DE3048647A1

DE3048647A1 - Fotoelektrische umwandlungsschaltung

Info

Publication number: DE3048647A1
Application number: DE19803048647
Authority: DE
Inventors: Kazunori Hachioji Tokyo Mizokami
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1979-12-25
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1981-09-24
Also published as: DE3048647C2; US4394570A; JPS6136606B2; JPS5690226A

Description

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Olympus Optical Canpany Ltd., telefon:(089)6620ji Ttokyo, Japan tblegraum.· protectpatent

tblex: 524070

Beschreibung

Fotoelektrische Umwandlungsschaltung

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Umwandlungsschaltung insbesondere zur Verwendung in einer Kamera o.dgl. zum Messen des von einem Aufnahmegegenstand ausgehenden Lichtes und Umwandeln desselben in ein entsprechendes elektrisches Signal.

Bei fotografischen Kameras und Beleuchtungsmessern wird bei der Lichtmessung Fremdlicht, beispielsweise das von einem Aufnahmegegenstand reflektierte Licht, gemessen, ein in seiner Größe der Lichtmenge proportionales elektrisches Signal abgeleitet und dazu benutzt, einen Belichtungsvorgang zu steuern oder eine Anzeige am Lichtmesser zu erzeugen. Dabei wird eine fotoelektrische Umwandlungsschaltung zum Umwandeln eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal benutzt, das als analoge Größe verarbeitet wird. Einer Kamera beispielsweise müssen verschiedene, sich auf den Aufnahmevorgang beziehende Informationen, einschließlich der Filmempfindlichkeit, eingegeben werden, die ebenfalls analog verarbeitet werden müssen. Daraus ergibt sich als Nachteil eine sehr komplexe Anordnung.

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Es ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, das zum Zwecke einer digitalen Verarbeitung ein analoges in ein entsprechendes digitales Signal umwandelt. Die digitale Verarbeitung bringt eine Vereinfachung, wenn beispielsweise in eine fotografische Kamera eine Vielfalt von den AufnahmeVorgang betreffenden Informationen eingegeben werden, und erhöht auch die Genauigkeit der Lichtmessung. Bei der Anwendung des digitalen Verarbeitungsverfahrens wird das analoge Signal, bevor es verarbeitet wird, zuerst in ein digitales Signal umgewandelt, das danach wieder in ein analoges Signal umgewandelt werden muß, um beispielsweise den Zeiger eines Belichtungsmessers zu verstellen. Dennoch ist die Analog-Digital-Umwandlung vorteilhaft, wenn ihre Vorzüge insgesamt berücksichtigt werden.

Jedoch umfaßt eine herkömmliche digitale Verarbeitungstechnik bei beispielsweise einer fotografischen Kamera das Vergleichen eines beispielsweise aus einer Silizium-Fotodiode abgeleiteten Fotostroms mit einer logarithmischen Vergleichsschaltung und dann das Umwandeln des verglichenen Signals in ein digitales Signal in einer Analog-Digital-Umwandlungsschaltung. Die logarithmische Vergleichsschaltung macht die Verwendung einer Temperaturausgleichsschaltung und einer Spannungskonstanthalteschaltung erforderlich. Eine Analog-Digital-Umwandlungsschaltung läßt sich auf verschiedene Arten aufbauen, darunter das schrittweise Vergleichen, das Vergleichen durch Zählung, die doppelte Integration, das Nachführ- oder Nachlauf-Vergleichen. Eine herkömmliche digitale Verarbeitungsschaltung ist jedoch in ihrer Gesamtanordnung sehr komplex und hat einen erhöhten Stromverbrauch. Da derartige Schaltungen Temperaturänderungen und Schwankungen bei der Versorgungsspannung ausgesetzt sind, müssen eine Temperaturausgleichsschaltung und eine Spannungsschwankungs-Kompensationsschaltung vorgesehen werden, welche die Gesamtanordnung noch komplexer machen. Außerdem ist bei der herkömmlichen Schaltungsanordnung nachteilig, daß sie nicht sofort nach

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Einschalten des Stromes und nicht rasch genug anzusprechen vermag.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer fotoelektrischen Umwandlungsschaltung gelöst, die einen von einem Paar Silizium-Fotodioden und einem Kondensator gebildeten Rückkoppelungskreis enthält, wobei der Kondensator durch den Fotostrom aus den Fotodioden auf- und entladbar ist, und bei der ein mit dem Rückkoppelungskreis kombinierter Halbleiter-Schaltkreis ein im Betrieb schwingfähiges Gebilde darstellt.

