DE2637284B2

DE2637284B2 -

Info

Publication number: DE2637284B2
Application number: DE2637284A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Phys. 6331 Nauborn Probst
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1976-08-19
Filing date: 1976-08-19
Publication date: 1979-06-07
Also published as: JPS6214761B2; GB1528306A; DE2637284A1; JPS5324859A; US4158131A; DE2637284C3; CH618262A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automati-

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

Bei sterecskopischen optischen Systemen ist es erwünscht, daß die Parallaxe zwischen zwei Teilbildern automatisch bestimmt wird. Dies gilt beispielsweise für Basisentfernungsmesser oder für dis Auswertung von Stereoluftbildern. Hierfür wurden bereits unterschiedliche Systeme zur optisch-elektrischen Abtastung sowie zur Weiterverarbeitung der dabei anfallenden elektri sehen 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 Rasterstruktur 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, welche die Rasterstruklur passiert habende Lichtanteile in elektrische Signale umwandeln. Jedem Empfänger 20, 21 ist ein mit einem vom 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 Verstellmcchanismus 25 einwirkt, welcher den Spiegel 15 schwenken kann.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist so, daß der erste Kanal die Ortsphasendifferenz bestimmt und 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 SI 10 124 ist ein Verfahren besenrieben, 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 zu schaffen, welche die aufgezeigten Nachteile nicht aufweisen. Die zur Durchführung geeigneten Anordnungen süiien insbesondere einfacher im Aufbau und damit' weniger störanfällig sein, sie sollen a'uer nach Möglichkeit noch bessere und/oder einfacher auswertbare Signale liefern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß zwei der gewonnenen elektrischen Eingangssignale differenziert werden, daß jedes der bei der Differentiation entstandenen Signale mit dem anderen gewonnenen elektrischen Eingangssignal multipliziert wird, daß dann die aus diesen Multiplikationen r.itstehenden Signale voneinander subtrahiert werden, und daß das aus der Subtraktion resultierende Signal mit einem auf die Relativbewegung der RasterstruktLr I-zogenen Referenzsignal multipliziert wird und das b.-i dieser Multiplikation entstehende Signal eine Anzeige- und/oder Servoeinrichtung steuert. Das aus der letztgenannten Multiplikation entstandene Signal kann noch geglättet werden. Mit Vorteil können noch die gewonnenen elektrischen Eingangssignale gesiebt werden. Auch können aus den zu subtrahierenden Signalen oder aus dem durch Subtraktion gewonnenen Signal Gleichsignalanteile eliminiert werden.

Eine Anordnung zur Durchführung li.s Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß beide mittels fotoelektrischer Empfänger gewonnenen elektrischen Eingangssignale je einer Differenzierstufe zugeführt werden, denen je eine Multiplikationsstufc nachgeschaltet ist, welchen jeweils das andere Eingangssignal mit zugeführt wird, daß die Ausgangssignale dieser Multiplikationsstufen einer Subtrahierstufe zugeführt werden, deren Ausgjngssignal in einer nachgeschalteten Mu'tiplikationsstufc auf einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur bezogenen Referenzsignal multipliziert wird, und daß deren Ausgangssignal einer nachgeschalteten Anzeigeeinrichtung und/oder einer Servoeinrichtung zugeführt wird. Dabei kann der letzten Multiplikationsstufe eine Integrationsstufe nachgeichaltet sein. Den fotoelektrischen Empfängern können Tiefpaßfilter nachgeschaltet sein. Der Subtrahierstufe können Hochpaßfilter vorgeschaltet, es kann ihr aber auch ein Hochpaßfilter nachgeschaltet sein. Zur Erzeugung des Referenzsignals können eine Differenzierstufe oder ein zusätzlicher Abtaster vorhanden sein. Es kann dazu aber auch ein mit entsprechenden Ausgängen versehener Generator vorhanden sein. Die letztgenannte Multiplizierstufe läßt sich als phaienempfindlicher Gleichrichter, als elektronischer Schalter oder als Ringmodulator darstellen.

Wie sich gezeigt hat, läßt sich nach dem neuen Verfahren die aus der Parallaxe resultierende Phasendifferenz, welche in einem geschlossenen Regelkreis beispielsweise durch ein optisches Stellglied zu Null gemacht werden soll, unabhängig von den Amplituden der Eingangssignale bzw. deren Relativphasenlage regeln.

