-
Entfernungemesser mit Rasterabbildung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren und Vorrichtungen nach diesem Verfahren zur Messung der Entfernung eines
Objekts mittels Abbildung eines Rasters.
-
Bei der optischen Abbildung eines Objekts ist die Bildweite ein Maß
fur die Gegenstandsweite (Objektenfernung). Es ist bekannt, diese Tatsache zur fotoelektrischen
Ermittlung der Objektantfernung auszunutzen: Bei dem Verfahren nach dem Britischen
Patent 1 297 689 und nache der DOS 2 148 189 wird ein kontrastempfindlicher Detektor
verwendet. Dieses Verfahren versagt, wenn daß Objekt keine geeigneten optischen
Öberflächenstrukturen aufweist.
-
Bei dem Verfahren nach den Schriften DPS 742 220 und DOS 1 908 687
wird ein Raster auf das Objekt projiziert und von dort rückwarts auf ein entsprechendes
zweites Raster abgebildet.
-
Das dieses zweite raster durchsetzende Licht wird fotoelektrisch gemessen.
Variiert man bei gegebener Objektentfernung die Entfernungseinstellung, dann bleibt
das Empfängersigmal nahezu unabhängig von der Objektentfernung konstant, solange
die Entfernungseinstellung von der Objektentfernung abweicht.
-
Wird das Gerät auf die Objektenfernung eingestellt, dann wird das
Signal je nach der Geräteausführung entweder nahezu doppelt so groß oder sehr klein
und fast Null, jedoch wegen einer unvermeidbaren Unschärfe der Rasterabbildung nicht
ganz Null. Drei Tatsachen erschweren die Auffindung des Signalmaximus bzw. des Signalmaximus,
insbesondere, wenn das Auffinden automatisch geschehen soll: Die Größe der Empfängerfläche
ist konstant, der Abstand zwischen Empfänger und Abbildungsoptik variiert aber mit
der Entfernungseinstellung.
-
Dadurch ändert sich der Gesichtswinkel im Außenraum mit der Entfernungseinstellung.
Zeigen sich im Geschtsfeld optische
Strukturen (stellen mit unterschiedlichem
Remissionsvermögen), dann wird auch das ursprünglich konstante tintergrundsignal
von der Entfernungseinstellung abhängig. Außerdem kann selbst bei strukturlosem
Gesichtsfeld das Remissionsvermögen je nach Art des Objekts sehr unterschiedliche
Weite besitzen und in einem Bereich von etwa 1 : 100 schwanken. Schließlich kann
das Signalmaximum oder das Signalminimum stark abgeschwächt oder sogar eliminiert
oder ins Gegenteil verkehrt werden, wenn die optischen Oberflächenstrukturen auf
dem Objekt Ortsfrequenzen enthalten, die mit den Ortsfrequenzen des auf das Objekt
projizierten Rasterbildes übereinstimmen Die Entfernungs messung wird dadurch erschwert
oder sogar unmöglich gemacht.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und Vorrichtungen
nach diese Verfahren zu schaffen, die eine eindeutige Entfernungsmessung unabhängig
von optischen Strukturen im Gesichtsfeld ermöglichen.
-
Diese Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Kombination der
folgenden Merkmale: a) Ein erstes optisches er wird mittels Licht-, UV- oder IR-Strahlung
in den Außenraum abgebildet und, falls sich dort eine remittierende Fläche befindet,
rückwärts auf ein entsprechendes, , zweites Raster abgebildet, das auch mit dem
ersten Rastet identisch sein kann.
-
b) Das zweite Raster und das auf diesem Raster entstehende Bild des
ersten Rasters werden in ateraler Richtung (etwa senkrecht zur Strahlrichtung) derart
gegeneinander bewegt, daß in zeitlichem, vorzugsweise periodischem Wechsel gleiche
und ungleiche Raster elemente aufeinander abgebildet werden, also z.B. helle Elemente
auf helle Elemente (dunkle Elemente auf dunkle Elemente) sind helle Elemente auf
dunkle Elemente (dunkle Elemente aui helle Elemente).
-
c) Das vom Objekt remittierte und vom zweiten Raster hindurchgelassene
(oder anderweitig weitergeleitete) Licht wird einen Empfänger zugeführt.
-
Der Empfänger darf dabei ein beliebiger Empfänger sein, z.B.
-
ein fotoelektrischer Empfänger, ein thermischer Empfänger, das Auge
usw.
-
Wird ein einziges Taster verwendet, dann muß durch Spiegelung oder
optische Bildverschiebung (z.B. mittels einer plonparallelen Glasplatte, die periodisch
schräg in den Strahlengang eingeführt wird) eine tnderung der Bewegungsrichtung
bzw. eine Bewegung erzeugt werden.
-
Es werden mindestens zwei, vorzugsweise zwei optisch unterschiedliche
Arten von Rasterelementen benutzt, z.B. durchlässige und undurchlässige Rasterlelmente,
reflektierende und absorbierende Elemente, reflektierende und durchlässige Elemente,
polarisierende Elemente mit zueinander senkrecht stehendcn Polarisationsrichtungen,
Elemente mit unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit usw.
