DD210359A1

DD210359A1 - Anordnung zur automatischen scharfeinstellung fotografischer kameras

Info

Publication number: DD210359A1
Application number: DD24357282A
Authority: DD
Inventors: Gottfried Koenig; Siegfried Schuetze
Original assignee: Pentacon Dresden Veb
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1982-09-29
Publication date: 1984-06-06
Also published as: GB2128050B; GB2128050A; DE3329603A1; GB8316817D0

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Scharfeinstellung durch Erhoehung der Systemempfindlichkeit und Erniedrigung der Grenzleuchtdichte, wobei das Aufloesungsvermoegen der Bildteilung im wesentlichen nur durch das Aufloesungsvermoegen des Vielfach- Empfaengerarrays bestimmt wird. Geloest wird die Aufgabe durch eine Anordnung, bei der die Messebene in einer zweiten Bildebene liegt, bei der in einer Pupillenebene optische Mittel zur Erzeugung mindestens zweier identischer Bilder eines begrenzten Ausschnittes einer ersten in der zweiten Bildebene vorgesehen sind und die identischen Bilder mittels eines Vielfach-Arrays in mindestens je zwei Teilbilder zerlegbar sind, wobei aus der Helligkeitsverteilung diametraler Pupillengebiete durch Vergleich der gleichen Bildteilen zugeordneten Empfaenger verschiedener Teilbilder das Betragssignal und unter Einbeziehung des Vergleichs der Empfaenger innerhalb eines Teilbildes das Richtungssignal fuer die Fokusabweichung gewonnen wird.

Description

:;:!^;^;^Ρ^βΝ Dresden, am 13. August 1982

Titel der Erfindung

Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung fotografischer Kameras . .

Anwendungsgebiet der Erfindung

:5 Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung fotografischer Kameras, bei der die durch fokusabhängige· Abschattwirkung'erzeugte Heiligkeitsverteilung der Austrittspupille des Gesamtsystems in einer Meßebene ausgewertet wird.

TO Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ss ist.bekannt, die Abschattwirkung einer Bildfeldblende in der Austrittspupille eines Systems fotoelektrisch durch Messung der Heliigkeitsverteilung zu erfassen.

Des weiteren ist bekannt, das Bild des scharfzustellenden Objektes in Teilbilder zu zerlegen und damit eine Pupillenvervielfachung vorzunehmen, wobei die fotoelektrische Meßwerterfassung durch Vielfach-Empfängerarrays in der Ebene der Teilpupillen erfolgt. Die entscheidenden Yorteil-e der Bildteilung liegen in der Möglichkeit der Gewinnung eines vorzeichenrichtigen Signals bei gleichzeitiger Empfindlichkeitserhöhung.

Π Λ P Γ Π J Λ r\ η η η -s ri .η r.

Es ergeben sich jedoch noch entscheidende Nachteile.

Das Auflösungsvermögen der Biidteilung und damit die System-Empfindlichkeit sind durcii Einschränkungen'bei der Herstellung der erforderlichen optischen Mittel zur BiIdteilung begrenzt. Dagegen ergibt sich eine ungünstige Anpassung der Yielfach-Teilempfänger, die bei den dadurch erforderlichen größeren Abmessungen der Teilempfänger nicht bei optimalen Futz-Stör-Verhältnissen arbeiten, andererseits aber mit wesentlich kleineren Abmessungen und ~s 10 damit optimaleren Hutz-Stör-Terhältnissen technologisch herstellbar sind.

Zur Erklärung sei festgestellt, daß der fokusabhängige Meßeffekt (relative Änderung des Fokussignals bei Defokussierung um einen festen Betrag) unmittelbar mit- der Verkleinerung der Teilbildbreite steigt und andererseits auch die Grenzleuchtdichte (kleinste-verarbeitbare Objektleuchtdichte je nach-· Objektkontrast) umgekehrt proportional; zur Wurzel aus dem Auflösungsvermögen (Teilbilder pro mm) sinkt.

