DE3320096A1

DE3320096A1 - Verfahren und vorrichtung zum feststellen eines scharfstellenzustandes bei einem optischen abbildungssytem

Info

Publication number: DE3320096A1
Application number: DE19833320096
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tokyo Aoki; Kenji Fussa Tokyo Fukuoka; Asao Hayashi; Masatoshi Hachioji Tokyo Ida; Junichi Nakamura; Kenichi Tokyo Oinoue
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1983-06-03
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3320096C2; US4492449A; JPS58211721A

Description

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1A-57 303 D-8000 MONCHKN 9Q

Olympus Optical Company Ltd. schwejgerstrassi· 2

Tokyo, Japan ,„w,

^{J c} telefon: (089)66 20 ji

TELIiCRAMM: PROTECTPATENT

τπι.εχ: 5 24 070

Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen eines Scharfstellungszustandes bei einem optischen Abbildungssystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen der Scharfstellung bei einer Kamera, einem Mikroskop, einem optischen Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät u.dgl.

Bisher sind zur Vornahme der Scharfeinstellung zwei Verfahren hauptsächlich angewendet worden. Die Feststellung der Scharfstellung erfolgt bei dem einen nach der Bildschärfe, bei dem anderen nach einer seitlichen Bildverlagerung oder Bildverschiebung. Beide genannten Fokusfeststellsysteme besitzen je ausgezeichnete Vorteile, sind aber andererseits auch mit natürlichen Nachteilen behaftet. Eine genaue Fokuseinstellung unter Benutzung nur eines Verfahrens ist daher schwierig.

Bei dem die Bildschärfe benutzenden Fokusfeststellsyslem kann die Scharfstellung bei einem Bild mit deut]icher Lichtstärkenverteilung mit großer Genauigkeit festgestellt werden, und wenn dieses System somit auf eine automatische Fokussiereinrichtung bei einer einäugigen TTL-Spiegelreflexkamera angewendet wird, ist die Verwendung verschiedener Objektive je

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- ϊ - 57 303

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mit verschiedener F- bzw. Blendenzahl möglich, ohne daß eine hi chiabschailung hervorgerufen wird. Weil jedoch in diesem System bei extremer Unscharfe der Bewertungswert außerordentlich klein wird und sich demgemäß entsprechend einer flachen Kurve verändert, ist die exakte Ermittlung der Unschärferichtung nicht möglich, und somit kann nicht bestimmt werden, in welcher Richtung das Objektiv zu verstellen ist. Bei Anwendung dieses Systems auf einen Aufnahmegegenstand oder Objekt mit geringer Kontrastveränderung, z.B. auf einen Teil eines menschlichen Gesichtes, ist die genaue Scharfeinstellung sogar in der Nähe der Scharfstellung schwierig, weil auch hier der Bewertungswert klein wird.

Bei dem eine seitliche Bildverschiebung benutzenden Fokusfeststellsystem kann der Scharfstellungszustand bei einem Objekt mit geringer Kontrastveränderung festgestellt werden; es ist somit möglich, die Objektivverstellrichtung selbst bei extremer Unscharfe zu ermitteln. Wenn dieses Fokusfeststellsystem jedoch auf die automatische Steuerung bei einer einäugigen TTL-Spiegelreflexkamera angewendet wird, wird bei kleiner Blendenzahl auf das Lichtempfangselement auffallendes Licht abgeschattet, und somit wird die Genauigkeit der Scharfeinstellung herabgesetzt. Weil in diesem Falle die Genauigkeit der Scharfeinstellung sogar bei einem kontrastarmen Objekt gemindert ist, ist es außerdem schwierig, den Scharfstellungszustand exakt festzustellen. Mit anderen Worten, bei dem die Bildschärfe benutzenden Fokusfeststellsystem ist die Feststellempfindlichkeit bei einem Bild mit kleiner Ortsfrequenzkoraponente gering. Bei dem eine seitliche Bildverschiebung benutzenden Fokusfeststellsystern dagegen ist die Feststellempfindlichkeit bei dem kontrastarmen Bild gering, bei dem der Unterschied zwischen einem größten und einem kleinsten Helligkeitswert klein ist. Ferner ist bei dem mit der seitlichen Bildverschiebung arbeitenden Fokusfesth1 el !system nachteilig, daß der Verstärkungsfaktor der Feststellung

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bl 303

theoretisch klein wird und es somit nicht möglich ist, die? Scharfeinstellung genau durchzuführen.

Zur Beseitigung der vorstehend beschriebenen Nachteile ist in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung eine Vorrichtung zur Scharfeinstellung durch Kombinieren von zwei Fokusfeststellsystemen angegeben. Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Fokusfeststellung in der Weise, daß aufgrund ihrer Feststellcharakteristik das die seitliche Bildverschiebung benutzende Fokusfeststellsystem im unscharfen Bereich und das die Bildschärfe benutzende Feststellsystem in der Nähe der Scharfstellung angewendet wird. Bei dem die Bildschärfe benutzenden Fokusfeststellsystem kommt es jedoch vor, daß im Gegensatz zu dem weiter oben erwähnten Fall des unscharfen Bildes für das im wesentlichen kontrastarme Bild ein Feststellsignal sogar in der Nähe der Scharfstellung nicht abgeleitet wird. Selbst wenn in diesem Falle in der Nähe der Scharfstellung beim Fokusfeststellsystem von der seitlichen Bildverschiebung auf die Bildschärfe umgeschaltet wird, ist ein genaues Erfassen des Scharfstellungszustandes nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich bei allen Bildern, unabhängig davon, wie scharf oder unscharf eingestellt, der Scharfstellungszustand feststellen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 6 und hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen in den zugehörigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Für die Durchführung des Fokusfeststellverfahrens gemäß dor Erfindung stehen drei Gruppen regelmäßig angeordneter Lichtempfangselemente zur Verfügung, von donrn zwei für die Fosi -