-
Die beiden extremen Rasterüberdeckungen - gleiche bzw. ungleiche Rasterelemente
werden aufeinander abgebildet - können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge eingestellt
werden. Z.B. genügt es, einmal die eine uud einmal die andere Rasterüberdeckung
einzustellen und in bieden Fallen das Empfängersignal zu ermitteln. Ist; die Differenz
dieser beiden Empfängersignale groß, dann befindet sich ein Objekt in der eingestellten
Entfernung. Ist diese Differenz sehr klein oder verschwindet sie ganz, dann befindet
sich kin Objekt in der dingestellten Entfernung.
-
Vorzugsweise folgen die beiden Arten der Rasterüberdeckung jedoch
in periodischem Wechsel aufeinander mit einer Frequenz, diese jiachfolgend "Rasterfrequenz"
genannt wird. Entsprechend wird der Begriff "Rastermodulation" definiert. Am Empfänger
entsteht ein Wechselsignal mit dieser Rasterfrequenz. Ist das Wechselsignal groß,
dann befindet sich ein Objekt in der eingestellten Entfernung. Ist das Wechselsignal
sehr klein oder verschwindet es ganz, dann befindet sic h kein Objekt in der eingestellten
Entfernung.
-
Man kann die Gerät auf eine bestimmte Entfernung fest einstellen und
dann damit nachweisen, ob sich in dieser Entfernung ein Objekt befindet oder nicht.
Ein solches Gerät kann man z.B.
-
anwenden, um Laufkräne, die auf den gleichen Schienen laufen, gegen
Zusamenstöße zu sichern.
-
jan kann die Entfernungseinstellung solange variieren, bis man das
Objekt in der angepeilten Richtung gefunden und damit seine Entfernung erkannt hat.
Eine geeignet Anwendung hierfür ist z.B. ein Entfernungsmesser für fotografische
Kameras.
-
Man kann eine solche Vorrichtung auch automatisieren: die Entfernungseinstellung
wird, von einem Extremwert beginned, stetig verändert, bis das Empfängersignal das
Maximum erreicht hat und ein Peakfühler anspricht und die Entfernungsvariation stoppt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch geeignet, zeitliche Entfernungsvariationen
zu verfolgen. Geeingnete Anwendungen hierfür sind zB. Entfernungamesser für Filmkameras
und Orïentierungsgeräte für Blinde. Vorzugsweise wird zu diesem Zweck die Entfernungseinstellung
periodisch über den ganzen Entfernungsnießbereich variiert Die Frequenz dieser periodischen
Entfernungsvariation wird nachfolgend 1' Eiitfernungsfr equenz" genannt.
-
Entsprechend werden die Begriffe "Entfernungsmodulation" und "Entfernungsperiode"
definiert. Die Entfernungsfrequenz unterscheidet sich deutlich von der Rasterfrequenz,
von zugsweise ist sie kleiner als die Rasterfrequenz. Die Phasenlage des Signalmaximums
innerhalb der Entfernungsperioden ist dann ein Maß für die Objektentternurlg. Diese
Phasenlage und damit die Objektentfernung können auf folgende Weisen bestimmt werden:
a) Das Empfängersignal wird innerhalb jeder Entfernungsperiode i.n gleicher Weise
zei.tabhä.ni.g markiert, z.B. durch eine zeitabhängige Rasterfrequenz. Für die weitere
Signalverarbeitung ist die Phasenlage der Signalmaxima dann ohne Bedeutung. Die
Entfernungsinformation ist in der Markierung enthalten.
-
b) Das Empfängersignal durchläuft (nach Gleichrichtung der Raster-Wechselkomponente)
ein schmalbandiges l'requenzfilter,
das auf die Entfernungsfrequenz
abgestimmt ist. Es entsteht ein sinusförmiges Wechselsignal dieser Frequenz und
einer von der Objektentfernung abhängigen Phasenlage, das mittels phasenempfindlicher
Gleich- oder Wechselrichtung in eine Sinus- und eine Cosinuskomponente aufgespalten
wird. Das Verhältnis der beiden Komponenten ist dann ein Maß iür die Objektentfernung.
-
c) Es wird eine elektrische Hilfsgröße erzeugt, die sich in jeder
Entfernungsperiode in gleicher Weise systematisch ändert (z.B. langsames Aufladen
eines Kondensators, der zu Beginn einer jeden Entfernungsperiode schnell entladen
wird). Im Maximum des Empfängersignal wird diese Hilfsgröße, die zu diesem Zeitpunkt
ein Maß für die Objektentfernung darstellt, der nachfolgenden Elektronik aufgeschaltet.
-
Die systematische Anderung der Hilfsgröße kann auch im Maximum des
Empfängersignals in Gang gesetzt werden und die Hilfsgröße am Periodende abgenommen
werden.
-
Die Größe des Signalmaximums hängt im allgemeinen von der Objekt entfernung
lsno. vom Remissionsvermögen d des Objekts ab.