Ziel der Erfindung · "

~>' 20 Durch Anwendung der Erfindung sollen die angegebenen Nachteile behoben, werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Verbesserung der Scharfeinstellung durch Erhöhung der System-Empfindlichkeit' und Erniedrigung der Grenzleuchtdichte mitteis einer Anordnung zur Aufgabe, bei der das Auflösungsvermögen der Bildteiiung im wesentlichen nur durch das Auflösungsvermögen des • Yielfach-Empfängerarrays bestimmt ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische An-Ordnung gelöst, bei der die Meßebene in'einer'zweiten

,Bildebene liegt, bei der in der zwischen der ersten und zweiten Bildebene liegenden Pupillenebene optische Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei identischen Bildern eines begrenzten Ausschnittes einer ersten Bildebene in ' der zweiten Bildebene vorgesehen sind, und bei der die identischen Bilder der zweiten Bildebene mittels eines Vielfach-Arräys in mindestens je zwei Teilbilder zerlegbar sind, wobei aus.der Helligkeitsverteilung diametra- ler Pupillengebiete durch Vergleich der gleichen BiIdtei-1 en. zugeordneten Empfänger verschiedener Teilbilder das.,, Betragssignal und unter Einbeziehung des Vergleichs der Empfänger innerhalb eines Teilbildes das Richtungs.signal für die Fokusabweichung gewonnen wird. Zur Durchführung der ,automatischen Scharfeinstellung ist es weiterhin erforderlich, daß in der Pupillenebene in diametralen periphereh Pupillenteilen in einer ersten und/oder einer dazu senkrechten zweiten Richtung mindestens je zwei Pupillenlinsen angeordnet' sind» Sind die Pupilleniinsen nur in einer Richtung angeordnet, d, h_e es erfolgt eine Meß-; wertverarbeitung nur in einer-Richtung., so ist- diese -Richtung^ vor zug sw ei se gegenüber horizontalen oder^; vertikalen ' Objektkanten um einen Winkel >χ, geneigt. Sine 'verbesserte Ausführung der Anordnung sieht erfindungsgemäß zusätzlich zu den erwähnten diametralen Pupillenlinsen eine zentrale Pupillenlinse (zentrales Bild C), deren optische Achse mit der optischen Achse des Aufnahmeobjektivs'übereinstimmt', vor. Die Brennweiten der Pupillenlinsen sind zweckmäßiger-' ' weise so bemessen, daß in der zweiten Bildebene gegenüber der ersten Bildebene eine Verkleinerung erfolgt. Als bildbegrenzendes Mittel ist beispielsweise eine Bildfeldblende in der ersten Bildebene angeordnet. Weiterhin ist es zweckmäßig , daß zwischen den Bildern in der zweiten Bildebene Abschirmblenden vorgesehen sind» Für die praktische Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es vorteilhaft, daß die in der ersten Bildebene und in. den nachfolgenden. Ebenen angeordneten optischen Bauelemente sowie das Viel-

facharray zu einem kompakten Baustein zusammenfaßbar sind. Zur Meßwertverarbeitung ist die Scharfeinstellanordnung mit einem Signalverarbeitungsteil derart verbunden, daß (m-1) erste Differenzen 3/L zugeordneter Empfän-

ger zweier Bilder A und B aus diametralen Pupillenteilen entsprechend IL = ν An - Bn I _ . , . > und (m-1)

zweite Differenzen M₀ der Empfänger ,jeweils eines der

f ' T

beiden Bilder entsprechend M~ = ) An-f 1 - An \ „ _Λ- , _Λ ^ 1 sin j η — ι f » . \,iii— ι

oder IL = isn+1 .-BnL _Λ r_{m Λ}\ gebildet und die 2n Ι ι n = 1... (m-1;, ° Vorzeichen von l/L und M₂^ festgestellt werden, wobei das Vorzeichen der Fokusabweichung für jedes der (m-1). Fokussignale aus der Übereinstimmung oder ITichtübereinstimmung der Vorzeichen von 1L„ und M_2n hervorgeht. Vorteilhafter wird erfindungsgeinäß das· Signal M- aus einem zentralen Bild C abgeleitet·, welches an der- Bildung· des''Signals 'M„

nicht beteiligt ist, und' mit dem Signal Ml zur Vo rs eichengewinnung multipliziert wird. Die Vorzeichen der Signale M₁ und.M₀ können auch mittels einer logischen in dsl

Schaltung getestet werden. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß von m-1 'Fokussignalen mindestens ein Signal direkt oder mindestens zwei Signale summiert weiterverarbeitet werden.

