DE2920950C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensoreinrichtung,
mit einem elektrische Ladungen erzeugenden Bildsensor,
der intermittierend mit Lichtsignalen beaufschlagt
wird, einer ersten und einer zweiten Speichereinrichtung
zur Speicherung der vom Bildsensor erzeugten elektrischen
Ladungen und einer Vergleichseinrichtung zur Erzeugung
eines der Differenz zwischen den in der ersten und zweiten
Speichereinrichtung gespeicherten elektrischen Ladungen
entsprechenden elektrischen Ausgangssignals.
Aus der US-PS 39 04 818 ist eine optische Sensoreinrichtung
dieser Art mit einem optoelektronischen Bildsensor
bekannt, der intermittierend mit Licht beaufschlagt wird
und hierbei entsprechende elektrische Ladungen erzeugt.
Mit dem Bildsensor stehen zwei Speichereinrichtungen zur
Speicherung der vom Bildsensor bei Beaufschaltung und ohne
Beaufschlagung mit Licht jeweils erzeugten elektrischen
Ladungen derart in Wirkverbindung, daß in der einen Speichereinrichtung
die bei Lichteinfall erzeugten Signalanteile
und in der anderen Speichereinrichtung die ohne
Lichteinfall erzeugten sogenannten Dunkelstrom-Signalanteile
zwischengespeichert werden. Über eine Vergleichseinrichtung
kann der Dunkelstromanteil ausgewertet und bei
hohen Dunkelstromwerten gegebenenfalls durch ein aus zugehörigen
Sensorbereichen gebildetes Mittelwertsignal ersetzt
werden.
Aus der US-PS 38 06 729 ist eine ähnliche optische Sensoreinrichtung
mit einem ebenfalls intermittierend mit unterschiedlichen
Lichtsignalen beaufschlagten optoelektronischen
Bildsensor bekannt, bei dem die Vergleichseinrichtung
zur Unterdrückung des Signalstöranteils die Differenz
zwischen den in den beiden Speichereinrichtungen abgespeicherten
elektrischen Ladungen ermittelt.
Bei der Signalauswertung erfolgt somit die Unterteilung
einer Ausgangssignal-Abgabeperiode des Bildsensors in eine
aktive Periode, in der die Beaufschlagung mit Lichtsignalen
stattfindet, und eine passive Periode, in der der
Bildsensor z. B. nur mit Umgebungslicht beaufschlagt wird,
woraufhin die hierbei erhaltenen beiden Speicherwerte
einem Vergleich bzw. einer Differenzermittlung unterzogen
werden. Eine derartige Signalauswertung ist jedoch bei
Änderungen etwa der Umgebungshelligkeit innerhalb der
Ausgangssignal-Abgabeperiode des Bildsensors relativ ungenau,
da dann z. B. in der aktiven Periode ein anderer
umgebungshelligkeitsabhängiger Signalanteil als in der
passiven Periode vorliegen kann, was bei der sich direkt
anschließenden Differenzbildung zur Ermittlung des Dunkelstrom-
bzw. Signalstöranteils dann starke Abweichungen zur
Folge hat.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische
Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art derart
auszugestalten, daß eine hohe Signalauswertungsgenauigkeit
erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Speicherzeit-Steuereinrichtung zur Steuerung der Ladungserzeugungszeit
des Bildsensors, während der der Bildsensor
die elektrischen Ladungen erzeugt, durch Einstellung der
Ladungserzeugungszeit des Bildsensors auf eine Zeitdauer,
in der die Lichtsignale mehrfach intermittierend erzeugt
werden, so daß der Bildsensor mehrfach abwechselnd einen
Zustand, in dem er mit den Lichtsignalen beaufschlagt und
einen Zustand, in dem er nicht mit den Lichtsignalen
beaufschlagt wird, in dieser Zeitdauer einnimmt, durch
eine Eingabesteuereinrichtung, die jeweils in dem Zustand,
in dem der Bildsensor von den Lichtsignalen beaufschlagt
wird, die vom Bildsensor erzeugten elektrischen Ladungen
integrierend in die erste Speichereinrichtung eingibt, und
jeweils in dem Zustand, in dem der Bildsensor nicht mit
den Lichtsignalen beaufschlagt wird, die vom Bildsensor
erzeugten elektrischen Ladungen integrierend in die zweite
Speichereinrichtung eingibt, und durch eine gesteuerte
Ladungsverschiebungsschaltung, die die in der ersten und
zweiten Speichereinrichtung gespeicherten Ladungen der
Vergleichseinrichtung nach Ablauf der Ladungserzeugungszeit
zuführt und die Vergleichseinrichtung zur Abgabe des
der Differenz zwischen den in der ersten und der zweiten
Speichereinrichtung gespeicherten elektrischen Ladungen
entsprechenden Ausgangssignals ansteuert.
Auf diese Weise geht eine Vielzahl aktiver Perioden, in
denen der Bildsensor jeweils mit den Lichtsignalen beaufschlagt
wird, und eine Vielzahl passiver Perioden, in der
der Bildsensor z. B. nur mit Umgebungslicht beaufschlagt
wird, in jede einzelne Ladungserzeugungszeit des Bildsensors
und damit in jede anschließende Differenzbildung ein,
so daß aufgrund der in diesen aktiven und passiven Perioden
erfolgenden Integration einer jeweiligen Anzahl genau
quantisierter einzelner Signalanteile anschließend eine
sehr genaue Differenzbildung erfolgen kann, die z. B.
Änderungen der Umgebungshelligkeit innerhalb der Ladungserzeugungszeit
des Bildsensors durch die erfolgte Quantisierung
exakt Rechnung trägt.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung dargelegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels der optischen Sensoreinrichtung,
Fig. 2 eine Schnittansicht der optischen Sensoreinrichtung
entlang der Linie II-II gemäß Fig. 1,
Fig. 3 Signalverläufe bei der Ansteuerung der optischen
Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 4 Potentialänderungen in der Schnittebene gemäß
Fig. 2 bei der Ansteuerung der optischen Sensoreinrichtung
gemäß Fig. 1,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung
zur Erzeugung der verschiedenen Signale gemäß
Fig. 3,
Fig. 6 Signalverläufe bei der Steuerschaltung gemäß
Fig. 5,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der optischen Sensoreinrichtung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels der optischen Sensoreinrichtung,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines vierten
Ausführungsbeispiels der optischen Sensoreinrichtung,
Fig. 10 Signalverläufe bei der optischen Sensoreinrichtung
gemäß Fig. 9,
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels
der optischen Sensoreinrichtung gemäß
Fig. 9, und
Fig. 12 Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß
Fig. 11.
Obwohl die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
der optischen Sensoreinrichtung anhand einer ladungsgekoppelten
Schaltungsanordnung veranschautlicht sind, ist das
Funktionsprinzip der optischen Sensoreinrichtung gleichermaßen
auch bei
Photodioden mit Ladungskopplung oder
Photodioden-Anordnungen anwendbar.
In den Fig. 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
der optischen Sensorvorrichtung gezeigt, wobei die
Anzahl von Sensorelementen in einem optischen Geber-
oder Fühlerbereich auf eins beschränkt ist. Zunächst
werden anhand von Fig. 1 Aufbau und Anordnung
unterschiedlicher Teile der Sensorvorrichtung beschrieben.
In Fig. 1 ist ein Bildsensor mit PSD₁
bezeichnet. 1 ist ein Sensorelementebereich, der zur
Erzeugung einer Ladung auf einfallendes Licht anspricht
und einen Ladungserzeugungsbereich
1₁ hat. 1a ist eine Elektrode des Sensorelementebereichs 1,
während 1b ein Spannungszufuhranschluß ist, der mit
der Elektrode 1a verbunden ist und an den eine (in
Zeile (a) gemäß Fig. 3 gezeigte) Photoschaltspannung
VP angelegt ist, um eine Potentialmulde im Ladungserzeugungsbereich
1₁ zu bilden; 2 und 3 sind ein erster bzw.
zweiter Ladungsspeicherbereich zur Speicherung der
vom Sensorelementebereich 1 erzeugten Ladung, die
jeweils Speicherelemente 2₁ bzw. 3₁ haben, die dem
Ladungserzeugungsbereich 1₁ entsprechen; 2a ist eine Elektrode
des ersten Ladungsspeicherbereichs 2, während 2b ein
mit der Elektrode 2a verbundener Spannungszufuhranschluß
ist; 3a ist eine Elektrode des zweiten Ladungsspeicherbereichs
3, während 3b ein mit der Elektrode
3a verbundener Spannungszufuhranschluß ist. An diese
Anschlüsse 2b und 3b wird eine (in Zeile (b) gemäß
Fig. 3 gezeigte) Spannung VI angelegt, um eine Potentialmulde
im jeweiligen ersten bzw. zweiten Speicherelement
2₁ bzw. 3₁ zu bilden; 4 und 5 sind ein erster
und ein zweiter Eingabesteuerschaltungsbereich, die jeweils zwischen
dem Sensorelementebereich 1 und dem ersten Ladungsspeicherbereich
2 bzw. zwischen dem Sensorelementebereich
1 und dem zweiten Ladungsspeicherbereich 3
angeordnet sind, um die Übertragung der vom
Sensorelementebereich 1 erzeugten Ladung entweder zum
ersten oder zum zweiten Ladungsspeicherbereich 2 bzw. 3 zu
steuern; 4a ist eine Elektrode des ersten Eingabesteuerschaltungsbereichs
4, während 4b ein mit der Elektrode 4a verbundener
Spannungszufuhranschluß ist; 5a ist eine
Elektrode des zweiten Eingabesteuerschaltungsbereichs 5, während
5b ein mit der Elektrode 5a verbundener Spannungszufuhranschluß
ist. An diese Anschlüsse 4b und 5b werden
(in den Zeilen (c) bzw. (d) gemäß Fig. 3 gezeigte)
Schaltimpulse ΦG bzw. Φ angelegt; 6 und 7 sind ein
erster bzw. zweiter Verschiebungsschaltbereich
zum jeweiligen Abnehmen der im ersten Ladungsspeicherbereich
2 bzw. zweiten Ladungsspeicherbereich
3 gespeicherten Ladungen; 6a ist eine Elektrode
des ersten Verschiebungsschaltbereichs 6, während 6b ein
mit der Elektrode 6a verbundener Spannungszufuhranschluß
ist; 7a ist eine Elektrode des zweiten Verschiebungsschaltbereichs
7, während 7b ein mit der
Elektrode 7a verbundener Spannungszufuhranschluß ist.
