DE3203967A1

DE3203967A1 - Photoelektrische wandlereinrichtung

Info

Publication number: DE3203967A1
Application number: DE19823203967
Authority: DE
Inventors: Harumi Aoki; Masahiro Kawasaki; Koji Tokyo Suzuki
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1981-02-06
Filing date: 1982-02-05
Publication date: 1982-11-04
Also published as: GB2093988B; US4479062A; GB8412327D0; GB2138130A; GB2093988A; GB2138130B; DE3203967C2; US4544848A

Description

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ASAHI KOGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA Tokyo / JAPAN
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Photoelektrische Wandlereinrichtung

Die Erfindung betrifft photoelektrische Wandler, in denen die lichtempfangenden Elemente in einer Anordnung von solchen lichtempfangenden Elementen, in der ein Akkumulationseffekt ausgenützt wird, abgetastet werden, um Ladungen abzugeben, die der jeweiligen Größe oder Menge des auf die Elemente aufgetroffenen Lichtes entsprechen, und insbesondere eine photoelektrische Wandlereinrichtung, bei der die Akkumulatiönszeit sich entsprechend der Information bezüglich .des auftreffenden Lichtes ändert.

Für den Fall,, daß eine Anordnung lichtempfangender Elemente mit Akkumulationseffekt in einer automatischen Scharfeinstelleinrichtung einer Kamera oder dergleichen eingesetzt wird, ist die Spanne der auftretenden Beleuchtungsstärke ziemlich groß. Wenn also die Akkumulationszeit der Anordnung lichtempfangender Elemente konstant ist, ist es nicht möglich,einen ausreichend großen Bereich von Beleuchtungsstärke zu erfassen oder zu bekommen. Da außerdem der Ausgangspegel sich mit der Beleuchtungsstärke ändert, wird die Verarbeitungsschaltung unvermeidbar kompliziert.

Um derartige Schwierigkeiten auszuschließen, wurde ein System vorgeschlagen, bei dem die Akkumulationszeit der Anordnung lichtempfangender Elemente gemäß einer das auftreffende Licht erfassenden Information variiert wird. Ein solches Sys-

• * · i

6 -

tem ist beispielsweise in der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung Nr. 140510/1976 dargestellt und weist einen photoelektrischen Wandlerblock auf, der eine Anordnung lichtempfangender Elemente enthält, um über einen Akkumulationseffekt Information über das auftreffende Licht zu sammeln, ferner eine Schaltung zum Abtasten der lichtempfangenden Elemente nacheinander und einen Detektor, der entsprechend dem Durchschnittswert der auf den lichtempfangenden Elementen aufgetroffenen Helligkeit oder Intensität ein Signal erzeugt; des weiteren eine Schaltung, die ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz dem Ausgangswert des Detektors in dem Block entspricht, und eine Schaltung zum Umwandeln des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung in ein Abtastsignal, damit der Abtastvorgang mit relativ hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird, wenn der Durchschnittswert der auf den Umwandlerblock auftreffenden Lichtintensitäten groß ist, damit verhindert wird, daß die lichtempfangenden Elemente in den Sättigungszustand kommen; und schließlich wird die Information von den Elementen der Reihe nach abge^ geben.

Auch wenn bei diesem System der Durchschnittswert der Anordnung lichtempfangender Elemente verändert wird, ist es möglich, die Information von den Elementen wirksam innerhalb des dynamischen Bereichs abzugeben. In diesem System wird jedoch, wenn Licht hoher Intensität auf mehrere Stellen in der Anordnung lichtempfangender Elemente auftrifft, die übrigen Stellen jedoch Licht mit niedriger Intensität erhalten, der Durchschnittswert bestimmt durch das Licht geringer Intensität. Folglich steigt die Akkumulationszeit an, und diejenigen Stellen, auf die das Licht mit hoher Intensität auftrifft, sind bereits gesättigt. Darüber hinaus hat das bekannte System den weiteren Nachteil, daß bei schwacher Beleuchtung wegen Leckströmen im photoelektrischen Wandlerblock keine ausreichende Linearität erhalten werden kann.

Infolgedessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Wandlereinrichtung zu schaffen, bei der die lichtempfangenden Elemente in einer Anordnung, in der der Akkumulationseffekt ausgenützt wird, abgetastet werden, um ihre Ladungen abzugeben, die sich entsprechend der auf die Elemente auftreffenden Lichtmengen angesammelt haben, wobei die Akkumulationszeit gemäß einer dem auffallenden Licht entsprechenden Information variiert wird, diese Einrichtung jedoch aus einfachen Schaltkreisen besteht und ihre Linearität auch bei geringen Beleuchtungsstärken verbessert ist. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 das Schaltbild eines Beispiels eines photöelektrischen Wandlerabschnittes der Fig. 1;

Fig. 3 Schaltungsbeispiele einer Sättigungsdetektorschaltung und eines übergabeschalters aus Fig. 1;
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Fig. 4 ein Impuls-Zeit-Diagramm zur Erläuterung

der Arbeitsweise einer Taktimpulserzeugerschaltung;

Fig. 5 das Schaltbild eines Beispiels einer

Taktimpulserzeugerschaltung aus Fig. 1;

Fig. 6 ein Impuls-Zeit-Diagramm, das die Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels wiedergibt;

· φ ψ

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockdarstellung; und

Fig. 8 die Schaltung des photoelektrischen Wandlerabschnitts aus Fig. 7.

Das Blockdiagramm der Fig. 1 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Ein photoelektrischer Wandlerabschnitt 1 besteht aus einem Schieberegister 2, einer MOS-Schalteranordnung 3, einer Anordnung lichtempfangender Elemente 4 und einem lichtempfangenden Element 5. Im photoelektrischen Wandlerabschnitt 1 erhalten die Anordnung lichtempfangender Elemente 4 und das lichtempfangende Element 5 Licht, während die übrigen Bauteile durch eine Aluminiummaske gegen Licht geschützt sind. Der Ausgangswert M des lichtempfangenden Elementes 5 wird dem Direkteingang eines Komparators 9 zugeleitet, dessen Umkehreingang mit dem gemeinsamen Pol a eines Umschalters 10 verbunden ist. Eine Reihenschaltung einer Konstantstromquelle 11 mit den Widerständen 12 und 13 ist mit der Positivklemme V_nn einer nicht gezeigten Stromquelle verbunden. Der Verbindungspunkt der Konstantstromquelle 11 mit dem Widerstand 12 ist mit einem Pol b des Umschalters 10 verbunden, während eine weitere Verbindung zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13 und einem weiteren Pol c des Schalters 10 besteht. Der Ausgangswert M₀ des Komparators 9 wird einem Taktimpulsgenerator 7 eingegeben, der dem. photoelektrischen Wandlerabschnitt· 1 Treiberimpulse φ , φ , SHUNT und A zuführt. Das Ausgangssignal A des Taktimpulsgenerators 7 wird dem Gate eines Uberbrückungsschalters 6 zugeführt, der von einem n-Kanal-MOS-FET gebildet wird. Die Drainelektrode des uberbrückungsschalters 6 ist mit dem lichtempfangenden Element 5 verbunden. Der Ausgang VIDEO des lichtempfangenden Elementes wird einer Sättigungsdetektorschaltung 8 zugeleitet, deren Ausgangswert als Steuereingang für den Umschalter 10 dient.

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird in Verbindung mit den Figuren 2 bis 5 erläutert. Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Taktimpulsgenerators 7. Ein Widerstand 7-1, ein Kondensator 7-2 und Inverter 7-3 und 7-4 bilden eine Oszillatorschaltung, deren Frequenz durch den Wert des Widerstandes 7-1 und des Kondensators 7-2 bestimmt wird. Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung wird über einen Inverter 7-5 Frequenzteilern 7-6 bis 7-10 zugeführt. Der Q-Ausgang des Frequenzteilers 7-10 wird einem Takteingang C eines D-Flipflop 7-11 zugeführt, dessen Q-Ausgang mit den Rücksetzklemmen R der Frequenzteiler 7-6 bis 7-10 verbunden ist. Der Ausgangswert M des Komparators 8 und der Q-Ausgang des D-Flipflop 7-11 werden einem UND-Glied 7-12 zugeführt, dessen Ausgangssignal auf den Rücksetzeingang R des D-Flipflop 7-11 geführt ist. NAND-Glieder 7-13 und 7-14, ein UND-Glied 7-15, ein ODER-Glied 7-16 und Inverter 7-17 und 7-18 erzeugen die oben genannten Impulse φ ,φ , A_c und SHUNT.

Die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 5 soll anhand des Impuls-Zeit-Diagramms der Fig. 4 erläutert werden. Zu Beginn hat die M_o-Klemme L-Pegel, während am Q-Ausgang des D-Flipflop 7-11 Η-Pegel herrscht. Dies bedeutet für die Frequenzteilerkreise 7-6 bis 7-10 Löschzustand. Geht die Klemme M_Q nach H, wird das D-Flipflop 7-11 gelöscht, während die Löschoder Rücksetzzustände der Frequenzteilerkreise 7-6 bis 7-10 freigegeben werden mit der Folge, daß die Ausgangssignale der Oszillatorschaltung der Frequenzteilung unterworfen werden und so die Impulse φ_Λ, Φ_η, A_c und SHUNT entstehen. Wenn der Q-Ausgang der Frequenzteilerschaltung 7-10 von L nach H geht, wird das D-Flipflop 7-11 getriggert, während der Q-Ausgang nach H geht, so daß die Frequenzteilerschaltungen 7-6 bis 7-10 erneut rückgesetzt werden. D.h., sie nehmen wieder ihren Ausgangszustand an.

