DE3636951C2 - - Google Patents
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- G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung
des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems,
bei der ein Bild des abzubildenden Objektes
auf einer Wandlereinrichtung erzeugt und in serielle elektrische
Signale umgesetzt wird.
Aus der DE-PS 30 04 147 ist eine Einrichtung dieser Art
mit einer Bildwandlereinrichtung zur Umsetzung des abgebildeten
Objektbildes in elektrische Signale bekannt, bei
der ein selbstabtastender Bildsensor aus einer Vielzahl
photoelektrischer Bildelemente Verwendung findet. Zur
Kontrastermittlung bei dem vom Bildsensor aufgenommenen
Bild wird die jeweils vorliegende Helligkeitsdifferenz
zwischen zwei, die höchsten Kontrastwerte aufweisenden
photoelektrischen Bildelementen parallel ausgewertet und
der Scharfeinstellzustand des Bildes in Abhängigkeit von
einer ermittelten Vergrößerung bzw. Verringerung dieser
Helligkeitsdifferenz, d. h. in Abhängigkeit vom Erreichen
eines Maximalwertes, bestimmt. Zur Kompensation des hierbei
mitzuberücksichtigenden Einflusses der Durchschnittsausleuchtung
sämtlicher photelektrischer Bildelemente auf
diese Helligkeitsauswertung ist eine Steuerung der Abtastgeschwindigkeit
der Bildelemente in Abhängigkeit von der
ermittelten Durchschnittshelligkeit in Betracht gezogen,
um auf diese Weise den Dynamikbereich der photoelektrischen
Signalcharakteristik beeinflussen zu können. Eine
solche Maßnahme bedingt jedoch zusätzlichen Schaltungsaufwand
und verkompliziert den Aufbau der Scharfeinstellungsermittlungseinrichtung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
der eingangs genannten Art zur Erzielung einer
bildkontrastunabhängigen Ermittlung des Scharfeinstellzustands
eines optischen Abbildungssystems auszugestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine von
den elektrischen Signalen der Wandlereinrichtung beaufschlagte
Detektoreinrichtung zur Ermittlung einer Kantenbreite
des Bildes aus den elektrischen Signalen und Erzeugung
eines die ermittelte Kantenbreite angebenden Ausgangssignals
und durch eine vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung
beaufschlagte Diskriminatorstufe zur Bestimmung
des Scharfeinstellzustands des optischen Abbildungssystems
aus dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung.
Auf diese Weise läßt sich durch gezielte Auswertung eines
seriellen Bildwandlersignals die jeweilige Kantenbreite
des abgebildeten Objektbildes zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands
des optischen Abbildungssystems auswerten,
was einerseits den Vorteil hat, daß hierbei ein
Abschnitt des Gesamtbildes zur Fokussierzustandsermittlung
ausgewählt und herangezogen werden kann, der sich zur
Kantenbreitendetektion optimal eignet, während andererseits
der Vorteil gegeben ist, daß keine aufwendigen Helligkeitskompensationsmaßnahmen
erforderlich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1(a) bis 1(c), 2(a) bis 2(c) und 3(a) bis 3(c)
schematische Darstellungen zur Veranschaulichung
des Funktionsprinzips der Einrichtung
zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands eines
optischen Abbildungssystems, wobei in den Fig.
1(a), 2(a) und 3(a) jeweils die Beschaffenheit
unterschiedlicher abzubildender Objekte, in den
Fig. 1(b), 2(b) und 3(b) der jeweilige Verlauf
zugehöriger elektrischer Bildsignale bei
Scharfeinstellung und in den Fig. 1(c), 2(c)
und 3(c) der jeweilige Verlauf der Bildsignale
bei unscharfer Einstellung dargestellt ist,
Fig. 4 und 5 Blockschaltbilder eines Ausführungsbeispiels
der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands
eines optischen Abbildungssystems,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer automatischen Scharfstelleinrichtung
mit einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Einrichtung zur Ermittlung
des Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems,
Fig. 7 bis 9 Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise
eines Mikroprozessors der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 6,
Fig. 10(a) bis 10(c) und 11(a) bis 11(c) schematische
Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren
Ausführungsbeispiels des Funktionsprinzips
der Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands
eines optischen Abbildungssystems,
Fig. 12 eine grafische Darstellung der Bildschärfe und
Fig. 13 und 14 Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung eines
weiteren Ausführungsbeispiels der Arbeitsweise
des Mikroprozessors der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 6.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a) bis
1(c) und 2(a) bis 2(c) und 3(a) bis 3(c) zunächst auf das
Funktionsprinzip der Einrichtung zur Ermittlung des
Scharfeinstellzustands eines optischen Abbildungssystems
näher eingegangen. Fig. 1(a) ist eine graphische Darstellung
einer Bildkante eines abzubildenden Objektes mit
einem Schwarz/Weiß-Muster. In Fig. 1(a) ist mit x′ eine
räumliche Achse bezeichnet, die die optische Achse eines
optischen Abbildungssystems (nachstehend vereinfacht als
optisches System bezeichnet) senkrecht schneidet.
Diese graphische Form der Kante wird von einer Wandlereinrichtung in Form eines Bildsensors auf
fotoelektrische Weise in ein elektrisches Bildsignal umgesetzt.
Gemäß Fig. 1(b) hat der Pegel I(x) des auf diese Weise
erhaltenen Bildsignals eine steile Flanke, wenn das optische
System scharf eingestellt ist. Falls das optische System
jedoch nicht scharf eingestellt ist, hat das Bildsignal eine
abgestumpfte Flanke gemäß Fig. 1(c). Mit x ist eine Achse in
der Bildebene des Bildsensors bezeichnet, die der in
Fig. 1(a) gezeigten räumlichen Achse x′ entspricht. Im allgemeinen
wird das Bildsignal durch elektrisches Abtasten des
Bildsensors in der Form eines zeitlich seriellen Signals
erhalten. Zur Erläuterung wird jedoch dieses Signal
in bezug auf die Achse x in der Bildebene
betrachtet.
Gemäß Fig. 1(b) und 1(c) hat die Breite Δ x der Flanke des
Bildsignals I(x) am Kantenteil im Scharfeinstellungszustand
einen Minimalwert Δ xo, während sie mit zunehmendem Ausmaß
der Unschärfe zunimmt. Die Breite Δ x ist durch den Unschärfe-
bzw. Streukreisdurchmesser, das Auflösungsvermögen
des Bildsensors und die Bandbreite einer Bildsignal-Verarbeitungsschaltung
bestimmt. Da jedoch die letzteren beiden Faktoren
keine Beziehung zum Scharfeinstellungszustand eines
optischen Systems haben, kann durch das Ermitteln der Breite
Δ x des Flankenteils des Bildsignals die scharfe oder unscharfe
Einstellung des optischen Systems ermittelt werden. Das
optische System ist als scharf eingestellt anzusehen, wenn Δ x
ungefähr Δ xo ist, und als unscharf eingestellt, wenn Δ x ≦λτ Δ xo
gilt. Die Unterscheidung zwischen Scharfeinstellzustand
und Unschärfezustand erfolgt unabhängig von der mittleren
Helligkeit der Kantenabbildung und von
dem Kontrast derselben, d. h., es wird die Breite eines Kantenteils
des Bildes eines abzubildenden Objekts ermittelt
und die Abbildung als unscharf bewertet, wenn die Breite groß
ist, bzw. als scharf, wenn die Breite klein ist.
