DE3203613C2

DE3203613C2 - Entfernungsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE3203613C2
Application number: DE3203613A
Authority: DE
Inventors: Kenji Fussa Tokio/Tokyo Fukuoka
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-02-03
Filing date: 1982-02-03
Publication date: 1985-05-30
Also published as: US4514083A; JPS57128810A; DE3203613A1

Abstract

Eine Entfernungsmeßvorrichtung projiziert einen Lichtstrahl auf einen festzustellenden Gegenstand (7). Von diesem Gegenstand reflektiertes Licht wird durch einen Strahlenteiler (2) in zwei Lichtkomponenten unterteilt. Die Intensität einer der Lichtkomponenten wird von einem ersten Lichtstärkedetektor (3) wahrgenommen. Die andere Lichtkomponente wird einer Intensitätsmodulation in Übereinstimmung mit dem zwischen dem Beleuchtungslicht und dem reflektierten Licht gebildeten Winkel unterzogen und die Intensität der modulierten Lichtkomponente von einem zweiten Lichtstärkedetektor (5) wahrgenommen. Die Ausgänge der beiden Detektoren werden in einen Rechner (6) eingegeben, der Information ableitet, die die Entfernung bis zu dem festzustellenden Gegenstand anzeigt.

Description

Eine genaue Messung ist ermöglicht, da der intensitätsmodulierte Lichtausgang auch bei einer sehr kleinen Änderung des Einfallswinkels des vom Objekt reflektierten Lichtes stark ansteigt;
Entfernungsinformation kann leicht allein, unabhängig von der Intensität des für die Beleuchtung benutzten Lichtstrahls oder dem Reflexionsvermögen des Aufnahmeobjekts, abgeleitet werden, wenn ein Ausgang, der die Intensität eines ersten Lichtteilstrahles darstellt, der keiner Modulation unterliegt, und ein weiterer Ausgang benutzt wird, der die Intensität eines zweiten Lichtteilstrahles darstellt, der einer Intensitätsmodulation unterworfen wurde.

Es werden keine beweglichen Teile benutzt, so daß eine Qualitätsminderung bei wiederholter Benutzung und eine entsprechend zunehmende Unzuverlässigkeit vermieden wird.

Da bewegliche Teile vollkommen vermieden sind, ist nicht nur die Anzahl der benutzten Teile, sondern auch der zum Zusammenbau nötigen Schritte verringert, was eine preisgünstige Herstellung ermöglicht.

Da eine mechanische Koppelung nicht erforderlich ist, kann der Konstrukteur die Entfernungsmeßvorrichtung in vielfacher Weise in eine Kamera einbauen.

Da Beleuchtungs- und Signalverarbeitungseinrichtungen voneinander vollkommen getrennt sind,

kann die Länge der Grundlinie der Kamera im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung bedeutend vergrößert werden, so daß eine erhöhte Genauigkeit bei der Messung zu erwarten ist
7) Falls von weißem Licht verschiedene elektromagnetische Strahlung als »Lichtstrahl« Verwendung findet, welcher insbesondere nur einen geringen Querschnitt aufweist, läßt sich eine wesentliche Verbesserung des Rauschabstandes der Ausgangssignale der Lichtdetektoren erzielen. ι ο

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Entfernungsmeßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Änderung des Reflexionsvermögens in einem dem kritischen Winkel benachbarten Bereich,

Fig.3 eine Detailansicht eines bestimmen Ausführungsbeispiels einer in Fig. 1 vorgesehenen Lichtmodulationseinrichtung,

Fig.4 eine Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der in F i g. 1 vorgesehenen Lichtmodulationseinrichtung.

In F i g. 1 ist eine Entfernungsmeßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei der eine Beleuchtungseinrichtung 1 eine Kollimatorlinse oder dgl. aufweist, die Licht von einer Lichtquelle, z. B. einer Leuchtdiode, einem Halbleiterlaser oder dgl. zu einem dünnen, parallel ausgerichteten Lichtstrahl kondensiert, der auf ein Aufnahmeobjekt 7 gerichtet wird. Das vom Aufnahmeobjekt 7 reflektierte Licht fällt unter einem Winkel φ auf einen Strahlenteiler 2 auf, der von der Beleuchtungseinrichtung 1 in einem Abstand L angeordnet ist, welcher die Grundlinienlänge in Richtung rechtwinklig zu der die Beleuchtungseinrichtung mit dem Aufnahmeobjekt verbindenden Linie bzw. der optischen Achse darstellt Am Eingang des Strahlenteilers 2 ist normalerweise eine Kollimatoroptik angeordnet, die jedoch zur besseren Erläuterung der Erfindungsidee in der Zeichnung weggelassen ist. Der Strahlenteiler 2 kann z. B. einen Halbspiegel, einen mit einem halbdurchlässigen Film versehenen Strahlenteiler oder ein Polarisationsprisma aufweisen, welches den Lichtweg in Übereinstimmung mit der Polarisationsrichtung ablenkt.

