DE3706252C2

DE3706252C2 -

Info

Publication number: DE3706252C2
Application number: DE3706252A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Kawasaki Kanagawa Jp Muto; Takahiro Hiratsuka Kanagawa Jp Shirai; Tsunenori Tokio/Tokyo Jp Yoshinari
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1992-04-16
Also published as: DE3706252A1; US5115124A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterfotosensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Halbleiterfotosensoren dieser Art sind aus "Si-Fotodetektoren und IR-Lumineszenzdioden", Datenbuch 1985/86, Siemens AG, S. 315 bis 319 und 323 bis 329 und aus "Optoelektronik kurz und bündig", W. Schmidt, O. Feustel, Vogel-Verlag, Würzburg 1975, S. 203 bis 206 bekannt. In diesen Druckschriften sind Halbleiterfotosensoren beschrieben, bei denen ein Fotosensorbereich und ein zugehöriger Verstärker integriert ausgebildet sind.

In Halbleiterfotosensoren nach dem Stand der Technik werden als Lichtmeßgeber häufig fotoleitfähige Elemente benutzt.

Die Leitfähigkeit des fotoleitfähigen Elements ändert sich mit der Beleuchtung, wobei die Änderung in einen Strom oder eine Spannung zur Signalaufbereitung umgesetzt wird.

Das fotoleitfähige Element hat jedoch geringe Empfindlich keit, so daß sich eine Meßgrenze von 0,1 bis 1 Lux ergibt.

Da eine verhältnismäßig große Lichtaufnahmefläche erfor derlich ist, ist es wegen der geringen Empfindlichkeit bzw. des niedrigen Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses oder Störabstands S/N schwierig, die Beleuchtungsstärke auf einer kleinen Punktfläche wie auf einigen hundert µ² zu messen.

Aus "Halbleiter-Schaltungstechnik", U. Tietze, Ch. Schenk, Springer-Verlag (1980), 5. Auflage, Seiten 207 bis 208 ist es bekannt, einen Operationsverstärker mit einer Diode oder einem Transistor gegenzukoppeln und auf diese Weise einen Logarithmierer zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterfotosensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß ein Halbleiterfotosensor geschaffen wird, der sich durch hohe Meßempfindlichkeit auszeichnet und kompakt aufbaubar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Demnach wird erfindungsgemäß der vom Fotosensorbereich erzeugte Strom über eine zu einem logarithmischen Verstärker gehörige logarithmische Diode geleitet, welche auf demselben Halbleitersubstrat untergebracht ist, auf dem sich auch der Fotosensorbereich befindet. Dies ergibt eine deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit und ermöglicht folglich auch die Meßbarkeit äußerst geringer Beleuchtungsstärken mit sehr kleinen Fotosensorflächen. Der erfindungsgemäße Halbleiterfotosensor ist somit bei hoher Empfindlichkeit kompakt aufbaubar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu tert.

Fig. 1 ist ein Anordnungsschema, das als erstes Ausfüh rungsbeispiel einen Fotosensor für einen Belichtungsmesser zeigt.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Treiberschaltung des Belichtungsmessers mit dem Fotosensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 ist ein Anordnungsschema, das als zweites Ausfüh rungsbeispiel einen Fotosensor für einen Belichtungsmesser zeigt.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Treiberschaltung des Belichtungsmessers mit dem Fotosensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Treiberschaltung eines Belichtungsmessers.

Fig. 6 ist ein Anordnungsschema eines Halbleiterfotosen sors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungs schaltung des Halbleiterfotosensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 ist ein Anordnungsschema eines Halbleiterfotosen sors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungs schaltung des Halbleiterfotosensors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.

Es wird zunächst ein Belichtungsmesser mit dem Halbleiter fotosensor gemäß einem Ausführungsbeispiel als Lichtstär kenmeßvorrichtung beschrieben.

Die Fig. 1 ist ein Anordnungsschema eines Fotosensors des Belichtungsmessers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Treiberschaltung des Belichtungsmessers mit dem Fotosensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1 zeigt ein Halbleitersubstrat 1, einen auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten Halbleiterfotosensor bzw. eine Fotodiode 2, eine logarithmische Diode 4 und einen Operationsverstärker 3. Die logarithmische Diode 4 ist zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet, um einen logarithmischen Verstärker 16 zu bilden. Die Fotodiode 2 ist mit den Eingängen des Operationsverstärkers 3 verbunden.

