DE69325710T2

DE69325710T2 - Verfahren und Gerät zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE69325710T2
Application number: DE69325710T
Authority: DE
Inventors: Kosuke Sato; Takayuki Yoshigahara
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2013-09-07
Also published as: DE69325710D1; EP0642034B1; EP0642034A1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, das bzw. die geeignet ist für die Verwendung zur Messung einer Form eines dreidimensionalen Objektes.

2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik

Bei einer Entfernungsmessung auf der Grundlage eines optischen Schnittverfahrens, welches Gebrauch macht von einem Spaltlicht, kann eine dreidimensionale Position eines Meßgegenstands auf der Grundlage der Triangulation bestimmt werden, bei der, wie in Fig. 13 veranschaulicht, eine Projektionsrichtung des Spaltlichts von einer Lichtquelle, eine Sichtlinienrichtung einer Kamera, die eine Linse und eine Abbildungsebene enthält, und eine Positionsbeziehung zwischen der Lichtquelle und der Kamera genutzt werden.
Kürzlich ist eine sehr große Anstrengung auf Untersuchungen zur Ausführung einer Abtastbewegung von Spaltlicht mittels eines Drehspiegels gerichtet worden, um eine derartige Abstandsmessung, wie oben beschrieben, mit hoher Geschwindigkeit vorzunehmen, wobei verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden sind. Bei einer höchst populären Verfahrensweise der betreffenden Verfahren wird eine Vielzahl von Zellen in einer Matrix zur Bildung einer Abbildungsebene angeordnet, und es wird ein Zeitpunkt ermittelt, zu dem das Spaltlicht einen Punkt (kleiner Bereich) eines Meßgegenstands passiert, der durch die jeweilige Zelle gemessen wird, das heißt, daß ein Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem das von dem Meßgegenstand reflektierte Spaltlicht die jeweilige Zelle passiert. Auf der Grundlage der so ermittelten Zeitpunkte wird dann eine Winkelposition eines Spiegels, durch den das Spaltlicht eine Abtastbewegung ausführt, bestimmt, um eine Abstands- bzw. Distanzmessung vorzunehmen. Das Verfahren ist im einzelnen beispielsweise in der offengelegten japanischen Anmeldung JP-A- 62-228 106 angegeben.
Bei dem oben beschrieben konventionellen Abstandsmeßverfahren ist ein Fotosensor (wie beispielsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor) für jede der Zellen der Abbildungsebene angeordnet, und ein Schwellwertpegel ist bezüglich der durch die Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme derart festgelegt, daß das Passieren des Spaltlichts ermittelt wird. Demgemäß ist das konventionelle Abstandsmeßverfahren in den folgenden Punkten von Nachteil:
Zum ersten hängt die Menge des von dem Meßgegenstand reflektierten und zur Abbildungsebene hin projizierten Spaltlichts sowie das räumliche Ausmaß des Spaltlichts in Richtung seiner Breite (siehe Fig. 14) vom Zustand, der Richtung, und so weiter einer Oberfläche des Meßgegenstands ab. Wie in Fig. 15 veranschaulicht, kann in dem Fall, daß die Lichtmenge gering ist, der fotoelektrische Strom eines Fotosensors den Schwellwert nicht überschreiten, und demgemäß kann das Spaltlicht nicht ermittelt werden. Wenn demgegenüber die Menge des Spaltlichts differiert, differiert auch die Änderung im fotoelektrischen Strom, der durch eine Zelle fließt, in Bezug auf die Zeit, und es wird eine gewisse Verschiebung zu einem Zeitpunkt, zu dem das Spaltlicht ermittelt wird, bei dem festliegenden Schwellwertpegel hervorgerufen, was zu einem Fehler in der Entfernungs- bzw. Distanzmessung führt.
Zum zweiten ändert sich in dem Fall, daß die Temperatur des Fotosensors in der Abbildungsebene infolge der Messung während einer langen Zeitspanne oder aus irgendeinem anderen Grund ansteigt, der Dunkelstrom, und demgemäß kann das Passieren des Spaltlichts nicht genau ermittelt werden. Folglich ist eine Temperaturkompensation erforderlich.
Zum dritten ist in dem Fall, daß das empfangene Licht integriert wird und daß der resultierende Integrationswert ausgelesen wird, sodann die Empfindlichkeit gesteigert, so daß es möglich wird, die Distanz eines Gegenstands in einer großen Entfernung oder eines Gegenstands mit einem verhältnismäßig kleinen Reflexionsfaktor zu messen. Wenn in diesem Falle eine Grundbeleuchtung (Licht von irgendeinem Meßgegenstand in allgemeiner Umgebung, in der das Spaltlicht nicht empfangen wird) von einem durch eine bestimmte Zelle gemessenen Punkt verschieden ist von der Grundbeleuchtung von irgendeinem anderen, durch eine andere Zelle gemessenen Punkt, der an einer anderen Stelle in derselben Abbildungsebene positioniert ist, dann muß jedoch der Schwellwertpegel für jede der Zellen eingestellt werden. Es ist indessen schwierig, den Schwellwertpegel für jede Zelle einzustellen. Folglich kann nicht vermieden werden, eine solche Gegenmaßnahme anzuwenden, wie die Einstellung der Umgebung, so daß keine Differenz in der Grundbeleuchtung zwischen unterschiedlichen Meßpunkten hervorgerufen werden kann oder daß das reflektierte Licht des Spaltlichts extrem stärker gemacht wird als die Grundbeleuchtung. Dies stellt ein Hindernis für eine Messung der allgemeinen Umgebung dar. Dies ist der Grund dafür, daß ein Differenzierungsverfahren, welches von geringer Empfindlichkeit ist, in weitem Umfang übernommen wird.
Der Artikel "Inexpensive Range Camera Operating at Videospeed" von J. Kramer und anderen, aus dem Journal "Applied Optics" 32(1993), 1. Mai, Nr. 13, New York, beschreibt einen unterschiedlichen Systemtyp zur Messung der Oberfläche eines Gegenstands unter Nutzung einer aktiven Triangulation. Bei diesem System führt Spaltlicht eine Abtastbewegung über die zu messende Oberfläche aus, und ein Drehspiegel leitet das reflektierte Licht auf eine 1-dimensionale Matrix aus an den Enden aneinander liegenden Abbildungszellen. Jede Abbildungszelle kann aus einem Paar benachbarter dreieckiger Fotosensoren aufgebaut sein, die derart angeordnet sind, daß die Differenz zwischen dem von dem Paar der Fotosensoren abgegebenen Licht die Position des Lichtstrahls in Bezug auf die Seiten der Zelle angibt.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung zu schaffen, bei dem bzw. der ein Zeitpunkt genau ermittelt werden kann, zu dem reflektiertes Spaltlicht eine Zelle passiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung zu schaffen, bei dem bzw. der ein Zeitpunkt genau ermittelt werden kann, zu dem reflektiertes Spaltlicht einen eine Abbildungsebene bildenden Punkt passiert, während eine hohe Auflösung längs einer Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts aufrechterhalten wird.
Um die oben beschriebenen Ziele zu erreichen bzw. die betreffenden Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Entfernungsmessung bereit, umfassend die Schritte: Abtasten von bzw. mit Spaltlicht in einer Richtung längs einer Oberfläche des Meßgegenstands; Aufnehmen des von dem Meßgegenstand reflektierten Spaltlichts in einer Abbildungsebene, die aus einer Vielzahl von Zellen besteht, deren jede ein Paar von Fotosensoren enthält; Vergleichen der Größen der von den Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme miteinander für jede der betreffenden Zellen; und Ermitteln der Position der Oberfläche des Meßgegenstands auf der Grundlage der Ergebnisse des Vergleichsschritts bezüglich der genannten Zellen;
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Meßgegenstand reflektierte Spaltlicht die genannte Vielzahl von Zellen in einer ersten Richtung abtastet, daß das genannte Paar der Fotosensoren jeder Zelle Seite an Seite längs der betreffenden ersten Richtung angeordnet ist, daß ferner der Schritt vorgesehen ist, daß auf der Basis des Ergebnisses des Vergleichsschritts ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von dem einem zum anderen der Fotosensoren jeder der genannten Zellen verschiebt, daß der bestimmte Zeitpunkt als der Zeitpunkt gekennzeichnet wird, zu dem das reflektierte Spaltlicht die Zelle passiert, und daß der Schritt der Ermittlung die Ermittlung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands auf der Grundlage der Zeitpunkte umfaßt, die für die Zellen der Abbildungsebene bestimmt sind.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung bereit, umfassend: eine Einrichtung zur Abgabe von Spaltlicht an einen Meßgegenstand und Abtasten des Spaltlichts in einer Richtung längs einer Oberfläche des Meßgegenstands; eine Einrichtung für die Aufnahme des von dem Meßgegenstands reflektierten Lichts in einer Abbildungsebene, wobei die betreffende Aufnahmeeinrichtung eine Vielzahl von Zellen enthält, die die betreffende Abbildungsebene festlegen, wobei jede der betreffenden Zellen in Paar von Fotosensoren und einen Komparator für einen Vergleich der Größen der von den betreffenden Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme enthält; und eine Einrichtung zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands auf der Grundlage des Ausgangssignals von den Komparatoren der Vielzahl von Zellen.
Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß während der Anwendung das reflektierte Spaltlicht die Vielzahl von Zellen in einer ersten Richtung überstreicht, daß das Paar der Fotosensoren der jeweiligen Zelle Seite an Seite längs der genannten ersten Richtung angeordnet ist, daß eine Detektiereinrichtung vorgesehen ist zur Ermittlung eines Zeitpunkts, zu dem ein Ausgangssignal des genannten Komparators jeder der genannten Zellen eine Umkehr der Beziehung in der Größe zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen der genannten Fotosensoren der Zelle zeigt, und daß die Einrichtung zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der Zeitpunkte zu messen, die durch die Detektiereinrichtung für die Vielzahl von Zellen der Abbildungsebene ermittelt sind.
Bei diesem Verfahren und bei dieser Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann ein Speicher zur Speicherung des Zeitpunkts verwendet werden, der für jede der genannten Zellen durch die genannte Detektiereinrichtung als ein Zeitpunkt ermittelt ist, zu dem das reflektierte Spaltlicht die Zelle passiert, wobei die Einrichtung zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der in dem genannten Speicher gespeicherten Zeitpunkte zu messen.
