DE3004146A1

DE3004146A1 - Measuring illumination intensity by using photodiode - avoiding load dependency and nonlinearity by compensation of dark current during amplification

Info

Publication number: DE3004146A1
Application number: DE19803004146
Authority: DE
Inventors: Miroslav 8070 Ingolstadt Roubal
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-05
Filing date: 1980-02-05
Publication date: 1981-08-06
Also published as: DE3004146C2

Abstract

Aphotodiode is used and avoids the expensive amplification circuitry conventionally required for low photo voltage measurements. The difficulties associated with the load dependency of the photovoltage and the nonlinear relationship between photovoltage and illumination intensity are overcome. The photodiode is raised to a voltage within the characteristic field of the photodiode in a region of photocurrent practically independent of voltage. The rate of change of voltage as the photodiode discharges is measured essentially without consuming power. The voltage on the photodiode is amplified with a gain determined by the dark current. This achieves a compensation of the dark current content of the discharge current. Voltage rate of change is measured from the time taken to reach a given voltage.

Description

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belichtungsmessung mit einer Photodiode. Ferner betrifft sie auch eine solche Vorrichtung. The invention relates to a method for exposure measurement with a Photodiode. It also relates to such a device.

Es ist bekannt, zur Belichtungsmessung, insbesondere bei kleinen Beleuchtungsstärken, die an der Photodiode bei Lichteinfall entstehende Photospannung zu messen. Die auftretenden Photospannungen, die dann verhältnismäßig klein sind, müssen dabei verstärkt werden, was aber einen erheblichen Schaltungsaufwand erfordert, weil zum einen die Photospannung stark belastungsabhängig ist und außerdem ein nichtlinearer und von der Belastung abhängiger Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Photospannung besteht. It is known to measure exposure, especially with small Illuminance, the photovoltage on the photodiode when exposed to light to eat. The photovoltages that occur, which are then relatively small, must be reinforced, but this requires a considerable amount of circuitry, because on the one hand the photovoltage is heavily load-dependent and also a non-linear one and the load-dependent relationship between illuminance and photovoltage consists.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen unter Umgehung der genannten Schwierigkeiten auf einfachere Weise das Photoverhalten einer Photodiode ausgenützt werden kann. The object of the invention is therefore to provide a method and a device indicate with which bypassing the difficulties mentioned on simpler Way, the photo behavior of a photodiode can be exploited.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß die Photodiode auf eine Spannung aufgeladen wird, welche im Kennlinienfeld der Photodiode in dem Bereich weitgehend spannungsunabhängiger Photo ströme liegt und daß die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung an der sich entladenden Photodiode im wesentlichen leistungslos gemessen wird. With regard to the method, this object is achieved in that the photodiode is charged to a voltage which is in the characteristic field of the photodiode in the area of largely voltage-independent photo currents and that the rate of change the voltage across the discharging photodiode is measured essentially without power will.

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Schaltelement vorgesehen ist, über das die Photodiode trennbar an eine Spannungsquelle legbar ist, daß der Photodiode ein im wesentlichen leistungsloser Verstärker nachgeschaltet ist und daß eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, welche über das öffnen desSchaltelements startbar und über einen bestimmten Wert der Verstärkerausgangsspannung stoppbar ist.In terms of device, the object is achieved in that a switching element is provided via which the photodiode can be connected to a voltage source in a separable manner is that the photodiode is followed by an essentially powerless amplifier is and that a counting device is provided, which on the opening of the switching element can be started and stopped above a certain value of the amplifier output voltage is.