An diese Anschlüsse 6b und 7b wird ein (in Zeile (e)
gemäß Fig. 3 gezeigter) Schaltimpuls ΦS angelegt; 8 und
9 sind ein erster und ein zweiter Vorverstärkerbereich
zur Umsetzung der aus dem ersten bzw. zweiten Ladungsspeicherbereich
2 bzw. 3 über den Verschiebungsschaltbereich
6 bzw. 7 entnommenen Speicherladungen in
Spannungen; die Vorverstärkerbereiche 8 und 9 können Verstärkerbereiche
mit erdfreier bzw. verbindungsfreier
Diffusion (FDA-Vorverstärkerbereiche) aus einem
Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor bzw. MOS-FET
für die Signalausgabe und einem MOS-FET für die Ladungslöschung
bzw. Entladung sein; 8a, 8b und 8c sind Spannungszufuhranschlüsse
des ersten Vorverstärkerbereichs 8;
9a, 9b und 9c sind Spannungszufuhranschlüsse des zweiten
Vorverstärkerbereichs 9. An die Anschlüsse 8a und 9a
wird eine Ausgangstransistor-Drain-Spannung VD angelegt,
an die Anschlüsse 8b und 9b wird ein (in
Fig. 3 (f) gezeigter) Schaltimpuls ΦC für die Gateelektrode des
Lösch- bzw. Entlade-FET angelegt und an die Anschlüsse
8c und 9c wird eine Ladungskopplungs-Drain-Spannung
VCD für den Entlade-FET angelegt.
Die Vorverstärkerbereiche 8 und 9 entsprechen denjenigen
bei gewöhnlich erhältlichen ladungsgekoppelten
Schaltungen (CCD).
10 ist ein beispielsweise
in MOS-Form aufgebauter Differenzverstärkerbereich
zur Erzielung einer Differenz zwischen den
Ausgangssignalen des ersten und zweiten Vorverstärkerbereichs
8 und 9, wobei beispielsweise der
nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkerbereichs
10 mit dem Ausgang des ersten Vorverstärkerbereichs
8 verbunden ist, während der invertierende
Eingang mit dem Ausgang des zweiten Vorverstärkerbereichs
9 verbunden ist; 10a und 10b sind Spannungszufuhranschlüsse
des Differenzverstärkerbereichs 10,
während 10c ein Ausgangsanschluß ist. An die
Anschlüsse 10a und 10b werden Spannungen +Vcc bzw.
-Vcc angelegt. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkerbereichs
10 erscheint an dem Anschluß 10c.
Obgleich der Differenzverstärkerbereich 10 als auf
dem gleichen Mikrochip aufgebaut dargestellt ist,
ist es natürlich möglich, den Bereich in Form eines
von dem Bildsensor PSD₁ getrennten
Mikrochip aufzubauen. Dies entspricht einem üblichen
Differenzverstärker, der in
Form einer integrierten Schaltung hergestellt ist.
15 ist eine Kanalsperre zum Verhindern
einer Diffusion bzw. Ausbreitung der in den
durch Schräglinien in Fig. 2 gezeigten Teilen des
Bildsensors PSD₁ ausgebildeten Potentialmulden. ET ist ein
Erd- bzw. Masseanschluß, der mit einem Substrat
des Bildsensors PSD₁ verbunden ist.
Nachstehend wird der Aufbau des
Bildsensors PSD₁ insbesondere an dem
Sensorelementebereich 1, den Eingabesteuerschaltungsbereichen 4 und
5 und den Ladungsspeicherbereichen 2 und 3 anhand von
Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 ist 11 das
Substrat des Bildsensors PSD₁, wie
beispielsweise ein p-Si-Substrat; 12A ist eine erste
Isolierschicht aus SiO₂, die mittels des chemischen
Dampfablagerungs-Hochtemperatur-Oxidationsverfahrens
(CVD-Oxidationsverfahrens) oder dgl. auf dem Substrat
11 ausgebildet ist und auf der als n⁺-Polykristall-Si-Schichten
die Sensorelementebereich-Elektrode 1a und die
Ladungsspeicherbereich-Elektroden 2a und 3a gebildet sind;
12B ist eine zweite Isolierschicht aus dem gleichen
SiO₂-Material, die auf der ersten Isolierschicht
12A so ausgebildet ist, daß sie die Elektroden 1a,
2a und 3a bedeckt. Zum Anbringen der vorstehend beschriebenen
Eingabesteuerschaltungsbereich-Elektroden 4a und 5a wird
durch Photoätz-Maßnahmen oder dgl. die zweite Isolierschicht
12B teilweise entfernt, wonach dann über den
geätzten Ausnehmungen eine n⁺-Polykristall-Si-Dünnschicht
abgelagert wird; 12C ist eine dritte Isolierschicht
aus dem gleichen SiO₂-Material, die auf der
zweiten Isolierschicht 12B so ausgebildet ist, daß
sie die Eingabesteuerschaltungsbereich-Elektroden 4a und 5a bedeckt; 13 ist eine
Lichtabschirmschicht, die mittels des Vakuumablagerungsverfahrens
als eine dünne Schicht aus Metall wie Al
an der ganzen Oberfläche der dritten Isolierschicht
12C mit Ausnahme eines der Sensorelementebereich-Elektrode 1a entsprechenden
Bereichs 13a ausgebildet ist. Dieser Bereich 13a der
Lichtabschirmschicht 13 wird mittels eines Photoätzverfahrens
entfernt, um damit einen Bereich bzw. ein Fenster 13a für das
einfallende Licht zu bilden; 14 sind n⁺-Zonen, die
durch Eindiffusion von Phosphor oder einem anderen
geeigneten Dotierungsmittel in das p-Si-Substrat 11
in den den Ladungsspeicherbereich-Elektroden 2a und 3a entsprechenden Zonen so
gebildet sind, daß die Potentialmulden in den
Speicherelementen 2₁ und 3₁ zueinander symmetrisch
werden. Die vorstehend beschriebenen Kanalsperren 15
werden durch Eindotieren von Verunreinigungen in das
Substrat 11 gebildet und stellen bei dem p-Si-Substrat
p⁺-Zonen dar. Obwohl dies hier nicht gezeigt ist, ist
der Innenaufbau eines jeden der Verschiebungsschaltbereiche
6 und 7 gleich dem der Eingabesteuerschaltungsbereiche
4 und 5.
Die Dicke der Sensorelementebereich-Elektrode 1a
am Sensorelementebereich 1 liegt üblicherweise in der Größenordnung
von ungefähr 400 nm, so daß Licht im sichtbaren
Bereich durchgelassen wird; durch geeignetes
Ändern dieser Dicke ist es jedoch möglich, einen gewünschten
Spektral-Wellenlängenbereich zur Verwendung
als Projektionslicht zu wählen, wie z. B. Licht im Infrarotbereich
oder nahe dem Infrarotbereich, wozu die Dicke
gegenüber der üblichen Dicke gesteigert werden muß.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des Bildsensors
PSD₁ beschrieben. Zunächst werden
Norm-Spannungswerte für die vorstehend beschriebenen
verschiedenen Signale VP, VI, ΦG, Φ , ΦS, VD, ΦC,
VCD und VCC angegeben, die zur
Ansteuerung des Bildsensors PSD₁ notwendig sind:
Photoschaltspannung VP|4 V | |
Ladungsspeicherbereich-Spannung VI | 8 V |
Taktspannung (hoher Pegel) der Schaltimpulse ΦG und Φ | 2 V |
Taktspannung (hoher Pegel) der Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS | 4 V |
Ausgangsstufentransistor-Drain-Spannung VD | 20 V |
Taktspannung (hoher Pegel) der Entlade-Schaltimpulse ΦC | 4 V |
CCD-Drain-Spannung CCD | 6 V |
Speisespannung ± VCC des Differenzverstärkerbereichs 10 | ±5 bis 15 V |
Diese Werte basieren auf der Spannung
des Substrats. Wei bei der üblichen
ladungsgekoppelten Schaltung brauchen die
Signale VI, ΦG, Φ, ΦS und ΦC keine Spannung
niedriger als 0,0 V anzunehmen.
Werden beim Betrieb des Bildsensors
der Sensorelementebereich 1 und
der erste und zweite Ladungsspeicherbereich 2 bzw.
3 über die jeweiligen Anschlüsse 1b, 2b und 3b mit den
jeweils in Fig. 3(a) und 3(b) gezeigten Spannungen
VP bzw. VI gespeist, so entstehen an diesem
Sensorelementebereich 1 bzw. den Ladungsspeicherbereichen
2 und 3 in dem Ladungserzeugungsbereich 1₁ bzw. den
Speicherelementen 2₁ und 3₁ jeweils Potentialmulden
gemäß Fig. 4(a) (wobei aufgrund
des Anbringens der n⁺-Zonen 14 entsprechend den
Bereichen der Speicherelemente 2₁ und 3₁ die Potentialmulden
in den Speicherelementen 2₁ und 3₁ tiefer als die
Potentialmulde in dem Ladungserzeugungsbereich 1₁ sind, wobei sie
zu letzterer symmetrisch sind). Wenn dann durch das
Fenster 13a Licht eintritt, erzeugt der Sensorelementebereich
1 eine diesem einfallenden Licht entsprechende
Ladung, die gemäß Fig. 4(a) in der
Potentialmulde in dem Ladungserzeugungsbereich 1₁ gespeichert wird.
Wenn während dieser Zeit eine vorbestimmte Spannung
beispielsweise zuerst über den Anschluß 4b an den ersten
Eingabesteuerschaltungsbereich 4 angelegt wird, wird eine Potentialmulde
geschaffen (die tiefer als diejenige im Ladungserzeugungsbereich
1₁, jedoch flacher als diejenige im Speicherelement
2₁ ist), um damit einen Potentialgradienten
vom Sensorelementebereich 1 weg herab zum
Ladungsspeicherbereich 2 zu bilden. Auf diese Weise
kann gemäß der Darstellung in Fig. 4(b) die zu dieser
Zeit im Ladungserzeugungsbereich 1₁ erzeugte Ladung über den
ersten Eingabesteuerschaltungsbereich 4 zum ersten Ladungsspeicherbereich
2 fließen, wo sie in der Potentialmulde
im Speicherelement 2₁ gespeichert wird.
Wenn danach die Zufuhr der Spannung
zum ersten Eingabesteuerschaltungsbereich 4 unterbrochen wird und
die Spannung über den Anschluß 5b an den zweiten Eingabesteuerschaltungsbereich
5 angelegt wird, wird
Fig. 4(c) ein umgekehrtes
Ergebnis herbeigeführt, da eine Potentialmulde geschaffen
wird (die auf gleiche Weise wie beim ersten Eingabesteuerschaltungsbereich
4 tiefer als diejenige im Ladungserzeugungsbereich
1₁ ist, jedoch flacher als diejenige im zweiten
Speicherelement 3 ist), um einen Potentialgradienten
vom Sensorelementebereich 1 zum zweiten Ladungsspeicherbereich
3 hin zu schaffen, so daß die zu dieser
Zeit im Ladungserzeugungsbereich 1₁ erzeugte Ladung über den
Eingabesteuerschaltungsbereich 5 in den zweiten Ladungsspeicherbereich
3 abgeleitet wird und in der Potentialmulde
im Speicherelement 3₁ gespeichert wird (wobei der sich
ergebende Zustand in Fig. 4(c) gezeigt ist).