Ferner ändert sich im Falle eines normalen Objekts gemäß Fig. 2(a)
an den Konturen von Personen oder anderen Objekten die
Helligkeit sprunghaft. In der Umgebung der Kontur tritt eine
gewisse Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung auf, die
derjenigen der grafischen Form der in Fig. 1(a) gezeigten
Bildkante sehr ähnlich ist. Daher wird gemäß Fig. 2(b) und 2(c)
die Breite Δ x des Flankenteils des Bildsignals I(x)
ermittelt. Die Unterscheidung zwischen einem Scharfeinstellungszustand
und einem Unschärfezustand kann somit durch Vergleichen
der auf diese Weise ermittelten Breite mit einem bekannten
Wert Δ xo getroffen werden, welcher die bei der Scharfeinstellung
des optischen Systems erreichbare Breite des Signal-Flankenteils
darstellt. Falls ein Objekt gemäß Fig. 3(a) fein
gemustert ist, kann der Einstellungszustand nicht ermittelt
werden, da sich die Verteilungen zweier Signal-Flankenteile
überdecken und daher die Breite Δ x selbst im Falle einer
unscharfen Einstellung nicht größer wird. Für die Ermittlung
der Scharfeinstellung muß daher eine in Fig. 1(b) gezeigte
Breite L der jeweils den Bildkantenteil bildenden schwarzen und
weißen Bereiche etwas größer als der Wert Δ xo bei der
Scharfeinstellung sein. Beispielsweise muß die Breite L zumindest
zweimal oder mehrfach so groß sein wie dieser Wert.
Da der Wert Δ xo ungefähr gleich dem kleinsten Streukeisdurchmesser
des optischen Systems ist, ist die Breite L im
Vergleich zur Größe der ganzen Bildebene sehr klein. Ein
derartiger Bildkantenteil liegt bei nahezu jedem abzubildenden
Objekt vor. Daher kann eine solche Ermittlung der
Scharfeinstellung bei nahezu allen
Aufnahmeobjekten angewandt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Breite Δ x des Signal-
Flankenteils dadurch ermittelt, daß aus dem Bildsignal I(x) der
Helligkeitsgradient dI/dx des Signal-Flankenteils und eine Helligkeits-
bzw. Leuchtdichtedifferenz Δ I zwischen den Bereichen
an den in Fig. 1(b) und 2(b) gezeigten Signalflanken berechnet
werden und dann ein Verhältnis P zwischen diesen Werten
folgendermaßen berechnet wird: P = (dI/dx)/Δ I, d. h., die
Breite Δ x des Flankenteils wird indirekt ermittelt.
Der Wert P entspricht dem Kehrwert der Breite Δ x des
Signal-Flankenteils und gibt die Schärfe bzw. Steilheit der Signalflanke
an. Gemäß den Fig. 1(b) und 1(c) bleibt die bei der Scharfeinstellung
ermittelte Helligkeitsdifferenz Δ I zwischen den
Bereichen an der Signalflanke bei einer etwas unscharfen Einstellung
des optischen Systems unverändert. Daher kann dieser
Wert Δ I auch bei unscharfer Einstellung ermittelt werden,
selbst wenn der Verlauf des Bildsignals bei der Scharfeinstellung
zuvor nicht bekannt ist. Die Breite Δ x des Signal-Flankenteils
kann daher erhalten werden, indem der Flanken-Gradient
dI/dx, der sich entsprechend dem Zustand scharfer oder unscharfer
Einstellung empfindlich bzw. deutlich ändert, mit
diesem Wert als Δ I normiert wird. Ferner ist die Breite Δ x des
Signal-Flankenteils nicht von der mittleren Helligkeit und dem Kontrast
des Objekts abhängig. Daher kann die Unterscheidung
zwischen einem Zustand scharfer Einstellung und einem Zustand
unscharfer Einstellung des optischen Systems ohne Beeinträchtigung
durch Abweichungen hinsichtlich der mittleren
Helligkeit oder des Kontrastes des Objekts getroffen
werden.
Ein Ausführungsbeispiel, das nach dem vorstehend beschriebenen
Funktionsprinzip arbeitet, wird nachstehend näher beschrieben.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild der Einrichtung
zur Scharfeinstellungsermittlung gemäß diesem ersten
Ausführungsbeispiel. Beim Ermitteln des vorstehend genannten
Verhältniswerts P = (dI/dx)/Δ I wird ein Wert P(x) an
einem jeweiligen Ort x folgendermaßen gebildet: P(x) =
(dI/dx)/Δ I(x). Der auf diese Weise erhaltene Wert P(x) wird
mit einem vorgegebenen Schwellenwert Po ≅ 1/Δ xo verglichen,
um die Anzahl von scharfen Signalflanken bzw. scharf abgebildeten
Bildkanten zu ermitteln. Falls dann die Anzahl der scharfen
Bildkanten einen vorgegebenen Zahlenwert übersteigt, wird dies als
Scharfeinstellung des optischen Systems bewertet. Hierbei wird
der Wert Δ I(x) folgendermaßen berechnet:
In dieser Gleichung ist L ein Wert, der zweimal oder mehrfach
so groß ist wie der kleinste Streukreisdurchmesser des
optischen Systems. Daher erfolgt eine Integration für diesen
Wert in einem Bereich des Bildsensors,
der bis zu etwa 10 Bildelemente umfaßt.
Der Wert Δ I(x) ergibt einen Wert der Differenz Δ I zwischen
der größten Helligkeit und der geringsten Helligkeit einer
Fläche innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, der bei einem
Bildkantenteil vor und hinter dem Signal-Flankenteil wie dem in Fig. 1(b)
und 1(c) gezeigten liegt. Auch im Falle eines feinen Musters wie in
dem in Fig. 3(a) gezeigten übersteigt der Wert Δ I(x) immer
die Differenz zwischen den höchsten und den niedrigsten Werten,
was einen kleinen Wert P(x) ergibt, welcher niemals zu
einer falschen Scharfeinstellungs-Unterscheidung führt.
Die Fig. 4 zeigt einen Bildsensor 1 für die zeitlich serielle
Abgabe eines Video- bzw. Bildsignals, eine Differenzierschaltung 2,
die einen Differenziervorgang zum Ermitteln des
Gradienten dI/dt des Bildsignals ausführt oder ein Differensignal
erzeugt, welches der Differenz zwischen einem um eine
bestimmte Zeitspanne verzögerten Signal und einem unverzögerten
Signal entspricht, eine Absolutwertschaltung 3 und eine
Rechenschaltung 4, die zum Ermitteln eines dem vorstehend
genannten Wert Δ I(x) entsprechenden Signals Δ I(t) ausgebildet
ist. Mit t ist die nach Beginn des Auslesens
des Signals aus dem Bildsensor 1 verstrichenen Zeit bezeichnet.
Einzelheiten der Δ I(t)-Rechenschaltung 4
sind in Fig. 5 gezeigt. Die Rechenschaltung 4 enthält
eine Verzögerungsschaltung 14 zum Verzögern eines anstehenden
Signals um eine Zeitspanne T, eine Subtrahierschaltung 15 und
eine Integrierschaltung 16,
die zum Integrieren des gebildeten Verzögerungs-Differenzsignals
in bezug auf das anstehende Signal
dient.
Dieser Integriervorgang ergibt ein Signal
Fig. 4 zeigt ferner eine Verzögerungsschaltung 6 zum
Verzögern des Signals
um ungefähr eine Zeitspanne von T/2, Logarithmierschaltungen 5
und 7 und eine Subtrahierschaltung 8. Aus einer logarithmischen
Differenz wird ein Signal
erhalten. Das auf diese Weise gebildete Signal P(t) wird in
einer Vergleichsschaltung 9 mit dem
vorgewählten Schwellenwert Po verglichen. Eine
monostabile Kippstufe 10 erzeugt jeweils gemäß
dem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 9 ein Impulssignal.