-
Die Entfernungsabhängigkeit kann gemildert oder ganz eliminiert werden,
wenn man die Signalhöhe in Abhängigkeit von der Entfernungseinstellung entsprechend
modifiziert, z.B. durch entsprechende Variation des Lichtflusses oder des elektrischen
Verstärkungsgrades. Die Signalhöhe ist dann ein Maß für das Remissionsvermögen.
Diese zusätzliche Information kann nützlich sein, z.B. für einen Blinden. Man kann
eber auch noch die kbhängigkeit vom Remissionsvermögen mildern oder eliminieren,
z*B. durch ei ne automatische Verstärkungsregelung oder durch einen Impulshöhenbegrenzer.
-
Als Raster können Strichgitter, Schachbrettmuster oder andere, vorzugsweise
periodische Muster verwendet werden.
-
# hier Text von Seite 5a einfügen Die Erfindung wird nachstehend
näher erläutert und mit Ausführungsbeispielen belegt. Dazu werden die folgenden
Figuren herangezogen:
Auf Seite 5 bei # den folgenden Text einschieben:
Wie erwähnt, werden das zweite Raster und das Bild- des ersten Rasters relativ zueinander
bewegt, um die Rastermodulation zu erzeugen. Dabei kann das zweite Raster still
stehen und das Bild sich bewegen oder umgekehrt. Es können sich aber auch Raster
und Rasterbild bewegen.
-
Erfolgt auch eine Relativbewegung wischen dem zweiten Raster und dem
Bild der Objektoberfläche, dann erzeugen auch optische Oberflächenstrukturen des
Objekts bei richtiger Entfernungseinstellung ein Signalmaximum, wenn die Oberflächenstrukturen
Ortsfrequenzen enthalten, die mit den Ortsfrequenzen des Rasterbilds auf der Objektoberfläche
übereinstimmen. Man kann dann bei entsprechender Erweiterung des Entfeznungs-Einstellbereichs
auch Gegenstände in sehr großer Entfernung erkennen, die keinen ausreichenden Lichtfluß
des remittierten Meßlichts mehr erzeugen Erfolgt die Relativbewegung zwischen dem
zweiten Raster und dem Objektbild in der gleichen Weise wie die Relativbewegung
zwischen dem zweiten Raster und dem Bild des ersten Rasters, dann ist die vorn Objekt
erzeugte Rasterfrequenz gleich der vom Rasterbild erzeugten Frequenz. Sind die beiden
Relativbewegungen unterschiedlich, dann sind auch die beiden Rasterfr sequenzen
un tei 5 chiedlich.
-
Für die Anwendung zur Blindenorientierung kann es vorteilhaft sein,
mindestens einen größeren Teil der verwendeten Meßstrahlung in Bereiche außerhalb
des sichtbaren Spektralbereichs zu legen, vorzugsweise in das nahe IR Dadurch whd
vermieden, daß andere Personen geblendet werden können.
-
Figur 1 - 5 Graphische Darstellungen zur Erläuterung bekannter Verfahren,
Figur 6 ein erstes Ausführungsbeispiel, Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Figur 8 ein Detail des zweiten Ausführu ngsbeispiels, Figur 9 das gleiche Detail
des zweiten Ausführungsbeispiels in einer abgewandelten Ausführung, Figur 10 eine
schematische Darstellung einer speziellen Art der Rasterbewegung.
-
Zunächst eine Vorbemerkung: Die "Entfernungsmessung" muß nicht unbedingt
eine Messung im üblichcn Sinn mit Angabe der Entfernung in einer physikalischen
Längeneinheit sein. Es genügt z.B. auch, wenn den verschiedenen Entfernungen unterschiedliche,
wahrnehmbare Signale zugeordnet werden, oder auch nicht wahrnehmbare Signale, z.B.
für Steuerzwecke (z.B. für die automatische Einstellung eines Kamera-Objektivs)
Ferner muM nicht unbedingt die Entfernung eines gegebenen Objekts in irgend einer
Weise angegeben werden; es genügt z.B. auch, wenn - wie oben schon angedeutet -
eine Entfernung vorgegeben und nachgsweisen wird, ob sich ein Objekt in dieser Entfernung
befindet oder nicht Der Vorteil der Erfindung wird folgendermaßen erläutert: bei
den bekannten Verfahren nach den Schriften DPS 742 220 und DOS 1 908 687 wird ein
Raster in den außenraum und von dort rückwärts auf ein zweites Raster abgebildet.