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Stellung der Bildschärfe und eine für die Feststellung der seitlichen Bildverschiebung benutzt werden. Es ist bekannt, die zwei erstgenannten Gruppen auf ein und demselben Halbleiter-Substrat anzuordnen. Um die Fokusfeststellvorrichtung klein und kompakt zu halten, wird die Anordnung aller drei Gruppen von Lichtempfangselementen auf demselben Substrat bevorzugt.

Die Erfindung ermöglicht es, die Feststellung des Scharfstel lungszustandes unter Benutzung der seitlichen Bildverschiebung sogar beim kontrastarmen Bild durchzuführen, bei dem das Feststellsignal nach dem Bildschärfeverfahren nicht erhalten werden kann; deshalb kann eine durch Störsignale etc. bedingte fehlerhafte Erfassung und Anzeige vermieden werden, und der Scharfstellungszustand kann somit innerhalb des gesamten Bereiches des optischen Abbildungssystems genau festgestellt werden. Falls die Fokusfeststellung in der Nähe des ScharfStellungsbereiches unter Benutzung sowohl des Bildschärfe- als auch des Bildverschiebungsverfahrens vorgenommen wird, ist es außerdem möglich, sie bei jeder Art von Bildern mit größerer Genauigkeit durchzuführen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform

der Fokusfeststellvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform

des Lichtdetektors gemäß der Erfindung, Fig. 3A und 3B grafische Darstellungen der Ausgangssignale von den Lichtempfangselelementen und von Bewertungswerten zur Verwendung in einem eine Bildschärfe benutzenden Fokusfeststellsystem,

Fig. 4A und 4B grafische Darstellungen von Bewertungswerten zur Verwendung in einem eine seitliche Bildverschiebung

bl 3 03

benutzenden Fokusfeststellsystpm,

Fig. 5A, 5B, 6A und 6B grafische Darstellungen zur Erläuterung von Arbeitsschritten des Fokussiert st el 1 Verfahrens gemäß der Erfindung,

Fig.> 7 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Signalverarbeitungsschaltung der Fokusfeststellvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine grafische Darstellung zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform des Fokusfeststel !.Verfahrens gemäß der Erfindung, und

Fig. 9 bis 11 Schrägansichten von Ausführungsformen des ! optischen Systems in der Fokusfeststellvorrichtung gemäß der Erfindung. ^!

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Fokusfesjtstellvorrichtung, mit der sowohl das nach der Bildschärfe als auch das nach der seitlichen Bildverschiebung arbeitende Feststellverfahren durchführbar ist, weist ein Lichtempfänger ein Substrat 9 auf, zwei Gruppen 23 und 2 4 von regelmäßig angeordneten Lichtempfangselementen zur Erfassung der BiIdschärfe und eine Gruppe 21 von regelmäßig angeordneten Lichtempfangselementen zur Feststellung der seitlichen Bildverschiebung. Die Lichtempfangselementen-Gruppen 23 und 24 sind auf zugehörigen Seiten einer im voraus festgelegten Brennebene angeordnet, die mit der Filmebene konjugiert ist, und von der konjugierten Brennebene durch gleiche Abstände getrennt, und die Lichtempfangselementen-Gruppe 21 ist zumindest annähernd in einer Ebene angeordnet, die zur Brennebene optisch äquivalent ist.

Bei Verwendung der Fokufeststellvorrichtung in einer einäugigen Spiegelreflexkamera weist ein zwischen einem Objektiv 2 und einem Film 10 angeordneter Schnellrückstellspiegel 11 in seinem Zentrumsabschnitt einen halbdurchlässigen Spie-' gel 12 auf. Ein von diesem durchgelassener Licht strom wird

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von einem Spiegel 13 auf der Rückseite des Schnellrückstellspiegels 11 in Richtung auf ein Lichtstrom-Teilerprisma 14 zurückgestrahlt. Das Teilerprisma 14 weist halbdurchlässige Spiegel 34 und 35 und einen reflektierenden Spiegel 36 auf und dient zum Aufteilen eines einfallenden Lichtstroms in drei Lichtte.il ströme, die gegen die zugehörigen Lichtempfangselementen-Gruppen 23, 24 und 21 gerichtet werden.

Bei dem Lichtdetektor bzw. -empfänger sind gemäß Fig. 2 die Lichtempfangselementen-Gruppen 23 und 24 von Lichtempfangselementen 23-1, 23-2 ...23-n bzw. 24-1, 24-2 ... 24-n gebildet und dienen zum Feststellen der Bildschärfe. Die Lichtempf angselementen-Gruppe 21 ist aus einer Vielzahl von Paaren von Lichtempfangselementen 21A-I, 21B-I; 21A-2, 21AB-2 ... 21A-n, 21B-n zusammengesetzt, und jedes Paar Lichtempfangselentente 21A-i, 21Β-Ϊ empfängt den Lichtteilstrom durch eines von einer Vielzahl von optischen HilfsSystemen 22-i, die z.B. von - insbesondere eingeprägten - lentiformen Linsen und Mikrolinsen gebildet sind.

