SORST, Manfred (Sonnenweg 10, Radebeul, 01445, DE)
GIESELER, Michael (Cämmerswalder Strasse 17, Dresden, 01189, DE)
SORST, Manfred (Sonnenweg 10, Radebeul, 01445, DE)
| Patentansprüche 1. Anordnung zur Detektion unterschiedlicher Lichtwellenlängen, vorzugsweise zur Ermittlung einer Beleuchtungsstärke, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Fotodiode (1) mit einer ersten Lichtwellenlängen-Umsetzcharakteristik und eine zweite Fotodiode (2) mit einer sich von der ersten unterscheidenden Lichtwellenlängen-Umset zcharakteri stik unmittelbar nebeneinander auf einem Halbleiterchip angeordnet sind. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über der ersten und der zweiten Fotodiode (1, 2) ein gemeinsames optisches Fenster angeordnet ist. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame optische Fenster in einem Chipgehäuse angeordnet ist. 4. Verfahren zur Detektion unterschiedlicher Lichtwellenlängen, vorzugsweise zur Ermittlung einer Beleuchtungsstärke, bei welchem in zwei verschiedenen Lichtwellenlängenbereichen je eine Wandlung der detektierten Wellenlängenintensität in je eine elektrische Größe erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine auf eine erste elektrische Größe bezogene Differenz zwischen den beiden elektrischen Größen gebildet wird, dass im zweiten Verfahrensschritt eine Linearisierung dieser bezogenen Differenz innerhalb eines Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts erfolgt, dass eine Berechnung einer mittleren Lichtwellenlänge L unter Verwendung der im ersten Verfahrensschritt gebildeten Differenz erfolgt und dass eine Faltungsoperation unter Verwendung einer quadratischen Form erfolgt und das im Ergebnis der Berechnung als ein Wert für eine Beleuchtungsstärke ausgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe eine Strom ist . Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung gemäß der f ^bl cm, Formel Beleuchtungsstärke = (L_L )H,(L-L ) durch<?eführt wird. |
Lichtwellenlängen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion
unterschiedlicher Lichtwellenlängen, vorzugsweise zur
Ermittlung einer Beleuchtungsstärke. Die Anordnung wird vorzugsweise zur Ermittlung einer Beleuchtungsstärke, welche an das Empfinden des menschlichen Auges (Visible-Eye- Charakteristik) angepasst ist, verwendet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Detektion unterschiedlicher Lichtwellenlängen, vorzugsweise zur
Ermittlung einer Beleuchtungsstärke, bei welchem in zwei verschiedenen Lichtwellenlängenbereichen je eine Wandlung der detektierten Wellenlängenintensität in je eine
elektrische Größe erfolgt.
Aus dem Stand der Technik sind Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen auf einer Halbleiteroberfläche
Filterschichten aufgebracht sind, welche nur die sichtbaren Lichtwellenlängen passieren lässt.
Weiterhin sind Halbleiteranordnungen bekannt, welche zwei gleichartige Fotodioden nutzen, wobei eine Fotodiode der Strahlung direkt ausgesetzt ist und eine zweite mit einer intermittierenden Metallabdeckung zur Vermeidung einer direkten Einstrahlung versehen ist. Diese zweite Fotodiode empfängt daher nur Ladungsträger aus der Tiefe des
Kristalls, welche vorzugsweise durch Infrarote-Lichtanteile ( IR-Lichtanteile ) erzeugt werden. Ein Beispiel hierfür ist im Patent der Firma TAOS US 6,596,981 Bl offenbart. Hieraus ist bezüglich der Schaltungsanordnung bekannt, dass
Transimpedanzverstärker mit nachfolgendem Spannungs- ADC und Strom- ADC Verwendung finden. TAOS beschreibt weiter, dass ein ADC nacheinander zur Umsetzung der beiden
Kanalinformationen verwendet wird, was nachteilig bezüglich des sogenannten Funkelrauschens (Flicker Noise) sein kann.
Ein weiteres Beispiel für derartige Halbleiteranordnungen ist der Halbleitersensor ISL29015 der Firma Intersil.
