DE69117688T2

DE69117688T2 - Auf kontrast basierender autofokusmechanismus

Info

Publication number: DE69117688T2
Application number: DE69117688T
Authority: DE
Inventors: Cynthia Bell
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: EP0489892B1; DE69117688D1; WO1992001238A1; EP0489892A1; JPH05501767A; US5170202A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Kamera-Autofokusvorrichtung und insbesondere auf ein Verfahren zum automatischen Einstellen der Fokussierung einer Einzelbild-Kameralinse in Ansprechen auf aufeinanderfolgende Kontrastmessungen, die bei unterschiedlichen Blenden- oder Brennweiteneinstellungen vorgenommen werden.
Die anhaltende Beliebtheit und zunehmende Verbreitung von Einzelbild- und Bewegtfotografie unter gewerblichen Anwendern und Amateuren hat zur Entwicklung einer. Anzahl automatischer Funktionen geführt, von denen die wohl bedeutendste die automatische Fokussierung ist. Obwohl es mehrere akzeptierte Autofokus-Techniken gibt, ist der Kontrast- Autofokus eine der weit verbreiteten Techniken, insbesondere in vielen Videokameras und Camcordern. In einem Kontrast-Autofokussystem verfährt eine motorische Verfahrvorrichtung das Kameraobjektiv axial, um eine genaue Fokussierstellung in Ansprechen auf einen Vergleich aufeinanderfolgender, durch die Linse aufgenommener Bilder auf einem Halbleiter-Bildwandler in einer entsprechenden Filmebene durchzuführen. Insbesondere vergleicht diese Technik wiederholte Bildmuster, die bei verändernder Linsenstellung aufgenommen werden. Wenn die Kamera nicht auf einen beliebigen Aufnahmegegenstand fokussiert wird, ist das Musterbild unscharf und daher kontrastarm. Durch Verfahren des Objektivs zwecks Fokussierung des Aufnahmegegenstandes reduziert sich die Unschärfe, so daß sich der Kontrast im Bild erhöht. JP-59.148015 beschreibt ein Verfahren, in dem zwei Kontrastmessungen für zwei unterschiedliche Schärfentiefen und für die gleiche Stellung vorgenommen werden, um sofort zu ermitteln, ob der Aufnahmegegenstand scharf oder unscharf ist. Es wird nichts über die Schritte zum Bewegen der Linse zwecks schnellen Erreichens der Scharfstellung gesagt.
Das Problem bei herkömmlichen Kontrast-Autofokusverfahren besteht darin, daß sie normalerweise viele Kontrastmessungen erfordern, so daß die Linse solange verfahren wird, bis sie über einen optimalen Fokus hinaus verfahren ist, worauf sich der Kontrast zu verschlechtern beginnt. Die tinse wird dann zurück in entgegengesetzter Richtung zum Punkt des höchsten Kontrasts (schärfster Kontrast) verfahren. Das Unvermögen, das Objektiv fortlaufend und schnell auf den optimalen Fokus zu verfahren, ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß herkömmliche Kontrast-Autofokusverfahren keine Vorrichtung aufweisen, um von Anfang an ermitteln zu können, in welcher Richtung sich die Linse zur Fokussierung bewegen muß und wie weit die derzeitige Linsenstellung von der Fokusstellung entfernt ist. Obwohl einige dieser Probleme durch andere Autofokus-Techniken, insbesondere durch Korrelations-Autofokus, überwunden werden, erfordern sie zusätzliche, speziell angepaßte Optiken, um zwei geteilte Bilder zu erzeugen, und bedürfen zudem der doppelten Lichtmenge, um erfolgreich zu arbeiten, Kriterien, die nicht immer akzeptabel sind.
Erfindungsgemäß wird eine neue und verbesserte Kontrast- Autofokustechnik bereitgestellt, bei der die Zustände verändert werden, unter denen aufeinanderfolgende Bildaufzeichnungsvorgänge durchgeführt werden, wobei das Schärfentiefenmerkmal der Linse genutzt wird, um eine schnelle, schrittweise Annäherung der Linsenverschiebung auf die optimale (kontrastschärfste) Fokusstellung zu erreichen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum automatischen Steuern der Bewegung einer Einzelbild-Kamerafokussierlinse, derart, daß ein Bild eines Aufnahmegegenstandes schnell auf der Bildempfangsebene in Ansprechen auf aufeinanderfolgende Kontrastmessungen fokussiert wird, die unter unterschiedliche Schärfentiefen erzeugenden unterschiedlichen Abbildungszuständen erfolgten.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Schärfentiefenänderung durch Verändern der Blendeneinstellung für aufeinanderfolgende Kontrastmessungen erreicht. Basierend auf dem Kontrastunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Messungen wird das Maß berechnet, um das die Linse außerhalb der Fokusstellung liegt. Diese Berechnung wird herangezogen, um die Bewegung der Linse auf eine neue Position zu ermitteln, die an oder nahezu an einer Position des größten Kontrasts liegt. Wenn an dieser neuen Position weitere Feineinstellung erforderlich ist, wird eine Versuchs- und Irrtums-Fehlersubroutine ausgeführt, um zu ermitteln, in welcher Richtung die Linse zur Erreichung der Fokusstellung bewegt werden muß. Während dieser dritten Kontrastmessung wird der Betrag, um den die Linse in die richtige Richtung bewegt werden muß, berechnet, und die Linse wird zu einer Position bewegt, bei der eine Scharfstellung