DE3216246A1

DE3216246A1 - Entfernungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3216246A1
Application number: DE19823216246
Authority: DE
Inventors: Toshitatsu Takarazuka Hyogo Suzuki; Satoshi Kobe Hyogo Yamane
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1981-05-01
Filing date: 1982-04-30
Publication date: 1982-12-02
Also published as: US4601574A; DE3216246C2

Description

Anwaltsakte: 32 192

Beschreibung
5

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen einer Entfernung von einem Bezugspunkt zu einem interessierenden Gegenstand, und betrifft insbesondere eine Entfernungsmeßeinrichtung wie einen Entfernungsmesser für eine Kamera, u.a.

Als Entfernungsmeßeinrichtung in einem sogenannten Autofokussystem einer Kompaktkamera u.a. ist hauptsächlich ein passives Doppelbild-Koinzidenzsystem verwendet worden, das äußeres Licht benutzt. In einem passiven Doppelbild-Koinzidenzsystem, in welchem die Entfernung von einer bestimmten Stelle zu einem interessierenden Gegenstand bestimmt wird, wenn die beiden Bilder bezüglich ihrer Lage

2Q zusammenfallen, d.h. deckungsgleich sind, muß ein beweglicher bzw. schwenkbarer Spiegel zum Ändern der Lage des einen Bildes bezüglich der des anderen Bildes verwendet werden. Dieser bewegliche bzw. verschwenkbare Spiegel ist eine der Ursachen für eine geringe Lebensdauer bzw. Haltbarkeit von herkömmlichen Entfernungsmeßeinrichtungen. Das Doppelbild-Koinzidenzsystem hängt stark von dem Zustand eines interessierenden Gegenstandes ab, da die Entfernungsmessung aufgrund der Kontrastinformation eines interessierenden Gegenstandes, beispielsweise eines aufzunehmenden Gegenstandes durchgeführt wird. Folglich weisen die herkömmlichen Entfernungsmeßeinrichtungen den Nachteil auf, daß mit ihnen, wenn ein interessierender Gegenstand einen geringen Kontrast aufweist, oder wenn sich ein interessierender Gegenstand an einer dunklen Stelle befindet, die Entfernung kaum oder nur sehr schlecht gemessen werden kann,(d.h. sich die herkömmlichen Einrichtungen nicht für eine Entfernungsmessung eignen). Darüber hinaus weist ein solches

3216248

-*· herkömmliches System einen beweglichen Teil auf, wodurch sein Aufbau kompliziert wird und Einstellungen zeitaufwendig sind.

Ferner wird auch ein aktives Triangulations-Entfernungsmeßsystem verwendet, bei welchem, da das zur Messung verwendete Licht von der Einrichtung selbst abgegeben wird, die Schwierigkeiten, die von dem jeweiligen Zustand eines interessierenden Gegenstandes abhängen, beseitigt sind. In einem solchen aktiven System können jedoch, wenn ein bewegliches Teil, wie einschwenkbares lichtemittierendes oder lichtaufnehmendes Teil vorgesehen ist, die vorstehend angeführten Nachteile im Hinblick auf eine geringe Lebensdauer bzw. Haltbarkeit und im Hinblick auf komplizierte Einstellvorgänge nicht beseitigt werden.

Im Hinblick darauf ist ein verbessertes aktives Triangulations-Entfernungsmeßsystem ohne bewegliche Teile vorgeschlagen worden, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei ist ein

lichtemittierender Abschnitt 1 vorgesehen, welcher Licht, wie Infrarotlicht emittiert, welches dann von einem interessierenden Gegenstand 2, z.B. 2a, 2b, 2c und 2d reflektiert wird. Das reflektierte Licht trifft dann auf einen lichtaufnehmenden Abschnitt 3 mit einer Anzahl Photozellen auf, beispielsweise in der dargestellten Ausführungsform auf vier Zellen 3a bis 3d. Die Entfernung zu dem Gegenstand 2 kann dann dadurch erhalten werden, daß festgestellt wird, welches der lichtaufnehmenden Elemente das

reflektierte Licht empfangen hat.
30

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Entfernungsmeßsystem ist der Nachteil aufgrund einer geringen Lebensdauer bzw. Haltbarkeit und im Hinblick auf die komplizierten Einstellvorgänge beseitigt. Dieses System weist jedoch wegen des quan-35

tisierten Aufbaus des lichtaufnehmenden Abschnitts 3 den Nachteil eines begrenzten Auflösungsvermögens bei der Entfernungsmessung auf. Wenn beispielsweise der 1ichtaufnehmen-

V β Ο * ϋ 4

Χ ι de Abschnitt 3 vier lichtaufnehmende Elemente 3a bis 3d aufweist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, liegt, selbst wenn der Grenzbereich zwischen zwei benachbarten Elementen erfaßt wird, die maximale Pegelanzahl bei sieben, und diese Zahl kann noch niedriger werden, wenn Fehler berücksichtigt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform eines aktiven Entfernungsmeßsystems werden Ultraschallwellen benutzt. Bei diesem Ultraschallsystem wird eine Ultraschallwelle zu einem interessierenden Gegenstand hin abgestrahlt und die von dem Gegenstand reflektierte Welle wird mittels des Systems aufgefangen, wobei die Entfernung zwischen dem System und dem Gegenstand durch die Zeit bestimmt wird, die zwischen der Abgabe und der Rückkehr der Ultraschallwellen vergeht. In diesem System wird die Messung durch eine reine elektronische Verarbeitung durchgeführt, was ziemlich einfach ist. Jedoch ist eine verhältnismäßig große Energiequelle erforderlich, um eine leistungsstarke Ultraschallstrahlung zu

^O erhalten. Eine Energiequelle, die in einer Kompaktkamera unterzubringen ist, würde daher nicht ausreichen, um eine wirksame Ultraschallabstrahlung zu erzeugen. Um eine geringere Genauigkeit bei der Entfernungsmessung infolge einer Reflexion von anderen Gegenständen als dem einen gerade interessierenden Gegenstand zu verhindern, muß die Richtungsabhängigkeit der Strahlung verbessert werden, was wiederum eine größere Abstrahlungs- oder Aufnahmefläche für eine Ultraschallwelle erfordert. Auch hier ergeben sich wieder Schwierigkeiten im Hinblick auf eine Anwendung in

Kompaktkameras.

