FR2594544A1

FR2594544A1 - Device with photoelectric sensors with compensation for the dark current

Info

Publication number: FR2594544A1
Application number: FR8701945A
Authority: FR
Inventors: Norbert Kniffler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1987-02-16
Publication date: 1987-08-21
Also published as: JPS62219581A; DE3604971A1

Abstract

Device with photoelectric sensors with compensation for the dark current comprising at least one pair of sensor elements of the same type. As sensor elements, photodiodes 1, 2 are used, and the photodiodes 1, 2 of each pair are placed, mounted in series and reverse biased, between the poles 3, 4 of a voltage source, one of the two photo-diodes (the compensation diode 2) being protected against any illumination and the output signal with compensated dark current being able to be taken directly at a middle connection 5 between the two photodiodes 1, 2 of each pair.

Description

DISPOSITIF A CAPTEURS PHOTOELECTRIQUES A COMPENSATION DU
COURANT D'OBSCURITE
L'invention se rapporte à un dispositif à capteurs photoelectriques à compensation du courant d'obscurité comprenant au moins une paire d'éléments capteurs de même type.DEVICE WITH PHOTOELECTRIC SENSORS WITH COMPENSATION OF THE
DARK CURRENT
The invention relates to a device with photoelectric sensors compensating for the dark current comprising at least one pair of sensor elements of the same type.

Un tel dispositif est connu par la demande de brevet allemand 26.23.745. I1 y est décrit une caméra vidéo CCD qui comporte, en tant qu'éléments capteurs, une paire d'élements à transfert de charge de même nature. La raison en est que l'on veut éliminer autant que possible les effets du courant d'obscurité. Un système de miroirs pivotables installé entre l'objectif et les éléments à transfert de charge veille à ce que, pendant la première moitié de l'intervalle d'intégration, l'éclairement tombe sur un élément à transfert de charge et que, pendant la seconde moitié, il tombe sur l'autre élément. L'un des deux éléments n'est par conséquent pas exposé pendant une moitié de l'intervalle d'intégration.Lors de la commutation de l'éclairement entre les deux éléments après expiration respective d'un demi intervalle d'intégration, les charges accumulées jusque là dans les éléments sont simultanément échangées, ce qui nécessite un dispositif de commutation spécial. A la fin de l'intervalle d'intégration, les charges sont extraites des éléments et les composantes du courant d'obscurité sont éliminées par formation de la différence. Such a device is known from German patent application 26.23.745. There is described therein a CCD video camera which comprises, as sensor elements, a pair of charge transfer elements of the same kind. The reason is that one wants to eliminate as much as possible the effects of the dark current. A system of pivoting mirrors installed between the objective and the charge transfer elements ensures that, during the first half of the integration interval, the illumination falls on a charge transfer element and that, during the second half, it falls on the other element. One of the two elements is therefore not exposed during half of the integration interval. When switching the illumination between the two elements after respective expiration of half an integration interval, the charges accumulated so far in the elements are simultaneously exchanged, which requires a special switching device. At the end of the integration interval, the charges are extracted from the elements and the components of the dark current are eliminated by formation of the difference.

Dans le dispositif connu, comme éléments capteurs, on utilise des éléments à transfert de charge (éléments CCD), le signal de sortie, correspondant å l'intensité de l'éclairement, n'étant à chaque fois disponible qu'à la fin d'un intervalle d'intégration. In the known device, as sensor elements, charge transfer elements (CCD elements) are used, the output signal, corresponding to the intensity of the illumination, being only available at the end of each time. 'an integration interval.

Par ailleurs, le dispositif est assorti d'un appareillage compliqué, attendu qu'il doit comporter un système de miroirs pivotables ainsi que des dispositifs de commutation. Pour finir, le signal de sortie désiré n'est disponible qu'après formation de la différence.Furthermore, the device is accompanied by complicated equipment, since it must include a system of pivotable mirrors as well as switching devices. Finally, the desired output signal is only available after the difference has been formed.

