DE3216246C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmeßeinrichtung mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht auf einen interessierenden Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Entfernungsmeßeinrichtung ist aus der US-PS 36 12 890 bekannt. Bei dieser bekannten Entfernungsmeßeinrichtung wird zum Eliminieren des Hintergrundlichts vorgeschlagen, entweder Licht einer Wellenlänge zu verwenden, die sich vom Hintergrundlicht wesentlich unterscheidet und beim Empfang des reflektierten Lichts ein entsprechendes Filter vorzusehen, oder die Lichtquelle über einen Oszillator und nachgeschalteten Modulator zu modulieren und nach Empfang des fokussierten Lichtpunktes die von einer Photozelle abgegebenen Spannungssignale über Bandpaßfilter, Verstärker, Demodulatoren und Tiefpaßfilter zu schicken, um die frequenzabhängige Komponente abzutrennen.

Aus der US-PS 39 36 187 ist ebenfalls eine Entfernungsmeßeinrichtung bekannt, bei der eine Blitzlampe zur Aussendung von Licht verwendet wird, die jedoch einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf hat und daher zu ihrer Versorgung zusätzliche Batterien benötigt. Als Empfangseinrichtung wird ein Detektor eingesetzt, dessen Widerstand sich abhängig von der Position des empfangenen Lichtpunktes ändert. Die Unterscheidung zwischen Hintergrundlicht und dem von der Entfernungsmeßeinrichtung ausgesandten Licht wird durch den Einsatz der Blitzlampe erreicht, also einfach durch den Einsatz einer Lichtquelle hoher Intensität.

Aus der DE-OS 30 38 712 ist eine Entfernungsmeßeinrichtung bekannt, die auf einem anderen Meßprinzip arbeitet. Gemäß dieser bekannten Entfernungsmeßeinrichtung wird eine zusätzliche Linse zusammen mit einem Paar kleiner Linsen verwendet und es sind vier Photodioden-Detektoren vorgesehen, um ein selbstfokussierendes Signal zu erzeugen. Die zusätzliche Linse und die kleinen Linsen erzeugen ein Strahlungsverteilungsmuster, in welchem die beiden Paare von Photodioden angeordnet sind. Mit dieser bekannten Entfernungsmeßeinrichtung soll ein neuartiger Aufbau für die Bewegung der Linsen vorgeschlagen werden, durch den die zusätzliche Linse und die Objektivlinse in die richtige fokussierende Stellung bewegt werden und dort gehalten werden, während der Film belichtet wird.

Schließlich sind Entfernungsmeßeinrichtungen in Verbindung mit einem Autofokussiersystem von Kompaktkameras bekannt geworden, die hauptsächlich ein passives Doppelbild-Koinzidenzsystem verwenden, welches äußeres Licht benutzt. In einem passiven Doppelbild-Koinzidenzsystem, in welchem die Entfernung von einer bestimmten Stelle zu einem interessierenden Gegenstand bestimmt wird, wenn die beiden Bilder bezüglich ihrer Lage zusammenfallen, d. h. deckungsgleich sind, muß ein beweglicher bzw. schwenkbarer Spiegel zum Ändern der Lage des einen Bildes bezüglich der des anderen Bildes verwendet werden. Dieser bewegliche bzw. verschwenkbare Spiegel ist eine der Ursachen für eine geringe Lebensdauer bzw. Haltbarkeit von herkömmlichen Entfernungsmeßeinrichtungen. Das Doppel-Koinzidenzsystem hängt stark von dem Zustand eines interessierenden Gegenstandes ab, da die Entfernungsmessung aufgrund der Kontrastinformation eines interessierenden Gegenstandes, beispielsweise eines aufzunehmenden Gegenstandes durchgeführt wird. Folglich weisen die herkömmlichen Entfernungsmeßeinrichtungen den Nachteil auf, daß mit ihnen, wenn ein interessierender Gegenstand einen geringen Kontrast aufweist, oder wenn sich ein interessierender Gegenstand an einer dunklen Stelle befindet, die Entfernung kaum oder nur sehr schlecht gemessen werden kann (d. h. sich die herkömmlichen Einrichtungen nicht für eine Entfernungsmessung eignen). Darüber hinaus weist ein solches herkömmliches System einen beweglichen Teil auf, wodurch sein Aufbau kompliziert wird und Einstellungen zeitaufwendig sind.

Ferner wird auch ein aktives Triangulations-Entfernungsmeßsystem verwendet, bei welchem, da das zur Messung verwendete Licht von der Einrichtung selbst abgegeben wird, die Schwierigkeiten, die von dem jeweiligen Zustand eines interessierenden Gegenstandes abhängen, beseitigt sind. In einem solchen aktiven System können jedoch, wenn ein bewegliches Teil, wie ein schwenkbares lichtemittierendes oder lichtaufnehmendes Teil vorgesehen ist, die vorstehend angeführten Nachteile im Hinblick auf eine geringe Lebensdauer bzw. Haltbarkeit und im Hinblick auf komplizierte Einstellvorgänge nicht beseitigt werden.

