DE3306163A1

DE3306163A1 - Schaltungsanordnung zur messung einer lichtintensitaet

Info

Publication number: DE3306163A1
Application number: DE19833306163
Authority: DE
Inventors: Takashi Yokosuka Kanagawa Nishibe; Shotaro Yokohama
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1982-02-22
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1983-09-01
Also published as: US4556789A; JPS58143224A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine solche, einen Lichtintensitäts/Zeit-Unsetzer darstellende Schaltungsanordnung kann bei einem Belichtungsmesser, einem Beleuchtungsstürkenmesser oder einem Bildsensor eingesetzt werden.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer solchen Schaltungsanordnung.

Ein Lichtempfänger 1 (in diesem Fall handelt es sich um eine Fotodiode) stellt einen Licht/Strom-Umsetzer dar und liefert einen von der Intensität L des empfangenen Lichts abhängenden Fotostrom i. Ein Kondensator 2 wird von diesem Fotostrom i geladen, der Fotostrom also integriert. Nimmt man die Kapazität des Kondensators 2 als C, dann ergibt sich für die Eingangsspannung V₁ des in Fig. 1 gezeigten Inverters 3:

V₁ = — / idt ... (1)

¹ C

Dadurch, daß der Kondensator 2 auf nicht dargestellte Weise zunächst auf V. = 0 entladen wird (das Ausgangssignal Vout des Inverters 3 ist dann "1") und dann damit begonnen wird, den Kondensator 2 aufzuladen^und die Zeit t_Q bestimmt wird, nach der das Ausgangssignal· des Inverters 3 zu "0" wechselt, wird die Intensität L des empfangenen Lichts in die Zeit t₀ umgesetzt. Setzt man den Fotostrom i = A«L unter der Annahme, daß der Fotostrom der Intensität L annähernd proportional ist, dann ergibt sich für die Eingangsspannung V₁ des Inverters 3 folgende Gleichung:

OOUD IDO

V₁ = ALt/C ... (2)

Bezeichnet man die Schwellanspannung des Inverters 3 rait V,. , dann ist t_Q die zum Erreichen des Zustands V. = V . erforderliche Zeit, die sich in Verbindung mit der Gleichung (2) ergibt zu:

t_Q = CV_th/AL ...(3)

Wenn sich der Maximal- und der Minimalwert der gewöhnlich in einem weiten Bereich schwankenden Intensität L um den Faktor 10 unterscheiden, dann schwankt zufolge der Gleichung (3) auch die Zeit t_Q um den Faktor 10 zwischen ihrem Maximalwert und dem Minimalwert. Das bedeutet, daß das Maximum der Meßzeit 1s betragen kann, wenn ihr Minimum 1us ist, was eine praktische Verwendung unmöglich macht. Der Nachteil der beschriebenen Schaltungsanordnung ist daher, daß der meßbare Bereich der Lichtintensität und damit der dynamische Bereich klein sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung, zur Messung der Lichtintensität zu schaffen/ die einen größeren Dynamikbereich aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Der Meßbereich für die Lichtintensität wird dadurch vergrößert, daß an den Verbindungspunkt zwischen dem Lichtempfänger und dem Kondensator über einen weiteren Kondensator ein Spannungsgenerator angeschlossen wird, der eine monoton ansteigende oder abfallende Spannung erzeugt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1, 4,

6 und 8 Schaltbilder von vier Beispielen von Schaltungsanordnungen mit geringem

Dynamikbereich,

Fig. 2, 5,

7 und 9 Schaltbilder von vier Ausführungsbeispielen der Erfindung und

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind bei diesem Ausführungsbeispiel dem Schaltbild von Fig. 1 ein Kondensator 4 und ein Spannungsgenerator 5 hinzugefügt. Der Aufbau des Spannungsgenerators 5 ist nicht im einzelnen gezeigt. Es kann jeder Spannungsgenerator verwendet werden, der eine monoton ansteigende, von der Intensität des einfallenden Lichts unabhängige Spannung abgibt:

