DE19500507C2 - Kamera mit Objektiv- und Bildträgereinstellvorrichtung und Scharfstellverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Scharfstellverfahren einer Kamera und diese selbst, wie aus der DE 34 33 412 C2 bekannt,

• - mit einem Objektivträger und einem Bildträger mit einem verbindenden Balg, die relativ zueinander in einer Bankrichtung abstandveränderbar gehalten sind, wobei die demgemäßen Abstandsänderungen einem Prozessor zugeführt werden,
• - und in deren Objektivträger ein Objektiv um zwei zueinander senkrechte und zur Bankrichtung senkrechte Achsen verschwenkbar gehalten ist, dessen beide demgemäßen Objektivschwenkwinkelwerte und der Wert der Objektivbrennweite dem Prozessor zugeführt werden,
• - und in deren Bildträger eine Bildaufnehmerebene, mit einem Film oder einer Mattscheibe bestückbar, um zwei zueinander senkrechte und zur Bankrichtung senkrechte Achsen verschwenkbar gehalten ist, deren beiden demgemäßen Bildaufnehmerschwenkwinkelwerte dem Prozessor zugeführt werden,
• - und in deren Bildaufnehmerebene ein Scharfeinstellungssensor, der ein Schärfeeinstellungssignal liefert, in zwei Bildaufnehmerkoordinaten positionierbar ist, die dem Prozessor zusammen mit dem Schärfeeinstellungssignal zugeführt werden,
• - wobei verfahrensgemäß für die gleichzeitige Scharfeinstellung mindestens dreier ausgewählter Bildpunkte, die in einer Ausgangsbildebene liegen,
• - diese auf der Bildaufnehmerebene mit dem Scharfeinstellungssensor durch die Änderung des Bildträgerabstandes vom Objektiv nacheinander jeweils in ihrer Scharfeinstellung unter Erfassung der zugehörigen Bildaufnehmerkoordinaten und der Bildträgerabstandsänderungen lagemäßig im Prozessor erfaßt werden,
• - und aus den so erhaltenen Eingangsdaten vom Prozessor Lageparameter der Bildaufnehmerebene und der Ausgangsbildebene rechnerisch ermittelt werden und durch Lösung von Abbildungsgleichungen solche Solleinstellwerte für Verschwenkungen des Objektivträgers und einer Abstandseinstellung des Bildträgers zum Objektivträger errechnet und ausgegeben werden,
• - so daß die mit diesen Solleinstellwerten eingestellte neue Bildebene mit der Bildaufnehmerebene möglichst zur Deckung kommt.

Bei dieser bekannten Kamera werden die Objektivbrennweite, ein Abbildungsmaßstab, auf die Abbildungsoptik bezogene Raumkoordinaten von drei ausgewählten Bildpunktbereichen eines Szenenbildes, wozu eine Schärfesonde als Hilfsmittel dient, Verstellwinkelwerte der Objektive und Bildebenenneigungen und Verschwenkungen und das Abstandsmaß einer Objektivhauptebene von der Bildebene dem Prozessor entweder per Tastatur oder unmittelbar mit Meßmitteln zugeführt, der abweichend vom Gegenstand der Erfindung aus diesen Meßdaten nach dem Gesetz von Scheimpflug, demnach sich die Objektivebene, die Ebene der die Szenenpunkte angehören und die Ebene, der die scharfen Bildpunkte angehören, in einer Geraden zu schneiden haben, Sollvorgabewerte der Verstellwinkel und des Abstandes berechnete, so daß nach einer damit vorgenommenen Einstellung die ausgewählten Bildpunktbereiche des Szenenbildes bei sogenanntem doppelten Schärfeausgleich, d. h. einem Schärfeausgleich durch Verschwenkung des Objektivs oder der Bildaufnehmerebene in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen, möglichst scharf abgebildet wurden. Bei dieser Vorrichtung wurden also die absoluten Raumkoordinaten der Bildpunkte und die Strukturdaten der Abbildungsoptik als Ausgangswerte für eine geschlossene Lösung der Abbildungsgleichungen erforderlich, um jeweils eine solche Lage der Abbildungsebene in Bezug auf die Objektiveinstellung zu finden, in der die ausgewählten Bildpunktbereiche in der Abbildungsebene liegen, möglichst scharf abgebildet sind. Dies erforderte einen erheblichen Aufwand an Meßmitteln mit hohen absoluten Genauigkeitsanforderungen. Darüber hinaus gilt das bisher benutzte Gesetz von Scheimpflug nur für die Abbildung im paraxialen Bereich einer dünnen Linse, die in der Praxis bedeutungslos ist.

Die Schwierigkeiten, die der doppelte Schärfeausgleich bei konventionellen Fachkameras bei vielen Szene-Objektivkonstellationen zu meistern verlangt, ist aus: "Kreatives Großformat", Sinar Edition, Tillmans Urs, Verlag "Photographie" AG, Schaffhausen, S. 60-62 zu ersehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein automatisches Scharfeinstellungsverfahren eines Szenenbildes bei doppeltem Schärfeausgleich mit zur eingangs bezeichneten Kamera verringertem Meßmittelaufwand und vereinfachter Vorrichtung und mit praxisgerechten Objektiven zu erreichen.

