Die Erfindung bezieht sich auf einen Entfernungsmesser mit einem optischen System zum Abbilden des zu messenden Objektes in Form von wenigstens zwei getrennten Bildern und mindestens einem lichtelektrischen Wandler in jeder Bildebene.
Ein derartiger Entfernungsmesser ist aus der DT-OS 1 940 122 bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Ausführung waren zwei Zeilen von Photodioden vorgesehen, wobei jeweils eine Zeile in je einem der Teilbilder entlang der Trennungslinie zwischen den beiden Teilbildern verlief. Bei diesen Teilbildern handelte es sich um Schnittbilder, wobei beispielsweise das untere Teilbild den unteren Teil der Szene, das obere Teilbild hingegen den oberen Teil der Szene wiedergab. Nach teilig an einer derartigen Konstruktion ist jedoch, dass nur dann gute Ergebnisse erzielt werden, wenn das Ojekt hauptschlich vertikale Linien aufweist.
Soll aber ein solcher bekannter Entfernungsmesser für Objekte verwendet werden, deren Bildinhalte im oberen Teil sehr verschieden vom unteren Teil sind, so ergeben sich ebenso schlechte Ergebnisse wie bei Objekten mit schrägen oder gar horizontalen Linien.
Durch die Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass die vom optischen System gelieferten Bilder einander zumindest ähnlich oder Kehrbilder bzw. Symmetriebilder sind und dass der lichtelektrische Wandler zur Punktlichtmessung einander entsprechende Punkte der Bildebenen durchläuft und abtastet bzw. bei Verwendung mehrerer solcher Wandler pro Bild diese an einander entsprechenden Punkten der Bildebenen angeordnet sind.
Es ist zwar an sich bekannt, zum Zwecke der Entfernungsmessung Teilbilder im wesentlichen identischen Inhalts zu benutzen. Hiezu gehören der Brandersche-, Kehrbild- und der Symmetrieentfernungsmesser. Während aber für die Zwecke der rein optischen Entfernungsmessung der Schnittbildentfernungsmesser vorzuziehen ist, weil das Auge aus der Erfahrung feststellen kann, ob zwei zusammengehörige Linien richtig zusammenfallen oder nicht, geht naturgemäss einer elektronischen Automatik eine derartige Erfahrung ab, wobei sich in überraschender Weise gezeigt hat, dass gerade durch die Verwendung von Entfernungsmessern mit im wesentlichen identischen Teilbildern die Nachteile der bekannten Konstruktion behoben werden können.
Die Verwendung von Kehrbildern ist deshalb von Vorteil, weil dann im Falle einer zeilenweisen Anordnung die lichtelektrischen Wandler in zwei Zeilen nebeneinander auf einem einzigen Träger, vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik angeordnet sein können.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass das optische System wenigstens zwei Objektive unterschiedlicher Brennweite zum Erzeugen der Teilbilder umfasst, wobei der Brennweitenunterschied in den Bildebenen Unterschiede in den Abbildungsmasstäben ergibt. Dadurch gehen nicht nur Helligkeitsunterschiede sondern zusätzlich noch Masstabsunterschiede in die Messung ein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Die Fig. la, 1b veranschaulichen einen bekannten Entfernungsmesser in zwei verschiedenen Einstellungen einer Szene. Fig. 2 ist die gleiche Szene in einem erfindungsgemässen Entfernungsmesser. Die Fig. 3 und 4 stellen schematisch den optischen Aufbau der Erfindung in zwei Ausführungsvarianten dar. Anhand der Fig. 5, 6, 7a und 7b sei eine besondere Form der Abfrage der lichtelektrischen Wandler veranschaulicht.
Die Fig. 8 zeigt schematisch den optischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles gemäss der Erfindung. Die Fig. 9a und 9b veranschaulichen die in der Ebene der Wandler auftretenden Bilder beu Unschärfe, wogegen Fig. 10 eine besonders vorteilhafte Anordnung von lichtelektrischen Wandlern veranschaulicht.
Bei einem bekannten Entfernungsmesser nach dem Schnittbild-Prinzip mag eine Szene im Bergland bei richtiger Einstellung wie in Fig. la dargestellt, aussehen. Zu beiden Seiten der Schnittlinie S sind in zeilenförmiger Anordnung lichtelektrische Wandler n-1 bis n-19 bzw. n-1 bis n-19 vorgesehen. Bei dem bekannten Entfernungsmesser wurden nun jeweils zwei lichtelektrische Wandler gleicher Endziffer, also beispielsweise n-1 und n-1', n-2 und n-2' in jeweils einer Vergleichsschaltung zusammengeschaltet, wobei gleiche Signale der beiden zusammengeschalteten lichtelektrischen Wandler eine richtige Einstellung anzeigten. Überprüft man nun die Fig. la, so zeigt sich, dass die Signale der lichtelektrischen Wandler n-7 und n8 sicherlich nicht mit denen der zugeordneten Wandler n-7 , n8' übereinstimmen.