Gemäß Fig. 2 wird ein durch das Beleuchten der Fotodiode 2 erzeugter Fotostrom durch die logarithmische Diode 4 in eine Spannung umgesetzt und an den logarithmischen Ver stärker 16 angelegt. Der Ausgangspegel des Verstärkers wird mittels einer Bezugsspannungsquelle 10 eingestellt. Da die Fotodiode und die Verarbeitungsschaltung auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sind, wird der durch die Beleuchtung entstehende Fotostrom nicht abgelei tet, sondern über die logarithmische Diode 4 geführt. Infolgedessen wird die Empfindlichkeit verbessert, so daß Beleuchtungsstärken in der Größenordnung von 0,001 Lux gemessen werden können. Da die Fläche des Fotosensors nicht groß sein muß, sind einige hundert µm² ausreichend. Das Ausgangssignal des logarithmischen Verstärkers 16 wird in einem A/D-Wandler 5 in ein digitales Signal umgesetzt, welches von einer Zentraleinheit (CPU) 6 aufbereitet wird, wonach des Ergebnis einem Decodierer 7 zugeführt wird. Der Ausgang des Decodierers 7 ist mit einer Treiberstufe 8 verbunden, die eine Anzeigevorrichtung 9 für die Anzeige der Lichtstärke des einfallenden Lichts steuert.

Die Fig. 3 ist ein Anordnungsschema eines Fotosensors eines Belichtungsmessers gemäß einem zweiten Ausführungs beispiel. Die Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Trei berschaltung des Belichtungsmessers mit dem Fotosensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind zwei Fotosensoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Gleiche Elemente wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Nach Fig. 3 sind an dem Halbleitersubstrat 1 nebeneinander Fotodioden 11 und 12 angeordnet. Mit 13 ist ein Multi plexer bezeichnet, während mit 14 ein Decodierer bezeich net ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 werden die durch das Beleuchten der Fotodioden 11 und 12 erzeugten Fotoströme dem Multiplexer 13 über logarithmische Verstärker 16 ₁ und 16 ₂ zugeführt, die jeweils logarithmische Dioden 4 ₁ und 4 ₂ und Operationsverstärker 3 ₁ und 3 ₂ enthalten. Der Multiplexer 13 wird durch ein Kanalwählsignal aus dem Decodierer 14 so gesteuert, daß ein benötigter Kanal angewählt wird. Das Kanalwählsignal wird über den Decodierer 14 durch ein Steuersignal aus der Zentraleinheit 6 gesteuert. Die üb rige Funktion ist die gleiche wie die in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene, so daß daher die Erläuterung weggelassen ist. Es können irgendeine beliebige Anzahl von Fotosensoren und beliebige Formen der Fotosensoren gewählt werden.

Mit dem Belichtungsmesser mit dem Fotosensor gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel können Beleuchtungsstärken an zwei Punkten gemessen werden. Da die zusätzliche Fotodiode und die Signalverarbeitungsschaltung auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sind, kann der Belichtungs messer kompakt aufgebaut werden. Der Belichtungsmesser kann als Auswertungs- und Lichtstärkemeßvorrichtung einer Kamera verwendet werden.

Es wird nun eine andere Anwendung des in Fig. 1 gezeigten Fotosensors beschrieben. Die Fig. 5 ist ein Blockschalt bild einer Treiberschaltung eines Belichtungsmessers. Die grundlegende Gestaltung ist die gleiche wie diejenige der in Fig. 2 gezeigten Treiberschaltung des Belichtungsmes sers. Es werden daher nur die Unterschiede erläutert.

Nach Fig. 5 wird ein durch Umsetzung in dem A/D-Wandler 5 erzeugtes digitales Signal der Zentraleinheit 6 zugeführt. Andererseits wird der Zentraleinheit 6 aus einer Eingabe vorrichtung 15 ein einen Ev-Wert darstellendes Spannungs signal zugeführt und mit dem der Lichtstärke des einfal lenden Lichts entsprechenden Signal aus dem A/D-Wandler 5 verglichen, wonach ein Differenzsignal dem Decodierer 7 zugeführt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Fotosensor der Halbleiterfotosensor verwendet, in welchem der Fotosensor und die Signalverarbeitungsschaltung auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sind, so daß niedrige Be leuchtungsstärken erfaßt werden können und der Fotosensor kleine Fläche haben kann. Daher kann ein auf eine kleine Fläche fallendes Lichtsignal erfaßt werden. Wenn mehrere Fotosensoren vorgesehen sind, können die zusätzlichen Fotodioden und Signalverarbeitungsschaltungen auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet werden, so daß damit eine kompakte Lichtstärkemeßvorrichtung aufgebaut werden kann.

Die Fig. 6 ist ein Anordnungsschema eines Halbleiterfoto sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschal tung des Fotosensors gemäß dem dritten Ausführungsbei spiel.