Die Anzahl der Impulse des Impulssignals wird mittels
eines Zählers 11 gezählt. Ein Zeitsignalgenerator 12 erzeugt
Zeitsteuersignale für die Schaltungsanordung sowie Steuertaktimpulse,
die an den Bildsensor 1 angelegt werden. Der Zähler 11
wird durch ein Vertikalsynchronisiersignal rückgesetzt und
zählt die Anzahl der in einem Vollbild oder einem Halbbild
auftretenden Signalflanken mit einer Steilheit, die den Schwellenwert
Po übersteigt. Als Scharfeinstellung des optischen Systems
wird bewertet, daß der auf diese Weise erhaltene Zählwert
einen vorgegebenen Wert übersteigt, während es als unscharfe
Einstellung bewertet wird, wenn der Zählwert den
vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Der Schwellenwert Po muß
nicht auf einen festen Wert eingestellt werden. Falls sich
die Abbildungseigenschaften des optischen Systems mit einer
Änderung eines Blendenwerts oder eines Brennweiteneinstellzustands
desselben stark ändern, ist es vorteilhaft, irgendeine
Einrichtung zum Erfassen dieser Parameter und für das Einstellen
des Schwellenwerts Po auf einen entsprechenden optimalen
Wert vorzusehen. Falls sich beispielsweise die Funktion
des optischen Systems derart verschlechtert, daß mit zunehmendem
Blendenwert ein größerer Streukreisdurchmesser entsteht,
wird der Schwellenwert Po entsprechend der Zunahme des
Blendenwerts verringert. Im Falle von Signalen nach dem NTSC-System
wird vorzugsweise jeweils die Zeitkonstante der Differenz-
bzw. Differenzierschaltung 2 auf einen Wert zwischen
100 und 500 ns und die Verzögerungszeit T der Verzögerungsschaltung
14 auf einen Wert zwischen 500 ns und 2 µs eingestellt.
Das Verfahren zum Ermitteln des Werts Δ I(t) kann
geändert werden zu:
In diesem Fall trägt ein Teil, an dem
ein kleiner Wert wird, wenig zum Wert Δ I(t) bei. Daher
kann die Helligkeitsdifferenz Δ I auch durch Berechnung für
einen Signal-Flankenteil mit einem gewissen Ausmaß an Welligkeit
gemäß Fig. 2(b) auf die gleiche Weise wie für einen idealen
Signal-Flankenteil gemäß Fig. 1(b) ermittelt werden. In diesem Fall
wird die Absolutwertschaltung 3 durch eine Quadrierschaltung
ersetzt. Eine weitere mögliche Abwandlung besteht darin,
zwischen die Absolutwertschaltung 3 und die Δ I(t)-Rechenschaltung 4
einen Begrenzer zu schalten und dann, wenn der
Wert
geringer als ein vorgegebener Wert ist, das Eingangssignal
der Rechenschaltung 4 zwangsweise auf "0" zu setzen, um die
gleiche vorteilhafte Wirkung zu erhalten.
Wenn ferner der in der Rechenschaltung 4 berechnete Wert
Δ(t) klein ist, ist infolge von Störsignalanteilen bzw.
Rauschens des Bildsignals in dem der Logarithmierschaltung 7
zugeführten Wert
ein gewisser Fehler enthalten. In diesem Fall verringert sich die Genauigkeit
des ermittelten Werts P(t). Dieser Fehler
kann unterdrückt werden, indem die Kennlinie der
Logarithmierschaltung 8 derart geändert wird, daß deren
Ausgangssignal entsprechend einer Verringerung des Eingangssignals
Δ I(t) in einer Richtung versetzt wird, bei der es größer
als ein Wert logΔ I(t) wird, um dadurch den ermittelten Wert
P(t) zu verringern.
Die Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,
der Einrichtung zur Scharfeinstellungsermittlung,
die bei einer Einrichtung zu automatischen Scharfeinstellung
eingesetzt ist. In der Darstellung sind zur Vereinfachung
Speicheradressenzähler und Steuerleitungen für Speicher
und A/D-Wandler nicht enthalten. Nach Fig. 6 wird ein
vom Bildsensor 1 erhaltenes Bildsignal einem Schaltglied 17
zugeführt. Das Schaltglied 17 leitet entsprechend einem Steuersignal G
nur denjenigen Teil des Signals weiter, der einem
vorgegebenen Erfassungsbereich der Bildebene entspricht. Die
Fig. 6 zeigt ein Hochpaßfilter 18 eine Gleichrichterschaltung
19, eine Integrierschaltung 20, die zum Erfassung der
Intensität der Hochfrequenzkomponente des aus dem Erfassungsbereich
innerhalb eines Vollbild- oder Teilbildabschnitts des
Signals erhaltenen Bildsignals ausgebildet ist, und einen
A/D-Wandler 21 zur Analog/Digital-Umsetzung der erfaßten
Intensität der Hochfrequenzkomponente. Das Ausgangssignal des
A/D-Wandlers 21 wird als Signal B einem Mikroprozessor 30
zugeführt. Ferner zeigt die Fig. 6 eine Rechenschaltung 13,
die gemäß der Darstellung in Fig. 4 zum Berechnen der Steilheit
P(t) der Signalflanke ausgebildet ist, und eine Spitzenwerthalteschaltung
22. Die Spitzenwerthalteschaltung 22 speichert
einen innerhalb einer Horizontalabtastzeile erhaltenen maximalen
Wert Pi des Werts P(t) und wird durch ein Signal fH
rückgesetzt, welches für eine jede Horizontalabtastung zwischen
niedrigem und hohem Pegel wechselt. Ein A/D-Wandler 23
ist für die A/D-Umsetzung des bei einer jeweiligen Horizontalabtastung
erhaltenen maximalen Werts Pi von P(t) und für
das aufeinanderfolgende Einspeichern des umgesetzten maximalen
Werts Pi in einen Speicher 24 ausgebildet. Mit Pi ist der
maximale Wert bezeichnet, wobei i eine Abtastzeilennummer in
dem Erfassungsbereich darstellt. Der Mikroprozessor 30 liest
den Inhalt des Speichers 24 innerhalb der Vertikalrücklaufperiode
eines Vollbilds oder eines Testbilds aus. Schaltungselemente
25 bis 29 dienen zum Berechnen der Bewegungsgeschwindigkeit
der Abbildung eines aufzunehmenden Objekts.
Insbesondere im Falle einer Videokamera wird mittels dieser
Schaltungselemente 25 bis 29 verhindert, daß infolge von
Erschütterungen der Kamera durch Handbewegungen oder infolge
einer Bewegung des Aufnahmeobjekts die automatische Scharfstelleinrichtung
fehlerhaft oder instabil arbeitet.
Wenn nämlich durch Handerschütterung oder eine
Bewegung des Objekts ein scharfes Bild des Objekts zeitweilig
aus dem Erfassungsbereich der Bildebene herausbewegt bzw.
versetzt wird, kann fälschlicherweise eine unscharfe Einstellung
des optischen Systems ermittelt und infolgedessen ein Motor
zur Verstellung angesteuert werden. Ferner würde sich selbst dann,
wenn das Objektbild noch im Erfassungsbereich verbleibt,
durch die Erschütterung der Kamera infolge der Signalakkumulation im
Bildsensor 1 die Steilheit P(t) der zu erfassenden Signalflanke
verringern, so daß dann ein Scharfeinstellungszustand fälschlich
als unscharfe Einstellung bewertet würde. Die
Schaltungselemente 25 bis 29 sind zur Lösung dieses Problems
durch das Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit des Objektbilds
vorgesehen und umfassen eine Digitalisierschaltung
25, die durch binäres Digitalisieren eines Bildsignals
das Muster eines Bilds erfaßt, einen Multiplexer 26
und Speicher 27 und 28, die abwechselnd die Bildmuster
speichern, wobei der Multiplexer 26 entsprechend einem Signal fv
schaltet, dessen Pegel für jedes einzelne Vollbild oder Halbbild
zwischen hohem und niedrigem Pegel wechselt. Auf diese
Weise werden in den Speichern 27 und 28 die Bildmuster für
zwei aufeinanderfolgende Vollbilder oder Teilbilder gespeichert.
Diese Anordnung ermöglicht es, danach in einem Geschwindigkeitsdetektor
29 eine Korrelation zwischen den gespeicherten
Bildmustern zu berechnen. Hierdurch wird ein
Vektor V der Bildbewegung ermittelt, die während einer Vollbild-
oder Teilbildperiode stattfindet. Die Information über
diesen Bewegungsvektor V wird vom Geschwindigkeitsdetektor
29 dem Mikroprozessor 30 zugeführt.
Ein Motor 31 dient zum Verstellen einer Fokussier- bzw.