L'invention a par conséquent pour objet de mettre au point un dispositif à capteurs photoélectriques du type précité avec lequel le signal de sortie & courant d'obscurité compensé puisse être rapidement et directement disponible avec une mise en oeuvre de moyens aussi simples que possible. The invention therefore aims to develop a photoelectric sensor device of the aforementioned type with which the output signal & compensated dark current can be quickly and directly available with an implementation of means as simple as possible.

Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que, comme éléments capteurs, on utilise des photodiodes, que les deux photodiodes de chaque paire sont placées montées en série et dans le sens bloquant, entre les pales d'une source de tension, l'une des deux photodiodes (la diode de compensation) étant constamment protégée par un écran contre tout éclairement et le signal de sortie à courant d'obscurité compensé pouvant être prélevé directement au niveau d'une prise médiane située entre les deux photodiodes de chaque paire. This result is achieved according to the invention by the fact that, as sensor elements, photodiodes are used, that the two photodiodes of each pair are placed mounted in series and in the blocking direction, between the blades of a voltage source, one of the two photodiodes (the compensation diode) being constantly protected by a screen against any illumination and the output signal with compensated dark current can be taken directly from a median tap located between the two photodiodes of each pair.

Grâce à l'emploi d'une ou de plusieurs paires composées de deux photodiodes de même type, il est possible de prélever directement le signal de sortie à courant d'obscurité compensé désiré sans aucun retard, et ce, au niveau d'une prise médiane située entre les deux photodiodes. I1 s'agit en l'occurrence d'un moyen extrêmement simple et cependant efficace pour résoudre l'objet visé par l'invention. Il n'est plus nécessaire de faire osciller constamment l'éclairement entre les deux éléments capteurs d'une paire, ni de recourir à des dispositifs de commutation compliqués pour l'échange de charge.Cela tient au fait, d'une part, que l'on protège constamment l'un des éléments capteurs, notamment la diode de compenstion, contre la lumière incidente, et, d'autre part, que l'on utilise des photodiodes à la place d'éléments CCD. Thanks to the use of one or more pairs made up of two photodiodes of the same type, it is possible to directly take the desired compensated dark current output signal without any delay, and this, at a socket median located between the two photodiodes. I1 is in this case an extremely simple and yet effective means to solve the object of the invention. It is no longer necessary to constantly oscillate the illumination between the two sensor elements of a pair, nor to resort to complicated switching devices for charge exchange. This is due, on the one hand, to the fact that one of the sensor elements, in particular the compensation diode, is constantly protected against incident light, and, on the other hand, that photodiodes are used in place of CCD elements.

Le dispositif à capteurs photoélectriques selon l'invention et les photodiodes utilisées à cet effet, peuvent aussi être fabriqués en technique intégrée à couche mince, dans laquelle on applique, sur un substrat, une suite de couches constituées par une couche photosensible avec couches d'électrodes disposées des deux côtés. Dans ce cas, la couche d'électrodes exposée à la lumière incidente, de la diode de compensation protégée, est réalisée sous la forme d'une couche de métal non transparente, tandis que la couche d'électrodes correspondante de l'autre photodiode est réalisée sous la forme d'une couche d'oxyde conductrice transparente ou d'une couche de métal semi transparente. Une telle structure intégrée à couche mince peut être facilement fabriquée par des techniques classiques - par exemple structuration à laser, procédé lithographique -. The photoelectric sensor device according to the invention and the photodiodes used for this purpose can also be manufactured in an integrated thin film technique, in which a series of layers is applied to a substrate constituted by a photosensitive layer with layers of electrodes arranged on both sides. In this case, the electrode layer exposed to the incident light, of the protected compensation diode, is produced in the form of a non-transparent metal layer, while the corresponding electrode layer of the other photodiode is produced in the form of a transparent conductive oxide layer or a semi-transparent metal layer. Such an integrated thin layer structure can be easily manufactured by conventional techniques - for example laser structuring, lithographic process -.