V₂ = f(t) (df(t)/dt > 0)

Als Beispiel sein ein einfacher RC-Ladekreis genannt.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung ist wie folgt. Bezeichnet man die elektrischen Ladungen in den Kondensatoren 2 und 4 mit Q₁ bzw. Q₂ und den Fotostrom durch den Lichtempfänger 1 mit i, dann gelten für den Anfangszustand mit V.. = V₂ = 0 folgende Gleichungen:

/ idt = Q₁ + Q₂ ...(4)

Löst man die Gleichung (4) nach Q₂ auf und ersetzt hierdurch Q in Gleichung (5), dann erhält man Gleichung (6), wobei C., C₂ die Kapazitäten der Kondensatoren 2 bzw. 4 sind.

1 C₂ V₁ = Q./C = / idt + f(t) ...(6)

C₊C C₊C

Das bedeutet, daß die Eingangsspannung V₁ des Inverters 3 sich als Summe der auf dem Fotostrom beruhenden Spannung und der vom Fotostrom unabhängigen Spannung des Spannungsgenerators darstellt. Da f(t) monoton ansteigt, erreicht V₁ die Schwellenspannung V , nach Ablauf einer gewissen Zeit auch dann, wenn der Fotostrom i vernachlässigbar gering ist. Da also im Boreich kleiner Fotoströme i die von f(t) abhängende Komponente vorherrscht und so die erforderliche Zeit, bis V₁ die Schwellenspannung erreicht, nicht so lang ist, kann das Verhältnis zwischen Maximalwert und Minimalwert der Zeit t_Q auf weniger als 10 verringert werden, selbst wenn der Fotostrom i einerÄnderung um beispielsweise den Faktor 10 zwischen seinem Minimalwert und seinem Maximalwert unterliegt. Wenn also die Intensität des einfallenden Lichts in einem weiten Bereich schwankt, kann die Meß zeit gleichwohl innerhalb eines in der Praxis annehmbaren Bereichs liegen, so daß der Dynamikbereich erweitert wird.

Fig. 3 zeigt in einer grafischen Darstellung die Änderung der Spannung über der Zeit. In dieser Darstellung ist f(t) ein Beispiel einer monoton ansteigenden Funktion, wie sie beispielsweise mittels eines einfachen RC-Lade—

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kreises erhalten werden kann. Wenn die zusätzliche Spannung V₂ = f(t) nicht vorhanden ist (f(t) =0), dann ist die Zeit, die benötigt wird, bis V₁ die Schwellenspannung

V.. erreicht, t_A1. Mit f(t) kann diese Zeit dagegen auf tn υ ι

t verkürzt werden. Selbst wenn also der Fotostrom i extrem klein ist, so daß sich mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 eine für die Praxis nicht mehr brauchbare Meßzeit t_Q1 ergeben würde, kann mit der Erfindung durch Anlegen der monoton ansteigenden Spannung die Meß zeit zu einem praktisch brauchbaren Wert verkürzt werden (t_Q2 < t₀₁)· Demzufolge wird der Meßbereich vergößert und damit der Dynamikbereich erweitert.

Fig. 4 ist ein Schaltbild eines zweiten Beispiels einer Schaltungsanordnung zur Intensitätsmessung bzw. einer Lade- und Entladeschaltung.

In diesem Fall sind der Lichtcmpfanger 1 und der Kondensator 2 gegenüber ihrer Position in Fig. 1 vertauscht.

