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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Messen
des Abstands eines Objekts und außerdem ein Verfahren zum Messen des
Abstands eines Objekts von einer optischen Meßvorrichtung.
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In
vielen technischen Gebieten ist das Messen des Abstands eines Objekts
von einer Meßvorrichtung
von großem
Nutzen, wenn nicht in einigen Fällen
sogar elementar.
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Man
denke beispielsweise an alle Bearbeitungsverfahren, bei denen es
notwendig ist, den Abstand zu der zu bearbeitenden Oberfläche von
der Maschine zur korrekten Positionierung der Werkzeuge und/oder
für den
exakten zeitlichen Ablauf in der Maschine zu kennen, oder in all
den Fällen,
bei denen das Wissen über
den Abstand ein Einstellen von Instrumenten ermöglicht, um die Verfahren zu
optimieren (z. B. in dem Bereich der Optik und der Photographie,
bei dem der Abstandsparameter eng mit Fokussierungsproblemen verknüpft ist).
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Optische
Vorrichtungen, die in der Lage sind, den Abstand zu einem Objekt
zu messen, sind bekannt. Zum Beispiel wird in der US-A-5,483,051
ein Strichcodeleser beschrieben, der mit verschiedenen Lasern ausgestattet
ist, von denen jeder zum Fokussieren auf einem Objekt geeignet ist,
das sich in einem bestimmten Abstand von der Meßvorrichtung innerhalb eines
Lesebereichs befindet.
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Diese
Vorrichtungen wirken mit geeigneten Systemen zusammen (oft komplex
und kostenintensiv), um Lichtsignale oder geeignete Signale, die
von den Lichtsignalen erzeugt werden, zu bearbeiten und zu steuern,
und sind in der Lage, für
ihre korrekte Fokussierung abhängig
von der Position des Objekts in einer solchen Weise zu sorgen, um
im Ergebnis Informationen zu erzeugen, die eng mit dem Abstand des Objekts
von der optischen Meßvorrichtung
korreliert sind.
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JP 06 042964 offenbart
eine Vorrichtung zum Messen eines Abstands eines Objekts, bei der
das reflektierte Licht auf der Oberfläche des Objekts auf einen Positionssensor
durch ein optisches Photodetektionssystem auftrifft und das Ausgabesignal
des Positionssensors durch Verstärkungsschaltungen verstärkt und
in eine Bewertungseinheit eingegeben wird, die das Niveau des Ausgabesignals
einer Lichtquelle und den Verstärkungsgrad
der Verstärkungs- schaltkreise regelt,
so daß das
Niveau des Eingabesignals nahezu in einem vorbestimmten Bereich
gehalten werden kann, wodurch der Abstand exakt gemessen wird.
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JP 05 322559 offenbart
eine Vorrichtung zum Messen des Abstands eines Objekts, bei der
das reflektierte Licht auf der Oberfläche des Objekts auf einen Positionssensor
durch ein lichtaufnehmendes optisches System auftrifft und das Ausgangssignal des
Positionssensors in eine Signalbearbeitungseinheit ausgegeben wird,
die dazu dient, ein Lichtmengenabweichungssignal zu erzeugen, wenn
die Summe von beiden Ausgabensignalen des Positionssensors unterhalb
einer ersten Schwelle oder oberhalb einer zweiten Schwelle liegt.
Wenn das Lichtmengenabweichungssignal erzeugt ist, kann beurteilt
werden, ob das Meßergebnis
fehlerhaft ist.
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DE 37 09 614 offenbart ein
Verfahren zum Messen der Position eines Lichtspots auf einer photosensitiven
Oberfläche
eines Detektors durch Berechnen des Quotientens aus der Summe und
der Differenz zweier Ströme
unter Verwendung einer Lichtquellenregelung. Der Ströme werden
von zwei entgegengesetzten Elektroden auf der Detektoroberfläche abgenommen.
Die Summe der Ströme
wird durch Regulieren der Lichtintensität konstant gehalten. Eine Gegenelektrode
ist mit einer Reglerausgabe verbunden, mit der eine elektrische
Lichtquelle gesteuert wird, so daß der Summationsstrom, der
durch die Gegenelektrode fließt,
unabhängig
von der Position des beweglichen Lichtspots konstant ist.
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Das
technische Problem, das der vorliegenden Erfindung unterliegt ist
die Konzeption einer Vorrichtung, welche eine Alternative zu denen
aus dem Stand der Technik ist und die in der Lage ist, mit einem
hohen Grad von Genauigkeit und einer vergleichsweise einfachen Konstruktion,
den Abstand eines Objekts von dieser Vorrichtung zu messen.