Erfindungsgemäß umfaßt die fotoelektrische Umwandlungsschaltung den Halbleiter-Schaltkreis, der von einem Paar in Kaskade geschalteten CMOS-Invertern gebildet sein kann. Ferner enthält sie ein Paar entgegengesetzt gepolte, in Reihe geschaltete Silizium-Fotodioden, die als lichtmessender fotoelektrischer Meßgrößenumformer wirken, und einen Kondensator, der abhängig von einem Fotostrom aus dem Meßgrößenumformer auf- und entladbar ist. Auf diese Weise ist die Schaltungsanordnung sehr einfach und ermöglicht somit die Bereitstellung eines wirtschaftlichen und in hohem Maße zuverlässigen Meßgrößenumfor-· mers. Die einfache Anordnung senkt den Stromverbrauch und macht eine Temperaturausgleichsschaltung entbehrlich.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen elektrischen Schaltplan einer fotoelektrischen Umwandlungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 Spannungswellenformen, wie sie in der Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1 auftreten, und

Fig. 3 einen elektrischen Schaltplan einer fotoelektrischen Umwandlungsschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

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Die in Fig. 1 dargestellte fotoelektrische Umwandlungsschaltung enthält einen Halbleiter-Schaltkreis, der von zwei CMOS-Invertern 10 und 20 gebildet ist, ferner ein Paar entgegengesetzt gepolte, in Reihe geschaltete Silizium-Fotodioden 30 und 40, einen Kondensator 60, der abhängig von einem Fotostrom aus den Fotodioden 30 und 40 auf- und entladbar ist, und einen Schutzwiderstand 50.

Der erste CMOS-Inverter 10 enthält eine Kombination aus einem PMOS-Transistor 11 und einem NMOS-Transistor 12, der zweite CMOS-Inverter 20 eine Kombination aus einem PMOS-Transistor 21 und einem NMOS-Transistor 22. Die Tore der Transistoren und 12 sind miteinander verbunden und an eine Eingangsklemme 13 angeschlossen. In ähnlicher Weise sind die Tore der Transistoren 21 und 22 miteinander verbunden und an eine andere Eingangsklemme 23 angeschlossen. Die Senken der Transistoren 11 und 12 sind untereinander und mit einer Ausgangsklemme 14 verbunden, wogegen die Senken der Transistoren 21 und 22 ebenfalls untereinander und mit einer Ausgangsklemme 24 verbunden sind. Die Quellen der Transistoren 11 und 21 sind an zugehörige Klemmen 15 und 25 angeschlossen, die mit einer Stromquelle VC verbunden sind, wogegen die Quellen der Transistoren 12 und 22 mit zugehörigen Klemmen 16 und 26 verbunden sind, welche an Masse angeschlossen sind.

Die Ausgangsklemme 14 des ersten CMOS-Inverters IO ist sowohl mit der Eingangsklemme des zweiten Inverters 20 als auch mit der Anode der Silizium-Fotodiode 30 verbunden. Die Ausgangsklemme 24 des zweiten CMOS-Inverters 20 ist sowohl an ein Ende des Kondensators 60 angeschlossen als auch mit einer Ausgangsklemme 70 der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung verbunden. Das andere Ende des Kondensators 60 ist sowohl mit der Anode der Silizium-Fotodiode 40 verbunden als auch an ein Ende des Schutzwiderstandes 50 angeschlossen, dessen anderes Ende mit der Eingangsklemme 13 des ersten Inverters IO verbunden ist.

