DE2528441C2 - Vorrichtung zur Fokussierung des Objektivs in einer fotografischen Kamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fokussierung des Objektivs in einer fotografischen Kamera gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, die sowohl in Verbindung mit einer geeigneten Anzeigeeinrichtung als Fokussierhilfe als auch in einem geschlossenen Regelkreis zur selbsttätigen Fokussierung des Objektivs verwendet werden kann.

Zur Fokussierung eines Objektivs ist es beispielsweise bereits aus dem Fachorgan »KINO-TECHNIK.« Nr. 12/1963. Seiten 329-331 oder dem DBP 9 27 239 bekannt, mit einem über das Bild des angemessenen Objektes bewegten Spalt oder einer Lochscheibe eine Schärfedetektion durchzuführen, die darauf beruht, daß ein hinter dem Spalt angeordneter fotoelektrischer Empfänger immer dann ein maximales elektrisches Signal liefert wenn die im Objekt vorhandenen Linien, die in ihrer Ortsfrequenz der Spaltbreite entsprechen, scharf in die Meßebene (= Ebene der Spaltbewegung) abgebildet werden.

ίο Statt der Verwendung nur eines Spaltes ist es aber andererseits auch durch die DE-OS 21 56 617 bekannt diese Abtastung mit einem ganzen Liniengitter durchzuführen. Allerdings hat es sich dabei gezeigt daß ein solcher Gittersensor bei manchen Obejekten hervorragende Signale liefert, während bei anderen Objekten, insbesondere bei geringer Helligkeit, keine ausreichenden Signale erhalten werden, d.h. daß diese Signale nicht immer groß genug sind, auch mit den Mitteln der modernen Nachrichtentechnik, aus den Störuiigen detektiert zu werden. Es hat sich gezeigt, daß sich hierbei befriedigende Signale immer dann ergeben, wenn die Heiligkeitsverteiiung des Objektes bzw. des abgetasteten Bildteiles eine hinreichend statistische Verteilung zeigt. Besonders kräftige Signale erhält man selbstverständlich dann, wenn die Struktur des Bildes zufällig mit der Gitterstruktur in Übereinstimmung ist.

Ein optisches Gitter stellt in bekannter Weise ein Ortsfrequenzfilter dar, das aus dem Ortsfrequenzspektrum des Bildes die seiner Gitterkonstante entsprechende Ortsfrequenz ausfiltert. Will man die Scharfstellung durch Einstellung auf eine Maximalamplitude erreichen, so wird man die Gitterkonstante so wählen, daß die Kontrastübertragungsfunktion des Objektivs bei dieser Ortsfrequenz bereits eine merkliche Verschlechterung bei leichter Defokussierung zeigt.

Die Größe des Bildausschnittes, der zur Messung herangezogen wird, ist gewissen Grenzen unterworfen, die dadurch gegeben sind, daß man einerseits nicht mit einem allzu kleinen Teil allzu genau zielen muß, während andererseits ein zu großer Bi'daussciinitt bei nichtebenen Objekten über eine zu große Tiefenausdehnung messen würde.

Rechnet man beispielsweise mit einer abgetasteten Fläche oder Zeile von 5 mm Länge und einer Linienzahl von 10 Linien pro Millimeter, so käme man zu einem Gitter von 50 Schlitzen oder Furchen. Dieses Gitter braucht dann lediglich um 0,1 mm bewegt zu werden, um das gesamte abzutastende Bildfeld zu überstreichen. Würde man dagegen nur einen einzelnen Abtastspalt mit einer dieser Gitterkonstante vergleichbaren lichten Weite von 0,05 mm verwenden, io müßte dieser Spalt um die gesamte Strecke von 5 mm bewegt werden; er wurde bei dieser Bewegung trotzdem aber nur den 50. Teil des Lichtes liefern.

Nun leuchtet es zwar ein, daß mit der Zahl der Gitterlinien d. h. — bei gegebener Gitterkonstante — mit der Gitterlänge, die durchgelassene Lichtmenge steigt. Trotzdem erhöht sich die Signalamplitude nur mit der Wurzel aus der Anzahl der Gitteriinien, da gleichzeitig die Selektivität mit der Anzahl der Gitterlinien ebenfalls steigt. Dies gilt für eine statistische Verteilung der Objektstruktur. Hat das Objekt selbst Linienstruktur und entspricht zufällig die Orisfrequenz dieser Struktur der Gitterkonstante, so wächst die Signalamplitude proportional mit der Zahl der Gitterlinien, während, wenn nicht zufällig Ortsfrequenzgleichheit vorliegt, die Signalamplitude mit der Zahl der Gitterlinien schlechter wird.
Da die Objekte der Fotografie neben natürlichen Ob-