Die Lösung der Aufgabe ist im Hauptanspruch angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Kamera sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch das neue Verfahren erübrigt sich die absolute Entfernungsmessung zwischen dem Objektivträger und dem Bildträger. Es genügt, daß jeweils die Winkelmeßvorrichtungen vorhanden sind und eine relative Abstandsmessung, also die Auszugsänderungen bei den verschiedenen Scharfeinstellungen sowie die Koordinatenmessungen in der Bildaufnehmerebene und die Scharfstellungsbestimmung vorhanden sind.

Das Einstellverfahren läßt sich zu folgendem Ablauf zusammenfassen:

• - Der Photograph stellt die Perspektive durch Verschwenken der Mattscheibe ein und führt anschließend eine sehr grobe Vor-Fokussierung des Bildes im allgemeinen durch Veränderung des Auszuges und in Einzelfällen durch Verschwenken des Objektives durch. Die Parameter a_m und b_m der Bildaufnehmerebene, die der Ebenengleichung z = a_mx + b_my + dm genügt, die also ihren Normalenvektor festlegen, nicht jedoch ihren Abstand vom Objektiv festlegen, der hier nicht benötigt wird, sowie die eingestellen Werte der Verschwenkwinkel Θ₀ und Φ₀ des Objektives werden über in die Standarten eingebaute Winkelaufnehmer in den Prozessor eingelesen.
• - Bestimmung der Koordinaten bi = (xi, yi, zi) von mindestens drei Bildpunkten Bi durch Fokussieren mit Hilfe eines Scharfeinstellungs-Sensors; das Kameraobjektiv ist dabei um die Winkel Θ_o und Φ_o verschwenkt. Die X-Achse sei hier die Achse parallel zur optischen Bank der Kamera, die durch den Objektivmittelpunkt geht, die Y-Achse verlaufe senkrecht dazu in horizontaler, die Z-Achse in vertikaler Richtung.
• - Anfitten der Ebene, für die die Summe der Abstandsquadrate der ausgemessenen Bildpunkte minimal wird. Die Parameter dieser Ausgangs-Bildebene seien a_o, b_o und d_o, sie ist dann gegeben durch die Stellung z = a_ox + b_oy + d_o.
• - Bestimmung der Bildweite b aus der Auszugsdifferenz Δb jeweils bei Scharfstellung eines bestimmten Bildpunktes bei einer vorgegebenen Objektiv-Schwenkwinkeländerung - nach den Gleichungen (5) bis (7),
• - Bestimmung der Bildweite b bei unverschwenktem Objektiv nach Gleichung (8),
• - Bestimmung der z-Achsenparameter d_o nach Gleichung (9).
• - Berechnung der Soll-Objektiv-Verstellwinkel Θ_soll, Φ_soll und des Mattscheibenschnittpunktes x_bsoll mit der X-Achse nach den Gleichungen (1), (2) und (3).

Die Ausgangs-Bildebene wird in den Objektraum abgebildet; die so erzeugte Ebene wird bei variierter Objektiv-Verschwenkung in den Bildraum zurück abgebildet mit dem Ziel, die dadurch erhaltene neue Bildebene parallel zur eingestellten Mattscheibenebene auszurichten. Die dazu notwendigen Objektiv-Verstellwinkelwerte Θ_soll und Φ_soll sowie die einzustellende Schnittpunktkoordinate x_bsoll von der Bildaufnehmerebene und der X-Achse ergeben sich zu

Für die Gleichungen (1)-(3) gilt folgende Nomenklatur:
Die Parameter a_m, b_m und d_m der Bildaufnehmerebenengleichung beschreiben die Ausgangslage der Bildaufnehmerebene, der die Anfangsschwenkwinkelwerte Θ₀, Φ₀ zugehören. Der Parameter d_m ist dabei der Wert vom Z-Achsabschnitt zwischen dem Objektiv und dem Schnittpunkt mit der Bildaufnehmerebene. Demnach sind die Anfangsparameter a_o, b_o, d_o diejenigen der Lage der Bildebene, in der die ausgewählten Bildpunkte Bi liegen. f ist die Brennweite des Objektivs, und die Winkel Θ und Φ sind die Soll-Objektivverschwenkwinkelwerte der vorzunehmenden endgültigen optimalen Einstellung. X_b ist der x-Achsenabschnitt nach der Normierung - dm/am entsprechend Gleichung (9) in der endgültigen Einstellung, d. h. der Soll-Einstellung mit doppeltem Schärfeausgleich.

Als physikalische Grundlage dient hierbei ausschließlich die Abbildungsgleichung für dünne Linsen; es ist nachzuweisen, daß sich das Verfahren auf einfache Weise auch für die Verwendung beliebiger Objektive, deren optisches Verhalten immer durch ihre Brennweite sowie die Lage ihrer beiden Hauptebenen definiert ist, modifizieren läßt.

Das Objektiv wird jetzt um die derart berechneten Winkel Θ und Φ verschwenkt (dabei entspräche Θ = Φ = 0 gerade der Situation, daß das Objektiv senkrecht auf der optischen Bank der Kamera steht). Die Bildaufnehmerebene wird so parallelverschoben, daß sie die X-Achse an der Stelle mit dem Koordinatenwort x_b schneidet.

Es wird insgesamt also folgende Transformation der Eingangsdaten durchgeführt:

Hierbei sind die Ortsvektoren der ausgewählten Bildpunkte Bi.

