DE3329603A1 - Anordnung zur automatischen scharfeinstellung fotografischer kameras - Google Patents
Anordnung zur automatischen scharfeinstellung fotografischer kamerasInfo
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Description
Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung fotografischer Kameras
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung fotografischer Kameras, bei der die
durch fokusabhängige Abschattwirkung erzeugte Helligkeitsverteilung der Austrittspupille des Gesamtsystems
in einer Meßebene ausgewertet wird.
Es ist bekannt, die Abschattwirkung einer Bildfeldblende
in der Austrittspupille eines Systems fotoelektrisch
durch Messung der Helligkeitsverteilung zu erfassen.
Des weiteren ist bekannt, das Bild des scharfzustellenden Objektes in Teilbilder zu zerlegen und damit eine
Pupillenvervielfachung vorzunehmen, wobei die fotoelektrische Meßwerterfassung durch Vielfach-Empfängerarrays
in der Ebene der Teilpupillen erfolgt. Die entscheidenden Vorteile der Bildteilung liegen in der Möglichkeit
der Gewinnung eines vorzeichenrichtigen Signals bei gleichzeitiger Empfindlichkeitserhöhung.
Es ergeben sich jedoch noch entscheidende Nachteile.
Das Auflösungsvermögen der Bildteilung und damit, die System-Empfindlichkeit
sind durch Einschränkungen bei der Herstellung der erforderlichen optischen Mittel zur BiIdteilung
begrenzt. Dagegen ergibt sich eine ungünstige Anpassung der Vielfach-Teilempfanger, die bei den dadurch
erforderlichen größeren Abmessungen der Teilempfänger nicht bei optimalen Nutz-Stör-Verhältnissen arbeiten, andererseits
aber mit wesentlich kleineren Abmessungen und damit optimaleren Nutz-Stör-Verhältnissen technologisch
herstellbar sind.
Zur Erklärung 3ei festgestellt, daß der fokusabhängige
Meßeffekt (relative Änderung des Fokussignals bei Defokussierung
um einen festen Betrag) unmittelbar mit der Verkleinerung der Tcilbildbreifce steigt und andererseits auch
die Grenzleuchtdichte (kleinste verarbeitbare Objektleuchtdichte
je nach Objektkontrast) umgekehrt proportional zur ■ Wurzel aus dem Auflösungsvermögen (Teilbilder pro mm) sinkt,
Durch Anwendung der Erfindung sollen die angegebenen ÜTach-
- teile behoben werden.
Die Erfindung hat die Verbesserung der Scharfeinstellung
durch Erhöhung der System-Empfindlichkeit und Erniedrigung der Grenzleuchtdichte mittels einer Anordnung zur
Aufgabe, bei der daa Auflösungsvermögen der Bildteilung
im wesentlichen nur durch das Auflösungsvermögen des Vielfach-Empfangerarrays bestimmt ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung
gelöst, bei der die Meßebene in einer zweiten Bildebene liegt, bei der in der zwischen der ersten und
zweiten Bildebene liegenden Pupillenebene optische Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei identischen Bildern
eines begrenzten Ausschnittes einer ersten Bildebene in der zweiten Bildebene vorgesehen sind und bei der die
identischen Bilder der zweiten Bildebene mittels eines Vielfach-Arrays in mindestens je zwei Teilbilder zerlegbar
sind, wobei aus der Helligkeitsverteilung diametraler Pupillengebiete durch Vergleich der gleichen Bildteilen
zugeordneten Empfänger verschiedener Teilbilder das Betragssignal und unter Einbeziehung des Vergleichs der
Empfänger innerhalb eines Teilbildes das Richtungssignal für die Pokusabweichung gewonnen wird. Zur Durchführung
der automatischen Scharfeinstellung ist es weiterhin erforderlich,
daß in der Pupillenebene in diametralen peripheren Pupillenteilen in einer ersten und/oder einer
dazu senkrechten zweiten Richtung mindestens je zwei Pupillenlinsen angeordnet sind. Sind die Pupellenlinsen nur
