DE3736987C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines entfernten Objektes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines entfernten Objektes.

In der älteren EP 0 213 544 A2 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung dargestellt und beschrieben, die ohne eine tatsächliche Berührung einer Oberfläche oder eines Objektes die Feststellung der Entfernung zu dieser Oberfläche bzw. zu diesem Objekt ermöglicht. Derartige Vorrichtungen sind nützlich bei Prozeßsteuerungen sowie in der Fotographie, um die Entfernung zu einem entfernten Objekt zu bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser älteren Patentanmeldung sind zwei lichtemittierende Dioden angeordnet, um Licht auf die entfernte Oberfläche aus zwei geringfügig unterschiedlichen Abständen zu werfen. Die von der Oberfläche reflektierte Energie wird detektiert, um ein resultierendes Ausgangssignal in Übereinstimmung mit dem empfangenen Lichtfluß zu erzeugen. In diesem Fall werden die beiden Energiesender mit einem unterschiedlichen Phasenwinkel moduliert, und es wird gezeigt, daß die Phase des Ausgangssignales in Beziehung zu der Entfernung der entfernten Oberfläche steht. In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine einzige lichtemittierende Diode verwendet, um Energie auf die entfernte Oberfläche abzustrahlen und zwei in unterschiedlichen Abständen von der entfernten Oberfläche angeordnete Detektoren empfangen die reflektierte Energie. Das Ausgangssignal eines dieser Detektoren ist phasenverschoben in Bezug auf das Ausgangssignal des anderen Detektors, und es ergibt sich ein resultierendes Ausgangssignal, dessen Phase wiederum in Beziehung zu der Entfernung der Oberfläche steht.

Ferner zeigt die US 3 937 574 eine Entfernungsmessvorrichtung, bei der eine lichtemittierende Diode Licht auf eine Fläche wirft und das reflektierte Licht von zwei Dioden empfangen wird, wobei beide Dioden in unterschiedlichem Abstand von der Fläche angeordnet sind, der Abstand der Dioden von der Fläche unbekannt ist und der Abstand zwischen den Dioden bekannt ist. Der Abstand der Fläche wird gemessen, indem das Ausgangssignal einer der Dioden durch ein Signal geteilt wird, das eine Funktion der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der zwei Dioden ist.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines entfernten Objektes anzugeben, die auf relativ einfache Weise verwirklicht werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die vorliegende Erfindung vermeidet das Erfordernis nach Phasenschiebern und Synchrondetektoren durch die Verwendung einer gepulsten lichtemittierenden Diode und die Anordnung von zwei Detektoren in unterschiedlichem Abstand von dem zu messenden Objekt, so daß die beiden Detektoren von der Oberfläche des Objektes reflektierte gepulste Energie empfangen, die zu dem Aufbau eines Spitzenwertes bezüglich des Detektor-Ausgangssignales führt. Der durch den näher angeordneten Detektor erzeugte Spitzenwert ist größer als der Spitzenwert von dem entfernteren Detektor und beide Spitzenwerte werden einem Abklingschaltkreis zugeführt, wie beispielsweise einer Parallelanordnung aus einem Widerstand und einem Kondensator, wodurch die Spitzenwerte mit unterschied­ lichen Abklingraten abklingen. Wenn die Komponenten des Abklingschaltkreises, der dem größeren Spitzenwert zugeordnet ist, ein rascheres Abklingen des größeren Signales gestatten, so ergibt sich ein Zeitpunkt während des Abklingens, wo die Werte der beiden Ausgangssignale einander gleich sind, und es wurde festgestellt, daß die Zeit zwischen dem Beginn des Abklingens und diesem Punkt der Gleichheit mit der Entfernung zu der entfernten Oberfläche in Beziehung steht. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kann diese Zeit verwendet werden, um die Objektivlinse einer Kamera in die geeignete Fokussierstellung anzutreiben; andererseits kann diese Zeit ebenso verwendet werden, um eine Anzeige anzusteuern, die die Entfernung zu der entfernten Oberfläche anzeigt. Es wurde ferner festgestellt, daß ein weiterer Vorteil bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einer Autofokus-Kamera darin liegt, daß das Ausgangssignal sich mit der Entfernung zu dem entfernten Objekt in einer Beziehung verändert, die sehr ähnlich zu der Beziehung ist, die zwischen der Linsenbewegung und der geeigneten Fokussierstellung der Kamera besteht. Somit kann die Linse linear angesteuert werden, was sehr vorteilhaft bei einer Fokussiereinrichtung für Kameras ist, da dann kein Mikroprozessor oder eine ähnliche Einrichtung verwendet werden muß, um das Ausgangssignal zu charakterisieren und die Kameralinse entsprechend anzusteuern.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Aufbaus und des Abklingens der Ausgangssignale der Detektoren in Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Bewegung einer Kameralinse und dem Ausgangssignal des Systems gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung eines einfachen Linsen-Bewegungsmechanismus unter Verwendung des Ausgangssignales der vorliegenden Erfindung für die Fokussierung der Linse einer Kamera; und

