DE2349311C3 - Anordnung zur selbsttätigen Scharfeinstellung (Autofokussierung) für optische Systeme, insbesondere für Objektive in photographischen Kameras - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur selbsttätigen Scharfeinstellung (Autofokussierung) für optische Systeme, insbesondere für Objektive in photographischen Kameras.

Es sind verschiedene Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung in photographischen Kameras bekannt geworden. Eines dieser Verfahren besteht darin, die relative Position des Objektivs in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Kamera und Aufnahmegegenstand einzustellen. Verbreiteter ist jedoch ein Verfahren, bei dem die Scharfeinstellung durch Messung des Kontrastes des von dem Objektiv entworfenen Bildes gesteuert wird.

Eines der bekannten Verfahren zur Messung des Kontrastes macht sich einen Effekt der photoelektronischen Bauelemente (z. B. Photowiderstände) zunutze, der als »Einsattelungseffekt« bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt. daß der Innenwiderstand eines Photowiderstandes ein Maximum (bzw. der Photostrom des photoelektronischen Bauelements ein Minimum) aufweist, wenn das auf der wirksamen Oberfläche des photoelektronischen Bauelements entworfene Bild scharf eingestellt und damit der Kontrast am größten ist, und daß der Widerstand abnimmt (bzw. der Photostrom zunimmt), wenn sich das photoelektronische Bauelement nicht in der korrekten Einstellebene be-

' det Die auf Grund dieses Effektes auftretende änderung des Ausgangssignals des photoelektroniichen Bauelements wird gemessen und zu einem geeigneten Steuersignal zur relativen Verschiebung der Ebstellebene in Richtung der optischen Achse verarbeitet.

Ein anderes Verfahren zur Messung des Bildkontrastes besteht darin, daß das Bild abgetastet wird. Bei diesem Verfahren wird das Bild des Aufnahmeee°enstandes beispielsweise durch einen Schlitz abgetastet und die die Intensitätsverteilung des Bildes kennzeichnende Ausgangszeitfunktion in geeigneter Weise weiterverarbeitet. Die Ausgangszeitfunktion kann beispielsweise einer Frequenzanalyse unterworfen werden, wobei die die korrekte Scharfeinstellung kennzeichnende Position sich als diejenige Position erweist, in der die Ausgangszeitfunktion Jie größte Anzahl hochfrequenter Komponenten besitzt.

Dieses zuletzt genannte Verfahren ist theoretisch von größerer Genauigkeit als die erstgenannte Methode und eignet sich daher an sich am besten zur korrekten Scharfeinstellung. Der Einbau der erforderlichen Abtastmittel, die beispielsweise aus einer rotierenden Scheibe mit einem Schlitz, einer Bildaufnahmeröhre oder dergleichen bestehen, führt jedoch zu Kameras von außerordentlich unhandlicher

Größe. .

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zur selbsttätigen Scharfeinstellung zu schaffen, die sich durch kleine Abmessungen und große Genauigkeit auszeichnet. Dies wird dadurch erreicht, daß ein in der Bildebene oder in einer äquivalenten Ebene des optischen Systems angeordnetes an sich bekanntes aus einer Vielzahl von in enger Nachbarschaft in einer Reihe angeordneten lichtempfindlichen Elementen und einer vorzugsweise mit ihnen integrierten Treiberstufe zu ihrer aufeinanderfolgenden Aktivierung bestehendes photoelektronisches Abtastelement zur selbsttätigen und wiederholten Abtastung und zur optoelektronischen Umwandlung der Lichtintensität zumindest eines Teils des von dem optischen System entworfenen Bildes vorgesehen ist und daß zur Scharfeinstellung Mittel zur Verschiebung des optischen Systems oder der Bildebene in Richtung der optischen Achse vorgesehen sind, die durch ein elektrisches Signal steuerbar sind, das aus dem die Kontraständerung in Richtung der optischen Achse kennzeichnenden Ausgangssignal des genannten Abtastelements abgeleitet ist. Durch die neuartige Verwendung des an sich bekannten Abtastelements reduzieren sich die Abmessungen der Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung derart, daß sie in einen Kamerakörper üblicher Größe eingebaut werden kann.

Als Weiterbildungen der Erfindung werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung vorgeschlagen, die in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Im folgenden sei das Prinzip und der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele und Diagramme näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Differenz zwischen dem Leistungsspektrum bei korrekter Scharfeinstellung (Kurve α) und bei Fehleinstellung (Kurve /)) dargestellt ist.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Änderung im 1 eküinessDektrum des von einem optischen System entworfenen Bildes in Abhängigkeit von der Verschiebung der Einstellebene darstellt. Parameter ist die Onsfrequenz, die in der Reihenfolge der Kurven c, d, e anwächst.

F i g. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur automatischen Scharfeinstellung.

F i g. 4, 5 und 6 dienen zur Erläuteiung des Vorgangs der Servosteuerung bei dem in F i g. 3 darge-

stellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar zeigt F i g. 4 das Ausgangssignal eines Hochfrequenz-Filters 9, das sich dann einstellt, wenn das photoelektronische Abtastelement das Bild einmal bei korrekter Scharfeinstellung (Abtastperiode τ,) und

bei unkorrekter Einstellung (Abtastperiode T₂) abtastet.

Fig. 5 zeigt die Änderung des Ausgangssignals einer Gleichrichterstufe, der das in Fig. 4 dargestellte elektrische Signal als Eingangssignal zugeführt

F i g. 6 zeigt die Änderung der Gleichspannung (bzw. des Gleichstroms) am Ausgang der Gleichrichterstufe in Abhängigkeit von der relativen Verschiebung der Einstellebene.

