DE2619795B2

DE2619795B2 - Verfahren und Anordnungen zur automatischen Parallaxebestimmung

Info

Publication number: DE2619795B2
Application number: DE2619795A
Authority: DE
Inventors: Franz Prof. Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Mesch; Horst Dipl.-Ing. 7501 Blankenloch Moll
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1976-05-05
Filing date: 1976-05-05
Publication date: 1978-03-30
Also published as: JPS63722B2; JPS52134464A; FR2350619A1; DE2619795C3; CA1079955A; FR2350619B1; US4104517A; CH614523A5; GB1582462A; SE437084B; DE2619795A1; SE7705147L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Parallaxebestimmung bei stereoskopischen, vorzugsweise zweiäugigen optischen Systemen mit mindestens einer sich bewegenden Rasterstruktur im Abbildungsstrahlengang, mit in einem solchen System aus unterscheidbaren Lichtflüssen gewonnenen elektrischen Signalen. Die Erfindung betrifft ferner Anordnungen zur Durchführung dieser Verfahren.

Bei stereoskopischen optischen Systemen ist es erwünscht, daß die Parallaxe zwischen zwei Teilbildern automatisch bestimmt wird. Dies gilt beispielsweise für Basisentfernungsmesser oder für die Auswertung von Stereoluftbildern. Hierfür wurden bereits unter-

j-5 schiedliche Systeme zur optisch-elektrischen Abtastung sowie zur Weiterverarbeitung der dabei anfallenden elektrischen Signale vorgeschlagen.

Eine solche Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt, bei welcher die Grundwelle der anfallenden Signale genutzt wird. Zwei Objektive 10 und 11, welche die Lichtkanäle bestimmen, bilden über Umlenkspiegel 12, 13, 14, 15 ein nicht mit dargestelltes Objekt auf eine Rasterstniktur 16 ab, welche durch einen von einem Generator 17 gespeisten Antrieb 17' senkrecht zu den optischen Achsen 18, 19 bewegt wird. Jeder optischen Achse ist ein fotoelektrischer Empfänger 20,21 zugeordnet, weiche die Rasterstruktur passiert habende Lichtanteile in elektrische Signale umwandeln. Jedem Empfänger 20, 21 ist ein mit einem vom

so Generator 17 abgeleiteten Referenzsignal gesteuerter Phasendiskriminator 22, 23 nachgeschaltet, und der dem ersten Kanal zugeordnete Diskriminator 22 ist mit seinem Ausgang über einen Regler 24 mit dem Antrieb 17' der Rasterstruktur 16 verbunden, während das Ausgangssignal des Diskriminators 23 über einen Regler 26 auf einen Verstellmechanismus 25 einwirkt, welcher den Spiegel 15 schwenken kann.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist so, daß

der erste Kanal die Ortsphasendifferenz bestimmt und

e,o über den Regler 24 die mittlere Lage der Rasterstruktur so lange verschiebt, bis sein Ausgangssignal zu Null geworden ist. Der Phasendiskriminator 23 zeigt in diesem Fall die Parallaxe an. Über den Regler 26 und den Antrieb 25 des Spiegels 15 wird die resultierende Parallaxe auf Null abgeglichen.

Nachteilig ist hier, daß zwei Regelkreise benötigt werden, die über die Rasterstruktur miteinander verkoppelt sind.