Zum Feststellen der Bildschärfe und der seitlichen Bildverschiebung sind gemäß der Erfindung verschiedene bekannte Bewertungsverfahren anwendbar.

Die Kurven im Diagramm gemäß Fig. 3A stellen eine Beziehung dar zwischen der Stellung des Objektivs und Bewertungsfunk-

lionen F_A(x) und F (x), die durch Verarbeiten der Ausgangs-A ο

signale von den zugehörigen Lichtempfangselementen-Gruppen 24 und 23 erhalten wurden, wobei χ die Stellung des Objektivs in bezug auf eine Referenzstellung x = 0 ist, in welcher das Objektiv auf einen in unendlicher Entfernung befindlichen Aufnahrnegegenstand scharf eingestellt ist. Die in Fig. 3B dargestellte Kurve entspricht der Differenz F (x) - F_a(x) •/.wischen den Bewertungsfunktionen F₂. (x) und F_n(x); diese Difforenz wird zum Nachweis des Scharfsteilungszustandes des

·· · ΟΟΖΙ-ΌΌΟ

- y- Γ>7 30 3

.A3-

Objektivs benutzt. Wenn beide Bewertungsfunktionen F (x) und F_D(x) kleiner als K in Fig. 3A sind, wird die Bewertung nicht

mehr vorgenommen, weil die Bewertungswerte in diesem Fa)Io nicht mehr zur genauen Fokusfeststellung beitragen. Gemäß Fig. 3B entspricht der Differenz F (x) - F_A(x) eine Kurve mit sehr steiler Steigung, und somit kann der Scharfstellungszustand mit außerordentlich großer Empfindlichkeit festgestellt werden.

Die Kurven y^a und y in Fig. 4A stellen die Ausgänge des ersten bzw. des zweiten Lichtempfangselementes 21A bzw. 21B dar; unter Benutzung dieser Ausgänge y und y wird eine typische Bewertungsfunktion J(x) folgendermaßen errechnet:

J(x) = Σ (yf-

worin y, und y, die Ausgänge der kten Lichtempfangselemente 2IA-Jc und 21B-k für den Fall darstellen, daß das Objektiv 2 die Stellung χ einnimmt. Der typische Bewertungswert J(x) ist in Fig. 4B dargestellt, und in diesem Falle ist es möglich, nach hinten und nach vorn unscharfe Bereiche a¹ bzw. b¹ von sehr großer Ausdehnung zu erhalten. Im ScharfStellungsbereich d jedoch entspricht dem Bewertungswert J(x) eine Kurve mit kleiner Steigung; somit ist die Genauigkeit der Fokusfeststellung in der Nähe des Punktes c der besten Scharfstellung gering.

Zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile werden gemäß der Erfindung die Feststellung nach der Bildschärfe und die Feststellung nach der seitlichen Bildverschiebung in Kombination miteinander benutzt, insbesondere in der Nähe der Scharfstellung.

Die in Fig. 5A dargestellten Kurven F_n, und F „ sind Bewertungsfunktionen für das mit der Bildschärfe arbeitende Fokus-

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- / - 57 303

feststellverfahren, die von einem fotoelektrisch umgeformten Ausgang der zugehörigen Lichtempfangselementen-Gruppen 24 und 23 abgeleitet worden sind. Bei dieser Ausführungsform wird für die Bewertungsfunktionen F.. und F₀₀ eine maximale Aus-

rJ I dz gangsdifferenz zwischen benachbarten Spitzen, dargestellt durch die Formel X - X , _ΜΆχ# benutzt. Ferner stellt eine Kurve S¹ eine Bewertungsfunktion für das mit der seitlichen Bildverschiebung arbeitende Fokusfeststellverfahren dar, die aus einer Beziehung zwischen entsprechenden Lichtempfangselementen 21A und 21B der Lichtempfangselementen-Gruppe 21 gemäß Fig. 2 abgeleitet worden ist. In diesem Falle ist angenommen, daß die Ausgänge d^s nten Paares von Lichtempfangselementen 21A-n und 21B-n, das Lichtteilströme empfängt, welche durch obere und untere Hälften einer Austrittspupille des Objektivs 2 hindurchtreten, A bzw. B sind; die Bewertungsfunktion S¹ wird dann nach der folgenden Gleichung abgeleitet :

Die Kurve S in Fig. 5B ist eine Bewertungsfunktion für die Fokusfeststellung nach der Bildschärfe und wurde aus der Differenz zwischen den oben angegebenen Funktionen F , und F „ abgeleitet; sie ist durch die Gleichung S = F_, - F _ dargestellt.