Bei diesem Verfahren und bei dieser Vorrichtung zur Entfernungsmessung werden die Größen der von den beiden Fotosensoren jeder der Zellen abgegebenen fotoelektrischen Ströme miteinander verglichen, und es wird ein Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von einem Fotosensor zu dem anderen der beiden Fotosensoren hin bewegt, ermittelt und als ein Zeitpunkt bestimmt, zu dem das reflektierte Spaltlicht die Zelle passiert. Demgemäß wird sogar dann, wenn die Menge des von dem Meßgegenstand reflektierten und zur Abbildungsebene hin projizierten Spaltlichts und das räumliche Ausmaß des Spaltlichts in Richtung seiner Breite durch einen Zustand oder eine Richtung der Oberfläche des Meßgegenstands variiert bzw. verändert wird, der Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von dem einem Fotosensor zu dem anderen der beiden Fotosensoren der jeweiligen Zelle hin bewegt, durch eine derartige Änderung schwach beeinflußt, und folglich kann der Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht die jeweilige Zelle passiert, genau ermittelt werden. Sogar in dem Fall, daß die Temperatur der Fotosensoren infolge einer Messung über eine lange Zeitspanne hinweg ansteigt, da die beiden Fotosensoren der jeweiligen Zelle einen gleichen Temperaturanstieg zeigen, und demgemäß ihre Dunkelströme eine gleiche Änderung zeigen, hat überdies jegliche Temperaturänderung keinen Einfluß auf das Ergebnis des Vergleichs der Größe zwischen den von den beiden Fotosensoren der jeweiligen Zelle abgegebenen fotoelektrischen Strömen. Infolgedessen ist keine Notwendigkeit für eine Temperaturkompensation vorhanden. Da die Mengen des durch jeweils zwei benachbarte Fotosensoren aufgenommenen Lichts als einander gleich betrachtet werden, wird das Licht sogar in dem Fall, daß es integriert und ausgelesen wird, durch irgendwelche Grundbeleuchtung nicht beeinflußt. Infolge dessen ist die Empfindlichkeit verbessert, und es ist möglich, eine Messung bezüglich eines Objekts in einer großen Entfernung oder bezüglich eines Objekts mit einem geringen Reflexionsfaktor vorzunehmen.
Der Komparator kann erste und zweite Umkehrstufen, die jeweils einen Eingangsanschluß aufweisen, der mit einem Ausgangsanschluß der anderen Umkehrstufe verbunden ist, einen ersten Schalter, zwischen einem Ausgangsanschluß eines ersten Fotosensors der genannten Fotosensoren und einem Verbindungspunkt zwischen dem Eingangsanschluß der ersten Umkehrstufe und dem Ausgangsanschluß der zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist, einen zweiten Schalter, der zwischen einem Ausgangsanschluß eines zweiten Fotosensors der genannten Fotosensoren und einem Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß der genannten ersten Umkehrstufe und dem Eingangsanschluß der genannten zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist, und einen dritten Schalter enthalten, der zwischen dem Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß der genannten ersten Umkehrstufe angeschlossen ist; die betreffende Vorrichtung zur Entfernungs messung kann ferner eine Steuereinrichtung umfassen, die in einer ersten Phase die genannten ersten, zweiten und dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand zur Rückstellung der Ausgangssignale der genannten Fotosensoren und die Ausgangssignale der betreffenden ersten und zweiten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential einstellt, die in einer zweiten Phase den genannten dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand einstellt, um die Ausgangssignale der ersten und zweiten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential zu bringen, um zu bewirken, daß die betreffenden Fotosensoren entladen werden, und die in einer dritten Phase die genannten ersten und dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand einstellt.
Bei einer derartigen Ausführungsform der Vorrichtung zur Entfernungsmessung werden zuerst die ersten, zweiten und dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand eingestellt, so daß die Ausgangssignale der beiden Fotosensoren der jeweiligen Zelle und die Ausgangssignale der ersten und zweiten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential zurückgestellt werden, und sodann wird lediglich der dritte Schalter im Kurzschlußzustand gehalten, so daß die beiden Fotosensoren entladen wären, während die Ausgangssignale der ersten und zweiten Umkehrstufen auf dem Zwischenpotential verbleiben, woraufhin die ersten und zweiten Schalter in einen Kurzschlußzustand eingestellt werden, so daß die Ausgangssignale, bezüglich der die Größen der Ausgangssignale der beiden Fotosensoren reflektiert werden, von den Ausgängen der ersten und zweiten Umkehrstufen erhalten werden. Folglich kann ein Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von einem Fotosensor zu dem anderen der beiden Fotosensoren hin verschiebt, mit einem einfachen Aufbau bestimmt werden.
Alternativ kann jede der Zellen ferner ein Paar von Verstärkern enthalten zur Verstärkung der Ausgangssignale der entsprechenden Fotosensoren, wobei ein erster Verstärker der betreffenden Verstärker eine erste Umkehrstufe zur Umkehr des Ausgangssignals eines ersten Fotosensors der Fotosensoren und einen ersten Schalter enthält, der zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß der ersten Umkehrstufe angeschlossen ist. Ferner enthält ein zweiter Verstärker der betreffenden Verstärker eine zweite Umkehrstufe zur Umkehr des Ausgangssignals eines zweiten Fotosensors der Fotosensoren sowie einen zweiten Schalter, der zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß der betreffenden zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist. Der Komparator enthält dritte und vierte Umkehrstufen, die jeweils mit einem Eingangsanschluß an einem Ausgangsanschluß der anderen Umkehrstufe angeschlossen sind. Ein dritter Schalter ist zwischen dem Ausgangsanschluß der ersten Umkehrstufe und einem Verbindungspunkt zwischen dem Eingangsanschluß der ersten Umkehrstufe und dem Ausgangsanschluß der vierten Umkehrstufe angeschlossen. Ein vierter Schalter ist zwischen einem Ausgangsanschluß der zweiten Umkehrstufe und einem Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß der dritten Umkehrstufe und dem Eingangsanschluß der vierten Umkehrstufe angeschlossen. Ein fünfter Schalter ist zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der dritten Umkehrstufe angeschlossen. Die Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann ferner eine Steuereinrichtung enthalten, welche in einer ersten Phase die ersten und zweiten Schalter in einen Kurzschlußzustand einstellt, um die Ausgangssignale der ersten und zweiten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential zurückzustellen; sie bewirkt in einer zweiten Phase, daß die Fotosensoren entladen werden, sie stellt in einer dritten Phase den fünften Schalter in einen Kurzschlußzustand ein, um die Ausgangssignale der dritten und vierten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential zu legen, und sie stellt in einer vierten Phase die dritten und vierten Schalter in einen Kurzschlußzustand ein.
Bei einer derartigen Ausführungsform der Vorrichtung zur Entfernungsmessung werden die ersten und zweiten Schalter in einen Kurzschlußzustand eingestellt, so daß die Ausgangssignale der ersten und zweiten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential zurückgestellt werden, und sodann werden die beiden Fotosensoren der jeweiligen Zelle entladen, woraufhin der fünfte Schalter in einen Kurzschlußzustand eingestellt wird, so daß die Ausgangssignale der dritten und vierten Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential gelegt werden, und schließlich werden die dritten und vierten Schalter in einen Kurzschlußzustand eingestellt, so daß die Ausgänge, an denen die Größen der Ausgangssignale der beiden Fotosensoren reflektiert werden, von den dritten und vierten Umkehrstufen erhalten werden können. Demgemäß kann sogar in dem Fall, daß die Menge des reflektierten Spaltlichts gering ist und das Ausgangssignal des jeweiligen Fotosensors niedrig ist, ein Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von einem Fotosensor zum anderen der beiden Fotosensoren hin bewegt, mit einem einfachen Aufbau bestimmt werden.
Bei gewissen Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Aufnahme- bzw. Empfangseinrichtung N Fotosensoren, die Seite an Seite längs der Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltliches angeordnet sind und die die genannte Abbildungsebene festlegen, wobei N eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als drei ist, wobei eine erste Komparatoreinrichtung vorgesehen ist für einen Vergleich der Größen der von den (i-1)- und i-ten Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme der N Fotosensoren, wobei i eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als zwei ist, wobei eine zweite Komparatoreinrichtung vorgesehen ist für einen Vergleich der Größen der von dem i- und (i+1)-ten Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme der N Fotosensoren, und wobei die genannte Zeitpunkt-Detektiereinrichtung imstande ist, Zeitpunkte zu ermitteln, zu denen die Ausgangssignale der genannten ersten und zweiten Komparatoren für den i-ten Fotosensor eine Umkehr der Beziehung in der Größe zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen der (i-1)-ten und i-ten Fotosensoren sowie der i-ten und (i+1)-ten Fotosensoren zeigen.
Bei derartigen Ausführungsformen kann außerdem ein Speicher vorgesehen sein zur Speicherung eines Zeitpunkts, der von den für den i-ten Fotosensor durch die genannte Detektiereinrichtung ermittelten Zeitpunkten als ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem das reflektierte Spaltlicht einen dem i-ten Fotosensor entsprechenden Punkt der genannten Abbildungsebene passiert, wobei die genannte Einrichtung zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der in dem genannten Speicher gespeicherten Zeitpunkte zu messen.
Bei diesen Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung vergleicht die erste Komparatoreinrichtung die Größen der fotoelektrischen Ströme, die von den (i-1)-ten und i-ten Fotosensoren unter den N Fotosensoren abgegeben sind, und die zweite Komparatoreinrichtung vergleicht Größen der fotoelektrischen Ströme, die von den i-ten und (i+1)-ten Fotosensoren abgegeben werden. Sodann wird auf der Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs der ersten und zweiten Komparatoreinrichtungen ein Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von dem (i-1)-ten Fotosensor zu dem i-ten Fotosensor hin bewegt, bestimmt, und ein weiterer Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von dem i-ten Fotosensor zu dem (i+1)-ten Fotosensor hin bewegt, wird bestimmt. Die so bestimmten Zeitpunkte werden als die Zeitpunkte gekennzeichnet, zu denen das reflektierte Spaltlicht entsprechende Punkte passiert, welche die Abbildungsebene bilden. Demgemäß kann ein Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht den die Abbildungsebene bildenden jeweiligen Punkt passiert, genau ermittelt werden, während eine hohe Auflösung in der Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts aufrechterhalten wird.
Bei gewissen Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Entfernungssmessung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Aufnahme- bzw. Empfangseinrichtung eine Vielzahl von Fotosensoren, die Seite an Seite längs der längs der Bewegungsrich tung des reflektierten Spaltlichtes angeordnet sind und die die genannte Abbildungsebene festlegen, und eine Vergleichseinrichtung, die für jedes Paar der einen der Fotosensoren vorgesehen ist, wobei eine Zeitsteuereinrichtung vorgesehen ist, die gestattet, daß zu einem ersten Zeitpunkt jede der Vergleichseinrichtungen die Größen der von dem entsprechenden Paar der Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme vergleicht, und die gestattet, daß zu einem zweiten Zeitpunkt jede der Vergleichseinrichtungen die Größen der von einem zweiten Fotosensor des entsprechenden Paares von Fotosensoren und einem ersten Fotosensor eines nächsten benachbarten Paares der genannten einen Sensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme vergleicht, und wobei die Zeitpunkt-Detektiereinrichtung Zeitpunkte ermittelt, zu denen Ausgangssignale der Vergleichseinrichtungen für jedes Paar der einen der Fotosensoren eine Umkehr der Beziehung in der Größe zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen der ersten und zweiten Fotosensoren des entsprechenden Paares von Fotosensoren sowie zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen des zweiten Fotosensors des entsprechenden Paares von Fotosensoren und des ersten Fotosensors des benachbarten nächsten Paares von Fotosensoren zu den ersten bzw. zweiten Zeitpunkten zeigen.
