkers (10) weiterhin über eine Phasenumkehrstufe (Ti) und ein Integrationskapazität (Ci) auf die Steuerelektrode des am nicht invertierenden Eingang (15) des Operationsverstärkers (10) liegenden Feldeffekttransistors (T2) rückgekoppelt ist

7. Belichtungsautomatik nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Integrationskapazität (Ci) enthaltenden Rückkoppelzweig auf der Ausgangsseite des Operationsverstärkers ein bipolarer Transistor (T3) eingeschaltet ist.

8. Belichtungsautomatik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (16) des Operationsverstärkers (10) ein Meßinstrument (!) angekoppelt ist und daß in den Rückkopplungsweg zwischen dem Ausgang (16) des Operationsverstärkers (10) und dessen nicht invertierenden Eingang (15) ein mindestens bis zum Zeitpunkt des Beginns der Belichtung geschlossener Schalter (S3) eingeschaltet ist.