Im Hinblick darauf ist ein verbessertes aktives Triangulations- Entfernungsmeßsystem ohne bewegliche Teile vorgeschlagen worden, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei ist ein lichtemittierender Abschnitt 1 vorgesehen, welcher Licht, wie Infrarotlich emittiert, welches dann von einem interessierenden Gegenstand 2, z. B. 2a, 2b, 2c und 2d reflektiert wird. Das reflektierte Licht trifft dann auf einen lichtaufnehmenden Abschnitt 3 mit einer Anzahl Photozellen auf, beispielsweise in der dargestellten Ausführungsform auf vier Zellen 3a bis 3d. Die Entfernung zu dem Gegenstand 2 kann dann dadurch erhalten werden, daß festgestellt wird, welches der lichtaufnehmenden Elemente das reflektierte Licht empfangen hat.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Entfernungsmeßsystem ist der Nachteil aufgrund einer geringen Lebensdauer bzw. Haltbarkeit und im Hinblick auf die komplizierten Einstellvorgänge beseitigt. Dieses System weist jedoch wegen des quantisierten Aufbaus des lichtaufnehmenden Abschnitts 3 den Nachteil eines begrenzten Auflösungsvermögens bei der Entfernungsmessung auf. Wenn beispielsweise der lichtaufnehmende Abschnitt 3 vier lichtaufnehmende Elemente 3a bis 3d aufweist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, liegt, selbst wenn der Grenzbereich zwischen zwei benachbarten Elementen erfaßt wird, die maximalen Pegelanzahl bei sieben, und diese Zahl kann noch niedriger werden, wenn Fehler berücksicht werden.

Bei einer anderen Ausführungsform eines aktiven Entfernungsmeßsystems werden Ultraschallwellen benutzt. Bei diesem Ultraschallsystem wird eine Ultraschallwelle zu einem interessierenden Gegenstand hin abgestrahlt und die von dem Gegenstand reflektierte Welle wird mittels des Systems aufgefangen, wobei die Entfernung zwischen dem System und dem Gegenstand durch die Zeit bestimmt wird, die zwischen der Abgabe und der Rückkehr der Ultraschallwellen vergeht.

In diesem System wird die Messung durch eine reine elektronische Verarbeitung durchgeführt, was ziemlich einfach ist. Jedoch ist eine verhältnismäßig große Energiequelle erforderlich, um eine leistungsstarke Ultraschallstrahlung zu erhalten. Eine Energiequelle, die in einer Kompaktkamera unterzubringen ist, würde daher nicht ausreichen, um eine wirksame Ultraschallabstrahlung zu erzeugen. Um eine geringere Genauigkeit bei der Entfernungsmessung infolge einer Reflexion von anderen Gegenständen als dem einen gerade interessierenden Gegenstand zu verhindern, muß die Richtungsabhängigkeit der Strahlung verbessert werden, was wiederum eine größere Abstrahlungs- oder Aufnahmefläche für eine Ultraschallwelle erfordert. Auch hier ergeben sich wieder Schwierigkeiten im Hinblick auf eine Anwendung in Kompaktkameras.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Entfernungsmeßeinrichtung der angegebenen Gattung so zu verbessern, daß sie einfacher aufgebaut ist und sich leichter integrieren läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die Empfangseinrichtung Stromsignale abgibt, wird die nachfolgende Signalverarbeitung besonders einfach und läßt sich mit integrierbaren Bauteilen durchführen. Die Lichtquelle arbeitet darüber hinaus im Impulsbetrieb, so daß hierdurch wenig Strom verbraucht wird. In der Verarbeitungseinrichtung wird darüber hinaus in jedem Zweig das Hintergrundlicht gemessen und aufrechterhalten und die aufgrund des empfangenen Lichtpunktes resultierende Stromänderung läßt sich einfach feststellen.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips der herkömmlichen aktiven Entfernungsmeßeinrichtung;

Fig. 2(a) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 2(b) eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 3(a) bis (c) schematische Darstellung verschiedener Fälle, in welchen ein Lichtfleck an verschiedenen Stellen auf einer Empfängniseinrichtung in Form eines Positionsdetektors (5) festgelegt ist, der in der in Fig. 2a oder 2b dargestellten Einrichtung verwendet ist;

Fig. 4 eine Kurve, in welcher die Kenndaten des Positionsdetektors (5) wiedergegeben sind, wobei auf der Abszisse die Entfernung zu einem interessierenden Gegenstand und auf der Ordinate das von dem Positionsdetektor erhaltene Stromverhältnis aufgetragen sind;

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm mit einem Paar logarithmischer Wandler (LA1 und LA2), welche dem Positionsdetektor (5) zugeordnet sind;

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm, in welchem eine einen Schwankungsstrom erzeugende Schaltung wiedergegeben ist, welche mit dem logarithmischen Wandler (LA1) verbunden ist;

Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels einer weiteren Verarbeitung des von der Schaltung der Fig. 6 erhaltenen Ausgangs;

Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung, in welcher ein MOSFET (TrM) verwendet ist;

Fig. 9 ein Teilschaltbild einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung, in welcher in Reihe geschaltete Dioden verwendet sind;

Fig. 10 eine Kurvendarstellung der üblichen Kenndaten eines Transistors (Tr4), wobei auf der Abszisse die Kollektor-Ermitterspannung V_CE und auf der Ordinate der Kollektorstrom I_C aufgetragen sind;

Fig. 11 ein Schaltungsdiagramm nach einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 12 ein Wellenformdiagramm, das zum Verständnis der Arbeitsweise der Schaltung in Fig. 11 verwendbar ist;

Fig. 13 ein Schaltungsdiagramm zur Verarbeitung von Signalen, die von einem Paar in Fig. 11 dargestellter Schaltungen zugeführt werden; und

Fig. 14 bis 17 Schaltungsdiagramme weiterer Abwandlungen mit Merkmalen nach der Erfindung.