- ίο -

Fig. 2 zeigt ein wirkliches Beispiel des photoelcktrischcn Wandlerabschnitts 1 der Fig. 1 mit dem Schieberegister 2. · Die MOS-Schalteranordnung 3 der Fig. 1 besteht aus n-Kanal-MOS-FETS 3-1, 3-2, -3-, ..., 3-(n-1) und 3~n, während die Anordnung lichtempfangender Elemente 4 aus den Elementen 4-1, 4-2, 4-3, ...., 4-(n-1) und 4-n besteht. Ferner ist ein n-Kanal-MOS-FET 30 dargestellt, das den Impuls SHUNT erhält, um die Leitung VIDEO zu löschen oder rückzusetzen, • während mit 5 das bereits erwähnte lichtempfangende Element gekennzeichnet ist. Die Kathode des lichtempfangenden Elementes 5 ist mit der Klemme V_n verbunden. Das Schieberegister 2 wird durch die Zweiphasen-Impulse φ_Α und φ_β in bekannter Weise betätigt. Wenn das Schieberegister 2 den Startimpuls Aj, erhält, werden nacheinander die n-Kanal-MOS-FETS 3-1 bis 3-n leitend, wodurch nacheinander die lichtempfangenden Elemente 4-1 bis 4-n abgetastet und dadurch die in ihnen angesammelten Ladungen abgeleitet werden. Wenn der Impuls SHUNT Η-Pegel hat, wird der n-Kanal-MOS-FET leitend und löscht die Leitung VIDEO.

Das Ausgangssignal VIDEO ist in der Fig. 4 zu erkennen. Die Dauer des Startimpulses A_c ist die Akkumulationszeit (t ), während der in den lichtempfangenden Elementen 4-1 bis 4-n die Ladungen angesammelt werden.

Konkrete Beispiele der Sättigungsdetektorschaltung 8 und des Umschalters 10 in Fig. 1 sind in der Fig. 3 dargestellt, Hierin ist mit 8-1 ein Operationsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz gezeigt, der auf seinem Direkteingang das Ausgangssignal VIDEO zugeführt erhält. Mit Hilfe von Widerständen 8-3 und 8-2 ist ein nichtinvertierender Verstärker' gebildet. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 8-1 wird dem Direkteingang eines Komparators 8-4 zugeführt, dessen Umkehreingang mit dem Verbindungspunkt eines Wider-

- 11 -

Standes 8-5 mit einem Widerstand 8-6 verbunden ist, die die Spannung der Stromquelle V teilen. Das Ausgangssignal des Komparators 8-4 gelangt auf den Takteingang C eines D-Flipflops 8-7. Der Klemme R des D-Flipflop 8-7 wird der
Startimpuls A_c zugeführt, die Klemme D ist mit der Stromquelle V_nn verbunden. Klemme Q des D-Flipflop 8-7 ist mit dem Umschalter 10 verbunden. Dieser besteht aus den Zweistellungsschaltern 10-1 und 10-2 und einem Inverter 10-3. Bei L-Signal am Q-Ausgang des Flipflop 8-7 ist der Schalter 10-1 ein-, der Schalter 10-2 dagegen ausgeschaltet, so

daß Klemme a mit der Klemme b verbunden ist. Bei H-Signal am Q-Ausgang des D-Flipflops 8-7 ist die Klemme a von der Klemme b dagegen getrennt.

Die Arbeitsweise der in der Fig. 3 gezeigten Schaltung

wird nun beschrieben. Das Ausgangssignal VIDEO der Anordnung lichtempfangender Elemente 4 wird vom Verstärker 8-1 mit
hoher Eingangsimpedanz verstärkt. Der Ausgang V des Verstärkers 8-1 wird mit einer Spannung V„ im Komparator 8-4 verglichen, die durch Teilung der Spannung von der Spannungsquelle mit Hilfe der Widerstände 8-5 und 8-6 gewonnen wird. Ist V_ ^ V„, herrscht am Ausgang des Komparators 8-4 L, bei V_D > V„ dagegen H. Wenn die Spannung V am Verbindungspunkt der Widerstände 8-5 und 8-6 etwas niedriger als die Sättigungsspannung des Ausgangssignals VIDEO (oder die Sättigungsspannung des Verstärkers 8-1) eingestellt wird, geht im Augenblick, wenn das Ausgangssignal VIDEO gesättigt ist, der Ausgangswert des Komparators 8-4 nach H, während der Q-Ausgang des D-Flipflop 8-7, das getriggert wird, von L nach H geht. Das D-Flipflop 8-7 wird durch den Startimpuls Ag rückgesetzt, so daß der Q-Ausgang wieder nach L geht.
Wenn der Q-Ausgang des D-Flipflop 8-7 von L nach H geht, geht die Verbindung zur Klemme a von der Klemme c auf die Klemme b über.

