DE2951879A1

DE2951879A1 - Photoekektrischer umformer mit einer photoelektrischen elementanordnung des ladungsspeichertyps

Info

Publication number: DE2951879A1
Application number: DE19792951879
Authority: DE
Inventors: Akira Ogasawara; Hiroshi Shirasu; Ken Utagawa
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4340819A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen photoelektrischen Umformer, der eine photoelektrische Elementanordnung des Ladungsspeichertyps benutzt, um ein auf ihr gebildetes Lichtbild in ein elektrisches Signal umzuformen.

Eine photoelektrische Elementanordnung des Ladungsspeichertyps, wie eine Photodioden-Anordnung, eine CCD-, d.h. eine ladungsgekoppelte, oder eine BBD-, d.h. eine backet-brigade-Anordnung, speichert Ladungen, die nach Maßgabe der Intensität des auftreffenden Lichts erzeugt werden und erzeugt ein photoelektri- . sches Ausgangssignal, das eine Beziehung zur Intensität des Lichtes und der Speicherzeit hat, so daß das photoelektrische Ausgangssignal durch Steuern der Ladungsspeicherzeit vergrößert oder verringert werden kann. Im Falle eines dunklen Lichtbildes kann daher das photoelektrische Ausgangssignal auf einen im wesentlichen konstanten Wert durch Vergrößern der Ladungsspeicherzeit gebracht werden und im Falle eines ehr hellen Lichtbildes kann das photoelektrische Ausgangssignal auf einen im wesentlichen konstanten Wert durch Verringern der Ladungsspeicherzeit gebracht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen photoelektrischen Umformer zu schaffen, bei dem das Ausgangssignal einer photoelektrischen Elemöntanordnung des Ladungsspeichertyps auf eine Schaltung zurückgekoppelt wird, um die Anordnung zu speisen, wodurch automatisch die Ladungsspeicherzeit gesteuert wird.

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Gemäß einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird also ein photoelektrischer Umformer geschaffen, bei dem das Ausgangssignal einer photoelektrischen Elementanordnung des Ladungsspeichertyps auf eine Schaltung rückgekoppelt wird, um die Anordnung zu speisen, wodurch automatisch die Ladungsspeicherzeit gesteuert wird.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen photoelektrischen Umformers,

Fig. 2 einen Stromlaufplan eines besonderen Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 gezeigten Umformers,

Fig. 3 und 4 Impulsformen, die an verschiedenen Teilen der in Fig. 2 gezeigten Schaltung erzeugt werden,

Fig. 5 eine die Steuerschaltung zeigende Schaltung,

Fig. 6 Impulsformen, die in der Schaltung der Fig. 5 erzeugt werden, und

Fig. 7 einen Stromlaufplan eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem ein Teil des in Fig. 2 gezeigten Ausführuhgsbeispiels modifiziert ist.

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Als eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Erfindung^bei einem photoelektrischen Umformer zum Erfassen einer Verschiebung angewendet ist, der eine bestimmte räumliche Frequenzkomponente aus einem Lichtbild extrahiert, das auf eine photoelektrische Elementanordnung projiziert wird, und die Verschiebung des Lichtbildes in Richtung des Aufbaus der Anordnung erfaßt.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine photoelektrische Elementanordnung 100 des Ladungsspeichertyps, wie eine Photodiodenanordnung, eine CCD- oder eine BBD-Anordnung auf oder in der Nähe der Brennebene einer Abbildungslinse L vorgesehen und das photoelektrische Ausgangssignal eines jeden photoelektrischen Elementes, das diese Anordnung bildet, gibt die Helligkeitsverteilung des Lichtbildes eines Objektes an, das durch die Abbildungslinse L gebildet ist. Die Ladungsspeicherzeiten der photoelektrischen Elemente sind alle die gleichen und die Speicherzeiten werden auf Grund des Ausgangsimpulses einer Steuerschaltung 200 gesteuert. Das photoelektrische Ausgangssignal der Anordnung wird von einem Verstärker 300 verstärkt.

Das verstärkte photoelektrische Ausgangssignal wird an eine Extrahierschaltung 400 für eine besondere räumliche Frequenzkomponente gegeben, die eine besondere räumliche Frequenzkomponente extrahiert, die eine räumliche Periode, z.B. in der Größenordnung von 1 mm oder 0,1 mm in dem Lichtbild hat. Die Extrahierschaltung 400, die Anordnung 100 und der Verstärker 300 bilden einen photoelektrischen Umformerteil. Die

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Phasenlage des Wechselspannungsausgangssignals der Extrahierschaltung 4-00 gibt die relative örtliche Beziehung zwischen der besonderen räumlichen Frequenzkomponente in dem Lichtbild und der Anordnung 100 an. Wenn das Lichtbild in Richtung des Aufbaus der Anordnung verschoben wird, wird seine Phasenlage entsprechend geändert, so daß damit die Verschiebung des Lichtbildes durch Messung der Phasenlage erfaßt werden kann. Wenn jedoch die Ladungsspeicherzeiten der photoelektrischen Elemente sowohl für das Lichtbild, in dem ein großer Teil der besonderen räumlichen Frequenzkomponente enthalten ist, als auch für das Lichtbild, in dem eine geringe Größe der besonderen räumlichen Frequenzkomponente enthalten ist, gleichgemacht werden, hängt die Amplitude des Wechselspannungsausgangssignals von dieser Schaltung von der Größe der Komponente ab und die Amplitude wird klein, wenn die Größe der Komponente klein ist. Wenn die Amplitude des Ausgangssignals der Extra hierschaltung 400 in dieser Weise durch verschiedene Lichtbilder stark verändert wird, wird die Genauigkeit der Phasenmessung vergrößert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird daher eine Rückkopplung ai die Steuerschaltung 200 derart gegeben, daß die Amplitude unabhängig von der Größe der beanderen räumlichen Frequenzkomponente konstant ist.

Eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 richtet das Ausgangssignal der Extrahier schaltung 400 gleich und glättet es. Ein Fehlerdetektor 600 erfaßt die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 und der Bezugsspannung einer Bezugsspannungsquelle 600a. Das Er-

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fassungsausgangssignal des Fehlerdetektors 600 wird an.ei.nen Spannungs-Frequenz-Umforraer 700 gegeben, der ein Ausgangssignal einer Frequenz erzeugt, die der Fehlerspannung entspricht. Die Steuerschaltung 200 steuert die Ladungsspeicherzeit eines jeden photoelektrischen Elementes der Anordnung 100 aufgrund der Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700.

Eine Rückkopplungsschaltung, die die Gleichrichterund Glättungsschaltung 500, den Fehlerdetektor 600 und den Spannungs-Frequenz-Umformer 7 aufweist, gibt eine Rückkopplung ab, so daß die Amplitude des Wechselspannungsausgangssignals der Extrahierschaltung ein im wesentlichen konstanter Wert wird.

Es wird angenommen, daß ausgehend von dem Zustand, bei dem diese Anordnung abgeglichen ist und die Amplitude einen konstanten Wert hat, das Lichtbild verändert wird und ein Lichtbild projiziert wird, das eine kleinere Große der extrahierten räumlichen Frequenzkomponente hat, so daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der photοelektrischen Elemente geringer wird, wodurch die Amplitude des Wechselspannungsausgangssignals der Extrahiertschaltung 400 kleiner als der konstante Wert wird. Daher wird auch das Gleichspannungsausgangssignal der Gleichrichterund Glättungsschaltung 400 unter die Bezugsspannung vermindert und der Fehlerdetektor 600 erfaßt diese Differenz. Daraufhin wird die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umforma? s 700 vermindert und die Steuerschaltung 200 vergrößert die Speicherzeiten der

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photoelektrischen Elemente der Anordnung 100 "bis die Amplitude des Ausgangssignals der Extrahierschaltung 400 den konstanten Wert annimmt. Wenn dieser konstante Wert erreicht ist, wird das Ausgangssignal der Gleichrichter-und Glättungsschaltung 500 gleich der Bezugsspannung und das Ausgangssignal des Fehlerdetektors 600 wird an diesem Ablgeichpunkt stabil, wonach dieser Zustand beibehalten wird, bis das Lichtbild geändert wird. Wenn ausgehend von diesem Zustand als nächstes ein Lichtbild projiziert wird, das eine größere Größe der extrahierten besonderen Frequenzkomponente enthält, wird die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 durch eine Wirkung vergrößert, die der soeben beschriebenen gerade entgegengesetzt ist, und die Speicherzeit wird vermindert und erneut wird eine Steuerung derart bewirkt, daß die Amplitude der Extrahierschaltung 400 den konstanten Wert annimmt.

Auf diese Weise kann die Ladungsspeicherzeit der Anordnung kontinuierlich und automatisch entsprechend dem Lichtbild mit Hilfe der Eückkopplungsschaltung gesteuert werden, die den Spannungs-Frequenz-Umformer aufweist, wodurch das Ausgangssignal der Extrahierschaltung 400 unabhängig von dem Lichtbild auf den konstanten Wert gebracht werden kann.

Wenn der Spannungs-Frequenz-Umformer auf diese Weise benutzt wird, wird jedoch die Ausgangsfrequenz vermindert, um die Speicherzeit zu verlängern, wenn das Lichtbild eine geringere Größe der besonderen räumlichen Frequenzkomponente enthält. Wenn die Anordnung 100 ein Lichtbild gleichmäßiger Helligkeitsverteilung empfängt, wie das Lichtbild von einer

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schwarzen oder einer weißen Platte, d.h. ein Lichtbild, das eine kleinere Größe der zu extrahierenden besonderen räumlichen Frequenzkomponente enthält, kann der Spannungs-Frequenz-Umformer fortfahren, die Ausgangsfrequenz zu vermindern, bis schließlich die Schwingung aussetzt. Selbst wenn die Schwingung nicht aussetzt, vermindert der Spannungs-Frequenz-Umformer in nachteiliger Weise die Ausgangsfrequenz, wenn ein Lichtbild gleichmäßiger Helligkeitsverteilung auf die Anordnung projiziert wird. Wenn daher anstelle eines solchen Lichtbildes ein Lichtbild der gleichen Helligkeit, das jedoch eine große Menge der besonderen räumlichen Frequenzkomponente, die zu extrahieren ist, enthält, projiziert wird, ist eine lange Zeit erforderlich, bevor das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umformers eine für dieses neue Lichtbild geeignete Frequenz annimmt.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel verhindert dieses unerwünschte Verhalten mit Hilfe einer Frequenzfestlegungsschaltung 750. Wenn die Anordnung 100 ein Lichtbild empfängt, wie das Bild einer weißen Platte, das hell ist, jedoch nur eine geringe zu extrahierende räumliche Frequenzkomponente enthält, ist die Ausgangsamplitude der Extrahierschaltung 400 sehr klein, wodurch damit das Ausgangssignal der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 5OO ebenfalls sehr viel kleiner als die Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle 600a ist, wodurch wiederum die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 vermindert wird. Dadurch wird die Ladungsspeicherzeit vergrößert und das Ausgangssignal eines jeden photoelektrischen Elementes wird ebenfalls vergrößert. Die Frequenzfestlegungs-

