DE3217227C2

DE3217227C2 - Farbfeststellungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3217227C2
Application number: DE3217227A
Authority: DE
Inventors: Seisuke Uji Kyoto Hinoda; Masao Takatsuki Osaka Hirano; Mitsutaka Kyoto Kato; Hirohiko Otokuni Kyoto Yasuda
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1981-05-08
Filing date: 1982-05-07
Publication date: 1986-11-27
Also published as: DE3217227A1

Abstract

Eine Farbfeststellungsvorrichtung umfaßt vier auf einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildete photoelektrische Wandler, auf der Lichtempfängerfläche eines jeden Wandlers ein Interferenzfilter (31 bis 34), auf jedem Interferenzfilter ein Farbfilter (41 bis 44) zur Auswahl eines bestimmten Durchlaßbereiches, und drei Elektroden (21, 23, 24) zur Lieferung von elektrischen Signalen von den Wandlern gesondert, wobei eine der Elektroden für zwei der Wandler gemeinsam vorgesehen ist. Die Größen der Lichtempfängerflächen der einzelnen Wandler sind so festgelegt, daß die Wandler eine spektrale Empfindlichkeitsverteilung zeigen, die der Spektralwertfunktion des CIE-(Commission Internationale de LΔEclairage-)XYZ-Kolorimetriesystems angepaßt ist.

Description

werden.

Fig. 8 eine geschnittene Teilansicht in vergrößertem Maßstab einer abgewandelten Ausführungsform, bei der ein Interferenzfilter als Auswahleinrichtung verwendet wird,

Fig. 9 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform, nach welcher jeder photoelektrische Wandler mehrere Photodioden in verteilter Anordnung umfaßt,

Fig. 10 ein elektrisches Schaltbild, das die Verschaltung der Photodioden dieser Ausführungsform zeigt.

Flg. 11 einer Draufsicht eine weiteren Ausführungsform, die photoelektrische Wandler zur Messung der Intensität des einfallenden Lichts enthält und

Fig. 12 eine Darstellung der elektrischen Schaltung dieser Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt die Normspektralwertkurven des farbmeßtechnischen Normalbeobachters. Der Wert χ der Normspektralwerte weist bei den Wellenlängen 600 nm und 440 nm ein Maximum auf, y und 2 haben Maxima bei 555 nm bzw. 445 nm. Die Erfindung schafft eine Farbfeststellungsvorrichtung, die eine spektrale Empfindlichkeitscharakteristik hat, die mit den Normspektralwerten in Form dieser Kurven identisch ist

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Aufbau der Vorrichtung. Auf einem n-Siliziumsubstrat 1 ist eine thermisch aufgewachsene Dünnschicht 2 aus Siliziumdioxid ausgebildet, wobei vier Abschnitte der Schicht 2 zur Ausbildung von Fenstern durch Ätzen entfernt sind. Das Substrat 1 ist zur Ausbildung von p-Bereichen 3 mit einem p-Fremdstoff, beispielsweise Bor, durch thermische Diffusion durch die Fenster hindurch dotiert Auf diese Weise werden vier pn-Photodioden 11,12,13 und 14 auf dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet Das Flächenverhältnis der Lichtempfängerflächen der Photodioden 11 bis 14 beträgt ungefähr 1,0 :0,8 :13 :2,5. Drei Bondflecken 21, 23 und 24, die als positive Elektroden dienen, sind auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 1 ausgebildet während die gemeinsame negative Elektrode 4 über die gesamte Rückseite des Substrats 1 hinweg vorgesehen ist. Diese Elektroden sind aus Aluminium oder Gold durch Aufdampfen im Vakuum oder Elektrodenzerstäubung (Sputtern) ausgebildet. Die Elektrode 21, die gemeinsam für die Photodioden 11 und 12 vorgesehen ist, steht mit deren p-Bereichen 3 in ohmschen Kontakt. Die Elektrode 23 ist mit dem p-Bereich der Photodiode 13, die Elektrode 24 mit dem p-Bereich der Photodiode 14 verbunden.

