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Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage einer Schärfenebene
eines Bildes Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung
der Lage mindestens einer Schärfenebene eines Bildes innerhalb eines optischen Gerätes
mit einer Optik zur Abbildung mindestens eines Objektes auf mindestens ein Ortsfrequenzfilter
eines Bildkorrelators und mit einer MeBwertanzeige der durch das Ortsfrequenzfilter
gefilterten Lichtflüsse.
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Einrichtungen dieser Art werden zur Lagebestimmung der Schärfenebene
eines von einem optischen Gerät entworfenen Bildes nicht mit visuellen Methoden,
sondern mit lichtelektrischen Mitteln verwendet.
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Es sind dazu Einrichtungen mit elektrischen Korrelatoren bekannt,
bei denen die vom angemessenen Objekt aufgenommenen Teilstrahlenbündel entweder
gleichzeitig je einem fotoelektrischen Empfänger oder mittels eines optischen Choppers
abwechselnd einem gemeinsamen fotoelektrischen Empfänger zugeführt werden, der (die)
in Streifen unterteilt und dem (denen) Mittel zum Vergleich der durch die Teilstrahlenbündel
in den einzelnen Streifen erzeugten elektrischen Signale sowie ein Anzeigeinstrument
zur Anzeige des Vergleichsergebnisses nachgeschaltet ist (sind).
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besohreibt die DT-PS 1 263
325 eine Einrichtung, in welcher die Ausgänge der einzelnen Streifen der fotoelektrischen
Empfänger mit einer
einzigen gemeinsamen Differen zs chal tung verbunden
sind, we 1-oher ein Anzeigeinstrument dergestalt nachgeschaltet ist, daß die Summe
der Absolutwerte der von einander entsprechenden Streifen erzeugten Differenzsignale
angezeigt wird.
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Die mit einer solchen Einrichtung erreichbaren Meßergebnisse sind
beachtlich, reichen aber bei kleinen Beleuchtungsstärken und geringen Kontrasten
nicht aus. Für deren befriedigende Auswertung zur Entfernungsfeststellung sind minde
-stens 50 Streifen (50 Bildpunkte) notwendig. Die herstellung derartiger Diodenzeilen
erfordert selbst beim heutigen Stand der Halbleitertechnologie einen erheblichen
Aufwand, der die Verwendung einer derartigen Diodenanordnung in optischen Geräten,
wie z.B. in einer fotografischen Kamera, wenig vorteilhaft erscheinen läßt.
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Es sind auch Verfahren zur Scharfstellung von durch optische Systeme
entworfenen Bildern bekannt, bei denen in schneller Reihenfolge die Hell- und Dunkelflächen
von rasterförmigen Tes tob jekten lichtelektrischen Wandlern zugeführt werden, an
deren Ausgang aufgrund der wechselnden Lichtbeaufschlagung trapezförmige Stromimpulse
entstehen, die ein Maß für die Scharfeinstellung darstellen (DT-PS 927 239, DT-PS
961 767).
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Diese Verfahren sind aber insofern nachteilig, als nur speziell präparierte
Testobjekte scharf eingestellt werden können, die mechanisch schnell bewegt werden
und sich darüber hinaus am Ort des zu messenden Objektes befinden müssen.
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Ein im DRP 742 220 beschriebenes Verfahren untersucht die Scharfstellung
von abbildenden optischen Systemen mittels Autokollimation. Das von einer Lichtquelle
ausgestrahlte Licht wird durch das einzustellende optische System auf eine
lichtelektrische
Zelle geleitet. Bei Deckung zweier Testabbildungen auf der Zelle entsteht ein Maximum
oder Minimum des Fotozellenstromeso Dieser dient als Kriterium der Einstellung.
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Nachteilig ist auch bei diesem Verfahren die Notwendigkeit von vorpräparierten
und vorinstallierten Testobjekten.
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Ferner ist eine Einrichtung zum Scharfeinstellen optischer Systeme
bekannte bei der das ein optisches System durchsetzende Lichtbündel durch optische
Mittel in zwei Teile zerlegt wird und eine relativ zum System verschiebbare ouaultgscRe
Schneide, fotoelektrisch gesteuert, diejenige Stelle auSsuchts in welcher die Schneide
die Helligkeit der beiden Teile in gleichem Verhältnis beeinflußt (DT-PS 1 103 050).