Wahrscheinlich gilt dies auch für die folgenden beiden Wandlerpaare, sicherlich aber wieder für die Wandler n-11 bzw. n-11 aber auch für die meisten der folgenden Wandlerpaare, wie Fig. la deutlich zeigt. Aus diesem Grunde würde bei einer solchen Szene ein Entfernungsmesser bekannter Art trotz richtiger Einstellung der Entfernung eine falsche Einstellung anzeigen.
Nicht nur, dass der bekannte Entfernungsmesser bei gewissen Szenen und bei für das Auge eindeutig richtiger Einstellung das Signal falsche Einstellung gibt, kann bei solchen Szenen ohne weiteres auch bei für das Auge erkennbarer falscher Einstellung das Signal richtige Einstellung erhalten werden. Dies veranschaulicht die Fig. 1b anhand der gleichen Szene. Es zeigt sich nämlich, dass bei einer solchen Szene und entsprechender Verschiebung der beiden Schnittbilder zufällig das Bild am Wandler n-7 mit dem Bild am Wandler n-11 in Fig. la übereinstimmt. Bei einer Verschiebung um vier Wand ler gemäss Fig. lb ergibt sich dann für die Wandler n-7 bzw. n7 die gleiche Beleuchtungsstärke. Bei der gewählten Szene ergibt sich aber auch gleiche Beleuchtung in Fig.
Ib bei allen übrigen Wandlerpaaren, so dass der bekannte Entferungseinsteller bei einer Einstellung gemäss Fig. Ib richtige Einstellung signalisieren würde.
Um diesem Übelstand abzuhelfen, sind erfindungsgemäss die beiden Teilbilder ähnlich oder als Kehrbilder bzw. Symmetriebilder ausgebildet, wie dies Fig. 2 veranschaulicht. Hiebei werden bevorzugt Kehrbilder, wie dargestellt, verwendet, weil dann die Wandler in nebeneinanderliegenden Zeilen auf einem gemeinsamen Träger untergebracht sein können. An sich ist es aber ohne weiteres möglich, auch Symmetriebilder o. dgl. zu verwenden, in welchem Falle dann die beiden Wandlerzeilen anders angeordnet sind. An sich wäre es auch möglich, mit einem einzigen Wandler auszukommen, der nacheinander die verschiedenen Punkte in der Bildebene durcheilt, jedoch bedarf es in diesem Fall einer Speichereinrichtung für die vom Wandler gelieferten Signale.
Die optische Einrichtung zur Erzielung von Kehrbildern ist an sich bekannt und bietet keinerlei Schwierigkeit. Normalerweise werden hiezu zwei an der Basis angeordnete Objektive verwendet, wobei die Strahlen eines der Teilbilder eine Umkehreinrichtung durchlaufen. In Fig. 3 ist nun eine bevorzugte Ausbildung dargestellt, bei der an Stelle zweier Objektive ein einziges Objektiv mit einem Vorsatz 1 und einem Grundobjektiv 2 unter Verwendung eines Scheideprismas 3, im folgenden Schnittbildkeile genannt, das Auslangen gefunden werden kann. Hiebei ist zwischen dem Vorsatz 1 und dem Grundobjektiv 2 ein teildurchlässiger Spiegel 4 vorgesehen.
der die Strahlenbündel der beiden Teilbilder 5 bzw. 6 ausspiegelt. Im Strahlengang des Bündels 6 für das eine Teilbild ist ein Umkehrprisma 7 vorgesehen, das aus einem Abbe-König Prisma oder einem Dove-Prisma bestehen kann. Wie ersichtlich, ist der Raum für die Unterbringung dieses Prismas 7 sehr klein, weshalb unter Umständen die Ausbildung gemäss Fig. 4 bevorzugt sein mag. Hierbei ist hinter dem Teilspiegel 4 ein Prisma 8 vorgesehen. Dieses Prisma weist in der Diagonale bis zur Mitte eine Spiegelfäche 9 für das Strahlenbündel 5 auf.
Das Strahlenbündel 6 hingegen geht ungeknickt hindurch und gelangt auf einen Umlenkspiegel 10, der es durch ein weiteres Prisma 11 hindurch und eine Hilfslinse 12 zu den Schnittbildkeilen 3 umlenkt.
Das von der Spiegelfläche 9 abgelenkte Strahlenbündel 5 hingegen wird wiederum durch ein Umkehrprisma, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Pentagon-Prisma 13, geführt und wird von diesem gegen das Prisma 11 gelenkt. Das Prisma 11 weist ebenso wie das Prisma 8 bis zu seiner Mitte eine Spiegelfäche 14 auf, durch welche das Strahlenbündel 5 schliesslich über die Hilfslinse 12 den Schnittbildkeilen 3 zugeführt wird. Die verschieden langen optischen Wege der Teilbündel 5, 6 können durch Umleitungen, Glaswege usw. ausgeglichen werden.
Hinter den Schnittbildkeilen 3 ist dann die elektronische Einrichtung vorgesehen, die, wie erwähnt, aus einem einzigen oder aber auch aus einer Mehrzahl von lichtelektrischen Wandlern, insbesondere Photodioden, bestehen kann. Um dabei den Schaltungsaufwand, der bei dem bekannten Entfernungsmesser verhältnismässig hoch ist, zu vermindern, ist eine Schaltung gemäss Fig. 5 vorgesehen.
