DE4239012A1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine photoelektrische
Konvertierungsvorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines
Objektes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine konventionelle photoelektrische
Konvertierungsvorrichtung ist zum Beispiel aus der
japanischen Patent-Veröffentlichung Nr. 56-39 429 bekannt.
Dort ist eine photoelektrische Konvertierungsvorrichtung
zum Erfassen der Bewegung eines Objektes angegeben, in
welcher eine große Anzahl photoelektrischer
Konvertierungselemente in elektrisch positiver und
negativer Richtung so verbunden sind, daß die in positiver
und negativer Richtung verbundenen Elemente auf einer Ebene
in Längs- und Querrichtung wiederholt erscheinen und die
Summe der Ausgangssignale der photoelektrischen
Konvertierungselemente in der positiven Richtung und die
Summe der photoelektrischen Konvertierungselemente in der
negativen Richtung jeweils unterschiedlich miteinander
verbunden sind. Wenn ein zu erfassendes Objekt sich in
Ruhestellung befindet, löschen sich bei dieser Anordnung
die beiden Ausgangssignale der Elemente gegenseitig aus, so
daß kein Differenzausgangswert übertragen wird. Wenn sich
das Objekt bewegt, werden pulsartige Differenzausgangswerte
periodisch ausgegeben, so daß ein Erfassungsausgangswert mit
einer Frequenz erhalten wird, die der
Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes entspricht.
Werden bei der oben beschriebenen konventionellen
photoelektrischen Konvertierungsvorrichtung die
photoelektrischen Konvertierungselemente und Raumfilter zum
Erfassen der Bewegung eines Zielobjektes unter Verwendung
monokristalliner Siliziumelemente als photoelektrische
Konvertierungselemente integral hergestellt, so erfordert
der Elementherstellungsprozeß eine große Auswahl von
Schritten, wie Diffusion und Ätzung. Außerdem wird, wenn
solche Geräte hergestellt werden, um große Flächen
aufzuweisen, eine Verringerung des Ertrages verursacht, die
in einem Anstieg der Kosten resultiert. Weiterhin kann,
wenn aktive Elemente integriert werden, die zur
Signalverarbeitung verwendet werden, der Teil, auf dem die
Elemente gebildet sind, nicht als Teil genutzt werden,
welches Lichtempfindlichkeit aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
photoelektrische Konvertierungsvorrichtung zum Erfassen der
Bewegung eines Objektes vorzuschlagen, die einen einfachen
Aufbau aufweist und kostengünstig realisiert werden kann.
Ferner sollen das photoelektrische Konvertierungselement
und das Raumfilter integral aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Eine photoelektrische Konvertierungsvorrichtung weist zwei
sich gegenüberliegende Elektroden und eine amorphe
Siliziumschicht auf. Die amorphe Siliziumschicht ist
zwischen den beiden Elektroden angeordnet, um eine
photoelektrische Konvertierung von Licht, das Licht eines
Zielobjektes enthält, durchzuführen. Wenigstens eine der
Elektroden ist in einen Satz strukturierter Elektroden
unterteilt, die jeweils zur Ausbildung einer
Raumfilterelektrode mit der amorphen Siliziumschicht in
elektrisch positiver und negativer Richtung verbunden sind.
Die strukturierten Elektroden, die entsprechend in
positiver und negativer Richtung verbunden sind, sind
unregelmäßig auf der amorphen Siliziumschicht angeordnet.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer
photoelektrischen Konvertierungsvorrichtung in
Draufsicht;
Fig. 2 den Hauptteil der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung in Schnittansicht;
Fig. 3 die Anordnung des Hauptteiles einer
interdigitalen Elektrode in vergrößerter
Draufsicht;
Fig. 4 ein Blockdiagramm, das eine
Signalverarbeitungsschaltung für ein
photoelektrisches Konvertierungselement
wiedergibt;
Fig. 5 die Anordnung des Hauptteiles eines
photoelektrischen Konvertierungselementes in
vergrößerter Draufsicht; und
Fig. 6 den Hauptteil eines anderen Ausführungsbeispiels
in Schnittansicht.