Scharfeinstellungslinse im optischen System. Die Geschwindigkeit
und die Richtung der Verstellung mit dem Motor
werden durch ein Signal VM vom Mikroprozessor 30 gesteuert.
Der Ablauf der durch den Mikroprozessor 30 zu
steuernden Vorgänge wird nachstehend anhand der Fig. 7, 8 und
9 beschrieben.
Die Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Subroutine zur
Bildung einer Bewertung q bezüglich der Breite des Kantenteils
eines Bilds und zur Ermittlung der Intensität B der
Hochfrequenzkomponente sowie des Bildbewegungsvektors V. Die
Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm der Betriebsvorgänge der mit
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgestatteten automatischen
Scharfstelleinrichtung. Die Fig. 9 ist ein weiteres
Ablaufdiagramm, das die Betriebsvorgänge der automatischen
Scharfstelleinrichtung bei dem Ermitteln eines Scharfeinstellungszustands
veranschaulicht.
Nach Fig. 7 läuft die Subroutine folgendermaßen ab: Bei einem
Schritt S- 2 wird zu Beginn eines jeweiligen Teilbilds dem
Schaltglied 17 das Steuersignal G zugeführt, um ein in dem
vorgewählten Erfassungsbereich erhaltenes Bildsignal abzuleiten.
Bei einem nächsten Schritt S- 3 werden Werte
P 1. . .PN, die am Ende des Teilbilds im Speicher 24
gespeichert sind, die vom A/D-Wandler 21 abgegebene Intensität B
der Hochfrequenzkomponente und der von dem Geschwindigkeitsdetektor
29 abgegebene Bildbewegungsvektor V aufgenommen.
Bei Schritten S- 4 und S- 5 werden die Bewertungen q
berechnet, welche das Schärfeausmaß bzw. die Steilheit des
Signal-Flankenteils anzeigen.
Bei diesen Schritten S- 3 bis S- 5 arbeitet der Mikroprozessor
30 folgendermaßen: zuerst werden die Werte P 1, P 2, . . .PN
nacheinander aus dem Speicher 24 ausgelesen. Aus dem A/D-Wandler
21 wird der Intensitätswert B der Hochfrequenzkomponente
aufgenommen, während aus dem Geschwindigkeitsdetektor
29 der Bildbewegungsvektor V aufgenommen wird. Mit N ist
dabei die Anzahl von Abtastzeilen in dem Erfassungsbereich
bezeichnet. Beim Schritt S- 4 wird ein Rechenvorgang nach
einer Gleichung
für jeden dieser Werte P 1, P 2, . . .PN für i = M + 1 bis N - M
ausgeführt, wobei M eine ganze Zahl ist, die kleiner ist als N
ist, Pk der Maximalwert der auf der k-ten Abtastzeile ermittelten
Steilheit P (t) der Signalflanken ist und qi ein mittlerer
Maximalwert der bei aufeinanderfolgenden M Abtastzeilen ermittelten
Steilheitswerte P(t) ist. Dementsprechend wird als
q der Steilheitsgrad des steilsten Signal-Flankenteils mit einer
bestimmten Länge in Vertikalrichtung der Bildebene gemäß
der Darstellung in Fig. 1(a) berechnet (Schritt S- 5). Dieser
Wert bzw. diese Bewertung q wird als Maßstab für das Erfassen
des Scharfeinstellungszustands des optischen Systems herangezogen,
d. h., mit dieser Anordnung wird zur Scharfeinstellungsermittlung
die beim Schritt S- 4 ermittelte Breite des
Signal-Flankenteils mit der größten Steilheit, nämlich die kleinste
Flankenbreite erfaßt. Im Falle einer üblichen Videokamera
wird die Anzahl N der Abtastzeilen im Erfassungsbereich
vorzugsweise zwischen 50 und 100 gewählt, während die Anzahl
M der Mittelungs-Abtastzeilen zwischen 5 und 10 oder ähnlich
gewählt wird.
Nach Fig. 8 arbeitet die automatische Scharfstelleinrichtung
folgendermaßen: Die Funktion der automatischen Scharfstelleinrichtung
beginnt bei einem Schritt S- 7. Bei einem Schritt
S- 8 wird ein Normalwert für einen Erfassungsbereich eingestellt
(der normalerweise der mittlere Teil der Bildebene
ist), d. h., es wird ein Bereich eingestellt, in welchem bei
dem Schritt S- 2 nach Fig. 7 das Schaltglied 17 durch das
Steuersignal G durchgeschaltet wird. Danach wird bei einem
Schritt S- 9 mit der in Fig. 7 gezeigten Subroutine eine
Bewertung q berechnet. Bei einem Schritt S- 10 wird die auf
diese Weise erhaltene Bewertung q mit einem Störwert q 2
verglichen. Falls q ≦ωτ q 2 ermittelt wird, d. h. die
Bewertung q kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, was anzeigt,
daß infolge der Unschärfe des Bilds selbst die kleinste
Kantenbreite des Objektbilds zu groß ist, wird bei Schritten
S- 11 bis S- 16 das optische System in der Richtung zur
Steigerung der Intensität B der Hochfrequenzkomponente verstellt,
bis die Bedingung q ≦λτ q 2 erreicht ist. Entsprechend
der Abweichung des optischen Systems vom Scharfeinstellungszustand
nimmt die Bewertung bzw. der Wert q schnell
in einem derartigen Ausmaß ab, daß bei einer übermäßigen
Unschärfe der Ermittlungsvorgang infolge des Störsignalanteils
bzw. des Rauschens unmöglich wird. Zur Lösung dieses Problems
sind bei dem Ausführungsbeispiel die in Fig. 6 gezeigten
Schaltungselemente 18 bis 21 vorgesehen. Wenn die Bewertung
bzw. der Wert q niedriger als der vorgegebene Rauschpegel-Wert
q 2 ist, wird der Intensitätswert B für die Hochfrequenzkomponente
des Bildsignals aufgenommen und die Steuerung
gemäß diesem Intensitätswert B anstiegsabhängig
ausgeführt. Im einzelnen wird bei dem
Schritt S- 11 der Motor 31 in einer gewünschten Richtung betrieben.
Danach wird bei dem Schritt S- 13 der neu ermittelte Wert
B mit dem vorangehenden Wert B verglichen. Wenn das Vergleichsergebnis
eine Abnahme des Werts B anzeigt, wird bei
dem Schritt S- 14 der Motor 31 in Gegenrichtung betrieben. Bei
den Schritten S- 15 und S- 16 wird der Motor 31 fortgesetzt weiter
betrieben, bis der ermittelte Wert q den Wert q 2 übersteigt.
Wenn die Einstellung des optischen Systems bis zu einem
gewissen Ausmaß an die Scharfeinstellung angenähert ist und
daher die Bedingung q ≦λτ q 2 erfüllt ist, d. h. die Breite
des schmälsten Signal-Flankenteils kleiner als eine vorgegebene
Breite wird, schreitet das Programm zu einem Schritt S- 27
weiter.
Falls bei dem Schritt S- 10 q ≦λτ q 2 ermittelt wird, d. h. wenn die
Breite des schmälsten Signal-Flankenteils des Objektbilds kleiner
als ein vorgegebener Wert ist, wird nicht die anhand der
Schritte S- 11 bis S- 16 beschriebene Anstiegssteuerung
ausgeführt, sondern in Schritten S- 17 bis S- 26 derart gesteuert,
daß die Bewertung bzw. der Wert q größer wird. Falls zuerst
der ermittelte Bewegungsvektor V größer als ein vorbestimmter
Wert ist, gibt der Mikroprozessor 30 bei dem Schritt S- 17 an
das Schaltglied 17 ein Steuersignal G in der Weise ab, daß
der Erfassungsbereich so weit versetzt wird, daß der Bewegungsvektor
V der Bewegung des Objekts bzw. Bilds folgt.
