DE2549704C2 - Schaltungsanordnung in einem automatischen Fokussiersystem für optische Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung in einem automatischen Fokussiersystem für optische Geräte, insbesondere Kameras, bei welcher durch optische Hilfssysteme erzeugte licht-elektrische Signale miteinander verglichen und die Vergleichssignale einer summierenden Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden, die ihrerseits bis zum Vorliegen eines Minimumsignals verschiebend auf ein optisches Hauptsystem und eines der Hilfssysteme einwirkt.

In der DE-OS 24 32 067 ist ein automatisches Fokussiersystem für optische Geräte vorgeschlagen worden, bei dem ein Bild des aufzunehmenden Objektes außer auf einem Film zusätzlich mittels zweier Hilfslinsen auf zwei diesen zugeordneten lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen abgebildet wird. Die lichiempflichen Empfangseinrichtungen weisen jeweils eine Anzahl lichtempfindlicher Elemente auf, die in Abhängigkeit von ihrer Beleuchtung elektrische Signale abgeben, von denen durch Zusammenschalten zweier einander zugeordneter lichtempfindlicher Elemente jeweils das Differenzsigna' gebildet wird. Die Differenzsignale werden einer Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt, deren Ausgangssignal über eine nachgeschaltete Steuereinrichtung so lange auf die Linsen des optischen Hauptsystems und des einen Hilfssystems verschiebend einwirkt, bis das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinrichtung einen Minimalwert aufweist.

Die gemäß diesem älteren Vorschlag erhaltenen Differenzsignale sind in ihrer Größe bei ungleichen Lichtverteilungsmustern auf den beiden lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen von der Helligkeit des aufzunehmenden Objektes abhängig. Entsprechend unterliegt das Minimumsignal am Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung Schwankungen in Abhängigkeit von der Helligkeit des aufzunehmenden Objektes.

Dieser Sachverhalt bereitet insofern Schwierigkeiten als die nachgeschaltete Steuereinrichtung sodann nicht weiß, bei welchem Minimumpegel des Ausgangssignals der Signalverarbeitungseinrichtung die Bewegung der Objekiivlinse und der Hilfslinse angehalten werden

JO muli

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das automatische Fokussiersystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß das am Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung anstehende Signal von

der Helligkeit des aufzunehmenden Objektes unbeeinflußt bleibt. Das auf Grund gleicher Lichtverteilungsmuster auf den beiden lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen erzeugte und der Fokussierung entsprechende Minimumsignal soll erfindungsgemäß in seinem

Pegel nicht variieren. Die Lösung dieser Aufgabe

gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten

Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein automatisches Fokussiersystem gemäß der Erfindung und
Fig.2 ein den Grad der Fokussierung am Ausgang

so der Signalverarbeitungseinrichtung darstellendes Diagramm.

Gemäß Fig. 1 weist das erfindungsgemäße Fokussiersystem eine erste und eine zweite lichtempfindliche Empfangseinrichtung 1 und 3 auf. Jede der lichtempfind-

liehen Empfangseinrichtungen besteht aus einer linearen Anordnung einer Vielzahl einzelner lichtempfindlicher Elemente. In dem vorliegenden Beispiel weist die erste und die zweite lichtempfindliche Empfangseinrichtung 1 und 3 jeweils vier lichtempfindliche Elemente 5,

7, 9 und 11 bzw. 13, 15, 17 und 19 auf. Die lichtempfindlichen Elemente sind vorzugsweise als Fotodioden ausgebildet, die als Stromgeneratoren wirken. Die Elemente der ersten Empfangseinrichtung 1 weisen einen gemeinsamen Anschluß 21 auf, der an ein Bezugspotential -I- V angeschlossen ist. Ein gemeinsamer Anschluß 23 der Empfangseinrichtung 3 ist mit dem Anschluß 21 der ersten Empfangseinrichtung 1 elektrisch verbunden. Jede Fotodiode ist gegenüber den

