DE69121393T2 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen belichtungsregelung in einem elektronischen bilderzeugungssystem - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die automatische Belichtungssteuerung eines elektronischen Bildaufnahmesystems. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für die automatische Belichtungssteuerung und ein Verfahren zu deren Betrieb, die in der Lage sind, ohne die Verwendung bewegter Komponenten über einen großen Aufnahmebereich hinweg und unter vielfältigsten Belichtungsbedingungen zu arbeiten.
• Die Einführung der Elektronik im Gebiet der Bildaufnahmetechnik hat bei den Benutzern zu der Erwartung geführt, daß die von ihnen gekauften Bildaufnahmesysteme mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten werden. Entsprechend hat sich die Systemzuverlässigkeit zum wichtigsten Faktor bei der Herstellung von kommerziell erfolgreichen Bildaufnahmesystemen entwickelt. Das größte Problem bezüglich der Zuverlässigkeit elektronischer Bildaufnahmesysteme hat jedoch wenig mit den elektronischen Systemkomponenten zu tun. Die Entwicklung der elektronischen Komponenten, wie des elektronischen CCD-Bildwandlers und der Mikroprozessor- Steuerungen, ist heute so weit fortgeschritten, daß diese Geräte, wenn sie einmal eine anfängliche "Einbrenn"-Testphase überstanden haben, im allgemeinen mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten. Das Hauptzuverlässigkeitsproblem bei Bildaufnahmesystemen liegt weiterhin in den beweglichen mechanischen Systemkomponenten, wie den mechanischen Verschlüssen, Entfernungseinstellmechanismen und Blendenmechanismen für die Blendeneinstellung, die in Verbindung mit den elektronischen Komponenten arbeiten.
• Es wurden bereits elektronische Bildaufnahmesysteme entwickelt, die verschiedene bewegliche mechanische Komponenten überflüssig machen. Zum Beispiel sind Fixfokusobjektive erhältlich, die einen großen Bereich an Aufnahmeentfernungen zulassen, ohne daß eine Entfernungseinstellung erforderlich ist. Außerdem ist dem Fachmann seit langem bekannt, daß elektronische Bildaufnahme systeme so betrieben werden können, daß auch der Verschluß elektronisch betätigt wird, womit mechanische Verschlußmechanismen überflüssig werden US-A- 3.934.161 beschreibt zum Beispiel einen elektronischen Verschluß für einen CCD- Bildwandler. Ein zuverlässiger, bewegungslos arbeitender Ersatz für einen mechanischen Blendenmechanismus zur Einstellung der Blendenöffnung des Bildaufnahmesystems wurde bisher jedoch noch nicht entwickelt.
• In Patent Abstracts of Japan, Band 13, Nr.450, zeigt JP-A-1 .174.175 ferner eine automatische Belichtungsregelung für eine elektronische Kamera, bei der die Empfindlichkeit einer Belichtungsmeßschaltung manuell geregelt wird, um die Belichtungszeit des Bildwandlers sowie die Blende des optischen Systems und auch die Blitzdauer in Abhängigkeit von der Intensität des Szenenlichts einzustellen. Die Blende wird mechanisch von einem Motor betätigt.
• Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Belichtungssteuerung bereitzustellen, die keine bewegten Teile als Bestandteile des Belichtungssteuersystems verwenden. Des weiteren hat die Erfin- dung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Belichtungssteuerung bereitzustellen, die unter Belichtungsbedingungen einer großen Bandbreite arbeiten können.
• Die Erfindung stellt eine Vorrichtung für die elektronische Belichtungssteuerung und ein Verfahren für deren Arbeitsweise bereit, die ohne bewegte Teile auskommen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine elektronische Bildaufnahmeeinrichtung, zum Beispiel ein CCD-Bildwandler, so arbeiten kann, daß sie sowohl Verschluß- als auch Blendensteuerungsfunktionen erfüllt.
• Die Erfindung erreicht dies durch ein elektronisches Bildaufnahmesystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7.
• Im Betrieb wird die Intensität des Szenenlicht mittels der Meßeinrichtung gemessen. Danach wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor von der Belichtungssteuereinheit in Abhängigkeit von der gemessenen Intensität des Szenenlichts eingestellt. Die Belichtungssteuereinheit bestimmt dann die Verschlußzeit in Abhängigkeit vom eingestellten Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers und der gemessenen Intensität des Szenenlichts und steuert die Einwirkungsdauer des Szenenlichts auf die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung. Die Arbeitsweise der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung wird dann durch die Belichtungssteuereinheit in Abhängigkeit von der bestimmten Verschlußzeit gesteuert.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen elektronischen Bildaufnahmesystems;
• Fig. 2 ein Diagramm, aus dem die wirksame Verschlußzeit des Bildaufnahmesystems gemäß Fig. 1 ersichtlich ist; und
• Fig. 3 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise des elektronischen Bildaufnahmesystems gemäß Fig. 1.