In der Schaltung gemäss Fig. 5 erzeugt ein Taktgenerator 15 ein Taktsignal A (Fig. 6). Ferner ist ein weiterer Generator 16 vorgesehen, der ein Signal B weitaus geringerer Frequenz erzeugt. Die Synchronisierung der Phasenlage zwischen dem Taktsignal A und einem an die Wandlerzeilen n bzw. n gelieferten Startimpuls C bzw. D wird von einer Synchronisierschaltung 17 besorgt, die auch die Impulslänge der Startimpulse C, D bestimmt.
Während aber die Zeile n ihren Startimpuls C unmittelbar erhält, durchläuft der Startimpuls D zunächst eine Verzögerungsschaltung 18, die von einem Frequenzteiler 19 gesteuert ist. Der Frequenzteiler 19 teilt die Startimpulse B des Startgenerators 16 im Verhältnis 1:2. Damit wird die Verzögerungseinrichtung 18 nur jedes zweite Mal eingeschaltet und verzögert den Startimpuls D, wogegen sie die zwischenzeitlich anfallenden Startimpulse D unverzögert durchlässt (Fig. 6). Auf diese Weise werden die beiden Diodenzeilen n, bzw. n im einen Falle gemeinsam und gleichzeitig, im anderen Falle hingegen mit einer gewissen Verschiebung gegeneinander abgelesen, was eine Verschiebung der beiden Teilbilder gegeneinander simuliert.
Die aus der Abfrage der Wandlerzeilen n, n gewonnenen Videosignale werden anschliessend in Verstärkern 20, 20 verstärkt, durchlaufen sodann einen Hochpass 21, 21, der die Signale aus eventuell vorhandenem Gleichlicht unterdrückt, worauf das so erhaltene Signal in einen weiteren Verstärker 22 bzw. 22 auf einen für einen nachfolgenden Schwellwertschalter, vorzugsweise Schnitt-Trigger 23 entsprechenden Pegelwert gebracht wird. Dieser Schmitt-Trigger 23 bzw. 23 digitalisiert das Videosignal und ermöglicht damit eine digitale Weiterverarbeitung.
Es ist wesentlich, dass die Signalwege sowohl hinter der Diodenzeile n als auch hinter der Zeile n einander gleich sind, d. h. gleiche Verstärkung, gleichen Frequenzgang und gleiche Schwellwerte aufweisen.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Verstärker 20 eine Regelspannung zur Regelung der Folgefrequenz der Startimpulse liefert und damit auch die Empfindlichkeit der Diodenzeile steuert. Eine niedere Folgefrequenz ergibt nämlich eine grössere Integrationszeit der Photodioden und damit eine grössere Empfindlichkeit. Im übrigen ist eine Art Zeitfenstereinrichtung 24 vorgesehen, die die Verstärker 20, 20 nur während des tatsächlich vorhandenen Videosignals freitastet (vgl. Freigabefenster F in Fig. 6), so dass Messfehler und Störungen weitgehend ausgeschaltet sind.
Die Ausgänge der Schwellwertschalter 23, 23 werden einem Exklusiv-Oder-Gatter 25 zugeführt, das die Differenz der beiden erhaltenen Videosignale bildet. Ein Ausgangssignal ergibt sich an diesem Gatter 25 nur dann, wenn die angelieferten Signale ungleich sind. Das heisst also, dass bei phasengleicher Abbildung des anvisierten Objektes auf den Wandlerzeilen n, n und gleichzeitiger elektrischer Abfrage (unverzögertem Startimpuls D) sich theoretisch am Ausgange des Exklusiv-Oder-Gatters 25 in Null-Signal, zumindest aber ein Minimalsignal ergibt. Zur besseren Auswertung des vom Gatter 25 kommenden Signales ist ein Integrator 26 vorgesehen. An dessen Ausgang erscheinen Integrierkurven H (Fig. 7a), deren Amplitude bei richtiger Einstellung jeweils gleich gross ist.
Sind jedoch die beiden Teilbilder gegeneinander versetzt, so ergibt sich infolge der Verschiebung innerhalb der Verzögerungsschaltung 18 auf Grund des Steuersignals E eine periodische Anderung in der Integrierkurven-Amplitude. Fig. 7a zeigt dabei die Kurvenform bei zu naher Einstellung, wogegen Fig. 7b die Kurvenform bei zu weiter Einstellung zeigt.
Aus den Integrierkurven H wird in einer Abtast- und Halteschaltung 27 eine Modulationsfrequenz I (Fig. 7a, b) gewonnen. Die Schaltung 27 wird hiebei in ähnlicher Weise wie die Verstärker 20, 20; durch eine monostabile Kippstufe 28 gesteuert, die entsprechend dem Zeitfenster F ein Signal G (Fig. 6) abgibt. Die aus der Schaltung 27 austretende Modulationsfrequenz I wird bei Scharfeinstellung des optischen Systems 1, 2 auf Null abgeglichen. Ist hingegen die Modulationsfrequenz I ungleich Null, so gibt die Phasenlage zur Abfragefrequenz E die Richtung der Abweichung an.
