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"Verfahren zur automatischen Fokussierung von optischen System"
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Fokussierung
eines optischen Systems, das mit einer Suchereinrichtung verbunden ist und deren
Fokussierung mit der des optischen Systems gekoppelt ict.
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Eine automatische Fokussierunc eines optischen Systems cuf ein aufzunehmendes
Objekt ist für viele anwendungen von erneblicher dedeutuny, da eine derartige Automatik
eine zuverlässige, schnelle und bequeme Wahl des richtigen Fokus erlaubt.
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Die Verwendung einer Fokussierautomatik ist besonders in Verbindung
mit Aufnahmeol objetiven mit variabler Brennweite (Varioobjektive) wUnschenswert.
Wird nämlich die brennweite des Varioobjektivs wührend des Aufnahmevorganges verändert,
erfordert dies die volle Aufmerksamkeit des Kameramanns, so dass ihm eine gleichzeitige
U7berwachung der Fokussierung nur schwer möglich ist. Diese chwierigkeit wird noc
erhöht durch eine spezielle Eigenschaft der üblichen Varioobjektive. Diese besitzen
nämlich bei kurzer Einstellbrennweite eine wesentlich grössere Schürfentiefe als
bei längeren Brennweiten. Aus diesem Grunde ist es mit den üblichen Einstellhilfen
(Hattscheibe, Schnittbildkeil, Mikroraster od. dgl.) gar nicht möglich, bei kurzer
Brennweite eine Fakussierung durchzuführen, die für eine längere Brennweite ausreichend
genau ist,
so dcss eine Kachkakussierung erforderlich ist, die zu
merklichen Bedienungsschwierigkeiten führt.
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Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die eine selbsttätige Fckussierung
ericuben. Die wichtigsten Verfahren basieren auf einer Messung des Bildkontrastes
und einer optimierung desselben durch Nachstellen der Entfernungseinstellung.
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Vorrichtungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, bringen bei Aufnahmen
von Objekten, die keine wesentliche Tiefenausdehnung besitzen, zufriedenstellende
Ergebnisse. Ist dagegen eine Tiefenausdehnuns vorhanden, so kann eine derart ausgelegte
Fokussierautomatik den mittleren Bildkontrast oder den Kontrast in einem vorgegebenen
dildausschnitt - vorzugsweise der 3ildmitte - optimieren. Dabei ist jedoch nicht
sichergestellt, dass sich die Fokussierung an demjenigen Cibjektivdetail orientiert,
das der kameramann scharf zu stellen wünscht.
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Der ErfIndung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fokussierautomatik
in optischen Systemen zu schaffen, die es dem Kameramann erlaubt, willkürlich ein
bestimmtes bbjekt scharfzustellen, ohne dazu eine bewusste Manipulation ausfUhren
zu mUssen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Akkommodationszustand des deobachterauges
des Kameramannes als Kriterium für die Fokussierung des Aufnahmeobjektivs verwendet.
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Das Verfahren nacil der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem optischen System ein Sucherstrahlengang verbunden ist, dessen Fokussierung
mit der des optischen Systems gekoppelt ist, dass ein Hilfsstrahlengang vorhanden
ist, der den Akkommodationszustand
des Beobachterauges durch fotoelektrische
Kontrastmessung im Bild der Augennetzhaut kontrolliert, dass von der ;vontrcsteinrichtung
Uber einen Stellmotor des optische System gemeinsam mit dem Sucherstrahlengang fortlaufend
derart nachfokussiert wird, dass der Akkommodationszustand des Beobachterauges konstant
bleibt, so dass das vom Beobachter gerade fixierte Objektdetail im Sucherstrahlengang
und damit auc das von dem optischen system entworfene L3ild dieses Objektdetails
stets in der gleichen Ebene fokussiert wird.