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Wegen inhomogener Helligkeitsverteilung kann dieses Verfahren bei
Bildkorrelation beliebiger Objektstrukturen aber kaum Verwendung finden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
fotoelektrischen Bestimmung der Lage eines Bildes anzugeben, welche die Nachteile
der bekannten Einrichtungen dadurch überwindet, daß sie auch bei schwächerem Licht
und geringerem Kontrast Fotoströme erzeugt, die für die Lagebestimmung auswertbar
sind, und welche sicb außerdem durch geringen Aufwand auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung
der eingangs genannten Art zur Aufnahme der durch optische Bauelemente gebündelten
Lichtflüsse mindestens ein fotoelektrisches Empfängersystem enthält, welches
aus
mindestens einer Zeile einzelner Empfänger besteht, und daß elektrische Mittel zur
paarweisen Abfrage der fotoelektrischen Empfänger sowie zur Auswertung der bei der
Abfrage entstehenden fotoelektrischen Signale vorhanden sind.
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Es erweist sich dabei als Vorteil, daß als Ortsfrequenzfilter ein
schwingendes Raster verwendet ist und daß die Einrichtung mindestens zwei fotoelektrische
Empfängersysteme aufweist, denen diametrale Partien der abbildenden Optik durchlaufende,
durch das Ortsfrequenzfilter gemeinsam modulierte und aufgespaltene Lichtflüsse
zugeführt werden.
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Ferner ist die Erfindung gekennzeichnet durch Mittel zur aufeinanderfolgenden
Abfrage homologer Empfängerpaare aus beiden Empfängerzeilen und einen Differenzverstärker
sowie einen nachgeschalteten Gleichrichter, welche aus den aus der Abfrage der Empfängerzeilen
resultierenden Signalpaaren ein der Summe der Beträge der Differenzen zwisohen den
Signalen je eines Signalpaares proportionales Anzeigesignal bilden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als
Abfragemittel mindestens ein von einem Generator getaktetes Schieberegister vorgesehen
ist.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht als Ortsfrequenzfilter
eine Fotodiodenzeile vor, bei welcher die geradzahligen und ungeradzahligen Dioden
jeweils auf eine getrennte Signalleitung geschaltet sind und bei welcher ein Schieberegister
huber Schalttransistorenpaare mit paarweise gemeinsamer Basis einander benachbarte
Dioden als Paare nachqinander abfragt. Ferner ist vorgesehen, daß elektrische Bausteine
vorhanden sind, welche die Signale
aus den beiden Signalleitungen
zu einem Anzeigesignal verarbeiten, das der Summe der Beträge der Differenzen zwischen
den Signalen je eines Signalpaares proportional ist.
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Es wird ferner vorgesohlagen, daß zwei mindestens je eine Empfängerzeile
aufweisende Fotoempfängersysteme vorgesehen sind, daß diesen Fotoempfängersystemen
zwei Schieberegister zugeordnet sind und daß ein beide Schieberegister gleichzeitig
steuernder Taktgenerator vorhanden ist.
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Bei Verwendung einer selbstabtastenden Fotodiodenzeile zur Fokussierung
wird man aus Kostengründen solche Meßverfahren bevorzugen, die nur eine solche Zeile
benötigen. Dabei kann von dem bekannten Prinzip ausgegangen werden, daß die beste
Scharfstellung erreicht ist, wenn dicht benachbarte Bildpunkte maximale Beleuchtungsstärkendifferenzen
aufweisen.
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Mit der erfindungsgemäß beschriebenen imbination von optischem mit
elektrischem Korrelationsprinzip wird eine Leistungsverbesserung bei Einrichtungen
zur fotoelektrisohen Bestimmung der Lage einer Sohärfenebene eines Bildes vor allem
bei schwächeren Beleuchtungsstärken und geringen Entrasten ohne nennenswerten Mehraufwand
erreicht. Außerdem erlaubt die Verwendung des schwingenden Rasters eine gröbere
Unterteilung der Diodenzeilen. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß die Auslösohung
von Teilströmen, wie sie in den bekannten optischen Anordnungen auftritt, wesentlich
herabgesetzt wird.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungs beispielen
dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Einrichtung in einer Spiegelreflexkamera,
Fig. 2 Prinzipschaltbild
einer selbstabtastenden Fotodiodenzeile, Fig. 3 das Schema einer Auswerteschaltung
gemäß Fig. 1, Fig. 4 die schematische Darstellung der Einrichtung mit Schwinggitter
für eine Spiegelreflexkamera, Fig. 5 eine äquivalente, schematische Darstellung
der Einrichtung für eine Kamera mit Basisentfernungsmesser und Fig. 6 die schematische
Darstellung der Einrichtung mit einem Schwarz-Weiß-Raster und einem fotoelektrischen
Empfänger.