erreicht sein sollte. Um Szenen niedrigen Kontrasts (z.B. im Falle einer hellen Wand) zu berücksichtigen, kann eine Hilfsmessung an einer Standardposition durchgeführt werden. Für jeden Satz von Kontrastmessungen ergeben Kontrastunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Messungen (entweder aufgrund einer Änderung in der Blendeneinstellung oder einer Änderung in der Brennweite) einen (die Kontrastdifferenz darstellenden) Unschärfenkreisdifferenzwert. Diese Unschärfenkreisdifferenz wird mit einem entsprechenden Schwellenwert verglichen, der vorgegebenen Stellungsfehlern in der Fokussierstellung der Linse zugeordnet ist, um zu ermitteln, in welcher Richtung die Linse bewegt werden sollte. Ein dritter, einem vorgegebenen, absoluten, systemabhängigen Wert zugeordneter Schwellenwert wird eingesetzt, um zu ermitteln, wann. die Fokussierung erreicht ist, oder wann eine Fokussierung nicht möglich ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, in der die Kamera mit einer Linse veränderlicher Brennweite ausgestattet ist, etwa ein Zoom-Linsensystem, kann die Veränderung der Schärfentiefe durch Verändern der Brennweite der Linse für aufeinanderfolgende Kontrastmessungen erzielt werden. Auf Basis der Kontrastdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Messungen wird das Ausmaß, um das die Linse außerhalb der Fokussierung liegt, geschätzt, und der Schätzwert wird benutzt, um die Bewegung der Linse auf eine neue Stellung in Nähe des höchsten Kontrasts zu ermitteln. An jeder neuen Stellung, auf die die Linse bewegt wird, wird die Brennweite verändert, so daß die Schärfentiefe schrittweise verändert wird, um die Fokussierstellung der Linse mit der Stellung des Aufnahmegegenstandes in Übereinstimmung zu bringen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 in schematischer Form allgemeine Systemkonfigurationen einer Autofokus-Kamera mit einer erfindungsgemäßen Schärfentiefen-Einstellvorrichtung;
Fig. 2 in schematischer Form die Geometrie der Kamera und einen auf eine Bildempfangsebene zu fokussierenden Aufnahmegegenstand;
Fig. 3 in schematischer Form eine Schärfentiefendifferenz einer Linse hinsichtlich eines Aufnahmegegenstandes, während veränderter Blendenöffnungen;
Fig. 4 in grafischer Form die Art und Weise, in der sich die Größe eines Unschärfenkreises bei unterschiedlichen Stellungen des Aufnahmegegenstandes über den Fokussierbereich der Kamera verändert;
Fig. 5 in grafischer Form die Veränderung des Größenunterschieds des Unschärfenkreises mit Positionsfehler zwischen Linse und Aufnahmegegenstand;
Fig. 6 in grafischer Form ein Kurvenpaar in Relation zur Unschärfenkreisgrößendifferenz und Stellung des Aufnahmegegenstandes;
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung für das Kontrastmeßsignal; und
Fig. 8-11 entsprechende Beispiele von Histogrammen für verschiedene Fokuszustände der Linse.
Vor einer detaillierten Beschreibung der verbesserten, erfindungsgemäßen Kontrast-Autofokusvorrichtung ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung hauptsächlich auf einer neuartigen Linsenstellsteuervorrichtung für eine Einzelbildkamera beruht und herkömmliche, elektrisch betätigte Stellglieder für Linsenbewegung und Blendeneinstellung benutzt, nicht auf besonderen, detaillierten Konfigurationen der Komponenten der Kamera-Hardware. Entsprechend wurde die Struktur, die Steuerung und die Anordnung derartiger herkömmlicher Linsenverfahrkomponenten und zugehöriger Steuerschaltungen in den Zeichnungen anhand einfach verständlicher Blockdiagramme illustriert, die nur diejenigen Details zeigen, die der vorliegenden Erfindung zueigen sind, um die Beschreibung nicht mit strukturellen Details zu belasten, die den Fachleuten, die die hier erfolgende Beschreibung verwerten, ohnehin klar sind. Die Blockdiagrammdarstellungen der Abbildung stellen daher nicht notwendigerweise den mechanischen, strukturellen Aufbau des Mustersystems dar, sondern dienen hauptsächlich zur Darstellung der strukturellen Hauptkomponenten des Systems in einer übersichtlichen, funktionellen Anordnung, wodurch die vorliegende Erfindung besser verständlich wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine allgemeine Systemkonfiguration einer mit der erfindungsgemäßen Schärfentiefeneinstellvorrichtung ausgestatteten Autofokus-Kamera in schematischer Form gezeigt, und zwar mit einer Abbildungslinse 10 mit einem feststehenden Linsenelement 11 und einem beweglichen Linsenelement 12, dessen Stellung steuerbar in Richtung der Pfeile A entlang der optischen Achse 13 der Abbildungslinse mittels eines Fokustreibers 15 unter Steuerung einer zugehörigen System-Mikrosteuereinheit 16 steuerbar verfahrbar ist. Die Bedienersteuerung der Kamera erfolgt mittels eines herkömmlichen Einschalters 23 und eines Kameraauslösers 25, die an Ein-/Ausgabe-Ports der Mikrosteuereinheit angeschlossen sind. (Mikrosteuereinheit 16 umfaßt einen angepaßten Mikroprozessor, zugehörigen Speicher und A-D-/D-A-Schnittstellenkomponenten zum Steuern des Betriebs dedizierter Ein-/Ausgabegeräte, mit denen diese verbunden ist. Da Architektur und Betrieb dieser Komponenten von herkömmlicher Art sind, werden sie hier nicht dargestellt. In der folgenden Beschreibung wird statt dessen die Steuervorrichtung, durch die die Mikro-Steuereinheit schrittweise die Blendenöffnung der Abbildungslinse einstellt und fokussiert, detailliert beschrieben.)