Die beiden Abbildungsgleichungen der Ausgangsbildebene und der neuen Bildebene, die in der Mattscheibenebene zu liegen kommt, sind auf die invariante Szenenebene bezogen, weshalb die beiden Objektebenen unmittelbar korreliert werden. Somit ergeben sich Gleichungen, die nicht auf dem Prinzip von Scheimpflug aufgebaut sind, da keine Szenenebene bestimmt wird und auch nicht die Gleichungen der Schnittgeraden zwischen der Szenen- und der Objektivebene sowie der Objektiv- und Bildebene bestimmt werden.

In den Beziehungen (1), (2) und (3) für die Einstellung der Kamera sind die folgenden Parameter a_m, b_o der Ausgangs-Bildebene, die Parameter a_m, b_m der Bildaufnehmerebene und die Parameter Θ₀, Φ₀ der Verschwenkung des Objektivs recht einfach zu bestimmen: Die Parameter a_m, b_m, Θ₀ und Φ₀ sind direkt über das Auslesen von an den Standarten angebrachten Winkelaufnehmern, a_o und b_o über die Messung von Auszugsdifferenzen beim Fokussieren der Bildpunkte Bi zu ermitteln. Die Messung des weiteren Parameters d_o der Ausgangs-Bildebene jedoch wirft insofern nicht unerhebliche technische Probleme auf, als daß der absolute Wert des Auszugs für jeden der Bildpunkte Bi sehr exakt (auf ca. 50 . . . 100 µm genau) bestimmt werden muß. Da die Auszugslänge Werte bis zu einem Meter und mehr erreichen kann, bedeutet dies, daß der Abstand des Bildpunktes Bi vom Objektiv mit einem Fehler von maximal 0,1 Promille direkt gemessen werden muß. Dies ist zwar möglich, technisch jedoch aufwendig, weshalb wir ein indirektes Verfahren zur Bestimmung der Auszugslänge entwickelt haben. Deshalb wird erfindungsgemäß eine indirekte Bestimmung dieses Parameters vorgenommen.

Es wird die Tatsache ausgenutzt, daß sich die Bildweite b eines vom Objektiv abgebildeten Objektpunktes S ändert, wenn das Objektiv geschwenkt wird. Das Ausmaß dieser Bildweitenänderung Δb hängt in eindeutiger Weise von der Gegenstandsweite s des Objektpunktes S ab, so daß aus dem Winkelwert Θ des jeweils verwendeten Verstellwinkels und dem Wert der Auszugsdifferenz Δb, die der Bildweitenänderung jeweils bei den zugehörigen Scharfstellungen entspricht, der Wert der Gegenstandsweite s bestimmt werden kann. Ist dadurch die Gegenstandsweite s bekannt, kann über die Abbildungsgleichung direkt der Absolutwert der Bildweite b ermittelt werden. Der absolute Fehler des Wertes für die Bildweite b liegt dabei in der Größenordnung des Meßfehlers der Auszugsdifferenz Δb, zwischen den Scharfstellungen gemäß der Bildweitenänderung, die sehr exakt bestimmbar ist (besser als auf ca. 50 µm, so daß der relative Fehler den zulässigen Wert nicht überschreitet.

Besonders einfach wird diese Methode, wenn man das Objektiv nur um die Y-Achse um den Winkel Θ verschwenkt (d. h. Φ = O) und einen Objektpunkt S heranzieht, der in der XY-Ebene liegt. Dann ist der Abstand dieses Punktes von der Objektivebene allein durch seine Gegenstandsweite s und den Verstellwinkel Θ gegeben gemäß

Hierbei ist γ der auf die Brennweite f nominierte Abstand des Gegenstandspunktes s vom Objektiv.

Für die Bildweite b des Bildpunktes vom Szenenpunkt S gilt dann:

Die Auszugsdifferenz Δb(s,Θ) wird entsprechend definiert als

Daraus ergibt sich direkt der folgende Ausdruck für die Gegenstandsweite s:

In den Formeln (5) bis (8) ist der Winkelwert Θ derjenige, zu dem die Auszugsdifferenz Δb korrespondiert. Physikalisch relevant ist in Formel (7) nur die Lösung mit dem Pluszeichen vor dem Wurzelausdruck, weil nur sie einen Wert s = f liefert, der zu einer reellen Abbildung des Punktes führt. Die Bildweite des Punktes für Φ = O, relativ zu der die Auszugsdifferenz Δb gemessenen wird, kann jetzt mit Hilfe der Abbildungsgleichung gemäß

bestimmt werden; es ist jetzt möglich, auch alle anderen gemessenen relativen Auszüge (d. h. die x-Koordinaten der scharf abzubildenden Bildpunkte Bi) absolut anzugeben, ohne irgendeine Bildweite direkt gemessen zu haben, da die X-Achse jetzt mit einem definierten Nullpunkt versehen ist; die y- und z-Koordinaten sind einfach aus der Position des beweglichen CCD-Chips, des Scharfeinstellungssensors in der Bildaufnehmerebene, der X-Achsenlage dort und den Schwenkwinkeln α, β der Bildaufnehmerebene gegen die X-Achse, abzuleiten. Aus dem jetzt absolut bestimmbaren Schnittpunkt der Ausgangsbildebene mit der X-Achse, x_o, läßt sich ihr z-Achsenabschnitt d_o gemäß

d_o = -a_ox_o (9)

berechnen und in die Beziehungen (1), (2) und (3) einsetzen.