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schaltung 750 erfaßt, daß dieses photoelektrische Ausgangssignal selbst oder das vom Verstärker 300 verstärke photoelektrische Ausgangssignal einen festgelegten bestimmten Wert annimmt, wie z.B. den Saltigungswert des Ausgangssignals des photoelektrischen Elements vom Ladungsspeichertyp, und sie erzeugt als Folge davon ein Ausgangssignal, das gleich der Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle 600a ist, um damit die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers auf die zum Erfassungszeitpunkt herrschende Frequenz unabhängig vom Ausgangssignal der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 festzulegen. In diesem Fall ist das Bild hell und bevor die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 stark verringert wird, wird die Frequenzfestlegungsschaltung 750 betätigt, um eine unnötige Frequenzverminderung des Umformers 700 zu verhindern.

In gleicher Weise wird, wenn ein Bild, wie das Bild ener schwarzen Platte, das eine nur geringe zu extrahierende räumliche Frequenzkomponente enthält und dunkel ist, auf die Anordnung 100 projiziert wird, der Spannungs-Frequenz-Umformer 700 auf eine bestimmte Frequenz durch die Wirkung der Frequenz-Festlegungsschaltung 750 festgelegt, ohne daß die Schwingung aussetzt. Natürlich ist dieses Lichtbild dunkel und bei dem Zustand, bei dem die Ladungsspeicherzeit ausreichend länger als bei dem vorherigen Beispiel geworden ist, erreicht das photoelektrische Ausgangssignal oder dessen verstärktes Ausgangssignal den bestimmten Wert der Frequenzfestlegungsschaltung 750, wodurch die festgelegte Frequenz zu diesem Zeit-

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punkt geringer ist als die "bei dem vorhergehenden Beispiel. , was in Übereinstimmung mit der Helligkeit des Bildes geschieht.

Selbst wenn das Bild noch dunkler ist und die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 in einem solchen Maße verringert wird, daß die Schwingung aussetzt, ist es möglich, daß das photoelektrische Ausgangssignal oder dessen verstärktes Ausgangssignal nicht den bestimmten Wert der Frequenzfestlegungsschaltung 750 erreicht. Der Spannungs-Frequenz-Umformer 700 kann daher vorzugsweise so aufgebaut sein, daß seine Ausgangskennlinie unterhalb einer bestimmten Frequenz gesättigt ist.

Selbst, wenn der Spannungs-Frequenz-Umformer in dieser Weise durch die Frequenzfestlegungsschaltung 750 zeitweilig verriegelt wird, wird natürlich, wenn ein Lichtbild, das in ausreichendem Maße eine zu extrahierende räumliche Frequenzkomponente enthält, als nächstes auf die Anordnung 100 projiziert wird, die Ladungsspeicherzeit derart gesteuert, daß die Frequenzfestlegungsschaltung 750 unwirksam wird oder das Ausgangs signal der (Sieichrichter- und Glättungsschaltung 500 groß wird und der Spannungs-Frequenz-Umformer 7OO entriegelt wird sowie die Ausgangsamplitude der Extrahierschaltung 400 einen bestimmten Wert annimmt.

Die Schaltung des in Fig. 1 gezeigten photoelektrischen Umformers ist in Fig. 2 im einzelnen dargestellt. In Fig. 2 bilden Photodioden D^ bis D₄ die Anordnung 100 und Reihenschalterelemente S^ bis S^

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bilden eine Schaltergruppe 110. Die Schalter S^. bis S^, der Schaltergruppe 110 werden aufeinanderfolgend durch Verknüpfungsimpulse G₃^ bis G₈^ aus Pig. 3A von der Steuerschaltung 200 geschaltet und die Ausgangssignalspannungen e^. bis e^, die durch die gespeicherten Ladungen der Photodioden D^. bis D^ gebildet werden, werden nacheinander an eine Abtast- und Halteschaltung 300b in der Verstärkerschaltung 300 mit einer Abtastperiode T^. und mit einem Zwischenraum einer bestimmten Zeitverzögerung t- gegeben. Im einzelnen wird, wenn das Schalterelement S,- durch den Impuls G^ leitend geschaltet wird, das Ausgangs signal der Fotodiode P^ an die Abtast- und Halteschaltung 300b gegeben. Nach dem Zeitpunkt t,. von der Erzeugung des Impulses G₈^» wird das Schalterelement S« durch den Impuls Gg leitend geschaltet, so daß das Ausgangssignal der Photodiode P₂ an die Abtast- und Halteschaltung 300b gegeben wird. Die Schalterelemente S, und S^ werden durch aufeinanderfolgende Impulse G- und G^, jeweils nacheinander in der gleichen Weise leitend geschaltet. Ein FET-Schalter 300a wird durch den Verknüpfungsimpuls Gb aus Fig. 3B von der Steuerschaltung 200 zu Zeitpunkten leitend geschaltet, unmittelbar bevor die Ausgangssignale e. bis e^ von den Photodioden D^ bis D^ die Abtast- und Halteschaltung 300b beaufschlagen, wodurch die Abtast- und Halteschaltung 300b zurückgesetzt wird. Der FET-Schalter 30Of wird durch den Verknüpfungsimpuls G₀^ aus Fig. 3C von der Steuerschaltung 200 nur unmittelbar danach leitend geschaltet, wenn das Ausgangs signal e. von der Photodiode D_x. an die Abtast- und Halteschaltung gegeben wird und damit der Wert des Ausgangssignals e,. in einem Kondensator 300c während der Abtastperiode T. gesammelt oder gespeichert