Als Beispiel zur Erläuterung sei angenommen, daß

ίο das neue Verfahren im Zusammenhang mit einem Basis-Entfernungsmesser angewendet werden soll, in dessen beiden Kanälen in Bildebenen Raster montiert sind, welche mit einer Amplitude von Ά Rasterperiode schwingen. An den Gittern nachgeordneten fotoeliektrisehen Empfängern treten dann elektrische Signale S\ und S₂ auf, die sich aus einem Grundwellenanteil sin tar und einem Oberwellenanteil cos 2 ωί zusammensetzen. Sie haben im Idealfall die Form

S₁ (r) = C₁ (cos 0 sin «>t + K sin Φ c< > 2 mi)

S₂U) = C₂ (cos [0 + V] sin «, 14- K sin [ 0 + V] cos 2 mi);

dabei sind Q und C₂ Amplitudenfaktoren, die durch Regelung möglichst konstant und gleich groß gehalten werden sollen. Der Faktor K entspricht dem Verhältnis von Oberwellen- zur Grundwellenamplitude, er hat bei einer Schwingungsamplitude des Rasters von etwa ¹A Teilungsperiode angenähert den Wert 0,5 Φ ist eine

jo beliebige Anfangsphase, die sich aus der zufälligen Phasenlage zwischen dem Bild des angemessenen Objektes und dem Raster ergibt. Ψ ist die aus der Parallaxe zwischen «ien beiden Kanälen resultierende Phasendifferenz.

J5 Es gilt nun, diejenige Kombination der beiden genannten Signale zu finden, die im Abgleichfall unabhängig von den Amplituder, der beiden Signale und ihrer Phasenlage Φ ist. Außerdem soll diese Kombination unter Einsatz möglichst wenig aufwendiger Mittel realisierbar sein.

Er.indungsgemäß wird die Kombination

S_c = (S₁ S₂-S₂S₁)COS^f

verwendet, wobei die über den Buchstaben angebrachten Punkte angeben, daß es sich um zeitlich differenzierte Signale handelt. Durch Einsetzen der entsprechenden Größe ergibt sich

S_c= -i/A O)KC, C₂ sin Ψ.

Für Ψ — 0 ist also — wie gewünscht — S_c = 0, und zwar unabhängig von den Größen Φ, C\ und C₂.

Für Ψ Φ 0 dagegen wirken die AmpiitudengröBen mit. Und da S_c p. oportional zu sin Ψ isi. ist ein vorzeicfKfinchtiger und symmetrischer Abgleich im Bereich!? = ±180° möglich.

Als Prinzipschaltbild stellt sich die gefundene Lösung wie in der Zeichnung in Fig.2 beispielsweise gezeigt dar:

Die beiden mittels der beiden Objektive 10, i\ und der Umlenkspiegel 12 bis 15 eines Basisentftrnungsmessers sowie eines bewegbar gelagerten, von einem Antrieb 31 in Schwingbewegungen versetzten Rasters 16 als Rasterstruktur und zweier fotoelektrischer Empfänger 20,21 aus den Strahlengängen in Abhängigkeit vom Objekt gewonnenen Eingangssignale Si ff,) und S₂ (t) werden je einer Differenzierstufe 32,33 zugeführt,

deren Ausgangssignale jeweils zusammen mit dem anderen Eingangssignal in eine Multiplikationsstufe 34 bzw. 35 eingespeist werden. Deren Ausgangssignale werden in einer nachgeschalteten Stufe 36 voneinander subtrahiert und dann das sich darauf ergebende Signal in > einer weiteren Multiplikationsstufe 37 mit einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur 16 bezogenen Referenzsignal multipliziert. Das somit erhaltene Signal Sc ist das gewünschte Stellsignal, welches noch — falls erforderlich oder erwünscht — mittels einer nachgeschalteten, beispielsweise als Integrationsstufe ausgebildeten Glättungsstufe 38 (gestrichelt angedeutet) geglättet werden kann, bevor es den im Regelkreis befindlichen Antrieb 25, welcher den drehbar befestigten Umlenkspiegel 15 schwenkt, und/oder eine Anzeige- ι > vorrichtung 39 speist.

Die Ableitung des Referenzsignals laßt sich auf unterschiedliche Weise erreichen. Einmal kann man /ur Speisung des KäSiciänificuJ 3i triiieii Generator 42 verwenden, der zusätzlich einen weiteren Ausgang ·?» aufweist, welcher das gewünschte Referenzsignal liefert. Eine andere Möglichkeit ist die Ableitung direkt aus dem Speisesignal für den Antrieb 31. beispielsweise durch Differentiation mittels einer Stufe 43. wie dies gestrichelt angedeutet ist. Auch ist es möglich, das >i Referenzsignal unter Verwendung eines zusätzlichen fotoelektrischen Empfängers 44 zu gewinnen, der die Rasterstruktur 16 direkt abtastet. Dieser Empfänger 44 ist ebenfalls gestrichelt angedeutet.