Die Fig. 1 und 2 zeigen den Aufbau eines ersten
Ausführungsbeispiels einer photoelektrischen
Konvertierungsvorrichtung. Wie aus den Fig. 1 und 2
ersichtlich, sind ein transparentes Glassubstrat 1, eine
gemeinsame Elektrode 2, die aus einer transparenten,
leitfähigen Schicht besteht und auf dem Glassubstrat 1
ausgebildet ist, ein Elektrodenanschluß 2a der gemeinsamen
Elektrode 2, eine PIN-artige amorphe Siliziumschicht 3, die
auf der gemeinsamen Elektrode 2 als eine photoelektrische
Konvertierungsschicht ausgebildet ist, und eine
interdigitale Elektrode 4 vorgesehen, die auf der
Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 3 ausgebildet ist,
um der gemeinsamen Elektrode 2 gegenüberzuliegen, und eine
Raumfilterfunktion aufweist. Die interdigitale Elektrode 4
ist so aufgebaut, daß eine dünne aus Al, Cr oder ähnlichem
bestehende Metallschicht auf der Oberfläche der amorphen
Siliziumschicht 3 ausgebildet und die sich ergebende
Struktur in einer vorgegebenen Form gestaltet ist, um die
Funktion eines Raumfilters aufzuweisen. Die amorphe
Siliziumschicht 3 ist zwischen die gemeinsame Elektrode 2
und die interdigitale Elektrode 4 aufgenommen, um ein
photoelektrisches Element 5 auszubilden, das ein
Raumfilter darstellt. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine
Oberflächenschutzschicht.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die interdigitale Elektrode
4 aus einer ersten und einer zweiten Kammelektrode 41 und 42
zusammengesetzt, die eine Vielzahl rechteckiger
Kammzähne zur Erzielung einer Raumfilterfunktion aufweisen.
Die rechteckigen Zähne der ersten und zweiten Kammelektrode
41 und 42 sind geeignet verteilt und gemeinsam so
angeordnet, so daß sie sich mit vorgegebenem Abstand
einander gegenüberliegen. Die ersten und zweiten
Zahnelektroden 41 und 42 sind so angeordnet, daß sie der
auf dem Glassubstrat 1 ausgebildeten gemeinsamen Elektrode
2 gegenüberliegen. Weiterhin sind die rechteckigen Zähne
der Kammelektroden 41 und 42 jeweils elektrisch mit
Leitungen 7a bzw. 7b verbunden, die zur Verbindung mit
einem Elektrodenanschluß 8a und einem Elektrodenanschluß 8b
herausgeführt sind. Es ist zu bemerken, daß die oben
beschriebene gemeinsame Elektrode 2 nicht in Bereichen
unter den Leitungen 7a und 7b angeordnet ist. Ferner ist
der Elektrodenanschluß 2a der gemeinsamen Elektrode 2 durch
eine dünne, aus Al, Cr oder dergleichen gebildeten
Metallschicht auf der Oberfläche der transparenten
leitfähigen Schicht ausgebildet, die die gemeinsame
Elektrode 2 darstellt.
Bei diesem Raumfilter sind zum Beispiel 20 (in
Längsrichtung) × 26 (in Querrichtung) Zellen S, d. h.
insgesamt 520 Zellen S durch die Verwendung von
Zufallszahlen oder Pseudozufallszahlen so gewichtet, daß
"+1" und "-1" unregelmäßig angeordnet sind, wie dies in
Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall wird zum Beispiel
eine M-Reihe verwendet und zweidimensional als
Pseudozufallszahlen entwickelt. Es ist zu bemerken, daß die
Gesamtsumme der Wichtungen der Zellen S etwa auf "0", zu
setzen ist. Wenn die Gesamtsumme der Wichtungen nicht "0"
ist, ist es notwendig, daß der Absolutwert der Gesamtsumme
10% oder weniger von der Summe der absoluten Werte der
Wichtungen aller Zellen S beträgt. Wenn die Autokorrelation
von einem zweidimensionalen Feld von Wichtungen berechnet
wird, wobei das Feld als räumliches Filter dient, ist ein
Peak nur an einer Stelle vorhanden und Unregelmäßigkeiten
treten in zwei Dimensionen auf. Es ist zu bemerken, daß die
Anzahl der Peaks im schlimmsten Fall vier nicht
überschreiten darf.