Diese Lösungen aus dem Stand der Technik weisen den Nachteil auf, dass sie eine Abdeckung oder ein spezielles Filter für mindestens eine Fotodiode benötigen. Diese werden
üblicherweise in zusätzlichen Behandlungsschritten bei der Chipherstellung erzeugt und verursachen somit einen
Mehraufwand innerhalb des Herstellungsverfahrens und damit verbunden höhere Kosten.
Eine verfahrenstechnische Umsetzung der Detektion
unterschiedlicher Lichtwellenlängen nach dem Stand der
Technik bei den Firmen TAOS und Intersil zur Errechnung einer sogenannten Visible-Eye-Charakteristik ist den
Offenbarungen zu entnehmen, dass in der Grundgleichung
Lux = kl *blau+k2 *rot ausgegangen wird, wobei kl und k2 in Abhängigkeit vom IR-Anteil bereichsweise variabel angegeben werden. Allerdings beschreibt TAOS in der US 6,596,981 Bl das Erfassen des spektralen Inhalt des einfallenden Lichtes.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Anordnung und ein Verfahren zur Detektion unterschiedlicher Lichtwellenlängen anzugeben, welche keine zusätzlichen
Behandlungsschritte bei der Chipherstellung benötigen und somit kostengünstiger in der Herstellung sind.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe anordnungsseit ig dadurch gelöst, dass eine erste Fotodiode mit einer ersten Lichtwellenlängen-Umsetzcharakteristik und eine zweite
Fotodiode mit einer sich von der ersten unterscheidenden Lichtwellenlängen-Umset zcharakteristik unmittelbar nebeneinander auf einem Halbleiterchip angeordnet sind.
Erfindungsgemäß werden zwei Fotodioden genutzt, welche verschiedene Lichtwellenlängen-Umset zcharakteristiken aufweisen. So kann die erste Fotodiode beispielsweise bevorzugt blaue und grüne Lichtanteile umsetzten, während die zweite Fotodiode vorzugsweise rote Lichtanteile umsetzt. Dabei haben beide Fotodioden eine für Infrarot-Licht
vergleichbare Wellenlängen-Umsetzcharakteristik. Die beiden Fotodioden sind unmittelbar nebeneinander auf einem
Halbleiterchip angeordnet, so dass sie von einem den Bereich der beiden Fotodioden beleuchtenden Licht mit nahezu
gleicher Intensität bestrahlt werden.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass über der ersten und der zweiten Fotodiode ein gemeinsames
optisches Fenster angeordnet ist.
Über beiden Fotodioden ist ein lichtdurchlässiges Fenster derart angeordnet, dass beide Fotodioden mit nahezu gleicher Intensität bestrahlt werden. Das lichtdurchlässige Fenster hat keine Filtereigenschaften. Der übrige Bereich der
Chipoberfläche muss mit einer lichtundurchlässigen
Beschichtung oder Abdeckung versehen sein.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das gemeinsame optische Fenster in einem Chipgehäuse angeordnet ist. Wird der Halbleiterchip in ein Chipgehäuse verbracht, so wird das lichtdurchlässige Fenster in einem, den
Halbleiterchip deckelartig abdeckenden Bereich des
Chipgehäuses angeordnet sein und ermöglicht derart ein gleichmäßiges Bestrahlen beider Fotodioden. Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe verfahrensseit ig dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine auf eine erste elektrische Größe bezogene Differenz zwischen den beiden elektrischen Größen gebildet wird, dass im zweiten Verfahrensschritt eine Linearisierung dieser bezogenen Differenz innerhalb eines Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts erfolgt, dass eine Berechnung einer mittleren Lichtwellenlänge L unter Verwendung der im ersten Verfahrensschritt gebildeten Differenz erfolgt und dass eine Faltungsoperation unter Verwendung einer quadratischen Form erfolgt und das im Ergebnis der Berechnung als ein Wert für eine Beleuchtungsstärke ausgegeben wird.