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Eine besonders zweckmässige Ausführungsform des erfindungsgemässen
Verfahrens erhält man, wenn der Akkommodationszustand des Beobachterauges in dem
Hilfsstrahlengang mit infrarotem Licht dadurch bestimmt wird, dass der Sildkontrast
der natürlichen Augennetzhautstruktur gemessen wird oder dass eine Objektstruktur
auf die Augennetzhaut projiziert und dann ihr Bildkontrast gemessen wird.
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Eine vorteilharte Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens
wird erreicht, wenn in dem Hilfsstrahlengang der kontrast der @ugennetzhautstruktur
mit sichtbarem, vom Sucherstrahlengang geliefertem Licht vermessen wird.
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Auch kann es geeignet sein, wenn dem Sucherbild ein Gitterrcster überlagert
wird, welches derart schnell bewegt wird, dass es dem Beobachterauge unerkennbar
bleibt und dass das Bild des Gitter rasters auf der Augennetzhaut vermessen wird.
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Ferner kann das Augennetzhautbild geometrisch aufgespalten sein und
auf zwei getrennte Empföngereinheiten gelenkt werden, wobei aus dem hontrastunterschied
die Richtung der notwendigen Nachfokussierung erkennbar ist.
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Das erfindungsgemässe Verfahren sowie einige zur burchfünrung des
Verfahrens geeignete Vorrichtungen werden nun anhand einiger in der Zeichnung schematisch
dargestellter Ausführungsbeispiele genauer beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems
mit Fokussierautomatik unter Verwendung des sichtbaren, vom Sucherstrahlengang gelieferten
Lichts, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit Fokussierautomatik
unter Verwendung von einer infraroten Lichtquelle, Fig. 3 eine schematische Darstellung
einer Fokussierautomatik in abgewandelter Form nach Fig. 2, Fig. 4 eine schematische
Darstelluny des [iilfsstrahLenganges mit zwei Empfangereinheiten.
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Die Vorrichtung nacn Fig. 1 besteht aus einem optischen System 1,
einem teildurchlussigen Spiegel 2, der zwischen dem optischen System 1 und einer
bildebene 12 angeordnet ist, einem lichtundurchlössigen Spiegel 3 und einem Suchersystem
4. Hinter dem Suchersystem 4, welches ein verschiebbares Okular aufweist, ist ein
Auge 5 eines Beobachters (Filmer, Kameramann od.dgl.) dargestellt. Das optische
System 1 ist mit dem Suchersystem 4 derart verbunden, dass die Fokussierung beider
Systeme gekoppelt ist. Zwischen dem Spiegel 3 und dem Suchersystem 4 ist ein teildurchlüssiger
Spiegel 6 angeordnet, der das von der Netzhaut des Auges 5 reflektierte Licht einem
Hilfsstrahlengang mit einer zammellinse 7 zuleitet. Im Hilfsstrahlengang befindet
sich ein bewegtes Gitterraster 8 unc ein
fotoelektrischer Empfänger
#, der seine Impulse in an sich bekannter Weise über einen Verstärker 10 einem Stellmotor
11 zuleitet.
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t)er stellmotor 11 dient zur Verstellung der für die Fokussierung
vorgeschenen Stellglieder des optischen Systems 1. In Lichtrichtung vor dem optischen
system 1 befindet sich ein objekt 13.
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In Fig. ' ist gegenüber Fig. 1 der lichtundurchlässige Spiegel v durch
einen dichroitischen Spiegel 14 ersetzt, der das sichtbare Licht reflektiert und
der fUr das infrarote Licht durchlässig ist.
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or dem Spiegel 14 ist ne Lichtquelle 15 mit einem nur für infrarotes
Licht durchlässigen Filter 16 angeordnet. Das Licht der Lichtquelle 15 wird dem
Auge 5 des Beobachters zugeleitet. Das Bild der Augennetzhaut wird in den Hilfsstrahlengang
reflektiert und auf einer infrarotempfindlichen Fernsehröhre 17 abgebildet.