Zugeordnet zu Abbildungslinse 10 ist eine variable Blende 20, deren Einstellung (F/#) steuerbar mittels eines Blendentreibers 22 unter Steuerung von Mikrosteuereinheit 16 eingestellt werden kann. Axial zu Abbildungslinse 10 versetzt befindet sich eine Bildempfangsebene 24, an der ein Bilderfassungsmittel 26, etwa ein fotografischer Film oder ein optoelektronischer Wandler, zur Überwachung der mit Abbildungslinse 10 fokussierten Bilder angeordnet ist.
In einer Linsendurchgangskonfiguration, etwa wie bei einer einäugigen Spiegelreflexkamera, befindet sich das Bilderfassungsmittel typischerweise in einer Bildebene, die physisch zur Filmebene der Kamera versetzt ist, und somit, beispielsweise mit Hilfe eines schnell umschlagenden (nicht gezeigten) Spiegels, zu diesem Zweck bereitgestellt werden kann. Wenn das Bilderfassungsmittel ein optoelektronischer Wandler ist, kann eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), etwa eine von Eastman Kodak Co., Rochester, New York, hergestellte Zwischenzeilen-CCD-Bildsensor-Fotodiodenvorrichtung, eingesetzt werden. Sensor 26 wird über einen Bild-. sensortreiber 28 aufbereitet und über einen Bildsensortreiber 28 unter Steuerung von Mikrosteuereinheit 16 abgetastet. Seine Ausgangssignale werden über eine Vorverstärker- und Signalaufbereitungseinheit 29 an Mikrosteuereinheit 16 angelegt. Wie nachfolgend beschrieben wird, sind die Signale von Interesse, die den Kontrast in aufeinanderfolgenden Bildern für unterschiedliche Schärfentiefenzustände anzeigen.
Wie zuvor kurz ausgeführt, verändert die erfindungsgemäße Kontrast-Autofokustechnik Zustände, unter denen aufeinanderfolgende Bildaufzeichnungen durchgeführt werden, und nutzt dabei das Schärfentiefenmerkmal der Linse, um eine schnelle, schrittweise Annäherung der Linsenverschiebung an einen optimalen (kontrastschärfsten) Fokuszustand zu erreichen. Insbesondere verändert die erfindungsgemäße Kontrast Autofokusvorrichtung die Blendeneinstellung (Blendeneinstellung (F/#)) oder die Brennweite (f) (z.B. im Falle einer Kamera mit Zoom-Linse) der Kamera, um die Schärfentiefe (DOF / Depth of Field) auszunutzen, die typischerweise als eine Funktion jeder dieser Variablen im Ausdruck:
DOF = k(F/#)/f²
definiert ist, worin k eine Proportionalitätskonstante ist.
Um das Verständnis der Verwendung des Schärfentiefen- merkmals zur Implementierung der erfindungsgemäßen Kontrast-Autofokusvorrichtung zu erleichtern, ist es sinnvoll, die relevante Geömetrie der Kamera mittels der schematischen Darstellung von Fig. 2 zu betrachten. In Fig. 2 wird die Lage der Kameraabbildungslinse durch eine Linsenebene 30 bezeichnet, die in einer Entfernung S0 zur Lage eines Aufnahmegegenstandes. 32 beabstandet ist. Dieser Teil der Linsenebene 30, der Lichtstrahlen 32 von Aufnahmegegenstand 32 empfängt, ist durch eine in die Linse integrierte, variable Blende 20 begrenzt, um eine Öffnungsbreite d in der Linsenebene zu bilden. Die Bildempfangsebene (Film) 24 der Kamera ist zur Linsenebene 30 um einen Abstand f' beabstandet, der ungefähr gleich der Brennweite f der Linse ist. In der schematischen Darstellung von Fig. 2 wird die tatsächliche Fokussierstellung 34 der Linse (also eine Ebene, die Lichtpunktquellen enthält, die auf der Bildempfangsebene der Linse fokussiert sind), als an der Vorderseite des Aufnahmegegenstandes um einen Abstand S1 zur Linsenebene 30 beabstandet gezeigt, so daß die Fokussierstellung 34 um den Abstand zu kurz ist, der zum Fokussieren eines scharfen Bildes des Aufnahmegegenstandes auf der Bildempfangsebene 24 erforderlich ist.
Wo immer es zu einem nicht fokussierten Zustand kommt, wie etwa in dem Geometriebeispiel von Fig. 2, kommt es zu einer Streuung von Lichtstrahlen 31, die aus einer Punktquelle 40 auf Aufnahmegegenstand 32 austreten, und zwar über einen Bereich, der durch Streuungs- oder Unschärfenmaß b an Fokussierstellung 34 bezeichnet wird. Linse 10 fokussiert Unschärfenbereich b als entsprechend unscharfen Bildbereich b' (nachfolgend als ein Unschärfenkreis bezeichnet) auf Bildempfangsebene 24. Da der Kontrast verringert wird, wennein Bild unschärfer wird (größerer Unschärfenkreis b'), und da er größer wird, wenn die Größe des Unschärfenkreises b' abnimmt, ist es durch Bewirken einer Anderung in der Schärfentiefe, die zu einer Anderung in der Größe des Unschärfenkreises führt (Kontraständerung), möglich, Informationen über die Lage der Fokussierstellung 34 (die aus der Linsenstellung bekannt ist) zur Stellung des Aufnahmegegenstandes (die unbekannt ist), abzuleiten. Aus dieser Beziehung kann der Abstand S0 zum Aufnahmegegenstand ermittelt werden, so daß die Linse um das zur scharfen Abbildung des Aufnahmegegenstandes notwendige Maß verschoben werden kann.