Die Genauigkeit des Verfahrens läßt sich noch steigern, indem man nicht nur eine, sondern mehrere Auszugsdifferenzen bei unterschiedlichen Verstellwinkeln Θ mißt und die aus ihnen erhaltenen Werte für die Gegenstandsweite s mittelt. Wenn beim Verschwenken des Objektives der Meß-CCD-Chip durch geeignete motorische Steuerung stets auf der Verbindungslinie Objektivmittelpunkt-Anfangsposition (Θ = O) gehalten wird, kann eine große Anzahl von Auszugsdifferenzwerten Δb für viele verschiedene Werte von Θ während des Objektiv-Verschwenkvorgangs bestimmt werden, wodurch die Genauigkeit des erhaltenen Wertes für die Gegenstandsweite sehr groß wird.

Sollte einmal kein geeigneter Objektpunkt zur Verfügung stehen, der in der XY-Ebene liegt, kann natürlich auch jeder beliebige andere Objektpunkt verwendet werden; die Rechnung wird dabei allerdings ein wenig komplizierter, da der Abstand des Punktes von der Objektivebene auch von seiner z-Koordinate z_s abhängt. Es gilt:

und damit

Es müssen jetzt mindestens zwei Werte für die Auszugsdifferenz Δb bei unterschiedlichen Verstellwinkeln Θ jeweils scharfgestellt gemessen werden; an den so erhaltenen Verlauf der Auszugsdifferenz vom Schwenkwinkelwert Δb(Θ) kann dann die Beziehung (11) durch Variation der freien Parameter s und z_s angefittet, d. h. durch schrittweise Näherung erfüllt werden. Der Parameter z_s wird nicht weiter benötigt; aus der Gegenstandsweite s kann gemäß (8) die Bildweite b(Θ = O) ohne Verschwenkung bestimmt werden. Die Genauigkeit der gefitteten Parameter steigt natürlich mit der Anzahl der gemessenen Werte; auch hier ist es möglich, die Messungen durch automatisches Nachführen des Schärfeeinstellungssensors, i. a. eines CCD-Chips, sehr schnell für sehr viele Werte von Θ durchzuführen.

Von der Tatsache, daß während der Bestimmung der Auszugsdifferenzen der Scharfeinstellungssensor, der Meß-CCD, immer auf die gleiche Stelle im Bild ausgerichtet sein muß, läßt sich profitieren, indem man die vollständige Information nutzt, die das Fokussierverfahren liefert. Das Verfahren basiert darauf, daß für die betrachtete Bildregion, beispielsweise nach der DE 44 13 368 C1, ein Schärfemeßwert ermittelt wird, der vom Abstand des Scharfeinstellungssensors, des Meß-CCDs, (in x-Richtung) vom Fokus abhängt und im Fokus maximal wird. Außerhalb des Fokus gibt ihr Wert ein Maß für den Abstand des Meß-CCDs vom scharfen Bildpunkt. Nutzt man dies aus, braucht nur einmal zu Anfang die Umgebung des Fokus durchfahren zu werden, um für die betrachtete Bildregion den Verlauf des Schärfemeßwertes in Abhängigkeit vom relativen Ort auf der X-Achse zu ermitteln; aus der Verringerung des Schärfemeßwertes beim Verschwenken des Objektivs kann dann gleich auf die Fokus- und damit direkt auf die Auszugsdifferenz geschlossen werden, ohne jeweils neu zu fokussieren. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine schnellere Messung der Auszugsdifferenz von Δb in Abhängigkeit vom Objektiv-Verschwenkwinkel Θ.

Mit den hier dargestellten Verfahren ist es möglich, allein aus der Bildinformation alle notwendigen Verstellparameter zu ermitteln; zusätzlich wird umgangen, die Bildweiten der scharf wiederzugebenden Bildpunkte durch direkte Längenmessung zu ermitteln, was mit der erforderlichen Genauigkeit technisch sehr aufwendig und daher mit hohen Kosten verbunden wäre. Statt dessen wird die Gegenstandsweite eines prinzipiell beliebigen Objektpunktes durch Messung der Bildweite seines Bildpunktes bei verschiedenen Objektivstellungen berechnet und daraus der Absolutwert der Bildweite bei nicht verschwenktem Objektiv ermittelt. Die X-Achse des "bankfesten" Kamera-Koordinatensystems wird also mit einem Nullpunkt versehen, dessen Abstand vom Objektiv sehr exakt bekannt ist und relativ zu dem alle weiteren Auszugsdifferenzen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können; die hierzu verwendeten Längenmeßstrecken des Wegaufnehmers müssen nur einige cm lang sein.

Zusätzlich werden alle Probleme vermieden, die sich bei einer direkten Abstandsbestimmung aus der thermischen Ausdehnung der optischen Bank oder aus dem nicht ganz exakten Zusammensetzen einer geteilten optischen Bank aus mehreren Teilstücken ergeben könnten. Es ist nicht einmal wichtig, ob die Objektiv- und die Bildstandarte überhaupt miteinander verbunden sind. Die Abstände, die in der Bildaufnehmerebene noch direkt absolut bestimmt werden müssen (alle Längen in y*- und z*-Richtung, d. h. die Bildpunktkoordinaten in der Bildaufnehmerebene), liegen im cm-Bereich und sind daher ebenfalls über preiswerte Wegaufnehmer leicht mit der erforderlichen Genauigkeit zu ermitteln.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Kamera in vereinfachter Darstellung und ohne Balgen mit schematisierter Steuervorrichtung,

Fig. 2 zeigt die funktionale Abhängigkeit der Bildweite von der Auszugsdifferenz bei verschiedenen Objektiv-Verschwenkwinkeln jeweils brennweitennormiert,

Fig. 3 zeigt absolute Fehler der Bildweite bei gegebenen Meßfehlern für ein 65 mm Objektiv bei verschiedenen Schwenkwinkeln,

Fig. 4 zeigt Bildweitenfehler für ein 1800 mm Objektiv.