Daher bewirkt nach Anlegen der Spannungen VP und
VI an den Sensorelementebereich 1 bzw. die Ladungsspeicherbereiche
2 und 3 das Anlegen der Schaltimpuls-Folge
ΦG und Φ über die jeweiligen Anschlüsse 4b und
5b an den ersten bzw. zweiten Eingabesteuerschaltungsbereich 4 bzw.
5 die Bildung bzw. Aufhebung der Potentialmulden
in diesen Eingabesteuerschaltungsbereichen 4 und 5 in abwechselnder
Gegenläufigkeit. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche
Folge von im Sensorelementebereich 1 erzeugten Ladungen
abwechselnd in den ersten bzw. den zweiten Ladungsspeicherbereich
2 bzw. 3 herausgeführt und jeweils
in dem Speicherelement 2₁ bzw. 3₁ gesammelt. Nach mehrfachem
Wiederholen der abwechselnden Übertragung der
vom Sensorelementebereich 1 erzeugten Ladung zu dem
ersten und dem zweiten Ladungsspeicherbereich 2 und 3
wird dann unter geeigneter zeitlicher Beziehung der
in Fig. 3(e) gezeigte Verschiebungs-Schaltimpuls ΦS
über die Anschlüsse 6b und 7b an den ersten und den
zweiten Verschiebungsschaltbereich 6 und 7 angelegt,
während synchron hierzu die Ladungsspeicherbereich-Spannung VI an dem ersten
und zweiten Ladungsspeicherbereich 2 und 3 zeitweilig
auf niedrigen Pegel abgesenkt wird, wodurch
während der Ausbildung von Potentialmulden im ersten
und zweiten Verschiebungsschaltbereich 6 und 7
die Potentialmulden in den Speicherelementen 2₁ und 3₁
aufgehoben werden, damit die an den Speicherelementen
2₁ und 3₁ gesammelten und gespeicherten Ladungen entnommen
werden können. Bei der
Entnahme der Ladungen werden die Schaltimpulse ΦG und Φ
gemäß Fig. 3(c) und (d) auf niedrigem
Pegel gehalten, da sonst die Ladungen an den
Ladungsspeicherbereichen 2 und 3 zu dem Sensorelementebereich
1 zurückfließen würden, da in den Eingabesteuerschaltungsbereichen
4 und 5 die Potentialmulden ausgebildet wären.
Nach der Entnahme über diese Verschiebungsschaltbereiche
6 und 7 fließen die an den Ladungsspeicherbereichen
2 und 3 gespeicherten Ladungen in den ersten
bzw. zweiten Vorverstärkerbereich 8 und 9, wobei
die Sourceelektrode des Signalausgangs-FETs in einem
jeweiligen dieser Vorverstärkerbereiche 8 und 9 eine
Spannung erzeugt, die proportional zu der in die jeweiligen
einzelnen Vorverstärkerbereiche 8 und 9 eingeführten
Ladungsmenge ist. Danach werden die dabei auftretenden Ausgangssignale
der Vorverstärkerbereiche 8 und
9 dem Differenzverstärkerbereich 10 zugeführt, der ein
Ausgangssignal erzeugt, das dem Unterschied zwischen den
Signalen entspricht. Dieses Ausgangssignal liegt am
Anschluß 10c an.
Wenn sich daher die vom Sensorelementebereich
1 während der Zeit der Entnahme in den ersten Ladungsspeicherbereich
2 (d. h. während der Zeit hohen Pegels
des Schaltimpulses ΦG am ersten Eingabesteuerschaltungsbereich
4) empfangene Lichtmenge von der vom Sensorelementebereich
1 während der Zeit der Entnahme in den zweiten
Ladungsspeicherbereich 3 (d. h. während der Zeit hohen
Pegels des Schaltimpulses Φ am zweiten Eingabesteuerschaltungsbereich
5) empfangenen Lichtmenge unterscheidet, also
beispielsweise die erstgenannte Lichtmenge größer als
die letztgenannte ist, so ist die am ersten Ladungsspeicherbereich
2 gespeicherte Ladungsmenge größer als
die am zweiten Ladungsspeicherbereich 3 gespeicherte,
so daß daher die Ausgangsspannung des ersten Vorverstärkerbereichs
8 höher als die Ausgangsspannung des zweiten
Vorverstärkerbereichs 9 ist, wodurch der Differenzverstärkerbereich
10 entsprechend
Fig. 3(i) eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Unterschied
zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Vorverstärkerbereiche
8 und 9 entspricht.
Danach wird unter geeigneter zeitlicher Beziehung
der Verschiebungs-Schaltimpuls an den Verschiebungsschaltbereichen
6 und 7 von einem hohen auf einen niedrigen Pegel
zurückgestellt und synchron hierzu die Ladungsspeicherbereich-Spannung VI
an den Ladungsspeicherbereichen 2 und 3 von dem niedrigen
Pegel auf den vorangehend beschriebenen vorbestimmten
Spannungspegel zurückgestellt, wodurch unter Aufhebung
der Potentialmulden in den Verschiebungsschaltbereichen
6 und 7 an den Ladungsspeicherbereichen 2 und 3 wieder
die Potentialmulden gebildet werden. Wenn danach
die Schaltimpulse ΦG und Φ wieder an die
Eingabesteuerschaltungsbereiche 4 und 5 angelegt werden, wiederholen
sich die vorstehend beschriebenen Vorgängen.
Nach der Entnahme der in den
Ladungsspeicherbereichen 2 und 3 gespeicherten Ladungen
wird in geeigneter zeitlicher Steuerung der Entlade-Schaltimpuls
ΦC gemäß Fig. 3(f) an die
Vorverstärkerbereiche 8 und 9 angelegt, wodurch
die in die Vorverstärkerbereiche 8 und 9 eingeleiteten
Ladungen in die jeweiligen Drainelektroden der Entlade-FETs
in den Vorverstärkerbereichen 8 und 9 abgeleitet werden.
Wie aus den Fig. 3(e) bis (h) ersichtlich ist, ist die
Zeitdauer der Ausgangssignale der Vorverstärkerbereiche
8 und 9 ein Zeitintervall vom Anstieg des Verschiebungs-Schaltimpulses
ΦS bis zum Anstieg des Entlade-Schaltimpulses
ΦC.
Nachstehend wird eine Zeitsteuerschaltung bzw. Zeitgeberschaltung
für die Erzeugung der vorstehend beschriebenen
Signale VI, ΦG, Φ, ΦS und ΦC beschrieben, die
zur Ansteuerung des Bildsensors
PSD₁ notwendig sind. Fig. 5 zeigt
ein Beispiel für diese Zeitgeberschaltung. In
Fig. 5 ist OSC ein Oszillator zur Erzeugung einer Taktimpulsfolge;
CNT ist ein Binärzähler in Flankenabfall-Synchronisier-Ausführung
zum Zählen der Ausgangsimpulse
des Oszillators OSC; NAG ist ein NAND-Glied zur Bildung
der NAND-Verknüpfung aus Ausgangssignalen QB, QC und QD
des Zählers CNT; AG₁ ist ein UND-Glied für die Bildung
der UND-Verknüpfung aus dem Ausgangssignals des NAND-Glieds
NAG und des mittels eines Inverters IV₁ invertierten
Ausgangssignals QA des Zählers CNT; AG₂ ist ein UND-Glied
zur Bildung der UND-Verknüpfung aus dem Ausgangssignal
des NAND-Glieds NAG und dem Ausgangssignal QA
des Zählers CNT; NOG ist ein NOR-Glied zur Bildung der
NOR-Verknüpfung aus dem Ausgangssignal des NAND-Glieds
NAG und dem Ausgangssignal des Inverters IV₁; DL₁ ist
eine Verzögerungsschaltung, die das Ausgangssignal des
NOR-Glieds NOG um eine Zeitdauer τ₁ verzögert; IV₂
ist ein Inverter zur Inversion des Ausgangssignals der
Verzögerungsschaltung DL₁; DL₂ ist eine Verzögerungsschaltung,
die das Ausgangssignal des NOR-Glieds NOG
um eine Zeitdauer τ₂ verzögert (wobei τ₂<τ₁ ist).
Gemäß Fig. 5 wird der
Oszillator OSC zum Schwingen und Erzeugen der in
Fig. 6(a) gezeigten Folge von Taktimpulsen eingeschaltet,
welche mittels des Zählers CNT gezählt werden.
Die Ausgangssignale QA, QB, QC und QD wechseln
gemäß den Fig. 6(b), (c), (d) und
(e), so daß daher das NAND-Glied NAG ein Ausgangssignal
gemäß Fig. 6(f) erzeugt. Daher erzeugen
während dieser Zeit die UND-Glieder AG₁ und AG₂
Ausgangssignale gemäß Fig. 6(g) bzw.
(h), während das NOR-Glied NOG ein Ausgangssignal
gemäß Fig. 6(i) erzeugt. Ferner erzeugt
während dieser Zeit die Verzögerungsschaltung
DL₁ ein Ausgangssignal gemäß Fig. 6(j), das gegenüber
dem Ausgangssignals des NOR-Glieds NOG um die Zeitdauer
τ₁ verzögert ist; der Inverter IV₂ erzeugt ein Ausgangssignal
gemäß Fig. 6(k). Andererseits
erzeugt die Verzögerungsschaltung DL₂ ein Ausgangssignal,
das gemäß Fig. 6(l) gegenüber dem
Ausgangssignal des NOR-Glieds NOG um die Zeitdauer
τ₂ verzögert ist.
Die vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausgangssignale
aus den UND-Gliedern AG₁ und AG₂, der Verzögerungsschaltung
DL₁, dem Inverter IV₂ und der Verzögerungsschaltung
DL₂ können daher als Bezugszeitsteuerungssignale
ΦG, Φ, ΦS, VI und ΦC verwendet werden,
um nach Einstellung der Spannungen dieser Signale
beispielsweise gemäß den vorstehend angegebenen
Norm-Spannungswerten die Schaltimpulse ΦG und Φ,
die Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS, die Speichersteuerungs-Spannung
VI und die Entlade-Schaltimpulse ΦC
zu erzielen.