Eine vom Strahlenteiler 2 erhaltene erste Lichtkomponente wird einem ersten Beleuchtungs- bzw. Lichtstärkedetektor 3 zugeleitet, der eine Kombination aus einem photoelektrischen Wandlerelement, beispielsweise einer Photodiode, und einem Verstärker aufweist, um ein Beleuchtungsstärkesignal in ein entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln. Dabei ist das elektrische Ausgangssignal des ersten Lichtstärkede'.ektors 3 5^r> der Intensität des vom Aufnahmeobjekt 7 reflektierten Lichts proportional.

Eine vom Strahlenteiler 2 erhaltene zweite Lichtkomponente wird, anders als die erste Komponente, anfangs einer Intensitätsmodulation mit Hilfe eines Lichtmodulators 4 unterworfen, ehe sie auf einen zweiten Beleuchtungs- bzw. Lichtstärkedetektors 5 zur Umwandlung in ein entsprechendes elektrisches Signal auftrifft. Der zweite Lichtstärkedetektor 5 ist ähnlich aufgebaut wie der erste Lichtstärkedetektor 3.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Lichtmodulator 4 anders arbeitet als ein üblicher Modulator. Im einzelnen würde ein üblicher Modulator einen Träger, im vorliegenden Fall Licht in Übereinstimrruaig mit der Größe eines als Eingang empfangenen elektrischen Signals modulieren. Mit dem Lichtmodulator 4 wird jedoch die Intensität des einfallenden Lichts in Obereinstimmung mit dem Winkel moduliert den das einfallende Licht mit der optischen Achse einschließt Mit anderen Worten heißt aas, daß die zweite Lichtkomponente einer Intensitätsmodulation in Übereinstimmung mit dem obengenannten Winkel φ ausgesetzt wird.

Der Wert des Winkels φ hat die Größe 0°, wenn das Aufnahmeobjekt 7 sich im Unendlichen befindet und entspricht etwa 2°, wenn das Aufnahmeobjekt in minimaler Entfernung angeordnet ist die normalerweise mit 0,6 m gewählt wird, wenn davon ausgegangen wird, daß die Grundlinienlänge L 21 mm beträgt. Es ist also wünschenswert, den Lichtmodulator 4 so zu konstruieren, daß innerhalb eines begrenzten Bereichs der Winkeländerung, die in der Größenordnung von 2° liegt das höchstmögliche Ausmaß an Modulation erzielt wird.

Derartige wünschenswerte Eigenschaften können erhalten werden durch Reflexion, die an der Grenze zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Brechzahl in der Nähe des kritischen Winkels erfolgt Im einzelnen zeigt F i g. 2 graphisch das Reflexionsvermögen an der Grenzfläche zwischen Glas mit der Brechzahl 1,5 und Luft (deren Brechzahl 1 ist), wenn das Licht von der Glasschicht in die Luftschicht eintritt. Die Kurve Rp stellt das Reflexionsvermögen für P-Polarisation und die Kurve Rs für S-Polarisation dar. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, erfähri nahezu das gesamte einfallende Licht eine Brechung, wenn der Einfallswinkel θ klein ist, was ein Reflexionsvermögen von sehr geringem Wert ergibt. Wenn sich jedoch der Einfallswinkel θ dem kritischen Winkel θ_α der 41,8° beträgt, nähert, steigt das Reflexionsvermögen sehr rasch an. Im einzelnen erfährt das Reflexionsvermögen eine starke Änderung bei einer Änderung des Einfallswinkels θ von ca. 2° in der Nähe des kritischen Winkels θ_€ im Falle der P-Polarisation. Dies entspricht dem obigen Erfordernis. Es ist ersichtlich, daß jeder gewünschte Wert für den kritischen Winkel 0_C erhalten werden kann, wenn die Brechzahlen der Medien entsprechend gewählt werden.