Die Erfindung macht sich hierbei den Verlauf des U-I-Kennlinienfeldes einer Photodiode mit der Beleuchtungsstärke b als Parameter zunutze (siehe Fig. 1). Im Bereich einer Sperrspannung UO der Größenordnung einiger Volt ist der für eine bestimmte Beleuchtungsstärke auftretende Photostrom praktisch spannungsunabhängig. Lädt man daher zunächst die Diode auf die Spannung UO auf und läßt sie sich dann bei konstant gehaltener Beleuchtungsstärke frei (also im wesentlichen unbelastet von Parallelwiderständen zur Photodiode) entladen, so entspricht dies einem Laufen auf einer bestimmten Kennlinie der Kennlinienschar in Fig. 1 nach links, d. h. die Photodiode entlädt sich mit einem vom Lichteinfall abhängigen konstanten Photostro'. Damit wird die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung dU/dt = ipht J (1) wobei C die Kapazität der Photodiode gegebenenfalls unter Einschluß zusätzlicher parasitärer Kapazitäten der Schaltung bedeutet, d.h., die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung ist für einen bestimmten Lichteinfall konstant. Sie läßt sich daher, wie es einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht, nach U = Ci = C-iph- iSt (2) - 1 Ph aus der Zeit t berechnen, in der sich die Spannung an der Photodiode von der Ausgangsspannung UO nach einer bestimmten Endspaanung U1, die ebenfalls noch im linearen Teil des Kennlinienfeldes liegt, ändert. The invention makes the course of the U-I family of characteristics a photodiode with the illuminance b as a parameter (see Fig. 1). In the range of a reverse voltage UO of the order of magnitude of a few volts, the for a certain illuminance occurring photocurrent practically independent of voltage. So you first charge the diode to the voltage UO and then let it go if the illuminance is kept constant, it is free (i.e. essentially unencumbered from parallel resistors to the photodiode), this corresponds to running to the left on a certain characteristic of the family of characteristics in FIG. H. the The photodiode discharges with a constant photocurrent depending on the incidence of light. Thus the rate of change of the voltage becomes dU / dt = ipht J (1) where C the capacitance of the photodiode, possibly including additional parasitic The capacitance of the circuit means, that is, the rate of change of voltage is constant for a certain incidence of light. You can therefore, as one preferred embodiment of the invention, according to U = Ci = C-iph- iSt (2) - Calculate 1 Ph from the time t in which the voltage at the photodiode changes from the output voltage UO after a certain final voltage U1, which is also still lies in the linear part of the characteristic field, changes.

Da für die Beleuchtungsstärke b gilt b = Ph - iR)((3) wobei k eine Konstante bedeutet, i,st bei Beleuchtungsverhältnissen, für die der Photostrom iph sehr viel größer als der Dunkelstrom iR ist, die Zeit iX t der Beleuchtungsstärke umgekehrt proportional.Since for the illuminance b, b = Ph - iR) ((3) whereby k means a constant, i, st under lighting conditions for which the photocurrent iph is much greater than the dark current iR, the time iX t of the illuminance inversely proportional.

Um auch noch im Bereich kleinster Beleuchtungsstärken fehlerfrei messen zu können, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zur Kompensation des Dunkelstroms die Spannung an der Photodiode mit einer durch den Dunkelstrom bestimmten Eingangsleistung verstärkt. Die Verstärkung wirkt dann gleichzeitig als (Konstant)stromquelle und es ergeben sich die Verhältnisse der Fig. 2. Durch die Diode fließt ein Strom i = ipht ihre Kapazität (die auch parasitäre Kapazitäten der Schaltung beinhaltet) entlädt sich aber nur mit einem Strom i = inh - iD, so daß sich die Spannung an der Photodiode~nath Formel (3) exakt proportional zur Beleuchtungsstärke b ändert. Vorrichtungsmäßig wird dies bevorzugt dadurch erreicht, daß als Verstärker ein Verstärker vorgesehen ist, dessen Eingangsstrom im Bereich des Dunkelstroms der Photodiode liegt. Bevorzugt ist hierzu als Verstärker ein Feldeffekttransistor vorgesehen, in dessen Gate-Kreis die Photodiode liegt. Vorzugsweise ist der Feldeffekttransistor in Source-Folgerschaltung geschaltet. Nach einer bevorzugten vorrichtungsmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist zur Messung von A t der Ausgang des Verstärkers mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers gekoppelt und der Ausgang des Schmitt-Triggers mit dem Stoppeingang der durch das öffnen des Schaltelements startbaren Zähleinrichtung verbunden. Um eine Meßbereichsumschaltung zu ermöglichen, ist bevorzugt die Zählfrequenz der Zähleinrichtung veränderbar.In order to be able to measure without errors even in the range of the smallest illuminance levels, according to a preferred embodiment of the invention to compensate for the dark current, the voltage at the photodiode is amplified with an input power determined by the dark current. The amplification then simultaneously acts as a (constant) current source and the relationships in FIG. 2 result. A current i = ipht flows through the diode. Its capacitance (which also includes parasitic capacitances of the circuit) only discharges with a current i = inh - iD so that the tension at the photodiode ~ nath formula (3) changes exactly proportional to the illuminance b. In terms of the device, this is preferably achieved in that an amplifier is provided as the amplifier, the input current of which is in the range of the dark current of the photodiode. For this purpose, a field effect transistor is preferably provided as an amplifier, in the gate circuit of which the photodiode is located. The field effect transistor is preferably connected in a source follower circuit. According to a preferred device configuration of the invention, the output of the amplifier is coupled to the input of a Schmitt trigger for measuring A t and the output of the Schmitt trigger is connected to the stop input of the counter that can be started by opening the switching element. In order to enable the measuring range to be switched, the counting frequency of the counting device can preferably be changed.