Dans certains cas, il peut être préférable d'amplifier encore le signal de sortie à prélever entre les différentes photodiodes d'une paire. A cet effet, on peut utiliser un amplificateur opérationnel dont l'entrée inverseuse est reliée à la prise médiane située entre les deux photodiodes et dont l'entrée non inverseuse est reliée au potentiel moyen de la source de tension. In some cases, it may be preferable to further amplify the output signal to be taken between the different photodiodes of a pair. To this end, an operational amplifier can be used, the inverting input of which is connected to the central socket located between the two photodiodes and the non-inverting input of which is connected to the average potential of the voltage source.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé qui représente schématiquement :
Figure 1 - un diagramme comportant deux photodiodes et un amplificateur opérationnel;
Figure 2 - une coupe transversale d'une structure intégrée à couche mince.The invention will be better understood with the aid of the description of embodiments taken as examples, but not limiting, and illustrated by the appended drawing which represents schematically:
Figure 1 - a diagram comprising two photodiodes and an operational amplifier;
Figure 2 - a cross section of an integrated thin-layer structure.

Sur la figure 1, on a représenté, en tant que paire d'éléments capteurs, des photodiodes 1 et 2 qui, montées en série et dans le sens bloquant, sont raccordées aux pôles 3 et 4 d'une source de tension +
U. La photodiode 1 constitue l'élément capteur à éclairer, la photodiode 2, la diode de compensation constamment protégée par un écran contre tout éclairement. Une prise médiane 5 située entre les photodiodes 1 et 2 est reliée à l'entrée inverseuse 7 d'un amplificateur opérationnel 6. L'entrée non inverseuse 8 de cet amplificateur opérationnel 6 est au potentiel moyen (potentiel zéro entre +U et -U) par rapport à la source de tension (pôles 3,4). La sortie 15 de l'amplificateur opérationnel 6 est montée en contreréaction avec l'entrée inverseuse 7 par l'intermédiaire d'une résistance ohmique R.Le signal de sortie amplifié à courant d'obscurité compensé est immédiatement disponible à la sortie 15 avec un retard négligeable.In Figure 1, there is shown, as a pair of sensor elements, photodiodes 1 and 2 which, connected in series and in the blocking direction, are connected to poles 3 and 4 of a voltage source +
U. Photodiode 1 constitutes the sensor element to be illuminated, photodiode 2, the compensation diode constantly protected by a screen against any illumination. A middle socket 5 located between 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 is at average potential (zero potential between + U and -U ) with respect to the voltage source (poles 3,4). The output 15 of the operational amplifier 6 is mounted in counter-reaction with the inverting input 7 by means of an ohmic resistance R. The amplified output signal with compensated dark current is immediately available at output 15 with a negligible delay.

Comme on utilise deux photodiodes 1 et 2 de même type, elles sont toutes deux parcourues approximativement par le même courant d'obscurité Id. Sans éclairement, la prise médiane 5 est au potentiel zéro, de même que les deux entrées 7 et 8 de l'amplificateur opérationnel 6.As two photodiodes 1 and 2 of the same type are used, they are both traversed approximately by the same dark current Id. Without illumination, the center tap 5 is at zero potential, as are the two inputs 7 and 8 of l operational amplifier 6.