Die Funktion des photoelektrischen Wandlerabschnitts 1, des Taktimpulsgenerators 7, der Sättigungsdetektorschaltung 8 und des Umschalters 10 sind vorstehend beschrieben, so daß nun die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 1 dargelegt werden kann.

Das Ausgangssignal VIDEO, das wie oben beschrieben hervorgebracht wird, ist proportional dem Produkt aus der Intensität des an den lichtempfangenden Elementen auftreffenden Lichtes in der Anordnung 4 und der Akkumulationszeit, und die Beleuchtungsintensität ist proportional zum optischen Strom in jedem lichtempfangenden Element , wie dies allgemein bekannt ist. Es gilt deshalb

V₀(k) = K₁ · i_p(k) · t_c (1),

wobei V (k) der Videoausgang an der k-ten Stelle ist, i_p(k) der optische Strom an der k-ten Stelle, t die Akkumulationszeit und K₁ ein Proportionalitätsfaktor sind.

Andererseits wird das Signal M₀ für die Bildung des Startirapulses A_c zum Steuern der Akkumulationszeit durch das lichtempfangende Element 5, den überbrückungsschalter 6, den Komparator 9, die Konstantstromquelle 11, die Widerstände 12 und 13 und den Umschalter 10 gebildet. Geht der Startimpuls A_c nach H, wird der überbrückungsschalter 6 eingeschaltet, so daß die Klemme M an Masse liegt. Geht der Startimpuls A„ dann als nächstes nach L, dann wird der Pegel der Klemme M angehoben. Bei einem optischen Strom des lichtempfangenden Elementes 5 von der Größe i_pM wird die Ausgangsspannung V des lichtempfangenden Elementes 5:

^VM * ^JPM ^t/CM ⁽²⁾'

mi a

- 13 -

wobei t das Zeitintervall ist, das in dem Augenblick beendet ist, in welchem der Startimpuls A auf L geht, und C_M die Kapazität an der Klemme M ist. Die Kapazität an der Klemme M ist durch C_M dargestellt, wie oben definiert, was die Summe der Übergangskapazität des lichtempfangenden Elementes 5, der Drain-Source-Kapazität des überbrückungsschalter 6 und weiterer Streukapazitäten ist.

Die Spannung V an der Klemme des Umschalters 10 ist: V_B = I₁ (R₁ +. R₂) · (3) ,

wobei I₁ der Strom der Konstantstromquelle 11 und R. und R„ die Größen der Widerstände 12 und 13 sind. Die Spannung V an der Klemme c des Umschalters 10 ist:

• ^VC ^{= 1}I ' ^R1 ⁽⁴⁾·

Sind die Klemmen a und b im Umschalter 10 miteinander vcrbunden, so geht, wenn die Ausgangsspannung des lichtempfangenden Elementes 5 gemäß Gleichung (2) einen Wert erreicht, der durch Gleichung (3) gegeben ist, der Ausgangswert des Komparators 9 von L auf H. Die Zeit t.. , die beendet ist, wenn der Ausgangspegel sich ändert, ist aufgrund der Gleichungen (2) und (3) folgendermaßen bestimmt:

t_n = C_M · I₁ (R_{1 +} R₂)/i_pM (5).

Andererseits ist, wenn Klemme a des Umschalters 10 mit Klemme c verbunden ist, die Zeit t₂, die verstreicht, bis der Ausgangswert geändert ist,

f.— p.j.p/J (f.\

2 Si 1 r pm ^[ ''

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Mit R₁Z(R₁ + R₂) = α, läßt sich Gleichung (6) umwandeln in t₂ = α · t₁ (7).

Diese Zeiten t₁ und t« definieren die Periode des Startimpulses A_c,, die gleich der Akkumulationszeit t der An-Ordnung lichtempfangender Elemente ist. Wenn also die Klemmen a und b im Umschalter 10 miteinander verbunden ist, kann der Video-Ausgang durch folgende Gleichung (8) dargestellt werden:

V₀(k) = K₁ i_p(k) C_M I₁ (R₁ + V⁷¹PM ⁽⁸⁾'

worin C_M eine Konstante ist und i., R. und R₂ nach den Erfordernissen eingestellt werden können. Es ist deshalb

.' V₀(k) = K₂ i_p(k)/i_pM (9),

worin K₂ = K₁ C i.. (R₁ + R₂) ist.