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Die Arbeitsweise der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung wird anhand Fig. 2 beschrieben. Wenn Licht auf die Silizium-Fotodioden 30 und 40 auffällt, fließt in den Fotodioden 30 und 40 von ihrer Kathode zu ihrer Anode ein Fotostrom, dessen Größe von der Lichtmenge abhängig ist. Selbstverständlich fließt kein Fotostrom, wenn kein Licht einfällt. Folglich befindet sich die in Fig. 1 dargestellte fotoelektrische Umwandlungsschaltung bei fehlendem Lichteinfall an den Fotodioden 30 und 40 in einem Ruhezustand, als der ein Zustand angenommen werden kann, in dem der Transistor 11 gesperrt, der Transistor 12 dagegen leitend gemacht ist. Das sich ergebende Ausgangssignal des ersten Inverters IO steuert den Transistor 21 ein und den Transistor 22 aus. Es kann auch angenommen werden, daß zu diesem Zeitpunkt der Kondensator auf die halbe Versorgungsspannung VC, also VC/2 aufgeladen ist. Aufgrund der Spannung des geladenen Kondensators 60 wird der Eingangsklemme 13 des ersten Inverters IO eine Spannung 3VC/2 zugeführt, wodurch die Transistoren 11 und 12 gesperrt bzw. leitend bleiben. In Fig. 2 sind eine Ausgangsspannung VO an der Ausgangsklemme 70 und eine Spannung VA grafisch dargestellt, die an der Verbindungsstelle des anderen Endes des Kondensators 60 und der Silizium-Fotodiode anliegt.

Gemäß Fig. 2 nehmen unter den vorstehend genannten Bedingungen die Spannungen VO und VA in den Punkten A und B Werte von VC bzw. 3VC/2 an. Anders ausgedrückt, da der Transistor 21 leitend ist, wird die Versorgungsspannung VC durch ihn hindurch weitergeleitet und tritt direkt an der Ausgangsklemme 70 als Ausgangsspannung VO auf. Die Spannung VC/2 des Kondensators 60 wird der durch den leitenden Transistor 21 hindurchgeleiteten Versorgungsspannung VC überlagert, und folglich nimmt die Spannung VA, wie in Fig. 2 im Punkt B angegeben, den Wert 3VC/2 an.

Die fotoelektrische Umwandlungsschaltung bleibt zu diesem

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Zeitpunkt außer Betrieb. Sobald die Lichtmessung ausgelöst wird und Licht auf die Fotodioden 30 und 40 auffällt, erzeugen letztere einen der von ihnen empfangenen Lichtmenge entsprechenden Fotostrom I, dessen Weg in Fig. 1 mit einer durchgezogenen Linie 130 dargestellt ist und über den Transistor 21, den Kondensator 60, die Fotodioden 40 und"30 und den Transistor 12 führt. Aufgrund des Fließens dieses Fotostroms 130 beginnt der Kondensator 60, sich zu entladen, wodurch, wie in Fig. 2 durch eine geneigte Linie K angegeben, die Spannung VA abzunehmen beginnt. Wenn die Spannung VA abzunehmen beginnt und die Schwellenspannung des Inverters IO erreicht, die beispielsweise mit VC/2 angenommen werden kann, wird im ersten Inverter 10 der Transistor 11 leitend gemacht, wogegen der Transistor 12 gesperrt wird.

Folglich wird durch das Ausgangssignal des ersten Inverters 10 im zweiten Inverter 20 der Transistor 21 gesperrt und der Transistor 22 leitend gemacht. Dementsprechend geht die Ausgangsspannung VO auf Null zurück und die Spannung VA nimmt, wie in Fig. 2 im Punkt D angegeben, einen Wert -VC/2 an. Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird der Fotostrom der Silizium-Fotodiode 40 wirksam und fließt entlang einem in Fig. 1 mit gestrichelten Linien 140 gezeichneten Weg, der über den Transistor 11, die Fotodioden 30 und 40, den Kondensator 60 und den Transistor 22 führt. Somit wird der Kondensator 60 aufgeladen. Der AufladeVorgang ist in Fig. 2 mit einer weiteren geneigten Linie E angegeben. Wenn der Kondensator 60 soweit aufgeladen ist, daß die Spannung VA einen Wert VC/2 annimmt, wird im Inverter 10 der Transistor 11 gesperrt, wogegen der Transistor 12 leitend gemacht wird, und im zweiten Inverter 20 wird der Transistor 21 leitend gemacht und der Transistor 22 gesperrt. Der zu diesem Zeitpunkt erreichte Zustand ist in Fig. 2 durch die Punkte F und G angegeben. Somit hat die Ausgangsspannung VO den gleichen Wert wie die Versorgungsspannung VC. Abhängig vom Fotostrom aus den Fotodioden 30 und 40 wiederholt danach der Kondensator

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die Auf- und Entladevorgänge, so daß, wie in Fig. 2 grafisch dargestellt, ein Schwingen zustande kommt.

