DE2457361A1

DE2457361A1 - Photoelektrisches element zur erfassung der bildschaerfe in der bildebene eines objektivs

Info

Publication number: DE2457361A1
Application number: DE19742457361
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nanba
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1973-12-29
Filing date: 1974-12-04
Publication date: 1975-07-10
Also published as: US3938894A; JPS5099541A

Description

HOFFMANN & EITI J? · PATENTANWÄLTE Z H D / »5 D I

D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUASTRASSE 4 (STERNHAUS) · TELEHON (089) 9110u7 · TELEX 05-29619 (PATHE)

Minolta Camera Kabushiki Kaisha, Osaka / Japan

Photoelektrisches Element zur Erfassung der Bildschärfe in der Bildebene eines Objektivs

Die Erfindung betrifft eine photoelektrisches Element zur Erfassung der Bildschärfe in der Bildebene eines Objektivs, insbesondere für eine automatische Entfernungseinstellvorrichtung eines optischen Instruments, beispielsweise einer Kamera.Zur automatischen Schärfeneinstellung ist es bekannt, in der zu fokussierenden Ebene eines Objektivs eine zu der optischen Achse senkrechte Abtastplatte mit Schlitzen oder Löchern zur Abtastung des Bildes zu drehen oder hin- und herzubewegen, wobei das durch die Schlitze bzw. Löcher hindurchtretende Licht durch fest angeordnete Photo-Dioden aufgefangen werden. Diese erzeugen ein

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elektrisches Signal, deren Hochfrequenz-Anteil als Steuersignal für eine automatische Fokussiereinrichtung benutzt wird. Die Abtastplatte und der Antrieb für diese erfordert beträchtlichen Raum, so daß die" bekannte Anordnung bei einer Kamera, die kompakt und leicht sein soll, nicht anwendbar ist. Ferner verbraucht die bekannte Anordnung, insbesondere ihr Antrieb, eine beträchtliche elektrische Leistung.

Gemäß einer weiteren Möglichkeit wird das lichtempfangende Element selbst als Abtaster hin- und herbewegt. Nach dem US-Patent 3 830 571, angemeldet am 19. Dezember 1972, wird ein mit Schlitzen versehener Photoleiter in' der Schärfeebene hin- und herbewegt. Jedoch steigt mit der Zahl der Schlitze oder Öffnungen die Zahlder Ausgangsanschlüsse des Elements entsprechend mit der Folge, daß die Zahl der mit dem Element verbundenen Schaltkreise ebenfalls zunimmt. Zusätzlich nimmt die Ansprechfähigkeit des Photoleiters auf dunkles Licht ab, so daß eine Abtastung bei größeren Oszillations-Geschwindigkeiten nicht mehr möglich ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine photoelektrisches Element zur Erfassung der Bildschärfe zu schaffen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.

Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll ein Element geschaffen werden, das sehr kompakt baut.

Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll die Zahl der Ausgangsanschlüsse des Elements möglichst gering sein, so daß es leicht anschließbar ist.

Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll ein Element geschaffen werden, welches zur Abtastung in der Brennpunktbezugsebene mit möglichst geringem Hub hin- und herbewegbar ist, so

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daß sowohl der erforderliche Raum für die Bewegung verkleinert als auch die erforderliche Energie erniedrigt werden kann.

Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll das Element eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit bei dunklem Licht haben.

Dies wird durch die in den Ansprüchen charakterisierte Erfindung gelöst.

Gemäß der Erfindung weist danach das photoelektrische Element zur Erfassung der Bildschärfe in der Bildebene eines Objektivs mindestens zwei sich parallel zueinander erstreckende Photo-Dioden auf, die jeweils eine Lichtauffangsoberflache aufweisen, die in mehrere in ErStreckungsrichtung der Photo-Diode in Abstand voneinander befindliche Flächen aufgeteilt ist, wobei die Flächen der zwei Photo-Dioden schachbrettartig angeordnet sind. Dieses Element ist in Erstreckungsrichtung der Photo-Dioden hin- und herbeweglich, um das in der Bildebene des Objektivs erzeugte Bild abzutasten.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen photoelektrischen Elements werden nun im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen.

