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Automatischer EntSernungsmesser für optische Systeme.
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Die Erfindung betrifft einen automatischen Entfernungsmesser für optische
Systeme, mit einem in Abhängigkeit vom Meßwert selbsttätig verstellbaren Stellglied.
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Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser ist insbesondere für Foto-,
Film- und Fernsehkameras geeignet. Jedoch sind auch
andere Anwendungsfälle
möglich, bei denen es auf die Einstellung eines optischen Systems in Abhängigkeit
von der Obåekt- oder Bildweite ankommt, wie beispielsweise bei Proåektionsgeräten.
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Es ist bereits bekannt, selbsttätige Entfernungsmessungen durchzufihren,
indem die Bildschärfe eines vom optischen System oder einem optischen Hilfssystem
projizierten Bildes durch Fotozellen bestimmt und das optische System solange verstellt
wird, bis in der Bildebene die maximale Bildscharfe vorliegt.
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Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die zur Einstellung
des optischen Systems zu messende Entfernung über eine Schall-Laufzeitmessung zu
bestimmen, wobei zu dem vom optischen System abzubildenden Objekt ein Schallimpuls
ausgesendet wird, der von dem Objekt reflektiert und von einem Schall empfänger
aufgefangen wird. Die halbe, zwischen dem Aussenden und Empfangen des Signals verstreichende
Zeitspanne ergibt dann in Abhängigkeit von der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Schalls ein Maß für die Entfernung des vom optischen System abzubildenden Objektes
und damit einen Stellwert für die
Einstellung des optischen Systems.
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Demgemäß ist der automatische Entfernungsmesser für optische Systeme
erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Schall sender mit diesem zugeordnetem
Schallempfänger und eine in Abhängigkeit vom Einschalten des Senders und Ansprechen
des Empfängers gesteuerte Laufzeitmeßeinrichtung, von welcher das zu verstellende
Stellglied gesteuert ist.
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Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser kann ein gesondertes Gerät
sein, wobei das Stellglied beispielsweise ein den Meßwert auf einer Skala angebender
Zeiger ist. Bevorzugt wird jedoch der erfindungsgemäße Entfernungsmesser unmittelbar
mit dem einzustellenden optischen System gekuppelt, wobei dann das Stellglied die
Verstellbewegung des optischen Systems unmittelbar steuert.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Schall sender und der zugeordnete
Schallempfänger arbeiten-vorzugsweise im Ultraschallbereich. Möglicherweise ist
jedoch auch der Hyperschallbereich geeignet. Auch können der Schallsender und der
Schallempfänger im oberen Teil des Hörschallbereichs arbeiten.
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Für den erfindungsgemäßen Anwendungszweck geeignete Schall sender
und Schallempfänger sind an sich bekannt.
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Bevorzugt werden hier piezoelektrische oder auch magnetostriktive
Schall sender und -empfänger. Wenngleich es möglich erscheint, durch den Schallsender
einen Langzeitimpuls auszusenden, mit dessen Beginn die Laufzeitmessung einsetzt,
welche mit dem Beginn des Ansprechens des Empfängers auf das Echo endet, werden
Kurzzeitimpulse bevorzugt.
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Die Laufzeitmessung beginnt bei dem erfindungsgemäßen Entfernungsmesser
mit dem Einschalten des Senders und endet mit dem ersten Ansprechen des Empfängers.
Hierbei ist jedoch ggf. der Abstand des Senders und des Empfängers vom Brennpunkt
des optischen Systems zu berücksichtigen, beispielsweise durch die entsp'rechende
Wahl eines von Null verschiedenen Anfangswertes für die Laufzeitmessung.
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Möglich sind auch Zeitverzögerungsglieder, durch welche die laufzeitmeßeinrichtung
gegenüber dem Einschalten des Senders und/oder dem Ansprechen des Empfängers um
eine entsprechende Zeitspanne vor- oder nachläuft. Derartige Maßnahmen sind hingegen
nicht erforderlich, wenn eine Versetzung des Senders bzw. Empfängers gegenüber der
Bezugsebene
des optischen Systems, auf welche die Entfernungsmessung bezogen werden soll, ausreichend
gering ist, daß sie durch die jeweiligen Tiefenschärfebereiche des optischen Systems
kompensiert wird.