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In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein fotografisches Aufnahmeobjektiv
einer nicht weiter dargestellten einäugigen Spiegelreflexkamera bezeichnet, welches
das aufzunehmende Objekt auf oino zur Lage der Sucher- bzw. Bildebene konjugiert
angeordnete Sucherscheibe 2 abbildet. Die den mittleren unmattierten Teil der Scheibe
2 verlassenden Lichtflüsse werden mit Hilfe von Linsen 3 und 4 Diodenzeilen 5 und
6 zugeführt, wobei zum Bildaufbau von Teilbildern 7 und 8 diametrale Teilaperturen
9 und 10 des Objektivsrangezogen werden. Ist der aufzunehmende Gegenstand scharf
auf die Sucherscheibe 2 bzw. auf den Film abgebildet, dann erhalten korrespondierende
Einzeldioden beider Diodenzeilen 5 und 6 gleiches Licht aus den Teilbildern 7 und
8. Bei Defokussierung verschieben sich die Teilbilder 7 und 8, so daß die einzelnen
korrespondierenden Zeilenelemente mit ungleichen Lichtanteilen beaufschlagt werden.
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Die in Fig. 3 im Schema dargestellte Auswerteschaltung enthält Diodenzeilen
5 und 6, die in an sich bekannter Weise selbstabtastende Zeilen sind und die daher
je eine Schaltmatrix sowie je ein Schieberegister 16, 17 besitzen,
ferner
einen gemeinsamen Taktgenerator 25, einen Differenzverstärker 26, einen Gleiohrichter
27 und ein Anzeigeinstrument 28.
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Die in die Diodenzeilen 5 und 6 integrierten Schieberegister 16, 17
schalten die nicht weiter dargestellten Dioden der Zeilen 5 und 6 nacheinander zu
deren Ausgang durch.
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Bei Abfragung der n-ten Diode der Zeile 5 wird gleichzeitig die n-te
Diode der Zeile 6 abgefragt. Die beiden Ausgänge der Zeilen 5 und 6 werden dem Differenzverstärker
26 derart zugeführt, daß eine Spannung entsteht, welche der Differenz der jeweiligen
Fotoströme entspricht.
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Solange die beiden Diodenzeilen 5 und 6 nicht in allen ihren Einzeldioden
gleich beaufschlagt sind, also im Falle der Defokussierung, liefert während der
Abtastung ddr Differenzverstärker 26 (Fig. 3) Differenzimpulse, die während des
Abtastdurchlaufes beliebige Vorzeichen haben können.
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Durch den Doppelweggleichrichter 2t werden die Differenzen dem mittelwertbildenden
Anzeigegerät 28 vorzeichenunabhängig, d.h. also nur mit ein und derselben Polarität
zugeführt, so daß Auslöschungen von Differenzen verschiedenen Vorzeichens vermieden
werden. Das Anzeigeinstrument zeigt also bei Fokussierung den Wert Null bzw. einen
Minimalausschlag.
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Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 und 3 enthält die Anordnung
nach Fig. 2 nur eine Diodenzeile, die in einer zum Sucher bzw. zur Filmebene konjugiert
angeordneten Ebene liegt. Das Schieberegister 16' ist mit Dioden 11, 12, 13, 14,
15von und zugehörigen Schalttransistoren 18, 19, 20, 21, 22... so verschaltet, daß
immer zwei benachbarte Dioden (11 und 12, 13 und 14,...n) gleichzeitig abgefragt
werden. Die entstehenden Fotostromimpulse werden durch einen Differenzverstärker
26' voneinander subtrahiert.
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Durch einen Doppelweggleichrichter, bestehend aus Dioden 51 und <2
in verbindung mit einem Invertierer 53, werden die Differenzimpulse vorzeichenunabhängig
einem Anzeigeteil 28 zugeführt. Im Gegensatz zur Anordnung zur Fig. 1 bis 3 wird
bei Scharfstellung ein Maximum des Ausschlages erreicht, da in diesem Falle die
benachbarten Dioden die größten Beleuchtungsunterschiede aufweisen, d.h. der Kontrast
maximal wird.
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Die Figo 4 zeigt ein mit einem schwingenden Raster kombiniertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Einrichtung in einer 3inäugigen Spiegelreflexkamera.