Fig. 1 zeigt eine Kamera mit einer optischen Bank (OB), die auch aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein kann. Auf ihr ist ein Objektivträger (OT) montiert, der ein Objektiv (O) trägt, das um zwei Achsen (Y, Z) verschwenkbar gehalten ist. Die Schwenkwinkel (Θ, Φ) werden über Winkelgeber an den Prozessor (PR) signalisiert. Ggf. sind elektrisch gesteuerte Objektivverschwenkantriebe (HA, VA) vorgesehen, die von dem Prozessor (PR) angesteuert werden.

Weiterhin ist auf der Bank (OB) ein Bildträger (BT) angeordnet, der ebenfalls um zwei Achsen verschwenkbar eine Bildaufnehmerebene (BA), die während der Einstellung im allgemeinen mit einer Mattscheibe bestückt ist, trägt. Auch deren Verschwenkwinkel (α, β) werden über Winkelgeber dem Prozessor (PR) gemeldet. Auch diese Verschwenkungen sind ggf. durch elektrisch gesteuerte Antriebe vom Prozessor (PR) steuerbar.

In der Bildaufnehmerebene ist ein CCD-Sensor (CD) positionierbar, wobei jeweils zwei relative Lagekoordinaten (Y1*, Z1*) desselben in der Bildaufnehmerebene an den Prozessor (PR) gegeben werden. Diese relativen Lagekoordinaten können von einer Positioniervorrichtung der Meßsonde (CD) abgenommen werden. Außerdem gibt die CCD-Meßsonde (CD) schärferelevante Bildpunkthelligkeitssignale (SS) des jeweils ausgewählten Bereichs, in dem sich der betrachtete Bildpunkt befindet, an den Prozessor (PR) zur Auswertung auf ein Schärfekriterium in bekannter Weise mittels eines Fourieranalysators (FA).

Der Bildträger (BT) ist auf der Bank (OB) mit einer Auszugsverstellvorrichtung (AA) axial verstellbar angeordnet, deren Verstellsignal dem Prozessor (PR) als die Auszugsweite (AW), die in die Formeln als Δb eingeht, zugeleitet ist. Die Auszugsverstellvorrichtung (AA) hat ggf. einen elektrisch gesteuerten Antrieb, der vom Prozessor (PR) gesteuert wird.

Zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Kamerascharfeinstellung ist ein karthesisches Koordinatensystem eingezeichnet, dessen X-Achse durch den Hauptpunkt (H) des Objektivs (O) parallel zur Bank (OB) verläuft. Falls eine verschwenkbare Bank vorgesehen ist, muß deren Verschwenkung gegen die Standarten durch eine entsprechende Koordinatentransformation berücksichtigt werden. Nach oben ist die Z-Achse und zur Seite die Y-Achse gerichtet. Im einfachsten Fall sollen drei Szenenpunkte (S1-S3) in der Bildaufnehmerebene (BA) scharf abgebildet werden und in einer bestimmten Perspektive zueinander angeordnet sein. Bei der Voreinstellung von Hand liegen die drei den Szenenpunkten (S1-S3) zugehörigen Bildpunkte (B1-B3) im allgemeinen in einer von der Bildaufnehmerebene abweichenden Anfangs-Bildebene, die somit durch diese drei Bildpunkte (B1-B3) bestimmt ist. Im Beispiel ist der erste Bildpunkt (B1) mit den relativen Lagekoordinaten (Y1*, Z1*) mittels des Sensors (CD) auf der Bildaufnehmerebene scharf eingestellt. Der zweite und dritte Bildpunkt (B2, B3) liegen außerhalb der Bildaufnehmerebene. Aus dieser Grundeinstellung wird dann im Laufe des Verfahrens die weitere Scharfeinstellung vorgenommen. Dazu werden jeweils nach der Positionierung des CCD-Sensors (CD) auf den zweiten bzw. dritten Bildpunkt, der anfangs auf der Bildaufnehmerebene noch unscharf zu sehen ist, Auszugsveränderungen bis zur Scharfstellung vorgenommen. Dadurch ergeben sich am Auszug Differenzangaben (x1-x2, x2-x3) der Lage der Punkte in der x-Richtung und deren relativen Lagekoordinaten Y*, Z* in der Bildaufnehmerebene, die anhand der Bildträger-Winkeleinstellungen (α, β) in relative Raumkoordinaten, die die Neigungen der Anfangsbildebene beschreiben, umzurechnen sind.