Man erhält beispielsweise eine Anzeige mittels Lämpchen 29, 30, wenn die Modulationsfrequenz I durch einen Hochpass 31 geleitet und zwei bistabilen Kippstufen 32, 33 zugeführt wird. Diese Kippstufen 32, 33 werden durch die jeweils entsprechende Flanke des Steuersignals E aus dem Frequenzteiler 19 rückgestellt und durch die entsprechenden Flanken des aus dem Hochpass 31 gewonnenen Signals K gesetzt. Damit ergibt sich also an den Lämpchen 29, 30 bei richtiger Entfernungseinstellung kein Signal, wogegen bei Abweichungen in der einen Richtung das Lämpchen 29 im Takte des Signals L (Fig. 7a), bei Abweichungen in der anderen Richtung das Lämpchen 30 im Takte des Signales M (Fig. 7b) aufleuchtet.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich und zweckmässig, an Stelle von Anzeigelämpchen 29, 30 die Signale L, M einem Fokussiermotor zur automatischen Fokussierung etwa eines Kameraob jektivs zuzuführen.
Anhand der Fig. 8 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. In einer Kamera 40 wird durch ein Objektiv 41 ein Objektstrahlengang bestimmt, der durch einen Strahlenteiler 42 zu einer Filmebene 44 geführt ist. Dieser Filmebene 44 entspricht eine Schärfenebene 44 im Strahlengang des durch den Strahlenteiler 42 reflektierten Anteiles der Lichtstrahlen. Über eine Zwischenoptik L3 wird das Bild aus der Schärfenebene 44 in einer Bildebene 45 vergrössert, wobei die Strahlen anschliessend von einem Strahlenteiler 46 etwa zur Hälfte über ein verhältnismässig kurzbrennweitiges Messobjektiv L1 einem lichtelektrischen Wandler 47 zugeführt werden.
Der durch den Strahlenteiler 46 reflektierte Strahlenanteil gelangt durch ein verhältnismässig langbrennweitiges Messobjektiv L2 zu einem weiteren lichtelektrischen Wandler 48.
Mit Hilfe des kurzbrennweitigen Systems L1 wird nun ein Objekt in einer Schärfenebene abgebildet, in der der lichtelektrische Wandler 47 liegt. Ebenso bildet das langbrennweitige System L2 das Objekt im Masstab 1:1 in einer Schärfenebene ab, in der der lichtelektrische Wandler 48 liegt. Ändert sich der Objektabstand, so ändert sich auch der Abbildungsmassstab, u. zw. bei der kurzbrennweitigen Optik wesentlich mehr als bei der langbrennweitigen. Beide Bilder sind also nicht mehr gleich gröss. Wie dies im Extrem aussehen kann, veranschaulicht Fig. 9.
Hiebei ist in Fig. 9a das Bild am Wandler 48 dargestellt, in Fig. 9b das Bild am Wandler 47 bei unscharfer Einstellung. Am Wandler 47 wird aus einer Szene beispielsweise ein Baum mit einem Stamm 49 abgebildet. Dieser Stamm 49 erscheint in der Ebene des Wandlers 47 wesentlich grösser, aber auch wesentlich unschärfer. Somit ergibt sich am Wandler 47 nicht nur eine Änderung der Helligkeit durch die Masstabsänderung, sondern bei Vergrösserung des Bildes gegenüber dem Bild am Wandler 48 auch durch die Änderung der Schärfe des Bildes.
Es ist klar, dass die beiden optischen Systeme L1, L2 so eingestellt sein müssen, dass bei Scharfeinstellung des Objektivs 41 der Kamera 40 das Bild auf den beiden lichtelektrischen Wandlern 47, 48 gleichen Abbildungsmasstab besitzt.
We.ln dann durch eine falsche Fokussierung des Objektivs 41 elne Abbildung vor- bzw. hinter der Schärfenebene 44' erfolgt, erhält man an den Wandlern 47, 48 ein kleineres bzw. grösseres Bild, wobei die Masstabsänderung am Wandler 48 wesentlich geringer ist. Aus dem Unterschied der Bildgrösse erhält man eine Stellgrösse, die in an sich bekannter Weise zur Steuerung eines Servomotors zum Fokussieren des Objektivs 41 herangezogen werden kann. Hiezu ist lediglich eine Vergleichsschaltung zwischen den Wandlern 47 bzw. 48 notwendig. Die erforderliche Verstellrichtung wird durch das Verhältnis der Abbildungsmasstäbe an den beiden lichtelektrischen Wandlern 47, 48 ermittelt.
Ist die Abbildung am Wandler 47 grösser als am Wandler 48, so muss das Objektiv 41 in Richtung auf eine kürzere Entfernung verstellt werden, ist die Abbildung kleiner als am Wandler 48, so erfolgt die Verstellung in Richtung Unendlich. In beiden Fällen erfolgt die Verstellbewegung des Objektivs 41 so lange, bis die Abbildung auf beiden Wandlern gleich gross ist. Es sei hier erwähnt, dass vorzugsweise nur ein kleiner Ausschnitt der aufzunehmenden Szene zur Messung herangezogen wird.