in einer Richtung angeordnet, d. h. es erfolgt eine Meßwertverarbeitung
nur in einer Richtung, so ist diese Richtung vorzugsweise gegenüber horizontalen oder vertikalen
Objektkanten um einen Winkel oc geneigt. Eine verbesserte
Ausführung der Anordnung sieht erfindungsgemäß zusätzlich
zu den erwähnten diametralen Pupillenlinsen eine zentrale
Pupillenlinse (zentrales Bild C), deren optische Achse mit
der optischen Achse des Aufnahmeobjektivs übereinstimmt,
vor. Die Brennweiten der Pupillenlinsen sind zweckmäßigeΓΙΟ weise so bemessen, daß in der zweiten Bildebene gegenüber
der ersten Bildebene eine Verkleinerung erfolgt. Als bildbegrenzendes
Mittel ist beispielsweise eine Bildfeldblende in der ersten Bildebene angeordnet. Weiterhin ist es zweck
mäßig, daß zwischen den Bildern in der zweiten Bildebene "
Abschirmblenden vorgesehen sind. Pur die praktische Anwendung
der erfindungsgemäßen Anordnung ist es vorteilhaft,
daß die in der ersten Bildebene und in den nachfolgenden Ebenen angeordneten optischen Bauelemente sowie das Vielfacharray
zu einem kompakten Baustein zusammenfaßbar sind. Zur Meßwertverarbeitung ist die Scharfeinstellanordnung
mit einem Signalverarbeitungsteil derart verbunden, daß (m-1) erste Differenzen M.. zugeordneter Empfänger
zweier Bilder A und B aus diametralen Pupillenteilen entsprechend M^n = -jAn - Bnj _ . ( -Λ) un<i (m~1)
zv/eite Differenzen M2n der Empfänger jeweils eines der
beiden Bilder entsprechend M0 „ = /An+1 - An
η — ι... ^m—
oder MOyi = -jBn+1 - BnV Λ , Λ >. gebildet und die
2n (___ Jn«i... (m-1; °
Vorzeichen von M1 und M0 festgestellt werden, wobei das
Vorzeichen der Fokusabweichung für jedes der (m-1) Pokussignale
aus der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der Vorzeichen von M1 und M? hervorgeht. Vorteilhafter
wird erfindungsgemäß das Signal M2 aus einem zentralen
Bild C abgeleitet, welches an der Bildung des Signals M1n
nicht beteiligt ist und mit dem Signal M1 zur Vorzei-
chengewinnung multipliziert wird. Die Vorzeichen der Signale
IZLjn und Mpn können auch mittels einer logischen
Schaltung getestet werden. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht darin, daß von m-1 Fo-'5 kussignalen mindestens ein Signal direkt oder mindestens
zwei Signale summiert weiterverarbeitet werden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen
Pig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2a, 2b Anordnungsvarianten der Pupillenlinsen, Fig. 3 die Abbildungsverhältnisse auf dem CCD-Array
und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung in einer SR-Kamera.
Das Aufnahmeobjektiv 2 bildet entsprechend Fig. 1 in einer
zur Filmebene äquivalenten ersten Bildebene 4 das durch die Bildfeldblende 4a begrenzte Bild 6 des scharfzusteilenden
Objektes 1 ab. Die in der ersten Bildebene 4 angeordnete Meßfeldlinse 5 bildet die Austrittspupille 3 des Aufnahmeobjektivs
2 in die Pupillenebene 8 ab. In der Pupillenebene 8 sind die Pupillenlinsen 7a, 7b und 7c in der aus
Fig. 2a ersichtlichen Variante angeordnet. Sie erzeugen in der zweiten Bildebene 9 drei identische Bilder 10a,
10b und 10c des Bildes 6 der ersten Bildebene 4 auf einem Vielfach-Empfängerarray 10, z. B. einem CCD-Arrayentsprechend
Fig. 3. Zwischen den Pupillenlinsen 7a und 7c sowie 7c und 7b sind Abschirmblenden 11a, 11b angeordnet
Anhand eines Zahlenbeispiels sollen die Bildgrößen kurz veranschaulicht v/erden:
Die Bildgröße 6 beträgt z. B. 4,8 χ 4,8 mm2.
Die Öffnungszahl k« des Meßsystems ergibt sich aus dem
Abstand do , zwischen den Ebenen 8 und 4 und dem Durchmesser
ο,4
dg der Gesamtpupille 8a. Die Meßöffnungszahl beträgt
■ 5 falls z. B, Wechselobjektive der Öffnungszahl-für Offenblende
k a 2,8 benutzt werden sollen.