Befindet sich am Ort des Rasterbildes im Außenraum eine remittierende Fläche (Objekt),
dann wird das erste Raster scharf auf das zweite Raster abgebildet 1st das zweite
Raster ein Positiv des ersten Rasters (d.h. fallen helle Bildstellen auf die durchlässigen
Rasterelemente und dunkle Bildstellen auf die undurchlässigen Rasterlelinente),
dann gelangt der ganze, vom Objekt remittierte und vom Objektiv aufgenommene Lichtfluß
zum Empfänger. Wird ein Negativ verwendet (d.h. fallen helle Bildstellen auf undurcnläsige
Rasterlelmente und dunkle Bildstellen auf durchlässige Rasterelemente), dann gelangt
kei.n Licht auf den
Empfänger. Da für eine gute Entfernungsau1-lösung
die Raster sehr fein sein müssen und das Objektiv nicht undndlich scharf abbildet,
wird im ersten Fall nicht ganz ddr volle Lichtfluß zum Empfänger weitergeleitet,
und im zweiten Fall gelangt noch ein kleiner, endlicher Lichtfluß zum Empfänger.
-
Befindet scBh das Objekt nicht genau in der eingestellten Entfernung,
jedoch in der unmittelbaren Nahe, dann wird im ersten Fall der Lichtfluß reduziert
und im zweiten Fall verstärkt.
-
Befindet sich das Objekt in einer deutlich anderen Entfernung, dann
ist die Rasterabbildung so vollkommen unscharf, daß das zweite Raster gleichmäßig
ausgeleuchte wird. Es gelangt in beiden Fällen die liälfte des vom Objekt remittierten
und vom Objektiv aufgenominenen Lichtflusses auf den Empfänger. Dieser halbe Lichtfluß
ist sehr stark von der Objektentfernung abhängig und etwa ungekehrt proportional
dem Quadrat dieser Entfernung, außerdem vom Remissionsvermögen der Objektoberfläche.
-
Jetzt kan man zwei Fälle unterscheiden: a) Das Gerät ist auf eine
bestimmte Entfernung eingestellt und es soll nachgewiesen werden, ob sich in dieser
Entfeinung ein Objekt befindet oder nicht. Die Figur 1 zeigt den Lichtfluß L, der
auf den Empfänger fällt, als Funktbn der Objektentfernung x. Das Gerät sei auf die
Entfernung x eingestellt.
-
0 An dieser Stelle verdoppelt sich der Licht fluß nahezu, wenn sich
dort ein Objekt befindet und die zweite Maske ein Positit der ersten Maske ist.
Mißt das Gerät den Lichtfluß Lo, dann kann er aber eben so gut von einem Objekt
in der Entfernung x0' stammen. Berücksichtigt man noch, daß die Objekte sehr unterschiedliche
Remissionsvermögen aufweisen können, dann wird aus der Zweideutigkeit eine unendliche
Vieldeutigkeit. Das bekannte Verfahren ist für diesen anwendungszweck also üherhaupt
nicht zu gebruchen.
-
Ist die zweite Maske ein Negativ der ersten Maske, dann reduziert
sich der Strahlungsfluß sehr stark, wenn an der Stelle x sich ein Objekt befindet
(Figur 2). Wegen der 0 endlichen Unschärfe des Objektivs ist dieser Licht fluß
nicht
absolut Null, sondern zeigt einen endlichen Wert L0.
-
Es gibt dann eine zweite, größere Objektentfernung xO, die einen
ebenso kleinen Lichtfluß erzeugt, wenn sich dort ein Objekt befindet. Nimmt man
das Unterschreiten einer bestim:nte Schwelle des Lichtflusses als Zeichen für ein
n Objekt in der Entfernung xo und berücksichtigt man, daß die Objekte auch sehr
schwach remittieren können, dann kann ein solches Objekt fast in jeder Entfernung
einen ausreichend kleinen Lichtfluß erzeugen, um ein Objekt in der Entfernung xo
vorzutäuschen. Auch dieses Verfahren ist also für diesen Anwendungszweck nicht brauchbar.
-
b) Die Entfernungseinstellung wird variiert und es soll festgestellt
werden, in welcher Entfernung sich das Objekt befindet. Der Lichtfluß L am Empfänger
ist dann weitgehend von der Entfernungseinstellung y unabhängig (Figur 3), wenn
in Gesichtsfeld keine optischen Strukturen vorhanden sind.
-
Dieser konstante Lichtfluß LK ist weitgehend von der Objektentfernung
und vom Remissionsvermögen des Objekts abhängig.
-
Dieser Lichtfluß LK kann je nach Objektentfernung und Emissionsvermögen
leicht im Verhältnis 1 : 1000 und mehr variieren. befindet sich in einer Entfernung
yO das Objekt, dann verdoppelt sich dort das Signal nahezu auf den We,rt wenn wenn
das zweite Raster ein Positiv ist.
-
Zeigt das Gesichtsfeld optische Strukturen, dann ist der Lichtfluß
L nicht mehr entfernungsunabhängig konstant5 sondern zeigt z.B den in Figur 4 gezeigten
Verlauf. Es ergibt sich z.B. eine zweite Entfernungseinstellung y0', die den gleichen
Lichtfluß zeigt wie die Entfernungseinstellung yO, und es kann sogar eine weitere
Entfernungseinstellung y'o existieren, in der ein zweites Maximum L0" wirksam wird.
Es ist einleuchtend, wie schwer die wahre Objektentfernung yO zu ermitteln ist,
besonders, wenn die Ermittlung automatisch erfolgen soll.
