Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen
ist es daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entfernungsmessgerät bereitzustellen,
welches eine gepulste elektromagnetische Welle verwendet, durch
welche eine genaue Entfernungsmessung mit einer Kurzzeitreaktion durchgeführt werden
kann, selbst wenn eine Entfernung zwischen dem Gerät und einem
Objekt kurz ist.
Das heißt, das Entfernungsmessgerät umfasst:
einen
einzigen Projektor zum Projizieren der elektromagnetischen Welle
auf ein Objekt;
ein Verzweigungsmittel, welches zwischen dem
Projektor und dem Objekt angeordnet ist, um eine Bezugswelle zu
erhalten, welche von der elektromagnetischen Welle abgezweigt wird;
einen
einzigen Empfänger
zum Empfangen der Bezugswelle und einer Reflexionswelle, welche
erhalten wird, wenn die elektromagnetische Welle vom Objekt reflektiert
wird;
ein Verzögerungsmittel,
welches in einen optischen Weg für
die Bezugswelle eingeführt
wird, welcher sich vom Verzweigungsmittel ohne Durchlaufen des Objekts
zum Empfänger
erstreckt, um eine Verzögerungszeit
zum Verzögern
einer Bezugswellenempfangszeit bereitzustellen, zu welcher die Bezugswelle durch
den Empfänger
empfangen wird, so dass ein erster Zeitraum zwischen der Bezugswellenempfangszeit
und einer Projektionszeit der elektromagnetischen Welle, zu welcher
die elektromagnetische Welle vom Projektor projiziert wird, länger ist
als ein zweiter Zeitraum zwischen der Projektionszeit und einer
Reflexionswellenempfangszeit, zu welcher die Reflexionswelle durch
den Empfänger
empfangen wird; und
einen Prozessor zum Berechnen einer Zeitdifferenz zwischen
der Bezugswellenempfangszeit und der Reflexionswellenempfangszeit
aus den Ausgaben des Empfängers
und Bestimmen einer Entfernung zwischen dem Entfernungsmessgerät und dem
Objekt gemäß der Zeitdifferenz
und der Verzögerungszeit.
Da gemäß dem Entfernungsmessgerät der vorliegenden
Erfindung die Bezugswellenempfangszeit um die Verzögerungszeit
länger
als die Reflexionswellensempfangszeit ist, ist es möglich, das
Auftreten des Nachteils zu verhindern, dass die Bezugswelle mit
der Reflexionswelle überlappt
wird, wie in 24 dargestellt,
so dass die Entfernung nicht mit Genauigkeit gemessen werden kann.
Da insbesondere das Aufrechterhalten einer hohen Stärke der Bezugswelle
verhältnismäßig einfach
ist, hat ein Lichtverlust der Bezugswelle, welcher verursacht wird,
indem der Bezugswelle erlaubt wird, das Verzögerungsmittel, wie beispiels weise
eine optische Faser, zu passieren, um die Bezugswellenempfangszeit zu
verzögern,
keinen großen
Einfluss auf die Genauigkeit des Messens der Entfernung.
Wenn die elektromagnetische Welle
Licht ist, wird das Verzögerungsmittel
vorzugsweise durch eine optische Faser mit einer vorbestimmten Länge oder
eine Mehrzahl von Spiegeln, welche so angeordnet sind, dass sie
den optischen Weg für
die Bezugswelle verlängern,
bereitgestellt. Falls die optische Faser verwendet wird, ist es
möglich,
eine gewünschte
Verzögerungszeit
gemäß der Länge der optischen
Faser zu erhalten. Falls die Spiegel verwendet werden, ist es möglich, die
Verzögerungszeit selbst
in Gegenwart von Störfaktoren,
wie beispielsweise Änderungen
in der Umgebungstemperatur, stabil bereitzustellen.
Außerdem umfasst das Verzögerungsmittel vorzugsweise
eine Bezugswellenempfangsvorrichtung, welche verwendet wird, um
nur die Bezugswelle vom Verzweigungsmittel zu empfangen; eine Verzögerungsschaltung
zum Verzögern
eines Ausgangssignals, welches von der Bezugswellenempfangsvorrichtung
bereitgestellt wird; und eine Bezugswellensendevorrichtung zum Bereitstellen
einer Ausgabe der Verzögerungsschaltung
an den Empfänger.
Diese Ausführungsform
bewirkt, dass das Entfernungsmessgerät der vorliegenden Erfindung verkleinert
wird.
Das Verzögerungsmittel umfasst vorzugsweise
eine Verzögerungszeiteinstellvorrichtung
zum Ändern
der Verzögerungszeit.
Da in diesem Fall eine geeignete Verzögerungszeit gemäß der zu
messenden Entfernung ausgewählt
werden kann, ist es möglich,
die Entfernung mit einer verbesserten Ansprechgeschwindigkeit genau
zu bestimmen.
Das Entfernungsmessgerät umfasst
ferner vorzugsweise auch eine Temperaturausgleichseinheit zum Ausgleichen
von Schwankungen der Verzögerungszeit,
welche durch Änderungen
in der Umgebungstemperatur verursacht werden. In diesem Fall ist
es möglich,
die Messgenauigkeit ohne den Einfluss der Umgebungstemperatur stabil
zu halten.