Daraus folgt für z. B. dQ . = 15 mm
dga a 4»4 mm
und eine Brennweite der Pupillenlinsen 7a - 7c von ca. 2mm. Die Bildgröße auf dem CCD-Array beträgt damit ca. 0,74 - 0,74
mm .
Wird z. B. von einer Rasterung des CCD-Arrays 10 von 40
Teilempfängern pro mm in x- und y-Richtung ausgegangen, resultiert daraus eine Anzahl von ca. 30 χ 30 Teilbildern
(30 Empfängerzeilen zu je 30 Teilempfängern). Dabei ist
dio Zeilenausrichtung mit' der Ausrichtung der Pupillenlinsen 7 (y-Richtung) identisch. Das hat zur Folge, daß
nur Kantenlagen im Objekt senkrecht zur Zeilenausrichtung mit maximaler Meßempfindlichkeit ausgewertet werden können.
Eine optimale Empfindlichkeit in beiden zueinander senkrechten Richtungen erfordert die in Pig. 2b ersichtliche
Linsenanordnung aus z.B. 5 Pupillenlinsen und eine entsprechende
Matrix-Struktur des CCD-Arrays (Abfrage in x- und y-Richtung) zur Meßwertverarbeitung.
Gegenüber Fig. 3 kann das CCD-Array 10 im Extremfall auch
aua einer Zeile bestehen, wobei hinsichtlich der x-Ausdehnung die Teilempfänger entweder eine entsprechende Breite in x-Richtung
aufweisen oder zwecks optimaler Energiebilanz in bekannter Weise die x-Richtung optisch stärker gebündelt
wird.
Zur Gewinnung des Fokus-Gesamtsignals werden zunächst den
Teilbildern entsprechende selbständige Fokussignale nach Betrag und Vorzeichen (Richtung der erforderlichen Verstellung
Δ s de3 Objektivs) gebildet. Das Fokus-Gesamtsignal
kann dann das Signal eines einzelnen beliebig wählbaren Teilbildes sein oder aus den Fokussignalen mehrerer Teilbilder
(maximal m-1) zusammengesetzt (summiert) werden. Die Auswahl bestimmter Teilbilder geht davon aus, die Gutausbeute
des Systems zu erhöhen.
Z. B. kann es zur Ausschaltung eines störenden Hintergrundes (gleichzeitiges Vorhandensein unterschiedlich
entfernter Objekte) zweckmäßig sein, jeweils nur dasjenige Teilobjekt mit der kleinsten Objektentfernung automatisch
per Rechenprogramm auszuwählen und weiterzuverarbeiten.
Da die den unterschiedlich entfernten Teilobjekten zugeordneten Teilfokussignale ihre Mulldurchgän'ge bei unterschiedlichen
Objektivlagen besitzen,, wird in diesem Fall dasjenige ,Teilfokussignal selektiert, dessen Nulldurchgang
der IJah-Einsteilgrenze am nächsten liegt.
Die Betragsbildung erfolgt pro Teilbild durch den Vergleich der diametral gegenüberliegenden Pupillen 7a und 7b, d, h.
durch Bildung einer ersten Differenz IVL zugeordneter Teilbilder
An, Bn der Bilder 10a und 10b,
M1n = {^ -Bn] n= 1...
Das Teilsignal jedes Teilempfängers ist damit durch den integralen Bildinhalt dea entsprechenden Teilbildes (bei
Scharfeinstellung streng gültig) und durch die abschatten de V/irkung seiner in die erste Bildebene 4 übersetzten Be
grenzung (Blendenwirkung) bei Defokussierung bestimmt.
Da die Differenz M^n in Abhängigkeit von der Helligkeitsfolge H/D bzw. D/H im Bild kein eindeutiges Vorzeichen
der Defokussierung Δ s bewirkt, ist eine eindeutige Rich
tungsbestimmung erforderlich. Dies erfolgt im Bild 10c
durch Vergleich des entsprechenden Teilbildes Cn mit dem benachbarten Teilbild, z. B. On + 1, entsprechend der
Bildung einer zweiten Differenz.
I/L· = J Cn + 1 - CnV - 1
2n |_ Jn=T...