Je stärker die Vergrösserung des Objektivs 41 ist, umso empfindlicher wird die Messung an den beiden Wandlern 47, 48. Der Grund hiefür liegt darin, dass sich der Tiefenmasstab gegenüber der Lateralvergrösserung des Bildes quadratisch ändert. Da aber das Vergrösserungsverhältnis des Objektivs 41 nicht beliebig gewählt werden kann, ist es zweckmässig, hinter dem Strahlenteiler 42 ein Vergrösserungssystem L3 vorzusehen. damit bei gegebenem Vergrösserungsverhältnis des Objektivs 41 die Empfindlichkeit der Messung an den Wandlern 47, 48 verbessert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass man durch eine solche Anordnung eine Änderung des Abbildungsmasstabes in der Grössenordnung von + 13% bzw. 11 cd für den Bereich der Schärfentiefe erhält, was einer Zunahme von 28% bzw. einer Abnahme von 23% in der Fläche entspricht.
Das Bild, das in der Ebene der vorderen Schärfentiefengrenze entsteht, ist demnach flächenmässig um etwa 66% grösser gegenüber einem Bild in der Ebene der hinteren Schärfentiefengrenze.
Beträgt beispielsweise im Bereiche der Schärfenebene 44 der Tiefenabstand zweier an den Grenzen der Schärfentiefe für offene Blende befindlicher Objekte 72pa, so ergibt sich etwa durch eine vierfache Vergrösserung mit Hilfe der Vergrösserungsoptik L3 im Bereiche der vor dem Strahlenteiler 46 gelegenen Schärfenebene 45 ein Tiefenabstand von 1,15 mm.
Unter der Voraussetzung einer solchen Vergrösserungsoptik L3 werden bei einer Brennweite f = 5 mm des kurzbrennweitigen Systems L1 und einer Brennweite f2 = 50 mm des langbrennweitigen Systems L2 folgende Abbidlungsmasstäbe für die Bilder der Objekte an den Schärfentiefengrenzen im Bereich von dem Strahlenteiler 46 erhalten, wobei der Abbil dungsmasstab 13 in der im Bereich von dem Strahlenteiler 46 liegenden Schärfenebene 45 gleich 1 sein.
Beispiel I f1= 5mm dz= 50mm Abbildung in der hinteren 5,= 1,13 2= 1,01 Schärfentiefengrenze Abbildung in der vorderen 13 = 0,895 ss2= 0,99 Schärfentiefengrenze
Es ergibt sich somit für dieses Beispiel eine Änderung des Abbildungsmasstabes in der Grössenordnung von -10 bis +12%.
Beispiel 2 fi= 10mm f2=25 mm Abbildung an der hinteren ss,= 1,06 ss2= 1,02 Schärfentiefengrenze Abbildung an der vorderen ss,= 0,945 ss2= 0,973 Schärfentiefengrenze somit ergibt sich auch bei einem Brennweitenunterschied von 1:2,5 ein Masstabunterschied von -3 bis +4%. Der Masstabsunterschied hängt aber nicht nur vom Brennweitenunterschied, sondern auch von der absoluten Grösse der Brennweiten ab.
Ein Brennweitenunterschie von mehr als 1:2 ist jedoch vorteilhaft.
Anhand der Fig. 8 wurde lediglich ein einziger Wandler 47 bzw. 48 in jeder Bildebene beschrieben. Eine bessere Aussage über die Scharfstellung lässt sich jedoch dann erzielen, wenn an Stelle eines einzigen, ortsfesten Wandlers entweder ein Wandler verwendet wird, der verschiedene Bildpunkte des durch die optischen Systeme L1 bzw. L2 entworfenen Bilder durchläuft oder wenn Wandlerzeilen verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform von Wandleranordnungen veranschaulicht Fig. 10, in der Photowiderstände in konzentrischen Ringen angeordnet sind. Identische Anordnungen müssen dann in den beiden Bildebenen der Optiken L1, L2 entweder fest vorgesehen sein oder eine solche Anordnung nacheinander in beiden Bildebenen gebracht werden.
Die Abfrage kann nun so erfolgen, dass auf gleichem Radius liegende Photowiderstände der beiden Wandlergruppen miteinander in einer Diffe renzschaltung liegen; vorzugsweise wird aber eine Abfrageschaltung gemäss Fig. 5 verwendet. Durch die konzentrische Anordnung der Wandler wird dem Zwecke des Masstabsvergleichs besser Rechnung getragen. Im Falle einer einzigen in beide Bildebenen verschiebbaren Wandleranordnung muss selbstverständlich ein Messwertspeicher für die in jeweils einer Bildebene erhaltene Messinformation vorgesehen sein.
The invention relates to a range finder with an optical system for imaging the object to be measured in the form of at least two separate images and at least one photoelectric converter in each image plane.
Such a rangefinder has become known from DT-OS 1 940 122. In this known embodiment, two rows of photodiodes were provided, with one row in each of the partial images running along the dividing line between the two partial images. These partial images were sectional images, with the lower partial image, for example, reproducing the lower part of the scene, while the upper partial image, on the other hand, reproduced the upper part of the scene. However, the disadvantage of such a construction is that good results are only achieved if the object has mainly vertical lines.
