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Fokusdetektor mit Gitterkorrelator
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Die Erfindung betrifft eine Phasen-Meß-Schaltung für die Auswertung
von Signalen eines Fokusdetektors, bei dem mittels eines zu fokussierenden Objektivs
ein Bild des Objektes auf ein Gitter abgebildet wird und der mindestens zwei Fotozellen
besitzt, die je einem unterschiedlichen Pupillenbereich zugeordnet sind und zwei
phasengleiche Fotoströme liefern, wenn die Schärfenebene des Objektivs mit der Ebene
des Gitters zusammenfällt.
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Wird das Gitter mit gleichförmiger Geschwindigkeit senkrecht zur Richtung
seiner Gitterlinien bewegt, so haben die Fotoströme als Funktion der Zeit eine Frequenz,
die umgekehrt proportional der Gitterkonstanten und proportional der Bewegungsgeschwindigkeit
des Gitters ist. Füi die Messung der Phase können die bekannten Phasenmeßschaltungen
verwendet werden, wofur bereits eine LED-Lichtwaage mit Schaltbeispiel vorgeschlagen
wurde.
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Läßt man dagegen das Gitter schwingen, so ist die Geschwindigkelt
nicht konstant, sondern sinusförmig, woraus sich neben ständig sich ändernder Frequenz
der elektrischen Signale auch ein ständiger Vorzeichenwechsel der Phasenlage der
Signale zueinander ergibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung anzugeben, mittels
derer trotz ständiger Frequenzänderung und ständigem Vorzeichenwechsel der augenblicklichen
Phasenlage der elektrischen Zeitverläufe die Große und Richtung der Fokusablage
immer eindeutig angegeben werden kann.
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Diese Aufgabe ist z.B. dadurch gelöst, daß am Eingang der Schaltung
zwei Komparatoren vorgesehen sind, denen die beiden Signalspannungen der Fotoempfänger
zugeführt werden,und daß am Komparatorausgang somit die Phasendifferenz als Zeitdifferenz
digital vorliegt; daß zur Messung der augenblicklichen Phasendifferenz im Anschluß
an die Komparatoren eine Antivalenzschaltung vorgesehen ist; daß ferner an die Komparatorausgänge
über Impulsgeber ein Flipflop angeschlossen ist, an dessen Ausgang das Vorzeichen
der augenblicklichen Phasenlage ausgegeben wird; daß eine weitere Antivalenzschaltung
vorgesehen ist, in der das Ausgangssignal des Flipflop mit einem Signal verkntipft
wird, dessen Vorzeichen sich mit der Bewegungsrichtung des schwingenden Gitters
ändert, so daß am Ausgang dieser weiteren Antivalenzschaltung für die Zeitpunkte,
für die am Ausgang der ersten Antivalenzschaltung L-Signal anliegt, ein Vorzeichen
für die Ablage von der Fokus-Ebene vorliegt, welches unabhängig von der Bewegungsriohtung
des Gitters ist und in einer nachgeschalteten Anzeigevorrichtung die Richtung der
Ablage anzeigt bzw. für eine nachfolgende Auswerteschaltung dieses Vorzeichen zur
Verfügung stellt.
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Weiter wird dabei vorgeschlagen, daß den beiden Antivalenzschaltungen
UND-Gatter und ein Integrator nachgeschaltet sind und daß dieser Integrator ein
angeschlossenes Anzeigemittel die Richtung und Größe der vorliegenden Defokussierung
anzeigen läßt bzw. eine der Fokusablage entsprechend Spannung nach Vorzeichen und
Größe abgibt.
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Da die Amplituden der zu verarbeitenden Signale sehr stark sohwanken
können, wird somit vorgesohlagen, diese Signale auf Komparatoren zu geben und sie
digital weiterzuverarbeiten. Hierbei ergibt sicherfindungsgewnLiß als besonderer
Vorteil,
daß eine Detektierung der Phasenlage noch möglich ist,
wenn die Signale im Rausohen zunächst nicht mehr zu erkennen sind.
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Ferner wird vorgeschlagen, mit dem Signal, welches aus der Bewegung
des Gitters hergeleitet wird, den erwähnten Integrator in den Umkehrbereichen des
schwingenden Gitters abzuschalten, da dort die Phase nicht definiert bzw. schlecht
auswertbar ist.
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Bei der oben erwähnten Abschaltung geht ein Teil der an sich in Form
der Fotoströme zur Verfügung stehenden Information verloren bzw. bleibt unbenutzt
Deshalb wird die Aufgabe in einer zweiten Ausführungsform dadurch gelöst, daß die
Schaltung in den Augenblicken der Nulldurchgänge des einen Signals den Momentanwert
des anderen Signals abtastet, speichert und als Maß der Phasenverschiebung nutzt,
wobei das Vorzeichen von einer logischen Verkndpfung gegebenenfalls umgepolt wird,
Je nach Richtung des Nulldurohganges des ersten Signals und nach der Schwingrichtung
des Abtastgitters.
