DE3604971A1

DE3604971A1 - PHOTOSENSOR DEVICE WITH DARK CURRENT COMPENSATION

Info

Publication number: DE3604971A1
Application number: DE19863604971
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Kniffler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1987-08-20
Also published as: FR2594544A1; JPS62219581A

Description

Die Erfindung betrifft ein Photosensoreinrichtung mit Dunkelstromkompensation, die mindestens ein Paar gleichartiger Sensorelemente aufweist.The invention relates to a photosensor device Dark current compensation, at least one pair has similar sensor elements.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 26 23 745 bekannt. Dort ist eine CCD-Videokamera beschrieben, welche als Sensorelemente ein Paar gleichartiger ladungsgekoppelter Elemente aufweist. Der Grund hierfür besteht darin, daß Dunkelstromeffekte soweit wie möglich eliminiert werden sollen. Eine zwischen dem Objektiv sowie den ladungsgekoppelten Elementen vor handene, schwenkbare Spiegelanordnung sorgt dafür, daß während der ersten Hälfte des Integrationsintervalles die Belichtung auf das eine, während der zweiten Hälfte auf das andere ladungsgekoppelte Element fällt. Eines der beiden Elemente ist während jeweils einer Hälfte des Integrationsintervalles unbelichtet. Beim Umschal ten der Belichtung zwischen den beiden Elementen nach Ablauf jeweils eines halben Integrationsintervalles werden gleichzeitig die bis dahin in den Elementen akumulierten Ladungen ausgetauscht, wozu eine spezielle Umschaltvorrichtung vorhanden sein muß. Am Ende des Integrationsintervalles werden die Ladungsmengen aus den Elementen abgezogen und durch Differenzbildung die Dunkelstromanteile eliminiert.Such a device is from DE-OS 26 23 745 known. A CCD video camera is described there, which as sensor elements are a pair of the same type Has charge-coupled elements. The reason for that is that dark current effects as far as possible to be eliminated. One between the Lens as well as the charge-coupled elements existing, swiveling mirror arrangement ensures that during the first half of the integration interval exposure to one during the second half falls on the other charge-coupled element. One of the two elements is half each of the integration interval unexposed. When switching over the exposure between the two elements Half an integration interval at the same time become those in the elements accumulated charges exchanged, for which a special Switching device must be available. At the end of Integration interval, the amount of charge subtracted from the elements and by forming the difference Dark current components eliminated.

Bei der bekannten Einrichtung werden als Sensorelemente ladungsgekoppelte Elemente (CCD-Elemente) verwendet, wobei das der Belichtungsintensität entsprechende Aus gangssignal jeweils erst am Ende eines Integrations intervalles zur Verfügung steht. Im übrigen ist die Einrichtung apparativ aufwendig, da sie über eine schwenkbare Spiegelanordnung sowie Umschaltvorrichtun gen verfügen muß. Schließlich steht das erwünschte Ausgangssignal erst nach Differenzbildung zur Verfügung.In the known device are used as sensor elements charge coupled elements (CCD elements) used, the off corresponding to the exposure intensity output signal only at the end of an integration interval is available. Otherwise, the Furnishing complex, since they have a pivoting mirror arrangement and Umschaltvorrichtun gene must have. After all, what is desired Output signal only after difference formation Available.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Photosensoreinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher das dunkelstromkompen sierte Ausgangssignal bei möglichst geringem apparati ven Aufwand möglichst schnell und direkt zur Verfügung steht.The invention is therefore based on the object Photosensor device of the type mentioned to provide, in which the dark current based output signal with the smallest possible apparatus effort as quickly and directly as possible stands.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Photodioden als Sensorelemente verwendet werden, die beiden Photodioden eines jeden Paares in Reihe und in Sperrichtung geschaltet zwischen den Polen einer Spannungsquelle liegen, jeweils eine der beiden Photo dioden (die Kompensationsdiode) ständig gegen Belich tung abgeschirmt ist und das dunkelstromkompensierte Ausgangssignal unmittelbar an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Photodioden des jeweiligen Paares abnehmbar ist.According to the invention, this object is achieved by that photodiodes are used as sensor elements, the two photodiodes of each pair in series and switched in the reverse direction between the poles Voltage source, one of the two photos diodes (the compensation diode) constantly against Belich is shielded and the dark current compensated Output signal directly at a center tap between the two photodiodes of the respective pair is removable.

Durch Verwendung eines oder mehrerer derartiger Paare zweier gleichartiger Photodioden wird es möglich, das gewünschte, dunkelstromkompensierte Ausgangssignal ohne jede Zeitverzögerung direkt abzunehmen, und zwar an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Photodioden. Es handelt sich hierbei um eine äußerst einfache und dennoch im Sinne der Lösung der Aufgabenstellung wirk same Anordnung. Weder ist es erforderlich, die Belich tung ständig zwischen den beiden Sensorelementen eines Paares wechseln zu lassen, noch sind komplizierte Um schaltvorrichtungen zum Ladungsaustausch erforderlich. By using one or more such pairs two identical photodiodes, it becomes possible desired dark current compensated output signal without to decrease every time delay directly on a center tap between the two photodiodes. It this is an extremely simple and nevertheless effective in the sense of solving the task same arrangement. Neither is it necessary to use the Belich tion constantly between the two sensor elements To have a couple change are still complicated order Switching devices required for charge exchange.