-
Etwas günstiger liegen die Verhältnisse, wenn das zweite Raster ein
Negativ des ersten Rasters ist. Berücksichtigt man jedoch wieder die verschiedenen
Remissionsvermögen der Objekte, die im Verhältnis 1 : 100 variieren können, und
nimuit
man an, daß im Signa:lminimum der Restlichtfluß noch mehrere t von LK beträgt, was
im allgemeinen der Fall ist, dann wird es wiederum außerordentlich schwierig, die
Objektentfernung yO zu ermitteln, besonders, wenn dies automatisch geschehen soll.
-
Demgegenüber zeigt der Lichtfluß am Empfänger bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren einen viel günstigeren Verlauf, wenn man nur die Wechselkomponente mit
der Rasterfrequenz betrachtet (Figur 5).
-
Das Objekt befinde sich in der Entfernung y. Wird das Gerät aug die
Entfernung yo eingestellt (y - yo), dann gelangt der Wechsellichtfluß Lo auf den
Empfänger. Bei den anderen Einstellungen (y / yo) dagegen ist der Wechsellichtfluß
gegenüber .bo verschwindend klein, wen man won einer kleinen Entfernungsumgebung
von y0 absieht (Entfernungsauf lösung). Selbst ein nicht sehr scharf zeichnendes
Objektiv vergrößert nicht den verschwindend kleinen Signalhintergrund (im Gegenteil).
Ein so. deutliches Signalmaximum läßt sich sehr leicht ermitteln und auch für automatische
Entfernungsmessungen heranziehen.
-
Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Auf einer Glasplatte
befindet sich ein Strichgitter 1, das vom Objektiv 3 in den Außenraum abgebildet
wird. Dieses Gitterbild im Außenraum wird von den Objektiv 3 Eüvlrwärts über einen
halbdurchlässigen Spiegel 4 auf ein Strichgitter 2 abgebildet, das sich ebenfalls
aul einer Glasplatte befindet und das die gleiche Gitterkonstante aufweist wie das
Strichgitter 1 Eine Glühbirne 5 wird von einer Linse 6 auf das Strichgitter 1 im
Verhältnis 1 : 1 abgebildet Die Glühwendel hat eine Lange von 5 mm, das Strichgitter
hat eine Breite (senkrecht zur Strichrichtung) von ebenfalls 5 mm. Das Strichgitter
wird also gerade ausgeleuchtet. Der Durchlnesser der Linse 6 ist so groß, daß das
Lichtbündel das Objektiv 3 gerade voll ausleuchtet.
-
Das Strichgitter 1 schwingt in Richtung der Strichbreite hin und her,
angedeutet durch den kleinen Doppelpfeil. Die Schwingungsamplitude beträgt 1/4 Gitterkonstante.
Die beiden Extremlagen des Gitters unterscheiden sich also um 1/2 Gitterkonstante.
-
ln der selben Weise schwingt dann auch das Bild des Gitters 1 auf
dem Gitter 2. Das Gitter 2 ist so einjustiert, dafS sich Gitter und Gitterbild in
der einen Extremlage genau decken, also helle Bildstreifen auf durchlässige Gitterstreifen
und dunkle Bildstreifen aui undurchlässige Gitterstreifen fallen.
-
In dieser Extremlage wird also der Lichtfluß vom Gitter 2 voll durchgelassen,
in der anderen Extremlage wird er gesperrt.
-
Hinter dem Gitter 2 ist ein fotoelektrischer Empfänger 7 angeordnet
Sein elektrisches Signal durchläuft ein schmalbandiges Durchlaßfilter, das auf die
Schwingungsfrequenz des Gitters 1 abgestimmt ist. Danach durchläuft das Wechselsignal
einen Verstärker und wird auf ein anzeigeinstrument gegeben.
-
Das Objektiv 3 ist in Richtung der optischen hchse verschiebbar angeordnet,
angedeutet durch den großen Doppelpfeil. Es wird solange verschoben, bis das Anzeigeinstrument
einem maximalen Ausschlag zeigt. Die Stellung des Objektivs 3 ist dann ein daß für
die Objektentfernung. Das Objektiv 3 kann mechanisch mit eine Kamerao'bjektiv- gekoppelt
sein, so daß bei maximalem Zeigerausschlag auch das Kameraobjektivvauf die Objektentfernung
eingestellt ist.
-
In einer Abwandlung dieses ersten Ausführungsbeispiels ist auch das
Gitter 1 fest angeordnet. Zwischen dem Gitter 1 und dem halbdurchlässigen Spiegel
4 wird aber in periodischem Wechsel eine planparallele Glasplatte schräg in das
Lichtbündel gesetzt, z.B. parallel zum halbdurchlässigen Spiegel 4 ausgerichtet.
-
Diese Glasplatte sitzt als Flügel aus einer rotierenden Achse.
-
Die Dicke und die Winkellage der Glasplatte sind so gewahlt, daß bei
eingetauchter Glasplatte die scheinbare, optische Lage des Gitters 1 gerade um eine
halbe Gitterkonstante verschoben ist.