• Die Erfindung stellt ein elektronisches Bildaufnahmesystem bereit, das einen großen Aufnahmebereich abdeckt, dabei aber ohne bewegte Teile auskommt. Normalerweise wird der Aufnahmebereich bestimmt durch die Objektivbrennweite, die Verschlußzeiten und die Blendeneinstellung. Wie bereits erwähnt, gibt es heute Fixfokusobjektive, die eine große Bandbreite von Aufnahmeentfernungen gestatten, und elektronische Bildaufnahmeeinrichtungen, die durch entsprechende elektronische Steuerung eine Verschlußfunktion übernehmen. Erfindungsgemäß wird jedoch auch der Verstärkungsfaktor der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung derart gesteuert, daß die äquivalente Empfindlichkeit der Bildaufnahmeeinrichtung für verschiedene Lichtintensitäten verändert werden kann, wie dies nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird.
• In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes elektronisches Bildaufnahmesystem dargestellt, das ein Objektiv 10, eine elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 mit einer mit einem zugehörigen Verstärker 18 mit variablem Verstärkungsfaktor gekoppelten Ausgangsleitung 16, eine mit dem Ausgang des variablen Verstärkers 18 gekoppelte Signalverarbeitungsschaltung 20 und eine mit dem Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung 20 gekoppelte Datenspeichereinheit 22 aufweist. Bei dem Objektiv 10 handelt es sich vorzugsweise um ein Fixfokusobjektiv 12,5 mm f/2.8 mit einem Streukreis von 35 µm, das eine Tiefenschärfe zwischen 3 Fuß und unendlich ergibt. Bei der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung 14 handelt es sich um einen herkömmlichen CCD-Bildwandler, der eine Vielzahl von Pixelelementen aufweist und vorzugsweise so arbeiten kann, daß er eine elektronische Verschlußfunktion erfüllt. Alternativ kann für die Verschlußfunktion ein elektronisches Lichtventil 12, vorzugsweise eine LCD, verwendet werden, die bei Anlegen eines Steuersignals durchlässig wird. Die Signalverarbeitungsschaltung 20 umfaßt eine herkömmliche Schaltung, die eine analoge Ausgabe des Verstärkers 18 mit variablem Verstärkungsfaktor in ein gewünschtes digitales Datenformat umwandelt. Die Datenspeichereinheit 22 besteht vorzugsweise aus einer Speicherkarte mit einer Vielzahl von Speichereinheiten zur Speicherung der von der Signalverarbeitungsschaltung 20 gelieferten digitalen Daten.
• Die Funktionen des elektronischen Lichtventils 12, der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung 14 und des variablen Verstärkers 18 werden von einer Belichtungssteuereinheit 24 in Abhängigkeit von einem Meßsignal eines Fotodetektors 26 gesteuert, während die Gesamtfunktion des elektronischen Bildaufnahmesystems von einer Systemsteuerung 28 gesteuert wird. Die Belichtungssteuereinheit 24 und die Systemsteuerung 28 bestehen vorzugsweise aus mit Mikroprozessoren arbeitenden Einheiten. Alternativ kann auch nur eine mit einem Mikroprozessor arbeitende Steuereinheit zur Steuerung sowohl der Belichtungsfunktion als auch der Gesamtsystemfunktion vorgesehen werden. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß der Fotodetektor 26 zwar schematisch als getrennte Einheit dargestellt ist, es aber durchaus möglich ist, eines oder mehrere der Pixelelemente der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung 14 für die Ausführung der Lichtmeßfunktion zu verwenden.
• Im folgenden soll nun die Arbeitsweise des dargestellten Bildaufnahmesystems im einzelnen beschrieben werden. Bei Empfang eines Triggersignals von einer (nicht dargestellten) Bedienereingabeeinrichtung sendet die Systemsteuerung 28 ein Befehlssignal an die Belichtungssteuereinheit 24, das diese anweist, den Belichtungsablauf auszulösen. Die Belichtungssteuereinheit 24 erhält vom Fotodetektor 26 ein Lichtmeßsignal. In Abhängigkeit von diesem Lichtmeßsignal bestimmt die Belichtungssteuereinheit 24 eine Soll-Belichtungszeit für die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 sowie eine zweckmäßige Verstärkungsfaktoreinstellung für den variablen Verstärker 18. Anschließend übermittelt die Belichtungssteuereinheit 24 ein Befehlssignal an das Lichtventil 12, das dieses lichtdurchlässig macht und die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 dem Szenenlicht aussetzt. Die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 integriert das Szenenlicht und gibt über die Ausgangsleitung 16 ein analoges Ausgangssignal an den variablen Verstärker 18 aus. Der variable Verstärker 18 verstärkt das von der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung 14 erhaltene analoge Ausgangssignal und übermittelt das verstärkte analoge Signal an die Signalverarbeitungsschaltung 20. Die Signalverarbeitungsschaltung 20 wandelt das vom variablen Verstärker 18 erhaltene verstärkte analoge Signal, gesteuert von der Systemsteuerung 28, in digitale Daten um. Die digitalen Daten werden dann, gesteuert von der Systemsteuerung 28, in der Datenspeichereinheit 22 gespeichert.