anderen Fotodioden durch ein Isolationsmaterial 25 elektrisch isoliert. Es liegt auf der Hand, daß die Zahl 4 für die Anzahl der lichtempfindlichen Elemente lediglich als Beispiel aufzufassen ist und auch jede andere Anzahl von lichtempfindlichen Elementen Verwendung finden kann. Je größer die Anzahl der verwendeten Elemente ist um so größer ist die Auflösung und Zuverlässigkeit des Systems. Eine erste Linse 27 und e>ne zweite Linse 29 repräsentieren ein erstes und ein zweites optisches Hilfssystem und stellen die Mittel zur Aufnahme eines ersten und zweiten Bildes eines relativ entfernten Objektes dar. Die beiden Empfangseinrichtung 1 und 3 sind in Bezug aufeinander in der gleichen Ebene angeordnet. Obwohl in der schematischen Darstellung gemäß F i g. 1 die Frontansichten der lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen 1 und 3 dargestellt sind, ist es selbstverständlich, daß diese Frontansichten, welche die lichtempfindlichen Elemente der ersten und zweiten Empfangseinrichtung 1 und 3 aufweisen, in der tatsächlichen Konstruktion in Richtung auf d^;e erste und zweite Linse 27 und 29 angeordnet sind, um die durch diese hindurchtretenden Lichtstrahlen zu empfangen. Ein erstes Bild wird demgemäß auf die Frontfläche der ersten Empfangseinrichtung 1 von den durch die erste Linse 27 hindurchtretenden Lichtstrahlen geworfen. Ein zweites Bild wird auf die Frontseite der Empfangseinrichtung 3 durch die durch die zweite Linse 29 hindurchtretenden Lichtstrahlen geworfen. Es ist nicht wesentlich, daß das erste und zweite Bild präzise fokussiert in der Ebene der Empfangseinrichtung erscheint. Es ist lediglich erforderlich, daß die Lichtverteilung der beiden Bilder im Hinblick auf uie zugeordneten Lichtempfangseinrichtungen aneinander angepaßt werden kann. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß die Ebene der Empfangseinrichtungen nicht mit der Brennebene zusammenfallen muß, sondern erheblich von dieser abweichen kann. Es genügt, wenn das Lichtmuster, welches in der Ebene der Empfangseinrichtung abgebildet wird, eine unterscheidbare Strahlenverteilung aufweist.

Wie der F i g. 1 zu entnehmen ist, sind beide Linsen 27 und 29 so angeordnet, daß sie gleiche Büdausschnitte des entfernt angeordneten Objektes abbilden. Es sei hier vermerkt, daß beide optische Hilfssysteme so angeordnet sind, daß sie einen relativ kleinen Blickwinkel bilden. Dieser Blickwinkel bewegt sich beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 Winkelgraden. Das durch die erste Linse 27 projizierte Bild wird im Hinblick auf die Empfangseinrichtung 1 zentriert. Die erste Linse 27 und die Empfangseinrichtung 1 sind lagemäßig fixiert und einem Referenzpunkt in einem nicht dargestellten zugehörigen Bildsucher zugeordnet. Das projizierte Bild erzeugt in jedem der lichtempfindlichen Elemente der ersten Empfangseinrichtung 1 ein Signal. Jedes Signal besitzt eine Amplitude, deren Größe eine Funktion des Lichtpegels desjenigen Bildteiles ist, welches auf die zugeordneten Elemente projiziert wird. Wenn die zweite Linse 29 in einer Richtung parallel zu der linearen Anordnung der lichtempfindlichen Elemente der zweiten Empfangseinrichtung 3 bewogt wird, so verschiebt sich das Lichtverteilungsmuster, welches auf die zweite Empfangseinrichtung 3 fällt. Jedem lichtempfindlichen Element 5, 7, 9 und 11 der ersten Empfangseinrichtung 1 entspricht ein lichtempfindliches Element 13, 15, 17 und 19 in der zweiten Empfangscinrichtung 3.

Das erste lichtempfindliche Element 5 der ersten Empfangseinrichtung 1 ist übireine elektrische Leitung 165 an den einen Eingang eines Differenzverstarkers 167 angeschlossen. Gleichzeitig ist dieses lichtempfindliche Elemente über eine Diode 197 an Masse gelegt. In gleicher Weise ist das erste lichtempfindliche Element 13 der zweiten Empfangseinrichtung 3 über eine Leitung 169 an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers 167 angeschlossen. Das lichtempfindliche Element 13 der zweiten Empfangseinrichtung 3 ist weiterhin über eine Diode 199 an Masse gelegt. Auf diese Weise werden die von den lichtempfindlichen Elementen 5 und 13 abgegebenen elektrischen Signale mittels der Dioden 197 und 199 logarithmiert, und es wird mittels des Differenzverstärkers 167 die Differenz dieser logarithmischen Signale gebildet, so daß am Ausgang des Differenzverstärkers 167 auf der Leitung 171 das Signal A gemäß der Beziehung

In S₅- In 5,3 = ln-f^-

erscheint.

Das Signal A ist demnach nur von der unterschiedlichen Verteilung des Lichtmusters auf den beiden Empfangseinrichtungen 1 und 3 abhängig und nicht von den Schwankungen der Helligkeit des aufzunehmenden Objektes.

