DE4114489A1 - Photodetektoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Photodetektoranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Photodetektoranordnungen, deren Widerstand beleuchtungsab­ hängig ist, werden auch als Photoleiter bezeichnet. Der Widerstand eines solchen Photoleiters ist damit ein Maß für die Beleuchtungsintensität.

Eine gebräuchliche Methode zur Messung des Widerstandes eines Photoleiters besteht darin, daß der Photoleiter an eine Stromquelle oder in Serie mit einem Vorwiderstand an eine Spannungsquelle angeschlossen und der am Photoleiter auftretende Spannungsabfall gemessen und ausgewertet wird.

Zur Unterdrückung von Rauschanteilen im Detektorsignal kann dieses über einen vorgegebenen Zeitraum integriert werden. Allerdings trifft bei vielen Photoleitern, z. B. dem im Infrarot gebräuchlichen PC-CMT-Detektorelementen, das Problem auf, daß sie auch als 1/f-Rauschquelle wirken. Die 1/f-Rauschanteile werden durch die Integration des De­ tektorsignals nicht unterdrückt, was sich bei kleinen De­ tetkorsignalen besonders nachteilig auswirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Pho­ todetektoranordnung der einleitend genannten Art anzuge­ ben, welche eine verbesserte Rauschunterdrückung zeigt und insbesondere die Detektion kleiner Signale verbessert.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die Modulation des Stroms durch das Detektorelement wird- unter der zulässigen Annahme, daß das Detektorele­ ment rein resistiv wirkt- das Detektorsignal um die Modu­ lationsfrequenz verschoben, wobei keine Frequenzmischung mit dem 1/f-Rauschen auftritt. Im Frequenzabstand um die Modulationsfrequenz kann das Detektorsignal frequenzselek­ tiv ausgewertet werden und die bei niedrigen Frequenzen liegenden 1/f-Rauschanteile werden dadurch unterdrückt. Die Frequenzselektive Auswertung ist äquivalent zu einer Integration, wobei die Bandbreite der Frequenzselektion mit der Integrationszeit korrespondiert. Im Unterschied zur Integration bei herkömmlichen Photodetektoranordnungen ist aber bei der erfindungsgemäßen Anordnung das starke 1/f-Rauschen des Photoleiters unterdrückt. Die Modulationsfrequenz ist dafür so zu wählen, daß sie in ei­ nem Frequenzbereich liegt, in welchem das 1/f-Rauschen vernachlässigbar ist. Für die Modulationsfrequenz wird vorteilhafterweise der Bereich zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 10 kHz gewählt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit kapazitiver Auskopplung

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einer Widerstandsbrücke.

Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung ist das Photode­ tektorelement PD, das einen beleuchtungsabhängigen Wider­ standswert RD besitzt, in Reihe geschaltet mit einem Vor­ widerstand RV. Der Strom durch die Reihenschaltung ist be­ stimmt durch RV, RD und die Betriebsspannung UB. Für RV » RD ist der Strom weitgehend unabhängig von RD. Die Betriebsspannung UB ist mit einer Modulationsfrequenz fm moduliert. Der zeitliche Verlauf der Modulation kann si­ nusförmig, dreieckförmig, rechteckförmig oder ähnlich sein. Eine am Verbindungspunkt zwischen RV und RD abge­ griffene Signalspannung als Detektorsignal zeigt dann ebenfalls eine Modulation mit fm. Diese Signalspannung wird über den Koppelkondensator C auf den Eingang eines Verstärkers V geleitet. Die freuqenzselektive Auswertung des Detektorsignals ist in der Abbildung repräsentiert durch ein Bandfilter F mit der Mittenfrequenz bei der Mo­ dulationsfrequenz fm, mittels dessen aus dem breitbandigen Ausgangssignal A das Frequenzband um fm ausgefiltert wird. Das gefilterte Signal S enthält dann neben dem Nutzsignal nur das im ausgefilterten Frequenzbereich um fm auftre­ tende Rauschen, wogegen das starke 1/f-Rauschen des Photo­ detektors unterdrückt ist. Der rms-Wert des gefilterten Signals, der äquivalent dem integrierten Detektorsignal ist, dient als Maß für die momentane Beleuchtungsintensi­ tät.

