JPH0799333B2

JPH0799333B2 - 離れている物体までの距離を測定する方法および距離測定装置

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Publication number: JPH0799333B2
Application number: JP62277539A
Authority: JP
Inventors: ノーマン・エル・スタウフア
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテツド
Priority date: 1986-11-04
Filing date: 1987-11-04
Publication date: 1995-10-25
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: CA1284202C; US4716430A; DE3736987C2; DE3736987A1; JPS63186107A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は距離測定装置および距離測定方法に関するもの
である。

〔先行技術〕

本願出願人が譲受けた1986年７月７日付の未決の米国特
許出願第883,289号（1985年８月21日付の米国特許出願
第767,979号の一部継続出願）明細書には、表面または
物体までの距離をその表面またはその物体自体に直接接
触することなしに決定するのに有用である光学的近接セ
ンサが記載されている。それらの近接センサはプロセス
制御において、および写真撮影において離れている物体
までの距離を決定するのに有用である。

上記の未決の米国特許出願に記載されている技術の一実
施例においては、発光ダイオードのような２個のエネル
ギー放出源が、離れている表面に対し、それから僅かに
異なる２つの距離から光を投射するために設けられる。
表面から反射されたエネルギーは検出され、受けた光束
に従つて結果出力信号を発生する。この場合には、２つ
のエネルギー発生器は異なる位相角で変調され、検出器
により発生された出力信号の位相が離れている表面まで
の距離に関連づけられていることが記載されている。そ
の技術の第２の実施例においては、エネルギーを離れて
いる表面へ送るために１つのエネルギー放出源が用いら
れ、その表面から異なる距離に置かれている２つの検出
器が反射エネルギーを受ける。一方の検出器の出力の位
相が他方の検出器の出力の位相と異ならせられて結果出
力信号を発生する。その結果出力信号の位相はその表面
までの距離に関連することが示されている。その第２の
実施例の１つの利点は、発光ダイオードが温度に敏感
で、２個以上の発光ダイオードを用いた場合には温度変
化に良く追従できないことがあり、１個の発光ダイオー
ドでは温度変化が装置の強度に影響しないことである。

両方の実施例は移相器と同期検出器を用いており、その
ために装置の構成が複雑となり、かつ価格が高くなる。

〔発明の概要〕

本発明は、その好適な実施例において、発光ダイオード
をパルス状に動作させ、異なる距離に配置されている２
つの検出器にパルスの持続中に表面から反射されたパル
スエネルギーを受けさせて、検出器の出力をピーク値ま
で上昇させることにより、移相器と同期検出器を用いる
必要をなくすものである。表面に近い方の検出器により
発生された出力のピーク値は、表面から遠い方の検出器
により発生された出力のピーク値より大きく、それらの
出力が並列に接続されている抵抗とコンデンサの回路の
ような減衰回路へ与えられると、それらの出力は異なる
率で減衰する。大きい方のピーク値に関連する減衰回路
の減衰率により大きい方のピーク値を有する出力が速く
減衰すると、減衰中に２つの値が等しくなる点があり、
その等しくなる点と減衰が始つた点の間の経過時間が離
れている表面までの距離に関連することが見出された。
好適な実施例においては、カメラの対物レンズを正しい
焦点位置まで動かすためにその時間を使用でき、かつそ
の距離を指示器に指示させるためにその時間を使用する
こともできる。また、レンズの繰出しと自動焦点カメラ
の正しい焦点位置の間の関係に非常に類似する関係で出
力が離れている物体までの距離によつて変化するという
ことが、自然焦点カメラに本発明を使用することから得
られる別の利点であることも見出されている。したがつ
て、レンズを直線的に駆動できる。このことはカメラの
焦点装置においては非常に有利である。というのは、レ
ンズを駆動するために出力を特徴づけるのにマイクロプ
ロセツサその他の類似の装置を必要としないからであ
る。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

第１図には、赤外線のような放射のビームを放出してい
る発光ダイオード（LED）10が示されている。第１の開
口部18を有する不透明なバツフル16が放射を所定の角度
に制限する。したがつて、発光ダイオード10からの放射
は離れている表面すなわち物体20に入射して、その表面
上にスポツト22,24として示されている限界の間に光す
なわちエネルギーのスポツトを形成する。スポツトから
反射されたエネルギーが、表面が完全な鏡面であれば生
じないような種々の角度をとるように、表面20は少くと
も部分的に拡散性の表面であることが好ましい。