Bei diesem Aufbau ist die amorphe Siliziumschicht 3
zwischen der gemeinsamen Elektrode 2 und der interdigitalen
Elektrode 4 angeordnet, um das photovoltaische
photoelektrische Konvertierungselement 5 zu bilden, wobei
das Raumfilter durch die erste und zweite Kammelektrode 41
und 42 der interdigitalen Elektrode 4 ausgebildet ist. Wenn
bei diesem Aufbau ein Bild von zum Beispiel einem Mann als
Zielobjekt von der Seite des Glassubstrats 1 in der
Richtung einfällt, wie dies durch den Pfeil in Fig. 2
gezeigt ist, wird das Bild auf das photoelektrische
Umwandlungselement 5 projiziert. Als Folge fließt der
größte Teil des in der amorphen Siliziumschicht 3
fließenden Stromes in Längsrichtung, in der ein internes
elektrisches Feld durch die PIN-Struktur erzeugt wird, da
die Isoliereigenschaft der Schicht 3 in seitlicher Richtung
(Querrichtung) größer als in Längsrichtung ist. Dadurch
entsprechen die an den Elektrodenanschlüssen 8a und 8b
abgegriffenen Signale den Lichtanteilen, die auf die erste
bzw. zweite Kammelektrode 41 und 42 projiziert werden.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Raumfilter bilden die
rechteckigen Kammzähne die Zellen S aus, die jeweils eine
Lichtempfindlichkeit aufweisen. Die Breite P1 jeder Zelle S
beträgt 380 µm und der Abstand P2 zwischen den jeweiligen
Zellen S beträgt 140 µm. In diesem Fall ergibt sich das
Verhältnis von Breite P1 zu Abstand P2 zu 0.4 oder weniger.
Die erste und zweite Kammelektrode 41 und 42 bilden die
Zellen, die jeweils mit "+1" und "-1" gewichtet sind, in
Form einer 20 (in Längsrichtung) × 26 (in Querrichtung)
Matrix aus und sind entsprechend an die
Elektrodenanschlüsse 8a und 8b angeschlossen. Demzufolge
sind alle Ausgänge zu Ausgängen "+1" bzw. "-1"
zusammengefaßt, so daß ein Ausgangssignal in Abhängigkeit
davon erhalten werden kann, ob die Ausgänge mit den
Eingangsklemmen der in Fig. 4 dargestellten
Signalverarbeitungsschaltung verbunden sind.
Fig. 4 zeigt die Signalverarbeitungsschaltung für das in
den Fig. 1 und 2 dargestellte photoelektrische
Konvertierungselement 5. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind
ein Differenzverstärker 11, ein Bandpaßfilter 12, ein A/D-
Wandler 13 sowie eine arithmetische Verarbeitungseinheit 14
vorgesehen.