Wenn die elektromagnetische Welle
Licht ist, umfasst das Entfernungsmessgerät ferner vorzugsweise eine
Lichtmengeneinstellvorrichtung zum Einstellen einer Lichtmenge wenigstens
der Reflexionswelle oder der Bezugswelle, welche durch den Empfänger empfangen
werden. Da das Einstellen der Lichtmenge der Reflexionswelle und/oder
der Bezugswelle bewirkt, dass Rauschkomponenten reduziert werden,
ist es möglich,
das Signal-Rausch-Verhältnis
zu verbessern und die Entfernung genauer zu bestimmen.
Der Prozessor erlaubt dem Projektor
vorzugsweise, die elektromagnetische Welle mehrere Male auf das
Objekt zu projizieren, und berechnet eine durchschnittliche Zeitdifferenz
zwischen der Bezugswellenempfangszeit und der Reflexionswellenempfangszeit
aus den Ausgaben des Empfängers, welche
jede Projektion der elektromagnetischen Welle bereitgestellt werden,
um die Entfernung gemäß der durchschnittlichen
Zeitdifferenz und der Verzögerungszeit
zu bestimmen. Diese Ausführungsform
ist besonders zweckmäßig, wenn
sie gebraucht wird, um die Entfernung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Außerdem
wird diese Ausführungsform
vorzugsweise verwendet, wenn eine Vormessung zum groben Bestimmen
der Entfernung bei Verwenden einer vorläufig bestimmten Verzögerungszeit
durchgeführt
wird und dann die Verzögerungszeit,
welche bei einer tatsächlichen
Messung zum genauen Messen der Entfernung verwendet wird, gemäß den Ergebnissen
der Vormessung eingestellt wird.
Das Verzögerungsmittel stellt die Verzögerungszeit
vorzugsweise länger
bereit, als ein Zeitraum ist, welcher benötigt wird, um der elektromagnetischen
Welle zu erlauben, das Zweifache einer größtmöglichen messbaren Entfernung
des Entfernungsmessgeräts
zu durchlaufen. Wenn die zu messende Entfernung kürzer als
die größtmögliche messbare
Entfernung ist, ist es möglich,
die Reflexionswelle sicher von der Bezugswelle zu trennen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Entfernungsmessverfahren bereitzustellen,
welches eine gepulste elektromagnetische Welle verwendet, durch
welche dieselben Vorteile wie zuvor beschrieben erreicht werden
können.
Das heißt,
das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Projizieren der
elektromagnetischen Welle von einem einzigen Projektor auf ein Objekt;
Empfangen durch einen Empfänger
einer Reflexionswelle, welche erhalten wird, wenn die elektromagnetische
Welle vom Objekt reflektiert wird;
Empfangen durch denselben
Empfänger
einer Bezugswelle, welche von der elektromagnetischen Welle abgezweigt
wird, bevor die elektromagnetische Welle das Objekt erreicht; und
Bestimmen
einer Entfernung vom Objekt gemäß den Ausgaben
des Empfängers;
wobei
das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Bezugswellenempfangszeit,
zu welcher die Bezugswelle durch den Empfänger empfangen wird, um eine
Verzögerungszeit
verzögert
wird, so dass ein erster Zeitraum zwischen einer Projektionszeit
der elektromagnetischen Welle, zu welcher die elektromagnetische
Welle vom Projektor ausgesendet wird, und der Bezugswellenempfangszeit
länger ist
als ein zweiter Zeitraum zwischen der Projektionszeit und einer
Reflexionswellenempfangszeit, zu welcher die Reflexionswelle durch
den Empfänger
empfangen wird, und die Entfernung vom Objekt gemäß der Verzögerungszeit
und einer Zeitdifferenz zwischen der Bezugswellenempfangszeit und
der Reflexionswellenempfangszeit bestimmt wird.
Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren
wird die Verzögerungszeit
vorzugsweise gemäß einer großen oder
kleinen Entfernung vom Objekt geändert.
Durch Auswählen
einer geeigneten Verzögerungszeit
ist es möglich,
die Entfernungsmessung wirksam durchzuführen.
Außerdem wird vorzugsweise eine
Vormessung zum groben Bestimmen der Entfernung vom Objekt bei Verwenden
einer vorläufig
bestimmten Verzögerungszeit
durchgeführt
und dann die Verzögerungszeit,
welche bei einer tatsächlichen
Messung zum genauen Messen der Entfernung verwendet wird, gemäß den Ergebnissen
der Vormessung eingestellt. Da die Ergebnisse der Vormessung nützlich sind,
um die geeignete Verzögerungszeit
auszuwählen,
ist es möglich,
die tatsächliche
Messung mit hoher Genauigkeit bestens durchzuführen. Insbesondere wenn die
elektromagnetische Welle bei der tatsächlichen Messung mehrere Male
auf das Objekt projiziert wird und eine durchschnittliche Zeitdifferenz zwischen
der Bezugswellenempfangszeit und der Reflexionswellenempfangszeit
aus den Ausgaben des Empfängers,
welche jede Projektion der elektromagnetischen Welle bereitgestellt
werden, berechnet wird, so dass die Entfernung gemäß der durchschnittlichen
Zeitdifferenz und der Verzögerungszeit
bestimmt wird, ist die Durchführung
der Vormessung empfehlenswert.