F i g. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur selbsttätigen Scharfeinstellung.

F i g. 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem von einem Auswerteverfahren Gebrauch gemacht wird, daß sich unterschiedlicher Amwertefrequenzen bedient. Dieses Diagramm zeigt, wie sich die Differenz der Gleichspannungen (bzw. -ströme) in Abhängigkeit von der Lage der Einstellebene beiderseits der die korrekte Scharfeinstellung kennzeichnenden Position ändert, wenn Bandpässe unterschiedlicherGrenzfrequenzen verwendet werden. Die drei Kurven /, g und h entsprechen einer Erhöhung der Grenzfrequenz des jeweiligen Bandpasses.

F i g. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 10 zeigt den Signalverlauf am Ausgang des in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 verwendeten Hochfrequenzfilters. Mit i_s ist eine Abtastperiode des photoelektronischen Abtastelementes bezeichnet, r_n bezeichnet eine Periodendauer der von der Vorrichtung 21 erzeugten Schwingung.

Fig. 11 zeigt den Signalverlauf während einer Abtastperiode f_s, wenn sich das photoelektronische Abtastelement in korrekter Einstellposition befindet.

Fig. 12 und 13 zeigen ein viertes bzw. fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur selbsttätigen Scharfeinstellung. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein photoelektronisches Abtastelement, das wie oben erwähnt, aus einer Vielzahl von einander dicht benrrhbarten lichtempfindlichen Elementen besteht, die mittels einer vorzugsweise integrierten Treiberstufe 60 nacheinander aktiviert werden, in der Bildebene bzw. in einer zu ihr konjugierten Ebene angeordnet. Dieses Abtastelement wandelt die Bildintensität in ein entsprechendes elektrisches Signal um. Die korrekte Fokussierung wird durch geeignete Verarbeitung des 65 Ausgangssignals des Abtastelements erzielt. Die Verarbeitung des Ausgangssignals kann durch Schaltungsanordnungen unterschiedlicher Struktur erfolgen. Fünf verschiedene derartige Schallungsstruktu-

ren bilden die Ausführungsbeispiele der Erfindung. Sie können grob in zwei Klassen unterteilt werden, die sich in der Art der aus der Intensitätsverteilung des Bildes abgeleiteten Informationen unterscheiden. Bei einer dieser beiden Methoden wird der Wert der Fehleinstellung, d. h. der Abweichung von der korrekten Fokussierung aus der Verteilung der Bildintensität durch Auswertung eines fest vorgegebenen Ortsfrequenzbandes ermittelt. Diese Methode ist im folgenden als Methode der Auswertung mit fesler Ortsfrequenz bezeichnet. Die andere Methode bedient sich einer veränderlichen Ortsfrequenz oder einer Mehrzahl von Ortsfrequenzen. Diese Methode ist im folgenden als Auswertemethode mit variabler Ortsfrequenz bezeichnet.

Im allgemeinen sind die Frequenzkomponenten des Leistungsspektrums eines von einem optischen Systems entworfenen Bildes desto höher je mehr sich die Einstellposition der korrekten Scharfeinstellung nähert. Sie erreicht ein Maximum, sobald das Bild korrekt fokussiert ist (Kurve α in F i g. 1). Die Lichtintensität erreicht für jede Ortsfrequenzkomponente des Bildes ein Maximum bei korrekter Scharfeinstellung. Wenn der Grad der Fehleinstellung anwächst wird die Lichtintensität jeder Ortsfrequenzkomponente des Bildes kleiner (Kurve b in Fig. 1). Andererseits wird die Differenz der Bildintensität um so größer je größer die Ortsfrequenz wird. Die korrekte Scharfeinstellung wird durch Messung dieser Intensitätsdifferenz ermittelt. Die Auswertung dieser Differenz kann an sich bei jeder Ortsfrequenz vorgenommen werden. Im Bereich niedriger Ortsfrequenz ist die Intensitätsdifferenz im allgemeinen jedoch sehr gering, so daß die Auswertung mit niedriger Ortsfrequenz zu vergleichsweise ungenauen Ergebnissen führt. Andererseits ändert sich die im Bild enthaltene höchste Frequenz mit der Beschaffenheit des Aufnahmegegenstandes, so daß eine Auswertung mit einer zu hohen Ortsfrequenz nicht möglich ist. Außerdem besitzt die optische Übertragungsfunktion eines optischen Systems im Bereich höherer Frequenzen im allgemeinen niedrige Werte, so daß die Lichtintensität mit höheren Frequenzen abnimmt. Infolgedessen führt auch die Auswertung mit zu hohen Ortsfrequenzen zu vergleichsweise ungenauen Ergebnissen. Bei der obenerwähnten Auswertung mit fester Ortsfrequenz wird die korrekte Einstellposition durch Auswertung der Bildintensitätsverteilung mit einer Ortsfrequenz ermittelt, die so bestimmt ist, daß unabhängig von der Objektbeschaffenheit möglichst große Genauigkeit erzielt werden kann. Bei der zweiten Methode, die mit veränderbarer Ortsfrequenz arbeitet, wird diese Ortsfrequenz in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Objektbeschaffenheit verändert.