Gemäß Fig. 5A und 5B werden bei den Fokusfeststellverfahren gemäß der Erfindung mehrere Schwellenwerte + Δ. , + A₀, A, benutzt. Gemäß Fig. 5A werden zuerst die Bewertungsfunktionen F_. und F_o_ für das mit der Bildschärfe arbeitende Feststell-

BI oZ
verfahren mit dem Schwellenpegel bzw. -wert A- verglichen. Wenn F_n, < Δ-, und F_DO <■ Α-,ι wird die Fokusfeststellung nach dem mit der seitlichen Bildverschiebung arbeitenden Verfahren vorgenommen, weil in Bereichen ⁰^ entsprechend Fig. 5A das mit der Bildschärfe arbeitende Feststellverfahren sehr

M Λ * X * f.	*- j*	* *	• β W Ii * β * β	F Β2	3	332	Ό	096
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■* 1* pt				ist,		werden
¹S -	IL oder
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die Scharfstellungszustände, z.B. Scharfstellung, vordere Unscharfe, hintere Unscharfe, nur nach dem mit der Bildschärfe arbeitenden Verfahren ermittelt. Weil sich in diesem Falle die Bewertungsfunktion S für die Feststellung nach der Bildschärfe in der Nähe des ScharfStellungsbereiches in bezug auf die Objektivstellung abrupt ändert, ist es möglich, die Fokusfeststellung genau durchzuführen. Außerdem kann im Falle einer sehr großen Abweichung von der besten Scharfstellung die Richtung der Unscharfe nach dem mit der seitlichen Bildverschiebung arbeitenden Verfahren genau ermittelt werden.

Die drei Lichtempfangselernenten-Gruppen 21 , 2 3 und 2 4 sind so angeordnet, daß die im voraus festgelegte Brennebene für das Feststellverfahren nach der Bildschärfe mit der im voraus festgelegten Brennebene für das Feststellverfahren nach der seitlichen Bildverschiebung zusammenfällt.

Es wird nun erläutert, wie der Scharfstellungszustand nach den mit der Bildschärfe und mit der seitlichen Bildverschiebung arbeitenden Verfahren festgestellt wird. Wenn gemäß Fig. 5B die Bewertungsfunktion S für die Feststellung nach der Bildschärfe gewählt worden ist und mit den zugehörigen Schwellenwerten + A-, verglichen wird, sind die Ermittlungsergebnisse folgende: Wenn - Δ < S <■ Δ, ; Scharfstellung; wenn Δ-.< S: nach vorn unscharf; wenn S^ -A,: nach hinten unscharf. Ferner, wenn die Bewertungsfunktion S' für die Feststellung nach der seitlichen Bildverschiebung gewählt worden ist und mit den zugehörigen Schwellenwerten +^₂ ^ver9li^cnen wird, werden die Ermittlungsergebnisse folgendermaßen abgeleitet: Wenn -A₂ ^€s' * & ₂" ^{Scnaristellun}9' wenn Δ ~< S¹ : nach vorn unscharf; wenn S'< -Δ ·. nach hinten unscharf.

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Selbst bei schwieriger Ableitung des Feststellungssignals aufgrund des geringen Bildkontrastes, d.h. weil die Bewer-* tungsfunktionswerte F„, und F ■ gemäß Fig. 6A innerhalb eines Feststellungsbereiches stets kleiner als der Schwellenwert A ,. sind, ist es daher gemäß der Erfindung möglich, den Scharfstellungszustand nach dem die seitliche Bildverschiebung benutzenden Verfahren festzustellen, bei dem sich

*> M · m v ·

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der Bewertungswert S' in der Nähe der besten Scharfstellung abrupter ändert als der Bewertungswert S für das mit der Bildschärfe arbeitende Feststellverfahren (s. Fig. 6B). Ks ist außerdem möglich, eine Fehlerrnittlung und eine Fehlanzeige aufgrund von Störsignalen etc. auszuschließen. Beim

gezeigten Beispiel sind die Schwellenwerte Δ und Δ „ mit zweckdienlichen Größen voreinstellbar.

Bei der durch das Blockschaltbild in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform einer für das vorstehend erläuterte Fokusfeststellverfahren bevorzugten Signalverarbeitungsschaltung werden in einer Schaltungsanordnung 80 zum Feststellen der Bildschärfe fotoelektrisch umgeformte Ausgänge von-Lichtempfangselementen-Gruppen 81 und 82 durch Abtast- und Halteschaltungen 83 und 84 abgetastet und gehalten. Die auf diese Weise abgetasteten und gehaltenen Signale werden von einem Analog-Digital-Wandler 85 zeit-sequentiell in digitale Signale umgesetzt und dann einem Differentialverstärker 88 zugeleitet, um zwischen Ausgängen von benachbarten Lichtempfangs elementen eine Differenz X-X _n zu ermitteln. Aus den Ab-

n n+1

solutwerten der so ermittelten Differenz X-X₁₁ wird durch

η η+1

Verarbeitungsschaltungen 89 und 90 der Größtwert abgeleitet, und die aus den Lichtempfangselementen-Gruppen 81 und 82 abgeleiteten Größtwerte werden als zugehörige Bewertungsfunktionswerte F₁₃, und F_n„ in einem Speicher 92 bzw. 93 gespeichert. Sodann wird von einem Differentialverstärker 94 die Differenz zwischen den Bewertungsfunktionen F , und F_ß2 errechnet, um die Bewertungsfunktion S = F_n, - F₀₀ für die Feststellung nach der Bildschärfe abzuleiten. Beim gezeigten Beispiel wird die so abgeleitete Bewertungsfunktion S zu einem Fenster- bzw. Ausschnittsvergleicher 120 weitergeleitet, um die Zustände vordere Unscharfe, Scharfstellung und hintere Unscharfe festzustellen. Der Ausschnittsvergleichor 120 umfaßt Differontialverstärker 121 und 122, inverter 123 und 124 und UND-Glieder 125, 126 und 127 und dient zum Ver-

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-.]/ - 57

gleichen der Bewertungsfunktion S mit den im voraus festgelegten Schwellenwerten + /fl , um den obenwerwähnten Scharfstellungszustand zu ermitteln, und aus dem UND-Glied 125, 126 oder 127 ein Signal mit dem Schaltwert H abhängig von dem so ermitteinten Scharfstellungszustand, nämlich vordere Unscharfe, Scharfstellung, hintere Unscharfe, abzugeben.