Bei derartigen Ausführungsformen kann ein Speicher zur Speicherung der Zeitpunkte vorgesehen sein, die durch die Detektiereinrichtung als Zeitpunkte ermittelt sind, zu denen das reflektierte Spaltlicht zwei aufeinanderfolgende Punkte der genannte Abbildungsebene entsprechend den ersten und zweiten Fotosensoren des entsprechenden Paares von Fotosensoren passiert, wobei die genannte Einrichtung zur Messung bzw. Bestimmung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der in dem genannten Speicher gespeicherten Zeitpunkte zu messen.
Bei diesen Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Entfernungssmessung werden durch den Vergleich zunächst zu einem ersten Zeitpunkt die Größen der fotoelektrischen Ströme, wel che von dem ersten Fotosensorpaar abgegeben werden, welches zwei benachbarte Fotosensoren enthält, miteinander verglichen und dann werden zu einem zweiten Zeitpunkt die Größen fotoelektrischer Ströme miteinander verglichen, die von dem zweiten Fotosensorpaar abgegeben werden, welches zwei benachbarte Fotosensoren enthält, die sich an einer Position befinden, welche um eine Fotosensordistanz von dem ersten Fotosensorpaar entfernt ist. Auf der Grundlage der beiden Zeitpunkte des Vergleichs durch die Vergleichseinrichtung wird ein Zeitpunkt, zu dem sich das reflektierte Spaltlicht vom einen Fotosensor zu dem anderen der Fotosensoren des ersten Fotosensorpaares hin bewegt, und ein weiterer Zeitpunkt, zu dem sich das reflektierte Spaltlicht vom einen Fotosensor zu dem anderen der Fotosensoren des zweiten Fotosensorpaares hin bewegt, bestimmt. Die so bestimmten Zeitpunkte werden als die Zeitpunkte bestimmt, zu denen das reflektierte Spaltlicht entsprechende Punkte passiert, welche die Abbildungsebene bilden. Demgemäß kann ein Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht den die Abbildungsebene bildenden jeweiligen Punkt passiert, genau ermittelt werden, während eine hohe Auflösung längs der Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts aufrechterhalten wird.
Die obigen sowie weitere Aufgaben bzw. Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich werden, in denen einander entsprechende Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm, in welchem der generelle Aufbau einer Zelle veranschaulicht ist, die eine Abbildungsebene der Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß Fig. 1 bildet.
Fig. 3 veranschaulicht in einem Diagramm die zeitliche Änderung fotoelektrischer Ströme eines linken Sensors und eines rechten Sensors der Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß Fig. 1, wenn sich reflektiertes Spaltlicht bewegt bzw. verschiebt.
Fig. 4 veranschaulicht in einem Blockdiagramm ein Paar von Verstärkern und einen Komparator der in Fig. 2 dargestellten Zelle.
Fig. 5 zeigt in einem Zeitdiagramm Steuersignale, welche den in Fig. 4 dargestellten Verstärkern und dem dort gezeigten Komparator zugeführt werden.
Fig. 6 zeigt ein Schaltungsdiagramm, in welchem der detaillierte Aufbau der in Fig. 4 gezeigten Verstärker und des dort dargestellten Komparators veranschaulicht ist, die bzw. der aus MOSFET-Elementen aufgebaut sind bzw. ist.
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer Abbildungsebene einer weiteren Form, die aus den Zellen gemäß Fig. 2 aufgebaut ist und die ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 8 veranschaulicht in einem Blockdiagramm eine Zelle einer anderen Form, bei der ein Paar von Fotosensoren direkt mit einem Komparator ohne Verwendung von Verstärkern verbunden ist.
Fig. 9 veranschaulicht in einem Zeitdiagramm Steuersignale, die dem in Fig. 8 dargestellten Komparator zugeführt werden.
Fig. 10 veranschaulicht in einem Blockdiagramm eine Abbildungsebene einer weiteren Form einer weiteren Vorrichtung zur Entfernungsmessung, die eine dritte bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Abbildungsebene einer weiteren Abbildungsebene einer noch weiteren Form einer noch weiteren Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei eine vierte bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist.
Fig. 12 veranschaulicht in einem Zeitdiagramm Signale in verschiedenen Bereichen der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung zur Entfernungsmessung.
Fig. 13 veranschaulicht in einem schematischen Diagramm ein Prinzip einer Entfernungsmessung auf der Grundlage eines Lichtschnittverfahrens, welches von Spaltlicht Gebrauch macht.
Fig. 14 veranschaulicht in einer schematischen Ansicht eine Lichtintensitätsverteilung von Spaltlicht.
Fig. 15 veranschaulicht in einem Diagramm die Änderung des Zeitpunkts, zu dem Spaltlicht ermittelt wird, wenn sich die Spaltlichtmenge ändert.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung veranschaulicht ist, bei der die vorliegende Erfindung angewandt ist. Von einem Spaltlicht-Abgabelaser 1 abgegebenes Spaltlicht 2 führt eine Abtastbewegung auf einem Meßgegenstand 4 aus, der ein dreidimensionales Objekt ist, und zwar mittels eines Abtastspiegels 3, der beispielsweise ein Galvanospiegel sein kann. Der Spaltlicht-Abgabelaser 1 kann beispielsweise ein Halbleiterlaser mit der Wellenlänge von 670 nm sein, der Spaltlicht mit einer Breite von 1 mm und der Leistung von 10 mW auf der Austrittsseite einer nicht dargestellten Linse des Spaltlichts-Abgabelasers 1 abgibt. Das von dem Meßgegenstand reflektierte Spaltlicht wird kontinuierlich in eine Abbildungsebene 7 durch eine Linse 6 einer Abbildungsvorrichtung 5 projiziert. Die Abbildungsebene 7 ist aus einer Vielzahl von Abbildungszellen 8 gebildet, die in einer Matrix angeordnet sind. Jede der Zellen 8 gibt ein Signal ab, wenn der Spalt 2 bzw. das Spaltlicht den Meßgegenstand 4 in einer Sichtlinienrichtung passiert, das heißt dann, wenn das von dem Meßgegenstand 4 reflektierte Spaltlicht die Zelle 8 passiert.
Das Ausgangssignal der jeweiligen Zelle 8 wird mittels einer Leseschaltung 9 ausgelesen, und ein Zählwert eines Zählers 12 wird in einer Speicherzelle 11 eines Zählwertspeichers 10 entsprechend der Zelle 8 gespeichert, die das Signal abgegeben hat. Das Zählen des Zählers 12, die Abgabe eines Signals von der jeweiligen Zelle 8 und die Speicherung eines Zählwerts in einer Speicherzelle 11 werden in Synchronismus mit einem Betriebstaktsignal 13 mit der Frequenz von beispielsweise 100 kFz oder einem entsprechenden Wert durchgeführt, das von außen her zugeführt wird.
Da sich der Abtastspiegel 3 mit einer festen Winkelgeschwindigkeit dreht, entspricht das Ausgangssignal des Zählers 12 einer Winkelpositionsinformation des Spiegels 3. Die in den Speicherzellen 11 gespeicherten Zählwerte werden mittels eines Rechenabschnitts 14 in eine Entfernungsinformation umgewandelt. Der Rechenabschnitt 14 gibt entweder ein Entfernungsbild bezüglich einer Videoinformation ab, oder er liefert dreidimensionale Koordinatenwerte des Meßgegenstands 4, der durch die Zellen 8 gemessen wird.
Eine Abtastspiegel-Steuervorrichtung 15 gibt ein Rückstellsignal 16 mit einer Frequenz von beispielsweise 60 H&sub2; oder einem entsprechenden Wert jeweils dann ab, wenn der Abtastspiegel einen Abtastbetriebszyklus ausführt, und der Zähler 12 sowie der Zählerwert-Speicher 10 werden auf das Rücksetzsignal 16 hin zurückgesetzt.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch einen exemplarischen Aufbau einer Abbildungszelle 8, die in der Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß Fig. 1 verwendet wird. Hierbei ist an genommen, daß das auf den Meßgegenstand projizierte Spaltlicht in einer horizontalen Richtung abgetastet wird bzw. in dieser Richtung eine Abtastbewegung ausführt, während der Spalt bezüglich des Spaltlichts sich in einer vertikalen Richtung erstreckt. Gemäß Fig. 2 enthält die dargestellte Abbildungszelle 8 einen linken Fotosensor 20A und einen rechten Fotosensor 20B; diese Fotosensoren sind in einer gegenseitigen Nachbarbeziehung zueinander in der Bewegungsrichtung des Spaltlichts angeordnet. Der linke Fotosensor 20A ist auf der linken Seite längs der horizontalen Richtung angeordnet, während der rechte Fotosensor 20B auf der rechten Seite längs der horizontalen Richtung angeordnet ist. Der linke Fotosensor 20A ist dabei insbesondere an einer Stelle angeordnet, an der er das Spaltlicht zuerst empfängt, während der rechte Fotosensor 20B an einer anderen Stelle angeordnet ist, an der er das Spaltlicht später empfängt.
Ein Paar von Verstärkern 22A, 22B ist auf den Ausgangsseiten der linken und rechten Sensoren 20A bzw. 20B vorgesehen. Die Verstärker 22A und 22B verstärken die Ausgangssignale der linken und rechten Sensoren 20A bzw. 20B. Der Grund dafür, warum die beiden Verstärker 22A und 22B vorgesehen sind, liegt darin, daß beabsichtigt ist, die Ermittlung von Spaltlicht sogar dann zu ermöglichen, wenn die Menge des Spaltlichts gering ist.
Ein Komparator 24 vergleicht die Ausgangssignale der Verstärker 22A und 22B; wenn das Ausgangssignal des ersteren Verstärkers höher ist als jenes des zuletzt genannten Verstärkers, gibt der Komparator 24 ein Signal eines ersten Zustands ab, beispielsweise eines niedrigen Pegels "L", während der betreffende Komparator 24 im Gegensatz dazu dann, wenn das Ausgangssignal des zuletzt genannten Verstärkers höher ist als jenes des erstgenannten Verstärkers ein anderes Signal eines zweiten Zustands, beispielsweise eines hohen Pegel "H" abgibt. Eine Torschaltung bzw. ein Verknüpfungsglied 26 gibt das Ausgangssignal des Komparators 24 zur Außenseite der Zelle 8 ab, wenn sie bzw. es ein Zellenauswahlsignal zugeführt erhält.
Fig. 3 veranschaulicht die Änderung der fotoelektrischen Ströme der linken und rechten Fotosensoren 20A und 20B, wenn das Spaltlicht mit einer Ausdehnung (Dispersion) in Richtung der Breite des Spalts von links nach rechts in der horizontalen Richtung vorbeiläuft. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, steigt zunächst der fotoelektrische Strom des linken Sensors 20A an und sinkt sodann ab, und daraufhin steigt der fotoelektrische Strom des rechten Sensors 20B an und sinkt danach ab. Demgemäß gibt der Komparator 24 zunächst ein Signal des ersten Zustands, beispielsweise des "L"-Pegels ab, und dann gibt er ein anderes Signal des zweiten Zustand, beispielsweise des "H"-Pegels ab.