jekten, wie Landschaften und Personen, vor allem auch künstliche Objekte sind, wie z.B. Gebäude, Geräte, Schriftbilder und dergleichen, kann allerdings davon ausgegangen werden, daß die Objekte in der überwiegenden Zahl der Fälle ausgesprochene Linienspektra aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gitter anzugeben, das ein für eine fotografische Kamera brauchbaren Kompromiß zwischen einer ausreichenden Selektivität und einem ausreichend breiten Ortsfrequenzspektrum darstellt, um auf der einen Seite eine genügend große Bandbreite der Ortsfrequenz des Objektes zu erfassen, auf der anderen Seite aber trotzdem noch eine ausreichend hohe Signalamplitude zu erhalten und dabei eine möglichst einfache, billige und zuverlässige Signalverarbeitung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erfassung einer ausreichend großen Bandbreite von in den Strukturen des Objektbildes enthaltenen Ortsfrequenzen und zum Erreichen einer ausreichend hohen Amplitude des von den fotoelektrischen Empfängern erzeugten Signals ein Gitter vorgesehen ist, daß eine Durchlaß-Ortsfrequenzkurve mit einer Bandbreite von einer Terz bis einer Oktave besitzt und dessen Abmessung in bezug auf die Größe des abzutastenden Objektbildes klein ist. Insbesondere wird dabei vorgeschlagen, das Gitter mit zwei bis fünf Spalten bzw. Prismen zu versehen. Wenn diese Schlitze bzw. Prismen nur ein Bruchteil des abgetasteten Bildes bedecken, kann ein. Schwingantrieb vorgesehen sein, der dieses Gitter über mehrere Gitterkonstanten über das abzutastende Objektbild hinweg bewegt In diesem Fall ergeben sich erfindungsgemäß weitere Vorteile. Die Signalfrequsnz beträgt dann ein Vielfaches der Frequenz der Abtastbewegung. Das hat zur Folge, daß die Signalfrequenz nur Anteile aus dem gewünschten Raumfrequenzgebiet enthält und somit mit einfachen Filtermitteln von Störungen abgetrennt werden kann. Dadurch ist es möglich, ein Amplitudengitter zu verwenden oder bei Verwendung eines Differentialgitters (Gegentaktgitter, Furchenraster) keine sehr hohe Anforderungen an die Gegentaktbalance stellen zu müssen. Dieses beinhaltet selbstverständlich auch gut übersichtliche elektrische Schaltungen.

Weiterhin ist es durch die Bewegung über mehrere Gitterkonstanten hinweg möglich, das Abtastgitter zwecks Bandbreitenvergrößerung mit nicht konstanter Gitterkonstante auszustatten.

Außerdem kann man eine umlaufende Gitterseheibe verwenden, ohne daß du^rch Selbstabtastung einer Bildfeldblende ein Scheinsignal produziert wird.

Und schließlich ist es durch die Bewegung über mehrere Gitterkonstanten hinweg möglich, Mehrdeutigkeiten der Gitterabtastung auszuschalten.

Der Erfindung fegt demnach die Erkenntnis zugrunde, daß es zweckmäßig ist, die Selektivität nicht zu weit zu treiben und das Gitter nicht über den gesamten Meßausschnitt auszudehnen, d. h. einen Kompromiß zu nehmen zwischen der Abtastung mit einem iiinzelspalt und einem den gesamten Meßausschnitt erfüllenden Gitter.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt

Fig. la die Durchlässigkeitsverläufe eines Gitters mit drei Spalten,

Fig. Ib die Durchlässigkeitsverläufe eines Gegentaktgitters,

F i g. 2 die dazugehörigen Frequenzgänge,

Fie.3 eine Gitter-Abvastscheibe mit zwei verschiedenen Gitterkonstanten,

F i g. 4 einen Fokussierdetektor gemäß der Erfindung. Fig.5 eine rotierende Gitter-Abtastscheibe gemäß der Erfindung und

F i g. 6 eine schwingende Gitter-Abtastscheibe gemäß der Erfindung mit zwei Gittern unterschiedlicher Gitterkonstante.