表面20から距離Ｒの位置に置かれている第１の検出器
（D1）30が、破線32,34で示されている経路に沿つて表
面20から反射されたエネルギーを受ける。バツフル16に
は第２の開口部38が設けられる。その第２の開口部38
は、装置の距離全体にわたつて点22と24の間の少くとも
全てのスポツトを含む点26と28の間の領域から反射され
たエネルギーが第１の検出器30に到達できるようにする
のに十分広い。いいかえると、表面が種々の距離をとつ
た時に経路32,34に対するスポツトの位置が変化して
も、第１の検出器30は表面20の上に発光ダイオード10に
より発生された全スポツトを「見る」ことができる。

表面20と第１の検出器30の間の距離より大きな距離Ｌだ
け表面20から離れた位置に設けられている第２の検出器
（D2）40が、表面20から反射されて破線42,44で示され
ている経路に沿つて来た放射を受ける。第１図には第１
の検出器30と表面20の間の距離Ｒより長い距離Ｌだけ表
面20から離れている位置に第２の検出器40を物理的に配
置した様子を示したが、一方の検出器または両方の検出
器にレンズを使用でき、それらのレンズの映像の位置の
差が距離Ｌを構成する。そのようなレンズの焦点距離を
正しく選択することにより、両方の検出器を表面20から
同じ距離の所に物理的に位置させることができる。こう
することは、ハウジングの寸法を小さくする必要がある
時に有利である。したがつて、ここでは距離Ｌは光学的
距離と見なすべきであつて、必ずしも物理的距離ではな
い。バツフル16に設けた第３の開口部48により、表面と
第１の検出器30の間の距離と同じ全ての距離に対して、
発光ダイオード10により発生された点22と24の間の全て
のスポツトを第２の検出器40は「見る」ことができる。
第１図においては両方の検出器30,40により「見られ
る」領域は同じである（点26と28の間の領域）。しかし
通常はそのようなことはないが、この装置により背景の
照明が除去されるから、両方の検出器が点22と24の間の
スポツト全部を「見る」限りそれは問題ではない。

ワンシヨツトマルチバイブレータ（たとえば、ナシユナ
ル・セミコンダクタ社（National Semiconductor In
c.）により販売されている7465123型マルチバイブレー
タ）を含むことができる駆動回路50が、発光ダイオード
10を駆動するために接続されている出力端子52にパルス
を生ずる。出力端子52に生じたパルスの持続時間は希望
する任意の短い時間とすることができるが、ここで説明
している実施例においては、20マイクロ秒のパルスが満
足できることが見出されている。したがつて、発光ダイ
オード10の出力は表面20の上にスポツトを生ずるエネル
ギービームであり、反射されたエネルギーを受けた検出
器30,40は線54,56にそれぞれ出力を生ずる。それらの出
力は表面20からの反射により受けられたエネルギーの量
すなわちエネルギー束に関連し、そのエネルギーの量は
表面までの距離に関連する。検出器30と表面20の間の距
離は検出器40と表面20の間の距離より短いから、検出器
30は検出器40より多くの放射束を受け、線54に生ずる出
力は、発光ダイオード10からのパルスの持続時間中に、
線56に生ずる出力よりも高い値まで累積される。検出器
30,40からそれぞれ線54,56に与えられて累積される出力
の状況が第２図の時刻T1とT2の間に生ずるカーブ60,62
によりそれぞれ示されている。カーブ60は検出器30から
線54へ与えられた出力を表し、時刻T2には電圧V1となつ
たことが示されている。カーブ62は検出器40から線56へ
与えられた出力を表し、時刻T2には電圧V1より低い電圧
V2となつたことが示されている。