Überdies
wird vorzugsweise eine Vormessung zum groben Bestimmen der Entfernung
vom Objekt bei Verwenden einer vorläufig bestimmten Verzögerungszeit
durchgeführt
und dann eine Lichtmenge wenigstens der Reflexionswelle oder der
Bezugswelle, welche durch den Empfänger empfangen werden, bei
einer tatsächlichen
Messung zum genauen Messen der Entfernung gemäß den Ergebnissen der Vormessung
eingestellt. Durch Auswählen der
geeigneten Lichtmenge der Reflexionswelle und/oder der Bezugswelle
ist es möglich,
die Entfernung mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis zu
bestimmen.
Diese und noch andere Aufgaben und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, welche im Anschluss erklärt wird, unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen besser ersichtlich.
KURZE ERKLÄRUNG DER
BEILIEGENDEN ZEICHNUNGEN
1 ist
ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B zeigen schematische Darstellungen, welche
die Grundlagen eines Entfernungsmessverfahrens der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen;
3 ist
ein Ablaufdiagramm des Entfernungsmessverfahrens;
4A und 4B sind erläuternde Darstellungen, welche
Beispiele von Verzögerungsmitteln
veranschaulichen;
5 ist
ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts mit elektrischen Verzögerungsmitteln
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
6 ist
ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts mit einer Temperaturausgleichseinheit
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
7 ist
ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
8A bis 8C sind erläuternde Darstellungen, welche
Beispiele der Temperaturausgleichseinheit veranschaulichen;
9 ist
ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts mit einer anderen Temperaturausgleichseinheit;
10 ist
ein Ablaufdiagramm eines Entfernungsmessverfahrens gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
11 ist
eine erläuternde
Darstellung, welche ein Beispiel einer Verzögerungszeiteinstellvorrichtung
veranschaulicht;
12 ist
eine erläuternde
Darstellung, welche ein weiteres Beispiel der Verzögerungszeiteinstellvorrichtung
veranschaulicht;
13A bis 13C sind erläuternde Darstellungen, welche
ein anderes Beispiel der Verzögerungszeiteinstellvorrichtung
veranschaulichen;
14 ist
ein Ablaufdiagramm eines Entfernungsmessverfahrens gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
15A und 15B sind erläuternde Darstellungen, welche
ein Beispiel einer Lichtmengeneinstellvorrichtung veranschaulichen;
16 ist
eine erläuternde
Darstellung, welche ein weiteres Beispiel der Lichtmengeneinstellvorrichtung
veranschaulicht;
17 ist
eine erläuternde
Darstellung, welche ein anderes Beispiel der Lichtmengeneinstellvorrichtung
veranschaulicht;
18 ist
ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
19A und 19B sind ein Blockdiagramm eines Entfernungsmessgeräts, welches
einen optischen Schalter und einen Wellenleiter gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, beziehungsweise ein Zeitdiagramm, welches eine
Operation desselben Geräts
darstellt;
20 ist
ein Zeitdiagramm, welches eine Operation eines Entfernungsmessgeräts darstellt, welches
ein Gatter „G" gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
21 ist
ein Ablaufdiagramm der Operation des Entfernungsmessgeräts;
22 ist
ein Zeitdiagramm, welches eine Operation eines Entfernungsmessgeräts darstellt, welches
ein Paar Gatter „G0" und GI" gemäß einer anderen
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
23 ist
ein Ablaufdiagramm der Operation des Entfernungsmessgeräts; und
24 ist
eine schematische Darstellung, welche die Grundlagen eines herkömmlichen
Entfernungs-messverfahrens veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Gemäß den folgenden bevorzugten
Ausführungsformen
werden ein Entfernungsmessgerät
und -verfahren der vorliegenden Erfindung ausführlich erklärt. Es erübrigt sich jedoch zu erwähnen, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
1 zeigt
ein Entfernungsmessgerät
dieser Ausführungsform.
Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Projektor, wie beispielsweise
einen Halbleiterlaser, zum Aussenden eines gepulsten Laserlichts gemäß einer
Ausgabe einer Treiberschaltung 7. Ein Teil des ausgesendeten
Laserlichts wird durch ein Verzweigungsmittel, wie beispielsweise
einen Strahlenteiler 10, als eine Bezugswelle abgezweigt,
und der Rest passiert den Strahlenteiler. Das Laserlicht, welches
den Strahlenteiler 10 passiert hat, wird durch ein Objekt 9 reflektiert,
um eine Reflexionswelle bereitzustellen. Die Reflexionswelle wird
durch einen Empfänger 2,
wie beispielsweise eine Photodiode, durch eine Linse (nicht dargestellt)
empfangen. Andererseits wird die Bezugswelle durch denselben Empfänger 2 durch
eine optische Faser 8 empfangen, welche als Verzögerungsmittel,
das später
erklärt
wird, verwendet wird. Daher werden die Bezugs- und Reflexionswellen
aus dem gepulsten Laserlicht, welches durch den einzigen Projektor 1 bereitgestellt wird,
erhalten und bei verschiedenen Zeiteinstellungen durch den einzigen
Empfänger 2 empfangen.