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Als für den erfindungsgemäßen Entfernungsmesser verwendete LauZzeitmeßeinrichtung
kann eine geeignete bekannte Laufzeitmeßeinrichtung verwendet werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform wird durch die Laufzeitmeßeinrichtung während der Schallaufzeit
ein kontinuierlich entsprechend ansteigendes elektrisches Analogsignal, beispielsweise
eine ansteigende Sägezahnspannung, erzeugt, welches unmittelbar als Sollwert für
die Verstellung des Stellgliedes herangezogen werden kann. Hierbei ist es möglich,
das Analogsignal durch eine geeignete elektrische Schaltung unmittelbar zu erzeugen
und weiterzuverarbeiten. Es ist ersichtlich, daß der Anstieg des Analogsignals pro
Zeiteinheit an die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Meßmedium, insbesondere
Luft, angepaßt sein muß.
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Eine andere vorteilhafte Möglichkeit für die Laufzeitmessung besteht
darin, daß die Laufzeitmeßeinrichtung
einen Oszillator mit an die
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Meßmedium angepaßter Schwingungsfrequenz
und einen dem Oszillator zugeordneten, in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz
arbeitenden Zähler aufweist, der von einem Schalter in Abhängigkeit vom Einschalten
des Senders und dem Ansprechen des Empfängers gesteuert ist. Wenngleich es hierzu
möglich erscheint, den Oszillator oder den Zähler in Abhängigkeit vom Einschalten
des Senders und Ansprechen des Empfängers ein- bzw. auszuschalten, wird es bevorzugte
den Zähler entsprechend mit dem Oszillator zu koppeln oder von ihm zu entkoppeln.
Mit Vorteil wird hierzu ein Torschalter verwendet, welcher vom Sender und Empfänger
derart gesteuert ist, daß er die Frequenz des Oszillators zum Zähler nur über die
Schall-Laufzeit hin durchläßt. Mit einem derartigen Torschalter kann im übrigen
entsprechend auch die Größe des oben angegebenen Analogsignals gesteuert werden.
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Der für die Laufzeitmessung in Verbindung mit dem Zahler vorgesehene
Oszillator schwingt mit einer konstanten, an die Ausbreitungsgeschwindigkeit des
Schalls im Meßmedium angepaßten Frequenz. Derartige Oszillatoren sind auch als Frequenzuhren
bekannt. Da der Schall vom Sender bis zum Meßobjekt und zurück zum Empfänger die
doppelte Entfernung
zurücklegt, die gemessen werden soll, wird vorzugsweise
die Schwingungsfrequenz derart gewählt, daß die vom Zähler gezählte Impulsfolge
halb so groß ist, wie die Laufzeit des Schalls für die doppelte kleinste Meßeinheit.
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Da sich die Laufzeit des Schalls in Abhängigkeit vom Druck und der
Temperatur im Meßmedium ändern kann, ist der Oszillator in seiner Frequenz vorteilhaft
entsprechend justierbar. Jedoch ist die Anderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Schalls in Abhängigkeit vom Meßmedium in vielen Fällen mit Rücksicht auf die
Tiefenschärfe des optischen Systems vernachlässigbar, so daß dann auf eine derartige
Möglichkeit zur Nachregelung der Schwingungsfrequenz des Oszillators verzichtet
werden kann.
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Es besteht auch die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Entfernungsme
sser durch ent sprechende Einstellbarkeit der Schwingungsfrequenz des Oszillators
bzw. der Zählfrequenz des Zählers für unterschiedliche Ausbreitungsmedien, beispielsweise
einerseits Luft und andererseits Wasser für Unterwasseraufnahmen, geeignet zu machen.
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Eine selbsttätige Anpassung der Schwingungsfrequenz des Oszillators
an die Ausbreitungsgeschwindigkeit im speziellen Meßmedium läßt sich beispielsweise
durch geeignete
Rückkopplungssysteme erreichen, bei welchen die
Rückkopplung durch Verzögerungsglieder gesteuert ist, deren Verzögerungszeit sich
mit der Änderung des Ausbreitungsmediums entsprechend ändert. Hierzu kann beispielsweise
ein Schallsendeelement und ein im bestimmten Abstand von diesem angeordnetes Schallempfängerelement
vorgesehen werden, welche rückgekoppelt sind, wobei im Spalt zwischen diesen beiden
Elementen dasselbe Medium und in demselben Zustand vorliegt, wie es zwischen dem
Entfernungsmesser und dem Meßobjekt vorhanden ist.Wenn man den Abstand zwischen
diesen beiden Elementen entsprechend an die kleinste Meßeinheit anpaßt, erhält man
eine Rückkopplungsfrequenz, welche der kleinsten vom Schall zurückgelegten Entfernungseinheit
entspricht. Für einen sich derart selbsttätig einstellenden Oszillator werden piezoelektrische
Elemente bevorzugt.