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer Meßeinrichtung unter Verwendung des Ausgangssignales der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist eine lichtemittierende Diode 10 dargestellt, die einen Lichtstrahl, wie beispielsweise Infrarotstrahlung, entlang eines Bündels ausstrahlt, das durch die Linien 12 und 14 eingegrenzt ist. Ein lichtundurchlässiger Schirm 16 mit einer ersten Blendenöffnung 18 begrenzt die abgestrahlte Strahlung auf einen vorbestimmten Öffnungswinkel. Die Strahlung der lichtemittierenden Diode 10 trifft somit auf einer entfernten Oberfläche bzw. auf einem Objekt 20 auf und bildet einen Energielichtfleck zwischen den Grenzen, die durch die Punkte 22 und 24 auf der entfernten Oberfläche veranschaulicht sind. Vorzugsweise ist die Oberfläche 20 wenigstens teilweise diffus, so daß die von dem Lichtfleck reflektierte Energie unter verschiedenen Winkeln zurückgestrahlt wird, was nicht der Fall sein würde, wenn die Oberfläche total spiegelnd wäre.

Ein erster Detektor D1, der durch das Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist, ist in Fig. 1 in einer Entfernung R von der Oberfläche 20 angeordnet und empfängt von dieser Strahlung, die durch die gestrichelten Linien 32 und 34 eingegrenzt ist. Der Schirm 16 besitzt eine zweite Blendenöffnung 38, die breit genug ist, um das Auftreffen von reflektierter Energie auf den Detektor 30 aus einem Bereich zwischen den Punkten 26 und 28 zu gestatten, wobei diese Punkte wenigstens den gesamten Lichtfleck zwischen den Punkten 22 und 24 über den gesamten Arbeitsbereich des Systems umfassen. Mit anderen Worten kann der Detektor 30 den gesamten Lichtfleck auf dem Objekt 20 sehen, der durch die lichtemittierende Diode 10 erzeugt wird, obgleich dieser Fleck seine Position in bezug auf die Linien 32 und 34 verändert, wenn die Oberfläche unterschiedliche Entfernungen einnimmt.

Ein zweiter Detektor D2, der mit der Bezugsziffer 40 versehen ist, befindet sich um einen Abstand L weiter von der Oberfläche 20 als der Detektor 30 entfernt und erhält reflektierte Strahlung von der Oberfläche 20 entlang eines Wegs zugeführt, der durch die gestrichelten Linien 42 und 44 eingegrenzt ist. Es sei vermerkt, daß auch Linsen verwendet werden können im Zusammenhang mit einem oder auch mit beiden Detektoren, wobei die Entfernung L durch die Differenz der entworfenen Bilder vorgegeben ist, so daß es nicht erforderlich ist, den Detektor 40 physikalisch um einen Abstand L von der Oberfläche 20 weiter entfernt anzuordnen. Durch geeignete Wahl der Brennweite einer solchen Linse bzw. von zwei Linsen können beide Detektoren physikalisch im gleichen Abstand von der Oberfläche 20 angeordnet werden, was von Vorteil ist, wenn die Größe des verwendeten Gehäuses klein gehalten werden soll. Demgemäß soll hier die Entfernung L als eine optische Entfernung angesehen werden und nicht notwendigerweise eine physikalische Entfernung darstellen. Eine dritte Blendenöffnung 48 in dem Schirm 16 gestattet dem Detektor 40 den gesamten Lichtfleck zwischen den Punkten 22 und 24 für alle Entfernungen des Objektes in der gleichen Weise, wie dies bei dem Detektor 30 der Fall war, zu sehen. Während in Fig. 1 der durch beide Detektoren 30 und 40 gesehene Bereich der gleiche Bereich zwischen den Punkten 26 und 28 ist, ist dies gewöhnlicherweise nicht der Fall; aber da die Hintergrundstrahlung durch das System eliminiert wird, macht dies solange nichts aus als beide Detektoren den gesamten Lichtfleck zwischen den Punkten 22 und 24 sehen.