In einer Schaltungsanordnung 100 zum Feststellen der seitlichen Bildverschiebung werden fotoelektrisch umgeformte Ausgänge von einer Lichtempfangselementen-Gruppe 101 von einer Abtast- und Halteschaltung 102 abgetastet und gehalten. Die auf diese Weise abgetasteten und gehaltenen Signale werden in digitale Signale umgesetzt und dann abwechselnd in Speichern 104 und 104' gespeichert. Aus dem Speicher 104 ausgelesene Ausgangssignale werden nacheinander Schieberegistern 105 und 107 zugeleitet, um die Werte A , A , abzuleiten.

Nachdem die Werte B , B ,, von den aus dem Speicher 104'

η n+1

über Schieberegister 106 und 108 abgeleiteten Ausgangssignalen erhalten worden sind, werden diese Werte A , A . , B und B - dann Differentialverstärkern 109 und 110 zugeleitet, um Rechenwerte A-B₁₁ bzw. A₁₁-B zu ermitteln.

η n+i η+ι η

Sodann werden Absolutwerte dieser Rechenwerte A-B₁. und

η n+1

A .- B von.Verarbeitungsschaltungen 111 und 112 errechnet und einem Differentialverstärker 113 und einer Verarbeitungsschaltung 114 zugeleitet, so daß bei diesem Beispiel die Bewertungsfunktion für die Feststellung nach der seitlichen Bildverschiebung:

A -B ,-. - ^A » ' η n+1

erhalten wird. Danach wird die auf diese Weise abgeleitete Bewertungsfunktion S¹ in einem Ausschnittsvergleicher 130 von gleichem Aufbau wie der Ausschnittsvergleicher 120 mit don im voraus festgelegten Schwellenwerten + 4~ verglichen, um in Abhängigkeit vom Scharfstellungszustand, also vordere

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Unscharfe, Scharfstellung oder hintere Unscharfe, am UND-Glied 135, 136 bzw. 137 ein Signal mit dem Schaltwort H v.w erzeugen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Bewertungsfunktionen F_n, und F_no für die Bildschärfe aus den Speichern 92 und 93 ausgelesen und mittels Differentialverstärkern 95 und 96 mit dem im voraus festgelegten Schwellenwert Δ-- verglichen. Die Vergleichsergebnisse werden einem ODER-Glied 97 zugeleitet. Wenn F_n* *·&-, und F₀₀ < Δ-,, also im

BI j o/. j

Bereich, in dem der Scharfstellungszustand unter Benutzung der Bildschärfe nicht genau festgestellt werden kann, nimmt der Ausgang des ODER-Gliedes 97 den Schaltwert L an, im anderen Falle den Schaltwert H. Dieser Ausgang, vom Schaltwert H oder L, wird direkt, also unverändert, UND-Gliedern 141, 142 und 143 und über einen Inverter 98 UND-Gliedern 144, 145 und 146 zugeleitet. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, die Scharfstellungszustände, also vordere Unscharfe, Scharfstellung und hintere Unscharfe, genau festzustellen und zwar unter Benutzung der seitlichen Bildverschiebung in dem Bereich, in dem eine genaue Fokusfeststellung nach der Bildschärfe nicht möglich ist, oder ausgehend von der Bildschär-, fe in dem Bereich, in dem damit der Scharfstellungszustand genauer festgestellt werden kann als nach der seitlichen Bildverschiebung .

In der grafischen Darstellung der Fig. 8, mit der eine weitere Ausführungsform des Fokusfeststellverfahrens gemäß der Erfindung erläutert wird, sind die Kurven F_ß,, F_ß2, S und S' die gleichen, die anhand Fig. 5 und 6 schon beschrieben wurden. Beim Beispiel gemäß Fig. 8 wird der Bewertungsfunktionswert S¹ für die Fokusfeststellung nach der seitlichen Bildverschiebung zuerst mit Schwellenwerten +^₄ verglichen. Wenn S¹ größer ist als + Δ., wird das Ermittlungsergebnis als die vordere Unscharfe festgestellt. Ist S' kleiner als°A.,

ψ * «οι

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wird das Ergebnis als die hintere Unscharfe festgestellt. Wenn der Bewertungsfunktionswert gleich +_ Δ ist oder im Bereich von +■ A. liegt, wird gleichzeitig der Bewertungsfunktionswert S für die Feststellung nach der Bildschärfe benutzt und mit den Schwellenwerten j: 4, verglichen. Wenn in diesem Falle der Bewertungsfunktionswert S im Bereich von + 4, und ferner der Bewertungsfunktionswert S¹ im Bereich von im voraus festgelegten Schwellenwerten + Δ_ο liegt, wird das Ermittlungsergebnis als die Scharfstellung festgestellt. Außerdem werden die anderen Entscheidungen, z.B. ob vordere oder hintere Unscharfe im Bereich von + & , dadurch getroffen, daß die Bewertungsfunktionswerte F₀, und F₀₀ für die Feststellung nach der Bildschärfe in der weiter oben beschriebenen Weise mit einem im voraus festgelegten Schwellenwert

A_ verglichen werden. Wenn von den Bewertungsfunktionswerten F_n, und F₀₀ einer größer als der Schwellenwert A -. ist, erfolgt die Entscheidung unter Benutzung der Bewertungsfunktion S für die Feststellung nach der Bildschärfe. Sind dagegen beide Bewertungsfunktionen F_R, und F_RO kleiner als der Schwellenwert 4-., wird die Entscheidung unter Benutzung der Bewertungsfunktion S¹ für die Feststellung nach der seitlichen Bildverschiebung getroffen.