再び第１図を参照して、線54,56に生じた出力はコンデ
ンサ60,62へ与えられて、検出器の出力に存在する周囲
放射からのような直流信号を除去される。それからそれ
らの出力は増幅器64,66により増幅されてから、標本回
路70,72のような、ピーク信号を格納する回路へ与えら
れる。標本回路70,72の１つの簡単な態様はダイオード
である。ダイオードは、パルスの持続時間中に信号が増
加している間に増幅器64,66から流れ出る信号は通す
が、パルスがなくなつてそれらの増幅器へ流れこむ信号
は通さない。標本回路の別の例は増幅器64,66からの信
号を格納し、希望の時刻たとえばパルスが終つた時にサ
ンプル＝ホールド回路をトリガして、累積された信号を
下流側の装置へ与えるように、サンプル＝ホールド回路
を用いることである。そのために、駆動回路50から線7
4,76を介してトリガ信号を受けるために接続された回路
70,72が示されている。線74,76上の信号は駆動回路たと
えばワンシヨツトマルチバイブレータから与えられる。
それらの信号は、発光ダイオード10へ与えられる20マイ
クロ秒のパルスが終つた時に、線74,76を介して標本回
路へ与えることが好ましい。それらの信号は、時刻T2に
増幅器64,66から標本回路70,72へそれぞれ与えられた電
圧のピーク値を標本化させ、出力線80,82へ出力させ
る。電圧V1の大きさは、この実施例では約1.04ボルト、
電圧V2の大きさは約1.00ボルトにできる。この場合、距
離ＲとＬはそれぞれ約1m、約20mmである。

出力線80,82とアースの間にそれぞれコンデンサ84,86が
接続される。コンデンサ84と86に並列に抵抗88,90がそ
れぞれ接続される。それらのコンデンサと抵抗の組合わ
せにより２つの減衰回路が構成される。それらの減衰回
路は出力を受け、受けた出力を抵抗およびコンデンサの
値に応じた速さすなわち率で減衰させる。たとえばコン
デンサ84,86の容量が1000pF、抵抗88,90の抵抗値がそれ
ぞれ500Kオーム、1Mオームとすると、線80,82上の信号
の減衰は第２図にカーブ94,96で示すようなものとな
る。抵抗88の方が抵抗90より低い抵抗値を有するから、
カーブ94に沿う減衰率はカーブ96に沿う減衰率より高い
が、標本回路70からの電圧は標本回路72からの電圧より
高いから、カーブ94はカーブ96よりも高い値からスター
トする。したがつて、減衰が始つてからある時間経過し
た時刻T3において２つの電圧は等しくなり、２つのカー
ブは点98において交差し、別の電圧が与えられるまで減
衰を続ける。第２図に示すカーブは、図示を明確にする
ために、圧縮されているが、実際には点98は図示の位置
より更に右にある。具体的にいえば、時刻T1とT2の間の
時間が20マイクロ秒であるから、時刻T2とT3の間の時間
は1000マイクロ秒であることが一層ありそうである。後
で述べるように、時刻T2とT3の間の時間Ｔは表面20まで
の距離Ｒと、一定の距離Ｌとに関連する。カメラのレン
ズのような要素の位置を制御するためにこの装置が用い
られると、Ｔを示す１個の出力パルスが必要とされる全
てであり、要素の新しい位置が必要とされるまで発光ダ
イオード10からの次の信号を加える必要はない。指示器
を駆動するというような他の状況においては、連続出力
が望ましいことがある。その場合には、交点98（カーブ
94と96により示されている信号が極性を反転する点）に
達した時に、発光ダイオード10を直ちにトリガして新し
いエネルギービームを発生させるようにすることができ
る。このことが、第２図において、時刻T3の時に信号立
上りカーブ60′,62′により示されている。それらの信
号立上りカーブ60′,62′にそれぞれ減衰カーブ94′,9
6′が続き、新しい交点98′において信号立上りカーブ6
0″,62″が再じ生じ、それらの信号立上りカーブ60″,6
2″に減衰カーブ94″,96″がそれぞれ続く、等である。

線80上の減衰電圧は比較器100の第１の入力端子へ与え
られ、線82上の減衰電圧は比較器100の第２の入力端子
へ与えられる。そうすると比較器100はそれら２つの入
力を比較し、線80,82上の２つの電圧が相対極性を変化
するまでの時間Ｔに関連する出力を生ずる。その時間信
号は線112を介して制御器110へ与えられる。制御器110
は帰還信号を線114を介して駆動回路50へ与え、連続出
力が望ましい時に発光ダイオード10から別のエネルギー
パルスを発生させる。いずれの場合にも、制御器110の
出力は時間Ｔに関連し、したがつて表面20までの距離に
関連する信号である。その信号は線116を介して出力装
置（OUT）118へ与えられる。その出力装置は、離れてい
る表面までの距離を示す下流側指示器、またはロボツト
アームやカメラのレンズのような自動化された機器のた
めの制御回路とすることができる。