Die Nachteile der herkömmlichen Einrichtungen sollen gemäß der Erfindung überwunden werden, und es soll eine Entfernungsmeßeinrichtung geschaffen werden, welche ein sich kontinuierlich änderndes Entfernungssignal liefert und welche ohne weiteres als Entfernungsmesser in eine Kamera eingebaut werden kann. Ferner soll gemäß der Erfindung eine ak-

-Ie- -T-

tive Entfernungsmeßeinrichtung geschaffen werden, welche nicht durch die Umgebungsbedingungen beeinflußt wird/ und welche einen breiten Entfernungsmeßbereich hat. Ferner soll eine Entfernungsmeßeinrichtung geschaffen werden, welche dauerhaft arbeitet und genau mißt. Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Entfernungsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen

der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. 10

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen einer Entfernung von einem Bezugspunkt zu einem interessierenden Gegenstand folgende Einrichtungen auf: eine Einrichtung zum Abstrahlen eines Energiestrahls zu dem interessierenden Gegenstand hin, eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen des von dem Gegenstand reflektierten Energiestrahls, wobei die Aufnahmeeinrichtung eine Aufnahmefläche aufweist, die zwischen zwei äußersten Punkten festgelegt ist und erste und zweite

Stromsignale abgibt, deren Größe durch die Auftreffstelle des reflektierten Energiestrahls in und bezüglich der beiden äußersten Stellen festgelegt ist; eine erste Extrahiereinrichtung, an welche das erste Stromsignal abgegeben wird, um eine erste Schwankungskomponente aus dem ersten Stromsignal zu extrahieren, um dadurch die Wirkung von Hintergrundlicht auszuschließen; eine zweite Extrahiereinrichtung, welcher das zweite Stromsignal zugeführt wird, um eine zweiteSchwankungskomponente aus dem zweiten Stromsignal zu extrahieren, um dadurch die Wirkung von Hintergrundlicht auszuschließen, und eine differenzielle Verarbeitungseinrichtung, welcher die ersten und zweiten Schwankungskomponenten zugeführt werden, um ein Entfernungssignal zu erhalten, indem eine Differenz zwischen den beiden Schwankungskomponenten gebildet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten

AuΏführungsformen unter Bezugnahme auf cLlo an 1 legendem Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips der herkömmlichen aktiven Entfernungsmeßeinrich

tung ;

Fig. 2(a) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
10

Fig. 2(b) eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3(a)bis (c) schematische Darstellung verschiedener Fälle, in welchen der Lichtfleck an verschie

denen Stellen auf einem Positionsdetektor (5) festgelegt ist, der in der in Fig. 2a oder 2b dargestellten Einrichtung verwendet

ist;
20

Fig. 4 eine Kurve, in welcher die Kenndaten des Positionsdetektors (5) wiedergegeben sind, wobei auf der Abszisse die Entfernung zu einem Zielgegenstand und auf der Ordinate das von dem

^° Positionsdetektor erhaltene Stromverhältnis

aufgetragen sind;

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm mit einem Paar logarithmischer Umsetz schaltungen (LA1 und LA2) , wel-

ehe dem Positionsdetektor (5) zugeordnet sind;

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm, in welchem eine einen Schwankungsstrom erzeugende Schaltung wiedergegeben ist, welche mit der logarithmischen 35

Umsetzschaltung (LA1) verbunden ist;

Fig.7 ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels einer

weiteren Verarbeitung des von der Schaltung

der Fig. 6 erhaltenen Ausgangs;

Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, in welcher

ein MOSFET (TrM) verwendet ist;

Fig. 9 ein Teilschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung_;in welcher in Reihe geschaltete Dioden verwendet sind;

Fig. 10 eine Kurvendarstellung der üblichen Kenndaten eines Transistors (Tr4), wobei auf der Abszisse die Kollektor-Emitterspannung V^

¹^ und auf der Ordinate der Kollektorstrom I_

aufgetragen sind;

Fig. 11 ein Schaltungsdiagramm noch einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung; 20

Fig. 12 ein Wellenformdiagramm, das zum Verständnis der Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 11 verwendbar ist;

Fig. 13 ein Schaltungsdiagramm zur Verarbeitung von Signalen, die von einem Paar in Fig. 11 dargestellter Schaltungen zugeführt werden, und

Fig. 14 bis 17 Schaltungsdiagramme weiterer Abwandlungen

gemäß der Erfindung.