Für die weiteren Berechnungen ist es vorgesehen, eine neuartige Bildweitenbestimmung vorzunehmen, wozu das Objektiv (O) um einen vorgegebenen Winkel (Θ) verschwenkt wird und ein vorher scharf eingestellter Meßpunkt erneut scharf gestellt wird, wobei die Auszugsänderung (Δb) gemessen wird. Unter Hinzunahme der Objektivbrennweite (f), die gewöhnlich elektrisch codiert von dem Objektiv in den Prozessor zu übertragen ist, lassen sich nun die Ausgangssignale (Θ_soll, Φ_soll x_bsoll) zur Verschwenkung der Bildpunkte in eine neue Bildebene parallel zur Bildaufnehmerebene und zu deren entsprechenden Parallelverschiebung in X-Richtung bis in diese neue Bildebene hinein errechnen und ausgeben.

In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Bildweite (b) von der Auszugsdifferenz (Δb) wiedergegeben; beide Größen sind auf die Brennweite (f) normiert, wodurch der Verlauf des Graphen von (f) unabhängig wird. Die Schwenkwinkel betragen (von oben nach unten) Θ = 2°, 5°, 7°, 10°, 15°, 20°, 25° und 30°.

Je größer der Schwenkwinkel, um so besser läßt sich die Bildweite bestimmen, da dann eine geringe Bildweite schon eine große Auszugsdifferenz hervorruft. Wird ein weit entfernt liegender Szenenpunkt ausgewählt, ergibt sich als Sonderfall folgendes: Ist derjenige Wert b_f bekannt, für den sich b_f meßtechnisch nicht mehr von 1 unterscheiden läßt, gilt für die zugehörige (sehr große) Gegenstandsweite s_f.

dabei sind b_f die normierte Bildweite und s_f die normierte Gegenstandsweite im genannten Sonderfall.

Ab dieser Objektentfernung s_f kann als Bildweite gleich ohne weitere Messung die Brennweite (f) eingestellt werden.

Die neuartige Vorrichtung benötigt somit keinerlei spezielle Abstandsmeßmittel zur Messung des Objektiv-Bildebenen-Abstandes, und ein solches Abstandsmaß oder ein Abbildungsmaßstab od. dgl. müssen auch nicht in den Prozessor eingegeben werden, da sie durch die Auszugsdifferenzmessung ersetzt worden sind; die vorhandenen Meßmittel werden zusätzlich dafür genutzt. Das neuartige Rechenverfahren erfordert nicht die Messung der absoluten Abstände der Bildpunkte zum Objektiv.

Die Einstellungen der Winkel und des Auszugs bei den Erfassungsvorgängen lassen sich sowohl von Hand vornehmen, wobei das Schärfemaß vom Prozessor zur Anzeige gebracht wird, als auch ggf. mit elektrischen Stellmitteln automatisch. Das Einstellen der Sollwinkel und des Sollauszugsmaßes kann durch Hand aufgrund von prozessorgesteuerten Einstellanweisungen oder ggf. direkt mit den elektrischen Stellmitteln durch den Prozessor erfolgen.

Fig. 3 und 4 zeigen Fehlergraphen für ein Objektiv mit 65 bis 1800 mm Brennweite, wobei eine Auszugsmeßgenauigkeit von 10 µm und eine Winkelmeßgenauigkeit von 1′ angenommen sind und Verschwenkwinkel Θ von 5°, 7°, 10°, 15°, 20°, 25° und 30° als Parameter gewählt sind. Bei großen Schwenkwinkeln läßt sich der Fehler auch bei großen Brennweiten klein halten. Da jedoch relativ große Auszugslängen dabei zu messen sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die x-Koordinatenbestimmung aus der Auszugsweite (AW), die meßtechnisch mit der genannten Genauigkeit erfaßt wird, und mit einem grob gerasterten, aber genauen Grundmaß kombiniert erfolgt. Dazu weist die optische Bank (OB), Fig. 1, ein mechanisches Raster, insbesondere ein Lochraster (L1-LN) auf, das der rastergenauen Positionierung des Objektträgers (OT) und des Bildträgers (BT) auf der Bank durch eine Verstiftung dient. Auch mehrere Bankabschnitte (OB1, OB2) werden jeweils rastergenau miteinander durch eine Verstiftung in dem Lochraster verbunden. Die x-Koordinatenbestimmung erfolgt somit zuerst wie gezeigt mit einem relativ großen Fehler, wonach eine Einordnung des Maßes in den nächst benachbarten Rasterabschnitt erfolgt und auf das zugehörige Rastermaß die Restweite vom gefundenen Rasterpunkt an addiert wird, so daß der absolute Gesamtfehler nur wenig größer als der der Auszugsweite ist. Dies erlaubt auch mit kleinen Schwenkwinkeln Θ bei relativ geringen Auszugsweiten zu arbeiten, wobei trotzdem eine hohe Genauigkeit der Bildweitenbestimmung erreicht wird.

Die Rasterlänge wird zweckmäßig kleiner als die Meßstrecke der Auszugsweite gewählt und um ein mehrfaches größer als der größte absolute Fehler, der bei einem vorgegebenen Schwenkwinkel auftritt.

Durch das Lochraster ergibt sich eine weitere Alternative zur indirekten Bildweiten- oder Maßstabsbestimmung, indem der Objektivträger (OT) um mindestens eine Rasterlänge verschoben wird und vor- und nachher eine Scharfstellung eines Szenenpunktes erfolgt, wobei die Auszugslänge ermittelt wird.