Danach wird bei dem Schritt S- 18 die in Fig. 7 gezeigte
Subroutine ausgeführt. Dabei werden der Bewertungswert q und
der Bewertungsvektor V erfaßt. Sodann wird bei dem
Schritt S- 19 der Bewertungswert q entsprechend dem Bewertungsvektor V
korrigiert. Nimmt man beispielsweise an, daß sich
das Objektbild mit einer Geschwindigkeit VH in der Horizontalrichtung
bewegt, wird dadurch die ermittelte Signal-Flankenbreite
um VH Δ t größer, wobei Δ t die Sammel- bzw. Akkumulationszeit
des Bildsensors 1 ist. Daher wird der berechnete Wert q
entsprechend dieser Erhöhung korrigiert und zu einem neuen
Wert q geändert.
Bei dem Schritt S- 20 schreitet das Programm zu einem Schritt
S- 33 weiter, wobei angenommen ist, daß das Aufnahmeobjektiv
bzw. das optische System scharf eingestellt ist, wenn die
Bedingung q ≦λτ q 1 erfüllt ist. Falls q ≦ωτ q 1 ermittelt wird,
wird bei dem Schritt S- 21 der Motor 31 zum Verstellen des
Aufnahmeobjektivs in einer beliebigen Richtung angetrieben.
Danach wird der Motor 31 bei den Schritten S- 22 bis S- 26 in der
Richtung angetrieben, bei der der ermittelte Wert q größer
wird. Die Schritte S- 22 bis S- 24 sind den Schritten S- 17 bis
S- 19 gleichartig.
In Schritten S- 27 bis S- 32 wird der Scharfeinstellungszustand
ermittelt und die Verstellung des optischen Systems beendet.
Im einzelnen wird bei den Schritten S- 27 bis S- 29 der Wert q
ermittelt. Falls der Zusammenhang q ≦λτ q 1 ermittelt wird oder
ein Maximalwert erfaßt wird, bevor der Wert q den Wert q 1
erreicht, schreitet das Programm zu dem Schritt S- 33 weiter,
wobei angenommen ist, daß ein Scharfeinstellungszustand erreicht
ist, und ein dem Erreichen des Scharfeinstellungszustands
folgender Prozeß ausgeführt wird. Hierbei dreht
sich der Motor 31 in der bei den Schritten S- 21 bis S- 26
bestimmten Richtung. Falls der Scharfeinstellungszustand
nicht erfaßt wird, wird bei dem Schritt S- 32 entsprechend
einer zwischen den Werten q und q 1 ermittelten Differenz der
Motor 31 mit einer geringeren Geschwindigkeit betrieben, sobald
der Wert q dem Wert q 1 näherkommt. Danach wird erneut eine
Überprüfung zum Ermitteln des Werts q vorgenommen. Die Schritte
S- 27 bis S- 32 werden wiederholt, bis ermittelt wird, daß
das Objektiv scharf eingestellt ist.
Falls bei dem Schritt S- 31 ein Scharfeinstellungszustand
ermittelt wird und das Programm zum Schritt S- 33 fortschreitet,
bedeutet dies, daß als Aufnahmeobjekt ein Objekt
gewählt ist, das nahezu keinen Bildkantenteil hat.
Mit der beschriebenen Gestaltung dieses Ausführungsbeispiels
kann daher auch die scharfe Einstellung auf ein derartiges
Objekt ermittelt werden, das nahezu keine Bildkante hat.
Wenn in den vorstehend beschriebenen Schritten das optische
System auf diese Weise scharf eingestellt worden ist, beginnt
der Mikroprozessor 30 eine Überwachung, um zu ermitteln, ob
sich das Objekt in der Richtung der optischen Achse des
Objektivs bewegt oder ob ein Schwenkvorgang aufgetreten ist,
der eine erneute Scharfeinstellung auf das Objekt erforderlich
macht. Fig. 9 veranschaulicht den Ablauf eines
solchen Überwachungsvorgangs. Wenn ein Scharfeinstellungszustand
erreicht ist, wird bei einem Schritt S- 34 der Motorantrieb
sofort unterbrochen. Darauffolgend wird bei einem
Schritt S- 35 vom Mikroprozessor 30 ein anderer Schwellenwert
q 3 wie beispielsweise q 3 = 0,9 q′ eingestellt, der etwas
kleiner als ein Wert q′ ist, welcher der beim Erreichen
des Scharfeinstellungszustands ermittelte Wert q ist. Falls
sich danach das Objektbild bewegt, wird bei einem Schritt S-
36 der Erfassungsbereich geändert. Bei einem Schritt S- 37
wird auf die in Fig. 7 dargestellte Weise der Bewertungswert 9
ermittelt. Bei einem Schritt S- 38 wird der Wert q entsprechend
der Bildbewegung korrigiert. Bei einem Schritt S- 39
wird dann, wenn die Bedingung q ≦ωτ q 3 gilt, wieder die automatische
Scharfeinstellung ausgeführt. Falls jedoch bei einem
Schritt S- 40 der Zusammenhang q ≦λτ q 2 ermittelt wird, zeigt
dies an, daß keine übermäßige Unschärfe vorliegt. Daher wird
bei einem Schritt S- 41 das Objektiv scharf eingestellt, d. h.,
das Programm schreitet zu einem in Fig. 8 gezeigten Schritt
S- 41 weiter. Falls jedoch q ≦ωτ q 2 gilt, was eine übermäßige
Unschärfe anzeigt, kehrt das Programm zu dem Schritt S- 7
zurück, um wieder den Scharfeinstellungsvorgang einzuleiten.
Falls die Motordrehung unterbrochen wird, während der Wert q
seinen Maximalwert erreicht, bevor der Schwellenwert q 1 erreicht
ist, und unter diesen Bedingungen ein normales Bild
eines Objekts mit einem gewissen Kantenteil als nächstes in den
Erfassungsbereich gelangt, würde das Bild als scharf bewertet
werden, selbst wenn es in gewissem Ausmaß unscharf ist. Zur
Lösung dieses Problems wird daher der Motor 31 zwangsweise beispielsweise
in Intervallen von 1 s in Vorwärts- und Gegenrichtung
angetrieben und es wird dabei ermittelt, ob der Wert
q tatsächlich der Maximalwert ist. Ferner könnte im
Scharfeinstellungszustand ein sich schnell bewegendes Objekt
den Erfassungsbereich durchqueren oder plötzlich eine Schwenkung
vorgenommen werden. In diesem Fall würde der Wert q zeitweilig
unter den Schwellenwert q 3 abfallen und der Motor 31
unnötig zu einer Nachstellung der Bildschärfe
angetrieben werden. Zum Vermeidung dieser Schwierigkeiten kann
die Anordnung des Ausführungsbeispiels derart abgewandelt
werden, daß eine gewisse Wartezeit von beispielsweise 0,5 s
oder dergleichen eingeführt wird, wenn sich der Wert q in
einem Ausmaß ändert, daß einen gegebenen Wert übersteigt, und
daß der Motor 31 nur dann angetrieben wird, wenn am Ende der
Wartezeit der Wert q nicht wieder erreicht wird.
Das dermaßen gestaltete Ausführungsbeispiel ermöglicht es,
zwischen einem Scharfeinstellungszustand und einer unscharfen
Einstellung des optischen Systems ohne eine Beeinflußung
durch Unterschiede hinsichtlich der Art oder des Kontrastes
des Objekts zu unterscheiden, da auf einfache Weise die
Breite eines Kantenteils eines Objektbilds wie der Kontur desselben
erfaßt wird, welche im allgemeinen bei den meisten
unterschiedlichen Objekten in Erscheinung tritt. Das beschriebene
Ausführungsbeispiel ist daher außerordentlich gut
zur Verwendung in Verbindung mit einer automatischen Scharfstelleinrichtung
eines Geräts wie einer Videokamera geeignet.