Ein Ansteuerschaltkreis 50, der ein Monoflop umfassen kann, erzeugt ein Impuls an einem Ausgang 52, der der lichtemittierenden Diode 10 zugeführt wird. Die Dauer des Impulses am Ausgang 52 kann jede gewünschte kurze Zeitperiode umfassen, wobei jedoch im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Impuls von 20 µs sich als befriedigend herausgestellt hat. Dementsprechend ist das Ausgangssignal der lichtemittierenden Diode 10 ein Energiestrahl, der für eine kurze Zeitperiode einen Lichtfleck auf der Oberfläche 20 erzeugt und die Detektoren 30 und 40 empfangen die reflektierte Energie und erzeugen entsprechende Ausgangssignale auf den Leitungen 54 und 56, wobei diese Ausgangssignale zu dem Betrag der reflektierten Energie und zu der Entfernung des entfernten Objektes in Beziehung stehen. Da der Detektor 30 näher an der Oberfläche 20 als der Detektor 40 liegt, empfängt er mehr Strahlung und das Ausgangssignal auf der Leitung 54 baut sich auf einen höheren Wert während des Impulses der lichtemittierenden Diode 10 als das Ausgangssignal auf der Leitung 56 auf. Der Aufbau des Ausgangssignales auf den Leitungen 54 und 56 am Ausgang der Detektoren 30 und 40 ist in Fig. 2 durch die Kurven 60 und 62 entsprechend dargestellt, die zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 in der Darstellung verlaufen. Die Kurve 60 veranschaulicht den Aufbau des Signales auf der Leitung 54 entsprechend dem näher angeordneten Detektor 30, der eine Spannung V1 zum Zeitpunkt T2 erzeugt. Die Kurve 62 veranschaulicht die Spannung auf der Leitung 56 gemäß dem weiter entfernt angeordneten Detektor 40, wobei dieser eine Spannung V2 im gleichen Zeitpunkt T2 erzeugt, die kleiner als die Spannung V1 ist.

Gemäß Fig. 1 werden die Ausgangssignale auf den Leitungen 54 und 56 Kondensatoren 60 und 62 zugeführt, um jegliche Gleichspannungssignale in den Detektor-Ausgangssignalen zu entfernen, die beispielsweise aus Umgebungsstrahlung herrühren können. Diese Signale werden sodann durch Verstärker 64 und 66 verstärkt und einer Einrichtung zur Speicherung des Spitzensignales, wie beispielsweise Abtastschaltkreisen 70 und 72, entsprechend zugeführt. Eine einfache Form der Abtastschaltkreise 70 und 72 kann durch Dioden vorgegeben sein, die den Signalfluß von den Verstärkern 64 und 66 beim Signalaufbau während des Impulses gestatten aber einen Signalfluß in Umkehrrichtung zu den Verstärkern verhindern, wenn der Impuls beendet ist. Andererseits kann ein Abtast- und Speicherschaltkreis verwendet werden, um das Signal der Verstärker 64 und 66 in dem gewünschten Zeitpunkt zu speichern, beispielsweise am Ende des Impulses, und der Abtast- und Speicherschaltkreis kann getriggert werden, um das aufgebaute Signal an die nachfolgende Schaltung weiterzureichen und den Aufbau des Signales zu beenden. Zu diesem Zweck sind Schaltkreise 70 und 72 dargestellt, denen Triggersignale von dem Ansteuerschaltkreis 50 über gestrichelte Verbindungsleitungen 74 und 76 entsprechend zugeführt werden. Die Signale auf den Leitungen 74 und 76 kommen von dem Ansteuerschaltkreis, beispielsweise dem Monoflop, vorzugsweise am Ende des Impulses von 20 µs, der der lichtemittierenden Diode 10 zugeführt wird und diese Signale veranlassen die Schaltkreise 70 und 76 zur Abtastung und Darstellung des Spitzenwertes der Spannung, die im Zeitpunkt T2 auf den Ausgangsleitungen 80 und 82 entsprechend ausgegeben wird. Die Größe der Spannung V1 kann im vorliegenden Beispiel ungefähr 1,04 V betragen, während die Spannung V2 im vorliegenden Beispiel ungefähr 1,00 V in einem Fall betragen kann, wo die Entfernung R ungefähr 1 Meter beträgt und der Abstand L etwa 20 mm entspricht.