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Als Oszillator werden im Hinblick auf die Schwingungskonstanz Quarzschwinger
bevorzugt. Insbesondere piezo -elektrische Elemente, aber auch magnetostriktiv arbeitende
Elemente sind geeignet.
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Wenn der angeführte Zähler ein Digitalzähler ist, was bevorzugt wird,
kann dessen digitales Signal ggf. unmittelbar zur entsprechenden Steuerung des Stellgliedes
herangezogen werden. Bevorzugt wird jedoch die Umwandlung des Signals in ein Analogsignal
mit Hilfe eines dem Zähler nachgeschalteten Digital-Analogwandlers.
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Für den erfindungsgemäßen Anwendungszweck des Entfernungsmessers im
Zusammenhang mit der Einstellung optischer Systeme ermöglichen deren Tiefeschärfebereiche
eine verhältnismäßig geringe Meßgenauigkeit. Auch der erforderliche Meßbereich kann
mit Rücksicht auf die jeweilige Tiefenschärfe des optischen Systems verhältnismäßig
gering gehalten werden. So ist eslnicht mehr erforderlich, als Sollwert für die
Einstellung des optischen Systems einen Meßwert herzunehmen, welcher einen Höchstwert
übersteigt, auf welchen das optische System eingestellt werden kann. Um dies zu
berücksichtigen, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß eine
Schalteinrichtung vorgesehen ist, durch welche die Laufzeitmeßeinrichtung bei einem
bestimmten Höchstmeßwert abschaltbar ist, welcher den Grenzstellwert für das Stellglied
darstellt. Beispielsweise kann ein Zeitschalter
vorgesehen werden,
welcher vom Einschalten des Senders gesteuert ist und die Laufzeitmeßeinrichtung
abschaltet, wenn der genannte Höchstmeßwert erreicht ist.
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Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, für die Schalteinrichtung
einen mit dem Zähler rückgekoppelten Niveauschalter vorzusehen, dessen Schwellenwert
dem Höchstmeßwert entspricht. Ein solcher Niveauschalter ist insbesondere vorteilhaft,
wenn das Stellglied durch ein dem Meßwert entsprechendes Analog signal gesteuert
wird. Zum angegebenen Zweck geeignete Niveauschalter sind an sich bekannt. Bevorzugt
wird ein Schmitt-Trigger.
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Der Antrieb für das in Abhängigkeit vom Meßwert gesteuerte Stellglied
ist im allgemeinen abhängig von der Art des Stellgliedes. Wenn es sich um einen
Meßzeiger handelt, können hierfür geeignete und an sich bekannte Antriebsprinzipien
verwendet werden. Wird durch das Stellglied das optische System unmittelbar auf
die gemessene Entfernung eingestellt, dann wird als Antrieb für das Stellglied vorzugsweise
ein Kompensationsstellmotor verwendet, der nach dem Prinzip eines Kompensationsschreibers
arbeitet und vom Ausgangssignal der Zeitsteuereinrichtung gesteuert ist.
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Das Einschalten des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers kann manuell
durch eine entsprechende Taste geschehen.-Zusätzlich oder alternativ kann Vorsorge
dafür getroffen werden, daß das optische System für das Abbilden eines sich bewegenden
Objektes selbsttätig nachgeregelt wird.
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Hierzu wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, einen
den Sender wiederholt in bestimmten Zeitabständen einschaltenden Taktgeber vorzusehen.
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Ein solcher aktgeber kann auf eine bestimmte Taktfrequenz fest eingestellt
sein, beispielsweise den Sender in einer Taktfolge von zehn Sekunden einschalten.