Wenn sich beispielsweise das Objekt vor- oder zurückbewegt,
nachdem das optische System in einer Lage für einen maximalen
Schärfegrad angehalten ist, wird die Schärfe geringer, so
daß sich ein unscharfes Bild ergibt. In diesem Fall ist es
mit dem bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
angewandten Verfahren nicht möglich, eine passende Scharfeinstellungsrichtung
bzw. die Richtung zu beurteilen oder zu
ermitteln, in der das Objekt sich bewegt hat. Daher muß das
optische System zunächst in einer beliebigen Richtung
bewegt werden, um die passende Scharfeinstellungsrichtung zu
suchen. Dies ergibt mit 50% Wahrscheinlichkeit eine Objektivverstellung
in der falschen Richtung. Daher wird nicht nur
das Ansprechvermögen der Scharfeinstellung bei der Mitverfolgung
eines sich bewegenden Objekts vermindert, sondern auch ein
unbrauchbares Bild erhalten, wenn
kontinuierlich Bilder eines Objekts aufgenommen werden, wie dies
bei einer Videokamera oder einer Fernsehkamera der Fall ist.
Zur Lösung dieses Problems wird eine automatische Scharfstelleinrichtung
mit der Scharfeinstellungs-Ermittlungseinrichtung
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel derart gestaltet, daß
bei einer Vor- oder Zurückbewegung des Objekts nach dem Erfassen
eines Scharfeinstellungszustands die geeignete Scharfeinstellrichtung
ohne Verstellen des optischen Systems ermittelbar
ist, so daß sofort eine Scharfeinstellung vorgenommen
werden kann.
Das Funktionsprinzip bei diesem Ausführungsbeispiel wird
nachstehend anhand der Fig. 10(a), 10(b), 10(c), 11(a), 11(b)
und 11(c) beschrieben.
In den Fig. 10(a) und 11(a) ist eine durch das optische
System bestimmte Schärfentiefe dargestellt. Die
Schärfentiefe stellt einen Bereich dar, innerhalb dessen ein
Objektbild als scharf in der Bildebene abgebildet
angesehen werden kann. In jeder dieser Figuren ist über der
Ordinate die Schärfe des Objektbilds aufgetragen. Gemäß der
Darstellung nimmt der Schärfegrad entsprechend der besseren
Scharfeinstellung des Bilds zu und erreicht einen Maximalwert,
wenn das Bild am schärfsten abgebildet ist.
Bei der Scharfeinstellung wird gemäß Fig. 10(a) das Aufnahmeobjektiv
zuerst in der Richtung zu einer schärferen Einstellung,
d. h. in der Richtung einer Steigerung des Bildschärfegrads
verstellt. Das Objektiv wird dann innerhalb der Schärfentiefe
an einer Stelle angehalten, die über die Stelle
hinausgeht. an der der maximale Schärfegrad erzielbar ist.
Auf diese Weise wird
der Schärfegrad gespeichert, der beim Anhalten des Objektivs
erzielt wird. Falls sich darauffolgend gemäß der Darstellung
durch eine gestrichelte Linie in Fig. 10(b) das
Objekt in Richtung einer Steigerung des ermittelten
Schärfegrads bewegt, kann die geeignete Scharfeinstellungrichtung
als Richtung bestimmt werden, die der Richtung
zu der Stelle entgegengesetzt ist, an der der maximale
Schärfegrad erzielt wird. Wenn sich ferner gemäß der Darstellung
durch eine gestrichelte Linie in Fig. 10(c) das Objekt
in Richtung einer Verminderung des erfaßten Schärfegrads
bewegt, kann die geeignete Scharfeinstellungsrichtung
als Richtung zu der Stelle hin bestimmt werden, an der der
maximale Schärfegrad erzielt wird.
Auch wenn das Objektiv in
einer Stellung angehalten wird, bei der die Stellung für die
maximal erzielbare Schärfe nicht überschritten ist, kann die geeignete
Scharfeinstellungsrichtung auf gleichartige Weise in
Fällen ermittelt werden, bei denen sich das Objekt gemäß
der Darstellung durch eine gestrichelte Linie in Fig. 11(b)
oder 11(c) bewegt.
Die Verfahren zum Anhalten des Aufnahmeobjektivs in einer
Einstellung, die von der in Fig. 10(a) oder 11(a) gezeigten
Einstellung für die maximale erzielbare Schärfe verschieden
ist, umfassen folgende unterschiedliche Verfahren:
Bei einem ersten Verfahren wird durch Verstellen des
Objektivs in Richtung einer Steigerung des Bildschärfegrads
gemäß Fig. 10(a) die Stellung für die maximal erzielbare
Schärfe ermittelt und dann das Objektiv aus dieser ermittelten
Stellung vor dem Anhalten weiter in einem Ausmaß
verstellt, das einer aus der Brennweite und der F-Zahl des
Aufnahmeobjektivs berechneten Schärfentiefe entspricht.
Bei einem zweiten Verfahren wird das Aufnahmeobjektiv gemäß
Fig. 11(a) in Richtung einer Steigerung der Bildschärfe
verstellt, wonach dann aus der während des Verstellens ermittelten
Tendenz der Schärfeänderung eine Stellung für die
maximal erzielbare Schärfe vorausgesagt und entsprechend
dieser Voraussage das Objektiv innerhalb der Schärfentiefe
angehalten wird, bevor die vorausgesagte Stellung erreicht
ist.
Ein drittes Verfahren besteht darin, daß die Schärfe eines
Objektbilds unabhängig von der Helligkeit, dem Kontrast und dem
Muster des Objekts bewertet wird. Das vorangehend
beschriebene Ausführungsbeispiel stellt ein
Beispiel für eine derartige Schärfebewertung dar. Es wird die
Breite eines Kantenteils des Objektbildes ermittelt, wobei das
Ausmaß der Unschärfe des Bilds unabhängig vom Kontrast
des Objekts bewertet werden kann. Bei einer
vereinfachten Ausführung dieses Verfahrens wird die Hochfrequenzkomponente
des Bildsignals mittels einer Niederfrequenzkomponente
normiert.
Im Falle dieses Schärfebewertungsverfahrens gibt die ermittelte
Schärfe direkt das Ausmaß der Unschärfe des Objektbilds
wieder. Wenn daher das Aufnahmeobjektiv in Richtung einer
Steigerung der Schärfe verstellt wird die Verstellung an
einer Stelle beendet wird, an der der Schärfegrad einen
vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, kann damit das Objektiv
vor der Stellung für die maximal erzielbare
Schärfe innerhalb des Bereichs der Schärfentiefe angehalten
werden, wie es in Fig. 11(a) gezeigt ist.
Ein nach dem vorstehend beschriebenen Funktionsprinzip arbeitendes
Ausführungsbeispiel ist folgendermaßen gestaltet:
Obwohl diese Ausgestaltung für alle vorstehend
genannten Schärfebewertungsverfahren anwendbar ist, wird bei
diesem Ausführungsbeispiel gleichfalls das bei den Einrichtungen
gemäß den Fig. 4, 5 und 6 angewandte Schärfebewertungsverfahren
verwendet. Fig. 12 ist eine grafische
Darstellung der Funktion dieses Ausführungsbeispiels. Über
der Abszisse ist die Stellung des Objektivs aufgetragen,
während über der Ordinate der vorstehend genannte Bewertungswert
q als Schärfegrad aufgetragen ist. Gemäß den vorstehenden
Ausführungen ist der Schärfegrad q so weit wie möglich
von der Helligkeit und dem Kontrast des Objekts unabhängig.
Mit qL 2 ist ein Schwellenwert zwischen einer scharfen und
einer unscharfen Einstellung bezeichnet, während mit qL 1 ein
Wert über dem Schwellenwert qL 2 bezeichnet ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird nach Erreichen der Scharfeinstellung
das Aufnahmeobjektiv in einer Stellung angehalten,
bei der es innerhalb des Schärfentiefebereichs steht und bei
der der Schärfegrad q zwischen qL 1 und qL 2 und nicht auf dem
maximalen Wert liegt. Mit q 3 ist der Rauschpegel bzw. Störpegel
für den Schärfegrad q bezeichnet.