Interferenzfilter 31,32,33 und 34 sind über den Lichtempfängerflächen der Photodioden 11, 12, 13 bzw. 14 vorgesehen. Jedes der Interferenzfilter umfaßt eine transparente dielektrische Schicht 35 und lichtdurchlässige Metallfilme 36 und 37, die die Schicht 35 zwischen sich nehmend oberhalb und unterhalb derselben liegen. Beispiele für brauchbare dielektrische Materialien sind Magnesiumfluorid (MgF₂), Zinksulfid (ZnS) usw. Für die Metallfilme wird Silber oder Aluminium verwendet. Die Schichten und Filme werden durch Aufdampfen in Vakuum ausgebildet. Die Interferenzfilter 31 bis 34 unterscheiden sich in der Dicke der dielektrischen Schicht 35. Die Dicke wird durch eine lift-off-Technik oder dergleichen gesteuert. Scharf begrenzende Hochpaß-Farbfilter 41 bis 44 sind ferner über den Interferenzfiltern 31 bis 34 ausgebildet. Die Filter 41 bis 44 unterscheiden sich in der Grenzwellenlänge. Die Farbfilter können beispielsweise durch Rasterdruckung eines mit einem organischen Pigment gefärbten Gelatinefilms, durch Belichtung eines lichtempfindlichen Films mit Licht der gewünschten Farbe oder durch eine Übertragungstechnik hergestellt sein.

Das Interferenzfilter hat mehrere Durchlaßbereiche. Die wichtigen Merkmale eines Durchlaßbereichs sind Mittelwellenlänge (Scheitelwellenlänge) A_n, Halbwertsbreite Wund Scheiteldurchlaßgrad r, die näherungsweise durch die folgenden Gleichungen gegeben sind

A_mm = 21 ■ cos ι

W =

l-R

XmVR

V \-r)

wobei m die Ordnung des Durchlaßbereiches, gegeben durch eine positive ganze Zahl, t die den Effekt der Phasenänderung bei der inneren Reflexion beinhaltende optische Dicke der dielektrischen Schicht, φ der Winkel zwischen dem eine wiederholte innere Reflexion innerhalb der dielektrischen Schicht durchmachenden Licht und einer Normalen auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht R das Reflexionsvermögen des Metallfilms und A der Bruchteil des durch den Metallfilm absorbierten Lichts ist Gleichung (1) zeigt daß die Scheitelwellenlänge A_n, von der Dicke der dielektrischen Schicht 35 abhängt. Die Halbwertsbreite W hängt von der Scheitelwellenlänge A_n, und dem Reflexionsvermögen R der Metallfilme 36 und 37 ab; je größer das Reflexionsvermögen, desto kleiner ist die Halb wertsbreite. Das Reflexionsvermögen des Metallfilms hängt von seiner Dicke ab.
Fig. 4 zeigt, wie einer der Durchlaßbereiche des Interferenzfilters durch das Farbfilter ausgewählt wird. Kurve A, die den spektralen Durchlaßgrad des Interferenzfilters 31 wiedergibt hat ein Maximum bei einer Wellenlänge von 600 nm (im Durchlaßbereich mit m = 1) und ist stetig mit einem weiteren Maximum bei kürzeren Wellenlängen. Kurve B zeigt den spektralen Durchlaßgrad des Farbfilters 41. Das Filter 41 hat die Eigenschaft nur Licht von Wellenlängen im primären (m = 1) Durchlaßbereich des Interferenzfilters 31 und längere Wellenlängen durchzulassen, aber Licht kürzerer Wellenlängen abzublocken. Bei C ist die spektrale Durchiaßgradkurve angegeben, die durch die Kombination aus dem Interferenzfilter 31 und dem Farbfilter 41 geliefert wird. Es ist ersichtlich, daß der gewünschte aus der Anzahl der Durchlaßbereiche des Interferenzfilters