Der Augenblick des Übergangs vom ersten Zustand zum zweiten Zustand im Ausgangssignal des Komparators 24, das heißt der Augenblick, zu dem der fotoelektrische Strom des rechten Sensors 20B höher wird als der fotoelektrische Strom des linken Sensors 20A (der Zeitpunkt ist in Fig. 3 durch eine Pfeilmarkierung angegeben), wird in einer entsprechenden Speicherzelle 11 des Zählwertspeichers 8 gemäß Fig. 1 "als ein Zeitpunkt tx, zu dem das Spaltlicht die Zelle passiert", gespeichert. Wie oben beschrieben, wird die den Zeitpunkt tx angebende Information vom Zähler 12 erhalten. Die Winkelposition des in Fig. 1 dargestellten Spiegels 3, mit dessen Hilfe das Spaltlicht abgetastet wird bzw. eine Abtastbewegung ausführt, kann aus dem Zeitpunkt tx bestimmt werden, und der Abstand zum Meßgegenstand kann auf der Grundlage einer Triangulation unter Heranziehung der Winkelposition des Spiegels 3 gemessen werden.
Fig. 4 veranschaulicht einen dataillierteren Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Zelle. Gemäß Fig. 2 und 4 bestehen die linken und rechten Sensoren 20A und 20B aus Fotodioden PDA bzw. PDB; jeder der Verstärker 22A und 22B besteht aus einem Verstärker vom Takt-Typ, der eine CMOS-Umkehrstufe und einen Analog-Schalter zum Kurzschließen eines Eingangs und eines Ausgangs der CMOS-Umkehrstufe ausweist. Der Komparator 24 besteht aus einem Komparator vom Takt-Typ, umfassend ein Paar von CMOS-Umkehrstufen, die in einer positiven Rückkopplungsbeziehung geschaltet sind, und einen Analog-Schalter für ein Ausgleichen der CMOS-Umkehrstufen auf ein Zwischenpotential.
Der Verstärker 22A enthält insbesondere eine Umkehrstufe I1 für die Umkehr seines Ausgangssignals, das heißt des Potentials an der Kathode der Fotodiode PDA, sowie einen Analog- Schalter A1, der zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I1 angeschlossen ist. Unterdessen enthält der andere Verstärker 22B eine Umkehrstufe I2 zur Umkehr des Ausgangssignals, das heißt des Potentials an der Kathode der Fotodiode PDB, sowie einen Analog-Schalter A2, der zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I2 angeschlossen ist. Die Anoden der Fotodioden PDA und PDB sind geerdet. Die Analog-Schalter A1 und A2 werden durch ein Taktsignal, das ist ein Steuersignal Φ3 gesteuert.
Der Komparator 24 enthält ein Paar von Umkehrstufen I3 und I4, deren jede mit einem Ausgangsanschluß an einem Eingangsanschluß der anderen Umkehrstufe I4 bzw. I3 angeschlossen ist, einen Analog-Schalter A3, der zwischen dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I1 und einem Verbindungspunkt zwischen dem Eingangsanschluß der Umkehrstufe I3 und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I4 angeschlossen ist, einen weiteren Analog-Schalter A4, der zwischen dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I2 und einem Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I3 und dem Eingangsanschluß der Umkehrstufe I4 angeschlossen ist, sowie einen weiteren Analog-Schalter A5, der zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I3 angeschlossen ist, das heißt zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I4. Die Analog-Schalter A3 und A4 werden durch ein Taktsignal, das heißt durch ein weiteres Steuersignal Φ2 gesteuert. Der Analog-Schalter A5 wird durch ein weiteres Taktsignal, das heißt durch ein Steuersignal Φ1 gesteuert.
Fig. 5 veranschaulicht die Änderung der Steuersignale Φ1, Φ2 und Φ3 in Bezug auf die Zeit. Zu einer Phase a, wie sie in Fig. 5 veranschaulicht ist, zeigt das Steuersignal Φ3 den "H"-Pegel, und folglich befinden sich die Analog-Schalter A1 und A2 in einem Kurzschlußzustand, so daß die Ausgangssignale der Umkehrstufen I1 und I2, das heißt die Potentiale an Punkten IA und IB gemäß Fig. 4 auf Zwischenpotentiale zurückgesetzt sind.
In einer nächsten Phase b zeigen die Steuersignale Φ1, Φ2 und Φ3 alle den "L"-Pegel, und folglich wird die in den internen Kondensatoren der Fotodioden PDA und PDB gespeicherte Ladung in Abhängigkeit von den Intensitäten des auf die Fotodioden PDA bzw. PDB einfallenden Lichtes entladen.
In bzw zu einer weiteren Phase c zeigt das Steuersignal Φ1 den "H"-Pegel, und folglich befindet sich der Analog-Schalter A5 in einem Kurzschlußzustand, so daß das Potential am Ausgang der Umkehrstufe I4, das heißt am Punkt SA gemäß Fig. 4 und das Potential am Ausgang der Umkehrstufe I3, das heißt am Punkt SB gemäß Fig. 4 auf Zwischenpotentiale ausgeglichen sind. In der Zwischenzeit schreitet die Entladung der Fotodioden PDA und PDB kontinuierlich fort.
In einer Endphase d zeigt das Steuersignal Φ2 den "H"-Pegel, und folglich befinden sich die Analog-Schalter A3 und A4 in einem Kurzschlußzustand. Da die Potentiale an den Punkten SA und SB, die ein Zwischenpotential in der Phase c zeigen, die Neigung zeigen, sich in einem Zustand, bei dem der Punkt SA auf dem "H"-Pegel und der Punkt SB auf dem "L"-Pegel liegt, oder in einen anderen Zustand zu stabilisieren, bei dem der Punkt SA auf dem "L"-Pegel und der Punkt SB auf dem "H"-Pegel liegt, falls die Analog-Schalter A3 und A4 in einen Kurzschlußzustand eingestellt sind, so daß der Punkt SA direkt mit dem Punkt IA und der Punkt SB direkt mit dem Punkt IB verbunden sind, werden sodann die Intensitäten des auf die Fotodioden PDA und PDB abgestrahlten Lichts in den Potentialen an den Punkten IA und IB wiedergegeben bzw. reflektiert, und folglich wird einer der Punkte SA und SB, der ein niedrigeres Potential zeigt, in den "L"-Pegel-Zustand gebracht, während der andere Punkt in den "H"-Pegel-Zustand gebracht wird. Die Potentiale an den Punkten SA und SB werden in diesem Zustand stabilisiert.
Zurückkommend auf Fig. 4 sei angemerkt, daß das Potential am Punkt SB durch die Umkehrstufe I5 umgekehrt und als digitaler Wert Y zur Außenseite der Zelle 8 abgegeben wird, wenn ein Zellenauswahlsignal X des "H"-Pegels der Umkehrstufe I5 zugeführt wird, die der Torschaltung bzw. dem Verknüpfungsglied 26 gemäß Fig. 2 entspricht, das heißt am Ende der Phase b. Auf der Außenseite wird der digitale Wert Y überwacht, so daß ein Zeitpunkt, zu dem sein Pegel vom "H"-Pegel zum "L"-Pegel wechselt, das heißt, daß sich der Pegel am Punkt SB vom "L"- Pegel zum "H"-Pegel ändert, bestimmt wird. Der so bestimmte Zeitpunkt ist als ein "Zeitpunkt, zu dem das Spaltlicht die Zelle passiert", bestimmt.
Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn das Spaltlicht nicht auf das Objekt abgestrahlt wird, das die Zelle mißt, Grundlicht auf die linken und rechten Sensoren 20A und 20B abgestrahlt wird. In diesem Falle kann mit Rücksicht darauf, daß eine geringe Störung von außen her auftritt oder eine Differenz in der Kennlinie zwischen den Fotodioden vorhanden ist, nicht bestimmt werden, zu welcher Seite des "H"-Pegels und des "L"-Pegels das Potential am Punkt SB heruntergeht. Wenn Licht in gleicher Menge den beiden Fotodioden PDA und PDB zugeführt wird, muß ein und derselbe Zustand wie derjenige Zustand, bei dem Licht in einer größeren Menge auf die Fotodiode PDA abgestrahlt wird, das heißt ein Zustand, bei dem der Punkt SB auf dem "L"-Pegel liegt, notwendigerweise dadurch erreicht werden, daß eine solche Gegenmaßnahme übernommen wird, gemäß der die Fotodiode PDA ein wenig größer gemacht wird als die Fotodiode PDB oder daß ein sehr hoher Widerstand zwischen dem Punkt IA und dem Erdungspunkt eingeführt wird, so daß ein sehr geringer Strom zwischen diesen Punkten fließen kann.
Fig. 6 veranschaulicht einen exemplarischen Aufbau der Zelle 8 gemäß Fig. 4 für den Fall, daß dieses aus MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aufgebaut ist. Nach Fig. 6 enthält die Umkehrstufe I1 gemäß Fig. 4 einen PMOSFET-Transistor Q1, dessen Gate-Elektrode mit der Kathode der Fotodiode PDA verbunden ist und dessen Quelle- bzw. Source-Elektrode mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist. Die betreffende Umkehrstufe enthält ferner einen NNOSFET-Transistor Q2, dessen Gate mit der Kathode der Fotodiode PDA verbunden ist, dessen Senke- bzw. Drain-Elektrode mit der Drain des PMOSFET-Transisaors Q1 verbunden ist und dessen Source geerdet ist. Der Schalter A1 gemäß Fig. 4 besteht aus einem NMOSFET-Transistor Q3, dessen Drain mit dem Gate des PMOSFET-Transistors Q1 und dem Gate des NMOSFET-Transistors Q2 verbunden ist und dessen Source mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q1 verbunden ist und dessen Gate das Steuersignal Φ3 zugeführt wird.
Die Umkehrstufe bzw. der Inverter I2 gemäß Fig. 4 enthält einen PMOSFET-Transistor Q4, dessen Gate mit der Kathode der Fotodiode PDB verbunden ist und dessen Source mit der Vorspannungsquelle verbunden ist. Ferner enthält die betreffende Umkehrstufe einen NMOSFET-Transistor Q5, dessen Gate mit der Kathode der Fotodiode PDB verbunden ist und dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q4 verbunden ist. Die Source des Transistors Q5 ist geerdet. Der Schalter A2 gemäß Fig. 4 enthält einen NMOSFET-Transistor Q6, dessen Drain mit dem Gate des PMOSFET-Transistors Q4 und dem Gate des NMOSFET- Transistors Q5 verbunden ist. Die Source des Transistors Q6 ist mit dem PMOSFET-Transistor Q4 verbunden, und der Gate- Elektrode des betreffenden Transistors Q6 wird das Steuersignal Φ3 zugeführt.
Die Umkehrstufe I3 gemäß Fig. 4 enthält einen PMOSFET-Transistor Q7, dessen Source mit der Vorspannungsquelle verbunden ist, sowie einen NMPSFET-Transistor QB, dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q7 verbunden ist und dessen Source geerdet ist. Die Umkehrstufe I4 gemäß Fig. 4 enthält einen PMOSFET-Transistor Q9, dessen Source mit der Vorspannungsquelle verbunden ist und dessen Gate mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q7 der Umkehrstufe I3 verbunden ist. Die betreffende Umkehrstufe enthält ferner einen NMOSFET-Transistor Q10, dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q9 verbunden ist und dessen Gate mit der Drain des PMOSFET- Transistors Q7 der Umkehrstufe I3 verbunden ist. Die Source des betreffenden Transistors Q10 ist geerdet.
Der Schalter A3 gemäß Fig. 4 enthält einen NMOSFET-Transistor Q11, dessen Source mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q1 der Umkehrstufe I1 verbunden ist und dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q7 der Umkehrstufe I3 verbunden ist. Dem Gate des betreffenden Transistors Q11 wird das Steuersignal Φ2 zugeführt. Der Schalter A4 gemäß Fig. 4 enthält einen NMOSFET-Transistor Q12, dessen Source mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q9 der Umkehrstufe I4 verbunden ist und dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q4 der Umkehrstufe I2 verbunden ist. Dem Gate des betreffenden Transistors Q12 wird das Steuersignal Φ2 zugeführt.
Der Schalter A5 gemäß Fig. 4 enthält einen NMOSFET-Transistor Q13, dessen Source mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q7 der Umkehrstufe I3 verbunden ist und dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q9 der Umkehrstufe I4 verbunden ist. Dem Gate des betreffenden Transistors Q13 wird das Steuersignal Φ1 zugeführt.