Die Beziehung zwischen dem optischen Strom i_p(k) in jeder Stelle der Anordnung lichtempfangender Elemente 4 und dem optischen Strom i _M des lichtempfangenden Elementes 5 ist folgendermaßen:

i a K₃ Σ i (k) (10),

^{W J} k=1 ^e

worin K₃ eine Konstante und η eine Konstante (oder die Zahl der Stellen in der Anordnung lichtempfangender Elemente 4) ist.Setzt man Gleichung (10) in Gleichung (9) ein, so erhält man Gleichung (11):

. V (k) = K₄ i_p(k)/ Σ i_(k) (11),

^U * ^F k=1 ^P

mit K₄ = K₂/K₃.

Sind die Klemmen a und c miteinander im Umschalter 10 verbunden, so ist das Video-Ausgangssignal V (k)'

η V₀(Jc)¹ = aV₀(k) = aK₄ · i_p(k)/ Σ i_p(k) (12).

^k=1 Wie aus der Gleichung (11) deutlich wird, ist der Durchschnittswert des Video-Ausgangssignal jederzeit konstant, unabhängig von der Intensität des auf die Anordnung lichtempfangender Elemente auftreffenden Lichtes, so daß die Vorrichtung innerhalb einer weiten Beleuchtungsspanne arbeiten kann. Wenn einzelne Stellen der Anordnung lichtempfangender Elemente mit Licht hoher Intensität oder großer Helligkeit bestrahlt werden, die übrigen Stellen dagegen nur gering beleuchtet werden, dann arbeitet die Vorrichtung so, daß der Durchschnittswert der Ausgangsgrößen der Stellen konstant ist, so daß die einzelnen Stellen unter starker Lichteinwirkung gesättigt sind. Diese Sättigung wird durch die Sättigungsdctektorschaltung 8 festgestellt, weshalb die Klemme a dann mit der Klemme c im Umschalter 10 verbunden wird. Da α < 1 ist, ist der Videoausgang dann nicht gesättigt.

Fig. 6 zeigt das Zeitdiagramm für die Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 1. Wenn der Startimpuls A_g abgegeben wird, gibt die Anordnung lichtempfangender Elemente das Signal VIDEO ab. Wenn das Signal VIDEO (V_Q1) den Sättigungswert V_x, übersteigt, geht der Q-Ausgang des D-Flipflop 8-7 nach H, und die Direkteingangsspannung V des Komparators 9 wirkt gleich der Spannung Vp. Wenn α = 0,5 ist, wird dann der nächste VIDEO-Ausgang(V_Q2):

^V02 " ^V01^/2·

Das bedeutet, daß dieser Wert dann kleiner als der Sättigungspegel V ist. Die Spannung V am Direkteingang des

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Komparators 9 wird gleich der Spannung V_ß, und die Akkumulationszeit steigt auf t- ( = 2t₂) / und der nächste VIDEO-Ausgang (V_fi3) ist gesättigt. Mit anderen Worten, der VIDEO-Ausgang wechselt zwischen gesättigt und ungesättigt. Wenn die Vorrichtung so ausgelegt ist, daß, wenn der Q-Ausgang des D-Flipflop 8-7 auf H ist, das VIDEO-Ausgangssignal unbeachtet bleiben kann, dann kann stets ein nicht gesättigtes VIDEO-Ausgangssignal, d.h. ein wirkliches VIDEO-Ausgangssignal erhalten werden.

Es'soll jetzt der Fall betrachtet werden, daß die Erfindung bei der Kontrasterfassung eines Objektes in einer automatisch scharf einstellenden Kamera eingesetzt wird. Eine korrekte Information eines Kontrastausgangssignals läßt sich nicht, erhalten, wenn das VIDEO-Ausgangssignal gesättigt ist; bei der Erfindung treten jedoch gesättigte und nicht gesättigte VIDEO-Ausgangssignale abwechselnd auf, so daß eine korrekte Kontrasterfassung möglich ist, wenn nur die ungesättigten Ausgangssignale verarbeitet werden.

Es wird aus der obigen Beschreibung gemäß diesem Aspekt der Erfindung deutlich, daß die Sättigung des VIDEO-Ausgangssignals festgestellt wird, um die Akkumulationszeit zu reduzieren, um dadurch ein nicht gesättigtes VIDEO-Ausgangssignal zu erhalten. Bezüglich der optischen Information bei allen Helligkeitsdifferenzen läßt sich deshalb eine Information erhalten, die niedriger als der Sättigungspegel ist, wodurch der Einsatzbereich der Vorrichtung erweitert ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem Vorkehrungen getroffen sind, um die Auswirkung von Leckströmen im photoelektrischen Wandlerblock auszuschalten. Zahlreiche Elemente der Ausführung nach Fig. 7 stimmen mit der in Verbindung mil Fig. 1 beschriebenen überein und haben deshalb dieselben Bezugszeichen.

