DE2945190A1 - Entfernungsmesseinrichtung - Google Patents

Description

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2 9 % 5 1 9 Q Dipl.-Ing. R Grupe

DiplIng B Pellm

Dipl.-Ing. B. Pellmann

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8. November 1979

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CANON KABUSHIKI KAISHA

Tokyo, Japan

Entfernungsmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1·

Es ist bereits eine sog. aktive Entfernungsmeßeinrichtung bekannt, bei der ein Lichtprojektor und ein Lichtempfänger in einem vorgegebenen Basislinienabstand zueinander angeordnet sind. Während ein Zielbereich bzw. eine Zielfläche mit dem von dem Lichtprojektor projizierten Licht abgetastet wird, wird das von einem in dem Zielbereich befindlichen Objekt reflektierte Licht von dem Lichtempfänger aufgenommen, dessen elektrisches Ausgangssignal zur Ermittlung eines die Entfernung zwischen der Meßeinrichtung und dem Objekt angebenden Spitzenwertes verarbeitet wird.

Eine solche Entfernungsmeßeinrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß das von dem abgetasteten Objekt reflektierte Licht Anteile enthält, die nicht dem von dem Projektor abgegebenen Licht zuzuordnen sind, was

z. B. auf Umgebungslicht zutrifft. Durch derartiges Licht

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entstehen Störsignalanteile, die die Feststellung des Spitzenwertes schwierig gestalten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das von dem Lichtempfänger abgegebene elektrische Signal bei seiner Verarbeitung in der nachfolgenden Schaltungsanordnung Störanteile aufnimmt, was dazu führt, daß der sich ergebende Spitzenwert unbestimmt und mehrdeutig wird.

Zur Erzielung einer höheren Genauigkeit bei der Entfernungsmessung müssen diese Störeinflüsse verringert werden, d. h., je schärfer der Spitzenwert des elektrischen Signals ausgebildet ist, um so besser ist das Meßergebnis.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Lichtquelle versehene Entfernungsmeßeinrichtung derart auszugestalten, daß eine höhere Genauigkeit bei der Entfernungsmessung erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung der Lichtquelle zur Bildung eines scharfen Spitzenwertes des Meßsignals

verändert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Aus-

führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

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Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen

zur Veranschaulichung des einer Entfernungsmeßeinrichtung zugrundeliegen

den Meßprinzips, wobei in Fig. 1 die Art der Abtastung eines Zielbereichs bzw. einer Zielfläche durch ein Projektionslichtbündel und in Fig. 2 ein geometrisches Diagramm zur Er

läuterung des Prinzips des Meßdreiecks dargestellt sind,

Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Zustand, bei dem der Querschnitt eines von der Lichtquelle auf eine Zielebene projizierten Lichtbündels einen Teil eines Bereiches überdeckt, von dem das Reflexionslicht auf den Lichtempfänger reflektiert wird,

Fig. 4 eine Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung über den Lichtemissionsbereich einer üblichen Lichtquelle, 25

Fig. 5 eine graphische Darstellung der

Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung über den Lichtemissionsbereich einer Lichtquelle bei der erfindungsgemäßen

Entfernungsmeßeinrichtung,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer üblicherweise verwendeten Leuchtdiode,

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Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer

im Rahmen der Erfindung verwendeten Leuchtdiode und

Fig. 8 eine graphische Darstellung von

Änderungen des Ausgangssignals des Lichtempfängers in Abhängigkeit von einem Auswanderungs- bzw. Verstellabstand.
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Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 befindet sich ein bezüglich seines Abstandes von der Entfernungsmeßeinrichtung anzumessendes Objekt in einer Zielfläche bzw. Zielebene 1. Vor einer Lichtquelle, wie einer Infrarot-Leuchtdiode 3 (nachstehend vereinfacht als Leuchtdiode bezeichnet), ist eine Kollimatorlinse 2 angeordnet, deren Brennpunkt mit dem Lichtemissionsbereich der Leuchtdiode zusammenfällt, so daß auf der Zielebene 1 ein punktartiger Ausleuchtbereich gebildet wird, wie er durch die Bezugszahl 6 veranschaulicht ist. Ein Lichtempfänger 5, der ein lichtempfindliches Element, wie eine Silicium-Photozelle, aufweist, ist hinter einer Kondensorlinse 4 in oder nahe deren Brennpunkt angeordnet und spricht auf das von einem vorgegebenen Bereich 7 abgegebene

^ZJ Licht an, wobei die Abmessungen des Bereiches 7 im wesentlichen gleich denen des Ausleuchtbereiches 6 in der Zielebene 1 sind. Wenn der Lichtprojektor 3 entlang einer Verstellstrecke in einer die beiden optischen Achsen der Linsen 2 und 4 enthaltenden Ebene in der durch den