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Hiermit ist auch eine Auswertung der Phase bei kleinen Schwingbewegungen
des Gitters möglioh.
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In der Zeichnung sind die beiden Lösungswege in zwei Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung zur Bestimmung der Fokussierablage,
die speziell für eine Vorrichtung bestimmt ist, bei welcher das Gitter über mehrere
Gitterkonstanten schwingt und eine Lichtwaage aus zwei LED als Anzeigeelement dient,
Fig.
2 die Zeitverläufe der von der Schaltung nach Fig. 1 aufgenammenen bzw. in ihr verarbeiteten
Signale, Fig. 3 einen angenommenen Zeitverlauf der Signal, mit dew die Vorzeichenbildung
näher erläutert ist, Fig. 4 eine Schaltung zur Bestimmung der Fokussierablage die
speziell für eine Vorrichtung bestimmt ist, bei welcher das Gitter im Minimum nur
uber eine halbe Gitterkonstante schwingt und ebenfalls eine Lichtwaage aus zwei
LED als Anzeigeelement dient, Fig. 3 eine Darstellung der in der Schaltung gemäß
Fig. 4 verarbeiteten Fotoströme bzw. Spannungen über dem Veg x der Gitterbewegung.
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Die Schaltung gemäß Fig. 1 besteht in ihren wesentlichen Elementen
zunächst aus zwei Komparatoren 1 und 2 mit Je einem Eingang Et bzw, ER für die beiden
von den nicht dargestellten Fotoelementen gelieferten Fotoströme. Mit den Ausgängen
der Komparatoren ist eine Antivalenzschaltung 5 verbunden, und außerdem sind diesen
Komparatorausgängen Impulsgeber 6, 7, 8 und 9 nachgeschaltet, deren Ausgänge mit
einem RS-Flilpflop 18 verbunden sind.
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Ferner ist noch ein weiterer Eingang Ep für ein sogenanntes "Pick-up-Signal"
vorgesehen, das der mechanischen Auslenkung des schwingenden Gitters analog ist.
Diesem Eingang sind ein Verstärker 4, ein 9O0-Phasendreher 10 und ein Komparator
11 nachgeschaltet, die entsprechend der Schwingrichtung ein definiertes Signal oder
L-Signal ausgeben.
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Außerdem ist für das Plck-up-Signal ein Absolutwertbildner 12, ein
Spitzenwertbildner 15 und ein Potentiometer
16 vorgesehen, dessen
Abgriff einem Komparator 20 zugeführt wird.
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Der Ausgang des RS-Flipflop 18 ist mit einer weiteren Antivalenzschaltung
24 verbunden, und für die Zusammenfassung der ersten Antivalenzschaltung 5, der
zweiten Antivalenzschaltung 24 und des Komparators 20 sind UND-Gatter 22 und 23
vorhanden, denen ein Integrator 31 nachgeschaltet ist, in dessen Ausgang das Anzeigemittel
in Form z+çeier LtD 27 und 28 liegt.
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Diese in ihren Bauteilen summarisch beschriebene Schaltung funktioniert
in der folgenden Weise: Die in ihrer Phasenlage gegeneinander zu messenden Fotoströme
werden auf die Eingänge EL und ER gegeben. Auf den Eingang Ep wird eine Spannung
gegeben, deren Amplitudenauslenkung der örtlichen mechanischen Aus lenkung des schwingenden
optisohen Gitters analog ist. Eine solohe Spannung wird als Pick-up-Spannung beim
Antrieb des schwingenden Gitters abgenommen. Nach Verstärkung dieses Signals im
Verstärker 4 wird es in dem Phasendreher 10 um 900 gedreht, in dem Komparator 11
digitalisiert und einem Logikpegel angepaßt, so daß bei der einen Schwingrichtung
L-Signal und bei der anderen Signal ausgegeben wird0 Das verstärkte Piok-up-Signal
wird weiterhin dem Absolutwertbildner 12 zugeführt, dessen Ausgangssignal seinerseits
dem Spitzenwertbildner 15 und dem Potentiometer 76 zugeführt wird. Der Spitzenwertbildner
gibt eine Gleiohspannung aus, die sich analog der Amplitude der Pick-up-Spannung
ändert und die dem Komparator 20 zugeführt wird.
Dem anderen Eingang
des Komparators wird die Spannung des Potentiometers 16 zugeführt. Mit dem Potentiometer
16 können damit Bereiche über der Periode der Pick-up-Spannung eingestellt werden,
während derer am Ausgang des Komparators 20 z.B. L-Signal liegt, in den übrigen
Bereichen O-Signal.