In gleicher Weise werden die Signale der lichtempfindlichen Elemente 7, 9 und 11 mit den zugeordneten Signalen der lichtempfindlichen Elemente 15,17 und 19 rrittels Differenzverstärker 177,185 und 193 verglichen. Hierbei werden die auf den Leitungen 173,175,181,183, 189 und 191 anstehenden licht-elektrischen Signale mittels Dioden 201, 203, 205, 207, 209 und 211 logarithmiert. Die auf den Ausgangsleitungen 179, 187 und 195 erscheinenden Signale ß, C und D repräsentieren somit wiederum den Logarithmus des Verhältnisses der miteinander verglichenen licht-elektrischen Signale.

Die Signale A, B, C und D werden einer Signalverarbeitungseinrichtung 39 zugeführt, welche so ausgebildet sein kann, wie dies in den F i g. 5, 6, 7 und 8 der älteren DE-OS 24 32 067 dargestellt ist. Das am Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 39 erscheinende Fokussiersignal F weist normalerweise den Verlauf gemäß dem Kurvenzug 157 in Fig. 2 auf. Um die in diesem Kurvenzug auftretenden Nebenminima, welche irrtümlicherweise eine Fokussierung vortäuschen können, auszuschalten, ist eine Diode 159 an eine Spannung — Vc gelegt. Die Spannung — Vc ist so gewählt, daß sie zwischen dem niedrigsten Nebenminimum und dem Hauptminimum des Fokussiersignals F liegt. Durch diese Maßnahme erhält das Fokussiersignal F den durch den Kurvenzug 163 gemäß Fig. 2 repräsentierten Verlauf. Das durch den Kurvenzug 163 charakterisierte Fokussiersignal F am Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 39 wird einer Steuervorrichtung 41 zugeführt. Die Steuervorrichtung 41 ist vorgesehen, um die zuvor erwähnte Bewegung der zweiten Linse 29 und ebenfalls die Fokussierbewegung der Objektivlinse 43 zu steuern. Die Objektivlinse 43 hat die Aufgabe, das Bild eines aufzunehmenden Objektes auf einem lichtempfindlichen Film 45 zu fokussieren. Um das auf dem lichtempfindlichen Film 45 entworfene Bild von den ersten und zweiten Bildern auf der ersten und zweiten Empfangseinrichtung 1 und 3 zu unterscheiden, sei dieses auf dem lichtempfindlichen Film 45 entworfene Bild nachfolgend als Hauptbild bezeichnet, während die ersten und zweiten Bilder auf der ersten und zweiten Empfangseinrichtung 1 und 3 nachstehend

als erste und zweite Hilfsbilder bezeichnet werden. Die Steuervorrichtung 41 weist einen wahlweise betätigbaren Schalter 47 auf. Der Schalter 47 dient dazu, die Fokussierung gemäß der vorliegenden Erfindung in Gang zu setzen. Der Schalter 47 ist antriebsmäßig mit einem weiteren Schalter 49 verbunden, welcher als Kontakt zwischen ein« Batterie 51 und eine Lichtquelle 53 geschaltet ist. Eine Linse 55 wirft das von der Lichtquelle 53 ausgehende Licht auf das abzubildende Objekt. Auf diese Weise kann das Fokussiersystem gemäß der vorliegenden Erfindung auch in einer Umgebung mit ungenügender Außenbeleuchtung wirksam werden, indem das erwähnte lichterzeugende Netzwerk mit dem Fokussiersystem gemäß der Erfindung gekoppelt wird.

Aus dem Aufbau des vorstehend beschriebenen Systems ergibt sich folgende Wirkungsweise:

Solange die beiden Lichtverteilungsmuster auf den beiden lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen 1 und 3 verschieden sind, ergeben sich hinsichtlich der miteinander verglichenen lichtempfindlichen Elemente unterschiedlich große elektrische Signale. Diese Signale werden über die Dioden logarithmiert und voneinander subtrahiert, so daß sich an den Ausgängen der Differenzverstärker Signale ergeben, die dem Logarithmus einer Zahl größer oder kleiner als 1 entsprechen. Die Signale A, B, C und D weisen demnach entsprechende positive bzw. negative Werte auf. Innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung 39 werden diese Signale gleichgerichtet, quadriert, oder es wird ihr Absolutwert gebildet, und die so behandelten Signale werden anschließend zusammenaddiert. Solange der Summenwert dieser Signale über dem Wert der Vorspannung — Vclieg t, ergibt sich somit ein Ausgangssignai Fder Signaiverarbeitungseinrichtung 39, welches dem Wert — Vc entspricht. Auf Grund dieses Signals F= — Vc veranlaßt die Steuereinrichtung 41 eine Verschiebung der Objektivlinse 43 und der Hilfslinse 29. Durch die Verschiebung der Hilfslinse 29 werden in zunehmendem Maße die Lichtverteilungsmuster auf den beiden lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen 1 und 3 einander angeglichen. Im Abgieichfall geben die einander zugeordneten lichtempfindlichen Elemente jeweils annähernd gleichgroße Signale aus, so daß am Ausgang der Differenzverstärker der Logarithmus eines Wertes gebildet wird, der annähernd der Zahl 1 entspricht. Bekanntermaßen ist der Logarithmus der Zahl 1 = Null. Das Ausgangssignal F nimmt dementsprechend einen Wert an, der unter dem Wert der Vorspannung — V_c liegt und annähernd Null beträgt, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Beim Vorliegen dieses Signals F~0 hat die Objektivlinse 43 ihre fokussierende Stellung erreicht, und die Steuereinrichtung 41 nimmt dieses Minimumsignal zum Anlaß, die Bewegung der Objektivlinse 43 und der Hilfslinse 29 zu stoppen.