Ein Verstärker 3 verstärkt die
Ausgaben des Empfängers 2.
Die verstärkten
Ausgaben werden dann zum selektiven Erzeugen einer Bezugswellentrennmaske
und einer Reflexionswellentrennmaske an eine Maskeneinheit 4 gesendet.
Wenn die Maskeneinheit 4 die Bezugs wellentrennmaske erzeugt, können nur
Signalkomponenten, welche der Bezugswelle entsprechen, die Bezugswellentrennmaske passieren.
Wenn im Gegenteil die Maskeneinheit 4 die Reflexionswellentrennmaske
erzeugt, können
nur Signalkomponenten, welche der Reflexionswelle entsprechen, die
Reflexionswellentrennmaske passieren. Die Erzeugungen der Bezugswellentrennmaske und
der Reflexionswellentrennmaske können
durch Verwendung eines analogen Schalters oder einer Gatterschaltung
umgeschaltet werden.
Die Ausgaben der Maskeneinheit 4 werden in
eine Zählschaltung 5 eingegeben.
Die Zählschaltung 5 hat
eine Taktfunktion. Das heißt,
die Zählschaltung 5 misst
innerhalb einer Periode zum Erzeugen der Bezugswellentrennmaske
einen ersten Zeitraum (T1) zwischen einer Laserprojektionszeit,
zu welcher das Laserlicht vom Projektor 1 projiziert wird, und
einer Bezugswellenempfangszeit, zu welcher die Bezugswelle durch
den Empfänger 2 empfangen wird,
und innerhalb einer Periode zum Erzeugen der Reflexionswellentrennmaske
einen zweiten Zeitraum (T2) zwischen der Laserprojektionszeit und
einer Reflexionswellenempfangszeit, zu welcher die Reflexionswelle
durch den Empfänger 2 empfangen
wird. Die Auswahl zwischen der Bezugswellentrennmaske und der Reflexionswellentrennmaske
kann durch die Zählschaltung 5 gesteuert
werden.
Wenn übrigens die Entfernung zwischen dem
Gerät und
dem Objekt 9 kurz ist, ist eine Bezugsimpulswelle S auf
der Zeitachse dicht neben einer Reflexionsimpulswelle R positioniert,
wie in 2A dargestellt. Es ist daher
schwierig, die Reflexionsimpulswelle R und die Bezugsimpulswelle
S voneinander zu trennen. In dieser Ausführungsform wird eine optische
Faser 8 in einen optischen Weg für die Bezugswelle eingeführt, welcher
sich vom Strahlenteiler 10 ohne Durchlaufen des Objekts 9 zum
Empfänger 2 erstreckt.
Da die optische Faser 8 eine Länge aufweist, welche genügend länger als
die Entfernung zwischen dem Gerät
und dem Objekt 9 ist, ist die Bezugswellenempfangszeit
verzögert
als die Reflexionswellenempfangszeit. Daher fungiert die optische Faser 8 als
das Verzögerungsmittel
zum Bereitstellen einer Verzögerungszeit
(Td) zum Verzögern
der Bezugswellenempfangszeit, wie in 2B dargestellt, so
dass der erste Zeitraum (T1) zwischen der Bezugswellenempfangszeit
und der Laserlichtprojektionszeit länger als der zweite Zeitraum
(T2) zwischen der Laser lichtprojektionszeit und der Reflexionswellenempfangszeit
ist. Durch Einführen
der optischen Faser 8 als das Verzögerungsmittel ist es möglich, eine
Situation zu verhindern, bei welcher die Reflexionsimpulswelle R
mit der Bezugsimpulswelle S überlappt
wird, und daher die Entfernung genau zu bestimmen, selbst wenn die
Entfernung zwischen dem Gerät
und dem Objekt verhältnismäßig kurz
ist.
Der erste Zeitraum (T1) ist gleich
einer Summe einer Zeitkomponente (Ts), wie beispielsweise einer
Ansprechgeschwindigkeit des Empfängers 2, und
der zuvor beschriebenen Verzögerungszeit
(Td), d.h., Ts + Td. Der zweite Zeitraum (T2) ist gleich einer Summe
der Zeitkomponente (Ts) und einer Zeitkomponente (TL), welche sich
gemäß der Entfernung zwischen
dem Gerät
und dem Objekt 9 ändert,
d.h., Ts + TL. Wie daraus zu erkennen ist, ist eine Differenz zwischen
der Reflexionswellenempfangszeit und der Bezugswellenempfangszeit
(T1 – T2)
gleich „Td – TL". Daher kann die
Zeitkomponente TL durch „Td – (T1 – T2)" bestimmt werden.