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In
einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen
des Abstands eines Objekts von einer optischen Vorrichtung gemäß der Definition
nach Anspruch 1.
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Das
Messen des Abstands eines Objekts von einer Meßvorrichtung wird dann gemäß einem Verfahren
ausgeführt,
das vergleichsweise einfach und genau ist, und dieses sind Eigenschaften,
die Instrumente und Vorrichtungen aufweisen, die auf dem optischen
Sektor und dem Automatisierungssektor gut bekannt sind.
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Vorzugsweise
umfaßt
der Schritt d) den Schritt zum Vergleichen der Summe der elektrischen Signale
mit dem maximalen und dem minimalen Wert des aktuellen Wertebereichs
und, falls festgestellt wird, daß die Summe über dem
maximalen oder unter dem minimalen Wert des aktuellen Wertebereichs liegt,
werden folgende Schritte ausgeführt:
- • Berechnen
eines neuen Emissionswertes, der eine Funktion des arithmetischen
Mittels aus der Summe und des minimalen (oder maximalen) Werts des
aktuellen Wertebereichs ist,
- • Erzeugen
eines neuen elektrischen Signals auf der Basis des neu berechneten
Emissionswertes, wobei das Signal die Emission der Lichtquelle nachstellt,
um ein Lichtsignal mit einer anderen Stärke und von da an elektrische
Signale mit einer anderen Stärke
zu den vorhergehenden zu erzeugen, und
- • Wiederholen
des Vergleichs der Summe der neuen elektrischen Signale mit dem
maximalen und dem minimalen Wert des Bereichs bis ein korrekter
Emissionswert gefunden ist, bei dem die Summe der erzeugten elektrischen
Signale innerhalb des aktuellen Wertebereichs fällt, und, in diesem Fall, Berechnen
des gemessenen Abstands.
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Die
Verwendung eines digitalen Verarbeitungsblocks macht es möglich, einen
binären
Algorithmus zum Aufsuchen eines S/N-Verhältnisses innerhalb des aktuellen
Wertebereichs zu erzeugen. Diese Art des Aufsuchens stellt ein Minimum
an Zeit zum Erreichen des gesuchten Wertes sicher.
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Vorzugsweise
umfaßt
das Verfahren der Erfindung den Schritt zum Definieren eines Bereichs von
M Emissionswerten, und jedes Mal, wenn festgestellt wird, daß die Summe
der elektrischen Signale oberhalb (oder unterhalb) des maximalen
(oder des minimalen) Werts des aktuellen Wertebereichs liegt, wird
der neue Emissionswert in einem Wertebereich berechnet, der eine
Hälfte
des zuvor definierten Wertebereichs ist.
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In
einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine optische
Vorrichtung zum Messen des Abstands von einem Objekt gemäß der Definition
nach Anspruch 4.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ermöglicht
die Messung des Abstands eines Objekts durch Implementieren eines
Detektionssystems, das in der Lage ist, die Lichtsignale in äquivalente
elektrische Signale zu konvertieren, und durch ein optische Triangulationssystem,
das in der Lage ist, eindeutig den Abstandsparameter mit dem Winkel
eines Deviationsparameters zwischen dem gestreuten Lichtstrahl,
der von der zweiten Linse erfaßt
wird, und dem Lichtstrahl, der auf das Objekt gerichtet ist, zu
verknüpfen. Da
die erzeugten elektrischen Signale eine Funktion des Einfallorts
des gestreuten Lichtstrahls, der von dem beleuchteten Objekt kommt,
ist und die Position eine Funktion des Deviationswinkels und daher
des Abstands des Objekts ist, ist es möglich, am Ausgang den exakten
numerischen Wert des Abstands aufzufinden, der mittels einfacher
mathematischer Bearbeitung der elektrischen Signale, die von der
Detektionseinrichtung erzeugt werden, gemessen wird.
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Vorzugsweise
sind die erste Sammellinse und die zweite Sammellinse Seite an Seite
entsprechend einer Lage, die im wesentlichen parallel zu der Trägerebene
des Objekts liegt, angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, durch
die zweite Sammellinse den größeren Teil
des Lichtstrahls aufzunehmen, der durch die erste Sammellinse emittiert
und durch das beleuchtete Objekt gestreut wird, um einen Leistungsverlust
zu vermeiden.
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Vorzugsweise
ist die Lichtquelle in einer Position angeordnet, so daß ein Lichtstrahl
erzeugt wird, dessen Achse senkrecht zu der Lage der ersten Sammellinse
liegt. Auf diese Weise ist es möglich, durch
die erste Sammellinse im wesentlichen den gesamten Lichtstrahl,
der von der Lichtquelle emittiert wird, aufzunehmen, um einen Leistungsverlust
zu vermeiden.