In Fig. 2a weist die erfindungsgemäße Entfernungsmeßeinrichtung einen Lichtimpulsgenerator 4 auf, welcher vor-35

zugsweise so ausgelegt ist, daß er wegen der Unsichtbarkeit für das menschliche Auge sowie wogen der Empfindlichkeit bezüglich eines empfindlichen bzw. sensitiven

Positionsdetektors 5, welcher nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, einen Impuls Infrarotlicht abstrahlt. Ein von dem Lichtimpulsgenerator 4 abgestrahlter Lichtimpuls wird über ein Projektionsobjektiv 6 auf einen interessierenden Gegenstand 7, beispielsweise 7a, 7b und 7c projiziert, zu welchem die Entfernung zu messen ist. Der von dem Gegenstand 7 reflektierte Lichtimpuls geht durch ein lichtaufnehmendes Objektiv 8 hindurch und trifft auf den Detektor 5 auf, der ein Bild erzeugt. Der Detektor 5 ist eine planare PIN-Photodiode, die für eine Verwendung in der lonenimplantantionstechnik hergestellt worden ist, und weist ein eindimensionales, kontinuierliches Positionsauflösungsvermögen auf. Es gibt auch einen zweidimensionalen Detektor,

welcher ebenfalls bei der Erfindung verwendet werden kann. 15

Wie dargestellt, wird ein Lichtpunkt an einer Stelle 5a ausgebildet, wenn das Licht von dem sich an der Stelle 7a befindenden Gegenstand 7 reflektiert wird, während ein Lichtfleck an einer Stelle 5b für den sich an der Stelle

7b befindenden Gegenstand 7 und an einer Stelle 5d für einen Gegenstand 7 im Unendlichen ausgebildet wird. Der Detektor 5 gibt, dann ein Paar Stromausgänge ab, die jeweils einen Strompegel haben, der durch die Lage des auf dem Detektor 5 ausgebildeten Lichtpunkts festgelegt ist. Wenn beispielsweise der Lichtpunkt an der mittleren Stelle S1 der lichtaufnehmenden Fläche des Detektors 5 ausgebildet ist, ist das Verhältnis der beiden Stromausgänge Ι_τ _Λ

und I_„ so, daß I_T1/I_TO = 1 ist. Wenn der Lichtpunkt an einer Stelle S2 liegt, wie in Fig. 3(b) dargestellt ist,

wird das Stromverhältnis I_L1/I_L2 = 1/2, und wenn der Lichtpunkt an der Stelle S3 liegt, wie in Fig. 3(c) festgelegt ist, wird das Stromverhältnis I_T./I_T„ = 2. In Fig. 2 ist die Basislänge, d.h. der Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv 6 und der lichtaufnehmenden Fläche 8 mit 1, der

Abstand zwischen dem Objektiv 8 und dem Detektor 5 mit f, der Abstand zwischen dem Objektiv 6 und dem Gegenstand 7 mit T, und der Abstand zwischen der Stelle 5d, die einem

-Jr-

Gegenstand im Unendlichen entspricht, und der Stelle, an welcher der Lichtpunkt von dem Gegenstand 7 ausgebildet wird, mit P bezeichnet; mit diesen Werten ergibt sich dann die folgende Bezeihung:

d>

Da, wie vorstehend ausgeführt ist, die Lage des auf dem Detektor 5 ausgebildeten Lichtpunkts eine besondere Beziehung zu dem Verhältnis eines Paars von dem Detektor 5 abgegebener Stromausgänge hat, kann der Abstand bzw. die Entfernung T von dem Projektionsobjektiv 6 zu dem Gegenstand 7 aus einem derartigen Paar von Stromausgängen bestimmt

werden.
15

Die Beziehung zwischen dem Abstand bzw. der Entfernung T zu dem Gegenstand 7 und dem Stromverhältnis I_T1/I__ des

Xj I Xj^

Detektors 5 kann auf folgende Weise erhalten werden, wenn die Gesamtlänge des Detektors 5 als eine Längeneinheit ge-

nommen wird oder die Länge gleich 1 ist.

¹LI

= f-1 (2)

¹LI + ¹L₂

folglich gilt:
25

^XL1

= (1 + -T=T-^ ) f-1

¹LI I,

-Ll₂

= (1 + —— ) fl (3)

wobei χ = I .,/I₀ ist. Die Beziehung zwischen dem Stromver-L1 L2 ^r

hältnis I_T1/I_T„ und dem Abstand bzw. der Entfernung T ist in Fig. 4 als Kurve aufgetragen.

Es ergeben sich keine besonderen Schwierigkeiten, wenn eine derartige Entfernungsmessung bei vollständiger Dunkelheit durchzuführen ist. Im Normalfall, beispielsweise beim Aufnehmen eines Bildes,ist jedoch üblicherweise Hintergrundlicht vorhanden, dessen Licht viel stärker ist als der von dem Lichtimpulsgenerator 4 abgestrahlte Lichtimpuls_;wodurch es unmöglich wird, einen reflektierten Lichtimpuls zu unterscheiden. Für diese Fälle ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 2a dargestellt ist, eine Fühlschaltung 9 vorgesehen, welche einen Signalstrom festlegt, der nur durch einen reflektierten Lichtimpuls erzeugt wird, wobei der Einfluß von Hintergrundlicht ausgeschlossen ist_;· ein derartiger Signalstrom wird dann an eine Ausgangsschaltung 10 abgegeben. Gemäß einer weiteren Aus-

¹^ führungsform der Erfindung ist, wie in Fig. 2b dargestellt, ein Paar Fühlschaltungen vorgesehen, nämlich eine erste Fühlschaltung 9a zum Aufnehmen eines Stromausgangs von dem Detektor 5 und eine zweite Fühlschaltung 9b zum Aufnehmen eines weiteren Stromausgangs von dem Detektor 5. Folglich

kann der Einfluß von Hintergrundlicht beseitigt werden, und Schwankungskomponenten der Signalströme, die durch die reflektieren Lichtimpulse erzeugt worden sind, werden nach einer logarithmischen Umwandlung extrahiert, indem sie einer Differenz bildenden Detektorschaltung 11 zugeführt werden,

in welcher eine Differenz zwischen den beiden Schwankungskomponenten vorgenommen wird und diese als Ausgang abgegeben wird, der dann ein Entfernungsfeststellsignal anzeigt, das dem Verhältnis der beiden Stromausgänge von dem Detektor 5 entspricht.