Bei dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Zyklen der abwechselnden
Ladungsübertragungsvorgänge aus dem
Sensorelementebereich 1 zum ersten und zweiten
Ladungsspeicherbereich 2 und 3 vor der Entnahme der
in den Ladungsspeicherbereichen 2 und 3 gespeicherten Ladungen größer
als eins; selbstverständlich kann jedoch die
Zyklus-Anzahl nur eins sein und die Periode eines jeden
Zykluses irgendeinen beliebigen Wert annehmen. Weiterhin
sind bei diesen Ausführungsbeispiel die Schaltimpulse ΦG
udn Φ für die Eingabesteuerschaltungsbereiche 4 und 5 so ausgebildet,
daß sie gemäß Fig. 3(c)
und (d) einen Zeitverlauf mit einem Einschaltverhältnis
50% haben, so daß im Sinne der in Fig. 4 gezeigten
Potentiale eine Folge der Schritte (b)→(c)→(b)
(c)→... herbeigeführt wird. Unter der Voraussetzung
einer geeigneten Zeitsteuerung können als Schaltimpulse
ΦG und Φ die in Fig. 6(a) gezeigten Impulse
des Oszillators OSC verwendet werden, obgleich deren
Einschaltverhältnis kleiner als 50% ist. In diesem
Fall wird die erzeugte Ladung für eine Zeitdauer in
der Potentialmulde in dem Ladungserzeugungsbereich 1₁ belassen,
so daß die Schrittfolge zu (a)→(b)→(a)→(c)
(a)→(b)→... wird.
Die vorstehende Beschreibung ist
auch für die folgenden Ausführungsbeispiele der Sensorvorrichtung
gültig.
Der vorstehend beschriebene Bildsensor PSD₁ wird als photoelektrischer
Lichtempfänger in Verbindung mit beispielsweise
einer Maske mit einer Dreiecköffnung oder einem
Graufilter-Streifen, dessen Dichte sich mit der Länge
ändert, in Anordnung vor dem Fenster 13a in der Lichtabschirmschicht
13 des Bildsensors PSD₁ verwendet;
dadurch ändern sich mit veränderter Objektentfernung
die Einfallpunkte der beiden Lichtstrahlenbündel auf
die Lichtempfangsfläche, wodurch sich die durch das
eine Lichtstrahlbündel in dem Sensorelementebereich
1 erzeugte Ladung in ihrer Menge von der auf dem anderen
Lichtstrahlenbündel beruhenden unterscheidet (was allgemein
als Lageerfassungsfunktion bezeichnet wird). Zugleich
wird die Frequenz der Taktimpulse aus dem Oszillator
OSC in Fig. 5 so gewählt, daß sie der Zerhackerperiode
für die abwechselnde Wahl des Einfalls der beiden
Lichtstrahlenbündel auf die Fläche des Sensorelementebereichs 1 mittels
des Drehzerhackers entspricht. Auf diese Weise werden
die beiden Lichtstrahlenbündel in zeitlicher Aufeinanderfolge
auf den Sensorelementebereich 1 gerichtet,
wobei eine erste Folge von Ladungen vom Sensorelementebereich
1 zum ersten Ladungsspeicherbereich 2 übertragen
wird, während eine zweite Folge von Ladungen
zum zweiten Ladungsspeicherbereich 3 übertragen wird.
Danach werden in geeigneter zeitlicher Steuerung die
den am ersten bzw. zweiten Ladungsspeicherbereich
2 bzw. 3 gesammelten Ladungsmengen entsprechenden
Spannungen an den Differenzverstärkerbereich 10 angelegt, um eine
Spannungsdifferenz zu erzielen (die nämlich dem integrierten
Wert eines Signals entspricht, das den Unterschied
zwischen den Einfallpunkten der beiden Lichtstrahlenbündel
am Fenster 13a für das einfallende
Licht darstellt). Durch Erfassung des Pegels dieser
an dem Ausgangsanschluß 10c auftetenden Differenzspannung
ist es möglich, die Entfernung zu einem Zielobjekt
auszudrücken.
Da ferner
die impulsförmigen Lichtsignale gemäß der vorstehenden
Beschreibung unter Integration gesammelt werden, können
Vorteile erzielt werden, wie beispielsweise
daß die Erfassungs- bzw. Meßleistung beträchtlich
verbessert ist.
Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
optischen Sensorvorrichtung. Bei diesem zweiten
Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Ladungserzeugungsbereiche
in dem Sensorelementebereich 1 gleich 2, so daß daher
die entsprechende Anzahl der Speicherelemente im
ersten und zweiten Ladungsspeicherbereich 2 und 3 zu 2
wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist diese
Sensorvorrichtung im wesentlichen aus zwei optischen
Bildsensoren PSD₁ gemäß Fig. 1 in symmetrischer
Zusammensetzung aufgebaut. In Fig. 7 sind die Teile,
die mit den Bezugszeichen mit oder ohne Indizes bezeichnet
sind, die denjenigen in den Fig. 1 und 2 entsprechen,
gleich oder gleichartig den schon genannten. Falls es
nicht einer besseren Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels
dient, ist daher ihre Beschreibung weggelassen.
In Fig. 7 ist der Bildsensor gemäß
diesem zweiten Ausführungsbeispiel allgemein mit PSD₂
bezeichnet. Gemäß der
vorstehenden Beschreibung ist der Sensorelementebereich
1 mit zwei Ladungserzeugungsbereichen 1₁ und 1₂ ausgestattet,
während der erste und zweite Ladungsspeicherbereich
2 und 3 jeweils mit zwei Speicherelementen 2₁ und 2₂
bzw. 3₁ und 3₂ versehen sind. Die Ladungserzeugungsbereich 1₁
und 1₂ sowie die Speicherelemente 2₁, 2₂, 3₁ und 3₂
sind unter Trennung durch jeweilige Kanalsperren 15₁
ausgebildet, wobei die Ladungserzeugungsbereiche 1₁ und 1₂ eine
gemeinsame Elektrode 1a, die Speicherelemente 2₁ und 2₂
eine gemeinsame Elektrode 2a und die Speicherelemente
3₁ und 3₂ eine gemeinsame Elektrode 3a haben. Ferner
hat der erste Eingabesteuerschaltungsbereich 4 zwei Schaltelemente,
die durch die Kanalsperre 15₁ voneinander getrennt sind,
um ein Abwandern bzw. Abfließen von Ladungen zu verhindern,
wenn diese von den Ladungserzeugungsbereichen 1₁ und 1₂ zu den jeweiligen
Speicherelementen 2₁ bzw. 2₂ übertragen werden.
Auf gleiche Weise hat der zweite Eingabesteuerschaltungsbereich
5 zwei Schaltelemente.
Die an den Speicherelementen 2₁, 2₂, 3₁ und 3₂
gespeicherten Ladungen werden über jeweilige Verschiebungsschaltbereiche
6₁, 6₂, 7₁ bzw. 7₂ entnommen
und dann mittels jeweiliger Vorverstärkerbereiche
8₁, 8₂, 9₁ bzw. 9₂ in Spannungen umgesetzt, wobei jeder
der Vorverstärkerbereiche 8₁, 8₂, 9₁ bzw. 9₂ ein Verstärkerbereich mit
erdfreier bzw. "gleitender" Gateelektrode ("floating gate
amplification" - bzw. FGA-Ausführung) mit einem Spannungszufuhranschluß
8d ist, an den eine Gleichvorspannung
VFG (von beispielsweise 3,5 V) für den "gleitenden"
Gatebereich angelegt wird. Der Differenzverstärkerbereich 10
ist gleichfalls mit zwei Differenzverstärkern 10₁ und
10₂ versehen. Dem ersten Differenzverstärker 10₁ wird
an seinem nichtinvertierenden Eingang das Ausgangssignal
des Vorverstärkerbereichs 8₁ und an seinem invertierenden
Eingang das Ausgangssignals des Vorverstärkerbereichs
9₁ zugeführt, so daß am Ausgang
10 C1 die als VOUT-A bezeichnete Spannungsdifferenz zwischen
diesen Ausgangssignalen anliegt, während
andererseits dem zweiten Differenzverstärker 10₂ an seinem
nichtinvertierenden Eingang das Ausgangssignal
des Vorverstärkerbereichs 8₂ und an seinem invertierenden
Eingang das Ausgangssignal des Vorverstärkerbereichs
9₂ zugeführt wird, so daß am Ausgang 10 C2 die als VOUT-B
bezeichnete Differenzspannung anliegt.
Als Signale VP, VI, ΦG, Φ, ΦS, VD, VVD und ΦC
zur Steuerung der optischen Sensorvorrichtung
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel können diejenigen
für den Bildsensor PSD₁ gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendet werden.
Bei dem Bildsensor PSD₂ wird durch
die Ansteuerung mittels der vorstehend genannten
verschiedenen Signale auf gleiche Weise wie in
Verbindung mit dem Bildsensor PSD₁ gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel, die in dem
Ladungserzeugungsbereich 1₁ erzeugte Ladung abwechselnd an den
Speicherelementen 2₁ und 3₁ gesammelt, während zugleich
getrennt bzw. isoliert davon die in dem Ladungserzeugungsbereich
1₂ erzeugte Ladung in den Speicherelementen 2₂ und 3₂
gesammelt wird. Danach werden gemäß den vorstehenden
Ausführungen die in den Speicherelementen 2₁, 2₂, 3₁
und 3₂ gespeicherten Ladungen über die Verschiebungsschaltbereiche
6₁, 6₂, 7₁ bzw. 7₂ entnommen und den Vorverstärkerbereichen
8₁, 8₂, 9₁ bzw. 9₂ zugeführt, wobei
den in den Speicherelementen 2₁, 2₂, 3₁ und 3₂ gesammelten Ladungsmengen
entsprechende Spannungen erzeugt werden. Auf diese
Weise erzeugt der erste Differenzverstärker 10₁ eine
Spannung, die der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen
der Vorverstärkerbereiche 8₁ und 9₁, d. h. der Differenz
zwischen den in den Speicherelementen 2₁ und 3₁ gesammelten
Ladungsmengen entspricht, wobei diese Spannungen mit
VOUT-A bezeichnet wird und am Ausgang 10 C1
anliegt. Andererseits erzeugt der zweite Differenzverstärker
10₂ eine Spannung, die der Differenz zwischen
den Ausgangsspannungen der Vorverstärkerbereiche 8₂ und
9₂, d. h. der Differenz zwischen den in den Speicherelementen
2₂ und 3₂ gesammelten Ladungsmengen entspricht,
wobei diese Spannung VOUT-B am Ausgang 10 c2
anliegt.
Daher ist der Bildsensor
PSD₂ gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
zur Verwendung als photoelektrischer Lichtempfänger
bei einer automatischen Entfernungsermittlungs-
und Scharfeinstellungs-Ermittlungseinrichtung geeignet.