Die Umkehrstufe I5 gemäß Fig. 4 enthält einen PMOSFET-Transistor Q14, dessen Source mit der Vorspannungsquelle verbunden ist und dessen Gate mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q9 der Umkehrstufe I4 verbunden ist, das heißt mit dem Punkt SB. Ferner enthält die betreffende Umkehrstufe einen weiteren PMOSFET-Transistor Q15, dessen Source mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q14 verbunden ist und dessen Gate ein invertiertes Signal des Zellenauswahlsignals X zugeführt wird. Ferner enthält die betreffende Umkehrstufe I5 einen NMOSFET-Transistor Q16 dessen Drain mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q15 verbunden ist und dessen Gate das Zellenauswahlsignal X zugeführt wird. Ferner gehört zu der betreffenden Umkehrstufe I5 ein weiterer NMOSFET-Transistor Q17, dessen Drain mit der Source des NMOSFET-Transistors Q16 verbunden ist und dessen Gate mit der Drain des PMOSFET-Transistors Q9 der Umkehrstufe I4 verbunden ist, das heißt mit dem Punkt SB. Die Source des betreffenden Transistors Q17 ist geerdet. Wenn das Zellenauswahlsignal X auf dem "H"-Pegel liegt, wird ein digitaler Wert Y, der ein invertiertes Signal des Potentials am Punkt SB darstellt, von einem Verbindungspunkt zwischen der Drain des PMOSFET-Transistors Q15 und der Drain des NMOSFET-Transistors Q16 abgegeben.
Fig. 7 veranschaulicht eine exemplarische Großintegrations- (LSI)-Schaltung der Abbildungsebene 7, bei der solche Zellen 8 gemäß Fig. 2 in einer n Zeilen und m Spalten enthaltenden Matrix angeordnet sind, wobei die betreffenden Zellen unter Verwendung von MOSFET-Transistoren aufgebaut sein können, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist. Bei der dargestellten LSI-Schaltung wird ein gemeinsames Auswahlsignal den Zellen der jeweiligen Spalte zugeführt. So wird beispielsweise ein gemeinsames Auswahlsignal X0 den Zellen der 0-ten Spalte zugeführt. Unterdessen sind die Ausgänge für die jeweilige Zeile gemeinsam. So werden beispielsweise die Ausgangssignale der Zellen der 0-ten Zeile gemeinsam als bzw. an YO abgegeben.
Fig. 8 veranschaulicht eine Modifikation der in Fig. 2 gezeigten Zelle, wobei die Verstärker 22A und 22B von der Zelle 8 gemäß Fig. 2 entfernt sind. Bei der modifizierten Zelle enthält der Komparator 24 ein Paar von Umkehrstufen I11 und I12, deren jede mit einem Ausgangsanschluß an einem Eingangsanschluß der anderen Umkehrstufe I12 bzw. I11 angeschlossen ist. Ferner ist ein Analog-Schalter A11 zwischen der Kathode der Fotodiode PDA als einem Ausgangsanschluß, das heißt einem Punkt PA, und einem weiteren Punkt SA angeschlossen, der ein Verbindungspunkt zwischen dem Eingangsanschluß der Umkehrstufe I11 und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I12 darstellt. Außerdem ist ein weiterer Analog-Schalter A12 zwischen der Kathode der Fotodiode PDB als einem Ausgangsanschluß, das heißt einem Punkt PB, und einem weiteren Punkt SB angeschlossen, der einen Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I11 und dem Eingangsanschluß der Umkehrstufe I12 darstellt. Überdies ist ein weiterer Analog-Schalter A13 zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I11 angeschlossen, das heißt zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der Umkehrstufe I12. Ein Taktsignal, das heißt ein Steuersignal φ 2, wird den Analog-Schaltern A11 und A12 zugeführt, und ein weiteres Taktsignal, das ist ein weiteres Steuersignal φ1, wird dem Analog-Schalter A13 zugeführt.
Fig. 9 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Steuersignale φ1 und φ2. Gemäß Fig. 8 und 9 zeigen in einer Phase A die Steuersignale φ1 und φ2 beide den "H"-Pegel, und folglich befinden sich die Schalter A11, A12 und A13 in einem Kurzschlußzustand, und die Ausgangspotentiale der Fotodioden PDA und PDB, das heißt die Potentiale an den Punkten PA und PB sowie die Potentiale an den Ausgangspunkten SA und SB der Umkehrstufen I12 und I13 sind auf ein Zwischenpotential zurückgesetzt.
In einer nächsten Phase B befinden sich die Steuersignale φ1 und φ2 auf dem "H"-Pegel bzw. auf dem "L"-Pegel, und folglich befindet sich lediglich der Schalter A13 in einem Kurzschlußzustand. Demgemäß werden die Potentiale an den Ausgangspunkten SA und SB der Umkehrstufen I12 und I13 auf einem Zwischenpotential gehalten, und die in bzw. auf den inneren Kondensatoren der Fotodioden PDA und PDB gespeicherte Ladung wird in Abhängigkeit von der Intensität des auf die Fotodioden PDA bzw. PDB abgestrahlten Lichts entladen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Phase C, welche die Phasen A und B umfaßt, eine Periode bzw. Zeitspanne ist, in der die Punkte SA und SB auf ein Zwischenpotential ausgeglichen sind.
In einer anschließenden Phase D zeigen die Steuersignale φ1 uns φ2 den "L"-Pegel bzw. "H"-Pegel, und folglich befinden sich die Schalter A11 und A12 in einem Kurzschlußzustand. Da die Potentiale an den Punkten SA und SB, welche in der Phase C ein Zwischenpotential zeigen, die Neigung zeigen, sich in einem Zustand zu stabilisieren, bei dem der Punkt SA auf dem "H"-Pegel liegt und bei dem der Punkt SB auf dem "L"-Pegel liegt, oder in einem anderen Zustand zu stabilisieren, bei dem der Punkt SA auf dem "L"-Pegel liegt und bei dem Punkt SB auf dem "H"-Pegel liegt, falls die Analog-Schalter A11 und A12 in einen Kurzschlußzustand eingestellt sind, so daß der Punkt SA direkt mit dem Punkt PA und der Punkt SB direkt mit dem Punkt PB verbunden ist, werden sodann die Intensitäten des auf die Fotodioden PDA und PDB angestrahlten Lichts in den Potentialen an den Punkten PA bzw. PB reflektiert. Folglich wird einer der Punkte SA und SB, der ein niedrigeres Potential zeigt, in den "L"-Pegel-Zustand gebracht, während der andere Punkt in den "H"-Pegel-Zustand gebracht wird. Die Potentiale an den Punkten SA und SB werden in diesem Zustand stabilisiert.
Zurückkommend auf Fig. 8 sei angemerkt, daß das Potential am Punkt SB durch eine Umkehrstufe I5 umgekehrt als digitaler Wert Y zur Außenseite der Zelle abgegeben wird, wenn ein Zellenauswahlsignal X des "H"-Pegels der Umkehrstufe I5 zuge führt wird, die der Torschaltung bzw. Verknüpfungsschaltung 26 gemäß Fig. 2 entspricht.
Die Zelle mit dem Aufbau gemäß Fig. 8 ist wirksam bzw. effektiv, wenn die Menge des Spaltlichts ausreichend ist.
In dem Fall, daß die Zelle unter Verwendung eines Paares von Fotosensoren aufgebaut ist, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2, wird im Vergleich zu einer alternativen Anordnung, bei der lediglich ein Fotosensor für eine Zelle verwendet wird, wie bei einer konventionellen Vorrichtung, in dem Fall, daß dieselbe Anzahl von Fotosensoren benutzt wird, sodann die Auflösung in der Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts, das heißt in der horizontalen Richtung auf 1/2 verringert. Eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wie sie in Fig. 10 veranschaulicht ist, ist derart aufgebaut, daß ein Zeitpunkt, zu dem reflektiertes Spaltlicht einen Punkt passiert, der eine Abbildungsebene darstellt, genau ermittelt werden kann, ohne daß eine solche, gerade beschriebene Verschlechterung der Auslösung hervorgerufen wird.
Gemäß Fig. 10 sind in der dargestellten Vorrichtung zur Entfernungsmessung N (N ist eine ganze Zahl, die gleich oder größer ist als 3) Fotodioden PD1, PD2, PD3, PD4, PD5, ... in gleicher Abstandsbeziehung längs der Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts angeordnet. N Verstärker AM1, AM2, AM3, AM4, AM5, ... verstärken die Ausgangssignale der entsprechenden Fotodioden PD1, PD2, PD3, PD4 bzw. PD5, ...
Das Ausgangssignal des Verstärkers M1 wird einem ersten Eingang eines Paares von Eingängen eines Komparators H1 zugeführt. Eine Verteilerschaltung D1 verteilt das Ausgangssignal des Verstärkers AM2 auf einen weiteren oder zweiten Eingang des Komparators H1 und außerdem auf einen ersten Eingang eines Paares von Eingängen eines weiteren Komparators H&sub2;. Eine weitere Verteilerschaltung D2 verteilt das Ausgangssignal des weiteren Verstärkers AM3 auf einen weiteren oder zweiten Eingang des Komparators H2 und außerdem auf einen ersten Eingang eines Paares von Eingängen eines weiteren Komparators H3. Eine weitere Verteilerschaltung D3 verteilt das Ausgangssignal des noch weiteren Verstärkers AM4 auf einen weiteren oder zweiten Eingang des Komparators H3 und außerdem auf einen ersten Eingang eines Paares von Eingängen eines noch weiteren Komparators H4. Eine noch weitere Verteilerschaltung D4 verteilt das Ausgangssignal eines noch weiteren Verstärkers AM5 auf den anderen oder zweiten Eingang des Komparators H4 und außerdem auf einen ersten Eingang eines Paares von Eingängen eines noch weiteren Komparators H5.
Jeder der Komparatoren H1, H2, H3, H4, H5, ... vergleicht seine ersten und zweiten Eingangssignale miteinander; wenn das erste Eingangssignal höher ist als das zweite Eingangssignal, gibt der Komparator ein Signal eines ersten Zustands, beispielsweise des "L"-Pegels ab, während er im Gegensatz dazu dann, wenn das zweite Eingangssignal höher ist als das ersten Eingangssignal ein anderes Signal eines zweiten Zustands, beispielsweise des "H"-Pegel abgibt. Jede der Torschaltungen G1, G2, G3, G4, G5, ... gibt das Ausgangssignal des entsprechenden Komparators H1, H2, H3, H4 bzw. H5, ... zur Außenseite hin ab, wenn sie ein Zellenauswahlsignal zugeführt erhält.
Der Komparator H1 vergleicht nach alledem Größen der fotoelektrischen Ströme, die von den ersten und zweiten Fotodioden PD1 und PD2 abgegeben worden sind, miteinander; auf der Grundlage eines von dem Komparator H abgegebenen Vergleichsergebnisses wird ein Zeitpunkt bestimmt, zu dem sich das reflektierte Spaltlicht von der ersten Fotodiode PD1 zur zweiten Fotodiode PD2 hin bewegt. Der Komparator H2 vergleicht nach alledem Größen der fotoelektrischen Ströme, die von den zweiten und dritten Fotodioden PD2 bzw. PD3 abgegeben werden bzw. worden sind, miteinander; auf der Grundlage eines von dem Komparator H2 abgegebenen Vergleichsergebnisses wird ein Zeitpunkt bestimmt, zu dem sich das reflektierte Spaltlicht von der zweiten Fotodiode PD2 zur dritten Fotodiode PD3 hin bewegt. Entsprechendes gilt für die Komparatoren H3, H4, H5, Als Zeitpunkt, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von der (i-1)-ten (i ist eine ganze Zahl, die gleich oder größer ist als 2) Fotodiode zu der i-ten Fotodiode hin bewegt, und als weiterer Zeitpunkt, zu dem sich das reflektierte Spaltlicht von der i-ten Fotodiode zu der (i+1)-ten Fotodiode hin bewegt - beide Zeitpunkte werden in einer oben beschriebenen Weise berechnet - werden Zeitpunkte berechnet, zu denen das reflektierte Spaltlicht die beiden die Abbildungsebene darstellenden Punkte passiert, wobei ein Zeitpunkt, zu dem reflektiertes Licht irgendeinen bzw. jeden die Abbildungsebene bildenden Punkt passiert, genau ermittelt werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 die Auflösung in der Bewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts dadurch verbessert ist, daß fotoelektrische Ströme verglichen werden, die von zwei Fotodioden auf gegenüberliegenden Seiten einer Grenzlinie zwischen jeweils zwei benachbarten Fotodioden der N Fotodioden abgegeben werden, welche in einer gleichen Abstandsbeziehung voneinander angeordnet sind.