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Die dadurch entstehenden Signale werden über einen Bandfilterverstärker
18 dem Stellmotor 11 zur Verstellung der optischen Stellglieder zugeführt. Als Variante
zu dem Empfänger kann auch ein Diodenarrey eingesetzt werden, bei dem die einzelnen
Dioden der Reihe nach elektrisch abgefragt werden.
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In Fig. 8 ist zwischen dem dichroitischen spiegel 14 und der Infrarot-Lichtquelle
15 und 16 ein bewegtes Gitterraster 19 und eine Sammellinse 20 eingeschaltet. Mit
8' ist ein festangeordnetes Gitterraster im Hilfsstrahlengang bezeichnet. Das Gitterraster
19 wird dem Sucherbild Uberlagert und sein Bild auf der Augenntzhaut vermessen.
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In der Fig. 4 ist nur der Hilfsstrahlengang dargestellt, in dem zwei
schnell bewegbare Gitterraster 21 und 22 angeordnet sind.
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Das Augennetzhautbild wird geometrisch aufgespalten und auf zwei
getrennte
Empfängereinheiten 23 und 24 gelenkt, denen ein uifferenzvestärker 25 nachgeschaltet
ist. Aus dem Kontrastunterschied ist die wichtung der notwendigen Nachfokussigrung
erkennbar.
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Es können aber audi sonstige an sich bekannte Kontrastemessmethoden,
wie beispielsweise mit Hilfe von nichtlinearen Empfängern, zum L:insatz gelangen.
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Das Sucherbild, das aus dem Aufnahmestrahlengang über den lichtdurchlässigen
Spiegel 2 in Ublicher Weise ausgespiegelt wird und dessen Fokussierung mit der Aufnahmefokursierung
gekoppelt ist, wird dem Auge des Kameramanns ohne eine Akkommodationshilfe (Mattscheibe
o.ä.) dargeboten. Daher kann er bei einem in die Tiefe gestaffelten Objekt sein
Auge auf nähere oder fernere Details akkommodieren.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindunsgemä.ssen Verfahrens
sei eine Einstellung angenommen, bei der der Aufnahmestrahlengang auf ein bestimmtes
Objekt fokussiert ist und der Kameramann im Sucher dasselbe Objekt scharf sieht.
Weiterhin sei der Hilfsstrahlengang so justiert, dass gleichzeitig das Augennetzhautbild
dort maximalen Kontrast zeigt.
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Ändert sich nun der Objektabstand oder lenkt der Kameramann seine
Aufmerksamkeit auf ein in anderem Abstand befindliches Detail, so muss sich die
Alckommodation seines Auges ändern. Dadurch mindert sich der Kontrast im Hilfsstrahlengang.
Von einer an sich bekannten Elektronik wird daraufhin über den Stellmotor die Fokussierung
des optischen Systems verändert, was zu einer Verlagerung der Schärfenebene im Aufnahme-
und Sucherstrahlengang fUhrt. Wenn diese Fokussierungsunderung mit einer angemessenen
Geschwindigkeit erfolgt, wird der Kameramann seine Akkommodation unwillkurlich mit
verändern,
sofern er sich weiterhin auf dasselbe Objekt konzentriert. Daher wird die Sucherbeobachtung
nicht beeinträchtigt, wenn die rlektronik das optische System oder Teile davon solange
nachfokussiert, bis das Augennetzhautbild im Hilfsstrahlengang wieder maximalen
Kontrast zeigt. damit ist erreicht, dass das neue oder im abstand veränderte Objekt
in die ursprüngliche Fokussierebene des Sucherstrahlenganges abgebildet wird, und
-wegen der optischen Kopplung mit dem Aufnahmestrahlengangauch letzterer auf das
veränderte objekt fokussiert ist.
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Art und Wirkungsweise des Hilfsstrahlenganges und seine bevorzugten
Ausführungsmöglichkeiten werden im folgenden näher beschrieben.
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Aufgabe des Hilfsstrahlenganges ist es, die Akkommodation des Auges
zu kontrollieren und bei Veränderung über eine Nachfokussierung des optischen Systems
wieder in den vorherigen Zustand zu bringen.