Bei Verwendung eines Prismenpaares kann der Strahlenteiler 2 und der Lichtmodulator 4 integral ausgebildet werden, wie F i g. 3 ode^r 4 zeigt. Im einzelnen ist bei der Anordnung gemäß F i g. 3 ein erstes Prisma 8 mit einem zweiten Prisma 9 vereinigt, wobei die Grenzfläche 10 zwischen beiden den Strahlenteiler 2 darstellt. Das zweite Prisma 9 ist als Prisma mit kritischem Winkel konstruiert und wirkt als Lichtmodulator 4. Ein Teil des Strahlenteilers, der von der die beiden Prismen vereinigenden Grenzfläche 10 bestimmt ist, kann als Halbspiegel oder als Polarisationsprisma ausgebildet sein, wie schon erwähnt. Wenn ein Polarisationsprisma verwendet wird, kann die S-Polarisationskomponente als erste Lichtkomponente auf den ersten Lichtstärkedetektor 3 fallen, während die P-Polarisationskomponente als zweite Lichtkomponentc auf das zweite Prisma 9 fällt, welches als Lichtmodulator 4 dient. Wenn die Brechzahl bei beiden Prismen 8 und 9 gleich ist, setzt sich die zweite Lichtkomponente in der gleichen Richtung fort wie das in das erste Prisma 8 einfallende Licht bzw. das vom Aufnahmeobjekt 7 reflektierte Licht. Es sei noch darauf hingewiesen, daß beim Einfall der zweiten üchtkomponente vom ersten Prisma 8 in das zweite Prisma 9 der Einfallswinkel, den diese zweite Lichtkomponente mit der Reflexionsfläche 11 des zweiten Prismas 9 einschließt, und der als Winkel θ gekennzeichnet

ist, dem kritischen Winkel 0,-sehr nahe kommt. Dementsprechend wird die zweite Lichtkomponente von der Reflexionsfläche 11 des zweiten Prismas 9 mit einer vom Einfallswinkel Θ abhängigen Intensität reflektiert, um dann auf den zweiten Lichtstärkedetektor 5 aufzufallen.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 ist mit dem ersten Prisma 8 ein zweites, im wesentlichen rhombusförmiges Prisma 12 vereinigt, und durch die die beiden verbindende Grenzfläche 13 fällt die zweite Lichtkomponente auf die Reflexionsfläche 14 des zweiten Prismas 12 unter einem Winkel 6>auf, der dem kritischen Winkel angenähert ist. Auf diese Weise wird die zweite Lichtkomponente mit einer Lichtstärke reflektiert, die von der Größe des Einfallswinkels (^abhängt. Beim Austritt aus dem zweiten Prisma 12 wird die zweite Lichtkomponente im wesentlichen in derselben Richtung geleitet wie die aus dem ersten Prisma 8 austretende Lichtkomponente, so daß beide Lichtstärkedetektoren 3 und 5 in einer Ebene angeordnet weiden können. Um bei den Anordnungen gemäß F i g. 3 und 4 zu erreichen, daß der Einfallswinkel Θ auf das Prisma 9 mit kritischem Winkel bzw. das zweite Prisma 12, die als Lichtmodulatoren dienen, einen Wert im richtigen Bereich, z. B. von 39,8° bis 41,8° erreicht, wie für die Kurven in F i g. 2 gezeigt, sollten die Winkel x\, A₂ der Prismen 9, 12 so gewählt sein, daß Λ, < Ct₂.

Das elektrische Ausgangssignal des zweiten Lichtstärkedetektors 5 trägt Information, die sich auf den Winkel φ bezieht. Es ist offenkundig, daß dieser Ausgang auch von der Intensität des der Beleuchtung dienenden Lichts der Beleuchtungseinrichtung 1, der durch Diffusion des Lichtes bewirkten Dämpfung, dem Reflexionsvermögen des Aufnahmeobjekts und dgl. beeinflußt wird; aber diese Einflüsse können durch die Verwendung des Ausganges des ersten Lichtstärkedetektors 3 ganz einfach ausgeschaltet werden.