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Vorzugsweise
sind die von der Detektionseinrichtung erzeugten elektrischen Signale
zwei elektrische Ströme.
Dies ermöglicht
das Anwenden der folgenden Schritte zum Verarbeiten der elektrischen
Signale unter Verwendung verhältnismäßig einfacher
und gut bekannter Instrumente und Systeme.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Einrichtung zum Nachstellen eine Verarbeitungsschaltung zum
Nachstellen der von der Lichtquelle emittierten Lichtmenge in Abhängigkeit
von der auf die Detektionseinrichtung auftreffende Lichtmenge.
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Die
elektrischen Signale, die von der Detektionseinrichtung erzeugt
werden und nachfolgend durch die Verarbeitungseinrichtung verarbeitet
werden, enthalten eine auf einer signifikanten Signalkomponente überlagerte
Rauschkomponente, die ausschließlich
mit der Art der Verarbeitung und der physikalischen Eigenschaften
des beleuchteten photosensitiven Elements verknüpft ist. Die Genauigkeit des
Meßsystems
hängt dann
ausschließlich
von dem S/N-Verhältnis (signifikantes
Signal/Rausch-Verhältnis)
ab und damit von der auf die Verarbeitungseinrichtung zurückkehrende
optische Signalstärke,
die eine Funktion des Abstands und der Reflektivität des beleuchteten
photosensitiven Objekts ist. Das entwickelte Regulierungssystem
für die
Emission ermöglicht
ein Nachstellen des Emissionswertes und eine Optimierung des S/N-Verhältnisses,
während
es in einem aktuellen Wertebereich gehalten wird. Auf diese Weise
wird ein bestimmter minimaler S/N-Wert sichergestellt, aber die
Möglichkeit
eines übermäßig starken
empfangenen Signals (welches durch ein Anwachsen der Reflektivität des beleuchteten
Objekts zum Beispiel im Fall eines weißen Körpers, der in einem mini malen
Abstand angeordnet ist, hervorgerufen wird), was zu einer Sättigung
des Systems führen
würde,
wird ebenfalls vermieden.
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Vorzugsweise
ist die Verarbeitungsschaltung, die in der Lage ist, die Lichtemission
auf der Basis der einfallenden Lichtmenge nachzuregeln, nur aktiv,
wenn die Summe der erzeugten elektrischen Signale nicht in den aktuellen
Wertebereich fällt.
Auf diese Weise involviert die Steuerung des S/N-Verhältnisses
lediglich eine Addition der erzeugten elektrischen Signale, so daß ein Steuersignal
vorliegt, das proportional zu der Reflektivität des beleuchteten Objekts
ist.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Verarbeitungsschaltung einen analogen Verarbeitungs- und Antriebsblock,
der wenigstens zwei Komparatoren, einen Zähler, einen ersten Transistor
und mehrere elektrische Widerstände
umfaßt,
die parallel angeordnet sind.
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Alternativ
umfaßt
die Verarbeitungsschaltung einen digitalen Verarbeitungs- und Antriebsblock,
der einen Analog/Digital-Wandler, einen Pulsbreitenmodulator (PWM),
einen Tiefpaßfilter,
einen Schalter und einen zweiten Transistor umfaßt, die alle in Kaskade zusammengeschaltet
sind.
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Dadurch
ist es möglich,
eine analoge oder digitale Lösung
für das
Problem der Steuerung der von der Lichtquelle emittierten Signalstärke durch
Erstellen von Schaltungen mit gut bekannten elektrischen Komponenten
zur Verfügung
zu stellen.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Detektionseinrichtung einen ortsempfindlichen Detektor (PSD).
Diese Komponente besitzt die Besonderheit, an ihren Enden zwei Ströme unterschiedlicher
Intensität
abhängig
von der Position, mit der sie von einem Lichtstrahl getroffen wird,
zu emittieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform,
die davon mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
deutlich. In den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
Diagramm einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
Blockdiagramm der Verarbeitungsschaltung der Vorrichtung der 1,
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3 schematisch
den Betrieb des Verarbeitungs- und Antriebsblocks (analog oder digital), der
mit der Verarbeitungsschaltung der 2 zusammenwirkt,
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4 schematisch
die elektrische Schaltung des analogen Verarbeitungsblocks der 3,
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5 schematisch
die elektrische Emissionssteuerschaltung, die in Kaskade mit dem
analogen Verarbeitungs- und Antriebsblock geschaltet ist,
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6 schematisch
die elektrische Emissionssteuerschaltung, die in Kaskade mit dem
digitalen Verarbeitungs- und Antriebsblock geschaltet ist, und
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7 schematisch
die Schritte, die von dem binären
Suchalgorithmus in dem digitalen Verarbeitungs- und Antriebsblock
der 3 ausgeführt
werden.