so 31 durch das Farbfilter 41 ausgewählt wird. Ähnlich wählen die Farbfilter 42 bis 44 jeweils genau den gewünschten Durchlaßbereich der Interferenzfilter 32 bis 34 aus.
Fig. 5 zeigt die Kurven D1 bis D 4 relativen spektralen Durchlaßgrades der so für die Interferenzfilter 31 bis 34 ausgewählten Durchlaßbereiche. Der Einfachheit halber ist dabei angenommen, daß die Scheiteldurchlaßgrade aller Durchlaßbereiche gleich sind. Die Scheitelwellenlängen und Halbwertsbreiten dieser Durchlaßbereiche sind durch die Gleichungen (1) und (2) gegeben. Durch geeignete Einstellung der Dicken der dielektrischen Schichten und der Dicken der Metallfilme für die Interferenzfilter 31 bis 34 werden die Scheitelwellenlängen und die Halbwertsbreiten der Durchlaßkurven D1 bis D 4 folgendermaßen bestimmt.

Durchlaßbereich Scheitelwellenlänge (nm)

Halbwertsbreite
(nm)

Dl
Dl
D3
DA

600
440
555
445

80

50

100

55

Im Vakuum aufgedampfte Aluminiumfilme haften besser am Substrat und unterliegen geringeren zeitlichen Änderungen des Reflexionsgrades als Silberfilm. Der Reflexionsgrad von Aluminiumfilmen nimmt bei kürzeren Wellenlängen zu. Die Haibwertsbreite des Durchlaßbereiches des Interferenzfilters nimmt mit einer Zunahme des Reflexionsgrades des Metallfilms ab. Wie in obiger Tabelle aufgeführt, sind die Durchlaßbereiche D 2 und D 4 bei kürzeren Wellenlängen hinsichtlich ihrer Halbwertsbreite kleiner als die Durchlaßbereiche D1 und D 3 an längeren Wellenlängen. Diese Tendenz ist nahezu in Übereinstimmung mit der spektralen Charakteristik des Reflexionsgrades von Aluminiumfilmen. Es ist daher vorteilhafter, Aluminiumfilme und nicht Silberfilme zu verwenden.

Da sich, wie oben ausgeführt, die Photodioden 11 bis 14 hinsichtlich der Größe ihrer Lichtempfängerflächen unterscheiden, unterscheidet sich auch die durch die Photodioden 11 bis 14 nachgewiesene Menge einfallenden Lichts von Diode zu Diode. Fig. 6 zeigt die Durchlaßgrade Dl bis DA der Fig. 5 multipliziert mit den Lichtempfängerflächen der Photodioden 11 bis 14, d. h. Kurven EX bis EA relativer spektraler Empfindlichkeit. Dabei ist angenommen, daß die Empfindlichkeiten der Photodioden auf der Wellenlängenachse konstant sind.

Die spektralen Empfindlichkeiten von Photodioden sind jedoch im allgemeinen nicht konstant Wie durch die Kurve G in Fig. 7 dargestellt, nimmt die Empfindlichkeit mit abnehmender Wellenlänge ab. Fig. 7 zeigt Kurven Fl bis FA, weiche die Kurven E\ bis EA jeweils multipliziert mit der spektralen Empfindlichkeit G der Photodiode darstellen. Die so gewonnenen spektralen Empfindlichkeiten Fl bis F4 sind wahre kombinierte spektrale Empfindlichkeiten proportional zu der in Fig. 1 gezeigten Normspektralwertkurve.

Es ist einsichtig, daß die Scheitelempfindlichkeiten der spektralen Empfindlichkeiten Fl bis F4 durch die Größen der Lichtempfängerflächen der Photodioden 11 bis 14 bestimmt werden. In der vorstehenden Beschreibung wurden die Scheitelwerte der durch die Interferenzfilter und die Farbfilter in Kombination gelieferten Durchlaßgrade Dl bis D 4 (Fig. 5) allesamt als gleich angenommen. Gleichung 3 gibt jedoch an, daß der Scheiteldurchlaßgrad eines Interferenzfilters von dem Reflexionsgrad und dem durch den Metallfilm absorbierten Bruchteil des Lichts abhängt Um die gewünschten Halbwertsbreitenwerte zu gewinnen, unterscheiden sich die Interenzfilter 31 bis 34 hinsichtlich des Reflexionsgrades der Metallfilme 36 und 37 und damit hinsichtlich ihres Scheiteldurchlaßgrades voneinander. Es ist sinnvoll, die Größen der Lichtempfängerflächen der Photodioden 31 bis 34 auch unter Berücksichtigung der Unterschiede im Scheiteldurchlaßgrad festzulegen. Wenn Licht auf einen Gegenstand zur Feststellung seiner Farbe eingestrahlt wird, werden die Größen der Lichtempfängerflächen der Photodioden 31 bis 34 auch unter Berücksichtigung der spektralen Intensität der Lichtquelle festgelegt.