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dekannterweise wird die Akkommodation durch eine Verformung der Augenlinse
bewirkt. Diese Verformung direkt messtechnisch zu verfoigen, ist für die hier angestrebte
Anwendung nicht möglich, weil die unvermeidlichen Lageänderungen des Auges beim
Bedienen einer Kamera jede Messung verfälschen würden. Dagegen ist das Augennetzhautbild
von der Lage des Auges weitgehend unabhängig, weil bei einem einigermassen normalsichtigen
-uge die Akkommo dation annähernd auf Unendlich erfolgt. Deshalb wird das /iugennetzhautbild
zur Akkommodationskkontrolle verwendet.
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Diese Kontrolle darf den Akkommodationsvorgang nicht beeinflussen.
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Es sehen folgende Hessmöglichkeiten zur Auswahl:
a)
Beleuchtung der Augennetzhaut mit infrarotem Licht und Messung des Kontrasts der
natürlichen Augennetzhautstrukturen.
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b) Projektion eines infraroten Testbilds (Spalt, Gitter, od.dgl.)
auf die Äugennetzhaut und Auswertung desselben im zurückseworfenen Bild.
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c) Messung des Kontrasts der natürlichen Augennetzhaustrukturen bei
beleuchtung durch das Sucherbild.
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d) Überlagerung einer Gitterstruktur mit dem Sucherbild, die so schnell
bewegt wird, dass diese dem duye nicht erkennbar ist, und eine Auswertung im zurückgeworfenen
Bild.
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Die Analyse des Bildkontrasts kann auf an sich bekannte Art dadurch
erfolgen, dass in dem Hilfsstrahlengang das Augennetzhautbild auf einen bewegten
Spalt, ein bewegtes Gitter oder auf eine um bewegte Struktur fällt, hinter denen
ein foto elektrischer Empfänger die Signalmodulation auswertet. Ebenso kann das
Augennetzhautbild auf einer Fernsehaufnahmeröhre oder einem Diodenarrey entworfen
werden, deren Signalkontrast dann elektronisch ausgewertet wird.
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Zusätzlich kann das Augennetzhautbild geometrisch aufgeteilt und auf
zwei getrennte Lmpfänger abgebildet werde, die gegeneinander geringfügig defokussiert
sind. Die optimale Einstellung erfolgt dann auf gleichen Kontrast in den beiden
Lmpfängereinheiten.
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Dies hat den Vorteil, dass bei einer Akkommodationsänderung des suges
aus dem Kontrastunterschied in den beiden Empfänyereinheiten die Richtung der notwendigen
Nachfokussierung besonders einfach festgestellt werden kann.
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Die Einrichtungen nach dem erfindungsgemässen Verfahren mUssen, da
diese durch das Auge des jeweiligen deobactiters gesteuert werden, auf dessen Eigenschaften
zunächst eingestellt werden. Das erfolgt dadurch, dass zuerst der Aufnahmestrahlengang
fokussiert wird und zwar zweckmässig nach Objektivanschlag auf ein unendlich fernes
Objekt. Danach stellt der Kameramann die Okulerlinse so ein, dass ein unendlich
fernes Objekt im Sucher bei entspannter Akkommodation scharf erscheint. Daraufhin
wird die Fokussierautomatik justiert. Dazu wird, während der Beobachter weiterhin
des unendlich ferne objekt beobachtet, der Hilfsstrahlengan auf maximalen ,;ontrast
eingestellt. Die selbsttätige Nachfakussierung erfolgt dann in der oben beschriebenen
Weise.
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Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist eine Fokussierautomatik geschaffen
worden, die auch bei tiefengestaffelten Objekten das optische System auf dasjenige
Detaii fokussiert, auf das der Beobachter seine Aufmerksamkeit richtet.
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Derartige Einrichtungen sind besonders geeignet fUr photographische
Laufbildkameras, Fernsehkameras, Beobachtungsfernrohre und zur Entfernungsnxessung.