Beispielsweise können die Bezugs-Taktimpulse aus dem
Oszillator OSC in der Schaltung gemäß Fig. 5 zur Steuerung
des Einschaltens des Lichtprojektors in dem Bildsensor
PSD₂ verwendet werden, so daß die in dem Ladungserzeugungsbereich
1₁ erzeugten aufeinanderfolgenden Ladungen,
die auftreten, wenn der Lichtprojektor eingeschaltet
ist, an dem Speicherelement 2₁ gesammelt werden können
und die anderen Ladungen an dem Speicherelement 3₁
gesammelt werden können, während die von dem zweiten
Ladungserzeugungsbereich 1₂ erzeugten aufeinanderfolgenden Ladungen
auf ähnliche Weise unter Trennung voneinander in Abhängigkeit
vom Einschaltzustand oder Ausschaltzustand des
Lichtprojektors an den Speicherelementen 2₂ und 3₂ gesammelt
werden können. Auf diese Weise erzeugt der
Differenzverstärker 10₁ eine Ausgangsspannung, die
die Ladung darstellt, die ausschließlich dem Projektionslicht
an dem Ladungserzeugungsbereich 1₁ entspricht, während der
Differenzverstärker 10₂ eine Ausgangsspannung erzeugt,
die die Ladung darstellt, die auf gleiche Weise ausschließlich
dem Projektionslicht an dem zweiten Ladungserzeugungsbereich
1₂ entspricht. Durch Erfassung, ob diese Spannungen
miteinander übereinstimmen, kann die Entfernungserfassung
oder Scharfeinstellungserfassung
unter den Bedingungen erfolgen, daß die auf das Umgebungslicht
zurückzuführende Störkomponente völlig ausgeschaltet
ist; dadurch erfolgt die Erfassung mit gesteigerter
Genauigkeit. Da ferner
die Signale integriert und gespeichert
werden, werden Vorteile erzielt,
wie beispielsweise, daß die Erfassungsleistung bzw.
Meßleistung beträchtlich verbessert ist.
Anhand von Fig. 8 wird nachstehend ein drittes
Ausführungsbeispiel der optischen Sensorvorrichtung
beschrieben. Dieses dritte Ausführungsbeispiel
weist als Merkmal auf, daß die Anzahl der Ladungserzeugungsbereiche
in dem Sensorelementebereich 1 weiter auf n gesteigert
ist. In Fig. 8 ist der Bildsensor allgemein
mit PSD₃ bezeichnet, während der Sensorelementebereich
1 mit n Ladungserzeugungsbereichen 1₁ bis 1 n ausgestattet ist, die unter
Trennung bzw. Isolierung voneinander mittels der
Kanalsperren 15 ausgebildet sind. Ferner sind dementsprechend
der erste und zweite Ladungsspeicherbereich
2 und 3 jeweils mit n Speicherelementen 2₁
bis 2 n bzw. 3₁ bis 3 n versehen, die unter Trennung
durch Kanalsperren 15 ausgebildet sind, während auf
gleiche Weise der erste und zweite Eingabesteuerschaltungsbereich
4 bzw. 5 jeweils mit n Schaltelementen ausgestattet
sind, die unter Trennung mittels der Kanalsperren
15 ausgebildet sind.
Die Verschiebungsschaltbereiche 6 und 7 sind
jeweils mit n Schaltelementen versehen, die unter
Trennung durch die Kanalsperren 15 ausgebildet sind,
wobei sie jedoch eine gemeinsame Elektrode 6a bzw.
7a haben, während der Differenzverstärkerbereich
10 weggelassen ist. Daher werden die in den
Speicherlementen 2₁ bis 2 n gespeicherten Ladungen nach Umsetzung in Spannungen
durch jeweilige n Vorverstärker 8₁ bis 8n sowie die
in den Speicherelementen 3₁ bis 3 n gespeicherten Ladungen nach Umsetzung in
Spannungen durch jeweilige n Vorverstärker 9₁ bis 9n
parallel über Ausgangsanschlüsse 8e1 bis 8en bzw.
9e1 bis 9en ausgelesen (wobei die Vorverstärker 8₁ bis
8 n und 9₁ bis 9 n wie bei dem Bildsensor
PSD₁ des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1
FDA-Vorverstärker bzw. Vorverstärker mit erdfreier oder
"gleitender" Diffusion sind).
Ferner werden zur Ansteuerung dieses Bildsensors
PSD₃ die vorstehend beschriebenen
Signale ohne weitere Änderungen verwendet.
Die Wirkungsweise stimmt völlig mit
derjenigen bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen
mit der Ausnahme überein, daß die Ausgangsspannungen
aus den Vorverstärkern 8₁ bis 8 n und 9₁ bis 9n parallel
abgegeben werden.
Der Bildsensor PSD₃ ist
gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
zur Verwendung als photoelektrischer Lichtempfänger beispielsweise bei der in der JP-OS
Sho 49-49 625 beschriebenen Entfernungsmeßeinrichtung
geeignet. Dabei werden die bei dem
Ausführungsbeispiel der JP-OS Sho 49-49 625 gezeigten n
Differenzverstärker in paarweiser Zuordnung mit den
Vorverstärkern 8₁ bis 8 n und 9₁ bis 9 n zusammengeschaltet,
während zugleich unter Verwendung der
Bezugs-Taktimpulse aus dem Oszillator OSC in der
Schaltung gemäß Fig. 5 das vom Lichtprojektor abgegebene
Licht intermittierend geschaltet wird, wobei die
Wiederkehrdauer des projizierten Lichts der Frequenz
der Taktimpulse entspricht. Auf diese Weise werden
von den in den Ladungserzeugungsbereichen 1₁ bis 1 n erzeugten
Ladungen die bei Lichtprojektion auftretenden an den
entsprechenden der Speicherelemente 2₁ bis 2 n gesammelt,
während die anderen, bei fehlender Lichtprojektion
auftretenden Ladungen jeweils an den Speicherelementen
3₁ bis 3 n gesammelt werden, wodurch an den jeweiligen
Ausgangsanschlüssen 8e1, 8e2, ..., 8en des
Bildsensors PSD₃ Spannungen abgegeben werden, die
proportional den Ladungen sind, die in den einzelne
Ladungserzeugungsbereichen 1₁, 1₂, ..., 1 n bei Projektion des
Lichts erzeugt werden, während an den jeweiligen
Ausgangsanschlüssen 9e1, 9e2, ..., 9en Spannungen
auftreten, die proportional den Ladungen sind,
die in den einzelnen Ladungserzeugungsbereichen 1₁, 1₂, ...,
1 n erzeugt werden, wenn kein Projektionslicht verwendet
wird. Daher erzeugen die einzelnen Differenzverstärker
Spannungen, die auf die in den einzelnen Ladungserzeugungsbereichen
1₁, 1₂, ..., 1 n in alleiniger Übereinstimmung
nur mit dem Projektionslicht erzeugten Ladungen zurückzuführen
sind.
Auf diese Weise kann
die Entfernung zu dem Zielobjekt ohne Störung durch
Umgebungslicht und daher mit hoher Genauigkeit gemessen
werden. Darüber hinaus ergibt die Integration
und Speicherung der Signale die
beschriebenen Vorteile.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 9
und 10 wird nachstehend ein viertes Ausführungsbeispiel der optischen
Sensorvorrichtung beschrieben. Dieses vierte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom dritten Ausführungsbeispiel
dadurch, daß, während der Bildsensor
PSD₃ die auf die in den einzelnen Speicherelementen
2₁, 2₂, ..., 2 n und 3₁, 3₂, ..., 3 n gespeicherten
Ladungen zurückzuführenden Ausgangssignale parallel
abgibt, diese durch Verwendung von ladungsgekoppelten
Analogschieberegistern seriell, d. h. in zeitlicher Aufeinanderfolge
abgegeben werden.
In Fig. 9 ist der Bildsensor allgemein
mit PSD₄ bezeichnet. Wie aus dem Vergleich mit Fig. 8
hervorgeht, sind anstelle der
Reihen von Vorverstärkern 8₁ bis 8 n und 91 bis 9 n
des vorstehend beschriebenen Bildsensors PSD₃
Analogschieberegister-Bereiche 16
und 17 mit Zweiphasenübertragung vorgesehen. Wenn
die Anzahl der Ladungserzeugungsbereiche in dem Sensorelementebereich
1 gleich n ist, wird die notwendige Anzahl
von Bit-Elementen in diesen Analogschieberegister-Bereichen
16 und 17 beliebig auf mehr als 2n gewählt, jedoch
sei zur Vereinfachung angenommen, daß die Anzahl
gleich 2n+2 ist. Ladungsgekoppelte Analogschieberegister
dieser Art sind an sich bekannt.
16a sind einzelne Elektroden der jeweiligen Bit-Elemente
in dem ersten Analogschieberegister-Bereich 16;
16b ist ein Spannungszufuhranschluß, der mit den Elektroden
der geradzahligen Bit-Elementengruppe verbunden
ist (wobei zur Vereinfachung die Zählung von dem
in der Zeichnung am weitesten rechts dargestellten
Bit-Element her erfolgt); 16c ist ein Spannungszufuhranschluß,
der mit der ungeradzahligen Bit-Elementengruppe
verbunden ist. An den Anschluß 16b werden (in
Fig. 10(e) gezeigte) Übertragungstaktimpulse Φ1 angelegt,
während an den Anschluß 16c (in Fig. 10(f) gezeigte)
Übertragungstaktimpulse Φ2 angelegt werden.
Auf gleiche Weise sind 17a Einzelelektroden der
jeweiligen Bit-Elemente in dem zweiten Analogschieberegister-Bereich
17; 17b ist ein Spannungszufuhranschluß, der
mit den Elektroden einer geradzahligen Bit-Elementengruppe
verbunden ist; 17c ist ein Spannungszufuhranschluß,
der an eine ungeradzahlige Bit-Elementengruppe
angeschlossen ist. Die Übertragungstaktimpulse Φ1 bzw.
Φ2 werden an die Anschlüsse 17b bzw. 17c angelegt.
Von diesen Bit-Elementen im ersten Analogschieberegister-Bereich
16 sind das erste, zweite, dritte,
fünfte, siebte, ..., (2n-3)te und (2n-1)-te Bit-Element
elektrisch durch die Kanalsperren 15 vom
ersten Verschiebungsschaltbereich 6 isoliert, so daß
die an den Speicherelementen 2₁, 2₂, 2₃, ..., 2 n-1,
2 n gesammelten Ladungen über den ersten Verschiebungsschaltbereich
6 zu dem vierten, sechsten, achten, ...,
(2n-2)-ten bzw. 2n-ten Bit-Element ausgegeben werden.
