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Die Erfindung betrifft eine
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung zur Verwendung bei der Gewinnung von
Entfernungsinformationen für einen Roboterarm oder
Manipulator.
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Eine Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung wird
in einem Artikel offenbart, der von Johji Tajima, dem Erfinder
der hier angemeldeten Erfindung, unter dem Titel "Rainbow
Range Finder Principle for Range Data Acquisition" (Regenbogen-
Entfernungsmesserprinzip für die Erfassung von
Entfernungsdaten) in "Proceedings of the Workshop on Industrial Application
of Machine Vision and Machine Intelligence", Seiken Symposium,
Tokyo, 2.-5. Februar 1987, S. 381-386, veröffentlicht wurde.
Als Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung wird ein
Entfernungsmesser verwendet.
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Um mit Hilfe eine Roboterarms einen Gegenstand zu
handhaben, muß eine Entfernungsinformation von einer
Beobachtungsposition aus zu jedem Punkt am Objekt erfaßt werden. Der
Entfernungsmesser dient zur Gewinnung der Entfernungsinformation
unter Verwendung eines Bildsignals des Objekts. Der
Entfernungsmesser weist daher eine Bildaufnahmeeinrichtung auf, wie
z. B. eine Farbfernsehkamera, die in der Beobachtungsposition
angeordnet ist. Die Aufnahmeachse der Bildaufnahmeeinrichtung
ist zum Objekt hin gerichtet. Die Bildaufnahmeeinrichtung
weist einen ersten und einen zweiten fotoelektrischen Wandler
mit unterschiedlichen ersten und zweiten spektralen
Empfindlichkeiten auf.
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Bei der Ausleuchtung des Objekts durch einen
monochromatischen Lichtstrahl der Wellenlänge λ wird ein
Beugungsgitter verwendet. Das Beugungsgitter ist in einer von der
Beobachtungsposition beabstandeten Gitterposition angeordnet, und
seine Gitternormale ist zum Objekt hin gerichtet. Der
monochromatische Lichtstrahl wird auf einen bestimmten Punkt des
Objekts projiziert, wobei zwischen der Normalen des
Beugungsgitters
und dem monochromatischen Lichtstrahl ein
Strahlwinkel e ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der
monochromatische Strahl wird auf den bestimmten Punkt unter einem ersten
Winkel R zur Aufnahmeachse projiziert.
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Zur Bildaufnahmeeinrichtung hin reflektiert der
bestimmte Punkt den monochromatischen Strahl als reflektierten
Strahl, der einen zweiten Winkel β mit der Aufnahmeachse
bildet. Der erste und der zweite fotoelektrische Wandler erzeugen
als Antwort auf den reflektierten Strahl ein erstes und ein
zweites Bildsignal.
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Der Entfernungsmesser weist ferner eine
Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung des ersten und des zweiten
Bildsignals auf. Wie weiter unten näher erläutert wird, werden das
erste und das zweite Bildsignal verarbeitet, um die
Wellenlänge zu bestimmen. Der Strahlwinkel R wird entsprechend der
Wellenlänge λ festgelegt und für die Bestimmung des ersten
Winkels λ verwendet. Unter Verwendung von Informationen über
die Beugungsposition und den ersten und zweiten Winkel α und β
wird eine vorher festgelegte Berechnung ausgeführt. Die
vorgegebene Berechnung wird nacheinander für jedes Bildelement des
ersten und des zweiten Bildsignals ausgeführt. Mit anderen
Worten, die vorgegebene Berechnung erfolgt für jeden Punkt des
Objekts. Zu diesem Zweck werden von den entsprechenden Punkten
reflektierte Strahlen von der Bildaufnahmeeinrichtung
aufgenommen.
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Der herkömmliche Entfernungsmesser benötigt die
Informationen über die Gitterposition und die ersten und zweiten
Winkel als Ausgangswerte. Darüberhinaus müssen jedesmal, wenn
eine Störung am Gitter oder an der Aufnahmeeinrichtung
auftritt oder das Gitter bzw. die Aufnahmeeinrichtung
ausgewechselt wird, die Ausgangswerte gemessen werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung zu schaffen, die
Entfernungsinformationen ohne Messung der Ausgangswerte gewinnen
kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1
gelöst, der die Erfindung definiert.
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Eine Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung, wie
sie hier offenbart wird, ist für die Gewinnung von
Entfernungsinformationen
bezüglich einer Entfernung zwischen einer
vorgegebenen Position und einem Objekt anwendbar. Die
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung weist eine
Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Objekts mit einem
monochromatischen Strahl, eine in der vorgegebenen Position
angeordnete Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines optischen
Bildes des Objekts und zur Erzeugung eines Bildsignals sowie
eine mit der Bildaufnahmeeinrichtung gekoppelte
Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung des Bildsignals und zur Erzeugung
eines verarbeiteten Signals auf.
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Die Verarbeitungseinrichtung weist eine Bezugssignal-
Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Bezugssignals, eine
Vorverarbeitungseinrichtung, die als Antwort auf das
Bezugssignal ein vorverarbeitetes Signal erzeugt, und eine
Signalverarbeitungseinrichtung auf, die als Antwort auf das
vorverarbeitete Signal und das Bildsignal dieses Bildsignal unter
Bezugnahme auf das vorverarbeitete Signal verarbeitet, um das
verarbeitete Signal zu erzeugen, das die
Entfernungsinformation repräsentiert.