Bei der Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß Fig. 10 wird das Ausgangssignal der jeweiligen Fotodiode von zwei Komparatoren auf gegenüberliegenden Seiten der betreffenden Fotodiode verwendet, so daß der Vergleich hinsichtlich des fotoelektrischen Stromes gleichzeitig durch zwei Komparatoren vorgenommen wird. Eine solche Anordnung erfordert eine der Anzahl der Fotodioden gleiche Anzahl von Komparatoren. Eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß Fig. 11 ist so aufgebaut, daß mit Rücksicht darauf, daß lediglich eine Anzahl von Komparatoren, die gleich der halben Anzahl der Fotodioden ist, benötigt wird, ein Zeitpunkt, zu dem reflektiertes Spaltlicht einen eine Abbildungsebene bildenden Punkt passiert, genau ermittelt werden kann, während eine hohe Auflösung in der Be wegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts aufrechterhalten wird. Bei der Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß Fig. 11 wird eine solche Zellenstruktur, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, verwendet, und die Ausgangssignale zweier verschiedener Fotodioden werden entsprechend einer Zeitteilbeziehung ein und demselben Komparator zugeführt.
Gemäß Fig. 11 sind insgesamt 16 Fotodioden PD1 bis PD16 in einer gleichen Abstandsbeziehung voneinander längs der Lichtbewegungsrichtung des reflektierten Spaltlichts angeordnet. Jeder der Teile bzw. Bereiche C1 bis C8, der jeweils von einer gestrichelten Linie umgeben ist, entspricht der Zelle gemäß Fig. 4. Zunächst sei der durch eine gestrichelte Linie umgebene Bereich C1 behandelt; Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind ähnlich jenen Elementen der Zelle 8, die durch entsprechende Bezugszeichen in Fig. 4 bezeichnet sind. Der Bereich C1 unterscheidet sich von der Zelle 8 insoweit, als er ein Paar von Analog-Schaltern S1 und S2 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält, und ein weiterer Analog-Schalter W1 ist zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog- Schalter W2 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I1 des Bereiches C2, der einer benachbarten Zelle entspricht, und einem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang eines UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog- Schalter W1 und W2 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter S1 und S2 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog-Schalter A5, S1, S2, W1 und W2 bilden einen Komparator.
Ein Taktsignal, bei dem es sich um dasselbe Signal handelt wie es bei der Anordnung gemäß Fig. 4 verwendet wird, das ist das Steuersignal φ2, wird einem ersten Eingang eines Paares von Eingängen des UND-Gliedes AND1 zugeführt, während ein Zeitsteuersignal Z0 für einen Wechsel einer Fotodiode, von der ein fotoelektrischer Strom an den Komparator abzugeben ist, dem anderen oder zweiten Eingang des UND-Gliedes AND1 zugeführt wird. Ein weiteres Taktsignal, das ist das Steuersignal φ2, wird einem ersten Eingang eines Paares von Eingängen des UND-Gliedes AND2 zugeführt, während das Zeitsteuersignal Z0 über eine Umkehrstufe INV den anderen oder zweiten Eingang des UND-Gliedes AND2 zugeführt wird.
Nunmehr sei der von einer weiteren gestrichelten Linie umgebene Bereich C2 betrachtet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Schaltungselemente wie jene der Zelle 8 gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Bereich C2 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er ein Paar von Analog-Schaltern S3 und S4 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält, und ein weiterer Analog-Schalter W3 ist zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog-Schalter W4 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I1 des Bereiches C3, der einer benachbarten Zelle entspricht, und dem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang des UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog- Schalter W3 und W4 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter S3 und S4 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog-Schalter A5, S3, S4, W3 und W4 bilden einen weiteren Komparator.
Nachfolgend sei dem von einer weiteren gestrichelten Linie umgebenen Bereich C3 Aufmerksamkeit gewidmet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Elemente wie jene der Zelle 8 gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Bereich C3 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er ein Paar von Analog-Schaltern S5 und S6 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält. Außerdem ist ein weiterer Analog-Schalter W5 zwischen dem Ausgangs der Umkehr stufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog-Schalter W6 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I1 des Bereiches C4, der einer benachbarten Zelle entspricht, und dem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang eines UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog-Schalter W5 und W6 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter S5 und S6 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog-Schalter A5, S5, S6, W5, und W6 bilden einen weiteren Komparator.
Ferner sei dem durch eine weitere gestrichelte Linie umgebenen Bereich C4 Aufmerksamkeit gewidmet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Schaltungselemente wie die Schaltungselemente der Zelle 8 gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Bereich C4 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er ein Paar von Analog-Schaltern S7 und S8 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält. Außerdem ist ein weiterer Analog-Schalter W7 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog-Schalter W8 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I1 des Bereiches C5, der einer benachbarten Zelle entspricht, und dem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang eines UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog-Schalter W7 und W8 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter 57 und 58 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog- Schalter A5, S7, S8, W7 und W8 bilden einen noch weiteren Komparator.
Nunmehr sei dem durch eine noch weitere gestrichelte Linie umgebenen Bereich C5 Aufmerksamkeit gewidmet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Elemente wie jene der Zelle gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Be reich C5 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er ein Paar von Analog-Schaltern S9 und S10 anstelle der Analog- Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält. Außerdem ist ein weiterer Analog-Schalter W9 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog-Schalter W10 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I1 des Bereiches C6, der einer benachbarten Zelle entspricht, und dem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang eines UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog-Schalter W9 und W10 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter S9 und S10 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog-Schalter A5, S9, S10, W9 und W10 bilden einen noch weiteren Komparator.
Nachfolgend sei dem durch eine noch weitere gestrichelte Linie umgebenen Bereich C6 Aufmerksamkeit gewidmet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Schaltungselemente wie jene der Zelle 8 gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Bereich C6 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er ein Paar von Analog-Schaltern S11 und S12 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält. Außerdem ist ein weiterer Analog-Schalter W11 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog-Schalter W12 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 des Bereiches C7, der einer benachbarten Zelle entspricht, und dem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang eins UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog-Schalter W11 und W12 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter S11 und 512 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog- Schalter A5, S11, S12, W11 und W12 bilden einen noch weiteren Komparator.
Im folgenden wird dem durch eine noch weitere gestrichelte Linie umgebenen Bereich C7 Aufmerksamkeit gewidmet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Schaltungselemente wie jene der Zelle 8 gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Bereich C7 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er ein Paar von Analog-Schaltern S13 und S14 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält. Außerdem ist ein weiterer Analog-Schalter W13 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I2 und dem Eingang der Umkehrstufe I3 vorgesehen, während ein noch weiterer Analog-Schalter W4 zwischen dem Ausgang der Umkehrstufe I1 des Bereiches C8, der einer benachbarten Zelle entspricht, und dem Eingang der Umkehrstufe I4 vorgesehen ist. Der Ausgang eines UND-Gliedes AND1 ist mit Steuereingängen der Analog-Schalter W13 und W14 verbunden, während der Ausgang eines weiteren UND-Gliedes AND2 mit Steuereingängen der Analog-Schalter SI3 und 514 verbunden ist. Die Umkehrstufen I3 und I4 und die Analog-Schalter A5, S13, S14, W13 und W14 bilden einen noch weiteren Komparator.
Nachfolgend wird dem durch eine noch weitere gestrichelte Linie umgebenen Bereich C8 Aufmerksamkeit gewidmet. Die Umkehrstufen I1, I2, I3, I4 und I5 sowie die Analog-Schalter A1, A2 und A5 sind dieselben Schaltungselemente wie jene der Zelle 8 gemäß Fig. 4, denen entsprechende Bezugszeichen gegeben sind. Der Bereich C8 unterscheidet sich von der Zelle 8 insofern, als er Analog-Schalter S15 und S16 anstelle der Analog-Schalter A3 und A4 der Zelle 8 enthält. Der Ausgang des UND-Gliedes AND2 ist mit Steuereingängen der Analog- Schalter S15 und S16 verbunden. Die Umkehrstufen I3 und I4 sowie die Analog-Schalter A5, S15 und S16 bilden einen noch weiteren Komparator.
Fig. 12 veranschaulicht Verläufe von Signalen in verschiedenen Bereichen der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Bezugnehmend auf Fig. 12 sei angemerkt, daß dann, wenn das Zeitsteuersignal Z0 sich auf dem "L"-Pegel befindet und das Zeitsteuersignal φ2 zugeführt ist, mit Rücksicht darauf, daß das Ausgangssignal des UND-Gliedes AND2 den "H"-Pegel führt, die Analog-Schalter S1 bis S16 alle eingeschaltet sind; die fotoelektrischen Ströme von 8 Fotodiodepaaren (PD1, PD2), (PD3VPD4), (PD5, PD6), (PD7, PD8), (PD9, PD10), (PD11, PD12), (PD13, PD14) und (PD15, PD16) werden miteinander verglichen, um die Vorbeibewegung des reflektierten Spaltlichts zu ermitteln.
Wenn sich demgegenüber das Zeitsteuersignal Z0 auf dem "H"- Pegel befindet, falls das Zeitsteuersignal φ2 zugeführt wird, dann sind mit Rücksicht darauf, daß sich das Ausgangssignal des UND-Gliedes AND1 auf dem "H"-Pegel befindet, die Analog- Schalter W1 bis W14 eingeschaltet, und folglich werden die fotoelektrischen Ströme von sieben Fotodiodenpaaren (PD2, PD3), (PD4, PD5), (PD6, PD7), (PDB, PD9), (PD10, PDI1), (PD12, PD13) und (PD14, PD15) miteinander verglichen, um die Vorbeibewegung des reflektierten Spaltlichts zu ermitteln.
Da das Spaltlicht eine Abtastbewegung in Synchronismus mit jeder Phase ausführt, ändert sich die Paarbeziehung der Fotodioden abwechselnd. Demgemäß kann die Auflösung durch Überlagern der Ergebnisse zweier aufeinanderfolgender Messungen (15 im Falle der Anordnung gemäß Fig. 11) gesteigert werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei den oben beschriebenen Ausführungsformen beispielsweise ein Fotodiode als Fotosensor verwendet worden ist, daß aber auch ein Fototransistor oder ein entsprechendes Element ebenso verwendet werden kann. Zusammenfassend kann irgendein Fotosensor verwendet werden, der ein Signal in Übereinstimmung mit einer Lichtintensität abgibt.