Wenn Ausgangssignale von der ersten und zweiten
Kammelektrode 41 und 42 über die Elektrodenanschlüsse 8a
und 8b in den Differenzverstärker 11 eingegeben werden,
wird die Differenz zwischen den Ausgangssignalen
entsprechend verstärkt. Wenn zum Beispiel das Bild eines
Menschen, das auf das photoelektrische
Konvertierungselement 5 projiziert wird, sich über eine
Wegstrecke bewegt, die dem zweifachen Wert von P1 und P2
entspricht (P1: Elektrodenbreite; P2: Elektrodenabstand),
tritt eine Helligkeitsänderung ein, die einer Periode
entspricht und die durch das photoelektrische
Konvertierungselement 5 in ein elektrisches Signal
umgewandelt wird. Es ist festzustellen, daß die Frequenz
dieses elektrischen Signals durch die
Bewegungsgeschwindigkeit des Mannes festgelegt wird. Das
Signal wird in das Bandpaßfilter 12 eingegeben. Das
Bandpaßfilter 12 läßt die Signalfrequenz, die auf dem sich
bewegenden Mann beruht, hindurch. Das Ausgangssignal des
Bandpaßfilters 12 wird durch den A/D-Wandler 13 A/D-
konvertiert und das resultierende Signal wird zur
arithmetischen Verarbeitungseinheit 14 ausgegeben. Die
arithmetische Verarbeitungseinheit 14 berechnet zum
Beispiel eine Autokorrelationsfunktion, um die
Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes zu berechnen. Ein
Ausgangssignal der arithmetischen Verarbeitungseinheit 14
wird als ein der Anzahl und der Bewegung der sich
bewegenden Objekte entsprechendes Signal an eine
Ausgangsklemme 15 angelegt. Dieses Ausgangssignal kann zum
Beispiel als Bewegungsüberwachungssignal für ein Lebewesen,
welches sich unregelmäßig bewegt, benutzt werden.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können, wenn
die erste und zweite Kammelektrode 41 und 42 auf der
amorphen Siliziumschicht 3 gebildet werden, Dunkelströme,
die in dem photoelektrischen Konvertierungselement 5
fließen, durch Ätzung einer n-Schicht der amorphen
Siliziumschicht 3 an Stellen zwischen den entsprechenden
Elektroden reduziert werden, wobei durch die Ätzung
Vertiefungen 3a auf der amorphen Siliziumschicht 3
ausgebildet werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel sind die entsprechenden
Zellen des Raumfilters jeweils mit "+1" bzw. "-1"
gewichtet. Jedoch können die Zellen S auch durch "+1", "-1"
bzw. "0" gewichtet werden, wobei diese gewichteten Zellen S
unregelmäßig angeordnet sind, so daß die Ausgangssignale
der Zellen S, die mit dem gleichen Koeffizienten gewichtet
sind, zu einem Ausgangssignal zusammengefaßt werden und ein
Ausgangssignal in Abhängigkeit davon erhalten werden kann,
ob das Ausgangssignal an die Signalverarbeitungsschaltung
angelegt wird.
Das photoelektrische Konvertierungselement 5 weist beim
obigen Ausführungsbeispiel die gemeinsame Elektrode 2 auf
der Seite des transparenten Glassubstrates 1 auf. Jedoch
kann der gleiche Effekt wie oben erzielt werden, falls die
interdigitale Elektrode 4, welche die Raumfilterfunktion
aufweist, auf der Seite des Glassubstrates 1 ausgebildet
ist. Weiterhin kann der gleiche oben beschriebene Effekt
durch folgende Anordnung erzielt werden. Anstelle des
transparenten Glassubstrates 1 wird ein Metallsubstrat
verwendet und auf der Oberfläche des Metallsubstrates eine
Isolierschicht ausgebildet. Ein photoelektrisches
Konvertierungselement 5 wird auf der Isolierschicht
ausgebildet. In diesem Fall fällt Licht von einem
Zielobjekt von der gegenüberliegenden Seite des
Metallsubstrates ein, d. h. das Licht fällt nach unten auf
das photoelektrische Konvertierungselement 5 ein.
Fig. 6 stellt den Hauptteil eines weiteren
Ausführungsbeispiels dar. Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist das photoelektrische
Konvertierungselement 5 auf einem Glassubstrat 1
ausgebildet. Anstelle dieses Glassubstrates 1 wird in
diesem Fall ein Siliziumsubstrat 101 verwendet. Eine
amorphe Siliziumschicht 103 ist über eine Isolierschicht
109 auf der Siliziumschicht 101 ausgebildet, wobei das
Licht von einem Zielobjekt, wie oben beschrieben, nach
unten auf ein photoelektrisches Konvertierungselement 105
einfällt. Ferner ist die oben beschriebene, in Fig. 4
dargestellte Signalverarbeitungsschaltung als eine
integrierte Schaltung 110 auf dem Siliziumsubstrat 101
ausgebildet. Da bei diesem Ausführungsbeispiel ein
Raumfilter auf dem Siliziumsubstrat 101, auf dem sich die
integrierte Schaltung 110 befindet, ausgebildet ist, kann
fast die ganze Oberfläche des photoelektrischen
Konvertierungselementes 105 als Bereich für das Raumfilter
verwendet werden, der Lichtempfindlichkeit aufweist, ohne
auf einen Photodetektorbereich des Elementes 105 verzichten
zu müssen.