In Fig. la ist die Durchlässigkeit eines Amplitudengitters aus drei Spalten in einer großen Scheibe dargestellt und in Fig. Ib die Durchlässigkeit eines entsprechenden Differentialgitters. Dieses letztere kann z. 8. in der Form realisiert sein, daß drei Prismenstreifen dafür sorgen, daß das Licht der beiden Flankenrichtungen in zwei verschiedene Richtungen auseinandergelenkt wird, wie z.B. in Fig.4a DE-OS 21 56 617 dargestellt, wobei diese drei Prismen auf einer opaken Scheibe sitzen und mit dieser bewegt werden. Ebenso könnte der Durchlässigkeitsverlauf nach Fig. Io dadurch dargestellt werden, daß die Scheibe, die die Schlitze wie nach Fig. la en'hält, teilweise verspiegelt ist und daß die Signale, die von dem reflektierten LV ?it herrühren, von den Signalen des durchgehenden Lith'es subtrahiert werden.

Die F i g. 2 zeigt die Fourier-Spektren der Verläufe der F i g. 1 a und 1 b, d. h. während in den F i g. 1 a und 1 b der Durchlaß in Abhängigkeit vom Ort χ dargestellt ist, zeigt Fig.2 die Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz R. Diese Darstellung ist vereinfacht insofern, als die sich ergebenden ungradzahligen Oberwellen weggelassen sind. Der Kurven /erlauf 1 würde sich für einen Einzelspalt ergeben, die Kurve 2 für sehr viele Spalte; die Kurve 3 gilt für das Differentialgitter nach Fig. Ib. Dasselbe ergibt sich für das Amplitudengitter nach Fig. la, jedoch tritt hierbei noch der Kurvenzug 4 hinzu.

Der Vergleich zwischen den Kurven 2 und 3 zeigt, daß bei sehr vielen Gitterlinien sich zwar ein sehr großes Übertragungsmaß für eine Frequenz ergibt, dafür eine außerordentlich schmale Bandbreite, während bei Verwendung von drei Gitterlinien sich auch bereits eine beträchtliche »Resonanzüberhöhung« ergibt, aber in Veioindung mit einer Bandbreite in der Größenordnung von '/3 bis 'Λ einer Oktave. Die Wahrscheinlichkeit, daß im Meßausschnitt des Objektes eine Spektrallinie in diesen Ortsfrequenzbereich fällt, ist somit größer, als wenn nur eine bestimmte Frequenz ausgefiltert ist.

Es ist zur elektro-optischen Fokussierung fotografischer Objektive bereits vorgeschlagen worden, aus den Signalen, die von zwei, diametralen Pupillenteilen zugeordneten, Empfängern erhalten werden, die Phasendifferenz zu ermitteln und das Vorzeichen und die Größe dieser Differenz zur Feststellung der Richtung und Grö-3-^ de Defokussierung zu benutzen.

Eine solche Anordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Ein Objektiv O bildet oen zu fokussierenden Gegenstand auf ein Schwinggitter SG ab, das von einem Schwingantrieb 5 bewegt wird. Der Schwingantrieb 5 wird seinerseits von einem Generator G gespeist. Eine Feldlinse F bildet die Austrittspupille des Objektivs in eine Ebene A' ab, In diese sind zwei Fotozellen P\ und Py. gesetzt; diese sind somit den Aperturbereichen A₂ und A\ zugeordnet. Die von den beiden Fotozellen P_x und P₂ gelieferten Ströme werden nach Verstärkung durch Verstärker V|, V₂ jeweils einem Bandpaß BPzugeführt, der die Frequenzen aussiebt, die sich aus dem Ortsfrequenzbereich nach Kurve 3 in F i g. 2 sowie der Schwinggeschwindigkeit des Gitters ergeben. Ein Phasenmesser φ

liefert ein Ausgangssignal, das proportional der Phasendifferenz der quasi sinusförmigen Weüenzüge hinter den Bandpässen ist und zeigt dieses durch eine Anzeigevorrichtung an, die z. B. aus einer Lichtwaage LW bekannter Bauart bestehen kann. Zwischen dem Phasenbildner und der Lichtwaage ist jedoch noch ein Umpoler U eingeschaltet, der die Polarität des Anzeigesignals entsprechend dem Hingang und Rückgang des Schwinggitters umschaltet.

Die von dem Fotoempfänger gelieferten Signale, d. h. deren Frequenzzusammensetzung und deren Zeitverlauf hängen vom Zeitverlauf der Bewegung χ (t) des Gitterpaketes ab. Bei einer Schwingbewegung über mehrere Gitterkonstanten hinweg ergibt sich eine Signalfrequenz, die ein Vielfaches der Abtastfrequenz ist. Bei einer sinusförmigen Bewegung über η Gitterkonstanten ist die Frequenz im Augenblick der Nulldurchgänge das 2-rn-fache der Abtastfrequenz. Zu ²I₃ des Zcitsbls'jfes erhält msn annähernd S!nu^cförml^cr'' Sⁿ?.nnungsverläufe. Dabei wird die zu bestimmende örtliche Phasendifferenz annähernd analog als elektrische zeitliche Phasendifferenz abgebildet. Dadurch ist eine einfache Meßverarbeitung möglich.