Die Vorrichtung nach Fig. 7 enthält ein zusätzliches lichtempfangendes Element 2-6, das aus später noch zu erläuternden Gründen durch eine Äluminiummaske gegenüber dem Licht abgeschirmt ist. Der Ausgangswert M des lichtempfangenden Elementes 2-6 wird einem Puffer 2—11 mit hoher Eingangsimpedanz zugeleitet, an dessen Ausgangsklemme ein Widerstand 2-12 angeschlossen ist. Eine Konstantstromquelle 2-13 ist zwischen das andere Ende des Widerstandes 2-12 und die Plusklemme V_QD einer (nicht gezeigten) Stromversorgung gelegt. Der Verbindungspunkt M des Widerstandes 2-12 mit der Konstantstromquelle 2-13 ist mit dem Umkehreingang eines Komparators mit hoher Eingangsimpedanz 2-8 geführt, der auf seinem Direkteingang das Ausgangssignal M des lichtempfangenden Elementes 5 erhält. Die Ausgangsgröße M_ des Komparators 2-8 wird dem Taktimpulsgeneratorkreis 7 (Fig. 5) zugeleitet, der die Treiberimpulse φ_Α, φ , A„ und SHUNT an den photoelektrischen Wandlerabschnitt 1 liefert. Der Ausgang A_c dos Taktimpulsgenerators 7 wird auf Umgehungsschalter 2-9 und 2-10 gegeben, die aus n-Kanal-MOS-FETs bestehen. Die Drain-Elektroden der Umgehungsschalter 2-9, 2-10 sind mit den lichtempfangenden Elementen 2-6 bzw. 5 verbunden. Die Ausgangssignale der lichtempfangenden Elementenanordnung 4 stehen wie bereits zuvor an der Ausgangsklemme VIDEO an.

Der Taktimpulsgenerator 7 arbeitet, wie oben beschrieben, indem er an seinem Eingang das Signal M₀ vom Komparator 2-8 aufnimmt und die Signale SHUNT, φ_Λ, φ und A abgibt (Fig. 4). Diese Signale werden dann vom photoelektrischen Wandlerabschnitt 1 aufgenommen, wie dies im einzelnen in der Fig. 8 gezeigt ist. Es sei bemerkt, daß der p-e-Wandlerabschnitt der Fig. 8 mit dem in der Fig. 2 identisch ist, jedoch zusätzlich parallel zum Element 5 das lichtempfangende Element 2-6 enthält. Somit wird das Ausgangssignal

VIDEO so gewonnen/ wie es bereits in Verbindung mit den Figuren 2 und 4 beschrieben wurde. Das Video-Ausgangssignal kann folgendermaßen dargestellt werden:

V₀(k) = K₁ · i_p(k) · t_c ,

worin V_n(k) das Video-Ausgangssignal der k-ten Stelle, i_p(k) der optische Strom der k-ten Stelle, t die Akkumulationszeit und K- eine Proportionalkonstante sind.

In Fig. 7 wird das Signal M für die Erzeugung des Startimpulses A_c zum Steuern der Akkumulationszeit durch die lichtempfangenden Elemente 5 und 2-6, die Umgehungsschalter 2-9 und 2-10 , den Puffer 2-11, den Widerstand 2-12, die Konstantstromquelle 2-13 und den Komparator 2-8 gebildet. Wenn der Startimpuls A₀ nach H geht, werden die Umgehungsschalter 2-9 und 2-10 geschlossen, so daß die Klemmen M_p und M₁ an Masse gelegt sind. Wenn der Startimpuls A_c auf L zurückgeht, nehmen die Klemmen M und M einen höheren Wert an. Wenn der optische Strom des lichtompfangenden Elementes 5 durch i _M und der Leckstrom durch i_n dargestellt werden, dann ist die Ausgangsspannung V_p des lichtempfangenden Elementes 5:

^VP ^{= (i}PM ^{+ 1}D) ^t/CM ⁽¹³⁾'

worin t die Zeit ist, die zwischen dem Augenblick, in dem. der Startimpuls A_e auf L gesetzt wird, bis der Startimpuls nach H geht, verstrichen ist, und C„ die Kapazität an der Klemme M sind. Die Kapazität an der Klemme M wird durch Cj. dargestellt, wie oben beschrieben, welches die Summe der Ubergangskapazität des lichtempfangenden Elementes 5, der Drain-Source-Kapazität des Umgehungsschalters 2-10 und weiterer Streukapazitäten ist.