Anordnungen zur selbsttätigen Scharfeinstellung benötigen eine Vorrichtung zur Verschiebung des optischen Systems bzw. der Einstellebene. Hierzu dient ein geeigneter Servomechanismus, der das optische System stets in Richtung auf die korrekte Einstellposition bewegt, wobei das Steuersignal aus einer Information abgeleitet wird, die angibt, ob sich die jeweils von dem Abtastelement eingenommene Einstellebene hinter oder vor der der korrekten Scharfeinstellung entsprechenden Ebene befindet. Im fol- Ss genden wird der Zustand, indem sich das Bild bzw. die Meßebene hinter der korrekter» Einstellebene befindet als positiver und der entgegengesetzte Zustand als negativer Einstcllfehler bezeichnet. Es existieren zwei Verfahren zur Messung des Vorzeichens des Einstellfehlers. Die eine benutzt eine Speicherschal-Hing, die andere einen Phasendetektor. Bei der ersten Methode wird die von dem Abtastelement ermittelte Information für jede Einstellposition gespeichert, und durch sukzessiven Vergleich dieser Informationen für je zwei benachbarte Positionen wird das Objektiv auf die korrekte Einstellposition hin bewegt. Bei der zweiten Methode wird die Länge des Lichtpfades zwischen dem Objektiv und dem photoelektronischen Abtastelement durch oszillierende Mittel periodisch geändert, so daß das elektrische Ausgangssignal entsprechend pulsiert. Die Richtung der Objektivbewegung wird durch das von einem Phasendetektor abgegebene Signal bestimmt.

Durch geeignete Kombinationen der obenerwähnten Methoden der Frequenzauswertung und der elektrischen Verarbeitung gelangt die Erfindung zu fünf verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die entsprechenden Methoden werden weiter unten näher erläutert. Zunächst sei nur eine summarische Zusammenfassung dieser Verfahren und der Eigenschaften jedes dieser Geräte gegeben:

Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung macht von der Auswertemethode mit fester Ortsfrequenz Gebrauch, und als Mittel zur Messung des Vorzeichens des Einstellfehlers dient eine Speicherschaltung.

Bei dem zweiten Gerät ist ebenfalls eine Speicherschaltung vorgesehen. Die Verarbeitung der Ausgangssignale erfolgt in gleicher Weise wie bei dem ersten Gerät. Es findet jedoch das Verfahren der variablen Ortsfrequenz Anwendung. Dieses Gerät ist zwar umfangreicher als das erste, es ist jedoch möglieh, die korrekte Scharfeinstellung für fast jedes beliebige Objekt mit unterschiedlicher Ortsfrequenzverteilung zu erreichen.

Das Gerät, das das dritte Ausführungsbeispiel dei Erfindung bildet, benutzt einen Phasendetektor zui Messung des Vorzeichens des Einstellfehlers unc macht ferner von der Methode der festen Frequenz Gebrauch.

Bei dem vierten Gerät wird ebenfalls ein Phasen detektor verwendet, diesmal jedoch in Verbindun| mit einer Auswertung mit veränderbarer Ortsfre quenz. Obwohl die Verarbeitung des Ausgangssignal: voll und ganz der bei dem dritten Gerät angewandtei Methode entspricht, kann die korrekte Einstelluni wieder unabhängig von der Ortsfrequenzverteiluni des Aufnahmegegenstandes ermittelt werden.

Bei dem Gerät schließlich, das das fünfte Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung bildet, wird der größt Wert des Differentialquotienten der Bildintensitäts verteilung gemessen. Dieser Differentialquotient win durch eine zusätzliche Differenzierstufe gewonnen im übrigen gleicht das Gerät dem erstgenannten Aus führungsbeispiel. Im allgemeinen ist der Differential quotient der Bildintensitätsverteilung bei korrekte Einstellung stets größer als bei Fehleinstellung. De Höchstwert des Differentialquotienten der Bildinten sitätsverteilung bei verschiedenen Einstellpositione erreicht sein Maximum, wenn korrekt fokussiert isi Diese Tatsache wird bei dem in Frage stehende Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgenutzt. Da von dem photoelektronischen Abtastelement abgege bene elektrische Signal, das die Verteilung der Bild intensität repräsentiert, wird in einer Differenziei

schaltung differenziert und d, korrekte Ei» tion wird ermittelt, indem d.ejenige Spannung ta« derjenige Strom festgestellt w.rd, der dem Maximal wert des Signals entspricht.

Die charakteristischen Eigenschaften und d.e Vorteile der Erfindung sind folgende:

I. Das bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete photoelektronische Abtastelement, das _ wie beschrieben - aus einer Vielzahl ,n en ger Nachbarschaft aneinandergereihter licnt empfindlicher Elemente und einem Vorzugsweise mit diesen integrierten Abtastgeneraior besteht, ist so klein, daß es ohne weiteres m einen Kamerakörper herkömmlicner Große emgebaut werden kann. Die S^chaltu2f_t ^a"°^r,i2

6. Die J^^^^ £ ^ ^^ ^^ ^ _{das von dem}

_pholOel,ktronischen Abtastelement abgegebene _si , ■ vergleichsweise einfachen elektrischen SchaltkreiseiTausgewertet werden kann. Da der Maximalwert des Differentialquotienten der il in verschiedenen Einjen wird, stellt diese Me- £ ^ ^^ ^ _Abwand,_{ung de}r mit un-

_terschiedlichen Auswertefrequenzen arbeitenden _Methode dar, so daß die genaue Fokussierung > beliebigen Aufnahmegegenständen mögHch ist.

Die vorstehend gegebene allgemeine Beschreibung

einstellung entsteht, die insgesamt sehr kompakt und sehr leicht ist. .