However, if such a known range finder is to be used for objects whose image content in the upper part is very different from the lower part, the results are just as bad as for objects with inclined or even horizontal lines.
The invention avoids these disadvantages in that the images supplied by the optical system are at least similar or inverted images or symmetry images and that the photoelectric converter for point light measurement passes through and scans corresponding points of the image planes or, if several such converters are used per image, these are arranged at corresponding points on the image planes.
It is known per se to use partial images with essentially identical content for the purpose of distance measurement. These include the Brandersche, Kehrbild- and Symmetry rangefinder. While, for the purpose of purely optical distance measurement, the sectional image rangefinder is preferable, because the eye can determine from experience whether two lines that belong together correctly coincide or not, an electronic automatic system naturally lacks such an experience, which has surprisingly been shown that it is precisely through the use of range finders with essentially identical partial images that the disadvantages of the known construction can be eliminated.
The use of inverted images is advantageous because, in the case of a line-by-line arrangement, the photoelectric converters can then be arranged in two lines next to one another on a single carrier, preferably using integrated circuit technology.
A particularly favorable embodiment of the invention consists essentially in the fact that the optical system comprises at least two objectives of different focal lengths for generating the partial images, the difference in focal length in the image planes resulting in differences in the imaging scales. This means that not only differences in brightness but also differences in scale are included in the measurement.
Further details of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments shown schematically in the drawing. La, 1b illustrate a known range finder in two different settings of a scene. Fig. 2 is the same scene in a range finder according to the invention. 3 and 4 show schematically the optical structure of the invention in two variants. A special form of interrogation of the photoelectric converter is illustrated with reference to FIGS. 5, 6, 7a and 7b.
8 schematically shows the optical structure of a further embodiment according to the invention. FIGS. 9a and 9b illustrate the images occurring in the plane of the transducers with unsharpness, whereas FIG. 10 illustrates a particularly advantageous arrangement of photoelectric transducers.
In the case of a known range finder based on the sectional image principle, a scene in the mountainous region may look like the one shown in FIG. La if the setting is correct. On both sides of the cutting line S, photoelectric converters n-1 to n-19 or n-1 to n-19 are provided in a line-shaped arrangement. In the known range finder, two photoelectric converters with the same final digit, for example n-1 and n-1 ', n-2 and n-2', were connected together in a comparison circuit, with the same signals from the two connected photoelectric converters indicating a correct setting . If one now checks FIG. 1 a, it is found that the signals from the photoelectric converters n-7 and n8 certainly do not match those of the associated converters n-7, n8 '.
This probably also applies to the following two transducer pairs, but certainly again for transducers n-11 and n-11, but also for most of the following transducer pairs, as FIG. La clearly shows. For this reason, in such a scene, a range finder of the known type would indicate an incorrect setting despite the correct setting of the distance.
Not only does the known range finder give the wrong setting for certain scenes and when the setting is clearly correct for the eye, the correct setting can easily be obtained in such scenes even when the setting is incorrect for the eye. This is illustrated in FIG. 1b using the same scene. It turns out that with such a scene and a corresponding shift of the two sectional images, the image on converter n-7 happens to coincide with the image on converter n-11 in FIG. In the case of a shift by four transducers according to FIG. 1b, the same illuminance then results for transducers n-7 and n7. In the selected scene, however, the same lighting results in Fig.
Ib for all other pairs of transducers, so that the known distance adjuster would signal the correct setting with a setting according to FIG. Ib.
In order to remedy this inconvenience, according to the invention the two partial images are designed similarly or as inverted images or symmetry images, as FIG. 2 illustrates. In this case, inverted images are preferably used, as shown, because then the transducers can be accommodated in adjacent lines on a common carrier. In and of itself, however, it is easily possible to use symmetry images or the like, in which case the two converter rows are then arranged differently. In principle, it would also be possible to get by with a single transducer which hurries through the various points in the image plane one after the other, but in this case a storage device is required for the signals supplied by the transducer.
The optical device for achieving reversing images is known per se and does not present any difficulty. Normally, two lenses arranged on the base are used for this, with the rays of one of the partial images passing through a reversing device. In Fig. 3 a preferred embodiment is now shown in which, instead of two objectives, a single objective with an attachment 1 and a basic objective 2 using a separating prism 3, hereinafter referred to as sectional image wedges, can suffice. A partially transparent mirror 4 is provided between the attachment 1 and the basic objective 2.
which reflects out the bundles of rays of the two partial images 5 and 6, respectively. In the beam path of the bundle 6 for one partial image, an erecting prism 7 is provided, which can consist of an Abbe-König prism or a Dove prism. As can be seen, the space for accommodating this prism 7 is very small, which is why the design according to FIG. 4 may be preferred under certain circumstances. A prism 8 is provided behind the partial mirror 4. This prism has a mirror surface 9 for the beam 5 in the diagonal up to the middle.
The bundle of rays 6, on the other hand, goes straight through and reaches a deflecting mirror 10, which deflects it through a further prism 11 and an auxiliary lens 12 to the sectional image wedges 3.