AusführungsbeiSOiel ;

Die Erfindung, wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen .

Pig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Pig. 2a-, 2b Anordnungsvarianten der Pupilleniinsen, 'Fig. 3 die Abbildungsverhältnisse auf dem -CCD-Array. und

Pig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in einer SR-Kamera. ;

Das Aufnahmeob.jektiv 2 bildet entsprechend Pig. 1 in einer zur Filmebene äquivalenten ersten Bildebene 4 das durch, die Bildfeldblende 4a begrenzte Bild β des scharfzustellenden Objektes 1 ab. Die in der ersten"Bildebene 4 angeordnete Meßfeldlinse 5 bildet die Austrittspupille 3 des Aufnahmeobjektivs 2 in die Pupillenebene 8 ab. In der Pupillenebene 8 sind die Pupillenlinsen 7a, 7b und 7c in der aus Fig. 2a ersichtlichen Variante angeordnet. Sie erzeugen in der zweiten Bildebene 9 drei identische Bilder 10a, 10b und 10c des Bildes 6 der ersten Bildebene 4 auf einem Yielfach-Smpfängerarray 10, z. B, einem CCD-Array .entsprechend- Pig. 3« Zwischen den Pupillenlinsen 7a und 7c sowie 7c und 7b sind Abschirmblenden 11a, 11b angeordnet.

Anhand eines Zahlenbeispiels sollen die Bildgrößen kurz veranschaulicht werden:

Die Bildgröße 6 beträgt z. B, 4,8. χ 4*8 mm . .

Die Offnungszahl k,* des Meßsysteins ergibt sich aus dem Abstand d_o _Λ zwischen- den Ebenen 8 und 4 und- dem Durchmesser dg ;, der GesamtpupiJle 8a, DiS Meßöffnungszahl betragt"

^kM= ^4 ^_3f4|

^a8a

falls z. B. Wechselobjektive der Öffnungszahl für Offenblende k ' = 2j8 benutzt werden sollen.

Daraus

folgt für:2. 3'i d_Q _A =15: mm;

^d8a = 4,4 mm

und eine Brennweite der Pupillenlinsen 7a - 7c von ca. 2 mm. Die Bildgröße auf dem-OCD-Arfäy beträgt damit ca. 0,74^;x 0',74 mm .

Wird z. B. von einer Rasterung des CCD-Arrays 10 von 40 Teilempfängern pro mm in x- und y-Richtung ausgegangen, 3p' resultiert daraus eine Anzahl von ca. 30 χ 30 Teilbildem (30 Empfängerzeilen zu je 30 Teilempfangerh). Dabei ist

die Zeilenausri.ch.tung rait der Ausrichtung der. Pupillenlinsen 7 (y-Richtung) identisch. Das hat zur Folge, daß nur Kantenlagen im Objekt senkrecht zur ·Zeilenaustastung mit maximaler Meßempfindlichkeit ausgewertet werden können.

Eine Optimale Empfindlichkeit in beiden zueinander senkrechten Richtungen, erfordert die in Fig* 2b ersichtliche Linsenanordnung aus z. 3. 5 Pupillenlinsen und eine entsprechende Matrix-Struktur des CCD-Arrays (Abfrage in x- und y-Richtung) zur Meßwertverarbeitung. . ..