Fig. 9 zeigt in einer detaillierten Schrägänsicht den Aufbau des optischen Systems für die Fokusfeststellvorrichtung gemäß Fig. 1. Gemäß Fig. 9 wird ein einfallender Lichtstrom 30 von den halbdurchlässigen Spiegeln 34 und 35 und dem reflektierenden Spiegel 36, die zum Lichtstrom-Teilerprisma 14 fest miteinander verbunden sind, in drei Lichtteilströme 31, 32 und 33 aufgeteilt. Die Lichtteilströme 31 und 33 werden gegen die zugehörigen Lichtempfangselementen-Gruppen 24 und 23 gelenkt, die auf ein und demselben Halbleiter-Substrat 9 ausgebildet sind, um die Bildschärfe festzustellen. Der andere T₁ i ent te i. 1 strom wird zur Ermittlung der seitlichen Bildverschiebung benutzt und über das in das Teilerprisma 14 inte-

-Λ - 57

griertes optisches Hilfssystem 22 auf die ebenfalls auf dem Substrat 9 angeordnete Lichtempfangselementen-Gruppe 21 gelenkt. Beim gezeigten Beispiel ist das optische Hilfssystem 22 von einer Gruppe regelmäßig angeordneter - insbesondere eingeprägter - lentiformer Zylinderlinsen gebildet. Die Licht menge des Lichtteilstroms 31 ist zumindest annähernd gleich mit der des Lichtteilstromes 33 eingestellt. Weil beim gezeigten Beispiel ein aus derselben Stelle eines Bildes austretender Lichtstrom sowohl für das nach der Bildschärfe als auch für das nach der seitlichen Bildverschiebung arbeitende Feststellverfahren benutzt wird, ist eine genaue Fokusfeststellung sogar bei einem Tiefe besitzenden Objekt möglich.

Bei der in Fig. 10 dargestellten anderen Ausführungsform des optischen Systems, welche in der Fokusfeststellvorrichtung gemäß der Erfindung bevorzugt benutzt wird, wird das einfallende Licht mittels eines nicht dargestellten Lichtstrom-Teilerprismas in zwei Lichtteilströme 40 und 41 aufgeteilt. Der Lichtteilstrom 40 wird dann über eine Strahlengang-Korrekturplatte 43 auf ein Lichtstrom-Teilerprisma 42 gerichtet und von einem halbdurchlässigen Spiegel 44 und einem reflektierenden Spiegel 45 dieses Teilerprismas 42 in zwei Lichtteilströme 46 und 47 aufgeteilt. Diese Lichtteilströme 46 und 47 werden gegen die zugehörigen Lichtempfangselementen-Gruppen 24 und 23 auf dem Substrat 9 gerichtet, um die Bildschärfe festzustellen. Über das Lichtstrom-Teilerprisma 42 und ein in es integriertes optisches Hilfssystem 48 wird der andere einfallende Lichtteilstrom 41 auf die Lichtempfangselementen-Gruppe 21 gerichtet, um die seitliche Bildverschiebung festzustellen. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Lichtmenge des Lichtteilstroms 46 zumindest annähernd gleich derjenigen des Lichtteilstroms 47. Außerdem kann beim gezeigten Beispiel der Lichtausnutzungsgrad gegenüber der Ausführungsform' gemäß Fig. 5 verbessert werden, woil eine Hälfte des einfallenden Lichtstroms gegen die Gruppe 21 gerichtet wird.

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Bei der in Fig. 11 dargestellten noch anderen Ausführungsform des für die Fokusfeststellvorrichtung gemäß der Erfindung bevorzugten optischen Systems sind die optischen Systeme für die Bildschärfe und für die seitliche Bildverschiebung unabhängig voneinander angeordnet, jedoch sind die Lichtempfangselementen-Gruppen auf ein und demselben Substrat angeordnet. Es ist möglich, diese optischen Systeme, unter Beibehaltung ihrer bestehenden Stellungsbeziehung zueinander, ganz oder zum Teil miteinander zu verbinden. Gemäß Fig. 11 wird ein einfallender Lichtstrom zuerst in zwei Lichtteilströme 50 und 51 aufgeteilt. Eine weitere Aufteilung des Lichtteilstroms 50 in zwei Lichtteilströme 52 und 53 erfolgt mittels eines in das Teilerprisma 14 integrierten Prismas 54 mit einem halbdurchlässigen Spiegel 55 und einem reflektierenden Spiegel 56. Die Lichtteilströme 52 und 53 werden dann gegen die zugehörigen Lichtempfangselementen-Gruppen 24 und 23 gerichtet. Der andere einfallende Lichtteilstrom wird über eine Strahlengang-Korrekturplatte 57 und ein optisches Hilfssystem, die ineinander integriert sind, auf die Lichtempf angselementen-Gruppe 21 auf dem Substrat 9 gelenkt. Wie bei den zunächst beschriebenen Ausführungsformen sind die Lichtempfangselementen-Gruppen 21, 23 und 24 auf ein und demselben Substrat 9 ausgebildet.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 9 bis 11 sind die Lichtempfangselementen-Gruppen 21, 23 und 24 auf ein und demselben Halbleiter-Substrat 9 ausgebildet, auf dem mit ihnen zusammen auch eine Signalverarbeitungsschaltung, eine Treiberschaltung usw. ausgebildet sein können. Es ist daher möglich, alle optischen Systeme und Schaltungen in einem kleinen Raum einer Kompaktkamera unterzubringen.