- Da die die Bildintensität kennzeichnende In-" formation durch Abtastung des von dm optischen System, z.B. dem Kameraob^kuv en worfenen Bildes gewonnen wird, erhalt man als Ausgangsbasis eine Information Jjber *e g nauen Ortsfrequenzkomponenten d« EOdes. Die Genauigkeit der Fokussierung ist deshalb großer

als die bei der üblichen Methode du: sich den oben beschriebenen ,Emsat elungse«ekt^emes photoelektronischen Bauelementes ^nutze

macht. . . ... _{ftpn Gerä}

3. Die bei dem ersten, zweiten und ^J f^e^ verwendete Speicherschaltung ermogl cht d« Erkennung des Vorzeichens des tanste...w»c.s auf SSs einfache Weise. Diese^ Speicheschaltung kann ebenfalls aus einer '"tegnerten Schaltung bestehen. Sie erübrigt ferne-die^be dem dritfen und vierten Gerat vorhandene V or richtung zur periodischen Änderung des chtpfades. Hieraus resultiert ein besonders genn ger Raumbedarf, so daß der Einbau in eine Kompaktkamera möglich ist

4. Wahrend die Messung des Umfang der^FeW einstellung bei Verwendung einer Speichers^

tun_E schrittweise durchgeführt wird, erfolgt diese Sung bei dem in dem ^^unwerten ^ ^ automatischen Scharfeinstellung sei an _H „"_{d von} Fig. 1 und 2 erläutert. Fig. 1 zeigt in Bacher Darstellung die Ortsfrequenzverteilung des jacher ~ _entworfenen Bildes m

von ν senkrecht zur optischen Achse,

^erscn _{n ist die O}mfrequenz au getragen.

g_{je Dimension} der Ortsfrequenz ist wie üblich Li-_{Au{ def orfinatenacnse} ist die Lichtinten-

η . _Leistungsspektrum) aufgetragen. Die

«« ^s _p ^ ^ _{Qrtsf rteilun}g

_$ ^. _{korrekter Scharf}e_instellung_ die α ^ _{OrtsfrequenrV}erteilung bei Fehleinstelluna. Im allgemeinen wird die Bildintensitat Jⁱⁿ _unterSe_hiedi_ichen Ortsfrequenzen des Bildes kleioei _{der ß der Fehleinstellun}g wachst.

«-, _{Hand VQn F 2 erKenn}.

Oa _{enen Ort}sfrequenzen darstellen, wöbe!

_Einsiellposition auf der Abszissenachse aufge-

In F i s. 2 entspricht die Kurve c der med-

^a ^^ ^ _{d£r höchsten} Ortsfrequenz.

ng ^ _Onsfrequenzk,_Drnponenten des Bildes

t ^ ^^ _{fm dfe Blldmte}nsitat beider-

_{d die korrek}te Einstellung kennzeichnenden

*rts ^ _& ^ _ρ^_ηζίρ der Erfindung

_{der Ein}._{5tellpos öon} mn großei

cne bestimmen, indem Bildkomponenter

^ _Om{requenz ^,^^

_{Ausfüh bdsp}i_eles de

rät Gebrauch machen, besteht Ermittlung der korrekten Eins ellung _

_rchlässigen Spiegel 2 abgelenkt. In «^ _{auf den Spiege}i₂) der Lage de

verschiedenen Frequenzbereichen ausgewertet wird.

_IntensitätsvertedTmg in em er 609 619/2«

sprechendes zeitabhängiges elektrisches Signal umgewandelt. Das photoelektronische Abtastelement wird in ständiger Wiederholung und immer in derselben Richtung durch Trigger-Impulse konstanter Frequenz abgetastet, die von dem Taktgenerator 5 erzeugt werden. Das Ausgangssignal des photoelektronischen Abtastelements wird in dem Verstärker 7 verstärkt und anschließend in einer Differenzierschaltung 8 differenziert. Das Ausgangssignal der Stufe 8 wird einem Hochpaßfilter 9 zugeführt, das nur für Wechselstromkomponenten durchlässig ist, deren Frequenz größer ist als eine in geeigneter Weise gewählte Grenzfrequenz. Das Ausgangssignal des Filters 9 gelangt zu einer Gleichrichterstufe 10. In dieser wird das Signal gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Ausgangssignal wird in einer geeigneten Speicherschaltung 11 α gespeichert.

Wenn ein Servomotor 13 betätigt wird, der das Kameraobjektiv 1 über geeignete Mittel 14 (z. B. über eine Stellschraube) in Richtung der optischen Achse bewegt, wird die Bildintensitätsverteilung in einer anderen Einstellposition abgetastet und von dem photoelektronischen Abtastelement 4 in ein entsprechendes zeitabhängiges elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird ebenfalls verstärkt, differenziert, gefikert und gleichgerichtet. Das am Ausgang der Gleichrichterstufe 10 auftretende Signal wird in einer zweiten Speicherschaltung lift gespeichert.

Der Speicherbefehl und der Befehl zur Rückstellung der Speicherschaltungen 11 α und 11 b werden synchron mit dem Takt des Taktgenerators 5 erzeugt. Die Taktimpulse des Taktgenerators 5 steuern dabei die Speicherschaltungen 11 α und 11 b über eine Adressenstufe 14'. Ein erster Taktimpuls gibt einen Einstellbefehl an die Speicherschaltung 11 a, ein zweiter Taklimpuls gibt einen Einstellbefehl an die Speicherstufe 11 b. Das Einspeichern und Löschen der beiden Speicherschaltungen 11 α und 11 b wird ständig wiederholt. Die Differenz zwischen den beiden in den Speicherschaltungen 11a und Il b gespeicherten Gleichspannungs- bzw. -Stromwerte wird durch eine Vergleicherschaltung 12 gemessen, die beispielsweise als Differentialverstärker ausgebildet sein kann. Wenn die Speicherschaltung 11a den Wert A und die Speicherschaltung 11 b den Wert B gespeichert hat liegt an der Vergleicherschaltung 12 also der Differenzwert A —B an. Das Vorzeichen (+ oder —) dieses Wertes bestimmt die Laufrichtung des Servomotors 13, der so lange weiterläuft, bis ein Zustand erreicht wird, in dem A = B ist. Dieser Zustand zeigt an, daß das Kameraobjektiv die korrekte Einstellung erreicht hat. Im allgemeinen ist die in den Speicherstufen gespeicherte Gleichspannungs- bzw. Stromgröße bei der korrekten Einstellung des Kameraobjektivs maximal und wird beiderseits dieser Einstellung kleiner. Deshalb ermöglicht die beschriebene Servosteuerung das Auffinden der korrekten Einstellposition.