-
In einer Weiterführung dieser Abwandlung wird nur ein einziges, festes
Gitter (1) verwendet. Die Bündel werden, wenn man sie vom Objektiv 3 her nach links
verfolgt, zunächst durch einen, ersten halbdurchlässigen Spiegel aufgespalten. In
dem einen dieser beiden Bündel wird der rotierende Glasflügel angeordnet.
-
Die Bündel werden dann umgelenkt und durch einen zweiten halbdurchlässigen
Spiegel wieder zusammengeführt. Dann durchsetzen sie das feste Gitter. Danach werden
sie durch einen dritten halbdurchlässigen Spiegel wieder getrennt. Das eine Bündel
wird der Lichtquelle, das andere dem Empfänger zugeführt.
-
Ein zweites Ausführungsbeispiel soll als Blindenorientierungsgerät
dienen. Hier ist ein das Raster tragendes Bauelement so ausgeführt, daß es alle
wichtigen Funktionen zugleich erfüllt: Es dient als erstes Raster zur Abbildung
in den Außenraum, es dient als zweites Raster zur Aufnahme des Xasterbildes, es
erzeugen die liastermodulation, es erzeugt die Entfernungsmodulation, und es erzeugt
ein von der Objektenfernung abhängiges Signal Dazu wird die Phasenlage des Signalmaximums
innerhalb der Entfernungsperioden nach dem oben unter u) genannten Verfahren zur
Entfernungsangabe herangezogen, nämlich eine phas enabhängige Markierung in Form
einer phasenabhängigen Rasterfrequenz. Weiterhin sorgt es für eine entfernungsunabhängige
und nur vom Remissionsvermögen des Objekts abhängige Amplitude des Wechselsignal,
dessen Frequenz ein ijaß für die Entfernung und dessen Stärke ein iiaß für das Remissionsvermögen
ist.
-
Der Aufbau ist in Figur 7 gezeigt. In der Brennebene des Objektivs
3 ist eine Blende 10 angeordnet (diese Blende kann auch etwas weiter links angeordnet
seim, vorzugsweise derart, daß sie etwa in die maximale Entfernung des gewünschten
Entfernungsmeßbereichs abgebildet wird). Zwischen den Objektiv 3 und der Blende
10 erstreckt sich eine dünn&, beidseitig verspiegelte Glasplatte 11, die so
angeordnet ist, daß sie die optische Achse des Objektivs 3 enthält. Diese Glasplatte
11 halbiert die Öffnung der Blende 10 Die Blendenöffnung 10 wird von einer Linse
12 rückwärts in die Ebene 13 abgebildet. Dabei wird die obere Blendenhälfte 10 in
die untere Bildhälfte 13 abgebildet und umgekehrt. Die untere Hälfte des Bildes
der Blendenöffnung in der Ebene 13 wird von einer weiteren Linse 14 rückwärts auf
die Glühwendel einer Glühlampe 15 abgebildet.
-
Die obere Hälfte des Bildes der Blendenöffnungs in der Ebene 13 läßt
Strahlung durch, die von einem kleinen Planspiegel 16 einem fotoelektrischen Empfänger
17 zugeführt wird.
-
Zwischen der Blende 10 und der Linse 12 befindet ich ein Strichgitter
18, das in Richtung des Pfeils 19, also senkrecht zur Richtung der Gitterstriche
in Querrichtung durch das optische Bündel bewegt wird. Zur Vereinfachung der Erläuterung
wird zunächst angenommen, daß diese Bewegung durch ein ebenes Radialgitter erzeugt
wird, das um eine Achse rotiert, die unterhalb der Zeichenebene der Figur 7 liegt.
-
Die von der Glühlampe 15 ausgehende Strahlung erfült nnr den Raum
oberhalb der Spiegelplatte 11. Sie zerfällt dort in zwei Anteile Ä und B. Der Anteil
A enthält nur Strahlen,
welche direkt durch das Objektiv 3 treten. Der Anteil B ####### nur Strahlen, die
nacn Reflexion an der uberseite der Spiegelplatte 11 durch das Objektiv 3 treten.
Der Anteil Ä bildet das Gitter 18 so in d en Außenraum ab, daß dort in dem Gitterbild
die Gitterstriche von oben nach unten laufen, also entgegen dem Pfeil 19. Der Anteil
B erzeugt ein Gitterbild, dessen Striche umgekehrt von unten nach oben laufen, also
in Richtung des Pfeils 19.
-
Das vom Objekt remittierte Licht wird vom Objektiv 3 aufgenommen.