(M-I)
Es stellt sich heraus, daß die Änderung der Helligkeitsfolge, z.B. D/H - H/D sowohl das Vorzeichen der ersten
Differenz M1 als auch das Vorzeichen der zweiten Differenz
Mpn ändert.
Aus diesem Grund ergibt sich das Vorzeichen des Fokussignals eindeutig positiv, wenn beide Differenzen gleiches
Vorzeichen aufweisen und negativ, wenn beide Differenzen ungleiches Vorzeichen aufweisen oder umgekehrt.
Dies kann durch eine einfache logische Schaltung geprüft werden. Das gleiche'Ergebnis wird erhalten, wenn beide
Differenzen, M1 und Mpn, multipliziert werden.
Zur Bildung der Differenzen Mp kann auch das Bild 10a oder 10b herangezogen werden, wobei dann die zentrale
Pupillenlinse 7c und damit auch Bild 10c entfällt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß bei größeren Defokussierungen
infolge Abschattung und lateraler Bildverschiebung eine Vorzeichenverfälschung eintreten kann.
Diese Vorzeichenverfälschung wird ausreichend eingeschränkt,
"wenn zur Bildung der Differenz M„ Pupillenteile herangezogen
werden, die möglichst nahe an der optischen Achse des Systems liegen.
Aus diesem Grunde soll die y-Ausdehnung der Pupillenlinse 7c möglichst klein und die Linsenfläche der Linsen 7a und
7b möglichst gleich sein.
Bei Scharfeinstellung durchläuft die Differenz ML Mull.
Die Differenz M« ist unabhängig von der Defokussierung
stets ungleich Null, solange ausreichender Kontrast vorhanden
ist.
Die geschilderte Meßwertverarbeitung bezieht sich auf eine Zeile in y-Richtung. Falls mehrere Zeilen vorhanden sind,
kann die genannte Verarbeitung zeilenweise nacheinander erfolgen. Falls eine Anordnung entsprechend Fig. 2b in
Verbindung mit einer x, y-Matrix-Struktur des CCD-Arrays angewendet wird, dann kann dieser Verarbeitungsmodus auch
für die 2. Richtung erfolgen.
Für die praktische Anwendung genügt im allgemeinen eine Verarbeitung in einer Richtung, wenn die Linsenanordnung
7a - 7c und das zugeordnete Empfangerarray unter cc ^ 45
gegenüber horizontalen und vertikalen Objektkanten ausgerichtet wird.
Die Linsenanordnung sollte zwecks Gewährleistung einer kompakten Bauweise und hoher Meßeffekte mit einem möglichst
großen Verkleinerungsmaßstab ausgelegt werden. Bei der Wahl einer möglichst kleinen Brennweite der Pupillenlinsen
muß mit Rücksicht auf die Abbildungsgüte der Linsendurchmesser (f/d-Verhältnis) beachtet werden.
Ein kleiner Abstand (dQ . in Fig. 1) kommt einem möglichst
großen f/d-Verhältnis entgegen.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die optische Anordnung in einer SR-Kamera.
In bekannter Weise wird die Meßeinrichtung im Kameraboden untergebracht, wobei der Meßstrahlengang über den teildurchlässigen
Klapp3piegel 14 mit angelenktem Hilfsspiegel
15 geführt wird.
Die optischen Bauelemente der ersten Bildebene, der Pupillenebene 8 und der zweiten Bildebene sind zu einem
Kompaktmodul 16 zusammengafaßt. Dieser ist getrennt herstellbar
und abgeglichen, so daß der Einbau in die Kamera stark vereinfacht wird. Die einzelnen Bezeichnungen
stimmen mit Fig. 1 überein.
Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber bekannten Anordnungen die Möglichkeit der Bildverkleinerung mit 2
entscheidenden Vorteilen:
Es erfolgt eine Erhöhung der Beleuchtungsstärke auf dem Vielfacharray und damit eine Erhöhung des Hutz-Stör-Abstandest
Weiterhin ist der Einsatz einer kompakten Anordnung möglich, wodurch der Wachteil einer notwendigen zweiten
Bildebene wieder kompensiert wird.
Des weiteren entfällt die Anpassung der Teilempfänger auf die durch optische Bildteilung bestimmte Lage. Das fotoelektrisch
definierte Teilbild erfordert weniger Justieraufwand und erfaßt die Meßflgche lediglich nach Maßgabe
der Fehlstellen zwischen den Teilempfängern voll.