Auf gleiche Weise sind von den Bit-Elementen im
zweiten Analogschieberegister-Bereich 17 das erste, zweite,
dritte, fünfte, siebte, ..., (2n-3)-te und (2n-1)-te
Bit-Element mittels der Kanalsperren 15 elektrisch von
dem zweiten Verschiebungsschaltbereich 7 isoliert,
so daß die an den Speicherelementen 3₁, 3₂, 3₃, ...,
3 n-1, 3 n gesammelten Ladungen jeweils über den zweite
Verschiebungsschaltbereich 7 zu dem vierten, sechsten,
achten, ..., (2n-2)-ten bzw. 2n-ten Bit-Element ausgegeben
werden. Die vorangehend beschriebenen Vorverstärkerbereiche
8 und 9 (die beide FDA-Vorverstärkerbereiche
sind) sind jeweils mit den Analogschieberegister-Bereichen
16 und 17 an deren vordersten bzw. Kopf-Bit-Elementen
verbunden. Als Ladungslöschungs- bzw. Entlade-Schaltimpulse
(ΦC) für diese Vorverstärkerbereiche 8 und 9
werden die Übertragungstaktimpulse Φ1 verwendet.
Gemäß den
Fig. 10(a), (b) und (c) müssen die
Zeitsteuerung des Abfalls der Ladungsspeicherbereich-Spannung
VI auf niedrigen Pegel und der Periode derselben sowie
die Zeitsteuerung des Anlegens des Verschiebungs-Schaltimpulses
ΦS sowie der Periode desselben mit dem
einen Übertragungstaktimpuls Φ1 übereinstimmen, wobei
die Periodendauer T der Ladungsspeicherbereich-Spannung
mehr als das 2n-fache der Periode des Übertragungstaktimpulses
Φ1 sein muß. Ferner muß in diesem Fall
auch die Zeitsteuerung für das gleichzeitige Halten
der Schaltimpulse ΦG und Φ auf niedrigem Pegel mit der
Zeitsteuerung für die Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS
übereinstimmen. Die Frequenz der Schaltimpulse ΦG und
Φ in Fig. 10(b) und (c) stimmt mit derjenigen
der Übertragungstaktimpulse Φ1 und Φ2 überein,
jedoch ist dies nicht
wesentlich, so daß irgendwelche beliebigen Änderungen
vorgenommen werden können. Die Spannung
(hohen Pegels) der Übertragungstaktimpulse Φ1 und Φ2
kann beispielsweise 8 V annehmen.
Die Bezugszeitsteuerungssignale
für die in Fig. 10(a) bis (f) gezeigten
verschiedenen Ansteuerungssignale sind durch eine geeignete
Abwandlung der Schaltung nach Fig. 5 erzielbar.
Wenn der Bildsensor PSD₄ mit derartigen
Steuersignalen angesteuert wird, werden die
in den Speicherelementen 2₁, 2₂, ..., 2 n des ersten
Ladungsspeicherbereichs 2 gesammelten Ladungen über den
ersten Analogschieberegister-Bereich 16 in zeitlicher Aufeinanderfolge
zu dem Vorverstärkerbereich 8 übertragen,
während die in den Speicherelementen 3₁, 3₂, ..., 3 n
des zweiten Ladungsspeicherbereichs 3 gesammelten
Ladungen über den zweiten Analogschieberegister-Bereich 17
in gleicher Aufeinanderfolge zum Vorverstärkerbereich
9 übertragen werden. Daher erzeugt der Vorverstärkerbereich
8 Ausgangssignale in Form von Impulsen mit Größen,
die den an den Speicherelementen 2₁ bis 2 n angesammelten
Ladungsmengen entsprechen und die in Übereinstimmung
mit den Übertragungstaktimpulsen Φ2 zeitlich versetzt
sind, während der Vorverstärkerbereich 9 Ausgangssignale
in Form von Impulsen abgibt, die den an den Speicherelementen
3₁ bis 3 n gesammelten Ladungsmengen entsprechende
Spannungen haben und die in Übereinstimmung mit den
Übertragungstaktimpulsen Φ2 zeitlich versetzt sind.
Ein Beispiel für die Verbindung der Ausgangsimpulse
der Vorverstärkerbereiche 8 und 9 mit den gleichzeitigen
Ausgangsimpulsen des Differenzverstärkerbereichs
10 ist in den Fig. 10(g), (h) und (i) für den
Fall gezeigt, daß der Sensorelementenbereich 1 unter
bestehender Beleuchtung mit Umgebungslicht eines bestimmten
Pegels einem Punktlicht mit außerordentlich
enger Einfallfläche ausgesetzt ist, das durch intermittierend
projiziertes Licht unter Verwendung der
in Fig. 10(c) gezeigten Impulse gestaltet ist (wobei
der hohe Pegel dieser Impulse zur Lichtabgabe führt,
während der niedrige Pegel zu einer Unterbrechung der
Lichtabgabe führt). Das in Fig. 10(g) gezeigte Ausgangssignal
des Vorverstärkerbereichs 8 entspricht der
zusammengesetzten Beleuchtung aus dem projizierten
Licht und dem Umgebungslicht, während das in Fig. 10(h)
gezeigte Ausgangssignal des Vorverstärkerbereichs 9
allein dem Umgebungslicht entspricht. Auf diese
Weise gibt der Differenzverstärkerbereich 10 ein Ausgangssignal
gemäß Fig. 10(i) ab,
das allein dem projizierten Licht entspricht, da die
auf das Umgebungslicht zurückzuführende Störkomponente
aus dem Ausgangssignal des Vorverstärkerbereichs 8
beseitigt ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11
und 12 wird ein Beispiel für die Anwendung der optischen Sensorvorrichtung
gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel bei einer
aktiven automatischen Entfernungseinstelleinrichtung
in einer photographischen Kamera oder dergleichen beschrieben.
In Fig. 11 ist der Schaltungsaufbau dieser optischen Sensorvorrichtung
gezeigt. Darin ist 18 eine als Lichtprojektor
dienende Leuchtdiode oder Laserdiode für die
Abgabe von Licht beispielsweise im Infrarotbereich
oder nahe dem Infrarotbereich; 19 ist eine Projektionslinse,
die die Lichtstrahlen aus dem eingeschalteten Lichtprojektor
18 zu einem Strahlenbündel mit sehr kleiner
Querschnittsfläche zusammenfaßt, das auf ein zu photographierendes
Objekt gerichtet wird; 20 ist eine
Lichtsammellinse, die parallel zur Projektionslinse
im Abstand von einer vorbestimmten optischen Basis-Strecke
d angeordnet ist, wobei gemäß
Fig. 11 der Bildsensor PSD₄ hinter der
Lichtsammellinse 20 so angeordnet ist, daß ihr nahe
dem Ende liegender Teilbereich an der optischen Achse
der Lichtsammellinse 20 angeordnet ist. Bei diesem
optischen Projektions- und Sammelsystem kehren die
von der Projektionslinse 19 auf das Objekt projizierten
Lichtstrahlen nach Reflektion an diesem zur Lichtsammellinse
20 zurück, durch die sie auf den Sensorelementebereich
1 an einer von der Entfernung des Objekt abhängigen
Stelle konvergiert werden (wobei hier beabsichtigt
ist, die Objektentfernung aus der Konvergenzstelle
des Punktlichts an dem Sensorelementebereich 1
zu ermitteln).
21 ist ein Sensortreiber zur Ansteuerung des
Bildsensors PSD₄, der eine Spannungsversorgungsschaltung
22 für die Zufuhr der vorstehend beschriebenen
Betriebs-Spannungen VP, VD, VCD und ± Vcc sowie eine
Ansteuerungsschaltung 23 zum Anlegen der vorstehend
beschriebenen (in Fig. 10(a) bis (f) gezeigten) Steuersignale
VI, ΦG, Φ, ΦS, Φ1 und Φ2 aufweist.
Die Ansteuerungsschaltung 23 kann aus der
Zeitgeberschaltung nach Fig. 5 unter geeigneten Abwandlungen
gemäß den vorstehenden Ausführungen in Verbindung
mit einer Spannungsumsetzschaltung zum Sicherstellen
der unterschiedlichen, in den Fig. 10(a) bis
(f) gezeigten Ansteuersignale aufgebaut werden.
24 ist eine Projektionslicht-Steuerschaltung, die
auf die Steuerimpulse ΦG, wie beispielsweise aus der
vorstehend genannten Ansteuerungsschaltung 23 durch
Ein- und Ausschalten des Lichtprojektors 18 in der
Weise anspricht, daß beispielsweise bei hohem Pegel
der Impulse der Lichtprojektor 18 aufleuchtet, während
bei niedrigem Pegel das Licht gelöscht bzw. ausgeschaltet
ist; 25 ist eine Spitzenwert-Halteschaltung zur Speicherung
des Spitzenwerts des Ausgangssignals VOUT des Bildsensors
PSD₄ (d. h., zum Speichern des Ausgangssignals
des Differenzverstärkerbereichs 10); 26 ist
eine Verzögerungsschaltung, die aus der Ansteuerungsschaltung
23 die Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS für
den Bildsensor PSD₄ aufnimmt und diese um eine
Zeitdauer τ verzögert, wobei ihr Ausgangssignal
an die Spitzenwert-Halteschaltung 25 angelegt wird, um
den darin gespeicherten Wert zu löschen; 27 ist
eine Integrationszeit-Einstellschaltung zur Einstellung
der Integrationszeit des Bildsensors PSD₄
d. h. der Ladungssammlungszeit in dem ersten und zweiten
Ladungsspeicherbereich 2 und 3 aufgrund des in der
Spitzenwert-Halteschaltung 25 gespeicherten Spitzenwerts
des Ausgangssignals des Bildsensors PSD₄.