Die Fig. 13 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf der Betriebsvorgänge
bei einer gemäß diesem Ausführungsbeispiel gestalteten
automatischen Scharfeinstelleinrichtung zeigt. Die Gestaltung
der Einrichtung ist mit der in Fig. 4, 5 und 6
dargestellten Gestaltung identisch. Die Betriebsvorgänge bei
diesem Ausführungsbeispiel laufen folgendermaßen ab: nach
Fig. 13 wird die automatische Scharfstelleinrichtung bei
einem Schritt s- 7 in Betrieb gesetzt. Zuerst wird bei einem
Schritt s- 8 ein Normal-Erfassungsbereich eingestellt (welcher
normalerweise der mittlere Teil der Bildebene ist).
Im einzelnen wird gemäß Schritt S- 2 nach Fig. 7 ein Bereich
eingestellt, innerhalb dessen durch das Steuersignal G das
Schaltglied 17 durchgeschaltet wird. Bei einem Schritt s- 9
wird in der in Fig. 7 gezeigten Subroutine der Schärfegrad-
Wert q berechnet. Bei einem Schritt s- 10 wird der berechnete
Wert mit dem Störpegel q 3 verglichen. Falls das Ergebnis des
Vergleichs q ≦ωτ q 3 ergibt, d. h. der Bewertungswert q kleiner
als der vorgegebene Wert q 3 ist, was anzeigt, daß selbst
die kleinste Kantenbreite des Objektbilds infolge der Unschärfe
des Bilds noch übermäßig breit ist, wird das optische
System in Schritten s- 11 bis s- 16 in der Richtung einer Steigerung
der Intensität B der Hochfrequenzkomponente verstellt,
bis die Bedingung q ≦λτ q 3 erfüllt ist, und zwar deshalb, weil
wegen der plötzlichen Abnahme des Schärfegradwerts q bei der
Abweichung des optischen Systems aus der Scharfeinstellungslage
das Vorliegen eines Rausch- bzw. Störsignalanteils
die Scharfeinstellungsermittlung unmöglich macht, falls das
Bild übermäßig unscharf ist. Infolgedessen wird wie auf die
vorstehend beschriebene Weise bei den Schritten s- 15 und s- 16
der Motor 31 weiter betrieben, bis der ermittelte Wert q für die
Bewertung den vorgegebenen Wert q 3 übersteigt. Wenn die Bedingung
q ≦λτ q 3 erfüllt ist, wobei das optische System in eine
Stellung gelangt ist, die in einem gewissen Ausmaß näher an
der Scharfeinstellungslage liegt, d. h. wenn die Breite des
Kantenteils des Bilds kleiner als eine vorgegebene Breite
wird, schreitet das Programm zu einem Schritt s- 27 weiter.
Falls das Ergebnis des Vergleichs bei dem Schritt s- 10 q ≦λτ q 3
ist, also die kleinste Kantenbreite des Objektbilds kleiner
als der vorgegebene Wert ist, wird nicht die mit den Schritten
s- 11 bis s- 16 dargestellte Anstiegsteuerung vorgenommen,
sondern in Schritten s- 17 bis s- 26 eine Steuerung in der
Weise ausgeführt, daß der Schärfegrad q vergrößert wird.
Falls ein Bewegungsvektor V über einem vorgegebenen Wert
ermittelt wird, gibt zuerst der Mikroprozessor 30 an das
Schaltglied 17 ein Steuersignal G bei dem Schritt s- 17
in der in Verbindung mit Fig. 8 beschriebenen
Weise ab, so daß der Erfassungsbereich so weit versetzt
wird, wie der Bewegungsvektor V der Bewegung des Objekts
folgt. Danach wird bei dem Schritt s- 18 die in Fig. 7 gezeigte
Subroutine ausgeführt, um den Schärfegrad q und den Bewegungsvektor
V zu ermitteln. Bei dem nächsten Schritt s- 19
wird der Schärfegrad q entsprechend dem Bewegungsvektor V
korrigiert, d. h., wenn sich das Bild mit einer Geschwindigkeit
VH in der Horizontalrichtung bewegt, wird die ermittelte
Kantenbreite um VH Δ t vergrößert, wobei Δ t die Akkumulationszeit des
Bildsensors 1 ist. Daher wird der berechnete Wert q in einem
dieser Vergrößerung entsprechenden Ausmaß korrigiert und
dadurch zu einem neuen Wert q geändert. Bei einem Schritt s-
20 wird der Wert q in einen Wert q 1 geändert.
Sodann wird der zum Verstellen der Scharfeinstellungslage
des Aufnahmeobjektivs vorgesehene Motor 31 bei einem Schritt
s- 21 in einer beliebigen Richtung angetrieben. Bei Schritten
s- 22 bis s- 26 wird der Motor 31 in Richtung einer Steigerung
des ermittelten Werts q für den Schärfegrad angetrieben. Die
Schritte s- 22 bis s- 24 entsprechen den Schritten s- 17 bis s- 19.
Bei einem Schritt s- 27 wird die zu diesem Zeitpunkt bestehende
Motorantriebsrichtung als "A" gespeichert. A hat den Wert
"1", wenn das optische System aus der Stellung für die Entfernung
"unendlich" zur Stellung für die kleinste Entfernung
hin verstellt wird, und den Wert "-1", wenn das optische
System in der Gegenrichtung verstellt wird.
In Schritten s- 28 bis s- 36 wird ein Scharfeinstellungszustand
erfaßt und die Verstellung des optischen Systems beendet. Bei
den Schritten s- 28 bis s- 30 wird der Wert q
für den Schärfegrad ermittelt. Bei dem Schritt s- 31 wird
ermittelt, ob der Wert q größer als der in Fig. 12 dargestellte
Schwellenwert qL 1 ist. Wenn ein größerer Wert
ermittelt wird, schreitet das Programm zu dem Schritt s- 32
weiter. Wenn dies nicht der Fall ist, zweigt das Programm zu
dem Schritt s- 35 ab. Bei dem Schritt s- 35 wird ermittelt, ob
der erfaßte Wert q größer als der in Fig. 12 gezeigte Schwellenwert
qL 2 ist. Wenn dies der Fall ist, schreitet das Programm
zu einem Schritt s- 37 weiter. Wenn dies nicht der Fall ist,
zweigt das Programm zu dem Schritt s- 36 ab. Daher wird
bei dem Schritt s- 37 die Scharfeinstellung als erreicht angesehen,
wenn der Schärfegrad q kleiner als der Schwellenwert
qL 1 und größer als der Schwellenwert qL 2 ist. Falls der
Schärfegrad q größer als der Schwellenwert qL 1 ist, wird eine
Motorantriebsrichtung C entgegengesetzt zu der im vorstehend beschriebenen
Programmablauf vorgegebenen Antriebsrichtung A
eingestellt. Falls der Schärfegrad
q kleiner als der Schwellenwert qL 2 ist, wird die Motorantriebsrichtung
C bei dem Schritt s- 36 auf die
Antriebsrichtung A eingestellt. Bei dem
Schritt s- 33 wird der Motor 31 in der Richtung C angetrieben.
Sobald der Wert q dem Wert qL 1 oder qL 2 näherkommt, wird die
Motorgeschwindigkeit herabgesetzt. Danach wird wieder der
Schärfegrad q ermittelt. Die Schritte s- 28 bis s- 36 werden
wiederholt, bis ermittelt wird, daß das optische System die
Scharfeinstellung erreicht hat.
Nachdem das optische System bei den vorstehend genannten
Schritten in den Scharfeinstellungszustand versetzt
ist, erfolgt die ausschließende automatische Scharfeinstellung
gemäß der nachstehenden Beschreibung anhand des Ablaufdiagramms
in Fig. 14.
Wenn der Scharfeinstellungszustand erreicht ist, wird
der Motorantrieb bei einem Schritt s- 38 sofort unterbrochen.