Kondensatoren 84 und 86 sind gemäß Fig. 1 zwischen den Leitungen 80 und 82 und Masse angeordnet. Ebenso sind Widerstände 88 und 90 in Fig. 1 zwischen die Ausgänge 80 und 82 und Masse parallel zu den Kondensatoren 86 und 88 geschaltet. Die Kondensator/Widerstandskombinationen bilden zwei Abklingschaltkreise, denen die Ausgangssignale zugeführt werden und die ein Abklingen mit einer Rate gestatten, die von der Größe der Widerstände und Kondensatoren abhängt. Wenn beispielsweise die Kondensatoren 84 und 86 beide einen Wert von 1.000 pF aufweisen während der Widerstand 88 einen Wert von 500 kΩ und der Widerstand 90 einen Widerstand von 1 MΩ aufweist, so erfolgt das Abklingen der Signale auf den Leitungen 80 und 82 entsprechend den Linien 94 und 96 in Fig. 2. Es ist erkennbar, daß die Abklingrate entlang der Linie 94 größer als die entlang der Linie 96 aufgrund des geringeren Widerstandes des Widerstandes 88 gegenüber dem Widerstand 90 ist; da aber die Spannung des Abtastschaltkreises 70 größer als die des Abtastschaltkreises 72 ist, beginnt der Abfall gemäß der Linie 94 auf einem höheren Wert. Dementsprechend werden zu irgendeinem Zeitpunkt T3 nach dem Beginn des Abklingens die beiden Spannungen einander gleich und die beiden Kurven kreuzen sich in einem Punkt 98 und sie fallen danach weiter ab, bis eine weitere Spannung angelegt wird. Es sei darauf verwiesen, daß die Kurven gemäß Fig. 2 komprimiert worden sind der besseren übersichtlichkeit wegen und daß der Punkt 98 normalerweise sehr viel weiter rechts in bezug auf die dargestellte Position liegt. Wenn die Zeit zwischen T1 und T2 ungefähr 20 µs beträgt, so beträgt insbesondere die Zeit zwischen T2 und T3 mehr als 1.000 µs. Wie gezeigt werden wird, steht die Zeit T zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 in Beziehung zu der Entfernung R der Oberfläche 20 und zur Entfernung L die konstant ist. Wenn das System verwendet wird, um die Position eines Elementes wie beispielsweise eine Kameralinse zu steuern, so ist ein einziger Ausgangsimpuls entsprechend der Zeitdauer T alles was erforderlich ist, und das nächste Signal von der lichtemittierenden Diode 10 muß nicht angelegt werden bis eine neue Position des Elementes gefordert ist. In anderen Fällen, wenn beispielsweise ein Indikator angesteuert werden soll, ist ein kontinuierliches Ausgangssignal erforderlich. In einem solchen Fall kann die lichtemittierende Diode 10 getriggert werden, um einen neuen Energiestrahl auszusenden, sobald der Kreuzungspunkt 98 erreicht ist, indem sich die beiden Linien 94 und 96 schneiden. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wobei im Zeitpunkt T3 ein Signalaufbau entlang der Linien 60' und 62' erfolgt, auf welchen Aufbau die Abklinglinien 94' und 96' folgen, die sich dann erneut in einem neuen Schnittpunkt 98' kreuzen, um danach Signale 60" und 62" aufzubauen, auf die Abklinglinien 94" und 96" folgen usw.