Im Ansprechen auf die Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS
nimmt die Einstellschaltung 27 des Ausgangssignal
der Spitzenwert-Halteschaltung 25 auf und steuert
die Funktion der Ansteuerungsschaltung 23 in der
Weise, daß dann, wenn dieses Ausgangssignal einen
vorbestimmten Pegel überschreitet, das periodische
Intervall der Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS verkürzt
wird, die von der Ansteuerungsschaltung 23 an den
Bildsensor PSD₄ angelegt werden, während umgekehrt
dann, wenn dieser Pegelbereich nicht erreicht wird,
das periodische Intervall verlängert wird; 28 ist
eine Abfrage/Halteschaltung, die auf die Übertragungstaktimpulse
Φ2 durch Abfragen und
Speichern des Ausgangssignals des Bildsensors PSD₄
anspricht. 29 ist ein Vergleicher, der das Ausgangssignal
der Abfrage/Halteschaltung 28 mit demjenigen
der Spitzenwert-Halteschaltung 25 vergleicht, wobei
sein nichtinvertierender Eingang mit dem Ausgang der
Abfrage/Halteschaltung 28 verbunden ist, während sein
invertierender Eingang mit dem Ausgang der Spitzenwert-Halteschaltung
25 verbunden ist, so daß der Ausgang
des Vergleichers 29 von hohem auf niedrigen Pegel
wechselt, wenn das Ausgangssignals der Abfrage/Halteschaltung
28 niedriger ist als das Ausgangssignal der
Spitzenwert-Halteschaltung 25; 30 ist ein
Binärzähler mit Flankenabfall-Synchronisierung, der
die Anzahl der von der Ansteuerungsschaltung 23
dem Bildsensor PSD₄ zugeführten Übertragungstaktimpulse
Φ2 zählt und der durch die abfallende
Flanke des Verschiebungs-Schaltimpulses ΦS gelöscht
wird; 31 ist eine Zwischenspeicherschaltung zum
zeitweiligen Speichern des Zählwerts des Binärzählers 30 im
Ansprechen auf das Ausgangssignal des Vergleichers
29. Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 29 von einem
hohen auf einen niedrigen Pegel wechselt, wird daher der
Zählwert des Binärzählers 30 mittels der Zwischenspeicherschaltung
31 gespeichert. Auf diese Weise dient das
Ausgangssignal dieser Zwischenspeicherschaltung 31 als
ein Signal, das die Stelle der mittels der Lichtsammellinse
20 herbeigeführten Konvergenz des vom Objekt reflektierten
Punktlichts an dem Sensorelementebereich
1, d. h. die Objektentfernung darstellt; 32 ist ein
Aufnahmeobjektiv, das entlang seiner optischen Achse
einstellbar ist; 33 ist eine Filmebene; 34 ist ein
Elektromotor zur Verstellung des Aufnahmeobjektivs 32
für die Entfernungseinstellung; 35 ist eine Stellungssignalgeberschaltung,
die ein die Stellung des Aufnahmeobjektivs
32 darstellendes digitales Signal erzeugt
und beispielsweise eine Gray-Code-Platte oder ein
Potentiometer und einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist;
36 ist ein Digitalvergleicher zum Vergleich des digitalen
Ausgangssignals der Stellungssignalgeberschaltung 35
mit dem digitalen Ausgangssignal der Zwischenspeicherschaltung
31; 37 ist eine Motorsteuerschaltung, die
den Elektromotor 34 aufgrund des Ausgangssignals des Digitalvergleichers
36 steuert; 38 ist eine Anzeigevorrichtung
wie z. B. eine Leuchtdiode zur Anzeige des Scharfeinstellungszustands
des Aufnahmeobjektivs 32; 39 ist eine Anzeigesteuerschaltung,
die die Funktion der Anzeigevorrichtung
38 aufgrund des Ausgangssignals des Digitalvergleichers 36
steuert. 40 ist eine Entfernungsanzeigevorrichtung,
die aufgrund des Ausgangssignals der Zwischenspeicherschaltung
31 die Objektentfernung anzeigt und beispielsweise
einen Decodierer/Treiber und 7-Segment-Leuchtdiode
aufweist.
Nach dem Ausrichten der Kamera auf ein
aufzunehmendes Objekt wird ein (nicht gezeigter)
Hauptschalter eingeschaltet, um die automatische
Entfernungseinstellschaltung mit Strom zu versorgen,
wodurch der Sensortreiber bzw. die Sensoransteuerungsschaltung
21 zuerst so betätigt wird, daß die Ansteuerung
des Bildsensors PSD₄ auf die vorstehend
angeführte Weise beginnt. Dabei werden die (in Fig. 10
(b) gezeigten) Schaltimpulse ΦG aus der Ansteuerungsschaltung
23 in der Sensoransteuerungsschaltung 21 nicht
nur an den Bildsensor PSD₄, sondern auch an die
Lichtprojektions-Steuerschaltung 24 angelegt, wodurch
diese am Lichtprojektor 18 eine aufgrund der Schaltimpulse
ΦG intermittierende Lichtabgabe herbeiführt.
Das Licht aus dem eingeschalteten Lichtprojektor 18
wird dann nach Sammlung mittels der Projektionslinse
19 zu einem Strahlenbündel auf das Objekt gerichtet,
während das vom Objekt reflektierte Licht mittels
der Lichtsammellinse 20 gesammelt und auf den Sensorelementebereich
1 an einer Stelle konvergiert wird,
die dem Abstand der Kamera vom Objekt entspricht.
Da während dieser Zeit der erste und zweite Eingabesteuerschaltungsbereich
4 und 5 mit den Schaltimpulsen ΦG bzw.
Φ (Fig. 10(b) und (c)) gespeist sind, werden diejenigen
einer Folge von in den jeweiligen Sensorelementen 1₁,
1₂, ..., 1 n erzeugten Ladungen, die während des Einschaltzustands
des Lichtprojektors 18 auftreten, aufeinanderfolgend
an den entsprechenden Speicherelementen
2₁, 2₂, ..., 2 n gesammelt, während die übrigen
aufeinanderfolgenden Ladungen an den Speicherelementen
3₁, 3₂, ..., 3 n gesammelt werden. Danach erzeugt in
geeignetem zeitlichen Zusammenhang damit die Ansteuerungsschaltung
23 einen Verschiebungs-Schaltimpuls ΦS
gemäß Fig. 12(a) (oder Fig. 10(d)),
wodurch die am ersten und zweiten Ladungsspeicherbereich
2 und 3 gesammelten Ladungen über den ersten
bzw. zweiten Verschiebungsschaltbereich 6 und 7
ausgegeben und in dem ersten bzw. zweiten Analogschieberegister-Bereich
16 bzw. 17 gespeichert werden. Danach
werden sie aus den Analogschieberegister-Bereichen 16 und 17
mit einer der Frequenz der Übertragungstaktimpulse
Φ1 und Φ2 (Fig. 10(e) und (f)) entsprechenden Geschwindigkeit
zu dem ersten bzw. zweiten Vorverstärkerbereich
8 bzw. 9 übertragen, wo sie aufeinanderfolgend
in Spannungen umgesetzt werden, so daß daher aus dem
Differenzverstärkerbereich 10 dem Einfallzustand des
vom Objekt reflektierten Lichts auf den Sensorelementebereich
1 entsprechende zeitlich aufeinanderfolgende
Ausgangsimpulse erzielt werden können, die völlig frei
von auf das Umgebungslicht zurückzuführenden Störungen
sind.
Während des vorstehend
beschriebenen Ablaufs wird der Binärzähler 30 durch die
abfallende Flanke des Verschiebungs-Schaltimpulses
ΦS so geschaltet, daß der bisher erreichte
Zählerstand gelöscht wird, wonach dann der Binärzähler 30 wieder
die nachfolgenden Übertragungstaktimpulse Φ2 zu
zählen beginnt.
Danach wird das Ausgangssignal des Bildsensors
PSD₄ an die Spitzenwert-Halteschaltung 25 und die
Abfrage/Halteschaltung 28 angelegt, die Ausgangssignale
gemäß den Fig. 12(c) und (e) erzeugen.
Diese Ausgangssignale der Spitzenwert-Halteschaltung
25 und der Abfrage/Halteschaltung 28 werden dann miteinander
mittels des Vergleichers 29 verglichen. Wenn
zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal der Abfrage/Halteschaltung
28 größer oder gleich dem Ausgangssignal
der Spitzenwert-Halteschaltung 25 ist, wird gemäß
Fig. 12(f) vom Vergleicher 29
ein Signal hohen Pegels abgegeben. Sobald das Ausgangssignal
der Abfrage/Halteschaltung 28 kleiner als das
Ausgangssignal der Spitzenwert-Halteschaltung 25
wird, wechselt das Ausgangssignal des Vergleichers
29 von einem hohen auf einen niedrigen Pegel, bei welchem die
Zwischenspeicherschaltung 31 zum Einspeichern des
bisher mittels des Binärzählers 30 gezählten Werts geschaltet
wird. Daher erzeugt zu diesem Zeitpunkt die Zwischenspeicherschaltung
31 ein digitales Ausgangssignal,
das die Stelle der mittels der Lichtsammellinse 20
erfolgten Konvergenz des von dem Objekt reflektierten
Lichts am Sensorelementebereich 1 des
Bildsensors PSD₄ darstellt, nämlich die
Strecke von der Kamera bis zu dem Objekt. Dieses Ausgangssignal
der Zwischenspeicherschaltung 31 wird an
die Entfernungsanzeigevorrichtung 40 sowie an den
Digitalvergleicher 36 angelegt, wodurch die bestehende Objektentfernung
mittels der Entfernungsanzeigevorrichtung
40 angezeigt wird, während andererseits das Ausgangssignal
der Zwischenspeicherschaltung 31 mit dem Ausgangssignal
der Stellungssignalgeberschaltung 35 mittels
des Digitalvergleichers 36 verglichen wird, der auf eine
auftretende Abweichung zwischen den Signalen hin ein
Signal mit positivem oder negativem Vorzeichen erzeugt.
Im Ansprechen auf dieses positive oder negative Signal
aus dem Digitalvergleicher 36 treibt die Motorsteuerschaltung
37 den Elektromotor 34 zu einer Drehung in Vorwärtsrichtung
bwz. Gegenrichtung an, wodurch das Aufnahmeobjektiv
32 axial bewegt wird. Während der Bewegung des Aufnahmeobjektivs
32 ändert sich das Ausgangssignal der
Stellungssignalgeberschaltung 35 und erreicht die Übereinstimmung
mit dem Ausgangssignal des Zwischenspeichers
31, worauf mittels der Motorsteuerschaltung 37
der Elektromotor 34 angehalten wird. Auf diese
Weise wird das Aufnahmeobjektiv 32 automatisch richtig
auf das Objekt scharf gestellt. Das Übereinstimmungssignal
aus dem Digitalvergleicher 36 wird der Anzeigesteuerschaltung
39 zugeführt, wodurch die Anzeigevorrichtung
38 eingeschaltet wird und den Photographen darüber
informiert, daß der Scharfeinstellungszustand des
Aufnahmeobjektivs 32 erreicht ist.
Da die vorstehend beschriebenen Betriebsvorgänge
solange andauern, wie der Hauptschalter eingeschaltet
ist, wird bei jeder Erzeugung eines Verschiebungs-Schaltimpulses
ΦS durch die Ansteuerungsschaltung
23 mittels der abfallenden Flanke des Impulses der
Digitalzähler 30 gelöscht, während die Integrationszeit-Einstellschaltung
27 das zu diesem Zeitpunkt auftretende
Ausgangssignal der Spitzenwert-Halteschaltung 25 aufnimmt
(das gleichzeitig den Spitzenwert des Ausgangssignals
des Bildsensors PSD₄ darstellt),
um zu unterscheiden, ob dieses in einen vorbestimmten
Pegelbereich fällt, worauf bei Überschreitung
dieses Bereiches die Ansteuerungsschaltung
23 so gesteuert wird, daß das Periodenintervall der
Verschiebungs-Schaltimpulse ΦS verkürzt wird, während
bei Unterschreitung des Bereichs das Periodenintervall
verlängert wird. Ferner wird durch das in Fig. 12(d)
gezeigte Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung
26 nach Ablauf der Verzögerungszeit τ von der Erzeugung
des Verschiebungs-Schaltimpulses ΦS an bei jedem
einzelnen Verschiebungs-Schaltimpuls ΦS die Spitzenwert-Halteschaltung
25 geleert bzw. gelöscht, d. h.
nachdem ihr Ausgangssignal in die Integrationszeit-Einstellschaltung
27 eingegeben wurde.