-
has durch die obere Hälf-te des Objektivs eintretende Licht wird rückwärts
auf die Lichtquelle 15 abgebildet und geht für die Messung verloren. Das durch die
untere Objektivhälfte eintretende Licht dagegen gelangt zum Empfänger 17. Es wird
ebenfalls in zwei anteile C und D aufgespalten; Der Anteil C erreicht die untere
Hälfte der Blende 10 direkt, der anteil D nach Reflexion an der Unterseite der Spiegelplatte
11. Insgesamt findet man vier Anteile: den Anteil C des anteils h, den Anteil D
des Anteils A, den Anteil C des anteils B und den Anteil D des Anteils 3. Diese
vier Anteile werden sinnentsprechend mit AC, AD, BC und BD bezeichnet. Di.e Anteile
AC und BD erzeugen in der Ebene von 18 ein Gitterbild, das sich in Richtung des
Pfeils 19 bewegt Sie liefern ein konstantes Signal und gehen ebenfalls für die Messung
verloren. Die Anteile AD und BC aber
erzeugen in der Ebene von
18 ein Gitterhild, das sich entgegen dem Pfeil 19 bewegt. Diese beiden Anteile erzeugen
ein Wechselsignal, wenn sich in der eingestellten Entfernung ein Objekt befindet.
-
Zur Vereinfachung der Erläuterung wurde zunächst angenommen, das
Gitter 18 sei ein ebenes Radialgitter, das in seiner eicen Ebene rotiert. Tatsächlich
soll in diesem Ausführiigsbeispiel aber das Radialgitt er schraubenförmig aufgewendelt
sein, wie es Figur 8 in vergrößertem ktaßstab zeigt. Derjenige leil des.
-
Gitters, , der sich im Lichtbündel befindet, verschiebt sich dann
während jeder Umdrehung in Richtung der optischcn A.chse derart, daß sein Bild im
Außenraum den gewünschten Entfernungsmeßbereich durchläuft.
-
Weiterhin ist die Gitterkonstante des Radialgitters nicht auf der
ganzen Schraubenfläche konstant, sondern sie variiert monoton und stetig vom einen
Ende der Schraubenfläche bis zum anderen Ende, wie es in Figur 8 angedeutet ist.
Dabei soll sich die Gitterkonstante in diesen Ausführungsbeispiel an den beiden
Enden der Schraubenfläche wie 1 s 2 verhalten. Die Frequenz des Wechselsignals am
Empfänger variiert dementsprechend je nach der Objekt entfernung ebenfalls innerhalb
eines Frequenzbereichs, dessen Endfrequenzen sich wie 1 ; 2 verhalten.
-
Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Gitterschraube wird so gewählt,
daß die Rasterfrequenz im Tonfrequenzbereich liegt.
-
Das elektrische Signal des Empfängers wird verstärkt und einem kleinen
Ohrhörer beautschlagt. Der blinde Benutzer hört einen @ Ton, dessen Tonhöhe je nach
der Objektentfernung innerhalb einer Oktave variiert. Der Ton ist nicht gleichmäßig,
sondern in seiner Lautstärke mit der Entfernungsfrequenz moduliert.
-
Bei gegebenem Remissionsvermögen ist die Amplitude des Wecnselsignals
von der Objekt entfernung abhängig. Nahe Objekte erzeugen einen sehr lauten, ferne
Objekte einen sehr leisen Ton. Um alle öne etwa gleich laut zu machen, sind in diesem
Ausführungsbeispiel die durchlässigen Streifen des Schraubengitters vom einen zum
anderen Schraubenende zunachmend stärker grau eingefärbt,
so daß
die Durchlässigk;it dieser Streifen vom einen zum anderen Ende monoton abnimmt,
und zwar gerade nach einer solchen Funktion, daß die Lautstärke bei gleichem Remissionsvermögen
entfernungsunabhängig wird. Die Lautstärke ist dann nur noch vorn Remissionsvermögen
abhängig.
-
Der Blinde erhält mit einem solchen Gerät zwei Informationen: Die
Objektentfernung in Form der Tonhähe und das Remissionsvermögen in Form der Lautstärke.
Auch die zweite Information kann für den Blinden sehr wichtig sein, z.B. zur Erkennung
von Zebrastreifen auf der Straße oder zur Erkennung einer Tür in einer Wand, wenn
ür und Wand unterschiedliches Remissionsvermögen zeigen.
-
Eine solche zweite Information ergibt sich zwar auch ohne Eliminierung
der Entfernungsabhängigkeit, fedoch ist insgesamt der Latstärkebcreich dann für
den praktischen Gebrauch ungünstig groß.
-
In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels wird kein schraubenförmiges
Radialgitter mit variierender Gitterkonstante, sondern ein spiralförmig angeordnet
es Gitter mit parallelen Gitterstrichen und fester Gitterkonstante verwendet, wie
es in Figur 9 gezeigt ist. Das Gitter ist fotografisch auf einem Filmstreifen 20
erzeugt worden, der in eine spiralförmige Nut in der Scheibe 21 gedrückt wurde.
Die Scheibe rotiert um ihre Achse 22, die senkrecht zur optischen Achse angeordnet
ist.
-
Das Bündel wird, bevor es das Gitter an der gegenüberliegenden Stelle
trifft, durch einen Spiegel nach rechts herausgelenkt.