In Fig. 2a weist die Entfernungsmeßeinrichtung einer Lichtquelle in Form eines Lichtimpulsgenerators 4 auf, welcher vorzugsweise so ausgelegt ist, daß er wegen der Unsichtbarkeit für das menschliche Auge sowie wegen der Empfindlichkeit bezüglich eines empfindlichen bzw. sensitiven Positionsdetektors 5, welcher nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, einen Impuls Infrarotlicht abstrahlt. Ein von dem Lichtimpulsgenerator 4 abgestrahlter Lichtimpuls wird über ein Projektionsobjektiv 6 auf einen interessierenden Gegenstand 7, beispielsweise 7a, 7b und 7c projiziert, zu welchem die Entfernung zu messen ist. Der von dem Gegenstand 7 reflektierte Lichtimpuls geht durch ein lichtaufnehmendes Objektiv 8 hindurch und trifft auf die Empfangseinrichtung 5 auf, die ein Bild erzeugt. Die Empfangseinrichtung 5 umfaßt eine planare PIN-Photodiode, die für eine Verwendung in der Ionenimplantationstechnik hergestellt worden ist, und weist ein eindimensionales, kontinuierliches Positionsauflösungsvermögen auf. Es gibt auch einen zweidimensionalen Detektor, welcher ebenfalls bei der Erfindung verwendet werden kann.

Wie dargestellt, wird ein Lichtpunkt an einer Stelle 5a ausgebildet, wenn das Licht von dem sich an der Stelle 7a befindenden Gegenstand 7 reflektiert wird, während ein Lichtfleck an einer Stelle 5b für den sich an der Stelle 7b befindenden Gegenstand 7 und an einer Stelle 5d für einen Gegenstand 7 im Unendlichen ausgebildet wird. Die Empfangs­ einrichtung 5 gibt dann ein Paar Stromausgänge ab, die jeweils einen Strompegel haben, der durch die Lage des auf der Empfangseinrichtung 5 ausgebildeten Lichtpunkts festgelegt ist. Wenn beispielsweise der Lichtpunkt wie in Fig. 3(a) an der mittleren Stelle S1 der lichtaufnehmenden Fläche der Empfangseinrichtung 5 ausgebildet ist, ist das Verhältnis der beiden Stromausgänge I_L1 und I_L2 so, daß I_L1/I_L2 = 1 ist. Wenn der Lichtpunkt an einer Stelle S2 liegt, wie in Fig. 3(b) dargestellt ist, wird das Stromverhältnis I_L1/I_L2 = 1/2, und wenn der Lichtpunkt an der Stelle S3 liegt, wie in Fig. 3(c) festgelegt ist, wird das Stromverhältnis I_L1/I_L2 = 2. In Fig. 2 ist die Basislänge, d. h. der Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv 6 und dem lichtaufnehmenden Objektiv 8 mit l, der Abstand zwischen dem Objektiv 8 und dem Detektor 5 mit f, der Abstand zwischen dem Objektiv 6 und dem Gegenstand 7 mit T, und der Abstand zwischen der Stelle 5d, die einem Gegenstand im Unendlichen entspricht, und der Stelle, an welcher der Lichtpunkt von dem Gegenstand 7 ausgebildet wird, mit P bezeichnet; mit diesen Werten ergibt sich dann die folgende Beziehung:

Da, wie vorstehend ausgeführt ist, die Lage des auf der Empfangs­ einrichtung 5 ausgebildeten Lichtpunkts eine besondere Beziehung zu dem Verhältnis eines Paares von der Empfangseinrichtung 5 abgegebener Stromausgänge hat, kann der Abstand bzw. die Entfernung T von dem Projektionsobjektiv 6 zu dem Gegenstand 7 aus einem derartigen Paar von Stromausgängen bestimmt werden.

Die Beziehung zwischen dem Abstand bzw. der Entfernung T zu dem Gegenstand 7 und dem Stromverhältnis I_L1/I_L2 der Empfangs­ einrichtung 5 kann auf folgende Weise erhalten werden, wenn die Gesamtlänge der Empfangseinrichtung 5 als eine Längeneinheit genommen wird oder die Länge gleich 1 ist.

folglich gilt:

wobei x = I_L1/I_L2 ist. Die Beziehung zwischen dem Stromverhältnis I_L1/I_L2 und dem Abstand bzw. der Enfernung T ist in Fig. 4 als Kurve aufgetragen.