Da das 1 ich tempf.angende Elemente 2-6 gegenüber dem Licht durch eine Aluminiummaske abgeschirmt ist, ist sein optischer Strom Null. Wenn die lichtempfangenden Elemente 5 und 2-6 symmetrisch ausgebildet sind, ist die Kapazität an der Klemme M_Q gleich der an der Klemme M . Damit ist die Ausgangsspannung V_n des lichtempfangenden Elementes 2-6:

^VD ■ ¹D * ^t/CM ⁽¹⁴⁾·

Das Ausgangssignal des lichtempfangenden Elementes 2-6
wird dem Puffer 2-11 zugeleitet, und deshalb ändert sich der Ausgangswert des Puffers 2-11, wie durch die Gleichung (14) bezeichnet.
15

Wenn der Stromwert der Konstantstromquelle 13 mit i. bezeichnet und der Wert des Widerstandes 12 R₁ ist, dann ist der Spannungsabfall V_:

V_R = I₁ · R₁ ■ (15) .

Die Spannung V an der Umkehreingangsklemme Μ_φ des Komparators 2-8 ist:

V_A = V_{D +} V_R (16).

Die Spannung am Direkteingang des Komparators 2-8 ist
V- gemäß Gleichung 13. Der Pegel, an welchem der Komparator 2-8 von L nach H umschaltet, ist somit bei V = V , und das Zeitintervall t, das bei dem Übergang beendet ist, ist durch den aus den Gleichungen (13) und (16) gewonnenen Ausdruck bestimmt:

^t = ^VR * V¹PM ⁽¹⁷⁾·

Die Zeit t bestimmt die Dauer des Startimpulses A_c und ist gleich der Akkumulationszeit t der lichtempfangenden EIementenanordnung. Wenn also die Gleichung (17) in die Gleichung (1) eingesetzt wird, die für die Anordnung der Fig. 7 ebenfalls maßgebend ist, dann erhält man

V₀ (k) - K₁ . i_p(k) -v_R . c_M/i_pM,

worin C„ konstant ist und V₀ eine Spannung darstellt, die M K

nach Bedarf eingestellt werden kann.

Wenn diese Spannung fest ist, erhält man folgenden Ausdruck:

V₀(k) = K₂ · i_p(k)/i_pM (18)

mit K₂ = K₁ - V_R · C_M.
Abermals ist die Beziehung zwischen dem optischen Strom i_p(k)

4 und dem optischen Strom i _M des lichtempfangenden Elemen-

einer jeden Stelle der lichtempfangenden Elementenanordnung 4 und
tes 5

PM 3 , _₁ f
'

worin K₃ eine Konstante und η eine Konstante (oder die Zahl von Stellen in der lichtempfangenden Elementenanordnung 4) sind.

Wenn dieser Ausdruck in die Gleichung (18) eingesetzt wird, erhält man folgende Gleichung:

V (k) = K · i_p(k)/ Σ i_(k) (20),

^F k=1 ^F

- 21 -

worin K₄ = K₃ZK₃.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet über eine weite Spanne von Beleuchtungsstärken und eignet sich für die Ermittlung des Kontrastes eines Objektes in einer automatisch scharf einstellenden Kamera. Auch wenn das lichtempfangende Element 5 einen Leckstrom hat, wird dies durch das lichtempfangende Element 2-6 kompensiert, so daß die Vorrichtung auch bei geringen Beleuchtungsstärken arbeitet. Der genannte Leckstrom verdoppelt sich bei einem Temperaturanstieg um 10 ⁰C, doch wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung durch den Leckstrom nicht beeinflußt, so daß sie bei geringen Helligkeiten und hohen Temperaturwerten funktionsfähig ist.

Da der photoelektrische Wandleräbschnitt 1, die Taktimpulsgeneratorschaltung 7, die Umgehungsschalter 9 und 10, der Puffer 11 und der Komparator in der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer einzigen integrierten MOS-Schaltung ausgebildet werden können, eignet sich die Erfindung besonders gut zur Miniaturisierung.

Anstelle von MOS-Elementen für das Schieberegister 2, die MOS-Schalteranordnung 3 und die lichtempfangende Elementenanordnung 4 können auch CCD-Elemente verwendet werden.