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wird. Das Ausgangssignal V der Verstärkerschaltung 300 wird damit ausgedrückt als V « G^ χ G₂ χ V_p G₂ χ V₁ + (1+G₂(v₂, wobei G₁ und G₂ die Verstärkungen der Verstärker JOOd und 50Oe und jeweils gleich R₂ZR^ sowie R₄ZR₅ sind, +V₃, die an den Widerstand R/t gegebene Spannung, v. die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung 300b und V₂ die Speicherspannung des Kondensators 300c, nämlich V₂ « e* sind, wenn der Widerstandswert so gewählt ist, das gilt:

R_?

V_r +

da die Ausgangsspannung v. der Schaltung 3COb nacheinander gleich e,., e₂, e-, und e₄ wird, werden die Ausgangsspannungen V. bis V₄ der Verstärkerschaltung die folgenden Werte annehmen, wenn die Ausgabgssignale e^ bis e^, von der Photodiodenanordnung 100 nacheinander als Eingangssignal zugeführt werden:

V_r + (1+G₂)(e₂-

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Diese Ausgangssignale V^. bis V^, werden nacheinander in Kondensatoren C^₀ bis C^q durch die Verknüpfungsimpulse G . bis G_Q^ aus Fig. 3C von der Steuerschaltung 200 gespeichert, die an die FET-Schalter S-q bis S^₀ der Extrahierschaltung 400 gegeben werden. Auf diese Weise wird mit Hilfe des Verstärkers 300 ein bestimmter Wert V₇., d.h. V₃₇ in einer Halteschaltung gespeichert, die einen Kondensator CLq und einen Spannungsfolger F^q aufweist, was unabhängig von dem Ausgangssignal e. der Photodiode D- geschieht, und Spannungen Vp, V, und V^ werden jeweils in Halteschaltungen gespeichert, die Kondensatoren und Spannungsfolger C₂₀» 5*20» ^C30* ^F30 ^{und C}40' ^F40 ^aufweisen· ^Um ö±^e gewünschte räumliche Frequenzkomponente zu extrahieren, sind die Differenzen zwischen den Ausgangssignalen e. bis e^ der Photodioden erforderlich und der Verstärker 300 ist daher sehr vorteilhaft, der nur die zuvor beschriebenen Differenzen verstärkt. Die so gespeicherten Spannungen V. bis V^ werden durch die Verknüpfungsimpulse G_d1 bis G_d4 aus Fig. 4 ausgelesen, die eine Periodendauer ^Tp^^T2 ^T1^ haben und jeweils um T₂/4 zeitverzögert sind sowie von einem Verknüpfungsimpulsgenerator 800 FET-Schaltern S^₀₀ bis S^₀₀ zugeführt werden. Die Spannungen V. bis V^ werden zusammenaddiert und in einen Strom mit Hilfe einer Stromadditions- und Strom/Spannungs-Umformerschaltung 400a umgeformt, wobei die Frequenzkomponente von 1/T₂ ^aus diesen mit Hilfe eines Bandpaßfilters 400b extrahiert wird.

Das so erhaltene Ausgangssignal der Extrahierschaltung 400, wie dieses in der US-Patentanmeldung Serial No. 972 261 vollständig beschrieben ist, ist die Lichtbildkomponente der raumlichen Frequenz 1/d Linien/mm,

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wobei d mm die Länge der Photodiodenanordnung 100, nämlich die Länge der vier Photodioden D^. bis D^ in Richtung ihrer Anordnung ist, und die Amplitude des extrahierten Ausgangssignals gibt die Größe der extrahierten räumlichen Frequenzkomponente an und deren Phasenlage· gibt die relative Lage des Lichtbildes und der Anordnung an.

Das Ausgangssignal der Extrahierschaltung 400 wird an einen Phasendifferenzmesser 900 gegeben. Da die Phasenlage des Wechselspannungsausgangssignals der Extrahierschaltung 400 die relative örtliche Beziehung zwischen demLichtbild und der Anordnung in der zuvor beschriebenen Weise angibt, kann eine Verschi&ung des Lichtbildes durch Messung der Phasendifferenz zwischen dem Signal der Periode Tg von dem Verknüpf ungsimpulsgenerator 800, das mit den Steuersignalen der Schalterelemente S^₀₀ bis S^q₀ synchronisiert ist, und dem Ausgangssignal der Extrahierschaltung 400 durch den Phasendifferenzmesser 900 festgestellt werden.

Andererseits wird das Ausgangssignal der Extrahierschaltung 400 rückgekoppelt, um die Frequenz des Ausgangssignals des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 zusteuern, und wird als ein Eingangssignal andie Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 gegeben. Der Aufbau der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gehört zum Stand der Technik und braucht daher nicht erläutert zu werden. Das Vechselspannungsausgangssignal der Extrahierschaltung 400 wird geglättet und als ein Gleichstrom, der den Durchschnittspegel angibt, an den Fehlerdetektor

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angibt, an den Fehlerdetektor 600 über einen FET-Schalter 550 gegeben.

Die Frequenzfestlegungsschaltung 750 weist eine Diode 75Oa und eine Zenerdiode 75Ob auf. Das Eingangssignal der Schaltung 750 ist das Ausgangssignal eines Operationsverstärkers 30Od, der das photoelektrische Ausgangssignal der Photodiode D. verstärkt, und das Ausgangssignal der Schaltung 750 wird an den Eingang des Fehlerdetektors 600 gegeben.

Der Fehlerdetektor 600 ist ein Integrator, der einen Operationsverstärker 600b, dessen Rückkopplungskondensator 600c und einen V/iderstand 60Od aufweist. Er integriert die Differenzspannung zwischen dem Ausgangssignal der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 und der Bezugsspannung V der Bezugsspannungsquelle 600a. Die integrierte Größe dieser erfaßten Differenzspannung steuert den Spannungs-Freqenz-Umformer 700, um die Frequenz zu ändern.

Die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 ist eine Exponentialfunktion der Eingangsspannung, d.h., es gilt

k CV

^Le *

wobei f die Ausgangsfrequenz, ν die Eingangsspannung, nämlich die Ausgangsspannung des Fehlerdetektors 60O₁ und A und C Eonstanten sind.

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Die exponentiale Kennlinie der Ausgang6frequenz f für eine solche Eingangsspannung ν ist durch mehrere Dioden 700c gegeben, die in dem Eingangsteil des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 vorgesehen sind und die Eingangsspannung in einen Ladestrom umformen, der die Exponentialfunktion bewirkt, wodurch ein integrierender Kondensator 700b aufgeladen wird. Im übrigen ist der Aufbau des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 ähnlich dem eines herkömmlichen Spannungs-Frequenz-Umformers.

Die Arbeitsweise des Spannungs-Frequenz-Umformers wird jetzt erläutert. Ein der Ausgangsspannung des Fehlerdetektors 600 entsprechender Strom fließt durch den Eückkopplungskondensator 700b und die mehreren Dioden TOOc, um den Kondensator 700b aufzuladen. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 700a wird daher allmählich vergrößert. Wenn diese Spannung die Bezugsspannung Vth einer Vergleicherschaltung 70Od übersteigt, wird ein Ausgangstransistor 70Oe leitend geschaltet, um einen Augangsimpuls an die Steuerschaltung 200 zu geben. Durch das Leitendschalten des Ausgangstransistors 70Oe wird eine Stromzuführungsschaltung 70Of eingeschaltet, um zeitweilig den Eückkopplungskondensator 700b in umgekehrter Richtung aufzuladen, d.h., diesen Kondensator zu entladen. Dadurch kehrt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 700a zeitweilig in ihren Anfangszustmd zurück, und beginnt dann erneut den Rückkopplungskondensator 700b aufzuladen, wodurch die beschriebene Arbeitsweise wiederholt wird.

Jetzt wird erläutert, warum eine exponentiale Kennlinie für de Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers

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vorgesehen ist.

Wenn f ■ A χ e^cv ist, nimmt die relative Anderungsgröße Δ f/f der Ausgangsfrequenz zur Änderung Δ ν der Eingangs-

spannung einen konstanten Wert c an, der unabhängig von der Ausgangsfrequenz f ist. Die Ansprechgeschwindigkeit dieses photoelektrischen Umformers auf die Änderung des Bildlichtes wird daher unabhängig von der Ausgangsfrequenz konstant. Wenn jedoch die Spannungs-Frequenz-Kennlinie eine proportionale Beziehung hat, nämlich wenn f ■ Bv gilt, wird die relative Änderungsgröße Af/f ■ B

AV

und hängt von der Ausgangsfrequenz f ab. Die relative Änderungsgröße wird daher bei niedrigen Frequenzen grosser, so daß dieser photοelektrische Umformer schneller zu schwingen anfängt und zum Verhindern einer solchen Schwingung die Ansprechgeschwindigkeit des photoelektrischen Umformers bei hohen Frequenzen vergrößert wird.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung erläutert. Wenn z.B. ein Lichtbild mit einer geringen Größe einer besonderen räumlichen Frequenzkomponente, die zu extrahieren ist, auf die Anordnung 100 bei einem Zustand projiziert wird, bei dem der Umformer n>rmal arbeitet, wird das Ausgangssignal der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 kleiner als die Bezugsspannung +VC des Fehlerdetektors 600, so daß dadurch das negative Ausgangssignal -v des Fehlerdetektors 600 vergrößert wird, d.h., |v| wird kleiner. Daher wird auchdie Ausgangsfrequenz f des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 kleiner und die Steuerschaltung 200 vergrößert die Abtastperiode T^ der Schalter S- bis S^, nämlich die Speicherperiode T^ der Photo-

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dioden D- bis D^, beis das Ausgangssignal der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 gleich +Vc wird. Natürlich werden zu diesem Zeitpunkt die Leitungsperioden des Rücksetzschalters 300a und der Schalter S^₀ bis Sws in gleicher Weise vergrößert.

Umgekehrt wird für ein Lichtbild, das eine größere Größe der zu extrahierenden räumlichen Frequenzkomponente enthält, die Ausgangsfrequenz durch eine der zuvor beschriebenen vollständig entgegengesetzte Wirkungsweise vergrößert, um die Ausgangsamplitude der Extrahierschaltung 400 auf einen bestimmten Wert zu bringen.

Wenn andererseits ein Lichtbild projiziert wird, das eine äußerst kleine Größe der zu extrahierenden räumlichen Frequenzkomponente enthält, übersteigt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 30Od die Summe der Zenerspannung der Zenerdiode 75Ob, der Durchlaßspannung der Diode 75Oa und der Bezugsspannung +Vc der Bezugsspannung squelle 600a, so daß die Frequenzfestlegungsschaltung 750 betätigt wird, um den Spannungs-Frequenz-Umformer 700 festzulegen, so daß seine Frequenz nicht un-ter die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Frequenz vermindert werden kann.