Die Abtastung mittels eines Gitters beinhaltet grundsätzlich die Gefahr von Mehrdeutigkeiten. Bei größerer Defokussierung kann die Phasendifferenz 360° betragen und somit eine falsche Nulianzeige entstehen. Die erfindungsgemäße Bewegung eines Gitterpaketes über eine größere Anzahl von Gitterkonstanten hinweg ermöglicht es, solche falschen Nullanzeigen auszuschalten. Das Gitterpaket selbst stellt ja einen breiten Spalt dar, der durch den Kurventeil 4 in F i g. 2 repräsentiert ist. Die Signale der beiden Fotozellen Pi, Pi (F i g. 4), die noch diese tieffrequenten Anteile enthalten, sind nur bei richtiger Fokussierung synchron, d. h. ohne Parallaxe. Mit anderen Worten: das Gitterpaket als Spalt genutzt läßt sich zur Grobfokussierung benutzen, bei der keine Mehrdeutigkeiten auftreten.

In Fig.4 ist eine einfache Ausführungsform gestrichelt angedeutet. Die beiden Signalspannungen vor den beiden Bandpässen werden einem Differenzbildner D zugeführt, der bei Erreichen einer gewissen Mindestdifferenz die Lieh' /aage ausschaltet Die Wirkungsweise ist so, daß beim Fokussieren zunächst das Objektiv verstellt wird, bis die Lichtwaage anspringt, d. h. eine der beiden Lampen aufleuchtet, d. h. daß die beiden Fotozellensignale annähernd gleich werden (Grobeinstellung). Durch weiteres Verstellen des Objektivs wird dann die Feineinstellung auf Gleichheit der beiden Lampenhelligkeiten vorgenommen.

Während in dierrm Ausführungsbeispiel die Abweichung der beiden tieffrequenten Signale voneinander nur dazu dient, falsche Nullanzeigen zu blockieren, ist es auch möglich, aus den tieffrequenten Signalen selbst eine Grobanzeige herzuleiten, die mit dem Signal des Phasen bildners φ so logisch verknüpft wird, daß im gesamten Bereich der ObjektiwersteHung eine der beiden Lampen leuchtet, so daß dem Benutzer in jeder Stellung des Objektivs angezeigt wird, in welcher Richtung er es zu verstellen hat. Eine solche Einrichtung wird insbesondere dann benötigt, wenn das Objektiv sich vollautomatisch aus jeder beliebigen Anfangsstellung heraus einstellen soll.

Selbstverständlich ist es möglich, eine solche Vorrichtung zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten auch In Verbindung mit einem Gegentaktgitter anzuwenden, da bei einer Ausbildung als Furchenraster die Gegentaktwirkung erste durch Subtraktion zweier Eintaktsignale entsteht und somit auch die Eintaktsignale zur Verfügung stehen.

Dadurch, daß die Signalfrequenz ein Vielfaches der Abta^rtfrequenz ist, ist es möglich, das Gitter als einfaches Schlitzgitter auszubilden, d. h. den für die Feinmessung unerwünschten tieffrequenten Anteil ( = Kurve 4 in F i g. 2) bestehen zu lassen. Bei einem annähernd proportionalen Zusammenhang zwischen örtlichem und zeitlichem Verlauf, d. h. bei annähernd konstanter Geschwindigkeit, ist es möglich, die unerwünschten niedrigen Ortsfrequenzen elektrisch abzusieben. Man muß auch bedenken, daß eine 100%ige Elimination des Kurventeils 4 aus mehreren Gründen nicht möglich ist (zeitliche Konstanz: räumliche Unsymmetrie wirkt sich besonders bei kleiner Gitterlinienzahl aus). Man hat also durch die große Schwingweite die Möglichkeit, die Quasigleichstromreste auszufiltern.

Anders dagegen, wenn die Bewegungsamplitude nur etwa pine fVnterkonstante beträgt. Dann ist Signalfrequenz gleich Abtastfrequenz (dazu die doppelte Frequenz, je nach Phasenlage), aber die ganz niedrigen Ortsfrequenzen liefern dieselben Signalfrequenzen. Eine Abtrennung durch Frequenzfilter ist also nicht möglich.