Falls sich bei einem Schritt s- 39 das Bild bewegt hat, wird
bei diesem Schritt der Erfassungsbereich dementsprechend
geändert. Bei einem Schritt s- 40 wird auf die in Fig. 7
dargestellte Weise der Schärfegrad q ermittelt. Bei einem
Schritt s- 41 wird der Wert q entsprechend der Bewegung des
Bilds korrigiert. Falls sich das Bild nicht bewegt hat, wird
der Erfassungsbereich nicht geändert. Falls der Schärfegrad q
kleiner als der Wert qL 1 und größer als der Wert qL 2 ist,
werden Schritte s- 38 bis s- 45 wiederholt, während der Motor 31
stillsteht.
Wenn unter diesen Bedingungen der Schärfegrad q größer als
der Wert qL 1 wird, weil die Entfernung zwischen dem
Bildobjekt und der Position des optischen Systems
geändert hat, zweigt das Programm von dem Schritt s- 43 zu dem
Schritt s- 44 ab. Dabei wird bei dem Schritt s- 43 die Motorantriebsrichtung
C entgegengesetzt zur Motorantriebsrichtung
A eingestellt. Bei
dem Schritt s- 44 wird der Motor 31 zu einer Verstellung des
optischen Systems in einer Defokussierrichtung angetrieben,
die der Scharfeinstellungs- bzw. Fokussierrichtung entgegengesetzt
ist. Falls ferner der Schärfegrad q kleiner als
der Wert qL 2 wird, zweigt das Programm von dem Schritt s- 45
zu einem Schritt s- 46 ab. Falls bei dem Schritt s- 46 ermittelt
wird, daß der Schärfegrad q größer als der vorstehend
genannte Wert q 3 ist, zweigt das Programm zu einem Schritt s-
47 ab. Dabei wird die Motorantriebsrichtung C auf die
Motorantriebsrichtung A
umgeschaltet. Bei dem Schritt s- 44 wird dann der Motor 31 so angetrieben,
daß das optische System in der Fokussier-
bzw. Scharfeinstellungsrichtung verstellt wird. Falls
bei dem Schritt s- 46 ermittelt wird, daß der Schärfegrad q
kleiner als der Wert q 3 ist, zeigt dies entweder eine übermäßige
Unschärfe des Bilds oder eine Bewegung des Objekts
an. In diesem Fall kehrt das Programm zum Anfangsschritt
s- 7 zurück, um den Scharfeinstellungsvorgang erneut auszuführen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es daher stets möglich,
auf zuverlässige Weise eine Scharfeinstellung auf das aufzunehmende
Objekt selbst dann auszuführen, wenn es sich um ein
Objekt gemäß der Darstellung in Fig. 3(a) handelt. Bei der Gestaltung
gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Fokussier-
bzw. Scharfeinstellungsrichtung ohne Verstellung des optischen
Systems ermittelt werden, wenn das optische System
angehalten worden ist, nachdem das Objektbild in der Bildebene
scharf abgebildet wurde. Daher kann mit dem
Ausführungsbeispiel ein System wie eine Video- oder Fernsehkamera
derart gestaltet werden, daß fortlaufend Bilder eines
Objekts unter Nachführen von Vor- und Rückwärtsbewegungen des
Objekts aufgenommen werden. Infolgedessen ist die Scharfeinstellungs-Ermittlungseinrichtung
gemäß diesem Ausführungsbeispiel
außerordentlich gut zur Anwendung in automatischen
Scharfstelleinrichtungen von Videokameras oder dergleichen
geeignet.
Claims (21)
1. Einrichtung zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands
eines optischen Abbildungssystems, bei der ein Bild des
abzubildenden Objektes auf einer Wandlereinrichtung erzeugt
und in serielle elektrische Signale umgesetzt wird,
gekennzeichnet durch eine von den elektrischen Signalen
der Wandlereinrichtung (1) beaufschlagte Detektoreinrichtung
(13, 22 bis 24) zur Ermittlung einer Kantenbreite des
Bildes aus den elektrischen Signalen und Erzeugung eines
die ermittelte Kantenbreite angebenden Ausgangssignals und
durch eine vom Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (13,
22 bis 24) beaufschlagte Diskriminatorstufe (9 bis 11; 30)
zur Bestimmung des Scharfeinstellzustands des optischen
Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung
(13, 22 bis 24).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlereinrichtung (1) eine zweidimensionale Bildaufnahmeeinrichtung
aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoreinrichtung (13) zur Ermittlung
der Kantenbreite des Bildes in einer vorgegebenen Richtung
ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die vorgegebene Richtung eine Horizontalabtastrichtung
ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine
Speichereinrichtung (22) zur Speicherung des bei jeder
Horizontalabtastung ermittelten Minimalwertes der Kantenbreite
des Bildes.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (9 bis 11) eine
Vergleichereinrichtung (9) zum Vergleich der von der Detektoreinrichtung
(13) ermittelten Kantenbreite mit einem
vorgegebenen Wert aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der vorgegebene Wert (Po) dem kleinsten Streukreisdurchmesser
des optischen Abbildungssystems entspricht.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (13) eine
erste Detektorschaltung (2, 3, 4) zur Ermittlung der Differenz
zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Helligkeitswert
an der Bildkante, eine zweite Detektorschaltung
(2, 3, 6) zur Ermittlung eines an der Bildkante auftretenden
Helligkeitsgradienten und eine Recheneinrichtung (5,
7, 8) zur Berechnung der Kantenbreite des Bildes aus den
Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Detektorschaltung
aufweist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Diskriminatorstufe (9 bis 11) zur
Bestimmung des Scharfeinstellzustands des optischen Abbildungssystems
auf der Basis einer Vielzahl von über die
Detektoreinrichtung (13) ermittelten Kantenbreitenwerten
ausgebildet ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoreinrichtung (13, 22, 23, 24) zur Ermittlung
und Zählung von Bildkanten mit einer unter einem
vorgegebenen Wert liegenden Breite ausgebildet ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) die Zählung in
einem Bereich der Bildebene des von der Wandlereinrichtung
(1) umgesetzten Bildes durchführt.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet
durch eine Signalgeneratoreinrichtung (18 bis 21) zur
Erzeugung eines dem Abbildungszustand des optischen Abbildungssystems
entsprechenden Signals (B).
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diskriminatorstufe (30) in Abhängigkeit von dem
von der Signalgeneratoreinrichtung (18 bis 21) erzeugten
Signal die Scharfeinstellungsauswertung ändert.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diskriminatorstufe (30) zur Ermittlung des Scharfeinstellzustands
durch Vergleich des Zählergebnisses der
Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) mit einem vorgegebenen
Zahlenwert ausgebildet ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diskriminatorstufe (30) zur Änderung der Scharfeinstellungsauswertung
durch Änderung des vorgegebenen
Zahlenwertes ausgebildet ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine weitere Detektoreinrichtung (18 bis 21) zur Ermittlung
eines weiteren charakteristischen Fokussierzustandsparameters
vorgesehen ist, und daß die Diskriminatorstufe
(30) den Scharfeinstellzustand des optischen
Abbildungssystems in Abhängigkeit vom Ausgangssignal zumindest
einer der beiden Detektoreinrichtungen bestimmt.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Detektoreinrichtung (18 bis 21) zur Ermittlung
einer Hochfrequenzkomponente der elektrischen
Signale ausgebildet ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diskriminatorstufe (30) den Scharfeinstellzustand
des optischen Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal
der weiteren Detektoreinrichtung (18 bis 21)
bestimmt, wenn das von der ersten Detektoreinrichtung (13,
22 bis 24) erhaltene Ermittlungsergebnis eine vorgegebene
Bedingung erfüllt.
19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diskriminatorstufe (30) den Scharfeinstellzustand
des optischen Abbildungssystems aus dem Ausgangssignal
der weiteren Detektoreinrichtung (18 bis 21)
bestimmt, wenn kein Ermittlungsergebnis von der ersten
Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24 erhalten werden kann.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet
durch eine Stelleinrichtung (31) zur Verstellung
des optischen Abbildungssystems in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24).
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stelleinrichtung (31) die Verstellbewegung des
optischen Abbildungssystems zum Stillstand bringt, wenn
die von der Detektoreinrichtung (13, 22 bis 24) ermittelte
Kantenbreite des Bildes unter einem vorgegebenen Wert
liegt.
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