Bei der vorstehenden Beschreibung wurde das Schalterelement 550 als immer leitend angegeben, jedoch ist der folgende Vorteil zu erreichen, wenn das Schalterelement 550 während einer bestimmten Zeitdauer leitend geschaltet wird.

Wenn dieser Umformer durch eine Änderung des Lichtbildes

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seinen abgeglichenen Zustand verläßt, kann er in den abgeglichenen Zustand zurückgebracht werden, wenn das FET-Schalterelement 550, das zwischen der Gleichrichterschaltung 500 und der Detektorschaltung 600 vorgesehen ist, nur einmal während einer bestimmten Zeitdauer Δι während der Speicherzeit T^. der Photodiode unabhängig von der Abtastfrequenz leitend geschaltet wird. Dieses wird anschließend im einzelnen erläutert. Die Leitungszeit At des FET-Schalters ist die Integrationszeit der Detektorschaltung 600, mit anderen V/orten, sie bestimmt die Größe der Rückkopplung. Bei der Schaltung des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels integriert die Detektorschaltung 600, wenn das Ausgangssignal der Glättungsschaltung 500 durch äv.q vermindert wird, die Änderung Av^q während einer bestimmten Zeitdauer At und erzeugt die Änderung Δν als Integrationsausgangssignal. Diese Änderung Δ ν bewirkt daß die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers um Δί erniedrigt wird. Die Frequenzänderung Δί vergrößert die Ausgangssignale der Photodioden D^. bis D. , um dadurch das Ausgangssignal der Glättungsschaltung 500 um Av^q zu vergrößern. Mit anderen Worten bedeutet der Zustand Af/f den abgeglichenen Zustand. Aus diesem Zustand wird die

Zeitdauer At erhalten. Venn das Ausgangs si gnal der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 500 um Av.q gegenüber dem abgeglichenen Zustand +Vc geändert und gleich Vc +Av. wird, so wird diese an die Detektorschaltung 600 über den FET-Schalter 550 für die Zeitdauer Δ t gegeben. Wenn das Integrationsausgangssignal der Detektorschaltung 600 dadurch um Δν geändert wird, gilt t x ^^V1O» ^wo1:)e:i· G* άίβ Kapazität des Konden

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sators 600c und R der Widerstandswert des Eingangswiderstandes 60Od ist.

Durch diese Änderung ^v im Integrationsausgangssignal wird die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 um Af geändert. Die relative Änderung Δ f/f ist die folgende, da Δf/f in der bereits be-

Δ ν

echriebenen Weise der konstante Wert c ist.

Δ f/f « ^Af/f XAV . c χ ^Δ* *^Δν10 Δ ν RC₁

Wenn die relative Änderung Δf/f dieser Frequenz gleich der relativen Änderung Av₁₀/V des Integrationseingangssignals ist, wird der abgeglichene Zustand erneut erreicht und es gilt:

C χ ^At * ^Av10 = ^v10 Δι - ^RC1

V_c V_cxC

Wie sich aus dieser letzten Gleichung ergibt, ist die Zeitdauer At ein von der Ausgangsfrequenz f unabhängiger Wert und durch Wahl der Leitungszeitdauer At des FET-Schalters 550 auf diesem Wert, kann der abgeglichene Zustand durch einmaliges Leiten des FET-Schalters 550 wieder erreicht werden, welchen Wert die Ausgangsfrequenz f des Spannungs-Frequenz-Umformers auch annehmen mag. Der Wertet kann einer sein, der annäherungsweise

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durch die zuletzt angegebene Gleichung gegeben ist, und der abgeglichene Zustand wird durch einmaliges Leiten des FET-Schalters 550 annähernd erreicht, so daß ein großes Überschießen oder e ne zu niedrige Ansprechgeschwindigkeit damit verhindert wird.

Jetzt wird ein besonderes Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung 200 erläutert. In Fig. 5 wird das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 an einen Eingang eines UND-Gliedes 201 gegeben. Der Ausgang des UND-Gliedes 201 ist mit dem T-Eingang eines monostabilen Multivibrators 202 verbunden. Der $-Ausgang des Multivibrators 202 ist mit dem T-Eingang eines weiteren monostabilen Multivibrators 203 verbunden. Der ^-Ausgang dieses Multivibrators 203 ist mit dem anderen Eingang des UND-Gliedes 201 über ein ODER-Glied 204 verbunden. Der Q-Ausgang des Multivibrators 202 ist mit dem Takteingang eines Schieberegisters 205 verbunden. Der Ausgang eines NOR-Gliedes 206 ist mit dem D-Eingang des Schieberegisters 205 verbunden. Das Schieberegister 205 hat zwölf parallele Ausgänge Q₁ bis Q^p♦ ^von denen die Ausgänge Q₁ bis Q,.,. mit dem Eingang des NOR-Gliedes 206 verbunden sind. Die Ausgänge von UND-Gliedern 207 bis 210 sind mit den FET-Schaltern S^ bis S^ der Fig. 2 Jeweils verbunden. Die Audgänge von UND-Gliedern 211 bis 214 sind mit FET-Schaltern S^₀ bis S^₀ jeweils verbunden. Ein NOR-Glied 215 erhält als Eingangssignal das Q-Ausgangssignal des Multivibrators 202 und das Aus^ngssignal eines NOR-Gliedes 216, während der Ausgang des NOR-Gliedes 215 mit der Ansteuerelektrode eines Rücksetzschalters 300a verbunden ist.