Die F i g. 4, 5 und 6 veranschaulichen die Methode der Servosteuerung. F i g. 4 zeigt das von dem Hochpaß 9 abgegebene elektrische Signal. Dieses ändert sich in Übereinstimmung mit der Lichtintensität der hochfrequenten Komponenten des Bildes. Dementsprechend erscheint am Ausgang der Gleichrichterstufe 10 ein Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung, die dem Grad der Änderung entspricht (F i g. 5). In den F i g. 4 und 5 ist auf der Abszissenachse die Abtastzeit des photoelektronischen Abtastelementes aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist eine Spannung bzw. ein Strom aufgetragen. Die Fig. 4 und 5 zeigen die Ausgangssignale (Spannungen bzw. Ströme) während zweier Abtastperioden. Die Abtaslperiode τ-, entspricht der korrekten Einstellung des Kameraobjektivs, die Ablastperiode τ., entspricht einer Fehlcinstellung. Diese Erscheinung wird an Hand von Fig. 6 weiter verdeutlicht: Auf der Ordinatenachse ist das Ausgangssigna! (Spannung bzw. Strom) der Gieichrichterstufe 10, auf der Abszissenachse ist die relative Einstellposition des Kameraobjektivs aufgetragen. Das Maximum der in Fig. 6 dargestellten Kurve entspricht der korrekten Scharfeinstellung. Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel beruht auf der Ermittlung dieses Maximums.

Das in Fig. 7 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch, daß die elektrische Auswerteschaltung die Auswertung mehrerer unterschiedlicher Frequenzen erlaubt. Das photoelektronische Abtastelement 4' erzeugt ein Ausgangssignal, das dem vorangehend beschriebenen entspricht. Dieses Ausgangssigna] wird in einem Verstärker T verstärkt und in einer Differenzierschaltung 8' differenziert. Es wird anschließend gleichzeitig einer Mehrzahl von Bandpaß-Filtern mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen zugeführt. Im Ausführungsbeispiel sind drei Bandpaß-Filter 9Λ. 9'B und 9'C verwendet. Die gefilterten elektrischen Signale werden durch Gleichrichterstufen WA, 10'ß und 10'C gleichgerichtet und in Speicherschaltungen 11'Aa, ll'ßa und 11'Ca gespeichert. Danach wird das Objektiv durch den Servomotor 13 verschoben und die Bildintensität in einer abweichenden Position ermittelt.

Die resultierenden Gleichströme- bzw. -Spannungen werden in Speicherschaltungen 11'Ab, WBb bzw. 11'Cb gespeichert. Die Speicherbefehle werden wieder synchron mit den Taktsignalen des Taktgenerators 5 gegeben. Die Differenzen der in den Speichergruppen 11'Aa, IVAb bzw. 11'Ba, WBb bzw. 11'Ca, 11'Cb gespeicherten Sienale werden durch Vergleicherschaltungen 12'Λ, 12'ß bzw. 12'C ermittelt. Die Vergleicherschaltung 12'D ermittelt die größte Differenz der von den Vergleicherschaltungen 12'A, ITB bzw. 12'C abgegebenen Ausgangsspannungen. Jede der Vergleicherschaltungen 12'A. 12'B. 12'C und 12'D mißt nicht nur den Absolutwert dei Gleichspannungsdifferenzen sondern auch deren Vorzeichen. Dies geschieht in derselben Weise wie bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Somit kann unterschieden werden, ob sich die gespeicherte Spannung in Richtung auf höhere oder niedrigere Werte ändert. Infolge der Verwendung solchei Komparatorschaltungen wird das Objektiv 1 mil Hilfe des Servomotors 13 stets in eine Richtung verschoben, die höheren Gleichspannungswerten entspricht. Auf diese Weise kann die korrekte Einstellposition unabhängig davon bestimmt werden, ob dei der Ausgangsposition entsprechende Einstellfehle] positives oder negatives Vorzeichen hat.

Der Grund, weshalb das zweite Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel von dem Verfahren variabler Auswertefrequenzen Gebrauch macht, ist der, daß — wie bereits an gedeutet — bei Anwendung einer festen Ortsfrequen? bestimmter Höhe eine automatische ScharfeinstellunE nicht möglich ist, wenn der Aufnahmegegenstand nui