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Fig. 1 zeigt eine bildliche Darstellung eines
Entfernungsmessers und eines Objekts zur Beschreibung einer
herkömmlichen Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung;
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Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung zur
Beschreibung einer ersten spektralen Empfindlichkeit eines ersten
fotoelektrischen Wandlers, der für eine in Fig. 1 gezeigte
Bildaufnahmeeinrichtung verwendet wird;
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Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung zur
Beschreibung einer zweiten spektralen Empfindlichkeit eines zweiten
fotoelektrischen Wandlers, der für die in Fig. 1 gezeigte
Bildaufnahmeeinrichtung verwendet wird;
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Fig. 4 zeigt eine bildliche Darstellung eines
Entfernungsmessers, der als Teil einer
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
betrieben werden kann, zur Beschreibung eines vorläufigen
Verfahrens nach dem Ausführungsbeispiel;
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Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer
Bildaufnahmeeinrichtung und einer Verarbeitungseinheit, die als Teil der
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung nach dem
Ausführungsbeispiel betrieben werden können;
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Fig. 6 zeigt ein Schema zur Beschreibung der
Arbeitsweise einer ersten, in Fig. 5 dargestellten Recheneinheit;
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Fig. 7 zeigt ein Schema zur Beschreibung der
Arbeitsweise einer zweiten, in Fig. 5 dargestellten Recheneinheit;
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Fig. 8 zeigt ein Schema zur Beschreibung der
Arbeitsweise einer in Fig. 5 dargestellten Eicheinheit; und
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Fig. 9 zeigt ein Schema zur Beschreibung der
Arbeitsweise einer in Fig. 5 dargestellten
Entfernungsberechnungseinheit.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1, 2 und 3 wird zunächst eine
herkömmliche Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung
beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu
erleichtern. Die herkömmliche
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung ist ein Entfernungsmesser des Typs, der in
dem obenerwähnten Artikel beschrieben wurde. Der
Entfernungsmesser wird bei der Handhabung eines Objekts durch einen
Roboterarm oder einen Manipulator verwendet.
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Der Entfernungsmesser weist eine
Bildaufnahmeeinrichtung 10, wie z. B. eine Fernsehkamera, mit einer Aufnahmeachse
und einer Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) auf. Das
Objekt hat eine bestimmte Position und ist bei 11 abgebildet.
Der Entfernungsmesser dient zur Ermittlung einer Entfernung,
die sogleich genauer definiert wird, zwischen der
Bildaufnahmeeinrichtung 10 und dem Objekt 11. Betrachtet wird ein
bestimmter Punkt P auf dem Objekt 11.
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Bei der Entfernungsmessung ist die
Bildaufnahmeeinrichtung 10 auf das Objekt 11 gerichtet. Insbesondere wird eine z-
Achse- Z gewählt, die mit der Aufnahmeachse zusammenfällt.
Durch die z-Achse Z und den spezifischen Punkt P wird eine
Koordinatenebene definiert. Die Bildaufnahmeeinrichtung 10 weist
eine Lichtaufnahmelinse 101 auf, an der eine x-Achse X in der
Koordinatenebene senkrecht zur z-Achse Z definiert ist. Die
Achsen X und Z definieren einen Ursprungspunkt als Mittelpunkt
der Lichtaufnahmelinse 101. Der spezifische Punkt P hat die
Koordinaten X&sub1;, Z&sub1; und wird als P(X&sub1;, Z&sub1;) bezeichnet.
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Die Lichtaufnahmelinse 101 hat eine Brennweite Lf. Ein
erster und ein zweiter fotoelektrischer Wandler 102 und 103
(der zweite fotoelektrische Wandler 103 wird weiter unten
erläutert) sind senkrecht zur z-Achse Z im Abstand der
Brennweite Lf vom Ursprungspunkt angeordnet. Der erste und der
zweite fotoelektrische Wandler 102 und 103 weisen jeweils
mehrere Einheitszellen auf, die parallel zur x-Achse x linear
ausgerichtet sind. Die Einheitszellen des ersten
fotoelektrischen Wandlers 102 entsprechen den jeweiligen Einheitszellen
des zweiten fotoelektrischen Wandlers 103. Der erste und der
zweite fotoelektrische Wandler 102 bzw. 103 haben
unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten ο&sub1;(λ) und ο&sub2;(λ).
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Von einer Lichtquelle 12 wird ein Lichtstrahl
nacheinander durch einen Spalt 14 und eine Kollimatorlinse 15 auf ein
Beugungsgitter 13 ausgestrahlt. Das Gitter 13 hat einen
Mittelpunkt mit den Koordinaten (-X&sub0;, Z&sub0;), der mit P(-X&sub0;, Z&sub0;)
bezeichnet wird, sowie eine Normale, die zum Objekt 11 hin
gerichtet und durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist.
Das Gitter 13 bildet daher einen Gitterwinkel R&sub1; mit der z-
Achse Z und lenkt gebeugtes Licht mit einer spektralen
Verteilung so auf das Objekt 11, daß jeder Punkt des Objekts 11
einem monochromatischen Strahl mit einer Wellenlänge λ
ausgesetzt ist. Der monochromatische Strahl erreicht den
spezifischen Punkt P(X&sub1;, Z&sub1;) und bildet einen Strahlwinkel R mit der
Normalen des Gitters 13 und einen ersten Winkel α mit der z-
Achse Z.