Die Abklingspannung auf der Leitung 80 wird einem ersten Eingang eines Komparators 100 zugeführt und die Abklingspannung auf der Leitung 82 wird einem zweiten Eingang dieses Komparators 100 zugeführt. Der Komparator 100 vergleicht die Größe der beiden Eingangssignale und erzeugt ein Ausgangssignal nach der Zeit T, wenn die beiden Spannungen auf den Leitungen 80 und 82 ihre relative Polarität zueinander verändern. Dieses Zeitsignal wird von dem Komparator 100 einer Steuerung 110 über eine Leitung 112 zugeführt. Die Steuerung 110 kann ebenfalls ein Rückkopplungssignal auf einer gestrichelten Verbindungsleitung 114 erzeugen, um den Ansteuerschaltkreis 50 zur Ausgabe eines weiteren Triggerimpulses für die lichtemittierende Diode 10 zu veranlassen, wenn ein kontinuierliches Ausgangssignal gewünscht ist. In jedem Fall bildet der Ausgang der Steuerung 110 ein Signal, das zu der Zeitdauer T und somit, wie noch zu zeigen sein wird, zu der Entfernung der Oberfläche 20 in Beziehung steht. Dieses Ausgangssignal wird auf einer Leitung 116 einer Ausgangseinrichtung 118 zur Verfügung gestellt, die ein Anzeigegerät sein kann, um die Entfernung zu der entfernten Oberfläche anzuzeigen oder ein Steuerschaltkreis für eine automatisierte Einrichtung sein kann, wie beispielsweise ein Roboterarm oder die Linse einer Kamera.

Wenn der Ansteuerschaltkreis 50 eine Reihe von aufeinanderfolgenden Impulsen erzeugt, so daß die Detektoren D1 und D2 fortwährend auf ihre Spitzenwerte aufgeladen werden und sodann auf die Kreuzungspunkte 98, 98', 98", usw. abklingen, dann ist das Ausgangssignal der Steuerung 110 in seiner Frequenz auf die Zeitdauer T bezogen, innerhalb der Periode, in der die Ansteuerung wirksam ist. Insbesondere ist erkennbar, daß bei einem Anwachsen von T in Fig. 2 entsprechend einem geringeren Abstand R die Ausgangsfrequenz abfällt, während bei einer Abnahme von T entsprechend einem größeren Abstand R die Frequenz zunimmt. Die Frequenz ist somit zu T umgekehrt proportional und wie gezeigt werden wird, ist T umgekehrt proportional zu dem Abstand R. Die Frequenz steht somit in direkter Beziehung zu dem Abstand R, so daß die Ausgangseinrichtung 118 lediglich einen Frequenz/Spannungswandler aufweisen muß, um die Position direkt anzuzeigen. Ein solcher Schaltkreis ist in Fig. 5 dargestellt, wo ein Frequenz/Spannungswandler 136 das Signal auf der Leitung 116 in Fig. 1 zugeführt erhält und ein Ausgangssignal auf einer Leitung 138 erzeugt, das einem Spannungsmesser 140 zugeführt wird. Wenn das System nur einmal betätigt wird, um einen einzigen Ausgangs­ impuls auf der Leitung 116 entsprechend der Zeitdauer T zu erzeugen, so kann ein solches Signal verwendet werden, um die Position eines Objektes, wie beispielsweise eine Kameralinse zu steuern, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wird. In diesem letzteren Fall ist das durch die gestrichelte Linie 114 in Fig. 1 dargestellte Rückführungssignal nicht erforderlich. Der einzige Impuls, der auf die Zeitdauer T bezogen ist, ist vorteilhaft für die Positionierung einer Kameralinse, da T umgekehrt proportional zu R ist und somit für die Verschiebung der Kameralinse in die geeignete Fokussierstellung herangezogen werden kann, wie dies weiter unten noch erläutert wird.

Wenn "E" die Bestrahlung des Fleckes zwischen den Punkten 22 und 24 auf der Oberfläche 20 darstellt, "p" der Reflexionsfaktor der Oberfläche 20 ist, "a" die Fläche der Detektoren 30 und 40 repräsentiert und "A" die Flächengröße des Flecks auf der Oberfläche 20 zwischen den Punkten 22 und 24 darstellt, so ist das Ausgangssignal des Detektors 30 durch folgenden Ausdruck:

gegeben, während das Ausgangssignal des Detektors 40 durch folgenden Ausdruck:

vorgegeben ist.

Zur Vereinfachung kann man definieren:

so daß sich Gleichung (1) auf folgenden Ausdruck:

und Gleichung (2) auf folgenden Ausdruck:

reduziert.

An dieser Stelle sei vermerkt, daß beim Dividieren von V1 und V2 k herausfällt und sich eine nichtlineare Beziehung für R ergibt. Somit können gewünschtenfalls die Werte V1 und V2 einem Computer zur Verhältnisbildung zugeführt wer­ den, der dann ein Ausgangssignal entsprechend R erzeugt. Natürlich kann der Computer das Ausgangssignal charakter­ isieren, um es linear zu machen. In der bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung wird jedoch aus Kostengründen auf die Verwendung eines Computers verzichtet.