La tension de sortie UA est alors aussi égale à zéro
UA = , attendu que la tension différentielle d'entrée UE entre les entrées 7 et 8 est égale à zéro et qu'aucun courant ne s'écoule par ces entrées. La résistance ohmique R n'est pas chargée. Lorsqu'un signal lumineux tombe sur la photodiode 1, il se produit un courant I8 ainsi qu'une charge de la résistance ohmique
R avec un courant IR = -I. Comme tension de sortie, on a alors UA = -R15. Ce signal de sortie à courant d'obscurité compensé, abstraction faite des retards, dûs au temps de transit et déterminés par sa fréquence limite, de l'amplificateur opérationnel et de la paire de diodes, est immédiatement disponible à la sortie.The output voltage UA is then also zero
UA =, whereas the differential input voltage UE between inputs 7 and 8 is zero and no current flows through these inputs. Ohmic resistance R is not charged. When a light signal falls on photodiode 1, a current I8 occurs as well as a load of the ohmic resistance
R with a current IR = -I. As output voltage, we then have UA = -R15. This compensated dark current output signal, apart from the delays, due to the transit time and determined by its limit frequency, of the operational amplifier and the pair of diodes, is immediately available at the output.

La figure 2 représente, en coupe transversale, une structure intégrée à couche mince dans laquelle deux photodiodes 1 et 2 montées en série sont appliquées sur un substrat en verre 10. Celles-ci sont respectivement constituées par des couches de métal ou des couches transparentes d'oxyde 12 (par exemple ITO > directement appliquées sur le substrat, par les couches photosensibles proprement dites 11 qui sont déposées dessus et qui peuvent par exemple être réalisées en silicium amorphe et présenter une structure pin, ainsi que par les couches d'électrodes 13 et 14 qui sont situées du côté tourné vers la lumière incidente et qui, dans le cas de la diode de compensation 2 protégée par un écran, sont réalisées en métal, par exemple en aluminium, d'épaisseur suffisante, et dans le cas de la photodiode 1 absorbant le signal lumineux, sont réalisées en un oxyde conducteur transparent (par exemple ITO) ou en un métal semi transparent. On a donc ici un montage en série de deux photodiodes 1 et 2, la dernière, en tant que diode de compensation, étant protégée contre la lumière incidente et le signal de sortie pouvant être prélevé au niveau d'une prise médiane 17. FIG. 2 represents, in cross section, an integrated thin-film structure in which two photodiodes 1 and 2 mounted in series are applied to a glass substrate 10. These consist respectively of metal layers or transparent layers d oxide 12 (for example ITO> directly applied to the substrate, by the photosensitive layers proper 11 which are deposited thereon and which can for example be made of amorphous silicon and have a pin structure, as well as by the layers of electrodes 13 and 14 which are located on the side facing the incident light and which, in the case of the compensation diode 2 protected by a screen, are made of metal, for example aluminum, of sufficient thickness, and in the case of the photodiode 1 absorbing the light signal, are made of a transparent conductive oxide (for example ITO) or a semi-transparent metal. Here we therefore have a series arrangement of two photodiodes 1 and 2, the last, as a compensation diode, being protected against incident light and the output signal being able to be taken at a center tap 17.

Claims

1. Photoelectric device & sensors with dark current compensation comprising at least one pair of sensor elements of the same type, characterized in that, as sensor elements, photodiodes (1,2) are used, than the two photodiodes (1,2) of each pair are placed, mounted in series and in the blocking direction, between the poles (3,4) of a voltage source, one of the two photodiodes (the compensation diode 2) being constantly protected by a screen against any illumination and the compensated dark current output signal which can be taken directly from a central socket (5) located between the two photodiodes (1,2) of each pair.

2. Photoelectric sensor device according to claim 1, characterized in that, for the amplification of the output signal, an operational amplifier (6) is provided, the inverting input (7) of which is connected to the central socket (5 ) and the non-inverting input at the average potential (9) of the voltage source.

3. Photoelectric sensor device according to claim 1 or 2, characterized in that the photodiodes (1,2) are produced in integrated thin film technique on a substrate (10) with electrode layers (12,13,14 ) arranged on both sides of a photosensitive layer (11) and that the layer of electrodes (13), exposed to light, of the compensation diode (2), is produced in the form of a layer of non-metallic transparent, while the corresponding electrode layer (14) of the other diode (1) is produced in the form of a transparent conductive oxide layer or a semi-transparent metal layer.