In Fig. 5 ist der Aufbau einer Schaltung eines Fühlkopfabschnittes dargestellt, der den empfindlichen bzw. sensitiven Positionsdetektor 5 und die beiden Fühlschaltungen

9a und 9b aufweist. In Fig. 5 ist der Detektor 5 als eine 35

Ersatzschaltung dargestellt, welche einen Oberflächenwiderstand 5-1, einen parallelgeschalteten Widerstand 5-2, einen Sperrschichtkondensator 5-3, eine ideale Diode 5-4 und eine

- 10 -

- η-

Stromquelle 5-5 aufweist. Eine Paar Signalströme I . und I_TO/ die durch Auftreffen eines Lichtpunktes auf dem Detektor 5 erzeugt worden sind, werden an einen logarithmischen Umsetzabschnitt LA1, welcher einen logarithmischen Umsetztransistor Tr1 und einen Operationsverstärker 0A1 aufweist, bzw, an einen logarithmischen Umsetzabschnitt LA2 angelegt, welcher einen logarithmischen Umsetztransistor Tr2 und einen Operationsverstärker 0A2 aufweist. Infolge der logarithmischen Umsetzung werden die folgenden beiden Ausgänge V_T1 und V erhalten:
L1 L2

(4)

^VL1	kT	■	In	Ί	¹L!	I
	q	kG		¹S	¹S
^L2		q	■ In

V_TO = - -ii- - In -v^- (5)

wobei k die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, q die Elektronenladung und I_e der Emitter-Sättigungsstrom der Transistoren Tr1 oder Tr2 ist. Die logarithmische Umsetzung wird durchgeführt, da dadurch ein breiterer dynamischer Bereich gewährleistet werden kann und da das Verhältnis der zwei Ausgänge in einfacher Weise durch deren Differenzbildung berechnet werden kann.

In Fig. 6 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Aufbau der Fühlschaltung mit einer Schaltung dargestellt, um den Einfluß von Hintergrundlicht bei den logarithmisch umgesetzten Ausgängen V₁. _Λ und V_{T n} auszu-

schließen. Die Fühlschaltung der Fig. 6 sollte nicht nur für den ersten Signalstrom I_L1 , sondern auch für den zweiten Signalstrom I „ vorgesehen sein; in Fig. 6 ist jedoch

IjZ

nur die erste Fühlschaltung 9a für den Signalstrom I ..

dargestellt.
35

- 11 -

U:.. H O 3215246

I β *i/■*, ν *> V V

Die zweite identisch ausgeführte Signalschaltung 9b muß in der Praxis für den zweiten Signalstrom I _ vorgesehen werden. In der in Fig.6 dargestellten Schaltung fließt im stationären Zustand der Hintergrund-Lichtstrom I₁. _Λ über einen

JLi ι r

Transistor Tr1 und derselbe Strom fließt über einen Transistor Tr3 durch einen Transistor Tr4. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Schalter SW1 geschlossen, und folglich ist der Ausgang eines Operationsverstärkers 0A3 über einen Operationsverstärker 0A4, der eine Spannungsfolgestufe bildet, und über Transistoren Tr5 und Tr4 rückgekoppelt, so daß das Potential am Schaltungspunkt A auf das Potential am Schaltungspunkt B festgelegt ist, an welchem eine Spannung Vb angelegt ist.

Gleichzeitig mit der Erzeugung eines Lichtimpulses durch den Lichtimpulsgenerator 4 wird der Schalter SW1 angeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist das Basispotential des Transistors Tr4 mittels eines Kondensators CI auf einem Pegel gehalten, welcher der Pegel des vorerwähnten stationären Zustandes ist, und folglich bleibt der Hintergrund-Lichtstrom I_T _Λ über den Transistor Tr4 an den Transistor Tr3 anj_j ι r

gelegt. Unter dieser Voraussetzung wird dann eine Schwankung skomponen te Λΐ des Signalstroms I _Λ , die durch den

JUi I Jb I

reflektierten Lichtimpuls erzeugt worden ist, von dem Schaltungspunkt B über eine Diode D1 dem Transistor Tr3 zugeführt. Folglich ist das Potential VaT am Schaltungspunkt A gleich:

Ai₁

Va 1 = Vb - ^ln—— (6)

^q S

wobei mit I_c in Gl. (6) ein Sperrstrom in der Diode D1 bezeichnet ist. Auf diese Weise kann die Schwankungskomponente Λ I₁. .

des Signalstroms I_T . extrahiert werden. In ähnlicher Weise kann ein Potential Va2, das einer Schwankungskompnente Λ I_T ~ des Signalstroms I „ entspricht, von der zweiten Fühlschaltung 9b erhalten werden, die dem zweiten Signalstrom I_T„

- 12 -

-Vi-

von dem Detektor 5 zugeordnet ist. Folglich kann eine Differenz zwischen den beiden Potentialen durch die eine Differenz bildende Detektorschaltung 11 erhalten werden:

Va 1 - Va2 = —In—^ - —In

In Fig.7 ist der Schaltungsaufbau der Fühlschaltung 9 dargestellt, welche ein Paar Operationsverstärker 0A5 und 0A6, die jeweils als eine Spannungsfolgestufe vorgesehen sind, und einen weiteren Operationsverstärker 0A7 als einen Dif-

ferenzverstärker aufweist. Die Ausgangspotentiale Va1 und Va2 werden über die entsprechenden Operationsverstärker 0A5 und 0A6 an die entsprechenden Eingänge des Operationsverstärkers OA7 angelegt, und der Operationsverstärker 0A7

liefert als Ausgang eine Spannung, die dem Verhältnis der 20

Schwankungskomponenten der Signalströme entspricht, wie in der Gl.(7) angeführt ist.

