DE4114592A1 - Photodetektoranordnung - Google Patents

Description

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

Photodetektorelemente, deren Widerstandswert beleuchtungs­ abhängig 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.

Bei geringen zu detektierenden Beleuchtungsschwankungen ist das Nutzsignal dann aber klein gegenüber einem informationsneutralen Grundspannungsabfall und es sind hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit nachfolgender Auswerteschaltungen zu stellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Pho­ todetektoranordnung der einleitend genannten Art anzuge­ ben, mit welcher auch kleine Nutzsignale besser detektiert sind.

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

Mittels der Widerstandsbrücke kann ein Grundspannungsan­ teil abgezogen und damit die zu verarbeitende 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 diesem bestimmten Beleuchtungszustand ist. Hierzu kann entweder ein Beleuchtungszustand, bei welchen die Diago­ nalspannung verschwindet, ermittelt werden oder eine Refe­ renz-Beleuchtung vorgegeben und mittels eines variabel einstellbaren Abgleichwiderstandes in der Brücke die Dia­ gonalspannung bei dieser Referenz-Beleuchtung auf Null ab­ geglichen werden. Die nachfolgenden Signalverarbeitungs­ einrichtungen, z. B. Verstärker und dergleichen, müssen in diesem Fall zur Verarbeitung einer bipolaren Diagonalspan­ nung geeignet sein. Soll ein Polaritätswechsel der Diago­ nalspannung vermieden werden, so kann die Widerstands­ brücke entsprechend eingestellt sein.

Das so gemessene Signal ist noch mit Rauschen behaftet. Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses S/N kann das Detektorsignal in einer nachfolgenden Schaltung über einen vorgebbaren Zeitraum integriert werden. Bei vielen Photoleitern, z. B. PC-CMT-Photoleitern, tritt aber das Problem auf, daß sie auch als 1/f-Rauschquelle wirken, so daß der Rauscheinfluß nur unzureichend durch die Signalin­ tegration unterdrückt wird, was sich wiederum besonders nachteilig für die Messung kleiner Beleuchtungsunter­ schiede auswirkt. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht daher vor, die Widerstandsbrücke nicht mit einer konstan­ ten Spannung, sondern mit einer modulierten Spannung zu betreiben und das Detektorsignal frequenzselektiv beider Modulationsfrequenz auszuwerten. Die Modulationsfrequenz wird dabei in einen Bereich gelegt, wo das 1/f-Rauschen vernachlässigbar ist. Unter der zulässigen Annahme, daß der Photoleiter ein rein resistives Element ist, wird durch die Modulation das Detektorsignal um die Modulati­ onsfrequenz verschoben, wobei keine Frequenzmischung mit dem 1/f-Rauschen auftritt. Die frequenzselektive Auswer­ tung entspricht einer Bandpaßfilterung mit der Modulati­ onsfrequenz als Mittenfrequenz und ist äquivalent zu einer Integration, wobei jedoch für das S/N-Verhältnis das Rau­ schen innerhalb des ausgewerteten Frequenzbands maßgebend ist, d. h. das 1/f-Rauschen ist unterdrückt. Der rms-Wert des gefilterten Signals, der äquivalent dem integrierten Detektorsignal ist, dient als Maß für die momentane Be­ leuchtungsintensität.

Die Erfindung ist nachfolgend an Beispielen unter Bezug­ nahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht.

Ein Photodetektorelement PD, dessen Widerstandswert RD be­ leuchtungsabhängig ist, bildet mit den Widerständen R1, R2, R3 eine Widerstandsbrücke, deren Diagonalspannung UD an die Eingänge eines Differenzverstärkers DV angelegt ist. Die Betriebspannung UB der Widerstandsbrücke ist mit einer Modulatitionfrequenz fm moduliert. Der zeitliche Ver­ lauf der Spannungsmodulation kann sinusförmig, dreieckför­ mig, rechteckförmig oder ähnlich sein. Wenn für die Be­ triebsspannung UB eine modulierte Gleichspannung gewählt wird, kann ein optimaler Arbeitspunkt für den Detektor eingestellt werden. Die Modulationsfrequenz liegt vorteil­ hafterweise im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 kHz und 10 kHz. Die frequenzselektive Auswertung ist in der Abbildung re­ präsentiert durch ein Bandfilter F mit der Modulationsfre­ quenz fm als Mittenfrequenz. Die im Ausgangssignal A des Differenzverstärkers noch enthaltenden 1/f-Rauschanteile bei niedrigen Frequenzen sind im gefilterten Signal S un­ terdrückt. Für die frequenzselektive Auswertung kann im Realfall anstelle eines diskreten Bandfilters eine andere Anordnung, z. B. mit phasenrichtiger Gleichrichtung bzw. Frequenzumsetzung unter Verwendung eines Hilfsignals der Modulationsfrequenz vorteilhaft eingesetzt sein. Geeignete Anordnungen zur frequenzselektiven Signalauswertung sind aus anderen technischen Gebieten hinlänglich bekannt und daher hier im Detail nicht weiter ausgeführt.

Claims (9)

1. Photodetektoranordnung mit einem Detektorelement, das einen beleuchtungsabhängigen Widerstandswert aufweist und dessen Spannungsabfall als Detektorsignal ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement Teil einer Widerstandsbrücke ist und daß die Diagonalspannungs­ differenz der Widerstandsbrücke ausgewertet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung der Widerstandsbrücke an die Eingänge eines Differenzverstärkers angeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die an die Widerstandsbrücke angelegte Betriebs­ spannung mit einer Modulationsfrequenz moduliert ist und daß die Auswertung der Diagonalspannung der Widerstands­ brücke frequenzselektiv bei der Modulationsfrequenz er­ folgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung eine modulierte Gleichspannung ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Modulationsfrequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz liegt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbrücke für einen inner­ halb des Betriebsbereichs des Detektorelements liegenden Beleuchtungszustand abgeglichen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbrücke so eingestellt ist, daß über den gesamten Betriebsbereich des Detektore­ lements kein Vorzeichenwechsel der Diagonalspannung auf­ tritt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbrücke einen variablen Abgleichwiderstand enthält.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung kapazitiv ausge­ koppelt wird.