Insbesondere besteht das Kontrastmaß in einem empfangenen Bild aus dem Kontrast in der Szene selbst, aus der Kamerasystemverschlechterung aufgrund derartiger Effekte, wie Linsenstreuung, und des nicht fokussierten Zustands der Abbildungslinse entsprechend der Trennung der Fokussierstellung 34 von der Ebene des Aufnahmegegenstandes 32. Die Szenenabhängigkeit des Kontrastes kann durch Steuern des Autofokus-Systems auf der Grundlage von Unschärfendifferen zen anstatt absoluter Unschärfenwerte erfolgen. Zudem ist die Systemverschlechterung für ein gegebenes System konstant und kann beim Einstellen der Steuerungsparameter (Schwellenwerte) der Autofokusvorrichtung berücksichtigt werden. Wie noch nachfolgend beschrieben wird, kann demnach die kontrastabhängige Autofokus-Vorrichtung auf die Ermittlung der Stellung der Linse zum Aufnahmegegenstand reduziert werden.
Aus der Geometrie aus Fig. 2 gelten folgende Beziehungen:
F=f/d (1)
(F/#2)/(F#/1)=d1/d2=b'1/b'2 (2)
b/(S0-S1)=d/S0 für S0> S1 (3a)
b/(S1-S0)=d/S0 für S1> S0 (3b)
b/S1=b'/f für alle»f (4)
(was für im wesentlichen alle fotografischen Zustände gilt, mit Ausnahme der Makrofotografie)
Neuanordhung der Gleichung (4):
b'=fb/S1 (5)
Ersetzen von b anhand Gleichungen (1) und (3), b' kann wie folgt definiert sein:
b'=f²(S0-S1)/FS0S1 für S0> S1 (5a)
b'=f²(S1-S0)/FS0S1 für S1> S0 (5b)
Wenn die Blendengröße (F/#) geändert wird, besteht eine Differenz in der Schärfentiefe, wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, die wiederum eine Differenz in der Unschärfenkreisgröße erzeugt. Für das illustrierte Beispiel einer gegebenen Blendenöffnung gemäß einem Blendenöffnungswert von F/1,8 fällt die Schärfentiefe 41 der Linse vollständig vor den Aufnahmegegenstand und hat in einer zufälligen Ebene 42 die Breite W41 und die Neigung SL41. Durch Verändern des Blendenöffnungswertes auf F/5,8 wird eine größere Schärfentiefe 43 erzeugt, die den Aufnahmegegenstand überlagert und in Ebene 42 eine Breite W43 und eine Neigung SL43 aufweist. Diese Differenzen in der Schärfentiefe sehen eine Vorrichtung zum Abschätzen der Stellung eines Aufnahmegegenstandes vor (d.h. Entfernung-S0), so daß die Abbildungslinse, deren Stellung bekannt ist, bewegt werden kann, um deren Fokussierstellung 34 in Übereinstimmung mit dem Aufnahmegegenstand zu bringen.
Aus den vorausgehenden Ausdrücken (5a) und (5b) für die Unschärfenkreisgröße können bei einer gegebenen Linsenstellung (einer gegebenen Brennweite f) für zwei verschiedene Blendengrößen (Blendenöffnungswerte F) F1 und F2 folgende Beziehungen für die Unschärfenkreisgröße definiert werden:
b'(1)=f²(S0-S1)/F(1)S0S1 und (6)
b'(2)=f²(S0-S1)/F(2)S0S1 (7)
Für die beiden Blendeneinstellungen ist die Kontrastdifferenz Dc in dem empfangenen Bild proportional zu der Differenz zwischen diesen Werten:
Dc=ksystem{b'(1)-b'(2)} (8)
Ersetzen der Gleichungen (6) und (7) in Gleichung (8) ergibt:
Dc=ksystem{f²(S0-S1)/F1S0S1-f²(S0-S1)/F1S0S1} (9)
Dc=ksystemf²{1/F1-1/F2}{(S0-S1)/S0S1} (10)
Da kystemf²{1/F1-1/F2} eine Konstante ist, die beispielsweise als Wert C bezeichnet werden kann, läßt sich Gleichung (10) umschreiben als:
Dc/C=1/S1-1/S0 (11)
Aus Gleichung (11) können Ausdrücke für den unbekannten Abstand zu Aufnahmegegenstand S0 wie folgt definiert werden:
S0=S1C/(C-S1Dc) für S0> S1 (12)
S0=S1C/(C+S1Dc) für S1> S0 (13)
Da C eine Konstante für eine gegebene Kamera und eine gegebene Menge von F-Zahlen ist, und da die Linsenfokussier stellung S1 bekannt ist, kann in Gleichungen (12) und (13) der Abstand zum Aufnahmegegenstand So ermittelt werden, indem die Differenz in Kontrast Dc gemessen wird, und indem die Meßdaten auf die zuvor genannten Ausdrücke angewandt werden. Der Wert S0 kann entweder direkt berechnet oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Transformationstabelle ermittelt werden.
Die Weise, in der sich die Unschärfenkreisgröße (und der erwartete Kontrast) für verschiedene Stellungen des Aufnahmegegenstandes über den Fokussierbereich der Kamera ändert, kann aus Gleichungen (5) berechnet werden und ist grafisch in Fig. 4 illustriert. Es ist zu beobachten, daß die größten Differenzen in der Unschärfenkreisgröße dann auftreten, wenn die Linse unmittelbar vor dem Aufnahmegegenstand erheblich unscharf gestellt ist.
Fig. 5 stellt die Abweichung der Unschärfenkreisgrößendifferenz mit Linse-zu-Aufnahmengegenstands-Stellungsfehler grafisch dar. Wie zuvor in Gleichungen (12) und (13) gezeigt, weist die Differenz im gemessenen Kontrast Dc auf die Unschärfenkreisdifferenz hin. Beispielsweise entsprechen in Fig. 5 die mit 'Aufnahmegegenstand 2,5 m' bezeichneten Datenpunktkurven Daten, die ermittelt wurden, als die Linse auf einen Abstand von 2,5 m fokussiert war.