Die erhaltene·Ausgangsspannung wird an die Ausgangsschaltung

10 angelegt, und eine Abfrage- und Halteschaltung SH, die 25

einen Teil der Schaltung 10 bildet, fragt ab und hält die angelegte Ausgangsspannung. Die Abfrage- und Halteschaltung SH weist einen Schalter SW2, einen Kondensator C2 und einen Operationsverstärker 0A8 als Spannungsfolgestufe auf. Die Ausgangsschaltung 10 weist auch eine Anzahl Vergleicher CP auf, an deren invertierenden Eingang jeweils eine Einzel -

spannung V1 - Vn (V1 > V2 > > Vn) angelegt wird, die

jeweils verschiedenen Entfernungen entsprechen. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung SH wird gemeinsam an di e nc nichtinvertierenden Eingänge der Vergleicher CP angelegt. Die Anzahl der Vergleicher CP entspricht der Anzahl inkrementeller Schritte einer abzugebenden Entfernung. Der Ausgang jedes der Vergleicher CP, mit deren invertierenden Ein-

- 13 - ■

/· 3216248

gang die Spannungen V2 - Vn verbunden sind, ist mit einem Eingang einer entsprechenden exklusiven ODER-Schaltung EO und auch,abgesehen von dem untersten Vergleicher CP, mit einem Eingang der in Fig.7 nach unten hin benachbarten ODER-Schaltung EO verbunden, wodurch diese exklusiven ODER-Schaltungen EO Ausgangsspannungen VI-V abgeben. Der Vergleicher CP, welcher die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung mit der Bezugsspannung V1 vergleicht, liefert eine Ausgangsspannung V!. Darüber hinaus liefert der Vergleicher CP, welcher die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung SH mit der Bezugsspannung Vn vergleicht,über einen Inverter IV eine Ausgangsspannung V₊₁. Hierbei zeigt die Spannung V' an, daß die Spannung von der Abtast- und Halteschaltung SH höher als die Bezugsspannung V1 ist, während die Ausgangsspannung V .. anzeigt, daß die Spannung von der Abtast- und Halteschaltung SH niedriger als die Bezugsspannung Vn ist. Mit anderen Worten, die Spannung V' entspricht einem interessierenden Gegenstand im Unendlichen, und die Spannung V- entspricht einem interessierenden Gegenstand in kürzester Entfernung. Folglich ist eine der Ausgangsspannungen V' bis V₊₁ immer auf einem hohen Pegel, und die Spannung auf einem hohen Pegel stellt ein Ausgangssignal dar, das die Entfernung zu dem Gegenstand 7 anzeigt, welcher den Lichtimpuls reflektiert. Ein derartiges Ausgangssignal kann dann für eine visuelle Anzeige der Entfernung oder zum Ansteuern eines Mechanismus zum Bewegen bzw. . Verstellen des Objektivs einer Kamera verwendet werden.

In Fig.8 ist eine Abwandlung der Erfindung dargestellt, bei SQ welcher statt der Spannungsfolgestufe mit dem Operationsverstärker OA in Fig.6 ein Element mit hoher Eingangsimpedanz, z.B. ein MOSFET TrM in Fig.8 verwendet ist. Wenn der Wert Al_ erhöht werden soll, kann der Transistor Tr3 in Fig.6 so ausgelegt werden, daß er einen größeren Emitterbereich hat; andererseits kann, wie in Fig.8 dargestellt ist, das Basispotential des Transistors Tr3 höher gemacht werden als das des Transistors Tr1, indem ein veränderlicher

- 14 -

Widerstand VR und eine positive Energiequelle +V verwendet werden.

In Fig.9 ist noch eine weitere Abwandlung der Erfindung dargestellt, in welcher die Differenz (Va1 - Va2) erhöht wird, indem statt der Einzeldiode D1 in Fig.6 eine Reihenschaltung Dn von Dioden verwendet wird. Bei einigen Anwendungsfällen kann der Ausgang der Fühlschaltung 9 auch unmittelbar verwendet werden. Wie aus der oben wiedergegebenen Gl.(7) und aus der in Fig.6 dargestellten Schaltung zu ersehen ist, kann eine Entfernungsmessung in einfacher Weise durchgeführt werden, indem Schwankungskomponenten der Signalströme gefühlt und festgestellt werden, die durch einen auf den

Detektor 5 auftreffenden Lichtimpuls erzeugt worden sind. 15

Im Idealfall arbeiten die erste in Fig.6 dargestellte Fühlschaltung richtig_/und es ergeben sich keine besonderen Schwierigkeiten. Da jedoch in Wirklichkeit die Kennlinie des PNP-Transistors Tr4, bei welcher die Emitterspannung ^O v_„ gegenüber dem Kollektorstrom I aufgetragen ist, so verläuft, wie in Fig.10 dargestellt ist, ändert sich derKollektorstrom I um den Wert AI» wenn sich die Emitterspannung V um den Betrag Δν ändert. Wenn folglich bei einem Potential Vb = 0 in einem stationären Zustand die Kollektorspannung Vc des PNP-Transistors Tr4 zum Zeitpunkt einer Abstrahlung eines Lichtimpulses um -2V abnimmt, ändert sich die Kollektor-Emitter-Spannung V um den Wert von 2V, was eine beträchtliche Schwankung im Kollektorstrom T_n zur FoI-ge hat. Je größer das Hintergrundlxcht ist, um so ernsthaf-

ter wird die vorerwähnte Schwierigkeit.