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In
diesen Figuren zeigt das Bezugszeichen 1 schematisch eine
optische Vorrichtung zum Messen des Abstands eines Objekts 2.
Die Vorrichtung 1 zeigt in einem Gehäuse 3 eine Lichtquelle 4.
In einer Seitenfläche
des Gehäuses 3 sind
eine erste Sammellinse 5 und eine zweite Sammellinse 6 in
einer im wesentlichen koplanaren Lage aufgenommen. Die Lichtquelle 4 ist
in einer solchen Weise angeordnet, um einen Lichtstrahl zu erzeugen,
dessen Achse senkrecht zu der optischen Ebene der Linse 5 liegt.
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Die
erste Linse 5 und die zweite Linse 6 sind Seite
an Seite in einer solchen Weise angeordnet, daß die Linse 6 den
Lichtstrahl aufnimmt, der von dem Objekt 2 in einer Richtung
gestreut wird, die gegenüber
dem Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 4 emittiert wird
und von der ersten Linse 5 auf das Objekt 2 gerichtet
wird, im Winkel abweicht.
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In
dem Gehäuse 3 sind
Detektionseinrichtungen 7 vorgesehen, die über der
zweiten Linse 6 in einer solchen Weise angeordnet sind,
daß sie
in der Lage sind, an einem bestimmten Punkt, der variabel von dem
gemessenen Abstand abhängt,
den gestreuten Lichtstrahl aufzunehmen, der in das Gehäuse 3 durch
die zweite Linse 6 eindringt. Die Detektionseinrichtungen 7 sind
elektrisch mit einer Verarbeitungseinrichtung 8 verbunden
und konvertieren das empfangene Lichtsignal in zwei elektrische
Signale, insbesondere in elektrische Ströme von unterschiedlicher Stärke in Abhängigkeit
von der Position des Einfallpunkts des gestreuten Lichtstrahls,
der von dem Objekt kommt. In einer bevorzugten Konfiguration bestehen
die Detektionseinrichtung aus einem ortssensitiven Detektor (PSD).
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Die
Verarbeitungseinrichtung 8 umfaßt eine erste Verstärkerschaltung 9 für die zwei
elektrischen Signale, die von der Detektionseinrichtung 7 erzeugt werden,
eine nachfolgende Verar beitungsschaltung 10 der verstärkten elektrischen
Signale und einen Verarbeitungs- und Antriebsblock 11,
der auf die Lichtquelle in einer solchen Weise einwirkt, um deren Emission
nachzustellen.
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Der
Verarbeitungs- und Antriebsblock 11 kann alternativ analog
oder digital sein. Wenn man von der Verwendung eines analogen Verarbeitungs- und
Antriebsblocks 11 ausgeht, umfaßt er in Kaskade zwei Komparatoren 13,
einen Zähler
mit einem Thermometer 14 mit A1-AM Ausgängen, einen ersten Transistor 15 und
mehrere elektrische Widerstände 16,
die parallel (5) und in Serie mit Schaltern M1-MM
angeordnet sind, die von den Ausgängen A1-AM des Zählers mit
Thermometer 14 gesteuert werden. Wenn man von der Verwendung
eines digitalen Verarbeitungs- und Antriebsblocks 11 ausgeht, umfaßt er in
Kaskade einen Analog/Digital-Wandler 17, einen Pulsbreitenmodulator
(PWM) 18, einen Tiefpaßfilter 19,
einen Schalter 20 und einen zweiten Transistor 21 (6).
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Die
optische Vorrichtung 1 wird in der nachfolgend beschriebenen
Weise betrieben.
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Das
Objekt 2, dessen Abstand zu messen beabsichtigt ist, befindet
sich vor der Vorrichtung 1 vor der ersten Sammellinse 5.
Der von der Lichtquelle 4 emittierte Lichtstrahl wird durch
die erste Linse 5 auf das Objekt 2 gerichtet und
ein Teil des Lichtstrahls, der von dem Objekt 2 gestreut
wird, wird durch die zweite Sammellinse 6 an einem bestimmten
Punkt der Detektionseinrichtung 7 in einer Richtung aufgenommen,
die gegenüber
der Beleuchtungsrichtung der Lichtquelle 4 im Winkel abweicht. Wenn
sich der Abstand des Objekt zu der Vorrichtung verändert, ändert sich
der Deviationswinkel des gestreuten Lichtstrahls gegenüber dem
emittierten Lichtstrahl, und demzufolge ändert sich die Position des
Einfallpunkts des gestreuten Lichtstrahls auf der Detektionseinrichtung 7.