Um die Messgenauigkeit weiter zu
verbessern, werden die zuvor beschriebenen Prozeduren zum Messen
des ersten und des zweiten Zeitraums vorzugsweise bei einer vorgegebenen
Anzahl von Malen (N) wiederholt. Wenn die vorgegebene Anzahl von
Malen (N) zum Beispiel 10.000 ist, wird die Messung jeden der ersten
und zweiten Zeiträume
10.000 Male wiederholt, so dass eine erste summierte Zeit (S1),
welche einer Gesamtheit der ersten Zeiträume, welche 10.000 Male gemessen
wurden, entspricht, und eine zweite summierte Zeit (S2), welche
einer Gesamtheit der zweiten Zeiträume, welche 10.000 Male gemessen
wurden, entspricht, erhalten werden. Die ersten und zweiten summierten
Zeiten, welche durch die Zählschaltung 5 gemessen
wurden, werden an einen Prozessor 6 gesendet. Im Prozessor 6 wird
die Entfernung zwischen dem Gerät
und dem Objekt 9 gemäß den ersten
und zweiten summierten Zeiten (S1, S2), der vorgegebenen Anzahl
von Malen (N) und der Verzögerungszeit
(Td) bestimmt. Das heißt,
die Entfernung kann gemäß der Verzögerungszeit
(Td) und einer durchschnittlichen Zeitdifferenz zwischen der Bezugswellenempfangszeit
und der Reflexionswellenempfangszeit, welche durch Berechnen von
(S1 – S2)/N
erhalten wird, bestimmt werden.
3 ist
ein schematisches Ablaufdiagramm des zuvor erklärten Entfernungsmessverfahrens.
Die Maskeneinheit 4, die Zählschaltung 5, der Prozessor 6 und
eine Treiberschaltung 7 zum Steuern der Sendezeiteinstellungen
eines gepulsten Laserlichts von einem Projektor 2, welche
in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-124855 A offenbart wurden,
können
für das
Entfernungsmessgerät der
vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Wenn übrigens die optische Faser 8,
welche eine feste Länge
aufweist, als das Verzögerungsmittel
verwendet wird und die Entfernung zwischen dem Gerät und dem
Objekt 9 beinahe gleich der festen Länge der optischen Faser ist,
besteht eine Befürchtung,
dass die Bezugsimpulswelle auf der Zeitachse mit der Reflexionsimpulswelle überlappt
wird. In einem derartigen Fall ist vorzugsweise die Gesamtlänge der
optischen Faser 8 länger
als das Zweifache einer größtmöglichen
messbaren Entfernung des Entfernungsmessgeräts. Mit anderen Worten, die
Gesamtlänge
der optischen Faser 8 wird vorzugsweise so festgelegt,
dass sie die Verzögerungszeit
bereitstellt, welche länger
als ein Zeitraum ist, der benötigt wird,
um dem Laserlicht zu erlauben, das Zweifache der größtmöglichen
messbaren Entfernung des Entfernungsmessgeräts zu durchlaufen.
Wenn andererseits die größtmögliche messbare
Entfernung verhältnismäßig lang
ist, kann eine erweiterte Länge
der optischen Faser 8 zu einer Zunahme der Größe des Entfernungsmessgeräts führen. In
einem derartigen Fall wird vorzugsweise ein Schaltmechanismus für das Verzögerungsmittel
zum Entfernen der optischen Faser 8 aus dem Lichtweg, wenn
die Bezugsimpulswelle mit der Reflexionsimpulswelle überlappt
wird, oder ein anderes Verzögerungsmittel
mit einer Verzögerungszeiteinstellvorrichtung,
welche später
beschrieben wird, verwendet.
Falls die optische Faser 8 als
das Verzögerungsmittel
verwendet wird, wird vorzugsweise eine optische Faser aus einem
optischen Material mit einem äußerst kleinen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise Quarz,
verwendet. Es ist möglich,
den Einfluss von Umgebungstemperatur auf ein Minimum herabzusetzen.
Außerdem
sind in erster Linie Typ „SI" und „GI" als die optische
Faser bekannt. In der vorliegenden Erfindung wird vorzugs weise die
optische Faser vom Typ „GI" verwendet, um die
Verzögerungszeit
genau einzustellen.
Alternativerweise kann als das Verzögerungsmittel 8 eine
Mehrzahl von Spiegeln 80, welche so angeordnet sind, dass
sie den optischen Weg für die
Bezugswelle verlängern,
oder ein Wellenleiter verwendet werden, wie in 4A und 4B dargestellt. Wie in 5 dargestellt, wird vorzugsweise außerdem eine
elektrische Verzögerungseinheit
verwendet, welche umfasst: eine Bezugswellenempfangsvorrichtung 81,
welche verwendet wird, um nur die Bezugswelle vom Strahlenteiler 10 zu
empfangen, eine Verzögerungsschaltung 82 zum
Verzögern
eines Ausgangssignals, welches von der Bezugswellenempfangsvorrichtung
durch einen erforderlichen Zeitraum bereitgestellt wird, und eine
Bezugswellensendevorrichtung 83 zum Bereitstellen einer
Ausgabe der Verzögerungsschaltung
an den Empfänger 2.
Wenn die optische Faser 8 als
das Verzögerungsmittel
verwendet wird, schwankt die Länge
der optischen Faser gemäß der thermischen
Ausdehnung und Verengung der optischen Faser, welche durch Änderungen
in der Umgebungstemperatur verursacht werden, so dass eine Befürchtung
besteht, dass eine Änderung
in der Verzögerungszeit
(Td) einen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat. In einem derartigen
Fall wird, wie in 6 dargestellt,
vorzugsweise eine Ausgleichsschaltung 12 zum Ausgleichen
der Verzögerungszeit
(Td) gemäß dem Temperaturwert,
welcher durch einen Temperaturmessfühler 11 erfasst wird,
verwendet. Der Einfluss der Umgebungstemperatur kann in Echtzeit
ausgeglichen werden.