In Fig.11 ist der Aufbau der ersten oder zweiten Fühlschaltung dargestellt, mit welcher die vorerwähnte Schwierigkeit,

die mit der Verwendung eines PNP-Transistors zusammenhängt, 35

gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verhindert werden kann. Da, wie früher schon erwähnt, die ersten und zweiten Fühlschaltungen 9a und 9b identisch aufgebaut sind, wird

- 15 -

hier nur die erste Fühlschaltung 9a beschrieben.

Wie in Fig.11 dargestellt ist, wird der erste Signalstrom I₁. ₁ von dem Detektor 5 einer logarithmischen Umwandlung un-5terzogen, indem er den eine logarithmische Kompression oder Verdichtung durchführenden Transistor Tr1 durchläuft, welcher zusammen mit dem Operationsverstärker OA1 den logarithmischen Umsetzabschnitt LA1 bildet, wodurch ein Ausgang V₁.- =

-(kT/q) 'In (I ./I ) erzeugt wird, wie in Gl. (4) wiedergegeben Ll fa

ist. Der Strom, welcher dem Signalstrom I . entspricht, geht von einer Energiequelle +V^_n durch einen MODFET FT1 hindurch, und wird durch einen Dehnungstransistor Tr3 gedehnt. Wenn unter dieser Voraussetzung das Basispotential des Transistors Tr3 etwa 6OmV höher als das Basispotential des Transistors

15Tr1 eingestellt wird, wird der Strom auf das 10-fache gedehnt. Wenn andererseits die Emitterfläche des Transistors Tr3 zweimal so groß ist wie die des Transistors Tr1, wird ein zweimal erweiterter Strom erhalten. Die folgende Beschreibung betrifft den Fall, bei welchem keine Dehnung oder eine Dehnung von eins stattfindet.

In eingeschwungenem Zustand ist der Schalter SW2 offen, und der Schalter SW3 ist geschlossen. Da unter dieser Voraussetzung die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers 0A9 geschlossen ist, ist das Quellenpotential des NMOSFET FT1 an das Potential V_r angeklemmt, welches an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0A9 angelegt wird.

Gleichzeitig mit dem Abstrahlen eines Lichtimpulses wird der Schalter SW2 geöffnet und der Schalter SW3 wird geschlossen. Da das Gatepotential des NMOSFET FT1 durch die auf dem Kondensator C2 gesammelten Ladungen zum Zeitpunkt der Einführung von Hintergrundlicht festgelegt ist·, wird die Hintergrund-Stromkomponente I_ _Λ durch den NMOSFET FT1 an den qc LIr

Transistor Tr3 angelegt. Andererseits wird die Schwankungsstromkomponente Al₁, die durch einen Lichtimpuls erzeugt

L I

worden ist, über die Diode D1 von dem Operationsverstärker

- 16 -

4$

0A9 geliefert. Da zu diesem Zeitpunkt die Rückkopplungsschleife einschließlich der Diode D2 für den Operationsverstärker 0A9 geschaffen ist, bleibt die Steuer-Quellenelektroden-Spannung V_r„ des NMOSFET FT1 unverändert. In Fig.12 ist graphisch dargestellt, wie sich in dem vorstehend angeführten Fall der Ausgang V₀ von dem Operationsverstärker 0A9 ändert. In Fig.12 ist mit tp eine Periode einer Lichtimpulsabstrahlung bezeichnet.

Im einzelnen ausgeführt_;gilt für einen stationären Zustand die folgende Beziehung

V_ni = V_r + V__c (I_n = I) (8)

U I L, GS D LS

Wenn ein reflektierter Lichtimpuls empfangen wird, wird die folgende Beziehung erhalten:

kT τ 1
^V01 ^{= V}C ⁺ ^^ln(^

wobei I_c der Sperrstrom der Diode D2 ist.

Wie schon erwähnt, ist noch eine zweite Fühlschaltung 9b vorgesehen, deren Aufbau der vorerwähnten ersten Fühlschaltung entspricht, und ein Ausgang V_Q„, der dem Ausgang V_n1 entspricht, wird von dieser abgegeben.

Die auf diese Weise erhaltenen Ausgänge V_n1 und V_„ werden an die eine Differenz feststellende Schaltung 11 abgegeben, wie in Fig.13 dargestellt ist. Wenn diese beiden Spannungen ^O v_n- und V_n„ an die Eingänge des als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärkers 0A1O angelegt werden, wird das folgende Spannungssignal V_n als dessen Ausgqang abgegeben .

ν = V " V
DO 01 02

- 17 -

ο« «β

(
^AIL2

(10)

Auf diese Weise ist das Stromverhältnis, das einer zu messenden Entfernung entspricht, in Form eines Spannungssignals V_nn gegeben. Wie in Gl.(13) dargestellt, kann das Spannungs-

-,Q signal V- während des Anliegens eines Lichtimpulses mittels einer Abfrage- und Halteschaltung SH abgefragt und gehalten werden, die einen Abfrageschalter SW4, einen Haltekondensator C3 und einen Operationsverstärker OA11 aufweist, der als ein Puffer eine Spannungsfolgestufe bildet. Wenn jedoch eine lichtemittierende Diode u.a. als das lichtemittierende Element verwendet wird, ist, da der Lichtemissionswirkungsgrad infolge eines Temperaturanstiegs in der Ubergangszone beträchtlich abnimmt, eine Abfrage besser unmittelbar nach einem Anschalten bzw. Anlegen eines Lichtimpulses durchzuführen. Ein solches unmittelbares Abfragen ist auch in dem Fall vorteilhaft, wenn eine zyklische oder pulsierende Komponente der Energieversorgung in dem Hintergrundlicht enthalten ist.