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In dieser wie in allen weiteren Darstellungen sind die Bauelemente,
die denen der vorangegangenen Figuren entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen wiersohen,
In bekannter Weise wird das scharfzustellende Objekt durch das fotografische Objektiv
1 auf ein durch einen Antrieb 46 in den Pfeilrichtungen zum Schwingen gebrachtes
Raster 29 abgebildet. Uber eine Feldlinse 30 und die Linsen 3 und 4 werden unter
Benutzung der Teilaperturbereiche 9 und 10 des Objektivs 1 zwei getrennte Bilder
des zu fokussierenden Gegenstandes entworfen. Im Bereich der beiden Bilder befinden
sich fotoelektrische Empfängersysteme 31 und 32, welche je mehrere Empfänger 31a
bis 31c bzw. 32a bis 32c aufweisen.
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Den Systemen 33 und 32 nachgeschaltete Verstärker 33 bis 35 bilden
die Differenz aus den Fotoströmen der Empfänger 31a und 32a sowie entsprechend aus
den korrespondierenden Empfängern 31b,-32b und 32c und 32c, Auf die Verstärker 33
bis 35 folgende Gleichrichter 36 bis
38 erzielen eine einheitliche
Polarität der Differenzströme, die in einem Summierglied 29 nach der Formel
28) summiert und dann dem Anzeigeinstrumenttzugetunrt werten.
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Eine exakte Fokussierung des anzumessenden Gegenstandes ist dann erreicht,
wenn das Anzeigeinstrument 28 eine Null-oder Minimumanzeige ausweist Die Fig 5 stellt
schematisch eine der Fig. 4 äquivalente Einrichtung für eine fotografische Kamera
mit Basisentfernungsmesser dar. Hierbei wird der anzumessende Gegenstand vom Sucherstrahlengang
40 und vom durch Spiegel 42 und 43 ab- bzw. umlenkbaren Heßstrahlengang 41 über
die Objektive 1a und ib auf Raster 29a und 29b abgebildet. Feldlinsen 30a und 30b
sowie die Linsen 3 und 4 entwerfen von den Rastermitten Bilder, in deren Bereichen
die Empfängersysteme 31 und 32 liegen. Der weitere Ablauf des Meßvorganges erfolgt
dann, wie unter Fig. 4 beschrieben.
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Es versteht sich, daß die Anordnung nach Fig. 4 auoh erweitert werden
kann, in der Weise, daß anstelle des Amplitudenrasters 29 ein Prismenfurchenrastor
verwendet wird, wobei statt zweier Fotodiodenzeilen 31 und 32 zwei weitere Diodenzeilen
angeordnet werden und so eine optische Gegentakteinrichtung verwendet wird, wie
dies bereits vorgeschlagen wurde Im Gegensatz zur Fig. 4 zeigt die Fig. 6 eine im
optischen Teil vereinfachte Anordnung, Sie entspricht im Prinzip dem einfachsten
Gitterkorrelator mit einem Sohwarz-Weiß-Raster und e i n e m fotoelektrischen Empfänger.
Das fotografische Objektiv 1 bildet in bekannter Weise das scharf-
zustellende
Objekt auf ein durch den Antrieb 46 zum Sohwingen gebrachtes Schwarz-Weiß-Raster
29 ab. Über die Feldlinse 30 und eine Linse 3t worden unter Ausnutzung der Teilaperturbereiche
des Objektivs 1 auf einen einzigen in IZ-näle a, b,und c unterteilten Fotoempfänger
311 Bilder des zu fokussierenden Gegenstandes entworfen. Infolge der Unterteilung
des Bildbereiches durch entsprechende Unterteilung des Fotoempfängers 31' und nebst
den dazugehörigen Informab tionskanälen a, b, c wird ein bedeutend größeres und
sicheres Fehlersignal geliefert Entsprechend der Unterteilung wird die Bandbreite
des Ortsfrequenzfilters vergrößert und di Gefahr von Auslöschungen der Signalanteile
der einzelnen Bildbereiche verringert. Den Verstärkern 33, 34, 35 sind je ein Filter
63, 64, 65 nachgeschaltet, die beispielsweise die Schwingfrequenzen des Oszillators
46 und gegebenenfalls Oberwellen davon durchgelassen. Die Gleichrichter 36, 37,
38 liefern wiederum phasen- bzw. vorzeichenunabhängige Signale, die durch den Summator
39 der Anzeigeeinheit 28 zugeführt werden. Bei erfolgter Fokussierung liefert dies
ein Maximum.