Wie in 7 und 8A dargestellt, kann eine Änderung
in der Länge
der optischen Faser 8, welche durch die thermische Ausdehnung
und Verengung verursacht wird, zum Beispiel auch durch die Verwendung
einer Entfernungseinstellvorrichtung 13 zum Steuern einer
Entfernung zwischen einem Ende der optischen Faser 8 und
dem Empfänger 2 gemäß dem Temperaturwert,
welcher durch den Temperaturmessfühler 11 erfasst wird,
ausgeglichen werden. Wie in 8B dargestellt,
kann die Änderung
in der Länge
der optischen Faser 8, welche durch die thermische Ausdehnung
und Verengung verursacht wird, alternativerweise durch Einfügen eines
von erforderlichen lichtdurchlässigen
Elementen (z.B. 14a, 14b, 14c) mit verschiedenen Längen in
einen Raum zwischen dem Ende der optischen Faser 8 und
dem Empfänger 2 gemäß dem Temperaturwert,
welcher durch den Temperaturmessfühler 11 erfasst wird, ausgeglichen
werden. Wie in 8C dargestellt, kann
die Änderung
in der Länge
der optischen Faser 8, welche durch die thermische Ausdehnung
und Verengung verursacht wird, außerdem durch Einfügen eines
von erforderlichen Verzögerungselementen (z.B. 15a, 15b, 15c)
mit verschiedenen Brechungsindizes in den Raum zwischen dem Ende
der optischen Faser 8 und dem Empfänger 2 gemäß dem Temperaturwert,
welcher durch den Temperaturmessfühler 11 erfasst wird,
ausgeglichen werden. Wenn die Bezugswellenempfangszeit elektrisch
verzögert
wird, wie zuvor unter Bezugnahme auf 5 erklärt, wird die
Verzögerungszeit
gemäß dem erfassten
Temperaturwert vorzugsweise fein eingestellt.
Es ist auch wirksam, eine Temperaturausgleichseinheit
für die
Photodiode, welche als der Empfänger 2 verwendet
wird, bereitzustellen. Zum Beispiel erfasst in einer Ausführungsform,
welche in 9 dargestellt
ist, ein Temperaturmessfühler
(d.h. Temperatursensor 11) die Umgebungstemperatur, um
analoge Daten auszugeben. Diese analogen Daten werden durch einen
A/D-Wandler an einen Mikrocomputer (d.h. Steuervorrichtung) gesendet.
Eine Ausgleichsspannungswertausgabe aus dem Mikrocomputer wird durch
einen D/A-Wandler wieder in analoge Daten umgewandelt und dann auf
eine Ausgleichsenergieversorgung angelegt. Die Ausgleichsenergieversorgung ändert einen
Spannungswert für die
Photodiode gemäß dem angelegten
Spannungswert.
Wenn übrigens eine Reihe von Prozeduren der
Projektion der gepulsten elektromagnetischen Welle, des Empfangs
der Reflexionswelle R vom Objekt 9 und des Empfangs der
Bezugswelle S unter einer Bedingung, dass eine verhältnismäßig lange
Verzögerungszeit
eingestellt ist, die vorgegebene Anzahl von Malen (N) wiederholt
wird, besteht ein Fall, dass die Gesamtzeit, welche erforderlich
ist, um die Entfernung zwischen dem Gerät und dem Objekt zu bestimmen,
lang wird. In einem derartigen Fall weist das Verzögerungsmittel 8 vorzugsweise
eine Verzögerungszeiteinstellvorrichtung
zum Ändern
der Verzögerungszeit
(Td) auf, und wird, wie in 10 dargestellt,
eine Vormessung zum groben Bestimmen der Entfernung zwischen dem
Gerät und
dem Objekt bei Verwenden einer vorläufig bestimmten Verzöge rungszeit
durchgeführt
und dann die Verzögerungszeit,
welche bei einer tatsächlichen
Messung zum genauen Messen der Entfernung verwendet wird, durch Verwendung
der Verzögerungszeiteinstellvorrichtung gemäß den Ergebnissen
der Vormessung eingestellt.
Die Verzögerungszeit, welche bei der
Vormessung verwendet wird, ist vorzugsweise länger als ein Zeitraum, welcher
benötigt
wird, um dem Laserlicht zu erlauben, das Zweifache der größtmöglichen messbaren
Entfernung des Entfernungsmessgeräts zu durchlaufen. Dadurch
wird die Verzögerungszeit für die tatsächliche
Messung in den meisten Fällen kürzer als
die Verzögerungszeit
für die
Vormessung. Infolgedessen ist es möglich, die Entfernung bei Aufrechterhalten
der Messgenauigkeit im Vergleich zu dem Fall des Bestimmens der
Entfernung durch Verwendung der verhältnismäßig langen Verzögerungszeit
ohne die Vormessung wirksamer zu bestimmen.