Wenn der Kondensator 84 mit C1 und der Widerstand 88 mit R1 und der Kondensator 86 mit C2 und der Widerstand 90 mit R2 bezeichnet ist, so sind die Abklingspannungen durch folgende Gleichungen gegeben:

wobei t die Abklingzeit und e die natürliche logarith­ mische Basis darstellt. Im Zeitpunkt T3, wenn die Abklingspannungen V1' und V2' einander gleich sind, gilt:

Dividiert man V1 durch V2, so erhält man:

und setzt man die Gleichungen (4) und (5) in die Gleichung (9) ein, so ergibt sich:

Da die Widerstände und Kondensatoren konstant sind, kann man definieren:

wobei vermerkt sei, daß q durch die Zeitkonstanten der Abklingschaltkreise vorgegeben ist und negativ ist, da R1C1 < R2C2 ist.

Aus Gleichung (10) wird sodann:

welche in folgender Weise neu angeschrieben werden kann:

und unter erneuter Vereinfachung zu folgender Gleichung führt:

Schreibt man den Ausdruck e^-Tq/2 als eine Reihenentwicklung an, so erhält man:

Der Wert dieser Reihenentwicklung ist nahezu gleich den ersten beiden Ausdrücken, so daß man folgende Vereinfachung vornehmen kann:

Erinnert man sich, daß q eine Konstante ist und einen negativen Wert besitzt, so ergibt sich folgende Beziehung:

wobei K = - 2|q und erkennbar ist, daß die Entfernung zu der Oberfläche sich umgekehrt proportional zu der Zeitperiode T verhält.

Eine Aufzeichnung der Entfernung R zu der Oberfläche über der Zeitperiode T ist in Fig. 3 dargestellt, wobei ein Wert für q von -16 angenommen worden ist. Es ist ersichtlich, daß die Entfernung zu der Oberfläche in mm in bezug auf die Zeitperiode in ms gemäß der Kurve 120 eine Veränderung erfährt. Die Form der Kurve 120 ist sehr ähnlich zu der Beziehung für die Linsenbewegung einer Kamera, welche durch folgenden Ausdruck vorgegeben ist:

wobei f der Linsenbrennweite entspricht und s die Oberflächenentfernung entsprechend R in Fig. 1 darstellt. Diese Kurve ist in Fig. 3 entlang einer Linie 122 aufgezeichnet, wobei angenommen worden ist, daß die Brennweite f 50 mm beträgt. Es ist ersichtlich, daß die beiden Kurven nahezu identisch sind und dementsprechend das auf die Zeitperiode T bezogene Ausgangssignal verwendet werden kann, um die Position einer Linse direkt und linear zu steuern, ohne daß es einer Charakterisierung durch ein Computerprogramm bedarf, wie dies im Stand der Technik erforderlich war.

Ein System für die Positionierung einer Linse ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 ist eine Linse 150, die der Aufnahmelinse einer Kamera entsprechen kann, auf einer Einrichtung 152 gelagert bzw. mit dieser befestigt, die an ihrer Unterseite mit einem Sägezahn 154 versehen ist. Die Einrichtung 152 wird nach links durch eine Feder oder ein anderes Vorspannglied 160 gezogen, die mit einem Gehäuse 162 verbunden ist. Die Einrichtung 152 wird an einer Bewegung nach links durch ein L-förmiges schwenkbares Glied 164 gehindert. Das L-förmige Glied 164 ist um einen Schwenkpunkt 166 im Gegenuhrzeigersinn bewegbar, wenn eine Spule 170 an ihrem Eingang 176 mit einem Signal beaufschlagt wird. Der Eingang 176 kann an die Ansteuerschaltung 50 angeschlossen sein, so daß er ein Signal von dem Monoflop im Zeitpunkt T2 zugeführt erhält, wenn die lichtemittierende Diode 10 einen Impuls abstrahlt. Während die Zeitperiode T zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 gemessen wird, ist die Zeitperiode zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 so kurz im Vergleich zu der Zeitperiode zwischen den Zeitpunkten T2 und T3, daß für praktische Zwecke das Signal am Eingang 176 im Zeitpunkt T1 bzw. T2 oder irgendwann dazwischen auftreten kann, ohne daß die Genauigkeit des Systems beeinflußt wird. Ein Signal am Eingang 176 aktiviert die Spule 170 und dreht das Glied 164, wodurch die Einrichtung 152 für eine Bewegung nach links unter der Vorspannung der Feder 160 freigegeben wird. Die mit der Einrichtung 152 verbundene Linse 150 bewegt sich somit in Richtung des Pfeiles 180 bei einer Erregung der Spule 170.