Es ergeben sich keine besonderen Schwierigkeiten, wenn eine derartige Entfernungsmessung bei vollständiger Dunkelheit durchzuführen ist. Im Normalfall, beispielsweise beim Aufnehmen eines Bildes, ist jedoch üblicherweise Hintergrundlicht vorhanden, dessen Licht viel stärker ist als der von dem Lichtimpulsgenerator 4 abgestrahlte Lichtimpuls, wodurch es unmöglich wird, einen reflektierten Lichtimpuls zu unterscheiden. Für diese Fälle ist gemäß einer Ausführungsform, wie sie in Fig. 2a dargestellt ist, eine Verarbeitungseinrichtung 9 vorgesehen, welche einen Signalstrom festlegt, der nur durch einen reflektierten Lichtimpuls erzeugt wird, wobei der Einfluß von Hintergrundlicht ausgeschlossen ist; ein derartiger Signalstrom wird dann an eine Ausgangsschaltung 10 abgegeben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist, wie in Fig. 2b dargestellt, ein Paar Verarbeitungseinrichtungen vorgesehen, nämlich eine erste Verarbeitungseinrichtung 9a zum Aufnehmen eines Stromausgangs von der Empfangseinrichtung 5 und eine zweite Verarbeitungseinrichtung 9b zum Aufnehmen eines weiteren Stromausgangs von der Empfangseinrichtung 5. Folglich kann der Einfluß von Hintergrundlicht beseitigt werden, und Schwankungskomponenten der Signalströme, die durch die reflektierten Lichtimpulse erzeugt worden sind, werden nach einer logarithmischen Umwandlung extrahiert, indem sie einer Differenzschaltung 11 zugeführt werden, in welcher eine Differenz zwischen den beiden Schwankungskomponenten gebildet wird und diese als Ausgang abgegeben wird, der dann ein Entfernungssignal anzeigt, das dem Verhältnis der beiden Stromausgänge von der Empfangseinrichtung 5 entspricht.

In Fig. 5 ist der Aufbau einer Schaltung eines Fühlkopfabschnittes dargestellt, der die empfindliche Empfangseinrichtung in Form des Positionsdetektors 5 und die beiden Verarbeitungseinrichtungen 9a und 9b aufweist. In Fig. 5 ist die Empfangseinrichtung 5 als eine Ersatzschaltung dargestellt, welche einen Oberflächenwiderstand 5-1, einen parallelgeschalteten Wiederstand 5-2, einen Sperrschichtkondensator 5-3, eine ideale Diode 5-4 und eine Stromquelle 5-5 aufweist. Ein Paar Signalströme I_L1 und I_L2, die durch Auftreffen eines Lichtpunktes auf der Empfangs­ einrichtung 5 erzeugt worden sind, werden an einen logarithmischen Wandler LA1, welcher einen Transistor Tr1 mit logarithmischer Kennlinie und einen Operationsverstärker OA1 aufweist, bzw. an einen logarithmischen Wandler LA2 angelegt, welcher einen Transistor Tr2 mit logarithmischer Kennlinie und einen Operationsverstärker OA2 aufweist. Infolge der logarithmischen Umsetzung werden die folgenden beiden Ausgänge V_L1 und V_L2 erhalten:

wobei k die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, q die Elektronenladung und I_S der Ermitter-Sättigungsstrom der Transistoren Tr1 und Tr2 ist. Die logarithmische Umsetzung wird durchgeführt, da dadurch ein breiterer dynamischer Bereich gewährleistet werden kann und da das Verhältnis der zwei Ausgänge in einfacher Weise durch deren Differenzbildung berechnet werden kann.

In Fig. 6 ist gemäß einer Ausführungsform der Aufbau der Verarbeitungseinrichtung mit einer Schaltung dargestellt, um den Einfluß von Hintergrundlicht bei den logarithmisch umgesetzten Ausgängen V_L1 und V_L2 auszuschließen. Die Einrichtung der Fig. 6 sollte nicht nur für den ersten Signalstrom I_L1, sondern auch für den zweiten Signalstrom I_L2 vorgesehen sein; in Fig. 6 ist jedoch nur die erste Einrichtung 9a für den Signalstrom I_L1 dargestellt.

Die zweite identisch ausgeführte Einrichtung 9b muß in der Praxis für den zweiten Signalstrom I_L2 vorgesehen werden. In der in Fig. 6 dargestellten Schaltung fließt im stationären Zustand der Hintergrund-Lichtstrom I_L1r über einen Transistor Tr1, und derselbe Strom fließt über einen Transistor Tr3 durch einen Transistor Tr4. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Schalter SW1 geschlossen, und folglich ist der Ausgang eines Operationsverstärkers OA3 über einen Operationsverstärker OA3 über einen Operationsverstärker OA4, der eine Spannungsfolgestufe bildet, und über Transistoren Tr5 und Tr4 rückgekoppelt, so daß das Potential am Schaltungspunkt A auf das Potential am Schaltungspunkt B festgelegt ist, an welchem eine Spannung Vb angelegt ist.