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Die
Detektionseinrichtung 7 konvertiert das empfangene Lichtsignal
in zwei elektrische Ströme verschiedener
Stärke
abhängig
von der Position des Einfallspunkts des gestreuten Lichtstrahls,
der von dem Objekt 2 kommt. Diese Ströme werden in einer Verstärkerschaltung 9 verstärkt und
zu einer Verarbeitungsschaltung 10 geschickt, welche die
Summe der empfangenen elektrischen Ströme und eine Division einer
der beiden Ströme
durch die Summe bildet, um einen numerischen Wert zu berechnen,
der die erzeugten elektrischen Signale darstellt und damit den Abstand
des Objekts 2.
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Die
berechnete Summe, die bei gleichem von der Quelle 4 emittierten
Licht proportional zu der Reflektivität des Objekts 2 ist,
wird zu dem Verarbeitungs- und Antriebsblock 11 gesendet,
der sie mit den Endwerten des aktuellen Bereichs vergleicht.
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Wenn
die berechnete Summe innerhalb des Bereichs liegt, wird der Verarbeitungs-
und Antriebsblock 11, der auf die Lichtquelle zum Nachstellen
der Intensität
des emittierten Lichts einwirkt, nicht aktiviert und die Verarbeitungsschaltung 10 berechnet den
Abstand.
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Wenn
jedoch die berechnete Summe oberhalb oder unterhalb des Bereichs
liegt, berechnet die Verarbeitungsschaltung 10 den Abstand
nicht, sondern berechnet einen neuen Emissionswert, der eine Funktion
des arithmetischen Mittels der berechneten Summe und des minimalen
bzw. maximalen Werts des aktuellen Bereichs ist (7 falls
ein digitaler Verarbeitungsblock vorgesehen ist).
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Auf
der Basis des neu berechneten Wertes wird der durch die Lichtquelle 4 fließende Strom durch
die elektrischen Schaltungen der Verarbeitungs- und Antriebsblöcke der 3, 4, 5 und 6 in
einer solchen Weise geändert,
daß ein Lichtsignal
einer anderen Stärke
und damit elektrische Signale in der Detektoreinrichtung 7 einer
anderen Stärke
als der vorhergehenden erzeugt wird.
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Die
obige Abfolge von Abläufen
wird wiederholt bis der Wert, der durch Summation der elektrischen
Signale aufgefunden wird, die in der Detektionseinrichtung 7 erzeugt
werden, in den vorliegenden Wertebereich fällt. Nur in diesem Zustand
berechnet die Verarbeitungsschaltung 10 den gemessenen
Abstand.
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Wenn
insbesondere ein digitaler Verarbeitungsblock vorgesehen ist, wird
die Steuerung des in der Lichtquelle 4 fließenden Stroms
durch Steuern des Arbeitszykluses der Signalausgabe von dem PWM 18 ausgeführt.
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Unter
der Annahme einer Suche nach dem korrekten Emissionswert in M möglichen
Werten des Arbeitszyklusses für
das Ausgangssignal von dem PWM 18 und damit in M verschiedenen
Werten des Emissionssignals mit dem oben erwähnten binären Suchalgorithmus (7)
wird eine Zugriffszeit auf dem korrekten Wert proportional zu log2M sein, welche geringer ist, als es mit
einer sequentiellen Suche der Fall wäre, bei der die Zugriffszeit
proportional zu M ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß die
oben erwähnte
Vorrichtung und das Meßverfahren über das Problem
des Fokussierens auf das Objekt mit den Veränderungen in seinem Abstand
zu der Meßvorrichtung
dank der Verwendung eines PSD als das Detektionssystem hinausgeht.
Die Notwendigkeit zum Fokussieren auf das Objekt wird in diesem
Fall durch das Erfordernis eines klaren und auf dem PSD fokussierten
Signals ersetzt. Trotzdem wird das Vorliegen eines Signals außerhalb
des Fokus, welches durch eine Änderung
in dem Abstand des Objekts zu der Meßvorrichtung hervorgerufen
wird, auf dem PSD ein Paar von elektrischen Signalen erzeugen, die
diesmal als Signale zu verstehen sind, die aus einer Summe von verschiedenen
Signalen folgen, die von verschiedenen infinitesimalen Teilen des
beleuchteten PSD erzeugt werden.