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Die Arbeitsweise wird jetzt erläutert. Wie in Pig. 6A gezeigt ist, erzeugt der Multivibrator 202, wenn die ansteigende Flanke des negativen Ausgangsimpulses des Spannungs-Frequenz-Umformers 700 an den Multivibrator 202 über das UND-Glied 201 gegeben wird, einen in Fig. 6B gezeigte η positiven Impuls an seinem Q-Ausgang und einen negativen Impuls an seinem Q-Ausgang. Durch das Ansteigen des zuvor erwähnten negativen Impulses gibt der Multivibrator 203 einen in Fig. 6C gezeigten negativen Impuls an seinem ^-Ausgang ab. Die ansteigende Flanke dieses negativen Impulses des Multivibrators 203 wird an den Multivibrator 202 über das ODER-Glied 204 und das UND-Glied 201 gegeben. Dadurch erzeugt der Multivibrator 202 erneut einen positiven Impuls und einen negativen Impuls jeweils an seinen Q- und ^-Ausgängen. Auf diese Weise werden die Multivibratoren 202 und 203 kontinuierlich durch ihre Ausgangssignale angesteuert, wobei das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umformers als ein Startsignal wirkt. Andererseits erhält das Schieberegister 205 das Ausgangssignal hohen Pegels H des NOR-Gliedes 206 beim Anstieg des ersten positiven Impulses am Q-Ausgang des Multivibrators 202 und ändert sein Ausgangssignal am Ausgang Q^ auf den Pegel H. Das vom Schieberegister 205 empfangene Ausgangssignal mit dem Pegel H wird auf die nachfolgenden Stufen jedesmal dann übertragen, wenn ein Taktimpuls vom Q-Ausgang des Multivibrators 202 abgegeben wird, so daß die Ausgänge

Q~, Qz, nacheinander den Pegel H annehmen. Wenn

einer der Ausgänge Q,. bis Q₁^y. den Pegel H annimmt, führt natürlich das NOR-Glied 206 den niedrigen Pegel L, so daß, wenn einer der Ausgänge Q₁ bis Q^ den Pegel H führt, die übrigen Ausgänge den Pegel L führen.

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Wenn der Ausgang Q^ daher den Pegel E führt, gibt das UND-Glied 207 einen Verknüpfungsimpuls G_&y., wie er in Fig. 3A gezeigt ist, an den FET-Schalter S^ und, wenn der Ausgang C^, den Pegel H annimmt, gibt das UND-Glied 211 einen Verknüpfungsimpuls Q_Q^, der in Fig. 30 gezeigt ist, an die FET-Schalter 10 und 300f, und, wenn der Ausgang Q, den Pegel H annimmt, gibt das NOR-Glied 215 einen Verknüpfungsimpuls, der in Fig. 3B gezeigt ist, an den FET-Schalter 30Oa. Wenn daher die Anschlüsse Q^, bis Q^.ρ nacheinander den Η-Pegel annehmen, werden nacheinander die in den Figuren 3A, 3B und 3C gezeigten Verknüpfungsimpulse erzeugt. Das Ausgangssignal mit dem Pegel H an dem Ausgang 0^,2 ^der letzten Stufe wird an den Multivibrator 202 über das ODER-Glied 204 und das UND-Glied 201 gegeben, wodurch danach das CJ[-Ausgangssignal des Multivibrators 203 vernachlässigt wird. Die Arbeitsweise der Multivibratoren 202 und 203 wird daher unterbrochen, bis der nächste Ausgangsimpuls vom Spannungs-Frequenz-Umformer 700 zugeführt wird.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erfaßt die Frequenzfestlegungsschaltung 750 das photoelektrische Ausgangssignal nur von einer Photodiode D^, die in der Photodiodenanordnung 100 vorgesehen ist. Im Falle eines besonderen Lichtbildes , bei dem die Intensität des auf dieser Photodiode D^ auftreffenden Lichts sich erheblich von der Lichtintensität unterscheidet, die auf den anderen Photodioden Dg bis D^ auftrifft,kann die bei dem in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel benutzte Frequenzfestlegungsschaltung 750 nicht geeignet arbeiten.

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Dieses wird durch das zweite, in Fig. 7 gezeigte verbesserte Ausführungsbeispiel vermieden.

Eine Verstärkerschaltung 300 erzeugt nicht die Differenz zwischen den photoelektrischen Ausgangssignalen, sondern von Ausgangs Signalen, die durch direktes Verstärken der photoelektrischen Ausgangssignale erhalten werden. Die verstärkten photoelektrischen Ausgangssignale der Photodioden werden daher in Halteschaltungen C₁₀, F₁₀; C₂₀, F₂₀; C₅₀, F₅₀; und C^₀, F^₀ über die Schalterelemente S₁₀ bis S^₀ gehalten.

Die Ausgänge dieser Halteschaltungen sind über einander gleiche Widerstände R miteinander verbunden. Dadurch wird das Gesamtausgangssignal aller Photodioden D₁ bis D^, der Photodiodenanordnung an die Frequenzfestlegungsschaltung 730 gegeben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel steuert daher die Frequenzfestlegungsschaltung 75O den Spannungs-Frequenz-Umformer 700 auf der Grundlage des Gesamtausgangssignals der photoelektrischen Ausgangssignale aller Photodioden, so daß sie selbst dann geeignet arbeiten kann, wenn ganz besondere Lichtbilder empfangen werden. Natürlich kann die Frequenzfestlegungsschaltung 75O den Spannungs-Frequenz-Umformer 700 entweder auf der Grundlage des durchschnittlichen photoelektrischen Ausgangssignals aller Photodioden oder auf der Grundlage der photoelektrischen Ausgangssignale einer geeigneten Vielzahl von Photodioden in der Photodiodenanordnung steuern, wodurch die gleiche Wirkung erreicht wird.