The bundle of rays 5 deflected by the mirror surface 9, on the other hand, is in turn guided through an erecting prism, in the exemplary embodiment shown, a pentagon prism 13, and is guided by this against the prism 11. The prism 11, like the prism 8, has a mirror surface 14 up to its center, through which the beam 5 is finally fed to the sectional image wedges 3 via the auxiliary lens 12. The optical paths of different lengths of the partial bundles 5, 6 can be compensated for by diversions, glass paths, etc.
The electronic device is then provided behind the sectional image wedges 3, which, as mentioned, can consist of a single or a plurality of photoelectric converters, in particular photodiodes. In order to reduce the circuit complexity, which is relatively high in the known range finder, a circuit according to FIG. 5 is provided.
In the circuit according to FIG. 5, a clock generator 15 generates a clock signal A (FIG. 6). A further generator 16 is also provided, which generates a signal B of a much lower frequency. The synchronization of the phase position between the clock signal A and a start pulse C or D delivered to the converter rows n or n is provided by a synchronization circuit 17 which also determines the pulse length of the start pulses C, D.
However, while line n receives its start pulse C immediately, start pulse D first passes through a delay circuit 18 which is controlled by a frequency divider 19. The frequency divider 19 divides the start pulses B of the start generator 16 in a ratio of 1: 2. The delay device 18 is thus switched on only every second time and delays the start pulse D, whereas it allows the start pulses D that occur in the meantime to pass without delay (FIG. 6). In this way, the two rows of diodes n or n are read together and simultaneously in one case, but with a certain offset relative to one another in the other, which simulates a relative displacement of the two partial images.
The video signals obtained from the interrogation of the converter lines n, n are then amplified in amplifiers 20, 20, then pass through a high-pass filter 21, 21, which suppresses the signals from any constant light present, whereupon the signal obtained in this way is sent to a further amplifier 22 or 22 is brought to a level value corresponding to a subsequent threshold value switch, preferably cut trigger 23. This Schmitt trigger 23 or 23 digitizes the video signal and thus enables further digital processing.
It is essential that the signal paths both behind the diode row n and behind the row n are the same, i.e. H. have the same gain, the same frequency response and the same threshold values.
It should be mentioned at this point that the amplifier 20 supplies a control voltage for regulating the repetition frequency of the start pulses and thus also controls the sensitivity of the diode array. A lower repetition frequency results in a greater integration time of the photodiodes and thus greater sensitivity. In addition, a type of time window device 24 is provided which unlocks the amplifiers 20, 20 only while the video signal is actually present (cf. release window F in FIG. 6), so that measurement errors and interference are largely eliminated.
The outputs of the threshold value switches 23, 23 are fed to an exclusive-OR gate 25 which forms the difference between the two video signals received. An output signal is produced at this gate 25 only when the signals supplied are not equal. This means that if the targeted object is depicted in phase on the transducer lines n, n and a simultaneous electrical interrogation (instantaneous start pulse D), theoretically a zero signal, or at least a minimum signal, is obtained at the output of the exclusive-or gate 25. An integrator 26 is provided for better evaluation of the signal coming from gate 25. Integrating curves H appear at its output (FIG. 7a), the amplitude of which is always the same if the setting is correct.
If, however, the two partial images are offset from one another, a periodic change in the integration curve amplitude results as a result of the shift within the delay circuit 18 due to the control signal E. FIG. 7a shows the curve shape when the setting is too close, whereas FIG. 7b shows the curve shape when the setting is too wide.
A modulation frequency I (FIGS. 7a, b) is obtained from the integration curves H in a sample and hold circuit 27. The circuit 27 is here in a similar manner to the amplifiers 20, 20; controlled by a monostable multivibrator 28 which emits a signal G (FIG. 6) corresponding to the time window F. The modulation frequency I emerging from the circuit 27 is adjusted to zero when the optical system 1, 2 is focused. If, on the other hand, the modulation frequency I is not equal to zero, the phase position relative to the interrogation frequency E indicates the direction of the deviation.
For example, a display by means of lamps 29, 30 is obtained when the modulation frequency I is passed through a high-pass filter 31 and two bistable multivibrators 32, 33 are supplied. These flip-flops 32, 33 are reset by the respective corresponding edge of the control signal E from the frequency divider 19 and set by the corresponding edges of the signal K obtained from the high-pass filter 31. With the correct distance setting, there is thus no signal at the lamps 29, 30, whereas in the case of deviations in one direction the lamp 29 in the cycle of the signal L (Fig. 7a), in the case of deviations in the other direction the lamp 30 in the cycle of the signal M (Fig. 7b) lights up.
Of course, it is also possible and useful, instead of indicator lights 29, 30, to supply the signals L, M to a focusing motor for automatic focusing, for example, of a camera object.
A further embodiment of the invention is shown schematically with reference to FIG. 8. In a camera 40, an object beam path is determined by an objective 41, which is guided by a beam splitter 42 to a film plane 44. This film plane 44 corresponds to a focal plane 44 in the beam path of the portion of the light rays reflected by the beam splitter 42. The image from the focal plane 44 is enlarged in an image plane 45 via intermediate optics L3, the beams then being fed approximately halfway from a beam splitter 46 to a photoelectric converter 47 via a comparatively short focal length measuring lens L1.