Die erste und die zweite Fotodiode, welche verschiedene Wellenlängen-Umsetzcharakteristiken aufweisen, erzeugen eine erste und eine zweite elektrische Größe. Diese kann
beispielsweise eine Spannung oder eine Frequenz sein, wobei die Frequenz aus einer zuerst erzeugten Spannung erzeugt werden kann. Diese elektrischen Größen werden gemäß den dargestellten Verfahrensschritten in einen Ausgabewert umgewandelt, welcher einer Beleuchtungsstärke,
beispielsweise als ein Lux-Wert, entspricht.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Strom-ADC ( Strom-Analog-Digital-Wandler ) einzusetzen um die
elektrische Größe, welche ein Fotostrom ist, in einen dem Strom entsprechenden digitalen Ausgabewert zu wandeln. Hierzu wird beginnend mit dem ersten Verfahrensschritt die
Bildung der bezogenen Differenz durchgeführt, nachfolgend in einem zweiten Schritt ein mittleres Lambda berechnet und im letzten Verfahrensschritt eine nichtlineare
Faltungsoperation ausgeführt. In einer Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die elektrische Größe eine Strom ist. Aus den durch die Fotodiode empfangenen Lichtwellenlängen wird ein Strom erzeugt, welcher nachfolgend in eine Spannung gewandelt werden kann. Aus diesem Strom oder der daraus erzeugten Spannung kann in einem weiteren Wandlungsschritt eine der Spannung entsprechende Frequenz erzeugt werden.
Nach dem Stand der Technik wird meist aus dem Strom eine Frequenz oder gleich ein digitaler Ausgabewert erzeugt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Berechnung gemäß der Formel
k*blau
Beleuchtungs stärke = durchgeführt wird.
(L-L- L ML-L Z )
Hierbei beschreibt L ein mittleres Lambda, k einen
Formfaktor aus der Umsetzung des Bestrahlungsleistung in die LUX-Definition sowie LI, L2 die untere und obere Nullstelle der Human Eye-Charakteristik (Visible-Eye-Charakteristik ) .
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den
zugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Darstellung eines Wellenlängen-Intensitäts-
Diagramms für zwei erfindungsgemäß genutzte
Fotodioden mit unterschiedlichen Wellenlängen-
Umsetzcharakteristiken,
Fig. 2 eine erfindungsgemäß Anordnung zweier Fotodioden in einem Chip-Layout und
Fig. 3 in der oberen Diagrammdarstellung des Ergebnisse einer Faltungsoperation für das im unteren Diagramm dargestellte monochromatische Licht (durchgehender
Linienzug/rote Kurve) mit der bekannten Human Eye
Kurve .
Erfindungsgemäß erfolgt eine Nutzung von zwei Fotodioden 1 und 2 mit unterschiedlicher Wellenlängen- Umsetzcharakteristik. Dabei setzt eine erste Fotodiode 1 vorzugsweise blaue und grüne Lichtanteile um, wie in der Figur 1 als durchgehender Linienzug dargestellt. Eine zweite Fotodiode 2 setzt vorzugsweise rote Lichtanteile um, wie in der Figur 1 als Strich-Punkt-Linie dargestellt. Beide
Fotodioden 1 und 2 haben beispielsweise eine für
Infrarotlicht (IR) vergleichbare Übertragungscharakteristik.
Die erste und die zweite Fotodiode 1 und 2 werden auf dem Halbleiterchip 3 mit einem sehr kleinen Abstand zueinander angeordnet, so dass beide unterhalb eines gemeinsamen, über beiden Fotodioden 1 und 2 angeordneten, optischen Fenster von dem einfallen Lichte in gleicher Intensität bestrahlt werden. Das optische Fenster, welches in der Figur 2 nicht dargestellt ist, kann auch in einem Gehäuse des
Halbleiterchips 3 angeordnet sein.
Jede Fotodiode erzeugt einen eigenen Fotostrom. Diese werden getrennt voneinander in je ein Digitalsignal gewandelt.
Dieses Digitalsignal kann beispielsweise ein Frequenzsignal bei einer Spannungs-Frequenz-Umsetzung oder der Ausgangs- Code eines ADC sein.