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Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ein photoelektrischer Umformer zum Extrahieren einer besonderen räumlichen Frequenzkomponente, die in einem Lichtbild enthalten ist. Jedoch ist die Erfindung auch bei verschiedenen anderen photoelektrischen Umformern anzuwenden, z.B. bei einem photoelektrisehen Umformer, derdie Ausgangssignale von photoelektrischen Elementen in einen bestimmten Bereich unabhängig von der durchschnittlichen Beleuchtung des Bildes bringen soll, während die relativen Ausgangssignaldifferenzen erhalten bleiben.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER an. Wa H. KINKELDEY on «α W. STOCKMAIR OH-INS AaCICALTCCH K. SCHUMANN C* PtH NAT. »PL-PHYS P. H. JAKOB om-ma G. BEZOLD 8 MÜNCHEN MAXlMlLtANSTRASSe «3 PH 14 522 - 42/hb 21. Dezember 1979 NIPPON KOGAKU K.K. 2-3, Marunouchi 3-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan Photoelektrischer Umformer mit einer photoelektrischen Elementanordnung des Ladungsspeichertyps Patentansprüche

1. Photoelektrischer Umformer mit

a) einer Abbildungsoptik,

b) einem photoelektrischen Umformerteil zum photoelektrischen Umformen eines von der Abbildungsoptik gebildeten Lichtbildes und zum Erzeugen einer zugeordneten Ausgangsspannung, die der
in dem Lichtbild enthaltenen Information züge-

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(oas) aaaaea tklex oe-asaao teleqrammb monapat telf.kopiercr

ordnet ist, wobei der photoelektrische Umformerteil eine photoelektrische Elementanordnung des Ladungsspeichertyps enthält, die mehrere photoelektrische Elemente des Ladungsspeichertyps aufweist, von denen jedes die nach Maßgabe der Intensität des auftreffenden Lichts erzeugten Ladungen speichert und ein photoelektrisches Ausgangssignal erzeugt, das sowohl mit der Lichtintensität als auch der Speicherzeit in Beziehung steht, und

c) einer Steuerschaltung zum Speisen der photoelektrischen Elementanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß

d) eine Rückkopplungsschaltung (500, 600, 700) zwischen den photoelektrischen Umformerteil (100, 300, 400) und die Steuerschaltung (200) geschaltet ist, daß die Rückkopplungsschaltung einen Spannungs-Frequenz-Umformer (700) zum Aufnehmen der zugeordneten Ausgangsspannung als Eingangssignal und zum Erzeugen einer dieser entsprechenden Ausgangsfrequenz aufweist, daß die Rückkopplungsschaltung die Ausgangsfrequenz der Steuerschaltung (200) zuführt, damit diese die Ladungsspeicherzeit der photoelektrischen Elementanordnung (100) derart steuert, daß die zugeordnete Ausgangsspannung einen im wesentlichen konstanten, von dem Lichtbild unabhängigen Wert annimmt.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzfestlegungsschaltung (750) zum Erfassen, daß das Ausgangssignal der photoelektrischen Elementanordnung (100) einen bestimmten

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Wert überschritten hat, und zum Festlegen der Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers (750) unabhängig von der zugeordneten Ausgangsspannung vorgesehen ist.

3. Photoelektrischer Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfestlegungsschaltung (750) das photoelektrische Ausgangssignal einer der photoelektrischen Elemente (D_-1 bis Dj.) der photoelektrischen Elementanordnung (100) erfaßt und das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umformers (700) festlegt, wenn es den bestimmten Wert übersteigt.

4. Photoelektrischer Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfestlegungsschaltung (750) ein Ausgangssignal erfaßt, das die Summe der photοelektrischen Ausgangssignale von mindestens zwei der photoelektrischen Elemente der photoelektrischen Elementanordnung (100) ist, und das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umformers (700) festlegt, wenn die Summe den bestimmten Wert übersteigt.

5· Photoelektrischer Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenz-Umformer (700) eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die im wesentlichen eine Exponentialfunktion . der Eingangsspannung ist.

6. Photoelektrischer Umformer nach Anspruch 5» d adurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung eine eine Bezugsspannung erzeugende

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Schaltung (600a) und einen Integrator (600) zum Integrieren der Differenz zwischen der Bezugsspannung der die Bezugsspannung erzeugenden Schaltung und der zugeordneten Ausgangsspannung aufweist, wobei das Ausgangssignal des Integrators als Eingangssignal an den Spannungs-Frequenz-Umfortner (700) gegeben wird.

7. Photoelektrischer Umformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung Schalterelemente (550) zum Zuführen der zugeordneten Ausgangsspannung an den Integrator (600) während einer bestimmten Zeitdauer innerhalb der Speicherzeit aufweist.

8. Photoelektrischer Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrxsche Umfortnerteil eine Extrahierschaltung (400) zum Extrahieren einer bestimmten räumlichen Frequenzkomponente aus dem Lichtbild und zum Erzeugen der ihr zugeordneten Ausgangsspannung aufweist.

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