to Da es von wesentlicher Bedeutung ist, daß die lichtempfindlichen Elemente der beiden lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen 1 und 3 alle in einer Ebene angeodnet sind und daß diese alle die gleiche Einpfindlichkeitscharakterislik aufweisen, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, diese lichtempfindlichen Elemente, insbesondere Fotodioden, auf einem Halbleiterchip zu integrieren. Denkt man an die Anwendung " des vorstehend beschriebenen automatischen Fokussiersystems in einer kompakten Kamera, so ist es aus Platzgründen weiterhin von Vorteil, alle übrigen Komponenten des Ausw^rteschaltkreises, bestehend >\ aus den logarithmierenden Dioden und den Differenz- ' verstärkern, der Signalverarbeitungseinrichtung 39 und der Begrenzungsdiode 159 ebenfalls auf dem Halbleiterchip zu integrieren. Lediglich die Steuereinrichtung 41, die den Leistungsteil darstellt, ist von dieser Integration ausgenommen.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung kann gewisse Abwandlungen erfahren, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So können beispielsweise anstelle der logarithmierenden Dioden 197 usw. als Dioden geschaltete Transistoren verwendet ' werden. Weiterhin können jeweils mehr als eine Diode bzw. Transistor jedem lichtempfindlichen Element zugeordnet sein, um die gewünschte logarithmische Charakteristik zu erhalten. Die erforderliche logarithmische Charakteristik kann weiterhin durch Verstärker mit hohem Eingangswiderstand erzielt werden, welche in ihrer Rückführung Dioden aufweisen.

Es liegt auf der Hand, daß die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsmaßnahme nicht auf das vorstehend beschrieb Fokussiersystem beschränkt ist, sondern daß diese Schaltungsmaßnahme überall dort Anwendung finden kann, wo Signale miteinander verglichen werden sollen, deren Pegel einen hohen Schwankungsbereich aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung in einem automatischen Fokussiersystem für optische Geräte, insbesondere Kameras, bei welcher durch optische Hilfssysteme erzeugte licht-elektrische Signale miteinander verglichen und die Vergleichssignale einer summierenden Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden, die ihrerseits bis zum Vorliegen eines Minimumsignals verschiebend auf ein optisches Hauptsystem und eines der Hilfssysteme einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichssignale (A, B, C. D) das Verhältnis entsprechender lichtelektrischer Signale repräsentieren.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekenzeichnet, daß die Verhältnisbildung durch Logari!hmieren der einzelnen licht-elektrischen Signale und anschließende Subtraktion der logarithmierten Signale voneinander erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die licht-elektrischen Signale einerseits über Dioden (197-211) an ein festes Bezugspotential und andererseits paarweise an jeweils zugeordnete Vergleichseinrichtungen (167, 177, 185, 193) angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichseinrichtungen Differenzverstärker (167, 177, 185, 193) verwendet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Differenzverstärker (167,1778,185,193) auf die summenbildende Signalverarbeitungseinrichtung (39) geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der im Falle der Fokussierung ein Minimumsignal (F) liefernden Signalverarbeitungseinrichtung (39) über eine Diode (159) an ein festes Bezugspolential (- V_c) gelegt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß das Bezugspoieniial (—V_c)nuT unwesentlich höher als das Minimumsignal (F) im Fokussierzustand ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente (5-19) der beiden lichtempfindlichen Empfangseinrichtungen (1,3), die logarithmierenden Dioden (197-211), die Differenzverstärker (167, 177, 185, 193), die Komponenten der Signalverarbeitungseinrichtung (39) und die Begrenzungsdiode (159) auf einem Halbleiterchip integriert sind.