Das Raster an der optischen Bank und die zugehörigen Rastvorrichtungen an den Standarten und den Bankverbindern sind vorteilhafte Ausbildungen der Kameraanordnung für die Anwendung des neuartigen Verfahrens zur bekannten doppelten Scharfstellung, d. h. mit je einer Objektivverschwenkung um zwei zur Bankrichtung senkrechten Achsen.

Wie bereits erwähnt, lassen sich die angegebenen Formeln auch auf Objektive mit mehreren Hauptebenen erweitern, und außerdem läßt sich berücksichtigen, daß die Schwenkung des Objektives häufig nicht um eine Hauptebenenachse sondern parallel versetzt dazu erfolgt. Durch den Abstand dh der Hauptebenen ergibt sich ein paralleler Versatz h der Bildebene in Richtung vom Objektiv fort aus h = d_h · cosα*, wobei α* der Gesamtneigungswinkel des Objektivs zur X-Achse ist. Daraus leitet sich der Z-Achsabschnitt-Parameter der verschobenen Bildebene d^V _m ab zu:

wobei a_m und b_m die Parameter der Ebenengleichung der Abbildungsebene und Φ und Θ jeweilige Objektiveinstellwinkelwerte sind und d_m der Z-Koordinatenparameter bezüglich einer dünnen Linse ist.

Durch Umrechnung auf das Drehpunktkoordinatensystem, dessen Z-Achsen-Parameter mit dem Hochindex H gekennzeichnet ist, und unter Einsetzung der jeweils errechneten Soll-Objektivverstellwinkel ergibt sich der Z-Achsabschnitt

wobei A₁ ein Versatzparameter, der Abstand vom objektseitigen Hauptpunkt des Objektivs zum Objektivdrehpunkt, ist und wobei der Index p jeweils dem Index "soll" in anderen Gleichungen entspricht, und die zugehörige Soll-Auszugsverstellung x_bp für den doppelten Schärfeausgleich ist dann

Claims (11)

1. Scharfstellverfahren für eine Kamera

• - mit einem Objektivträger (OT) und einem Bildträger (BT), die relativ zueinander in einer Bankrichtung (X) abstandveränderbar gehalten sind, wobei die demgemäßen Abstandsänderungen (x1-x2; x2-x3, Δb) einem Prozessor (PR) zugeführt werden,
• - und in deren Objektivträger (OT) ein Objektiv (O) um zwei zueinander senkrechte und zur Bankrichtung (X) senkrechte Achsen (Y, Z) verschwenkbar gehalten ist, dessen beide demgemäßen Objektivschwenkwinkelwerte (Θ, Φ) und der Wert der Objektivbrennweite (f) dem Prozessor (PR) zugeführt werden,
• - und in deren Bildträger (BT) eine Bildaufnehmerebene (BA) um zwei zueinander senkrechte und zur Bankrichtung (X) senkrechte Achsen (Y, Z) verschwenkbar gehalten ist, deren beide demgemäßen Bildaufnehmerschwenkwinkelwerte (α, β) dem Prozessor (PR) zugeführt werden,
• - und in deren Bildaufnehmerebene (BA) ein Scharfeinstellungssensor (CD), der ein Scharfeinstellungssignal liefert, in zwei Bildaufnehmerkoordinaten (Y1*, Z1*) positionierbar ist, die jeweils dem Prozessor (PR) zusammen mit dem Scharfeinstellungssignal zugeführt werden,
• - wobei für die gleichzeitige Scharfeinstellung mindestens dreier ausgewählter Bildpunkte (B1-B3), die in einer Ausgangsbildebene liegen, diese auf der Bildaufnehmerebene (BA) mit dem Scharfeinstellungssensor (CD) durch die Änderung des Bildträgerabstandes vom Objektiv (O) nacheinander jeweils in ihrer Scharfeinstellung unter Erfassung der zugehörigen Bildaufnehmerkoordinaten (Y2*, Z2*; Y3*, Z3*) und der Bildträgerabstandsänderung (x1-x2; x2-x3) lagemäßig im Prozessor (PR) erfaßt werden,
• - und aus den so erhaltenen Eingangsdaten vom Prozessor (PR) Lageparameter (a_o, b_o, a_m, b_m, Θ₀, Φ₀) der Bildaufnehmerebene (BA) und der Ausgangsbildebene rechnerisch ermittelt werden durch Lösung von ersten Abbildungsgleichungen, die durch Abbildung der Ausgangsbildebene in den Objektraum und anschließende Rückabbildung in den Bildraum bei variierter Objektivverschwenkung gebildet werden, wobei ein noch notwendiger weiterer, die absolute Bildweite eines ausgewählten Bildpunktes darstellender Abbildungsparameter gewonnen wird, indem ein ausgewählter Bildpunkt in der Bildaufnehmerebene (BA) scharfgestellt wird und dann eine Objektivverschwenkung um einen vorgegebenen Objektivverschwenkwinkel (Θ, Φ) oder eine Objektivverschiebung in der Bankrichtung um einen vorgegebenen Objektivverschiebeweg erfolgt und dann eine erneute Scharfeinstellung des ausgewählten Bildpunktes durch eine Auszugsveränderung erfolgt und wobei die bildträgerseitige Auszugsdifferenz (Δb) zwischen den beiden Scharfeinstellungen gemessen wird und diese jeweils in weitere Abbildungsgleichungen, die einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Bildweitenänderung (Δb) und der Gegenstandsweite des ausgewählten Bildpunktes beinhalten, zusammen mit dem zugehörigen Objektivverschwenkwinkel oder dem zugehörigen Objektivverschiebeweg eingesetzt wird und die ersten und die weiteren Abbildungsgleichungen zusammen nach gesuchten Solleinstellwerten (Θ_soll, Φ_soll) für Verschwenkungen des Objektivträgers (OT) und einer Sollabstandseinstellung (x_bsoll) des Bildträgers (BT) relativ zum Objektivträger (OT) hin aufgelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Bildpunkt bei nicht um die horizontale Achse (Y) verschwenktem Objektiv (O) in der durch die Bankrichtung und die dazu senkrechte, horizontale Schwenkachsenrichtung aufgespannten Ebene liegt und die Verschwenkung des Objektivs (O) zur Auszugsdifferenzbestimmung um die horizontale Achse (Y) um einen vorgegebenen Schwenkwinkel (Θ) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Bildpunkt bei mindestens zwei Objektivverschwenkwinkeln scharfgestellt wird und dazu die Auszugsdifferenzen (Δb) gemessen werden und aus den zugehörigen Gleichungen (11) durch Parametervariation eine Gegenstandsweite (s) und daraus die Bildweite (b) errechnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Auszugsänderung laufend für die Teilauszugsänderungen aus jeweiligen Bildpunktsignalen (SS) des ausgewählten Bildpunktes zugehörige Schärfemeßwerte ermittelt und den Teilauszugsänderungen zugehörig abgespeichert werden und nach dem Verschwenken des Objektivs um den vorgegebenen Verschwenkwinkel (Θ) oder nach der Objektivverschiebung um den vorgegebenen Verschiebeweg, aus den dann erzeugten Bildpunktsignalen (SS) der Schärfemeßwert ermittelt wird und mit diesem aus den abgespeicherten Schärfemeßwerten die zugehörige Auszugsänderung (Δb) herausgesucht wird, die den weiteren Berechnungen dient.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Bank (OB) ein Bankraster (L1, LN) trägt in dem der Bildträger (BT) und der Objektivträger (OT) jeweils zu fixieren sind und aus der Auszugsdifferenz (Δb) die Bildweite (b) angenähert ermittelt wird und dazu ein nächster zugehöriger Rasterabstand des Bildträgers (BT) vom Objektivträger (OT) eines Bankrasters (L1-LN) bestimmt wird und zu diesem Rasterabstand die rasterbezogen gemessene Auszugsdifferenz (Δb) hinzugerechnet wird und dieser so errechnete Bildträger-Objektivträgerabstand als genauerer Wert der Bildweite (b) für die weiteren Berechnungen genutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebeweg bei der Objektivverschiebung ein oder mehrere Rasterlängen beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der Solleinstellwerte (Θ_soll, Φ_soll x_bsoll) aufgrund der Verschwenkung des Objektivs (O) ein paralleler Versatz (h) der Bildebene abhängig von einem Hauptebenenabstand (d_h) des Objektivs (O) und ein Versatz der Objektivschwenkachse zu dessen Hauptebenen rechnerisch berücksichtigt werden (Gleichungen (13)-(15)).