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Zur Bildaufnahmeeinrichtung 10 hin reflektiert der
spezifische Punkt P(X&sub1;, Z&sub1;) den monochromatischen Strahl als
reflektierten Strahl, der einen zweiten Winkel β mit der z-Achse
OZ bildet. In der Bildaufnahmeeinrichtung 10 fällt der
reflektierte Strahl auf eine spezifische Einheitszelle des ersten
sowie des zweiten fotoelektrischen Wandlers 102 und 103 auf.
Es wird angenommen, daß die spezifische Einheitszelle in einem
Zellenabstand x von der z-Achse Z angeordnet ist.
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Auf die oben beschriebene Weise muß der
Entfernungsmesser die Entfernung zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung 10 und
dem Objekt 11 ermitteln. Die Entfernung ist diejenige zwischen
dem Ursprungspunkt und dem spezifischen Punkt P(X&sub1;, Z&sub1;) und
wird mit Zp bezeichnet. Die Entfernung Zp hat eine
z-Entfernungskomponente Z&sub1;, die durch
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Z&sub1; = (XO-Otanα)/(tanβ-tanα) (1)
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gegeben ist, wobei der erste Winkel α unter Verwendung des
Gitterwinkels e&sub1; und des Strahlwinkels R berechnet wird. Der
zweite Winkel β wird unter Verwendung des Zellenabstands x und
der Brennweite Lf berechnet. Die Entfernung Zp hat eine
x-Entfernungskomponente X&sub1;, die durch
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x&sub1; = tanβ·(X&sub0;-ZOtanα)/(tanβ-tanα)(1')
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gegeben ist.
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Zur Berechnung des ersten Winkels α muß jedoch zunächst
der Strahlwinkel e berechnet werden. Um den Strahlwinkel R zu
erfahren, wird zunächst unter Verwendung des reflektierten
Strahls die Wellenlänge λ ermittelt. Genauer gesagt, der erste
und der zweite fotoelektrische Wandler 102 und 103 erzeugen
als Antwort auf den reflektierten Strahl Bildsignale mit einem
ersten und einem zweiten Pegel I&sub1; und I&sub2;. Der erste und der
zweite Pegel I&sub1; und I&sub2; haben ein Pegelverhältnis R, das durch
die folgende Beziehung definiert und gegeben ist:
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R = I&sub1;/(I&sub1; + I&sub2;) = ο&sub1;(λ)/[ο&sub1;(λ) + ο&sub2;(λ)]. (2)
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Die Wellenlänge λ kann daher unter Verwendung des
Pegelverhältnisses R ermittelt werden, vorausgesetzt, daß die
spektrale Empfindlichkeit ο&sub1;(λ) bzw. ο&sub2;(λ) eine monotone
Funktion der Wellenlänge λ ist. In dem dargestellten Beispiel ist
die erste spektrale Empfindlichkeit ο&sub1;(λ) eine monoton
wachsende Funktion, die in Fig. 2 dargestellt ist. Die zweite
spektrale Empfindlichkeit ο&sub2;(λ) ist eine monoton fallende
Funktion, die in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 2 und 3
stellen die Abszisse bzw. die Ordinate die Wellenlänge bzw. die
spektrale Empfindlichkeit dar. Der Strahlwinkel R wird jetzt
nach der Beziehung
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sinR&sub0;--sinR = + nλd (3)
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berechnet, wobei R&sub0; der Einfallswinkel des Lichtstrahls
am Gitter 13, d die Gitterkonstante und n eine natürliche Zahl
ist, welche die Beugungsordnung darstellt und gewöhnlich
gleich eins ist.
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Man erkennt nun, daß die Entfernung Zp von der
Verarbeitungseinheit aus den Entfernungen X&sub1; und Z&sub1; berechnet wird,
für deren Berechnung der erste und der zweite Winkel α und β
und der Strahlwinkel R als ein Satz von Ausgangswerten
verwendet werden. Den Strahlwinkel e erhält man durch Verwendung
zweier optischer Bilder, die der spezifische Punkt P(X&sub1;, Z&sub1;)
auf dem ersten und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 102
und 103 erzeugt. Die Verarbeitungseinheit berechnet die
Entfernungen für verschiedene andere Punkte auf dem Objekt 11.
Die Verarbeitungseinheit des beschriebenen Typs wird ebenfalls
von Johji Tajima, dem Autor der vorliegenden Erfindung, in der
JP-A-75210/86 vorgeschlagen.
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Wie aus dem obigen ersichtlich, muß bei der
herkömmlichen Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung die
Entfernung in mehreren Schritten ermittelt werden. Ein erster
Schritt dient zur Bestimmung der Wellenlänge nach Gleichung
(2). Ein zweiter Schritt dient zur Bestimmung des
Strahlwinkels nach Gleichung (3). Ein dritter Schritt dient zur
Ermittlung der Entfernungsinformation nach Gleichung (1).