Ein weiterer Vorteil der Verschiedenheit von Signal- und Antriebsfrequenz besteht in der Ausschaltung anderer Störungen, wie z. B. Übersprechen.

Außer mittels einer geringen Gitterlinienzahl läßt sich die geforderte Bandbreite auch mit unterschiedlichen Spaltabständen, d. h. Gitterkonstanten g\ und g₂ erreichen. Diese bereits vorgeschlagene Maßnahme ist nur in Verbindung mit einer Abtastbewegung über mehrere Gitterkonstanten hinweg möglich. Würde man ein solches in F i g. 3 gezeigtes Gitter nur einen kleinen Hub ausführen lassen, so würde man den linken Teil des Bildes mit der Gitterkonstante g\ und den rechten mit der Gitterkonstante gz abtasten, aber im Sinne einer UND-Verknüpfung.

Eine sehr günstige Ausführungsform der Erfindungsgedanken ist möglich mit einer Umlaufscheibe 50, auf der mehrere Gitterpakete 51 nebeneinander angeordnet sind, wie in F i g. 5 skizziert. Die Gitterpakete wandern nacheinander durch das Bildfeld 52. Um zu verhüten, daß die Gitter die Bildfeldblende abtasten, wird vorgeschlagen, eine elektrische Signalaustastung vorzusehen während der Zeiten des Einlaufes und Auslaufes der Gitterpakete im Bildfeld. In dieser Ausfühmngsform ist es natürlich möglich, den einzelnen Paketen unterschiedliche Gitterkonstanten zu geben. Die genannte Austastung bzw. Aktivierung während des auszuwertenden Durchlaufes durch das Bildfeld kann in be!.,:nnter Weise von einer Pilotspur 53 auf der Scheibe vorgenommen werden, die zugleich zu einer Drehzahlstabilisierung genutzt werden kann.

Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 6 gezeigt Eine oszillierende Abtastscheibe 60 trägt zwei Schlitzreihen 61 und 62 mit unterschiedlichen Gitterkonstanten, denen getrennte Fotozellen bzw. Fotozellengruppen zugeordnet sind. Bei Hin- und Rückgang der Abtastscheibe wird anstelle der oben beschriebenen Umpolung eine Umschaltung der beiden (passend gepolten) Empfängergruppen vorgenommen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Fokussierung des Objektivs eines optischen Gerätes, insbesondere einer fotografischen Kamera, bei welcher ein Bild des Objektes auf ein in einer Bildebene angeordnetes Gitter abgebildet wird, das senkrecht zur Richtung der Gitterlinie bewegt wird, und wobei mindestens ein in Lichtrichtung hinter dem Gitter angeordneter fotoelektrischer Empfänger ein elektrisches Signal liefert, dessen Amplitude oder dessen Phasendifferenz gegenüber einem zweiten Signal ein Maß für die Fokussie- - rung des Objektivs darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer ausreichend großen Bandbreite von in Strukturen des Objektbildes enthaltenen Ortsfrequenz und zum Erreichen einer ausreichend hohen Amplitude des von den fotoelektrischen Empfängern (P,, P₂) erzeugten Signals ein Gitter (SG) vorgesehen ist, das eine Durchlaß-Ortsfrequetsziurve von einer Terz bis zu einer Oktave besitzt und dessen Abmessung in bezug auf die Größe des abzutastenden Objektbildes klein ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus zwei bis fünf Spalten bzw. zwei bis fünf Prismen besteht

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingantrieb (S) vorgesehen ist, der das Gitter (SG) über mehrere Gitterkonstanten über das abzutastende Objektbild hinweg bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Gitter eine hin und her schwingende Bewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet daß in den Umkehrbereichen der sinusförmigen Abtasn ig die Phasenmessung ausgesetzt wird und zwischen Hin- und Rückgang eine Umpolung erfolgt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter in Form von mehreren Gitterpaketen (51) auf einer Umlaufscheibe (50) angeordnet ist und die Gittergruppen nacheinander das Bildfeld (52) durchlaufen und daß ein Analogscha.ter vorgesehen ist, der eine Austastung während der Einlauf- und der Auslaufzeit der Gittergruppen in das Bildfeld bzw. heraus bewirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gittergruppen unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche die tieffrequenten Ortsfrequenzanteile eines Amplitudengitter; verwerten, um die bei einer Phasendifferenz von η ■ 360° auftretenden Vieldeutigkeiten des Gitters auszuschalten.