The beam portion reflected by the beam splitter 46 passes through a comparatively long focal length measuring lens L2 to a further photoelectric converter 48.
With the aid of the short focal length system L1, an object is now imaged in a focal plane in which the photoelectric converter 47 lies. The long focal length system L2 also images the object on a scale of 1: 1 in a focal plane in which the photoelectric converter 48 lies. If the object distance changes, the image scale also changes, u. between the short focal length optics much more than the long focal length. So both pictures are no longer the same size. FIG. 9 illustrates how this can look in the extreme.
The image on the transducer 48 is shown in FIG. 9a, the image on the transducer 47 in the case of an unsharp setting in FIG. 9b. A tree with a trunk 49, for example, is mapped from a scene on the converter 47. This trunk 49 appears much larger in the plane of the transducer 47, but also much more blurred. Thus, at the transducer 47 there is not only a change in brightness due to the change in scale, but also when the image is enlarged compared to the image on the transducer 48 due to the change in the sharpness of the image.
It is clear that the two optical systems L1, L2 must be set in such a way that when the objective 41 of the camera 40 is focused, the image on the two photoelectric converters 47, 48 has the same imaging scale.
If an image is then in front of or behind the focal plane 44 ′ due to incorrect focusing of the objective 41, a smaller or larger image is obtained at the transducers 47, 48, the change in scale at the transducer 48 being significantly smaller. A manipulated variable is obtained from the difference in the image size, which can be used in a manner known per se to control a servomotor for focusing the lens 41. For this purpose, only a comparison circuit between the converters 47 and 48 is necessary. The required adjustment direction is determined by the ratio of the imaging scales on the two photoelectric converters 47, 48.
If the image on the transducer 47 is larger than on the transducer 48, the lens 41 must be adjusted in the direction of a shorter distance, if the image is smaller than on the transducer 48, the adjustment takes place in the direction of infinity. In both cases, the adjustment movement of the objective 41 takes place until the image on both converters is the same size. It should be mentioned here that preferably only a small section of the scene to be recorded is used for the measurement.
The greater the magnification of the objective 41, the more sensitive the measurement at the two transducers 47, 48 becomes. The reason for this is that the depth scale changes quadratically with respect to the lateral magnification of the image. However, since the enlargement ratio of the objective 41 cannot be chosen arbitrarily, it is expedient to provide a enlargement system L3 behind the beam splitter 42. so that the sensitivity of the measurement at the transducers 47, 48 can be improved for a given enlargement ratio of the objective 41. It has been shown that such an arrangement results in a change in the image scale in the order of magnitude of + 13% or 11 cd for the depth of field, which corresponds to an increase of 28% or a decrease of 23% in the area .
The image that arises in the plane of the front depth of field limit is accordingly in terms of area about 66% larger than an image in the plane of the rear depth of field limit.
For example, if in the area of the focal plane 44 the depth distance between two objects located at the limits of the depth of field for an open diaphragm is 72pa, a depth distance of 1 results from a fourfold magnification with the aid of the magnifying optics L3 in the area of the focal plane 45 located in front of the beam splitter 46, 15 mm.
Assuming such a magnifying optics L3, the following imaging scales for the images of the objects at the depth of field limits in the area of the beam splitter 46 are obtained with a focal length f = 5 mm of the short focal length system L1 and a focal length f2 = 50 mm of the long focal length system L2 Imaging scale 13 in the focal plane 45 lying in the area of the beam splitter 46 must be equal to 1.
Example I f1 = 5mm dz = 50mm image in the rear 5, = 1.13 2 = 1.01 depth of field limit Image in the front 13 = 0.895 ss2 = 0.99 depth of field limit
For this example, there is thus a change in the imaging scale in the order of magnitude of -10 to + 12%.
Example 2 fi = 10mm f2 = 25 mm Image at the rear ss, = 1.06 ss2 = 1.02 depth of field limit Image at the front ss, = 0.945 ss2 = 0.973 depth of field limit thus also results with a focal length difference of 1: 2.5 a scale difference of -3 to + 4%. The difference in scale depends not only on the focal length difference, but also on the absolute size of the focal lengths.
However, a focal length difference of more than 1: 2 is advantageous.
With the aid of FIG. 8, only a single converter 47 or 48 has been described in each image plane. A better statement about the focussing can, however, be achieved if, instead of a single, stationary converter, either a converter is used that passes through various image points of the image created by the optical systems L1 or L2, or if converter lines are used. A preferred embodiment of transducer assemblies is illustrated in Figure 10 in which photoresistors are arranged in concentric rings. Identical arrangements must then either be permanently provided in the two image planes of the optics L1, L2, or such an arrangement must be brought into both image planes one after the other.
The query can now take place in such a way that photoresistors of the two converter groups that are on the same radius are in a differential circuit with one another; however, an interrogation circuit according to FIG. 5 is preferably used. The concentric arrangement of the transducers takes better account of the purpose of the scale comparison. In the case of a single transducer arrangement that can be displaced in both image planes, a measured value memory must of course be provided for the measurement information obtained in one image plane.