Da der abgefragte Ausgang eine Spannung aufweist, deren Pegel proportional zu einer Entfernung ist, kann sie unmittelbar als ein Entfernungssignal verwendet werden, das an einen automatischen Fokussier- oder Scharfeinstellmechanismus oder an eine visuelle Anzeige anzulegen ist. Andererseits kann der abgefragte Ausgang mit Hilfe einer Anzahl Vergleicher und Bezugsspannungen in eines einer Anzahl vorherbestimmter Signale umgesetzt werden, welche verschiedene Entfernungszonen darstellen.

wie oben ausgeführt, kann gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung der Einfluß von Hintergrundlicht wirksam sowie sicher ausgeschlossen werden, so daß eine Entfernungsmessung

- 18 -

mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Jedoch weisen die ersten und zweiten Fühlschaltungen auch derartige Elemente, wie einen MOSFET, einen bipolaren Transistor, einen Operationsverstärker, eine Diode usw. auf, welche sich alle für eine Herstellung von Schaltungen in Form einer IC-Schaltung eignen,und es sind keine Elemente, wie Junction-FET's verwendet, die sich nicht für eine IC-Herstellung eignen.

Verschiedene Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform· der Erfindung werden nachstehend beschrieben. In Fig.14 ist der Fall dargestellt, bei welchem ein als Spannungsfolgestufe ausgebildeter Operationsverstärker 0A12 und ein NPN-Transistor Tr6 statt des NMOSFET FT1 in Fig.11 verwendet sind. Bei einem solchen Schaltungsaufbau braucht nur ein bipolares Verfahren angewendet zu werden ,wenn sie in Form einer IC-Schaltung hergestellt sind, und folglich ist die Ausbildung einer IC-Schaltung sehr vereinfacht.

in Fig.15 ist eine weitere Abwandlung dargestellt, in welcher ein in Form einer Darlingtonschaltung geschaltetes NPN-Transistorpaar Tr7 und TrS anstelle des NMOSFET FT1 in der Schaltung der Fig.11 vorgesehen ist. Diese Ausführung hat dieselben Vorteile wie die der in Fig.14 dargestellten Schaltung.

In Fig.16 ist noch eine weitere Abwandlung dargestellt, bei welcher anstelle des Operationsverstärkers 0A9 in der Schaltung der Fig.11 ein Paar miteinander verbundener Operationsverstärker 0A13 und 0A14 verwendet ist. Bei einem Betrieb der in Fig.16 dargestellten Schaltung wird in einem stabilen eingeschwungenen Zustand der Schalter SW2 geschlossen gehalten, und eine Eingangsspannung Vx an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0A13 wird auf einen niedrigeren Pegel eingestellt als eine Eingangsspannung V ~ an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 0A14, wodurch die Ausgangsspannung V' auf

- 19 -

einem niedrigen Pegel "L" gehalten wird. Bei einem derartigen Aufbau geht kein Strom durch die logarithmische Verdichtungsdiode D3 hindurch, und der Strom fließt über den NMOSFET FT1 in den Transistor Tr3. Bei einer Abstrahlung eines Lichtimpulses wird dann der Schalter SW2 geöffnet, und die Spannung V wird gleich einer Spannung V _ gemacht. Der Signalstrom, der durch einen reflektierten Lichtimpuls erzeugt worden ist, fließt nunmehr durch die Diode D3 und es wird der folgende Ausgang V' erhalten:

/τ

V' = V _e + —In-^M (11)

0 ref q I

wobei I der Sperrstrom der Diode D3 ist.

Wenn bei dem in Fig.16 dargestellten Aufbau ein Lichtimpuls eine äußerst geringe Impulsbreite hat, kann der Schalter SW2 durch einen hochwertigen Widerstand, d.h. mit einem hohen Widerstandswert ersetzt werden, da er weggelassen werden kann, indem die Zeitkonstante des Systems größer gemacht wird.

Bei der in Fig.11 dargestellten Schaltung erscheint eine Offsetspannung des Operationsverstärkers 0A9 an dessen Ausgang, wenn die Diode D2 unmittelbar verwendet wird. Das heißt, wenn die Offsetspannung mit V j- und der Spannungsabfall an der Diode D2 mit V_n bezeichnet wird,wird die folgende Gleichung erhalten:

^V0 ^{= V}C ^{+ V}of ^{+ V}D ⁽¹²⁾

Wenn unter diesen Umständen ein Offsetspannungsunterschied zwischen der ersten und zweiten Fühlschaltung vorhanden ist, die mit dem empfindlichen bzw. sensitiven Positionsdetektor 5 .verbunden worden ist, wird ein Fehler im Ausgang nach der Differenzverarbeitung, wie oben beschrieben, verstärkt.