Gleichzeitig mit der Erzeugung eines Lichtimpulses durch den Lichtimpulsgenerator 4 wird der Schalter SW1 angeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist das Basispotential des Transistors Tr4 mittels eines Kondensators C1 auf einem Pegel gehalten, welcher der Pegel des vorerwähnten stationären Zustandes ist, und folglich bleibt der Hintergrund-Lichtstrom I_L1r über den Transistor Tr4 an den Transistor Tr3 angelegt. Unter dieser Voraussetzung wird dann eine Schwankungs­ komponente ΔI_L1 des Signalstroms I_L1, die durch den reflektierten Lichtimpuls erzeugt worden ist, von dem Schaltungspunkt B über eine Diode D1 dem Transistor Tr3 zugeführt. Folglich ist das Potential Va1 am Schaltungspunkt A gleich:

wobei mit I_S in Gl.(6) ein Sperrstrom in der Diode D1 bezeichnet ist. Auf diese Weise kann die Schwankungskomponente ΔI_L1 des Signalstroms I_L1 extrahiert werden. In ähnlicher Weise kann ein Potential Va2, das einer Schwankungskomponente ΔI_L2 des Signalstroms I_L2 entspricht, von der zweiten Einrichtung 9b erhalten werden, die dem zweiten Signalstrom I_L2 von der Empfangseinrichtung 5 zugeordnet ist. Folglich kann eine Differenz zwischen den beiden Potentialen durch die Differenzschaltung 11 erhalten werden:

In Fig. 7 ist der Schaltungsaufbau der Verarbeitungseinrichtung 9 dargestellt, welche ein Paar Operationsverstärker OA5 und OA6, die jeweils als eine Spannungsfolgestufe vorgesehen sind, und einen weiteren Operationsverstärker OA7 als einen Differenzverstärker aufweist. Die Ausgangspotentiale Va1 und Va2 werden über die entsprechenden Operationsverstärker OA5 und OA6 an die entsprechenden Eingänge des Operationsverstärkers OA7 angelegt, und der Operationsverstärker OA7 liefert als Ausgang eine Spannung, die dem Verhältnis der Schwankungskomponenten der Signalströme entspricht, wie in der Gl.(7) angeführt ist.

Die erhaltene Ausgangsspannung wird an die Ausgangsschaltung 10 angelegt, und eine Abfrage- und Halteschaltung SH, die einen Teil der Schaltung 10 bildet, frägt ab und hält die angelegte Ausgangsspannung. Die Abfrage- und Halteschaltung SH weist einen Schalter SW2, einen Kondensator C2 und einen Operationsverstärker OA8 als Spannungsfolgestufe auf. Die Ausgangsschaltung 10 weist auch eine Anzahl Vergleicherstufen CP auf, an deren invertierenden Eingang jeweils eine Einzelspannung V1-Vn (V1 < V2 < → Vn) angelegt wird, die jeweils verschiedenen Entfernungen entsprechen. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung SH wird gemeinsam an die nichtinvertierenden Eingänge der Vergleicherstufe CP angelegt. Die Anzahl der Vergleicherstufen CP entspricht der Anzahl inkrementeller Schritte einer abzugebenden Entfernung. Der Ausgang jeder der Vergleichsstufen CP, mit deren invertierenden Ein­ gang die Spannungen V2-Vn verbunden sind, ist mit einem Eingang einer entsprechenden exklusiven ODER-Schaltung EO und auch, abgesehen von der untersten Vergleicherstufe CP, mit einem Eingang der in Fig. 7 nach unten hin benachbarten ODER- Schaltung EO verbunden, wodurch diese exklusiven ODER- Schaltungen EO Ausgangsspannungen V′2-V′n abgeben. Die Ver­ gleicherstufe CP, welche die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung mit der Bezugsspannung V1 vergleicht, liefert eine Ausgangsspannung V′1. Darüber hinaus liefert die Ver­ gleicherstufe CP, welche die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung SH mit der Bezugsspannung Vn vergleicht, über einen Inverter IV eine Ausgangsspannung V′n+1. Hierbei zeigt die Spannung V′1 an, daß die Spannung von der Abtast- und Halteschaltung SH höher als die Bezugsspannung V1 ist, während die Ausgangsspannung V′n+1 anzeigt, daß die Spannung von der Abtast- und Halteschaltung SH niedriger als die Bezugsspannung Vn ist. Mit anderen Worten, die Spannung V′1 entspricht einem interessierenden Gegenstand im Unendlichen, und die Spannung V′n+1 entspricht einem interessierenden Gegenstand in kürzester Entfernung. Folglich ist eine der Aus­ gangsspannungen V′1 bis V′n+1 immer auf einem hohen Pegel, und die Spannung auf einem hohen Pegel stellt ein Ausgangssignal dar, das die Entfernung zu dem Gegenstand 7 anzeigt, welcher den Lichtimpuls reflektiert. Ein derartiges Ausgangs­ signal kann dann für eine visuelle Anzeige der Entfernung oder zum Ansteuern eines Mechanismus zum Bewegen bzw. Verstellen des Objektivs einer Kamera verwendet werden.

In Fig. 8 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei welcher statt der Spannungsfolgestufe mit dem Operationsverstärker OA in Fig. 6 ein Element mit hoher Eingangsimpedanz, z. B. ein MOSFET TrM in Fig. 8 verwendet ist. Wenn der Wert ΔI_L erhöht werden soll, kann der Transistor Tr3 in Fig. 6 so ausgelegt werden, daß er einen größeren Emitter­ bereich hat; andererseits kann, wie in Fig. 8 dargestellt ist, das Basispotential des Transistors Tr3 höher gemacht werden als das des Transistors Tr1, indem ein veränderlicher Widerstand VR und eine positive Energiequelle +V verwendet werden.