Das Ausgangssignal der Photodiode ist durch die Leerlaufspannung, die man erhält, wenn der Anoden-Kathodenkreis geöffnet ist, oder durch den Kurzschlußstrom, den man erhält, wenn der Kreis kurzgeschlossen ist, gegeben. Der Kurzschlußstrom ist der einfallenden Lichtmenge proportional. Es sei nun angenommen, daß die Summe der Kurzschlußströme der Photodioden 31 und 32 aus der Elektrode 21 Ix ist und die Kurzschlußströme der Photodioden 33 und 34 aus den Elektroden 23 und 24 Iy bzw. Iz sind. Die Farbartkoordinaten χ und y sind durch die folgenden Gleichungen gegeben.

χ —■

Ix

y =

Ix + Iy + Iz

Ix+Iy+ Iz

Diese Koordinaten χ und y repräsentieren die von der Helligkeit verschiedene Farbeigenschaft. Die die Helligkeit betreffenden Daten erhält man aus einem der oder der Summe der Kurzschlußströme Ix, Iy und Iz, oder aus dem Ausgangssignal eines weiteren gesondert vorgesehenen photoelektrischen Wandlers. Die Schaltung zur

Berechnung der Farbartkoordinaten und die Schaltung zur Lieferung eines auf dem Berechnungsergebnis beruhenden Farbfeststellungsausgangssignals können integriert auf dem Halbleitersubstrat 1 vorgesehen sein.
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Einrichtung zur

Auswahl des gewünschten Durchlaßbereiches des Interferenzfilters. Ein weiteres Interferenzfilter 47 ist durch Vakuumaufdampfung über dem Interferenzfilter 31 vorgesehen. Das Interferenzfilter 47 umfaßt eine dielektrische Schicht 45 und Metallfilme 46 und 36, welche die Schicht 45 von oben und unten zwischen sich nehmen. Einer der Durchlaßbereiche des Interferenzfilters 47 stimmt mit dem Durchlaßbereich des Filters 31, der eine Scheitelwellenlänge bei 600 nm hat, überein (die Durchlaßbereichordnungen sind dabei allerdings verschieden).

Die Fig. 9 und Flg. 10 zeigen eine weitere Ausführungsform, welche eine große Anzahl von kleinen pn-Photodioden, die regelmäßig in vertikalen und horizontalen Reihen angeordnet sind, umfaßt Die einen photoelektrischen Wandler 31' bildenden Photodioden 31 e und die einen photoelektrischen Wandler 32' bildenden Photodioden 32e sind verteilt auf einem Substrat 1 angeordnet und durch ein auf dem Substrat 1 ausgebildetes elektrisch leitendes Muster parallel mit einer Elektrode 21 verbunden. Der Scheitelwert der spektralen Empfindlichkeit Fl wird durch die Summe der Größen der Lichtempfängerflächen der Photodiode 31 e bestimmt, und ebenso der Scheitelwert der spektralen Empfindlichkeit F2 durch die entsprechende Summe der Photodioden 32e. Ähnlich umfassen photoelektrisehe Wandler 33' und 34' in verteilter Anordnung vorgesehene Photodioden 33e bzw. 34e. Wenn sich auf diese Weise jeder photoelektrische Wandler aus kleinen Photodioden in verteilter Anordnung zusammensetzt, läßt sich ein Meßfehler, der sich ergeben würde, wenn die Intensität des einfallenden Lichts von Ort zu Ort schwankt, minimalisieren.