Der Taktgeber kann jedoch auch in seiner Taktfolge verstellbar sein, damit sich
eine geeignete Anpassung an die Geschwindigkeit des zu verfolgenden Objektes oder
die Schwenkgeschwindigkeit einer Kamera erreichen läßt. Es ist auch eine Steuerung
der Taktfolge des Taktgebers in Abhängigkeit von der Entfernung möglich, auf welche
das optische System soeben eingestellt ist. Hierdurch lassen sich die je nach Einstellung
des optischen Systems unterschiedlichen Tiefenschärfebereiche berücksichtigen, wenn
beispielsweise die Entfernung sich zu einem sich bewegenden MeBobjekt/sehr schnell
vergrößert und daher das Objekt aus einem in der Naheinstellung des
optischen
Systems sehr kleinen Tiefeschärfebereich schnell herausläuft. Die Taktfolge des
Taktgebers ist in einem solchen Fall also an die Änderung der Tiefenschärfecharakteristik
des optischen Systems angepaßt und wird mit zunehmender Vergrößerung des Tiefenschärfenbereiches
zunehmend größer. Eine derartige Anpassung der Taktfolge des Taktgebers läßt sich
durch seine Steuerung über das Analogsignal erreichen.
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Eine nichtlineare Verstellcharakteristik des optischen Systems, d.
h. ein mit zunehmender Entfernung zunehmend kleiner werdender Verstellweg für das
optische System, läßt sich durch eine entsprechende Kompensationscharakteristik
für den Kompensationsstellmotor berücksichtigen. Eine andere bevorzugte Möglichkeit
besteht darin, den Anstieg des Analogsignals entsprechend' an die Verstellcharakteristik
des optischen Systems anzupassen, d. h den Anstieg des Analogsignals mit zunehmender
Laufzeit entsprechend der Änderung des Verstellweges pro Entfernungseinheit zunehmend
zu verringern. Dies kann durch geeignete an sich bekannte elektrische Elemente mit
entsprechender Charakteristik bewerkstelligt werden. Möglich erscheint auch eine
Steuerung in Abhängigkeit von der jeweiligen Einstellung
des optischen
Systems.
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Da im vorliegenden Anwendungsfall der Meßbereich meist klein ist,
kann auch die Leistung des Senders entsprechend gering sein. Die erfindungsgemäß
vorgesehenen Schalt- und Steuerelemente werden vorzugsweise miniaturisiert und in
integrierten Schaltungen zusammengefaßt, so daß auch die Baugröße des erfindungsgemäßen
Entfernungsmessers klein ist. Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser läßt sich unmittelbar
in das Kameragehäuse einbauen. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin,
den Entfernungsmesser als Vorsatzgerät auszubilden, welches an die Objektivfassung
eines Wechselobjektivs angeschlossen werden kann, seinerseits eine Objektivfassung
aufweist und zur Verstellung des Objektives über das Stellglied verstellbar ist.
In einem derartigen Vorsatzgerät kann eine Ausgleichsoptik vorgesehen sein, welche
die Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Objektiv und der Bildebene der Kamera
aufgrund der Zwischenschaltung des Vorsatzgerätes kompensiert.
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Beim Vorhandensein der oben erwähnten Schalteinrichtung welche die
Laufzeitmeßeinrichtung bei einem bestimmten
Höchstmeßwert abschaltet,
der den Grenzstellwert für das Stellglied darstellt, wird das Stellglied selbsttätig
auf den Grenzstellwert auch in solchen Fällen eingestellt, in welchen das ausgesendete
Schall signal zwar noch am Meßobjekt reflektiert wird, jedoch vom Empfänger nicht
mehr empfangen wird, oder wenn das ausgesendete Signal aufgrund der Struktur des
Meßobjektes verschluckt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles,
welches in Form eines Blockschaltbildes aus der Zeichnung ersichtlich ist, naher
erläutert.
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ueber die Start-Stopplogik 4 wird der Schall sender 1 eingeschaltet,
welcher dadurch einen Schallimpuls auf das Objekt 3 entsprechend der gestrichelten
Linie aussendet.
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Gleichzeitig mit dem Aktivieren des Senders 1 wird durch die Start-Stopplogik
4 das Tor' 5 geöffnet, welches dadurch die Frequenz des Oszillators 6 in den Zähler
7 hineinläßt, der somit zu laufen beginnt. Der Oszillator 6 hat beispielsweise eine
Impulsfolge von 170 kHz bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls s von
340 m/s, so daß die doppelte Laufzeit des Schalls vom Sender 1 zum Objekt 3 und
zurück zum Empfänger 2 berücksichtigt ist.