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Ferner müssen die erste und die zweite spektrale
Empfindlichkeit ο&sub1;(λ) und ο&sub2;(λ), die Beziehung zwischen dem
Strahlwinkel e und dem ersten Winkel α, die Beziehung zwischen
dem Zellenabstand x und dem zweiten Winkel β sowie die
Koordinate (X&sub0;, Z&sub0;) korrekt bestimmt werden. Außerdem sind der
erste und der zweite Winkel α und β sowie die Koordinate (X&sub0;,
Z&sub0;) zu messen, wenn die Bildaufnahmeeinrichtung 10 oder das
Gitter 13 gegen eine neue Bildaufnahmeeinrichtung oder ein
neues Gitter ausgetauscht werden.
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Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 eine
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Vor der Ermittlung der Entfernungsinformation wird in
der Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung ein
Vorbereitungsverfahren durchgeführt. Das Vorbereitungsverfahren dient
zur Aufnahme eines ersten und eines zweiten optischen
Bezugsbildes von ersten und zweiten Bezugsplatten, wie nachstehend
beschrieben wird.
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In Fig. 4 weist die
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung einen Entfernungsmesser, der dem unter Bezugnahme
auf Fig. 1 erläuterten Gerät ähnlich ist, sowie ähnliche Teile
auf, die durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Die
Beschreibung erfolgt daher bezüglich der Koordinatenebene, die
in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde.
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In dem Vorbereitungsverfahren wird eine weiße Platte 16
zunächst in einer ersten Entfernung Za vom Ursprungspunkt
senkrecht zur z-Achse Z angeordnet. Die weiße Platte 16 kann
als erste Bezugsplatte bezeichnet werden. Vom Gitter 13 wird
der monochromatische Strahl auf einen mit P(-Xa, Za)
bezeichneten Primärpunkt der weißen Platte 16 projiziert, wobei ein
erster Winkel α mit der z-Achse Z gebildet wird. Der
monochromatische Strahl wird als reflektierter Strahl, der einen
zweiten Primärwinkel βa mit der z-Achse Z bildet, auf die
Bildaufnahmeeinrichtung 10 reflektiert. Der reflektierte Strahl mit
dem zweiten Primärwinkel βa fällt auf eine Einheitszelle, die
im ersten bzw. im zweiten fotoelektrischen Wandler 102 bzw.
103 jeweils in einem primären Zellenabstand xa von der z-Achse
Z angeordnet ist. Der erste bzw. der zweite fotoelektrische
Wandler 102 bzw. 103 erzeugen ein erstes bzw. ein zweites
Bezugsbildsignal als Antwort auf den reflektierten Strahl. Das
erste und das zweite Bezugsbildsignal weisen jeweils mehrere
Bildelemente und einen ersten bzw. einen zweiten Bezugspegel
I&sub1;&sub1; bzw. I&sub1;&sub2; für jedes Bildelement auf, entsprechend der
ersten bzw. der zweiten spektralen Empfindlichkeit. Das erste
und das zweite Bildsignal werden jeweils durch eine
Verarbeitungseinheit verarbeitet, die weiter unten ausführlich
erläutert und beschrieben wird.
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Als nächstes wird die weiße Platte 16 in eine Position
mit einer zweiten Entfernung Zb vom Ursprungspunkt verschoben.
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Nach der Verschiebung wird die weiße Platte bei 16' in Fig. 4
abgebildet und kann als zweite Bezugsplatte bezeichnet werden.
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Der monochromatische Strahl wird auf einen mit P(Xb,
Zb) bezeichneten sekundären Punkt der weißen Platte 16'
projiziert, wobei der erste Winkel α mit der z-Achse Z gebildet
wird. Zur Bildaufnahmeeinrichtung 10 wird der monochromatische
Strahl als reflektierter Strahl reflektiert, der einen zweiten
Sekundärwinkel βb mit der z-Achse Z bildet. Der reflektierte
Strahl mit dem zweiten Sekundärwinkel βb fällt auf die
Einheitszelle auf, die im ersten bzw. zweiten fotoelektrischen
Wandler 102 bzw. 103 in einem sekundären Zellenabstand xb von
der z-Achse Z angeordnet ist. Der erste und der zweite
fotoelektrische Wandler 102 und 103 erzeugen ein drittes und
ein viertes Bezugsbildsignal. Das dritte und das vierte
Bezugsbildsignal haben einen dritten bzw. einen vierten
Bezugspegel I&sub2;&sub1; bzw. I&sub2;&sub2; und werden durch die
Verarbeitungseinheit verarbeitet, wie nachstehend beschrieben wird.
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Die Verarbeitungseinheit ist in Fig. 5 bei 17
abgebildet und dient zur Verarbeitung des ersten bis vierten
Bezugsbildsignals. Die Verarbeitungseinheit 17 weist eine
Signalverarbeitungseinheit 18 auf. Wenn das optische Bild der weißen
Platte 16 von der Bildaufnahmeeinrichtung 10 aufgenommen wird,
werden ein erster und ein zweiter Analog-Digital-Wandler 19
und 20 mit dem ersten bzw. dem zweiten Bezugsbildsignal
gespeist, die von dem ersten bzw. dem zweiten fotoelektrischen
Wandler 102 bzw. 103 erzeugt werden. Das erste bzw. das zweite
Bezugsbildsignal wird für jedes Bildelement durch den ersten
bzw. den zweiten Analog-Digital-Wandler 19 bzw. 20 in ein
erstes bzw. ein zweites digitales Bezugssignal umgewandelt. Das
erste bzw. das zweite digitale Bezugsbildsignal wird in dem
ersten bzw. dem zweiten Speicher 21 bzw. 22 als erstes bzw.
zweites gespeichertes digitales Bezugssignal abgespeichert.