1.0 Gegenüber Pig. 3 kann das CCD-Array 10 im Extremfall auch aus einer Zeile bestehen, wobei hinsichtlich der x-Ausdehnung die Teilempfanger entweder eine entsprechende Breite in x-Richtung aufweisen oder zwecks⁷ optimaler Energiebilanz in bekannter Weise die x-Richtung optisch stärker gebündelt ' wird.

Zur Gewinnung des Fokus-Gesamtsignals werden zunächst den Teilbildern-entsprechende selbständige Fokussignale nach Betrag und Vorzeichen (Richtung der erforderlichen Verstellung /\s des Objektivs) gebildet. Das Fokus-Gesamtsignal kann dann das Signal eines einzelnen beliebig wählbaren Teilbildes sein oder aus den Fokussignalen mehrerer Teilbilder (maximal m-1) zusammengesetzt (summiert) werden. Die Auswahl bestimmter Teilbilder·geht^: davon aus, die Gutausbeutedes Systems zu erhöhen. '

Z. B, kann es zur Ausschaltung eines störenden Hintergrundes (gleichzeitiges' Vorhandensein unterschiedlich entfernter Objekte) zweckmäßig sein, jeweils nur dasjenige Teilobjekt mit der kleinsten Objektentfernung automatisch per Rechenprogramm auszuwählen und weiterzuverar-

30; bei ten. ' . .

Da die den unterschiedlich entfernten Teilobjekten zugeordneten Teilfokussignale ihre Fulldurchgänge bei unter-

schiedlich en Qb.jektivlagen besitzen, wird in diesem Fall dasjenige Teilfokussignal selektiert, dessen Null durchgang der Hah-Einstellgrenze am nächsten liegt.

Die Betragsbildung erfolgt pro Teilbild durch den Vergleich der diametral gegenüberliegenden Pupillen Ja und 7b, d. h. durch Bildung einer ersten Differenz M^_n zugeordneter Teilbilder An, Bn der Bilder 10a und 10b,

M-„ = S An - BnI \ , _M 1n 1 r η = 1 ... (m-1)

^- J

Das Teilsignal jedes Teilempfängers ist damit durch den integralen Bildinhalt des entsprechenden Teilbildes (bei Scharfeinstellung streng gültig) und durch die "abschattende Wirkung seiner in die erste Bildebene 4 übersetzten Begrenzung (Blendenwirkung) bei Defokussierung bestimmt.

Da die Differenz M in Abhängigkeit von der Helligkeitsfolge H/D bzw. D/S im Bild kein eindeutiges Vorzeichen ά:&^' ^:-I>efol^3B±ai^'§^r-- A's^ft^ß^ip^'^:) .-ist^eine-·- eindeutige'· Richtungsbestimmung erforderlich. Dies erfolgt im Bild 10c durch Vergleich des. entsprechenden Teilbildes On mit dem benachbarten Teilbild, z, B. Cn + 1 ,. entsprechend der Bildung einer zweiten Differenz.

JZL- = Gn + 1 - Cn f „ _Λ , . ₁ s 2n 1 ι η = 1,·. (m-1;

Ss stellt sich heraus, daß die Änderung der Helligkeitsfolge , z. 3. D/H - H/D sowohl das Vorzeichen der ersten Differenz 2/L als auch das Vorzeichen der zweiten Differenz Mp ändert.

Aus diesem Grunde ergibt sich das Vorzeichen des Fokussignals eindeutig- positiv, /Wehn beide' Differehsen gleiches Vorzeichen aufweisen und negativ, wenn'beide Differenzen

ungleiches Vorzeichen aufweisen oder umgekehrt. Dies kann durch eine einfache logische Schaltung geprüft werden, Da3 gleiche Ergebnis -wird erhalten, wenn beide Differenzen, M. und JJL_n multipliziert werden. Zur Bildung der Differenzen Mp_n kann auch das Bild 10a oder 10b herangezogen werden, wobei dann die zentrale Pupillenlinse 7c und damit auch Bild 10c entfällt. Dabei ist ,jedoch zu berücksichtigen, da!3 bei größeren Defokussierungen infolge Abschattung und lateraler Bildverschiebung eine Vorzeichenverfälschung eintreten kann.