Die kapazitive Auskopplung des Detektorsignals ist nicht zwingend, ermöglicht aber die unabhängige Gleichspannungs- Arbeitspunkteinstellung zwischen Detektorsignal und Ver­ stärker. Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung ist zur Messung kleiner Detektorsignaldifferenzen, d. h. kleiner Beleuchtungsunterschiede ungünstig, daß diese im durch RD bestimmten Modulationshub des ausgekoppelten Detektorsi­ gnals eine nur entsprechend kleine Differenz des Modulati­ onshubs verursachen.

Besonders zur Detektion kleiner Signaldifferenzen ist da­ her die in Fig. 2 skizzierte bevorzugte Ausführungsform geeignet. Bei dieser bevorzugten Anordnung bildet das De­ tektorelement PD, dessen Widerstandswert RD beleuchtungs­ abhängig ist, mit den Widerständen R1, R2 und R3 eine Wi­ derstandsbrücke, deren Diagonalspannung an die Eingänge eines Differenzverstärkers DV angelegt ist. Die Betriebs­ spannung UB der Widerstandsbrücke sein entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 1 mit einer Modulationsfrequenz fm moduliert.

Mittels der Widerstandsbrücke kann ein Grundspannungsan­ teil abgezogen und damit die zu verarbeitenden Signalspan­ nung erheblich reduziert werden. Die Widerstandsbrücke kann dabei z. B. für einen innerhalb des Betriebsbereichs des Detektorelements liegenden bestimmten Beleuchtungszu­ stand abgeglichen sein, so daß die Diagonalspannung ein Maß für die Abweichung der momentanen Beleuchtung von die­ sem bestimmten Beleuchtungszustand ist. Hierzu kann entwe­ der ein Beleuchtungszustand, bei welchen die Diagonalspan­ nung verschwindet, ermittelt werden oder eine Referenz-Be­ leuchtung vorgegeben und mittels eines variabel einstell­ baren Abgleichwiderstandes R1 in der Brücke die Diagonal­ spannung bei dieser Referenz-Beleuchtung auf Null abgegli­ chen werden. Die nachfolgenden Signalverarbeitungseinrich­ tungen, z. B. Verstärker und dergleichen, müssen in diesem Fall zur Verarbeitung einer bipolaren Diagonalspannung ge­ eignet sein. Soll ein Polaritätswechsel der Diagonalspan­ nung vermieden werden, so kann die Widerstandsbrücke ent­ sprechend eingestellt sein.

Die frequenzselektive Auswertung ist in Fig. 1 und Fig. 2 repräsentiert durch ein Bandfilter F mit der Modulations­ frequenz fm als Mittenfrequenz. Die im Ausgangssignal A des Differenzverstärkers noch enthaltenden 1/f-Rauschan­ teile bei niedrigen Frequenzen sind im gefilterten Signal S unterdrückt. Für die frequenzselektive Auswertung kann im Realfall anstelle eines diskreten Bandfilters eine an­ dere Anordnung, z. B. mit phasenrichtiger Gleichrichtung bzw. Frequenzumsetzung unter Verwendung eines Hilfsignals der Modulationsfrequenz vorteilhaft eingesetzt sein. Ge­ eignete Anordnungen zur frequenzselektiven Signalsauswer­ tung sind aus anderen technischen Gebieten hinlänglich be­ kannt und daher im Detail nicht weiter ausgeführt.

Claims (9)

1. Photodetektoranordnung mit einem stromduchflossenen Detektorelement (PD), das einen beleuchtungsabhängigen Widerstandswert (RD) aufweist und dessen Spannungsabfall als Detektorsignal ausgewertet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strom durch das Detektorelement mit einer Modulationsfrequenz (fm) moduliert ist und die Auswertung des Detektorsignals frequenzselektiv bei der Modulations­ frequenz erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch das Detektorelement ein modulierter Gleichstrom ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Modulationsfrequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz liegt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsignal kapazitiv ausgekop­ pelt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement Teil einer Span­ nungsteilerschaltung (RV, RD) ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement Teil einer Wider­ standsbrücke (R1, R2, R3, RD) ist und daß die Diagonal­ spannung (UD) der Widerstandsbrücke ausgewertet wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung an die Eingänge eines Differenzver­ stärkers (DV) angelegt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Widerstandsbrücke so eingestellt ist, daß über den gesamten Betriebsbereich des Detektorelements kein Vorzeichenwechsel der Diagonalspannung auftritt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbrücke einen variablen Abgleichwiderstand (R1) enthält.