Ambient light compensation device for optical sensors equally exposed to useful light and ambient light

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umgebungslichtkompensation für gleichermaßen Nutzlicht und Umgebungslicht ausgesetzten optischen Sensoren, wie z. B. aus DE-A-101 25 307DE10125307A und WO-A-2004/027357WO2004027357A bekannt.

Für optische Sensoren, die mit moduliertem oder gepulstem Nutzlicht arbeiten, ist eine möglichst gute Kompensation des (als kontinuierliches Licht angenommenen) Umgebungslichts eine der Kernfunktionen der Applikation. Für Zeilen- und Flächenanordnungen der Sensoren ist die geeignete Implementierung der Kompensationsschaltung auf Grund der beschränkten Fläche eine besondere Herausforderung.

Bisher vielfach eingesetzte bekannte Verfahren arbeiten nach dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip.

Der Strom der Fotodiode, der sich aus einem Signallichtanteil I_sig und einem Umgebungslichtanteil I_gl zusammensetzt, wird verstärkt und durch eine geeignete Filter- und Kompensationsschaltung auf eine Stromquelle (oder einen Widerstand geführt, so dass nur das Signallicht (I_sig) übrigbleibt und das Umgebungslicht (I_gl) unterdrückt wird. Damit kann das Umgebungslicht auch Wechselkomponenten (z.B. von Leuchtstofflampen) enthalten, die auch mit geeigneten Filtern beseitigt werden.

Der Nachteil dieses Konzepts ist, dass die Umgebungslichtkompensation hinter dem Signalverstärker ansetzt, und damit Signalverstärker und Umgebungslichtkompensation nicht mehr unabhängig voneinander dimensioniert werden können. Das im Folgenden dargestellte erfindungsgemäße Verfahren beseitigt diesen Nachteil.

Dementsprechend wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Umgebungslichtkompensation für gleichermaßen gepulstem bzw. moduliertem Nutzlicht und Umgebungslicht ausgesetzten optischen Sensoren vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit

• mindestens einer ersten Fotodiode,
• mindestens einer zweiten Fotodiode,
• wobei die mindestens eine erste Fotodiode im Wesentlichen dem gleichen Nutz- und Umgebungslicht wie die mindestens eine zweite Fotodiode aussetzbar ist, und
• einer Stromspiegelschaltung mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei die mindestens eine erste Fotodiode mit dem Eingang der Stromspiegelschaltung verbunden ist und diesen mit einem Fotostrom speist und wobei die mindestens eine zweite Fotodiode mit dem Ausgang der Stromspiegelschaltung verbunden ist und von dieser mit Strom gespeist wird,
• wobei die Stromspiegelschaltung ein zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang geschaltetes Tiefpass-Filter aufweist und
• wobei am Ausgang der Stromspiegelschaltung ein Ausgangssignal ansteht, das das umgebungslichtkompensierte Nutzsignal repräsentiert.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, jedes Bildelement eines von einem optischen Sensor erfassten "Bilds" durch mindestens zwei Fotodioden zu repräsentieren. Damit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass sowohl die erste als auch die zweite Fotodiode gleichzeitig dem gleichen Nutzlicht und dem gleichen Umgebungslicht ausgesetzt ist. Mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung, die zwischen diese beiden Fotodioden bzw. die zwischen die beiden Gruppen von ersten und zweiten Fotodioden geschaltet ist, wird der Fotostrom der ersten Fotodiode gespiegelt und dieser gespiegelte Strom der zweiten Fotodiode zugeführt. Dabei erfolgt in der Stromspiegelschaltung eine Umgebungslichtunterdrückung bzw. -dämpfung, was mit Hilfe eines Tiefpass-Filters realisiert wird. Das Tiefpass-Filter lässt das das Nutzlicht repräsentierende Signal der ersten Fotodiode gedämpft durch, unterdrückt aber mit guter Qualität und in ausreichendem Maße das auf das Umgebungslicht zurückzuführende Signal der ersten Fotodiode. Am Ausgang wird also das gedämpfte gespiegelte Stromsignal mit dem Stromsignal der zweiten Fotodiode kombiniert, und zwar in Form einer Subtraktion, so dass letztendlich das das Nutzlicht repräsentierende Stromsignal der zweiten Fotodiode übrigbleibt. Dieser Signalanteil wird dann beispielsweise in einem Signalverstärker verstärkt und applikationsabhängig weiterverarbeitet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Ausgang der Stromspiegelschaltung zwischen diesem und der mindestens einen zweiten Fotodiode ein Integrator nachgeschaltet ist, wobei der Integrator ein das umgebungslichtkompensierte Nutzsignal repräsentierendes Ausgangssignal liefert.

Zweckmäßig ist es, wenn der Integrator mit einem Schalter versehen ist, der vor der Erfassung von Nutzlicht seitens der ersten und zweiten Fotodioden geöffnet und nach einer Erfassung von Nutzlicht wieder geschlossen wird.

In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Tiefpass-Filter der Stromspiegelschaltung zwischen dem Gate-Anschluss eines ersten Transistors am Eingang der Stromspiegelschaltung und dem Gate-Anschluss eines zweiten Transistors am Ausgang der Stromspiegelschaltung geschaltet ist.