Es ist höchst zweckmäßig, insbesondere Photodiode, Feldeffekttransistor und Schaltelement in einer gegenüber den übrigen Schaltungsteilen bewegbaren Sonde unterzubringen und in der Sonde einen mechanischen Taster zum Schalten des Schaltelements von Hand vorzusehen. It is most useful, especially photodiode, field effect transistor and switching element in a probe that can be moved relative to the other circuit parts to accommodate and in the probe a mechanical button for switching the switching element to be provided by hand.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. An embodiment of the invention is described below in connection described with the accompanying drawing.

Auf dieser zeigt Fig. 1 ein U-I-Kennlinienfeld einer Photodiode mit der Beleuchtungsstärke b als Parameter, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Dunkelstromkompensation, Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Belichtungsmessungsvorrichtung gemäß der Erfindung, und Fig. 4 das Sensorteil der Vorrichtung in schematischer Darstellung.On this, Fig. 1 shows a U-I family of characteristics of a photodiode the illuminance b as a parameter, FIG. 2 shows a basic circuit diagram for explanation the dark current compensation, FIG. 3 shows a basic circuit diagram of an embodiment the light metering device according to the invention, and FIG. 4 the sensor part of the device in a schematic representation.

Fig. 1 gibt das bereits weiter oben angesprochene Kennlinienfeld einer Photodiode für vier verschiedene Beleuchtungsstärke, einschließlich der Beleuchtungsstärke 0, für die sich der Dunkelstrom ergibt, wieder. Im Bereich größerer Sperrspannungen verlaufen sämtliche Kennlinien, auch die des Dunkelstroms, im wesentlichen linear und im Rahmen der für die Erfindung erforderlichen Genauigkeit auch horizontal, was bedeutet, daß Photoströme und Dunkelstrom in diesem Bereich im genannten Rahmen der Genauigkeit spannungsunabhängig sind. Fig. 1 gives the family of characteristics already mentioned above a photodiode for four different illuminance levels, including illuminance levels 0, for which the dark current results, again. In the area of higher blocking voltages all characteristics, including those of the dark current, are essentially linear and within the scope of the accuracy required for the invention also horizontally, which means that photocurrents and dark currents in this area in the range mentioned the accuracy are independent of the voltage.

Ferner ist der um den Dunkelstrom erminderte Photostrom proportional der Beleuchtungsstärke. Diese beiden Tatsachen ermöglichen die Messung der Beleuchtungsstärke in der weiter oben beschriebenen Weise.Furthermore, the photocurrent reduced by the dark current is proportional the illuminance. These two facts make it possible to measure illuminance in the manner described above.

Fig. 2 gibt das Prinzipschaltbild der Photodiode mit Dunkelstromkompensation wieder, wobei zum besseren Verständnis die durch die Anfangsspannung Uo aufgeladene Kapazität der Diode, zu der auch parasitäre Kapazitäten der Schaltung treten, gestrichelt dargestellt ist. Durch Zuführen eines Stromes iK in der Größe des Dunkelstromes iR der Photodiode, läßt sich der Entladestrom des Kondensators C von iph auf iph - iR vermindern, so daß sich entsprechend der weiter oben angegebenen Formal (3) eine zeitliche Änderung der Spannung an der Photodiode erzielen läßt, die unmittelbar mit dem Kehrwert der Beleuchtungsstärke korreliert ist. Fig. 2 gives the basic circuit diagram of the photodiode with dark current compensation again, with the one charged by the initial voltage Uo for a better understanding Capacitance of the diode, to which parasitic capacitances of the circuit also occur, dashed is shown. By Supplying a current iK in the size of the Dark current iR of the photodiode, the discharge current of the capacitor C can be from Reduce iph to iph - iR, so that the Formally (3) a change in the voltage at the photodiode over time can be achieved, which is directly correlated with the reciprocal of the illuminance.

Eine Meßschaltung ist im Prinzip und teilweise als Blockschaltbild in Fig. 3 wiedergegeben. An eine Photodiode 1 wird durch Schließen eines Schaltelements 2 zunächst eine Sperrspannung UO gelegt, die im linearen Bereich des Kennlinienfeldes liegt. Ein solcher Wert für UO kann für eine bestimmte Photodiode beispielsweise bei 2,5 V liegen. A measuring circuit is in principle and partly as a block diagram reproduced in FIG. 3. A photodiode 1 is connected by closing a switching element 2 initially placed a reverse voltage UO, which is in the linear range of the characteristic field lies. Such a value for UO can be for a specific photodiode, for example are at 2.5 V.