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In Fig. 2 sind die Zeitverläufe dieser Signale aufgezeiolinet. Up
stellt die Pick-up-Spannung dar, während Ud die um 90° verschobene Spannung darstellt.
SH/R ist der Verlauf des digitalen Signals des Komparators 11, der die Information
über Hin- oder Herschwingen gibt. Uab ist die gleichgerichtete Piok-up-Spannung
am Abgriff des Potentiometers i6, und Ut ist die Spitzenwertspannung am Ausgang
von 15.
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SA ist der Verlauf des digitalen Signals am Ausgang des Komparators
20.
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Die in der Phase zu vergleichenden Eingangsströme werden auf die Eingänge
EL und ER gegeben und durch die Komparatoren 1 und 2 in digital zu verarbeitende
Rechteoksignale verwandelt, welche jeweils an den wahren und invertierten Ausgängen
AL, AL, AR, & erscheinen.
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Die wahren Ausgänge AL und AR sind mit der Antivalenzschaltung 5 verbunden,
so daß diese an ihrem Ausgang Impulse liefert, deren Breite mit wachsender Phasenverschiebung
der Eingangsströme anwächst.
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Das Vorzeichen der Phasenlage wird durch dio folgende Anordnung gewonnen.
Die Impulsgeber 6, 7, 8 und 9 geben jeweils einen Impuls ab, wenn an den Ausgängen
AL, ÃL, AR oder AR ein OIZ-fjbergang auftritt, Eilt die Phase des oberen Kanals
(Eingang EL) gegendber.der Phase des unteren
Kanals (Eingang ER)
vor, so wird AL zeitlich vor AR einen Impuls abgeben bzw. bei der nächsten Halbwelle
die invertierten Ausgänge AL vor AR, Das RS-Flipflop 18 wird daher über das ODER-Gatter
13 zunächst in die L-Lage gebracht -sofern es nicht bereits in dieser Lage war -
und dann nach dem Nulldurchgang des unteren Kanals über das ODER-Gatter 14 in die
Null-Lage zurückgesetzt. Entsoheidend ist die Lage des RS-Flipflops zwischen den
Nulldurchgängen der beiden Kanäle. Es sei angenommen, daß dieses Flipflop bei Voreilung
des oberen ICanals die L-Lage hat, während es sich bei Nacheilung des oberen Kanals
in O-Lage befindet.
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In einem angenommenen ersten Fall sei der obere Kanal bei der Hinbewegung
des Gitters voreilend (RS-Flipflop 18 = bei der Herbewegung nacheilend (RS-Flipflop
18 = O). In einem angenommenen zweiten Fall sei der obere Kanal bei der Hinbewegung
nacheilend. Da der Komparator 11 mit dem Hin- und Hersohwingen des Gitters ebenfalls
zwischen L und 0 wechselt, ergibt sich am Ausgang der Antivalenzschaltung 24 für
den ersten Fall nun unabhängig von der Bewegungsrichtung ein O-Signal, für den zweiten
Fall dagegen ein L-Signal. Die Zusammenfassung der Signale an den UND-Gattern 22
und 23 bewirkt, daß bei einem Phasenuntersohied zwisohen beiden Kanälen im ersten
Fall eine positive, im zweiten Fall eine negative Spannung am Ausgang des Integrators
31 aufintegriert wird, wodurch im ersten Fall die Leuchtdiode 27, im zweiten Fall
die Leuchtdiode 28 aktiviert wird. Mit Hilfe von Vorspannungen, die von Batterien
29 und 30 bezogen werden, kann erreioht werden, daß bei Ausgangsspannung 0 des Integrators
beide Leuchtdioden untereinander gleich hell leuchten.
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Fig. 3 zeigt einen angenommenen Zeitverlauf der Signale, mit dem die
Vorzeichenbildung näher erläutert ist. In linken Teil der Zeichnung geben der Ausgang
der Antivalenzschaltung 5 und der Ausgang des RS-Flipflop 18 beide Impulse mit L-Signal
zur gleichen Zeit, was durch die gleiche Schraffierung angedeutet ist. Im rechten
Teil haben diese jedoch uagleiohesSignal, was durch die entgegengesetzte Schraffierung
deutlich gemacht ist.
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Bemerkenswert ist, daß mit der geschilderten Schaltung das Vorzeichen
der Fehlfokussierung (Phasenungleichheit) auch noch erkannt werden kann, wenn auf
einem angeschlossenen Oszillographenschirm infolge Rauschens keine Sinussohwingungen
mit einer eindeutigen Phasenlage mehr erkennbar wären. Die Ausgangsspannung des
Integrators 31 steigt bzw.