Zweckmäßig ist es ferner, wenn der steuerbare Leitungspfad des ersten Transistors in Reihe mit der mindestens einen ersten Fotodiode und der steuerbare Leitungspfad des zweiten Transistors in Reihe mit der mindestens einen zweiten Fotodiode geschaltet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere jeweils parallel zueinander geschaltete erste Fotodioden und mehrere ebenfalls parallel geschaltete zweite Fotodioden vorhanden sind und dass die ersten und zweiten Fotodioden wechselweise nebeneinander angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der ersten Fotodioden in einem vorgebbaren Verhältnis zur Anzahl der zweiten Fotodioden steht und dass die Stromspiegelschaltung ein sich aus diesem Verhältnis ergebendes Kompensationsverhältnis aus dem Strom an ihrem Eingang zum Strom an ihrem Ausgang bildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

Fig. 1

ein Schaltbild zur Darstellung eines bekannten Verfahrens zur Umgebungslichtkompensation bei optischen Sensoren,

Fig. 2

ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Umgebungslichtkompensation mit Stromspiegelschaltung,

Fig. 3

den typischen Verlauf des Nutzsignals, des gedämpften Nutzsignals und der Differenz zwischen beiden,

Fig. 4

ein Ausführungsbeispiel für eine Umgebungslichtkompensation mit Stromspiegelschaltung und nachgeschaltetem Integrator und

Fig. 5

den zeitlichen Verlauf des Öffnens und Schließens eines Schalters des Integrators in Relation zum Nutzlicht.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den optischen Sensor aufzuteilen (z.B. 1:1, es sind aber auch andere Teilungsverhältnisse denkbar, bei ungleichen Teilungsverhältnissen sollte die Stromspiegelspiegelschaltung (M_GL, M_SIG) entsprechend dem Teilungsverhältnis gewichtet werden), und mit Hilfe der nun vorhandenen mindestens zwei Dioden, die im Idealfall beide den gleichen Lichtverhältnissen ausgesetzt sind, die Umgebungslichtkompensation zu realisieren. Damit einher geht leider eine verringerte Amplitude des Nutzsignals, was aber zu Gunsten einer guten Umgebungslichtkompensation in Kauf genommen wird. Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Schaltung.

Fig. 3 zeigt einen typischen Verlauf des getakteten Nutzsignals I_sig, des gedämpften Nutzsignals I_sig_damped, und deren Differenz.

Die Basis der Schaltung 10 gemäß Fig. 2 ist eine Stromspiegelschaltung 12 mit einem Tiefpass-Filter (Rtp, Ctp) 14. Durch das Tiefpass-Filter 14 folgt der Spiegel nur bis zu seiner Grenzfrequenz dem Umgebungslicht. Das Signallicht (oberhalb der Grenzfrequenz) wird zwar ein wenig gedämpft, wichtiger ist aber die gute Unterdrückung des Umgebungslichts. Der optische Sensor 16 ist in Fig. 2 aus mehreren Segmenten in Form von parallelgeschalteten ersten Fotodioden 18 und parallelgeschalteten zweiten Fotodioden 20 bestehend gezeichnet. Eine Segmentierung und Verschachtelung der Segmente empfiehlt sich, damit die Signaldioden bzw, ersten Fotodioden 18 (rechts in Fig. 2) und die Kompensationsdioden bzw. zweiten Fotodioden 20 (links in Fig. 2) den gleichen Lichtverhältnissen ausgesetzt sind.

Anstelle einer 1:1-Aufteilung der Fotodiode kann man natürlich auch andere Aufteilungen verwenden (z.B. 1:2, 1:3, ...) und das Verhältnis der Fotoströme dann über das W/L-Verhältnis der Transistoren M_GL 22 (am Eingang 24) und M_SIG 26 (am Ausgang 28) der Stromspiegelschaltung 12 kompensieren.

Eine weitere Verbesserung der Umgebungslichtkompensation lässt sich mit einem zusätzlichen Integrator 30 erzielen, wie es Fig. 4 zeigt.

Der Integrator 30 dient dazu, den Restfehler der Stromspiegelschaltung (durch schlechtes Matching oder ungleiche Lichtverhältnisse) auszugleichen. Weiterhin wird damit der Ausgang (zum Charge-Amplifier) des Pixels (setzt sich zusammen aus mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Fotodiode 18,20) auf die Spannung Vref eingeregelt, was das Einschwingen des Verstärkers begünstigt. Zu Beginn der Messphase wird der Schalter S2 des Integrators 30 geöffnet. Der Integrator 30 speichert den letzten Wert und beeinflusst die Messung nicht weiter. Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ansteuerung des Schalters S2 in Relation zu den Nutzlichtpulsen.

Vorteil dieser Schaltung ist, dass auch noch während der Messphase das Umgebungslicht nachgeregelt wird, in gewisser Weise nachteilig ist die damit einhergehende Dämpfung des Signals. Ein vollständiges Sampling des Umgebungslichts könnte den Nachteil der Signaldämpfung beseitigen.