Dies hängt einmal damit zusammen, daß eines der Sensor elemente, nämlich die Kompensationsdiode, ständig gegen den Lichteinfall abgeschirmt ist, und zum anderen damit, daß anstelle von CCD-Elementen Photodioden verwendet werden.This is due to the fact that one of the sensors elements, namely the compensation diode, constantly against the light is shielded, and on the other so that instead of CCD elements, photodiodes be used.

Die Photosensoreinrichtung gemäß der Erfindung bzw. die dabei zu verwendenden Photodioden können auch in inte grierter Dünnschicht-Technik hergestellt werden, wobei auf einem Substrat eine Schichtenfolge, bestehend aus einer photoempfindlichen Schicht mit zu beiden Seiten angeordneten Elektrodenschichten, aufgebracht ist. Dabei ist die dem Lichteinfall ausgesetzte Elektroden schicht der jeweils abgeschirmten Kompensationsdiode als nicht transparente Metallschicht und die ent sprechende Elektrodenschicht der jeweils anderen Photo diode als transparente, leitende Oxidschicht oder als semitransparente Metallschicht ausgeführt. Eine der artige integrierte Dünnschichtstruktur kann mit her kömmlichen Techniken - beispielsweise Laserstrukturie rung, lithographische Verfahren - leicht hergestellt werden.The photosensor device according to the invention or the photodiodes to be used can also be produced using integrated thin-film technology, a layer sequence consisting of a photosensitive layer with electrode layers arranged on both sides being applied to a substrate. The exposed to light electrodes layer of the shielded compensation diode is designed as a non-transparent metal layer and the corresponding electrode layer of the other photo diode as a transparent, conductive oxide layer or as a semi-transparent metal layer. One of the integrated thin film-like structure can forth with conventional techniques - for example, Laserstrukturie tion, lithographic processes - are readily prepared.

Unter Umständen kann es erwünscht sein, das zwischen den einzelnen Photodioden eines Paares abzunehmende Ausgangssignal noch zu verstärken. Hierzu kann ein Operationsverstärker verwendet werden, dessen inver tierender Eingang mit dem Mittelabgriff zwischen den beiden Photodioden und dessen nicht invertierender Eingang mit dem Mittenpotential der Spannungsquelle verbunden ist.Under certain circumstances, it may be desirable to choose between the individual photodiodes of a pair Output signal to be amplified. For this, a Operational amplifiers are used, the invert animal entrance with the center tap between the two photodiodes and its non-inverting Input with the center potential of the voltage source connected is.

Im folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispie len anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise: In the following the invention will be exemplified len explained in more detail using the illustrations. Show it in a schematic way:

Fig. 1 ein Schaltbild mit zwei Photodioden und einem Operationsverstärker, Fig. 1 is a circuit diagram of two photodiodes and an operational amplifier,

Fig. 2 eine integrierte Dünnschichtstruktur im Querschnitt. Fig. 2 shows an integrated thin-film structure in cross section.