Dresden, am 04. Juli 1983
21/4-04
21/4-04
VEB PENTACON DRESDEN Kamera- und Kinowerke
Claims (12)
1. Anordnung zur Scharfeinstellung fotografischer Kameras
, bei der die durch fokusabhängige Abschattwirkung erzeugte Helligkeitsverteilung der Austrittspupille
'5 des Gesamtsystems in einer Meßebene ausgewertet wird
und die Meßwerte zur vollautomatischen oder halbautomatischen Einstellung des Aufnahmeobjektivs herange-.
zogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßebene in einer zweiten Bildebene (9) liegt, daß in
" der Pupillenebene (8) optische Mittel (7) zur Erzeugung von mindestens zwei identischen Bildern eines
begrenzten Ausschnittes einer ersten'Bildebene (4) in der zweiten Bildebene (9) vorgesehen sind und daß
die identischen Bilder der zweiten Bildebene (9) mittels eines Yielfach-Arrays (10) in mindestens je
2 Teilbilder zerlegbar sind, wobei aus der Helligkeitsverteilung diametraler Pupillengebiete durch
Vergleich der gleichen Bildteilen zugeordneten Empfänger verschiedener Teilbilder das Betragssignal
und unter Einbeziehung des Vergleichs der Empfänger innerhalb eines Teilbildes das Riehtungssignal für
die Fokusabweichung gewonnen wird.
2. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pupillenebene (8)
in diametralen peripheren Pupillenteilen in einer ersten und/oder einer dazu senkrechten zweiten Rich-.-
tung mindestens je zwei Pupillenlinsen (7a, 7b) angeordnet
sind.
3. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Pupillenlinsen (7a, 7b) nur in einer Richtung angeordnet sind, wobei diese
Richtung vorzugsweise gegenüber horizontalen oder vertikalen Objektkanten um einen Winkel oc geneigt ist.
4. Anordnung zur Scharfeinstellung nach. Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß im zentralen Teil der Pupillenebene (8) eine Linse (7c) angeordnet ist, deren
optische Achse mit der optischen Systemachse übereinstimmt.
5. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 4» dadurch
gekennzeichnet, daß die Brennweite der Pupillenlinsen (7) so bemessen ist, daß in der zweiten
Bildebene gegenüber der ersten Bildebene eine Verkleinerung erfolgt.
6. Anordnung zur Scharfeinstellung mit einem Signalverarbeitungsteil
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (m-1) erste Differenzen zugeordneter Empfänger
zweier Bilder A und B aus diametralen Pupillenteilen entsprechend
M1n = -jAn - BnJ- n _ 1 (m-1) ^*1 ^m"1^ zweite Differenzen
der Empfänger jeweils eines der beiden Bilder entsprechend Mpn = AAn+1 - AnJ _ - (m-1) 0<ier
n J (m)
(Bn+1 - Bn) η = 1... (m-1) gebildet und die
Vorzeichen von M1n und Mpn festgestellt werden, wobei
M2n
das Vorzeichen der Fokusabweichung für jedes der (m-1) Fokussignale aus der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung
der Vorzeichen von M- und M2 hervorgeht.
7. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal M2n aus einem
zentralen Bild C abgeleitet wird, welches an der Bildung des Signals M1n nicht beteiligt ist.
8. Anordnung zur Schrafeinsteilung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Vorzeichengewinnung die Signale M- und M2 multipliziert oder deren Vorzeichen
mittels einer logischen Schaltung getestet werden,
9· Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß von m-1 Fokussignalen mindestens
ein Signal direkt oder mindestens zwei Signale summjert weiterverarbeitet werden.
•5 10. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß bildbegrenzende Mittel, z. B. eine Bildfeldblende (4a), in der ersten Bildebene
angeordnet sind.
11. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bildern in der
zweiten Bildebene Abschirmblenden (11a, 11b) vorgesehen sind.
12. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Anspruch 1, da-,
durch gekennzeichnet, daß die in der ersten Bildebene "und den nachfolgenden Ebenen angeordneten optischen
Bauelemente sowie das Vielfacharray zu einem kompakten Baustein (16) zusammenfaßbar sind.
(Hierzu 3 Seiten Zeichnungen)
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ID=5541444
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