Wenn gemessene Kontrastdaten benutzt werden, um den Abstand zum Aufnahmegegenstand So abzuleiten, darf nur eine der Gleichungen (12) und (13) benutzt werden, wobei die Wahl davon abhängt, ob die Linse vor (+) oder hinter (-) den Aufnahmegegenstand fokussiert ist, was grafisch durch die Kurvenpaare dargestellt werden kann, die in der Beziehung zwischen der in Fig. 6 gezeigten Unschärfenkreisgrößendifferenz und der Aufnahmegegenstandsstellung illustriert werden kann. Um die richtige Wahl zu treffen, wird die Kontrastmessung ausgewertet, um zu ermitteln, ob sie so großist (d.h. größer als ein in Fig. 5 gezeigter erster Schwellenwert T1), daß der Stellungsfehler offensichtlich ist. Falls er nicht offensichtlich ist, muß eine weitere Kontrastmessung an einer zweiten Linsenstellung erfolgen, wie nachfolgend beschrieben wird. Aus dieser zusätzlichen Aufzeichnung geht hervor, in welcher Richtung die Linse bewegt werden soll, um den Aufnahmegegenstand scharfzustellen.
Mit Bezug auf Fig. 7, bei der es sich um ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Kontrastmeß-Signalverarbeitungsvorrichtung handelt, beginnt das Verfahren mit dem Ansteuern des beweglichen Linsenelements 12 auf eine vorgegebene Startposition (z.B. auf unendlich fokussiert) in Schritt 101. Die Linsensichtöffnung wird anfänglich auf ihre größte Öffnung eingestellt, und es wird in Schritt 103 eine erste Kontrastmessung M1 durchgeführt. Die Kontrastmessung selbst kann durch Erzeugen eines Intensitätshistogramms einer Matrix von Bildstellungen auf Bildempfangsebene 24 ausgeführt werden. Im Falle einer Halbleiterabbildungsvorrichtung 26 werden die Intensitätswerte jedes Ausgangssignals von derempfangenden Fotodiodenmatrix über den mit der Mikrosteuereinheit verbundenen A/D-Wandler auf eine vorgegebene Auflösung quantisiert (z.B. acht Bits oder 256 Quantisierungsstufen), und die quantisierten Daten werden summiert.
Fig. 8-11 zeigt entsprechende Beispiele der Histogramme für verschiedene Fokussierzustände der Linse. Ein typisches Histogramm 80 eines nicht fokussierten Bildes, das mit einer kleinen Schärfentiefe (große Blendenöffnung F/#) erfaßt wurde, wird in Fig. 8 gezeigt. Hier ist der Kontrastbereich, d.h. der Bereich der Intensität, der auf die empfangenden Fotodioden der Abtastvorrichtung auftrifft, schmal, wobei die Charakteristik um einen Mittelbereich zentriert ist. Durch Erhöhen der Schärfentiefe (verkleinern von F/#) wird eine Streuung der Kontrastmessung M2 erreicht, wie in Histogramm 90 in Fig. 9 gezeigt, da der Fokus des Bildes zwar etwas verbessert wird, aber nicht bis auf die endgültige Schärfe. Die Histogramme der großen und kleinen Blendenöffnungen sehen gleich aus, wenn die Linse auf den Aufnahmegegenstand fokuss-iert wird. Dieser Fokussierungszustand wird durch Histogramm 100 in Fig. 10 ge zeigt, die eine breite Streuung im Empfindlichkeitsbereich des Quantisierers anzeigt. Eig. 11 zeigt ein Histogramm 110, in dem die Szene wahrscheinlich einen einzigen Ton aufweist und entweder fokussiert ist oder nicht fokussierbar ist.
In Schritt 105 wird die Blendengröße, ausgehend von ihrer größten Öffnung, verkleinert, und es wird eine zweite Kontrastmessung M2 durchgeführt. In Schritt 107 wird die Differenz Dc zwischen den in Schritt 103 und 105 erfolgten Kontrastmessungen M1 und M2 berechnet. Dann wird diese Kontrastdifferenz Dc in Schritt 109 mit einem ersten Schwellenwert T1 verglichen, um zu ermitteln, ob die erste Fokussierstellung der Linse zu nah ist (deutlich vor der Position des Aufnahmegegenstandes) und weiter von der Kamera entfernt verschoben werden muß. Dieser erste Schwellenwert T1 wird grafisch in Fig. 5 als an einem Unschärfenkreisdifferenzwert (b') liegend gezeigt, der etwas größer als der maximal mögliche-. Wert auf der "nahen" oder (-) Seite der Charakteristik liegt. Wenn der Kontrastwert den Schwellenwert T1 überschreitet, steht fest, daß die Linsenfokusstellung weiter von der Kamera entfernt verschoben werden muß (zur (+) Seite der Charakteristik).
Davon ausgehend, daß die Antwort auf Schritt 109 JA lautet, wird das Verfahren mit Schritt 111 fortgesetzt, worin die Linse verschoben wird, um die Fokussierstellung dichter an den Aufnahmegegenstand heranzubringen, und zwar um einen Betrag, der durch den gemessenen Kontrastdifferenzwert Dc gemäß Gleichung (13) ermittelt wurde. Wie zuvor in Verbindung mit der Ableitung der Gleichungen (12) und (13) erläutert, kann der Wert S0 entweder direkt berechnet oder aus einer Transformationstabelle ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der gemessene Kontrast Dc mit der Entfernungsinformation S1 und den Systemparametern kombiniert, durch die Kontante C derzeit bestimmt ist, um eine Adresse für den Zugriff auf eine Linsenverschiebungs-Transformationstabelle zu erzeugen, um einen die Größe der Verschiebung von Linse 12 darstellenden Wert zu erhalten (z.B. einige inkrementelle Schrittimpulse an Fokustreiber 15), deren Wert geschätzt wird, um die Fokussierstellung der Linse in Übereinstimmung mit dem Aufnahmegegenstand zu bringen. In Schritt 113 wird die Linse um diesen Wert verschoben, und das Verfahren kehrt zu Schritt 103 zurück, so daß Schritte 103-109 wiederholt werden.