Bei. der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist es auch möglich, . beim Mr/.euyan der Scharf Stellungssignale durch die Feststellung der Bildschärfe und die Feststellung der seitlichen Bild-

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verschiebung den Fokussierzustand als die beste Scharfstellung zu ermitteln, indem ein Ausgang des UND-Gliedes 1.36 dom UND-Glied 142 zugeleitet wird. Ferner ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 der von den Differentialverstärkern 95 und 96, dem ODER-Glied 97 und dem Inverter 98 gebildete Schaltungsteil auf der Ausgangsseite der Bewertungsfunktion S¹ für die seitliche Bi]dverschiebung angeordnet; die Ausgänge der UND-Glieder 141.bis 146 können dann so gesteuert werden, daß die UND-Glieder 141 bis 143 gesperrt und die UND-Glieder 144 bis 146 auf Durchlaß geschaltet sind, wenn die Bewertungsfunktion S¹ außerhalb des Bereiches von + L·. liegt, dagegen die UND-Glieder 141 bis 143 auf Durchlaß geschaltet und die UND-Glieder 144 bis 146 gesperrt sind, wenn S' in den Bereich von +A₄ fällt.

Ferner ist bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen das optische Hilfssystem zum Aufteilen des aus dem Abbildungsobjektiv austretenden Lichtstromes von der ]entiformen Linsen-Gruppe gebildet, kann aber auch von anderen optischen System gebildet sein, z.B. von einer Gruppe regelmäßig angeordneter Schlitze, Mikrolinsen. und Mikroprismen.

Claims

Patentansprüche :

1„ Verfahren zum Feststellen eines Scharfstellungszustandes bei einem optischen Abbildungssystem

- durch Feststellen einer Bildschärfe, wobei ein erster Bewertungsfunktionswert (S) erzeugt wird, der eine Schärfe eines vom optischen Abbildungssystem auf wenigstens zwei Lichtempfangselementen-Gruppen erzeugten Bildes darstellt,

- sowie durch Feststellen einer seitlichen Bildverschiebung, wobei ein zweiter Bewertungsfunktionswert (S') erzeugt wird, der eine seitliche Verschiebung von zwei auf wenigstens einer Lichtempfangselementen-Gruppe erzeugten Bildern darstellt, welche von Lichtteilströmen erzeugt werden, die von verschiedenen Bereichen des optischen Abbildungssystems durchgelassen worden sind,

dadurch gekennzeichnet , daß

- der Scharfstellungszustand des optischen Abbildungssystems durch Verarbeiten des zweiten Bewertungsfunktionswertes (S¹) festgestellt wird, der bei der Feststellung der seitlichen Bildverschiebung in einem von der Scharfstellung fernen ersten Bereich erzeugt wird,

- und der Scharfstellungszustand des optischen Abbildungssystems durch Verarbeiten sowohl des ersten als auch des zweiten Bewertungsfunktionswertes (S, S¹) in einem der Scharfstellung nahen Bereich festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

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die Feststellung des Scharfstellungszustandes im zweiten Bereich durch Ermitteln der seitlichen Bildverschiebung durchgeführt wird, wenn beide Bewertungswerte (F_Bi/ F .), aus denen der erste Bewertungsfunktionswert (S) abgeleitet wird, kleiner sind als ein vorgegebener Schwellenwert, und durch Ermitteln der Bildschärfe, wenn wenigstens einer der Bewertungswerte (F_n, oder F_n,,) größer als der genannte Schwellenwert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

- die Feststellung des Scharfstellungszustandes im ersten Bereich durchgeführt wird, bis der zweite Bewertungsfunktionswert (S¹) außerhalb eines bestimmten Bereiches fällt,

- und die Feststellung des Scharfstellungszustandes, wenn der zweite Bewertungsfunktionswert (S') in den genannten vorgegebenen Bereich fällt, durch Ermitteln sowohl der Bildschärfe als auch der seitlichen Bildverschiebung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Feststellung des Scharfstellungszustandes im zweiten Bereich durch Ermitteln der Bildschärfe durchgeführt wird, wenn die Bewertungswerte (F₁₃₁, F_nJ, aus denen der erste Bewertungsfunktionswert (S) abgeleitet wird, größer sind als ein vorgegebener Schwellenwert, und durch Ermitteln der seitlichen Bildverschiebung, wenn die Bewertungswerte (F_R,, F_n_) kleiner sind als der Schwellenwert.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Feststellung des Scharfstellungszustandes im zweiten Boκ-'ich durch Ermitteln sowohl der Bildschärfe als auch der seitlichen Bildverschiebung in der Weise durchgeführt wird,

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daß, wenn der erste Bewertungsfunktionswert (S) innerhalb eines zweiten im voraus festgelegten Bereiches liegt und gleichzeitig der zweite Bewertungsfunktionswart (S¹) in einen dritten im voraus festgelegten Bereich fällt, der Scharfstellungszustand als eine Scharfstellung festgestellt wird.