solche Ortsfrequenzkomponenten aufweist, die unterhalb dieser festen Frequenz liegen. Dies sei an Hand von Fig. 8 erläutert: Wenn wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein Hochpaß verwendet wird, der nur für Frequenzen durchlässig ist, die über einer bestimmten Grenzfrequenz liegen und wenn das Bild solche Frequenzen, die im Durchlaßbereich liegen, enthält, ändert sich die Gleichspannungsdifferenz am Ausgang der Komparatorschaltung wie in der Kurve h (Fig. 8) ersichtlich ist. Wenn das Bild derart hohe Frequenzen nicht enthält, wird keine derartige Spannung«· Differenz erzeugt. Wenn jedoch Bandpässe vorgesehen sind, die für Frequenzbänder durchlässig sind, die unterhalb der genannten hohen Frequenzen liegen, werden die in Fi g. 8 in den Kurven g und / dargestellten veränderbaren Spannungsdifferenzen erzeugt. Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Bandpässe mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen verwendet, die simultan die in den Kurven /, g und h von F i g. 7 dargestellten Spannungsdifferenzänderungen erzeugen. Selbst wenn aus den vorerwähnten Gründen die der Kurve h entsprechende Spannungsdifferenzänderung nicht zustande kommt, weil das Objekt Komponenten von derart hoher Ortsfrequenz nicht enthält, üefern immer noch die beiden anderen Bandpässe Spannungsdifferenzen, die den Kurven g oder / entsprechen und die als Steuerinformation zur korrekten Scharfeinstellung dienen können. Hierin besieht der besondere Vorteil des in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Elin drittes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 9 dargestellt, es besitzt ein Objektiv 15 und einen halbdurchlässigen Spiegel 16. Die Filmoberfläche ist mit

17 bezeichnet. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein vorzugsweise integriertes photoelekironisches Abtastelement in einer im reflektierten Strahlengang des halbdurchlässigen Spiegels 16 liegenden, zur Ebene der Filmoberfläche konjugierten Ebene angeordnet. Das photoelektronische Abtastelement 18 ist jedoch mit einer Schwingungsvorrichtung 21 verbunden, durch die es in Oszillationsbewegung versetzt werden kann. Diese dient zur periodischen Änderung der Weglänge des Lichtpfades zwischen dem Objektiv und dem photoelektronischen Abtastelement 18. An Stelle des photoelektronischen Abtastelementes

18 kann natürlich auch das Objektiv 15 entsprechend oszillieren. Es ist auch möglich, den Brechungsindex in dem Lichtpfad zwischen dem Objektiv 15 und dem photoelektronischen Abtastelement 18 periodisch zu ändern, beispielsweise durch eine rotierende transparente Scheibe mit keilförmigem Querschnitt oder durch optoelektrische Kristalle, deren Brechungsindex sich in Abhängigkeit von einem anliegenden elektrischen Feld ändert.

Für die folgende Beschreibung sei angenommen, daß das photoelektronische Abtastelement 18 oszilliert. Das photoelektronische Abtastelement 18 beginnt unter dem Steuereinfluß des Taktimpulsgenerators 19 und der Treiberschaltung 20 mit der Abtastung des auf seiner wirksamen Oberfläche entworfenen Bildes. Das photoelektronische Abtastelement 18, das auf der Schwingvorrichtung 21 befestigt ist führt unter dem Einfluß der von einem Oszillator 27 erzeugten Schwingungen in Richtung der optischen Achse eine einfache harmonische Schwingbewegung mit konstanter Amplitude aus, so daß das von ihm abgegebene Ausgangssignal eine Hüllkurve besitzt, die synchron ist mit dem von dem Oszillator 27 erzeugten Signal. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Gchwingungsperiode t₀ (Fig. 10) der Schwingvorrichtung 21 hinreichend viel größer ist als die Abtastperiode i_s des photoelektronischen Abtastelemente·; und daß sie außerdem ein ganzzahliges Vielfaches von dieser ist. Das Ausgangssignal des photoelektronischen Abtastelementes 18 wird von einem Verstärker 22 verstärkt und in eine Differenzierstufe 23 differenziert. Deren Ausgangssignal wird wieder einem Hochpaß-Filter 24 zugeführt. Die resultierende Schwingungsform des elektrischen Signals ist in Fig. 11 dargestellt, das eine pulsierende Spannungsänderung zeigt, die auf Grund der einfachen harmonischen Schwingung des photoclektronischen Abtastelementes 18 zustande kommt und die am Ausgang des Hochpaß-Filters 24 als Ergebnis der Bildabtastung erscheint, und zwar in dem Zeitpunkt, in dem sich das photoelektronische Abtastelement 18 in der der korrekten Einstellung entsprechenden Position befindet.

Dieses Signal wird einer Detektorschaltung 25 zugeführt, an deren Ausgang die in strichpunktierten Linien dargestellte Hüllkurve erscheint. Dieses Signal wird in einem Phasendetektor 26 mit der von dem Oszillator 27 erzeugten Schwingung verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 26 besitzt den größten Spitzenwert, wenn das photoelektronische Abtastelement 18 periodisch um eine Mittellage schwingt, die der korrekten Einstellposition entspricht. Wenn die Mittellage der Schwingbewegung außerhalb dieser korrekten Einstellposition liegt, verringert sich das Ausgangssignal des Phasendetektors 26. Positive und negative Einstellfehler bewirken eine Phasenverschiebung um T₁, so daß das Vorzeichen des Einstellfehlers unmittelbar als Vorzeichen ( ι oder —) der Ausgangsspannung des Phasendetektors 26 erkannt werden kann. Diese mit einem Vorzeichen behaftete Ausgangsspannung des Phasendetektors 26 steuert einen Servomotor 28 derart, daß die Verschiebungsmittel 29 das Objektiv 15 in Richtung der optischen Achse in der einen oder in der anderen Richtung so lange bewegen, bis der Spannungswert zu Null wird. Die charakteristische Eigenschaft des dritten Ausführungsbeispiels besteht also in der Verwendung eines von einem Phasendetektor gesteuerten Servosystems zur Ermittlung der korrekten Einstellposition.