Wenn der Ausgang des ersten Lichtstärkedetektors 3 mit V₁ und der Ausgang des zweiten Lichtstärkedetektors 5 mit V₂ angenommen wird, können diese Ausgänge wie folgt ausgedrückt werden:

V; = », rl

V₂ = ((φ) ψ.Γί

worin /die Intensität des Beleuchtungslichts und reine Konstante darstellt, die durch die Diffusion von Licht und das Reflexionsvermögen des Aufnahmeobjekts bestimmt ist. Damit stellt r/die Intensität des vom Aufnahmeobjekt reflektierten Lichts dar, während η\ und 1/2 Konstanten sind, die Anteile der vom Strahlenteiler 2 geschaffenen ersten und zweiten Lichtkomponente darstellen und ί(φ) eine Funktion darstellt, die die Intensitätsmodulationscharakteristik des Lichtmodulators 4 in Übereinstimmung mit dem Winkel φ bestimmt.

Beide Ausgänge Vi und V₂ der Lichtstärkedetektoren und 5 werden an einen Rechner 6 angelegt der einen variablen Ausgang v= V₂ZV₁ ableitet. Bei Verwendung eines Faktors k— Tf₂IiJu der eine Konstante ist, kann der variable Ausgang ν des Rechners 6 wie folgt ausgedrückt werden:

V = kf(ip)

Da der Winkel φ eine Funktion der Entfernung .v vom Aufnahmeobjekt ist, ist der variable Ausgang won der Intensität des Beleuchtungslichtes, der Dämpfung durch die Diffusion des Lichtes, dem Reflexionsvermögen des Aufnahmeobjekts und dgl. unabhängig und allein eine Funktion der Entfernung χ bis zu dem aufzunehmenden Gegenstand. Mit anderen Worten

" = SM-

Auf diese Weise wird der Ausgang ν des Rechners 6 als eine Funktion der Entfernung χ abgeleitet. Das Verhältnis der Ausgänge Ki und V₂ kann im Rechner beispielsweise dadurch errechnet werden, daß eine logarithmische Kompression beider Ausgänge Vi und V₂, gefolgt von einer Differentialverstärkung zum Ableiten eines Verhältnisses vorgenommmen wird, dessen Logarithmus erhalten wird. Gemäß einer Alternative können die Ausgänge Ki und V₂ auch zunächst einer Analog-Digital-Umwandlung unterzogen werden, ehe sie digital weiterverarbeitet werden.

Der vom Rechner 6 als Funktion allein der Entfernung χ abgeleitete variable Ausgang ν kann auf verschiedene Weise genutzt werden. Wenn nötig, kann an diesem Ausgang eine linearisierende Korrektur vorgenommen werden, ehe er in einem Strommesser benutzt wird, um die Entfernung anzuzeigen. Gemäß einer Alternative kann auch das Ausgangsniveau in eine Vielzahl von Zonen unterteilt werden, die jeweils mit einer eigenen einer Vielzahl von Leuchtdioden verbunden sind, um verschiedene Entfernungszonen anzeigen zu können. Außerdem kann der Ausgang ν zunächst einer Analog-Digital-Umwandlung unterworfen werden, um eine numerische oder digitale Anzeige zu ermöglichen. Schließlich kann der Ausgang auch zum Antrieb einer Linsenanordnung benutzt werden, um eine automatische Scharfeinstellung zu erhalten.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß als Beleuchtungslicht Infrarotstrahlung vorgesehen sein kann, um den Rauschabstand zu verbessern, damit schädliche Einflüsse natürlichen Lichtes ausgeschaltet werden. An der Lichtempfangsseite kann ein Farbfilter vorgesehen sein. Außerdem kann das Beleuchtungslicht mit einer gegebenen Frequenz moduliert werden, so daß die entsprechende Frequenzkomponente an der Empfangsseite wahlweise verstärkt werden kann.