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Eine Verhältnisberechnungseinheit 23 liest das erste
bzw. das zweite gespeicherte digitale Bezugssignal aus dem
ersten bzw. zweiten Speicher 21 bzw. 22 aus und berechnet für
jedes Bildelement ein erstes Bezugspegelverhältnis R&sub1; nach
Gleichung (2). Die Verhältnisberechnungseinheit 23 übergibt
ein erstes Bezugspegelverhältnissignal, das dem ersten
Bezugspegelverhältnis
entspricht, an einen dritten Speicher 24. Die
Verhältnisberechnungseinheit 23 dient als erste Recheneinheit.
Der dritte Speicher 24 speichert das erste
Bezugspegelverhältnissignal als erstes gespeichertes Verhältnissignal ab. Auf
die oben beschriebene Weise werden das vom ersten und zweiten
fotoelektrischen Wandler 102 und 103 erzeugte dritte bzw.
vierte Bezugsbildsignal durch den ersten bzw. zweiten Analog-
Digital-Wandler 19 bzw. 20, den ersten bzw. zweiten Speicher
21 bzw. 22 und die Verhältnisberechnungseinheit 23
verarbeitet. Nach Behandlung des dritten und des vierten
Bezugsbildsignals übergibt die Verhältnisberechnungseinheit 23 ein zweites
Bezugspegelverhältnissignal, das ein zweites
Bezugspegelverhältnis R&sub2; repräsentiert, an den dritten Speicher 24. Der
dritte Speicher 24 speichert das zweite
Bezugspegelverhältnissignal als zweites gespeichertes Verhältnissignal ab.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 werden zunächst bei
der Beschreibung der Arbeitsweise der
Verhältnisberechnungseinheit 23 je elf Einheitszellen im ersten und im zweiten
fotoelektrischen Wandler 102 und 103 betrachtet. Eine der elf
Einheitszellen empfängt einen monochromatischen Strahl, der
von der weißen Platte 16 oder 16' entlang der z-Achse Z
reflektiert wird. Der primäre und der sekundäre Zellenabstand xa
und xb der Einheitszelle ist jeweils gleich null (0). Der
primäre und der sekundäre Zellenabstand xa und xb der elf
Einheitszellen liegt jeweils zwischen minus fünf und plus fünf.
Bei der Messung des ersten bis vierten Bezugspegels I&sub1;&sub1;, I&sub1;&sub2;,
I&sub2;&sub1; und I&sub2;&sub2; wird eine willkürliche Skala verwendet.
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In Fig. 6 variiert der erste Bezugspegel I&sub1;&sub1; von fünf
(5) bis fünfzehn (15), und der zweite Bezugspegel I&sub1;&sub2; variiert
von zehn (10) bis null (0). Nach Gleichung (2) variiert das
erste Bezugspegelverhältnis R&sub1; des ersten gespeicherten
Verhältnissignals im Bereich von 5/15 bis 15/15, der als erster
Verhältnisbereich bezeichnet wird.
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In Fig. 7 variiert der dritte Bezugspegel I&sub2;&sub1; von null
(0) bis zehn (10), und der vierte Bezugspegel I&sub2;&sub2; variiert von
fünfzehn (15) bis fünf (5). Nach Gleichung (2) variiert das
zweite Bezugspegelverhältnis R&sub2; des zweiten gespeicherten
Verhältnissignals im Bereich von 0 bis 10/15, der als zweiter
Verhältnisbereich bezeichnet wird. Hier ist zu beachten, daß
das erste Bezugspegelverhältnis R&sub1; innerhalb eines Bereichs
von 5/15 bis 10/15 gleich dem zweiten Bezugspegelverhältnis R&sub2;
ist. Der Bereich wird als überlappender Verhältnisbereich
bezeichnet.
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Wie wiederum aus Fig. 5 erkennbar, wird ein Schaltkreis
25 verwendet, um zu veranlassen, daß eine
Vorverarbeitungseinheit 26 das erste und das zweite gespeicherte Verhältnissignal
aus dem dritten Speicher 24 aus liest und das erste und das
zweite gespeicherte Verhältnissignal auf die nachstehend
beschriebene Weise separat verarbeitet. Das erste und das zweite
gespeicherte Verhältnissignal dienen zusammen als
Bezugssignal. Im Vorbereitungsverfahren dient daher eine Schaltung,
welche die Bildaufnahmeeinrichtung 10 und die
Verhältnisberechnungseinheit 23 einschließt, als
Bezugssignal-Erzeugungseinheit. Die Vorverarbeitungseinheit 26 weist eine
Funktionsberechnungsschaltung 27 mit einer ersten und einer zweiten
Berechnungseinheit 271 und 272 sowie einer Eichungseinheit 28
auf.