In 10 wird
die Reihe von Prozeduren der Projektion der gepulsten elektromagnetischen
Welle, des Empfangs der Reflexionswelle R und des Empfangs der Bezugswelle
S sowohl der Vormessung als auch der tatsächlichen Messung die vorgegebene Anzahl
von Malen (N) wiederholt. In diesem Fall ist vorzugsweise die vorgegebene
Anzahl von Malen (Np) in der Vormessung geringer als die vorgegebene
Anzahl von Malen (Na) in der tatsächlichen Messung, um die Gesamtzeit,
welche erforderlich ist, um die Entfernung zu bestimmen, zu verkürzen. Alternativerweise
kann die Reihe von Prozeduren, welche zuvor beschrieben wurde, nur
in der tatsächlichen Messung
wiederholt werden.
Wenn eine Wiederholungszeiteinstellung zum
Projizieren der gepulsten elektromagnetischen Welle vom Projektor 1 konstant
ist, kann die Gesamtzeit, welche zum Bestimmen der Entfernung erforderlich
ist, nicht durch Ändern
der Länge
der Verzögerungszeit
verkürzt
werden. In einem derartigen Fall werden die Signalkomponenten, welche
der Bezugswelle entsprechen und von der Bezugswellentrennmaske der
Maskeneinheit 4 ausgegeben werden, oder die Signalkomponenten,
welche der Reflexionswelle entsprechen und von der Reflexionswellentrennmaske
der Maskeneinheit 4 ausgegeben werden, vorzugsweise für einen
Auslöser
zum Bereitstellen der Wiederholungszeiteinstellung zum Projizieren der
gepulsten elektromagneti schen Welle verwendet. Außerdem ist
der Auslöser
nicht darauf beschränkt. Zum
Beispiel kann der Empfang der Bezugswelle durch den Empfänger 2 als
der Auslöser
verwendet werden. Wenn in diesem Fall die Reihe von Prozeduren der
Projektion der gepulsten elektromagnetischen Welle, des Empfangs
der Reflexionswelle R und des Empfangs der Bezugswelle S die vorgegebene
Anzahl von Malen (N) wiederholt wird, erfolgt jede der Projektionen
der gepulsten elektromagnetischen Welle auf das Objekt 9 unmittelbar,
wenn der Empfänger 2 die
Bezugswelle empfängt,
welche von einer vorher projizierten elektromagnetischen Welle herrührt. Alternativerweise
kann als die Wiederholungszeiteinstellung die gepulste elektromagnetische Welle
nach Verstreichen eines vorbestimmten Zeitraums vom Empfang der
Bezugswelle durch den Empfänger 2 projiziert
werden.
Als ein Beispiel ist die elektrische
Verzögerungseinheit 60 zum
Bereitstellen des Auslösers
in 9 dargestellt. Die
Verzögerungseinheit 60 empfängt ein
Bezugswellenerkennungssignal von einem Signaltrenner 61 zum
Trennen der Bezugswelle und der Reflexionswelle, welche durch den
Empfänger 2 empfangen
werden, voneinander und erlaubt dann dem Projektor 1, die
gepulste elektromagnetische Welle gemäß dem Verlauf eines vorbestimmten
Zeitraums vom Empfang des Bezugswellenerkennungssignals zu projizieren.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 63 einen Zähler zum
Zählen
der Wiederholungsanzahl von Malen.
Wie zum Beispiel in 11 dargestellt, weist das Verzögerungsmittel 8 vorzugsweise
die Fähigkeit zum Ändern der
Verzögerungszeit
(Td) auf, wobei es sich aus einer Mehrzahl von optischen Fasern
mit verschiedenen Längen
und . einem Wellenleiter 85 als einem Verteiler zusammensetzt.
Wie in 12 dargestellt,
kann das Verzögerungsmittel 8 mit
der Fähigkeit
zum Ändern
der Verzögerungszeit
(Td) außerdem
durch eine Lichtwegschalteinheit 86, wie beispielsweise
einen optischen Schalter, und eine Mehrzahl von Wellenleitern 85 bereitgestellt
werden. Wie in 13A bis 13C dargestellt,
kann alternativerweise ein Wellenleiter 85 mit eingebauten
optischen Schaltern 87 verwendet werden.
Wie in 14 dargestellt,
wird vorzugsweise eine Lichtmengeneinstellvorrichtung 90 zum
Einstellen der Lichtmenge der Bezugswelle gebildet, wobei die Lichtmenge
der Bezugswelle durch die Lichtmengeneinstellvorrichtung 90 gemäß einem
Signalpegel der empfangenen Reflexionswelle in der Vormessung (oder
einer Entfernung zwischen dem Gerät und dem Objekt) automatisch
eingestellt wird. Da in diesem Fall der Signalpegel der empfangenen
Bezugswelle mit dem Signalpegel der empfangenen Reflexionswelle
in der tatsächlichen
Messung abgestimmt wird, ist es möglich, die Rauschkomponenten, welche
um die Bezugsimpulswelle erzeugt werden, zu reduzieren und zu verhindern,
dass die Rauschkomponenten versehentlich als die Bezugswelle erkannt
werden. Außerdem
ist es möglich,
die Entfernungsmessung durch Abstimmen der Signalpegel zwischen
der Bezugswelle und der Reflexionswelle auf stabilere Weise durchzuführen.