Leerseite

Claims

36 338 ASAHI KOGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA Tokyo / JAPAN Photoelektrische Wandlereinrichtung Patentansprüche

1.-/ Photoelektrische Wandlere.inrichtung,
ekennzeichnet durch

. eine Anordnung lichtempfängender Elemente (4) für das Sammeln von Information von einfallendem Licht durch einen
Akkumulationseffekt, Mittel (2, 3, 7) zum Abtasten der
lichtempfangenden Elementenanordnung (4) und eine lichtempfangende Einrichtung (5), die parallel zu der licht-

empfangenden Elementenanordnung (4) angeordnet ist und deren von ihr gewonnene Information zum Steuern der Akkumulationszeit der lichtempfangenden Elementenanordnung (4)
dient, durch eine Sättigungsdetektoreinrichtung (8), die
Sättigung in einem. Ausgangssignal der lichtempfangenden

Elementenanordnung (4) feststellt, und Mittel zum Verändern der Akkumulationszeit in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal dor Sättigungsdetektoreinricntung (8), wobei die Akkumulationszeit verkürzt wird, wenn der Ausgangswert der lichtempfangenden Elementenanordnung (4) gesättigt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Mittel zum Verändern der Akkumulationszeit einen

Umschalter (10) zum Verändern einer Spannung gemäß einem Ausgangswert der Sättigungsdetektorschaltung (8) , einen Umgehungsschaltor (6) zum Entladen des lichtempfangenden Elementes (5), einen Komparator (9), der die Spannung und eine Spannung des lichtempfangenden Elementes (5) aufnimmt, und einen Taktimpulsgenerator (7) aufweis en, der einen Startimpuls erzeugt, wenn der Ausgangswert des Komparators (9) sich umkehrt, aufgrund dessen die lichtempfangende Elementenanordnung (4) abgetastet wird.
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3. Photoelektrische Wandlereinrichtung, gekennzeichnet durch

durch eine lichtempfangende Elementenanordnung (4), die Information von einfallendem Licht über einen Akkumulationseffekt sammelt, Mittel zum Abtasten der lichtempfangenden Elementenanordnung und ein erstes lichtempfindliches Element (5) parallel zur lichtempfangenden Elementenanordnung (4), von welchem Information zum Steuern der Akkumulationszeit der lichtempfangenden Elementenanordnung verwendet wird, ferner durch ein zweites lichtempfangendes Element (2-6) parallel zum ersten lichtempfangenden Element (5), das gegenüber Licht abgeschirmt ist, und Mittel zum Steuern der Akkumulationszeit gemäß der Differenz zwischen der Information vom ersten lichtempfangenden Element und der Information vom zweiten lichtempfangenden Element (2-6) sowie Mittel zum Kompensieren von Leckstrom im ersten lichtempfanyenden Element (5).

4. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Akkumulationszeitstouermittel Umgehungsschalter (2-9, 2-10) zum Entladen des ersten bzw. zweiten lichtempfangenden

Elementes (5, 2-6), einen Komparator (2-8), der feststellt, wenn die Differenz zwischen einer Spannung (V_p) des ersten lichtempfangenden Elementes (5) und einer Spannung (V_M) des zweiten lichtempfangenden Elementes (2-6) einen bestimmten Wert erreicht, und eine Taktimpulsgeneratorschaltung (7) zum Steuern eines Startimpulses (A_c) aufweisen, durch den die lichtempfangende Elementenanordnung (4) abgetastet wird, wenn der Komparator (2-8) invertiert.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Sättigungsdetektoreinrichtung einen Komparator (9) zum Vergleich der Ausgangsspannung der Anordnung (4) mit einer Bezugsspannung aufweist, die geringfügig tiefer als ein Sättigungsspannungswert eingestellt ist, und Mittel zum Schalten dos Umschalters (10), wenn die Ausgangsspannunq der Anordnung (4) die Bezugsspannung übersteigt, wodurch die von dem Komparator (9) empfangene Spannung abgesenkt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Taktimpulsgenerator (7) Oszillatorkreise, Frequenzteiler, um ein Ausgangssignal des Oszillators einer Frequenzteilung zu unterziehen, wenn vom Komparator ein H-Pegel-Ausgang zugeht, um Signale für die Betätigung eines Schieberegisters der Einrichtung, die die Abtastung steuert, zum Rücksetzen des Ausgangssignals der Anordnung und dem Startimpuls zu bilden, und Mittel zum Rücksetzen der Frequenzteilerkreise aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulationszeit um einen bestimmten Faktor bei Auftreten von Sättigung in der Anordnung lichtempfangender Elemente (4) verringert wird, wodurch der Signalwert des nächsten Ausgangssignals der Anordnung (4) herabgesetzt ist, wobei die Akkumulationszeit gleich der Dauer des Startimpulses (A₀) ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet,

daB die Mittel zum Kompensieren des Leckstroms ein zweites lichtempfangendes Element (2-6) enthalten. 15