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels ,

Fig. 3 eine Darstellung der Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels,

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Fig. 4 ein Beispiel eines Schaltkreise für das erste Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Ausgangssignals bei einer Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig. 7 eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, in welchem das photoelektrische Element zwei Photo-Dioden ID 1 und PD2 umfaßt, die in der Brennpunkt-Bezugsebene des Objektivs 1 angeordnet sind. Die Photo-Dioden PD1 und PD2 sind parallel zueinander auf einer Isolations-Grundplatte 1 angeordnet. Die Lichtauffangsoberflächen der zwei Photo-Dioden PD.1 und PD2 sind jeweils in mehrere im Abstand voneinander befindliche Flächen aufgeteilt, wobei die Flächen der einen Photo-Diode in bezug auf die Flächen der anderen Photo-Diode gestaffelt sind.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des photoelektrischen Elements nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Mit 2 ist eine Halbleiter-Grundplatte bezeichnet, die auf der Isolations-Grundplatte 1 angeordnet ist. Die Halbleiter-Grundplatte ist z.B. ein n-Halbleiter. Mit 3 und 4 sind Halbleiter bezeichnet, die die Lichtauffangsoberflächen der zwei Photo-Dioden darstellen und im geschilderten Fall p~ Halbleiter sind. Selbstverständlich kann die Charakteristik der Halbleiter auch umgekehrt sein. Die Halbleiter 3 und 4 stellen aufgrund ihres Kontakts mit der Halbleiter-Grundplatte 2 die erwähnten unabhängigen Photo-Dioden PD.1 und PD2 dar und sind mit Ausgangsanschlüssen A1 und A2 verbunden. Die Halbleiter-Grundplatte 2 ist mit einem Ausgangsanschluß A3 verbunden.

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Eine Maske 5 we"ist ein Schachbrettmuster auf, das aus transparenten Flächen ai, bi, wobei i eine vorgegebene Anzahl repräsentiert, und opaquenFlächen c besteht. Die obere Reihe A., welche aus den Flächen ai und c besteht, bedeckt die Lichtauffangsoberfläche 3, während die untere Reihe B, welche aus den Flächen bi und c besteht, die Lichtauffangsoberfläche 4 abdeckt, wodurch die Lichtauffangsoberflachen der Photo-Dioden FD1 und PD2 in Flächen aufgeteilt werden, die gestaffelt zueinander sind.

Die Photo-Dioden und die Maske werden in der I.C.-Schalttechnik hergestellt. Die Halbleiter 3 und 4 sollten vorzugsweise so nahe wie möglich zueinander angeordnet sein. Die Breite t der Halbleiter 3, 4 sollte einige hundert Microns sein, die Breite d der schachbrettartigen Flächen einige, zehn Microns. Die Breite d kann von der Raumfrequenz, die das durch das Objektiv erzeugte Bild aufweist, abgeleitet werden. Jedoch ergeben sich aufgrund der I.C.-Schalttechnik oder dem SN-Verhältnis bestimmte, Begrenzungen.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise des beschriebenen photoelektrischen Elements, wobei die Änderung der Helligkeit in bezug auf die Lage auf den Photo-Dioden ED1 und PD2 gezeigt ist. Gemäß der Dar-, stellung fällt dunkles Licht durch die transparente Fläche a2 der Maske 5 auf den Halbleiter 3, während helles Licht durch die transparente Fläche b2 der Maske 5 auf den Halbleiter 4 fällt, wie durch die Linie 6 in Fig. 3 gezeigt. Licht gleicher Helligkeit fällt durch die verbleibenden transparenten Flächen. Es wird nun angenommen, daß die Ladewiderstände R1 und R2, die, wie in Fig. 4 gezeigt, mit den Photo-Dioden PD1 und PD2 verbunden sind, einen gleichen Widerstandswert aufweisen. Da gemäß Fig. 3 der Halbleiter 4 mehr Licht empfängt als der Halbleiter 3, erzeugt die Photo-Diode FD2 einen höheren Photostrom, wodurch ein größeres Potential über den Enden des Widerstands R2 als über