Wenn zum Beispiel, wie in 15A und 15B dargestellt,
ein Paar von Wellenleitern 85a, 85b als das Verzögerungsmittel 8 im
optischen Weg für
die Bezugswelle, welcher sich vom Strahlenteiler 10 zum Empfänger 2 erstreckt,
in Reihe angeordnet wird und eine Stufe mit dem Wellenleiter 85a durch
einen Motor 91 gleitend gegen die Stufe mit dem Wellenleiter 85b bewegt
wird, ist es möglich,
die Lichtmenge durch Ändern
eines Kontaktbereichs zwischen Enden der Wellenleiter 85a und 85b einzustellen.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 92 einen Codierer
mit hoher Auflösung.
Ein Wegstrecke der Stufe mit dem Wellenleiter 85a, welche
durch den Motor 91 bewegt wird, wird durch den Prozessor 6 und
die Treiberschaltung 7 gesteuert.
Da gemäß der Lichtmengeneinstellvorrichtung 90,
welche in 16 dargestellt
ist, außerdem eine
Entfernung zwischen dem Projektor 1 und einem Ende der
optischen Faser 8, welche als das Verzögerungsmittel verwendet wird,
durch Verwendung eines Motors 94 eingestellt wird und ein
Schutzschirm 95, welcher durch Verwendung eines Motors 91 bewegbar
ist, um die Lichtmenge zu steuern, welche durch den Empfänger 2 empfangen
wird, vor dem Empfänger 2 angeordnet
wird, ist es möglich,
eine Lichtmenge der Reflexionswelle, sowie die Lichtmenge der Bezugswelle
einzustellen. Wie in 17 dargestellt, kann
alternativerweise ein Flüssigkristallfilter 96 als die
Lichtmengeneinstellvorrichtung 90 verwendet werden.
Um die Rauschkomponenten zu reduzieren, welche
in der Bezugswelle und der Reflexionswelle enthalten sind, wie in 18 dargestellt, wird vorzugsweise
ein Bandpassfilter 97, welchen nur die gepulste elektromagnetische
Welle einer vorgegebenen Wellenlänge,
welche verwendet wird, um die Entfernung zu bestimmen, passieren
darf, vor dem Empfänger 2 angeordnet.
Als Gegenmaßnahme gegen die Rauschkomponenten,
ist es zweckmäßig, das
Licht, das in den Empfänger 2 eintritt,
zu maskieren. Um zum Beispiel, wie in 19 dargestellt,
die Bezugswelle zu maskieren, wenn ein Paar von Gattern „GI" und „GO", wie beispielsweise
optische Schalter, bei ankommenden beziehungsweise abgehenden Lichtanteilen
des Verzögerungsmittels 8 angeordnet
ist, können
diese Gatter bei der Zeiteinstellung zum Durchlassen der Bezugswelle
geöffnet
werden. Nur eines der Gatter „GI" und „GO" kann gebildet werden.
Falls die Vor- und tatsächlichen
Messungen durchgeführt
werden, wird vorzugsweise ein Gatter „G" für
die Reflexionswelle gebildet. In diesem Fall kann das Gatter „G" bei der Zeiteinstellung
zum Durchlassen der Reflexionswelle geöffnet werden. Da sich die Zeiteinstellung
zum Durchlassen der Reflexionswelle gemäß der Entfernung zwischen dem Gerät und dem
Objekt ändert,
ist das Gatter „G" während der
Vormessung vorzugsweise immer geöffnet und
wird das Gatter „G" bei der tatsächlichen
Messung nur für
einen vorbestimmten Zeitraum um die Reflexionswellenempfangszeit
geöffnet,
welche durch die Vormessung erhalten wird, wie in 20 dargestellt. 21 ist ein Ablaufdiagramm dieses Falles.
Der Bezugswelle und der Reflexionswelle kann
erlaubt werden, dasselbe Gatter „GO" zu passieren. 22 zeigt Zeiteinstellungen zum Öffnen und
Schließen
der Gatter „GI" und „GO", falls der Bezugswelle
und der Reflexionswelle erlaubt wird, dasselbe Gatter „GO" zu passieren. Außerdem ist
in 23 ein Ablaufdiagramm
dieses Falles dargestellt. Als das Gatter „GO" wird vorzugsweise ein optischer Schalter
zum selektiven Einlassen der Bezugswelle und der Reflexionswelle
in den Empfänger 2 verwendet.
In den zuvor erwähnten Ausführungsformen wurde das gepulste
Laserlicht als die gepulste elektromagnetische Welle verwendet.
Alternativerweise kann eine gepulste elektromagnetische Welle mit
einer vom Laserlicht verschiedenen Wellenlänge verwendet werden.
Um außerdem den Einfluss von Rauschkomponenten
zu vermeiden, ist ein Gehäuse
des Entfernungsmessgeräts
vorzugsweise aus einem Harzmaterial hergestellt. In diesem Fall
ist es möglich,
den Einfluss von Induktionsrauschen, welches zwischen den elektrischen
Teilen, insbesondere Teilen für
eine Hochspannungsenergieversorgung, und einer Platte zum Anbringen
dieser elektrischen Teile erzeugt wird, zu verringern.