Die neu gemessene Kontrastdifferenz (Unschärfenkreisgröße) sollte bei der jetzt dichter um einen Betrag am Aufnahmegegenstand liegenden Fokussierstellung der Linse, der geschätzt wurde, um den Linsenabstand S1 effektiv gleich dem Aufnahmeab-stand S0 zu machen, erheblich kleiner sein als der T1-Schwellenwert (z.B. nahe Null) 4 Demnach ist die Antwort auf Schritt 109 NEIN, und das Verfahren fährt mit Schritt 121 fort, worin die gemessene Kontrastdifferenz mit einem zweiten Schwellenwert T2 verglichen wird, der, wie in Fig. 5 gezeigt, sehr dicht an Null liegt, und zwar an einem vorgegebenen, akzeptablen Unschärfenkreisgrößenfehler. Wenn die Linse in Schritt 113 so verschoben wurde, daß sie mit dem Aufnahmegegenstand übereinstimmt, ist die Antwort auf Schritt 121 NEIN, und das Verfahren wird mit Schritt 151 fortgesetzt, worin jeder der gemessenen Kontrastwerte M1 und M2 mit einem einen vorgeschriebenen, absoluten Kontrastpegel darstellenden dritten Schwellenwert T3 verglichen wird.
Speziell der dritte Schwellenwert T3 wird benutzt, um Szenen zu unterscheiden, die entweder weitgehend dunkel oder hell sind. Schwellenwert T3 ist ein absolutes Kontrastminimum und wird gemäß den Systemparametern, einschließlich Quantisierungspegel, Bildauflösung und Empfindlichkeit, Linsenstreuung, Linsenauflösungsleistung usw. ermittelt. Wenn ein Kontrastwert diesen dritten Schwellenwert T3 überschreitet (die Antwort auf Schritt 151 ist JA), dann ist der Aufnahmegegenstand fokussiert, und das Verfahren ist abgeschlossen (FERTIG).
Wenn, zurück an Schritt 121, die Antwort NEIN lautet, was darauf hinweist, daß die Kontrastdifferenz zwischen dem in Fig. 5 gezeigten oberen Schwellenwert T1 und dem unteren Schwellenwert T2 liegt, was bedeutet, daß die Linsenfokussierstellung nicht eindeutig ist (nahe am Aufnahmegegenstand, muß aber näher oder weiter zur Kamera verfahren werden, um eine Übereinstimmung der Fokussierstellung mit dem- Aufnahmegegenstand zu erreichen), dann wird das Verfahren mit Schritt 131 fortgesetzt, um anhand einer Versuchs- und Irrtum-Fehlersubroutine zu ermitteln, auf welcher Seite des Aufnahmegegenstandes sich die Fokussierstellung der Linse momentan befindet.
In Schritt 131 wird angenommen, daß sich die Fokussierstellung der Linse vor (-) dem Aufnahmegegenstand befindet, so daß sie weiter (+) von der Kamera verschoben werden muß. Linsentreiber 15 wird dann über eine vorgegebene kleine Anzahl von Verschiebungsschritten Sm (Schritt 133) angesteuert, die von Kamerasystemparametern abhängen, um die Linsenfokussierstellung einen kleinen, aber spürbaren Betrag von der Kamera wegzubewegen. Als nächstes wird in Schritt 135 die Blendenöffnung wieder auf ihre größte Öffnung eingestellt, und es wird eine dritte Kontrastmessung M3 durchgeführt. In Schritt 137 wird Kontrastmeßwert M3 mit dem in Schritt 103 ermittelten Kontrastmeßwert M1 verglichen. Wenn der aus Schritt 135 ermittelte Meßwert M3 größer ist, wenn also der Kontrast an der neuen Linsenstellung verbessert wurde, dann wird die angenommene Verschieberichtung (+) zur Kamera bestätigt, und das Verfahren wird mit Schritt 141 fortgesetzt.
In Schritt 141 wird die vorher abgeleitete Differenz Dc zwischen den ersten und zweiten Kontrastmessungen als Index auf die Transformationstabelle benutzt, um einen Verschiebewert abzuleiten, der erforderlich wäre, um die Linse aus der vorherigen Stellung zu einer Scharfstellung zu bewegen. Da die Linse bereits (in Schritt 133) um einen ersten Versuchswert Sm verschoben wurde, ist es notwendig, diese Verschiebung von dem Ausgabewert der Transformationstabelle abzuziehen. Somit wird der Verschiebewert gleich der Ausgabe der Tabelle minus dem Wert Sm gesetzt, wie in Schritt 141 gezeigt. Linsentreiber 15 wird dann ih Schritt 145 angesteuert, und das Verfahren kehrt zu Schritt 103 zurück.
Wenn der in Schritt 135 erzielte Kontrastmeßwert M3 kleiner als der erste Meßwert M1 ist, was darauf hinweist, daß der Kontrast schlechter wurde, dann gilt die angenommene Verschieberichtung (+) als falsch, und das Verfahren wird mit Schritt 143 fortgesetzt. In Schritt 143 wird die Verschieberichtung der Linse zur vorher angenommenen Richtung umgekehrt, und somit auf (-) gesetzt. In Schritt 143 wird die zuvor abgeleitete Differenz Dc zwischen den ersten und zweiten Kontrastmessungen zudem als ein Index auf die Transformationstabelle benutzt, um einen Verschiebewert abzuleiten, der notwendig gewesen wäre, um die Linse aus der vorherigen Stellung in eine Scharfstellung zu bringen. Da die Linse bereits (in Schritt 133) um einen Wert Sm in die falsche Richtung verschoben wurde, ist es erforderlich, diese Verschiebung zum Ausgabewert der Transformationstabelle zu addieren. Somit wird der Verschiebewert gleich dem Ausgabewert der Tabelle plus dem Wert Sm gesetzt, wie in Schritt 143 gezeigt. Linsentreiber 15 wird dann in Schritt 145 angesteuert, und das Verfahren kehrt zu Schritt 103 zurück.