In der Fig. 6 ist mit 601 ein Halbleitersubstrat bezeich net, während mit 602 ein auf dem Halbleitersubstrat ausge bildeter Fotosensor bezeichnet ist. Der Fotosensor kann als Fotodiode oder als Fototransistor gestaltet sein. Der Fotosensor 602 hat fünf Fotosensorbereiche 603 bis 607. Diese Fotosensorbereiche sind jeweils mit logarithmischen Verstärkern 614 ₁ bis 614 ₅ verbunden, welche gemäß Fig. 7 jeweils Operationsverstärker 608 ₁ bis 608 ₅ und logarithmische Dioden 609 ₁ bis 609 ₅ enthalten. Die durch die Beleuchtung in den Fotosensorbereichen 603 bis 607 erzeugten Foto ströme werden durch die logarithmischen Dioden 609 ₁ bis 609 ₅ der Strom/Spannung-Umsetzung unterzogen. Die Aus gangssignale der logarithmischen Verstärker 614 ₁ bis 614 ₅ werden einem Multiplexer 610 zugeführt, in dem durch ein Signal aus einem Decodierer 612 ein Kanal gewählt wird. Das Ausgangssignal des gewählten logarithmischen Verstär kers wird einem Pufferverstärker 611 zugeführt. Mit 613 ist eine Diode für das Kompensieren eines Dunkelstroms der logarithmischen Diode bezeichnet, während mit 615 eine Bezugsstromquelle für das Einstellen eines Ausgangsspan nungspegels bezeichnet ist. Da bei diesem Ausführungsbei spiel der Fotosensor in fünf Fotosensorbereiche unterteilt ist, können die auf die Fotosensorbereiche fallenden Lichtsignale gesondert erfaßt werden, wobei die Signaler fassungsgenauigkeit verbessert ist.

Die Anzahl der Unterteilungen und die Form des Fotosensors können beliebig gewählt werden.

Die Fig. 8 ist ein Anordnungsschema eines Halbleiterfoto sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 9 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschal tung bei diesem Ausführungsbeispiel.

In der Fig. 8 ist mit 620 ein Halbleitersubstrat bezeich net, während mit 621 und 622 auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Fotosensorbereiche bezeichnet sind, die von einander isoliert an verschiedenen Flächen des Halbleiter substrats 620 engeordnet sind. Gemäß Fig. 9 sind die Fotosensorbereiche 621 und 622 mit den Eingängen von Operationsverstärkern 623 ₁ und 623 ₂ verbunden, an die Widerstän de 624 ₁ und 624 ₂ zur Strom/Spannung-Umsetzung angeschlos sen sind. Die durch die Beleuchtung in den Fotosensorbe reichen 621 und 622 erzeugten Fotoströme werden mittels der Widerstände 624 ₁ und 624 ₂ in Spannungen umgesetzt. Die Ausgangssignale der Rechenverstärker 623 ₁ und 623 ₂ werden einem Differenz-Rechenverstärker 625 zugeführt, der eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Rechenver stärker 623 ₁ und 623 ₂ verstärkt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Fotosensor bereiche voneinander getrennt angeordnet, so daß Lichtsi gnale an verschiedenen Stellen erfaßt werden können. Die Signalverarbeitungsschaltung sowie der Differenz-Rechen verstärker 625 wird zwischen den beiden Fotosensorberei chen angeordnet, um die Packungs- bzw. Bauelementedichte zu verbessern.

Die Anzahl und Form der Fotosensorbereiche können beliebig gewählt werden.

Bei den in den Fig. 6 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispie len ist ein Fotosensor in mehrere Bereiche unterteilt oder es sind mehrere Fotosensorbereiche voneinander getrennt engeordnet, so daß jeder Fotosensorbereich des optische bzw. Lichtsignal erfaßt, um eine Messung mit hoher Emp findlichkeit zu erreichen. Da die Fotosensorbereiche und die Signelverarbeitungsschaltung hierfür auf ein und dem selben Halbleitersubstrat ausgebildet sind, wird eine gesteigerte Bauelementedichte erreicht und ein preiswerter und kompakter Halbleiterfotosensor geschaffen.

Claims

1. Halbleiterfotosensor mit zumindest einem Fotosensorbereich (2; 11, 12; 603 bis 607) für das Umsetzen von Lichtsignalen in elektrische Signale und einer Signalverarbeitungsschaltung (16; 614) zum Aufbereiten der elektrischen Signale, wobei der Fotosensorbereich und die Signalverarbeitungsschaltung auf einem einzigen Halbleitersubstrat (1; 601) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine logarithmische Diode (4; 609) auf dem Halbleitersubstrat (1; 601) vorgesehen ist, über die der vom Fotosensorbereich (2; 11, 12; 603 bis 607) erzeugte Fotostrom fließt und die einen Bestandteil eines logarithmischen Verstärkers (16; 614) zur Abgabe von der Beleuchtung entsprechenden elektrischen Signalen bildet.

2. Halbleiterfotosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der logarithmische Verstärker (16; 614) einen Operationsverstärker (3; 608) aufweist, der mit der logarithmischen Diode (4; 609) gegengekoppelt ist.

3. Halbleiterfotosensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Ausgangspegels des Operartionsverstärkers (3; 608) eine Bezugsspannungsquelle (10) an einen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist.

4. Halbleiterfotosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplexer (13; 610), dem die Ausgangssignale mehrerer logarithmischer Verstärker (16; 614) zugeführt werden, und eine Decodiereinrichtung (14; 612) zur Steuerung des Multiplexers vorgesehen sind.

5. Halbleiterfotosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Fotosensorbereiche (2; 11, 12; 603 bis 607) vorgesehen sind, wobei einer der Bereiche (603) von den anderen vier Bereichen (604 bis 607) umgeben ist.