Ein Stoppglied in Form eines Keiles 184 ist mit einer zweiten Spule 186 verbunden, der an einem Eingang 188 das Ausgangssignal des Komparators 100 auf der Leitung 112 zu dem Zeitpunkt zugeführt wird, wo die beiden Kurven gemäß Fig. 2 zu dem Kreuzungspunkt 98 abgeklungen sind, was im Zeitpunkt T3 der Fall ist. Wenn dem Anschluß 188 ein Signal zugeführt wird, so wird der Keil 184 nach oben bewegt, um in den Sägezahn der Einrichtung 152 einzugreifen und die Bewegung der Einrichtung 152 zusammen mit der Linse 150 zu beenden. Eine Linearisierungseinrichtung, die durch einen Malteserkreuz-Mechanismus 190 vorgegeben sein kann, ist mit der Linse 150 und der Einrichtung 152 verbunden, wie dies durch die gestrichelte Linie 192 angedeutet ist und gestattet der Linse 150 eine Bewegung nach links mit einer linearen Geschwindigkeit anstelle einer beschleunigten Bewegung, wie diese normalerweise durch die Feder 160 verursacht wird.

Da die Zeitdauer zwischen dem Start der Bewegung der Einrichtung 152 durch die Spule 170 und dem Anhalten der Bewegung durch die Spule 186 der Zeitperiode T in Gleichung (17) entspricht und da die Bewegung der Linse 150 linear erfolgt, wird die Linse 150 in eine Position bewegt, in der sie eine Fokussierung des entfernten Objektes 20 auf einer nicht dargestellten Filmebene erzeugt. Dies ist der Fall, da die Verschiebung der Linse 150 einer Kurve gemäß 122 in Fig. 3 folgt, die in enger Zuordnung zu der Kurve 120 steht, die die Entfernung der Oberfläche im Vergleich zu der Zeitdauer T repräsentiert.

Es besteht die Möglichkeit, daß das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel auch mit zwei lichtemittierenden Dioden und einem einzigen Detektor betrieben werden kann, entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der eingangs erwähnten älteren Anmeldung, wobei dies jedoch die Unterscheidung bzw. Charakterisierung der Strahlung von zwei Quellen erfordert, um sie getrennt verwenden zu können, und wobei ferner die Temperaturabhängigkeit der beiden lichtemittierenden Dioden berücksichtigt werden muß. Demgemäß ist die Verwendung einer einzigen lichtemittierenden Diode und zweier Detektoren in der zuvor beschriebenen Weise als bevorzugt anzusehen.