In der US-PS 3710 124 ist ein Verfahren beschrieben, das von der Grundwelle und der 2. Oberwelle ausgeht. Der Nachteil des dort Beschriebenen liegt darin, daß, wie sich zeigen läßt, die Genauigkeit des Meßergebnisses von der Genauigkeit abhängt, mit welcher die Verstärkung eingestellt wird, die wiederum von den Amplituden der Grundwelle und der 2. Oberwelle abhängt.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren sowie Anordnungen zu ihrer Durchführung ι ο zu schaffen, welche die aufgezeigten Nachteile nicht aufweisen. Die zur Durchführung geeigneten Anordnungen sollen insbesondere einfacher im Aufbau und damit weniger störanfällig sein, sie sollen aber nach Möglichkeit noch bessere und/oder einfacher auswertbare Signale liefern. Dies gilt beispielsweise für ihre Anwendung bei Basisentfernungsmessern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, diß zwei der gewonnenen elektrischen Signale voneinander sub- ίο trahiert werden, daß eines der beiden Signale differenziert wird, daß das bei der Differentiation entstandene Signal mit dem durch die Subtraktion entstandene Differenzsignal multipliziert wird und daß das bei der Multiplikation entstandene Signal eine Anzeigeeinrichtung und/oder Servoeinrichtung steuert. Es kann aber auch das aus der Multiplikation gewonnene Signal mit einem der Geschwindigkeit der Bewegung der Rasterstruktur entsprechenden Referenzsignal multipliziert werden, wobei dann das bei dieser Multi- 3u plikation entstehende Signal eine Anzeigeeinrichtung und/oder Servoeinrichtung steuert. Dabei kann das jeweils aus der Multiplikation entstandene Steuersignal geglättet werden.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß eines der mittels fotoelektrischer Empfänger gewonnenen elektrischen Signale einer Differenzierstufe sowie einer Subtrahierschaltung zugeführt wird, deren zweiter Ausgang das andere elektrische Signal zugeführt wird und daß der Differenzierstufe und daß der Subtrahierschaltung eine Multiplikationsstufe nachgeschaltet ist, deren Ausgangssignal eine nachgeschaltete Anzeigeeinrichtung und/oder Servoeinrichtung steuert. Eine andere Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine weitere Multiplikationsstufe vorgesehen ist, deren einem Eingang das Ausgangssignal der ersten Multiplikationsstufe und derem zweiten Eingang ein der Geschwindigkeit der Bewegung in der Rasterstruktur entsprechendes Referenzsignal zugeführt wird und deren Ausgangssignal dann eine Anzeigeeinrichtung und/ oder Servoeinrichtung steuert. Dabei könner zur Erzeugung des Referenzsignals eine Differenzierstufe, ein zusätzlicher Abtastkopf oder ein spezieller Generator vorhanden sein. Die zweite Multiplikationsstufe kann ein phasenempfindlicher Gleichrichter, ein elektronischer Umschalter oder ein Ringmodulator sein. Der letzten Multiplikationsstufe können signalglättende Mittel nachgeschaltet sein.

Die Vorteile der neuen Verfahren bzw. der zu ihrer Durchführung verwendeten Anordnungen liegt darin, daß nur ein Regelkreis vorhanden ist, welcher ein besseres dynamisches Verhalten erbringt. Es wird nur eine minimale Mittelungszeit beansprucht. Bandpässe &5 werden nicht benötigt. Vielmehr stellen die neuen Verfahren Nullverfahren mi! ihren bekannten Vorteilen bezüglich systematischer und zufälliger Fehler dar.

Die Vorteile lassen sich im Vergleich mit Vorbekanntem, beispielsweise mit dem Inhalt der DT-OS 2437282 verdeutlichen. In dieser Schrift ist eine Einrichtung zur fotoelektrischen Bestimmung der Lage mindestens einer Schärfeebene eines Bildes innerhalb eines optischen Gerätes mit einer Optik zur Abbildung mindestens eines Objektes auf mindestens ein Ortsfrequenzfilter eines optischen 3ildkorrelators und mit einer Meßwertanzeige der durch das Ortsfrequenzfilter gefilterten Lichtflüsse beschrieben. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Einrichtung wird ein Objekt über zwei Objektive auf je ein schwingendes Raster als Ortsfrequenzfilter abgebildet. Weitere Optiken bilden jeweils Raster plus Objektbild auf eine von zwei Empfängerzeilen ab. Diese Empfängerzeilen sind mit Differenzverstärkern so verschaltet, daß jeweils ein Empfänger der einen Zeile zusammen mit dem räumlich entsprechend angeordneten Empfänger der anderen Zeile einen Verstärker steuern. Die Ausgänge der Differenzverstärker sind über Gleichrichter an ein Summierglied gelegt, dem ein Anzeigegerät nachgeschaltet ist. Beim Fokussieren der Optik durchläuft die Anzeige ein Minimum, welches der Scharfeinstellung des Objektes entspricht. Für jeden anderen Meßwert ist aber nicht erkennbar, welche Bewegungsrichtung der Optik zu einer Verbesserung in Richtung Scharfeinstellung führt.