Pfeil A gekennzeichneten Richtung bewegt wird, bewegt sich der Ausleuchtbereich 6 bei der Abtastung in der durch den Pfeil B gekennzeichneten Richtung über den Visierbereich 7 hinweg, wodurch das zurückgeworfene Licht auf den Lichtempfänger 5 fällt, der dann ein elektri-

sches Signal abgibt. Erreicht dieses elektrische Signal einen Spitzenwert, ermöglicht ein sofortiges Ablesen des

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Auslenkwinkels des Lichtprojektors die Ermittlung der Entfernung zwischen der Entfernungsmeßeinrichtung und der Schnittstelle der beiden optischen Strecken bzw. Achsen. Dies basiert auf dem Prinzip der Triangulation, das in Fig. 2 näher veranschaulicht ist. Wenn L den Abstand von der Linse 4 zu dem Schnittpunkt 7, D den Abstand zwischen den beiden Linsen 2 und 4 auf der Basislinie und θ der Auslenkwinkel des Lichtprojektors 3 in bezug auf die optische Achse der Linse 2 sind, ergibt sich:

tan θ

Wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, läßt sich hierbei für einen kleinen Bereich Δ innerhalb der Uberdeckungszone der Querschnittsbereiche der Lichtprojektionsstrecke 6 und der Lichttransmissionsstrecke 7 das entsprechende Ausgangssignal des lichtempfindlichen Wandlers 5 als proportional zu dem Produkt der durch das Projektionslicht am Positionspunkt Λ gegebenen Ausleuchtung A(/\ ) und der Empfindlichkeit R(A ) der Lichtempfangsfläche des Wandlers an dem diesem gemeinsamen Positionspunkt

" Λ entsprechenden Bereich ansehen. Da sich der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Querschnittsbereiche der beiden optischen Strecken in der Zielebene ändert, läßt sich das Ausgangssignal E(d) des Wandlers 5 durch die Summe der sämtlichen kleinen Bereichen in der Uberdeckungszone entsprechenden Ausgangssignalkomponenten ausdrücken:

E(d) » Σ Α(Δ) - R(L) Δ

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Die in Fig. 6 dargestellte übliche Ausführungsform einer Leuchtdiode weist gemäß Fig. 4 eine annähernd gleichförmige Leuchtdichteverteilung über den gesamten Bereich der Lichtemissionsfläche auf/ so daß die Verteilung der Ausleuchtung in dem Abtastbereich 6 ebenfalls annähernd gleichförmig ist. Wird eine solche Leuchtdiode als Lichtquelle verwendet, ändert sich das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Wandlers mit der Trennung zwischen den Mittelabschnitten bzw. Mittelpunkten der Querschnittsbereiche der beiden optischen Strecken 6 und 7 in der in Fig. 8 durch die Kurve E-(d) veranschaulichten Weise, wobei der Spitzenwert des Ausgangssignals bei d = 0 auftritt, wenn der ausgeleuchtete

Bereich mit dem anvisierten Bereich zusammenfällt. Zur weiteren '5 Versteilerung dieses Spitzensignals ist es erforderlich, den Bereich der Lichtemissionsfläche der Leuchtdiode zu verkleinern und deren Helligkeit bzw. Leuchtdichte zu vergrößern, so daß sich die Reduktionsrate des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem mittigen Abstand d von dem Spitzenwert (d = 0) vergrößert. Da die Stromstärke je Einheitsfläche (Stromdichte) der Lichtemissionsfläche beschränkt ist, ist es sehr schwierig, die Leuchtdichte ' weiter auf derart hohe Werte zu steigern.

Erfindungsgemäß wird eine Leuchtdiode verwendet,

deren Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung im Randbereich einen hohen Wert und im Mittelbereich einen niedrigen Wert annimmt, so daß dem Querschnittsbereich des Meßlichtstrahls in der Zielebene eine annähernd

gleiche Ausleuchtverteilung erteilt und dadurch die Reduktionsrate des Wandler-Ausgangssignals in der Nähe des Spitzenwertes vergrößert werden.