• Im folgenden sollen nun die Grundlagen für die Bestimmung der richtigen Verschlußzeit und für die Einstellung des Verstärkungsfaktors durch die Belichtungssteuereinheit 24 unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben werden. Die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 ermöglicht vorzugsweise elektronische Verschlußzeiten zwischen 1/10 und 1/1000 einer Sekunde. Durch eine Veränderung der Einstellung des Verstärkungsfaktors des variablen Verstärkers 18 wird die Gesamtempfindlichkeit (ASA) des elektronischen Bildaufnahmesystems effektiv verändert. In Fig. 2 sind drei Verstärkungsfaktor-Einstellungen dargestellt, die jeweils zu einer effektiven Empfindlichkeit des elektronischen Bildaufnahmesystems von 200 ASA, 50 ASA und 12,5 ASA führen. Wenn das Lichtmeßsignal anzeigt, daß Licht zwischen 1,5 und 150 foot Lambert (fL) einfäl lt, bewifkt die Belichtungssteuereinheit 24 die korrekte Belichtung in der Weise, daß sie den variablen Verstärker 18 auf die erste Verstärkungsfaktor-Stufe setzt und die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 in der Weise versteuert, daß Verschlußzeiten im Bereich von 1/10 bis 1/1000 einer Sekunde zustandekommen. Bei einer gemessenen Lichtstärke von über etwa 150 fL kann eine korrekte Belichtung jedoch mit der ersten Verstärkungsfaktor-Stufe nicht erreicht werden, da die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung 14 eine Verschlußzeit von 1/1000 einer Sekunde nicht überschreiten kann. Daher schaltet die Belichtungssteuereinheit 24 bei einer gemessenen Lichtstärke über 150 fL den variablen Verstärker 18 auf die zweite Verstärkungsfaktor-Stufe um und verringert damit den Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers 18. Jetzt kann die richtige Belichtung bewirkt werden, da der geringere Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers 18 es ermöglicht, die Verschlußzeit der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung 14, wie in Fig. 2 dargestellt, auf 1/250 einer Sekunde zu verlangsamen. Wenn die Lichtstärke 550 fL übersteigt, muß die Verstärkungsfaktor-Einstellung nochmals auf eine dritte Verstärkungsfaktor-Stufe umgestellt werden, womit das System auf 12,5 ASA eingestellt und die Verschlußzeit wiederum auf 1/250 einer Sekunde verringert wird.
• Fig. 3 zeigt ein einfaches Flußdiagramm der Einstellung des Verstärkungsfaktors des variablen Verstärkers 18 und der Verschlußzeit der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung durch die Belichtungssteuereinheit 24. Im Schritt S1 erhält die Belichtungssteuereinheit 24 vom Fotodetektor 26 eine Lichtstärken-Ausgabe. Im Schritt S2 stellt die Belichtungssteuereinheit 24 fest, ob die Lichtstärke 550 fL überschreitet. Liegt die Lichtstärke über 550 fL, stellt die Belichtungssteuereinheit 24 im Schritt S3 den Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers 18 auf die erste Verstärkungsfaktor-Stufe. Der Ablauf geht dann mit dem Schritt F8 weiter, der weiter unten noch im einzelnen beschrieben wird. Wenn im Schritt S2 die Lichtstärke 550 fL nicht übersteigt, stellt die Belichtungssteuereinheit 24 im Schritt S5 fest, ob die Lichtstärke 150 fL übersteigt. Liegt die Lichtstärke über 150 fL, stellt die Belichtungssteuereinheit 24 im Schritt S6 den Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers 18 auf die zweite Verstärkungsfaktor-Stufe ein. Dann wird der Ablauf mit Schritt S8 fortgesetzt. Wenn im Schritt S5 die Lichtstärke 150 fL nicht übersteigt, stellt die Belichtungssteuereinheit 24 den Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers 18 wieder auf die erste Verstärkungsfaktor-Stufe ein. Danach setzt sich der Ablauf mit Schritt S8 fort, wo die Belichtungssteuereinheit 24 vorzugsweise eine zuvor in die Belichtungssteuereinheit 24 geladene Nachschlagtabelle zu Rate zieht, um die gewünschte Verschlußzeit in Abhängigkeit vom eingestellten Verstärkungsfaktor und der gemessenen Lichtstärke zu ermitteln. Anschließend übermittelt die Belichtungssteuereinheit 24 im Schritt S9 einen Befehl an das Lichtventil 12, der dieses lichtdurchlässig macht und die Verschlußzeit der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung 14 steuert.
• Die Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz in einer tragbaren elektronischen Stehbildkamera. Durch das Fixfokusobjektiv, die Lichtventil-, Verschlußventu- und Blendensteuerung über die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung und die Verwendung einer Speicherkarte für die Datenspeichereinheit ergibt sich eine extrem zuverlässige Kamera ohne alle bewegten Teile.
• Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der beiliegenden Ansprüche zu verlassen. Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die speziellen, in Fig. 2 dargestellten Empfindlichkeiten oder Änderungen des Verstärkungsfaktors beschränkt ist, sondern daß jede gewünschte Systemempfindlichkeit dadurch erzielt werden kann, daß man den Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers um unterschiedliche Werte und Intervalle verändert. Außerdem ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen speziellen Bauelemente für die Belichtung der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung beschränkt. Zum Beispiel könnte statt des GCD-Bildwandlers oder des Lichtventils 12 auch ein mechanischer Verschlußmechanismus für die Verschlußfunktion Verwendung finden, wenn dies auch weniger wünschenswert ist. Und anstelle der Verwendung einer Nachschlagtabelle könnte für die Einstellung der Verschlußzeit auch eine analoge Schaltung verwendet werden. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors könnte zum Beispiel zur Einstellung eines variablen Widerstands in einer RC-Schaltung verwendet werden, an der ein Fotodetektor liegt und die den Verschluß auslöst, wenn die Spannung des Kondensators einen vorbestimmten Wert erreicht. Schließlich könnten bestimmte Elemente, die der Klarheit halber als Einzelelemente dargestellt wurden, auch in einem Gerät zusammengefaßt werden. Zum Beispiel kann der variable Verstärker als Teil der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung in einem Schaltungspaket mit dieser ausgebildet werden.