Anders beim Anmeldungsgegenstand, bei dem beim Fokussieren der Optik ein Signal den Wert 0 als der Scharfstellung entsprechenden Wert mit Vorzeichenumkehr durchläuft und damit klar zu erkennen gibt, welche Bewegungsrichtung der Optik zur Scharfeinstellung führt.

Anordnungen zur Durchführung der neuen Verfahren sind in den nachfolgend genannten Figuren schematisch dargestellt und im weiteren beschrieben. Es zeigt

Fig. 2 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

Fig. 3 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2.

In Fig. 2 sind zwei Objektive 10,11 gezeigt, welche die Lichtkanäle bestimmen und über Umlenkspiegel 12 bis 15 ein nicht mit dargestelltes Objekt auf eine Rasterstruktur 16 abbilden. Letztere wird durch einen von einem Generator 30 gespeisten Antrieb 31 senkrecht zu den optischen Achsen 18, 19 bewegt. Jeder optischen Achse ist ein fotoelektrischer Empfänger 20, 21 zugeordnet, die die Rasterstruktur passiert habende Lichtanteile in elektrische Signale umwandeln. Der Empfänger 20 ist mit den Eingangsklemmen einer Differenzierstufe 32 sowie einer Subtraktionsstufe 33 verbunden. Der andere Empfänger 21 ist mit dem zweiten Eingang dieser Stufe 33 verbunden. Die Ausgänge der Stufen 32 und 33 sind an die Eingänge einer Multiplikationsstufe 34 gelegt, deren Ausgangssignale - gegebenenfalls nach Durchlaufen einer zusätzlichen Glättungsstufe 35 - eine Servoeinrichtung 25 steuern, die auf den schwenkbaren Spiegel 15 einwirkt. Auch kann eine Anzeigeeinrichtung 36 vorhanden sein. Die soweit beschriebene Anordnung ist dann anwendbar, wenn die Rasterstruktur stets in einer Richtung bewegt wird. Eine Realisierungsmöglichkeit hierfür ist die umlaufende Rasterscheibe oder die umlaufende Rastertrommel.

Nun gibt es aber Anwendungsfälle, bei denen derartige umlaufende Rasterstrukturen zu viel Raum innerhalb eines Gerätes bzw. Geräteteils beanspruchen

würden. Hier weicht man dann auf eine schwingende Rasterstruktur aus, die genügend klein gehalten werden kann. Im Betrieb mit einer solchen schwingenden Rasterstruktur ist die Verwendung einer Anordnung von Vorteil, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Das hier Gezeigte unterscheidet sich von im Fi g. 2 Dargestellten dadurch, daß der Multiplikationsstufe 34 hier eine weitere Multiplikationsstufe 40 nachgeschaltet ist, deren zweiter Eingang mit einem Referenzsignal beaufschlagt wird, welches der Geschwindigkeit der Bewegung der Rasterstruktur proportional ist. Dieses Signal läßt sich auf unterschiedliche Weise erzeugen. Einmal ist es beispielsweise möglich, zur Speisung des Antriebs 31 einen Generator 42 zu verwenden, der zusätzlich einen weiteren Ausgang aufweist, welcher das gewünschte Referenzsignal liefert. Eine andere Möglichkeit ist die gestrichelt angedeutete Ableitung des Referenzsignals direkt aus dem Speisesignal des Antriebs 31, beispielsweise mittels einer Differenzierstufe 43. Auch ist es möglich, dieses Referenzsignal unter Verwendung eines zusätzlichen fotoelektrischen Empfängers44 zu gewinnen, welcher die Rasterstruktur direkt abtastet. Ein solcher Empfänger ist ebenfalls gestrichelt dargestellt.