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den Enden des Widerstands R1 entsteht. Aufgrund dessen ergibt sich über den Anschlüssen P und Q eine Spannung entsprechend der Differenz der Potentiale. Falls demgegenüber die Helligkeitsverteilung auf der Lichtauffangsoberfläche des Elements aufgrund einer Defokussierung entsprechend der gestrichelten Linie 7 ist, erniedrigt sich die Spannung über den Anschlüssen P und Q. Aufgrund dessen kann die Bildschärfen-Erfassung durch den Maximalwert der Differenz der Spannungen zwischen A1/A3 und A2/A3 erzielt werden. Das Element kann zwar auch in stationärer Stellung verwendet werden, jedoch ist es zur Erzielung eines stabilen und übereinstimmenden Ausgangssignal besser, das Element parallel zur Längserstreckung der Halbleiter 3, 4 oszillieren zu lassen, wie in,.Fig. 1 durch den Pfeil A¹ gezeigt. Wenn das Element um einen Betrag d parallel zur Lichtauffangsoberfläche verschoben wird, wird die Lichteinfalls-Bedingung auf die Halbleiter 3, 4 zu derjenigen in Fig. 3 gezeigten umgekehrt, so daß die Spannung, die über den Anschlüssen P und Q erzeugt ist, eine umgekehrte Polarität zu der in dem vorstehend geschilderten Fall hat. Wenn zusätzlich das Element mit einer Amplitude d/2 hin- und herbewegt wird, ergibt sich über den Anschlüssen P und Q eine Ausgangswechselspannung, wie in Fig. 5 gezeigt. Als Ergebnis wird durch die Bestimmung des Maximalwerts der Amplitude der Ausgangswechselspannung eine weitere Stabilisierung und Verbesserung der Schärfen-Feststellung erzielt.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist die Verteilung der Helligkeit eines Bilds über der Lichtauffangsoberfläche so getroffen, daß sie zur Erfassung geeignet ist. Jedoch ergibt sich eine derartige Bedingung normalerweise bei einem photographischen Objekt, da dieses aus einem Kontrast von Licht und Schatten besteht, so daß ein Raumfrequenz-Anteil an der Grenze des Kontrasts sich ergibt, wie im oberen Teil der Fig. 3 gezeigt. Demgemäß ist es grundsätzlich möglich, daß die Fokussierung durch Erfassung der Größe der Ausgangswechselspannung über den Anschlüssen P und Q erreicht werden kann, wobei eine maximale Ausgangswechselspannung

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durch Oszillieren des Elements erzielbar ist.

Z.B. kann zur Hin- und Herbewegung des beschriebenen photoelektrischen Elements ein Piezo-elektrisches Element verwendet werden. Schaltkreise zur Weiterverarbeitung des Ausgangssignals der Anschlüsse P und Q sind bekannt.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Nach diesem sind mehrere Halbleiter 8a, 8'a, 8"a, 9a, 9'a und 9"a derselben Größe, nämlich der Höhe t und der Breite d, vorgesehen, die auf der Halbleiter-Grundplatte versetzt zueinander angeordnet sind. Die in Reihe und in Abstand zueinander angeordneten Halbleiter 8a,8'a und 8"a sind mittels Leitungen 8b und 8'b verbunden, während die zweite Reihe der Halbleiter 9a, 9'a und 9"a durch die Leitungen 9b und 9'b verbunden sind. Die zwei Reihen der Halbleiter sind jeweils mit einem Ausgangsanschluß A1 bzw. A2 verbunden. Aufgrund dieser Anordnung kann die Maske 5 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entfallen.