Die Fig. 11 und 12 zeigen wiederum eine weitere Ausführungsform, welche Photodioden 11 und 12,13 und 14 auf einem Substrat 1 und in der Nähe der Photodioden 11 und 12, 13 und 14 auf dem Substrat 1 angeordnete Photodioden 51,53 bzw. 54 zur Messung der Intensität des einfallenden Lichts umfaßt Die Dioden 51, 53 und 54 sind mit Elektroden 61, 63 bzw. 64 verbunden und

weder mit einem Interferenz- noch einem Farbfilter versehen. Die Ausgangssignale der Photodioden werden über Verstärker 25 bzw. 65 auf eine Kompensationsschaltung 26 gegeben. Auf der Grundlage der Ausgangssignale der Photodioden 51, 53 und 54 ermittelt die Kompensationsschaltung 26, ob die Intensität des einfallenden Lichts an verschiedenen Stellen unterschiedlich ist, und ebenso ermittelt sie darüber hinaus den Grad der ggf. vorhandenen Ungleichmäßigkeit. Auf der Grundlage des Ergebnisses korrigiert die Schaltung 26 die Ausgangssignale der Photodioden 11 und 12,13 und 14.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

20

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims

1 2 Patentansprüche geschaltet sind.

1. Farbfeststellungsvorrichtung mit mehreren pho- Beschreibung
toelektrischen Wandlern, vor welchen jeweils ein

Filter angeordnet ist, und wobei eine erste dieser 5 Die Erfindung betrifft eine Farbfeststellungsvorrich-

Wandler-Filterkombinationen eine spektrale Emp- tung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

findlichkeit, die der z-Normspektralwertkurve ent- Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-PS

spricht, eine zweite dieser Wandler-Filterkombina- 33 89 265) sind die Wandler als getrennte Bauteile auf-

tionen eine spektrale Empfindlichkeit, die der y- gebaute Photozellen, vor denen wiederum als getrennte

Normspektralwertkurve entspricht, und eine dritte 10 Bauteile ausgebildete Filter angeordnet sind. Es wird

dieser Wandler-Filterkombinationen eine spektrale dabei weiter nicht im einzelnen ausgeführt, wie die

Empfindlichkeit, die dem das langwellige Maximum Wandler und Filter beschaffen sein müssen, damit sich

enthaltenden Teil der x-Normspektraiwertkurve die den Normspektralwertkurven entsprechenden

entspricht, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß spektralen Empfindlichkeiten der Wandler-Filterkombi-

die photoelektrischen Wandler (14,13,11) und FiI- 15 nation ergeben.

ter (34, 44; 33, 43; 31, 41) monolithisch auf einem Die gleiche allgemeine Aussage, daß Wandler und Halbleitersubstrat (1) ausgebildet sind, wobei die Filter so kombiniert worden, daß sich eine den Norm-Filter hinsichtlich ihres Durchlaßgrades eine Schei- spektralwertkurven entsprechende Empfindlichkeitstelwellenlänge und Halbwertsbreite haben, die de- verteilung ergibt, findet sich auch in der DE-OS nen der z- bzw. y-Normspektralwertkurve bzw. des 20 24 24 545. Darüber hinaus ist aus ihr bei einer gattungsgenannten Teils der j?-Normspektralwertkurve ent- fremden Farbmeßvorrichtung bekannt, über untersprechen, und wobei die Lichtempfängerflächen schiedliche Querschnitte von Lichtleitfasern, mit denen der zugehörigen Wandler auf dem Halbleitersub- das Licht an verschiedene Wandler-Filterkombinatiostrat unterschiedlich sind, derart, daß die Lichtemp- nen herangeführt wird, einen Weißabgleich durchzufühfängerflächen unter Berücksichtigung der spektra- 25 ren.