Das Ausgangssignal der Multiplikationsstufe 40 steuert dann - gegebenenfalls nach Durchlaufen einer Glättungsstufe 35 - die Servoeinrichtung 25, welche auf den schwenkbaren Spiegel 15 einwirkt.

Die Multiplikationsstufe 40 läßt sich auf unterschiedliche Weise realisieren. Sie kann als analoger Multiplizierer (vgl. »Product Guide« der Fa. Analog Devices, 1975, S. 152-154) ausgebildet sein, sie kann aber auch beispielsweise durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter (vgl. BMFT Forschungsbericht W 70-40; Weltraumforschung, die Abhandlung »Weiterentwicklung von Infrarot-Spalt- und Horizontsensoren« von N. Kluge, S. 32, insbesondere Abb. 1.11) oder einen elektronischen Schalter oder durch einen Ringmodulator (beides vgl. Buch »Nachrichtentechnik von Steinbruch/Ruppert, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York, 1967 S. 290ff., insbesondere Abb. '',20—7.23) dargestellt werden.

Hierzu 2 Blait Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur automatischen Parallaxebestimmung bei stereoskopischen, vorzugsweise zweiäugigen optischen Systemen mit mindestens einer sich bewegenden Rasterstruktur im Abbildungsstrahlengang, mit in einem solchen System aus unterscheidbaren, d. h. sich in mindestens einer ihrer Eigenschaften oder Relativlagen unterscheidenden Lichtflüssen gewonnenen elektrischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zwei der gewonnenen elektrischen Signale voneinander subtrahiert werden, daß

b) eines der beiden Signale differenziert wird, daß

c) das .bei der Differentia tion entstandene Signal mit dem durch die Subtraktion entstandenen Differenzsignal multipliziert wird, und daß

d) das bei der Multiplikation entstehende Signal eine Anzeigeeinrichtung und/oder eine Servoeinrichtung steuert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Multiplikation gewonnene Signal mit einem der Geschwindigkeit der Bewegung der Rasterstruktur entsprechenden Referenzsignal multipliziert wird, und daß das bei dieser Multiplikation entstehende Signal eine Anzeigevorrichtung und/oder Servoeinrichtung steuert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Multiplikation entstandene Steuersignal geglättet wird.
. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der mittels fotoelektrischer Empfänger (20, 21) gewonnene elektrische Signal einer Differenzierstufe (32) sowie einer Subtrahierschaltung (33) zugeführt wird, deren zweitem Eingang das andere elektrische Signal zugeführt wird, daß der Differenzierstufe (32) und daß der Subtrahierschaltung (33) eine Multiplikationsstufe (34) nachgeschaltet ist, deren Ausgangssignal eine nachgeschaltete Anzeigeeinrichtung (36) und/ oder eine Servoeinrichtung (25) steuert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 eine weitere Multip'ikationsstufe (40) vorgesehen ist, deren einem Eingang das Ausgangssignal der ersten Multiplikationsstufe (33) und derem zweiten Eingang ein der Geschwindigkeit der Bewegung der Rasterstruktur (16) entsprechendes Referenzsignal zugeführt wird und deren Ausgangssignal eine Anzeigeeinrichtung (36) und/oder Servoeinrichtung (25) steuert.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals aus dem Antriebsstrom für die Rasterstruktur eine Differenzierstufe (43) vorgesehen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals aus der Strukturbewegung direkt ein zusätzlicher, dieser zugeordneter Abtaster (44) vorgesehen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsi-

gnals für den Antrieb der Rasterstruktur ein mit entsprechenden Ausgängen versehener Generator (42) vorhanden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Multiplikationsstufe ein phasenempfindlicher Gleichrichter ist.
10. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Multiplikationsstufe ein elektronischer Umschalter ist.
11. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Multiplikationsstufe ein Ringmodulator ist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der letzten Multiplikationsstufe signalglättende Mittel (35) nachgeschaltet sind.