検出器30,40がピーク値まで常に充電され、それから交
点98,98′,98″等まで放電するように駆動回路50が一連
の連続パルスを発生するものとすると、制御器110から
の出力は、駆動回路50が動作している時間にわたつて時
間Ｔに関連する周波数となる。具体的にいえば、時間Ｔ
が長くなると（距離Ｒが短いことを示す）出力周波数が
低くなり、時間Ｔが短くなると（距離Ｒが長いことを示
す）出力周波数は時間Ｔの逆数に関連し、後で説明する
ように時間Ｔは距離Ｒの逆数に関連する。したがつて、
周波数は距離Ｒに直接関連するから、出力装置118は、
指示器を直接位置させるために、周波数−電圧変換器を
含むだけでよい。その回路を第５図に示す。この図で
は、周波数−電圧変換器136が第１図の線116から信号を
受け、出力を線138を介して電圧応答計140へ与える様子
が示されている。この装置が、時間Ｔを示す１個の出力
パルスを線116に生ずるために１回だけ動作するものと
すると、第４図を参照して後で説明するように、カメラ
レンズのような物体の位置を制御するためにその出力パ
ルスを使用できる。この場合には、第１図に破線114で
示されている帰還信号は不要である。先に述べたよう
に、時間Ｔは距離Ｒの逆数に関連し、したがつて正しく
ピントを合わせるために必要なレンズの移動距離の逆数
に関連するから、時間Ｔに関連する１個のパルスはカメ
ラレンズの位置ぎめに有利である。これについては後で
説明する。

Ｅを表面20上の点22と24の間のスポツトの輝度、Ｐは表
面20の反射率、ａを検出器30,40の面積、Ａを表面20上
の点22と24の間のスポツトの面積とすると、検出器30の
出力は次式で求められ、検出器40の出力は次式で求められる。

簡単にするために、とすると式（１），（２）は次のようになる。

ここで、V1とV2の比をとるとｋはなくなり、Ｒについて
非線形関係が得られることに注意すべきである。したが
つて、希望によつては、値V1とV2をコンピユータへ与え
ることができる。そのコンピユータはそれらの値の比を
計算して、距離Ｒを示す出力を生ずる。しかし、もちろ
ん、この実施例においては、構成を簡単にすることと、
コンピユータの使用に伴うコストの上昇を低減する方を
本願発明者は望む。

コンデンサ84,86をそれぞれC1,C2とし、抵抗88,90をそ
れぞれR1,R2とすると、減衰電圧は次式で表される。

ここに、ｔは減衰時間、ｅは自然対数の底である。減衰
電圧V1′とV2′が等しくなる時刻T3においては、 V1とV2で除すととなる。式（４），（５）を式（９）に代入すると抵抗とコンデンサの値は一定であるからとする。そうすると、ｑは減衰回路の時定数により定め
られ、しかもR1C1がR2C2より小さいから負である。そう
すると、式（10）はとなる。この式を次式のように書換える。

この式を再び簡単にすると、となる。式（14）において、ｅ^Tq/2を数列展開すると次
式のようになる。

この数列の値は初めの２つの項にほぼ等しいから、（1
4）式はほぼ次式に等しい。

ｑは負の定数であるからとなることがわかる。ここに、Ｋ＝−2/qである。した
がつて、表面までの距離は時間Ｔの逆数に比例して変化
する。

表面までの距離Ｒと時間Ｔとの関係を示すグラフを第３
図に示す。このグラフにおいてｑの値を−16と仮定し
た。表面までの距離（mm）はカーブ120に沿つて時間（m
s）とともに変化することがわかる。カーブ120の形は移動長さ＝f²/（Ｓ−ｆ）（18）で与えられるカメラレンズの移動長さについてのカーブ
に非常に類似する。（18）式でｆはレンズの焦点距離、
Ｓは第１図における距離Ｒに対応する表面までの距離で
ある。このカーブを、焦点距離ｆを50mmと仮定して、第
３図にカーブ122で示す。２つのカーブはほぼ同一であ
るから、従来の装置に必要であつた特徴づけまたはコン
ピユータ・プログラミングを必要とすることなしに、時
間Ｔに関連する出力を用いて、レンズの位置を直接かつ
直線的に制御できる。