Diese beiden Digitalsignale werden in mittels des weiter unten beschriebenen Verfahrens in einen Intensitätswert umgerechnet, welcher der bei Sonnenlicht vom menschlichen Auge wahrgenommenen Intensität entspricht.
In der Abbildung 2 ist ein beispielhaftes Floorplanning eines gesamten Chips 3 dargestellt, welches neben einer Sensor-Struktur, die auch die beiden Fotodioden 1 und 2 beinhalten, weitere Baugruppen enthält. In dieser
Darstellung ist die erste Fotodiode 1 das mit „Blau" und die zweite Fotodiode 2 das mit „IR" gekennzeichnete Quadrat. Die neben den Fotodioden angeordneten Rechtecke sind die
zugehörigen AD-Umsetzer. Daneben befindet sich die mit „Dark" gekennzeichnete Struktur zur Erfassung der
Dunkelströme. Diese Struktur umfasst zwei
Kompensationssensoren, lediglich für den Fall, dass die
Dunkelströme für „Blau" und „IR" gleich groß sind, wird nur ein Kompensationssensor auf dem Chip 3 benötigt.
Gemäß der Erfindung wird eine integrierbare Lösung zur
Bestimmung der Visible Eye Charakteristik aus vorzugsweise einer blauempfindlichen ersten 1 und einer rotempfindlichen zweiten Fotodiode 2 und einer Schaltungsanordnung zur direkten Wandlung der Fotoströme mittels eines Spannungs- Frequenz-Umsetzers verwendet.
Nach dem Stand der Technik wird mit Hilfe einer
komplizierten nichtlinearen Formel, welche auf einem
externen Rechner implementiert ist, beispielsweise eine Charakteristik des menschlichen Auges nachempfunden.
Gemäß der Erfindung wird die Intensität in mehreren
Verfahrensschritten ermittelt, welche nachfolgend aufgeführt sind:
a) Errechnung einer auf eine „blaue" Charakteristik
bezogenen Differenz (blau-rot) /blau . „blau" und „rot kennzeichnen dabei die umgesetzten Fotoströme. b) Linearisierung dieser bezogenen Größe im Bereich des sichtbaren Lichtes, also im Wellenlängenbereich von 450 nm ... 670nm. c) Errechnung einer mittleren Lichtwellenlänge L unter
Nutzung der unter a.) ermittelten bezogenen/normierten
Differenz . d) Vereinfachte Faltungsoperation unter Verwendung einer quadratischen Form
k*blau
Beleuchtungsstärke = (L-L L-Lz)
Dabei werden die Nulldurchgänge des Nennerpolynoms
beispielsweise so gewählt, dass die Faltungsoperation auf dem Mittelwert des Visible Eye-Spektrums (550nm - 555nm) ihr Maximum hat. Die Filterbandbreite ist symmetrisch um diesen Mittelwert und beträgt 170 nm. Damit sind die Nullstellen Li = 465nm und L2 = 635nm. Der Faktor k ist chipbezogen
empirisch so zu ermitteln, derart, dass bei maximaler
Intensität beispielsweise unter Verwendung einer 16 Bit- Auflösung ein maximaler Intensitätswert angezeigt wird.
Dafür kann in der Chiparchitektur ein elektronisches
Bauelement, das nur einmal beim Anwender programmiert wird ( OTP-Register ) , vorgesehen sein.
Im oberen Diagramm der Figur 3 wird das Ergebnis einer
Faltung für das im unteren Diagramm dargestellte
monochromatische Licht (durchgehender Linienzug/rote Kurve) mit der bekannten Human Eye Kurve (Strich-Punkt-Line/grün) verglichen. Sie zeigt trotz des einfachen Verfahrens eine in weiten Bereichen sehr gute Übereinstimmung bezüglich der idealen Human Eye-Charakteristik .
Die ermittelte mittlere Wellenlänge L ist sowohl als ein Zwischenergebnis des Verfahrens, als auch zur Ausgabe des mittleren Farbwertes eines Lichtsignals nutzbar. Bezugs zeichenliste
erste Fotodiode
zweite Fotodiode
Halbleiterchip