Das in Fig. 12 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine Modifizierung des in F i g. 9 dargestellten dritten Ausführungsbeispiels dar. Es arbeitet ebenfalls mit Phasendetektoren, bedient sich jedoch einer veränderbaren Auswertefrequenz.

Das von einem photoelektronischen Abtastelement 18' erzeugte elektrische Ausgangssignal wird übei einen Verstärker 22' und eine DifferenzierschakunE 23' in ein entsprechendes differenziertes Signal umgewandelt. Dieses Verfahren entspricht demjenigen das bei dem in F i g. 9 dargestellten Ausführungs beispiel angewendet wird. Das differenzierte Signa wird gleichzeitig einer Vielzahl (im \usführungsbei spiel drei) von Bandpaß-Filtern 24'A, 24'B und~24'C mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen zugeführt Die gefilterten elektrischen Signale werden in De tektorschaltungen 25'A, 25'ß bzw. 25'C gleichgerich tet. Anschließend wird in Phasendetektoren 26'A 26'ß und 26'C die Phasenlage ermittelt. Eine Korn

paratorschaltung 26'D ermittelt den Absolutwert und das Vorzeichen der größten der Ausgangsspannungen der drei Phasendetektoren und steuert das Kameraobjektiv mit Hilfe des Servomotors in die Position, in der die Abtastung des Bildes die höchsten Gleichspannungswerte liefert. Das in Fig. 12 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel vereinigt so die spezifischen Vorteile des zweiten und des dritten Ausführungsbeispiels miteinander.

Das in Fig. 13 gezeigte fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 dar. Das von dem photoelektronischen Abtastelement 30 erzeugte elektrische Signal wird mittels eines Verstärkers 31 und einer Differenzierschaltung 32 in ein entsprechendes differenziertes Signal umgewandelt. Dieses wird als Eingangssignal einem Spitzendetektor 33 zugeführt, der den Maximalwert des differenzierten Signals während einer Abtastperiode feststellt. Dieser Maximaiwert wird in einer geeigneten Speicherschaltung 34 a gespeichert. Anschließend wird — wie bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel — durch einen Servomotor das Objektiv in Richtung der optischen Achse verschoben und die Bildintensitätsverteilung in einer anderen Position abgetastet. Das entsprechende Abtastsignal wird wieder verstärkt, differenziert, gleichgerichtet und in einer zweiten Speicherschaltung 34 ^> gespeichert. Eine Komparatorschaltung 35 ermittelt den Absolutwert und das Vorzeichen der Differenz zwischen den beiden Speicherwerten. Das Ausgangssignal dieser Komparatorschaltung dient zur Steuerung des Servomotors. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Spannungsdifferenz den Wert Null erreicht und das Kameraobjektiv sich in der korrekten Einstellposition befindet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Differentialquotient der Bildintensitätsverteilung unabhängig von der Ortsfrequenzverteilung des Bildes bei korrekter Scharfeinstellung ein Maximum erreicht. Das angewandte Verfahren erlaubt im Vergleich zu den vorangehend beschriebenen Verfahren eine einfachere Schaltungsstruktur der Detektoren und eine geringere Baugröße.

Abschließend seien die charakteristischen Eigenschaften der fünf Ausführungsbeispiele noch einmal zusammengefaßt:

Das erste Ausführungsbeispiel macht von dem Verfahren der Auswertung einer festen Ortsfrequenz Gebrauch und verwendet eine Speicherschaltung zur Ermittlung der korrekten Einstellposition. Die Anzahl der erforderlichen Bauelemente ist klein. Die Verwendung einer integrierten Schaltung ist möglich, so daß die gesamte Anordnung sehr kompakt ausgeführt sein kann. Die Anordnung kann in einen Kamerakörper eingebaut werden, wodurch sich eine Kamera mit automatischer Scharfeinstellung ergibt, die kleine Abmessungen und geringes Gewicht besitzt. Das zweite Ausführungsbeispiel arbeitet nach dem Verfahren der Auswertung veränderlicher (bzw. einer Vielzahl fester) Ortsfrequenzen und benutzt zur Er-

mittlung der korrekten Einstellposition ebenfalls eine Speicherschaltung. Die Anordnung ist zwar größe; jedoch auch von höherer Genauigkeit und erlaubt eine automatische Scharfeinstellung bei Objekten von nahezu beliebiger Ortsfrequenzverteilung.

Das dritte Ausführungsbeispiel arbeitet wieder mit einer festen Ortsfrequenz und verwendet zur Ermittlung der korrekten Einstellposition einen Phasendetektor. Dies ermöglicht eine analoge Ermittlung der korrekten Einstellposition. Die Anordnung arbeitet deshalb genauer als das erste und das zweite Ausführungsbcispiel.

Das vierte Ausführungsbeispiel arbeitet mit Auswertung einer veränderbaren Ortsfrequenz und benutzt zur Ermittlung der korrekten Einstellposition ebenfalls einen Phasendetektor wie das dritte Ausführungsbeispiel. Es vereinigt deshalb die Vorteile des zweiten und des dritten Ausführungsbeispiels in sich.

Das fünfte Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch besonders einfachen Schaltungsaufbau aus und benötigt dementsprechend eine geringere Anzahl von Bauelementen als die übrigen Ausführungsbeispiele. Es eignet sich deshalb besonders zum Einbau in sehr kompakte Kameras.

Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung durch Ermittlung der Frequenzverteilung des Bilde; mittels Bildabtastung wurde in der Vergangenheil trotz ihrer theoretischen Vorzüge wegen der Größe der erforderlichen Geräte nicht realisiert. Erst die erfindungsgemäße Verwendung des photoelektroni sehen Abtastelementes ermöglicht den Aufbau eine; kleinen handlichen Gerätes mit hervorragender Ge nauigkeit.