6. Vorrichtung zum Feststellen eines Scharfste]lungszustandes bei einem optischen Abbildungssystem, mit

- einer Vorrichtung zum Aufteilen eines vom optischen Abbildungssystem durchgelassenen Lichtstromes in wenigstens drei Lichtteilströme,

- einer ersten und einer zweiten Lichtempfangselementen-Gruppe auf zugehörigen Seiten einer im voraus festgelegten Brennebene zum Empfangen des ersten und des zweiten Lichtteilstromes und zum Erzeugen einer ersten und einer zweiten Reihe von fotoelektrisch umgeformten Ausgangssignalen,

- einer Einrichtung zum Verarbeiten der beiden Reihen von Äusgangssignalen und zum Ableiten eines ersten Bewertungsfunktionswertes (S), der ausgehend von der Ermittlung einer Bildschärfe eine Schärfe, von Bildern darstellt, die auf der ersten und der zweiten Lichtempfangselementen-Gruppe erzeugt wurden,

- einer in der Nähe der Brennebene angeordneten dritten Lichtempfangselementen-Gruppe zum Erzeugen einer dritten Reihe von fotoelektrisch umgeformten Ausgangssignalen,

- einem vor der dritten Lichtempfangselementen-Gruppe angeordneten optischen Hilfssystem zum Erzeugen von zwei Bildern auf dieser Gruppe mittels Lichtteilströmen, die von verschiedenen Bereichen des optischen Abbildungssystems durchgelassen wurden,

- einer Einrichtung zum Verarbeiten der dritten Reihe von Ausgangssignalen und zum Ableiten eines zweiten Bewertungsfunktionswertes (S'), der ausgehend von der Ermittlung einer seitlichen Bildverschiebung eine seitliche Verschiebung

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der zwei auf der dritten Lichtempfangselementen-Gruppe erzeugten Bilder darstellt,

- und einer Einrichtung zum Verarbeiten der beiden Bewertungsfunktionswerte (S, S¹), um den Scharfstellungszustand des optischen Abbildungssystems festzustellen,

dadurch gekennzeichnet , daß die drei Lichtempfangselementen-Gruppen (21,23,24) auf einem einzigen Halbleiter-Substrat (9) angeordnet sind.

7. " Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Aufteilen des Lichtstromes ein Prisma mit wenigstens einem halbdurchlässigen Spiegel und einem reflektierenden Spiegel aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß

- das Prisma einen ersten und einen zweiten halbdurchlässigen Spiegel und einen reflektierenden Spiegel aufweist,

- die erste Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom ersten halbdurchlässigen Spiegel durchgelassenen Lichtteilstrom empfängt,

- die zweite Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen Lichtteilstrom empfängt, der vom ersten halbdurchlässigen Spiegel reflektiert, vom zweiten halbdurchlässigen Spiegel durchgelassen und vom reflektierenden Spiegel reflektiert worden ist,

- und die dritte Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom ersten und vom zweiten halbdurchlässigen Spiegel reflektierten Lichtteilstrom empfängt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

deidurch gekennzeichnet , daß das optische Hilfssystem von einer Gruppe regelmäßig angeordneter, insbesondere eingeprägter, lentiformer Linsen gebildet

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ist, die in das Lichtstrom-Teilerprisma integriert ist.

ΙΟ. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß

- das Prisma einen halbdurchlässigen Spiegel und einen reflektierenden Spiegel aufweist,

- die erste Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom ersten halbdurchlässigen" Spiegel durchgelassenen Lichtteilstrom empfängt,

- die zweite Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom halbdurchlässigen Spiegel und vom reflektierenden Spiegel reflektierten Lichtteilstrom empfängt,

- und die dritte Lichterapfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom Prisma durchgelassenen Lichtteilstrom empfängt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß das optische Hilfssystem von einer Gruppe regelmäßig angeordneter, insbesondere eingeprägter, lentiformer Linsen gebildet ist, die in das Prisma integriert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß in das Prisma ein Lichtweg-Korrektursystem integriert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß

- das Prisma einen halbdurchlässigen Spiegel und einen reflektierenden Spiegel auf v/eist, .

- die erste Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom ersten halbdurchlässigen Spiegel durchgelassenen Lichtteilstrom empfängt,

- die zweite Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen vom halbdurchlässigen Spiegel und vom reflek-

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tierenden Spiegel durchgelassenen Lichtteilstrom empfängt, - und die dritte Lichtempfangselementen-Gruppe so angeordnet ist, daß sie einen Lichtteilstrom empfängt, der von einem Lichtweg-Korrektursystem und dem optischen Hilfssystem, die getrennt vorn Prisma angeordnet sind, durchgelassen worden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß das optische Hilfssystem und das Lichtweg-Korrektursystem ineinander integriert sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet , daß das optische Hilfssystem von einer Gruppe regelmäßig angeordneter, insbesondere eingeprägter, lentiformer Linsen gebildet ist.