Durch die Verwendung einer solchen Leuchtdiode 35

wird die durchgezogene Kurve E-(d) gemäß Fig. 8 erhal-

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ten, die auf der vorstehend angegebenen Formel basiert. (Hierbei ist zu beachten, daß die beiden Kurven E₁(d) und Ej(d) mit auf den Wert 1 normierten Spitzenwerten dargestellt sind). Durch einen Vergleich der beiden Kurven E₁(d) und E_ (d) ergibt sich, dal das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Wandlers in der Nähe von d = 0 eine Versteilerung von ungefähr 30 % bezüglich des Verhältnisses seines Abfalls vom Spitzenwert erfährt:

1 - El(J)

Dies konnte im Rahmen der Erfindung auch durch Versuche nachgewiesen werden.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer die Leuchtdichteverteilung gemäß Fig. 5 aufweisenden Leuchtdiode dargestellt. Ein Halbkugelform aufweisender P-leitender Halbleiter P ist mit einem kleinen runden N-leitenden Halbleiter versehen, der in der Mitte des runden plattenförmigen Flächenbereiches des Halbleiters P angebracht ist. Auf der gegenüberliegen-

^iJ den Seite dieser N-leitenden Halbleiterschicht befindet sich eine negativ gepolte Elektrode C . In der Nähe des Randes des runden plattenförmigen Oberflächenbereiches des P-leitenden Halbleiters ist eine einstückige positiv gepolte Elektrode C_D angeordnet, die den vor-

stehend beschriebenen PN-Übergang umgibt. Dieser Aufbau ermöglicht, daß die Stromdichte in dem PN-Übergang mit steigendem Durchmesser progressiv ansteigt. Auf diese Weise wird die vorstehend beschriebene Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung hergestellt. Darüber hinaus wird

ein guter Wirkungsgrad bezüglich der Wärmestrahlung erhalten, so daß sich eine relativ große Steigerung der Leuchtdichte erzielen läßt.

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Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Aufbau gemäß Fig. 7 zur Erzielung der vorstehend beschriebenen Leuchtdichteverteilung beschränkt. So kann z. B. der PN-Übergang zur Erzielung eines äquivalenten Ergebnisses auch Ringform aufweisen. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Entfernungsmeßeinrichtung ist der Lichtprojektor in Form einer Leuchtdiode und der Lichtempfänger in Form einer Siiicium-Photozelle vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern es kann eine beliebige Kombination eines Projektors, der Strahlungsenergie in irgendeiner Form abgibt, und eines auf diese Strahlungsenergie ansprechenden Wandlers für den Aufbau der Entfernungsmeßeinrichtung Verwendung finden. Darüber hinaus kann anstelle der Verwendung von Linsen zur Herstellung einer vorgeschriebenen Ausrichtung bzw. Funktionsbeziehung auch ein anderes Verfahren Anwendung finden, vorausgesetzt, daß die vorgeschriebene Ausrichtung bzw. Funktionsbeziehung hergestellt werden kann.

Bei der vorstehend beschriebenen Entfernungsmeßeinrichtung sind somit ein Lichtprojektor und ein Lichtempfänger vorgesehen, wobei zumindest entweder der Lichtprojektor oder der Lichtempfänger derart in Bewegung versetzt wird, daß bei Lage der Schnittstelle ihrer optischen Strecken bzw. Achsen auf einem Objekt deren Koninzidenz durch das in dem Lichtempfänger erzeugte Signal zur Messung der Entfernung von der Entfernungsmeßeinrichtung zu dem Objekt auf der Basis einer Triangulation ermittelt wird. Zur Erzielung eines klaren, deutlichen Spitzenwertsignals wird erfindungsgemäß eine Lichtquelle verwendet, deren Lichtenergie-Verteilungscharakteristik in der Rand- bzw. Grenzzone

größer als in der Mittelzone ist. 35

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Leerseite

Claims (3)

10 Patentansprüche

( 1.} Entfernungsmeßeinrichtung, mit einer eine Lichtquelle und einen Projektor aufweisenden Lichtemissions-r einrichtung und einer in einem vorgegebenen Abstand zu der Lichtemissionseinrichtung angeordneten lichtempfindlichen Einrichtung, wobei zumindest entweder der optische Weg der Lichtemissionseinrichtung oder der optische Weg der lichtempfindlichen Einrichtung zur Abtastung eines Objektes abgelenkt und die Entfernung zwischen der Meßeinrichtung und dem Objekt auf der Basis des Triangulationsprinzips gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) in ihrer Rand- oder Grenzzone ihres Lichtemissionsbereiches eine höhere Strahlungsenergiedichte als in der Mittelzone aufweist und daß auf dem Objekt (1) von dem Projektor ein ausgeleuchteter Bereich (6) mit der gleichen Energiedichteverteilung ausgebildet wird.

2. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Einrichtung (4, 5) Licht von einem vorgegebenen anvisierten Bereich (7) auf dem Objekt (1) aufnimmt und daß der anvisierte Bereich (7) im Vergleich zu dem ausgeleuchteten Bereich (6) annähernd die gleiche Fläche aufweist. 35

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ORDINAL INSPECTED

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3. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) eine Leuchtdiode (Fig. 7) ist.

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