Auch die Arbeitsweise ist umgekehrt zu derjenigen der Schaltungsanordnung von Fig. 1. Im Fall von Fig. 4 wird die Eingangsspannung V. des Inverters 3 am Anfang auf V_DD, das heißt auf die Betriebsspannung gesetzt (das Ausgangssignal Vout des Inverters 3 ist dabei "0"). Der Fotostrom i durch den Lichtempfänger 1 bewirkt dann eine Verringerung der Eingangsspannung V₁. Gemessen wird die Zeit, die benötigt wird, bis V. unter den Wert der Schwellenspannung V.. fällt, das heißt, die Zeit bis sich das Ausgangssignal des Inverters 3 zu "1" umkehrt. Wie bei der Schaltungsanordnung von Fig. 1 besteht auch bei derjenigen von Fig. 4 der Nachteil eines engen Dynamikbereichs.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Fig. 4 entspricht.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind bei der Schal-

tungsanordnung von Fig. 5 derjenigen von Fig. 4 ein Kondensator 4 und ein Spannungsgenerator 5 hinzugefügt. Die Funktion f(t)unterscheidet sich von derjenigen bei der Schaltungsanordnung von Fig. 2, es kann aber jede monoton abnehmende Funktion sein (df(t) / dt < 0). Ein einfacher RC-Entladekreis kann als Beispiel angeführt werden.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung von Fig. 5 ist wie folgt. Mit den gleichen Bezeichnungen wie im Fall von Fig. 2 und dem Anfangszustand V = V₂ = V ergeben sich folgende Gleichungen:

/ idt = Q₁ + Q₂ ... (7)

Q₁ Q₂

V_DD = f(t) ...(8)

^C1 ^C2

Durch Umwandlung der Gleichungen (7) und (8) erhält man Gleichung (9):

^{1 C}2

^VDD - ^V1 ⁼ V^C1 = "C-fcT" ^f ^{idt +} -C7TC7 ^(VDD-^f(t))

Die Gleichung (9) ist zur Gleichung (6) symmetrisch, so daß sich aus den in Verbindung mit der Gleichung (6) abgeleiteten Gründen auch für die Schaltungsanordnung von Fig. 5 ein erweiterter Dynamikbereich ergibt.

Fig. 6 ist ein Schaltbild eines dritten Beispiels einer Schaltungsanordnung mit einem kleinen Dynamikbereich, wie ihn auch die Schaltungsanordnungen der Fig. 1 und 4 besitzen. Im Fall von Fig. 6 wird der Kondensator 2 zunächst auf nicht gezeigte Weise auf die Betriebsspannung

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V aufgeladen (das Ausgangssignal des Inverters 3 ist dann "0"). Der Kondensator wird dann durch den den Lichtempfänger 1 durchfließenden Fotostrom i entladen. Geraessen wird die Zeit, die vergeht, bis die Spannung V. unter den Wert der Schwellenspannung V , fällt, bis also das Ausgangssignal des Inverters 3 zu "1" wechselt.

Fig. 7 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Fig. 6 entspricht.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 derjenigen von Fig. 6 ein Kondensator 4 und ein Spannungsgenerator 5 hinzugefügt, f(t) ist eine ähnlich monoton abklingende Funktion wie im Fall von Fig. 5.

Die Arbeitsweise ist wie folgt. Unter Verwendung wieder der gleichen Bezeichnungen wie in den anderen Figuren und unter Voraussetzung eines Anfangszustands von V₁ = V_ = V ergeben sich die folgenden Gleichungen:

Q₀ = Q₁ (t = 0) = C₁V₀₀ ...(10)

Q₀ - / idt = Q₁ + Q₂ ... (11)

Durch Eliminieren von Q_Q, Q.., Q₂ aus den Gleichungen (10), (11) und (12), erhält man die Gleichung (13): _{1 c}

DD ^V1 = — ' Γ _DD

^C1 ^2 ^1^*2 ...(13)

Die Gleichung (13) stimmt mit der obigen Gleichung (7) überein, so daß aus denselben Gründen wie dort angegeben,

auch mit der Schaltungsanordnung von Fig. 7 der Dynamikbercich erweitert werden kann.