Diese Vorzeichenverfälschung wird ausreichend eingeschränkt, wenn zur Bildung der Differenz Mp_n Pupillenteile herangezogen werden, die-möglichst nahe^;; an der optischen Achse des Systems liegen.

Aus diesem Grunde soll dia::.^vy-Aus dehnung der Pupil lenlinse 7c möglichst, klein.und die Linsenfläche der Linsen 7a und 7b möglichst, gleich sein.

Bei Scharfeinstellung durchläuft die Differenz IvL Fall, Die Differenz Mu ist unabhängig von der Defokussierung

stets ungleich Hull, solange ausreichender Kontrast vorhanden ist. -.- ..

Die geschilderte- Messwertverarbeitung':, bezieht sich auf .eine Zeile in y-Richtung. Falls mehrere Zeilen vorhanden sind, kann.die genannte Verarbeitung zeilenweise nacheinander erfolgen. Falls eine Anordnung entsprechend Fig. 2'b in Verbindung mit einer x, y-Matris-otruktur des CCD-Arrays angewendet wird, dann kann dieser Verarbeitungsmodus auch für die 2« Richtung erfolgen. " · .

Für die praktische Anwendung genügt im allgemeinen eine Verarbeitung in einer Richtung, wenn, die Linsenanordnung

7a - 7c und das zugeordnete Empfängerarray unter et äsgegenüber horizontalen und vertikalen Objektkanten ausgerichtet wird.

Die Linsenanordnung sollte zwecks Gewährleistung einer kompakten Bauweise und hoher Meßeffekte mit einem möglichst großen Verkleinerungsmaßstab ausgelegt werden. Bei der Wahl einer möglichst kleinen Brennweite der Pupillenlinsen muß mit Rücksicht auf die Abbildungsgüte .der Linsendurchmesser (f/d-Yerhältnis) beachtet werden, Ein kleiner Abstand (dg , in Fig. 1) kommt einem möglichst großen f/d-Verhältnis entgegen.

Pig'« - 4- zeigt ein. Aüsführungsbeispiel. für die optische Anordnung in einer,SE-Kamera,

In bekannter Weise wird die Meßeinrichtung im Kameraboden untergebracht, wobei der Meßstrahlengang über den teildurchlässigen Xlappspiegel 14 mit angelenktem Hilfsspie- gg'ih, 15 geführt wircL '

Die optischen Bauelemente der ersten Bildebene, der Pupillenebene 8 und der zweiten Bildebene sind zu einem Kompaktmodul IS zusammengefaßt. Dieser, ist getrennt herstellbar und abgeglichen, so daß der Einbau in die Kamera stark vereinfacht wird» Die einzelnen Bezeichnungen stimmen mit Pis.·1 überein.

-O '

Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber bekannten An-Ordnungen die Möglichkeit der Bildverkleinerung mit 2 entscheidenden Vorteilen:

Es erfolgt eine Erhöhung der Beleuchtungsstärke auf dem Vielfacharräy und damit eine Erhöhung des Hutζ-Stor-Abs'tändes. ' . .

Weiterhin ist der Einsatz einer kompakten Anordnimg möglich, wodurch der Nachteil einer notwendigen zweiten Bildebene wieder kompensiert wird.

Des weiteren entfällt die Anpassung der Teilempfänger auf die durch optische Bildteilung bestimmte lage. Das fotoelektrisch definierte Teilbild erfordert weniger Justieraufwand und.erfaßt die Meßfläche lediglich nach Maßgabe der Fehlstellen zwischen den Teilempfängern voll.