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fällt mit waohsender augenblicklicher Phasenverschiebung der beiden
Kanäle bei Schwingweiten des Gitters, die groß sind gegen die Gitterkonstante. Mittels
des Helligkeitsabgleichs der Leuohtdioden ist jedoch bei Schwingweiten, die kleiner
als eine Gitterkonstante sind, eine Feststellung der Phasengleichheit möglich.
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Die Ausgangsspannung des Integrators stellt nach Vorzeichen und Größe
ein Maß für die Ablage des optischen Systems vom Sohärfepunkt dar, Bei der Schaltung
in Fig. 4 ist ein anderer Lösungsweg beschritten. Wesentliche Bestandteile dieser
Schaltung, mit der die Phasendifferenz auch dann noch sicher bestimmt werden kann,
wenn die Schwingweite des Gitters im Mini mum nur eine halbe Gitterkonstante beträgt,
sind zwei Analogschalter S1 und S2, die im Eingang des einen Fotostrom-Signals parallel
liegen, wobei allerdings dem Schalter 2 ein Inverter 45 vorgeschaltet ist.
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Außerdem enthält die Schaltung eine Logik-Schaltung, die - wie in
der Schaltung nach Fig. 1 - unterscheidet, ob sich das Gitter bei seiner Schwingung
auf dem Hin- oder Rückgang befindet und ob der Nulldurchgang des ersten Fotostrcmsignals
nach Plus oder Minus geht. Diese Logik-Schaltung besteht aus den UND-Gattern 30,
31, 32 und 33 und den beiden nachgeschalteten ODER-Gattern 34 und 35.
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Insgesamt sind in der Schaltung drei Eingänge vorhanden, nämlich zwei
für die Fotostromsignale, die hier mit y2 und y1 bezeichnet sind, und ein weiterer
für das dem räumlichen Schwingungszustand des Gitters analoge Signal x. Für die
beiden letztgenannten Signale sind außerdem Differentiatorén 40 (dy1/dt) und 41
(dx/dt) vorhanden.
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Den Analogschaltern ist ein Speicherkondensator 36 nachgeschaltet,
an dem ein Gleichstromverstärker 37 mit hohem Eingangswiderstand angeschlossen ist.
An seinem Ausgang liegt das Anzeigemittel, das auch in diesem Ausführungsbeispiel
aus zwei LED 38, 39 besteht, die zwischen den Potentialen einer Batterie 40 liegen.
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Dieser Schaltung liegt folgende Überlegung zugrunde: Die Fotoströme
y1 und y2 der beiden Empfänger sind über dem Weg x der Gitterschwingung sinusförmig,
während sich die Verformung der Signale erst durch die sinusförmige Abtastung x(t)
ergibt. Dios in in Fig. 5 näher erläutert.
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Dort sind die beiden Signale y1 und y2 über, dem Weg x dargestellt.
Die zu ermittelnde Phasenverschiebung ist mit çx bezeichnet. Die Lösung dor Aufgabe
gelingt dadurch, daß man statt der Strecke x die Strecke y20 ermittelt, d.h. den
Wert, den y2 im Augenblick des Nulldurchganges von y1 besitzt. Das heißt, es ist
die Funktion Y2(t) in dem Augenblick abzutasten, in dem Yi(t)
durch
Null geht. Wann dieser Zeitpunkt ist, darüber braucht nichts ausgesagt zu werden.
Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung führt diese Abtastung mit Hilfe der beiden
Analogschalter S1 und S2 durch. Diese Analogschalter werden von der Logik 30 bis
35 angesteuert, die untersoheidet, ob das Gitter sich im Hin- oder Rückgang befindet,
und ob y1 beim Nulidurchgang nach Plus oder Minus geht.
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Die Analogsohalter geben den Wert von y20 bzw. -y20 auf den Speicherkondensator
36, von wo aus über den Gleichströmverstärker 37 die beiden LED 38 und 39 ähnlich
dem Ausführungsbeispiel in Fig.1 angesteuert werden.
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Die dargestellte vierfache Abtastung Je Schwingung ist dann nicht
nötig, wenn die Schwingamplitude mindestens eine Gitterkonstante beträgt und man
sich mit der Abtastung während einer Schwingrichtung und einem positiven Nulldurchgang
begnügt. Bei nur einer Abtastung während einer Gesamtsohwingung brauchen die Differentiatoren
dy1/dt und dx/dS jeweils nur einen Ausgang, und es entfallen drei der vier UND-Glieder,
die beiden ODER-Glieder und einer der beiden Analogschaltor.
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Die Spannung des Kondensators nlmmt hiermit dem Sinu der Phasenverschiebung
zu, erreicht also bei +90 ein Maximum, um darüber hinaus wieder abzufallen. Dies
kann vermieden werden, wenn man eine Summenspannung y = Y1 + Y2 bildet und dann
die Spannungen y1 und y2 in den Augenblicken der Nulldurchgänge der Summenspannung
abtastet.