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Der beispielsweise 5-dekadische Zähler 7 gibt seinen Zählwert in den
Digital-Analogwandler 8, von welchem das so erzeugte Analogsignal über eine im Prinzip
für einen Kompensationsschreiber an sich bekannte Kompensationsschaltung aus einem
Operationsverstarker 9 und einen Regelwiderstand 10 auf einen Kompensationsstellmotor
M weitergegeben wird, welcher über ein Stellglied das optische System 11 verstellt.
Das optische System 11 hat beispielsweise einen Stellbereich von 0,5 m bis unendlich.
Diesem Stellbereich entspricht ein Spannungsbereich für das Analogsignal von 0-10
V. 10 V entspricht einer Entfernung des Meßobjekts 3 vom Sender 1 von 10 m.
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Wenn somit das Objekt 3 10 m vor dem Ultraschallsender 1 steht, wird
durch den Digital-Analogwandler eine Spannung von 10 V erzeugt.
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Sobald das vom Objekt 3 reflektierte Resetsignal beim Schallempfänger
2 ankommt, wird das durch das Ansprechen des Empfängers 2 erzeugte Signal an die
Start-Stopplogik 4 weitergeleitet, welche das Tor 5 schließt, so daß der Zähler
7 aufhört zu zählen. Das beim Ende des Zählvorgangs am Ausgang des Digital-Analogwandlers
vorliegende Analogsignal stellt somit den Sollwert für den Kompensationsstellmotor
bzw.
das Stellglied des optischen Systems 11 dar.
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Falls das Objekt 3 um eine größere Entfernung vor dem Sender 1 steht,
als es dem Meßbereich entspricht, im vorliegenden Beispiel also mehr als 10m, besteht
die Gefahr, daß das ausgesendete Ultraschallsignal zwar noch am Objekt 3 reflektiert
wird, nicht jedoch mehr am Empfänger 2 empfangen wird. Da in einem solchen Fall
die Start-Stopplogik 4 vom Empfänger 2 keinen Abschaltimpuls erhält, bleibt das
Tor 5 geöffnet und der Zähler 7 läuft ständig weiter. Um dies zu verhindern, ist
ein Niveauschalter 12, vorzugsweise ein Schmitt-Trigger, vorgesehen, welcher mit
dem Digital-Analogwandler 8 derart gekoppelt ist, daß er beim Ansteigen des Analogsignals
über einen Maximalwert, beispielsweise über 10,8 V, über eine Rückkopplung den Zähler
7 stoppt. Hierdurch wird der weitere Anstieg des Analogsignals am Ausgang des Digital-Analogwandlers
beendet und der Stellmotor M wird nach einer entsprechenden Verstellung des Stellgliedes
auf dessen oberen Grenzstellwert angehalten. Es ist auch möglich, den Niveauschalter
mit der Start-Stopplogik 4 rückzukoppeln, so daß diese beim Schalten des Niveauschalters
12
den Abschaltimpuls zum Schließen des Tores 5 erhält. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, einen entsprechend geschalteten Endschalter für das Stellglied 11 vorzusehen.
Es kann auch ein entsprechend eingestellter Zeitschalter verwendet werden.
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Im Ausführungsbeispiel ist weiter ein Taktgeber 13 vorgesehen, welcher
das Einschalten der Start-Stopplogik 4 steuert und beispielsweise alle 10 s einen
Einschaltimpuls abgibt. Hierdurch wird eine selbsttätige Nachregelung des optischen
Systems 11 erreicht, weil dann am Ausgang des Digital-Analogwandlers 8 in durch
den Taktgeber 13 bestimmten Zeitabständen, im Ausführungsbeispiel alle 10 s, ein
Analogsignal zur Steuerung des Kompensationsstellmotores zur Verfügung steht. Hierdurch
läßt sich das optische System 11 einer Kamera auf die sich ändernde Entfernung eines
sich bewegenden Objektes laufend einstellen.
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Die Koppelung und der Informationsfluß der Elemente der dargestellten
Schaltung ist durch die in der Zeichnung eingetragenen Pfeile ersichtlich. Der Schall
sender 1 und der Schallempfänger 2 sind als gesonderte Bauteile dargestellt.
Es
können jedoch der Sender 1 und der Empfänger 2 auch zu einem einzigen Bauteil zusammengefaßt
werden, welches zunächst als Sender arbeitet und nach dem Aussenden des Schallimpulses
auf Empfang umgestellt wird.
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- Patentansprüche -