Claims

. Brf indungsanspruch ·

1. Anordnung zur Scharfeinstellung fotografischer Kameras , bei der die durch fokusabhängige Abschattwirkung erzeugte Helligkeitsverteilung der .Austrittspupille des Gesamtsystems in einer Meßebene ausgewertet wird •und die Meßwerte zur vollautomatischen oder halbautomatischen Bins teilung des Äufnahmeobjektivs herangezogen werden, gekennzeichnet dadurch, daß die Meß- . e-'bene iin einer zweiten Bildebene (9) liegt/, daß inder Pupillenebene (8) optische Mittel (7) zur Erzeugung von mindestens zwei identischen Bildern eines begrenzten Ausschnittes einer ersten Bildebene (4) in der zweiten Bildebene (9) vorgesehen sind und daß die'identischen¹Bilder der zweiten Bildebene (9)

15/ mittels eines Vielfach-Arrays (10) in mindestens¹ ,je 2 Teilbilder zerlegbar sind, wobei aus der Helligkeitsverteilung diametraler Pupillengebiete durch-Vergleich der-gleichen Bildteilen zugeordneten-,Empfänger "ve-rschi edener 'Teilbilder das Betragssignal-

20' · un'd^un-teriBih^

innerhalb eines Teilbildes das Richtungssignal für die Fokusabweichung gewonnen wird.

2, Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 1 , gekennzeichnet dadurch, daß in der Pupillenebene (8) in dia-... metralen peripheren Pupillenteilen in einer ersten ^: und/oder einer dazu senkrechten zweiten Richtung mindestens je zwei Pupillen! ins en (7a, 7"b) angeordnet sind. .

3· Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 2,.gekennzeichnet dadurch, daß die Pupillenlinsen (7a, 7b) nur in einer'Richtung angeordnet sind, wobei diese Richtung vorzugsweise, gegenüber.horizontalen oder vertikalen Objektkanten um ein Winkel cO geneigt ist.
4. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß im zentralen Teil der Pupillenebene (8) eine Linse (7c) angeordnet ist, deren optische Achse mit der optischen Systemachse übereinstimmt.

5· Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Brennweite der Pupillenlinsen (7) so bemessen ist., daß in der zweiten Bildebene gegenüber der ersten Bildebene eine 'Zerkleinerung er- folgt. ·

6« Anordnung zur Scharfeinstellung mit einem Signalverarbeitungsteil nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß (m-1) erste Differenzen zugeordneter Empfänger zweier Bilder A und 3 aus diametralen Pupillenteilen entsprechend

I₁,,¹= \ An - Bn > _ _Λ . / _Λ % und (m-1) zweite Diffe-IXi ι j η —< ι *« « vm*~ \ j

renzen der Empfänger jeweils eines der beiden Bilder entsprechend M^„ = SAn+1 - An 1 ^ . / ^ oder

ι = ι»·« ^m- ι;

^M2n ⁼ |^Bn₊1 * ³n\ η = 1... (m-1) S

Vorzeichen von l/L und M^_1n festgestellt werden, wobei das Vorzeichen der Po kus abv·/ei chung für jedes der (m-1) Fokussignale, aus der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der Yorseichen yon M. und M₂₁₁ hervorgeht.
7. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt β, gekenn-' zeichnet dadurch, daß das Signal Mp_n aus-einem zentralen Bild C abgeleitet wird, welches an der Bildung des Signals M- nicht beteiligt ist, .

8'. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt β, gekennzeichnet dadurch, daß zur Vorzeichengewinnung die Signale IvL und M_2n multipliziert oder" deren- Vorseichen mittels einer logischen Schaltung getestet werden.
9. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß von m-1 Fokussignalen mindestens ein Signal direkt oder mindestens zwei Signale summiert weiterverarbeitet werden.
10. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt T, gekennzeichnet dadurch, daß bildbegrenzende Mittel, z. 3.
eine Bildfeldblende (4a). in der ersten Bildebene angeordnet sind.
1.1. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Bildern in der

zweiten Bildebene Abschinnbienden (11a, Hb) vorgesehen sind.
12. Anordnung zur Scharfeinstellung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die in der ersten Bildebene und den nachfolgenden Ebenen angeordneten optischen Bauelemente sowie das Yielfacharray zu einem kompakten
Baustein (16) zusammenfaßbar sind.

(Hierzu 3 Seiten Zeichnungen)