Als Ergebnis einer der beiden Kontrastmeß- und Verschiebefolgen von Schritt 103 bis 111 oder der dreistufigen Kontrast-, Meß- und Verschiebefolgen von Schritt 103 bis 145 wird die Linse schrittweise auf eine Position verfahren, an der die Kontrastdifferenz kleiner als der zweite Schwellenwert T2 ist (die Antwort auf Schritt 121 ist NEIN). Wie bereits erwähnt, ist die Linse jetzt fokussiert, und das Veifahren ist abgeschlossen, wenn einer der beiden gemessenen Kontrastwerte einen vorgegebenen, absoluten dritten Schwellenwert T3 überschreitet (die Antwort auf Schritt 151 ist JA). Es kann allerdings möglich sein, daß das Bild von einer weitgehend dunklen oder hellen Szene stammt (z.B. eine weiße Wand). In diesem Fall (die Antwort auf Schritt 151 ist NEIN) ist es erforderlich, weitere Messungen an einer vorgegebenen "Standardstellung" der Linse vorzunehmen (z.B. an ihrer Hyperfokalen), um diese Möglichkeit zu verifizieren. In Schritt 153 erfolgt die Abfrage, ob die wie oben beschriebenen (beginnend mit Schritt 103) Kontrastmessungen an der Standardstellung durchgeführt wurden. Wenn derartige Messungen durchgeführt wurden, und keine Kontrastverbesserung an der Standardstellung eintrat, wird in Schritt 155 geschlossen, daß die Linse die Scharfstellung nicht erreichen kann, und eine Fehlermeldung "FEHLER - KEIN FOKUS" wird erzeugt. Wenn diese Messungen nicht durchgeführt wurden (die Antwort auf Schritt 153 ist NEIN), wird die Linse auf die Standardstellung verschoben, eine Standardpositionsmarke wird gesetzt (Schritt 157), und das Verfahren kehrt zu Schritt 103 zurück, wobei die Standardstellung als Startposition gilt. Durch die Verfahrenswiederholung wird entweder die Scharfstellung erreicht, oder es wird eine Fehlermeldung erzeugt.
In der vorausgehenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Differential-Kontrast-Autofokusvorrichtung ist die Variable in den Grundgleichungen (5a) und (5b) die Blendeneinstellung oder F-Zahl (F/#). Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kamera mit einer Linse mit verstellbarer Brennweite ausgestattet ist, etwa einem Zoom-Linsensystem, kann die Änderung in der Schärfentiefedurch Verändern der Brennweite der Linse für aufeinänderfolgende Kontrastmessungen erfolgen. Auch hier wird, wie in der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform, das Ausmaß, um das die Linse von der Scharfstellung entfernt ist, geschätzt, und zwar basierend auf der Kontrastdifferenz der beiden Messungen, und die Schätzung wird benutzt, um die Verschiebung der Linse auf eine neue Position zu ermitteln, die möglichst dicht am maximalen Kontrastwert liegen sollte. Für jede neue Position, auf die die Linse verschoben wird, wird die Brennweite so geändert, daß sie schrittweise mit der Stellung des Aufnahmegegenstandes zusammenfällt. Somit ist der Verfahrensablauf für die zweite Ausführungsform mit dem in Fig. 7 gezeigten identisch, mit der Ausnahme, daß in Schritten 103, 105 und 135 die Brennweite statt der Blendenöffnung geändert wird.
Wie aus der vorausgehenden Beschreibung zu erkennen ist, kann mit der verbesserten, erfindungsgemäßen Kontrast-Autofokustechnik eine schnelle, schrittweise Übereinstimmung der Linsenverschiebung mit einer optimalen (kontrastschärfsten) Scharfstellung erzielt werden, indem die Möglichkeit genutzt wird, die Schärfentiefe der Linse auf wechselnde Zustände zu verändern, unter denen aufeinanderfolgende Bildaufzeichnungen vorgenommen werden. Die Schärfentiefe kann durch eine Änderung der Blendeneinstellung oder der Brennweite der Abbildungslinse verändert werden. Da mehrere Messungen durchgeführt werden können, bevor die Linse auf eine neue Position verschoben wird, und da aus diesen Messungen eine recht genaue Schätzung ermittelt werden kann, wohin die Linse verschoben werden sollte, um eine Scharfstellung zu erreichen, kann man normalerweise davon ausgehen, daß die Linse mit erfolgter Verschiebung scharfgestellt ist. In den meisten Fällen kann, falls überhaupt, nur eine zusätzliche Kontrastmessung und Verschiebung erforderlich sein.
Obwohl erfindungsgemäße Ausführungsformen aufgezeigt und beschrieben wurden, ist die Erfindung natürlich nicht darauf begrenzt, sondern kann zahlreichen, Fachleuten bekannten, Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden, so daß die hier gezeigten und beschriebenen Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen sind, sondern so, daß alle einem einschlägigen Fachmann offenkundigen Änderungen und Abwandlungen von der Erfindung abgedeckt werden.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Einstellen der Fokussierlinse (10) einer Kamera, um ein Bild eines Aufnahmegegenstandes (32) auf einer Bildempfangsebene (24) abzubilden, wobei die Fokussierlinse mit mindestens einem einstellbaren Element (20) versehen ist, das eine variable Brennweite oder eine variable Blende bildet, um die Schärfentiefe zu verändern, wenn das Element verändert wird, wobei in mehreren Schritten