Claims (7)

1.Elektronisches Bildaufnahmesystem mit einer elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung (14), die aus einer Vielzahl von Pixelelementen ein Bildausgangssignal erzeugt, mit einer Einrichtung (26), die die Intensität des Szenenlichts mißt, und mit einer Einrichtung (10), die die elektronische Bildaufnahmeeinrichtung (14) dem Szenenlicht aussetzt, gekennzeichnet durch

einen Verstärker (18) mit variablem Verstärkungsfaktor der mit einem Ausgang der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung (14) verbunden ist, um das von der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung erhaltene Bildausgangssignal zu verstärken, und

eine Belichtungssteuereinheit (24), die mit der Meßeinrichtung (26), der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung (14) und dem variablen Verstärker (18) verbunden ist und den Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers (18) derart steuert, daß die äquivalente Empfindlichkeit der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung eingestellt wird, und die die Verschlußzeit der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung (14) in Abhängigkeit von der intensität des von der Meßeinrichtung (26) gemessenen Szenenlichts steuert

2. Elektronisches Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverarbeitungsschaltung (20) an einen Ausgang des variablen Verstärkers (18) angeschlossen ist.

3. Elektronisches Bildaufnahmesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Datenspeichereinheit.(22) an einen Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung (20) angeschlossen ist.

4. Elektronisches Bildaufnahmesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenspeichereinheit (22) eine mit einer Vielzahl von Speichereinheiten versehene Speicherkarte umfaßt.

5. Elektronisches Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10) ein Fixfokusobjektiv aufweist.

6. Elektronisches Bildaufnahmesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10) ein elektronisches Lichtventil (12) aufweist.

7. Verfahren für die automatische Belichtungssteuerung in einem elektronischen Bildaufnahmesystem, das eine Einrichtung (26) zum Messen der Intensität des Szenenlichts sowie eine elektronische Bildaufnahmeeinrichtung (14) aufweist, die dem Szenenlicht ausgesetzt wird, um aus einer Vielzahl von Pixelelementen ein Bildausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

das Bildausgangssignal an einen Verstärker (18) mit variablem Verstärkungsfaktor angelegt wird,

der Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers (18) in Abhängigkeit von der gemessenen Intensität des Szenenlichts eingestellt wird,

eine Verschlußzeit in Abhängigkeit von dem eingestellten Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers (18) und von der gemessenen Intensität des Szenenlichts bestimmt wird und

die Integrationszeit der elektronischen Bildaufnahmeeinrichtung (14) in Abhängigkeit von der bestimmten Verschlußzeit gesteuert wird.