レンズ位置ぎめ装置を第４図に示す。第４図において、
カメラの対物レンズとすることができるレンズ150が、
鋸歯状の下面154を持つ部材152に取付けられ、または連
結される。その部材は、ハウジング162に連結されてい
るばねその他の偏倚部材160により左方へ押される。部
材152の左方への動きはＬ形の旋回可能部材164により抑
制される。そのＬ形部材は、ソレノイド170の作用によ
り旋回点166を中心として逆時計回りに動くことができ
る。ソレノイド170の入力端子176は駆動回路50へ接続さ
れて、発光ダイオード10が発光させられる時間T2にワン
シヨツトマルチバイブレータから信号を受ける。時間Ｔ
は時刻T2とT3の間で計つているが、時刻T1とT2の間の時
間は時刻T2とT3の間の時間と比べて非常に短いから、実
際上の目的のためには、装置の確度に影響を及ばすこと
なしに、出力端子176へ与えられる信号は時刻T1,T2また
はT1とT2の間の任意の時刻とすることができる。入力端
子176に与えられた信号がソレノイドを動作させて部材1
64を回転させ、したがつて部材152を放してその部材を
ばね160の作用で左へ動かす。そのために、部材152に連
結されているレンズ150は矢印180の向きに動く。この動
作は時刻T3に開始される。

くさび184の態様のストツプ部材が第２のソレノイド186
に連結される。このソレノイド186は、第２図の２つカ
ーブが点98に達した時、すなわち、時刻T3に、比較器10
0からの出力信号を線112を介して入力端子188に受け
る。信号が入力端子188へ与えられると、くさび184が上
昇して部材152の鋸歯状部の１つに係合して、部材152と
レンズ150の動きを停止させる。ボツクス190として示さ
れているジユネーブ十字機構として構成できる直線装置
（LIN）が、破線192で示されている連結部によりレンズ
150と部材152へ連結され、ばね160により通常行われる
加速される速さではなくて、直線的な一定の速さでレン
ズ150を左へ動かす。

ソレノイド170による部材152の動きが開始された時刻
と、ソレノイド180によりその動きが停止された時刻と
の間の経過時間は（17）式中のＴに等しく、レンズ150
の動きは直線的であるから、レンズ50は離れている物体
20にピントが合つた条件をフイルムの面（図示せず）上
に生ずる位置まで動かされる。このことは、レンズ50の
移動が、カーブ120に沿う時間Ｔと比較して、表面すな
わち物体までの距離に非常に良く関連する第３図のカー
ブ122に似たカーブに従うから本当である。

以上説明した装置は、前記未決の米国特許出願の第１の
実施例に多少類似する発光ダイオード２個と検出器を１
個用いるものとは逆に動作させることが可能であるが、
その第１の実施例は、２つのエネルギー源からの放射を
別々に使用できるようにそれらの放射を区別する、すな
わち特徴づける操作を含み、しかも発光ダイオードの温
度特性が異なることによる問題も起る。したがつて、こ
こで説明した発光ダイオード１個と検出器２個を用いる
方が好ましい。

この実施例では２個の検出器を用いたが、各検出器の光
学距離を変化させるために可動装置を用いるならば、１
個の検出器を使用できることに注意すべきである。

たとえば、第１の位置で第１の放射パルスを検出してそ
れからの信号を格納し、それから検出器を動かし、また
はレンズを挿入することにより検出器までの距離を変え
たとすると、第２の放射パルスを検出して、それからの
信号を格納できる。格納した２つの信号を前記したよう
にして比較して、時間Ｔの関数、したがつて離れている
物体までの距離の関数である信号を発生できる。