Damit stellt sich in der Photodiode ein Strom ein, der sich aus der Kennlinie für die gerade vorliegende Beleuchtungsstärke der Photodiode ergibt. Die Kathode der Photodiode ist mit dem Gate eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors 3 verbunden. Photodiode 1 und Sperrschicht-Feldeffekttransistor sind so aufeinander abgestimmt, daß der Gate-Strom des Transistors dem Dunkelstrom der Diode zumindest weitgehend entspricht. Die Größenordnungen dieser Ströme liegen im Piko- bis Nanoamperebereich. Ein weiterer Dunkelstromabgleich kann auch noch dadurch erzielt werden, daß unter Einbeziehung des hochohmigen Platinensubstrats zusätzliche an Spannung liegende Strompfade zum Kondensator C geschaffen werden.This creates a current in the photodiode that results from the Characteristic curve for the current illuminance of the photodiode results. the The cathode of the photodiode is connected to the gate of a junction field effect transistor 3 connected. Photodiode 1 and junction field effect transistor are so on top of each other matched that the gate current of the transistor the dark current of the diode at least largely corresponds. The magnitudes of these currents are in the pico to nanoampere range. A further dark current adjustment can also be achieved in that under Inclusion of the high-resistance circuit board substrate, additional voltage-based ones Current paths to capacitor C are created.

Mit dem genannten Dunkelstromabgleich erzielt man die Verhältnisse der Fig. 2, d.h. bei einem öffnen des Schalters 2' die-Spannung an, dePhotodiode 1 entsprechend der Beleuchtungsstärke abei völliger Dunkelheit bleibt die Spannung an der Photodiode prinzipiell erhalten.With the above-mentioned dark current adjustment, the conditions of FIG. 2 are achieved, ie when the switch 2 'is opened the voltage on, dePhotodiode 1 accordingly the illuminance in complete darkness, the voltage on the photodiode is in principle retained.

Neben seiner Eigenschaft als Quelle für den Dunkelstrom hat der Feldeffekttransistor 3 noch Verstärkungs- eigenschaften, d.h. die Spannung an der Photodiode 1 wird verstärkt am Source-Anschluß des Feldeffekttransistors 3 abgenommen, der über einen Widerstand R1 an Masse liegt. In addition to its property as a source for the dark current, the field effect transistor has 3 still reinforcement properties, i.e. the voltage across the photodiode 1 is increasingly removed from the source terminal of the field effect transistor 3, the is connected to ground via a resistor R1.

Die verstärkte Spannung wird auf eine Trigger-Schaltung T gegeben, die ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung an der Photodiode auf U1 (z.B. 2 V) abgesunken ist (je näher U1 bei UO liegt, desto geringer ist der Einfluß einer tatsächlichen Inkonstanz des Photostroms auf das MeBergebnis). Mit diesem Trigger-Signal wird ein Zähler Z gestoppt, der mit dem öffnen des Schalters2 gestartet wurde. Der Zählwert des Zählers ist umgekehrt proportional der Beleuchtungsstärke und damit ein Maß für die notwendige Belichtungszeit. Um die Möglichkeit einer Bereichsumschaltung zu schaffen, kann die Zählfrequenz des Zählers verändert werden.The amplified voltage is given to a trigger circuit T, which generates an output signal when the voltage on the photodiode is on U1 (e.g. 2 V) has dropped (the closer U1 is to UO, the lower the influence of a actual inconsistency of the photocurrent on the measurement result). With this trigger signal a counter Z that was started when switch 2 was opened is stopped. Of the The count of the counter is inversely proportional to the illuminance and thus a measure of the necessary exposure time. To the possibility of a range switching to create, the counting frequency of the counter can be changed.

Die Spannung UO kann durch Teilung der Betriebsspannung U+ mittels zweier Spannungsteilerwiderstände R2 und R3 gewonnen swiin. Das Schaltelement 2, das in Fig. 3 nur schematisch als mechanischer Schalter dargestellt ist, kann zweckmäßigerweise als Transistor ausgebildet sein, der über einen in seinem Basiskreis befindlichen mechanischen Taster zwischen Sperr- und Durchlaßzustand umschaltbar ist.The voltage UO can be calculated by dividing the operating voltage U + by means of two voltage divider resistors R2 and R3 won swiin. The switching element 2, which is shown only schematically in FIG. 3 as a mechanical switch, can expediently be designed as a transistor which can be switched between blocking and conducting states via a mechanical button located in its base circuit.