-
Der kleinste und der größte Radius der Spirale verhalten sich wie
1 : 2. In diesem Verhältnis variiert auch die Geschwindigkeit, mit der das Gitter
durch das optische Bündel läuft. Man erhält auf diese Weise trotz fester Gitterkonstante
eine entfernungsabhängige Rastermodulation und damit eine entfernungsabhängige Tonhöhe,
die sich innerhalb einer Oktave bewegt.
-
Man kann auf die Spiegeiplatte 11 verzichten, wenn man zwei schraubenförmige
bzw. zwei spiral,förmige Gitter verwendet.
-
Die Zuordnung zwischen Entfernung und Rasterfrequenz hängt von der
Schraubenform (z.B. variierende Stellung) bzw. Spirale form ab und natürlich auch
vom Gang der Gitterkonstanten.
-
Auch bei der Spirale kann man die Gitterkonstante längs der Spirale
variieren. Sweckmäßig9erweise wählt man alle diese Parameter ao, daß man. nicht
nur eine gute Zuordnung zwischen Entiernung und Rasterfrequenz erhält, sondern auch
bei jeder Objektentfernung ein ausreichend breites Signalmaximum, das deutlich breiter
als eine Rasterperiode ist.
-
Die durch die Gitterkonstante gegebene Entfernungsauflösung, die durch
die Entfernungsfrequenz gegebene Zeitauflösung und die Rasterfrequenz stehen in
einem bestimmten Zusammenhang, wenn die Gitterbewegungen senkrecht und parallel
zur optischen Achse wie in diesem Ausführungsbeispiel gekoppelt sind. Je besser
die Entfernungsauflösung und die Zeitauflösung ist, um so höher wird die Rastetfrequenz.
Wiid einem Blinden die Obj ektentfernung als Tonhöhe (Rast erfrequenz) übermittelt,
dann darf die Tonhöhe nicht zu groß sein, um nicht sein "Fernsinn" (Beurteilung
reflektierter Schallstrahlen) zu beeinträchtigen, der hauptsächlich hohe Tonfrequenzen
ausnutzt.
-
Deshalb wird in einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels
bei gegebener Gitterkonstante und gegebener Entfernungsfiequenz die Rasterfrequenz
auf folgende Weise erniedrigt: In Figur lOa ist ein Blick streifend über die Spiegeloberfläche
11 auf das Raster gezeigt. Links sind schematisch und stark vergrößert drei Gitterstriche
des Rasters selbst gezeigt, das sich in Richtung des Pfeils 31 nach oben bewegt.
Rechts daneben ist das Rasterbild gezeigt, das sich in Pfeilrichtung 32 nach unten
bewegt. Raster und Rasterbild fallen aufeinander und sind nur zur deutlicheren Unterscheidung
in der Zeichnung nebeneinander dargestellt. Man erkennt, daß Gitterkonstante und
Bewegungsgeschwindigkeit die Rasterfrequenz bestimmen. Gute Entfernungsauflösung
erfordert kleine Gitterkonstante, gute Zeitauflösung erfordert hohe Bewegungsgeschwindigkeiten.
-
In Figur 10b liegen die Gitterstriche ebenfalls parallel zur Spiegelfläche
11. Das Raster bewegt sich aber nicht in Richtung der Spiegelnoririalen wie in Figur
lOa, sondern schräg dazu in Richtung des Pfeils 33 nach oben. Entsprechend bewegt
sich das gespiegelte Bild - das zur deutliciieren Darstellung in der Zeichnung wieder
nach rechts gerückt ist - in Richtung des Pfeils 34 schlag nach unten. Die beiden
Bewegungsrichtungen schließen mit der Spiegelnor.malen den gleichen Winkel ein.
-
Bei gebener Gitterkonstante und gebener Bewegungsgeschwindigkeit wird
-die Rasterfrequenz kleiner Als im Falle der Figur 10a, und zwar um so kleiner,
je größer der Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Spiegelnormale ist.
-
Bei schräger Bewegung kann man die Gitterstriche auch in Richtung
der Spiegelnormalen orientielen. Das ist in Figur lOc gezeigt.
-
Das Raster bewegt sich schräg nach links oben in Richtung des Pfeils
35, das Rasterbild bewegt sich nach links unten in Richtung des Pfeils 36. Jetzt
aber wird die Ptasterfrequenz um so kleiner, je kleiner der winkel zwischen Bewegungsrichtung
und Spiegelnormale ist.
-
Die Gitterschraube oder die Gitterspirale müssen entsprechend gestaltet
und angeordnet sein. Das soll am Beispiel der Spirale erläutert werden: Die Drehachse
der Spirale muß senkrecht auf der Bewegungsrichtung 33 bzw. 35 stehen, und die Gitterstriche
müssen auf der Spirale selbst entsprechend schräg angeordnet sein, so daß sie senkrecht
oder parallel zur Spiegelnormalen ausgerichtet sind.
-
Die Ausführungsbeispiele stellen nur einen kleinen Ausschnitt aus
der Vielzahl der Realisierungsmöglichkeiten der Erfindungsgedanken dar. Sie sind
besonders nach dem Gesichtspunkt einfaches und billiger Herstellung ausgewählt.