In Fig. 9 ist noch eine weitere abgewandelte Ausführungsform dargestellt, in welcher die Differenz (Va1-Va2) erhöht wird, indem statt der Einzeldiode D1 in Fig. 6 eine Reihenschaltung Dn von Dioden verwendet wird. Bei einigen Anwendungsfällen kann der Ausgang der Verarbeitungseinrichtung 9 auch unmittelbar verwendet werden. Wie aus der oben wiedergegebenen Gl.(7) und aus der in Fig. 6 dargestellten Schaltung zu ersehen ist, kann eine Entfernungsmessung in einfacher Weise durchgeführt werden, indem Schwankungskomponenten der Signalströme gefühlt und festgestellt werden, die durch einen auf die Empfangseinrichtung 5 auftreffenden Lichtimpuls erzeugt worden sind.

Im Idealfall arbeitet die erste in Fig. 6 dargestellte Verarbeitungseinrichtung richtig, und es ergeben sich keine besonderen Schwierigkeiten. Da jedoch in Wirklichkeit die Kennlinie des PNP-Transistors Tr4, bei welcher die Emitterspannung V_CE gegenüber dem Kollektorstrom I_C aufgetragen ist, so verläuft, wie in Fig. 10 dargestellt ist, ändert sich der Kol­ lektorstrom I_C um den Wert ΔI, wenn sich die Emitterspannung V_CE um den Betrag ΔV ändert. Wenn folglich bei einem Potential Vb = 0 in einem stationären Zustand die Kollektorspannung VC des PNP-Transistors Tr4 zum Zeitpunkt einer Abstrahlung eines Lichtimpulses um -2V abnimmt, ändert sich die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE um den Wert von 2V, was eine beträchtliche Schwankung im Kollektorstrom I_C zur Folge hat. Je größer das Hintergrundlicht ist, um so ernsthafter wird die vorerwähnte Schwierigkeit.

In Fig. 11 ist der Aufbau der ersten oder zweiten Verarbeitungseinrichtung dargestellt, mit welcher die vorerwähnte Schwierigkeit, die mit der Verwendung eines PNP-Transistors zusammenhängt, gemäß einer Ausführungsform verhindert werden kann. Da, wie früher schon erwähnt, die ersten und zweiten Verarbeitungseinrichtungen 9a und 9b identisch aufgebaut sind, wird hier nur die erste Verarbeitungseinrichtung 9a beschrieben.

Wie in Fig. 11 dargestellt ist, wird der erste Signalstrom I_L1 von der Empfangseinrichtung 5 einer logarithmischen Umwandlung un­ terzogen, indem er den eine logarithmische Kompression oder Verdichtung durchführenden Transistor Tr1 durchläuft, welcher zusammen mit dem Operationsverstärker OA1 den logarithmischen Wandler LA1 bildet, wodurch ein Ausgang V_L1 = -(kT/q) · ln(I_L1/I_S) erzeugt wird, wie in Gl.(4) wiedergegeben ist. Der Strom, welcher dem Signalstrom I_L1 entspricht, geht von einer Energiequelle +V_CC durch einen MOSFET FET1 hindurch, und wird durch einen Transistor Tr3 gedehnt. Wenn unter dieser Voraussetzung das Basispotential des Transistors Tr3 etwa 60mV höher als das Basispotential des Transistors Tr1 eingestellt wird, wird der Strom auf das 10fache gedehnt. Wenn andererseits die Ermitterfläche des Transistors Tr3 zweimal so groß ist wie die des Transistors Tr1, wird ein zweimal erweiterter Strom erhalten. Die folgende Beschreibung betrifft den Fall, bei welchem keine Dehnung oder eine Dehnung von eins stattfindet.

In eingeschwungenem Zustand ist der Schalter SW2 offen, und der Schalter SW3 ist geschlossen. Da unter dieser Voraussetzung die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers OA9 geschlossen ist, ist das Quellenpotential des NMOSFET FT1 an das Potential V_C angeklemmt, welches an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA9 angelegt wird.

Gleichzeitig mit dem Abstrahlen eines Lichtimpulses wird der Schalter SW2 geöffnet und der Schalter SW3 wird geschlossen. Da das Gatepotential des NMOSFET FET1 durch die auf dem Kondensator C2 gesammelten Ladungen zum Zeitpunkt der Einführung von Hintergrundlicht festgelegt ist, wird die Hintergrund- Stromkomponente L_L1r durch den NMOSFET FET1 an den Transistor Tr3 angelegt. Andererseits wird die Schwankungs- stromkomponente ΔI_L1, die durch einen Lichtimpuls erzeugt worden ist, über die Diode D2 von dem Operationsverstärker OA9 geliefert. Da zu diesem Zeitpunkt die Rückkopplungs­ schleife einschließlich der Diode D2 für den Operationsverstärker OA9 geschaffen ist, bleibt die Steuer-Quellen­ elektroden-Spannung V_GS des NMOSFET FT1 unverändert. In Fig. 12 ist graphisch dargestellt, wie sich in dem vorstehend angeführten Fall der Ausgang V₀ von dem Operationsverstärker OA9 ändert. In Fig. 12 ist mit tp eine Periode einer Lichtimpulsabstrahlung bezeichnet.