Die Frequenz oder die Periode dieser Schwingung wird im Verhältnis zur Größe des von den Fotodioden 30 und 40 erzeugten Fotostroms bestimmt. Wenn der Fotostrom 130 aus der Fotodiode 30 einen erhöhten Wert hat, ändert sich die mit der schrägen Linie K angegebene Ansprechcharakteristik der Schaltung und wird steiler, wie mit den gestrichelten Linien J angegeben, mit der Folge, daß die Schwingungsfrequenz ansteigt, wogegen die Schwingungsperiode kleiner wird. Umgekehrt, bei verringerter Größe des Fotostromes 130, ändert sich die Ansprechcharakteristik der Schaltung von der schrägen Linie K in ein flacheres Übergangsverhalten, wie es mit den gestrichelten Linien H dargestellt ist. Dies führt zu einer niedrigeren Schwingungsfrequenz und einer größeren Schwingungsperiode.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die fotoelektrische Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1 eine Schwingungsfrequenz oder eine Schwingungsperiode besitzt, die sich entsprechend der an den Fotodioden 30 und 40 auftreffenden Lichtmenge ändert. Folglich läßt sich durch die Bestimmung der Schwingungsfrequenz oder der Schwingungsperiode die Lichtmenge bestimmen, die an den Fotodioden 30 und 40 auffällt. Die fotoelektrische Umwandlungsschaltung läßt sich beispielsweise in einer Lichtmeßschaltung einer fotografischen Kamera verwenden, wobei die Schwingungsfrequenz durch einen digitalen Zähler gezählt wird. Auf diese Weise kann das Lichtsignal bequem in ein digitales Signal umgewandelt werden.

Fig. 3 zeigt eine andere fotoelektrische Umwandlungsschaltung, die insofern eine Weiterbildung der Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1 ist, als der Ort der Fotodioden 30 und 40 vertauscht ist. Auch hier sind die Fotodioden 30 und 40 in Reihe geschaltet und wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entgegengesetzt gepolt. In sonstiger Hinsicht ist die Schaltungsanordnung gleich mit der in Fig. 1 dargestellten.

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In Anbetracht der Schwingungsfrequenz der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung ergibt sich aus Fig. 1, daß die Periode Tl folgendermaßen bestimmt werden kann:

Tl = C χ VC/I30.

Die in Fig. 2 dargestellte Periode T2 wird folgendermaßen ausgedrückt:

T2 = C χ VC/I40.

Da die Frequenz f der Reziprokwert der kombinierten Periode ist, ergibt sich:

f = 1/(Tl + T2)

= 130 χ I40/C χ VC(I3O + 140).

Unter der Annahme, daß beide Fotodioden 30 und 40 gleiches Ansprechverhalten besitzen, erzeugen sie einen gleichen Fotostrom I, so daß die Frequenz folgendermaßen umgeschrieben werden kann:

f = 1/2 χ C χ VC.

Die Frequenz f ist also nur von der Größe des Fotostroms, der Kapazität des Kondensators 60 und der Versorgungsspannung VC, nicht aber von anderen Parametern, wie beispielsweise der Temperatur, abhängig. Somit ist das Ansprechverhalten der fotoelektrischen Umwandlungsschaltung temperaturunabhängig, wodurch eine Temperaturausgleichsschaltung entbehrlich ist.

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Claims

Ansprüche

1. Fotoelektrische Umwandlungsschaltung zum Empfangen von von einem Aufnahmegegenstand reflektiertem Licht und Umwandeln desselben in ein elektrisches Signal, g e k e η η zeichnet durch einen lichtmessenden fotoelektrischen Meßgrößenumformer, der von zwei entgegengesetzt gepolten, in Reihe geschalteten Fotodioden (30,40) gebildet ist, einen Kondensator (60), der abhängig von einem Fotostrom (130, 140) aus dem Meßgrößenumformer aufladbar und entladbar ist, und mehrere in Kaskade geschaltete Halbleiter-Schaltkreise (10, 20), wobei der Meßgrößenumformer und der Kondensator (60) zusammen einen Rückkoppelungskreis bilden, der zu den Schaltkreisen (10,20) parallel geschaltet ist.

2. Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß jeder der Halbleiter-Schaltkreise einen CMOS-Inverter (10,20) aufweist.

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