Claims

1. Verfahren zur Entfernungsmessung, umfassend die Schritte:

Abtasten von Spaltlicht (2) in einer Richtung längs einer Oberfläche eines Meßgegenstands (4);

Aufnehmen des von dem Meßgegenstand reflektierten Spaltlichts in einer Abbildungsebene (7), die aus einer Vielzahl von Zellen (8) besteht, deren jede ein Paar von Fotosensoren (20A, 20B) enthält;

Vergleichen der Größen der von den Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme miteinander für jede der betreffenden Zellen;

und Ermitteln der Position der Oberfläche des Meßgegenstands auf der Grundlage der Ergebnisse des Vergleichsschritts bezüglich der genannten Zellen;

dadurch gekennzeichnet,

daß das von dem Meßgegenstand reflektierte Spaltlicht über die genannte Vielzahl von Zellen in einer ersten Richtung abgetastet wird,

daß das genannte Paar der Fotosensoren (20A, 20B) jeder Zelle Seite an Seite längs der betreffenden ersten Richtung angeordnet ist,

daß ferner der Schritt vorgesehen ist, daß auf der Basis des Ergebnisses des Vergleichsschritts ein Zeitpunkt (tx) bestimmt wird, zu dem das reflektierte Spaltlicht sich von dem einen zum anderen der Fotosensoren jeder der genannten Zellen verschiebt, und daß der bestimmte Zeitpunkt als der Zeitpunkt gekennzeichnet wird, zu dem das reflektierte Spaltlicht die Zelle passiert,

und daß der Schritt der Ermittlung die Ermittlung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands auf der Grundlage der Zeitpunkte umfaßt, die für die Zellen der Abbildungsebene bestimmt sind.