Damit läßt sich dann auch auf einfache Weise der Impulspegel, für das Startsignal des Zählers gewinnen.In this way, the pulse level for win the start signal of the counter.

Fig. 4 zeigt schematisch die mechanische Ausbildung der Meßsonde 10. Hinter einem lichtdurchlässigen Fenster 11 befindet sich die Photodiode 1. Ferner befinden sich in der Meßsonde noch das als Transistor ausgeführte Schalelement 2, welches durch einen Taster 12 geschaltet wird, der sich beispielsweise, wie oben erwähnt, im Basiskreis des Transistors befindet. Ferner ist in der Meßsonde 10 auch der Sperrschicht-Feldeffekttransistor 3 untergebracht und dort zusammen mit unter anderem der Photodiode 1, und dem Schaltelement 2 in Kunststoff eingegossen, um z. B. Fig. 4 shows schematically the mechanical design of the measuring probe 10. The photodiode 1 is located behind a translucent window 11 there is still the switching element 2 in the form of a transistor in the measuring probe, which is switched by a button 12, which is, for example, as above mentioned, is located in the base circuit of the transistor. Furthermore, in the measuring probe 10 is also the junction field effect transistor 3 housed and there together with under among other things, the photodiode 1, and the switching element 2 molded in plastic to z. B.

Feuchtigkeitseinflüsse zu eliminieren. Uber eine Zuleitung 13 steht die Meßsonde mit weiteren, ortsfesten Teilen der Schaltung, zu denen insbesondere die Trigger-Schaltung T und der den Belichtungswert anzeigende Zähler Z gehören, in Verbindung.Eliminate the effects of moisture. A feed line 13 is available the measuring probe with further, stationary parts of the circuit, to which in particular the trigger circuit T and the counter Z indicating the exposure value belong, in connection.

Es ist unabhängig von der Art und Weise der Belichtungsmessung höchst zweckmäßig, eine im Lichtstrom bewegliche, das lichtempfindliche Element enthaltende Sonde vorzusehen, auf der sich gleichzeitig auch noch der Schalter befindet, mit dem die Lichtmessung in Gang gesetzt und gegebenenfalls auch ausgeschaltet werden kann. Dies vereinfacht das Arbeiten stark gegenüber dem Fall, daß sich dieser Schalter auf dem neben dem beleuchteten Feld angeordneten feststehenden Teil der Apparatur befindet. It is the highest regardless of the way the exposure is metered expedient, a movable in the luminous flux, containing the photosensitive element Provide a probe on which the switch is also located at the same time which the light measurement can be set in motion and, if necessary, also switched off can. This greatly simplifies the work compared to the case that this switch on the fixed part of the apparatus arranged next to the illuminated field is located.

Claims

Method and device for exposure measurement with a photodiode PATENT CLAIMS 19 method for measuring exposure with a photodiode, thereby it is not indicated that the photodiode is charged to a voltage, which in the characteristic field of the photodiode are largely independent of voltage in the area Photocurrents lies, and that the rate of change of voltage on the discharging photodiode is measured essentially without power.

2. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that to compensate for the dark current in the discharge current of the photodiode, the voltage amplified at the photodiode with an input power determined by the dark current will.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized g e k Note that it is used to measure the rate of change of voltage the time is measured, in which the photodiode from the output voltage on a certain other voltage discharges.

4. Device for measuring exposure with a photodiode, thereby g e k e n n n z e i c h n e t that a switching element (2) is provided via which the photodiode (1) can be separated from a voltage source (UO) that the photodiode an essentially powerless amplifier is connected downstream and that a counter (Z) is provided, which can be started and over by opening the switching element a certain value of the amplifier output voltage can be stopped.

5. Apparatus according to claim 4, characterized g e k e n nz e i c h n e t that an amplifier is provided as an amplifier, the input current of which is in the range of the dark current of the photodiode (1).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that as an amplifier a field effect transistor (3) provided is, in whose gate circle the photodiode (1) is located.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the field effect transistor (3) is connected in a source follower circuit.

8. Device according to one of claims 4 to l, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the output of the amplifier with the input of a Schmitt trigger (T) is coupled and that the output of the Schmitt trigger with the stop input the counting device (Z) is connected.

9. Device according to one of claims 4 to 8, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the counting frequency of the counting device (Z) can be changed.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized g e k e n n z e i c h n e t that photodiode (1), field effect transistor (3) and switching element (2) housed in a movable probe and that the probe is a mechanical one Contains button (12) for switching the switching element by hand.

12. Measuring probe for light measurement with a light-sensitive element, as a result, the measuring probe has a button for activation the measurement.