Im Hinblick darauf ist in Fig.17 eine weitere Abwandlung

- 20 -

- S-d -

der Erfindung dargestellt, in welcher ein PNP-Transistor Tr9 anstelle der Diode D2 in der Schaltung der Fig.11 vorgesehen ist. Bei dieser Ausführung kann für einen Ausgang V die folgende Gleichung erhalten werden:

V=V = —In—— (14)

^v0 BE q I_s ^{l l<u}

wobei V die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tr9

BE
ist. In diesem Fall ist die Schaltung so ausgelegt, daß der Schalter SW5 nur während einer Lxchtimpulsabstrahlung geschlossen ist, und zwar deswegen, weil,wenn die Basis des Transistors Tr9 immer mit Erdpotential verbunden ist, ein Strom zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors Tr9 in einem stationären Zustand fließt, wodurch der Energieverbrauchswert zunimmt.

Ende der Beschreibung

Claims

DB* VW Q ": *D.i pl?-Tnc: .stapf

DIPL.-md.^;5.eHW.A¥£.·* * i5f?..BTR. SANDMAIR 3216246

PATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000 München 8ί>

Anwaltsakte: 32 192

Ricoh Company, Ltd. Tokyo/Japan

Entfernungsmeßeinrichtung

Patentansprüche

( 1.)Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen einer Entfernung von einem Bezugspunkt zu einem interessierenden Gegenstand, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (4, 6) zum Abstrahlen eines Energiestrahls in Richtung auf den interessierenden Gegenstand (7; 7a, 7b, 7c) ; durch eine Aufnahmeeinrichtung (5, 8) zum Aufnehmen des von dem Gegenstand (7) reflektierten Energiestrahls, wobei die Aufnahmeeinrichtung (5, 8) eine Aufnahmefläche aufweist, die zwischen zwei äußersten Punkten (5a, 5d) festgelegt ist, und welche ein Paar Stromsignale (I_T1i L.) abgibt, wenn der reflektierte Energiestrahl auf die Empfangsfläche auftrifft, wodurch sich das Verhältnis

der beiden Stromsignale (It «■ ' ¹T.?^ kontinuierlich in Abhängigkeit von der Auftreffstelle des reflektierten Strahles bezüglich der zwei äußersten Punkte (5a, 5d) ändert, und durch eine Verarbeitungseinrichtung (10, 11), VII/XX/Ktz

»(089)988272 Telegramme: . Bankkonten: Hypo-Bank München Φ11Μ22850

988273 BERGSTAPFPATCNT München (BLZ 70020011) Swill Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayer Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 983310 052456OBERGd Posischeck München 65343-808 (BLZ 70010080)

die vorgesehen ist, um die beiden Stromsignale (I_T1,I_T_)

Ij I Lj/

von der Aufnahmeeinrichtung (5, 8) aufzunehmen, wobei die Verarbeitungseinrichtung (10, 11) das Paar Stromsignale

(I₁, I_TO) verarbeitet, um ein Entfernungssignal zu erhal-Li L 2.

ten, das die Entfernung zwischen dem Bezugspunkt und dem interessierenden Gegenstand (7) anzeigt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl ein Lichtimpuls ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstahleinrichtung (4, 6) ein Projektionsobjektiv (6) aufweist, dessen Lage dem Bezugspunkt enspricht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (5, 8) ein Aufnahmeobjektiv (8) aufweist, und daß der Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv (6) und dem Aufnahmeobjektiv (8) die Basislänge festlegt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung ferner einen empfindlichen Positionsdetektor (5) mit einer Fläche aufweist, welche die Aufnahmefläche festlegt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der empfindliche Positionsdetektor

eine planare PIN-Photodiode ist.
30
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung Extrahiereinrichtungen zum Extrahieren einer Schwankungskomponente aus jedem der Stromsignale (I_T1,I__) aufweist/ um da-

durch den Einfluß von Hintergrundlicht zu beseitigen.
8. Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen einer Entfernung

ο

SJ -j

von einem Bezugspunkt zu einem interessierenden Gegenstand, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (4, 6) zum Abstrahlen eines Energiestrahls in Richtung auf den zu interessierenden Gegenstand (7; 7a, 7b, 7c), durch eine Aufnahmeeinrichtung (5, 8) zum Aufnehmen des Energiestrahls, der von dem Gegenstand (7) reflektiert worden ist, wobei die Aufnahmeeinrichtung (5, 8) eine Aufnahmefläche aufweist, die zwischen zwei äußersten Punkten (5a, 5d) festgelegt ist, und erste und zweite Stromsignale (I₁--/ I_{T o}) liefert, deren Größe durch die Auftreffstelle des reflektierten Energiestrahls in den und bezüglich der zwei äußersten Stellen (5a, 5d) festgelegt ist; durch eine erste Extrahiereinrichtung, welcher das erste Stromsignal (I_T A zugeführt wird, um eine erste Schwankungskomponente aus dem ersten Stromsignal (I ..) zu extrahieren, um dadurch die Wirkung des Hintergrundlichtes zu beseitigen; durch eine zweite Extrahiereinrichtung, welcher das zweite Stromsignal (I₁. ~) zugeführt wird, um eine zweite Schwankungskomponente aus dem zweiten Stromsignal (I__) zu extrahieren, um dadurch die Wirkung von Hintergrundlicht zu beseitigen, und durch eine differenzbildende Verarbeitungseinrichtung, welcher die beiden Schwankungskomponenten zugeführt werden, um ein Entfernungssignal zu erhalten, um eine Differenz zwischen den beiden Schwankungskomponenten zu bilden.
9. Einrichtung nach Anspruch Ö, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Extrahiereinrichtungen ein logarithmisches Umsetzelement aufweist, das die extrahierte Schwankungskomponente logarithmisch umsetzt, bevor es als ein Ausgang abgegeben wird.
10 .Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden äußersten Stellen (5d) dem Gegenstand (7) im Unendlichen entspricht,und daß die andere Stelle (5a) dem Gegenstand in der kürzesten Entfernung entspricht.