Es sei ferner vermerkt, daß anstelle der beiden Detektoren in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Detektor verwendet werden kann, wenn eine bewegliche Vorrichtung verwendet wird, um die optische Entfernung des Detektors zu verändern. Wird beispielsweise ein erster Strahlungsimpuls an einer ersten Position detektiert und das entsprechende Signal gespeichert und sodann die optische Entfernung zu dem Detektor verändert, indem der Detektor bewegt oder eine Linse eingesetzt wird, so kann ein zweiter Strahlungsimpuls danach festgestellt und das sich ergebende Signal gespeichert werden. Die zwei gespeicherten Signale können sodann in der beschriebenen Weise miteinander verglichen werden und es kann ein resultierendes Signal erzeugt werden, das in Beziehung zu der Zeitperiode T steht und somit die Entfernung zu dem entfernten Objekt angibt.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines Objektes aufweisend:
eine energieerzeugende Einrichtung (10) zur Abstrahlung eines Energieimpulses zu einer entfernten Oberfläche (20), um einen Energiefleck darauf zu bilden;
eine erste energieempfindliche Einrichtung (30) in einer unbekannten Entfernung (R) von der Oberfläche (20) für den Empfang von Energie, die von wenigstens dem ganzen Fleck reflektiert wird, und zur Erzeugung eines ersten Ausgangssignales, das auf einen ersten Wert (V1) anwächst entsprechend der von der ersten energieempfindlichen Einrichtung während einer ersten Zeitperiode (T1-T2) empfangenen Energie;
eine zweite energieempfindliche Einrichtung (40) in einer gegenüber der ersten energieempfindlichen Einrichtung (30) um eine vorbestimmte optische Entfernung (R + L) weiter von der Oberfläche (20) entfernten Position für den Empfang von Energie, die von wenigstens dem ganzen Fleck reflektiert wird, und zur Erzeugung eines zweiten Ausgangssignales, das auf einen zweiten Wert (V2) anwächst entsprechend der von der zweiten energieempfindlichen Einrichtung während der ersten Zeitperiode (T1-T2) empfangenen Energie;
eine erste Abklingeinrichtung (84, 88), der das erste Ausgangssignal von der ersten energieempfindlichen Einrichtung (30) zugeführt wird;
eine zweite Abklingeinrichtung (86, 90), der das zweite Ausgangssignal von der zweiten energieempfindlichen Einrichtung (40) zugeführt wird; und
eine an die erste und zweite Abklingeinrichtung angeschlossene Vergleichseinrichtung (100) zur Erzeugung eines dritten Ausgangssignales (112) entsprechend einer zweiten Zeitperiode (T2-T3), die eine Funktion der relativen Zeit (T) ist, welche von den ersten und zweiten Ausgangssignalen für den Abfall auf einen gleichen Wert benötigt wird, wobei die zweite Zeitperiode eine Funktion der unbekannten Entfernung (R) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Abklingeinrichtungen so gewählt sind, daß das erste Ausgangssignal schneller als das zweite Ausgangssignal abklingt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Abklingeinrichtungen durch erste und zweite RC-Netzwerke (84, 88; 86, 90) vorgegeben sind, wobei das zweite RC-Netzwerk eine größere Zeitkonstante als das erste RC-Netzwerk aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsenergieimpuls eine Dauer aufweist, der der ersten Zeitperiode (T1-T2) entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine bewegliche Einrichtung (150), der das dritte Ausgangssignal (112) zugeführt wird, um in eine Position entsprechend der unbekannten Entfernung bewegt zu werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Einrichtung durch eine Kameralinse (150) vorgegeben ist, die entsprechend dem dritten Ausgangssignal in eine geeignete Fokussierstellung bewegt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zeitperiode (T2-T3; T) eine umgekehrte Funktion der unbekannten Entfernung (R) ist und daß die Kameralinse in die geeignete Fokussierstellung in direkter Abhängigkeit von der dritten Zeitperiode bewegt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Lineareinrichtung (190), die mit der Kameralinse (150) verbunden ist, um diese linear zu bewegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rückführung (112, 110, 114, 50, 52) von der Vergleichseinrichtung (100) zu der energieerzeugenden Einrichtung (10), um diese zu der Erzeugung von weiteren Strahlungsenergieimpulsen am Ende einer jeden aufeinanderfolgenden zweiten Zeitperiode zu veranlassen, wobei die Frequenz des dritten Ausgangssignales eine direkte Funktion der unbekannten Entfernung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Ausgangseinrichtung (136-140), die auf die Frequenz des dritten Ausgangssignales anspricht, um die unbekannte Entfernung anzuzeigen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung einen Frequenz/Spannungswandler (136) und ein Spannungsmeßgerät (140) umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (16, 18) zur Begrenzung des gerichteten Strahlungsenergieimpulses auf einen ersten vorbestimmten Winkel.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch zweite und dritte Einrichtungen (38, 48) zur Begrenzung der durch die ersten und zweiten energieempfindlichen Einrichtungen (30, 40) empfangenen reflektierten Energie auf zweite und dritte vorbestimmte Winkel.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung ein lichtundurchlässiges Glied (16) mit einer ersten Blendenöffnung (18) umfaßt, durch welche Öffnung der Strahlungsenergieimpuls gerichtet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Einrichtung ein lichtundurchlässiges Glied (16) mit zweiten und dritten Blendenöffnungen (38, 48) umfaßt, durch welche die reflektierte Energie durch die ersten und zweiten energieempfindlichen Detektoren empfangen wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Auswertung folgender Beziehung:
wobei
T = Abklingzeitperiode T2
K = Konstante, vorgegeben durch die Komponenten der beiden Abklingeinrichtungen,
R = unbekannte Entfernung zu dem Objekt; und
L = Unterschied zwischen beiden optischen Entfernungen.