Jedes der fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung hat seine speziellen Vorteile und kann je nach der gestellten Anforderungen verwendet werden. Die An Ordnungen, die mit veränderlicher Ortsfrequenz ar beiten, besitzen den speziellen Vorteil, daß sie ein< genaue Fokussierung bei Objekten mit fast beliebige Ortsfrequenzverteilung erlauben, was ihnen einei weiten Anwendungsbereich bei optischen Instrumen ten mit automatischer Fokussierung sichert.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur selbsttätigen Scharfeinstellung (Autofokussierung) für optische Systeme, insbesondere für Objektive in photographischen Kameras, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Bildebene (3) oder in einer äquivalenten Ebene des optischen Systems (1) angeordnetes an sich bekanntes aus einer Vielzahl von in enger Machbarschaft in einer Reihe angeordneten lichtempfindlichen Elementen und einer vorzugsweise mit ihnen integrierten Treiberstufe (6) zu ihrer aufeinanderfolgenden Aktiviei ung bestehendes photnelektronisches Aotastelement (4) zur selbsttätigen und wiederholten Abtastung und zur optoelektrischen Umwandlung der Lichtintensität zumindest eines Teiles des von dem optischen System (1) entworfenen Bildes vorgesehen ist und daß zur Scharfeinstellung Mittel (13, 14) zur Verschiebung des optischen Systems (1) oder der ao Bildebene in Richtung der optischen Achse vorgesehen sind, die durch ein elektrisches Signal steuerbar sind, das aus dem die Kontraständerung in Richtung der optischen Achse kennzeichnenden Ausgangssignal des genannten Abtastelementes (4) abgeleitet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zur Verschiebung des optischen Systems (1) oder der Bildebene eine mit dem Ausgang des photoelektronischen Abtastelementes (4) verbundene Differenzierschaltung (8), ein Hochpaß-Filter (9) sowie eine Detektoischaltung (10) umfaßt und daß zwei Speicherschaltungen (11 a, 11 b) zur alternativen Speicherung der unterschiedlichen relativen Positionen der Bildebene tntsprechenden Ausgangssignale der Detektorschaltung (10) sowie eine Komparatorschaltung (12) zur Ermittlung der Differenz der jeweils gespeicherten Größen und zur Steuerung eines Servomotors (13) zur Verschiebung des optischen Systems (1) bzw. der Bildebene längs der optischen Achse vorgesehen sind (Fi g. 3).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zur Ver-Schiebung des optischen Systems (1) oder der Bildebene eine mit dem Ausgang des photoelektronischen Abtastelementes (4) verbundene Differenzierschaltung (8') umfaßt, deren Ausgang mit einer Mehrzahl von Bandpässen (9Ά, 9'B, 9'C) verbunden ist, deren Durchlaßbereiche gegeneinander abgestuft sind, daß jeder dieser Bandpässe (9'A, 9'B, 9'C) über je eine Detektorschaltung (10Vl₁ lO'ß, 10'C) mit je zwei Speicherschaltungen (WAa, WAb; WBa, WBb; WCa, WCb) zur alternativen Speicherung der unterschiedlichen relativen Positionen der Bildebene entsprechenden Ausgangssignale der einzelnen Detektorschaltungen (10Vi, lO'ß, 10'C) verbunden ist und daß eine der Anzahl der Bandpässe (9'Λ, 9'B, 9'C) entsprechende Zahl von Komparatorschaltungen (12Vl, 12'ß, 12'C) zur Ermittlung der Differenz der jeweils gespeicherten Größen sowie eine mit deren Ausgängen verbundene weitere Komparatorschaltung (12'D) zur Steuerung eines Servomotors (13) zur Verschiebung des optischen Systems (1) bzw. der Bildebene längs der optischen Achse vorgesehen sind (F i g. 7).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem zur Verschiebung des optischen Systems (1) oder der Bildebene Mittel (21), insbesondere eine Schwingvorrichtung (21), zur periodischen Änderung der optischen Weglänge zwischen dem optischen System (J) und dem photoelektronischen Abtastelement (4) sowie eine Differenzierschaltung (23) zur Differenzierung des von dem photoelektronischen Abtastelement (4) abgegebenen Ausgangssignal umfaßt und daß Filterschaltungen (z. B. ein Hochpaß-Filter 24, F i g. 9) oder eine Mehrzahl von Bandpässen (24Vl, 24'ß, 24'C) mit gegeneinander abgestuften Durchlaßbereichen (Fig. 12) sowie eine der Anzahl der Filterschaltungen entsprechende Zahl von Phasendetektoren (25 bzw. 25Vl, 25'ß, 25'C) vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zur Verschiebung des optischen Systems (1) oder der Bildebene eine mit dem Ausgang des photoelektronischen Abtastelementes (4) verbundene Differenzierschaltung (32) sowie einen Spitzengleichrichter zur Ermittlung des Maximalwertes der während einer Abtastperiode von der Differenzierschaltung abgegebenen Signals umfaßt und daß zwei Speicherschaltungen (34 a, 34 b) zur alternativen Speicherung der unterschiedlichen relativen Positionen der Bildebene entsprechenden Ausgangssignale der Spitzengleichrichterschaltung (33) sowie eine Komparatorschaltung (35) zur Ermittlung der Differenz der jeweils gespeicherten Größen und zur Steuerung eines Servomotors (13) zur Verschiebung des optischen Systems (1) bzw. der Bildebene längs der optischen Achse vorgesehen sind (F i g. 13).