Im einzelnen ausgeführt, gilt für einen stationären Zustand die folgende Beziehung

V₀₁ = V_C + V_GS (I_D = I_LS) (8)

Wenn ein reflektierter Lichtimpuls empfangen wird, wird die folgende Beziehung erhalten:

wobei I_S der Sperrstrom der Diode D2 ist.

Wie schon erwähnt, ist noch eine zweite Verarbeitungseinrichtung 9b vorgesehen, deren Aufbau der vorerwähnten ersten Verarbeitungs­ einrichtung entspricht, und ein Ausgang V₀₂, der dem Ausgang V₀₁ entspricht, wird von dieser abgegeben.

Die auf diese Weise erhaltenen Ausgänge V₀₁ und V₀₂ werden an die eine Differenzschaltung 11 abgegeben, wie in Fig. 13 dargestellt ist. Wenn diese beiden Spannungen V₀₁ und V₀₂ an die Eingänge des als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärkers OA10 angelegt werden, wird das folgende Spannungssignal V_D0 als dessen Ausgang abgegeben.

Auf diese Weise ist das Stromverhältnis, das einer zu messenden Entfernung entspricht, in Form eines Spannungssignals V_D0 gegeben. Wie in Fig. 13 dargestellt, kann das Spannungs­ signal V_D0 während des Anliegens eines Lichtimpulses mittels einer Abfrage- und Halteschaltung SH abgefragt und gehalten werden, die einen Abfrageschalter SW4, einen Halte­ kondensator C3 und einen Operationsverstärker OA11 aufweist, der als ein Puffer eine Spannungsfolgestufe bildet. Wenn jedoch eine lichtemittierende Diode u. ä. als das lichtemittierende Element verwendet wird, ist, da der Lichtemissionswirkungsgrad infolge eines Temperaturanstiegs in der Übergangszone beträchtlich abnimmt, eine Abfrage besser unmittelbar nach einem Anschalten bzw. Anlegen eines Lichtimpulses durchzuführen. Ein solches unmittelbares Abfragen ist auch in dem Fall vorteilhaft, wenn eine zyklische oder pulsierende Komponente der Energieversorgung in dem Hintergrundlicht enthalten ist.

Da der abgefragte Ausgang eine Spannung aufweist, deren Pegel proportional zu einer Entfernung ist, kann sie unmittelbar als ein Entfernungssignal verwendet werden, das an einen automatischen Fokussier- oder Scharfeinstellungsmechanismus oder an eine visuelle Anzeige anzulegen ist. Andererseits kann der abgefragte Ausgang mit Hilfe einer Anzahl Vergleicher und Bezugsspannungen in eines einer Anzahl vorherbestimmter Signale umgesetzt werden, welche verschiedene Entfernungszonen darstellen.

Wie oben ausgeführt, kann gemäß dieser Ausführungsform der Einfluß von Hintergrundlicht wirksam sowie sicher ausgeschlossen werden, so daß eine Entfernungsmessung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Jedoch weisen die ersten und zweiten Verarbeitungseinrichtungen auch derartige Elemente, wie einen MOSFET, einen bipolaren Transistor, einen Operationsverstärker, eine Diode usw. auf, welche sich alle für eine Herstellung von Schaltungen in Form einer IC-Schaltung eignen, und es sind keine Elemente, wie Junctions-FET's verwendet, die sich nicht für eine IC-Herstellung eignen.

Verschiedene Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden nachstehend beschrieben. In Fig. 14 ist der Fall dargestellt, bei welchem ein als Spannungsfolgestufe ausgebildeter Operationsverstärker OA12 und ein NPN-Transistor Tr6 statt des NMOSFET FET1 in Fig. 11 verwendet sind. Bei einem solchen Schaltungsaufbau braucht nur ein bipolares Verfahren angewendet zu werden, wenn sie in Form einer IC-Schaltung hergestellt sind, und folglich ist die Ausbildung einer IC-Schaltung sehr vereinfacht.

In Fig. 15 ist eine weitere Abwandlung dargestellt, in welcher ein in Form einer Darlington-Schaltung geschaltetes NPN-Transistorpaar Tr7 und Tr8 anstelle des NMOSFET FT1 in der Schaltung der Fig. 11 vorgesehen ist. Diese Ausführung hat dieselben Vorteile wie die der in Fig. 14 dargestellten Schaltung.