2. Vorrichtung zur Entfernungsmessung, umfassend:

eine Einrichtung (1) zur Emittierung eines Spaltlichts auf einen Meßgegenstand (4) und Abtasten des Spaltlichts in einer Richtung längs einer Oberfläche des Meßgegenstands;

eine Einrichtung (8) für die Aufnahme des von dem Meßgegenstand reflektierten Lichts in einer Abbildungsebene (7), wobei die betreffende Aufnahmeeinrichtung eine Vielzahl von Zellen enthält, die die betreffende Abbildungsebene festlegen,

wobei jede der betreffenden Zellen ein Paar von Fotosensoren (20A, 20B) und einen Komparator (24) für einen Vergleich der Größen der von den betreffenden Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme enthält;

und eine Einrichtung (14) zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands auf der Grundlage des Ausgangssignals von den Komparatoren der Vielzahl von Zellen;

dadurch gekennzeichnet,

daß während der Anwendung das reflektierte Spaltlicht die Vielzahl von Zellen in einer ersten Richtung überstreicht,

daß das Paar der Fotosensoren (20A, 20B) der jeweiligen Zelle Seite an Seite längs der genannten ersten Richtung angeordnet ist,

daß eine Detektiereinrichtung vorgesehen ist zur Ermittlung eines Zeitpunkts, zu dem ein Ausgangssignal des genannten Komparators jeder der genannten Zellen eine Umkehr der Beziehung in der Größe zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen der genannten Fotosensoren der Zelle zeigt, und daß die Einrichtung (14) zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands (4) imstande ist, die Position auf der Basis der Zeitpunkte zu messen, die durch die Detektiereinrichtung für die Vielzahl von Zellen der Abbildungsebene ermittelt sind.

3. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 2, umfassend einen Speicher (10) zur Speicherung des Zeitpunkts, der für jede der genannten Zellen durch die genannte Detektiereinrichtung als ein Zeitpunkt ermittelt ist, zu dem das reflektierte Spaltlicht die Zelle passiert, wobei die Einrichtung (14) zur Messung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der in dem genannten Speicher gespeicherten Zeitpunkte zu messen.

4. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 3, wobei der genannten Komparator erste und zweite Umkehrstufen (I3, 14), die jeweils einen Eingangsanschluß aufweisen, der mit einem Ausgangsanschluß der anderen Umkehrstufe verbunden ist, einen ersten Schalter (A3), der zwischen einem Ausgangsanschluß eines ersten Fotosensors der genannten Fotosensoren und einem Verbindungspunkt zwischen dem Eingangsanschluß der ersten Umkehrstufe und dem Ausgangsanschluß der zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist, einen zweiten Schalter (A4), der zwischen einem Ausgangsanschluß eines zweiten Fotosensors der genannten Fotosensoren und einem Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß der genannten ersten Umkehrstufe und dem Eingangsanschluß der genannten zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist, und einen dritten Schalter (A5) enthält, der zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der genannten ersten Umkehrstufe angeschlossen ist, und umfassend ferner eine Steuereinrichtung, die in einer ersten Phase die genannten ersten, zweiten und dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand zur Rückstellung der Ausgangssignale der genannten Fotosensoren (20A, 20B) und die Ausgangssignale der betreffenden ersten und zweiten Umkehrstufen (I3, I4) auf ein Zwischenpotential einstellt, die in einer zweiten Phase den genannten dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand einstellt, um die Ausgangssignale der ersten und zweiten Umkehrstufen (I3, I4) auf ein Zwischenpotential zu bringen, um zu bewirken, daß die betreffenden Fotosensoren entladen werden, und die in einer dritten Phase die genannten ersten und dritten Schalter in einen Kurzschlußzustand einstellt.

5. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 3, wobei jede der genannten Zellen (20A, 20B) ferner ein Paar von Verstärkern (22A, 22B) zur Verstärkung der Ausgangssignale der entsprechenden Fotosensoren enthält,

wobei ein erster Verstärker der betreffenden Verstärker eine erste Umkehrstufe (I1) zur Umkehr des Ausgangssignals eines ersten Fotosensors der genannten Fotosensoren und einen ersten Schalter (A1) enthält, der zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß der betreffenden ersten Umkehrstufe angeschlossen ist,

wobei ein zweiter Verstärker (22B) der genannten Verstärker eine zweite Umkehrstufe (I2) zur Umkehr des Ausgangssignals eines zweiten Fotosensors der genannten Fotosensoren und einen zweiten Schalter (A2) enthält, der zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß der betreffenden zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist,

wobei der genannte Komparator (24) dritte und vierte Umkehrstufen (I3, I4) enthält, deren jede mit einem Eingangsanschluß an einem Ausgangsanschluß der anderen Umkehrstufe angeschlossen ist,

wobei ein dritter Schalter (A3) zwischen einem Ausgangsanschluß der genannten ersten Umkehrstufe (I1) und einem Verbindungspunkt zwischen dem Eingangsanschluß der genannten dritten Umkehrstufe (I3) und dem Ausgangsanschluß der genannten vierten Umkehrstufe (I4) angeschlossen ist,

wobei ein vierter Schalter (A4) zwischen einem Ausgangsanschluß der genannten zweiten Umkehrstufe und einem Verbindungspunkt zwischen dem Ausgangsanschluß der genannten dritten Umkehrstufe und dem Eingangsanschluß der genannten vierten Umkehrstufe angeschlossen ist,

und wobei ein fünfter Schalter (A5) zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß der dritten Umkehrstufe angeschlossen ist,

umfassend ferner eine Steuereinrichtung,

die in einer ersten Phase die genannten ersten und zweiten Schalter in einen Kurzschlußzustand einstellt, um die Ausgangssignale der genannten ersten und zweiten Umkehrstufen (I1, I2) auf ein Zwischenpotential einzustellen,

die in einer zweiten Phase bewirkt, daß die genannten Fotosensoren entladen werden,

die in einer dritten Phase den genannten fünften Schalter (A5) in einen Kurzschlußzustand einstellt, um die Ausgangssignale der dritten und vierten Umkehrstufen (I3, I4) auf ein Zwischenpotential einzustellen,

und die in einer vierten Phase die genannten dritten und vierten Schalter (A3, A4) in einen Kurzschlußzustand einstellt.

6. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 2, wobei die genannte Aufnahmeeinrichtung N Fotosensoren (20A, 20B) enthält, die Seite an Seite längs der genannten ersten Richtung angeordnet sind und die die genannte Abbildungsebene (7) festlegen,

wobei N eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 3 ist,

wobei eine erste Komparatoreinrichtung (24) vorgesehen ist für einen Vergleich der Größen der von den (i-1)- und i-ten Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme der N Fotosensoren, wobei i eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist,

wobei eine zweite Komparatoreinrichtung vorgesehen ist für einen Vergleich der Größen der von dem i- und (i+1)-ten Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme der N Fotosensoren,

und wobei die genannte Zeitpunkt-Detektiereinrichtung imstande ist, Zeitpunkte (tx) zu ermitteln, zu denen die Ausgangssignale der genannten ersten und zweiten Komparatoren für den i-ten Fotosensor eine Umkehr der Beziehung in der Größe zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen der (i-1)-ten und i-ten Fotosensoren bzw. der i-ten und (i+1)-ten Fotosensoren zeigen.

7. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 6, umfassend einen Speicher (10) zur Speicherung eines Zeitpunkts, der von den für den i-ten Fotosensor durch die genannte Detektiereinrichtung ermittelten Zeitpunkten als ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem das reflektierte Spaltlicht einen dem i-ten Fotosensor entsprechenden Punkt der genannten Abbildungsebene passiert, wobei die genannte Einrichtung (14) zur Bestimmung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der in dem genannten Speicher gespeicherten Zeitpunkte zu messen.

8. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 2, wobei die genannte Aufnahmeeinrichtung eine Vielzahl von Fotosensoren (20A, 20B), die Seite an Seite längs der genannten ersten Richtung angeordnet sind und die die genannte Abbildungsebene festlegen, und eine Vergleichseinrichtung (24) enthält, die für jedes Paar der einen der genannten Fotosensoren vorgesehen ist,

wobei eine Zeitsteuereinrichtung vorgesehen ist, die gestattet, daß zu einem ersten Zeitpunkt jede der Vergleichseinrichtungen die Größen der von dem entsprechenden Paar der Fotosensoren abgegebenen fotoelektrischen Ströme vergleicht, und die gestattet, daß zu einem zweiten Zeitpunkt jede der Vergleichseinrichtungen die Größen der von einem zweiten Fotosensor des entsprechenden Paares von Fotosensoren und einem ersten Fotosensor eines nächsten benachbarten Paares der genannten einen Sensoren (20A, 20B) abgegebenen fotoelektrischen Ströme vergleicht,

und wobei die Zeitpunkt-Detektiereinrichtung imstande ist, Zeitpunkte (tx) zu ermitteln, zu denen Ausgangssignale der genannten Vergleichseinrichtungen für jedes Paares der genannten einen Fotosensoren eine Umkehr der Beziehung in der Größe zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Ströme der ersten und zweiten Fotosensoren des entsprechenden Paares von Fotosensoren sowie zwischen den abgegebenen fotoelektrischen Strömen des zweiten Fotosensors des entsprechendes Paares von Fotosensoren und des ersten Fotosensors des benachbarten nächsten Paares von Fotosensoren zu den ersten bzw. zweiten Zeitpunkten zeigen.

9. Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach Anspruch 8, umfassend einen Speicher (10) zur Speicherung der Zeitpunkte, die durch die genannte Detektiereinrichtung als Zeitpunkte ermittelt sind, zu denen das reflektierte Spaltlicht zwei aufeinanderfolgende Punkte der genannte Abbildungsebene (7) entsprechend den ersten und zweiten Fotosensoren des entsprechenden Paares von Fotosensoren passiert, wobei die genannte Einrichtung (14) zur Bestimmung der Position der Oberfläche des Meßgegenstands imstande ist, die Position auf der Basis der in dem genannten Speicher (10) gespeicherten Zeitpunkte zu messen.