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Im folgenden wird Gleichung (1) bezüglich der weißen
Platte 16 betrachtet. Die Gleichung (1) wird ersetzt durch:
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Za = (X&sub0;-Z&sub0;·tanα)/(tanβa--tanα), (4)
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da die weiße Platte 16 in dem ersten Abstand Za vom
Ursprungspunkt angeordnet ist. Der erste Winkel α kann als Funktion vom
Bezugspegelverhältnis R betrachtet werden. In dem ersten
fotoelektrischen Wandler 102 der Bildaufnahmeeinrichtung 10 ist
der primäre Zellenabstand xa von der z-Achse Z gegeben durch:
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xa = Lf·tanβa. (5)
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Der primäre Zellenabstand xa wird auch durch eine erste
Funktion xa(R) vom ersten Bezugspegelverhältnis R&sub1;
dargestellt. Nach den Gleichungen (4) und (5) ist die erste
Funktion xa(R) gegeben durch:
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xa(R) = Lf·{[X&sub0;-Z&sub0;·tanα(R)]/Za + tanα(R)}.
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Bezüglich der weißen Platte 16' wird der sekundäre
Zellenabstand xb durch eine zweite Funktion xb(R) vom zweiten
Bezugspegelverhältnis R&sub2; repräsentiert. Aus dem oben dargelegten
Grunde ist die zweite Funktion xb(R) gegeben durch:
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xb(R) = Lf·{[X&sub0;-Z&sub0;·tanα(R))/Zb + tanα(R)}.
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In Fig. 5 sind die erste und die zweite
Berechnungseinheit 271 und 272 für die Berechnung der ersten bzw. zweiten
Funktion xa(R) bzw. xb(R) als Antwort auf das erste bzw.
zweite gespeicherte Verhältnissignal vorgesehen. Die erste bzw.
die zweite Berechnungseinheit 271 bzw. 272 übergibt zwar ein
durch die erste Funktion xa(R) repräsentiertes erstes
Funktionssignal bzw. ein durch die zweite Funktion xb(R)
repräsentiertes zweites Funktionssignal unmittelbar an die
Eichungseinheit 28, aber bei der Ausführung eines Meßprozesses wird
eine Entfernungsberechnungseinheit 29 mit dem ersten und dem
zweiten Funktionssignal gespeist, wie weiter unten beschrieben
wird. Mit anderen Worten, die erste und die zweite
Berechnungseinheit 271 und 272 speichern jeweils vorübergehend das
erste und das zweite Funktionssignal.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise der Eichungseinheit
28 beschrieben.
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Die Eichungseinheit 28 dient zum Eichen der
Entfernungen X&sub0; und Z&sub0; des Mittelpunkts P(-X&sub0;, Z&sub0;) des Beugungsgitters
13 nach dem ersten und dem zweiten Bezugspegelverhältnis R&sub1;
bzw. R&sub2; unter Anwendung der Methode der kleinsten Quadrate.
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Aus Fig. 4 ist wiederum erkennbar, daß das
Beugungsgitter 13 den Lichtstrahl von der Lichtquelle 12 empfängt und
divergente monochromatische Strahlen mit unterschiedlichen
Wellenlängen in verschiedene Richtungen ausstrahlt. Es wird nun
angenommen, daß jeder der divergenten monochromatischen
Strahlen vom Mittelpunkt P(-X&sub0;, Z&sub0;) ausgeht. Es wird ein
spezifischer monochromatischer Strahl mit einer bestimmten
Wellenlänge betrachtet, der an dem primären Punkt P(-Xa, Za) auf die
weiße Platte 16 und an dem sekundären Punkt (Xb, Zb) auf die
weiße Platte 16' auffällt. Der spezifische monochromatische
Strahl breitet sich geradlinig aus und durchläuft die drei
Punkte P(-X&sub0;, Z&sub0;), P(-Xa, Za) und P(Xb, Zb).
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Es wird angenommen, daß die Gerade durch die Beziehung:
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Z = a&sub1;X + b&sub1;
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gegeben ist, wobei a&sub1; und b&sub1; eine Steigung bezüglich der x-
Achse X bzw. einen Schnittpunkt mit der z-Achse Z darstellen.
Das heißt:
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a&sub1; = (Zb-Za)/(Xa + Xb)
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und b&sub1; = Zb·(Zb-Za)/(Xa + Xb),
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mit xa = Za·Xa/Lf und Xb = Zb·Xb/Lf.
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Da die erste und die zweite Entfernung Za und Zb sowie
die Brennweite Lf vorgegeben sind und der primäre und der
sekundäre Zellenabstand xa und xb, wie oben beschrieben, aus dem
ersten und dem zweiten Bezugspegelverhältnis R&sub1; und R&sub2;
ermittelt werden können, lassen sich der Anstieg a&sub1; und der
Schnittpunkt b&sub1; bestimmen. Das heißt, die Gleichung der
Geraden kann für den spezifischen monochromatischen Strahl aus dem
ersten und dem zweiten Bezugspegelverhältnis R&sub1; und R&sub2;
berechnet werden.
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Die vom Beugungsgitter 13 ausgehenden monochromatischen
Strahlen können allgemein durch die folgende lineare Gleichung
dargestellt werden:
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Z = aRX + bR,
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wobei aR ähnliche Anstiege wie den Anstieg a&sub1; und bR ähnliche
Schnittpunkte wie den Schnittpunkt b&sub1; darstellen.
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Die Anstiege aR und die Schnittpunkte bR können für die
einzelnen monochromatischen Strahlen auf ähnliche Weise wie
bei der Berechnung des Anstiegs a&sub1; und des Schnittpunkts b&sub1;
aus dem ersten und dem zweiten Bezugspegelverhältnis R&sub1; und R&sub2;
berechnet werden.