len Empfindlichkeiten der Wandler und der Schei- Aus der US-Patentschrift 39 85 449 ist es bekannt, teldurchlaßgrade der Filter die Scheitelempfind- photoelektrische Wandler in Form von Photoelementen lichkeiten der Wandler-Filterkombinationen so in einem Halbleitersubstrat zu integrieren. Filter fehlen; festlegen, daß sich damit spektrale Empfindlichkei- die Fa^rbanteile im Licht werden über Messungen bei ten der Wandler-Filterkombinationen ergeben, die 30 unterschiedlichen Spannungen zwischen den Elektroder z- bzw. der y-Normspektralwertkurve bzw. den der Photoelemente bestimmt,
dem genannten Teil der x-Normspektralwertkurve Aus der US-Patentschrift 39 29 398 ist es bekannt, entsprechen. photoelektrische Wandler in Verbindung mit diesen

2. Farbfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 1, vorgeschalteten Interferenz- und Ordnungsfütern zu dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfänger- 35 verwenden.

fläche eines jeden photoelektrischen Wandlers (14, Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kom-13, 11) aus über das Halbleitersubstrat verteilt an- pakten und mit hoher Genauigkeit arbeitenden Farbgeordneten Einzelflächen aufgebaut ist. feststellungsvorrichtung.

3. Farbfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 1, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch dadurch gekennzeichnet, daß jeweils benachbart zu 40 eine Farbfeststellungsvorrichtung wie sie in Anspruch 1 den mit den Filtern (34,44; 33,43; 31,41) versehe- gekennzeichnet ist.

nen photoelektrischen Wandlern (14, 13, 11) ein Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Geweiterer photoelektrischer Wandler (54,53,51) zur gegenstand der Unteransprüche.
Messung der Intensität des einfallenden Lichts vor- Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfingesehen ist. 45 dung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung be-

4. Farbfeststellungsvorrichtung nach einem der schrieben. Auf dieser ist

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, Fig. 1 eine graphische Darstellung der Normspcklral-

daß jedes Filter durch ein Interferenzfilter (34, 33, wertkurven des farbmeßtechnischen Normalbeobach-

31) und eine Auswahleinrichtung (44,43, 41) gebil- ters,

det ist, welche einen der Durchlaßbereiche des In- 50 Fig. 2 eine Draufsicht einer Ausführungsform der Erterferenzfilters als einzigen Durchlaßbereich aus- findung, wobei Interferenzfilter und Farbfilter weggewählt, lassen sind,

5. Farbfeststellungsvorrichtung nach einem der Fig. 3 eine Schnittdarstellung dieser Ausführungsvorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, form,

daß eine vierte Wandler-Filterkombination vorge- 55 Fig. 4 eine graphische Darstellung, die veranschausehen ist, bei welcher das Filter (32,42) hinsichtlich licht, wie der gewünschte der Durchlaßbereiche eines seines Durchlaßgrades eine Scheitelwellenlänge Interferenzfilters durch ein Farbfilter ausgewählt wird, und Halbwertsbreite hat, die denen des das kurz- Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die ausgewellige Maximum enthaltenden Teils der x-Norm- wählten Durchlaßbereiche von Interferenzfiltern zeigt, spektralwertkurve entsprechen, und die Lichtemp- 60 Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Kuriäiigcmäc-he des Wäiidierä (12) unter Serücksichti- von der spektraler. Empfindlichkeiten zeigt, die sich jegung der spektralen Empfindlichkeit desselben und weils aus der Kombination einer Photodiode, eines Indes Scheiteldurchlaßgrades des Filters so festgelegt terferenzfilters und eines Farbfilters ergeben, wobei anist, daß sich eine spektrale Empfindlichkeit dieser genommen ist, daß die spektralen Empfindlichkeiten der Wandler-Filterkombination ergibt, die dem ge- 65 Photodioden selbst konstant sind,
nannten Teil der ^-Spektralwertkurve entspricht, Fig. 7 eine graphische Darstellung, die veranschauwobei die dritte und die vierte Wandler-Filterkom- licht, wie kombinierte spektrale Empfindlichkeiten in bination über eine gemeinsame Elektrode parallel Anpassung an die Normspektralwertkurven gewonnen