以上説明した実施例における構造に対して多くの変更を
行えることは明らかである。たとえば、第４図に示すレ
ンズ駆動機構は、歯車駆動等を用いる別の多くの態様を
とることができる。また、前記したように、出力でカメ
ラのような離れた装置を制御するのでなく、指示器の位
置を制御するために出力を用いることもできる。同様
に、各種の駆動回路、標本回路および遅延回路を使用で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例の概略線図、第２図は第
１図の検出器の出力信号の上昇および減衰を示すグラ
フ、第３図はカメラレンズの移動距離と第１図に示す装
置の出力の関係を示すグラフ、第４図はカメラレンズの
焦点を合わせるために本発明の出力を用いる簡単なレン
ズ移動機構を示す概略線図、第５図は本発明の出力を用
いる計器のブロツク図である。 10……発光ダイオード、16……バツフル、30,40……検
出器、50……駆動回路、70,72……標本回路、100……比
較器、110……制御器、118……出力装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】A.放射光ビームを離れている物体へ送っ
て、その物体上に放射のスポットを形成する過程と、 B.上記スポットから反射された放射を第１の光学的距離
において検出し、それに従って第１の出力信号を発生す
る過程と、 C.上記スポットから反射された放射を第２の光学的距離
において検出し、それに従って第２の出力信号を発生す
る過程と、 D.光学的距離が近い方の出力信号がより高い率で減衰す
るように第１の時刻から第１の出力信号と第２の出力信
号が異なる率で減衰させ、光学距離が近い方の減衰する
出力信号と光学距離が遠い方の減衰する出力信号とが等
しくなる第２の時刻を決定する過程と、 E.離れている物体までの距離を決定するものとして、第
１の時刻と第２の時刻の間の時間の関数として結果出力
を発生する過程と、を備えることを特徴とする離れている物体までの距離を
測定する方法。
【請求項２】パルス状放射光ビームを離れている物体へ
送って、その物体上に放射のスポットを形成する光学エ
ネルギー発生手段と、完全な上記スポットから反射された放射を受けるために
位置づけられ、離れている物体から第１の光学的距離と
第２の光学的距離の所において受けた放射をそれぞれ示
す第１の出力信号と第２の出力信号を発生する放射検出
手段と、上記第１の出力信号及び上記第２の出力信号をそれぞれ
格納する第１及び第２の格納手段と、格納された上記第１の出力信号と上記第２の出力信号を
それぞれ受けるために接続され、第１の時刻に、上記第
１の出力信号と上記第２の出力信号を、より物体から近
い方の出力信号がより大きい率で減衰するように減衰さ
せる信号減衰手段と、減衰しつつある上記第１の出力信号と上記第２の出力信
号を受けるために接続され、減衰しつつある上記第１の
出力信号と上記第２の出力信号が相対的な極性を変える
第２の時刻に結果信号を発生する比較手段と、を備え、上記第１の時刻と上記第２の時刻の間の時間は
離れている物体までの距離を示すことを特徴とする離れ
ている物体までの距離を測定する距離測定装置。
【請求項３】光学エネルギーパルスを離れている物体の
表面へ送ってその表面上に光学エネルギーのスポットを
形成する光学エネルギー発生手段と、上記表面から未知の距離の所に位置づけられ、少なくと
も全体のスポットから反射された光学エネルギーを受け
る第１の光学エネルギー応答手段であって、第１の時間
中に受けた光学エネルギーを示す第１の値まで増加する
第１の出力を発生する第１の光学エネルギー応答手段
と、上記表面上記第１の光学エネルギー応答手段までの距離
より大きい所定の光学的距離の所に位置づけられ、少な
くとも全体のスポットから反射された光学エネルギーを
受ける第２の光学エネルギー応答手段であって、上記第
１の時間中に受けた光学エネルギーを示す第２の値まで
増加する第２の出力を発生する第２の光学エネルギー応
答手段と、上記第１の光学エネルギー応答手段に接続され、上記第
１の出力を受ける第１の減衰手段と、上記第２の光学エネルギー応答手段に接続され、上記第
２の出力を受け、上記第１の減衰手段よりも減衰率が小
さい第２の減衰手段と、上記第１の減衰手段と上記第２の減衰手段に接続され、
上記第１の出力と上記第２の出力が等しい値まで減衰す
るのに要する相対時間の関数である第２の時間を示す第
３の出力を発生する比較手段と、を備えることを特徴とする距離測定装置。