In Fig. 1 sind Photodioden 1 und 2, als Sensor elementen-Paar dargestellt, welche in Reihe sowie in Sperrichtung geschaltet mit den Polen 3 und 4 einer Spannungsquelle ±U verbunden sind. Die Photodiode 1 stellt das zu belichtende Sensorelement, die Photodiode 2 die ständig gegen Belichtung abgeschirmte Kompen sationsdiode dar. Ein zwischen den Photodioden 1 und 2 gelegener Mittelabgriff 5 ist mit dem invertierenden Eingang 7 eines Operationsverstärkers 6 verbunden. Der nicht invertierende Eingang 8 dieses Operationsverstär kers 6 liegt bezüglich der Spannungsquelle (Pole 3, 4) auf Mittenpotential (Nullpotential zwischen +U und -U). Der Ausgang 15 des Operationsverstärkers 6 ist über einen ohmschen Widerstand R auf den invertierenden Eingang 7 rückgekoppelt. Das verstärkte, dunkelstrom kompensierte Ausgangssignal steht mit vernachlässig barer Verzögerung sofort am Ausgang 15 an. Da zwei gleichartige Photodioden 1 und 2 verwendet werden, fließt in beiden annähernd der gleiche Dunkelstrom I _d. Ohne Belichtung liegt der Mittelabgriff 5 auf Nullpotential, ebenso wie die beiden Eingänge 7 und 8, des Operationsverstärkers 6. Dann ist auch die Ausgangsspannung U _A=0, da die Eingangsdifferenz spannung U _E zwischen den Eingängen 7 und 8 gleich Null ist und auch keine Eingangsströme über diese Eingänge fließen. Der ohmsche Widerstand R ist nicht belastet. Fällt ein Lichtsignal auf die Photodiode 1, so führt dies zu einem Signalstrom I _s sowie zu einer Belastung des ohmschen Widerstandes R mit einem Strom I _R=-I _s. Als Ausgangsspannung ergibt sich dann U _A=-RI _s. Dieses dunkelstromkompensierte Ausgangssignal ist, abgesehen von durch seine Grenz frequenz bestimmten Laufzeitverzögerungen des Operationsverstärkers und des Diodenpaares, sofort am Ausgang abnehmbar.In Fig. 1, photodiodes 1 and 2 are shown as a pair of sensor elements, which are connected in series and in the reverse direction with the poles 3 and 4 of a voltage source ± U are connected. The photodiode 1 represents the sensor element to be exposed, the photodiode 2 is the compensation shield that is constantly shielded from exposure. A center tap 5 located between the photodiodes 1 and 2 is connected to the inverting input 7 of an operational amplifier 6 . The non-inverting input 8 of this operational amplifier 6 lies with respect to the voltage source (poles 3 , 4 ) at center potential (zero potential between + U and - U ). The output 15 of the operational amplifier 6 is fed back to the inverting input 7 via an ohmic resistor R. The amplified, dark current compensated output signal is immediately available at output 15 with a negligible delay. Since two identical photodiodes 1 and 2 are used, approximately the same dark current I _d flows in both. Without exposure, the center tap 5 is at zero potential, as are the two inputs 7 and 8 of the operational amplifier 6 . Then the output voltage U _A = 0, since the input difference voltage U _E between inputs 7 and 8 is zero and no input currents flow through these inputs. The ohmic resistance R is not loaded. If a light signal falls on the photodiode 1 , this leads to a signal current I _s and to a load of the ohmic resistor R with a current I _R = - I _s . The output voltage is then U _A = - RI _s . This dark current-compensated output signal, apart from the delay delays of the operational amplifier and the diode pair determined by its cut-off frequency, can be removed immediately at the output.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine integrierte Dünn schichtstruktur, bei welcher auf einem Glassubstrat 10 zwei in Reihe geschaltete Photodioden 1 und 2 auf gebracht sind. Diese bestehen jeweils aus unmittelbar auf dem Substrat aufgebrachten Metall- oder transparen ten Oxidschichten 12 (beispielsweise ITO), den darüber abgeschiedenen eigentlichen photoempfindlichen Schich ten 11, welche beispielsweise aus amorphem Silizium bestehen und eine pin-Struktur aufweisen können, sowie dem Lichteinfall zugekehrten Elektrodenschichten 13 und 14, welche im Falle der abgeschirmten Kompensations diode 2 aus Metall, beispielsweise Aluminium, aus reichender Dicke und im Falle der das Lichtsignal auf nehmenden Photodiode 1 aus einem transparenten leiten den Oxid (beispielsweise ITO) oder aus einem semitrans parenten Metall bestehen. Hier liegt also eine Reihen schaltung zweier Photodioden 1 und 2 vor, wobei letztere als Kompensationsdiode vom Lichteinfall abgeschirmt ist und das Ausgangssignal an einem Mittel abgriff 17 abnehmbar ist. Fig. 2 shows in cross section an integrated thin layer structure, in which on a glass substrate 10 two series-connected photodiodes 1 and 2 are brought up. These each consist of metal or transparent oxide layers 12 (for example ITO) applied directly to the substrate, the actual photosensitive layers 11 deposited thereon, which consist for example of amorphous silicon and may have a pin structure, and electrode layers 13 facing the incidence of light and 14 , which in the case of the shielded compensation diode 2 made of metal, for example aluminum, of sufficient thickness and in the case of the light signal receiving photodiode 1 made of a transparent conducting oxide (for example ITO) or of a semitransparent metal. So here is a series circuit of two photodiodes 1 and 2 , the latter being shielded as a compensation diode from the incidence of light and the output signal at a center tap 17 is removable.

Claims

1. Photosensor device with dark current compensation, which has at least a pair of similar sensor elements, characterized in that photodiodes ( 1 , 2 ) are used as sensor elements, the two photodiodes ( 1 , 2 ) of each pair connected in series and in the reverse direction between the poles ( 3 , 4 ) of a voltage source, each one of the two photodiodes (the compensation diode 2 ) is constantly shielded from exposure and the dark current-compensated output signal directly at a center tap ( 5 ) between the two photodiodes ( 1 , 2 ) of the respective pair is removable.

2. Photosensor device according to claim 1, characterized in that an operational amplifier ( 6 ) is provided for amplifying the output signal, whose inverting input ( 7 ) with the center tap ( 5 ) and whose non-inverting the input ( 8 ) with the center potential ( 9 ) the voltage source is connected.

3. Photosensor device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the photodiodes ( 1 , 2 ) in integrated thin-film technology on a substrate ( 10 ) with on both sides of a photosensitive layer ( 11 ) arranged electrode layers ( 12 , 13 , 14th ) are designed, the exposed to the light electrode layer ( 13 ) of the respective compensation diode ( 2 ) as a non-transparent metal layer and the corresponding electrode layer ( 14 ) of the other photodiode ( 1 ) is designed as a transparent, conductive oxide layer or as a semi-transparent metal layer .