Als weitere Alternative kann statt der Verwendung eines einzigen Lichtstrahls mit kleinem Durchmesser als Beleuchtungslicht auch ein Lichtstrahl verwendet werden, der eine bestimmte Abmessung in Richtung rechtwinklig zur Grundlinie bzw. rechtwinklig zur Ebene der F i g. 1 hat. In diesem Fall kann die aus der Reflexion des Aufnahmeobjekts 7 resultierende Lichtenergie, die auf die Empfangsanordnung auffällt, erhöht werden, was die Verbesserung des Rauschabstandes noch mehr fördert.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entfernungsmeßvorrichtung, bei der ein Lichtstrahl auf ein Objekt gerichtet und der reflektierte Strahl in einem Strahlteiler empfangen wird, mit zumindest zwei Lichtdetektoren, welche jeweils einer Teilstrahl derart nachweisen, daß bei einer entfernungsabhängigen Änderung des Einfallswinkels des reflektierten Strahles sich die von den Lichtdetektoren angezeigten Intensitäten ändern, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (2) einen der Teilstrahlen zur Lichtmodulation einem Prisma (9,12) zuführt, dessen Reflexionsfläche (11) zum einfallenden Teilstrahl etwa im kritischen Winkel steht.

2. Entfernungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (6) vorgesehen ist, der die Entfernung zum Objekt als Funktion des Einfallswinkels des reflektierten Strahles in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der beiden Lichtdetektoren (3,5) errechnet.

3. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als auf das Objekt gerichteter Lichtstrahl ein enges Strahlenbündel, z. B. eines Halbleiterlasers, vorgesehen ist.

4. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler (2) ein halbdurchlässiger Spiegel vorgesehen ist.

5. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler (2) ein Polarisationsprisma vorgesehen ist und daß die S-Polarisationskomponente den ersten Teilstrahl und die P-Polarisationskomponente den zweiten Teilstrahl bildet.

6. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtdetektoren (3, 5) photoelektrische Wandler mit nachgeschalteten Verstärkern vorgese- 40 1) hen sind.

7. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Lichtmodulation dienenden Prisma 2) (9, 12) ein Dreieck-Prisma (8) vorgeschaltet ist, wobei die aneinanderliegenden Flächen der Prismen (8; 9,12) den Strahlteiler(2) bilden.

8. Entfernungsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma, dessen Reflexionsfläche (11) zum einfallenden Teilstrahl im kritischen Winkel steht, als Dreieck-Prisma ausgebildet ist und daß der zweite Teilstrahl, welcher der Modulation unterworfen ist, aus diesem Prisma in einer Richtung austritt, die entgegengesetzt der 3) Austrittsrichtung des ersten Teilstrahles ist.

9. Entfernungsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Reflexionsfläche aufweisende Prisma (12) etwa rhombusförmig 4) ausgebildet ist und daß der modulierte zweite Teilstrahl aus diesem Prisma parallel zum ersten Teilstrahl austritt.

10. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- 5) net, daß der Rechner (6) das Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der Lichtdetektoren (3,5) ermittelt unddarausdiezu messende Enfernung errechnet.

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmeßvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bei einer solchen Entfernungsmeßvoriichtung, wie sie aus der DE-OS 19 34 186 bekannt ist, wird ein Lichtstrahl auf das entfernt angeordnete Objekt gerichtet und der reflektierte Strahl in der Meßvorrichtung empfangen. Ändert sich der Abstand des Objektes zur Entfernungsmeßvorrichtung, so wird sich auch der Einfallswinkel des empfangenen Lichtstrahles relativ zum ausgesandten Lichtstrahl ändern. Diese Änderung des Einfallswinkels des reflektierten Strahles ist eine Funktion des Abstandes des Objektes, so daß sich daraus die Entfernung ermitteln läßt.

Auch bei den aus der US-PS 40 37 958 und der DD-PS 19 703 bekannten Entfernungsmeßvorrichtungen wird ein reflektierter Lichtstrahl zur Entfernungsbestimmung eingesetzt

Bei einer Entfernungsmeßvorrichtung der eingangs genannten Art ist die Änderung des Einfallswinkels des reflektierten Strahles in Abhängigkeit von der Entfernung des Objektes nur sehr gering, so daß eine sehr empfindliche Winkelmessung erfolgen muß.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Entfernungsmeßvorrichtung zu schaffen, welche mit geringem Aufwand eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht.

Eine tiiese Aufgabe lösende Vorrichtung ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der reflektierte Teilstrahl in der Nähe des kritischen Winkels auf die Reflexionsfläche des Prismas fällt, erfolgt schon bei einer geringen Winkeländerung eine deutliche Lichtmodulation des Strahles, die im Lichtdetektor eine starke Signaländerung verursacht.

Die erfindunsgemäße Entfernungsmeßvorrichtung hat folgende Vorteile: