DE2935303A1

DE2935303A1 - Vorrichtung zur feststellung der fokussierung eines objektivs

Info

Publication number: DE2935303A1
Application number: DE19792935303
Authority: DE
Inventors: Harumi Aoki; Yoshio Sawada
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1978-09-01
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1980-03-13
Also published as: GB2030415B; JPS5535317A; DE2935303C2; FR2435054B1; GB2030415A; FR2435054A1

Description

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Vorrichtung zur Feststellung der Fokussierung eines Objektivs

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie arbeitet unter Ausnutzung der Tatsache, daß ein mit dem Objektiv wiedergegebenes Objektbild bei genauer Fokussierung seinen maximalen Kontrast hat.

Ein Objektbild, das beispielsweise in einer fotografischen Kamera mit dem Objektiv auf die Bildebene projiziert wird, zeigt bei genauer Fokussierung maximale Helligkeitsunterschiede bzw. größten Kontrast. Insbesondere in Randbereichen und an Übergangsstellen ist zu beobachten, daß die Helligkeitskurve bei genauer Fokussierung die größte Steigung hat. Diese Erscheinung läßt sich dadurch erklären, daß die Lichtintensität (Leistungsspektrum) des Objektbilds gegenüber jeder Raumfrequenz den maximalen Wert hat, wenn das Bild genau fokussiert ist.

Es wurden bereits verschiedene automatisch arbeitende Vorrichtungen vorgeschlagen, die nach diesem Prinzip arbeiten. Diese Vorrichtungen können allgemein in zwei Klassen eingeordnet werden, die sich durch das jeweilige Arbeitsverfahren unterscheiden. Bei einer ersten Art sind mehrere fotoelektronische Bauelemente in der Bildebene angeordnet, und ein Signalunterschied zweier jeweils benachbarter Elemente wird als Kontrastsignal ausgewertet. Bei dem anderen Prinzip handelt es sich um eine mechanische oder elektrische Abtastung des wiederzugebenden Objekts, wodurch man einen fotoelektrisch umgesetzten Signalverlauf

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mit einer Reihe zeitlich diskontinuierlicher Spitzen sowie ein Ausgangssignal erhält/ das sich durch Differentiation dieses Signalverlaufs ergibt. Dieses Ausgangssignal entspricht der Steigung der Helligkeitsverteilungskurve und wird als Kontrastsignal genutzt.

Unter Ausnutzung des letztgenannten Prinzips arbeitet eine kürzlich entwickelte, kompakte Vorrichtung, die ein selbsttätig abtastendes fotoelektronisches Bauelement als Abtastvorrichtung enthält. Dieses setzt sich aus mehreren Mikroelementen und einer Abtastschaltung zusammen und akkumuliert eine Lichtmenge, der die Mikroelemente innerhalb eines einzigen Abtastzyklus ausgesetzt werden. Dabei wird ein Signalverlauf mit einer Reihe zeitlich diskontinuierlicher Spitzen erzeugt. Dieser Signalverlauf wird unter Anwendung einer Speicherung und Glättung in den entsprechenden analogen Signalverlauf umgesetzt, der dann differenziert wird, um den differenzierten Wert aussondern zu können. Dieser wird wiederum mit einer Absolutwertschaltung in ein entsprechendes Absolutwertsignal umgesetzt,und danach wird der Spitzenwert dieses Signals für jeden Abtastzyklus festgestellt und gespeichert. Dieser Spitzenwert dient als Kontrastsignal, mit dem die Fokussierung des Objektivs angezeigt oder auch das Objektiv verstellt wird. Das selbsttätig abtastende fotoelektronische Bauelement bietet den Vorteil, daß ein zur Auswertung geeignetes Ausgangssignal auch dann erzielt wird, wenn geringe Lichtstärke vorliegt, da dieses Element eine akkumulierende Wirkung für die Lichtmenge eines Abtastzyklus hat.

Die bekannte Vorrichtung der erstgenannten Art ist vorteilhaft, da sie keine beweglichen Teile benötigt, jedoch eignet sie sich nur schlecht zur Auswertung bei geringer

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Lichtstärke. Die Vorrichtung der zweitgenannten Art, die mit dem selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelement arbeitet und die Helligkeitsverteilung des Bildes differenziert, hat,abgesehen von dem Vorteil einer möglichen Auswertung bei geringer Lichtstärke, die Nachteile, daß das Ausgangssignal schwierig beizubehalten ist und die elektrische Schaltung auch im Hinblick darauf einen komplizierten Aufbau hat.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Feststellung der Fokussierung eines Objektivs anzugeben, die ein Kontrastsignal ohne Differentiation liefert, dabei aber die Lichtempfindlichkeit eines selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelements möglichst optimal ausnutzt. Dies soll zu einer vereinfachten Schaltungsanordnung führen, die den kompakten Aufbau der Vorrichtung ermöglicht und bei der sich ein besonderer Aufwand für die Speicherung von Spitzenwerten erübrigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung tritt kein Verlust an Signalkomponenten hoher Raumfrequenz auf, die zur Auswertung des Bildkontrastes erforderlich sind, da eine Glättung der Äbtastsignale mit den zeitlich diskontinuierlichen Spitzenwerten im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren nicht erforderlich ist. Deshalb macht die Erfindung eine Erhöhung der Auswertegenauigkeit möglich. Außerdem ist das Absolutwertsignai den den Bildkontrast angebenden Differentialsignals nicht mit derart scharfen übergängen wie das differenzierte Signal versehen, so daß es leichter wird, seinen Spitzenwert zu

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halten und den genauen Spitzenwert auszusondern. Ferner kann die zugehörige Schaltung einfacher aufgebaut werden, wodurch die Gesamtvorrichtung kompakter wird. Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung unter Ausnutzung des Akkumulationseffekts eines selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelements arbeitet, so daß die Kontrastauswertung auch bei dunkleren Objekten möglich ist.

Die Erfindung sowie der Stand der Technik werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung des Prinzips, nach dem eine Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet, wobei die Helligkeitsverteilung bei genauer und fehlerhafter Fokussierung gezeigt ist,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung bekannter Art, die mit einem selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelement arbeitet,

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Signalverläufen in der bekannten Vorrichtung,

Fig. 4 eine Verteilung der Spitzenwerte des Kontrastsignals bei fehlerhafter und genauer Fokussierung,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 Signalverläufe in der Schaltungsanordnung nach Fig. S₁

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

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Fig. 8 ein Zeitdiagramm für die Taktimpulse eines selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelements sowie der Steuerimpulse für in der Vorrichtung verwendete Analogschalter.

Fig. 1 zeigt schematisch die charakteristischen Kurven der Helligkeitsverteilung eines Objektbilds für den fokussierten und nicht fokussierten Zustand. Aus der Darstellung geht hervor, daß die Steigung dieser Kurven bei Abweichung von der genauen Fokussierung geringer wird. Die Steigung kann als Helligkeitsunterschied zwischen zwei Bildpunkten ausgedrückt werden, der seinen Maximalwert annimmt, wenn das Objektbild fokussiert ist. Ein Helligkeitsunterschied beispielsweise zwischen den Punkten a und b hat den Wert A* , wenn das Bild fokussiert ist, und den Wert 4„, wenn das Bild nicht fokussiert ist. Aus der Darstellung geht hervor, daß der Wert A* größer als der Wert Aj ist. Es ist deshalb möglich, die genaue Fokussierung aufgrund der Tatsache festzustellen, daß der Helligkeitsunterschied (Kontrastsignal) zwischen zwei Bildpunkten, insbesondere innerhalb eines Abschnitts, der der Steigung der Helligkeitsunterschiedskurve entspricht, bei genauer Fokussierung seinen Maximalwert annimmt.

Es wurde bereits eine automatisch arbeitende Auswertevorrichtung vorgeschlagen, die nach diesem Prinzip arbeitet und in ihrem grundsätzlichen Aufbau in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Vorrichtung verwendet ein selbsttätig abtastendes fotoelektronisches Bauelement, welches das Objektbild abtastet. Ein wiederzugebendes Objekt 3 wird mit einem Objektiv 4 auf das selbsttätig abtastende fotoelektronische Bauelement 5 projiziert, das mit einer Treiberschaltung 6 betrieben wird. Es erzeugt einen Signalverlauf,

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der durch eine Reihe zeitlich diskontinuierlicher Spitzenwerte entsprechend der Bildhelligkeit gekennzeichnet ist. Dieser Signalverlauf wird mit einem Verstärker 7 verstärkt und dann mit einer Umsetzer- und Halteschaltung 8 in den entsprechenden analogen Signalverlauf umgesetzt. Dieses Analogsignal wird mit einer Glättungsschaltung 9 von unerwünschten hochfrequenten Komponenten befreit, so daß es in den Signalverlauf umgesetzt werden kann, der der eigentlichen Helligkeitsverteilung des Objektbildes entspricht. Das Ausgangssignal wird dann mit einem Differenzierer 10 differenziert, der ein Signal abgibt, welches der Steigung der Helligkeitsverteilung entspricht. Das Signal wird dann mit einer Absolutwertschaltung 1 "I einer Absolutwertbildung unterzogen und in ein positives oder negatives Spannungssignal umgesetzt, dessen Spitzenwert innerhalb eines einzigen Abtastzyklus dann mit einem Spitzendetektor 12 ausgewertet und bis zum Auftreten des nächsten Spitzenwertes gehalten wird. Das Ausgangssignal des Spitzendetektors 12 entspricht einem Kontrastsignal, das beispielsweise zur Steuerung eines Antriebsmotors für die Verstellung eines Objektivs zur automatischen Fokussierung genutzt werden kann.

In Fig. 3 sind Signalverläufe der vorstehend beschriebenen Schaltung dargestellt. Es handelt sich dabei jeweils um Darstellungen von Spannungssignalen V über der Zeit t. Fig. 3A zeigt das Ausgangssignal des automatisch abtastenden fotoelektronischen Bauelements 5, wobei die Helligkeitsverteilung des Objektbildes durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Es sei bemerkt, daß bei dieser Darstellung der Signalverlauf nur für zwei kontinuierliche Abtastzyklen T.. und T₂ dargestellt ist, wobei der Signalverlauf im Zyklus T₅ eine genauere Fokussierung als im

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Abtastzyklus T₁ zeigt. Fig. 3B zeigt das Ausgangssignal der Umsetzungs- und Halteschaltung 8, das einen stufenförmig-analogen Verlauf hat. Fig. 3C zeigt das Signal nach der Glättung in der Glättungsschaltung 9. Fig. 3D zeigt das Signal nach der Differentiation in dem Differenzierer 10. Fig. 3E zeigt ein Absolutwertsignal, das aus dem Differenziersignal in der Schaltung 11 entstanden ist. Ein Spitzenwert des Absolutwertsignals innerhalb des Abtastzyklus T„ ist größer als ein Spitzenwert des Absolutwertsignals innerhalb des Äbtastzyklus T₁, da für den Abtastzyklus T₂ eine genauere Fokussierung bereits erwähnt wurde. Fig. 3F zeigt schließlich den Halte- bzw. Speichervorgang der Spitzenwerte in dem Spitzendetektor 12.

Das die Spitzenwerte enthaltende Signal ändert sich abhängig von der Position des Objektivs und hat seinen Maximalwert, wenn sich das Objektiv in der genauen Fokusslerungsstellung befindet, was in Fig. 4 gezeigt ist. Die vorstehend erläuterte bekannte Vorrichtung eignet sich zwar zur automatischen Feststellung der Fokussierung, jedoch sind bei ihr einige Probleme noch ungelöst. Eines dieser Probleme besteht darin, daß das in der Glättungsschaltung 9 geglättete Signal nicht genau analog der Helligkeitsverteilung des Objektbilds verläuft, wie dies aus Fig. 3C zu ersehen ist. Es tritt hingegen manchmal ein Verlust an Komponenten hoher Raumfrequenz auf, der durch ein niederfrequentes Filter in der Glättungsachaltung verursacht wird. Versuche, derartige Verluste zu vermeiden, führen jedoch zu übermäßigen hochfrequenten Komponenten, die in dem abgestuften Signalverlauf am Ausgang der Schaltung 8 vorhanden sind, Diese Komponenten verursachen dann Störungen fies differenzierten Signalverlaufs. Ein anderes

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schwerwiegendes Problem besteht darin, daß bei Feststellung des Spitzenwertes mit dem Spitzendetektor 12 das differenzierte Signal einen zu abrupten Verlauf hat, um den genauen Spitzenwert halten zu können. Dies macht die Feststellung der genauen Fokussierungsposition schwierig und beeinträchtigt die Auswertegenauigkeit. Aus diesen Gründen ist die praktische Herstellung der bekannten Vorrichtung problematisch.

Die Erfindung führt nun zu einer Vorrichtung, die die vorteilhaften Eigenschaften des Prinzips der selbsttätigen Abtastung mit einem fotoelektronischen Bauelement optimal ausnutzt und dabei die vorstehend erläuterten Nachteile vermeidet, so daß sich eine beachtliche Erhöhung der Auswertegenauigkeit ergibt. Ein Ausführungsbeispiel einer nach der Erfindung arbeitenden Vorrichtung zeigt Fig. 5. Ein Objekt 13 wird mit dem Objektiv 14 auf ein selbsttätig abtastendes fotoelektronisches Bauelement 15 projiziert, das mit einer Treiberschaltung 16 betrieben wird und ein Signal erzeugt, das eine Reihe zeitlich diskontinuierlicher Spitzenwerte enthält und in Fig. 6G dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß dieses Signal für zwei aufeinanderfolgende Abtastzyklen T_ und T. gezeigt ist, wobei der Abtastzyklus T. eine genauere Fokussierung als der Abtastzyklus T_ zeigt. In Fig. 6G ist die Helligkeitsverteilung des Objektbildes gestrichelt angedeutet.

Das die Spitzenwerte enthaltende Ausgangssignal des fotoelektronischen Bauelements 15 wird mit einem Verstärker 17 verstärkt und gleichzeitig zwei Umsetzung^- und Hai'oschaltungen 18 und 19 zugeführt. Die erste Schaltung IB hält, wie in Fig. 6H dargestellt ist, zeitlich diskontinuier liehe Spitzenwerte eines jeden zweiten Mikroelements des

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selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelements. Die zweite Schaltung 19 hält in ähnlicher Weise, wie in Fig. 61 dargestellt, zeitlich diskontinuierliche Spitzenwerte eines jeden zweiten Mikroelements, wobei diese Mikroelemente jedoch um ein Mikroelement gegenüber denen versetzt sind, deren Signale mit der Schaltung 18 verarbeitet werden. Die beiden Signalzüge sind also um einen Treiberimpuls für die Mikroelemente gegeneinander versetzt. Jedes Ausgangssignalpaar der beiden Schaltungen 18 und 19 wird mit einer Differenzierschaltung 20 in ein Signal umgesetzt, das die Differenz der beiden Signale angibt. Dieses Differenzsignal ist in Fig. 6J dargestellt. Es wird mit einer Absolutwertschaltung 21 in einen positiven oder negativen Absolutwert umgesetzt, der in Fig. 6K dargestellt ist. Ein Spitzenwert des absoluten Signalverlaufs innerhalb eines Abtastzyklus wird mit einem Spitzendetektor 22 festgestellt und gehalten, bis der nächste Spitzenwert innerhalb des nächsten Äbtastzyklus auftritt. Fig. 61» zeigt den Verlauf des Spitzenwertsignals. Dieses entspricht einem Bildkontrastsignal und hat seinen Maximalwert an einer Stelle koinzident mit der genauen Fokussierungsposition. Diese Entsprechung ist in Fig. 4 gezeigt.

Die schaltungstechnische Ausführung einer Vorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Ein selbsttätig abtastendes fotoelektronisches Bauelement 23 wird mit einer Treiberschaltung 24 angesteuert, die einen Impulsgenerator enthält. Das fotoelektronische Bauelement 23 gibt ein Ausgangssignal ab, das eine Reihe zeitlich diskontinuierlicher Spitzenwerte enthält und einem Operationsverstärker A1 zugeführt wird. In der in Fig. 7 gezeigten Schaltung sind Widerstände R1 bis R16 vorgesehen. Das verstärkte Signal mit zeitlich diskontinuierlichen

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Spitzenwerten wird in zwei Signalverläufe aufgeteilt, die jeweils mit einem Analogschalter S2 bzw. S3 umgesetzt werden und an einem Kondensator C1 bzw. C2 als Analogsignale auftreten. Die beiden Analogsignale werden über Pufferverstärker A2 und A3 einem Operationsverstärker A4 zugeführt, der ein Differenzsignal erzeugt. Die Steuerimpulse für die Analogschalter S2 und S3 haben eine Periode, die doppelt so lang wie diejenige der Ansteuerimpulse für das fotoelektronische Bauelement 23 sind, und eine Verschiebung gegenüber den Ansteuerimpulsen um einen Impuls. Der Analogschalter S1 setzt bei jedem Ansteuerimpuls das Ausgangssignal des fotoelektronischen Bauelements 23 zurück, wodurch dessen genauer Wert beibehalten wird.

Das Differenzsignal des Operationsverstärkers A4 wird mit einem Operationsverstärker A5 und Dioden D1 und D2 in ein positives Absolutwertsignal umgesetzt. Dieses Absolutwertsignal wird dann mit einem Operationsverstärker A6 verstärkt, und ein Spitzenwert des Absolutwertsignals über einen Abtastwert wird mit einem Operationsverstärker A7 gehalten, dem eine Diode D3 und ein Kondensator C3 zugeordnet sind. Ein Analogschalter S5 entlädt den Kondensator C3 für jeden Abtastzyklus. Der auf diese Weise erhaltene Spitzenwert wird mit einem Pufferverstärker A8 verarbeitet, der ein Fokussierungssignal V„ abgibt.

Fig. 8 zeigt ein Zeitdiagramm für Steuerimpulse P1, P2, P3, P4 für die Analogschalter S1, S2, S3, S4 sowie für die Ansteuerimpulse des selbsttätig abtastenden fotoelektronischen Bauelements 23. Ein Abtastzyklus ist mit T bezeichnet.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

SCHAUMBURG, SCHULZ-D ÖRLAM & TIIOENES ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

KARL-HEINZ SCHAUMBURQ, DIpI.-Ing.

SBb Z WOLFQANa SCHULZ-DÖRLAM

Ingonieur dlplömo E.N.S.I. Qronoble

DR. DIETER THOENES, Dlpl.-Phy».

ASAHI KOGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, 36-9, Maeno-cho 2-chome, Itabashi-ku, Tokyo-to, Japan

Patentansprüche

ν 1 .] Vorrichtung zur Feststellung der Fokussierung eines Objektivs durch Auswertung der Helligkeitsverteilung eines Objektbildes mittels eines impulsartig abgetasteten, aus mehreren nebeneinander angeordneten fotoelektronischen Einzelelementen gebildeten fotoelektronischen Bauelementes, dessen Ausgangssignale eines Abtastzyklus in einen analogen Signalverlauf umgesetzt und anschließend differenziert werden, wonach eine Absolutwertbildung zur Darstellung und Haltung eines Spitzenwertes während eines Abtastzyklus erfolgt und der jeweilige Spitzenwert als Maß für die Fokussierung dient, dadurch gekennzeichnet , daß eine getrennte Umsetzung (18, 19) der Ausgangssignale von Einzelelementen geradzahliger und ungeradzahliger Ordnung innerhalb ihrer Anordnung im fotoelektronischen Bauelement (15)

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MAUERKIRCHERSTRASSE 31 · D - 8OOO MÜNCHEN SO · TELEFON (Of?9) 981979 und

TELEX 5 22O19 ESPAT D

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erfolgt und die so erhaltenen analogen Signalverläufe (Fig. 6 H, I) einer Differenzbildung (20) vor der Absolutwertbildung (21) unterzogen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur getrennten Umsetzung Umsetzungs- und Halteschaltungen in Form impulsartig gesteuerter Analogschalter (S2, S3) mit nachgeschalteten Kondensatoren (C1, C2) vorgesehen sind, die jeweils mit dem Eingang eines Pufferverstärkers (A2, A3) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zur Umsetzung vorgesehenen Analogschalter (S2, S3) mit Impulsen der halben Abtastimpulsfrequenz gesteuert werden, wobei diese Impulszüge gegeneinander um einen Impulsabstand der Abtastimpulse versetzt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das fotoelektronische Bauelement (23) durch einen mit der Abtastimpulsfrequenz gesteuerten Analogschalter (S1) rückstellbar ist.

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