Fig. 7 zeigt Modifikationen der zwei beschriebenen Ausführungsbeispiele im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel. Danach sind neben den zwei Halbleitern 3 und 4 zwei weitere Halbleiter 10 und 11 auf der Halbleiter-Grundplatte 2 angeordnet. Die Maske 12 ist in bezug auf die Maske 5 des ersten Ausführungsbeispiels zusätzlich zu den Reihen A und B mit den Reihen C und D, bestehend aus abwechselnd transparenten und opaquen Flächen, versehen. Die Reihen C und D sind den Halbleitern 10 und 11 zugeordnet. Selbstverständlich ist es denkbar, noch zwei weitere zusammenarbeitende Halbleiter auf der Halbleiter-Grundplatte 2 anzuordnen und entsprechend auf der Maske zwei weitere Reihe transparenter und opaquer Flächen vorzusehen. Gemäß Fig. 7 sind die zusätzlichen Halbleiter 10 und 11 mit den Ausgangsanschlüssen A4 und A5 verbunden. Mit diesem Ausführungsbeispiel kann ein größerer Bereich der

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Brennpunktbezugsebene erfaßt werden, um sowohl die Schärfenerfassung zu verbessern als auch eine genaue Anordnung mehrerer Paare von Lichtauffangsoberflächen in derselben Ebene aufgrund der Anwendung einer gemeinsamen Halbleiter-Grundplatte zu erzielen.

Das beschriebene photoelektrische Element zur Erfassung der Bildschärfe in der Bildebene eines Objektivs kann nicht nur mit einer automatischen Entfernungseinstellung einer Kamera zur Anwendung gelangen, sondern auch für die Messung der OTF eines Objektivs.

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Claims

Patentansprüche

1. Photoelektrisches Element zur Erfassung der Bildschärfe in der Bildebene eines Objektivs, dadurch gekennzeichnet , daß das Element mindestens zwei sich parallel zueinander erstreckende Photo-Dioden" (PD1, PD2) umfaßt, die jeweils eine Lichtauffangsoberflache (3, 4) aufweisen, die in mehrere in ErStreckungsrichtung der Photo-Diode in Abstand voneinander befindliche Flächen (ai, bi; 8a, 8'a, 9a, 9'a) aufgeteilt ist,und daß die Flächen der einen Photo-Diode zu den Flächen der anderen Photo-Diode versetzt sind.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit schachbrettartig angeordneten Durchbrechungen (ai, bi) versehene Maske (5) vorgesehen ist und daß hinter der einen Reihe (ai) der Durchbrechungen eine erste, sich mit ihrer Lichtauffangsoberflache (3) längs der Reihe erstreckende Photo-Diode und hinter der anderen Reihe (bi) der Durchbrechungen eine zweite, sich mit ihrer Lichtauffangsoberfläche (4) zu der Reihe erstreckende Photo-Diode angeordnet sind (Fig. 2).

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Maske (12) mehrere Sätze von Photo-Dioden (2,3; 10, 11) angeordnet sind (Fig. 7)

4. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eineHalbleiter-Grundplatte (2) mit einem ersten Ausgangsanschluß (A₃) vorgesehen ist, auf dem zur Bildung der zwei Lichtauffangsoberflachen zwei im Abstand zueinander.befindliche Halbleiter (3, 4) mit einem zweiten bzw. dritten Ausgangsanschluß (A^ bzw. A₂) angeordnet sind (Fig. 2)

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5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-, net, daß eine Halbleiter-Grundplatte mit einem ersten Ausgangsanschluß (A₃) vorgesehen ist, auf dem mehrere Halbleiter (8a, 8'a, 8"a, 9a, 9'a, 9"a) schachbrettartig angeordnet sind, wobei jeweils die Halbleiter einer Reihe (8a, 8'a, 8"a/ 9a, 9'a, 9"a) elektrisch miteinander verbunden sind, die Lichtauffangsoberflache einer Photo-Diode bilden und einen zweiten bzw. dritten Ausgangsanschluß (A. bzw. A₃) aufweisen (Fig. 6).

6. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß es parallel zur Bildebene und in Erstreckungrichtung der Photo-Dioden hin- und herbeweglich angeordnet ist.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsweg dem Abstand (d) zwischen zwei benachbarten Flächen der Lichtauffangsoberflache einer Photo-Diode entspricht.

8. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiter-Grundplatte (2) auf einer Isolations-Grundplatte (1) angeordnet ist.

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