Die Multiplikationsstufe 37 läßt sich auf unterschiedliche Weise realisieren. Sie kann als analoger Multiplizierer durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter oder durch einen elektronischen Schalter oder durch einen Ringmodulator dargestellt werden.

Es kann von Vorteil sein, zur Signalverbesserung aus dem Ausgangssignal der Subtrahierstufe Gleichsignalanteile zu eliminieren. Dies kann beispielsweise mittels eines (in der Zeichnung gestrichelt angedeuteten) der Subtrahierstufe 36 nachgeschalteten Hochpasses 36' oder zweier entsprechenden, vorgeschalteten Hochpässen 36" erfolgen.

Auch die Eingangssignal lassen sich durch l'illermittcl verbessern. Dazu kann man den fotoclektrischen Empfängern 20, 2i je einen Tiefpaß nachschaiten. um die Rausch-Signalantcilc dieser Empfänger zu vermindern.

Die Rasterstruktur kann einerseits körperlich ;)ls Gitter oder Raster, andererseits funktionell aber auch beispielsweise mittels Ultraschall- oder elektrischer Ablenkfelder dargestellt werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Parallaxebestimrnung bei stereoskopischen, vorzugsweise zweiäugigen optischen Systemen mit mindestens einer sich bewegenden Rasterstruktur im Abbildungsstrahlengang, beispielsweise bei einem Basisentfernungsmesser mit in einem solchen System aus unterscheidbaren Lichtflüssen gewonnenen elektrischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der gewonnenen elektrischen Eingangssignale differenziert werden, daß jedes der bei der Differentiation entstandenen Signale mit dem anderen gewonnenen elektrischen Eingangssignal multipliziert wird, daß dann die aus diesen Multiplikationen entstehenden Signale voneinander subtrahiert werden, und daß das aus der Subtraktion resultierende Signal mit einem auf die Relativbewegung der RasterstrukiUT bezogenen Referenzsignal multipliziert wird und das bei dieser Multiplikation entstehende Signal eine Anzeige- und/oder eine Servoeinrichtung steuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die gewonnenen elektrischen Eingangssignale gesiebt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der letztgenannten Multiplikation entstandene Signal geglättet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus den zu subtrahierenden Signalen Gleichsignalanteile eliminiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich aus dem durch die Subtraktion gewonnenen Signal Gleichsignalanteile eliminiert werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der mittels fotoelektrischer Empfänger (20, 21) gewonnenen elektrischen Eingangssignale je einer Differenzierstufe (32,33) zugeführt werden, denen je eine Multiplikationsstufe (34, 35) nachgeschaltet sind, welchen jeweils das andere elektrische Eingangssignal mit zugeführt wird, daß die Ausgangssignale dieser Multiplikationsstufen (34, 35) einer Subtrahierstufe (36) zugeführt werden, deren Ausgangssignal in einer nachgeschalteten Multiplikationsstufe (37) mit einem auf die Relativbewegung der Rasterstruktur (16) bezogenen Referenzsignal multipliziert wird, und daß deren Ausgangssignal einer nachgeschaltetcn Anzeigeeinrichtung (39) und/oder einer Servoeinrichtung (25) zugeführt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den fotoelektrischen Empfängern (20, 21)Tiefpaßfilter(20',21') nachgeschaltet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der letztgenannten Multiplikationsstufe (37) eine Glättungsstufe (38) nachgeschal-IeI ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Subtrahierstufe (36) Hochpaßfilter (36") vorgeschaltet sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Subtrahierstufe (36) ein Hochpaßfilter (36') nachgeschaltel ist.

11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals aus dem Antriebssignal für die Rasterstruktur (16) eine Differenzierstufe (43) vorgesehen ist

12. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals aus der Strukturbewegung direkt ein zusätzlicher, der Rasterstruktur (16) zugeordneter Abtaster (44) vorgesehen ist.

13. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Referenzsignals für den Antrieb (31) der Rasterstruktur (16) ein mit entsprechenden Ausgängen versehener Generator (42) vorhanden ist.

14. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Multiplikationsstufe (37) ein phasenempfindlicher Gleichrichter ist.

15. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Multiplikatior.sstufe (37) ein elektronischer Schalter ist

16. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Multiplikationsstufe (37) ein Ringmodulator ist