Die Verwendung des Bildsensors PSD₄
als photoelektrischen Lichtempfänger bei der automatischen
Entfernungseinstelleinrichtung ermöglicht es,
die Objektentfernung mit sehr hoher Genauigkeit zu
erfassen, da die auf dem Umgebungslicht beruhende
Störkomponente völlig ausgeschaltet bzw. beseitigt
wird; ferner wird die auf die Ansammlung der Ladungen
zurückzuführende Funktion der Integration und Speicherung
der Signale erzielt, die zur Einsparung von Lichtenergie
aus dem Lichtprojektor 18 sowie zur Erweiterung des
erfaßbaren Bereichs von Objektentfernungen zu größeren
Entfernungen hin führt. Darüber hinaus ist die Genauigkeit
der Entfernungserfassung selbst dann gewährleistet,
wenn sich das Umgebungslicht in einem großen Ausmaß
ändert. Insgesamt wird damit die Leistungsfähigkeit
der optischen Sensorvorrichtung beträchtlich verbessert.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist es bei
der optischen Sensorvorrichtung möglich, die integrierten
Signale für zwei Lichtstrahlenbündel getrennt
voneinander auszulesen. Wie im Zusammenhang mit den
verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben,
können beträchtliche Vorteile bei der Anwendung der optischen Sensorvorrichtung
in optischen Geräten erzielt werden, bei welchen zwei
Lichtsignale unterschiedlicher Art oder zwei Lichtsignale
der gleichen Art verarbeitet werden.
Mit dem Bildsensor
PSD₄ gemäß dem in Fig. 9 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel
sind auch dann wertvolle Vorteile erzielbar,
wenn der Bildsensor PSD₄ abgesehen von der Anwendung bei der in Fig. 11
gezeigten optischen Sensorvorrichtung in einer Einrichtung gemäß
der US-PS 40 04 852 oder dgl.
angewandt wird. Im einzelnen werden dabei beispielsweise
die von dem optischen Basisentfernungsmesser-System
am Bildsensor PSD₄ ausgebildeten
Doppelbilder intermittierend vom Bildsensor PSD₄
abgehalten, während zugleich die Funktion der Eingabesteuerschaltungsbereiche
4 und 5 entsprechend der Abhalte-Wiederholung
gesteuert wird, so daß diejenigen der
von den einzelnen Ladungserzeugungsbereichen 1₁, 1₂, 1₃, ..., 1 n
erzeugten Ladungen, die bei der Bildausbildung an den
Ladungserzeugungsbereichen 1₁, 1₂, ..., 1 n auftreten, an den einzelnen Speicherelementen
2₁, 2₂, ..., 2 n des ersten Ladungsspeicherbereichs
2 gesammelt werden, während die Ladungen,
die erzeugt werden, wenn die Abbildungslichtstrahlen
abgehalten bzw. unterbrochen werden, an den einzelnen
Speicherelementen 3₁, 3₂, ..., 3 n des zweiten Ladungsspeicherbereichs
3 gesammelt werden. Da die an dem
zweiten Ladungsspeicherbereich 3 gespeicherten
Ladungen dem Dunkelstrom in diesem
Bildsensor PSD₄ entsprechen, sind die über den
Differenzverstärkerbereich 10 erzielten zeitlich
aufeinanderfolgenden Ausgangssignale völlig frei
von diesem Dunkelstrom, so daß sie Bildabtastungssignale
ergeben, die ausschließlich bzw. rein den Mustern
der beiden Bilder entsprechen. Damit wird
eine Steigerung der Genauigkeit
der Entfernungsmessung erreicht.
Neben der Verwendung des Bildsensors PSD₄ in
einer derartigen optischen Sensorvorrichtung ist der
Bildsensor PSD₄ gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
sehr gut zur Verwendung bei der beispielsweise in der
JP-OS Sho 49-90 529 beschriebenen Einrichtung geeignet.
Die JP-OS Sho 49-90 529 offenbart ein Ausführungsbeispiel,
bei dem zwei mittels des optischen Basisentfernungsmesser-Systems
ausgebildete Bilder abwechselnd
auf eine gemeinsame photoelektrische Elementanordnung
gerichtet werden, wobei die sich ergebenden Abfrage-Ausgangssignale
für diese beiden Bilder eine Information
darstellen, die das Ausmaß der gegenseitigen Abweichung
zwischen diesen beiden Bildern angibt. Diese photoelektrische
Elementanordnung kann durch den
Bildsensor PSD₄ ersetzt
werden, wobei die Funktion des ersten und zweiten
Eingabesteuerschaltungsbereichs 4 und 5 entsprechend der abwechselnden
Ausbildung der beiden Bilder gesteuert wird, so daß
die Ladungen für ein Bild an dem ersten Ladungsspeicherbereich
2 gesammelt werden, während diejenigen für das
andere Bild an dem zweiten Ladungsspeicherbereich 3
gesammelt werden. Danach können die Abfrage-Ausgangssignale
für die beiden Bilder gleichzeitig und voneinander
getrennt über den ersten bzw. zweiten
Vorverstärkerbereich 8 bzw. 9 gewonnen werden (wobei
in diesem Fall der Differenzverstärkerbereich 10
weggelassen werden kann). Demgemäß ist der Schaltungsaufbau
dieses Ausführungsbeispiels stark
vereinfacht und die Ermittlungsleistung weiter verbessert,
wodurch sich der Vorteil ergibt, daß die
gegenseitige Lageabweichung zwischen den beiden Bildern
mit höherer Genauigkeit erfaßt werden kann.
Claims (4)
1. Optische Sensoreinrichtung, mit einem elektrische
Ladungen erzeugenden Bildsensor, der intermittierend mit
Lichtsignalen beaufschlagt wird, einer ersten und einer
zweiten Speichereinrichtung zur Speicherung der vom Bildsensor
erzeugten elektrischen Ladungen und einer Vergleichseinrichtung
zur Erzeugung eines der Differenz zwischen
den in der ersten und zweiten Speichereinrichtung
gespeicherten elektrischen Ladungen entsprechenden elektrischen
Ausgangssignals, gekennzeichnet durch eine Speicherzeit-Steuereinrichtung
(Fig. 5; 23) zur Steuerung der
Ladungserzeugungszeit des Bildsensors (PSD₁; PSD₂; PSD₃;
PSD₄), während der der Bildsensor die elektrischen Ladungen
erzeugt, durch Einstellung der Ladungserzeugungszeit
des Bildsensors auf eine Zeitdauer, in der die Lichtsignale
mehrfach intermittierend erzeugt werden, so daß
der Bildsensor mehrfach abwechselnd einen Zustand, in dem
er mit den Lichtsignalen beaufschlagt und einen Zustand,
in dem er nicht mit den Lichtsignalen beaufschlagt wird,
in dieser Zeitdauer einnimmt, durch eine Eingabesteuereinrichtung
(4, 5), die jeweils in dem Zustand, in dem der
Bildsensor von den Lichtsignalen beaufschlagt wird, die
vom Bildsensor erzeugten elektrischen Ladungen integrierend
in die erste Speichereinrichtung (2) eingibt, und
jeweils in dem Zustand, in dem der Bildsensor nicht mit
den Lichtsignalen beaufschlagt wird, die vom Bildsensor
erzeugten elektrischen Ladungen integrierend in die zweite
Speichereinrichtung (3) eingibt, und durch eine gesteuerte
Ladungsverschiebungsschaltung (6, 7, 8, 9; 16, 17), die
die in der ersten und zweiten Speichereinrichtung (2, 3)
gespeicherten Ladungen der Vergleichseinrichtung (10)
nach Ablauf der Ladungserzeugungszeit zuführt und die
Vergleichseinrichtung (10) zur Abgabe des der Differenz
zwischen den in der ersten und der zweiten Speichereinrichtung
(2, 3) gespeicherten elektrischen Ladungen
entsprechenden Ausgangssignals ansteuert.
2. Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bildsensor eine Vielzahl von
Ladungserzeugungsbereichen (1₁, 1₂, ..., 1 n) aufweist, daß
für jeden Ladungserzeugungsbereich eine erste Speichereinrichtung
(2₁, 2₂, ..., 2 n) und eine zweite Speichereinrichtung
(3₁, 3₂, ..., 3 n) vorgesehen sind und daß die Vergleichseinrichtung
(10) die Differenz zwischen den in der
ersten und der zweiten Speichereinrichtung gespeicherten
elektrischen Ladungen entsprechend einem jeden Ladungserzeugungsbereich
ermittelt.
3. Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung als
Differenzverstärker (10) ausgebildet ist.
4. Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bildsensor als ladungsintegrierender
Sensor ausgebildet ist und einen Sensorelementebereich
(1) zur Erzeugung elektrischer Ladungen in Abhängigkeit
von einfallendem Licht, einen ersten Ladungsspeicherteil
(2) und einen zweiten Ladungsspeicherteil (3) als erste
und zweite Speichereinrichtung zur Speicherung der vom
Sensorelementebereich (1) erzeugten elektrischen Ladungen,
einen zwischen dem Sensorelementebereich (1) und dem ersten
Ladungsspeicherteil (2) angeordneten ersten Eingabesteuerschaltungsbereich
(4) und einen zwischen dem Sensorelementebereich
(1) und dem zweiten Ladungsspeicherteil
(3) angeordneten zweiten Eingabesteuerschaltungsbereich
(5) aufweist und daß der erste Eingabesteuerschaltungsbereich
(4) in dem Zustand, in dem der Sensorelementebereich
(1) mit den Lichtsignalen beaufschlagt wird, und der
zweite Eingabesteuerschaltungsbereich (5) in dem Zustand,
in dem der Sensorelementebereich (1) nicht mit den Lichtsignalen
beaufschlagt wird, durchgeschaltet wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6304978A JPS54154382A (en) | 1978-05-25 | 1978-05-25 | Photo sensor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2920950A1 DE2920950A1 (de) | 1979-11-29 |
DE2920950C2 true DE2920950C2 (de) | 1991-05-02 |
Family
ID=13218080
Family Applications (1)
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