Fig. 8 ist ein Schaltbild eines vierten Beispiels einer Schaltungsanordnung mit kleinem Dynamikbereich. In diesem Fall wird der Kondensator 2 auf nicht gezeigte Weise zunächst aufgeladen, so daß die Spannung V₁ = 0 wird (das Ausgangssignal des Inverters 3 ist dann "1"). Der Kondensator wird dann durch den den Lichtempfänger 1 durchfließenden Fotostrom i entladen. Die Zeit, die vergeht, bis die Spannung V den Wert der Schwellenspannung V\, übersteigt, bis also das Ausgangssignal des Inverters "0" wird, wird gemessen.

-]5 Fig. 9 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Fig. 8 entspricht.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, unterscheidet sich die Schaltungsanordnung nach Fig. 9 in ihrem Aufbau von derjenigen nach Fig. 8 dadurch, daß zu letzterer der Kondensator 4 und der Spannungsgenerator 5 hinzugefügt wurden. f(t) ist eine ähnlich monoton ansteigende Funktion, wie die von Fig. 2.

Die Arbeitsweise ist wie folgt. Mit V. = V- = 0 als Anfangszustand ergeben sich folgende Gleichungen:

Q₀ = Q₁ (t = O) = C₁V₀₀ ...(14)

Q₀ - / idt = Q₁ + Q₂ ...(15)

^Q2 ^Q1
f (t) — + —- = V₀₀ ...(16)

^C2 ^C1

Durch Umwandeln dieser Gleichungen, daß heißt durch

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Eliminieren von Q₀, Q₁, Q₂ ergibt sich die Gleichung (17) ^{1 C}

V = —, / idt + f(t) ...(17)

C₁₊C₂ C₁₊C₂

Gleichung (17) stimmt mit der obigen Gleichung (6) überein, so daß aus den bereits angegebenen Gründen auch hier der Dynamikbereich erweitert ist.

Wie voranstehend ausgeführt, wird erfindungsgemäß ein Spannungsgenerator, der eine bestimmte Spannung erzeugt, über einen weiteren Kondensator an eine Lade- und Entladeschaltung, die einen LichtcmpEänger und einen Kondensator enthält, angeschlossen. Dadurch wird der Vorteil erzielt,

•^5 daß selbst im Bereich extrem geringer Fotoströme die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung der Lade- und Entladeschaltung nicht so stark verzögert ist, so daß sich ein größerer Dynamikbereich ergibt.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Messung der Intensität des 'Von einem Lichtempfänger (1) empfangenen Lichts, bei der der vom Lichtempfänger (1) abhängig von der zu messenden Intensität abgegebene Fotostrom (i) von einem Integrator (2) integriert und die Intensität als die Zeit (t_Q) gemessen wird, die vom Beginn der Integration vergeht, bis das Ausgangssignal des Integrators (5) (Integrationswert) eine vorgegebene Höhe erreicht, dadurch gekennzeichnet , daß ein Signalgenerator vorgesehen ist, der ein Signal erzeugt, welches sich monoton mit der Zeit in gleicher Richtung wie der Integrationswert ändert, und daß der Wert dieses Signals dem Integrationswert hinzuaddiert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Integrator einen mit dem Lichtempfänger (1) verbundenen Kondensator (2) umfaßt, der von dem Fotostrom (i) im Lichtempfänger (1) geladen oder entladen wird, daß der Sigruilgenerator (5) einen Spannungsgenerator umfaßt, der eine monoton mit der Zeit

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ansteigende oder abfallende Spannung erzeugt, und daß die Ausgangsspannung des Spannungsgenerators über einen weiteren Kondensator (4) an den Verbindungspunkt zwischen dem Lichtempfänger (1) und dem integrierenden Kondensator

(2) geliefert wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schwellenwerteinrichtung/ die bei Beginn der Integration gesetzt wird und rückgesetzt wird, wenn der Integrationswert den vorgegebenen Wert erreicht, wobei die Lichtintensität als Breite des von der Schwellenwerteinrichtung gelieferten Impulses meßbar ist.