8. Kamera, die nach einem Scharfeinstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zu betreiben ist, mit einer optischen Bank (OB), auf der ein Objektivträger (OT) mit einem Objektiv (O) und ein Bildträger (BT) mit einer Bildaufnehmerebene (BA), in der ein Film oder eine Mattscheibe anzuordnen sind, jeweils in Bankrichtung (X) mit einem zwischenliegenden Balgenauszug positionierbar angeordnet sind und jeweils um senkrechte Achsen Y, Z zur Bankrichtung X um Schwenkwinkel (Φ, Θ; α, β) verschwenkbar sind, und wobei jeweils zugehörige Schwenkwinkelwerte (Φ, Θ; α, β) einem Prozessor (PR) zuführbar sind und in der Bildaufnehmerebene (BA) ein Scharfeinstellungssensor (CD) positionierbar anzuordnen ist, dessen Scharfeinstellungssignal (SS) und jeweils eingestellte Bildaufnehmerkoordinaten (Y*, Z*) dem Prozessor (PR) zuführbar sind und jeweils eine Auszugsdifferenz (Δb) des Balgenauszugs in der Bankrichtung (X) bei Scharfeinstellungen von mindestens drei Bildpunkten dem Prozessor (PR) zuführbar sind und die zugehörige absolute Bildweite eines Bildpunktes durch Messung der Bildweitenänderung (Δb) des Bildpunktes bei verschiedenen Objektivschwenkwinkeln ermittelt wird, wobei die optische Bank (OB) mit einem Raster mit mechanischen Rasten (L1-LN) versehen ist, und der Objektivträger (OT) und der Bildträger (BT) mit Rastvorrichtungen in den Rasten abstandsgenau zueinander gehalten sind.

9. Kamera nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Bank (OT) aus mindestens zwei Bankabschnitten (OT1, OT2) besteht, die mit einem Verbinder mittels einer Rastvorrichtung in dem gegebenen Raster rastergenau verbunden sind.

10. Kamera nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterlänge kürzer ist als eine maximale Auszugsmeßweglänge.

11. Kamera nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasten als Lochrasten (L1-LN) ausgebildet sind und die Rastvorrichtungen Raststifte sind.