In Fig. 16 ist noch eine weitere Abwandlung dargestellt, bei welcher anstelle des Operationsverstärkers OA9 in der Schaltung der Fig. 11 ein Paar miteinander verbundener Operationsverstärker OA13 und OA14 verwendet ist. Bei einem Betrieb der in Fig. 16 dargestellten Schaltung wird in einem stabilen eingeschwungenen Zustand der Schalter SW2 geschlossen gehalten, und eine Eingangsspannung Vx an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA13 wird auf einen niedrigeren Pegel eingestellt als eine Eingangsspannung V_ref an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA14, wodurch die Ausgangsspannung V′0 auf einem niedrigen Pegel "L" gehalten. Bei einem derartigen Aufbau geht kein Strom durch die logarithmische Verdichtungsdiode D3 hindurch, und der Strom fließt über den NMOSFET FET1 in den Transistor Tr3. Bei einer Abstrahlung eines Lichtimpulses wird dann der Schalter SW2 geöffnet, und die Spannung V_x wird gleich einer Spannung V_ref gemacht. Der Signalstrom, der durch einen reflektierten Lichtimpuls erzeugt worden ist, fließt nunmehr durch die Diode D3 und es wird der folgende Ausgang V′0 erhalten:

wobei I_S der Sperrstrom der Diode D3 ist.

Wenn bei dem in Fig. 16 dargestellten Aufbau ein Lichtimpuls eine äußerst geringe Impulsbreite hat, kann der Schalter SW2 durch einen hohen Widerstand, d. h. mit einem hohen Widerstandswert ersetzt werden, da er weggelassen werden kann, indem die Zeitkonstante des Systems größer gemacht wird.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Schaltung erscheint eine Offsetspannung des Operationsverstärkers OA9 an dessen Ausgang, wenn die Diode D2 unmittelbar verwendet wird. Das heißt, wenn die Offsetspannung mit V_of und der Spannungsabfall an der Diode D2 mit V_D bezeichnet wird, wird die folgende Gleichung erhalten:

V₀ = V_C + V_of + V_D (12)

Wenn unter diesen Umständen ein Offsetspannungsunterschied zwischen der ersten und zweiten Verarbeitungseinrichtung vorhanden ist, die mit dem empfindlichen bzw. sensitiven Positionsdetektor 5 verbunden worden ist, wird ein Fehler im Ausgang nach der Differenzverarbeitung, wie oben beschrieben, verstärkt.

Im Hinblick darauf ist in Fig. 17 eine weitere Abwandlung dargestellt, in welcher ein PNP-Transistor Tr9 anstelle der Diode D2 in der Schaltung der Fig. 11 vorgesehen ist. Bei dieser Ausführung kann für einen Ausgang V′₀ die folgende Gleichung erhalten werden:

wobei V_BE die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tr9 ist. In diesem Fall ist die Schaltung so ausgelegt, daß der Schalter SW5 nur während einer Lichtimpulsabstrahlung geschlossen ist, und zwar deswegen, weil, wenn die Basis des Transistors Tr9 immer mit Erdpotential verbunden ist, ein Strom zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors Tr9 in einem stationären Zustand fließt, wodurch der Energie­ verbrauchswert zunimmt.

Claims (4)

1. Entfernungsmeßeinrichtung mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht auf einen interessierenden Gegenstand, einer Empfangseinrichtung zum Empfang des von dem Gegenstand reflektierten Lichts, das auf der Empfangseinrichtung zu einem Lichtpunkt fokussiert wird, wobei die Empfangseinrichtung zwei von der Position des Lichtpunkts auf der Empfangseinrichtung abhängige elektrische Signale abgibt, die einer Verarbeitungseinrichtung, die das Hintergrundlicht eliminiert, und anschließend einer Differenzschaltung zur Erzeugung eines Entfernungssignals zugeführt werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Lichtquelle (4) ist zum Aussenden jeweils eines Einzelimpulses ausgebildet;
• - die Empfangseinrichtung (5) gibt zwei von der Position des Lichtpunktes abhängige Stromsignale (I_L1, I_L2) ab;
• - jedes der zwei Stromsignale (L_L1, L_L2) wird einem zugehörigen Zweig (9a, 9b) der Verarbeitungseinrichtung (9) zugeführt;
• - jeder Zweig (9a, 9b) enthält einen Schalter (SW1), der sich zur Messung des Hintergrundlichts in einem ersten Schaltzustand (geschlossen) befindet und der gleichzeitig mit der Erzeugung des Einzelimpulses der Lichtquelle (4) in einen zweiten Schaltzustand (offen) gebracht wird, wobei der von der Messung des Hintergrundlichts herrührende Strom (I_L1r) aufrechterhalten wird, um in jedem Zweig (9a, 9b) ein von dem Lichtpunkt herrührendes Stromsignal (ΔI_L1, ΔI_L2), in dem der Einfluß des Hintergrundlichts eliminiert ist, zu erhalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (5) eine planare PIN-Photodiode ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsignale (ΔI_L1, ΔI_L₂), in denen der Einfluß des Hintergrundlichts eliminiert ist, jeweils einem logarithmischen Wandler (LA1, LA2) zugeführt und die Ausgangssignale beider Wandler an jeweils einen Eingang der Differenzschaltung (11) angelegt werden, die am Ausgang das Entfernungssignal abgibt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungseinrichtung (9) eine Ausgangsschaltung (10) nachgeschaltet ist, die Vergleicherstufen (CP) zum inkrementellen Vergleich des Entfernungssignals mit vorgebbaren Signalen (V1, . . ., Vn) aufweist, die jeweils einer Entfernung entsprechen.