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Bei der Bestimmung der Anstiege aR und der
Schnittpunkte bR können die Entfernungen X&sub0; und Z&sub0; nach der Methode der
kleinsten Quadrate wie folgt berechnet werden:
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In dem dargestellten Beispiel wird die Berechnung der
Entfernungen X&sub0; und Z&sub0; unter Bezugnahme auf den überlappenden
Verhältnisbereich ausgeführt, der in Verbindung mit Fig. 6 und
7 beschrieben wurde. Die erste und die zweite Entfernung Za
und Zb sind mit 200 bzw. 300 Millimeter vorgegeben. Die
Brennweite Lf beträgt fünfzehn Zellenabstände.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 8 werden die Abstände X&sub0; und
Z&sub0; als Berechnungsergebnisse nach den Gleichungen (6) bzw. (7)
zu --208,8 bzw. -9,4 Millimeter berechnet.
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In Fig. 5 dient die Eichungseinheit 28 zur Ausführung
der Berechnung, die oben entsprechend der ersten und der
zweiten Funktion xa(R) bzw. xb(R) beschrieben wurde. Die
Eichungseinheit 28 kann daher als zweite Berechnungseinheit bezeichnet
werden. Die Eichungseinheit 28 übergibt beim Meßverfahren ein
Rechenergebnissignal, das die Entfernungen X&sub0; und Z&sub0;
repräsentiert, an eine Entfernungsberechnungseinheit 29.
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Nachstehend wird das Meßverfahren beschrieben.
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Bei dem Meßverfahren wird die Bildaufnahmeeinrichtung
10 auf das Objekt 11 gerichtet (Fig. 1). Vom Gitter 13 werden
die divergenten monochromatischen Strahlen auf das Objekt 11
projiziert. Einer der monochromatischen Strahlen fällt auf den
spezifischen Punkt P(X&sub1;, Z&sub1;) als spezieller monochromatischer
Strahl auf, der den ersten Winkel α mit der z-Achse Z bildet.
Der spezielle monochromatische Strahl wird als reflektierter
Strahl zur Bildaufnahmeeinrichtung 10 reflektiert und bildet
den zweiten Winkel β mit der z-Achse Z. Der erste bzw. der
zweite fotoelektrische Wandler 102 bzw. 103 erzeugen ein
erstes bzw. zweites Objektbildsignal. Das erste und das zweite
Objektbildsignal weisen für jedes Bildelement einen ersten
bzw. einen zweiten Pegel I&sub1; und I&sub2; auf. Auf die oben
beschriebene Weise werden das erste und das zweite Objektbildsignal
durch den ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler 19 und 20,
den ersten und zweiten Speicher 21 und 22 und die
Verhältnisberechnungseinheit 23 verarbeitet. Die
Verhältnisberechnungseinheit 23 übergibt ein Pegelverhältnissignal an den dritten
Speicher 24. Das Pegelverhältnissignal weist ein
Pegelverhältnis Rx auf. Der dritte Speicher 24 speichert das
Pegelverhältnissignal als gespeichertes Pegelverhältnissignal ab.
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Die Entfernungsberechnungseinheit 29 liest über den
Schaltkreis 25 das gespeicherte Pegelverhältnissignal aus dem
dritten Speicher 24 aus. Die Entfernungsberechnungseinheit 29
liest das erste oder das zweite Funktionssignal bzw. das
Berechnungsergebnissignal aus der Funktionsberechnungsschaltung
27 bzw. der Eichungseinheit 28 aus. Unter Anwendung des ersten
oder des zweiten Funktionssignals und des
Berechnungsergebnissignals führt die Entfernungsberechnungseinheit 29 eine
vorgegebene Berechnung aus, die im folgenden beschrieben wird.
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Angenommen, der spezielle monochromatische Strahl fällt
auf die Einheitszelle auf, die im jeweiligen Zellenabstand x
von der z-Achse Z angeordnet ist, wie in Verbindung mit Fig. 1
beschrieben. Die Abstandskomponente Z&sub1; ist gegeben durch:
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Z&sub1; = (Za-Z&sub0;)·(X&sub1;-X&sub0;)/(Xa-X&sub0;) + Z&sub0;.
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Andererseits ist der Zellenabstand x gegeben durch:
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x = Lf·tanβ = Lf·X&sub1;/Z&sub1;.
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Die Abstandskomponente Z&sub1; ist daher gleich:
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Z&sub1; = (Z&sub0;·Xa-ZaX&sub0;)·Lf/[(Xa-X&sub0;)·Lf-(Za-Z&sub0;).x]. (8)
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Bei Verwendung der Koordinaten (Xb, Zb) anstelle der
Koordinaten (Xa, Za) ist die Entfernung Z&sub1; auch durch die
folgende Beziehung gegeben:
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Z&sub1; = (Z&sub0;·Xb-ZbX&sub0;)·Lf/[(Xb-X&sub0;)·Lf-(Zb-Z&sub0;).x]. (9)
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Außerdem wählt die Entfernungsberechnungseinheit 29
entsprechend dem Pegelverhältnis Rx des Pegelverhältnissignals
eine der Gleichungen (8) und (9) aus. Mit anderen Worten, die
Entfernungsberechnungseinheit 29 wählt unter dem ersten und
dem zweiten Bezugspegelverhältnisbereich einen Bereich aus,
der das Pegelverhältnis Rx enthält. Dies bedeutet, daß die
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung die
Entfernungsinformation innerhalb eines breiten Bereichs bestimmen kann.