Da ein Raumfilter mit Unregelmäßigkeiten und ein
photoelektrisches Konvertierungselement mit einer amorphen
Siliziumschicht integral ausgebildet werden, kann die
Entwicklung eines optischen Systemes sehr vereinfacht und
ein einfacher Aufbau realisiert werden, so daß eine
großdimensionierte photoelektrische
Konvertierungsvorrichtung zu niedrigen Kosten hergestellt
werden kann. Ferner kann bei Verwendung einer amorphen
Siliziumschicht ein Raumfilterelement mit einer großen
Fläche kostengünstig hergestellt werden. Da das Raumfilter
Unregelmäßigkeiten aufweist, kann ferner die Bewegung von
Objekten innerhalb des Sichtfeldes ohne Rücksicht auf die
Bewegungsrichtungen der Objekte erfaßt werden. Weiterhin
ist die Auslöschung zwischen den Bewegungen der Objekte an
verschiedenen Orten innerhalb des Sichtfeldes reduziert, so
daß die Unabhängigkeit eines jeden Ortes sichergestellt
werden kann und ein deutliches Frequenzsignal, das auf der
Bewegung eines jeden Zielobjektes beruht, erhalten werden
kann. Da ferner eine amorphe Siliziumschicht bei niedrigen
Temperaturen ausgebildet werden kann, kann die Schicht auf
einem Siliziumsubstrat ausgebildet werden. Deshalb können
die entsprechenden Komponenten einschließlich der
Sianalverarbeitungsschaltung integriert werden.
Claims (4)
1. Photoelektrische Konvertierungsvorrichtung
gekennzeichnet durch
- - ein Paar gegenüberliegender Elektroden (2, 4) und
- - eine amorphe Siliziumschicht (3), die zwischen den Elektroden (2, 4) angeordnet ist, zur Durchführung einer photoelektrischen Umwandlung von Licht, das Licht eines Zielobjektes enthält,
- - wobei wenigstens eine der beiden Elektroden (2, 4) in einen Satz von strukturierten Elektroden (41, 42) unterteilt ist, die entsprechend mit der Siliziumschicht (3) zur Ausbildung einer Raumfilterelektrode in elektrisch positiver und negativer Ausrichtung verbunden und unregelmäßig auf der Siliziumschicht (3) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Satz strukturierter Elektroden (41, 42) erste und
zweite Kammelektroden aufweist, die mit einen vorgegebenen
Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind und
Kammzähne aufweisen, die mit einer Vielzahl von
Zellenelektroden (S) verbunden sind, wobei die
Zellenelektroden (S) der ersten und zweiten Kammelektrode
unregelmäßig angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die unregelmäßig angeordneten Zellenelektroden (S) in
Übereinstimmung mit der ersten und zweiten Kammelektrode
entsprechend gewichtet sind und ein Absolutwert der Summe
aller Wichtungen der Zellenelektroden (S) nicht größer als
10% einer Summe absoluter Werte der Wichtungen aller Zellen
ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Siliziumsubstrat (101) vorgesehen ist, auf welchem
die amorphe Siliziumschicht (3) so ausgebildet ist, daß
eine integrierte Schaltung (110) zur Verarbeitung der von
den beiden Elektroden (2, 4) abgegebenen Signale auf dem
Siliziumsubstrat (101) ausgebildet ist.
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DE-Buch: Eugene Hecht, Optik, Addison-Wesley Publishing Company, Bonn 1989, S. 596-604 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4445196A1 (de) * | 1994-12-17 | 1996-06-20 | Abb Patent Gmbh | Bewegungsmelder zur Erfassung der aus einem zu überwachenden Raumbereich kommenden Strahlung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US5315100A (en) | 1994-05-24 |
JPH05145049A (ja) | 1993-06-11 |
DE4239012C2 (de) | 1996-10-17 |
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