a) für eine erste Stellung und eine erste Schärfentiefe eine erste Kontrastmessung eines auf der Bildempfangsebene entstandenen ersten Bildes durchgeführt wird (103),

b) für die erste Stellung und eine zweite Schärfentiefe eine zweite Kontrastmessung eines auf der Bildempfangsebene entstandenen zweiten Bildes durchgeführt wird (105) und

c) die Fokussierlinse bewegt wird, wenn die Kontrastdifferenz (Dc) zwischen der ersten und der zweiten Kontrastmessung einen ersten Schwellenwert (T2) überschreitet,

dadurch gekennzeichnet, daß

i) wenn die Kontrastdifferenz (Dc) einen über dem ersten Schwellenwert liegenden zweiten Wert (T1) überschreitet, die Fokussierlinse um einen auf der Kontrastdifferenz basierenden Betrag in eine von der Bildempfangsebene entfernte zweite Stellung bewegt wird,

ii) wenn die Kontrastdifferenz (Dc) zwischen dem ersten (T2) und dem zweiten Schwellenwert (T1) liegt, die Fokussierlinse in Abhängigkeit von der ersten Stellüng um einen geringen Versuchsbetrag (SM) in eine erste Richtung und eine dritte Stellung bewegt wird, um eine dritte Kontrastmessung eines auf der Bildempfangsebene entstandenen dritten Bildes durchzuführen, und α) wenn das Ergebnis der dritten Kontrastmessung besser ist, die Fokussierlinse um einen auf der Kontrastdifferenz basierenden zweiten Betrag, abzüglich dem geringen Versuchsbetrag, in dieselbe Richtung bewegt wird, und β) wenn das Ergebnis der dritten Kontrastmessung schlechter ist, die Fokussierlinse um einen auf der Kontrastdifferenz basierenden dritten Betrag, zuzüglich dem geringen Versuchsbetrag, in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fokussierlinse bei ihrer Bewegung in die erste Richtung von der Bildempfangsebene wegbewegt und der zweite Betrag dem ersten entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenn die Kontrastdifferenz unter dern ersten Schwellenwert und das Ergebnis der ersten oder zweiten Kontrastmessung über einem dritten Schwellenwert (T3) liegt, die Einstellung der Fokussierlinse beendet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenn die Kontrastdifferenz unter dem ersten Schwellenwert und weder das Ergebnis der ersten noch das der zweiten Kontrastmessung über einem dritten Schwellenwert (T3) liegt, die Fokussierlinse in eine vorgegebene Stellung bewegt wird und diese Stellung sowie ein erster Schärfentiefewert gemessen werden, eine vierte Kontrastmessung eines auf der Bildempfangsebene gebildeten vierten Bildes des Aufnahmegegenstandes erfolgt und die vorgegebene Stellung sowie ein zweiter Schärfentiefewert gemessen werden, eine fünfte Kontrastmessung eines auf der Bildempfangsebene gebildeten fünften Bildes des Aufnahmegegenstandes erfolgt, die Kontrastdifferenz zwischen der vierten und fünften Kontrastmessung bestimmt wird und ein Fehlersignal erzeugt wird, das anzeigt, daß die Fokussierlinse nicht auf den Aufnahmegegenstand fokussierbar ist, wenn die Kontrastdifferenz den ersten und zweiten Schwellenwert nicht übersteigt und wenn entweder der Wert der vierten oder der fünften Kontrastrnessung über dem dritten Schwellenwert liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 41 dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert in Abhängigkeit von einer Beziehung zwischen Kontrast- und Stellungsfehler in der Fokussierstellung der Fokussierlinse gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellenwert in Abhängigkeit von einer Beziehung zwischen Kontrast- und Stellungsfehler in der Fokussierstellung der Fokussierlinse gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Schwellenwert in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern der Kamera gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kamera eine zweidimensionale Abtastvorrichtung umfaßt, die eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen aufweist und in der Bildempfangsebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrastmessung durch Addition der Intensitätswerte eines jeden lichtempfindlichen Elements der Abtastvorrichtung erfolgt .

9. Autofokuskamera, mit

einer Fokussierlinse, durch die das von einem Aufnahmegegenstand reflektierte Licht fällt, um ein Bild des Aufnahmegegenstandes auf einer Bildempfangsebene abzubilden,

einer Einstellvorrichtung, die auf mindestens ein variables Element einwirkt, derart, daß sich der Schärfentiefebere ich verändert,

einer Bildabtastvorrichtung, die an der Bildempfangsebene angeordnet ist,

einer steuerbaren Verstelleinrichtung für die Fokussierlinse, die mit der Fokussierlinse gekoppelt ist, um deren Stellung bezüglich der Bildenipfangsebene steuernd zu verstellen,

einem prozessorgesteuerten Autofokus-Steuersystem, das die Stellung der Fokussierlinse derart automatisch verstellt, daß ein Bild des Aufnahmegegenstandes auf der Bildempfangsebene abbildbar ist, wobei das Autofokus-Steuersystem mit der Bildabtastvorrichtung, der Verstelleinrichtung für die Fokussierlinse und der Einstelleinrichtung gekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Autofokus-Steuersystem derart programmiert ist, daß es das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umsetzt.