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Nachstehend wird erstmals auf Fig. 9 und wiederum auf
Fig. 6 und 7 Bezug genommen. Wenn das Pegelverhältnis Rx im
Zellenabstand minus fünf gleich drei fünfzehntel (3/15) ist,
dann wird die Entfernung Z&sub1; nach Gleichung (9) zu 231
Millimeter berechnet, da das Pegelverhältnis Rx nur in dem zweiten in
Fig. 7 dargestellten Verhältnisbereich enthalten ist und der
zweiten Funktion xb(R) von minus zwei entspricht. Wenn das
Pegelverhältnis Rx im Zellenabstand minus eins gleich sieben
fünfzehntel (7/15) ist, dann wird die Entfernung Z&sub1; nach
Gleichung (8) oder Gleichung (9) zu 231 Millimeter berechnet, da
das Pegelverhältnis Rx sowohl im ersten als auch im zweiten
Pegelverhältnisbereich enthalten ist, die in Fig. 6 bzw. 7
dargestellt sind, und der ersten Funktion Xa(R) von minus drei
bzw. der zweiten Funktion xb(R) von zwei entspricht. Wenn das
Pegelverhältnis Rx im Zellenabstand fünf gleich dreizehn
fünfzehntel (13/15) ist, dann wird die Entfernung Z&sub1; nach
Gleichung (8) mit 231 Millimeter berechnet, da das Pegelverhältnis
Rx nur in dem ersten, in Fig. 6 dargestellten
Verhältnisbereich
enthalten ist und der ersten Funktion Xa(R) von minus
drei entspricht.
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Auf die oben beschriebene Weise ist zu beachten, daß
der primäre und der sekundäre Zellenabstand xa und xb bei der
Ausführung der Berechnung nach den Gleichungen (8) bzw. (9)
als erster bzw. zweiter Abstand xa bzw. xb betrachtet werden.
Der erste Abstand xa wird jedoch nach der Beziehung
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Xa = xa·Za/Lf
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berechnet. Der zweite Abstand Xb wird nach der Beziehung
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Xb = xb·Zb/Lf
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berechnet.
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Als nächstes berechnet die
Entfernungsberechnungseinheit 29 die Entfernungskomponente x&sub1; nach:
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X&sub1; = (X&sub0;·Za-Xa·Z&sub0;)/[Za-Z&sub0;-(Xa-X&sub0;)·Lf/X]
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und X&sub1; = (X&sub0;·Zb-Xb·Z&sub0;)/[Zb-Z&sub0;-(Xb-X&sub0;)·Lf/X].
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Ferner berechnet die Entfernungsberechnungseinheit 29 die
Entfernung Zp unter Verwendung der Entfernungskomponenten Z&sub1; und
X&sub1; auf die dem Fachmann bekannte Weise.
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So berechnet die Entfernungsberechnungseinheit 29 die
Entfernung für jedes Bildelement des ersten und des zweiten
Objektbildsignals und übergibt ein Entfernungssignal als
verarbeitetes Signal, das eine Entfernungsinformation
repräsentiert, an einen vierten Speicher 30.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, wird eine
Entfernungsinformationsgewinnungseinrichtung erfindungsgemäß durch
eine nur zweimalige Ausführung eines Bildaufnahmevorgangs
geeicht. Die Eichung ist unnötig, solange nicht die
Bildaufnahmeeinrichtung 10 oder das Beugungsgitter 13 oder beide
ausgewechselt werden.
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Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels erfolgt zwar
bezüglich einer zweidimensionalen Koordinatenebene, welche
durch die x-Achse X und die z-Achse Z definiert ist, die
Erfindung kann aber durch Verwendung eines ersten und eines
zweiten zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlers anstelle
des ersten und des zweiten fotoelektrischen Wandlers auf einen
dreidimensionalen Raum angewendet werden. Außerdem wird am
Ursprungspunkt senkrecht zu der in Verbindung mit Fig. 4
beschriebenen Koordinatenebene eine y-Achse Y definiert. Unter
diesen Umständen liegen die Mittelpunkte sowohl des ersten als
auch des zweiten zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlers
im Mittelpunkt der Ebene. Der Zellenabstand wird durch eine x-
Komponente x und eine y-Komponente y dargestellt. Ein erster
Abstand wird unter Verwendung der x-Komponente x, des
Zellenabstands auf die oben beschriebene Weise berechnet. In
ähnlicher Weise wird ein zweiter Abstand unter Verwendung der y-
Komponente y des Zellenabstands berechnet. Der Abstand wird
unter Verwendung des ersten und des zweiten Abstands auf die
dem Fachmann bekannte Weise berechnet.
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Erfindungsgemäß können die erste und die zweite
Berechnungseinheit 271 und 272 durch eine einzige Berechnungseinheit
implementiert werden, indem die erste und die zweite Funktion
xa(R) und xb(R) nacheinander berechnet werden. Das
Beugungsgitter 13 kann durch eine andere Lichtdispersionsvorrichtung
implementiert werden, wie z. B. durch ein Prisma oder
dergleichen. Der erste und der zweite fotoelektrische Wandler werden
jeweils unter Verwendung eines Spiegels oder dergleichen
parallel zur z-Achse Z ausgerichtet.